王軍方，丁焰* ，尹航，譚建偉，張海燕，殷寶輝

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，北京 100081

隨著我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)排放引起的環(huán)境問(wèn)題和對(duì)人體健康的影響已經(jīng)成為重要問(wèn)題，汽車(chē)排放的NOx、CO、HC，以及細(xì)顆粒物(PM2.5)等更是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1-5］。由于超細(xì)顆粒及納米級(jí)顆粒物有更大的危害性，重型柴油車(chē)顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布也是國(guó)內(nèi)眾多研究者［6-10］的研究重點(diǎn)。

研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)動(dòng)車(chē)行駛工況及運(yùn)行環(huán)境是影響機(jī)動(dòng)車(chē)排放的重要因素［11-13］。已經(jīng)有不少研究人員開(kāi)展了運(yùn)用車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際道路上對(duì)重型柴油車(chē)的實(shí)時(shí)測(cè)量［14-21］。

車(chē)載排放測(cè)試法是車(chē)輛在實(shí)際道路運(yùn)行條件下，利用放置在車(chē)輛上的車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)(portable emission measure system，PEMS)及全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)直接和實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)動(dòng)車(chē)瞬時(shí)污染物排放量、排氣流量、地理信息及車(chē)速。這種測(cè)試方法能夠反映外界環(huán)境條件的變化對(duì)車(chē)輛排放的影響，得到實(shí)際運(yùn)行中所有可能運(yùn)行模式下的排放數(shù)據(jù)，在研究機(jī)動(dòng)車(chē)實(shí)際道路排放特征方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。另外，車(chē)載排放測(cè)試方法不僅可以保證測(cè)試的精度和可靠性，而且可以節(jié)約大量的測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本，為機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子研究提供了便捷有效的測(cè)試方法。因此，車(chē)載排放測(cè)試方法是排放因子的重要研究手段，近年來(lái)得到了重點(diǎn)關(guān)注和發(fā)展。

1 試驗(yàn)

選擇符合國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)的重型卡車(chē)為研究對(duì)象，車(chē)質(zhì)量為15 t，累積行駛里程38萬(wàn)km，功率170 kW。研究重型卡車(chē)實(shí)際道路氣態(tài)常規(guī)污染物(HC、CO、NOx)以及顆粒物數(shù)濃度排放特征。

1.1 PEMS測(cè)試系統(tǒng)

用于重型車(chē)車(chē)載排放測(cè)試的PEMS包括:SEMTECH-DS排放測(cè)試系統(tǒng)、EFM流量計(jì)、Detaki公司的低壓電子撞擊器(electrical low pressure impactor，ELPI)、Detaki公司的兩級(jí)稀釋射流式稀釋器以及其他附屬設(shè)備。測(cè)試設(shè)備在重型車(chē)上的布置如圖1所示。

圖1 重型卡車(chē)車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)Fig.1 PEMS measurement system of heavy-duty trucks

1.2 測(cè)試儀器及設(shè)備

SEMTECH-DS排放測(cè)試系統(tǒng)是經(jīng)美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)認(rèn)證的排放測(cè)試設(shè)備。SEMTECH-DS采用非分散紫外線分析儀(NDUV)測(cè)試排氣中的NO和NO2濃度;采用非分散紅外線分析儀(NDIR)測(cè)試排氣中的CO和CO2濃度;采用氫火焰離子分析儀(FID)測(cè)試排氣中的HC濃度;采用電化學(xué)分析儀檢測(cè)氧濃度。SEMTECH-DS還用環(huán)境溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度和大氣壓。同時(shí)，SEMTECH-DS可以利用自帶的GPS實(shí)時(shí)記錄車(chē)輛行駛過(guò)程中逐秒的地理位置(即經(jīng)度、緯度、高度)和行駛速度信息。

EFM流量計(jì)用于測(cè)量機(jī)動(dòng)車(chē)排氣瞬時(shí)體積流量和質(zhì)量流量，其量程為0～15.6 m3/min，檢測(cè)精度為±2.5%，能夠滿(mǎn)足測(cè)試要求，是經(jīng)US EPA認(rèn)證的測(cè)試設(shè)備。

ELPI是對(duì)顆粒物粒徑尺寸及分布進(jìn)行測(cè)量的儀器，利用微粒的慣性按空氣動(dòng)力學(xué)直徑將粒徑在0.03～10 μm的微粒分為12級(jí)，可將測(cè)量范圍下擴(kuò)到7 nm，可以實(shí)時(shí)記錄車(chē)輛排放的顆粒物數(shù)濃度和質(zhì)量濃度及總量［22］。

兩級(jí)稀釋器用于對(duì)車(chē)輛排氣進(jìn)行稀釋?zhuān)孕纬蛇m合ELPI測(cè)量精度和測(cè)量范圍要求的均勻氣溶膠。ELPI也是經(jīng)US EPA認(rèn)證的顆粒物測(cè)試設(shè)備。

GPS包括三大部分:GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和GPS信號(hào)接收機(jī)。它可以直接而精確地測(cè)定地球表面上任一點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、海拔高度，能夠精確而高速地為使用者連續(xù)提供測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)三維位置、三維速度和時(shí)間。測(cè)試系統(tǒng)具有良好的保密性和抗干擾性。GPS的單點(diǎn)定位精度可達(dá)10 m，測(cè)速精度可達(dá)0.1 m/s，能夠滿(mǎn)足車(chē)輛工況測(cè)試要求［23］。其外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全球定位系統(tǒng)(GPS)Fig.2 Photograph of GPS

1.3 數(shù)據(jù)選擇

王愛(ài)娟等［24］研究發(fā)現(xiàn)，重型卡車(chē)的行駛速度主要分布在0～50 km/h內(nèi)，最大車(chē)速可達(dá)90 km/h以上。在車(chē)速為0～40 km/h時(shí)，車(chē)輛加速度主要分布在-0.6～0.6 m/s2;在車(chē)速高于40 km/h時(shí)，車(chē)輛加速度主要集中在-0.5～0.5 m/s2(圖3)。

圖3 重型卡車(chē)速度分布［24］Fig.3 Speed Distribution of heavy-duty trucks

考慮到北京市白天禁止重型卡車(chē)進(jìn)入市區(qū)五環(huán)內(nèi)，因此對(duì)重型卡車(chē)實(shí)際道路排放測(cè)試以五環(huán)及以外線路為主，進(jìn)行穩(wěn)定車(chē)速工況測(cè)試，參考圖3，選取車(chē)速分別為0(怠速)以及15，35和70 km/h，每個(gè)工況選擇30 s穩(wěn)態(tài)時(shí)間段，取排放平均值。

2 結(jié)果及討論

2.1 常規(guī)污染物排放結(jié)果

圖4為不同車(chē)速下重型卡車(chē)的常規(guī)污染物排放量。由圖4可見(jiàn)，重型卡車(chē)的HC與CO排放量隨車(chē)速變化規(guī)律類(lèi)似，均為排放量隨車(chē)速的增大而減小;車(chē)速為70 km/h的工況下HC和CO排放量比車(chē)速為15 km/h降低69.84%和69.15%。NOx排放規(guī)律與HC和CO不同，排放量隨車(chē)速的增加而升高，車(chē)速為70 km/h工況下比車(chē)速為15 km/h高27.41%。怠速工況下，HC、CO排放量與車(chē)速為15 km/h工況排放幾乎相當(dāng)，而NOx排放量比15 km/h工況排放低29.85%。分析認(rèn)為，隨著車(chē)速的增加，燃燒室中燃燒溫度升高，燃油充分燃燒，因而HC和CO排放量降低，而NOx排放量升高。

圖4 重型卡車(chē)車(chē)速對(duì)常規(guī)污染物排放量的影響Fig.4 Regulated pollutants emission from the truck

2.2 怠速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布

圖5為怠速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布。由圖5(a)可以看出，在怠速工況下30 s時(shí)間內(nèi)，排放顆粒物數(shù)量變化不大，為6.21×107～6.28×107個(gè)/cm3，變化幅度不超過(guò)0.58%。圖5(b)表明，隨粒徑的增大，顆粒物數(shù)濃度降低。顆粒物數(shù)濃度主要集中于粒徑小于20 nm的顆粒物，占總數(shù)量的33.48%，粒徑小于70 nm的顆粒占總數(shù)量的93.81%。粒徑大于770 nm的顆粒物數(shù)濃度很低，只占顆?？倲?shù)量的0.06%。

2.3 低速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布

圖6是低速(15 km/h)工況下顆粒物數(shù)濃度與粒徑分布。由圖6(a)可以看出，在低速工況的0～5 s內(nèi)，顆粒物數(shù)濃度變化幅度比較大，但5 s之后基本比較穩(wěn)定。排放顆粒物總數(shù)量為3.49×106～11.7×106個(gè)/cm3，變化幅度平均值為14.79%，最高值為133.10%。由圖6(b)可以看出，粒徑分布呈現(xiàn)單峰狀態(tài)，峰值處于粒徑為70 nm的納米級(jí)顆粒物，數(shù)濃度占總數(shù)量的46.10%，粒徑小于120 nm的顆粒物占總數(shù)量的95.85%。粒徑高于200 nm的顆粒物數(shù)濃度很低，只占總數(shù)量的4.15%。粒徑大于770 nm的顆粒物數(shù)濃度很低，只占顆?？倲?shù)量的0.04%。

2.4 中速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布

圖7為中速(35 km/h)工況下顆粒物數(shù)濃度與粒徑分布。由圖7可以看出，在中速穩(wěn)定工況6～10 s時(shí)間段內(nèi)，顆粒物數(shù)量變化幅度較大，其余時(shí)間段內(nèi)比較穩(wěn)定。排放顆粒物數(shù)量為5.47×106～100×106個(gè)/cm3，在6～10 s內(nèi)，變化幅度最高值達(dá)到293.11%，其余時(shí)間段變化幅度為25%～79%。由圖7(b)可以看出，粒徑分布呈單峰狀態(tài)，峰值為粒徑70 nm的納米級(jí)顆粒物，其數(shù)濃度占總數(shù)量的36.66%，粒徑小于200 nm的顆粒物占總數(shù)量的94.59%。粒徑高于490 nm的顆粒物數(shù)濃度很低，只占總數(shù)量的0.62%。粒徑高于770 nm的顆粒物只占總數(shù)量的0.03%。

2.5 高速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布

圖8為高速(70 km/h)工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布。由圖8(a)可以看出，在高速工況下，除最初的2 s外，其余時(shí)間段內(nèi)排放的顆粒物數(shù)量(2.67×107～3.66×107個(gè)/cm3)隨時(shí)間變化不大，除最初2 s外，變化幅度不超過(guò)7.11%。從顆粒物粒徑在30 s之內(nèi)的平均分布〔圖8(b)〕可以看出，顆粒物數(shù)濃度峰值處于粒徑70 nm處，其數(shù)濃度占總數(shù)量的45.96%，粒徑小于200 nm的顆粒物占總數(shù)量的97.60%。粒徑大于320 nm的顆粒物數(shù)濃度很低，只占總數(shù)量的2.40%。粒徑高于770 nm的顆粒物占總數(shù)量的0.08%。

圖8 高速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布Fig.8 Particles number concentration and size distribution at 70 km/h mode

從怠速工況以及車(chē)速為15，35和70 km/h的粒徑分布可以看出，隨著車(chē)速的增大，顆粒物數(shù)濃度向粒徑增大方向移動(dòng)，分析認(rèn)為，可能是隨著車(chē)速的增大，構(gòu)成納米顆粒物的很多HC化合物燃燒，因而降低了這部分顆粒物濃度，這與其他研究者［7］結(jié)論一致。

3 結(jié)論

(1)重型卡車(chē)HC和CO排放量隨車(chē)速變化規(guī)律類(lèi)似，表現(xiàn)為隨車(chē)速的增大而減小。NOx排放規(guī)律與HC和CO不同，表現(xiàn)為排放量隨車(chē)速的增加而升高。在怠速工況下，HC和CO排放量與車(chē)速為15 km/h幾乎相當(dāng)，而NOx排放量低29.85%。

(2)在怠速工況30 s內(nèi)，排放的顆粒物數(shù)量隨時(shí)間變化不大，變化幅度不超過(guò)0.58%。粒徑分布結(jié)果表明，隨粒徑的增大，顆粒物數(shù)濃度降低。顆粒物數(shù)濃度主要集中于粒徑小于70 nm的顆粒物，占總數(shù)量的93.81%。

(3)在15 km/h穩(wěn)定工況內(nèi)，最初5 s顆粒物數(shù)量變化幅度比較大，但5 s之后基本比較穩(wěn)定，變化幅度平均為14.79%。粒徑分布呈單峰狀態(tài)，顆粒物數(shù)濃度峰值處于粒徑為70 nm的納米級(jí)顆粒物，粒徑小于120 nm顆粒占總數(shù)量的95.85%。

(4)在35 km/h穩(wěn)定工況內(nèi)，除6～10 s外，其余時(shí)間段顆粒物數(shù)量基本比較穩(wěn)定。6～10 s變化幅度最高值為293%，其余時(shí)間段變化幅度為25%～79%。粒徑分布呈現(xiàn)單峰狀態(tài)，顆粒物數(shù)濃度峰值處于粒徑為70 nm的納米級(jí)顆粒物，粒徑小于200 nm顆粒占總數(shù)量的94.59%。

(5)在75 km/h穩(wěn)定工況內(nèi)，除最初的2 s外，其余時(shí)間段內(nèi)排放顆粒物數(shù)量隨時(shí)間變化不大。變化幅度不超過(guò)7.11%。顆粒物數(shù)濃度峰值處于粒徑為70 nm的顆粒物處，粒徑小于200 nm的顆粒物占總數(shù)量的97.60%。

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