（动力机械及工程专业论文）城市机动车道路排放因子和排放特性研究.pdf

摘要 排放因子是表征机动车污染物排放量和估算城市机动车排放分担率的基础 参数，也是遴选和评价机动车污染物控制技术的重要依据。目前我国在该领域的 研究多采用别国的基础数据和预测模型，与我国实际情况差距较大，不能用于有 效指导实践。因此，研究机动车道路排放因子和排放特征，开发本土化排放模型， 对进一步提高机动车的排放控制和管理水平有重要意义。论文设计了车载综合排 放测试系统( i e m s ) ，选择了我国典型城市一天津市和北京市，分别对轻型汽油 车、柴油车和混合动力公交车等城市机动车进行了大量道路排放测试，研究了机 动车道路排放因子和排放特性，论文取得以下主要研究成果： ( 1 ) 基于气体污染物测量系统o b s 2 2 0 0 和颗粒物测量系统e l p i 平台，设 计开发的i e m s ，能够在车辆实际行驶条件下，同时测量气态污染物和p m 排放。 经与实验室排放认证设备研究对比，证明i e m s 具有良好的重现性和准确度。 ( 2 ) 天津市轻型汽油车排放因子研究表明：道路排放因子远高于实验室测 量的排放因子；不同技术特征的机动车排放水平差异明显，电控车的排放明显优 于化油器车，带e g r 的汽油车的排放劣化趋势明显好于无e g r 汽油车；车辆 v s p 和发动机工作强度是反映排放与行驶工况之间关系的重要参数，天津市机动 车v s p 分布与国外典型城市不同，车辆在9 5 的时间行驶在低发动机工作强度 下；此外，论文对天津市机动车排放因子、车辆行驶特征和车辆动态组成等i v e 模型参数的本地化是增强i v e 模型预测准确性的基础。 ( 3 ) 柴油车p m 和n o x 排放特性及排放因子研究表明：国和国车辆在 北京市城市公交工况( b j c b c ) 时，粒径小于0 3 9 , m 的颗粒物粒数浓度约占9 9 ， 粒径大于0 3 9 m 颗粒物质量浓度约占8 0 ；国车p m 质量浓度排放比国车 降低3 8 4 ，粒数浓度增加1 6 5 ，n o x 质量排放降低3 5 ；相同技术条件国 车辆，b j c b c 实验工况下粒径小于0 0 5 9 m 细颗粒的粒数浓度是e t c 台架实验 两倍左右；加装d p f 后处理系统的车辆，p m 的粒数浓度和质量浓度均可降低 9 9 左右，并且p m 随速度和加速度的变化不明显。 ( 4 ) 基于国排放标准的柴电混合动力公交车平均燃料消耗量比满足国 排放的纯柴油公交车低2 0 ，柴电混合动力公交车排气污染物大多显著低于纯 柴油公交车，对n o x 和p m 的平均质量排放削减率分别约为2 0 和5 0 ；但与 满足国i v 排放标准的纯柴油公交车相比，排放性能没有优势。 关键词：机动车，车载排放测量，城市工况，排放因子，排放模型，排放特性 a b s t r a c t e m i s s i o nf a c t o ri st h eb a s i cp a r a m e t e rn o to n l yi ni n d i c a t i n gv e h i c l ep o l l u t a n t e m i s s i o n sa n de s t i m a t i n gv e h i c l ee m i s s i o ns h a r ei nu r b a na t m o s p h e r i cp o l l u t a n t s ，b u t a l s oi ne m p l o y i n ga n de v a l u a t i n gv a r i o u sc o n t r o lt e c h n o l o g i e so nv e h i c l ee m i s s i o n s c u r r e n t l y , m o s to f d o m e s t i cr & d a c t i o n si nv e h i c l e sa d o p tt h eo v e r s e af u n d a m e n t a l d a t aa n dp r e d i c t i o nm o d e l s ，w h i c hh a v ed i s t i n c td i f f e r e n c ef r o mt h o s eo fc h i n aa n d a r eu n s u i t a b l ef o rt h ep r a c t i c a la c c e p t a n c ei nc h i n a t h e r e f o r e 。i ti si nf a v o ro ft h e i m p r o v e m e n to fv e h i c l ee m i s s i o n sc o n t r o la n dm a n a g e m e n t t os t u d yd o m e s t i co n r o a d e m i s s i o nf a c t o r sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e tu pd o m e s t i cv e h i c l ee m i s s i o nm o d e l i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，a ni n t e g r a t e de m i s s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ( i e m s ) w a sd e s i g n e d ， a n dt h e na i m e da tt h ed o m e s t i ct y p i c a lc i t i e s ，t i a n j i na n db e i j i n g ，c o m p r e h e n s i v e o n - r o a de m i s s i o nt e s t sw e r ec o n d u c t e do ng a s o l i n el i g h t - d u t yv e h i c l e s ( g l d v s ) ， d i e s e lh e a v y - d u t yv e h i c l e s ( d h d v s ) a n dh y b r i db u s e sr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h e s e d a t a , t h eo n r o a de m i s s i o nf a c t o r sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l e sw e r es t u d i e d ，a n dt h e m a i nr e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t hg a s e o u sp o l l u t a n t sm e a s u r i n gs y s t e mo b s 2 2 0 0a n dp a r t i c u l a t e m e a s u r e m e n ts y s t e me l p i ，t h ei e m sc o u l ds i m u l t a n e o u s l yo b t a i nt h ed a t ao fb o t h g a s e o u sp o l l u t a n t sa n dp mu n d e r o n r o a dv e h i c l ed r i v i n gc o n d i t i o n s c o m p a r e dw i t h t h ed a t af r o mt h er e g u l a t i o nc e r t i f i c a t i o ne q u i p m e n t so ft h el a b o r a t o r y ，r e p e a t a b i l i t y a n da c c u r a c yo ft h es y s t e mh a db e e nv e r i f i e d ( 2 ) t h es t u d yo fe m i s s i o nf a c t o r so fg l d v si nt i a n j i ns h o w e dt h a to n r o a d e m i s s i o nf a c t o r sw e r em u c hh i g h e rt h a nt h o s ei nt h el a b e m i s s i o nf a c t o r sw e r eq u i t e d i f f e r e n ta m o n gt h ev e h i c l e sw i t hd i f f e r e n tt e c h n i c a ll e v e l s f o re x a m p l e ，e f iv e h i c l e s e m i t t e dl e s se x h a u s tp o l l u t a n t st h a nc a r b u r e t o rv e h i c l e s ，a n dd e t e r i o r a t i o nr a t eo f g a s o l i n ev e h i c l e sw i t he g r w a so b v i o u s l yl o w e rt h a nt h a tw i t h o u te g r v e h i c l ev s p a n de n g i n ew o r ks t r e n g t ha r et h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sw h i c hi n d i c a t et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne x h a u s te m i s s i o n sa n dv e h i c l ed r i v i n gc o n d i t i o n s i nt i a n j i n ，9 5 o fe n g i n e r u n n i n gt i m eu s u a l l yw a st a k e n u n d e rl o ws t r e n g t hc o n d i t i o n s ，t h u s t h ev s p d i s t r i b u t i o nw a sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h a to ft y p i c a lf o r e i g nc i t i e s i na d d i t i o n ，t h e p a r a m e t e rl o c a l i z a t i o no fi v em o d e l s ，s u c ha s v e h i c l ee m i s s i o nf a c t o r , r u n n i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dv e h i c l ed y n a m i cf l e e t , w a st h eb a s i sf o ri m p r o v i n gt h ep r e d i c t i o n a c c u r a c yo fl v em o d e l ( 3 ) t h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n df a c t o r so ft h ep ma n dn o xf r o md h d v s i n d i c a t e dt h a tw h e nt h ev e h i c l e s ，w h i c hm e tt h es t a t ep h a s ei ia n dp h a s e l l le m i s s i o n r e g u l a t i o n s ，r u nu n d e rt h eb e i j i n gc i t yb u sc y c l e ( b j c b c ) ，t h ee x h a u s tp a r t i c u l a t e s w i t hd i a m e t e rl e s st h a n0 3p ma c c o u n t e df o r9 9 o fp mn u m b e rc o n c e n t r a t i o n ， w h i l et h o s ew i t hd i a m e t e rm o r et h a n0 3u ma c c o u n t e df o ra b o u t8 0 o fp mm a s s c o n c e n t r a t i o n f o rt h ep h a s el l iv e h i c l e s t h ep me m i s s i o n sd e c r e a s e db y3 8 4 i n m a s sc o n c e n t r m i o n 16 5 i nn u m b e rc o n c e n t r a t i o na n dt h en o xe m i s s i o n sb y3 5 i nm a s sc o n c e n t r a t i o nr e l m i v et ot h ep h a s ei iv e h i c l e s ，r e s p e c t i v e l y u n d e rt h eb j c b c ， t h en u m b e rc o n c e n t r a t i o no ft h ep mw i t hd i a m e t e rl e s st h a n0 0 5l a mw a s a p p r o x i m a t e l yt w of o l dh i g h e rt h a nt h a tu n d e rt h ee t cb e n c he x p e r i m e n tu s i n g c o m p a r a b l ep h a s e1 i iv e h i c l e s t h en u m b e ra n dm a s sc o n c e n t r a t i o n so fp mf r o m v e h i c l e sw o u l dd e c r e a s eb y9 9 i nt h ep r e s e n c eo fd p fa f t e r - t r e a t m e n ts y s t e m ，a n d n oc h a n g ei np me m i s s i o nc o u l db eo b s e r v e dw i t ht h es p e e da n da c c e l e r a t i o n ( 4 ) t h ea v e r a g ef u e lc o n s u m p t i o no fd i e s e l - e l e c t r i ch y b r i db u s ( d e h b ) w h i c h m e tt h es t a t ep h a s e e m i s s i o nr e g u l a t i o nw a sr e d u c e db y2 0 a sc o m p a r e dw i t ht h e b u sf u e l e dw i t hn e a td i e s e l ( b f n d ) w h i c hm e tt h es t a t ep h a s e i e m i s s i o nr e g u l a t i o n m o r e o v e r , t h ed e h be m i t t e dl e s se x h a u s tp o l l u t a n t st h a nb f n d w i t ht h ea v e r a g e r e d u c t i o no f2 0 1 i nn o xm a s sc o n c e n t r a t i o na n d5 0 i np mm a s sc o n c e n t r a t i o n r e s p e c t i v e l y b u tt h ed e h bh a dn oa d v a n t a g eo fe x h a u s te m i s s i o n sc o m p a r e dw i t h t h eb f n dw h i c hm e tt h es t a t ep h a s ei ve m i s s i o nr e g u l a t i o n k e yw o r d s ：v e h i c l e s ，o n b r o a de m i s s i o n m e a s u r e m e n t , u r b a nc y c l e ， e m i s s i o nf a c t o r , e m i s s i o nm o d e l ，e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：专i 鳞签字嗍 门l 张k 学位论文作者签名：莎i 剖譬 签字日期： 学位论文版权使用授权书 月占同 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲81 掂 翩躲 学位论文作者躲3 1 9 当 导师躲 签字日期：船年1 1 月8 日签字日期。舶谬年j 7 月髫日 第褒绪论 1 1 前言 第一章绪论 对新能源汽车的研究开发是当前汽车行业的研究热点，但是迄今为止，传统 的内燃机汽车仍然在汽车市场上占绝对主导地位。与1 0 0 多年前生产的内燃机相 比，现代内燃机技术已经有了长足的发展，在节能与降低排放等方面有了巨大的 进步，但是内燃机污染环境的基本特性却依然存在。随着国民经济的飞速发展， 我国汽车的年产量和保有量迅速增加，由汽车排放所导致的大气污染越来越严 重，直接影响着城镇居民的生活品质，并导致各种与呼吸道相关的疾病发病率逐 年上升。过量使用汽车导致的环境污染还使自然界的生态平衡遭到严重破坏，大 量研究结果表明汽车排放污染物已经成为城市的主要污染来源。例如美国主要城 市中的三种大气污染物中，c o 的8 4 、n o x 的4 2 、h c 的7 0 来源于机动车 废气排放；欧洲主要城市中c o 的7 6 、n o x 的5 1 、h c 的3 6 来自于机动车 废气排放；在中国，北京、上海、广州等大城市大气污染物中c o 的8 0 ，h c 的7 5 ，n o x 的6 8 来自于机动车废气排放，机动车排放所导致的大气污染不 容忽视【m 。 全球在用汽车的保有量大约为8 亿辆，大部分在城市中使用，这些汽车每年 排出约2 亿吨c o 、4 0 0 0 万吨h c 、2 0 0 0 万吨n o x 等有害气体。c o 吸入人体后， 很容易和血液中的血红蛋白结合，形成缺氧红血蛋白( c o h b ) ，使血液中的血 红蛋白不能与氧结合，导致人体严重缺氧，甚至死亡；c 0 的危害具有积累性质， 人处在混有c o 的空气中时间越长、环境中c o 的浓度越高、血液中积累的c o h b 就越多，对人的危害也就越大；n o 和n 0 2 会对人体的呼吸系统造成损害，n 0 2 中毒不仅可以使人发生肺气肿，更严重的是，n o 。和h c 在特定的条件下会发生 光化学反应，生成光化学烟雾，产生更严重的二次污染物，对动、植物造成非常 严重的危害。此外，h c 会导致骨髓功能减弱，减少血液中红、白血球的细胞数 量；研究表明车辆排放的h c 中还包括有p a h s 等多种致癌物质。虽然机动车排 放的c 0 2 对人体不会造成直接危害，但由于全球大量使用矿物燃料，导致大气 层中的c 0 2 的浓度持续增长，加剧了全球温室效应，造成全球气候变暖，对全 球气候变化带来非常不利的影响。随着在用车数量的逐年增加，汽车排放到大气 中的有害物质不断增加，更进一步加剧了全球环境的恶化【引。因此有效地控制和 降低机动车排放是改善城市空气质量，提高人民生活环境，保证国民经济可持续 第一章绪论 发展的重要战略问题。 美国加州在上世纪六十年代初就颁布实施了世界上第一个排放法规，开始采 用各种先进技术有效控制机动车的排放污染。随后美国联邦政府、欧盟、日本先 后颁布了各自的排放法规，我国在1 9 8 3 年也颁布实施相应的机动车排放标准。 随着人们对机动车排放特性认识的不断深入，以及排放测试技术的进步，排放法 规也由简单的怠速法和自由加速法过渡到了相对复杂的工况法，以全面反应整车 的排放状况，试图通过对实际运行工况的排放实验，全面控制机动车排放，并由 此发展了美国、欧盟和日本等三大排放标准体系。虽然美、日、欧三大排放体系 的循环工况有所不同，但均是在调查本国或者本地区典型城市行驶工况的基础上 发展起来的，在一定程度上反映了机动车的实际道路排放特征。 我国沿用欧盟的排放标准体系，采用了等同欧盟法规中的排放测试循环作为 新车认证工况，对新生产汽车或者发动机进行型式认证和生产一致性检查试验。 由于我国的道路交通状况不同于欧洲，实际机动车运行工况和新车认证工况有比 较大的差异。因此，虽然新车排放认证实验能够反映出不同车辆的排放差别，但 是却不能反映出在实际道路上车辆的真实排放状况，因此排放认证试验结果并不 适合用来估算我国城市中机动车的排放总量，也就不能用来作为我国城市大气污 染控制策略的依据。 为获取机动车辆在实际运行工况下的排放特性参数，美国e p a 最早开展了 城市道路中实际排放因子的研究，他们通过大量的道路工况调查，提取出城市典 型道路的实际道路循环，通过实验室模拟复现循环的方式得到车辆的道路排放因 子，并在此基础上开发了m o b i l e 系列程序，用于进行实际道路排放因子研究。 实验室中便于对实验条件进行严格控制，因此实验数据的重现性比较好，具有一 定的科学性。但是这种方法也具有天生的缺陷：进行实验室试验的效率不高，每 年能够进行试验的车辆数量有限，并且由于不是在实际道路上进行的，通过实验 室试验获得的基础数据有限，且缺乏代表性。因此，寻找一种方便、快捷，能够 在实际道路上进行实时排放测量的车载测试方法无疑是既能提高试验效率，又能 真实反映实际道路排放的最直接有效的研究方法。 在上述实际道路排放因子研究需求的背景下，开发出能够在实际道路上准确 测量机动车实际排放量的车载排放设备的研究成为机动车排放因子研究的关键。 主要设备供应商经过二十多年的不断研究改进，车载排放测量设备不断完善，目 前主流车载排放设备的测量精度甚至可以和实验室设备相媲美，二者之间具有高 度相关性，这使得对机动车在实际行驶条件下进行瞬时排放研究成为可能。 第一章绪论 1 2 机动车排放因子的主要影响因素 事实证明，准确获得机动车的排放因子是城市机动车污染控制体系的研究核 心内容之一。机动车排放因子是指单辆机动车运行单位里程或单位时间或消耗单 位燃料所排放的污染物，常用的计量单位有g k m 或g h 或g k g ( 燃料) 。排放因 子反映了机动车的实际排放水平，是进行排放控制对策研究的基础和主要依据。 确定机动车排放因子的主要目的是为了量化城市的实际机动车污染状况，进而为 机动车污染控制管理部门的科学决策提供重要依据，以下是影响排放因子的主要 因素： 1 排放法规 为了满足日益严格的排放法规，各汽车和发动机制造商都投入巨资研发先进 的排放控制技术，先进技术的采用导致机动车单车排放量不断下降1 6 ，这可以从 三方面加以说明： ( 1 ) 排放标准对新生产车辆单车的排放水平和劣化水平都进行了最低控 制量的规定，明确了零公里排放水平( z m l ) 和劣化系数的最基本要求； ( 2 ) 为保证机动车排放的污染物总量不随机动车数量的增长而增加，各 国政府都在根据自己的实际情况，不断加严新车排放标准，促使生产企 业不断地研究、开发、生产排放控制性能良好的新车型，以降低单车排 放水平，从而导致排放因子的不断降低； ( 3 )为保证在用机动车排放的持续达标，各国纷纷制定了严格的在用车 排放控制标准，保证机动车以良好的状态上路。 2 交通环境 由于车速和发动机的负荷大小密切相关，因此车辆排放的污染物与车辆行驶 工况存在明确的相关性f 侧。当车速较低，发动机负荷较小时，缸内可燃混合气 的数量相对较少，燃烧可能变得不稳定，导致h c 和c o 排放的增加，这时n o x 排放相对较低；在车速较高时，发动机燃烧状况得到改善，h c 和c o 排放降低， 但n o x 排放增加，在高速工况由于排放量和车速的共同影响，可能导致以g k m 表示的实际排放因子的降低。美国e p a 对大量排放测试数据的研究结果表明用： 车速是影响实际污染物排放量的最重要因素之一，在车速较低时( 低于3 0 k m h ) ， c o 和h c 排放因子随速度的增加呈负指数下降，但车速对n o x 排放因子的影响 相对较小；怠速和减速时，c o 和h c 排放恶化，加速或高速行驶时，n o x 的排 放增加。车速既影响单车排放，交通环境又影响车辆的平均行驶速度，因此交通 环境对单车排放因子的影响不容忽视。 3 燃料性质和环境条件 第一章绪论 燃料和气候条件对车辆排放的影响表现在h c 蒸发排放等方面，燃料的饱和 蒸气压和环境温度决定燃料的挥发程度。燃料的饱和蒸气压越高，就越容易蒸发， 导致蒸发排放增加。环境温度较低时，h c 蒸发排放减少；相反，环境温度升高 时，h c 蒸发排放相应增加。 燃料品质的优劣直接影响到机动车实际排放控制水平、劣化速度和排放量。 例如使用高硫劣质柴油的国i i i 发动机可能会出现电控系统失效、排放恶化及p m 排放增加等现象。 环境温度还对车辆的启动性能产生影响，从而影响整车的排放性能，研究排 放因子时，必须考虑温度的影响。高海拔地区可能影响车辆的进、排气状态和实 际进入发动机中的氧含量，从而影响发动机的燃烧状况和标定状态，对车辆排放 产生影响。 4 车辆的使用条件和维护水平 各种排放控制装置、空调开关、冷热启动比例、负载状态等都对车辆的实际 排放产生重要影响。发动机工作不正常，排放控制装置失效及车辆冷启动和过载 时需要额外增加供油量，并有可能导致燃烧不充分，从而导致单车排放量的增加。 加强车辆的维修保养，养成良好的车辆使用习惯，保证车辆各部件处于正常工作， 减少车辆冷启动次数，避免车辆过载，避免对车辆进行急加速和急减速操作等都 能有效减少车辆实际排放的各种污染物。 5 i m 制度 建立完善的检测维修( i m ) 制度，提高车辆检测技术水平，采取先进的测试 方法和检测设备，不但能有效获得车辆的实际工作状况和排放状况，也可以结合 检测情况加强车辆的排放维修工作。通过i m 制度的实施和完善，强化机动车的 排放检测和监督管理，是保证在用车排放能够稳定达标，减少在用车排放的重要 措施。 1 3 排放因子的研究方法 随着机动车排放治理工作的深入和细化，机动车排放研究工作的重点逐渐由 定性研究转为定量研究，精确的排放量化研究是评价机动车污染物排放水平、制 定排放控制策略的重要基础，其中，机动车排放因子是宏观排放量化或总排放量 计算的关键。目前排放因子的分析方法主要有以下几种： 1 实验室工况法 实验室工况法，是在实验室中模拟复现机动车若干常用工况组合来进行各种 污染物的排放测量，以综合评价车辆的排放水平。对轻型车，在实验室中可以进 4 第一章绪论 行整车排放实验。实验过程中，被测试车辆按规定的试验循环运转，试验结果以 单位行驶里程的质量排放量( g k r n ) 表示。由于机动车在道路上行驶时的运行工 况差异很大，没有严格的比较基准，实际道路上的试验很难保证结果的重现性。 因此，一般根据大量实验结果提取的汽车在城市典型道路上或市郊道路上的实际 工况，在底盘测功机上按照模拟实际工况进行排放实验，以获取轻型车排放因子。 根据实际行驶工况确定排放因子的一般步骤是：行车工况调查行驶工况 解析提取典型行驶工况模拟实际工况曲线进行整车实验确定排放 因子。在选定行车道路后，汽车按常规方式随该道路的车流行驶，在行驶过程中， 每隔1 秒自动测量一次车速并记录和储存在记忆卡中，然后进行工况解析；工况 解析包括数据转换、1 5 2 0 m i n 为时间单位的区间数据制作、区间数据特性值的 计算、代表行驶工况候选数据的提取等几个步骤；经解析后得到典型行驶工况曲 线，将实际工况曲线数据输入到实验室底盘测功机的计算机控制系统中，设定阻 力，再现道路阻力，按该工况曲线进行整车排放实验，获得排放因子。 2 燃料消耗量估算法 燃料消耗量估算法一般用于进行区域或国家层次的污染物排放估算，在大量 实验结果的基础上，确定污染物排放量与燃料消耗量之间的比例关系【l 们。然后根 据区域燃料消耗量估算总体排放量。由于这种方法研究的区域范围大，对排放因 子的估算相对比较粗略，往往仅能给出一定范围内不同车型的平均排放因子，难 以满足在城市层次上进行污染物排放和扩散研究的需要。也有部分学者认为根据 燃料消耗量计算得到的排放因子具有很好的代表性，主要原因是以燃料消耗量为 基础得到的排放因子对交通状况和运行条件的变化不敏感。 3 模型预测法 模型预测是通过模型计算确定机动车排放因子，模型预测法的基础数据仍来 源于大量实际车辆的排放测量结果，通过对大量实验数据的统计分析，用数学模 型表达各种因素对排放的影响1 7 。利用排放模型计算排放因子，给决策者提供近 似精确的污染物排放清单，这种方法不需要对各种机动车进行实际的排放实验研 究。通常在特定的环境温度、燃油蒸汽压、劣化率及特定的测试流程下，利用实 验确定单车在标准工况下的基础排放因子。然后在基础排放因子基础上，根据实 际条件下各种影响因素与标准工况下的差别确定基础排放因子的修正因子，进而 得到实际运行工况下的排放因子。 模型预测法综合考虑了机动车排放控制水平、运行工况、车辆使用年限、累 积行驶里程、车辆的维护保养状况、燃料特征以及运行环境条件等各种因素对实 际排放结果的影响，能相对全面地反映机动车的实际排放水平，因此被广泛应用 于国内外大中城市机动车的污染控制对策研究中。 第一章绪论 目前世界上应用最广泛的排放因子计算模型是美国e p a 的m o b i l e 模型。 其数据来源是各种不同技术水平的在用车排放水平的检测结果以及美国f t p 循 环的实验结果。m o b i l e 模型在我国开展应用存在着一些天生的缺陷：一是模型 界面不够友好，大部分的输入数据要符合f o r t r a n 编程语言的编码要求，不易 改变默认输入假设；二是它对空间和时间的解析度低，模拟不够精确，无法体现 交通道路状况对排放的影响，对交通道路规划指导意义不大；三是该模型不完全 符合我国国情，模型采用的参数和公式的基础数据库来源于美国f t p 排放循环 获得的实验数据，而我国轻型车排放型式认证实验中使用的是欧盟n e d c ( e c e 1 5 + e u d c ) 测试循环。 4 遥感测量法 近年来，美国等发达国家逐渐开始使用遥感测量进行机动车排放因子的监 测，遥感测量法一般是在道路旁架设遥测测量仪器，通过不分光红外分析法 ( n d i r ) 和分光或不分光紫外分析法( n d u v ) 原理的测试设备，在线动态监 测汽车排气污染物浓度，获得在实际道路上行驶的机动车排放因子。目前，北京 市已经颁布实施了汽油车遥测法测量标准，对在用机动车进行排放检测，柴油车 的遥测标准正在制定过程中；广东省制定的遥测排放标准也正在报批中。 遥感测量法不干涉被测车辆的运行状态，不需要被测车辆驾驶员配合，因此 检测结果真实反映了道路行驶车辆的实际排放。检测结果能够进一步转化成以 g l 的表示的c o 和h c 质量排放速率。遥测技术经过不断完善，在不分光红外 分析法的基础上，结合分光或不分光紫外分析法可以得到n o c 0 2 的比值，从而 得到n o 的排放状况【l l 】。还有研究者利用可调红外激光二极管差分吸收光谱法 ( t i l d a s ) 进行遥感监测，这种方法在得到n o 浓度的同时，还可以得到n 0 2 n o 的比值，从而将得到的n o 排放转化为研究中更常用的n o x 排放【1 2 l 。 遥感测量技术是分析实际道路机动车排放状况和筛选高排放车辆的有效手 段，检测效率高，一般在1 s 的时间间隔内完成对一辆车的排放测量，在一天内 就能够完成对上万辆车的排放检测。遥感测量的缺点是不适宜进行多车道道路上 机动车的排放检测，仅适用进行单车道或隧道内的实验。 5 公路隧道法 公路隧道法是在交通隧道内，通过监测过往隧道的机动车排入隧道内的污染 物浓度分布和隧道内风速等环境和气象要素，通过计算得出在一定机动车组成和 流量下污染物的排放因子【l3 1 。该方法的基本原理是将隧道看成一个理想的圆柱状 活塞，在一定时间内活塞进出的污染物浓度差与通风量的乘积等于通过隧道的机 动车污染物的总排放质量【1 4 】。 6 道路实测法 6 第一章绪论 由于前面提到的各种排放因子的获取方法均不是在实际道路上进行的，基础 数据中缺乏交通环境信息，与车辆在实际道路上的真实排放状况存在差别。因此， 利用先进的测试技术，对道路上行驶的机动车进行实时排放测试，获取实际的排 放数据具有特别重要的意义。 车载排放测试方法，利用车载排放测试系统对车辆排气直接采样，将排气连 接到车载气体污染物测量装置上，实时测量污染物的体积浓度和排气体积流量， 计算得到气体污染物的质量排放量【1 5 】。根据实验测得的瞬时排放和g p s 道路交 通信息，获得实际排放因子。这种方法不仅可以保证测试的准确度和可靠性，而 且可以节约大量的测试时间和测试成本。车载排放测试系统具有重量轻、体积小 的特点，能够安放在各种被测车辆上开展实验，得到车辆实际道路排放特征，为 评估整个城市的机动车排放污染水平及污染分担率，提供了有效方便的测试方 法。因此，车载排放测试方法是排放因子研究的重要研究方向。 1 4 车载排放测试技术的发展 按新车排放法规，对点燃式发动机，限制的主要是气态污染物c o 、h c 和 n o x ，对压燃式发动机，还要限制颗粒物排放【16 1 7 1 。气态污染物的测量主要依据 化学分析的原理，法规要求对颗粒物的测量采用质量法，属物理测量原理。实验 室测量方法是排放测量的基础，经过几十年的应用，测量原理和测量方法都已经 十分成熟t l s t g l 。但在实际道路条件下，由于体积、重量的限制，以及振动等因素 的影响，实验室设备的直接应用受到限制，因此在实验室设备的基础上，研究开 发满足准确度要求的车载排放测试设备是道路排放测量的重要基础 2 0 - - 2 6 。 1 4 1 气体污染物车载测量技术 目前已经有多家仪器设备公司开发出了排放污染物车载测量系统，常见的仪 器设备列于表1 1 ，其中以美国s e n s o r s 公司的s e m t e c h 系列和日本h o r i b a 公司的o b s 系统应用最为广泛，并且已经通过了美国e p a 的认可，可以作为美 国e p a 实施n t e 计划的设备供应商，目前这两种设备的可靠性已经得到广泛的 认可，s e n s o r s 和h o r i b a 开发的车载排放测试设备可测量在现实条件下工作的 所有级别车辆的排放，符合车载排放测试所需的排放测量和分析的敏锐性和实时 性要求【2 7 - 3 0 1 。 第一章绪论 表1 1 主要的车载排放测量系统及其基本参数 1 4 2 颗粒物车载测量技术 颗粒物表面能吸附空气中的气态或液态污染物并进入人体的呼吸道，s 0 2 、 硫酸雾、多环芳烃( p a i l s ) 及致病微生物等都可以附着在颗粒物表面，粒径越 小的颗粒物，相对表面积越大，在相同质量下，细微颗粒物所吸附的有害物质远 远多于粗颗粒物。并且由于细颗粒的粒径小，能沉积在呼吸道深部肺泡内，存留 时间可达数周至数年，比粒径较大的颗粒物的危害更大 3 1 3 5 】。 细颗粒物除对人体健康有严重危害外，也是导致大气能见度降低和全球气候 变化等环境问题的重要因素口删。尽管颗粒物只占大气中很少的一部分，但在城 市中，颗粒物对大气光学性质的影响甚至可达到9 9 。大气中颗粒物，尤其是较 高浓度的细微颗粒物会显著地降低能见度，并使大气呈现为多云、多雾和浑浊的 状况。 排放法规中对柴油机颗粒物的测量主要使用滤纸收集法，按法规规定，需把 柴油机排放的废气稀释冷却到5 2 0 c 以下，然后用涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤 纸进行收集颗粒，使用微克天平称重【l6 1 刀。由于这种方法需要使用的全流稀释系 统体积庞大，因此不能用于进行车载颗粒物的瞬态排放测量，有关设备开发商开 发了基于不同原理的车载颗粒物排放测量系统，由于对实际颗粒物的测量涉及到 颗粒物的质量测量和粒径分布测量两个方面，在讨论车载颗粒物测量原理之前， 首先了解柴油机颗粒物的国内外研究现状。 1 4 2 1 柴油机颗粒物的研究现状 柴油机排放的颗粒物一般由高度凝聚的固态含碳物质、灰份、挥发性有机化 合物( v o c ) 以及硫化物等组成，如图卜l 所示【4 1 4 2 1 。固态碳是在局部富燃区域 产生的，其中大部分在随后的氧化过程中被氧化成c o 或者c 0 2 ，剩余的没有被 氧化的残渣以颗粒物的形式随排放排出。挥发的燃料和润滑油在颗粒物中所占比 例也很大，通常称为可溶性有机部分( s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ，s o f ) ，主要包括 一些多环芳烃，而这些多环芳烃大部分都是有毒物质。硫酸盐主要来源于燃料中 的硫，在燃烧过程中燃料中的太部分硫被氧化为s o ：，但是也有一小部分硫被 氧化成s 0 3 ，进而转化为硫酸和硫酸盐。燃料和润滑油中的金属成分则成为颗粒 物中的- - d 部分无机灰份。颗粒物的组成取决于发动机性能和运行工况，随运行 工况的改变，其组成也会发生很大的变化。硫酸盐组分一般与燃料中的硫含量成 正比。可溶性有机组分主要与发动机的运行工况有关，发动机负荷较低时，这部 分的含量相对较高。 图1 一i 柴油机排放颗粒物组分 根据颗粒物的粒径大小，机动车排放中的颗粒物主要毗三种形态存在：成核 态、聚积态和粗颗粒态m 州。 成核态颗粒物( n u c l e im o d e ，5n m 1 3 口 5 0n m ) ：主要包括在排放稀释和冷 却过程中，挥发性有机化台物和硫酸盐因冷凝成核作用形成的颗粒。以这种形态 存在的颗粒物可能是固态物质，也可能是小液滴。成核态颗粒物对于一些参数的 微小变化比较敏感，例如当温度改变时。这部分颗粒物的数量和粒径分布会随之 发生很大的变化。在很多情况下，通过加热可以去除这部分颗粒物。成核态颗粒 物在质量分布中，可能只占颗粒物总质量的i - - 2 0 ，但是在粒数分布中，所占比 例可能超过9 0 。 聚积态颗粒物( a c c u m u l a t i o nm o d eo rs o o tm o d e ，1 0 0n m d d 3 0 0n m ) ：主要 包括在燃烧过程中形成的碳黑颗粒，也包括其表面吸附的一些挥发性物质。这部 分颗粒物的粒数浓度一般比较稳定在实验中有根好的可重现性。 粗颗粒态颗粒物( c o a r s em o d e ，d 户1t u n ) ：主要包括一些重新混合入排气中 第一章绪论 的聚积态颗粒物。在排气过程中，会有一部分聚积态颗粒物沉积在气缸或排气管 的内壁上。随着时间的积累，排气管和气缸壁面上的颗粒物会越积越多。当系统 不稳定时，这部分颗粒物就很容易受气流的冲击而脱离壁面，重新进入排气气流 中。这种形态颗粒物的排放具有很大的随机性，其排放量取决于之前壁面上沉积 颗粒物的数量，在实验中的重现性不好。这部分颗粒物对粒数浓度几乎没有影响， 但是对颗粒物的总质量有很大贡献。 图1 2 给出了理想状态下柴油机排放颗粒物基于粒数浓度和质量浓度的粒径 分布。从粒数浓度分布看，其形态为单峰的对数正态分布，9 0 粒数的颗粒物集 中在成核态。从质量浓度分布看，其形态为三峰的对数正态分布，大部分颗粒物 质量则集中在聚积态区域内，在成核区和粗颗粒区也出现了2 个小峰。 澳大利亚昆士兰理工大学对两台c n g 点燃式发动机进行的排放研究表明， 其气态污染物排放达到了美国环保局规定的“低排放”发动机的水平1 4 5 1 。但对排放 中粒径范围在o 0 1 , - , - , 3 0 1 t m 的颗粒物测试表明，粒径在0 5 - - - 3 0 p , m 之间的颗粒物 粒数浓度非常低，约为2 个c m 3 ，相当于环境浓度的平均水平；而粒径在 0 0 1 5 , - , 0 7 9 m 之间的超细颗粒的粒数浓度则相当高，最高为l 1 07 个c m 3 左右。