（环境工程专业论文）运用ive模型计算天津市机动车排放因子.pdf

北京工商大学硕士学位论文 摘要 本文以天津市为研究对象，根据i v e ( i n t e r n a t i o n a lv e h i c l ee m i s s i o n ) 模型， 从机动车的类型分布、技术分布、启动状况和行驶状况等方面对天津市在路机动 车进行实地调查和测试。调查获取一定样本的机动车信息，测试得到大量的机动 车g p s 数据。经统计分析得到实际在路机动车车队的信息和机动车技术分布， 制作成输入文件并导入i v em o d e l l 1 1 ，运行模型计算天津市机动车污染物的捧 放因子。 通过分析和研究i v e 模型的运算结果，得到天津市机动车污染物的捧放特 征，为天津市机动车污染控制管理和决策提供科学依据。对天津、北京和上海的 i v e 模型运算结果进行对比分析，为今后在中国深入应用和研究i v e 模型提供基 础数据。 本研究结果表明，天津市轿车和出租车车队以中小型车为主导车型，平均车 龄约为3 8 年，车队的尾气排放控制水平较高。公交车和卡车的燃料以柴油为主， 车队的尾气排放控制水平较差。机动车在不同路型的平均速度，以卡车和轿车快 速路的最快，达到3 0 k m h 左右，而公交车、出租车以及轿车在主干路和居民路 上的平均速度在1 5 2 1 k m h 之问。公交车的平均排放因子显著高于轿车、出租车 和卡车等三种车型的。对于c o 和v o c 排放，轿车和出租车是控制重点。对于 n q 和p m ，公交车和卡车是主要控制对象。计算得到天津c o 、v o c 、n o x 和 p m 的日排放总量分别为：6 0 3 5 t d 、6 2 5 t d 、1 6 4 2 t d 和6 4 0 t d 。天津p m 的 日排放总量显著高于京沪两地的，前者分别是后两者的2 5 6 和1 7 8 倍，因此天 津的机动车污染物控制应以p m 为首要控制对象。 关键词：i v e 模型机动车排放因子天津市 运用i v e 模型计算天津市机动车摔放因子 a b s t r a c t s e t t i n gt i a n j i na st h eo b j e c tc i t y , a c c o r d i n gt oi v e ( i n t c m a t i o n a lv e h i c l ee d s s m ) m o d e l , t h i sr e s e a r c hh a sc o n d u c t e df i e l ds t o r e y sa n dt e s t i n go fo n - t m dv e h i c l e si n t i a n j i n f z o l a g 圳：m l v e h l d e d i s t n l 睁u t i o n , s p e c i f i ct e c h n o l o g yd l s t n b u t i o n , s t a r t - p a t t e r n s a n dd r i v i n gb e h a v i o r t h e 瞄薄砌h a sc o l l e c t e dc 豇m i nv e h i c l e i n f o r m a t i o n 如t h es u r v e y = m o ea n dl a r g ea m o n mo fv e h i c l eg p sd a t a 缸t h et e s t a f t e r 锄a l 煳t e c h n i c a li n f o r m a t i o no ft h eo n - r o a dv e h i c l ef l e e ta n ds p c c 氓z t e c h n o l o g yd i s t n b u t i o n , p r o d u c e df i l e sw e l i m p o r t e di n t oi v em o d e l l 1 1 t h e e m i s s i o nf a c t o r sf o rt “m j i nv e h i c l ef l e e t sw e m a d et h r o u g hr u n n i n gt h em o d e l b ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h e r e s u l t so f1 v em o d e l o p e r a t i o n s , t h e c h a n 啦t c i i s t i 岱o ft = n j i nv e h i c l ep o l l u t a n te m i s s i o n sw c i eg a m e di t p r o v i d ea s c i e n t i f i cb a s i sf o r t h em a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n - m a k i n go fr m j i nv e h i c l ep o l l u t i o n c o n t r 0 1 t h ec o m p u t a t i o n a lm o d e lr e s u l t so ft i a n j i n , b e i j i n ga n ds h a n g h a iw c i g ： c o m p a r e d i tw i l lp r o v i d et h eb a s i cd a t af o rt h ef t h e rr e s e 御c ha n da p p f i a f i o no f em o d e li nc h i n a t h er e s u l t so ft h i ss t u d ys h o w , t h es m a l i s i z ea n dm i d s i z ev e h i c l e sw c 圮d o m i n a n t 如 t h et a x ia n dp 墩躲g 口v e h i c l ef l e e t s t h ea v e r a g ea g eo ft a x ia n dp a s s e n g e rv e h i c l e f l e e t sw a sa b o u t3 8 y e a r s t h el e v e lo ft h ef l e e t se x h a u s tc o n t r o lw a sh i g l l t h eb u s e s a n dt r u c k sj nr 蛐j j nu d i e s e l 箍t h em a i nf u e lt h cl c v do ft h eb u sa n d 眦f l e e t s e x h a u s tc o n t r o lw 饿l o w t h ep i i 涮舒坩v e m d e s t h eh i g h w a y sa n dt r u c k sh a v et h e f a s t e s t v e l o c i t i e s , w h i c ha r ea b o u t3 0 k m h h o w e v e r , t h ev e l o c i t i e so fb u s e s , t a x i , p a s s e n g e rv e h i c l e so nt h ea n e r i a i sa n dr e s i d e n t i a ls l z e e t sa r co n l yb e g w e e o1 5t o2 1 k m h t h ee m i s s i o nr a t eo fb u sf l e e tw a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h eo t h e rt h r e e f l e e t s i n c l u d i n gp a s s e n g e rv e l l i d ef l e e 狮x if l e e ta n d 仃埘c kf l e e t c a r sa n dt a x i sw c l r c t h ek e yt oc o n t r o lc oa n dv o ce m i s s i o n b u s e sa n dt l u c k sa r ct h em a i nt a r g e t so f n 0 ka n dp me m i s s i o n c o n t r o l l i n g t h ee m i s s i o no fc o ，v o c , n o xa n dp mj s 6 0 3 5 t , 6 2 5t , 1 6 4 2r a n d6 4 0tr e s p e c t i v e l ye a c hd a yi nt i a n j i n t h ee m i s s i o no fp m i nt i a n j i ni so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a to fi nb c i j i n ga n ds h a n g h a i , t h ef o r m e ri st h e 北京工商大学硕士学位论文 t w ol a u e r2 5 6a n d1 7 8t i m e sr e s p e c t i v e l y s o1 m j i np ml e dt ot h ev e h i c l ep o l l u t i o n o o n t r o ls h o u l db et a r g e t e dt oc o n 仃0 1 k e yw o r d s ：i v em o d e l v e h i c l e 。m i s s i o nf a c t o r s t i a n ji nc i t y 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：沙门年 北京工商大学学位论文授权使用声明 石月勺日 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于口当年口一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位论文作者签名：辎师签名 期：加声厂月9 日 北京工商大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着我国经济的高速发展以及城市化进程的逐步加快，城市的经济活动日益 频繁，相应地人们的出行需求持续增长，机动车保有量不断增加。汽车捧放成为 目前增长最快的大气污染源，到2 0 1 0 年汽车尾气捧放量将占空气污染源的6 4 。 迅速增长的汽车捧放直接导致了我国北京、上海、广州等一些大城市环境空气质 量的恶化，对城市大气环境构成了严重威胁。 在城市大气污染中，来自汽车的尾气排放物是一种十分复杂的混合物，其中 的成份在1 4 0 种以上，主要包括汽车废气( h e 、c o 、n 均、微粒( p m ) 、二次污 染物( 烟雾、臭氧等) 以及温室效应气体、臭氧层破坏物质( 氟利昂) 和酸雨、 酸雾、酸雪生成物质等。这些有物质有的对人体直接有害，有的对人类生存的大 气环境有害【1 小】。 由于我国汽车工业起步较晚，加上长期以来对汽车的环境技术重视不够，致 使我国的汽车环境技术与发达国家存在着明显差距【蛹例如在北京2 0 0 1 年的春 夏两季，机动车造成的各种污染物在整个大气污染中的分担率分别为：c o 占 9 2 9 i ，h c 占9 4 ，n o x 占6 蹦即使在秋冬季节也有7 6 的c o 、9 4 的h c 、6 蹋 的n o x 来源于机动车尾气捧放嗍 汽车工业发展带来诸多利益，但是随着人民生活水平的不断提高，对生存环 境质量要求也在逐步提高，我们不能忽视由于汽车工业发展所带来的问题。如城 市道路容量、燃料及环境等，这些问题如果不能得到妥善解决，将制约汽车工业 的发展。就环境方面而言，汽车掉放的废气和产生的噪声所造成的环境污染现在 就已引起社会各界的普遍关注。 因此，需要加大机动车捧放的研究和管理力度，制定严格合理的法规制度， 努力降低汽车摔放污染对环境质量及人身健康的影响。制定城市的机动车污染控 制战略，其依据就是机动车的捧放总量和分担率，也就是说要搞清楚机动车的摔 放规律，其中的关键参数就是排放因子【体1 6 1 。 运用i v e 模型计算天津市机动车捧放因子 1 1 1 机动车排放污染物及其危害 与机动车相关的主要污染物的危害总结如下i l i 1 7 1 ： ( 1 ) 一氧化碳 一氧化碳是燃料不完全燃烧的产物，是汽车及内燃机捧气中有害浓度最大的 产物。现代城市空气污染中左右的c o 来自于汽车捧放 一氧化碳是无色、无味、无臭的窒息性易燃有毒气体。一般城市中的c o 水 平对植物及有关的微生物均无害，但对人体则有害，因为它能与血红素作用生成 羧基血红素实验证明，血红素与c o 的结合能力较与氧的结合能力大2 0 0 3 0 0 倍，因此，使血液输送氧的能力降低而引起缺氧c o 被人体大量吸收后会使人 发生恶心、头晕、疲劳症状，严重时会引起窒息死亡。c o 对人体的毒害程度大 小，由许多因素决定。空气中的c o 的浓度大小、同c o 接触时间长短、呼吸速 率以及有无吸烟习惯等对人们的受害程度有很大影响不同浓度c o 对人体健康 的影响如表1 - 1 所示 表1 - 1 不同含量的c o 对人体健康的影响 墨塞墨墨竺竺竺!墨要墨：兰竺竺竺 s - 。对呼吸道患者有影响 2 5 0 盐耆! ：；：兰点液 3 0 4 0 l 加 人滞留舳，视力及神经机能出现 障碍，血液中c o h b = 5 人滞留釉，出现气喘 1 h 接触，中毒，血液中c o h b 1 0 5 3 咖 曲接触，剧烈头痛、 眼花、虚脱 3 0 1 n i a 即死亡 ( 2 ) 碳氢化合物 碳氢化合物是未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物。汽车排放的 碳氢化合物主要有烷烃或饱和烃g h 抽+ 2 、环烷烃g h 知、烯烃、芳香族化合物 和含氧化合物醛、醇、醚类和酮类。烷烃有1 0 0 多种，其中直链烃最多，其碳原 子数为l 3 7 ，带有支链的异构烷烃其碳原子数在6 以下；多环芳香烃有2 0 0 多 种；醚、醇、酮和醛的数量在十几种到几十种不等。通常含有1 1 0 个碳原子的 2 北京工商大学硕士学位论文 挥发性碳氢化合物在大气中以气相存在。含有较多碳原子的不易挥发的碳氢化合 物经常形成气溶胶或吸附在微粒物上。 饱和烃危害不大，不饱和烃危害很大。甲烷气体没有毒性。当甲醛、丙烯醛 等醛类气体含量( 体积分数) 超过l x l 0 - 6 时，会对眼、呼吸道和皮肤有强刺激 作用；含量( 体积分数) 超过2 5 1 0 - 6 时，会引起头晕、恶心、红白血球减少、 贫血；超过1 0 0 0 ，会导致急性中毒。苯是无色气体，但有特殊气味应当引起 特别注意的是带较多环的多环芳香烃，如苯并芘及硝基烯，是强致癌物质此外， 烃类物质还是引起光化学烟雾的重要物质。 ( 3 ) 氮氧化物 氮氧化物是燃料在高温燃烧过程中剩余的氧与氮化合形成的产物，其主要成 分有n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、n 2 0 5 等，总称为n o x 。在汽车捧放中主要是n o ，约占 9 1 5 ，其次是n 0 2 ，约占5 n o 是无色无味气体，稍溶于水，只有轻度刺激性。毒性不大，高浓度时会 造成中枢神经轻度障碍，n o 可被氧化成n 0 2 。n 0 2 是一种棕红色、强生理刺激 性有毒气体，是引起急性呼吸道疾病的主要物质，在含量( 体积分数) 为 ( 0 0 6 3 - 0 0 8 3 ) x l o - 6 ，持续6 个月，儿童的支气管炎发病率就会增加，含量( 体 积分数) 为0 1 x i 0 - 6 叙1 0 - 6 就感到恶臭，其对人体健康的影响见表i - 2 。n 0 2 吸入人体后，和血液中血红素蛋白h b 结合，使血液输氧能力下降，对心脏、肝、 肾都会有影响。n o , 会使植物枯黄，但n 0 2 较易扩散，遇水易溶解，故其累积含 量不会过高。n o , 是地面附近大气形成光化学烟雾的主要物质此外n o i 的输送 还会导致区域性酸雨、富营养化等大范围污染 表1 2 不同含量的n 0 2 对人体健康的影响 ! ! = 翌墨：竺竺兰! ：三三墨：兰：竺竺竺1 1 闻到臭味80 3 m l n 感到胸痛、恶心 5 闻到强臭味1 0 0 1 5 0 1 0 1 5 卯 l 岫璺苎：，吸道 2 5 0 受到刺激 1 分钟内呼吸困难 在3 0 - - 6 0 r a i n 内因肺 气肿而死亡 很快死亡 3 运用i v e 模型计算天津市机动车捧放因子 ( 4 ) 光化学烟雾 光化学烟雾是汽车捧放到大气中的h c 和n o , 在太阳光能作用下进行光化 学反应生成臭氧、醛类和过氧化酰基硝酸盐等形成的一种浅蓝色烟雾。它是一种 强刺激性有害气体的二次污染物。h c 和n o - 2 在上午上班时间含量达到最高值； 经3 4 小时太阳照射后，臭氧和醛类的含量达到最大值。到了晚上，臭氧和醛 类等的含量便显著降低 光化学烟雾的主要危害可归纳为四个方面。第一是光化学烟雾中的甲醛、过 氧化苯甲醛酰硝基酯、p a n 和丙烯醛等物质对眼睛的刺激。第二是光化学烟雾 中的臭氧是强氧化剂，引起胸部压缩、刺激粘膜、头痛、咳嗽、疲倦等症状第 三是光化学烟雾中的臭氧对有机物( 如橡胶、棉布、尼龙和聚酯等) 的损害。第 四是使哮喘病增多，植物毁坏。 ( 5 ) 微粒 汽车排放到大气中的微粒绝大多数是直径小于1 ，皿的固态和液态物质，以 气溶胶、烟雾、尘埃等状态存在于大气中汽油机和柴油机所摔放的微粒是不同 的，汽油机主要是铅化物、硫酸盐和一些低分子物质，只有当烧机油时，才会出 现大量碳烟捧出的现象：柴油机微粒捧放比汽油机高3 0 - 6 0 倍。成分也更复杂。 汽车捧放的颗粒由于粒径小，能够直接进入人体的肺部，因此对人体健康的影响 更为严重 1 1 2 机动车污染物排放的影响因素 影响机动车捧放因子的因素相当复杂，主要包括【1 4 】【1 & 。呻： ( 1 ) 机动车技术类型 机动车韵技术类型指发动机空燃控制系统和发动机型号、尾气控制技术，燃 料类型，累积行驶里程以及机动车已使用年限机动车技术类型是影响排放的最 重要的因素，表现为机动车在标准工况下的零公里捧放水平( z e r om i l e a g cl e v e l , 即z m l ) 和劣化率( d c t c r i o r a t i o ar a t e ，即d r ) ，这两个指标的变化往往对应于新 的排放控制技术的采用和法规的加严。不同年代生产的车辆，其z m l 和d r 有 很大差别。 ( 2 ) 速度 4 北京工商大学硕士学位论文 美国国家环保局对大量机动车的测试结果表明，机动车运行速度对污染物的 捧放影响很大。在低速段( 3 0 ) 时捧放增加较快，特别是非尾 气捧h c 增加尤为迅速。影响机动车捧放的地理气候条件包括行驶道路的坡度、 环境湿度、温度以及行驶的海拔高度 ( 5 ) 道路状况 据统计，相同速度下，机动车在坡度为3 7 6 的路上行驶，排放因子将增 加一倍，坡度每增加l ，h c 的捧放因子将增加0 0 4 9 m i l e ，c o 的捧放因子将 增加3 0 9 n l i l c 。美国联邦公路管理局( f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s w a t i o n ，即f h w a ) 的研究表明，在转弯时发动机转矩比直线行驶时有显著增长，将导致捧放的相应 增加这种效应在英国等多弯曲公路的国家将更加明显。另外，在其他条件相同 的情况下，行驶在路况较差的机动车排放因子也将增加。 ( 6 ) 机动车冷热启动比例 根据美国s a e ( 美国汽车工程师协会) 的定义，启动段内机动车运行的距离同 机动车完成一次工况循环运行的距离之比，称为冷热启动比例。在美国，1 哦 至3 0 的尾气排放来自机动车的频繁启动，其他各地也是如此。由于启动段发动 机工作不稳定，行驶过程中的启动次数及和分布会对捧放产生较大的影响。 ( 7 ) 机动车检测和维修制度( h 唧睇虹a n dm a i n t e n a n ，即i m ) 机动车检测和维修制度能够保证机动车在良好的车况下运行，从而减少污 染物的排放。 ( 8 ) 空调负载 5 运用i v e 模型计算天津市机动车捧放因子 据f a r r m g t o n 等人的研究发现空调负载系统可以很大幅度的增加机动车尾气 排放量，c o 和n 仉的捧放水平甚至增加2 倍以上关于空调负载对捧放水平的 影响，目前研究较少，美国环境保护署( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ，即e p a ) 曾采用在台架测试时增加机动车负荷的方法来计算空调负载的影响，可是试验结 果证明这种方法并不准确。空调负载方面微小的改进都可以对燃料经济性产生很 大提高。 除了以上主要因素外，影响捧放因子的因素还包括燃料性质、司机驾驶习惯 以及环境湿度、行驶的海拔高度等。 1 2 机动车排放因子的确定方法 捧放因子的表示形式包括：g k g 和g k m 嘲。 ( 1 ) g k g 表示方法 使用汽车燃烧单位质量的燃料所捧放出的有害气体的质量来表示的汽车尾 气的捧放水平。这一表示方法最大的优点是可以在汽车的任何工况下均给出尾气 的质量捧放，并且将燃料的利用效率与汽车尾气的捧放紧密结合起来。缺点是 g k g 对车速的变化不够敏感 ( 2 ) g 妯表示方法 使用汽车每行驶单位距离所捧放的有害气体质量来表示汽车尾气的捧放水 平这是一种非常直观的表示方法，并且是目前各国家标准所采用的方法。这种 方法的一个缺点是不能够表示出汽车处于怠速模式下的质量摊放情况，尽管如 此，由于考察捧放因子通常是行驶一段距离或完成一个工况的平均捧放因子，所 以并不影响g k m 的广泛应用。 国际上对机动车捧放因子的研究始于1 9 6 0 年代初。目前，为了满足各层次 研究的需求，已经形成了几种比较成熟的方法 1 4 2 s l 。 ( 1 ) 台架测试 台架测试是目前最可靠的确定机动车排放因子的方法。台架测试是在转鼓试 验台( 底盘测功机) 上模拟汽车实际行驶条件并对其捧气进行取样与检测的一种 方法。测试程序( 工况) 是模拟汽车在典型道路上的运行情况而编制出来的。测定 6 北京工商大学硕士学位论文 时，汽车在转鼓试验台上按照既定程序运转，用规定的方法和仪器进行取样，测 定各有害成分的捧放浓度或摔放量。 工况法试验可以近似的再现实际行车工况，但在实际使用时尚存在一些问 题：要求配备复杂而昂贵的大型综合气体分析仪、转鼓试验台以及按试验工 况运转所需的自动控制系统；由于试验在标准程序下进行，试验程序与机动 车实际运行工况存在差异，直接采用这种方法确定城市道路上的捧放因子，往往 会引入误差； 得到的结果是一段时间平均的静态结果，难以对各种条件变化 后捧放因子的变化进行快速预测，因此在决策支持系统中应用存在一定难度。 ( 2 ) 燃料消耗估算 该方法一般用于区域或全球层次的污染物捧放计算，通过调查研究和数据分 析，确定污染物捧放量与燃料消耗的比例关系。由于该方法考虐问题的范围较大， 对捧放因子的估算比较粗略，往往仅能给出一定范围内不同车型的平均捧放因 子，难以适应在城市层次上进行污染物捧放和扩教研究的需要。目前，也有学者 认为通过油科计算的捧放因子具有一定优势，主要表现为以油料消耗为单位的箨 放因子对路况和一些运行条件的变化相对不敏感。 ( 3 ) 模型预测 模型预溯，是通过模型模拟和运算来确定机动车捧放因子的方法。模型计算 的基本依据仍来自台架测试，通过对试验结果的回归分析，可以用数学的方法表 达各种因素对捧放的影响。用捧放模型计算捧放因子进而为决策者提供近似精确 的挥放清单而不必要进行大量实际的对各种各样的机动车进行在路捧放溯试，具 有一定的优势，比较适用于城市层次机动车污染物捧放特征的分析和研究，是目 前国际上研究机动车尾气捧放污染的热点。 ( 4 ) 遥感遥测 近年来，美国、日本等发达国家采用红外线遥感遥测技术进行捧放因子的监 测这种方法一般在路边架设仪器，通过分光光度分析等技术，在线动态监测尾 气管捧放污染物的浓度，进而求出该道路上的机动车排放因子 遥测技术可以直接确定监测道路上机动车的捧放，但是仪器设备价格昂贵， 而且技术发展不很成熟。另外，遥测不能对多车道道路上机动车排放情况做出准 确测定，往往仅能应用于单车道道路或隧道内。目前，遥测技术还很难用于直接 7 运用e 模型计算天津市机动车捧放因子 测量车辆的实际捧放因子，往往仅作为筛选高捧放车辆的有效手段。但是，采用 先进技术确定捧放因子是进行机动车捧放规律研究的发展趋势 ( 5 ) 车载测试 通过对车辆加装测试仪器，可以测得车辆在实际道路运行下的排放情况这 种方法可操作性强，并且可以获得逐秒的污染物捧放数据。但是这种方法可以测 试的车辆数有限，数据的随机性较大。 1 3 国内外模型研究的现状 模型预测是通过模型模拟和运算来确定机动车捧放因子的方法。模型计算的 基本依据仍来自台架测试，通过对试验结果的回归分析，可以用数学的方法表达 各种因素对捧放的影响。机动车排放模型可以从宏观、中尺度和微观三种尺度来 研究机动车污染 u 1 2 6 - z 7 宏观尺度来研究捧放模型，是在地域范围上从城市、区域、国家等级进行研 究；时间上以月，年为单位进行研究。比如：美国环保局开发的m o b i l e 、美国 加州空气资源局开发的e m f a c 、欧洲共同体开发的c o p e r t 都是以宏观尺度来 进行研究的： 以中尺度研究捧放模型，在地域上从街区、道路等级上进行研究，时间上以 小时、日为单位进行研究，如g 蝴t e c h sm e a s u r e 、n c s u sm o d e l ： 微观尺度则以每个运行模态即秒为单位对捧放进行研究，比如由加州大学 r i v e r s i d e 分校开发的a 旺m 模型。 由于采用不同的捧放模型及同一模型的不同版本会对城市机动车污染物产 生相差很大的预测结果，所以如何选定适应于中国城市的计算模式是计算排放因 子和保证其合理性和现实性的关键，也是获得机动车污染物排放总量的基础嘲 1 3 1m o b i l e 模型 m o b i l e 模型是目前在决策控制体系中开发应用比较成熟的系列模型，该模 型为美国环保局向各州推荐使用的捧放因子确定方法。 m o b i l e 模型根据多年来对大量车辆测试数据的分析回归，得到计算机动车 排放因子的经验公式，分析所用的数据来源是美国环境保局组织的各种不 8 北京工商大学硕士学位论文 同在用车捧放水平检测结果以及测试程序, ( f e d e r a l t c s tp i c d _ u 船，即r r p ) q j 测得 的捧放结果。从这些数据的测试分析中，能得出各年、各车型车辆捧放因子的平 均水平，以及各种参数( 例如发动机的捧量、车辆的载重及自重、环境参数以及 维修保养状况等) 对排放的影响。 m o b i l e 是一种宏观的基于台架测试和平均速度的模型，能计算八种机动车 的三种标准污染物v o c 、c o 和n o , 的平均在用车队的捧放因子它对于宏观 把握城市机动车污染问题具有重要意义而且移植性好，运算简便，是计算在用机 动车源捧放的主要工具，在世界其它地区也得到了广泛的应用。 e p a 经过多年重大的扩展和改进，先后发布了m o b i l , e 1 、m o b l l f _ , 2 、 m o b h - f - 3 、m o b i l e 4 、m o b 正4 1 、m o b j b 5 、m o b j 5 a 、m o b j 巳5 、 m o b i l e 6 这些版本，模型化的方法日益完善。m o b i l e 6 给出了截然不同的捧 放因子计算，它仍对人们熟悉的8 种机动车类型进行了计算，但是根据机动车分 类的比较细小的区别能够获得排放因子的细目分类，与先前版本m o b e 5 相比 有很多的改善。m o b i l f _ 晒模型有几个升级版本，m o b i l e 6 1 增加了颗粒物捧 放模型p a r t 5 ，m o b i l f _ 强2 增加了有毒物质捧放模型m o b t o x ，m o b h , e 6 3 增加了温室气体捧放模型。 但是美国的最近研究表明在m o b i l e 5 捧放因子和在用机动车捧放之间存在 许多缺陷，这些缺陷主要来自如下因素：高捧放和受磨损的机动车具有较高的捧 放贡献率和占有率；机动车排放大部分贡献率是与发送机的富燃运行有关；不准 确的基于行驶公里数的劣化率和i m 制度；“偏离标准工况”的掉放，这主要 由于美国e p a 的f i 甲测试工况不能涵盖实际行驶工况( 即m o b i l e 5 不能包括非 兀p 工况1 此外m o b i l e 还有一些缺点，一是界面不够友好，大部分的输入数据要符 合f o r t r a n 编程语言的编码要求，不易改变默认输入假设；二是它对空间和 时间的解析度很低，模拟不够精确，无法体现交通道路对捧放的影响，对于交通 道路规划指导意义不大。三是不完全符合我国国情，模型采用的参数和公式的应 用数据库大多基于美国，比如m o b i i , f - 强根据5 种道路设施类型给出了排放因子， 取代了针对所有路型的单一排放因子，但它包括了更详细的机动车分类，这给中 国研究人员用这些分类来匹配我国地方机动车类型会带来较多困难【3 】弘哪。 9 运用w e 模型计算天津市机动车捧放因子 国内目前已有研究机构进行m o b i i e 5 捧放因子模型的研究，清华大学环境 科学与工程系郝吉明，傅立新、何东全，贺克斌等根据我国城市的实际情况，选 择了m o b i l e 5 模式模拟城市道路上运行机动车的排放因子水平，通过实际工况 测试和中国城市机动车运营特征调研，分析在用机动车台架测试的结果和中美捧 放控制水平的差异，由此进行模式的改进和参数修正，建立了适合中国城市特点 的排放因子计算模式，并将该捧放因子的计算结果用于中国典型城市机动车排放 分布的计算，为城市机动车污染控制对策的建立提供了科学依据【硼。 1 3 2e - i - a c 模型 由于美国的清洁空气法允许加州实行更加严格的机动车和燃料标准，加州空 气资源局( c 删开发的e m f a c 模型独立于m o b i l e 的机动车捧放模型，能更 确切地反映加州的标准。勘肛a c 先后经过了日m a c 7 d 、e m f a c 7 e 、d a c 7 f 、 m 1 7 g 1 0 、m v e l 7 g 1 0 c 、e m f a c 2 0 0 0 这几个模型版本。 c a r b 通过使用一系列机动车捧放清单模型( m v e i ) 来计算机动车排放由 机动车捧放清单( m v m ) 组成四个计算机模型：c a l i m f a c 模型对每一车型计 算基本捧放速率；w e i g h t 模型计算每一年型在整个清单中的相对权重和每一 年型的累积里程；e m f a c 模型使用校正因子和其它数据计算车队混合捧放因子； b u r d e n 模型将捧放因子与指定地区的工况数据结合来计算捧放清单。 e m f a c 也是宏观的基于台架测试和平均速度的捧放模型当运行e m f a c 模型时用户能够指定如下参数：计算年份、年型或车型分组、夏天或冬天清单、 速度范围、温度范围、i m 制度的实行或停止、希望输出的文件类型。结果数据 可以通过两种类型的文件来计算，输出文件以表格形式总结数据。 m o b 耻和e m f a c 已经作为对美国全国和地区应用的综合机动车掉放计 算方法。给出综合机动车工况数据，它们就能够计算捧放清单，还能够评价新机 动车捧放标准、燃料规格和l m 制度的效率。此外它们还可以用来计算在用机 动车对国家总污染物排放清单的分担率和预测未来趋势1 3 1 - 3 4 1 。 北京工商大学硕士学位论文 1 3 3 ( 3 j e m 模型 c m e m 模型是一种微观的基于工况的机动车尾气捧放模型模型开发于 1 9 9 4 年至1 9 9 8 年，由美国国家合作高速公路研究计划供c h r p ) 2 5 1 1 项目资助， 由美国加州大学r i v e r s i d e 分校和密歇根大学合作开发。 c m e m 模型是一种对尾气排放物进行参数解析的模型，它将摔放过程分解为 不同的过程，各个过程分别对应于机动车运行过程中与排放相关的物理现象，通 过影响捧放过程的参数构成的解析表达式表示出来。在表达式中，部分参数取决 于机动车技术类型、燃料配送系统、捧放控制技术和车龄等；另一部分参数取决 于机动车行驶情况及捧放特征，由特定测试规程测得在开发此模型期问，共测 试了3 5 0 多量在用车辆，测试范围包括早年型的小卡车、新年型的运动型轻型轿 车，和一些中型的柴油车其台架测试的规程采用了美国标准测试工况f 开、u s 0 6 以及一个专门设计的模式捧放工况h 忸c 0 1 。 模型在美国已经过大量的验证工作，与独立的捧放测试结果相比较，总的来 说c m e m 具有很好的计算效果。与m o b i l e 相比，在机动车以低速和中速行驶 时c m e m 计算结果与其相一致；但在高速行驶时，c m e m 计算的h c 偏高，n o i 偏低；在速度极低时它所计算的各种挥放物都低于m o b i l e c m e m 模型正在 各种验证工作中不断地发展和完善。 由于c m e m 模型是一种微观的捧放模型，可以通过固定的机动车技术参数 和行驶工况数据直接得到机动车行驶过程中每一秒的捧放因子，因此可以将模型 与交通模型耦合起来，交通模型用以计算每一秒行驶工况数据，将这一瞬时工况 数据通过交通模型与捧放模型的接口传递给c m e m 模型，从而得到行驶过程中 的捧放。与交通模型的耦合有两种方式，一是直接将交通行驶工况数据输入 c m e m 模型，从而得到耦合结果：二是将c m e m 模型与交通模型在软件平台 上实现耦合。由此实时监控机动车尾气捧放状况成为可能，这将更方便地帮助有 关部门监测超标排放车辆并对其实施管理。此外，还可以将微观模型与宏观模型 实现耦合，能够反映机动车行驶工况的微观的c m e m 模型作为m o b i l e 宏观计 算中国城市捧放清单的基础，为m o b i i 正模型提供机动车基本捧放因子，这将 为实现城市范围内宏观的尾气污染测算提供更加科学、合理的依据 2 6 11 3 5 - 3 6 1 。 运用i v e 模型计算天津市机动车捧放因子 国内何春玉利用c m e m 模型研究北京、上海、成都、吉林、长春五大城市 的机动车排放因子得到了一些关于c m e m 模型在中国适用性的结论以及各城 市不同车型在不同行驶模型下的捧放特征，为c m e m 模型在中国深入应用和研 究奠定了基础。 1 3 4i v e 模型 i v e ( i n t e r n a t i o n a l v e h i c l e e m i s s i o n ) 模型由加州大学环境研究与技术工程中 一c , , ( c e - c e r t ) 和全球可持续发展系统研究组织( g s s r ) 以及全球可持续发展研究 中心( 璐s r c ) 共同合作开发的。通过模型的运行能够得到一个地区( 城市) 范围内 机动车所造成的普通污染物、温室效应气体以及有毒污染物的总量。其主要目的 是为了研究发展中国家机动车尾气捧放，模型已在以下多个国际城市开展：卡萨 克斯坦的阿马提、秘鲁的利玛、美国洛杉矶、墨西哥城、肯尼亚的奈洛比、印度 的普恩、智利的圣地亚哥 y i - ：t 8 i 目前国内已经运用w e 模型对北京和上海两大 城市开展过研究。 w e 模型是根据以下影响机动车在路排放的三个因素而提出：机动车技术分 布、驾驶习惯以及行驶过程中的外部气候环境和地理条件的影响。机动车技术类 型因素包括指发动机空燃装置，发动机尺寸、燃料类型、累积行驶里程以及机动 车使用年限。驾驶习惯因素可以由驾驶行驶过程中的速度变化趋势、启动的频率、 以及日行驶里程描述。影响捧放的外部环境因素则包括道路坡度、燃油品质、外 界温度、环境湿度以及行驶海拔高度。 模型首先基于各类型机动车计算出基本捧放率，其次根据温度、湿度、燃料 品质、驾驶行为、启动方式等因素对基本捧放率加以校正据此，模型有三个输 入文件；( 1 ) 当地城市信息文件( l o c a t i o ne l e ) ，包括道路坡度、温度、湿度、燃 油品质、行驶方式及启动方式；( 2 ) 车队文件( r i mf d c ) 包括机动车类型分布， 此模型根据燃油类型、发动机类型、尾气捧放控制装置将机动车类型划分为1 3 2 8 类，还有4 5 类为用户自定义类型；( 3 ) 模型基本排放因子的修正文件，用以将 模型应用于各国时对基本排放因子的修正f 1 冽。 北京工商大学硕士学位论文 i v e 模型的核心算法与m o b i l e 类似，即利用模型内嵌的基准捧放因子b 乘以一系列修正参数眉得到当地城市每种机动车技术，的捧放因子水平q j ，如式 ( 1 - 1 ) 所示。 色一慨+ 暑知) 兀毛 ( 1 - 1 ) i v e 模型和m o b i le 模型的主要不同之处在于对行驶状态参数的处理方法 上e 模型引入了v s p 和e s 两个参数，用于表征机动车瞬态工作状态和捧放的 关系。v s p ( v e h i c l es p e c i f i cp o w e r ) 概念综合了速度、加速度、坡度以及风阻 等参数，其物理意义为发动机输出功率与机动车质量的比值，单位为k w t o n 或者 m 2 s 3 ，又称发动机比功率。为了更准确的建立发动机的历史工作状态和污染物 捧放的关系，i 模型又引入了无量纲参数e s 。k s 与机动车瞬时速度和发动机前 2 0 秒的历史v s p 有关【邺i 根据v s p 和e s ，将发动机运行状态分为个b i n 。即首先根据发动 机运行参数v s p 确定2 0 个b i n ，如表1 3 所示，然后依据发动机运行参数 e s 的三种情况即低负荷、中负荷和高负荷确定其分别对应的2 0 个b i n ，如 表1 - 4 所示，这样就最终确定了发动机的个b i n l l 6 】i 4 1 - 4 2 1 图1 1 e 模型行驶状态参数处理程序嗍 运用i v e 模型计算天津市机动车捧放因子 表1 3 根据v s p 确定的加个b i n 捧放单元( b i n ) 发动机比功率( v s p ) k w t o n 大于等于小于 表1 4e s 与捧放单元 1 4 北京工商大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的内容和意义 1 4 1 本课题研究的内容 本课题研究的内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 以天津城市为研究对象，基于i v e 模型设计方案对城市实际在路机动车 状况进行调查，获得城市在路机动车车队的信息及机动车技术分布、行驶特征和 启动方式； ( 2 ) 通过运行i v e 模型得到城市机动车主要污染物的平均捧放因子，以及机 动车污染物的日捧放总量。与北京和上海的l y e 模型应用研究结果作对比分析； ( 3 ) 分析主要机动车污染物的日捧放特征，计算不同车型的、不同路型和启 动捧放的分担率； ( 4 ) 分析不同车型捧放随时间的变化规律。 1 4 2 本课题研究的意义 借鉴国外成熟的l y e 模型的主体思想，在其基础上根据中国城市的机动车 在用状况及环境容量等具体情况进行修正，能够使捧放模型更适合我国城市的特 点；更深刻揭示我国机动车日益严重的真实捧放规律，能够为机动车尾气捧放控 制提供新的科学依据，更好地为我国的城市机动车捧放污染控制提供管理和决策 所需要的服务。 运用w e 模型计算天津市机动车捧放因子 第二章实验数据采集 2 1 实验区域与路线的选择 本实验根据天津市各区域的经济情况选择河东区、南开区、和平区等典型区 域分别代表低收入区、高收入区、商业中心区，开展车辆技术水平的调查以及实 验数据测试，实验区域划分如图2 - 1 所示。在三个区内分别选取三种典型道路包 括居民路、主干路、快速路，其具体选择的线路如表2 - 1 和图2 - 2 所示。 注：a ：河东区b ：和平区c ：南开区 图2 - 1 实验区域示意图 表2 - 1 实验区域及道路 北京工商大学硕士学位论文 2 2 实验内容 图2 - 2 三个区的测试路线示意图 2 2 1 实际在路机动车的调查 2 2 1 1 车流量分布 本研究采用视频数据采集技术对天津市快速路、主干路和居民路的交通流量 进行采集和分析。以选择的3 个区域9 条道路为基础，在每条道路上选择一个 安全且视野开阔的地点架设摄像设备。拍摄点选择