机动车污染排放模型研究综述

1、机动车污染排放模型研究综述向决策者提供科学有效的机动车为了掌握机动车污染排放的规律和特征， 过去几十年， 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污染控制措施， 为以模拟城市 区域或者街道的污染物排放。 因素， 并据此建立多种尺度的机动车排放模型， 排放了分析机动车 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发展， 此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。 从而揭示机动车在实际道路 交通流中的排外， 机动车模型研究正趋向与交通模型进行耦合， 机动车排放因子模型及机动车排 从机动车排放的主要影响因素、 机动

2、车排放测试、 放特征。 个方面综述了国内外机动车排放研究 现状和发展动向，对比并评价各种机动车排放清单等 4 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发展方向进行了展望。 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，对或物理关系。首先，设计针对所识别的主要影响因素，影响机动车污染排放的主要因素进 行判断和识别。 然后， 在获取样本足够对在各影响因素作用下机动车的排放进行测试。机动车污机动车污染排放的影响染排放测试方案， 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的测

3、 试数据之后， 征和规律，并据此构建机动车污染排放模型。因素 1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控制技术等自身条件所决定，影响机动车污染排放水平的因素还包括机动车维还受道路状况和行驶状态等外部因素影响。根据各影响因素的特征，环境温度等。驾驶员驾驶习惯、空调使用状况、油品质量、护水平、可将其归纳如下。与机动车技术相关的影响因素，包括发动机技术和尾气控制技术，以及机动车重量(1) 先进技术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。技+三元催化转化器 (TWC) 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1 。术仅为化油器技术污染排放水平

4、的10 %20与机动车使用相关的影响因素，包括累计行驶里程和维护状况等。研究发现，机动 (2) 部件调整不，并且如果车况维护不佳，车的污染排放水平会随行 驶里程增加而不断劣化 2-3 当，行驶里程较少的车辆也会出现排放严重超标的情况。机动车、 冷启动或热启动与机动车行驶状态相关的影响因素，包括机动车启动方式()(3) 、爬坡等。平均车速、机动车负载、机动车运行模式 (加速、减速、或怠速 )富燃情况下，催化剂空燃比和催化剂 温度等参数有关。理论上，机动车排放量跟油耗、 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 HC 效率降低， CO 和驾驶员行为也会影坡及使用空调时，会

5、导致发动 机在富燃状态下运行，致使污染排放增加。研究机。研究者做了大量实验，4-6响机动车排放，激进的开车行为将导致富燃和排放增加尾气控制装置内的催化剂尚未达。机动车在刚启动时， 动车各种行驶状态对排放的影响 7-9因此机将汽车发动机控制在富燃状态，到最佳温度， 并且为了避免发动机在预热阶段熄火， 目前的排放因子计算模式通常将启动动车在启动后的几分钟内通常 产生较高的污染物排放。 排放从其他行驶状态的排放分离出来而单独进行测试和计算。成为整 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， 研究者通常会选 择一个或几个与机动车排放个机动车排放模型研究中的难点。为简化问题

6、，”代用参数“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。为速度”代表参数“为平均速度，速度一加速度矩阵方法的”代用参数“模型的MOBILE 例如，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 “和加速度。 这种使用代用参数” 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， (4) 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下 50OFO5080F , CO和HC的排放是随温度降低而升高的。低于10-12。EPA发现，在 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

7、环境温度。2 机动车排放研究的测试方法 前者包括台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。种测试具有不同的功能，各有自己的4 架测试；后者包括隧道实验、遥感测试和车载测试。 优势，可满足不同的研究需要。 实验的可重研究者可以控制各种实验条件， 台架测试： 由于台架测试在实验室中进行， 被测机动车在因此台架测试仍然被认为是最可靠的确 定机动车排放因子的方法。复性较好，行驶，同时所排放的污染物被测试系统收通常为标准工 况)( 底盘测功机上按照某一设定工况台架测试的主要缺点是系统集。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。 昂贵，而且每次测试只能获取一辆机动车

8、的排放数据，测试成 本高。获得隧道实验：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，。隧道实验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究13-14在精度要求不高的情况下，可简单易操作，测试涉及的车辆样本数较多，具有一定代表性，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。 可直接测量行驶中机动 车的道路遥感测试： 遥感技术是一种非接触式的光学测量手段， 一天可测试尾气排放， 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， 项目及发现高排放车的主要手段。 我 国已(I / M)上万辆机动车，成为机动车尾气检测/

9、维修。遥感测量的主要缺点是受环境条件15|采用这种测试技术来研究机动车的污染物排放水平影响。而且由于遥感测试为定点测试， 不能全面反应机动车在各种行驶状态 )(如风速和风向 下的排放。越来越多的研究者开始关注机动车在 随着机动车排放研究的不断深入， 道路车载测试： 道路车载测试系因此， 道路车载测试逐渐成为 研究热点之一。 实际道路上的瞬态排放特征。 为研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， 在某究者提供了大量的可真实反应机动车瞬态行驶状况 和排放的数据。有研究者甚至认为， 。最初的车载测试主要用于发动机参数些方面，车载测试可 以替代费力耗时的台架测

10、试 16可用于机动车排放研测试和排放检验。近几年，随着仪器技术水 平的提高，功能不断完善， 、PEMS 车载测试系统、 CATI 公司的如究的车载测试系统产品逐渐 丰富。 EPA 开发的 ROVER 公司的各种产品等。 目前， HoribaSEMTECH 系列产品、 日本 Sensor 和 Ford 公司共同开发的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 的不足之处在于测试样本有限，测试结果无法反应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 E

11、PA 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 FTP(federal 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、气制度以及燃油 品质等因素对排放的影响。然而，该类模型弱化了行驶特征这一影M/I 温、采用速度修正因子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， 该类 模型还包括欧洲早 FTP 工况下的排放因子。 这成为国内外研究者争论的焦点。 来计算非 期开发 的 COPERT 模型。模拟宏观尺度的机动车尽管如此，由于这类基于平均速度的模型的数据要求 相对较低，模

12、型计所以该类模型仍在广泛应用。我国研究者已利用修正的MOBILE 排放具有很强优势， 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单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， 。利用基于燃油消 耗的排放因子，结合当地的燃油消耗总量，可建立当地的机动/ L位为g所以受机动车行驶状态 的影响很理论上，这类排放因子和燃料消耗直接相关，车排放清单。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。小基于机动车行驶特征的模型 3.2以瞬态排放测试数据为基础，可对各 )(以下简称为工况模型基于机动车行驶特征的模型种工况

13、下的机动车排放进行模拟。比较常见的是速度但发展缓慢。是对应速度一加速度二维矩阵。在某路段和加速度的排放水平。段道路的排放水的行驶特征时，速度一加速度矩阵 3.2.1最早的微观模型是建立多维矩阵， 工况模型出现很早， 矩阵的值 矩阵的列和行分别代表速度和加速度的连续区间，当输入机动车矩阵算法颇平。 该方法不足之处在于无法考虑道路坡度等影响因素。这种矩阵模型的建立以大量实验数据为基础。 然后模拟并计算这 模型会逐一查找各瞬态所对应的排放值， 研究者还开发了与上述 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、 使用空调等对排放的影响都被考 虑在内。由于涉及发动

14、机功率，这种矩阵的使用过程坡度、 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 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 enez Palacios于1999年提岀，随后被进一步发展和应用，并成 为 EPA 开发新一代机动车排放模型的主要参数之一。 V

15、SP 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 工况的基础排放因子。 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按照 VSP

16、 和 ES 划分为 60 种，每一种状态元对应一个排放水平。通过对比目标工况和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。物理模型 3.2.3。与以往模型惯

17、用的数学统 1 9 -20CMEM 模型 20世纪 90年代中期， UCR 大学开始开发基于 发动机负载和污染物形成的物理化学原理，考虑所有CMEM 计+代用参数的方法不同，对采用几乎包括所有行驶状态的组合工况，行驶状态对排放的影响。研究者采用台架测试，个参数， 可精 47 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24 这是高精度模型所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，无法避免的。 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动车排放控制相 关决策以及为空气质量模个逐秒 )3( 、中观道路 )和微观 (型提供数据基

18、础。 排放清单按照时空分辨21-22。图率可分为宏观(地区)1比较了各种排放清单的数据特点和应用尺度。层次工况#®in y呵fll伽逼竈衣換型空tl聲WTify 打武秋亦 的杯女时空分耕事基于工於因子> 基于平 均迦s 的排触国子J4律放因子横巫1各种排放清单的数据特点和应用尺度图宏观层次：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

19、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控制规划。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基础，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基础 数据。微观层次：微观排放模型以单车为基础， 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

20、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服务。然而研究者主要采用工况排放因子模式尚未成熟，研究者并不拘泥于此。例如，在早期研究中，变基于平均速度的宏观排放因子模型计算机动车排放因子。这类研究利用交通流量的日24h将排放因子模型的计算结果细致到每个小时和每化规律和交通流理论中的流量一速度关系，因此该方法进而得到中观排放清单，但由于速度并不是排放清单的唯一控制参数，条道路，。也有的研究者尝试采用高分辨率模型的所建立的中观排放清单无法达到所需的准确度23|若使用高分辨率模型建立低分辨率大模拟结果进行组合，得到低分辨率大尺度的排放清单。而所计算的排放