彭美春，吳曉偉，江曉燕

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣州 510006； 2. 三一重工路面機(jī)械研究院，長(zhǎng)沙 410100)

前言

近年來(lái)，公交車排放已經(jīng)成為中心城市大氣污染的重要來(lái)源。由于能源平衡和環(huán)境污染控制雙重的壓力，我國(guó)正逐步推廣使用新能源汽車，如電動(dòng)汽車、天然氣汽車和醇類汽車等。城市公共運(yùn)輸領(lǐng)域，如公交車、出租車是最先推廣新能源汽車的領(lǐng)域，其實(shí)際減排效果越來(lái)越引起各方關(guān)注。

機(jī)動(dòng)車排放與車輛參數(shù)、運(yùn)行工況密切相關(guān)。不同車輛與不同運(yùn)行車速的車輛的排放特性不便直接比較。為方便比較不同質(zhì)量、不同車型的機(jī)動(dòng)車排放狀況的好壞，文獻(xiàn)[1]中提出了機(jī)動(dòng)車比功率(VSP)概念，即用發(fā)動(dòng)機(jī)為牽引單位質(zhì)量機(jī)動(dòng)車所須輸出的瞬時(shí)有效功率來(lái)表示輸出功率。VSP可用來(lái)方便地比較質(zhì)量不同的機(jī)動(dòng)車的輸出功率與排放的關(guān)系。同時(shí)采用聚類分析方法求出不同的VSP區(qū)間內(nèi)瞬時(shí)排放特征參數(shù)(排放濃度或瞬時(shí)排放速率)的平均值以作為對(duì)應(yīng)區(qū)間的參數(shù)值，可有效降低測(cè)試數(shù)據(jù)的離散性，更有利于不同運(yùn)行工況下機(jī)動(dòng)車實(shí)際排放的比較。

由于城市公交車車長(zhǎng)與車質(zhì)量大的原因，不便進(jìn)行室內(nèi)整車臺(tái)架測(cè)試，若僅僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，難以全面反映整車實(shí)際行駛工況下的排放狀況。車載排放測(cè)試技術(shù)解決了大型車難以進(jìn)行整車排放測(cè)試的難題。而且，由于它是在車輛實(shí)際行駛工況下進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果反映了當(dāng)?shù)丨h(huán)境、氣象參數(shù)和交通變化對(duì)排放的影響，能真實(shí)反映車輛的實(shí)際道路排放情況，可方便快捷地獲得不同路段、不同時(shí)段和不同工況下機(jī)動(dòng)車排氣排放狀況。美國(guó)EPA已立法將車載排放檢測(cè)方法作為在用重型車排放檢測(cè)方法，歐洲和我國(guó)等國(guó)家和地區(qū)也先后利用車載排放測(cè)試技術(shù)開展了多項(xiàng)汽車排放研究[2-6]。

本文中以大型LPG公交車為對(duì)象，利用車載排放測(cè)試儀進(jìn)行城市公交線路運(yùn)行時(shí)的排放試驗(yàn)，測(cè)取車輛的運(yùn)行車速和排放等特性參數(shù)，推導(dǎo)公交車VSP與車速的關(guān)系公式，基于VSP研究LPG公交車運(yùn)行工況特點(diǎn)和排放特性，其研究結(jié)果將為評(píng)價(jià)公交車排放提供方法與參考。

1 車載排放測(cè)試

1.1 測(cè)試設(shè)備與測(cè)試方法

本文中使用美國(guó)SEMTECH-DS車載排放測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行大型LPG公交車的實(shí)際道路排放測(cè)試。該系統(tǒng)主要由SEMTECH-DS主機(jī)、SEMTECH-EFM流量計(jì)、采樣管、GPS、環(huán)境溫濕度計(jì)和控制電腦等組成，可對(duì)CO與CO2、NO與NO2和THC的排放進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。系統(tǒng)安裝示意圖如圖1所示。

車載式排放測(cè)試儀逐秒采集數(shù)據(jù)，包括車速、排氣中CO、HC、NOx、O2等成分的體積濃度、排氣流量、排氣溫度和環(huán)境溫濕度等。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后可得出排氣中各成分的排放速率(g/s)、排放因子(g/km)和過(guò)量空氣系數(shù)等。

1.2 試驗(yàn)車輛

本研究測(cè)試了6輛LPG公交車，車長(zhǎng)約11.5m，均配置7.8L排量的玉柴LPG發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)車輛分為兩類，其中3輛滿足國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，3輛滿足國(guó)Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試公交車的主要信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)LPG公交車的主要信息

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 公交車VSP計(jì)算式推導(dǎo)

將文獻(xiàn)[7]中給出的柴油公交車VSP計(jì)算式中的參數(shù)值代入汽車?yán)碚摮Ｓ霉β识x式中，得出公交車的VSP計(jì)算式如下：

(1)

式中：VSP為機(jī)動(dòng)車比功率，kW/t；m為機(jī)動(dòng)車質(zhì)量，kg;v為機(jī)動(dòng)車行駛速度，m/s；a為車輛加速度，m/s2;g為重力加速度,m/s2;grade為道路坡度;ρa(bǔ)為環(huán)境空氣密度,kg/m3；CR為輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)，其大小主要由道路狀況和輪胎類型決定；CD為機(jī)動(dòng)車空氣阻力系數(shù)；A為機(jī)動(dòng)車前沿迎風(fēng)面積，m2。

本研究在華南地區(qū)進(jìn)行，該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，其濕空氣密度為

(2)

根據(jù)該地區(qū)2009年氣候公報(bào)中的數(shù)據(jù)，全年平均氣溫為22.5℃(295.5K)，大氣壓力p為 101.78kPa，相對(duì)濕度φ為50%，飽和水蒸汽壓力pb為2.64 kPa。將上述數(shù)據(jù)代入式(2)中，最后計(jì)算出該地區(qū)的空氣平均密度ρw約為1.192 75kg/m3。

對(duì)于城市道路坡度grade可取0°，輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)CR取0.012，空氣密度ρa(bǔ)取1.192 75kg/m3(22.5℃)；公交車空氣阻力系數(shù)CD取0.8；測(cè)試的公交車迎風(fēng)面積A為7m2；公交車質(zhì)量m取12 400kg。將上述數(shù)據(jù)代入式(1)，得出測(cè)試的公交車的VSP為

=v(a+0.11772)+0.000269v3

(3)

從式(3)中可看出VSP是車速的三次方函數(shù)。

2.2 公交車行駛工況特征分析

采用車載排放測(cè)試測(cè)得LPG公交車在城區(qū)與近郊線路運(yùn)行時(shí)的車速和排放等數(shù)據(jù)近80 000組。

基于實(shí)驗(yàn)采集的逐秒車速數(shù)據(jù)，按式(3)進(jìn)行計(jì)算，可得到公交車運(yùn)行過(guò)程中逐秒的VSP值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)公交車的VSP值主要分布在-10～10 kW/t的范圍內(nèi)。本文中選取1kW/t為間隔對(duì)VSP進(jìn)行間隔值相等的區(qū)間劃分，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出公交車運(yùn)行VSP區(qū)間分布結(jié)果，如圖2所示。

由圖2可知，公交車行駛時(shí)的VSP區(qū)間分布呈現(xiàn)明顯的中間高、兩端低的特征， 0～1kW/t的VSP區(qū)間行駛時(shí)間占比最高，其中城區(qū)公交車的占比數(shù)值更是高達(dá)51.7%。在-5～5kW/t的區(qū)間內(nèi)，城區(qū)行駛的時(shí)間占比為96.2%，郊區(qū)行駛的占比為99.1%。占公交車行駛時(shí)間占比在80%以上的-3～3kW/t區(qū)間內(nèi)的速度-加速度分布圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，該區(qū)間內(nèi)的加速度主要分布在-1～1.5m/s2的范圍內(nèi)，公交車行駛速度以小于50km/h的數(shù)據(jù)點(diǎn)居多，并呈現(xiàn)出低速數(shù)據(jù)點(diǎn)多且分布范圍廣，高速數(shù)據(jù)點(diǎn)少且分布集中，表明公交車最主要的行駛區(qū)間內(nèi)速度較低、加速度變化范圍較大，這也是公交車尾氣污染物排放的主要區(qū)間。

2.3 排放特性

2.3.1 排放速率

基于2.2節(jié)研究結(jié)果，以時(shí)間占比達(dá)98%的[-5，6] kW/t VSP區(qū)間作為排放特性研究工況范圍。測(cè)試的國(guó)Ⅲ和國(guó)Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)的公交車各取一輛作為分析對(duì)象，分別取名為1號(hào)車和2號(hào)車。圖4示出了兩輛車HC、CO、NOx3種排放污染物基于VSP的排放速率。為了分析圖4中排放速率變化趨勢(shì)的原因，圖5和圖6分別給出了HC、CO、NOx3種排放污染物的體積濃度與體積流量和排氣溫度與過(guò)量空氣系數(shù)的兩車平均值曲線。

由圖4～圖6分析可知：在負(fù)的VSP區(qū)間，HC、CO、NOx排放速率、排氣體積濃度、排氣體積流量、排氣溫度、過(guò)量空氣系數(shù)變化相對(duì)較平緩；VSP接近零，即車速接近于零，車輛接近怠速狀態(tài)時(shí)，3種污染物的排放、排氣流量和排氣溫度均降低；VSP為正時(shí)，隨VSP增大排氣溫度和排氣體積流量增大，過(guò)量空氣系數(shù)先緩慢減小，再緩慢增大至1.37，HC、CO排氣體積濃度與排放速率均先增大后減小，但是NOx排氣體積濃度與排放速率基本呈增大趨勢(shì)。

過(guò)量空氣系數(shù)是影響CO、HC排放的重要因素。所研究的LPG公交車發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀燃技術(shù)， VSP區(qū)間[-5，6]kW/t的過(guò)量空氣系數(shù)在1.3～1.4范圍內(nèi)，總的來(lái)說(shuō)變化不大。

NOx的產(chǎn)生受混合氣濃度和燃燒溫度共同影響。本研究無(wú)法測(cè)得燃燒溫度，但可用排氣溫度作為參考。從圖6看到負(fù)VSP區(qū)，過(guò)量空氣系數(shù)、排氣溫度均平穩(wěn)，因此NOx的排放排量也平穩(wěn)。正VSP區(qū)，隨負(fù)荷增大過(guò)量空氣系數(shù)變化不大，但排氣溫度則呈逐漸上升的趨勢(shì)，導(dǎo)致NOx排放流量逐漸增大。

2.3.2 排放因子

由式(3)VSP的計(jì)算式可知，LPG公交車的速度為零時(shí),VSP等于零，排放因子趨于無(wú)窮大，因此下文排放因子分析不包括VSP為零時(shí)的工況。

圖7為VSP與HC、CO、NOx3種污染物排放因子的關(guān)系曲線圖。由圖可知：VSP為負(fù)時(shí)，3種污染物排放因子均隨著VSP的增大而增大；VSP為正時(shí)， 3種污染物排放因子均隨著VSP的增大先增大后減小，其中HC和CO排放因子變化趨勢(shì)較明顯。

3 結(jié)論

(1)推導(dǎo)出代表車型公交車比功率VSP計(jì)算公式，其是車速的三次方函數(shù)?；赩SP可方便地進(jìn)行不同質(zhì)量、不同車速運(yùn)行工況下的車輛排放性能的比較。

(2)測(cè)試與分析得出公交車實(shí)際運(yùn)行的VSP范圍較小，無(wú)論城區(qū)還是郊區(qū)，公交車VSP落在-5～5kW/t區(qū)間的行駛時(shí)間占比均大于96%，城區(qū)和郊區(qū)的VSP區(qū)間均以0～1kW/t的行駛時(shí)間占比最高，其中城區(qū)行駛時(shí)的時(shí)間占比達(dá)51.7%。反映出公交車低速頻繁變速運(yùn)行的規(guī)律。

(3) VSP為負(fù)時(shí)，排放污染物的排放速率變化較小，排放因子隨著VSP增大緩慢增大；VSP接近0時(shí)，排放速率降到最低值，排放因子趨近無(wú)窮大；VSP為正時(shí)，隨著VSP增大，CO和HC的排放速率與排放因子先增大后減小趨勢(shì)明顯，NOx排放速率呈增大趨勢(shì)，而排放因子先增大后緩慢下降。

(4) 排放速率主要影響因素是排放體積濃度，排放濃度高，即排放速率大。排放因子主要影響因素既有排放速率，也有車速。排放速率高即排放因子大，車速高即排放因子小。

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