戴知廣 苗 領(lǐng)

(1.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 深圳 518022；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳518055)

深圳市混合動力巴士污染物排放特性的實驗研究*

戴知廣1苗 領(lǐng)2

(1.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 深圳 518022；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳518055)

利用高精度的車載排放測試儀，對使用同種發(fā)動機的普通柴油巴士和混合動力巴士進行城市典型道路工況下的排放測試，對比2種車型的污染物排放特征。通過對2種車型基于不同車速及比功率下的排放特性分析，發(fā)現(xiàn)混合動力巴士有效減少了CO和顆粒物(PM)的排放，CO、PM的排放量分別為普通柴油巴士的42.4%、28.7%；然而由于混合動力巴士的匹配控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，車身總質(zhì)量較大，導(dǎo)致其NOx、碳氫化合物(HC)排放明顯高于普通柴油巴士，NOx、HC排放量分別為普通巴士的167.5%、931.4%。

混合動力巴士 車載排放測試系統(tǒng) 行駛工況 排放特性

隨著全球機動車保有量的增加，機動車污染物排放對環(huán)境的影響受到各國政府和科研工作者的廣泛關(guān)注[1-4]。MANCILLA等[5]在墨西哥Loma Larga隧道內(nèi)收集機動車排放的顆粒物，并對顆粒物進行元素分析，從而解析顆粒物排放的污染特征；KUHNS等[6]和MAZZOLENI等[7]利用遙感測試系統(tǒng)分別對拉斯維加斯的重型柴油車和輕型汽油車排放的污染物進行遙感測試，確定了污染物的排放因子，并對尾氣顆粒物和氣態(tài)污染物的相關(guān)性進行了分析。隨著對機動車排放污染物監(jiān)測精度的要求越來越高，對于在實際道路中行駛的機動車，由于行駛路況的復(fù)雜性，很多測試手段不能有效檢測車輛實際排放情況，檢測結(jié)果無法滿足科研需求。車載排放測試系統(tǒng)(PEMS)因能實時測量機動車在實際道路行駛過程中污染物的排放情況，在科研工作中得到越來越多的應(yīng)用[8-12]。

近年來，我國大力推廣新能源汽車，大量混合動力巴士投入到城市的公交運營中，然而目前很少有針對混合動力巴士排放情況的相關(guān)研究，因此很難判斷混合動力巴士在改善城市大氣環(huán)境中的效果。為此，本研究利用具有高精度的PEMS分別測試混合動力巴士和普通柴油巴士在深圳市內(nèi)主干道行駛過程的實際排放情況，對比2種車型的污染物排放特征，為控制城市公共交通系統(tǒng)對大氣質(zhì)量的污染提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗設(shè)計

1.1 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)主要包括3部分，分別是車載排放分析儀(SEMTECH-DS，美國SENSORS公司)、荷電低壓顆粒物撞擊器(ELPI+，芬蘭DEKATI公司)和車載尾氣流量計(EFM，美國SENSORS公司)。測試車輛發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的廢氣通過連接管進入EFM，EFM中含有溫度傳感器和壓差傳感器，可以測量排氣的溫度和流量，并將數(shù)據(jù)傳輸給SEMTECH-DS；SEMTECH-DS中含有非分光紅外分析模塊(NDIR)、非分散紫外分析模塊(NDUV)和氫火焰離子檢測器(HFID)，可以對EFM取樣管中的尾氣進行分析，檢測出尾氣中CO/CO2、NO/NO2和總碳氫化合物(THC)的含量，SEMTECH-DS還可以收集安裝在車頂?shù)臏貪穸扔嫼腿蚨ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)中的數(shù)據(jù)，從而分析實驗環(huán)境下的溫度、濕度和車輛行駛速度。EFM中另一取樣管中的尾氣通過稀釋系統(tǒng)稀釋64倍后進入ELPI+，可實時檢測出車輛在行駛過程中排放的顆粒物濃度和粒徑分布情況。SEMTECH-DS通過無線網(wǎng)絡(luò)、ELPI+通過數(shù)據(jù)線與隨車筆記本電腦連接，可通過筆記本電腦上的軟件對測試系統(tǒng)進行操作，測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)Fig.1 Test system diagram

本次測試車輛為混合動力巴士和普通柴油巴士，為深圳市運營公交中較為普遍的車型，具有很好的代表意義，測試巴士具體參數(shù)如表1所示。

表1 測試巴士的具體參數(shù)

1.3 實驗方法

采用道路工況法分別對混合動力巴士和普通柴油巴士在實際道路上行駛時的排放情況進行測試分析，行駛道路選擇深圳主干道——深南大道，該路段車流量大，橫穿經(jīng)濟發(fā)達的市中心地帶，機動車尾氣排放對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的影響深受關(guān)注。檢測路段從深南沙河立交開始，到上步路結(jié)束，全長約為15 km。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同車速排放特性分析

采用區(qū)間統(tǒng)計的方法對排放數(shù)據(jù)進行分析，將車速以5 km/h進行劃分，分為0、>0～5、……、>55～60、>60 km/h共14個區(qū)間，將各區(qū)間分別標記為Q0，Q1，……，Q13，通過分析區(qū)間內(nèi)4種污染物(CO、NOx、碳氫化合物(HC)、顆粒物(PM))的排放速率(以單位時間內(nèi)的排放量計，g/s)和排放因子(以單位里程內(nèi)的排放量計，g/km)的平均值來反映測試車輛的排放情況。

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區(qū)間的CO排放如圖2所示。由圖2可見，隨著車速的提高，普通柴油巴士的CO排放速率和排放因子波動較大，總體呈現(xiàn)出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，中速區(qū)的CO排放高于低速區(qū)與高速區(qū)，這與國內(nèi)學(xué)者在北京等城市對機動車的研究結(jié)果相似[13-15]，這是因為市區(qū)行駛工況下，機動車在中速區(qū)內(nèi)的急加速工況較多，而在低速區(qū)和高速區(qū)，機動車的加速相對平緩導(dǎo)致?；旌蟿恿Π褪康腃O排放速率隨著車速的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢，主要是由于混合動力巴士中的驅(qū)動電機參與混合驅(qū)動提供扭矩輔助，使得發(fā)動機能夠保持平緩加速，不會出現(xiàn)瞬間排放尖峰。其次，在Q12、Q13的高速區(qū)內(nèi)，混合動力巴士的CO排放速率高于普通柴油巴士，這是因為混合動力巴士含有電池組，車身質(zhì)量比普通柴油巴士高22%，而發(fā)動機功率相同，因此在高速區(qū)混合動力巴士負荷明顯高于普通柴油巴士，導(dǎo)致混合動力巴士的CO排放更高?；旌蟿恿Π褪吭诔跏计鹚匐A段柴油發(fā)動機參與輔助驅(qū)動，因速度較慢，所以在單位里程內(nèi)累積的排放因子較高。隨著車速增加，排放因子逐漸降低并趨于平緩。

圖2 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區(qū)間的CO排放Fig.2 CO emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle speed section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區(qū)間的NOx排放如圖3所示。由圖3可見，隨著車速的上升，普通柴油巴士的NOx排放整體變化相對平緩。這是由于低速區(qū)內(nèi)發(fā)動機的急加速工況較低，高速區(qū)的加速比較平緩，導(dǎo)致發(fā)動機燃燒室的溫度波動相對較小，NOx排放比中速區(qū)小。隨著車速的上升，混合動力巴士NOx排放的波動較大。在怠速階段(Q0)到起速階段(Q1)，混合動力巴士的NOx排放速率高于普通柴油巴士，這是由于在該車速區(qū)間內(nèi)混合動力巴士部分急加速工況電機功率不足，發(fā)動機參與輔助驅(qū)動，瞬態(tài)負荷較大，燃燒溫度相對較高，導(dǎo)致NOx排放速率及排放因子較高。由于發(fā)動機要驅(qū)動電機給電池組充電，負荷比普通柴油巴士高，導(dǎo)致發(fā)動機燃燒室溫度升高，NOx排放也相應(yīng)略高。在低速區(qū)Q2～Q5內(nèi)，混合動力巴士采用純電動驅(qū)動模式，發(fā)動機只負責(zé)驅(qū)動發(fā)電機給電池組充電，而普通柴油巴士在低速區(qū)有較多的加速工況，因而混合動力巴士發(fā)動機燃燒室內(nèi)的溫度相對較低，NOx排放明顯低于普通柴油巴士。在發(fā)動機開始成為混合動力巴士驅(qū)動力的初期(Q6～Q8)，NOx排放出現(xiàn)較高的峰值，可能是該車速區(qū)間內(nèi)的車輛加速相對激烈而驅(qū)動模式的切換不夠平順導(dǎo)致。在高速區(qū)(Q9～Q13)，由于加速相對平緩，混合動力巴士的NOx排放相對下降，但仍然高于普通柴油巴士，這也是由于混合動力巴士和普通柴油巴士的發(fā)動機功率相同，而混合動力巴士總質(zhì)量偏高造成。

第二，不是所有的學(xué)生都能成為大師并進入藝術(shù)史。而且能否進入藝術(shù)史之類的問題，也絕非靠繪畫而詩意棲居的很多學(xué)生輩畫家的遠大理想。面對修煉成佛這樣的主題，他們或許只想成為修行意義上的香客而非佛本身。如同我們不能要求所有的香客都成佛一樣，我們也不能奢望所有的學(xué)生都進入藝術(shù)史。當(dāng)絕大多數(shù)學(xué)生都因為主客觀原因而不能進入藝術(shù)史時，我們應(yīng)該給予他們充分的尊敬，同時主動調(diào)低自己的學(xué)術(shù)評論指數(shù)，矚目并祝福他們以藝術(shù)的名義而享有的和諧生活。

圖3 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區(qū)間的NOx排放Fig.3 NOx emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle speed section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區(qū)間的HC排放如圖4所示。由圖4可見，在14個車速區(qū)間，混合動力巴士的HC排放速率均高于普通柴油巴士。這是因為混合動力巴士在純電動驅(qū)動階段，發(fā)動機HC排放保持穩(wěn)定。發(fā)動機參與驅(qū)動后，由于發(fā)動機功率與車輛總質(zhì)量的匹配度遠不如普通柴油巴士，隨著車速的增加，燃燒逐漸惡劣，HC持續(xù)上升。

圖4 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區(qū)間的HC排放Fig.4 HC emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle speed section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區(qū)間的PM排放如圖5所示。由圖5可見，普通柴油巴士的PM排放在全部車速區(qū)間均高于混合動力巴士。這主要是由于普通柴油巴士加速過程相對激烈，燃燒更加不充分，排放出更多因未完全燃燒而生成的燃油和潤滑油微粒。混合動力巴士由于在低速區(qū)實施純電力驅(qū)動，較高的速度區(qū)間由發(fā)動機驅(qū)動電機實施加速階段的功率輔助，因而急加速工況較少，使得PM排放大幅度降低。

圖5 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區(qū)間的PM排放Fig.5 PM emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle speed section

2.2 不同比功率排放特性分析

比功率即發(fā)動機牽引單位質(zhì)量機動車所須輸出的瞬時有效功率。對基于不同比功率下的機動車排放特征進行研究，可以很好地反映不同質(zhì)量的機動車輸出功率與排放的關(guān)系[16]。在此，本研究以不同比功率區(qū)間內(nèi)污染物排放速率和排放因子的平均值作為對應(yīng)區(qū)間的排放參數(shù)，以有效降低數(shù)據(jù)的離散性。比功率計算的經(jīng)驗公式如下：

VSP=v×(1.1×a+9.81×arctan(sinθ+0.132)+0.000 302v3

(1)

式中：VSP為機動車比功率，kW/t；v為行駛速度，m/s；a為行駛加速度，m/s2；θ為道路坡度。

對比功率測試數(shù)據(jù)進行區(qū)間統(tǒng)計，以3 kW/t為間隔，劃分為<-10、[-10，-7)、[-7，-4)、[-4，-1)、[-1，1]、(1，4]、(4，7]、(7，10]、>10 kW/t共9個區(qū)間，并分別標記為N4、N3、N2、N1、Z、P1、P2、P3、P4，通過分析各區(qū)間內(nèi)平均排放速率和平均排放因子來反映測試車輛CO、NOx、HC和PM的排放情況。

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區(qū)間的CO排放如圖6所示。由圖6可見，在比功率負值區(qū)間(N1～N4)普通柴油巴士和混合動力巴士的CO排放基本穩(wěn)定，CO排放速率及排放因子均處于較低水平。這是因為在該區(qū)間，測試車輛處于減速階段，普通柴油巴士發(fā)動機處于怠速工況，混合動力巴士處于怠速或帶動發(fā)電機進行充電的狀態(tài)，負荷相對較低而且穩(wěn)定。而在比功率正值區(qū)間(P1～P4)，CO排放隨著比功率的上升而顯著增加，普通柴油巴士的CO排放增加尤其迅速。比功率能夠直接反映出機動車的負荷情況，負荷增加時發(fā)動機燃燒惡化，CO排放增加?；旌蟿恿Π褪康呢摵稍诩奔铀匐A段有一部分有驅(qū)動電機承擔(dān)，發(fā)動機只承擔(dān)混合動力巴士負荷中的一部分，因而CO排放較普通柴油巴士低。

圖6 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區(qū)間的CO排放Fig.6 CO emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle specific power section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區(qū)間的NOx排放如圖7所示。由圖7可見，在比功率負值區(qū)間，兩種巴士的NOx排放均基本穩(wěn)定，在比功率正值區(qū)間，NOx排放隨著比功率的上升而增加，與CO排放情況相似，不同的是，混合動力巴士的NOx排放增加相對迅速，這是因為負荷增加使燃油供應(yīng)相應(yīng)增加，燃燒室內(nèi)的溫度上升，NOx排放增加。在非急加速階段，混合動力巴士發(fā)動機驅(qū)動的質(zhì)量更大，燃燒室的溫度更高，NOx排放超出普通柴油巴士。在比功率接近零的Z區(qū)間，此時車速較低，導(dǎo)致計算出的排放因子相對較高，出現(xiàn)突兀的峰值。

圖7 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區(qū)間的NOx排放Fig.7 NOx emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle specific power section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區(qū)間的HC排放如圖8所示。由圖8可見，混合動力巴士在9個比功率區(qū)間的HC排放均高于普通柴油巴士。相比而言，普通柴油巴士HC排放隨比功率的變化相對較小，這主要是由于混合動力巴士發(fā)動機功率與車輛總質(zhì)量的匹配度可能不及普通柴油巴士，因此HC排放隨著負荷的增加更加明顯。

圖8 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區(qū)間的HC排放Fig.8 HC emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle specific power section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區(qū)間的PM排放如圖9所示。由圖9可見，普通柴油巴士在9個比功率區(qū)間的PM排放均高于混合動力巴士。這主要是因為普通柴油巴士加速過程相對激烈，燃燒更加不充分，排放出更多因未完全燃燒而生成的燃油和潤滑油微粒。混合動力巴士由于驅(qū)動電機在加速階段的功率輔助，因而急加速工況較少，降低了PM排放。

2.3 排放總量分析

在整個測試期間內(nèi)，普通柴油巴士共排放CO 153.5 g、NOx95.4 g、HC 0.6 g、PM 9.9 g，在整個測試路段上CO、NOx、HC、PM的排放因子分別為10.2、6.4、0.04、0.7 g/km。

圖9 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區(qū)間的PM排放Fig.9 PM emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle specific power section

在整個測試期間內(nèi)，混合動力巴士共排放CO 65.1 g、NOx159.8 g、HC 5.3 g、PM 2.8 g，在整個測試路段上CO、NOx、HC、PM的排放因子分別為4.3、10.7、0.35、0.2 g/km，分別為普通柴油巴士的42.4%、167.5%、931.4%、28.7%。

可見，混合動力技術(shù)能夠有效改善CO和PM的排放，李孟良等[17]的研究也得到了相同的結(jié)論，但其研究同時顯示混合動力技術(shù)也能改善HC和NOx排放。王領(lǐng)輝等[18]的研究表明，混合動力技術(shù)能夠改善CO和HC排放，而NOx排放略有上升。相關(guān)研究之間存在部分差異，可能是由于對比車型選擇的不同導(dǎo)致，李孟良選擇的對比車型總質(zhì)量相差990 kg，王領(lǐng)輝的對比車型總質(zhì)量相差1 400 kg，而本研究采用相同品牌的原型車和混合動力車，質(zhì)量相差3 000 kg。

3 結(jié) 論

(1) 在不同車速區(qū)間，普通柴油巴士的CO、PM排放幾乎全部高于混合動力巴士，而HC排放則明顯低于混合動力巴士?；旌蟿恿Π褪吭诩冸娏︱?qū)動的速度區(qū)間NOx排放低于普通柴油巴士，而在怠速區(qū)、起步區(qū)及高速區(qū)發(fā)動機驅(qū)動時NOx排放高于普通柴油巴士。

(2) 在比功率負值區(qū)間，普通柴油巴士和混合動力巴士的CO、NOx、HC和PM排放均相對較低而且穩(wěn)定，而在比功率正值區(qū)間，都隨著比功率的增加而迅速上升。比功率在零附近的區(qū)間，混合動力巴士的NOx、HC排放因子出現(xiàn)較大峰值。

(3) 混合動力技術(shù)能夠有效改善CO、PM的排放，但HC和NOx排放卻高于普通柴油巴士，這與混合動力巴士的匹配控制系統(tǒng)相對復(fù)雜、車身總質(zhì)量較大有關(guān)。

[1] 張文凱,徐媛倩,李曉,等.不同減排情景下鄭州市機動車污染物排放研究[J].環(huán)境污染與防治,2016,38(10):94-99.

[2] 程軻,薛志剛,張增強,等.機動車大氣污染物排放清單構(gòu)建的研究[J].環(huán)境污染與防治,2009,31(9):76-81.

[3] 曾雪蘭,李紅霞,程曉梅,等.佛山市機動車尾氣排放清單及特征分析[J].環(huán)境污染與防治,2013,35(11):51-55.

[4] 張啟鈞,吳琳,毛洪鈞,等.機動車尾氣顆粒物采樣測試方法及其應(yīng)用[J].環(huán)境污染與防治,2015,37(12):79-84.

[5] MANCILLA Y,MENDOZA A.A tunnel study to characterize PM2.5emissions from gasoline-powered vehicles in Monterrey,Mexico[J].Atmospheric Environment,2012,59:449-460.

[6] KUHNS H D,MAZZOLENI C,MOOSMüLLER H,et al.Remote sensing of PM,NO,CO and HC emission factors for on-road gasoline and diesel engine vehicles in Las Vegas,NV[J].Science of the Total Environment,2004,322(1):123-137.

[7] MAZZOLENI C,MOOSMüLLER H,KUHNS H D,et al.Correlation between automotive CO,HC,NO,and PM emission factors from on-road remote sensing: implications for inspection and maintenance programs[J].Transportation Research Part D: Transport and Environment,2004,9(6):477-496.

[8] 強明明,黃文偉.基于PEMS實驗的混合動力轎車與傳統(tǒng)汽油轎車的排放對比研究[J].環(huán)境工程,2016,34(4):166-171.

[9] 高謀榮,黃文偉,萬霞.基于PEMS的LNG公交大巴排放特性研究[J].環(huán)境工程,2014,32(11):151-154.

[10] FREY H C,UNAL A,ROUPHAIL N M,et al.On-road measurement of vehicle tailpipe emissions using a portable instrument[J].Journal of the Air & Waste Management Association,2003,53(8):992-1002.

[11] TONG H Y,HUNG W T,CHEUNG C S.On-road motor vehicle emissions and fuel consumption in urban driving conditions[J].Journal of the Air & Waste Management Association,2000,50(4):543-554.

[12] UNAL A,FREY H C,ROUPHAIL N M.Quantification of highway vehicle emissions hot spots based upon on-board measurements[J].Journal of the Air & Waste Management Association,2004,54(2):130-140.

[13] 王愛娟,葛蘊珊,譚建偉,等.北京市出租車實際道路行駛特征與排放特性的關(guān)系研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2010,30(8):891-894.

[14] 王云鵬,沙學(xué)鋒,李世武,等.城市道路車輛排放測試與模擬[J].中國公路學(xué)報,2006,19(5):88-92.

[15] 賀克斌,霍紅,王岐東,等.城市輕型車實際道路瞬態(tài)排放的特征[J].中國環(huán)境科學(xué),2006,26(4):390-394.

[16] 宋國華,于雷.城市快速路上機動車比功率分布特性與模型[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息,2010,10(6):133-140.

[17] 李孟良,聶彥鑫,高繼東,等.混合動力客車與常規(guī)客車排放對比研究[J].汽車工程,2010,32(3):193-197.

[18] 王領(lǐng)輝,李孟良,徐達,等.混合動力客車排放測試及分析[J].天津汽車,2008,49(6):44-45.

ExperimentalresearchontheemissioncharacteristicsofhybridbusinShenzhen

DAIZhiguang1,MIAOLing2.

(1.ShenzhenResearchInstituteofEnvironmentalSciences,ShenzhenGuangdong518022;2.SchoolofAutomotiveandTransportationEngineering,ShenzhenPolytechnicInstitute,ShenzhenGuangdong518055)

The comparison of emission characteristics between a conventional diesel bus and a hybrid bus was carried out using portable emissions measurement system (PEMS) under city road driving cycle. According to the analysis of pollutants emission characteristics under different vehicle speed and vehicle specific power,results showed that the pure electrical start mode of the hybrid bus helped reduce the emission of CO and PM,accounted for 42.4% and 28.7% of conventional diesel bus respectively. However,the complex matching control and bigger total mass made the hybrid bus discharge more NOxand HC than the conventional diesel bus,which accounted for 167.5%,931.4% of conventional diesel bus respectively.

hybrid bus; portable emissions measurement system; driving cycle; emission characteristics

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.014

2016-12-10)

戴知廣，男，1974年生，碩士，工程師，主要從事環(huán)境工程和污染治理研究。

*深圳市科技研發(fā)資金資助項目(No.JCY20140702172114468)。