基于模型預(yù)測的上海公交車尾氣排放研究_secret

1、基于模型預(yù)測的上海公交車尾氣排放研究摘要 介紹了IVE模型的基本計算原理，使用GPS對上海市公交車的實(shí)際運(yùn)行模式進(jìn)行了測量，利用IVE模型對上海市CNG公交車和柴油公交車的尾氣排放進(jìn)行了模擬計算。結(jié)果表明使用CNG公交車代替柴油公交車后，NOX、SOX和PM的排放均有顯著的降低，但采用不同技術(shù)的CNG公交車的排放仍有很大的差異，無催化轉(zhuǎn)化和尾氣再循環(huán)的CNG公交車的CO排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油公交車的排放量。認(rèn)為IVE模型的模擬結(jié)果具有較好的可靠性，其計算模式適于我國機(jī)動車尾氣排放的研究。關(guān)鍵詞 CNG公交車 柴油公交車 IVE模型 排放因子 GPS引言長期以來，汽車行駛的主要燃料是從石油中提煉出來

2、的柴油和汽油, 但我國的石油資源并不樂觀，在巨大的能源壓力下，我國的能源安全已成為亟待解決的緊迫問題，與此相應(yīng)的環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻。我國的汽車排放已成為城市大氣污染的一個主要污染源。公共交通特別是公交車因運(yùn)行效率高而備受大城市的青睞，但其日行駛里程多，排放污染較大，據(jù)資料統(tǒng)計1，1996年上海市公交和出租車輛的CO、NMHC和NOx排放已占全市機(jī)動車尾氣污染物排放的36、21和39，在內(nèi)環(huán)線區(qū)域污染物負(fù)荷率分別為61、60和54。因此，對于公交車輛尾氣治理意義和環(huán)境效益會更加明顯，迫切需要清潔燃料汽車取代。天然氣作為繼煤和石油之后的第三大化石能源，由于其資源豐富，對環(huán)境污染小，燃料費(fèi)用低，使用

3、安全等優(yōu)勢而被世界各國作為汽車的首選代用燃料。然而，推廣CNG公交車的同時還意味著購置費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用的增加，同時需要大量基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，作為一種模式的推廣或者政府政策的實(shí)施，有必要對CNG公交車的尾氣排放和柴油公交車進(jìn)行量的分析。由于機(jī)動車運(yùn)行階段的排放受多種因素的影響，如發(fā)動機(jī)技術(shù)、行駛工況（包括速度、加速度、塞車情況）、外界環(huán)境條件（包括海拔高度、溫度、濕度和大氣壓力等）、車型、車齡、發(fā)動機(jī)狀況、排放控制系統(tǒng)和維護(hù)狀況等，國內(nèi)外學(xué)者一般進(jìn)行排放模擬的研究。1 IVE 模型介紹IVE模型（International Vehcile Emission Model）由美國環(huán)保局國際事務(wù)所的資助，

4、2003年夏正式推出第一版 IVE model v1.03，由于采用基于車輛技術(shù)和當(dāng)?shù)匦旭偰Ｊ降姆椒?，較好的解決了在發(fā)展中國家中使用使汽車尾氣排放模型的問題，相對其它模型更適于在我國預(yù)測車輛尾氣排放時的使用。IVE基本原理為基于基本排放率的影響因素修正，式13描述了IVE的基本計算過程2：Qt = Bt* K(Base)t *K(Tmp)t*K(Hmd)t*K(IM)t*K(Fuel)t *K(Alt)t *K(Cntry)t （1）Qrunning = UFTP * D / UC * t ft * Qt * d fdt * Kdt （2）Qstart = t ft * Qt * d fdt

5、* Kdt （3）式中Qt 某車輛技術(shù)調(diào)整后排放率Bt 基本排放率K(Base)t, K(Tmp)t, K(Hmd)t, K(IM)t, K(Fuel)t, K(Alt)t, K(Cntry)t 各種排放修正系數(shù)，分別為基本修正系數(shù)，溫度修正系數(shù)，濕度修正系數(shù)，I/M修正系數(shù)，燃料修正系數(shù)，海拔修正系數(shù)和國家修正系數(shù)Qrunning 行駛排放Qstar t啟動排放UFTP, UCFTP測試程序下行駛平均速度，當(dāng)?shù)仄骄俣菵 行駛距離ft 某車輛技術(shù)行駛里程比例fdt ,Kdt 某車輛技術(shù)某種行駛模式下的比例和該行駛模式下的修正系數(shù)2 利用IVE模型預(yù)測公交車尾氣排放2.1 當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)的確定上

6、海市年平均溫度為15，相對濕度取80，平均海拔為5m。公車檢查保養(yǎng)為公司年檢，因此I/M選項(xiàng)中選擇Idle Decentralized program for all vehicles。由于上海市地勢較平坦，并且公交車輛基本不上下高架路，因此道路坡度設(shè)為零。空調(diào)在27的使用率假設(shè)為70。柴油整體質(zhì)量選擇Moderate，硫含量選擇500ppm，由此造成的含硫量與實(shí)際硫含量350ppm3的區(qū)別在Base Adjustment進(jìn)行修正，取SOX修正系數(shù)為0.7。天然氣硫含量為7ppm3，IVE模型中的默認(rèn)值為5ppm，對其計算結(jié)果進(jìn)行修正，取修正系數(shù)為1.4。2.2 浸置時間（soak time）

7、分布的確定由于公交車運(yùn)行的特殊性質(zhì)，公交車的浸置時間比較規(guī)律，根據(jù)公交公司的規(guī)定，公交車到站后不允許熄火，發(fā)動機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。而一般情況下，中午有3045分鐘左右的午餐時間，車輛處于熄火狀態(tài)，夜間停車時間假定68小時和812小時的比例各占一半，據(jù)此得出的浸置時間分布如下：表1 公交車浸置時間分布12345678910515min1530min30min1h12h23h34h46h68h812h12h0050000025250以123路公交車為例，往返行程約20公里，歷時1小時50分鐘左右，加上在始發(fā)站的停留時間，大約2小時一個來回，每天通行時間為5:00am12:00am，可往返8次，總行程1

8、60公里，啟動2次，平均每公里啟動0.0125次。因此由啟動造成的公交車污染占的比例很低，模型計算結(jié)果和分析一致。2.3運(yùn)行模式的確定為確定公交車的運(yùn)行模式，需進(jìn)行測量的量有：速度、加速度和道路坡度。為此，我們利用了GPS全球定位系統(tǒng)進(jìn)行測量。GPS具有測量精度高、測量方便、可得到瞬時速度等優(yōu)點(diǎn)，并可與便攜計算機(jī)連接記錄每秒的時間、位置、速度、海拔等信息。利用GPS測量公交車的速度圖1 公交車瞬時速度測量裝置公交車輛的行駛情況與多種因素有關(guān)，如道路狀況、站點(diǎn)設(shè)置、乘客數(shù)量、上下車規(guī)律、交通擁擠情況、高峰期/一般時間、工作日/非工作日、車輛動力性能等等。為真實(shí)的反應(yīng)上海市公交車的運(yùn)行狀況，選擇了

9、多條線路進(jìn)行測量，地域上涵蓋了城市中心商業(yè)區(qū)、生活區(qū)和郊區(qū)，時間上涵蓋了從周一至周日、早上到夜晚的各個時間斷，道路情況包括了城市主干道和一般街道，車種包括了柴油發(fā)動機(jī)和CNG發(fā)動機(jī)客車。所測線路的分布如圖2。公交車的線路平均速度與道路位置和時間密切相關(guān)，整體而言，市中心區(qū)速度較低，郊區(qū)速度較高，高峰期平均速度較低，線路平均速度較低的為9.4km/h，較高的可達(dá)到20km/h，整體平均速度為13.16km/h。圖3為部分運(yùn)行速度測試結(jié)果。將所有的實(shí)測速度值經(jīng)過綜合得到反應(yīng)公交車整體運(yùn)行情況的BIN分布，如圖4。圖2 公交路線分布圖3 公交車行駛速度圖4 公交行駛模式的BIN分布2.4 車輛技術(shù)的

10、確定對于申沃客車生產(chǎn)的1112米長公交車，其額定載重為82001170kg，按IVE的分類，屬bus中的Medium車型（14000lbs33000lbs）。公交車按行駛50萬公里淘汰，則Medium bus中三種不同車齡的比例為：小于8萬公里為16，大于8萬公里小于16萬公里的比例為16，大于16萬公里的比例為68。同時假定所比較的公交車車空調(diào)比例為100。對于柴油公交車，分別計算了符合歐1、歐2、歐3、歐4和歐5的車輛尾氣排放，對于CNG公交車，分別計算了不同發(fā)動機(jī)技術(shù)和尾氣控制技術(shù)的CNG公交車，技術(shù)特點(diǎn)如表2：表2 CNG公交車分類種類Air/Fuel ControlExhaustEv

11、aporativeCNG1Carb/MixerNonePCVCNG2Carb/Mixer2-Way/EGRPCVCNG3Carb/Mixer3-Way/EGRPCVCNG4FI3-Way/EGRPCV注： Carb：化油器 Mixer：預(yù)混燃燒 FI：電噴 2-Way：二元催化（VOCs、CO）3-Way：三元催化（VOCs、CO、NOX） EGR：尾氣循環(huán)控制技術(shù) PCV：曲軸箱通風(fēng)2.5 IVE模擬計算結(jié)果將已獲得的輸入數(shù)據(jù)代入IVE模型，便可得出運(yùn)行階段的排放數(shù)據(jù)，結(jié)果僅列舉了一些主要污染物，如表3所示。表3 公交車排放因子模擬結(jié)果 g/kmTchnologyCOVOCNOxSOxPMC

12、O2N2OCH4Diesel Euro 117.51 3.54 28.99 0.0896 0.56521257.22 0.0078Diesel Euro 215.57 3.54 25.37 0.0896 0.35331257.22 0.0078Diesel Euro 310.90 2.48 17.76 0.0896 0.24731257.22 0.1181Diesel Euro 47.63 2.23 12.43 0.0896 0.17311257.22 0.1181Diesel Euro 55.34 2.01 8.70 0.0896 0.12121257.22 0.1181CNG 1108.9

13、9 3.27 7.29 0.0034 0.0065691.41 0.0070.96 CNG 28.91 1.27 3.41 0.0039 0.00651084.42 0.11810.63 CNG 38.91 1.27 0.34 0.0039 0.00651084.42 0.11810.63 CNG 49.07 1.27 0.35 0.0031 0.0067842.96 0.10650.62 3 結(jié)果分析在進(jìn)行IVE模擬計算時并沒有輸入燃油經(jīng)濟(jì)性方面的數(shù)值，所得到的各種污染物的排放量均是根據(jù)不同技術(shù)特點(diǎn)的發(fā)動機(jī)在不同行駛工況下的排放規(guī)律計算得到，由于BIN劃分的特點(diǎn)，以及模型中發(fā)動機(jī)技術(shù)和實(shí)際發(fā)

14、動機(jī)技術(shù)存在一定的差異，必然會導(dǎo)致模擬計算存在一定的誤差，為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，進(jìn)行碳平衡分析是非常必要的。據(jù)公交公司提供的數(shù)據(jù)，在開啟空調(diào)的情況下公交車的百公里油耗約為40L左右， CNG單燃料公交車百公里耗氣量約為45Nm3（標(biāo)準(zhǔn)立方米）左右。根據(jù)柴油和天然氣的密度、含碳率3以及IVE模擬計算的整體情況下的排放因子，可得到如表4的碳平衡分析結(jié)果。其中模擬計算的值為歐2標(biāo)準(zhǔn)柴油公交車和CNG 2公交車。表4 碳平衡分析碳平衡計算模擬計算碳平衡計算與模擬計算的偏差百公里耗油氣量密度含碳率碳排放量CO2排放量CO排放量碳排放量L或m3kg/m3g/kmg/kmg/kmg/km（）柴油40.00 8

15、56.00 87.00 297.89 1257.22 15.57 349.55 17.34CNG45.00 0.72 74.00 241.09 1084.42 8.91 299.57 24.26比值（）123.56 116.68 從表4中可以看出，模擬計算的碳排放量與根據(jù)百公里耗油的碳平衡得到的碳排放量偏差分別為17.34和24.26，根據(jù)碳平衡計算得到的柴油的碳排放量是CNG的123.56，而根據(jù)模擬計算得到的柴油的碳排放量是CNG的116.68，其相對誤差僅為6左右，因此模擬計算的結(jié)果是可以接受的。4 結(jié)論和展望使用CNG公交車代替柴油公交車后， NOX、SOX和PM的排放均有顯著的降低，

16、但采用不同技術(shù)的CNG公交車的排放仍有很大的差異，無催化轉(zhuǎn)化和尾氣再循環(huán)的CNG公交車的CO排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油公交車的排放，其VOC的排放量亦高于符合歐三標(biāo)準(zhǔn)的柴油公交車的排放量。因此，不可以認(rèn)為只要使用天然氣代替柴油公交車就可以解決一切問題，相反，如果不加強(qiáng)發(fā)動機(jī)技術(shù)的更新和尾氣排放的控制，反倒可能造成某些污染物的增加。而柴油動力汽車在加強(qiáng)發(fā)動機(jī)技術(shù)水平的提高和尾氣排放的控制策略后同樣可以大幅消減污染物排放。結(jié)果分析表明，IVE模型的模擬結(jié)果具有較好的可靠性，對我國機(jī)動車迅猛發(fā)展，汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)、汽車技術(shù)水平、道路交通情況與發(fā)達(dá)國家存在較大的這種多技術(shù)跨越式共存的情況有較好的適用性。我們應(yīng)

17、采用IVE的模式根據(jù)我國實(shí)際情況發(fā)展自己的汽車尾氣排放模型，開展在城市機(jī)動車污染預(yù)測、政策、管理的實(shí)施效果、技術(shù)更新規(guī)劃等方面的應(yīng)用研究。參考文獻(xiàn)1. 上海燃?xì)庠O(shè)計院等編. 上海市公交CNG汽車及加氣站“十五”發(fā)展規(guī)劃。2. IVE Model Users manual,version 1.03,2003. HYPERLINK /ive /ive3. 王秉銓主編，工業(yè)爐設(shè)計手冊，第二版，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1996年A Simulating Research on Vehicle Emissions of Shanghai Bus Abstract: The paper introduces

18、 the basis of the emission prediction process of the International Vehicle Emission model (IVE), measures the on-road driving pattern data of Shanghai bus using Global Positioning Satellite (GPS), and predicts the vehicle emissions of the CNG bus and diesel bus with the IVE model. Results show that NOX, SOX and PM of the vehicle emissions will be notably decreased with the substitute of the diesel bus by the CNG bus, and great differences exist between the emission amounts of CNG buses with different technology, the CO emission of the CNG bus wi