不同行駛工況下汽車尾氣排放的特點研究

　　摘 要

　　隨著排放法規的嚴格執行,我國輕型車的污染排放已經得到了有效控制,但重型汽車的污染排放問題還亟待解決,尤其是保有量較大、使用較頻繁的客車和公交車,已經成為城市機動車污染排放的關鍵因素.本課題的研究內容是分析柴油車和混合動力車在不同行駛工況下對排放的影響.

　　本文調研了國內外行駛工況的研究進展,了解了汽車尾氣主要污染排放物的生成機理和危害所在,歸納了汽車尾氣排放的四種檢測方法.對比分析后選擇了底盤測功機和車載尾氣分析系統作為主要實驗器材進行了實驗研究.底盤測功機的準確性和穩定性良好,在未來重型車整車排放方面將是重要的檢測儀器.選擇了 CCBC 循環工況分別對柴油車和混合動力車進行了整車排放實驗分析,研究了勻速、加速、怠速等不同工況對車輛排放的貢獻程度,發現加速工況尤其是高速加速工況對排放污染物的分擔率最高.

　　關鍵字:行駛工況 排放污染物 整車排放

　　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 錄

　　第一章 緒論 .....................................................................1

　　1.1 論文選題背景 ...........................................................1

　　1.2 本文的研究內容與目的 ...................................................3

　　1.3 國內外行駛工況研究進展 .....................................................3

　　1.3.1 國外行駛工況研究進展 ...................................................4

　　1.3.2 國內行駛工況研究進展 ...................................................6

　　第二章 汽車排放污染物與排放檢測方法 ..............................7

　　2.1 排放污染物的生成機理 ...................................................8

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

　　2.3 汽車尾氣排放檢測方法........................................................9

　　2.3.1 怠速檢測法 ..............................................................9

　　2.3.2 雙怠速檢測法 ............................................................9

　　2.3.3 簡易瞬態工況檢測法 .....................................................9

　　2.3.4 瞬態工況檢測法..........................................................9

　　第三章 整車排放實驗..............................................11

　　3.1 試驗準備階段 ..........................................................11

　　3.1.1 循環工況的選擇.........................................................11

　　3.1.2 車輛及環境情況的準備 ..................................................11

　　3.2 實驗數據采集 ..........................................................14

　　第四章 實驗數據對比分析..........................................17

　　4.1 常規柴油車不同工況影響數據分析 ........................................17

　　4.2 混合動力客車不同工況影響數據分析 ......................................18

　　第五章 總結與展望................................................22

　　5.1 主要研究內容和成果 ....................................................22

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

　　參考文獻.........................................................23

　　附錄.............................................................25

　　致 謝............................................................26

　　第一章 緒論

　　1.1 論文選題背景

　　在當代社會中,出行方式越來越多樣性,其中汽車作為日常出行的首要工具,已經影響到了我們生活的方方面面.我國發展快速的經濟水平和城市建設速度日新月異,汽車的保有量呈現出史無前例的增長速度.到 2016 年底,我國機動車保有量達到驚人的 2.9 億輛,在這其中汽車就達到了 1.94 億輛,每年增加的數量和今年新注冊的車輛數目都達到了建國以來未有的高度.隨著人均GDP 的增長,居民生活越來越來,對于汽車等非必需品的需求力度保持著旺盛的增加趨勢.在 2016 年之中,新登記上牌的車輛就達到了 2752 萬輛,全國汽車總量增加了 2212 萬輛,都是有史以來的最高水平.近五年來汽車在機動車中的比重從 50.39%提高到 65.97%.增長如此迅速的節奏,既給城市環境保護帶來了更大的挑戰,也給城市交通帶來了極大壓力.并且,我國的汽車制造能力還不太足,達標排放的新車的比率較低,車輛的保養、維護制度都不夠完善,交通管治、法律標準等方面都已經不能滿足汽車產業發展的迫切需要,汽車污染排放已嚴重影響到了我國城市的空氣質量.

　　2007 年頒布了輕型車污染排放的國Ⅲ標準,緊接著國Ⅳ標準在 2010 年 7 月 1 日開始實施.據《中國機動車環境管理年報(2017)》統計表明,年報所統計的 2.76 億輛機動車中,國Ⅰ之前標準的汽車占 1.0%,國Ⅰ標準的占5.4%,國Ⅱ標準的占 6.4%,國Ⅲ標準的占 24.3%,國Ⅳ標準的占 52.4%,國Ⅴ及以上標準的占 10.5%.其中 2016 年, 我國機動車排放污染物總量初步估算為4472.5 萬噸,比 2015 年同期削減了大約 1.3%.在污染物排放總量的占主要部分的是汽車排放,所排放的碳氫化合物和一氧化碳含量占比超過 80%,而氮氧化物和顆粒物的含量占比甚至超過 90%.分別為:一氧化碳(CO)3419.3 萬噸,碳氫化合物(HC)422.0 萬噸,氮氧化物(NOx)577.8 萬噸,顆粒物(PM)53.4 萬噸.除此以外,汽車對上述四項污染物的排放量還是呈現逐年遞增的狀態.2011~2016 年,我國汽車主要污染物(CO、HC、NOx 等)的排放量由 3770.6 萬噸增加到 3939.3 萬噸,年均增長 0.9%.大量研究表明,汽車尾氣排放已經成為組成我國城市空氣污染的重要成分,城市地區所出現的空氣污染已經由"煤煙型"向"尾氣型"逐漸轉變.

　　為了保證汽車產業持久穩定的發展,解決汽車排放導致的環境污染問題和世界能源危機,在法律法規和市場需求的雙管齊下作用下,許多著名的國際汽車公司開始大力開發環保汽車,各國政府也加大了對清潔能源汽車的支持和推廣力度.新能源汽車目前包括混合動力電動汽車(HEV,Hybrid ElectricVehicle)、燃料電池汽車(FCV,Fuel Cell Vehicles)和純電動汽車(PEV,Pure Electric Vehicles)等.混合動力電動車,簡稱混動車,有很多種類,它的基本技術原理是,內燃機在相對穩定燃燒效率的行駛狀況下發電,在電池中將電能儲備,使用電動機驅動車輛行駛.混動車既具備節能省油和排放低的優點,又彌補了新能源汽車行駛里程短的缺點,是現在這個階段解決節能與環保問題的途徑之一,并且得到了快速的發展,慢慢地進入商業化使用階段.純電動汽車是指以可充電蓄電池為汽車的動力源,是真正可以實現接近無污染的汽車.但純電動車受限于起電池技術,無法做到長遠行駛路程、成本低廉、便攜充電.燃料電池汽車是使用將化學能轉換為電能作為驅動力的車輛,電池的發電效率接近 60%,在燃料電池汽車技術中,其原材料成本太高而且燃料電池的其它關鍵技術(氫能源制備等)也不是很成熟,燃料電池的運輸和貯藏也比較困難,因此無法在短期內替代傳統汽車.

　　眼下,國內外關于混動車的研究重心在驅動系統的研發方向,但是關于混動車排放方面的研究報道并不多.有研究發現,與傳統汽車比較,普銳斯的CO2排放的減少了 50%,CO、HC、NOx 的排放降低到日本規定限值的 11%,并達到了美國制定的超低排放標準.我國有教授從多角度對混合動力車的能量管理系統進行了研究,研究表明,混動車的循環行駛工況對它的排放能力和燃油經濟性有重要意義.通過對混合動力客車在實際行駛工況下的測試發現并聯混合動力車輛的 HC、CO 和 PM 這三種污染物的減排能力方面不明顯且遠不如串聯車輛

　　1.2 本文的研究內容與目的

　　排放法例的執行力度越來越大,導致輕量級汽車的污染得到了有效的控制.城市環保管理部門的關注焦點在于重型汽車的污染排放.目前城市中使用最為頻繁、使用量最大的重型車輛是公交車.如果按照律例的方法進行評測,公交車的發動機排放量和實際車輛排放差距較大,無法反映實際情況.在實驗室用底盤測功機進行排放測試,按照整車現實的循環工況進行整車排放測試可以提供精確的公交車整車排放數據,可以有效的幫助環保部門和車企管理車輛的實際排放和合理控制污染.

　　高速成長的汽車技術給汽車試驗技術帶來了困難和機會,而新能源汽車也給國家汽車檢測手段提出了更多的要求,尤其是對重型新能源車輛測試技術的研究.研究可用于重型汽車、混合動力汽車的整車排放測試技術的方法,構成符合國際或國內的標準和法規體系,達到新能源汽車實驗的技術指標,成立和完善檢測評價系統是未來我國測試技術發展的一個重點.

　　在車載排放測試系統的發展過程中,測試車輛在實際道路上的瞬態排放已經成為研究熱門.本課題的研究目標可分為如下三個方面:

　　(1)搭載的車載排放測試體系可以很好的滿足車輛道路行駛工況的構建和汽車尾氣的瞬態排放測試研究.

　　(2)通過道路試驗能夠對城市行駛工況有進一步的了解,在試驗過程中能夠認識到尾氣有害排放的嚴重性.

　　(3)通過試驗數據對比分析混合動力客車和常規柴油客車在不同行駛工況下對尾氣排放的影響研究.

　　1.3 國內外行駛工況的研究進展

　　車輛行駛工況,是對某種車輛(如乘用車、客車、公交車、重型車等)被用來指代在某一類道路情況下(如高速公路、城區等)的車輛行駛特點的"速 度-時間-檔位"歷程關系.行駛工況指通過調查車輛的現實行駛狀態,并解析獲得的試驗數據,運用多元理論的統計方法,構建起來的典范工況.

　　1.3.1 國外行駛工況的研究進展

　　當下,世界上使用廣泛的排放標準主要有美國、歐洲和日本三大工況種類.為了在實行過程當中有一個相近的測試歷程,這些標準里都有一些了特定的行駛工況.所以,世界上的車輛行駛工況目前主要分為美國行駛工況(USDC)、歐洲行駛工況(EDC)和日本行駛工況(JDC).在這之中當以美國 FTP(聯邦測試法規)為代表的瞬態工況(FTP-75)和歐洲 ECE 為代表的模態工況(NEDC)為世界各國所使用.

　　(1)美國行駛工況

　　為了了解洛杉磯市區內的光化學煙霧是不是和汽車排放有關聯,20 世紀中葉美國汽車制造商協會做了道路上具備典范特點的行駛情況的調查統計,然后得到了一個囊括 11 種工況的測試循環工況,用于代表汽車在洛杉磯市區行駛的真實環境.1964 年,加利福尼亞州機動車污染管理署對這 11 工況進行了修繕,得到了一個 7 工況測試循環.這個測試工況基本上是一個拼湊而成的試驗工況是一些包括怠速、勻加速、勻速和勻減速的直線所組成的.

　　加州研究者在上述測試工況的基礎上又加入了對減速和加速過程的考慮,最終形成的就是有名的 LA-4 測試工況,被稱作美國現在聯邦測試工況的先輩.

　　在這個基礎上,測試人員通過對 LA-4 測試工況進行了改進,最終形成了美國環保署制定的汽車底盤測功機測試工況,簡稱 UDDS,即 FTP-72.這標志著汽車排放的測試工況從道路行駛工況的測量轉向動態底盤測功機循環工況的測量.

　　在經過美國其他一些大城市的進一步的深入研究,FTP-75 誕生了.FTP-75相較于 FTP-72 的一個重大改進是在原本冷啟動的基礎上增添了熱啟動的情況.每次循環持續 2475s,包括冷態過度工況(0~505s)、穩定工況(506~1370s)和熱態過度工況(1970~2475s),主要特征參數見表 1-1.FTP 工況被底盤測功機的功能所限制,能夠實現的最大時速是 91km/h,最大加速度為 1.47m/s2,存在不能囊括所有速度和加速度的缺點.FTP 工況的另一個不足是因為測功機所承受的載荷有限,不能演練空調開放時的運行情況.為了彌補不足,美國在 2000年引入了 SFTP(Supplement Federal Test Procedure)標準測試循環.該工況包括了實際環境中全部的速度和載荷的情況,將空調開放時的情況考慮在內,并額外增加了對頻繁變化的速度和帶空調的運行狀態的試驗.

　　(2)歐洲行駛工況

　　歐洲當下采用的工況是 ECE+EUDC 工況,這種工況是由兩部分內容組成.一部分是日常的城市行駛工況,是由 15 種行駛工況構成,通常被稱為"十五工況法",主要體現了機動車在歐洲城市內的行駛特征.為了展現車輛在郊區高速行駛時的排放情況,從 1992 年下半年開始,在歐盟各國規定的標準測試工況后面又增加了新的內容,就是機動車在郊外公路上的行駛工況 EUDC(ExtraUrban Driving Cycle),把這兩種工況合起來稱作 NEDC(New European DrivingCycle).其主要特征參數見表 1-2.

　　和美國 FTP-75 工況有區別的地方在于,EUDC 是一種模態工況,是由勻速、勻加速和勻減速運動所構成,缺乏真實可靠性.因此歐洲行駛工況對于排放的測試數據要比真實情況低 13%~23%.除此之外,整個試驗中的最大加速度只有1.05m/s2,也不能滿足美國測試規程的要求,導致結果的可信性受到影響.最先在 2000 年,歐洲工況中的 40 秒預熱機程序被取締,冷啟動時的污染物排放也將被檢測,從而讓測試工況的條件變得嚴厲起來.ECE 工況始終無法擺脫模態工況的缺陷,但因為考慮了冷啟動的影響而比之前的工況更有代表性.

　　歐洲在于瞬態工況的構建方面也取得了成功.在大量實驗的根本上,歐盟最終創立了輕型汽車 Common ARTEMIS Driving Cycles 工況,簡稱 CADC 工況.試驗數據是從 80 多輛乘用車,在歐洲 6 個國家城市和郊區道路,總計行駛里程大于 100000km 的數據基礎上匯總構建成功的.最終開發出了分別能夠體現輕型車在市區、郊區以及高速公路等不同行駛特點的行駛工況.

　　1.3.2 國內行駛工況的研究進展

　　國內也有許多學者對各個城市主要路段的車輛行駛情況進行了研究.香港理工大學的研究人員將一套車載速度測量儀和車載尾氣排放檢測系統安裝在一輛輕型汽車上,在兩個具有典型特征的路線進行了試驗研究,分析大量數據最終得到了一個和實際車輛行駛速度有關聯的行駛工況.主要特征參數見表 1-3所示.

　　對于建立北京市市區主干道機動車行駛規律的研究方法,北京交通大學的研究人員進行了探討,通過將 OEM 和 GPS 技術聯立使用,發現適用于北京市市區主干道機動車實際行駛情況的行駛工況建立方法,并且提出了 19 個可以用來評估車輛行駛工況的指標,并通過樣本分析法得出了一個簡易的北京市輕型車行駛工況.

　　基于上海市的道路和車輛行駛情況,同濟大學的學者采用覆蓋率、等概率抽樣和路段頻度等方法,研究能夠代表上海市公交車的運行軌跡,采集了大量的試驗數據和實際運行數據,對這些數據進行了歸納處理,最終采用短行程、聚類分析、成分分析等多種方法,搭建了上海市公交車的實際行駛工況.

　　除此之外,中國環境科學院還對廣州、大連、天津等城市的行駛工況也進行了研究,對中國大型城市的車輛實際道路行駛狀況給出了評估標準.

　　…………由于本文篇幅較長,部分內容省略,詳細全文見文末附件

　　第五章 總結與展望

　　5.1 主要研究內容和成果

　　調查掌握了國內外對于行駛工況的研究進展,對于汽車尾氣排放污染物有了更清楚的認識,了解了生成機理和主要危害,并歸納了汽車尾氣檢測方法.基于底盤測功機和車載尾氣分析系統,做了有關于柴油車和混合動力車在 CCBC循環工況下的整車排放試驗.通研究分析發現,對于主要研究的排放污染物(CO、HC、NOx),加速工況尤其是高速加速工況對于排放的影響最大,產生的污染物在相同時間內遠高于其他行駛工況.在總的排放中,分擔比重可以達到接近 60%的水平.而除了加速工況外,怠速工況對于排放貢獻也很大,尤其在CO、NOx 方面尤為突出.相較于柴油車的排放污染量,混合動力車的整體排放物要低.其次百公里油耗和排氣溫度方面也低與柴油車.

　　5.2 展望

　　基于底盤測功機和車載尾氣分析系統的重型車整車排放試驗方法是可行的、試用國標排放標準檢定的測試方法,解決了混合動力車、新能源車無法在實驗室進行發動機臺架試驗的問題.

　　希望隨著《重型混合動力電動汽車 能量消耗量 試驗方法》的推行,有關于重型車整車排放的試驗檢測方法能夠更加完備、更加嚴格.希望在不久的將來,汽車污染能夠不再是影響環境的主要因素.

　　致 謝

　　首先感謝××老師的靜心指導和大力支持,他淵博的知識和遠見的卓識給了我深深的啟迪,在論文撰寫過程中及時對我遇到的問題進行解答,投入了很多的心血和精力,在此我向××老師表示衷心的謝意.

　　在這里我還要感謝×××師和許廣舉院長的賜教之恩,在我的論文撰寫過程中,兩位導師給予了我悉心的指導和經驗傳授.×××老師博覽中外,對我的論文的構思提供了寶貴的意見和建議.許廣舉院長親自指導我實驗,在實驗過程中,時刻叮囑我操作注意安全,整理數據時細心指導.在此再次向兩位導師表達由衷的謝意.

　　感謝這三年來我的朋友以及車輛××同學對我的學習、生活和工作的支持和關心.正是一路上有你們的陪伴,我的大學生涯才不會感到孤獨,馬上就要各奔前程了,希望你們有好的前途,在你的背后還有車輛 141 班這個大家庭!

　　最后衷心的祝愿各位能夠前程似錦,飛黃騰達.
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