2017, Vol. 38
2. 上海市环境科学研究院, 上海 200233;
3. 国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室, 上海 200233
2. Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China;
3. State Environment Protection Key Laboratory of Formation and Prevention of the Urban Air Complex, Shanghai 200233, China
机动车尾气已成为我国各大城市大气污染的重要来源, 对城市大气污染都具有重要影响[1~6].截止2015年底, 全国汽车保有量达到1.62亿辆, 其中大部分为汽油车, 占86.2%.汽油车是NOx和VOCs等二次污染前体物的主要贡献者[7, 8], 分别占全国机动车NOx和VOCs排放总量的26.8%和70.6%[9].在用车劣化是造成高排放的主要原因, 因此, 各地分别建立了在用车排放检测与维护(I/M)制度以遏制机动车高排放[10~13].简易瞬态工况法(VMAS)是主要的在用轻型汽油车排放检测方法之一[14], 由欧洲新车排放认证方法简化而成, 在上海、广州、杭州等多个城市得到了广泛应用.近年来, 已有较多研究对VMAS检测方法的检出率、准确度和实施效果进行了探讨, 为该方法在各城市应用提供了重要支撑[15~18].定容全流稀释采样法(CVS)是开展新车排放认证的标准方法, 测量精度相对更高.
VMAS与CVS方法检测结果的一致性是准确评估在用车排放的前提.丁焰等[19]曾选取50辆大部分为国2标准的在用轻型汽油车开展了简易工况法与新车排放认证方法的相关性试验, 结果表明VMAS方法与新车排放认证方法的检测结果一致性较好.但是, 随着我国新车排放标准的不断提升, 机动车排放控制水平得到有效提升.已有研究表明, 车龄越小、排放标准越高时, 在用车排放水平越接近新车排放认证时的水平, 对检测设备精度的要求越高[20, 21].目前, 国3和国4排放标准车型已成为我国在用车主流, 分别占汽车总量的52.5%和22.7%[9].在排放标准逐步提升的背景下, VMAS检测方法对较高排放标准在用车的检测能力有待进一步评估.因此, 本研究选取了25辆国2~国5排放标准在用轻型汽油车, 分别采用VMAS与CVS方法开展了排放测试, 对比分析了两种方法的检测结果相关性, 以期为我国更好地实施在用轻型汽油车排放检测提供科学支撑.
1 材料与方法 1.1 试验车辆为使比对试验尽可能涵盖不同排放水平的车辆, 本研究按照排放标准、行驶里程、出厂年限、发动机排量等多种因素选取了25辆在用轻型轻油车进行试验. 表 1所示为测试车辆的具体信息.车辆使用的油品均为市售国5车用汽油.
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表 1 试验车辆信息 Table 1 Information of tested vehicles |
1.2 试验方法
车辆在每次试验前均进行充分预热, 预热后首先采用VMAS方法开展检测, 随后在热车状态下采用CVS方法开展排放检测.为消除偶然因素对结果造成的影响, VMAS排放试验重复进行3次, CVS方法试验重复2次, 结果均取平均值. CVS方法选用的工况为欧盟ECE+EUDC循环, 该循环由4个城市道路驾驶循环(ECE)和1个城郊高速驾驶循环(EUDC)组成, 时长为1 180 s, 里程数约11 km, 最大车速为120 km·h-1. VMAS方法采用的工况为ECE+EUDC中的其中1个ECE循环, 该循环时长共计195 s, 里程数约1 km, 最大车速为50 km·h-1.比对时, 提取CVS方法中的第一个ECE循环(ECE-1) 测试结果与VMAS检测结果进行比较. 图 1所示为ECE+EUDC循环及参与比对的工况段示意.
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图 1 ECE+EUDC工况循环 Fig. 1 Economic commission for Europe and Extra Urban Driving Cycle |
本研究分别采用VMAS和CVS两套测量系统对同一车辆进行测试分析.其中, CVS检测在轻型车整车排放实验室中进行, 试验全程密闭、控温, 采用的底盘测功机为日本HORIBA公司的VULCAN EMSCD48产品, 稀释采样系统采用HORIBA公司的CVS-7000系列, 气体分析仪为日本HORIBA公司的MEXA-7000系列, 其中, CO采用非分散红外(NDIR)方法测量、HC采用氢火焰离子(FID)方法测量、NOx采用化学发光(CLD)方法测量. VMAS方法在年检站开放空间中进行, 采用的底盘测功机为深圳汇银公司生产的QWJ3000-JST型测功机系统, 检测单元为美国SENSOR公司的流量和排放测试产品, 其中, CO和HC采用NDIR方法测量、NOx采用电化学方法测量. CVS方法常用于新车型式认证试验, 测量精度高, 是相对可靠的汽车排放测试方法; VMAS检测方法常用于在用轻型汽油车定期检验, 测量精度相对低于CVS方法[16, 19, 22~24].
2 结果与分析 2.1 实测轻型汽油车瞬态排放特征图 2所示为测试车辆逐秒排放量在整段工况中的平均占比.从中可见, 在用轻型汽油车的CO、HC和NOx排放主要集中在第一段ECE循环(即ECE-1) 和EUDC循环, ECE-1循环中, 车辆发动机和三元催化器还处于升温阶段, 均未达到最佳工作温度, 各类污染物排放普遍较高. EUDC循环中, 车速上升导致发动机负荷升高, 油耗增加且空燃比下降, 使各类污染物显著上升. VMAS方法采用的工况为车辆启动后的第一个ECE循环, 排放特征与图中的ECE-1循环类似, 该工况段在车辆整体循环中的占比相对较高.
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图 2 测试车辆瞬态排放在整个工况中的平均占比 Fig. 2 Average emission contributions of major pollutants in each second |
表 2所示为采用CVS方法测试获得的ECE-1与ECE+EUDC工况下各类污染物的排放因子比较.可见, 在用轻型汽油车各类污染物排放因子存在较大差异, ECE+EUDC工况下, CO排放因子平均为3.28 g·km-1, 最大和最小95百分位数分别为13.53 g·km-1和0.046 g·km-1; HC排放因子平均为0.34 g·km-1, 最大和最小95百分位数分别为1.43 g·km-1和0.010 g·km-1; NOx排放因子平均为0.49 g·km-1, 最大和最小95百分位数分别为2.11 g·km-1和0.010 g·km-1.可以看到, 高排放车的排放水平可达到低排放车的150~300倍左右, 应当成为在用车排放监管的重点.同时, 高排放车主要集中在国2和国3等老旧程度相对较高的车型中, 国4及以上车辆排放水平总体较低, 未出现显著的高排放现象. ECE-1工况下各类污染物的排放因子与ECE+EUDC工况下获得的结果一致性较好, 总体上高于ECE+EUDC工况下的排放因子, 其中, CO排放因子是ECE+EUDC工况下所测排放因子的1.71倍(0.5~10.0倍); HC排放因子为1.92倍(1.3~9.8倍); NOx排放因子为1.15倍(0.2~7.5倍), 表征的是车辆排放水平较高的工况段.
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表 2 ECE-1工况与ECE+EUDC工况下各类污染物排放因子及其差异比较 Table 2 Emission factors of tested light-duty gasoline vehicles under ECE-1 and ECE+EUDC cycles by CVS |
2.3 不同排放标准车辆的VMAS和CVS实测排放因子相关性
图 3所示为各阶段排放标准车辆分别采用VMAS和CVS(ECE-1工况段)方法实测的排放因子比较.可见, 国2和国3标准轻型汽油车采用VMAS和CVS实测的排放因子吻合度较好, CO的相对偏差分别为-31%和23%;HC+NOx的相对偏差分别为-3%和32%.但对于国4及以上排放标准车辆, CO和HC+NOx相对偏差将显著上升, 分别达到197%和177%.说明随着排放标准的提升, 两种方法检测结果的偏差将逐步变大, 特别是对国4及以上标准车辆, VMAS检测结果与ECE-1检测结果相对偏差较大, 继续采用VMAS检测方法可能导致对其排放情况的误判.
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图 3 不同排放标准车辆的VMAS和ECE-1实测结果比较 Fig. 3 Differences of emission factor between VMAS and ECE-1 for vehicles with different emission standards |
为进一步论证不同排放水平下, 两种检测方法测试结果的一致性, 本研究根据上海市《在用点燃式发动机轻型汽车简易瞬态工况法排气污染物排放限值》(DB 31/357-2015) 中的Ⅱ类排放限值要求(CO不超过6.3 g·km-1, HC+NOx不超过2.0 g·km-1), 将测试车辆分为高排放车和低排放车两类, 分别分析测试结果的相关性.经筛选, 高排放车共8辆, 包括6辆国2车和2辆国3车; 低排放车为17辆, 包括3辆国2车、2辆国3车、10辆国4车和2辆国5车. 图 4所示为高排放车VMAS和CVS(ECE-1工况段)测试结果的相关关系. CO和HC+NOx排放因子测试结果的相关系数R2分别为在0.85和0.75左右, 与丁焰等[19]的研究结论基本一致.
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图 4 高排放车VMAS和ECE-1排放测试结果的相关性 Fig. 4 Correlations of emission factors of high-emitting vehicles measured by VMAS and ECE-1 |
图 5所示为低排放车VMAS和CVS(ECE-1工况段)测试结果的相关关系.可见, 对于低排放车辆, 两种方法测试结果的相关性将显著降低, CO和HC+NOx的相关系数R2均在0.46左右. VMAS检测方法在我国发展于2005年前后, 当时的主流车型为国1和国2标准, 近年来, 我国各城市轻型汽油车排放标准得到大幅提升, 车辆排放水平下降显著[25~27], 若要进一步严化在用车排放限值, VMAS检测方法的适用性将存在一定的疑问.
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图 5 低排放车VMAS和ECE-1排放测试结果的相关性 Fig. 5 Correlations of emission factors of low-emitting vehicles measured by VMAS and ECE-1 |
为进一步分析排放限值严化后, VMAS检测方法对车辆超标情况的判定能力, 本研究分别设定了3个在用轻型汽油车排放限值级别, 计算了不同限值下VMAS检测结果的误判(把超标车判为达标)和错判(把达标车判为超标)情况, 如表 3所示.限值1和限值2分别为原上海市在用轻型汽油车排放标准(DB 31/357-2006) 和新标准(DB 31/357-2015) 中的Ⅱ类排放限值, 限值3为针对更高排放标准车辆假定的新标准限值.式(1) 为各排放标准限值下的超标误判或错判率计算方法.
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表 3 不同在用车排放标准限值下VMAS检测超标的判定情况分析 Table 3 Misjudgment rates of in-use vehicle emission attainments under different emission standards |
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(1) |
式中, ρ为误判率, %;n-为误判或错判车辆数; n+为判断正确的车辆数.
由表 3可见, 随着排放标准的严化, VMAS检测结果对超标的误判率逐渐上升, 在现行的VMAS检测方法体系下, 若要进一步严化在用车排放标准限值, 可能将发生频繁的误判或错判现象. VMAS是目前我国在用车排放检测的主流方法之一, 对遏制在用轻型汽油车高排放发挥了重要作用.但是, 从上述分析来看, VMAS方法对目前大部分排放较低的车辆而言, 适用性总体较差, 有必要研究更为精确的在用轻型汽油车排放测试方法, 为我国下一阶段的在用车排放检测和监管提供有力支撑.
3 结论(1) 实测结果表明, 轻型汽油车排放水平总体随排放标准提升而呈下降趋势, 特别是在国2和国3标准车辆中存在一定的高排放现象, 而在我国轻型汽油车中占比较高的国4及以上标准车型未发现显著的高排放现象. VMAS检测采用的工况为ECE+EUDC工况中的第一段城市循环工况(ECE-1), 该工况下污染物排放因子总体上高于整个循环的平均排放因子.
(2) VMAS和CVS(ECE-1工况段)方法实测的排放因子相关性随排放标准提升而显著下降, 两种方法对国2车排放检测结果的一致性较好, 国3车检测结果的相对偏差有所上升, 国4及以上标准车辆的CO和HC+NOx相对偏差最高, 分别达到197%和177%.从不同排放水平来看, 对较高排放车辆, 两种方法检测结果的一致性较好, 相关系数达到0.75~0.85左右; 对较低排放车辆, 相关系数仅为0.46左右, 说明VMAS对较低排放汽车的检测结果与CVS方法所得结果之间存在较大偏差.
(3) 若进一步严化在用车排放标准, 采用VMAS方法可能对在用车排放超标情况造成误判或错判, 随着轻型汽油车排放标准的不断提升, 车辆总体排放水平的不断下降, VMAS检测方法对较低排放车辆的适用性相对较差.
(4) 本研究所选取的样本数量相对较少, 有必要在后续研究中进一步补充, 并着力研究更为精确的在用轻型汽油车排放测试方法, 为我国下一阶段的在用车排放检测和监管提供技术支撑.
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