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城市交通環(huán)境下貨運車輛燃油消耗與排放測算及模型構建

2016-12-09 06:36勇,聶
軍事交通學院學報 2016年11期
關鍵詞:交叉口油耗貨運

曾 勇,聶 斌

(1.武警后勤學院 軍交運輸系,天津 300309;2.蚌埠汽車士官學校 運輸勤務系,安徽 蚌埠 233011)

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城市交通環(huán)境下貨運車輛燃油消耗與排放測算及模型構建

曾 勇1,聶 斌2

(1.武警后勤學院 軍交運輸系,天津 300309;2.蚌埠汽車士官學校 運輸勤務系,安徽 蚌埠 233011)

針對城市貨運車輛燃油消耗及排放問題,基于城市3種不同交通狀態(tài)的劃分,分別探討各狀態(tài)下的燃油消耗規(guī)律和測算模型,并引入各狀態(tài)對應的車速、里程、交叉口平均間隔、綜合百公里基本油耗等參數指標,實現貨車燃油消耗和排放與城市交通狀態(tài)有機結合。

城市交通;貨運車輛;燃油消耗;排放

近年來,由于城市經濟的快速發(fā)展及城市化進程的加快,城市交通量急劇增加。交通運輸在為城市的經濟發(fā)展帶來生機的同時,其產生的能源與環(huán)境問題也給城市可持續(xù)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。統計表明,交通能源消費在總能源消耗中的比例也在逐漸提高,已經占總量的大約1/3,而道路交通系統則占整個交通運輸行業(yè)能耗總量的60%以上。盡管很多城市紛紛出臺一些政策規(guī)定來限制市區(qū)內貨車的運行,使城市貨運交通能耗有所下降,但依然占有較大的比例,因此,研究城市交通節(jié)能減排,仍需重視貨運領域的能耗問題。

目前專門針對城市貨運能耗的研究很少,很多研究都是關于城市交通燃油消耗方面的。如隗海林等[1]應用車載油耗實時測試系統,對長春市交通進行了實時油耗測試試驗,建立了平均速度下的油耗模型,主干路、次干路、支路的速度油耗模型以及基于加速度的瞬時油耗模型;張健等[2]探索了我國城市道路變速交通下的車輛油耗模型;唐陽山等[3]將車輛通過交叉口的整個過程分為怠速、啟動、加速等工況,并對代表車型進行試驗,探索了交叉口處車輛的燃油消耗規(guī)律;艾國和[4]分別運用油耗儀與碳平衡法在實驗室內測定了試驗車型在城市工況下的油耗,并用油耗儀測定相同情況下在試驗場的油耗,進行了對比研究;彭美春等[5]以不同載質量的營運貨車為試驗車輛,采用車載測試方法,對營運貨車道路運行油耗及碳排放因子進行了研究;鄭天雷等[6]基于重型貨車發(fā)動機試驗數據和整車參數,對各型貨車在不同質量、空阻系數等參數設定下的工況燃油消耗量進行了計算;高龍等[7]研究了北京市外地進京貨車的污染排放貢獻率以及超限超載帶來的污染物排放增加情況。而通過檢索發(fā)現,只有少量的文獻在研究城市交通能耗時涉及到城市貨運能耗問題。本文著眼于節(jié)能減排,在分析貨車基本能耗前提下,分交通狀態(tài)對城市貨運能耗情況進行分析研究,以探索降低城市貨運能耗、減少排放的對策措施。

1 城市貨車各交通狀態(tài)下的燃油消耗分析

城市的交通運行狀況比較復雜,包括暢通、擁堵和交叉口排隊等待多種交通狀態(tài)。貨車在城市運行時,各種交通狀態(tài)下所對應的速度、百公里油耗以及行駛里程均不相同,并影響到貨運燃油消耗量和城市環(huán)境排放。結合城市交通運行的實際情況,可將城市貨車交通環(huán)境分為3種狀態(tài)(如圖1所示),即交叉口道路狀態(tài)、非交叉口道路低速行駛狀態(tài)和非交叉口交通暢通狀態(tài),分別對應3種狀態(tài)下的燃油消耗模型,實現貨運能耗與城市交通狀態(tài)的有機結合。

圖1 根據車速和交叉口間距區(qū)分的城市貨運油耗3種情況

1.1 城市交叉口道路貨車燃油消耗預測分析

城市對于貨運交通一般都有相應的禁限規(guī)定,貨車主要是在中心市區(qū)之外運行,或是深夜才進入中心市區(qū),盡管如此,城市交通特征還是會對油耗產生重要影響。在城市交通環(huán)境中,影響油耗預測模型的因素很多,如交通量、行駛速度、連接道路長度、交叉口類型等,為了得出單車燃油消耗的預測模型,首先須對油耗指標進行聚類分析,找出各油耗指標、影響因素指標之間的相關性,從中確定對油耗影響最大的幾個因素進行分析。據現有研究,在市區(qū),油耗主要受交叉口距離和實際速度影響。設城市交叉口情況下貨車的百公里油耗為Qjc,以中型汽油貨車EQ1090為試驗車型,依據實測數據,得到的計算公式為[8]

Qjc=39.67L-0.14(1+28.12V-1.79)

(1)

式中:L為市區(qū)交叉口的平均間隔距離,m;V為貨車在市區(qū)交叉口路段平均運行速度,km/h。其中,L的范圍是(0,3 000),V的范圍是(0,50)。

如圖2所示,對于中型貨車來說,低速行駛或密集的交叉口均導致高油耗。

圖2 考慮城市交叉口的中型貨車百公里油耗情況

1.2 城市非交叉口道路貨車低速行駛狀態(tài)下油耗分析

在市區(qū)高速路、快速路、全立交道路以及市郊道路上,由于高峰車流較大而導致車輛低速行駛(V<50 km/h),是影響其油耗的主要因素,此時稀疏交叉口(L>3 000 m)的影響已不顯著,故將這一交通運行狀態(tài)統稱之為城市非交叉口道路低速行駛狀態(tài)。根據已有的研究數據[1,9],當試驗車輛金杯SY6480型汽車處于均勻低速行駛時,其單位時間油耗隨著車速是先減后增。通過對試驗數據的分析,當車速小于20 km/h時,加減速比較頻繁,車速相對不夠穩(wěn)定,所以在研究穩(wěn)態(tài)下油耗變化規(guī)律過程中,只取車速大于20 km/h時油耗的變化情況,然后推廣到車速小于20 km/h時的油耗。將單位時間油耗轉換為百公里油耗,并進行曲線擬合(如圖3所示),得到油耗Qyd與速度V的關系模型為

(2)

圖3 車輛均勻低速行駛時油耗與速度擬合曲線

1.3 城市非交叉口道路交通暢通狀態(tài)下貨車油耗分析

對應于城市非交叉口道路低速行駛狀態(tài),將車速≥50 km/h的交通狀態(tài)歸為交通暢通狀態(tài)。

根據前面的研究分析,各指定速度(即40 km/h,50 km/h,60 km/h,70 km/h,80 km/h)下的綜合(滿載等速)百公里油耗,為評價車輛在此交通狀態(tài)下的油耗情況提供了重要的參考依據。本文利用所有重型和中型貨車在各指定速度下油耗的平均值,采用二次方程的回歸分析結果(如圖4所示)。設貨車的行駛速度為V,通暢情況下綜合(滿載等速)百公里油耗為Qtc,回歸方程為

Qtc=16.079 9-0.074 998V+2.596 8×10-3V2

(3)

式中V的取值范圍為[50,110)。

圖4 暢通情況下貨車油耗與速度擬合曲線

1.4 城市貨車3種情況下油耗模型的匯總

對城市貨車3種情況下的油耗模型進行匯總,并采用當量燃油消耗的方法,對油耗模型按照指定標準車型進行轉換,得到可應用于所有貨車車型的油耗計算模型(見表1)。

表1 城市貨車3種情況下的油耗模型

1.4.1 汽車當量燃油消耗

由于貨車的車型比較多,為了便于進一步分析、推算和比較各型貨車的燃油消耗,采用了當量燃油消耗的概念,即各種車型相對于某一指定車型的燃油消耗[9]。選定某一車型為基準車型,根據各具體車型貨車的綜合百公里油耗,即可計算出各具體車型相對于基準車型的當量燃油消耗。即

Ki=Qzi/Qzb

(4)

式中:Ki為車型i貨車的當量燃油消耗;Qzi、Qzb分別為某車型i和指定車型的綜合百公里油耗。

1.4.2 油耗模型匯總

如上文分析,依據不同的道路情況和運行速度,劃分出3種城市貨運交通狀態(tài)。對于3種情況下所使用的試驗車型,分別設定其綜合百公里油耗,并依據相關文獻或統計數據進行推算賦值。在初始油耗模型基礎上,依據當量燃油消耗Ki對模型按照指定基準車型進行轉換,可得到任意車型貨車在該交通狀態(tài)下的燃油消耗模型(見表1)。

2 基于3種狀態(tài)的城市貨車油耗和污染物排放量計算模型

2.1 城市貨車燃油消耗綜合計算模型

設車型i的貨車年平均行駛里程為Si(km),其中市區(qū)交叉口道路上的行駛里程占比Pjci,非交叉口道路低速狀態(tài)下的占比Pydi,暢通狀態(tài)下的占比Pcti(Pcti=1-Pjci-Pydi),對應的平均運行速度為Vjci、Vydi、Vcti(km/h),則車型i貨車年燃油消耗量Ci(L)為

Ci=Ni(QjciSiPjc+QydiSiPydi+QctiSiPcti)/100=NiSi[Pjcif(Li,Vjci,Qzi)+Pydig(Vydi,Qzi)+Pctih(Vcti,Qzi)]/100

(5)

對于所有貨車,年燃油消耗總量C(L)為

C=∑Ni(QjciSiPjci+QydiSiPydi+QctiSiPcti)/

100=∑{NiSi[Pjcif(Li,Vjci,Qzi)+Pydi

g(Vydi,Qzi)+Pctih(Vcti,Qzi)]}/100

(6)

所有貨車的年均百公里油耗Q(L/100 km)為

Q=100C/∑NiSi

(7)

2.2 城市貨運車輛污染物排放量測算模型

依據各型貨車的污染物排放因子,結合城市交通運行狀態(tài)數據,即可測算污染物排放量。設車型i在市區(qū)交叉口道路、非交叉口道路低速狀態(tài)和暢通狀態(tài)分別對應污染物j的排放因子為Ejcij、Eydij、Ectij(g/km·veh),則車型i貨車污染物j年排放量QEij為

QEij=Ni(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+EctijSiPcti)

(8)

其中污染物j分別是指HC、CO、NOx。

根據式(3),即可得到污染物j的年排放總量:

QEj=∑iNi(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+EctijSiPcti)

(9)

車型i貨車的所有污染物年排放總量:

QEi=Ni∑j(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+EctijSiPcti)

(10)

貨車污染物年排放總量:

QE=∑i∑jNi(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+

EctijSiPcti)

(11)

3 模型實踐應用

根據所建立的一系列回歸模型和推理模型,對北京市貨運車輛的燃油消耗及排放情況進行測算,在直接數據缺失的情況下,初步得到相應的能耗與排放情況。以2014年統計數據為例,重、中、輕、微4型貨車分別為72 872、29 731、137 003、12輛,可見微型貨車數量很少。

根據貨車單車年平均行駛里程統計數據,按300個工作日計算,得到4型貨車單車日平均行駛里程分別為153.4、126.7、109.7、105.7 km。依據北京市關于貨車的禁限規(guī)定,如四環(huán)路(含)以內道路,6:00~23:00禁止載貨汽車通行;五環(huán)路主路,6:00~22:00,禁止8 t(含)以上載貨汽車通行;外省、區(qū)、市載貨汽車在辦理進京貨運通行證后,準許每天0:00~6:00進入五環(huán)路(含)以內道路行駛等等,可分析出各型貨車市內主要行駛區(qū)域,結合城市道路實際情況,進而得到4型貨車對應的交叉口距離分別為1 069.8、713.2、696.1、630.5 m。依據北京各型道路不間斷的實際速度測量值,可得到工作日各型道路各時間區(qū)段的平均速度(年平均值),對于4型貨車而言,交叉口道路的平均速度分別為31.7、35.7、39.6、43.6 km/h;非交叉口道路低速狀態(tài)的平均速度分別為46.6、48.0、49.0、50.0 km/h;非交叉口道路暢通狀態(tài)的平均速度分別為56.9、63.0、71.1、78.2 km/h。依據統計數據和測算模型最終得到的結果值見表2。

表2 北京市2014年貨車燃油消耗和排放測算結果表

這一結果反映了城市貨車燃油消耗和排放的基本規(guī)律,也對部分當前無法直接測量的指標給出了初步的測算值,為有關政策措施的制定提供了基本參考和決策依據。

4 結 語

本文通過劃分城市貨車運行狀態(tài),將燃油消耗與城市交通有機結合,有助于更真實、準確地反映城市貨運油耗,并可從貨車油耗和排放變化中反映出城市交通管理水平及效果。城市貨運交通運輸及其燃油消耗和環(huán)境排放是城市交通建設發(fā)展過程中必須高度重視的問題。隨著各城市陸續(xù)出臺一些有針對性的貨運交通運輸政策和規(guī)定,對于改善貨運交通環(huán)境、提高燃油效率、推進節(jié)能減排,都具有重要的現實意義。

[1] 隗海林,王勁松,王云鵬,等.基于城市道路工況的汽車燃油消耗模型[J].吉林大學學報(工學版),2009,39(5):1146-1150.

[2] 張健,李江.變速交通流下的車輛油耗規(guī)律[J].吉林大學學報(工學版),2002,32(4):59-61.

[3] 唐陽山,張健,田國紅.城市道路交叉口的車輛運行油耗研究[J].遼寧工學院學報,2004,24(1):68-70.

[4] 艾國和.典型城市道路車輛燃油消耗研究[D].武漢:武漢理工大學,2005:56-60.

[5] 彭春美,李嘉如,胡紅斐.營運貨車道路運行油耗及碳排放因子研究[J].汽車技術,2015(4):37-40.

[6] 鄭天雷,金約夫,張曉龍.重型貨車關鍵參數對油耗影響的模擬分析[J].天津科技,2015,42(4):24-27.

[7] 高龍,童亮.北京市超限超載貨車污染物排放因子模型分析與建立[J].公路交通科技,2015(7):247-249.

[8] 王煒,項喬君,常玉林,等.城市交通系統能源消耗與環(huán)境影響分析方法[M].北京:科學出版社,2002:66-69.

[9] 高磊.基于城市道路工況的汽車燃油消耗模型研究[D].長春:吉林大學,2007:47-50.

(編輯:張峰)

Calculation and Model Establishment of Fuel Consumption and Emission of Freight Vehicles in City Traffic Environment

ZENG Yong1, NIE Bin2

(1.Military Traffic and Transportation Department, Logistics University of PAP, Tianjin 300309, China; 2.Transportation Service Department, Bengbu Automobile NCO Academy, Bengbu 233011, China)

To address the problems caused by fuel consumption and emission of freight vehicles in big cities, this paper, divides city traffic into three different states. The fuel consumption tendency and the calculation model under each state are discussed and the parameters like speed, mileage, average intersection interval and the basic fuel consumption of a hundred kilometers are introduced. This study is of practical value for the coordination between freight vehicle fuel consumption and the traffic in big cities.

city traffic; freight vehicles; fuel consumption; emission

2016-01-25;

2016-05-30.

曾 勇(1980—),男,博士,講師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.011

U471.23;X734.2

A

1674-2192(2016)11- 0044- 05

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