比功率

汽車的動力性由汽車的驅動功率和行駛阻力決定的，發動機的輸出功率通過傳動系統推動汽車前進，扣除傳動損失，即為驅動功率，汽車在行駛中，其驅動功率等於阻力功率。汽車的行駛阻力一般包括滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速行駛時的慣性阻力。阻力和車速的乘積稱為阻力功率。汽車的阻力功率隨車輛總重和車速的增加而增大，所以，汽車的動力性基本取決於比功率。因為最大車速出現於發動機達到最大功率且變速器處於最高檔位時，所以，簡單的說，比功率就是汽車最大車速的決定因素。

例如：大眾的寶來1.8T和寶來1.8相比，車外型，汽車總重等參數都差不多，但是，由於兩款發動機的最大功率分別為110千瓦和78千瓦，比功率分別大約為84千瓦/噸和60千瓦/噸，所以導致兩款汽車的最高車速存在較大的差距。

普通國產低檔車大概範圍在0.04-0.07每千克之間；中檔車的大概範圍從0.06-0.10每千克；高檔車則更高，範圍也更廣，大概範圍從0.08-0.13每千克；跑車基本都可以達到0.10每千克有的甚至還多，保時捷911 Carrera Coupe(Tiptronic S)的比功率高達0.16每千克。

傳統的機動車排放模型儘管考慮到了機動車參數、運行狀況、道路條件、環境因素等對機動車排放的影響，但作為對機動車排放產生關係密切的機動車的輸出功率並沒有考慮，因此在量化排放總量時會產生很大的不準確性。反映機動車動力需求的比功率利用實時路況車載排放測試結果，與3種排放污染物CO、HC和之間的關係比常規的速度、加速度等參數關係更為密切，近些年已被國內外新開發的排放模型所採用。

在美國最新開發的排放模型MOVES 2010 及適用於發展中國家的排放模型 IVE 都引入比功率作為排放計算的工具；國內孫鳳等研究了輕、重型車在不同速度區間下的比功率分佈特性，探討了輕、重型車在高速區間下比功率分佈與平均速度的變化關係；宋國華等研究了城市快速路上機動車比功率分佈特性與模型，與實際試驗結果比較表明，比功率可以有效用於實際道路機動車油耗和排放的定量評價；潘漢生等研究了實際行駛中輕型柴油車比功率與機動車油耗、空燃比和污染物排放的關係，表明不同道路上機動車的CO、HC、排放速率和油耗的比功率區間分佈具有較好的一致性。國內基於比功率的排放研究集中於兩者之間的相關性和適用性，而通過實際道路試驗分析並得到不同比功率對應的排放數據的研究較少。

以車載排放測試獲得的輕型車質量排放數據為基礎，進行基於比功率的輕型車微觀排放模型研究，將比功率劃分為10個分區，分析了3種污染物質量排放率隨比功率的變化關係，並計算得到3種污染物在不同比功率分區的質量排放率。

通過搭建輕型車車載排放試驗平台，在選取的城市環路上完成實際道路試驗，獲取瞬態的質量排放數據和對應的輕型車行駛狀態數據。

① 車輛

根據2005年國家環保總局制定的《城市機動車排放空氣污染測算方法》，規定了機動車的分類方法、城市機動車排放源的調查方法以及城市機動車空氣污染的測算方法。按照此方法，輕型汽車指最大總質量不超過3.5t的M1類、M2類和N1類車輛。

據調查，在所研究的長春市，捷達和紅旗車佔據了輕型車接近50%的比例。考慮到長春市在用輕型車的運營比例，試驗選用了具有代表性的捷達、紅旗兩種車型，試驗用車按時參加年檢，試驗也證明排放量符合測試的要求，試驗數據可以真實地反映輕型車在實際道路的排放狀況。試驗用車基本情況如表 1 所示。

②方案

研究採用的車載排放測試儀器是美國CATI公司生產的OEM-2100，儀器根據所測發動機參數數據計算尾氣體積流量，並結合測得的尾氣體積百分含量計算出瞬時質量排放率。結合GPS在輕型車上搭建的車載排放測試試驗平台如圖1所示。

③數據處理

通過實際道路試驗，OEM-2100可以實時記錄輕型車的瞬態質量排放率和發動機實時運行狀態，並以文本格式儲存於內置的存儲卡內；GPS可以實時記錄輕型車的運行狀態數據，並以文本格式儲存於連接的筆記本硬碟內。為了便於完成數據統計分析，需要將試驗數據進行處理，具體工作包括資料庫格式的確定、數據內容的完善以及數據表格的匹配。圖2為試驗數據處理過程，完成了OEM-2100測得的排放數據和GPS測得的汽車運行狀態數據的驗證、時間匹配以及格式轉換。

機動車在實際道路行駛過程中，由於交通流和道路狀況的影響，會引起機動車運行狀態的改變，進而帶來車輛功率需求的變化，從而導致發動機瞬時油耗和排放量的差異。為了準確地描述功率需求隨車輛行駛狀態的變化，麻省理工學院的 Jiménez-Palacios 提出了機動車比功率這一概念。

①比功率公式

機動車的比功率（VSP）即某一時刻單位質量機動車所對應的功率VSP，單位為kW/t或者m²/s³，它表示發動機克服滾動阻力和空氣阻力做功的功率，因內部工作摩擦產生的傳動損失功率，以及增加機動車的動能和勢能所需要發出的功率。Jiménez-Palacios計算的適用於機動車排放計算的比功率公式為

式中，v為機動車行駛速度，m/s; a為機動車行駛瞬時加速度，m/s²；s為坡度（無量綱）；GPS所採集的機動車運行數據不包括坡度，由於試驗區域道路平緩，可以不考慮坡度，因此不影響計算結果。

②比功率分區

為了便於將排放數據與交通模擬模型結合，比功率通常會按照不同的間隔進行分區。例如有的研究將比功率以4kW/t的均勻間隔劃分，通過計算區間內逐秒排放速率的平均值來評價不同比功率分區的排放狀況，解析機動車在快速路、主幹路、次幹路以及支路上行駛時，CO、HC和的質量排放率與比功率的關係。該研究將車載排放測試的數據作為研究的基礎，將比功率按照數值進行分區。為了更準確地區分不同分區的排放狀況，以及減少數值標準差，將比功率分為了10個區，如表2所示。

在實際道路試驗測得的大量數據的基礎上，分析3種排放污染物質量排放率隨比功率分區的變化關係，並得到輕型車10個比功率分區下3種排放污染物的質量排放率。

①各分區的輕型車排放規律

分析試驗結果可知，3種污染物的瞬態排放速率隨著功率需求大小即比功率大小呈現較規律的增長趨勢，如圖3～ 圖5所示。

不同污染物的排放率對比功率變化敏感程度有差異，在對不同比功率分區的排放速率進行比較時表現出以下特點：

1）比功率區間bin1～bin3對應著輕型車比功率為負值的情況，此時輕型車制動減速頻繁，減速度值比較大，CO質量排放率最高值出現於比功率區間bin3，對應數值為2.5419mg/s；HS的質量排放率與輕型車的行駛速度相關性較強，此區間車速較低，對應的HC質量排放率數值較低，最低值出現於比功率區間bin1，為0.0637mg/s；的質量排放率隨比功率區間的增加接近線性增加，這與較大比功率帶來氣缸內更高的燃燒溫度有直接關係。2）比功率區間bin4～bin5對應著輕型車行駛順暢，沒有急加速和急減速的情形產生。CO和HC在此區間範圍內有增有減，變化不大；在此範圍內有所增長，增速緩慢，這與此區間車速不高，運行平穩有關。

3）比功率區間bin6～bin10對應著輕型車車速較高，以及加速度較大的情形，大多出現於輕型車行駛中突然加速的時刻。3種排放污染物在這個比功率區間範圍內的排放率要明顯高於其他區間，這是由於車速高有利於的產生，而大的加速度為CO和HC的產生提供了有利條件。

②各分區輕型車質量排放率

通過對不同比功率區間的比功率對應的質量排放率的平均計算，得到了如表3所示的輕型車10個比功率分區的3種排放污染物的質量排放率，可以以此作為與交通模擬模型結合來量化輕型車排放的依據。

選擇城市道路輕型車作為研究對象，通過搭建車載排放測試試驗平台，進行實際道路排放測試試驗，獲取了輕型車質量排放數據與行駛工況數據對應的資料庫；建立了適用於機動車比功率計算的公式，分析了輕型車排放隨比功率及速度的變化關係，並對比功率進行了分區。研究結論如下：

a.輕型車3種污染物質量排放率與比功率具有很高的相關性，3種排放污染物的排放速率隨著比功率的增加而增加。

b.比功率區間 bin1～bin3對應著輕型車比功率為負值的情況，排放速率最慢；比功率區間 bin6～bin10對應著輕型車處於比較高的速度和加速度情形，排放速率明顯高於其他比功率區間。

c. 通過不同比功率區間的比功率對應的質量排放率的平均計算，得到了10個比功率分區的3種排放污染物的質量排放率，可以作為與交通模擬模型結合來量化排放的依據。