杜常清，王琪琪，顏伏伍，張 佩，徐月云

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162)

隨著道路機(jī)動車保有量和行駛里程的快速增長，機(jī)動車在城市和區(qū)域大氣污染物排放中的貢獻(xiàn)日益增長[1]。機(jī)動車排放模型可以反映機(jī)動車污染物排放率與影響排放的數(shù)學(xué)或物理關(guān)系，還可以反映預(yù)測車輛的排放水平等[2]。國內(nèi)外學(xué)者針對行駛工況與排放特性關(guān)系做了許多研究，美國加州大學(xué)河濱分校開發(fā)了適于發(fā)展中國家城市的機(jī)動車污染物排放模型IVE(international vehicle emission model)[3]，該模型需要大量的測試數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)本地化使用。美國環(huán)保局(environmental protection agency,EPA) 開發(fā)了MOBILE(mobile source emission factor model,最新版本6.2)系列模型，該模型基于大量實測數(shù)據(jù)，模擬機(jī)動車運行狀況和背景氣候條件來計算排放因子[4]。MOBILE模型的參數(shù)基于美國環(huán)保局采集的數(shù)據(jù)，與中國車輛技術(shù)水平和行駛工況有較大差異。COPERT(computer programme to calculate emission from road transport,最新版本IV)模型是歐洲開發(fā)的排放因子模型[5]。該模型采用油耗反推法預(yù)測車輛污染物排放因子，根據(jù)道路油耗與各污染物之間的關(guān)系推算出各污染物排放因子，這與根據(jù)車載尾氣檢測(portable emission measurement system，PEMS)采集得出的污染物排放因子存在差異(PEMS基于紅外線分析得到車輛實時排放)，因此COPERT模型預(yù)測的重型車污染物排放因子與PEMS實測數(shù)據(jù)不同。

我國學(xué)者也對機(jī)動車排放模型進(jìn)行了深入研究，賀克斌[6]等研究了城市輕型車實際道路瞬態(tài)排放特征，萬濤[7]、劉宇[8]分別作了捷達(dá)車和富康車的實際排放因子與MOBILE6預(yù)測值的比較分析，所作分析集中在輕型汽油車，研究主要關(guān)注對平均排放因子的預(yù)測，缺少對特定工況特征對排放影響的分析研究，并且對重型車排放特性相關(guān)研究相對較少。重型車在機(jī)動車中的占比雖然較小，但是由于其發(fā)動機(jī)功率大，在機(jī)動車污染物排放占比卻較大。到目前為止重型車的排放標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)發(fā)動機(jī)臺架實驗進(jìn)行的，且采用的測試工況來自歐洲，這些都導(dǎo)致我國的重型車實際道路排放因子比法規(guī)測試出的排放因子偏高，為此工信部設(shè)立中國工況開發(fā)項目，開發(fā)適合我國道路工況特征的重型車工況測試循環(huán)，以適應(yīng)下階段排放法規(guī)采用RDE(real driving emissions)測試的發(fā)展需求。故筆者重點針對重型車排放特性進(jìn)行分析。

筆者以應(yīng)用PEMS設(shè)備采集的武漢市道路試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用統(tǒng)計回歸數(shù)學(xué)方法建立了重型車道路工況排放模型，可直接將污染物排放率與道路工況影響因素之間的關(guān)系用方程表現(xiàn)出來[9]，分析道路工況特點對重型車實際道路排放的影響，為道路排放測試規(guī)范建立以及城市道路交通排放控制提供參考。

1 城市道路重型車排放測試

1.1 排放測試設(shè)備

道路排放(real driving emissions， RDE)測試使用便攜式排放測試系統(tǒng)(PEMS)，主要進(jìn)行氣體(CO2、CO、NOx、HC)組分測量，PEMS采集系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 車載排放測試系統(tǒng)

本研究所做實驗選用SEMTECH-DS車載尾氣分析儀，該設(shè)備集成了多種氣體分析儀及傳感器，可以準(zhǔn)確地檢測單車實際行駛工況下CO、CO2、HC,NOx等污染物的排放率，數(shù)據(jù)采樣頻率為1 Hz。選擇具有代表性的國四標(biāo)準(zhǔn)重型東風(fēng)天錦載貨車作為被測車型。在測試過程中使用GPS(global positioning system)接收設(shè)備記錄車輛的行駛速度，建立測試車輛的實際行駛工況。

1.2 排放測試路線選擇

測試路線包含武漢市部分主干路、次干路、支路、快速路以及高速路，實驗時長10 379 s的測試路線中，城市道路經(jīng)過交叉路口和流量較大的線路，車輛行駛過程中經(jīng)過多次加速、減速和怠速，能夠采集到足夠的車輛污染物排放數(shù)據(jù)。快速路與高速路段部分使車輛能夠在勻速下高速行駛，可以采集到車輛在不同行駛速度下的排放數(shù)據(jù)。

測試路況的構(gòu)成如表1所示。

表1 測試工況構(gòu)成比例 %

2 排放預(yù)測模型的構(gòu)建

2.1 模型參數(shù)選擇

機(jī)動車排放受很多因素的影響，機(jī)動車的排放水平不僅由發(fā)動機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)自身條件所決定，還受道路狀況和行駛狀態(tài)等外部因素影響[10]。此外，機(jī)動車維護(hù)水平、駕駛員駕駛習(xí)慣、空調(diào)使用狀況、環(huán)境溫度和濕度以及油品質(zhì)量等因素也會影響機(jī)動車排放水平。

車輛在實際道路行駛時，車輛行駛參數(shù)、發(fā)動機(jī)運行參數(shù)等是影響其排放的主要因素[11]。研究表明,車輛在實際道路行駛時，行駛速度是影響氣態(tài)污染物排放的關(guān)鍵因素[12]，應(yīng)該同時考慮車輛加速、減速對排放的影響，而且，比功率廣泛應(yīng)用在機(jī)動車排放預(yù)測、排放特征和運行工況分析等領(lǐng)域。

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理

在以往對于重型柴油車的影響因素分析中，大多集中在速度、加速度以及行駛模式的單一分析上，但是排放的變化僅依靠單獨的速度、加速度難以分析出來。因此筆者引入比功率和速度二維參數(shù)，對工況區(qū)間進(jìn)行劃分，分析尾氣排放率在各個工況區(qū)間內(nèi)的變化。

機(jī)動車比功率(vehicle specific power, VSP)最早由美國麻省理工學(xué)院的Jimenez推導(dǎo)并應(yīng)用于遙測數(shù)據(jù)的分析中。根據(jù)VSP定義[13]，可推導(dǎo)得出VSP的計算方法，見公式(1)：

(1)

式中：VSP為機(jī)動車比功率；Ff、Fw、Fi、Fj分別為車輛行駛滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力及加速阻力；v為車輛行駛速度；m為車輛總質(zhì)量(車輛自身質(zhì)量與載重量之和)；εi為質(zhì)量因子;g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；ρa為環(huán)境空氣密度；A為車輛擋風(fēng)面積；vm為風(fēng)速；a為車輛行駛時瞬時加速度；α為道路坡度。

瞬時輸出功率VSP是具有矢量性質(zhì)的物理量[14]，車輛制動減速時，VSP為負(fù)值。在本次測試試驗中，根據(jù)環(huán)境溫度、濕度、測試時間等，得到與VSP計算公式中的相關(guān)參數(shù)取值如表2所示，代入公式(1)進(jìn)行計算整理，得到公式(2)，式中m為車輛整備質(zhì)量與測試設(shè)備質(zhì)量的總和。

VSP=v(1.1a+9.793 6sinα+

(2)

表2 VSP計算參數(shù)取值

2.3 工況區(qū)間劃分方法

基于對國內(nèi)外已有模型的研究分析[15-18]，綜合多項研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)機(jī)動車瞬時比功率能夠很好地反映車輛的行駛工況，相關(guān)性也比較強(qiáng)，可以在物理層面解釋其相關(guān)性。比功率就成為了建模的重要參數(shù)之一。合理選擇行駛工況代用參數(shù)是微觀模塊化處理方法的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行以上處理的關(guān)鍵步驟。筆者選取了VSP和瞬時速度v作為劃分行駛工況區(qū)間的參數(shù)，瞬時速度時間分布比例如圖2所示，VSP時間分布比例如圖3所示。對PEMS采集到的污染物排放測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理。

圖2 瞬時速度時間分布比例

圖3 VSP時間分布比例

由圖2可以看出，根據(jù)試驗車輛的實際運行工況，怠速工況所占時間比例為20%，0～50 km/h工況所占時間比例為28%，50～80 km/h工況所占時間比例為22%，瞬時速度大于80 km/h以上的工況時間比例為30%。符合市區(qū)道路與快速環(huán)線道路結(jié)合的特點。從圖3可以看出，在VSP等于0時，實際工況所占時間比例最大，為30.3%，實際工況在-4 kW/ton以下所占的時間比例為4%，實際工況在-4～0 kW/ton所占的時間比例為8.7%，實際工況在大于0～4 kW/ton所占的時間比例為20.7%，實際工況在4～8 kW/ton所占的時間比例為22.8%，實際工況在大于8 kW/ton所占的時間比例為13.5%。

根據(jù)以上分析，為了使工況區(qū)間包含所有的行駛工況，并保證每個區(qū)間包含的數(shù)據(jù)量比較適中，本研究將瞬時速度劃分為3個區(qū)段，即低速段(0～50 km/h)、中速段(50～80 km/h)和高速段(大于80 km/h)。在各速度區(qū)間內(nèi)，對VSP以-4～12 kW/ton為主要劃分區(qū)間，2 kW/ton為區(qū)間間隔進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果如表3所示。

表3 工況區(qū)間劃分方法(Bin表示工況區(qū)間)

2.4 排放模型的建立

如圖4所示，根據(jù)對不同工況區(qū)間內(nèi)的排放率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，污染物排放率并不是與比功率為簡單的線性關(guān)系，還與速度有關(guān)。根據(jù)速度和比功率可以建立與污染物排放率的二維回歸模型，便可得到每個工況區(qū)間內(nèi)的排放率預(yù)測值。

圖4 行駛工況區(qū)間內(nèi)污染物排放率均值

2.4.1 怠速與制動減速工況下的排放率

怠速(Bin2)排放率與怠速時刻有關(guān)，從怠速開始到怠速結(jié)束時會經(jīng)過過渡時期，發(fā)動機(jī)逐漸從高速運轉(zhuǎn)變?yōu)榈∷?，或者從怠速逐漸變?yōu)楦咚龠\轉(zhuǎn)，過渡時期排放率會略高于穩(wěn)定狀態(tài)下的排放率。怠速工況的排放率可由定值表示。把加速度小于-0.18 m/s2的行駛工況定義為制動減速(Bin1)工況，在制動減速(Bin1)工況時，發(fā)動機(jī)輸出功率小，污染物排放水平低，可將剎車工況直接篩選出來，對此區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨分析，可直接用定值來表示此時的污染物排放率。

2.4.2 實際道路排放率回歸模型

根據(jù)實際測得的工況數(shù)據(jù)，在同一個工況劃分區(qū)間內(nèi)的參數(shù)與排放的關(guān)系可以通過對不同工況區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計回歸得到，最終建立基于速度v和比功率VSP的二維參數(shù)回歸方程。

選取武漢市城市道路的排放數(shù)據(jù)建立模型，以國四標(biāo)準(zhǔn)的重型東風(fēng)天錦作為被測車型，其車輛和測試工況構(gòu)成比例如前所述。將數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)間處理后，對各段車速下車輛污染物逐秒排放率、瞬時速度及比功率進(jìn)行回歸分析。回歸分析采用擬合優(yōu)度R2來判定擬合的質(zhì)量，R2=SSR/SST=1-SSE/SST，其中SST=SSR+SSE，SST為總平方和，SSR為回歸平方和，SSE為殘差平方和。低速、中速和高速的排放回歸模型如表4所示。

表4 排放回歸分析模型

表4中E_CO2,E_CO,E_NOx,E_HC分別為4種尾氣污染物排放率；p為車輛瞬時比功率;v為車輛瞬時速度。

3 模型驗證

為了保證模型的通用性，需要對模型精度進(jìn)行驗證。選取武漢市同種車型進(jìn)行測試，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。將采集到的數(shù)據(jù)先根據(jù)工況區(qū)間進(jìn)行劃分，分為怠速、制動或減速、低速、中速和高速5個區(qū)間，再依據(jù)VSP進(jìn)一步對工況區(qū)間進(jìn)行細(xì)分，將每個區(qū)間內(nèi)速度平均值，比功率平均值帶入所得的方程中，計算出逐秒排放率的預(yù)測值，各個區(qū)間污染物排放率預(yù)測值與實測值對比分析如圖5～圖8所示。根據(jù)新采集的武漢市重型車排放數(shù)據(jù)，將劃分區(qū)間內(nèi)的速度v平均值和比功率VSP平均值帶入已得到的方程中，計算得到基于武漢城市工況數(shù)據(jù)的污染物排放預(yù)測值與預(yù)測值的對比圖，可以發(fā)現(xiàn)，實測值與預(yù)測值的誤差均小于10%且誤差均值為1.9%，模型結(jié)果可用于武漢市城市道路重型車的排放預(yù)測，且模型準(zhǔn)確性良好。

圖5 CO2排放率實測值與預(yù)測值

圖6 CO排放率實測值與預(yù)測值

圖7 HC排放率實測值與預(yù)測值

圖8 NOx排放率實測值與預(yù)測值

從圖4～圖8可以看出，在每個車速區(qū)間內(nèi)，隨著車輛VSP的增加，各種排放物都增加。而VSP值較大的工況主要是加速和重載工況，因此有效控制車輛加減速的次數(shù)，減少超載可以有效地降低排放水平。

4 總結(jié)

重型車作為武漢城市車輛的重要組成部分，對城市環(huán)境具有不容忽視的作用。筆者以城市重型車為研究對象，應(yīng)用便攜式排放測試系統(tǒng)(PEMS)采集車輛污染物排放測試數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性。GPS系統(tǒng)采集車輛實際行駛工況數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，車輛瞬時速度v和比功率VSP劃分的行駛工況區(qū)間可以代表車輛的行駛工況特征。采用回歸分析的方法建立車輛污染物逐秒排放率與實際道路工況的排放預(yù)測模型。結(jié)果表明預(yù)測值與實測值誤差均小于10%且誤差均值為1.9%，模型準(zhǔn)確性良好。其研究結(jié)果還可與武漢市交通管理相結(jié)合，為污染物排放控制提供依據(jù)。

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