不同行驶工况下汽车尾气排放的特点研究

　　摘 要

　　随着排放法规的严格执行,我国轻型车的污染排放已经得到了有效控制,但重型汽车的污染排放问题还亟待解决,尤其是保有量较大、使用较频繁的客车和公交车,已经成为城市机动车污染排放的关键因素.本课题的研究内容是分析柴油车和混合动力车在不同行驶工况下对排放的影响.

　　本文调研了国内外行驶工况的研究进展,了解了汽车尾气主要污染排放物的生成机理和危害所在,归纳了汽车尾气排放的四种检测方法.对比分析后选择了底盘测功机和车载尾气分析系统作为主要实验器材进行了实验研究.底盘测功机的准确性和稳定性良好,在未来重型车整车排放方面将是重要的检测仪器.选择了 CCBC 循环工况分别对柴油车和混合动力车进行了整车排放实验分析,研究了匀速、加速、怠速等不同工况对车辆排放的贡献程度,发现加速工况尤其是高速加速工况对排放污染物的分担率最高.

　　关键字:行驶工况 排放污染物 整车排放

　　Abstract

　　With the strict implementation of the emission regulations, the pollution emission of lightvehicles in China has been effectively controlled, but the pollution emission of heavy vehicles isstill urgent to be solved, especially the large and frequent buses and buses, which have becomethe key factors for the emission of vehicle pollution in the city. The purpose of this research is toanalyze the effects of diesel and hybrids on emissions under different driving conditions.

　　In this paper, the research progress on the driving conditions at home and abroad isinvestigated, the formation mechanism and the harm of the main exhaust emissions ofautomobile exhaust are understood, and four kinds of detection methods for automobile exhaustemission are summarized. After comparing and analyzing, chassis dynamometer and vehicleexhaust analysis system were selected as the main experimental equipment. The chassisdynamometer has good accuracy and stability. It will be an important testing instrument forheavy vehicle emission in the future. The exhaust emission of diesel vehicles and hybrid vehicleswas analyzed in the CCBC cycle, and the contribution degree to the vehicle emission wasstudied at the same speed, acceleration and idle speed. It was found that the sharing rate ofemission pollutants was the highest in acceleration condition, especially at high speed.

　　Keywords: Driving condition;Emission of pollutants;Vehicle emission

　　目 录

　　第一章 绪论 .....................................................................1

　　1.1 论文选题背景 ...........................................................1

　　1.2 本文的研究内容与目的 ...................................................3

　　1.3 国内外行驶工况研究进展 .....................................................3

　　1.3.1 国外行驶工况研究进展 ...................................................4

　　1.3.2 国内行驶工况研究进展 ...................................................6

　　第二章 汽车排放污染物与排放检测方法 ..............................7

　　2.1 排放污染物的生成机理 ...................................................8

　　2.2 排放污染物的危害 .......................................................8

　　2.3 汽车尾气排放检测方法........................................................9

　　2.3.1 怠速检测法 ..............................................................9

　　2.3.2 双怠速检测法 ............................................................9

　　2.3.3 简易瞬态工况检测法 .....................................................9

　　2.3.4 瞬态工况检测法..........................................................9

　　第三章 整车排放实验..............................................11

　　3.1 试验准备阶段 ..........................................................11

　　3.1.1 循环工况的选择.........................................................11

　　3.1.2 车辆及环境情况的准备 ..................................................11

　　3.2 实验数据采集 ..........................................................14

　　第四章 实验数据对比分析..........................................17

　　4.1 常规柴油车不同工况影响数据分析 ........................................17

　　4.2 混合动力客车不同工况影响数据分析 ......................................18

　　第五章 总结与展望................................................22

　　5.1 主要研究内容和成果 ....................................................22

　　5.2 展望 ..................................................................22

　　参考文献.........................................................23

　　附录.............................................................25

　　致 谢............................................................26

　　第一章 绪论

　　1.1 论文选题背景

　　在当代社会中,出行方式越来越多样性,其中汽车作为日常出行的首要工具,已经影响到了我们生活的方方面面.我国发展快速的经济水平和城市建设速度日新月异,汽车的保有量呈现出史无前例的增长速度.到 2016 年底,我国机动车保有量达到惊人的 2.9 亿辆,在这其中汽车就达到了 1.94 亿辆,每年增加的数量和今年新注册的车辆数目都达到了建国以来未有的高度.随着人均GDP 的增长,居民生活越来越来,对于汽车等非必需品的需求力度保持着旺盛的增加趋势.在 2016 年之中,新登记上牌的车辆就达到了 2752 万辆,全国汽车总量增加了 2212 万辆,都是有史以来的最高水平.近五年来汽车在机动车中的比重从 50.39%提高到 65.97%.增长如此迅速的节奏,既给城市环境保护带来了更大的挑战,也给城市交通带来了极大压力.并且,我国的汽车制造能力还不太足,达标排放的新车的比率较低,车辆的保养、维护制度都不够完善,交通管治、法律标准等方面都已经不能满足汽车产业发展的迫切需要,汽车污染排放已严重影响到了我国城市的空气质量.

　　2007 年颁布了轻型车污染排放的国Ⅲ标准,紧接着国Ⅳ标准在 2010 年 7 月 1 日开始实施.据《中国机动车环境管理年报(2017)》统计表明,年报所统计的 2.76 亿辆机动车中,国Ⅰ之前标准的汽车占 1.0%,国Ⅰ标准的占5.4%,国Ⅱ标准的占 6.4%,国Ⅲ标准的占 24.3%,国Ⅳ标准的占 52.4%,国Ⅴ及以上标准的占 10.5%.其中 2016 年, 我国机动车排放污染物总量初步估算为4472.5 万吨,比 2015 年同期削减了大约 1.3%.在污染物排放总量的占主要部分的是汽车排放,所排放的碳氢化合物和一氧化碳含量占比超过 80%,而氮氧化物和颗粒物的含量占比甚至超过 90%.分别为:一氧化碳(CO)3419.3 万吨,碳氢化合物(HC)422.0 万吨,氮氧化物(NOx)577.8 万吨,颗粒物(PM)53.4 万吨.除此以外,汽车对上述四项污染物的排放量还是呈现逐年递增的状态.2011~2016 年,我国汽车主要污染物(CO、HC、NOx 等)的排放量由 3770.6 万吨增加到 3939.3 万吨,年均增长 0.9%.大量研究表明,汽车尾气排放已经成为组成我国城市空气污染的重要成分,城市地区所出现的空气污染已经由"煤烟型"向"尾气型"逐渐转变.

　　为了保证汽车产业持久稳定的发展,解决汽车排放导致的环境污染问题和世界能源危机,在法律法规和市场需求的双管齐下作用下,许多著名的国际汽车公司开始大力开发环保汽车,各国政府也加大了对清洁能源汽车的支持和推广力度.新能源汽车目前包括混合动力电动汽车(HEV,Hybrid ElectricVehicle)、燃料电池汽车(FCV,Fuel Cell Vehicles)和纯电动汽车(PEV,Pure Electric Vehicles)等.混合动力电动车,简称混动车,有很多种类,它的基本技术原理是,内燃机在相对稳定燃烧效率的行驶状况下发电,在电池中将电能储备,使用电动机驱动车辆行驶.混动车既具备节能省油和排放低的优点,又弥补了新能源汽车行驶里程短的缺点,是现在这个阶段解决节能与环保问题的途径之一,并且得到了快速的发展,慢慢地进入商业化使用阶段.纯电动汽车是指以可充电蓄电池为汽车的动力源,是真正可以实现接近无污染的汽车.但纯电动车受限于起电池技术,无法做到长远行驶路程、成本低廉、便携充电.燃料电池汽车是使用将化学能转换为电能作为驱动力的车辆,电池的发电效率接近 60%,在燃料电池汽车技术中,其原材料成本太高而且燃料电池的其它关键技术(氢能源制备等)也不是很成熟,燃料电池的运输和贮藏也比较困难,因此无法在短期内替代传统汽车.

　　眼下,国内外关于混动车的研究重心在驱动系统的研发方向,但是关于混动车排放方面的研究报道并不多.有研究发现,与传统汽车比较,普锐斯的CO2排放的减少了 50%,CO、HC、NOx 的排放降低到日本规定限值的 11%,并达到了美国制定的超低排放标准.我国有教授从多角度对混合动力车的能量管理系统进行了研究,研究表明,混动车的循环行驶工况对它的排放能力和燃油经济性有重要意义.通过对混合动力客车在实际行驶工况下的测试发现并联混合动力车辆的 HC、CO 和 PM 这三种污染物的减排能力方面不明显且远不如串联车辆

　　1.2 本文的研究内容与目的

　　排放法例的执行力度越来越大,导致轻量级汽车的污染得到了有效的控制.城市环保管理部门的关注焦点在于重型汽车的污染排放.目前城市中使用最为频繁、使用量最大的重型车辆是公交车.如果按照律例的方法进行评测,公交车的发动机排放量和实际车辆排放差距较大,无法反映实际情况.在实验室用底盘测功机进行排放测试,按照整车现实的循环工况进行整车排放测试可以提供精确的公交车整车排放数据,可以有效的帮助环保部门和车企管理车辆的实际排放和合理控制污染.

　　高速成长的汽车技术给汽车试验技术带来了困难和机会,而新能源汽车也给国家汽车检测手段提出了更多的要求,尤其是对重型新能源车辆测试技术的研究.研究可用于重型汽车、混合动力汽车的整车排放测试技术的方法,构成符合国际或国内的标准和法规体系,达到新能源汽车实验的技术指标,成立和完善检测评价系统是未来我国测试技术发展的一个重点.

　　在车载排放测试系统的发展过程中,测试车辆在实际道路上的瞬态排放已经成为研究热门.本课题的研究目标可分为如下三个方面:

　　(1)搭载的车载排放测试体系可以很好的满足车辆道路行驶工况的构建和汽车尾气的瞬态排放测试研究.

　　(2)通过道路试验能够对城市行驶工况有进一步的了解,在试验过程中能够认识到尾气有害排放的严重性.

　　(3)通过试验数据对比分析混合动力客车和常规柴油客车在不同行驶工况下对尾气排放的影响研究.

　　1.3 国内外行驶工况的研究进展

　　车辆行驶工况,是对某种车辆(如乘用车、客车、公交车、重型车等)被用来指代在某一类道路情况下(如高速公路、城区等)的车辆行驶特点的"速 度-时间-档位"历程关系.行驶工况指通过调查车辆的现实行驶状态,并解析获得的试验数据,运用多元理论的统计方法,构建起来的典范工况.

　　1.3.1 国外行驶工况的研究进展

　　当下,世界上使用广泛的排放标准主要有美国、欧洲和日本三大工况种类.为了在实行过程当中有一个相近的测试历程,这些标准里都有一些了特定的行驶工况.所以,世界上的车辆行驶工况目前主要分为美国行驶工况(USDC)、欧洲行驶工况(EDC)和日本行驶工况(JDC).在这之中当以美国 FTP(联邦测试法规)为代表的瞬态工况(FTP-75)和欧洲 ECE 为代表的模态工况(NEDC)为世界各国所使用.

　　(1)美国行驶工况

　　为了了解洛杉矶市区内的光化学烟雾是不是和汽车排放有关联,20 世纪中叶美国汽车制造商协会做了道路上具备典范特点的行驶情况的调查统计,然后得到了一个囊括 11 种工况的测试循环工况,用于代表汽车在洛杉矶市区行驶的真实环境.1964 年,加利福尼亚州机动车污染管理署对这 11 工况进行了修缮,得到了一个 7 工况测试循环.这个测试工况基本上是一个拼凑而成的试验工况是一些包括怠速、匀加速、匀速和匀减速的直线所组成的.

　　加州研究者在上述测试工况的基础上又加入了对减速和加速过程的考虑,最终形成的就是有名的 LA-4 测试工况,被称作美国现在联邦测试工况的先辈.

　　在这个基础上,测试人员通过对 LA-4 测试工况进行了改进,最终形成了美国环保署制定的汽车底盘测功机测试工况,简称 UDDS,即 FTP-72.这标志着汽车排放的测试工况从道路行驶工况的测量转向动态底盘测功机循环工况的测量.

　　在经过美国其他一些大城市的进一步的深入研究,FTP-75 诞生了.FTP-75相较于 FTP-72 的一个重大改进是在原本冷启动的基础上增添了热启动的情况.每次循环持续 2475s,包括冷态过度工况(0~505s)、稳定工况(506~1370s)和热态过度工况(1970~2475s),主要特征参数见表 1-1.FTP 工况被底盘测功机的功能所限制,能够实现的最大时速是 91km/h,最大加速度为 1.47m/s2,存在不能囊括所有速度和加速度的缺点.FTP 工况的另一个不足是因为测功机所承受的载荷有限,不能演练空调开放时的运行情况.为了弥补不足,美国在 2000年引入了 SFTP(Supplement Federal Test Procedure)标准测试循环.该工况包括了实际环境中全部的速度和载荷的情况,将空调开放时的情况考虑在内,并额外增加了对频繁变化的速度和带空调的运行状态的试验.

　　(2)欧洲行驶工况

　　欧洲当下采用的工况是 ECE+EUDC 工况,这种工况是由两部分内容组成.一部分是日常的城市行驶工况,是由 15 种行驶工况构成,通常被称为"十五工况法",主要体现了机动车在欧洲城市内的行驶特征.为了展现车辆在郊区高速行驶时的排放情况,从 1992 年下半年开始,在欧盟各国规定的标准测试工况后面又增加了新的内容,就是机动车在郊外公路上的行驶工况 EUDC(ExtraUrban Driving Cycle),把这两种工况合起来称作 NEDC(New European DrivingCycle).其主要特征参数见表 1-2.

　　和美国 FTP-75 工况有区别的地方在于,EUDC 是一种模态工况,是由匀速、匀加速和匀减速运动所构成,缺乏真实可靠性.因此欧洲行驶工况对于排放的测试数据要比真实情况低 13%~23%.除此之外,整个试验中的最大加速度只有1.05m/s2,也不能满足美国测试规程的要求,导致结果的可信性受到影响.最先在 2000 年,欧洲工况中的 40 秒预热机程序被取缔,冷启动时的污染物排放也将被检测,从而让测试工况的条件变得严厉起来.ECE 工况始终无法摆脱模态工况的缺陷,但因为考虑了冷启动的影响而比之前的工况更有代表性.

　　欧洲在于瞬态工况的构建方面也取得了成功.在大量实验的根本上,欧盟最终创立了轻型汽车 Common ARTEMIS Driving Cycles 工况,简称 CADC 工况.试验数据是从 80 多辆乘用车,在欧洲 6 个国家城市和郊区道路,总计行驶里程大于 100000km 的数据基础上汇总构建成功的.最终开发出了分别能够体现轻型车在市区、郊区以及高速公路等不同行驶特点的行驶工况.

　　1.3.2 国内行驶工况的研究进展

　　国内也有许多学者对各个城市主要路段的车辆行驶情况进行了研究.香港理工大学的研究人员将一套车载速度测量仪和车载尾气排放检测系统安装在一辆轻型汽车上,在两个具有典型特征的路线进行了试验研究,分析大量数据最终得到了一个和实际车辆行驶速度有关联的行驶工况.主要特征参数见表 1-3所示.

　　对于建立北京市市区主干道机动车行驶规律的研究方法,北京交通大学的研究人员进行了探讨,通过将 OEM 和 GPS 技术联立使用,发现适用于北京市市区主干道机动车实际行驶情况的行驶工况建立方法,并且提出了 19 个可以用来评估车辆行驶工况的指标,并通过样本分析法得出了一个简易的北京市轻型车行驶工况.

　　基于上海市的道路和车辆行驶情况,同济大学的学者采用覆盖率、等概率抽样和路段频度等方法,研究能够代表上海市公交车的运行轨迹,采集了大量的试验数据和实际运行数据,对这些数据进行了归纳处理,最终采用短行程、聚类分析、成分分析等多种方法,搭建了上海市公交车的实际行驶工况.

　　除此之外,中国环境科学院还对广州、大连、天津等城市的行驶工况也进行了研究,对中国大型城市的车辆实际道路行驶状况给出了评估标准.

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　第五章 总结与展望

　　5.1 主要研究内容和成果

　　调查掌握了国内外对于行驶工况的研究进展,对于汽车尾气排放污染物有了更清楚的认识,了解了生成机理和主要危害,并归纳了汽车尾气检测方法.基于底盘测功机和车载尾气分析系统,做了有关于柴油车和混合动力车在 CCBC循环工况下的整车排放试验.通研究分析发现,对于主要研究的排放污染物(CO、HC、NOx),加速工况尤其是高速加速工况对于排放的影响最大,产生的污染物在相同时间内远高于其他行驶工况.在总的排放中,分担比重可以达到接近 60%的水平.而除了加速工况外,怠速工况对于排放贡献也很大,尤其在CO、NOx 方面尤为突出.相较于柴油车的排放污染量,混合动力车的整体排放物要低.其次百公里油耗和排气温度方面也低与柴油车.

　　5.2 展望

　　基于底盘测功机和车载尾气分析系统的重型车整车排放试验方法是可行的、试用国标排放标准检定的测试方法,解决了混合动力车、新能源车无法在实验室进行发动机台架试验的问题.

　　希望随着《重型混合动力电动汽车 能量消耗量 试验方法》的推行,有关于重型车整车排放的试验检测方法能够更加完备、更加严格.希望在不久的将来,汽车污染能够不再是影响环境的主要因素.

　　致 谢

　　首先感谢××老师的静心指导和大力支持,他渊博的知识和远见的卓识给了我深深的启迪,在论文撰写过程中及时对我遇到的问题进行解答,投入了很多的心血和精力,在此我向××老师表示衷心的谢意.

　　在这里我还要感谢×××师和许广举院长的赐教之恩,在我的论文撰写过程中,两位导师给予了我悉心的指导和经验传授.×××老师博览中外,对我的论文的构思提供了宝贵的意见和建议.许广举院长亲自指导我实验,在实验过程中,时刻叮嘱我操作注意安全,整理数据时细心指导.在此再次向两位导师表达由衷的谢意.

　　感谢这三年来我的朋友以及车辆××同学对我的学习、生活和工作的支持和关心.正是一路上有你们的陪伴,我的大学生涯才不会感到孤独,马上就要各奔前程了,希望你们有好的前途,在你的背后还有车辆 141 班这个大家庭!

　　最后衷心的祝愿各位能够前程似锦,飞黄腾达.
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