重型卡车实际道路颗粒物排放特征

王军方，丁焰* ，尹航，谭建伟，张海燕，殷宝辉

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.北京理工大学机械与车辆工程学院，北京 100081

随着我国汽车产业的快速发展，汽车排放引起的环境问题和对人体健康的影响已经成为重要问题，汽车排放的NOx、CO、HC，以及细颗粒物(PM2.5)等更是国内外研究的热点［1-5］。由于超细颗粒及纳米级颗粒物有更大的危害性，重型柴油车颗粒物数浓度及粒径分布也是国内众多研究者［6-10］的研究重点。

研究发现，机动车行驶工况及运行环境是影响机动车排放的重要因素［11-13］。已经有不少研究人员开展了运用车载排放测试系统在实际道路上对重型柴油车的实时测量［14-21］。

车载排放测试法是车辆在实际道路运行条件下，利用放置在车辆上的车载排放测试系统(portable emission measure system，PEMS)及全球定位系统(global positioning system，GPS)直接和实时测量机动车瞬时污染物排放量、排气流量、地理信息及车速。这种测试方法能够反映外界环境条件的变化对车辆排放的影响，得到实际运行中所有可能运行模式下的排放数据，在研究机动车实际道路排放特征方面具有很强的优势。另外，车载排放测试方法不仅可以保证测试的精度和可靠性，而且可以节约大量的测试时间和测试成本，为机动车排放因子研究提供了便捷有效的测试方法。因此，车载排放测试方法是排放因子的重要研究手段，近年来得到了重点关注和发展。

1 试验

选择符合国三排放标准的重型卡车为研究对象，车质量为15 t，累积行驶里程38万km，功率170 kW。研究重型卡车实际道路气态常规污染物(HC、CO、NOx)以及颗粒物数浓度排放特征。

1.1 PEMS测试系统

用于重型车车载排放测试的PEMS包括:SEMTECH-DS排放测试系统、EFM流量计、Detaki公司的低压电子撞击器(electrical low pressure impactor，ELPI)、Detaki公司的两级稀释射流式稀释器以及其他附属设备。测试设备在重型车上的布置如图1所示。

图1 重型卡车车载排放测试系统(PEMS)Fig.1 PEMS measurement system of heavy-duty trucks

1.2 测试仪器及设备

SEMTECH-DS排放测试系统是经美国国家环境保护局(US EPA)认证的排放测试设备。SEMTECH-DS采用非分散紫外线分析仪(NDUV)测试排气中的NO和NO2浓度;采用非分散红外线分析仪(NDIR)测试排气中的CO和CO2浓度;采用氢火焰离子分析仪(FID)测试排气中的HC浓度;采用电化学分析仪检测氧浓度。SEMTECH-DS还用环境温湿度传感器实时监测环境温度、湿度和大气压。同时，SEMTECH-DS可以利用自带的GPS实时记录车辆行驶过程中逐秒的地理位置(即经度、纬度、高度)和行驶速度信息。

EFM流量计用于测量机动车排气瞬时体积流量和质量流量，其量程为0～15.6 m3/min，检测精度为±2.5%，能够满足测试要求，是经US EPA认证的测试设备。

ELPI是对颗粒物粒径尺寸及分布进行测量的仪器，利用微粒的惯性按空气动力学直径将粒径在0.03～10 μm的微粒分为12级，可将测量范围下扩到7 nm，可以实时记录车辆排放的颗粒物数浓度和质量浓度及总量［22］。

两级稀释器用于对车辆排气进行稀释，以形成适合ELPI测量精度和测量范围要求的均匀气溶胶。ELPI也是经US EPA认证的颗粒物测试设备。

GPS包括三大部分:GPS卫星星座、地面监控系统和GPS信号接收机。它可以直接而精确地测定地球表面上任一点的经度、纬度、海拔高度，能够精确而高速地为使用者连续提供测点的实时三维位置、三维速度和时间。测试系统具有良好的保密性和抗干扰性。GPS的单点定位精度可达10 m，测速精度可达0.1 m/s，能够满足车辆工况测试要求［23］。其外观结构如图2所示。

图2 全球定位系统(GPS)Fig.2 Photograph of GPS

1.3 数据选择

王爱娟等［24］研究发现，重型卡车的行驶速度主要分布在0～50 km/h内，最大车速可达90 km/h以上。在车速为0～40 km/h时，车辆加速度主要分布在-0.6～0.6 m/s2;在车速高于40 km/h时，车辆加速度主要集中在-0.5～0.5 m/s2(图3)。

图3 重型卡车速度分布［24］Fig.3 Speed Distribution of heavy-duty trucks

考虑到北京市白天禁止重型卡车进入市区五环内，因此对重型卡车实际道路排放测试以五环及以外线路为主，进行稳定车速工况测试，参考图3，选取车速分别为0(怠速)以及15，35和70 km/h，每个工况选择30 s稳态时间段，取排放平均值。

2 结果及讨论

2.1 常规污染物排放结果

图4为不同车速下重型卡车的常规污染物排放量。由图4可见，重型卡车的HC与CO排放量随车速变化规律类似，均为排放量随车速的增大而减小;车速为70 km/h的工况下HC和CO排放量比车速为15 km/h降低69.84%和69.15%。NOx排放规律与HC和CO不同，排放量随车速的增加而升高，车速为70 km/h工况下比车速为15 km/h高27.41%。怠速工况下，HC、CO排放量与车速为15 km/h工况排放几乎相当，而NOx排放量比15 km/h工况排放低29.85%。分析认为，随着车速的增加，燃烧室中燃烧温度升高，燃油充分燃烧，因而HC和CO排放量降低，而NOx排放量升高。

图4 重型卡车车速对常规污染物排放量的影响Fig.4 Regulated pollutants emission from the truck

2.2 怠速工况下颗粒物数浓度及粒径分布

图5为怠速工况下颗粒物数浓度及粒径分布。由图5(a)可以看出，在怠速工况下30 s时间内，排放颗粒物数量变化不大，为6.21×107～6.28×107个/cm3，变化幅度不超过0.58%。图5(b)表明，随粒径的增大，颗粒物数浓度降低。颗粒物数浓度主要集中于粒径小于20 nm的颗粒物，占总数量的33.48%，粒径小于70 nm的颗粒占总数量的93.81%。粒径大于770 nm的颗粒物数浓度很低，只占颗粒总数量的0.06%。

2.3 低速工况下颗粒物数浓度及粒径分布

图6是低速(15 km/h)工况下颗粒物数浓度与粒径分布。由图6(a)可以看出，在低速工况的0～5 s内，颗粒物数浓度变化幅度比较大，但5 s之后基本比较稳定。排放颗粒物总数量为3.49×106～11.7×106个/cm3，变化幅度平均值为14.79%，最高值为133.10%。由图6(b)可以看出，粒径分布呈现单峰状态，峰值处于粒径为70 nm的纳米级颗粒物，数浓度占总数量的46.10%，粒径小于120 nm的颗粒物占总数量的95.85%。粒径高于200 nm的颗粒物数浓度很低，只占总数量的4.15%。粒径大于770 nm的颗粒物数浓度很低，只占颗粒总数量的0.04%。

2.4 中速工况下颗粒物数浓度及粒径分布

图7为中速(35 km/h)工况下颗粒物数浓度与粒径分布。由图7可以看出，在中速稳定工况6～10 s时间段内，颗粒物数量变化幅度较大，其余时间段内比较稳定。排放颗粒物数量为5.47×106～100×106个/cm3，在6～10 s内，变化幅度最高值达到293.11%，其余时间段变化幅度为25%～79%。由图7(b)可以看出，粒径分布呈单峰状态，峰值为粒径70 nm的纳米级颗粒物，其数浓度占总数量的36.66%，粒径小于200 nm的颗粒物占总数量的94.59%。粒径高于490 nm的颗粒物数浓度很低，只占总数量的0.62%。粒径高于770 nm的颗粒物只占总数量的0.03%。

2.5 高速工况下颗粒物数浓度及粒径分布

图8为高速(70 km/h)工况下颗粒物数浓度及粒径分布。由图8(a)可以看出，在高速工况下，除最初的2 s外，其余时间段内排放的颗粒物数量(2.67×107～3.66×107个/cm3)随时间变化不大，除最初2 s外，变化幅度不超过7.11%。从颗粒物粒径在30 s之内的平均分布〔图8(b)〕可以看出，颗粒物数浓度峰值处于粒径70 nm处，其数浓度占总数量的45.96%，粒径小于200 nm的颗粒物占总数量的97.60%。粒径大于320 nm的颗粒物数浓度很低，只占总数量的2.40%。粒径高于770 nm的颗粒物占总数量的0.08%。

图8 高速工况下颗粒物数浓度及粒径分布Fig.8 Particles number concentration and size distribution at 70 km/h mode

从怠速工况以及车速为15，35和70 km/h的粒径分布可以看出，随着车速的增大，颗粒物数浓度向粒径增大方向移动，分析认为，可能是随着车速的增大，构成纳米颗粒物的很多HC化合物燃烧，因而降低了这部分颗粒物浓度，这与其他研究者［7］结论一致。

3 结论

(1)重型卡车HC和CO排放量随车速变化规律类似，表现为随车速的增大而减小。NOx排放规律与HC和CO不同，表现为排放量随车速的增加而升高。在怠速工况下，HC和CO排放量与车速为15 km/h几乎相当，而NOx排放量低29.85%。

(2)在怠速工况30 s内，排放的颗粒物数量随时间变化不大，变化幅度不超过0.58%。粒径分布结果表明，随粒径的增大，颗粒物数浓度降低。颗粒物数浓度主要集中于粒径小于70 nm的颗粒物，占总数量的93.81%。

(3)在15 km/h稳定工况内，最初5 s颗粒物数量变化幅度比较大，但5 s之后基本比较稳定，变化幅度平均为14.79%。粒径分布呈单峰状态，颗粒物数浓度峰值处于粒径为70 nm的纳米级颗粒物，粒径小于120 nm颗粒占总数量的95.85%。

(4)在35 km/h稳定工况内，除6～10 s外，其余时间段颗粒物数量基本比较稳定。6～10 s变化幅度最高值为293%，其余时间段变化幅度为25%～79%。粒径分布呈现单峰状态，颗粒物数浓度峰值处于粒径为70 nm的纳米级颗粒物，粒径小于200 nm颗粒占总数量的94.59%。

(5)在75 km/h稳定工况内，除最初的2 s外，其余时间段内排放颗粒物数量随时间变化不大。变化幅度不超过7.11%。颗粒物数浓度峰值处于粒径为70 nm的颗粒物处，粒径小于200 nm的颗粒物占总数量的97.60%。

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