基于模型预测的上海公交车尾气排放研究_secret

1、基于模型预测的上海公交车尾气排放研究摘要 介绍了IVE模型的基本计算原理，使用GPS对上海市公交车的实际运行模式进行了测量，利用IVE模型对上海市CNG公交车和柴油公交车的尾气排放进行了模拟计算。结果表明使用CNG公交车代替柴油公交车后，NOX、SOX和PM的排放均有显著的降低，但采用不同技术的CNG公交车的排放仍有很大的差异，无催化转化和尾气再循环的CNG公交车的CO排放量远远高于柴油公交车的排放量。认为IVE模型的模拟结果具有较好的可靠性，其计算模式适于我国机动车尾气排放的研究。关键词 CNG公交车 柴油公交车 IVE模型 排放因子 GPS引言长期以来，汽车行驶的主要燃料是从石油中提炼出来

2、的柴油和汽油, 但我国的石油资源并不乐观，在巨大的能源压力下，我国的能源安全已成为亟待解决的紧迫问题，与此相应的环境问题也日益严峻。我国的汽车排放已成为城市大气污染的一个主要污染源。公共交通特别是公交车因运行效率高而备受大城市的青睐，但其日行驶里程多，排放污染较大，据资料统计1，1996年上海市公交和出租车辆的CO、NMHC和NOx排放已占全市机动车尾气污染物排放的36、21和39，在内环线区域污染物负荷率分别为61、60和54。因此，对于公交车辆尾气治理意义和环境效益会更加明显，迫切需要清洁燃料汽车取代。天然气作为继煤和石油之后的第三大化石能源，由于其资源丰富，对环境污染小，燃料费用低，使用

3、安全等优势而被世界各国作为汽车的首选代用燃料。然而，推广CNG公交车的同时还意味着购置费用和运行费用的增加，同时需要大量基础设施的建设，作为一种模式的推广或者政府政策的实施，有必要对CNG公交车的尾气排放和柴油公交车进行量的分析。由于机动车运行阶段的排放受多种因素的影响，如发动机技术、行驶工况（包括速度、加速度、塞车情况）、外界环境条件（包括海拔高度、温度、湿度和大气压力等）、车型、车龄、发动机状况、排放控制系统和维护状况等，国内外学者一般进行排放模拟的研究。1 IVE 模型介绍IVE模型（International Vehcile Emission Model）由美国环保局国际事务所的资助，

4、2003年夏正式推出第一版 IVE model v1.03，由于采用基于车辆技术和当地行驶模式的方法，较好的解决了在发展中国家中使用使汽车尾气排放模型的问题，相对其它模型更适于在我国预测车辆尾气排放时的使用。IVE基本原理为基于基本排放率的影响因素修正，式13描述了IVE的基本计算过程2：Qt = Bt* K(Base)t *K(Tmp)t*K(Hmd)t*K(IM)t*K(Fuel)t *K(Alt)t *K(Cntry)t （1）Qrunning = UFTP * D / UC * t ft * Qt * d fdt * Kdt （2）Qstart = t ft * Qt * d fdt

5、* Kdt （3）式中Qt 某车辆技术调整后排放率Bt 基本排放率K(Base)t, K(Tmp)t, K(Hmd)t, K(IM)t, K(Fuel)t, K(Alt)t, K(Cntry)t 各种排放修正系数，分别为基本修正系数，温度修正系数，湿度修正系数，I/M修正系数，燃料修正系数，海拔修正系数和国家修正系数Qrunning 行驶排放Qstar t启动排放UFTP, UCFTP测试程序下行驶平均速度，当地平均速度D 行驶距离ft 某车辆技术行驶里程比例fdt ,Kdt 某车辆技术某种行驶模式下的比例和该行驶模式下的修正系数2 利用IVE模型预测公交车尾气排放2.1 当地环境参数的确定上

6、海市年平均温度为15，相对湿度取80，平均海拔为5m。公车检查保养为公司年检，因此I/M选项中选择Idle Decentralized program for all vehicles。由于上海市地势较平坦，并且公交车辆基本不上下高架路，因此道路坡度设为零。空调在27的使用率假设为70。柴油整体质量选择Moderate，硫含量选择500ppm，由此造成的含硫量与实际硫含量350ppm3的区别在Base Adjustment进行修正，取SOX修正系数为0.7。天然气硫含量为7ppm3，IVE模型中的默认值为5ppm，对其计算结果进行修正，取修正系数为1.4。2.2 浸置时间（soak time）

7、分布的确定由于公交车运行的特殊性质，公交车的浸置时间比较规律，根据公交公司的规定，公交车到站后不允许熄火，发动机处于空转状态。而一般情况下，中午有3045分钟左右的午餐时间，车辆处于熄火状态，夜间停车时间假定68小时和812小时的比例各占一半，据此得出的浸置时间分布如下：表1 公交车浸置时间分布12345678910515min1530min30min1h12h23h34h46h68h812h12h0050000025250以123路公交车为例，往返行程约20公里，历时1小时50分钟左右，加上在始发站的停留时间，大约2小时一个来回，每天通行时间为5:00am12:00am，可往返8次，总行程1

8、60公里，启动2次，平均每公里启动0.0125次。因此由启动造成的公交车污染占的比例很低，模型计算结果和分析一致。2.3运行模式的确定为确定公交车的运行模式，需进行测量的量有：速度、加速度和道路坡度。为此，我们利用了GPS全球定位系统进行测量。GPS具有测量精度高、测量方便、可得到瞬时速度等优点，并可与便携计算机连接记录每秒的时间、位置、速度、海拔等信息。利用GPS测量公交车的速度图1 公交车瞬时速度测量装置公交车辆的行驶情况与多种因素有关，如道路状况、站点设置、乘客数量、上下车规律、交通拥挤情况、高峰期/一般时间、工作日/非工作日、车辆动力性能等等。为真实的反应上海市公交车的运行状况，选择了

9、多条线路进行测量，地域上涵盖了城市中心商业区、生活区和郊区，时间上涵盖了从周一至周日、早上到夜晚的各个时间断，道路情况包括了城市主干道和一般街道，车种包括了柴油发动机和CNG发动机客车。所测线路的分布如图2。公交车的线路平均速度与道路位置和时间密切相关，整体而言，市中心区速度较低，郊区速度较高，高峰期平均速度较低，线路平均速度较低的为9.4km/h，较高的可达到20km/h，整体平均速度为13.16km/h。图3为部分运行速度测试结果。将所有的实测速度值经过综合得到反应公交车整体运行情况的BIN分布，如图4。图2 公交路线分布图3 公交车行驶速度图4 公交行驶模式的BIN分布2.4 车辆技术的

10、确定对于申沃客车生产的1112米长公交车，其额定载重为82001170kg，按IVE的分类，属bus中的Medium车型（14000lbs33000lbs）。公交车按行驶50万公里淘汰，则Medium bus中三种不同车龄的比例为：小于8万公里为16，大于8万公里小于16万公里的比例为16，大于16万公里的比例为68。同时假定所比较的公交车车空调比例为100。对于柴油公交车，分别计算了符合欧1、欧2、欧3、欧4和欧5的车辆尾气排放，对于CNG公交车，分别计算了不同发动机技术和尾气控制技术的CNG公交车，技术特点如表2：表2 CNG公交车分类种类Air/Fuel ControlExhaustEv

11、aporativeCNG1Carb/MixerNonePCVCNG2Carb/Mixer2-Way/EGRPCVCNG3Carb/Mixer3-Way/EGRPCVCNG4FI3-Way/EGRPCV注： Carb：化油器 Mixer：预混燃烧 FI：电喷 2-Way：二元催化（VOCs、CO）3-Way：三元催化（VOCs、CO、NOX） EGR：尾气循环控制技术 PCV：曲轴箱通风2.5 IVE模拟计算结果将已获得的输入数据代入IVE模型，便可得出运行阶段的排放数据，结果仅列举了一些主要污染物，如表3所示。表3 公交车排放因子模拟结果 g/kmTchnologyCOVOCNOxSOxPMC

12、O2N2OCH4Diesel Euro 117.51 3.54 28.99 0.0896 0.56521257.22 0.0078Diesel Euro 215.57 3.54 25.37 0.0896 0.35331257.22 0.0078Diesel Euro 310.90 2.48 17.76 0.0896 0.24731257.22 0.1181Diesel Euro 47.63 2.23 12.43 0.0896 0.17311257.22 0.1181Diesel Euro 55.34 2.01 8.70 0.0896 0.12121257.22 0.1181CNG 1108.9

13、9 3.27 7.29 0.0034 0.0065691.41 0.0070.96 CNG 28.91 1.27 3.41 0.0039 0.00651084.42 0.11810.63 CNG 38.91 1.27 0.34 0.0039 0.00651084.42 0.11810.63 CNG 49.07 1.27 0.35 0.0031 0.0067842.96 0.10650.62 3 结果分析在进行IVE模拟计算时并没有输入燃油经济性方面的数值，所得到的各种污染物的排放量均是根据不同技术特点的发动机在不同行驶工况下的排放规律计算得到，由于BIN划分的特点，以及模型中发动机技术和实际发

14、动机技术存在一定的差异，必然会导致模拟计算存在一定的误差，为检验模型的准确性，进行碳平衡分析是非常必要的。据公交公司提供的数据，在开启空调的情况下公交车的百公里油耗约为40L左右， CNG单燃料公交车百公里耗气量约为45Nm3（标准立方米）左右。根据柴油和天然气的密度、含碳率3以及IVE模拟计算的整体情况下的排放因子，可得到如表4的碳平衡分析结果。其中模拟计算的值为欧2标准柴油公交车和CNG 2公交车。表4 碳平衡分析碳平衡计算模拟计算碳平衡计算与模拟计算的偏差百公里耗油气量密度含碳率碳排放量CO2排放量CO排放量碳排放量L或m3kg/m3g/kmg/kmg/kmg/km（）柴油40.00 8

15、56.00 87.00 297.89 1257.22 15.57 349.55 17.34CNG45.00 0.72 74.00 241.09 1084.42 8.91 299.57 24.26比值（）123.56 116.68 从表4中可以看出，模拟计算的碳排放量与根据百公里耗油的碳平衡得到的碳排放量偏差分别为17.34和24.26，根据碳平衡计算得到的柴油的碳排放量是CNG的123.56，而根据模拟计算得到的柴油的碳排放量是CNG的116.68，其相对误差仅为6左右，因此模拟计算的结果是可以接受的。4 结论和展望使用CNG公交车代替柴油公交车后， NOX、SOX和PM的排放均有显著的降低，

16、但采用不同技术的CNG公交车的排放仍有很大的差异，无催化转化和尾气再循环的CNG公交车的CO排放量远远高于柴油公交车的排放，其VOC的排放量亦高于符合欧三标准的柴油公交车的排放量。因此，不可以认为只要使用天然气代替柴油公交车就可以解决一切问题，相反，如果不加强发动机技术的更新和尾气排放的控制，反倒可能造成某些污染物的增加。而柴油动力汽车在加强发动机技术水平的提高和尾气排放的控制策略后同样可以大幅消减污染物排放。结果分析表明，IVE模型的模拟结果具有较好的可靠性，对我国机动车迅猛发展，汽车尾气排放标准、汽车技术水平、道路交通情况与发达国家存在较大的这种多技术跨越式共存的情况有较好的适用性。我们应

17、采用IVE的模式根据我国实际情况发展自己的汽车尾气排放模型，开展在城市机动车污染预测、政策、管理的实施效果、技术更新规划等方面的应用研究。参考文献1. 上海燃气设计院等编. 上海市公交CNG汽车及加气站“十五”发展规划。2. IVE Model Users manual,version 1.03,2003. HYPERLINK /ive /ive3. 王秉铨主编，工业炉设计手册，第二版，北京，机械工业出版社，1996年A Simulating Research on Vehicle Emissions of Shanghai Bus Abstract: The paper introduces

18、 the basis of the emission prediction process of the International Vehicle Emission model (IVE), measures the on-road driving pattern data of Shanghai bus using Global Positioning Satellite (GPS), and predicts the vehicle emissions of the CNG bus and diesel bus with the IVE model. Results show that NOX, SOX and PM of the vehicle emissions will be notably decreased with the substitute of the diesel bus by the CNG bus, and great differences exist between the emission amounts of CNG buses with different technology, the CO emission of the CNG bus wi