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研究:基于VSP的公交車碳排放

作者:馬珂  信息來源:大話交通ABC    發布日期:2020-11-06

  近些年,低碳出行廣受大眾關注。公交車是城市居民出行的主要載運工具,傳統能源型公交車的尾氣排放中含有一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物等溫室氣體,含公交車在內的道路交通排放已經成為城市空氣污染的主要來源之一,準確預估公交車的碳排放,是進行公交車節能減排的重要依據。

  一、公交車碳排放的影響因素

  公交車碳排放的影響因素可分為內部因素與外部因素。內部因素包括車輛參數與公交車能源類型,外部因素主要是車輛的交通特性,對這些因素再細分,如車輛參數分為車輛使用年限,車輛自重、發動機參數等;能源類型分為柴油、汽油、天然氣、混合動力等;交通特性又分為道路特性、駕駛員特性、行車里程、速度和加速度等,這些影響因素可用魚骨圖來表示,如圖1所示。

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圖1 公交車碳排放的影響因素

  二、VSP與排放率

  由上已知,只研究諸如車輛速度、加速度的因素與車輛碳排放之間的關系,不能準確預估出車輛的碳排放量。那么如何才能更好地分析車輛排放特征、預測排放量呢?基于機動車比功率的排放因子計算是一個比較適合的方法。

  機動車比功率(Vehicle Specific Power,簡稱VSP),是發動機每牽引單位質量時對應的機動車輸出功率,它表示發動機克服滾動阻力和空氣阻力做功的功率,以及增加機動車的動能和勢能所需要發出的功率,單位為kw/ton或m2/s3。

  VSP是衡量汽車動力性的一個綜合指標,該物理量具有矢量性質,當車輛制動減速時,VSP會出現負值。

  基于VSP進行機動車排放分析最早是由Jiménez-Palacios(1999)提出的,車輛排放與其實際輸出功率存在密切關系,但由于瞬時輸出功率難以測量,因此可以利用不同比功率區間對應的排放率來計算機動車排放。目前VSP在排放預測、排放特征分析和行駛工況開發等領域已得到廣泛應用,公式如下:

g2.jpg

  式中,VSP :機動車比功率(kw/ton);v:速度(m/s);α:加速度(m/s2);ε:質量系數,與車輪、齒輪、軸有關;grade:坡度,為坡高與坡長的比值;g:重力加速度(m/s2);CR:滾動阻力系數;CD:風阻系數;A:車輛迎風面積(m2);ρα:空氣密度(在20攝氏度為1.207kg/m3);M車輛以及內部所有人和物體質量(kg)。

  機動車排放率是指某種溫室氣體單位時間的排放量,單位為g/s。機動車排放因子是指單輛機動車行駛單位里程排放的污染量,一般以g/km為單位來表示,它是反映機動車排放狀況的基本參數,也是確定機動車污染物排放總量及其環境影響的重要依據。

  對于不同能源類型的機動車,不同的發動機工況對應不同的VSP區間,其對應的機動車排放率也不同,可以利用VSP區間對應的機動車排放率來估算公交車排放。

  三、基于VSP的公交車排放特征分析  

  為了更好的描述VSP與碳排放量之間的關系,通常要調查車輛某種污染物大量瞬時數據并計算對應VSP值,然后對VSP聚類分析并劃分區間,并取各區間下的所有瞬時排放率平均值作為其排放率,應用各VSP區間的排放率和對應區間的頻率分布計算污染物排放因子,具體公式為:

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  式中,EFi:一段時間內車輛在某路段某污染物的排放因子(g/km);ERij:污染物i在第j個VSP區間的排放率(g/s);Dj:第j個VSP區間下的頻率分布,由采集的數據計算得到;v:該短時間內的平均行駛速度(m/s)。

  郝艷召等人(2010)利用車載尾氣檢測設備和GPS系統收集了北京市重型柴油公交車的實際排放數據,分析了尾氣中多種氣體與VSP的相關性,其中與碳排放相關的氣體有HC、CO,并得到以下結論:

  1、VSP與公交車各污染物排放率有很高的相關性。

  2、經采集數據的驗證,基于VSP的排放預測尾氣中HC與CO的預測值與實際值的相對誤差均低于10%,相關系數也接近0.9。

  3、車輛在高排放區間內主要為高加速度或快速行駛狀態,表明這兩種狀態是引起車輛瞬時高排放的主要原因,如圖2所示。

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圖2 污染物高排放區間下的車輛速度-加速度

  4、公交車在不同等級道路上,VSP=0的分布比例最高。表明該區間內的行駛狀態是公交車最普遍的行駛狀態,也是其產生尾氣污染的主要行駛區間,如圖3所示。

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圖3 公交車VSP區間分布

  研究也顯示了高峰時段的排放高于平峰與低峰時段,公交車在站點各污染物排放均遠遠高于非站點路段。

  四、計算方法的優點

  基于VSP區間進行公交車碳排放的特征分析和排放預測,該方法有以下優點:

  1、VSP計算所需參數是路邊可測量的速度、加速度、質量等,并且與發動機功率成正比,比例常數為車輛質量的倒數,因此,發動機功率是影響機動車排放的重要參數。

  2、VSP的計算綜合考慮了速度、加速度、道路坡度、質量、空氣密度等對公交車瞬時排放量的影響,能更好的擬合公交車的碳排放。

  3、通過劃分VSP區間分析公交車排放特征,可以同時觀測到各個區間的行駛狀態,便于分析公交車碳排放的主要原因。

  4、VSP可應用于公交車尾氣中各種污染物的排放預測。

  參考文獻:

  JL JIMENEZ-PALACIOS. Understanding and Quantifying Motor Vehicle Emission with Vehicle Specific power and TILDAS Remote Sensing[D]. Massachusetts Institute of Technology,1999.

  郝艷召,于雷,宋國華,等.基于比功率參數的北京市柴油公交車行駛和排放特征研究[J].汽車工程,2010,32(2):103-109.


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