基于比功率的LPG公交車排放特性研究*

彭美春，吳曉偉，江曉燕

(1.廣東工業(yè)大學機電學院，廣州 510006； 2. 三一重工路面機械研究院，長沙 410100)

前言

近年來，公交車排放已經成為中心城市大氣污染的重要來源。由于能源平衡和環(huán)境污染控制雙重的壓力，我國正逐步推廣使用新能源汽車，如電動汽車、天然氣汽車和醇類汽車等。城市公共運輸領域，如公交車、出租車是最先推廣新能源汽車的領域，其實際減排效果越來越引起各方關注。

機動車排放與車輛參數(shù)、運行工況密切相關。不同車輛與不同運行車速的車輛的排放特性不便直接比較。為方便比較不同質量、不同車型的機動車排放狀況的好壞，文獻[1]中提出了機動車比功率(VSP)概念，即用發(fā)動機為牽引單位質量機動車所須輸出的瞬時有效功率來表示輸出功率。VSP可用來方便地比較質量不同的機動車的輸出功率與排放的關系。同時采用聚類分析方法求出不同的VSP區(qū)間內瞬時排放特征參數(shù)(排放濃度或瞬時排放速率)的平均值以作為對應區(qū)間的參數(shù)值，可有效降低測試數(shù)據(jù)的離散性，更有利于不同運行工況下機動車實際排放的比較。

由于城市公交車車長與車質量大的原因，不便進行室內整車臺架測試，若僅僅對發(fā)動機進行臺架測試，難以全面反映整車實際行駛工況下的排放狀況。車載排放測試技術解決了大型車難以進行整車排放測試的難題。而且，由于它是在車輛實際行駛工況下進行，測試結果反映了當?shù)丨h(huán)境、氣象參數(shù)和交通變化對排放的影響，能真實反映車輛的實際道路排放情況，可方便快捷地獲得不同路段、不同時段和不同工況下機動車排氣排放狀況。美國EPA已立法將車載排放檢測方法作為在用重型車排放檢測方法，歐洲和我國等國家和地區(qū)也先后利用車載排放測試技術開展了多項汽車排放研究[2-6]。

本文中以大型LPG公交車為對象，利用車載排放測試儀進行城市公交線路運行時的排放試驗，測取車輛的運行車速和排放等特性參數(shù)，推導公交車VSP與車速的關系公式，基于VSP研究LPG公交車運行工況特點和排放特性，其研究結果將為評價公交車排放提供方法與參考。

1 車載排放測試

1.1 測試設備與測試方法

本文中使用美國SEMTECH-DS車載排放測試系統(tǒng)進行大型LPG公交車的實際道路排放測試。該系統(tǒng)主要由SEMTECH-DS主機、SEMTECH-EFM流量計、采樣管、GPS、環(huán)境溫濕度計和控制電腦等組成，可對CO與CO2、NO與NO2和THC的排放進行實時測試。系統(tǒng)安裝示意圖如圖1所示。

車載式排放測試儀逐秒采集數(shù)據(jù)，包括車速、排氣中CO、HC、NOx、O2等成分的體積濃度、排氣流量、排氣溫度和環(huán)境溫濕度等。經過數(shù)據(jù)處理后可得出排氣中各成分的排放速率(g/s)、排放因子(g/km)和過量空氣系數(shù)等。

1.2 試驗車輛

本研究測試了6輛LPG公交車，車長約11.5m，均配置7.8L排量的玉柴LPG發(fā)動機。試驗車輛分為兩類，其中3輛滿足國Ⅲ排放標準，3輛滿足國Ⅱ排放標準。測試公交車的主要信息如表1所示。

表1 試驗LPG公交車的主要信息

2 試驗結果與分析

2.1 公交車VSP計算式推導

將文獻[7]中給出的柴油公交車VSP計算式中的參數(shù)值代入汽車理論常用功率定義式中，得出公交車的VSP計算式如下：

(1)

式中：VSP為機動車比功率，kW/t；m為機動車質量，kg;v為機動車行駛速度，m/s；a為車輛加速度，m/s2;g為重力加速度,m/s2;grade為道路坡度;ρa為環(huán)境空氣密度,kg/m3；CR為輪胎滾動阻力系數(shù)，其大小主要由道路狀況和輪胎類型決定；CD為機動車空氣阻力系數(shù)；A為機動車前沿迎風面積，m2。

本研究在華南地區(qū)進行，該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，其濕空氣密度為

(2)

根據(jù)該地區(qū)2009年氣候公報中的數(shù)據(jù)，全年平均氣溫為22.5℃(295.5K)，大氣壓力p為 101.78kPa，相對濕度φ為50%，飽和水蒸汽壓力pb為2.64 kPa。將上述數(shù)據(jù)代入式(2)中，最后計算出該地區(qū)的空氣平均密度ρw約為1.192 75kg/m3。

對于城市道路坡度grade可取0°，輪胎滾動阻力系數(shù)CR取0.012，空氣密度ρa取1.192 75kg/m3(22.5℃)；公交車空氣阻力系數(shù)CD取0.8；測試的公交車迎風面積A為7m2；公交車質量m取12 400kg。將上述數(shù)據(jù)代入式(1)，得出測試的公交車的VSP為

=v(a+0.11772)+0.000269v3

(3)

從式(3)中可看出VSP是車速的三次方函數(shù)。

2.2 公交車行駛工況特征分析

采用車載排放測試測得LPG公交車在城區(qū)與近郊線路運行時的車速和排放等數(shù)據(jù)近80 000組。

基于實驗采集的逐秒車速數(shù)據(jù)，按式(3)進行計算，可得到公交車運行過程中逐秒的VSP值。結果發(fā)現(xiàn)公交車的VSP值主要分布在-10～10 kW/t的范圍內。本文中選取1kW/t為間隔對VSP進行間隔值相等的區(qū)間劃分，統(tǒng)計計算得出公交車運行VSP區(qū)間分布結果，如圖2所示。

由圖2可知，公交車行駛時的VSP區(qū)間分布呈現(xiàn)明顯的中間高、兩端低的特征， 0～1kW/t的VSP區(qū)間行駛時間占比最高，其中城區(qū)公交車的占比數(shù)值更是高達51.7%。在-5～5kW/t的區(qū)間內，城區(qū)行駛的時間占比為96.2%，郊區(qū)行駛的占比為99.1%。占公交車行駛時間占比在80%以上的-3～3kW/t區(qū)間內的速度-加速度分布圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，該區(qū)間內的加速度主要分布在-1～1.5m/s2的范圍內，公交車行駛速度以小于50km/h的數(shù)據(jù)點居多，并呈現(xiàn)出低速數(shù)據(jù)點多且分布范圍廣，高速數(shù)據(jù)點少且分布集中，表明公交車最主要的行駛區(qū)間內速度較低、加速度變化范圍較大，這也是公交車尾氣污染物排放的主要區(qū)間。

2.3 排放特性

2.3.1 排放速率

基于2.2節(jié)研究結果，以時間占比達98%的[-5，6] kW/t VSP區(qū)間作為排放特性研究工況范圍。測試的國Ⅲ和國Ⅱ排放標準的公交車各取一輛作為分析對象，分別取名為1號車和2號車。圖4示出了兩輛車HC、CO、NOx3種排放污染物基于VSP的排放速率。為了分析圖4中排放速率變化趨勢的原因，圖5和圖6分別給出了HC、CO、NOx3種排放污染物的體積濃度與體積流量和排氣溫度與過量空氣系數(shù)的兩車平均值曲線。

由圖4～圖6分析可知：在負的VSP區(qū)間，HC、CO、NOx排放速率、排氣體積濃度、排氣體積流量、排氣溫度、過量空氣系數(shù)變化相對較平緩；VSP接近零，即車速接近于零，車輛接近怠速狀態(tài)時，3種污染物的排放、排氣流量和排氣溫度均降低；VSP為正時，隨VSP增大排氣溫度和排氣體積流量增大，過量空氣系數(shù)先緩慢減小，再緩慢增大至1.37，HC、CO排氣體積濃度與排放速率均先增大后減小，但是NOx排氣體積濃度與排放速率基本呈增大趨勢。

過量空氣系數(shù)是影響CO、HC排放的重要因素。所研究的LPG公交車發(fā)動機采用稀燃技術， VSP區(qū)間[-5，6]kW/t的過量空氣系數(shù)在1.3～1.4范圍內，總的來說變化不大。

NOx的產生受混合氣濃度和燃燒溫度共同影響。本研究無法測得燃燒溫度，但可用排氣溫度作為參考。從圖6看到負VSP區(qū)，過量空氣系數(shù)、排氣溫度均平穩(wěn)，因此NOx的排放排量也平穩(wěn)。正VSP區(qū)，隨負荷增大過量空氣系數(shù)變化不大，但排氣溫度則呈逐漸上升的趨勢，導致NOx排放流量逐漸增大。

2.3.2 排放因子

由式(3)VSP的計算式可知，LPG公交車的速度為零時,VSP等于零，排放因子趨于無窮大，因此下文排放因子分析不包括VSP為零時的工況。

圖7為VSP與HC、CO、NOx3種污染物排放因子的關系曲線圖。由圖可知：VSP為負時，3種污染物排放因子均隨著VSP的增大而增大；VSP為正時， 3種污染物排放因子均隨著VSP的增大先增大后減小，其中HC和CO排放因子變化趨勢較明顯。

3 結論

(1)推導出代表車型公交車比功率VSP計算公式，其是車速的三次方函數(shù)?；赩SP可方便地進行不同質量、不同車速運行工況下的車輛排放性能的比較。

(2)測試與分析得出公交車實際運行的VSP范圍較小，無論城區(qū)還是郊區(qū)，公交車VSP落在-5～5kW/t區(qū)間的行駛時間占比均大于96%，城區(qū)和郊區(qū)的VSP區(qū)間均以0～1kW/t的行駛時間占比最高，其中城區(qū)行駛時的時間占比達51.7%。反映出公交車低速頻繁變速運行的規(guī)律。

(3) VSP為負時，排放污染物的排放速率變化較小，排放因子隨著VSP增大緩慢增大；VSP接近0時，排放速率降到最低值，排放因子趨近無窮大；VSP為正時，隨著VSP增大，CO和HC的排放速率與排放因子先增大后減小趨勢明顯，NOx排放速率呈增大趨勢，而排放因子先增大后緩慢下降。

(4) 排放速率主要影響因素是排放體積濃度，排放濃度高，即排放速率大。排放因子主要影響因素既有排放速率，也有車速。排放速率高即排放因子大，車速高即排放因子小。

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