汽车速度和加速度对不同尾气排放的影响分析*

樊杰玉 陆 键 邢莹莹

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

0 引 言

机动车排放带来的空气污染已成为城市污染物的主要来源之一[1].中国环保总局公布空气污染源所占比重：2015—2017年，机动车排放占空气污染贡献的20%～30%，部分城市甚至达到了30%～50%，城市空气污染正在逐渐由“煤烟型”转化成“尾气型”[2].城市管理者亟待能够有效减少交通排放污染的管理措施与手段，而这需要对机动车排放规律的精确解析与建模[3-4].为了预测不同的道路交通条件下机动车运行尾气排放规律，国内外学者通过排放气体检测与分析，建立了各种不同的机动车尾气排放模型[5].Scora等[6]开发出综合型的排放模型(comprehensive modal emissions model, CMEM).该模型处理以秒为单位的瞬时加速度和速度下的尾气排放量，评测道路交通运行中机动车的瞬时排放.Ahn等[7]建立了基于加速度-速度与尾气排放的微观统计模型，根据实测数据对每一类车辆的排放物用加速度-速度进行不同幂次的乘积组合，确定最佳拟合.Lyons等[8]在研究中进一步指出，仅凭速度、加速度来建立统计模型对特定车辆虽然有较好的拟合效果，但是没有具体考虑到车辆行驶过程中的油耗排放原理.加州大学河畔分校环境研究与技术中心(CE-CERT)、国际可持续研究中心(ISSRC)和全球可持续体系研究组织(GSSR)共同开发了IVE模型(international vehicle emission mode1)[9]，便于发展中国家处理机动车排放模型.Joumard等[10]研究车辆行驶工况对排放的影响时指出，速度与加速度在各种排放模型中都是必不可少的组成部分.美国华盛顿特区公路运输协会发布的Green Book[11]中规定，选择速度和加减速作为油耗和排放的影响因素时，可以选择最大行驶速度.国内对排放量的影响研究则主要用MOBILE模型[12]测试国内机动车污染物的排放量，宏观反映机动车污染物的排放水平.杜青等[13]研究了机动车实际道路的排放因子分布特征及速度、加速度对排放因子的影响规律.王晓宁等[14]通过对CMEM中标准柴油卡车和公交车的异同点比较，修改了模型的速度-加速度参数、质量参数和传动效率参数.郝吉明等[15]通过机动车尾气排放分析了污染物对北京市环境的影响，研究表明北京市机动车的CO年排放分担率达76.8%，NOx年排放分担率达40.2%.王云鹏等[16]以长春市四种不同类型的道路实测数据为基础，研究了不同等级道路行驶工况下，排放因子和速度对排放的影响.贺克斌等[17]利用车载排放测试系统检测了8辆轻型车的实际道路瞬态排放，分析了加速度-速度与排放的数理规律.王海鲲等[18]利用车载排放测试系统在深圳市进行了轻型车车载道路排放测试，分析机动车运行工况对排放的影响.

在道路交通系统中，机动车排放模型主要集中在对加速度和速度的统计分析及查表确认油耗等方法，无法精确计算行驶工况下各种气体排放物的排量，且对排放与道路条件、交通行为之间的研究有一定的局限性.现有研究在宏观排放层面，主要分析了不同道路条件(坡度、车道宽度、车道功能划分等)对汽车排放的影响；在微观层面，则主要集中在对车辆工况(减速、加速、怠速等)的划分研究、不同速度与加速度时汽车尾气的排放速率、排放因子与比功率的拟合分析等方面.然而，速度和加速度对不同气体排放物(HC，NOx和CO)的影响差异性及不同工况下不同排放气体的比例构成部分差异性研究较少.行驶工况的确定是定量分析尾气排放的基础工作，速度和加速度作为行驶工况的重要影响因素，研究速度和加速度对排放物的影响有着重要意义，不同于已有研究只分析总体排放气体与道路条件或行驶状态的关系，本文通过车载设备，采用实地实验收集了不同路域环境下各种排放气体(HC，NOx，CO)的排放数据，分析了速度与加速度对HC，NOx，CO三种排放气体的影响差异性以及不同行驶工况下这三种气体的排放比例差异性，研究结果为建立针对不同排放气体的排放模型提供了理论基础和针对性排放控制提供科学依据.

1 实验设计

1.1 PEMS尾气排放检测装置

实验中选取1辆2010年出产的大众朗逸进行尾气排放实验，该轻型测试车重1 285 kg，汽油燃料排放标准为国IV，发动机排量为1.6 L.用OBEAS-3000便携式排放测试仪对车辆行驶过程中的HC，NOx，CO的瞬时排放和车辆的速度、加速度进行连续检测，通过仪器自带的GPS系统获得车辆准确的位置和速度，输出车辆在不同时间、地点的瞬时排放气体质量，反映速度-加速度与燃油消耗和机动车排放的关系，为路网运行效益提供辅助决策，测试仪器见图1.

图1 尾气排放检测装置

1.2 实验路径

实验路径选择山西省太原市小店区，测试车辆从康宁街与G208国道交叉口开始，经过G208(3 km)—S103省道(东西段2.4 km，南北段2.6 km)—康宁街(2 km)—昌盛西街(2.1 km)—通达街(2.2 km)，测试路段总长14.3 km.

利用实验车和OBEAS-3000排放检测装置进行实地测试时，检测数据以1 s为单位，主要检测机动车在行驶过程中的GPS信息，HC，NOx，CO的瞬时排放数据及车辆行驶的瞬时速度、加速度，共测得数据7 268组.

1.3 数据预处理

实地实验采集数据，出现的不可控因素较多，如设备故障、系统误差等，会在一定程度上导致数据不准确，因此，在分析数据前，进行数据预处理，对不符合常理的数据应该剔除.先将数据进行曲线拟合，检查数据的区间范围，见图2.在车辆行驶过程中，速度反复起落，基本覆盖在0～90 km/h之间；随着速度的变化，加速度在-5～5 m/s2区间内.对偶然数据失衡或不合常规(图2圈内的数据)进行删除处理.

图2 速度和加速度分布

实地实验采集数据时，在PC端可清晰显示，车辆启动时车速的变化与HC，NOx，CO排放的数据变化记录有一定延时.为保证数据分析的准确性，进行气体排放数据与时间的校准处理.车速与不同气体实时记录的变化见图3.

图3 排放数据与速度对齐

可知HC，NOx，CO三种气体收集数据与行驶起始时间相比较，延迟时间分别为4，3，3 s.分析数据结果时，将HC，NOx，CO的排放数据随着时间轴向后顺延4，3，3 s，跟实际排放时间对齐，再进行数据结果分析.

2 结果分析

车辆行驶状态可分为加速、匀速、怠速、减速.研究者一般根据仪器测试精密度，采用0.1 m/s2来定义加速、匀速、减速.由于汽车在不同驾驶状态下，气体排放规律有明显的差异性，不宜混淆分析不同驾驶状态的排放规律.因此，将在分析中区分减速过程和平稳或加速过程.区分加速度和减速度的方法设定为：加速度小于-0.2 m/s2且持续5 s以上为减速过程，加速度大于-0.2 m/s2且持续5 s以上为非减速状态(平稳或者加速过程).

2.1 非减速过程中气体与速度、加速度的相关性

首先分析了不同排放气体与速度与加速度的相关性，对比分析了速度与加速度对不同气体排放的影响差异性.为避免速度与加速度之间的交互关系对相关性结果分析的影响，采用偏相关分析法来解析单种因素对不同气体排放的影响，分析结果见表1.

表1 非减速状况下气体排放与速度、加速度的相关性分析

注：相关系数为Pearson相关系数；**-在95%置信水平下显著；*-在90%置信水平下显著.

表1显示在不考虑偏相关情况下，CO，HC，NOx与速度和加速度都显著相关.CO排放速率与速度负相关但与加速度正相关.在剔除了自变量相关性的偏相关分析中CO与速度显著负相关，但与加速度不显著相关.该结果表明速度与加速度对CO排放速率的影响有交互作用；CO的排放速率会随速度增加而降低，但与加速度没有显著相关性.HC排放速率在不考虑偏相关情况下，与速度和加速度均显著正相关.但在偏相关分析中HC与速度显著正相关，与加速度不显著相关.该结果表明HC的排放速率会随速度增加而增加，但与加速度没有显著相关性.相关性分析结果显示NOx排放速率与速度和加速度都显著相关.表明NOx的排放速率会随着速度和加速度的增加而增加.另外，偏相关分析结果表明速度对不同气体排放速率的影响程度从大到小依次为HC>NOx>CO.

2.2 减速过程中气体与速度、加速度的相关性分析

减速过程的结果因为减速时加速度为负值，加速度值越大，实际减速度绝对值越小.分析了不同排放气体与速度、加速度的相关性，对比分析了速度与加速度对不同排放的影响差异性.为避免速度和加速度之间的交互关系对相关性结果分析的影响，采用偏相关分析法来解析单种因素对不同气体排放的影响,分析结果见表2.

表2表示在偏相关分析中，CO的排放速率与速度和加速度显著正相关，该结果表明CO的排放速率会随着速度和加速度的增加而增加.HC的排放速率与速度显著正相关，与加速度显著负相关，表明HC的排放速率会随着速度的增加而增加，随着加速度的减小而增大.NOx的排放速率与速度显著正相关，与加速度无显著相关性，表明NOx的排放速率随着速度的增加而增加，但与加速度不显著相关.偏相关分析结果表明速度对不同气体排放速率的影响程度从大到小依次为HC>NOx>CO.

表2 减速状况下气体排放与速度、加速度的相关性分析结果

2.3 气体排放比例和速度、加速度的关系

为区分速度、加速度与CO，HC，NOx排放相关性的不同结论，进一步分析了不同行驶工况下排放气体之间的比例差异.首先速度和加速度划分成不同的区间范围.速度分为：低速度(v≤30 km/h)、中速度(30

速度与加速度组合3×3共有九个不同行驶工况.在计算比例时，因为不同气体的摩尔质量不同，直接采用质量单位计算不合理，因此，将不同气体单位转化为mol/s.统计了九种不同行驶工况下各种气体排放比例的中位值，得到结果见图4.

图4 不同行驶工况下气体排放比例

结果显示不同行驶工况下不同气体的排放比例存在明显差异性.速度和加速度处于不同阶段时，CO和HC的排放比例有明显差异，但NOx的比例变化较小.低加速度阶段，低行驶速度状况下CO的比例为19.0%，远高于中速度(5.1%)和高速度状况(5.0%)； 而HC的比例为79.5%，低于中速度(93.0%)和高速度状况(93.3%).中加速阶段，低行驶速度状况下CO的比例为23.4%，远高于中速度(11.2%)和高速度状况(3.8%)；而HC的比例为74.0%，低于中速度(87.4%)和高速度状况(94.4%).高加速阶段，低行驶速度和中速度状况下CO的比例为17.1%和19.9%，高于高速度状况(7.2%)；低速度和中速度阶段HC的比例为80.1%和77.2%，低于高速度状况(90.8%).结果表明在CO 排放比例随速度增加而降低，HC排放比例随速度增加而增加.

低速度行驶阶段，不同加速度状况下，CO和HC排放比例无较大变化.中速度行驶阶段，CO排放比例随加速度增大而增加，依次为低加速度(5.1%)，中加速状况(11.2%)和高加速状况(19.9%)；HC排放比例随加速度增加而降低，依次为低加速状况(93.0%)、中加速状况(87.4%)和高加速状况(77.2%).高速度行驶阶段，不同加速度状况下，CO和HC排放比例无较大变化.结果表明在不同速度阶段，加速度对CO和HC的排放影响规律不同.

3 结 论

1) 在非减速行驶状况下，CO排放速率会随速度增加而降低，HC的排放速率会随速度增加而增加，加速度对CO和HC排放速率无显著影响.NOx的排放速率会随着速度和加速度的增加而增加.

2) 在减速行驶状况下，CO、HC、NOx的排放速率会随着速度的增加而增加；CO的排放速率随着加速度的增加而增加；NOx的排放速率与加速度无显著相关性；HC的排放速率随着加速度的增大而减小.

3) CO排放比例随速度增加而减少，而HC排放比例随速度增加而增加.在中速度阶段，CO排放比例与加速度正相关，而HC排放比例与加速度负相关；在低速度与高速度阶段，CO和HC排放比例在不同加速度情况下无明显变化.

4) 加速度与速度对不同气体排放速率与排放比例的影响存在潜在交互效应.

研究结果显示加速度与速度对不同气体的排放速率与比例的影响存在明显差异性，在针对不同排放气体的排放模型建模中应注重该差异性.研究结果为进一步针对不同气体的微观排放模型建立提供了理论依据.