（车辆工程专业论文）轻型汽车排放因子模型数据库研究.pdf

武汉理上人学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展和人们生活水平的提高，我国机动车产量和保有量正突飞猛 进地增长。调查显示，机动车污染己成为城市空气污染的主要来源之一。由此带 来的环境问题和健康隐患也引起了环保部门、政府部门等各界人士的关注。针对 机动车污染，世界各国都在积极采取措施，一方面通过制定排放法规，不断严格 机动车污染物排放标准；另一方面制定相应政策策略，来降低机动车污染物对环 境的影响。 那么如何评估这些政策的效果以及对机动车污染状况进行预测? 国外开发 了一系列的机动车排放因子模型，用来定量计算机动车排放污染物、预测未来一 段时期内或者某一特定区域内的排放量，从而为制定合理的政策、措施提供技术 支持。国内很多研究机构利用国外的模型分别列出了北京、上海、澳门等地的排 放清单，但是到目前为止还没有开发出自己的模型，在排放因子模型数据库方面 的研究更是甚少，主要原因之一是数据库的不完整性及其分析方法的欠缺。排放 因子模型数据库作为模型的核心部分，是建立模型的基础。因此，本课题基于这 一点出发，研究排放因子模型数据库的分析方法，为我国轻型汽车排放因子模型 建立打下坚实的基础。 本研究通过对国外模型的解析及对影响车辆的排放因素的探讨，分析排放因 子模型数据库对数据的需求，从而利用车载测试设备和实验室设备进行试验，获 得所需要的试验数据，建立排放因子模型数据库。在此基础上，研究了数据库如 何用于排放因子模型。 本文研究了国外机动车排放因子模型建立的方法，对影响机动车排放的各个 因素进行分析，研究数据库对数据的需求。探讨了建立污染物数据库的方法。在 数据库基础上，分析了不同技术类型、不同排放标准、不同行驶罩程的轻型汽车 的排放差异，并研究了速度、加速度、以及速度、加速度的联合分布和排放的关 系。 本文还研究了基本排放因子的确定方法，采用聚类统计分析方法获得分车型 的零公罩排放因子，再用回归分析方法获得车辆在一定旱程的劣化率，最后得到 武汉理工大学硕士学位论文 不同技术类型的车辆在一定车龄的基本排放因子。通过对不同速度下的排放因子 的回归分析，获取速度修正系数。 关键词：轻型汽车；排放因子模型；数据库；车载排放测试 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d s ，c h i n a sv e h i c l ep r o d u c t i o na n dh o l d i n g sa r eg r o w i n gb yl e a p sa n d b o n d s t h e r ea r es u r v e i e ss h o wt h a tm o t o rv e h i c l ep o l l u t i o nh a sb e c o m eam a j o rs o u r c eo f u r b a na i rp o l l u t i o n ，a n dt h er e s u l t i n ge n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa n dh e a l t hh a z a r d sh a v e a l s oc a u s e de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e p a r t m e n t s ，g o v e r n m e n td e p a r t m e n t sa n do t h e r s e c t o r so fp u b l i c sc o n c e m f o rm o t o rv e h i c l ep o l l u t i o n ，e v e r yc o u n t r yi nt h ew o r l d a r ea c t i v e l yt a k i n gm e a s u r e st h a to nt h eo n eh a n dt h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to f e m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，t ok e e pt i g h t e re m i s s i o ns t a n d a r d sf o rm o t o rv e h i c l e s ，a n dt h e o t h e rh a n d ，b yf o r m u l a t i n ga p p r o p r i a t es t r a t e g i e st or e d u c et h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t o fm o t o rv e h i c l ep o l l u t a n t s t h e nh o wt oa s s e s st h ee f f e c t so ft h e s ep o l i c i e s ，a n dp r e d i c tt h ev e h i c l ep o l l u t i o n ? as e r i e so fv e h i c l ee m i s s i o nf a c t o rm o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e da b r o a d ，b e i n gu s e dt o q u a n t i t a t i v e l yc a l c u l a t ev e h i c l ee m i s s i o n sa n dp r e d i c t t h ee m i s s i o n si nt h ef u t u r e ，s oa s t op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rf o r m u l a t i n gr e a s o n a b l ep o l i c i e sa n dm e a s u r e s m a n y d o m e s t i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sl i s t e dt h ee m i s s i o ni n v e n t o r yi nb e i j i n g ，s h a n g h a i ， m a c a ua n do t h e rp l a c e sb yu s e i n gf o r e i g nm o d e l s ，b u ts of a rn oi n s t i t u t i o nh a s d e v e l o p e di t so w nm o d e l a n dr e s e a r c ho nt h ee m i s s i o nf a c t o rm o d e ld a t a b a s ei se v e n l e s s t h em a i nr e a s o ni st h el a c ko fi n t e g r i t ya n da n a l y t i c a lm e t h o d s e m i s s i o nf a c t o r m o d e ld a t a b a s ea sac o r ep a r to ft h em o d e li st h eb a s i st oe s t a b l i s ht h em o d e l t h e r e f o r e t h i sp a p e rs t u d i e dt h em e t h o d so ft h ee m i s s i o nf a c t o rm o d e ld a t a b a s e b ys t u d y i n gt h ea b r o a dm o d e l sa n dt h ef a c t o r st h a ta f f e c tv e h i c l ee m i s s i o n s ，t h e d a t ad e m a n df o rm o d e ld a t a b a s ei sa n a l y z e d t h e nt h ed a t ai so b t a i n e df r o mt h e l a b o r a t o r ya n do n - b o a r dt e s te q u i p m e n t s l a s t ，t h ed a t a b s e i se s t a b l i s h e d t h i sp a p e rs t u d i e st h ee s t a b l i s h m e n ta p p r o a c ho ff o r e i g nm o t o rv e h i c l ee m i s s i o n f a c t o rm o d e l ，a n dd i s c u s s e st h ev a r i o u sf a c t o r st h a te f f e c to nv e h i c l ee m i s s i o n s a l s o ， t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h e t h ed a t ad e m a n da n dd i s c u s s e st h ee s t a b l i s h m e n to fp o l l u t a n t d a t a b a s e o nt h eb a s eo ft h ed a t a b a s e ，t h ed i f f e r e n c eo fe m i s s i o n sf r o md i f f e r e n t v e h i c l e sa n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e na c c e l e r a t i o na n dv e l o c i t ya n de m i s s i o na r e s t u d i e d 武汉理工人学硕士学位论文 t h i sp a p e ra l s os t u d i e sd e t e r m i n a t i o nm e t h o do ft h eb a s i ce m i s s i o nf a c t o ra n d v e l o c i t yc o r r e c t i o nc o e f f i c i e n t k e y w o r d s ：l i g h t - d u t yv e h i c l e s ；e m i s s i o nf a c t o rm o d e l ；d a t a b a s e ；p e m s l v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学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已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：旌! 丝荔日期：z 翌呈2 ：2 ) 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 薪究生( 签鼽符俊岛导师( 签名) 泛辎日驴夕叭7 多 武汉理： 大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 我国城市机动车发展及尾气污染现状 近年来，随着我国人口的增长和经济的快速发展，我国汽车产量及保有量一 直呈高速增长态势，自2 0 0 2 年1 0 月以来，我国汽车产量平均增长率超过3 7 ， 2 0 0 8 年，超过法国、德国，成为继美国和日本之后的世界第三大汽车制造国。 2 0 0 0 年，我国机动车保有量为1 6 0 8 9 万辆h 1 ，2 0 0 3 年为2 3 8 3 万辆比1 ，截至2 0 0 9 年8 月底，已超过1 8 亿辆。而且，这种快速增长的趋势还将维持一定的时期。 城市机动车的快速发展，在推动经济增长和改善任命生活的同时，也带来了 交通、能源和环境等方面的诸多问题。由于我国机动车的污染控制水平普遍相对 落后，同时，配套的交通基础设施建设和交通规划管理却未能与机动车的高速增 长同步发展，造成目前许多大城市机动车的r 平均车速较低，城市中心区许多重 要道路长时间处于饱和状态，加速、减速、怠速等不利工况频繁发生，导致机动 车排放状况不容乐观。在中国的很多城市，机动车排放污染已经成为城市污染的 主要来源之一。通过对国内主要大城市污染源分担率的调查，机动车对颗粒物( 小 于p m i o ) 的贡献为4 0 5 0 ，氮氧化物4 0 8 0 ，c o 大于8 0 。 1 1 2 机动车污染物对人体健康和大气环境的影响 机动车尾气中的主要污染物c 0 、h c 、n o x 、p m 等对人体健康和大气环境都有 着重大的影响。 c 0 与人体血液中输送氧的载体血红蛋白化合生成碳氧血红蛋白，削弱了血 红蛋白向人体组织输送氧的能力，导致不同程度的中毒症状。 h c 化合物包括未燃烧和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产 物，如烷烃、烯烃、环烷烃、芳烃、醛、酮、有机酸等多种成分。烯烃有麻醉作 用，对粘膜有刺激，它与氮氧化物是形成光化学烟雾的主要因素。芳烃毒性很大。 多环芳烃及其衍生物有致癌作用。醛类刺激眼粘膜、喉和支气管，对血液有毒害。 机动车排放的n o x 绝大部分是n 0 ，少量的是n o 。高浓度n o 能引起神经中枢 障碍，且容易与空气中的0 ：结合，生成有剧毒的n 0 ：，n 0 ：被吸入肺部，能与肺部 1 武汉理r t 大学硕十学位论文 的水分结合生成可溶性硝酸，引起咳嗽、气喘，严重时可引起肺炎和肺气肿。n 0 2 是在地面附近形成光化学烟雾的主要因素之一b 1 。 p m 的主要成分是碳。粒径较小的颗粒物可进入人体肺部，导致肺炎、气喘、 肺功能下降等呼吸系统疾病。p m 除了对人体健康有危害以外，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。 1 1 3 我国机动车尾气排放控制现状 针对机动车污染，世界各国都在采取措施来控制机动车污染。2 0 世纪7 0 年 代以来，在机动车排放控制方面形成了两条发展主线：一是通过制定排放法规， 不断严格机动车污染物排放标准；二是通过制定一些政策策略，来降低机动车污 染物对环境的影响。 我国轻型汽车排放标准主要采用欧洲的模式。在世界3 大排放标准体系中， 欧洲法规在标准的严格程度、道路交通情况等方面相对较适用于我国的实际情 况。我国在充分吸收欧美的经验后，全面等效采用了欧盟( e u ) 指令、e c e 技术内 容和部分前欧共体( e e c ) 法规。在此基础上形成了中国排放法规体系。中国轻型 汽车排放标准发展历程如表1 - 1 所示。 表卜1 中国轻型汽车排放标准发展历程 不断加严的排放标准的实施，缩短了我国与国外汽车污染物排放标准的差 距。 我国在逐步严格新车排放标准的同时，也制定了一些政策策略。如实施公交 优先战略、加强在用车管理、加快更新淘汰老旧车辆、提高车用油品质量、倡导 绿色出行、车辆限行等，机动车尾气污染控制取得显著成效。但是，由于我国污 染物总量大，污染物浓度依然较高。于是，通过开展机动车排放的相关研究项目， 为机动车污染防治及污染控制决策提供技术支持。目前f 在歹f ：展的“北京市机动 车污染控制决策支持系统的研究与建立”项目正是基于北京市污染物排放特点， 2 武汉理j ：人学硕士学位论文 对机动车排放污染进行系统的研究，从而开发并建立一套科学且有效的机动车排 放控制措施，有效改善北京市的大气环境质量。 1 2 国内外研究现状 排放因子模型通过不同的数学回归公式建立影响车辆排放的参数和污染物 排放之间的关系。这些模型之间的差距很大程度上并不是体现在模型的算法上， 而是在基础数据的累积上。越成熟的模型，测试数据库的覆盖面越广，对机动车污 染控制水平发展的反映也越及时。模型数据库的完整性也就反应了这些模型的成 熟度。 国外开发模型时间较早，例如m o b i l e 模型系列，从1 9 7 8 年发布的m o b i l e l 到2 0 0 2 年发布的m o b i l e 6 ，数据库不断更新并加以完善。表1 - 2 列出了国外主 要模型的数据库发展情况，详细介绍如下。 表1 - 2 排放模型比较 模型 数据来源 数据库发展时间 m o b i l e 台架试验 3 l e m f a c 台架试验 2 1 i v e 台架试验实际测量 6 c m e m 台架试验 8 c o p e r t 台架试验 1 9 1 2 1m o bll e 模型 m o b i l e 的基本排放因子来源于标准条件下的排放测试。标准条件包括温度、 燃料和行驶工况等，其实质是对大量测试结果进行统计回归的经验模型。m o b i l e 从1 9 7 8 年的第一版到2 0 0 2 年的m o b i l e 6 ，经历了2 0 多年的发展。数据库也随 之不断充实。e p a 从1 9 7 7 年开始每年都要选取一部分车辆进行排放和燃料效率 的测试，台架试验累计近上万套，形成了庞大的基本排放因子数据库。模型覆盖的 范围也较全面，涉及空调、燃料、驾驶行为等等的影响，可以输出按小时变化的 排放因子。m o b i l e 6 将道路类型分为快速路、主干道、支路、快速路匝道4 种， 并将肩动排放和行驶排放分开，分别对其进行修正。另外m o b i l e 6 中专门开发了 1 1 个工况以确定速度校正因子。e p a 对m o b i l e 6 模型作了敏感性分析，车龄登记 3 武汉理丁大学硕七学位论文 分布，平均f 1 温度，燃料，车速被归为有“重大”影响的参数。模型发展较为成熟。 现在虽然e p a 己将开发重点转向新一代模型m o v e s 上，但仍会不断更新m o b i l e 数据库以适应不同用户的需要。 1 2 2 e m f a c 模型 e m f a c 模型经过近2 0 年的发展，数据库不断更新，模型也日趋完善。加州与 美国其他州一样，每年都会从机动车署的车辆登记数据库中随机抽取一部分车辆 在f t p 工况上进行排放测试，并将测试结果添加到模型中去。新版本e m f a c 2 0 0 0 因为采用了新的测试工况加州标准工况( c a l i f o r n i au n i f i e d c y c l e ) ，也即l a 9 2 ， 又大规模对上千辆机动车进行了一次测试，此后轻型车、柴油车、高排放车等的 排放数据也不断被添加进模型中。但因为时间和地域问题，e m f a c 没有m o b i l e 来 的全面和完善。 1 2 3iv e 模型 i v e 模型在数据来源上大部分是与m o b i l e 保持一致的，对上万套e p a 、加 州空气资源局( c a r b ) 和加州大学河边分校( u c r ) 的台架测试数据进行了处理， 修正参数也大多来自于它们的研究。同时i v e 还包括了一些采用欧洲标准的车 辆，排放数据来自于c o p e r t 的研究。i v e 中的行驶状况与污染排放的数据来自 于c e c e r t 进行的台架测试和便携式尾气检测系统( p e m s ) 对实际道路排放的测 试，测试工况包括m e c ，f t p ，u s 0 6 。在对大量实验数据进行分析的基础上，确定出 在统计学意义上影响排放的重要参数v s p ，并赋予其物理意义。i v e 是个相对较新 的模型，第一个版本发布于2 0 0 3 年。为使了模型能够在发展中国家运用，i v e 已 在中国、秘鲁、墨西哥、肯尼亚、巴西等几个发展中国家使用并收集数据，收集 工作还将继续进行，以便不断修j 下模型数据库，使之更符合发展中国家的情况。 1 2 4 c m e m 模型 c m e m 的建立基于3 个测试工况：f t p 工况，作为f t p 附加工况的高速工况 u s 0 6 ，专门为c m e m 开发的包含很多种速度、加减速的m e c 0 1 工况。测试数据包 括大量的关于发动机工作的物理和化学原理的数据，例如能量损失和化学平衡， 还有排气管和发动机逐秒的排放数据。与数学关系类的模型不同，这类物理关系 类的模型对工况的代表性和测试车辆的覆盖性要求不是很高，工况的作用在于提 4 武汉理一j ：人学硕+ 学位论文 供不同的行使状态以研究发动机工作状态和污染排放的关系。 1 2 5 c o p e r t 模型 c o p e r t 的测试工况为n e d c ( n e we u r o p ed r i v i n gc y c l e ) 。模型中的道路 类型分为郊区、城市和高速公路3 种。模型共有4 次改进，不断添加了新的测试 数据。模型根据发动机温度将排放因子分为热排放因子与冷排放因子，可以计算 单辆车或者车队一年中的污染物排放量，时间区分度不高。对于大部分的模型来 说，只有在实际应用过程中不断根据现实情况调整参数才能逐渐完善，准确、合理 地反应机动车排放状况。 1 2 6 国内研究现状 国内很多研究机构利用国外的模型分别列出了北京、上海、澳门等地的排放 清单，但是到目前为止还没有开发出自己的模型。一方面，由于中国机动车登记 管理制度起步较晚，交通监测手段相对落后，难以满足模型的参数要求，因此大部 分数据靠调查获得。一些地区数据积累相对全面，如上海、香港。另一方面，各 个机构有各自的排放数据，但并没有建立统一的数据库。其次，用于国家的机动 车排放模型的开发在准确性、全面性上都存在较大的困难，必须有国家重大项目 支持。等等一些因素导致了我国机动车排放模型开发的滞后。 1 3 研究目的与意义 近年来，随着城市交通拥堵问题日益突出，面对交通能源消耗与环境污染问 题同益严峻的现状，国内外都开始重视交通环境影响评估工作。对城市路网某一 节点、某一路段、某一区域的环境影响评价和车辆某一特定行驶过程的环境影响 评价已经成为动态交通仿真必不可少的评价内容，而车辆排放模型是进行交通流 排放动态仿真分析的基础与关键。 排放因子模型可以估算特定时空下的机动车排放状况，不仅为政府部门决策 提供技术支持，而且可以对其所采取的措施进行评估，从而更合理地控制机动车 排放、改善环境。排放因子模型建立的关键是其内核数据库的建立。 国外丌发了很多排放因子模型，而国内一直没有统一的模型。数据库的不完 整性及其分析方法的合理性是其主要原因之一。因此，本课题基于这一点出发， 5 武汉理工大学硕士学位论文 研究了排放因子模型数据库的分析方法，为我国轻型汽车排放因子模型建立打下 坚实的基础。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 本研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 国外机动车排放模型解构 国外排放因子模型发展较为成熟，通过对国外机动车排放因子模型建立方法 的解析，了解国外模型建立的方法。同时，对影响机动车排放的各个因素进行分 析，研究数据库对数据的需求。 ( 2 ) 车载排放测试及实验室测试试验 车载排放测试及实验室测试试验是获得机动车排放特征的最重要也是最根 本的方法。本研究将对不同技术类型的轻型车采用这两种方法，获得不同技术类 型的车辆的排放数据，为排放因子模型数据库的研究打下基础。 ( 3 ) 排放因子模型数据库的建立 基于车载测试和实验室测试试验的排放数据，对数据进行分类整理，并结 合以往收集的历史数据，建立排放因子模型数据库。 ( 4 ) 数据库分析 分析影响车辆排放的各个因素；采用聚类分析方法，计算不同技术类型的车 辆的基本排放因子；分析车辆以不同的平均速度的工况运行时排放之间的差异， 并通过回归分析，得出不同平均速度下的经验公式，确定速度修正系数。 1 4 2 研究技术路线 研究拟采用的技术路线以流程图表示如下： 6 武汉理t 大学硕十学位论文 图1 - 1 技术路线 7 武汉理t 大学硕+ 学位论文 第2 章机动车排放因子模型概述 2 1 机动车排放因子 机动车排放因子是评价机动车排放的重要指标。它是指车辆运行单位罩程、 单位时间、每作单位功或消耗单位燃料所排放的污染物质量，单位为 g k m ，g h ，g k w h ，g k g ，它反映了机动车的排放水平，是研究机动车污染物排放 的基础和依据。在实际应用中，可以根据不同的需要选取不同的参数。例如，对 发动机单机进行测量时，可以用每作单位功排放的污染物质量，可以评价不同种 类、大小不同的发动机的排放性能。 国内多家研究机构根据我国城市的实际情况，运用国外的模型模拟城市道路 上运行机动车的排放因子水平，为城市机动车污染控制对策的建立提供了科学的 依据。 2 2 机动车排放因子测试方法 目前研究的机动车污染排放测试方法主要分为实验室测试和实际道路测试。 前者包括台架测试；后者包括隧道实验、遥感测试和车载测试。4 种测试具有不 同的功能，各有自己的优势，可根据研究需要选择不同的测试方法。 实验室测试是指在底盘测功机( 或发动机台架) 上根据标准的测试规程模拟 汽车实际行驶条件并进行排放检测的一种方法。试验过程中汽车发动机在实验 台架上按照既定规程运转，利用定容采样系统( c v s ) 收集分析各种污染物排放 量。实验室测试的优点是对实验条件的精确控制，重复性好。缺点是测试工况可 能与实际道路工况有差异，测试结果无法准确地反映车辆在实际道路运行中的排 放状况。 隧道实验：隧道实验通过在隧道内外监测污染物的浓度，并根据现场的车流 参数，获得对应车队的平均排放因子水平。目前，我国已经开展许多隧道实验研 究。隧道实验简单易操作，测试车辆样本数较多，具有一定代表性，在精度要求 不高的情况下，可用来获取牟队平均排放冈子。缺点是受背景浓度影响，而且被 测车辆的工况单一。 道路遥感测试：遥感技术是一种非接触式的光学测鼍手段，可直接测量行驶 8 武汉理丁大学硕+ 学位论文 中机动车的尾气排放，已在国外得到了普遍应用。遥感测试的优点是效率较高， 一天可测试上万辆机动车，成为机动车尾气i m ( 检n 维修) 项目及发现高排 放车的主要手段。北京市今年已在一些道路上安装了遥感测试设备，用来检测高 排放车辆。遥感测量的主要缺点是易受环境条件( 风速、风向) 的影响。而且，由 于遥感测试为定点测试，不能全面反应机动车在各种行驶状态下的排放h 1 。 车载排放测量技术主要是通过p e m s 对车辆尾气进行直采，将排气尾管直接 连接到车载气体污染物和颗粒物测量装置上，实时测量整车排放的体积浓度，和 排气流量，从而得到气体污染物的质量排放量和颗粒物排放量。通过对所获得的 瞬时排放数据以及g p s 数据进行处理，对被测车辆排放水平进行评估。这种技术 的应用不仅可以保证测试的精确度和可靠性，而且可以节约大量的测试时间和测 试成本。特别是该系统具有重量轻、体积小的特点，能够放在各种被测车辆上进 行实际道路排放实时测量，从而反映出各种车辆实际道路排放特征，这为评估整 个城市的机动车排放污染水平及对环境的贡献率，提供了有效且方便的测试方 法。因此基于p e m s 的车载排放测试方法将是今后相当长的一段时间内的一个重 要发展方向。 2 3 排放因子模型概况 车辆排放模型是定量计算机动车排放污染物、预测未来一段时期内或者某一 特定区域内的排放量的有力工具，它通过模式模拟和运算来确定机动车排放因 子。首先，研究者根据机动车污染物排放的物理化学原理，借助各种测试手段， 对影响机动车污染排放的主要因素进行判断和识别。然后，针对所识别的主要影 响因素，设计机动车污染排放测试方案，对在各影响因素作用下机动车的排放进 行测试。在获取样本足够的测试数据之后，通过数学统计和物理分析等方法描述 机动车在各影响因素作用下的排放特征和规律，并据此构建机动车污染排放模 型。 目前模式预测的基本依据仍然主要来自根据标准测试循环下进行的台架测 试，通过对试验结果的回归分析，可以用数学的方法表达各种因素对排放的影响。 2 3 1 模型分类 按照模拟方法的不同，机动车排放模型可以分为平均速度类模型和行驶工况 类模型。按污染物和参数之间的关系，又可以分为数学关系模型和物理关系模型 9 武汉理 ：人学硕士学位论文 5 j o 平均速度类模型主要以m o b i l e ，e m f a c ，c o p e r t 等模型为代表，这类模型以 平均速度为污染表征参数，通过修正后的排放因子乘以车公里数得到污染物的排 放总量，都是数学关系类模型，适用于宏观和中观尺度。行驶工况类模型建立在 机动车瞬时的行驶状态上，通过某一测试工况即时的速度、加速度等参数计算中 观或微观的每秒污染物的排放和油耗。行驶工况类模型有数学关系和物理关系两 类模型。物理类主要建立发动机瞬时状态与污染排放之间的物理关系，计算污染 物瞬时排放量，例如c m e m 模型。数学关系类模型根据逐秒的测试数据通过不同 的回归方法和代用参数1 建立参数与污染排放的瞬时关系，例如速度, a n 速度矩 阵，发动机功率与瞬时速度的排放图( e m i s s i o nm a p ) ，v t - m i c r o 的速度和加速 度口3 ，i m p a e c t 的发动机牵引力旧，m o v e s 、i v e 的机动车比功率( v s p ) 晦1 等等。 图2 一l 简要介绍了机动车排放模型的分类及其代表性模型。 2 3 2 排放模型研究现状 l 数学关系ff m o b i l e 、e m f a c 模型 c o p e r t 圈一一匿m o v e s 模型 + 一l 圜- - e l 模型 广1 咖 i _ j1 。一j 图2 - 1 排放模型分类 ( 1 ) 国外研究现状 国外对排放因子模型的研究起步较早，主要以美国和欧洲为代表。模型日益 完善，从传统排放模型( 美国e p a 的m o b i l e 模型与加州空气资源部的e m f a c 模 型) 到比较适应现代交通情况的综合排放模型( c m e m 和n g m ) 。同样，欧洲也经 历了由c o p e r t 模型到f o p e m o v e 的预测模型发展，下面对这些模型进行简要介绍。 m o b i l e 模型 m o b i l e 是美困环保局开发出来用于估计在用机动车排放的模型。m o b i l e 模 型的丌发基于f o r t r a n 语言，能够计算在用车队的主要常规污染物( h c 、c o 、n o x ) 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 的平均排放因子，同时该模型还可以估算从1 9 7 8 2 0 2 0 年问在各种因素影响下多 种类型的机动车排放因子。从1 9 7 8 年发布的m o b i l e l 到2 0 0 2 年2 月发布的 m o b i l e 6 ，共经历了6 代。模型不断完善，对车型分类进行了扩展，将原有的8 种车型扩展至1 2 种。更加全面综合地考虑影响机动车排放的因素，并运用到模 型当中。 m o b i l e 的数据来源为美国环保局组织的各种不同的在用车排放水平检测结 果，以及联邦测试程序f t p 中测得的排放结果。由于车辆的组成包含不同车种、 车型，配置不同排放控制措施：有不同的发动机结构、变速器类型、化油器或燃 油喷射系统；有不同的维修保养状况、不同的行驶里程；因而，测试结果对全体 车辆排放状况有相当的代表性。 e m f a c 模型 加州与美国其他州采用不同的排放标准，相应地，加州空气资源局( c a r b ) 也开发了自己的模型。第一版e m f a c 7 d 于1 9 8 8 年发布，后来经过改善依次颁布了 e f m a c 7 f 和e f m a c 7 g ，目前最新版本是2 0 0 1 年发布的e m f a c 2 0 0 1 。e m f a c 模型的原 理与m o b i l e 相同，是对基本排放因子进行温度、车速、驾驶行为等因素的修正的 经验模型，测试工况采用l a 9 2 工况。e m f a c 2 0 0 1 将机动车按燃料类型、重量等分 为1 3 种，可以估算1 9 7 0 年至u 2 0 4 0 年问任一年的机动车排放。 c m e m 模型 综合典型排放模型( c m e m ) 始于国家协作公路研究计划项目，在1 9 9 4 1 9 9 8 年间由加州大学r i v e r s i d e 分校和密西根大学主持开发。该模型以大量车型的瞬 时排放数据为研究基础，整合已有的典型排放模型使其适应各种交通模型，是一 种反映实时排放特点的综合模型。模型使用了物理功率一需求状况建模方法，把 排放数据按照各种车辆运行状况分成不同的组成部分进行处理，然后运用分析表 示法对每个组成部分建模，选择了影响排放的5 0 多种参数，最后运用底盘测功 机测量的多种车辆排放数据校准。这种模型提供了不同参数对排放变化的影响分 析，考虑了车辆运行时所有的车辆排放潜在影响因素，具有较好的通用性，对排 放评价较为准确。然而，此方法需要大量细致的数据和繁琐的实验，例如需要大 量不同技术类型的车辆等。在c m e m 中，基于燃料和排放控制技术，车辆被分成 了2 4 种，但是在交通模型中，通常情况下车辆是按照大小进行分类的。因此， 像上述的按照燃料和排放控制技术的方式给车辆分类也会给交通模型界面上车 辆分类复杂化。此外，在建模时参数要求的高精度和多个参数的选取也给建立模 型都带了不便u 0 | 。 1 1 武汉理r 丁大学硕士学位论文 c o p e r t 模型和f o p e m o v e 预测模型 c o p e r t 模型起源于欧洲委员会( e c ) 开展的机动车排放因子研究，经多年完 善形成了目前的c o p e r t i i i 模型。该模型将机动车划分为小客车、轻型货车、重 型货车、公共汽车或长途客车、摩托车5 大类，每大类又按照发动机排量、车辆 总质量、燃料类型和排放控制标准等进一步划分为若干小类。除此之外，模型还 将道路划分为城区、郊区和高速公路3 种类型，详细描述了机动车在不同状况下 的排放特征。 在开发c o p e r t 模型之后，欧盟又开发出了一个名为f o p e m o v e 的预测模型( 汽 车尾气排放预测模型) 。模型包括两个主模块：尾气排放计算模块和汽车动态模 块。尾气排放计算模块是附加在c o p e r t 模型中用于计算汽车尾气排放。汽车动 态模块是预测一个国家一年中所登记的汽车数量、年龄等分布状况。f o p e m o v e 模型着重于预测温室气体的排放，为欧盟制定相关政策提供了依据。最 近，f o p e m o v e 模型又被国际汽车制造者协会( o i c a ) 所采用，同时，它也被使用 于欧洲汽车加油程序中。今后，欧盟的尾气排放标准和燃料质量标准将由欧盟和 汽车、燃油工业共同制定。 i v e 模型 i v e 模型由国际可持续发展研究中心( i n t e r n a t i o n a ls u s t a i n a b l es y s t e m s r e s e a r c hc e n t e r ，i s s r c ) 和加州大学河边分校( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i aa t r i v e r s i d e ，u c r ) 的研究人员开发，以满足发展中国家的机动车污染排放模型。 i v e 模型的计算方法在本质上与m o b i l e 模型的方法类似，即利用模型内嵌的基 准排放因子乘以一系列修正系数从而得到当地城市每种技术类型机动车的排放 因子。该模型摒弃了过去使用单一参数来反映车辆运行工况对污染物排放量的影 响的做法，引入v s p 这一综合参数，并按照不同的值把v s p 分为6 0 个b i n ，每一个 b i n 采用不同的修j 下因子分别进行计算，大大提高了模型预测的准确性和可靠性。 ( 2 ) 国内研究现状 近几年来，我国对机动车的排放要求同益严格，在生产、检测、修理等环节 都制定了相应的标准和政策，但这些措施主要都是针对实验室中的单车排放水 平，而相对城市或者某一区域的车辆的总体排放情况，尚未进行深入的研究。我 国由于缺少足够的交通基础有效数据，一些研究人员常常利用围外模型估算排放 因子，已有的研究基本上都是对其进行一定的参数修正。 国内很多高等学校在汽车尾气排放方面做了很多研究，如东南大学、天津大 学、清华大学等。天津大学内燃机研究所对车辆排放做了相应的研究，开发了一 1 2 武汉理1 ：人学硕+ 学位论文 套车载排放测量系统，并在实际道路上分别对桑塔纳和华利轿车进行实验，研究 了机动车在实际道路上的排放因子分布特征，分析了速度、加速度等参数对排放 因子的影响规律和燃油消耗的研究，但没有提出排放模型的概念和意义。 东南大学进行了机动车综合排放因子的拟合模型研究，采用机动车运行平均 速度作为变量，机动车综合排放因子为自变量。模型将机动车划分为八类，即： 汽油轿车、微型车、中型车、重型车、重型汽油车、重型柴油车、摩托车和吉普 车。此类模型是一种宏观的排放预测，没有微观估计的能力。 南京理工大学利用遥感技术测量了n i s s a n 货车在实际行驶工况下的污染物 排放，估算了三种污染物的排放因子，分析了瞬态车速和加减速度对排放的影 响。研究结果表明机动车车速对三种污染物的排放因子均有明显影响；加速度对 c o 和n o x 的排放因子具有较明显的影响，但对h c 的排放因子的影响不是很明显。 2 3 4 国外模型在我国的应用现状 ( 1 ) m o b i l e 模型的应用 从2 0 世纪9 0 年代清华大学将m o b i l e 5 引入中国机动车排放因子计算开始 到现在的十多年时间内，中国先后使用过m o b i l e 5 、m o b i l e 6 、c m e m 、i v e 、e m f a c 、 c o p e r t 等模型计算过北京、上海、南京、香港等地的机动车排放因子n 1 1 引。 清华大学用m o b i l e 5 编制过北京、深圳、武汉、澳门等地的机动车排放清单。 部分基本排放因子的修正来自于中国环境科学研究院、北京市汽车研究所和广州 环境监测中心站分别对轻型车、重型发动机和摩托车等1 7 1 辆车进行的工况法的 检测试验结果。 2 0 0 1 年，同济大学用m o b i l e 5 计算了上海机动车排放因子。计算的主要思 路是：首先确定中国机动车排放控制水平同美国排放控制水平之间的关系，再由 此从m o b i l e 5 模式中选择适合中国车辆的公式和参数组，从而得到理想的排放 因子。上海于2 0 0 2 年开始将m o b i l e 6 应用于空气质量预测当中，修正的领域主 要在3 个方面：基础排放率，车流特征，以及车辆活动参数。 ( 2 ) e m f a c 模型的应用 香港使用e m f a c 模型来估算交通污染状况，修币后的模型称为e m f a c h k 。 模型的建立方法与e m f a c 保持一致，修j 下的领域主要在：机动车种类、排放标准、 i m 和排放控制技术4 个方面。除了按照当地情况制定的车辆技术种类目录 外，e m f a c - h k 还有两个子模型一e m f a c h km cv 1 2 和e m f a c h kt a x iv 1 2 ，用 13 武汉理丁大学硕士学位论文 来单独估算香港地区的摩托车和出租车的排放量。 ( 3 ) i r e 模型的应用 上海、北京先后使用过i v e 估算过城市机动车排放，方法基本相同。选择具 有代表性的中心城区、商业区和收入相对较低的3 个区域中的主干道、快速道 和次干道3 种共9 条典型道路，开展机动车技术水平参数、v s p 分布状况、启 动状况等测试。 上海将机动车分为轻型客车、出租车、公交巴士、卡车和摩托车( 包含助动 车) 5 种，北京将机动车划分为4 大类：普通轻型车、出租车、公交车和卡车。 为配合模型使用，对车队信息、技术类型分布、车辆启动状况、v s p 分布状况等 进行了调查。 ( 4 ) c m e m 模型的应用 北京工商大学2 0 0 4 年用c m e m 模型计算了北京轻型汽车的排放因子。测试 了9 辆车，分别属于c m e m 技术类型的第l ，2 ，4 ，6 类的轻型机动车，计算在 行驶高峰期和非高峰期时段排放因子。同时还在测试车辆上安装了一套m i c r o g a s 五气分析仪，用来测试车辆在实际道路上的排放因子，以验证模型的准确性。 ( 5 ) c o p e r t 模型的应用 北京大学以2 0 0 2 年为基准年，用c o p e r t i i i 计算了中国机动车的排放因子。 该研究将机动车分为大( 中) 型客车、小( 微) 型客车、重( 中) 型货车、摩托车7 类。 燃料参数和气候参数来自于相关燃油标准和气象统计资料。平均旅程长度、负载 和坡度均采用模型的默认值。并将结果与m o b i l e 和台架测试结果作了比较。结 果显示：对于不同车型的不同污染物，c o p e r t 和m o b i l e 分别显示出与实测值不 同的接近程度。 2 2 3 模型发展趋势 由以