何 冬，李 濤，汪 欣，曾東建，尹 朧

(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，成都 610039；2. 四川省機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心，成都 610091； 3.南充市生態(tài)環(huán)境局機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心，四川 南充 637000)

前 言

截止2019年，全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到3.48億輛，全國機(jī)動(dòng)車CO、HC、NOX和PM 4項(xiàng)污染物排放總量為1 603.8萬t[1]。汽車是大氣污染的主要貢獻(xiàn)者，而柴油貨車排放的NOX和PM是光化學(xué)煙霧、臭氧及霧霾天氣產(chǎn)生的致命因素。所以機(jī)動(dòng)車污染排放物總量的控制及檢測是保護(hù)大氣環(huán)境的一個(gè)重要課題。我國現(xiàn)行的在用柴油貨車排氣污染物檢測方法主要有加載減速法和自由加速法，加載減速法能近似模擬車輛的實(shí)際工況；自由加速法簡單、便捷[2～5]。這兩種方法經(jīng)過多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，技術(shù)成熟，得到廣泛認(rèn)可。然而這兩種方法的缺點(diǎn)是被檢測車輛必須靜止在規(guī)定的檢測場所才能進(jìn)行檢測，且檢測車況特殊且復(fù)雜，不便作為行駛在道路上、工況不受控制的、正在行駛的柴油貨車的檢測。相比于傳統(tǒng)的檢測方法，遙感檢測法有檢測速度快、檢測范圍寬、檢測效率高、成本低、等優(yōu)點(diǎn)[6]，是一種靈活的、快捷的機(jī)動(dòng)車排氣污染物檢測手段。且柴油貨車排氣污染物遙測技術(shù)可以采用非接觸、不?？?、不影響車輛正常通行的一種檢測方法，為柴油貨車排氣污染物的道路檢測提供了可能[7]。但是，遙感檢測技術(shù)作為一種方便、快捷的柴油貨車排放污染物檢測技術(shù)，其所檢測排放污染物數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)所測得的污染物數(shù)據(jù)相比較，其可靠性、相關(guān)性還需要進(jìn)一步研究。

為了深入了解遙感檢測法與傳統(tǒng)柴油貨車排氣污染物檢測方法區(qū)別，在四川省檢測尾氣排放工作中能更好的應(yīng)用不同的手段方法，對在用機(jī)動(dòng)車有效的管理和控制。本文基于GB 3847-2018《車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣煙度排放限值及測量方式》和HJ 845-2017《在用柴油車排氣污染物測量方法及技術(shù)要求(遙感檢測法)》[8-9]，對這兩種檢測方法進(jìn)行了相關(guān)性對比試驗(yàn)和分析。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)檢測設(shè)備

本次對比試驗(yàn)采用車載移動(dòng)式遙感檢測設(shè)備，設(shè)備主要由排氣污染測量分析系統(tǒng)、工控機(jī)、攝像系統(tǒng)、車牌自動(dòng)識別系統(tǒng)、環(huán)境條件檢測儀等組成，如圖1所示。

圖1 車載移動(dòng)式遙感檢測設(shè)備Fig.1 Vehicle-mounted mobile remote sensing detection equipment

自由加速法檢測柴油機(jī)顆粒排放物所用設(shè)備：廈門海騰發(fā)動(dòng)機(jī)測試設(shè)備有限公司生產(chǎn)的海騰DISMOKE 480BT不透光煙度計(jì)，如圖2所示。

圖2 海騰DISMOKE 480BT不透光煙度計(jì)Fig.2 Haiteng DISMOKE 480 BT opaque smoke meter

1.2 試驗(yàn)環(huán)境條件

為了保證對比試驗(yàn)的有效性、科學(xué)性，根據(jù)HJ 845-2017《在用柴油車排氣污染物測量方法及技術(shù)要求(遙感檢測法)》要求，對試驗(yàn)地點(diǎn)、環(huán)境等條件提出如下要求，如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)要求Tab.1 Environmental parameter requirements

1.3 試驗(yàn)方案

按照表1規(guī)定要求，在德陽、綿陽、巴中三個(gè)城市隨機(jī)選擇多個(gè)對比試驗(yàn)地點(diǎn)，針對過往的柴油車分別用遙感法和自由加速法進(jìn)行尾氣檢測。本次對比試驗(yàn)一共檢測了17不同型號的78輛柴油車。對比試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行：

1.3.1 在測試路段設(shè)置引導(dǎo)路線，指引測試車輛進(jìn)入測試路段。對測試車輛排氣中的顆粒狀污染物進(jìn)行遙感檢測(見圖3)。

圖3 柴油車排氣顆粒物遙感檢測中Fig.3 Remote sensing detection of diesel exhaust particles

1.3.2 將已經(jīng)過遙感檢測的測試車引導(dǎo)?？吭谥付ǖ攸c(diǎn)，按照自由加速法進(jìn)行排氣污染物中的顆粒物進(jìn)行檢測(見圖4)。

圖4 柴油車按照自由加速法進(jìn)行排氣顆粒檢測中Fig.4 Exhaust particle detection of diesel vehicles according to the free acceleration method

2 對比試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)性分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為了進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性分析，將測得的光吸收系數(shù)通過計(jì)算公式(1)轉(zhuǎn)化為不透光煙度。

(1)

式中：N——不透光煙度，%；

K ——相應(yīng)的光吸收系數(shù)值；

L ——透過被測氣體的光通道的有效長度。

相關(guān)性一般使用線性相關(guān)系數(shù)R來進(jìn)行評判，為了獲取相關(guān)系數(shù)R，一般都先計(jì)算可決系數(shù)R2，見式(2)。

(2)

其中：R=0為完全不相關(guān)，0<│R│<0.3為基本不相關(guān)，0.3<│R│<0.5為低度相關(guān)，0.5<│R│<0.8為顯著相關(guān)，0.8<│R│<1為高度相關(guān)，│R│=1為完全相關(guān)。

2.2 遙感法、自由加速法檢測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

利用線性回歸的方法，對77輛抽樣試驗(yàn)柴油車自由加速法和遙感法不透光煙度整體相關(guān)性進(jìn)行分析，抽樣車輛自由加速法和遙感法不透光煙度相關(guān)性分析結(jié)果和整體相關(guān)性結(jié)果如圖5所示。不透光煙度的線性相關(guān)系數(shù)為0.675，是為顯著相關(guān)。

圖5 不透光煙度相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis of opaque smoke

機(jī)動(dòng)車在實(shí)際道路行駛過程中，由于交通流和道路狀況的影響，會引起機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)的改變，進(jìn)而帶來車輛功率需求的變化，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗和排放量的差異。所以遙感法測得顆粒物所在的高排放工況很可能只是某種特殊情況下的瞬時(shí)高排放，從而錯(cuò)誤判定該機(jī)動(dòng)車為高排污車輛。為了避免這種誤判，準(zhǔn)確地描述功率需求隨車輛行駛狀態(tài)的變化，美國麻省理工學(xué)院的 Jiménez-Palacios 提出了機(jī)動(dòng)車比功率VSP(Vehicle Specific Power)這一概念[10-11]，VSP意指某一時(shí)刻單位質(zhì)量機(jī)動(dòng)車所對應(yīng)的功率(kw/t或者m2/s3)，它表示發(fā)動(dòng)機(jī)克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力所做的功率、汽車因內(nèi)部機(jī)構(gòu)工作摩擦產(chǎn)生的傳動(dòng)損失功率以及增加機(jī)動(dòng)車的動(dòng)能和勢能所需要發(fā)出的功率。另外，Jiménez- Palacios還總結(jié)提出了適用于機(jī)動(dòng)車排放計(jì)算的比功率計(jì)算的公式，如式(3)所示：

VSP=v[1.1a+9.8as+0.132]+0.000302v3

(3)

式中，v——機(jī)動(dòng)車行駛速度，單位：m/s；

a——機(jī)動(dòng)車行駛瞬時(shí)加速度，單位：m/s2；

s——為坡度(無量綱)。

因此為了減少誤判，業(yè)內(nèi)廣泛采用VSP來對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選鑒別，把VSP分為3個(gè)區(qū)域：

(1)VSP < 0時(shí)，此時(shí)車輛制動(dòng)減速頻繁，減速度值比較大；

(2)0 < VSP <5 kw/t時(shí)，車輛相對行駛順暢，沒有急加速或者急減速的情況產(chǎn)生；

(3)VSP > 5 kw/t時(shí)，車輛車速較高，加速度較大，一般對應(yīng)的是車輛急加速的情況。

根據(jù)VSP分區(qū)，對在不通過分區(qū)內(nèi)的柴油車輛自由加速法和遙感法不透光煙度相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果分別如圖6～圖8所示。

圖6 不透光煙度相關(guān)性分析(VSP < 0)Fig.6 Correlation analysis of opaque smoke (VSP <0)

圖7 不透光煙度相關(guān)性分析(0 < VSP <5 kw/t)Fig.7 Correlation analysis of opaque smoke (0

圖8 不透光煙度相關(guān)性分析(VSP > 5 kw/t)Fig.8 Correlation analysis of opaque smoke (VSP> 5 kw/t)

表2是按VSP分區(qū)后，柴油車輛自由加速法和遙感法不透光煙度相關(guān)性分析結(jié)果。

表2 VSP分區(qū)自由加速法、遙感法檢測值相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of the detection values of the VSP zoning free acceleration method and remote sensing method

由表2可知，VSP<0以及大于VSP>5 kw/t時(shí)，柴油車輛自由加速法和遙感法測得的不透光煙度的具有較高的線性相關(guān)系數(shù)。而0 < VSP <5 kw/t時(shí)，柴油車輛自由加速法和遙感法測得的不透光煙度相關(guān)性系數(shù)較低。由此說明：車輛在急加速或急減速時(shí)，兩種測試方法所經(jīng)歷的汽車運(yùn)行工況相似，因此測得的不透光煙度結(jié)果表明，兩種測量方法具有高相關(guān)性；而當(dāng)0 < VSP <5 kw/t時(shí)，采用遙感法進(jìn)行排放顆粒物測量時(shí)，車輛行駛相對順暢，沒有急加速或者急減速的情況產(chǎn)生，故此與自由加速法測量工況相差較大，兩種測量方法測得的不透光煙度的相關(guān)性系數(shù)表明，兩種測量方法具有顯著相關(guān)性。

2.2.1 增壓柴油汽車與自然吸氣柴油汽車遙感、自由加速法檢測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

如圖9、圖10所示，為增壓、自然吸氣柴油汽車自由加速法和遙感法不透光煙度相關(guān)性分析。

圖9 增壓柴油汽車不透光煙度相關(guān)性分析Fig.9 Correlation analysis of opaque smoke of supercharged diesel vehicles

圖10 自然吸氣柴油汽車不透光煙度相關(guān)性分析Fig.10 Correlation analysis of opaque smoke of naturally aspirated diesel vehicles

如圖9、圖10所示，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的煙度值在兩種測量方法所得結(jié)果線性相關(guān)系數(shù)為0.759，整體相關(guān)系數(shù)較高，相關(guān)性為顯著相關(guān)；而自然吸氣柴油汽車車輛的煙度值在兩種測量方法所得結(jié)果線性相關(guān)性系數(shù)為0.484，整體相關(guān)系數(shù)較低，相關(guān)性為弱相關(guān)。本次對比試驗(yàn)中，增壓柴油汽車共有68輛，自然吸氣柴油車僅有9輛，自然吸氣柴油車測試樣本數(shù)少，這也是相關(guān)性弱的原因之一。

2.2.2 針對增壓柴油汽車遙感法、自由加速法檢測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

針對增壓柴油汽車進(jìn)行VSP分區(qū)(分區(qū)范圍同上)相關(guān)性分析，結(jié)果如圖11～圖13所示，表3為具體結(jié)果分析。

表3 增壓柴油汽車VSP分區(qū)后自由加速法、 遙感法試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of test data of free acceleration method and remote sensing method after VSP partitioning of supercharged diesel vehicles

結(jié)果表明：增壓柴油汽車按VSP分區(qū)后自由加速法、遙感法對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)普遍較高。

圖11 增壓車輛不透光煙度相關(guān)性分析(VSP < 0)Fig.11 Correlation analysis of opaque smoke of supercharged vehicles (VSP <0)

圖12 增壓柴油汽車不透光煙度相關(guān)性分析(0 < VSP <5)Fig.12 Correlation analysis of opaque smoke of supercharged diesel vehicles (0

圖13 增壓柴油汽車不透光煙度相關(guān)性分析(VSP > 5)Fig.13 Correlation analysis of opaque smoke of supercharged diesel vehicles (VSP> 5)

3 結(jié) 論

3.1 77輛柴油汽車分別按自由加速法、遙感法進(jìn)行試驗(yàn)，所得顆粒污染物數(shù)據(jù)經(jīng)線性回歸處理后，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性為顯著相關(guān)。

3.2 68輛增壓柴油汽車自由加速法、遙感法顆粒污染物數(shù)據(jù)相關(guān)性為強(qiáng)相關(guān)；9輛自然吸氣柴油汽車自由加速法、遙感法顆粒污染物數(shù)據(jù)相關(guān)性為弱相關(guān)。

3.3 按VSP分區(qū)后。VSP < 0時(shí)，顆粒污染物數(shù)據(jù)相關(guān)性為顯著相關(guān)；0 < VSP <5時(shí)，顆粒污染物數(shù)據(jù)相關(guān)性也為顯著相關(guān)；VSP > 5時(shí)，顆粒污染物數(shù)據(jù)相關(guān)性為高相關(guān)。增壓柴油汽車，不論VSP在何區(qū)間，自由加速法、遙感法顆粒污染物數(shù)據(jù)相關(guān)性為強(qiáng)相關(guān)。

3.4 作為一種新的汽車尾氣快速檢測方法，遙感法不僅在檢測速度和檢測效率方面超越傳統(tǒng)柴油貨車排氣污染物檢測方法，其結(jié)果的準(zhǔn)確性和相關(guān)性也與傳統(tǒng)柴油貨車排氣污染物檢測方法接近。可以預(yù)測遙感法能逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油貨車排氣污染物檢測方法在四川機(jī)動(dòng)車排氣檢測工作中發(fā)揮重要作用。