魏慧利++霍煒++趙紅++張紀(jì)鵬

摘 要：利用MOBILE6.2模擬了青島市天然氣出租車隊(duì)2015年CO、HC、NOX排放因子。采用簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法檢測(cè)在役12輛捷達(dá)、32輛桑塔納出租車的排放因子，并利用測(cè)試結(jié)果對(duì)MOBILE6.2模型進(jìn)行修正完成了模型的本地化。結(jié)合Matlab灰色系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)了2016～2020年污染物排放水平。結(jié)果表明2015年青島市出租車CO、HC、NOX的排放因子分別為1.84g/km、0.66g/km、0.36g/km，導(dǎo)致CO排放高的原因有兩個(gè)：天然氣燃燒性能和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改變。“油改氣”降低了CO、HC、NOX80%、69%、63%的排放，減排效果在2016～2020年趨于平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：排放特性；MOBILE6.2；簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法；灰色模型

中圖分類號(hào)：X511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

我國(guó)城市機(jī)動(dòng)車保有量實(shí)現(xiàn)了飛躍式增長(zhǎng)，然而其引起的環(huán)保問(wèn)題卻不容忽視。國(guó)內(nèi)對(duì)車輛排放污染物的研究主要針對(duì)以汽油、柴油為燃料的各種車型，對(duì)燃?xì)廛嚨念A(yù)測(cè)研究較少，且2003年開(kāi)始實(shí)施的出租車“油改氣”政策的減排效果缺少評(píng)估研究。本文全面調(diào)查收集了青島市出租車信息，建立了青島市出租車隊(duì)的MOBILE6.2排放因子模型；采用簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法檢測(cè)出租車排放因子，分析了燃?xì)獬鲎廛嚨呐欧盘攸c(diǎn)和影響因素，并根據(jù)其測(cè)試完成了MOBILE模型的本地化；建立Matlab灰色系統(tǒng)模型，預(yù)測(cè)了青島市出租車2016～2020年的排放水平。

1. MOBILE建模

1.1 MOBILE6簡(jiǎn)介

MOBILE是美國(guó)環(huán)保局推出的排放因子模型，可以模擬在用車隊(duì)碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）、氮?dú)浠衔铮∟OX）、顆粒物（PM）、有害空氣污染物及二氧化碳（CO2）的排放因子，建立地區(qū)、國(guó)家范圍的排放清單，應(yīng)用廣泛。用戶需要對(duì)不同機(jī)動(dòng)車模型進(jìn)行參數(shù)修正后才能發(fā)展出適用于本國(guó)機(jī)動(dòng)車排放的本土模型。

1.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)調(diào)研，設(shè)定其模型參數(shù)如下。選擇模型年為2015，評(píng)價(jià)月為1月，海拔高度為1低海拔。日峰持續(xù)時(shí)間為10A.M～4P.M，1月太陽(yáng)起/落為6A.M～6P.M，最低/最高溫度為32～42°F，云量為0.4，氣壓為30.0。柴油車比例命令全部設(shè)定為0。

天然氣出租車是由輕型汽油車改造而來(lái)，在車輛登記分布命令中僅需設(shè)定輕型汽油車車型，且出租車每8年強(qiáng)制更新，經(jīng)調(diào)研設(shè)定車齡1～7的百分?jǐn)?shù)為10、3、3、13、15、41、15，其余為0。使用年均累積行駛里程命令設(shè)定車隊(duì)行駛特征，經(jīng)調(diào)研，出租車年均行駛里程約為13.7萬(wàn)km，在外部文件Reg.d中設(shè)定輸入值均為0.851。針對(duì)天然氣車隊(duì)，需要設(shè)置天然氣車輛比例和天然氣車替代排放因子命令。其中天然氣排放因子使用美國(guó)EPA對(duì)于超低排放車輛的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，在外部文件ngvef.d中設(shè)定數(shù)值。

目前我國(guó)汽油燃料質(zhì)量為國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件，通過(guò)燃料程序命令設(shè)定燃料含硫量。其他相關(guān)命令使用系統(tǒng)默認(rèn)值。

1.3 模擬結(jié)果

運(yùn)行*.in文件輸出青島市2015年出租車的HC、CO、NOX排放因子分別為0.66、1.84、0.36g/km，滿足山東省標(biāo)準(zhǔn)CO≤7.2g/km、（HC+NOX）≤2.5g/km，測(cè)試合格。

2.簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法（VMAS）測(cè)試

2.1 簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法

簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法（VMAS）為動(dòng)態(tài)加載檢測(cè)方法，機(jī)動(dòng)車在底盤測(cè)功機(jī)上根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試規(guī)程模擬實(shí)際行駛條件，檢測(cè)其排放因子，對(duì)尾氣中的CO、HC、NOX等有害物都有較好的檢測(cè)精度。VMAS測(cè)試的主要設(shè)備為：底盤測(cè)功機(jī)、汽車尾氣分析儀、氣體流量分析儀、主控計(jì)算機(jī)等。對(duì)在役的12輛捷達(dá)、32輛桑塔納出租車進(jìn)行VMAS試驗(yàn)檢測(cè)其排放因子。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

由圖1可知，除了一輛2009.10桑塔納的排放明顯超出正常范圍的故障車輛，忽略不計(jì)外，其余測(cè)試車輛的HC、NOX排放維持低水平：捷達(dá)、桑塔納HC為0.1g/km～2.0g/km，NOX為0.1g/km～1.0g/km。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，燃燒較為完全，溫度低，生成HC和NOX較少。說(shuō)明天然氣燃料對(duì)HC、NOX有良好減排效果。HC、NOX變化一致，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改變，如后處理老化、噴油點(diǎn)火性能等，對(duì)于HC、NOX影響是一致的。

車隊(duì)的CO的排放水平較高，且波動(dòng)最大：捷達(dá)為 0.2g/km～6.9g/km，桑塔納為0.2g/km～11.3g/km，是主要污染物。這是由于同樣工況下所需天然氣體積噴射流量遠(yuǎn)大于汽油，工作循環(huán)變動(dòng)大，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，天然氣燃燒特性導(dǎo)致排放增加。

CO變化與HC、NOX大致相同，該變化是由發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改變引起的。但是注冊(cè)時(shí)間為2009.2、2009.6、2009.8、2011.2、2012.4捷達(dá)和2009.7、2009.9桑塔納，其CO排放卻與HC、NOX相反，說(shuō)明CO的排放變化是由本身特性決定的。這是因?yàn)檠鯕飧蛔銜r(shí)燃料燃燒完全，生成HC減少、CO增加，且天然氣燃燒溫度低，能抑制NOX的生成；氧氣不足，則相反。此時(shí)CO與HC、NOX排放變化相反是由天然氣燃燒特性決定的。

1.8L桑塔納CO排放因子變化幅度是1.6L捷達(dá)的兩倍，而且桑塔納CO變化趨勢(shì)多與HC、NOX一致，可見(jiàn)大排量桑塔納與小排量捷達(dá)相比CO排放高是由發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改變引起的。

由圖2可以看出，與汽油車的排放因子與累計(jì)行駛里程成正相關(guān)明顯不同，天然氣車排放因子受車齡影響較小，成離散型分布。這是由于天然氣氣體進(jìn)入氣缸時(shí)不會(huì)破壞機(jī)油油膜的潤(rùn)滑特性，幾乎不會(huì)產(chǎn)生積碳，而積碳會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不良導(dǎo)致尾氣排放超標(biāo)，大幅降低了排放隨行駛里程的劣化。

2.3 修正因子計(jì)算

根據(jù)測(cè)試車輛的登記日期和公式（1）可得整個(gè)車隊(duì)VMAS的CO、HC、NOX排放因子為2.81g/km、1.04g/km、0.57g/km。

定義MOBILE的參數(shù)修正因子為排放因子模擬值和實(shí)測(cè)值之比，計(jì)算得到CO、HC、NOX的參數(shù)修正因子分別為0.65、0.63、0.63。將修正因子輸入MOBILE中，得到本土化的青島市出租車本地MOBILE排放模型。

2.4 2003～2015年青島出租車隊(duì)排放因子

使用青島市出租車本地MOBILE排放模型得到其2003～2015年排放因子如圖3所示。由圖發(fā)現(xiàn)，自2003年“油改氣”以來(lái)，CO、HC、NOX的排放因子均減小。其中CO的降幅最大，由14.7降到2.81g/km，降幅達(dá)80%；HC在2003年～2007年降幅為69%，2008年后逐漸平穩(wěn)；NOX降幅達(dá)63%?！坝透臍狻闭哂行Ы档土顺鲎廛?種污染物的排放。

3. Matlab灰色系統(tǒng)模型的出租車保有量預(yù)測(cè)

某種污染物年排放量計(jì)算公式如下。

式中EQω為ω種污染物的年排放量，P為統(tǒng)計(jì)年份車保有量，M為車年平均行駛里程，Efω為ω種污染物的排放因子。其中青島市出租車保有量P可利用灰色模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 灰色系統(tǒng)模型

青島市出租車保有量是一個(gè)既有未知又有已知信息的灰色系統(tǒng)，灰色系統(tǒng)模型只需從保有量的實(shí)際信息的初始數(shù)據(jù)中找尋規(guī)律，即可完成未來(lái)保有量預(yù)測(cè)。將Matlab軟件和灰色模型結(jié)合編程，應(yīng)用模型時(shí)只需輸入初始數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)即可得到預(yù)測(cè)結(jié)果，無(wú)需再次編寫(xiě)計(jì)算公式，提高計(jì)算效率。

3.2 Matlab的GM（1，1）建模

（1）選定初始數(shù)據(jù)X0為2007～2015青島市年出租車保有量為：8221、9241、9136、9539、9683、9693、9826、9720、10033。

（2）建立Matlab灰色模型。調(diào)用Matlab程序建模，需要預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為2016～2020年出租車保有量，按照提示輸入初始數(shù)據(jù)X0、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)n=5即可完成建模。

（3）輸出2016～2020年保有量預(yù)測(cè)值為10117、10234、10353、10473、10594輛。

3.3 誤差檢驗(yàn)

灰色模型建立模型后，需要通過(guò)對(duì)相對(duì)殘差q、后驗(yàn)差比值C、小誤差概率P計(jì)算對(duì)模型精度進(jìn)行檢驗(yàn)，在Matlab中計(jì)算得到本模型的模型值、相對(duì)殘差見(jiàn)表1。

本模型相對(duì)殘差q<0.05，精度為二級(jí)；后驗(yàn)差比值C=0.0654<0.35，精度為一級(jí)；小誤差概率為P=1>0.95，為一級(jí)。說(shuō)明模型預(yù)測(cè)精度好，通過(guò)檢驗(yàn)。

4. 2016年～2020年城市出租車隊(duì)排放特征

使用青島出租車本地MOBILE模型模擬計(jì)算出租車車隊(duì)2016年～2020年污染物的排放因子如圖4（a）所示，使用灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)其保有量，年均行駛里程Mj約為13.7萬(wàn)km，根據(jù)公式（2）得到其2016～2020年污染物排放總量如圖4（b）所示。

模擬值表明，2016年～2020年期間，青島市出租車的HC、NOX排放因子水平基本穩(wěn)定，其排放總量則因?yàn)槌鲎廛嚁?shù)量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。CO則在2016～2017年繼續(xù)有較大幅度地降低，由1.84g/km降低到了1.22g/km，但依然是天然氣車輛的主要污染物；CO、HC、NOX排放總量在2020年分別達(dá)到0.36t、0.15t、0.1t。

結(jié)論

（1）建立青島市出租車車隊(duì)MOBILE6.2模型，得到其2015年的HC、CO、NOX模擬排放因子；使用VMAS測(cè)試在役12輛捷達(dá)、32輛桑塔納出租車，得到青島市出租車隊(duì)HC、CO、NOX實(shí)測(cè)排放因子為1.04g/km、2.81g/km、0.57g/km，并利用實(shí)測(cè)排放因子完成MOBIEL模型本土化。發(fā)現(xiàn)天然氣出租車CO排放因子水平較高，導(dǎo)致CO排放高的原因有兩個(gè)：天然氣燃燒性能和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改變。

（2）結(jié)合MOBILE6.2模型和Matlab灰色模型，預(yù)測(cè)了青島市出租車2016～2020年HC、CO、NOX總排放量。結(jié)果表明，在“油改氣”政策逐步實(shí)施的2003年～2015年期間，出租車降低了超過(guò)60%左右的尾氣排放。隨著燃?xì)廛囕v數(shù)趨于穩(wěn)定，減排效果將在2016年～2020年逐步穩(wěn)定，而排放量則跟隨出租車數(shù)量的增加而有所增加。

參考文獻(xiàn)

[1]王岐東，姚志良，霍紅，等.中國(guó)城市輕型車的排放特性[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008（9）：1713-1719.

[2]郝艷召，鄧順熙，邱兆文，等.機(jī)動(dòng)車非尾氣顆粒物排放研究[J].汽車工程，2015，37（2）：145-154.

[3] DB37/657，山東省點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)在用輕型汽車排氣污染物排放限值，2011[S].

[4]王岐東，霍紅，等.基于工況的城市機(jī)動(dòng)車排放模型DCMEM的開(kāi)發(fā)[J].環(huán)境科學(xué)，2008（11）：3285-3290.

[5] HJ/T180，城市機(jī)動(dòng)車污染源空氣污染測(cè)算方法[S].

[6]青島市統(tǒng)計(jì)局.青島統(tǒng)計(jì)年鑒（2015）[M].青島：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2015.