CMEM用于我國柴油公交車排放計算

王曉寧，劉海洋，李亭慧，鄧 可

(哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院，150090哈爾濱)

節(jié)能減排是當前關注的熱點問題，公共汽車是我國城市公共交通的主要方式，由于其載重大、馬力大、油耗多，排放的尾氣對城市環(huán)境的影響也大.隨著公共交通在城市交通中比例的增大，公交車排放的污染物逐漸增多，開展公交排放污染預測與減排方法研究日益迫切.在進行城市公共交通節(jié)能減排管理時，只有科學計算公交車污染物排放量才能采取合理的節(jié)能減排措施.公交運行行為是影響污染物排放的重要因素，對公交運行行為進行深入分析是公交污染預測的理論基礎，對運行行為參數進行優(yōu)化是指導公交污染減排管理的科學依據.開展該項研究，對科學分析城市公交運行行為對污染物排放的影響有重要理論意義，從減排的角度規(guī)范公交運行行為具有指導意義.

1CMEM綜述

目前，排放模型分為宏觀、中觀、微觀3大類.其中較有代表性的排放模型，宏觀的有MOBILE，EMFAC、CORPERT 等，中觀的有 MEASURE、INTEGRATION等，微觀的有 CMEM、ONROAD等［1］.CMEM，即綜合排放模型，是一種微觀的實時尾氣排放模型.該模型通過輸入車輛參數和模型參數，能夠模擬計算出車輛每秒尾氣排放量和油耗.于雷等對排放模型做過綜述性研究［2］，何春玉等運用CMEM對北京市4類典型輕型機動車的排放因子進行了實測與模擬對比［3］，發(fā)現兩者的一致性較高，徐成偉等運用CMEM模擬了武漢輕型車的排放特性，與實測數據進行對比后發(fā)現，總體趨勢基本一致［4］.黃成等以輕型柴油車為研究對象，模擬了車輛在實際道路上的瞬時排放，根據實測數據對模擬結果進行了驗證，并運用CMEM模擬了交叉口條件改善之后車輛的排放變化［5－7］.

本文首先進行了車輛尾氣排放問題的綜述，而后以國外廣泛采用的綜合排放模型(Comprehensive modal emission model，CMEM)中重型柴油卡車排放模塊為基礎，根據我國柴油公交車排放計算的實際需要，在比較柴油公交車與重型柴油卡車在發(fā)動機、行駛速度、加速度、荷載變化、行駛環(huán)境等方面的異同點后，對CMEM模型重型柴油卡車排放模塊的速度參數、加速度參數、質量參數、傳動效率參數等進行了修改，進而得到了用于我國柴油公交車排放計算的公式，最后通過對比哈爾濱某條公交線路的排放數據的模擬計算，證明了本文所得到的我國柴油公交車排放模型具有應用的實用性與準確性.

2 CMEM中公交車與卡車比較

2.1 重型柴油卡車與柴油公交車的相同點

重型卡車與柴油公交車最主要的相同點是均使用柴油發(fā)動機，排放原理基本相同.表1從排氣量、最大功率等幾方面比較了我國典型重型柴油卡車與柴油公交車的發(fā)動機特性.

表1 典型卡車與公交車的柴油發(fā)動機特性比較

由表1可知，我國重型柴油卡車與柴油公交車在發(fā)動機的性能上是基本接近的.歐曼重型卡車發(fā)動機的排氣量要比金龍公交車的高2.8L，壓縮比也要比金龍公交車發(fā)動機大，這說明歐曼重型卡車達到額定功率或扭矩的時間要比金龍公交車的短，它們的排氣量與壓縮比基本在同一級別，相差不是很大.在最大功率和最大扭矩方面，金龍公交車的發(fā)動機要比歐曼重型卡車的發(fā)動機優(yōu)良一些，但也相差不大.最高車速基本相同，排放標準都屬于歐III，這表明兩者在排放技術及排放水平的控制上基本一致.

2.2 重型柴油卡車與柴油公交車的不同點

在發(fā)動機相似的情況下，卡車與公交車還有很多不同之處，這是因為二者的用途在本質上存在區(qū)別:卡車是用來進行貨物或原料的運輸，即貨運，而公交車是用來進行人的運送，即客運.由于用途不同，造成其構造必然存在不同，體現在排放模型參數上時，則主要表現在運行速度、加速度、載荷、行駛環(huán)境等因素上.

在城市里，由于運行環(huán)境及運行目的的限制，公交車的速度表現為走走停停，頻繁加減速，平均車速低，常為0～30km/h.而重型柴油卡車由于以貨運為主，經常行駛在公路或高等級公路上，其平均行程速度高出柴油公交車很多，一般為30～80km/h.由于公交車的運行速度區(qū)間與卡車有明顯的區(qū)別，這必將導致兩者排放的差異以及模型的適用程度不同.

公交車走走停停，加減速停車頻繁，由于劇烈的加減速和短暫的停車使排放呈不規(guī)則狀態(tài).重型柴油卡車的時間限制性不是很大，在時間充裕的情況下，駕駛員往往會選擇比較平穩(wěn)的加速過程，因此，排放較有規(guī)律.由此可見，二者加速度差異不大，但加速度的變化速率有很大不同.公交車所需的加速度明顯大于柴油卡車，尤其在交叉口、公交站臺等特殊點，加速度增大功率必然增大，這又彌補了速度低的不足，速度與加速度的具體修正系數要由實際數據的驗證擬合得到.同時由于公交車的加速、減速比較頻繁，容易產生過多的尾氣排放，所以應修正速度與加速度對油耗量的影響程度，增加加速度對油耗的影響，降低速度對油耗的影響.

公交車受運營載客的限制，其載荷變化比較迅速，大量的乘客上下公交車，使公交車的總質量不會保持在一個恒定值，這也造成了功率需求的改變，從而在一定程度上影響到排放.重型柴油卡車基本上只有兩個狀態(tài):滿載或空載.無論哪種情況，卡車的負載基本上維持在一個固定值，不會產生變化.在CMEM中荷載(即質量m)參數是作為車輛參數來確定的，一經輸入，不再改變，而公交車的質量是隨時間變化的.質量參數影響功率的大小，也就是說，車輛質量大就需要更大的功率，更大的扭矩，而乘客的多少必然影響排放的多少，其他情況不變，公交車滿載行駛和空載行駛時在排放上必然存在不同，但質量影響排放的程度以及敏感度如何，還需要實際數據的擬合與驗證.

由于公交車與卡車的整體性能不同，其傳動效率必然不同，且隨汽車使用年限、行駛里程的增加其變化規(guī)律是不同的.而公交車行駛時間一般白天為12h，晚上停止運營.重型柴油卡車的行駛時間一般由運輸任務而定，可能是幾小時也可能是幾天，范圍較廣.在運行時間上，公交車的運行時間通常在白天，氣溫較高，城市道路的坡度變化不是很大，但偶爾會有小陡坡，周圍交通流比較密集，加上非機動車及行人的存在，行駛環(huán)境非常復雜.重型柴油卡車的運行時間通常選擇在夜晚，氣溫相對較低，坡度變化與行駛地區(qū)的地形以及公路等級有很大關系，常常會碰到陡坡，一般情況下行駛環(huán)境較輕松，交通流不大.

3 根據我國情況對模型進行修正

3.1 對于載荷、速度、加速度修改

在CMEM中，功率需求模塊中的需求功率為

式中:Ptract為發(fā)動機牽引功率，kW;m為經過滾動及擺動修正后的汽車總質量，kg;v為車速，m/s;a為加速度，m/s2;g為重力加速度，取g=9.81m/s2;θ為斜率，度;Cd為牽引系數;A為迎風表面積;ρ為空氣密度;Cr為滾動阻力系數.

式(1)中，功率與速度成正比關系，由于公交車速度區(qū)間偏低，所以式(1)求出的功率比柴油卡車小，轉速也相應的偏低，將功率與轉速帶入油耗公式后求出的油耗量偏少，污染物排放量也就降低.由以往的研究可知，公交車在低速度區(qū)間行駛時，污染物排放量比高速度區(qū)間要多很多，這就需要對與速度有關的公式進行一定的修改，比如在速度之前添加相應的系數，使它在低速情況下也可能出現高功率、高轉速需求，同時，這又與加速度有一定的關系.鑒于卡車與公交車在載荷、速度、加速度等方面的差異，可將式(1)修改為

式中:n為公交車載客人數.

式(2)體現了公交車的整體質量隨乘客數的不同而不同，將載荷變成了車輛運行參數.當排放偏大時，主要原因應是油耗偏大或是燃燒條件惡劣，若想模擬油耗增大的情形，只能增大功率需求的模擬值(速度轉換成轉速比率固定，發(fā)動機排量固定)，而增大功率則應考慮速度與加速度這兩個主要參數，公交車常在低速運行，且頻繁加減速，可使式(2)中 v=k1vt，a=k2at(其中 vt為實際車速，at為實際加速度)這樣通過系數調整，可以調整速度與加速度的影響比重，k1、k2的數值在上式中已經給出.

3.2 對傳動效率ε的修改

隨著車輛使用年限以及車輛行駛里程的增加，車輛的整體性能會逐漸降低，表現在模型參數上即是傳動效率ε的改變.考慮柴油公交車的自身特性，將車輛使用年限與行駛里程修正系數加入原模型中，傳動效率ε改寫為

式中:ε為發(fā)動機傳動系數;ε1為最大傳動效率，為70%～93%;ε2為低速行駛動效率因子，ε2≈1.0;ε3為高功率行駛時的傳動效率因子，取0～0.2;v為車速，m/s;PS為比功率，kW/kg，β為車輛類型系數;n1為使用年限;n2為報廢年限;l1為行駛里程;l2為報廢里程.

修正系數α是隨使用年限和行駛里程的增加而減少的，并且呈指數關系，即開始的時候減少的較慢，隨著使用年限和行駛里程的增加，減少速度逐漸加快，在后期達到一個峰值.而由于車型不同，修正系數的值也會相應地不同，體現在車型系數β上.而指數函數中的自變量取的是使用年限占報廢年限的比例和行駛里程占報廢里程的比例，這樣比單一地應用使用年限和行駛里程要更加精確一些.

4 模型算例分析

為了驗證修改后模型的適用性，利用非接觸式車速測定儀(AM－2100)記錄了2010年5月24日(星期一)哈爾濱市某路公交車由高誼街站至靖宇頭道街站運行速度數據，街站間路段坡度θ=0，長度約為875m，行程時間為190s.將測得的柴油公交車在此路段上的速度、加速度等行駛參數，與通過調查獲得公交車的車輛參數，帶入本文提出的模型中進行實例計算.實驗用公交車型為金龍6100F，技術參數見文獻［8］.

將車輛參數及模型參數帶入修改后的CMEM模型，將其中部分參數進行相應地修改.而后再將車輛運行數據(瞬時車速、瞬時加減速等)帶入改進后的CMEM模型，所得排放預測數據(部分)見表2.

表2 哈爾濱某路段部分模擬排放數據

由表2可以看出，速度與加速度由始至終作為排放量大小的決定因素而存在，其他因素的影響較小，沒有起到決定性作用.

5 結論

1)對CMEM中柴油卡車排放模型進行了研究，根據公交車排放污染計算需要，給出了適用于我國柴油公交車排放計算的公式.

2)以哈爾濱市某公交車測試數據為例進行研究表明，修改后的模型所計算出的數據基本符合公交車排放規(guī)律，可以進行進一步的數據研究.在大量的數據實驗的基礎上給出適用于我國公交車排放模擬計算的模型.

3)通過對模型的實際應用可以看出，加速度對柴油公交車尾氣排放的影響非常顯著，在加減速過程中排放量累積明顯.需要說明的是，傳動效率修正系數還需通過大量的車輛排放數據進行確定與驗證.另外，作為柴油發(fā)動機主要排放物之一的顆粒物排放模型，CMEM沒有給出，未來需要對此模型進行研究.

［1］霍紅，賀克斌，王歧東.機動車污染排放模型研究綜述［J］.環(huán)境污染與防治，2006，28(7):526 －530.

［2］黃瓊，于雷，楊方，等.機動車尾氣排放評價模型研究綜述［J］.交通環(huán)保，2003，12(6):28－31.

［3］何春玉，王歧東.運用CMEM模型計算北京市機動車排放因子［J］.環(huán)境科學研究，2002，10(1):100-112.

［4］徐成偉，吳超仲，初秀民，等.基于CMEM模型的武漢市輕型機動車平均排放因子研究［J］.交通與計算機，2008，26(4):185 -188.

［5］黃成，陳長虹，戴璞，等.輕型柴油車實際道路瞬時排放模擬研究［J］.環(huán)境科學，2008，29(10):2975－2982.

［6］黃成，陳長虹，景啟國，等.重型柴油車車載排放實測與加載影響研究［J］.環(huán)境科學學報，2006，27(11):2303－2308.

［7］GEORGE S，MATTHEW B.Comprehensive modal emissions model，version 3.01［EB/OL］.［2010 － 08 -10］.http://www.cert.ucr.edu/cmem/docs/CMEMUser－Guide－v3.01d.pdf.

［8］鄧可.城市公交污染物排放預測模型研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2010:24－30.