摘 要

　　隨著(zhù)排放法規的嚴格執行,我國輕型車(chē)的污染排放已經(jīng)得到了有效控制,但重型汽車(chē)的污染排放問(wèn)題還亟待解決,尤其是保有量較大、使用較頻繁的客車(chē)和公交車(chē),已經(jīng)成為城市機動(dòng)車(chē)污染排放的關(guān)鍵因素.本課題的研究?jì)热菔欠治霾裼蛙?chē)和混合動(dòng)力車(chē)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(jìn)展,了解了汽車(chē)尾氣主要污染排放物的生成機理和危害所在,歸納了汽車(chē)尾氣排放的四種檢測方法.對比分析后選擇了底盤(pán)測功機和車(chē)載尾氣分析系統作為主要實(shí)驗器材進(jìn)行了實(shí)驗研究.底盤(pán)測功機的準確性和穩定性良好,在未來(lái)重型車(chē)整車(chē)排放方面將是重要的檢測儀器.選擇了 CCBC 循環(huán)工況分別對柴油車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)進(jìn)行了整車(chē)排放實(shí)驗分析,研究了勻速、加速、怠速等不同工況對車(chē)輛排放的貢獻程度,發(fā)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(guān)鍵字:行駛工況 排放污染物 整車(chē)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?jì)热菖c目的 ...................................................3

　　1.3 國內外行駛工況研究進(jìn)展 .....................................................3

　　1.3.1 國外行駛工況研究進(jìn)展 ...................................................4

　　1.3.2 國內行駛工況研究進(jìn)展 ...................................................6

　　第二章 汽車(chē)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(chē)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(jiǎn)易瞬態(tài)工況檢測法 .....................................................9

　　2.3.4 瞬態(tài)工況檢測法..........................................................9

　　第三章 整車(chē)排放實(shí)驗..............................................11

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

　　3.1.1 循環(huán)工況的選擇.........................................................11

　　3.1.2 車(chē)輛及環(huán)境情況的準備 ..................................................11

　　3.2 實(shí)驗數據采集 ..........................................................14

　　第四章 實(shí)驗數據對比分析..........................................17

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

　　4.2 混合動(dòng)力客車(chē)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?jì)热莺统晒?....................................................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(huì )中,出行方式越來(lái)越多樣性,其中汽車(chē)作為日常出行的首要工具,已經(jīng)影響到了我們生活的方方面面.我國發(fā)展快速的經(jīng)濟水平和城市建設速度日新月異,汽車(chē)的保有量呈現出史無(wú)前例的增長(cháng)速度.到 2016 年底,我國機動(dòng)車(chē)保有量達到驚人的 2.9 億輛,在這其中汽車(chē)就達到了 1.94 億輛,每年增加的數量和今年新注冊的車(chē)輛數目都達到了建國以來(lái)未有的高度.隨著(zhù)人均GDP 的增長(cháng),居民生活越來(lái)越來(lái),對于汽車(chē)等非必需品的需求力度保持著(zhù)旺盛的增加趨勢.在 2016 年之中,新登記上牌的車(chē)輛就達到了 2752 萬(wàn)輛,全國汽車(chē)總量增加了 2212 萬(wàn)輛,都是有史以來(lái)的最高水平.近五年來(lái)汽車(chē)在機動(dòng)車(chē)中的比重從 50.39%提高到 65.97%.增長(cháng)如此迅速的節奏,既給城市環(huán)境保護帶來(lái)了更大的挑戰,也給城市交通帶來(lái)了極大壓力.并且,我國的汽車(chē)制造能力還不太足,達標排放的新車(chē)的比率較低,車(chē)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(jīng)不能滿(mǎn)足汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需要,汽車(chē)污染排放已嚴重影響到了我國城市的空氣質(zhì)量.

　　2007 年頒布了輕型車(chē)污染排放的國Ⅲ標準,緊接著(zhù)國Ⅳ標準在 2010 年 7 月 1 日開(kāi)始實(shí)施.據《中國機動(dòng)車(chē)環(huán)境管理年報(2017)》統計表明,年報所統計的 2.76 億輛機動(dòng)車(chē)中,國Ⅰ之前標準的汽車(chē)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(dòng)車(chē)排放污染物總量初步估算為4472.5 萬(wàn)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(chē)排放,所排放的碳氫化合物和一氧化碳含量占比超過(guò) 80%,而氮氧化物和顆粒物的含量占比甚至超過(guò) 90%.分別為:一氧化碳(CO)3419.3 萬(wàn)噸,碳氫化合物(HC)422.0 萬(wàn)噸,氮氧化物(NOx)577.8 萬(wàn)噸,顆粒物(PM)53.4 萬(wàn)噸.除此以外,汽車(chē)對上述四項污染物的排放量還是呈現逐年遞增的狀態(tài).2011~2016 年,我國汽車(chē)主要污染物(CO、HC、NOx 等)的排放量由 3770.6 萬(wàn)噸增加到 3939.3 萬(wàn)噸,年均增長(cháng) 0.9%.大量研究表明,汽車(chē)尾氣排放已經(jīng)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(jīng)由"煤煙型"向"尾氣型"逐漸轉變.

　　為了保證汽車(chē)產(chǎn)業(yè)持久穩定的發(fā)展,解決汽車(chē)排放導致的環(huán)境污染問(wèn)題和世界能源危機,在法律法規和市場(chǎng)需求的雙管齊下作用下,許多著(zhù)名的國際汽車(chē)公司開(kāi)始大力開(kāi)發(fā)環(huán)保汽車(chē),各國政府也加大了對清潔能源汽車(chē)的支持和推廣力度.新能源汽車(chē)目前包括混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV,Hybrid ElectricVehicle)、燃料電池汽車(chē)(FCV,Fuel Cell Vehicles)和純電動(dòng)汽車(chē)(PEV,Pure Electric Vehicles)等.混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē),簡(jiǎn)稱(chēng)混動(dòng)車(chē),有很多種類(lèi),它的基本技術(shù)原理是,內燃機在相對穩定燃燒效率的行駛狀況下發(fā)電,在電池中將電能儲備,使用電動(dòng)機驅動(dòng)車(chē)輛行駛.混動(dòng)車(chē)既具備節能省油和排放低的優(yōu)點(diǎn),又彌補了新能源汽車(chē)行駛里程短的缺點(diǎn),是現在這個(gè)階段解決節能與環(huán)保問(wèn)題的途徑之一,并且得到了快速的發(fā)展,慢慢地進(jìn)入商業(yè)化使用階段.純電動(dòng)汽車(chē)是指以可充電蓄電池為汽車(chē)的動(dòng)力源,是真正可以實(shí)現接近無(wú)污染的汽車(chē).但純電動(dòng)車(chē)受限于起電池技術(shù),無(wú)法做到長(cháng)遠行駛路程、成本低廉、便攜充電.燃料電池汽車(chē)是使用將化學(xué)能轉換為電能作為驅動(dòng)力的車(chē)輛,電池的發(fā)電效率接近 60%,在燃料電池汽車(chē)技術(shù)中,其原材料成本太高而且燃料電池的其它關(guān)鍵技術(shù)(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(wú)法在短期內替代傳統汽車(chē).

　　眼下,國內外關(guān)于混動(dòng)車(chē)的研究重心在驅動(dòng)系統的研發(fā)方向,但是關(guān)于混動(dòng)車(chē)排放方面的研究報道并不多.有研究發(fā)現,與傳統汽車(chē)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(dòng)力車(chē)的能量管理系統進(jìn)行了研究,研究表明,混動(dòng)車(chē)的循環(huán)行駛工況對它的排放能力和燃油經(jīng)濟性有重要意義.通過(guò)對混合動(dòng)力客車(chē)在實(shí)際行駛工況下的測試發(fā)現并聯(lián)混合動(dòng)力車(chē)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(lián)車(chē)輛

　　1.2 本文的研究?jì)热菖c目的

　　排放法例的執行力度越來(lái)越大,導致輕量級汽車(chē)的污染得到了有效的控制.城市環(huán)保管理部門(mén)的關(guān)注焦點(diǎn)在于重型汽車(chē)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(chē)輛是公交車(chē).如果按照律例的方法進(jìn)行評測,公交車(chē)的發(fā)動(dòng)機排放量和實(shí)際車(chē)輛排放差距較大,無(wú)法反映實(shí)際情況.在實(shí)驗室用底盤(pán)測功機進(jìn)行排放測試,按照整車(chē)現實(shí)的循環(huán)工況進(jìn)行整車(chē)排放測試可以提供精確的公交車(chē)整車(chē)排放數據,可以有效的幫助環(huán)保部門(mén)和車(chē)企管理車(chē)輛的實(shí)際排放和合理控制污染.

　　高速成長(cháng)的汽車(chē)技術(shù)給汽車(chē)試驗技術(shù)帶來(lái)了困難和機會(huì ),而新能源汽車(chē)也給國家汽車(chē)檢測手段提出了更多的要求,尤其是對重型新能源車(chē)輛測試技術(shù)的研究.研究可用于重型汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)排放測試技術(shù)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(chē)實(shí)驗的技術(shù)指標,成立和完善檢測評價(jià)系統是未來(lái)我國測試技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn).

　　在車(chē)載排放測試系統的發(fā)展過(guò)程中,測試車(chē)輛在實(shí)際道路上的瞬態(tài)排放已經(jīng)成為研究熱門(mén).本課題的研究目標可分為如下三個(gè)方面:

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

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

　　(3)通過(guò)試驗數據對比分析混合動(dòng)力客車(chē)和常規柴油客車(chē)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(jìn)展

　　車(chē)輛行駛工況,是對某種車(chē)輛(如乘用車(chē)、客車(chē)、公交車(chē)、重型車(chē)等)被用來(lái)指代在某一類(lèi)道路情況下(如高速公路、城區等)的車(chē)輛行駛特點(diǎn)的"速 度-時(shí)間-檔位"歷程關(guān)系.行駛工況指通過(guò)調查車(chē)輛的現實(shí)行駛狀態(tài),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(lái)的典范工況.

　　1.3.1 國外行駛工況的研究進(jìn)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(lèi).為了在實(shí)行過(guò)程當中有一個(gè)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(chē)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(lián)邦測試法規)為代表的瞬態(tài)工況(FTP-75)和歐洲 ECE 為代表的模態(tài)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(xué)煙霧是不是和汽車(chē)排放有關(guān)聯(lián),20 世紀中葉美國汽車(chē)制造商協(xié)會(huì )做了道路上具備典范特點(diǎn)的行駛情況的調查統計,然后得到了一個(gè)囊括 11 種工況的測試循環(huán)工況,用于代表汽車(chē)在洛杉磯市區行駛的真實(shí)環(huán)境.1964 年,加利福尼亞州機動(dòng)車(chē)污染管理署對這 11 工況進(jìn)行了修繕,得到了一個(gè) 7 工況測試循環(huán).這個(gè)測試工況基本上是一個(gè)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(xiàn)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(guò)程的考慮,最終形成的就是有名的 LA-4 測試工況,被稱(chēng)作美國現在聯(lián)邦測試工況的先輩.

　　在這個(gè)基礎上,測試人員通過(guò)對 LA-4 測試工況進(jìn)行了改進(jìn),最終形成了美國環(huán)保署制定的汽車(chē)底盤(pán)測功機測試工況,簡(jiǎn)稱(chēng) UDDS,即 FTP-72.這標志著(zhù)汽車(chē)排放的測試工況從道路行駛工況的測量轉向動(dòng)態(tài)底盤(pán)測功機循環(huán)工況的測量.

　　在經(jīng)過(guò)美國其他一些大城市的進(jìn)一步的深入研究,FTP-75 誕生了.FTP-75相較于 FTP-72 的一個(gè)重大改進(jìn)是在原本冷啟動(dòng)的基礎上增添了熱啟動(dòng)的情況.每次循環(huán)持續 2475s,包括冷態(tài)過(guò)度工況(0~505s)、穩定工況(506~1370s)和熱態(tài)過(guò)度工況(1970~2475s),主要特征參數見(jiàn)表 1-1.FTP 工況被底盤(pán)測功機的功能所限制,能夠實(shí)現的最大時(shí)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(diǎn).FTP 工況的另一個(gè)不足是因為測功機所承受的載荷有限,不能演練空調開(kāi)放時(shí)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(huán).該工況包括了實(shí)際環(huán)境中全部的速度和載荷的情況,將空調開(kāi)放時(shí)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(tài)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(chēng)為"十五工況法",主要體現了機動(dòng)車(chē)在歐洲城市內的行駛特征.為了展現車(chē)輛在郊區高速行駛時(shí)的排放情況,從 1992 年下半年開(kāi)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(dòng)車(chē)在郊外公路上的行駛工況 EUDC(ExtraUrban Driving Cycle),把這兩種工況合起來(lái)稱(chēng)作 NEDC(New European DrivingCycle).其主要特征參數見(jiàn)表 1-2.

　　和美國 FTP-75 工況有區別的地方在于,EUDC 是一種模態(tài)工況,是由勻速、勻加速和勻減速運動(dòng)所構成,缺乏真實(shí)可靠性.因此歐洲行駛工況對于排放的測試數據要比真實(shí)情況低 13%~23%.除此之外,整個(gè)試驗中的最大加速度只有1.05m/s2,也不能滿(mǎn)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(dòng)時(shí)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(lái).ECE 工況始終無(wú)法擺脫模態(tài)工況的缺陷,但因為考慮了冷啟動(dòng)的影響而比之前的工況更有代表性.

　　歐洲在于瞬態(tài)工況的構建方面也取得了成功.在大量實(shí)驗的根本上,歐盟最終創(chuàng )立了輕型汽車(chē) Common ARTEMIS Driving Cycles 工況,簡(jiǎn)稱(chēng) CADC 工況.試驗數據是從 80 多輛乘用車(chē),在歐洲 6 個(gè)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(kāi)發(fā)出了分別能夠體現輕型車(chē)在市區、郊區以及高速公路等不同行駛特點(diǎn)的行駛工況.

　　1.3.2 國內行駛工況的研究進(jìn)展

　　國內也有許多學(xué)者對各個(gè)城市主要路段的車(chē)輛行駛情況進(jìn)行了研究.香港理工大學(xué)的研究人員將一套車(chē)載速度測量?jì)x和車(chē)載尾氣排放檢測系統安裝在一輛輕型汽車(chē)上,在兩個(gè)具有典型特征的路線(xiàn)進(jìn)行了試驗研究,分析大量數據最終得到了一個(gè)和實(shí)際車(chē)輛行駛速度有關(guān)聯(lián)的行駛工況.主要特征參數見(jiàn)表 1-3所示.

　　對于建立北京市市區主干道機動(dòng)車(chē)行駛規律的研究方法,北京交通大學(xué)的研究人員進(jìn)行了探討,通過(guò)將 OEM 和 GPS 技術(shù)聯(lián)立使用,發(fā)現適用于北京市市區主干道機動(dòng)車(chē)實(shí)際行駛情況的行駛工況建立方法,并且提出了 19 個(gè)可以用來(lái)評估車(chē)輛行駛工況的指標,并通過(guò)樣本分析法得出了一個(gè)簡(jiǎn)易的北京市輕型車(chē)行駛工況.

　　基于上海市的道路和車(chē)輛行駛情況,同濟大學(xué)的學(xué)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(chē)的運行軌跡,采集了大量的試驗數據和實(shí)際運行數據,對這些數據進(jìn)行了歸納處理,最終采用短行程、聚類(lèi)分析、成分分析等多種方法,搭建了上海市公交車(chē)的實(shí)際行駛工況.

　　除此之外,中國環(huán)境科學(xué)院還對廣州、大連、天津等城市的行駛工況也進(jìn)行了研究,對中國大型城市的車(chē)輛實(shí)際道路行駛狀況給出了評估標準.

　　…………由于本文篇幅較長(cháng),部分內容省略,詳細全文見(jiàn)文末附件

　　第五章 總結與展望

　　5.1 主要研究?jì)热莺统晒?/strong>