CN113267602B - 单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法及其系统，使用搭建的测试系统对车底前车后的非甲烷碳烃浓度进行监测，采用特定排放点释放标准品的方式，模拟蒸发运行损失排放过程，构建标准响应曲线。仅运行转毂风洞，获得不同行驶工况下的“排放量‑浓度差”响应关系，使用CFD模型建立对应工况中布设点位与测试点位之间的扩散系数。本发明能突破EPA密闭仓转毂的硬件限制，实现车辆运行损失的直接测试。

Description

单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法及其系统
技术领域
本发明涉及大气污染监测及排放清单计算技术领域，尤其涉及单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法及其系统。
背景技术
机动车排放是城市VOCs的重要来源，以北京为例，2014年到2017年北京市大气VOCs源解析中机动车(尾气排放+油气蒸发)贡献为44～71％(平均为60％)。蒸发排放运行损失VOCs是指汽油车运行时的蒸发排放VOCs逸散。除此之外，机动车VOCs排放过程还包括尾气过程和驻车蒸发过程(包括昼间排放、热浸排放、加油排放)。从国1到国5，中国汽油车尾气非甲烷碳烃(NMHC)排放标准从2.785g/km加严到0.075g/km，标准提升幅度达97.2％。在国6标准中，驻车蒸发排放限值也由2g/test降低至0.65g/test，但蒸发运行损失尚未纳入控制指标。根据我们实测排放因子计算结果，推断汽油车蒸发运行损失至少超过现行汽油车VOCs排放总量的1/3。随着老旧车的不断淘汰，蒸发运行损失在机动车VOCs排放中的比重将持续增加。机动车蒸发运行损失的管控是实现颗粒物与臭氧协同控制的重要部分。机动车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法与系统是满足蒸发运行损失的基础测试需求、实现排放动态模拟的基础技术支撑。这一工作将为我国汽油车蒸发运行损失排放现状评估提供直接证据，并为进一步的蒸发运行损失排放控制提供有效的技术支持。
现有的监测及评估方案可以分为以下几类：
1、密闭仓法。美国曾使用密闭仓转毂对约200辆车开展测试工作，建立了相对完善的基础排放因子库。密闭仓法的蒸发运行损失标准测试设备为密闭仓转毂，将底盘测功机置于密闭仓中，使车辆于密闭仓中行驶而进排气对仓内环境无影响。但该法对设备具有极高的成本和测试要求，普及度极低。
2、点源法。美国环保署(EPA)曾使用点源法进行蒸发运行损失测试。EPA点源法的基本原理是在可能的排放位置(炭罐大气口、油箱口等)使用大流量采样，测算能采集到的NMHC排放总量，将其作为蒸发运行损失测试值。但该方法主要存在以下两个问题：1)基于采样点的分析结果，仅可反映重点排放点的排放特征，不能得到总量。2)操作时仅建立了测试仪器的响应曲线，忽略了采样过程的影响，测试结果会受到车辆行驶工况、采样流量、实验室环境等因素的显著影响，简单的模仿测试很难保证结果一致性。
3、车载排放测试系统。车载排放测试系统(PEMS)是应用最为广泛的单车尾气RDE测试方法，可实现单车尾气管排放的精确测试。但由于蒸发运行损失存在多个排放子过程，PEMS无法应用于实际道路蒸发运行损失测试。
因此，对机动车蒸发运行VOCs排放的监测及评估，虽然有多种方式可以对某些点位的机动车蒸发运行VOCs排放特征情况进行评估，或者对机动车尾气管排放进行评估。但尚未有系统的方法可以实现对机动车蒸发排放运行损失VOCs的动态监测和蒸发运行VOCs排放量的定量计算。
发明内容
本发明的目的在于提供单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法及其系统，通过测定车辆行驶过程中车底部气流前后浓度差，结合流场特征，对车辆运行损失VOCs排放因子进行定量。
本发明采用的技术方案是：
单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法，其包括以下步骤：
步骤1，通过搭载有损失VOCs排放测试系统的测试用车抽取采样位置的空气并测量得到车辆运行损失VOCs排放的采样数据；
步骤2，采用特定排放点释放标准品的方式模拟蒸发运行损失排放过程构建标准响应曲线；
步骤3，使用CFD模型建立车辆行驶过程VOCs排放释放点位与测试点位之间的多工况稀释系数修正曲线；
步骤4，结合采样数据和实时流场仿真建立“排放量-扩散系数-浓度差”响应关系，计算得到单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子。
进一步地，作为一种较优实施方式，步骤1中在测试用车车头前端及车尾底部各布设一采样点安装碳烃检测器，以分别获得车前碳烃浓度及车底部碳烃浓度。
进一步地，作为一种较优实施方式，碳烃检测器的检测项目包括THC、CH4和NMHC，碳烃检测器的量程为0-1000ppm，检测的时间分辨率为1秒。
进一步地，同时在车底部用特氟龙气袋自动采样器进行恒速采样，气袋采样和在线连续分析的同步进行在总量上确保结果稳定。
进一步地，步骤2中采用EPA标准点源法测试时的采样点位，同时使用LDAR手持碳烃检测器探测碳烃浓度的热点；以多点恒速释放丁烷标准品的形式模拟蒸发运行损失排放过程，仅运行转毂风洞获得不同行驶工况下的“排放量-非甲烷总烃浓度差”响应关系。
进一步地，作为一种较优实施方式，步骤3根据多排放标准车、多运转工况的测试结果，利用CFD模型计算得到对应标准工况的流场修正系数。
进一步地，作为一种较优实施方式，步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1，综合考虑车型、车速、油品参数、环境温度进行车辆流场仿真，设置不同的车型与车速矩阵组合，使用CFD模型计算“车型-运转工况-扩散系数”响应曲面数据集β；
步骤3-2，使用“车型-运转工况-扩散系数”基础数据集，根据多排放标准车、多行驶状态、多运转工况的动态测试结果，建立动态响应关系，得到不同标准工况的流场修正系数。
进一步地，作为一种较优实施方式，步骤4中综合测试的车前车后浓度差、标准曲线和流场修正系数，建立“排放量-扩散系数-浓度差”响应关系，计算得到蒸发运行损失排放因子，计算公式如下：
其中，为实验室测得排放因子，g/s；C1，C2分别为车前和车底部采样点碳烃浓度，ppmC；P为测试点大气压，kPa；T为测试温度，K；k为油气分子单位碳个数相对分子质量，12+H/C；α为测试工况下定点释放丁烷标准品响应系数(m3/s)；β为基于CFD计算的对应标准工况的流场修正系数。
单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试系统，包括以下模块：
采样模块，用于恒定流速对采样位置的空气进行抽取，采样模块连接NMHC分析仪，NMHC分析仪在线分析采样模块抽取的空气；采样模块抽取的空气以恒定速度储存与特氟龙气袋，特氟龙气袋中混合气浓度用于在线数据的校验；
检测模块，包括温湿度传感器、测速仪和碳烃检测器，测试用车车头前端及车尾底部各布设一采样点，每个采样点安装分别安装一检测模块；温湿度传感器探测采样点的温度和湿度，测速仪探测车辆行驶速度，碳烃检测器探测采样点的碳烃浓度；
数据记录模块,用于对检测模块的测试数据进行记录，记录的数据包括温度、湿度、车辆行驶速度；
数据储存及处理模块，测试数据与环境及行驶数据存储于硬盘中并用于后续处理。
进一步地，作为一种较优实施方式，碳烃检测器的检测项目包括THC、CH4和NMHC，碳烃检测器的量程为0-1000ppm，检测的时间分辨率为1秒。
本发明采用以上技术方案，使用搭建的测试系统对车底前车后的非甲烷碳烃浓度进行监测，采用特定排放点释放标准品的方式，模拟蒸发运行损失排放过程，构建标准响应曲线。仅运行转毂风洞，获得不同行驶工况下的“排放量-浓度差”响应关系。使用CFD模型建立对应工况中布设点位与测试点位之间的扩散系数。从而建立“排放量-扩散系数-浓度差”响应关系，实现基于流场修正系数及实测浓度的机动车蒸发排放运行损失VOCs排放因子计算方法。本发明能突破EPA密闭仓转毂的硬件限制，实现车辆运行损失的直接测试。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明公开了单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试系统与方法，其包括以下步骤：
步骤1，构建车辆运行损失VOCs排放测试系统。测试系统包括：
1、采样模块，可以恒定流速对采样位置的空气进行抽取，一方面，抽取气体可以用于NMHC分析仪的在线分析，另一方面，抽取气体以恒定速度储存与特氟龙气袋中。特氟龙气袋中混合气浓度可用于在线数据的校验。
2、检测模块，非甲烷总烃检测器的检测项目包括：THC、CH4和NMHC，碳烃检测器的量程为0-1000ppm，检测的时间分辨率为1秒。
3、数据记录模块,需要记录的数据包括：温度、湿度、车辆行驶速度。
4、数据储存及处理模块，测试数据与环境及行驶数据存储于硬盘中并用于后续处理。
步骤2，采用特定排放点释放标准品的方式，模拟蒸发运行损失排放过程，构建标准响应曲线；具体地，综合考虑EPA标准点源法测试时的采样点位，同时使用LDAR手持碳烃检测器探测碳烃浓度的热点。以多点恒速释放丁烷标准品的形式，模拟蒸发运行损失排放过程，仅运行转毂风洞，获得不同行驶工况下的“排放量-非甲烷总烃浓度差”响应关系。
步骤3，使用CFD模型建立对应工况中布设点位与测试点位之间的流场修正系数；
具体地，步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1，综合考虑车型、车速、油品参数、环境温度进行车辆流场仿真，设置不同的车型与运转工况矩阵组合，使用CFD模型计算“车型-运转工况-扩散系数”响应曲面数据集β；
步骤3-2，使用“车型-运转工况-扩散系数”基础数据集，根据多排放标准车、多行驶状态、多运转工况的动态测试结果，建立动态响应关系，得到不同标准工况的流场修正系数。
步骤4，结合采样数据和实时流场仿真，建立“排放量-扩散系数-浓度差”响应关系，计算得到单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子，计算公式如下：
其中，为实验室测得排放因子，g/s；C1，C2分别为车前和车底部采样点碳烃浓度，ppmC；P为测试点大气压，kPa；T为测试温度，K；k为油气分子单位碳个数相对分子质量，12+H/C；α为测试工况下定点释放丁烷标准品响应系数(m3/s)；β为基于CFD计算的对应标准工况的流场修正系数。
本发明采用以上技术方案，使用搭建的测试系统对车底前车后的非甲烷碳烃浓度进行监测，采用特定排放点释放标准品的方式，模拟蒸发运行损失排放过程，构建标准响应曲线。仅运行转毂风洞，获得不同行驶工况下的“排放量-浓度差”响应关系。使用CFD模型建立对应工况中布设点位与测试点位之间的扩散系数。从而建立“排放量-扩散系数-浓度差”响应关系，实现基于流场修正系数及实测浓度的机动车蒸发排放运行损失VOCs排放因子计算方法。本发明能突破EPA密闭仓转毂的硬件限制，实现车辆运行损失的直接测试。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (9)

1.单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤1，通过搭载有损失VOCs排放测试系统的测试用车抽取采样位置的空气并测量得到车辆运行损失VOCs排放的采样数据；
步骤2，采用特定排放点释放标准品的方式模拟蒸发运行损失排放过程构建标准响应曲线；
步骤3，使用CFD模型建立车辆行驶过程VOCs排放释放点位与测试点位之间的不同标准工况的流场修正系数；
步骤4，结合采样数据和实时流场仿真建立“排放量-扩散系数-浓度差”响应关系，计算得到单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子；综合测试的车前车后浓度差、标准响应曲线和流场修正系数，建立“排放量-扩散系数-浓度差”响应关系，计算得到蒸发运行损失排放因子，计算公式如下：
其中，EFLabRL为蒸发运行损失排放因子，g/s；C1，C2分别为车前和车底部采样点碳烃浓度，ppmC；P为测试点大气压，kPa；T为测试温度，K；k为油气分子单位碳个数相对分子质量，12+H/C；α为测试工况下定点释放丁烷标准品响应系数，m3/s；β为基于CFD计算的对应标准工况的流场修正系数。
2.根据权利要求1所述的单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法，其特征在于：步骤1中在测试用车车头前端及车尾底部各布设一采样点安装碳烃检测器，以分别获得车前碳烃浓度及车底部碳烃浓度。
3.根据权利要求2所述的单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法，其特征在于：碳烃检测器的检测项目包括THC、CH4和NMHC，碳烃检测器的量程为0-1000ppm，检测的时间分辨率为1秒。
4.根据权利要求3所述的单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法，其特征在于：同时在车底部用特氟龙气袋自动采样器进行恒速采样，气袋采样和在线连续分析的同步进行在总量上确保结果稳定。
5.根据权利要求1所述的单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法，其特征在于：步骤2中采用EPA标准点源法测试时的采样点位，同时使用LDAR手持碳烃检测器探测碳烃浓度的热点；以多点恒速释放丁烷标准品的形式模拟蒸发运行损失排放过程，仅运行转毂风洞获得不同行驶工况下的“排放量-非甲烷总烃浓度差”响应关系。
6.根据权利要求1所述的单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法，其特征在于：步骤3根据多排放标准车、多运转工况的测试结果，利用CFD模型计算得到对应标准工况的流场修正系数。
7.根据权利要求1所述的单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法，其特征在于：步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1，综合考虑车型、车速、油品参数、环境温度进行车辆流场仿真，设置不同的车型与车速矩阵组合，使用CFD模型计算“车型-运转工况-扩散系数”响应曲面数据集；
步骤3-2，使用“车型-运转工况-扩散系数”响应曲面数据集，根据多排放标准车、多行驶状态、多运转工况的动态测试结果，建立动态响应关系，得到不同标准工况的流场修正系数。
8.单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试系统，采用权利要求1所述的单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试方法，其特征在于：系统包括以下模块：
采样模块，用于恒定流速对采样位置的空气进行抽取，采样模块连接NMHC分析仪，NMHC分析仪在线分析采样模块抽取的空气；采样模块抽取的空气以恒定速度储存于特氟龙气袋，特氟龙气袋中混合气浓度用于在线数据的校验；
检测模块，包括温湿度传感器、测速仪和碳烃检测器，测试用车车头前端及车尾底部各布设一采样点，每个采样点分别安装一检测模块；温湿度传感器探测采样点的温度和湿度，测速仪探测车辆行驶速度，碳烃检测器探测采样点的碳烃浓度；
数据记录模块,用于对检测模块的测试数据进行记录，记录的数据包括温度、湿度、车辆行驶速度；
数据储存及处理模块，测试数据与环境及行驶数据存储于硬盘中并用于后续处理。
9.根据权利要求8所述的单车蒸发排放运行损失VOCs排放因子测试系统，其特征在于：碳烃检测器的检测项目包括THC、CH4和NMHC，碳烃检测器的量程为0-1000ppm，检测的时间分辨率为1秒。
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