2019年整理机动车污染排放模型研究综述资料

1、机动车污染排放模型研究综述过去几十年,为了掌握机动车污染排放的规律和特征,向决策者提供科学有效的机动车污染限制举措,研究者们致力于研究机动车污染物排放的物化原理和影响机动车污染的主要 因素,并据此建立多种尺度的机动车排放模型,以模拟城市区域或者街道的污染物排放.为了分析机动车的瞬态排放特征,目前的机动车排放模型研究正逐渐从宏观向微观开展,排放测试方法注重获取逐秒的排放数据,排放模型模拟的时间尺度和空间尺度逐步趋向微观.此外,机动车模型研究正趋向与交通模型进行耦合,从而揭示机动车在实际道路交通流中的排放特征.从机动车排放的主要影响因素、机动车排放测试、机动车排放因子模型及机动车排放清单等4个方面

2、综述了国内外机动车排放研究现状和开展动向,比照并评价各种机动车排 放模型方法的优缺点和适用范围,对我国的机动车排放模型开展方向进行了展望.机动车污染排放模型研究的主旨是建立机动车污染排放与其影响因素之间的数学关系 或物理关系.首先,研究者根据机动车污染物排放的物理化学原理,借助各种测试手段,对 影响机动车污染排放的主要因素进行判断和识别.然后,针对所识别的主要影响因素,设计机动车污染排放测试方案,对在各影响因素作用下机动车的排放进行测试.在获取样本足够的测试数据之后,通过数学统计和物理分析等方法描述机动车在各影响因素作用下的排放特 征和规律,并据此构建机动车污染排放模型.1机动车污染排放的影响

3、因素机动车的污染排放水平不仅由机动车的发动机技术和污染限制技术等自身条件所决定, 还受道路状况和行驶状态等外部因素影响.影响机动车污染排放水平的因素还包括机动车维护水平、驾驶员驾驶习惯、空调使用状况、油品质量、环境温度等.根据各影响因素的特征, 可将其归纳如下.(1) 与机动车技术相关的影响因素,包括发动机技术和尾气限制技术,以及机动车重量和发动机排量等参数.机动车技术相关的影响因素直接决定机动车污染排放水平.先进技术的普及极大地降低了机动车污染排放水平.例如,电子燃油喷射+三元催化转化器(TWC)技术仅为化油器技术污染排放水平的 10 %20 % 1.(2) 与机动车使用相关的影响因素,包括

4、累计行驶里程和维护状况等.研究发现,机动车的污染排放水平会随行驶里程增加而不断劣化2-3,并且如果车况维护不佳,部件调整不当,行驶里程较少的车辆也会出现排放严重超标的情况.(3) 与机动车行驶状态相关的影响因素,包括机动车启动方式(冷启动或热启动卜机动车平均车速、机动车负载、机动车运行模式(加速、减速、或怠速)、爬坡等.理论上,机动车排放量跟油耗、空燃比和催化剂温度等参数有关.富燃情况下,催化剂效率降低,CO和HC的氧化不充分,致使机动车排放高于正常行驶状态.机动车在加速、爬 坡及使用空调时,会导致发动机在富燃状态下运行,致使污染排放增加. 驾驶员行为也会影响机动车排放,激进的开车行为将导致富

5、燃和排放增加4-6.研究者做了大量实验, 研究机动车各种行驶状态对排放的影响7-9.机动车在刚启动时,尾气限制装置内的催化剂尚未达到最正确温度,并且为了防止发动机在预热阶段熄火,将汽车发动机限制在富燃状态,因此机动车在启动后的几分钟内通常产生较高的污染物排放.目前的排放因子计算模式通常将启动排放从其他行驶状态的排放别离出来而单独进行测试和计算.机动车行驶状态的特征参数纷繁复杂,如何确定并模拟行驶特征对排放的影响,成为整个机动车排放模型研究中的难点.为简化问题,研究者通常会选择一个或几个与机动车排放关联最为密切的参数来近似代表机动车的行驶特征,这类参数被研究者定义为代用参数.例如,MOBILE模

6、型的代用参数为平均速度,速度一加速度矩阵方法的代表参数为速度 和加速度.这种使用 代用参数的方法一方面使模拟简化,另一方面使模拟结果失去一定的 准确性.油品质量、环境温度和湿度等因素.油品质量直接影响机动车的污染排放.目前, 欧洲和美国等已做了大量研究,分析油品质量对不同技术类型车辆污染物排放的影响 10-12.EPA发现,在5080 oF, CO和HC的排放是随温度降低而升高的.低于50 oF下时,污染物的排放随温度的降低呈非线性增加.一些机动车排放模型都考虑了环境温度.2机动车排放研究的测试方法目前研究的机动车污染排放测试方法主要分为实验室测试和实际道路测试.前者包括台架测试；后者包括隧道

7、实验、遥感测试和车载测试.4种测试具有不同的功能,各有自己的优势,可满足不同的研究需要.台架测试：由于台架测试在实验室中进行,研究者可以限制各种实验条件,实验的可重复性较好,因此台架测试仍然被认为是最可靠确实定机动车排放因子的方法.被测机动车在底盘测功机上根据某一设定工况通常为标准工况行驶,同时所排放的污染物被测试系统收 集.欧美和日本等国家都先后建立起自己的标准排放测试程序.台架测试的主要缺点是系统昂贵,而且每次测试只能获取一辆机动车的排放数据,测试本钱高.隧道实验：隧道实验通过在隧道内外监测污染物的浓度,并根据现场的车流参数,获得对应车队的平均排放因子水平.目前,我国已经开展许多隧道实验研

8、究13-14.隧道实验简单易操作,测试涉及的车辆样本数较多,具有一定代表性,在精度要求不高的情况下,可用来获取车队平均排放因子.缺点是受背景浓度影响,而且被测车辆的工况单一.道路遥感测试：遥感技术是一种非接触式的光学测量手段,可直接测量行驶中机动车的尾气排放,已在欧美等国家得到了普遍应用.遥感测试的优点是自动化程度高,一天可测试上万辆机动车,成为机动车尾气检测/维修 I / M工程及发现高排放车的主要手段.我国已 采用这种测试技术来研究机动车的污染物排放水平15|.遥感测量的主要缺点是受环境条件如风速和风向影响.而且由于遥感测试为定点测试,不能全面反响机动车在各种行驶状态 下的排放.道路车载测

9、试：随着机动车排放研究的不断深入,越来越多的研究者开始关注机动车在实际道路上的瞬态排放特征.因此,道路车载测试逐渐成为研究热点之一.道路车载测试系统被直接安置在行驶中的机动车内,逐秒采集机动车行驶特征参数和污染物排放速率,为研究者提供了大量的可真实反响机动车瞬态行驶状况和排放的数据.有研究者甚至认为,在某些方面,车载测试可以替代费力耗时的台架测试16.最初的车载测试主要用于发动机参数测试和排放检验.近几年,随着仪器技术水平的提升,功能不断完善,可用于机动车排放研究的车载测试系统产品逐渐丰富.如EPA开发的ROVER车载测试系统、CATI公司的PEMS、Sensor和Ford公司共同开发的SEM

10、TECH系列产品、日本Horiba公司的各种产品等.目前, 我国刚开始采用车载排放测试系统进行机动车排放研究.车载测试系统的缺乏之处在于测试样本有限,测试结果无法反响整体车队的排放水平.3机动车排放因子模型研究3.1宏观模型3.1.1基于平均速度的统计回归模型MOBILE和EMFAC是最早出现的一代机动车排放因子模型,分别由 EPA和加州空气资 源局CARB所开发.它们使用的方法类似,即对基于FTPfederal test procedure 的台架测试结果进行统计回归,综合考虑汽车的行驶里程、新车技术水平、劣化系数、行驶速度、气 温、I/M制度以及燃油品质等因素对排放的影响.然而,该类模型弱

11、化了行驶特征这一影响机动车排放的重要因素, 仅用平均速度来替代行驶特征对排放的影响,采用速度修正因子来计算非FTP工况下的排放因子. 这成为国内外研究者争论的焦点. 该类模型还包括欧洲早 期开发的COPERT模型.尽管如此,由于这类基于平均速度的模型的数据要求相对较低,模拟宏观尺度的机动车排放具有很强优势,所以该类模型仍在广泛应用.我国研究者已利用修正的 MOBILE模型计 算北京、上海、南京等地区的机动车排放.3.1.2基于燃油消耗的排放模型基于燃油消耗的排放因子通常采用隧道测试或者道路遥感测试的测试结果计算而来,单位为g/L.利用基于燃油消耗的排放因子,结合当地的燃油消耗总量,可建立当地的

12、机动 车排放清单.理论上,这类排放因子和燃料消耗直接相关,所以受机动车行驶状态的影响很小17.然而,由于在隧道测试和遥感测试中,被测车辆的工况单一,其准确性有待验证.3.2基于机动车行驶特征的模型基于机动车行驶特征的模型 (以下简称为工况模型)以瞬态排放测试数据为根底,可对各 种工况下的机动车排放进行模拟.3.2.1速度一加速度矩阵工况模型出现很早,但开展缓慢.最早的微观模型是建立多维矩阵,比拟常见的是速度一加速度二维矩阵.矩阵的列和行分别代表速度和加速度的连续区间,矩阵的值是对应速度和加速度的排放水平.这种矩阵模型的建立以大量实验数据为根底.当输入机动车在某路段的行驶特征时,模型会逐一查找各

13、瞬态所对应的排放值,然后模拟并计算这段道路的排放水平.该方法缺乏之处在于无法考虑道路坡度等影响因素.研究者还开发了与上述矩阵算法颇为类似的发动机功率一速度图形,直接建立排放跟发动机功率和速度的关系,所以加速度、 坡度、使用空调等对排放的影响都被考虑在内.由于涉及发动机功率,这种矩阵的使用过程非常繁琐.矩阵和图形方法基于机动车的稳态行为,*忽略了机动车某一时刻行为对下一时刻 排放的影响.而且作为微观模型,这种方法的内在缺陷是完全脱离发动机工作和污染物排放 原理,单纯建立速度等参数对排放的简单数学关系,所以其推广存在一定障碍.3.2.2基于机动车比功率的模型VSP(vehicle specific

14、 power)的物理意义是瞬态机动车输出功率与机动车质量的比值,最初由美国麻省理工大学 Jos e Luis Jim nez Palacios于1999年提出,随后被进一步开展和 应用,并成为EPA开发新一代机动车排放模型的主要参数之一.VSP综合考虑机动车在行驶过程中动能和势能的变化,以及克服地面摩阻和克服空气阻力所做的功18.加州大学河边分校(UCR)在近期开发了 IVE模型.该模型的核心算法基于 MOBILE模式, 通过对上万套EPA、CARB和UCR的台架测试数据进行处理,得到基于FTP工况的根底排放因子.但是,在处理行驶特征这个重要影响时,IVE模型抛弃MOBILE模型的基于平均速度

15、的校正方法,而采用VSP和发动机负载(ES)两个代用参数对非FTP工况下的机动车排放进行 模拟.具体处理方法为,根据 VSP和ES对排放的关系,把机动车瞬态行驶状态根据VSP和ES划分为60种,每一种状态元对应一个排放水平.通过比照目标工况和FTP工况的状态元分布,得到目标工况下机动车的排放水平.清华大学环境科学与工程系利用车载测试系统对北京等9个城市的80余辆轻型车进行测试,并引入VSP和ES的概念建立中国城市的机动车排放因子模型.采用VSP作为行驶状态的代用参数的优势在于：测试结果验证,机动车瞬态排放对 VSP呈现较强的规律性变化；综合考虑机动车行驶过程中的速度、加速度和道路坡度等变化,其

16、代表性要优于其他目前常用的代用参数,譬如MOBILE模式里的平均速度； 所需参数获取简单.3.2.3物理模型20世纪90年代中期,UCR大学开始开发CMEM模型19-20.与以往模型惯用的数学统 计+代用参数的方法不同,CMEM基于发动机负载和污染物形成的物理化学原理,考虑所有 行驶状态对排放的影响.研究者采用台架测试,采用几乎包括所有行驶状态的组合工况,对24种车型、300余辆机动车进行测试,并根据测试结果建立模型.模型涉及47个参数,可精确模拟机动车在行驶过程中的污染物排放,但是模型的数据强度非常大,这是高精度模型所无法防止的.4机动车排放清单模型研究机动车排放清单研究的主要意义在于支持机

17、动车排放限制相关决策以及为空气质量模型提供数据根底.排放清单根据时空分辨率可分为宏观地区、中观道路和微观逐秒3个层次21-22.图1比拟了各种排放清单的数据特点和应用尺度.时空另烈事/甲排#釣过握:一- 行艸春 的囉观立 通脱基于工i/道路特朝榛里以路段为*-元的 的交爐模型烹观交通權射或数据L*倾出敢因子檢型基子平舌单平均打KU<捧放爲子模呈排战祜皱欖型或数齬图1各种排放清单的数据特点和应用尺度宏观层次：宏观排放清单的研究地域通常为国家、区域和城市.国际上一个普遍使用的方法是,利用宏观排放因子模型例如MOBILE模式计算得到排放因子g/km,并通过调查 的手段或者根据客货运量计算的方法

18、获取当地机动车的年均行驶里程km /a,然后计算得到当地的机动车排放清单. 这种方法得到的结果是当地机动车综合排放量,可用于大尺度的空气质量模拟和污染限制规划.基于燃油消耗的排放因子结合当地燃油消耗量调查也可得到 排放清单.中观层次：中观层次的排放清单以城市道路为根底,计算过程依托GIS技术.与基于城市平均行驶特征的宏观排放清单相比,中观排放清单关注机动车在城市每段道路上的行驶规律,采用基于工况的机动车排放因子计算模式模拟机动车排放.中观排放清单可深入研究城市交通系统对机动车排放的影响,可支持交通相关决策,同时也可为分辨率相匹配的城市空气质量模型提供根底数据.微观层次：微观排放模型以单车为根底, 逐秒模拟机动车在交通流中的排放, 主要用于 支持交通中特殊地点的污染物浓度分布特征和污染物扩散规律研究,例如交叉路口、峡谷街区或某一路段等.各层次的排放清单满足不同需求的研究尺度,为不同分辨率的空气质量模型效劳.然而