黃 宇，張 慶

（中國(guó)交通信息中心有限公司，北京100088）

0 引言

近年來(lái)，全國(guó)汽車(chē)保有量增長(zhǎng)率保持在13%[1]左右，北京市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量目前已達(dá)550 余萬(wàn)輛。隨著北京市霧霾天氣的增多，機(jī)動(dòng)車(chē)污染問(wèn)題再度受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。相關(guān)研究表明，機(jī)動(dòng)車(chē)排放已經(jīng)成為城市污染的主要來(lái)源。機(jī)動(dòng)車(chē)的有害氣體主要通過(guò)汽車(chē)尾氣排放、曲軸箱竄氣和汽油蒸汽3 個(gè)途徑進(jìn)入大氣中[2]。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放的主要污染物中含有大量的一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）、碳?xì)浠衔铮℉C）和顆粒物（PM）。

排放因子反映了機(jī)動(dòng)車(chē)的排放水平，是機(jī)動(dòng)車(chē)污染控制的重要依據(jù)。機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子可以通過(guò)成熟的排放因子模型進(jìn)行比較精確的估算。何東全、傅立新[3-4]等通過(guò)MOBILE 模型，謝紹東[5]通過(guò)COPERTIII模型，對(duì)中國(guó)部分城市的機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子進(jìn)行了測(cè)算；王海鯤應(yīng)用IVE模型計(jì)算了上海機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放；何春玉[6]運(yùn)用CMEM 模型計(jì)算了北京市機(jī)動(dòng)車(chē)的排放因子。以上提到的四種模型對(duì)采用美國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)和歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)市場(chǎng)具有較好的適用性。本文應(yīng)用MOBILE模型對(duì)北京市機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子進(jìn)行測(cè)定，由于我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)不同于美國(guó)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對(duì)模型中的相關(guān)參數(shù)結(jié)合北京市實(shí)際進(jìn)行修正。

在我國(guó)一些特大型城市，交通擁堵問(wèn)題嚴(yán)重，在擁堵路網(wǎng)中，汽車(chē)實(shí)際使用過(guò)程具有低速行駛、啟制動(dòng)頻繁、加減速頻繁、長(zhǎng)時(shí)間怠速行駛等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)增加了機(jī)動(dòng)車(chē)的尾氣排放，因此大城市交通擁堵區(qū)域的機(jī)動(dòng)車(chē)污染問(wèn)題尤其嚴(yán)重。速度、流量、密度是交通管理部門(mén)衡量交通狀態(tài)常用的參數(shù)，其中速度對(duì)于單車(chē)排放因子的影響較大。隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，交通管理者在監(jiān)測(cè)道路交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)需要衡量路網(wǎng)機(jī)動(dòng)車(chē)排放水平。本文采用車(chē)載尾氣檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)北京市機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放進(jìn)行測(cè)量，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，研究機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子與車(chē)速之間的關(guān)系，為路網(wǎng)機(jī)動(dòng)車(chē)不同交通狀態(tài)下排放建模提供基礎(chǔ)。

1 MOBILE模型簡(jiǎn)介

MOBILE 模型是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）為解決環(huán)境污染建模的需要而設(shè)計(jì)的。MOBILE模型最初主要用于評(píng)價(jià)除加州外的的其余49 個(gè)美國(guó)本土州的道路機(jī)動(dòng)車(chē)排放率。該模型中，車(chē)隊(duì)燃料主要為汽、柴油，少量以天然氣、電力驅(qū)動(dòng)。MOBILE 模型可以估算汽油車(chē)、柴油車(chē)以及某些專用車(chē)輛（天然氣汽車(chē)、電動(dòng)車(chē)等）的排放水平，可測(cè)排放因子包括CO、NOx、NH、排氣顆粒物、輪胎磨損顆粒物、制動(dòng)器磨損顆粒物、二氧化硫（SO2）、氨（NH3）等有害空氣污染物以及二氧化碳（CO2）等。排放輸出結(jié)果為車(chē)隊(duì)污染物平均排放因子，單位為g/mile或g/h。

MOBILE模型以聯(lián)邦測(cè)試程序和補(bǔ)充的聯(lián)邦測(cè)試程序測(cè)的單車(chē)的基本排放因子作為標(biāo)準(zhǔn)，然后將實(shí)際參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)工況作對(duì)比對(duì)基本排放因子進(jìn)行修正，得到實(shí)際排放因子。MOBILE 模型根據(jù)GVWR（車(chē)輛總質(zhì)量）、LVW（裝有負(fù)載的車(chē)輛總量，車(chē)輛凈重加300 磅）與ALVW（調(diào)整的LVW，車(chē)輛凈重與毛重的數(shù)學(xué)平均）的不同將車(chē)型分為28 類。根據(jù)北京市在用車(chē)型分布，本文主要考慮LDGV、HDGV 兩種車(chē)型。MOBILE6 模型將道路主要分為五種類型：高速公路、無(wú)匝道路、主干道/輔助路、區(qū)域路、城市局部巷道等。

2 模型參數(shù)

2.1 車(chē)隊(duì)特征參數(shù)

車(chē)隊(duì)特征參數(shù)包括車(chē)齡、累積行駛里程、道路類型、平均速度、工作日使用強(qiáng)度及日分布、休息日使用強(qiáng)度及日分布等。根據(jù)北京市交管局?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，其中因北京市快速路車(chē)流密集，因此道路類型設(shè)為freeway；將速度區(qū)間2.5～65mph（4.02～104.59km/h）劃分為14 段，取各速度區(qū)間中值作為平均速度；車(chē)輛行駛里程為2km/年。

2.2 燃油相關(guān)參數(shù)

MOBILE模型和燃油有關(guān)的參數(shù)包括汽油硫含量、雷德蒸汽壓等。按照國(guó)家第四階段機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)汽油硫含量為50ppb，雷德蒸汽壓為85kPa。

2.3 環(huán)境特征參數(shù)

環(huán)境特征參數(shù)包括評(píng)估年、評(píng)估月、溫度、海拔、絕對(duì)濕度、云覆蓋率、日峰時(shí)續(xù)時(shí)間、日出時(shí)間、日落時(shí)間等。根據(jù)相關(guān)氣象統(tǒng)計(jì)資料，本文MOBILE 模型中將北京市平均海拔設(shè)為48.71m，絕對(duì)濕度86grains/lb，溫度-11～18℃。

2.4 國(guó)家技術(shù)政策及規(guī)定相關(guān)參數(shù)

國(guó)家技術(shù)政策及規(guī)定相關(guān)參數(shù)包括第二階段加油排放控制技術(shù)、維修/檢修制度、反干預(yù)措施等。第二階段加油排放控制是將加油過(guò)程中產(chǎn)生的油氣回收的措施，該措施于1974 年最先在美國(guó)加利福尼亞州的圣地亞哥推行；反干預(yù)措施用來(lái)減小控制系統(tǒng)干預(yù)的頻率和對(duì)排放的影響，這些干預(yù)包括加錯(cuò)油、排放控制器的消除、催化轉(zhuǎn)化器的失效等[7]。

3 MOBILE計(jì)算結(jié)果

將本研究所標(biāo)定的參數(shù)輸入MOBILE模型，對(duì)北京市代表車(chē)型LDGV、HDGV 的排放因子NOx、VOC、CO、PM進(jìn)行測(cè)算。圖1～圖4為MOBILE模型計(jì)算的四種排放因子隨平均速度變化曲線。圖中ALL 曲線代表全體車(chē)型（LDGV、HDGV）的平均排放水平。

圖1 NOx隨平均速度變化關(guān)系

圖2 VOC隨平均速度變化關(guān)系

圖3 CO隨平均速度變化關(guān)系

圖4 PM隨平均速度變化關(guān)系

圖1 反映了NOx隨機(jī)動(dòng)車(chē)平均行駛速度的變化關(guān)系?？梢钥闯?，隨著平均速度的增大，HDGV的NOx排放逐漸增大，LDGV 的NOx排放逐漸減小，車(chē)速大于60km/h 時(shí)排放水平略有提高之后趨于穩(wěn)定。由于北京市在用機(jī)動(dòng)車(chē)仍以小型汽油車(chē)為主，機(jī)動(dòng)車(chē)整體的NOx排放變化趨勢(shì)與LDGV 相似，但車(chē)速大于60km/h 的排放水平上升幅度更明顯。

圖2、圖3反映了VOC、CO隨機(jī)動(dòng)車(chē)平均行駛速度的變化關(guān)系。可以看出，隨著平均速度的增大，VOC、CO 排放因子在低速區(qū)排放水平較高，并且隨著速度的增大有一個(gè)顯著降低的過(guò)程，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 反映了PM 隨機(jī)動(dòng)車(chē)平均行駛速度的變化關(guān)系?？梢钥闯?，隨著平均速度的變化，PM 排放水平變化不大，但重型汽油車(chē)PM的整體排放水平明顯高于小型汽油車(chē)。

4 車(chē)載尾氣檢測(cè)

機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放測(cè)量方法主要分為兩大類[8]：一類是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量，主要指臺(tái)架測(cè)試法，利用底盤(pán)測(cè)功機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)模擬車(chē)輛的工況；另一類是現(xiàn)實(shí)駕駛工況下的測(cè)量，包括遙感測(cè)量、隧道測(cè)量、車(chē)載儀器測(cè)量等。底盤(pán)測(cè)功機(jī)檢測(cè)可以模擬標(biāo)準(zhǔn)的駕駛工況。常見(jiàn)的測(cè)量工況有美國(guó)聯(lián)邦測(cè)量工況（Federal Test Procedure）、歐洲的ECE （Economic Commission for Europe）、日本的JPN10-15。我國(guó)《點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)排氣污染物排放限制及測(cè)量方法（雙怠速法及簡(jiǎn)易工況法）》（GB 18285—2005）和《車(chē)用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)排氣煙度排放限值及測(cè)量方法》（GB 3847—2005）對(duì)我國(guó)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。臺(tái)架測(cè)試雖然可操作性強(qiáng)，但是標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量工況不能完全反映現(xiàn)實(shí)中汽車(chē)的實(shí)際行駛過(guò)程[9]。遙感測(cè)量是在車(chē)輛實(shí)際行駛過(guò)程中對(duì)尾氣數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，但檢測(cè)設(shè)備只能固定于道路兩旁以收集通過(guò)道路截面機(jī)動(dòng)車(chē)的排放數(shù)據(jù)，而對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)的行駛特征（如速度、加速度）無(wú)法獲知，同時(shí)遙感監(jiān)測(cè)易受天氣條件的影響。隧道測(cè)量操作難度較大。

車(chē)載尾氣檢測(cè)就是將尾氣檢測(cè)設(shè)備安裝在機(jī)動(dòng)車(chē)上，機(jī)動(dòng)車(chē)上路正常行駛，通過(guò)尾氣檢測(cè)設(shè)備對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的一種方法。隨著尾氣檢測(cè)設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展，尾氣檢測(cè)設(shè)備越來(lái)越小型化、檢測(cè)精度越來(lái)越高，同時(shí)車(chē)載尾氣檢測(cè)又具有可以檢測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)實(shí)際行駛過(guò)程尾氣排放的特點(diǎn)。

SEMTECH—DS尾氣分析儀集成了三種汽車(chē)尾氣分析儀、O2及環(huán)境參數(shù)傳感器、GPS系統(tǒng)以及汽車(chē)運(yùn)行參數(shù)接口，使用發(fā)動(dòng)機(jī)掃描儀可以通過(guò)OBD 采集汽車(chē)運(yùn)行參數(shù)。因此選用美國(guó)Sensors 公司的SEMTECH—DS系統(tǒng)對(duì)北京市代表車(chē)型汽車(chē)進(jìn)行測(cè)試，以修正MOBILE模型參數(shù)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)算效果。對(duì)汽油車(chē)樣本的排放車(chē)載測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到CO、HC、NOx在不同行車(chē)速度下的排放值，見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 CO測(cè)試、模擬結(jié)果比較

圖6 HC測(cè)試、模擬結(jié)果比較

圖7 NOx測(cè)試、模擬結(jié)果比較

為研究各排放因子與速度之間的關(guān)系，收集MOBILE 模型的輸出結(jié)果與對(duì)應(yīng)速度值。對(duì)于排放因子CO、HC、NOx，分別嘗試二次、三次曲線、復(fù)合函數(shù)、冪函數(shù)模型擬合。排放因子為被解釋變量，平均速度為解釋變量。通過(guò)圖5～圖7分別對(duì)CO、HC、NOx測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出，冪曲線對(duì)于CO、HC 擬合優(yōu)度較高，擬合效果較好，而二次曲線對(duì)NOx擬合效果較好。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與平均速度之間的反映了相同的趨勢(shì)，驗(yàn)證了修正后的MOBILE 模型的準(zhǔn)確性與可行性。

5 結(jié)論

車(chē)載設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)表明，MOBILE6.2 模型對(duì)于評(píng)價(jià)平均速度對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子的影響具有良好的適應(yīng)性。該模型結(jié)合城市路網(wǎng)交通流速度、流量、密度等參數(shù)可以有效評(píng)估擁堵?tīng)顟B(tài)下機(jī)動(dòng)車(chē)的整體排放水平。

研究表明低速狀態(tài)下機(jī)動(dòng)車(chē)整體排放水平較高，因此有效治理特大城市道路交通網(wǎng)交通擁堵對(duì)于城市環(huán)境改善具有重要意義。

[1] 張力軍.機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治基本理論[M].北京：中國(guó)環(huán)境出版社，2010.

[2] 李岳林，郭曉汾.汽車(chē)排放與噪聲控制[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3] 何東全，郝吉明，賀克斌，等.應(yīng)用模式計(jì)算機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子[J].環(huán)境科學(xué)，1998，19（3）：7-10.

[4] 傅立新，賀克斌，何東全，等.MOBILE 汽車(chē)源排放因子計(jì)算模式研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1997，17（4）：474-479.

[5] 謝邵東，宋翔宇，沈新華，等.應(yīng)用COPERTⅢ模型計(jì)算中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子[J]. 環(huán)境科學(xué)，2006，27（3）：415-419.

[6] 何春玉，王歧東.運(yùn)用CMEM模型計(jì)算北京市機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子[J].環(huán)境科學(xué)研究，2006，19（1）：109-112.

[7] 李丹. 西安市機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[8] 張凱山. 機(jī)動(dòng)車(chē)為其測(cè)量與預(yù)測(cè)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

[9] Sjoedin Ake, Lenner Magnus. On Road Measurements of Single Vehicle Pollutant Emissions, Speed and Acceleration for Large Fleets of Vehicles in Different Traffic Environments[J]. The Science of the Total Environment, 1995(169)：157-165.