基于ive模型的北京市行車排放分析

基于ive模型的北京市行車排放分析

車輛排放的確定是車輛污染控制研究的基礎(chǔ)和基礎(chǔ)。目前，我國(guó)的研究主要通過對(duì)移動(dòng)模型參數(shù)的修改和同一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)車輛的年比較來(lái)計(jì)算和確定中國(guó)不同城市的車輛排放水平，以控制和評(píng)估污染。移動(dòng)模型是一個(gè)基于平均速度的宏觀模型，對(duì)支持城市汽車污染的宏觀決策具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。然而，隨著城市汽車污染的控制，以及對(duì)全球決策支持工具的需求，全球模型的需求變得越來(lái)越緊迫。全球移動(dòng)模型無(wú)法滿足這一決策的需求。因此，為了更有效地進(jìn)行科學(xué)決策，有必要將高分辨率更高的車輛排放模型應(yīng)用于車輛污染控制研究。在本文中，我們分析了ive模型，并以北京為研究對(duì)象，介紹了模型的主要輸入?yún)?shù)的確定方法和想法。ive模型用于計(jì)算北京不同車牌的不同流量，并與移動(dòng)6模型進(jìn)行比較和分析。1適于發(fā)展中國(guó)家的機(jī)動(dòng)車污染排放模型為了滿足發(fā)展中國(guó)家控制機(jī)動(dòng)車污染工作和研究的開展,國(guó)際可持續(xù)發(fā)展研究中心(InternationalSustainableSystemsResearchCenter,ISSRC)和加州大學(xué)河邊分校(UniversityofCaliforniaatRiverside,UCR)的研究人員開發(fā)了適于發(fā)展中國(guó)家的機(jī)動(dòng)車污染排放模型,IVE模型.該模型基于機(jī)動(dòng)車行駛工況,具有較高的分辨率,其對(duì)車型的分類更適于發(fā)展中國(guó)家.1.1iiie模型的原理IVE的計(jì)算方法在本質(zhì)上與MOBILE模型的方法類似,即利用模型內(nèi)嵌的基準(zhǔn)排放因子乘以一系列修正參數(shù)從而得到當(dāng)?shù)爻鞘忻糠N技術(shù)類型機(jī)動(dòng)車的排放因子.Qj=Bj×∏iKi,j(1)Qj=Bj×∏iΚi,j(1)其中,i為各種需要進(jìn)行修正的影響因素;j為車輛類型;Qj為j類車型的修正排放因子,g/km;Bj為j類車型的基準(zhǔn)排放因子,g/km;Ki,j為j類車型第i種修正參數(shù),無(wú)量綱.從方法學(xué)角度而言,IVE和MOBILE模型的主要不同之處在于對(duì)行駛特征影響因素的處理上.MOBILE利用機(jī)動(dòng)車的平均速度對(duì)基準(zhǔn)排放率進(jìn)行校正,而IVE模型為了更好的反映行駛狀態(tài)對(duì)排放率的影響,引入了VSP(vehiclespecificpower)和ES(enginestress)2個(gè)參數(shù),用于表征機(jī)動(dòng)車瞬態(tài)工作狀態(tài)與排放的關(guān)系.VSP概念綜合了速度、加速度、坡度以及風(fēng)阻等參數(shù),其物理意義為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與機(jī)動(dòng)車質(zhì)量的比值,單位為kW/t或者m2/s3,又稱發(fā)動(dòng)機(jī)比功率.VSP=v{1.1a+9.81[atan(sinθ)]+0.132}+0.000?302v3(2)VSΡ=v{1.1a+9.81[atan(sinθ)]+0.132}+0.000?302v3(2)其中v為車輛行駛速度,m/s;a為車輛行駛瞬態(tài)加速度,m/s2;εi為質(zhì)量因子,無(wú)量綱;θ為道路坡度.為了更準(zhǔn)確的建立發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史工作狀態(tài)和污染物排放的關(guān)系,IVE模型又引入了無(wú)量綱參數(shù)ES.ES與機(jī)動(dòng)車瞬時(shí)速度和發(fā)動(dòng)機(jī)前20s的歷史VSP有關(guān),如式(3)所示.ES=0.08×Pave+Rindex(3)ES=0.08×Ρave+Rindex(3)式(3)中,Pave為機(jī)動(dòng)車前25s到前5s的VSP平均值,kW/t;0.08為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),單位為t/kW;Rindex為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指數(shù),為瞬態(tài)速度與速度分割常數(shù)的商,速度分割常數(shù)的取值由v和VSP決定.IVE模型利用VSP和ES2個(gè)參數(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)的工作狀態(tài)分成60個(gè)VSP區(qū)間(如表1所示),每個(gè)VSP區(qū)間對(duì)應(yīng)1個(gè)排放水平,據(jù)此建立發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)工作狀態(tài)與排放的分段對(duì)應(yīng)關(guān)系.根據(jù)VSP區(qū)間的時(shí)間分布以及各區(qū)間與排放的對(duì)應(yīng)關(guān)系,IVE計(jì)算得到機(jī)動(dòng)車在不同行駛工況下的排放因子.1.2iiie模型介紹IVE模型為用戶提供了Windows版本,與MOBILE模型相比界面更為友好,操作相對(duì)簡(jiǎn)單.IVE模型包括數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出2個(gè)單元,共4個(gè)主界面.1.2.1機(jī)動(dòng)車污染物排放因子IVE模型的數(shù)據(jù)輸入單元由3個(gè)數(shù)據(jù)輸入界面構(gòu)成,分別為:①當(dāng)?shù)爻鞘行畔⒔缑鍸ocalPage.用戶在此界面輸入當(dāng)?shù)販囟?、道路平均坡度、I/M計(jì)劃、時(shí)間、車隊(duì)行駛特征(包括VSP區(qū)間分布、熱浸時(shí)間分布、行駛距離、平均速度、啟動(dòng)次數(shù)等)等.通過改變行駛距離可以計(jì)算機(jī)動(dòng)車車隊(duì)的平均排放因子或排放總量;②車隊(duì)技術(shù)界面FleetPage.此界面要求用戶提供城市機(jī)動(dòng)車的技術(shù)分布信息.排放因子的影響因素包括車型、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、污染控制技術(shù)、累計(jì)行駛里程、車重和燃料等,IVE根據(jù)上述影響因素對(duì)機(jī)動(dòng)車進(jìn)行技術(shù)分類.由于IVE的服務(wù)對(duì)象為發(fā)展中國(guó)家,考慮不同地區(qū)技術(shù)分類的原則有所不同,IVE模型采取多種技術(shù)分類方法,將機(jī)動(dòng)車詳細(xì)劃分為1372種技術(shù),每種技術(shù)對(duì)應(yīng)1個(gè)排放水平.用戶可根據(jù)當(dāng)?shù)貦C(jī)動(dòng)車的分類習(xí)慣,選擇合適的分類方法,填寫FleetPage輸入界面.此外,用戶還可根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r,增加某些技術(shù)分類;③基準(zhǔn)因子修正界面BaseAdjustmentPage.IVE模型根據(jù)美國(guó)以及發(fā)展中國(guó)家已有的大量基于FTP的臺(tái)架測(cè)試結(jié)果設(shè)定了模型的基準(zhǔn)排放因子.用戶在BaseAdjustment輸入界面,可對(duì)模型內(nèi)嵌的排放因子等參數(shù)進(jìn)行校正.此外還可以添加IVE模型分類以外車型的基準(zhǔn)排放因子.1.2.2客車污染物排放輸出模塊有1個(gè)界面(CalculationPage)構(gòu)成,模型能夠計(jì)算出機(jī)動(dòng)車逐時(shí)CO、VOC、NOx、SO2和PM等5種常規(guī)污染物,鉛、醛類化合物等6種有毒物質(zhì),以及CO2等3種溫室氣體的排放總量.計(jì)算的污染物排放不僅包括機(jī)動(dòng)車的熱運(yùn)行階段的排放,還包括啟動(dòng)排放(由于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起,相對(duì)于相同工況的排放增加).2iiie模型輸入需求的機(jī)動(dòng)車活動(dòng)水平信息本研究以北京市為研究對(duì)象,將北京市的機(jī)動(dòng)車(不含摩托車)劃分為4大類:即普通輕型車、出租車、公交車和卡車,對(duì)IVE模型輸入需求的機(jī)動(dòng)車活動(dòng)水平信息進(jìn)行了調(diào)查研究,調(diào)查時(shí)間為2004年6月初.2.1交通流運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試平均速度和VSP分布是車隊(duì)行駛特征最重要的參數(shù).對(duì)于普通輕型車,本研究首先將北京市劃分為3個(gè)區(qū),分別為城北居住區(qū)、中心商業(yè)區(qū)和城南居住區(qū).在每個(gè)區(qū)選擇快速路、主干路和居民路各1條.采用可逐秒記錄車輛位置和速度的車載GPS,對(duì)選定的3個(gè)區(qū)域9條不同的路線進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試路線如圖1所示.為了消除單一司機(jī)和車輛對(duì)交通流測(cè)試結(jié)果造成的不確定影響,測(cè)試選擇了3名司機(jī)和3輛測(cè)試車輛,同時(shí)在9條道路上交替行駛.測(cè)試車輛分別為賽歐、奇瑞和富康,均為北京市常見車型,動(dòng)力性能可代表車流中車隊(duì)的平均水平.測(cè)試時(shí)間選擇在工作日,歷時(shí)14d,獲取了07:00～21:00之間每h3個(gè)區(qū)9條道路上的行駛特征.對(duì)于卡車和出租車,安裝GPS車載裝置的車輛按照各自運(yùn)營(yíng)的路線行走.每天測(cè)試時(shí)間盡量遵循運(yùn)營(yíng)車輛的作息時(shí)間.卡車和出租車各12輛,每天測(cè)試2輛,共進(jìn)行6d.對(duì)于公交車,按照公交車運(yùn)營(yíng)路線,測(cè)試人員持GPS隨機(jī)選擇運(yùn)營(yíng)公交車乘坐進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試時(shí)間每天07:00～22:00,共進(jìn)行6d.通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,確定逐時(shí)平均速度和VSP分布.2.2關(guān)于團(tuán)隊(duì)信息2.2.1交通流量數(shù)據(jù)采集為了計(jì)算機(jī)動(dòng)車車隊(duì)1d的平均排放因子或總排放量,需要知道機(jī)動(dòng)車車隊(duì)上路行駛的時(shí)權(quán)重系數(shù),即道路逐時(shí)車流量分布.本研究采用視頻數(shù)據(jù)采集技術(shù)對(duì)北京市快速路、主干路和居民路的交通流量進(jìn)行采集和分析.以2.1中選擇的3個(gè)區(qū)9條道路為基礎(chǔ),在每條道路上選擇1個(gè)安全且視野開闊的地點(diǎn)架設(shè)攝像設(shè)備.拍攝點(diǎn)選擇在道路邊或者人行過街天橋上(見圖1).數(shù)據(jù)采集共進(jìn)行6d,均在工作日進(jìn)行,第1周的數(shù)據(jù)采集從早上06:00開始到下午14:00結(jié)束,第2周的數(shù)據(jù)采集從下午14:00開始到晚上21:00結(jié)束,每天的數(shù)據(jù)采集工作集中在1個(gè)區(qū),在3種道路上交替進(jìn)行.2.2.2利用車輛的技術(shù)分布對(duì)于普通輕型車,選取北京市北居住區(qū)、中心商業(yè)區(qū)和南居住區(qū)內(nèi)的大型商業(yè)停車場(chǎng)和居民區(qū)停車場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查,調(diào)查中專門聘請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的汽車技師提供技術(shù)支持,調(diào)查內(nèi)容包括機(jī)動(dòng)車車型、牌照、生產(chǎn)廠家、出廠年份、行駛里程、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量、污染控制技術(shù)、傳動(dòng)方式、維護(hù)保養(yǎng)狀況和空調(diào)使用等.對(duì)于出租車,采取隨機(jī)選擇出租車司機(jī)進(jìn)行直接問卷調(diào)查的方式.調(diào)查內(nèi)容包括出租車車型、出廠年份、行駛里程、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、動(dòng)力傳輸方式、污染控制技術(shù)、每日工作小時(shí)數(shù)、每周工作天數(shù)、每日行駛里程、燃料類型和天然氣使用頻率(如果是雙燃料車)等.公交車和卡車的技術(shù)類型分布通過運(yùn)輸公司獲取.由調(diào)查結(jié)果,計(jì)算出不同類型車隊(duì)不同技術(shù)類型的百分比分布.表2為普通輕型車的技術(shù)分布調(diào)查結(jié)果.2.3機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)和熱浸時(shí)間分布為了收集機(jī)動(dòng)車的啟動(dòng)模式信息,選擇自愿的機(jī)動(dòng)車車輛安裝測(cè)試儀器,共記錄75輛普通輕型車連續(xù)7d的發(fā)動(dòng)機(jī)開啟和關(guān)閉的信息.測(cè)試儀器選用的是VOCE(vehicleoperationcharacteristicsenunciators),儀器與點(diǎn)煙器插孔相連自動(dòng)記錄通過點(diǎn)煙器的電壓,通過電壓數(shù)值的變化確定機(jī)動(dòng)車的啟動(dòng)、熱浸時(shí)間等相關(guān)信息,計(jì)算出機(jī)動(dòng)車的啟動(dòng)時(shí)間分布和熱浸時(shí)間分布.結(jié)果顯示,北京市普通輕型車平均每天啟動(dòng)次數(shù)為6.7次,06:00～09:00和14:00～17:00是機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)最多的時(shí)段,分別占到總啟動(dòng)次數(shù)的25%左右.其他車型的啟動(dòng)信息來(lái)自IVE模型開發(fā)者在其他發(fā)展中國(guó)家城市的測(cè)試結(jié)果.3結(jié)果與分析3.1不同類型車污染物的排放因子根據(jù)上述調(diào)查計(jì)算得到的參數(shù)輸入IVE模型,運(yùn)用IVE模型計(jì)算出北京市4種車型的平均排放因子,如表3所示.從表3中可以看出,對(duì)于普通輕型車,4種污染物排放因子的路型排序?yàn)?居民路>主干路>快速路,居民路的排放因子明顯很高,其4種污染物的排放因子都是快速路的2倍左右.公交車和卡車的平均排放因子明顯要比普通輕型車和出租車的高,特別是NOx和顆粒物.對(duì)顆粒物而言,公交車和卡車的顆粒物排放因子分別是普通輕型車的14倍和44倍.3.2路型排放分擔(dān)率以2004-06為計(jì)算基準(zhǔn),計(jì)算得到北京市機(jī)動(dòng)車的CO、VOC、NOx和PM的平均日排放總量分別為2767.4、182.5、353.8和7.1t,4種車型的排放分擔(dān)率如圖2所示.從圖2中可以看出:對(duì)于CO和VOC,普通輕型車貢獻(xiàn)最高,排放分擔(dān)率分別為42.0%和34.7%,卡車和出租車的貢獻(xiàn)次之.值得注意的是,出租車的保有量雖然不足普通輕型車的1/20,但由于日均行駛里程高和排放劣化嚴(yán)重,對(duì)CO和VOC的排放貢獻(xiàn)分別達(dá)到25.8%和26.1%.對(duì)于NOx和PM而言,卡車的貢獻(xiàn)率最高,分別達(dá)到66.3%和83.0%.因此,對(duì)于CO和VOC排放,普通輕型車和出租車是控制重點(diǎn).對(duì)于NOx和顆粒物,卡車是主要控制對(duì)象.圖3給出了北京市普通輕型車分路型排放分擔(dān)率的計(jì)算結(jié)果,對(duì)CO、VOC、NOx和PM,路型排放分擔(dān)率的排序是:主干路>快速路>居民路,之所以主干路和快速路的排放分擔(dān)率較高,其主要原因是主干路的流量大,行駛里程權(quán)重高.啟動(dòng)時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)和催化劑未達(dá)到最佳操作溫度,排放相對(duì)于熱運(yùn)行階段明顯增加.圖4是北京市機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)排放分擔(dān)率的計(jì)算結(jié)果.結(jié)果顯示:CO、VOC、NOx和PM啟動(dòng)排放分別占到總排放的22.7%、14.0%、5.5%和12.4%,啟動(dòng)對(duì)CO、VOC和PM影響最為顯著.由于啟動(dòng)排放還會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低明顯增加,在冬季,啟動(dòng)排放的分擔(dān)率會(huì)大大增加.因此,啟動(dòng)對(duì)排放的影響不容忽視,應(yīng)引起機(jī)動(dòng)車污染控制和相關(guān)研究的足夠重視.4不同時(shí)段排放因子的影響為了能夠更深入地理解IVE模型的適用性,本研究將調(diào)查的數(shù)據(jù)制作成MOBILE6模型的輸入數(shù)據(jù),運(yùn)用MOBILE6模型對(duì)普通輕型車的平均排放因子進(jìn)行了計(jì)算.圖5對(duì)比了兩者模擬得到的普通輕型車車隊(duì)熱運(yùn)行階段分路型逐時(shí)平均排放因子.結(jié)果顯示,MOBILE6模型的模擬結(jié)果并沒有明顯體現(xiàn)出各時(shí)段不同行駛特征對(duì)排放因子的影響,特別是由MOBILE6計(jì)算的NOx排放因子沒有表現(xiàn)出明顯的逐時(shí)變化.而IVE模型輸出結(jié)果則明顯表現(xiàn)出不同時(shí)段機(jī)動(dòng)車行駛狀態(tài)對(duì)排放因子的影響.在早晚2個(gè)交通高峰時(shí)段,普通輕型車污染物排放因子最高,交通高峰時(shí)刻排放因子比午夜時(shí)段排放因子增加1倍.表4給出了運(yùn)用IVE和MOBILE6模型計(jì)算得到的普通輕型車車隊(duì)熱運(yùn)行階段日平均排放因子,從表4中可以看出,IVE模型和MOBILE6模型計(jì)算得到的CO排放因子相差63%,VOC和NOx排放因子相差較少.由此可見,在對(duì)時(shí)間精度要求不高的情況下,IVE模型和MOBILE6的排放模擬結(jié)果相差不大;而對(duì)于某些時(shí)段,兩者模擬的結(jié)果將相差200%以上.因此MOBILE6模型更適于宏觀尺度的排放研究,而IVE模型更適于對(duì)時(shí)間分辨率要求高的排放計(jì)算.5北京市機(jī)動(dòng)車的日排