基于比功率的LPG公交车排放特性研究*

彭美春，吴晓伟，江晓燕

(1.广东工业大学机电学院，广州 510006； 2. 三一重工路面机械研究院，长沙 410100)

前言

近年来，公交车排放已经成为中心城市大气污染的重要来源。由于能源平衡和环境污染控制双重的压力，我国正逐步推广使用新能源汽车，如电动汽车、天然气汽车和醇类汽车等。城市公共运输领域，如公交车、出租车是最先推广新能源汽车的领域，其实际减排效果越来越引起各方关注。

机动车排放与车辆参数、运行工况密切相关。不同车辆与不同运行车速的车辆的排放特性不便直接比较。为方便比较不同质量、不同车型的机动车排放状况的好坏，文献[1]中提出了机动车比功率(VSP)概念，即用发动机为牵引单位质量机动车所须输出的瞬时有效功率来表示输出功率。VSP可用来方便地比较质量不同的机动车的输出功率与排放的关系。同时采用聚类分析方法求出不同的VSP区间内瞬时排放特征参数(排放浓度或瞬时排放速率)的平均值以作为对应区间的参数值，可有效降低测试数据的离散性，更有利于不同运行工况下机动车实际排放的比较。

由于城市公交车车长与车质量大的原因，不便进行室内整车台架测试，若仅仅对发动机进行台架测试，难以全面反映整车实际行驶工况下的排放状况。车载排放测试技术解决了大型车难以进行整车排放测试的难题。而且，由于它是在车辆实际行驶工况下进行，测试结果反映了当地环境、气象参数和交通变化对排放的影响，能真实反映车辆的实际道路排放情况，可方便快捷地获得不同路段、不同时段和不同工况下机动车排气排放状况。美国EPA已立法将车载排放检测方法作为在用重型车排放检测方法，欧洲和我国等国家和地区也先后利用车载排放测试技术开展了多项汽车排放研究[2-6]。

本文中以大型LPG公交车为对象，利用车载排放测试仪进行城市公交线路运行时的排放试验，测取车辆的运行车速和排放等特性参数，推导公交车VSP与车速的关系公式，基于VSP研究LPG公交车运行工况特点和排放特性，其研究结果将为评价公交车排放提供方法与参考。

1 车载排放测试

1.1 测试设备与测试方法

本文中使用美国SEMTECH-DS车载排放测试系统进行大型LPG公交车的实际道路排放测试。该系统主要由SEMTECH-DS主机、SEMTECH-EFM流量计、采样管、GPS、环境温湿度计和控制电脑等组成，可对CO与CO2、NO与NO2和THC的排放进行实时测试。系统安装示意图如图1所示。

车载式排放测试仪逐秒采集数据，包括车速、排气中CO、HC、NOx、O2等成分的体积浓度、排气流量、排气温度和环境温湿度等。经过数据处理后可得出排气中各成分的排放速率(g/s)、排放因子(g/km)和过量空气系数等。

1.2 试验车辆

本研究测试了6辆LPG公交车，车长约11.5m，均配置7.8L排量的玉柴LPG发动机。试验车辆分为两类，其中3辆满足国Ⅲ排放标准，3辆满足国Ⅱ排放标准。测试公交车的主要信息如表1所示。

表1 试验LPG公交车的主要信息

2 试验结果与分析

2.1 公交车VSP计算式推导

将文献[7]中给出的柴油公交车VSP计算式中的参数值代入汽车理论常用功率定义式中，得出公交车的VSP计算式如下：

(1)

式中：VSP为机动车比功率，kW/t；m为机动车质量，kg;v为机动车行驶速度，m/s；a为车辆加速度，m/s2;g为重力加速度,m/s2;grade为道路坡度;ρa为环境空气密度,kg/m3；CR为轮胎滚动阻力系数，其大小主要由道路状况和轮胎类型决定；CD为机动车空气阻力系数；A为机动车前沿迎风面积，m2。

本研究在华南地区进行，该地区属亚热带季风气候，其湿空气密度为

(2)

根据该地区2009年气候公报中的数据，全年平均气温为22.5℃(295.5K)，大气压力p为 101.78kPa，相对湿度φ为50%，饱和水蒸汽压力pb为2.64 kPa。将上述数据代入式(2)中，最后计算出该地区的空气平均密度ρw约为1.192 75kg/m3。

对于城市道路坡度grade可取0°，轮胎滚动阻力系数CR取0.012，空气密度ρa取1.192 75kg/m3(22.5℃)；公交车空气阻力系数CD取0.8；测试的公交车迎风面积A为7m2；公交车质量m取12 400kg。将上述数据代入式(1)，得出测试的公交车的VSP为

=v(a+0.11772)+0.000269v3

(3)

从式(3)中可看出VSP是车速的三次方函数。

2.2 公交车行驶工况特征分析

采用车载排放测试测得LPG公交车在城区与近郊线路运行时的车速和排放等数据近80 000组。

基于实验采集的逐秒车速数据，按式(3)进行计算，可得到公交车运行过程中逐秒的VSP值。结果发现公交车的VSP值主要分布在-10～10 kW/t的范围内。本文中选取1kW/t为间隔对VSP进行间隔值相等的区间划分，统计计算得出公交车运行VSP区间分布结果，如图2所示。

由图2可知，公交车行驶时的VSP区间分布呈现明显的中间高、两端低的特征， 0～1kW/t的VSP区间行驶时间占比最高，其中城区公交车的占比数值更是高达51.7%。在-5～5kW/t的区间内，城区行驶的时间占比为96.2%，郊区行驶的占比为99.1%。占公交车行驶时间占比在80%以上的-3～3kW/t区间内的速度-加速度分布图如图3所示。

从图3中可以看出，该区间内的加速度主要分布在-1～1.5m/s2的范围内，公交车行驶速度以小于50km/h的数据点居多，并呈现出低速数据点多且分布范围广，高速数据点少且分布集中，表明公交车最主要的行驶区间内速度较低、加速度变化范围较大，这也是公交车尾气污染物排放的主要区间。

2.3 排放特性

2.3.1 排放速率

基于2.2节研究结果，以时间占比达98%的[-5，6] kW/t VSP区间作为排放特性研究工况范围。测试的国Ⅲ和国Ⅱ排放标准的公交车各取一辆作为分析对象，分别取名为1号车和2号车。图4示出了两辆车HC、CO、NOx3种排放污染物基于VSP的排放速率。为了分析图4中排放速率变化趋势的原因，图5和图6分别给出了HC、CO、NOx3种排放污染物的体积浓度与体积流量和排气温度与过量空气系数的两车平均值曲线。

由图4～图6分析可知：在负的VSP区间，HC、CO、NOx排放速率、排气体积浓度、排气体积流量、排气温度、过量空气系数变化相对较平缓；VSP接近零，即车速接近于零，车辆接近怠速状态时，3种污染物的排放、排气流量和排气温度均降低；VSP为正时，随VSP增大排气温度和排气体积流量增大，过量空气系数先缓慢减小，再缓慢增大至1.37，HC、CO排气体积浓度与排放速率均先增大后减小，但是NOx排气体积浓度与排放速率基本呈增大趋势。

过量空气系数是影响CO、HC排放的重要因素。所研究的LPG公交车发动机采用稀燃技术， VSP区间[-5，6]kW/t的过量空气系数在1.3～1.4范围内，总的来说变化不大。

NOx的产生受混合气浓度和燃烧温度共同影响。本研究无法测得燃烧温度，但可用排气温度作为参考。从图6看到负VSP区，过量空气系数、排气温度均平稳，因此NOx的排放排量也平稳。正VSP区，随负荷增大过量空气系数变化不大，但排气温度则呈逐渐上升的趋势，导致NOx排放流量逐渐增大。

2.3.2 排放因子

由式(3)VSP的计算式可知，LPG公交车的速度为零时,VSP等于零，排放因子趋于无穷大，因此下文排放因子分析不包括VSP为零时的工况。

图7为VSP与HC、CO、NOx3种污染物排放因子的关系曲线图。由图可知：VSP为负时，3种污染物排放因子均随着VSP的增大而增大；VSP为正时， 3种污染物排放因子均随着VSP的增大先增大后减小，其中HC和CO排放因子变化趋势较明显。

3 结论

(1)推导出代表车型公交车比功率VSP计算公式，其是车速的三次方函数。基于VSP可方便地进行不同质量、不同车速运行工况下的车辆排放性能的比较。

(2)测试与分析得出公交车实际运行的VSP范围较小，无论城区还是郊区，公交车VSP落在-5～5kW/t区间的行驶时间占比均大于96%，城区和郊区的VSP区间均以0～1kW/t的行驶时间占比最高，其中城区行驶时的时间占比达51.7%。反映出公交车低速频繁变速运行的规律。

(3) VSP为负时，排放污染物的排放速率变化较小，排放因子随着VSP增大缓慢增大；VSP接近0时，排放速率降到最低值，排放因子趋近无穷大；VSP为正时，随着VSP增大，CO和HC的排放速率与排放因子先增大后减小趋势明显，NOx排放速率呈增大趋势，而排放因子先增大后缓慢下降。

(4) 排放速率主要影响因素是排放体积浓度，排放浓度高，即排放速率大。排放因子主要影响因素既有排放速率，也有车速。排放速率高即排放因子大，车速高即排放因子小。

[1] Jose Luis Jimenez-Palacios. Understanding and Quantifying Motor Vehicle Emissions with Vehicle Specific Power and TILDAS Remote Sensing[D]. Cambridge US: Massachusetts Institute of Technology, 1999.

[2] Feist Michael D, Sharp Christopher A, Spears Matthew W. Determination of PEMS Measurement Allowances for Gaseous Emissions Regulated Under the Heavy-duty Diesel Engine In-use Testing Program Part 1-project Overview and PEMS Evaluation Procedures[C].SAE Paper 2009-01-0940.

[3] Johnson Kent C,Durbin Thomas D, Cocker David R, et al. On-road Evaluation of a PEMS for Measuring Gaseous In-use Emissions from a Heavy-duty Diesel Vehicle[C]. SAE Paper 2008-01-1300.

[4] Rubino L, Bonnel P, Hummel R, et al. On-road Emissions and Fuel Economy of Light Duty Vehicles Using PEMS: Chase-testing Experiment[C]. SAE Paper 2008-01-1824.

[5] Daham Basil, Andrews Cordon E, Ropkins Karl, et al. Comparison of Heal World Emissions in Urban Driving for Euro 1-4 Vehicles Using a PEMS[C]. SAE Paper 2009-01-0941.

[6] 王景楠，宋国华，王宏图，等．基于PEMS技术的重型柴油客车排放实测与IVE模型预测对比分析[J]．公路，2009(12)：90-95．

[7] Paul Andrei. Realworld Heavy-duty Vehicle Emissions Modeling[D]. West Virginia: West Virginia University, 2001.