【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 明車輛 (或發(fā)動(dòng)機(jī) )在當(dāng)前測(cè)試工況下的排放狀態(tài)。而在實(shí)際道路行駛過程中 ， 車輛的行駛工況千變?nèi)f化 ， 再加上環(huán)境條件的差異 ， 車 輛的排放都是極其不同。一般情況下 ， 城市車輛的道路排放值要比實(shí)驗(yàn)室測(cè)量所得的排放值高的多。本次課題所提出的車輛道路 (或試驗(yàn)場(chǎng) )排放測(cè)試方法可以在車輛正常行駛條件和一般的大氣環(huán)境下測(cè)量車輛排放狀況和車輛駕駛行為。這將有助于我們了解移動(dòng)源對(duì)空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)率 ， 分析不同車輛在不同工況下的車輛排放 ，武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 從而深入了解車輛實(shí)際道路排放特性 ， 為制定有效的控制策略 ， 起著極其重要的作用。此外 ， 對(duì)車輛實(shí)際道路排放性能評(píng)估也是驗(yàn)證和確保政策有效的重要手段。 研究的目的和意義 本文通過對(duì)美國(guó) NTE 法和歐洲的調(diào)研和分析 ， 結(jié)合我國(guó)對(duì)車載 排放測(cè)試技術(shù)在整車排放測(cè)試方面的研究和運(yùn)用以及我國(guó)加強(qiáng)重型車輛在用車的排放監(jiān)管的要求 ， 提出了利用目前國(guó)際上流行而且技術(shù)上發(fā)展成熟的便攜式排放測(cè)試系統(tǒng) (PEMS： Potable Emission Measurement System)對(duì)重型車輛整車進(jìn)行排放測(cè)試。對(duì)獲取的整車排放測(cè)試數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷數(shù)據(jù)利用美國(guó) NTE 法和歐盟功基窗口法進(jìn)行處理和計(jì)算 ， 并分別建立了利用 NTE法和功基窗口法對(duì)重型車輛排放水平的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。利用 PEMS 測(cè)試設(shè)備對(duì)整車排放進(jìn)行測(cè)試 ， 收集重型車輛在實(shí)際運(yùn)行狀況下排放數(shù)據(jù) ， 研究重型車輛的實(shí)際道 路排放特征 ，為 重型柴油車輛 監(jiān)管提供依據(jù)。 本文的意義在于為加強(qiáng)重型柴油車輛 實(shí)際道路運(yùn)行下排放的監(jiān)控和管理提供了依據(jù)。彌補(bǔ)了重型發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證試驗(yàn)測(cè)試工況不能完全反映車輛在實(shí)際運(yùn)行過程中的工況的不足 ， 更全面、更真實(shí)地反映了車輛排放水平。對(duì)提升重型車輛污染排放評(píng)價(jià)能力 ， 提高重型車輛排放監(jiān)管的科學(xué)性和有效性 ， 有效地控制城市的重型車排放量 ， 有著非常重要的意義。 國(guó)內(nèi)外重型柴油車道路排放測(cè)試發(fā)展現(xiàn)狀 在用車管理是世界各國(guó)機(jī)動(dòng)車污染控制的重要內(nèi)容之一 [6]。 美國(guó) 通過自行研發(fā)的ROVER 車載排放測(cè)試儀 ， 對(duì)近 150 輛機(jī)動(dòng) 車進(jìn)行測(cè)量 ， 從而開發(fā)了評(píng)估車輛排放率和分布的模型 MOVES。其還利用 ROVER 和其他車載排放測(cè)試設(shè)備進(jìn)行重型車道路排放測(cè)試 ， 研究出重型柴油 車符合性的研究。在 2021 年 8 月 ， 美國(guó)環(huán)保局根據(jù)道路測(cè)試數(shù)據(jù)的可行性研究結(jié)果 ， 頒布了“在用重型車輛符合性檢查的測(cè)試程序 40CFRPartS9and86[7]。美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院通過使用便攜式測(cè)量?jī)x器 OEM2100， 在交通燈路口處 ， 比較在信號(hào)燈變化前后車輛排放情況 ， 來評(píng)估實(shí)際道路交通流的作用。并通過此研究如何優(yōu)化交通控制措施 ， 以及開發(fā)出排放數(shù)據(jù)收集方法和評(píng) 估模型。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)工程學(xué)院的下屬的環(huán)境研究技術(shù)中心 (CECERT)已經(jīng)通過分析重型車排放數(shù)據(jù)得到了重型車排放數(shù)據(jù)清單和重型車排放行為。目前 ， CECER 下己經(jīng)與 CARB、 EPA，發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠商、排氣后處理裝置廠商合作研究重型柴油車道路排放特性 ， 以更好的了解重型車排放問題和提出相應(yīng)的解決方案。 CECERT 已經(jīng)形成了一套全新的研發(fā)測(cè)試體系 ， 包括成功開發(fā)的獨(dú)特道路排放測(cè)試實(shí)驗(yàn)室、復(fù)雜的交通運(yùn)輸系統(tǒng)體系、和增強(qiáng)型環(huán)境條件形成系統(tǒng)。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 從 2021 年 1 月開始 ， 歐洲議會(huì)通過 OGEBTR 和 JRC 的合作來研究使用車 載排放測(cè)試系統(tǒng) (PEMS)測(cè)量重型車道路排放的方法來進(jìn)行對(duì)重型在用車 符合性檢查 [8]。研究目標(biāo)包括三個(gè)方面 ： (1)、評(píng)估各種 PEMS 在進(jìn)行道路測(cè)試時(shí)的可應(yīng)用性和它們?cè)?IUC 應(yīng)用情況的比較 ； (2)、給出基于 PEMS 的重型車在用車符合性檢查的測(cè)試原則和方法 ； (3)、評(píng)估美國(guó)不超標(biāo) (NTE)法規(guī)在歐洲的適用情況 ； 目前 ， 該項(xiàng)目中的 PEMS 系統(tǒng)有效性驗(yàn)證和實(shí)際車輛道路測(cè)試的研究已經(jīng)完成 ， 車輛實(shí)際道路氣態(tài)污染物測(cè)試的方法已經(jīng)被確定為可行的 ， 顆粒物車載測(cè)試方法正在驗(yàn)證當(dāng)中。 我國(guó) 道路排放測(cè)試也進(jìn)行了一些研究。如 2021 年 ， 天津大學(xué)通過自行研發(fā)的車載排放設(shè)備 ， 測(cè)試天津市汽車保有量中最典型的華利微型面包車和桑塔納轎車 ， 在天津市不同道路上的排放特性 ， 獲得了大量道路試驗(yàn)排放數(shù)據(jù) .通過這些數(shù)據(jù) ， 求得汽車在天津市的平均排放因子和燃油消耗率 ， 并揭示出車速、加速度等行駛特征參數(shù)對(duì)實(shí)際道路的排放因子和油耗的影響關(guān)系 [9]。 2021年 11 月 ， 我國(guó)的北京交通大學(xué)利用車載排放測(cè)量 (OEM)技術(shù) ， 對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)動(dòng)車尾氣排放進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量 ， 獲取了北京市機(jī)動(dòng)車排放科學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和尾氣排放量化方法 ， 以及北京市尾氣的排放特性和時(shí)空分布 ， 確定了北京市機(jī)動(dòng)車 尾氣排放因子獲取技術(shù)和建立了尾氣排放特性分析方法 [10]。 研究的內(nèi)容以及技術(shù)路線 研究的主要內(nèi)容 本文研究的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面 ： (1) 調(diào)研國(guó)內(nèi)外重型車輛整車排放測(cè)試方法 ， 設(shè)計(jì)適合我國(guó)車輛行駛工況的重型汽車整車排放測(cè)試方案。 (2) 對(duì)獲取的重型車輛在實(shí)際道路運(yùn)行工況下的整車排放數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析 ， 研究重型車輛在實(shí)際道路運(yùn)行時(shí)的排放特征 ， 分析重型車輛實(shí)際道路運(yùn)行條件下的行駛工況特征。 (3) 利用美國(guó) NTE 法規(guī)中的要求對(duì)整車排放數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和評(píng)價(jià)整車排放性能 。結(jié)合我國(guó)車輛的行駛工況 特征和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域 ， 修正美國(guó) NTE 法并處理 (4) 整車排放數(shù)據(jù) ， 評(píng)價(jià)車輛排放水平。利用歐盟功基窗口法 ， 對(duì)整車排放測(cè)試數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析 ， 評(píng)估整車的排放水平。 研究的技術(shù)路線 基于上述研究?jī)?nèi)容 ， 本文的研究技術(shù)路線如圖所示 : (1) 國(guó)內(nèi)外重型汽車整車排放測(cè)試研究 ； 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 (2) 提出重型柴油車輛整車排放測(cè)試方案； (3) 驗(yàn)證試驗(yàn)； (4) 整車排放特性研究； (5) 整車排放特征評(píng)估 (美國(guó) NTE 法和修正 NET 法計(jì)算評(píng)估功基窗口法計(jì)、功基窗口法計(jì)算評(píng)估） 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 車輛道路排放特征影響因素以及實(shí)驗(yàn) 的方法 車輛道路排放特征影響因素 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 在燃燒做功過程當(dāng)中產(chǎn)生的污染物主要為一氧化碳 (CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物 (NOX)、硫氧化物 (SOX)、和顆粒物等。影響車輛道路排放特征的因素相當(dāng)復(fù)雜 ， 從其本質(zhì)上看受到發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、燃燒狀況、燃燒溫度、過量空氣系數(shù)等內(nèi)部條件影響 ， 從外部來看主要包括以下幾個(gè)方面 : （ 1） 排放控制水平 機(jī)動(dòng)車排放控制水平是影響排放因子的最重要的因素，可以用機(jī)動(dòng)車在標(biāo)準(zhǔn)工況下的新車排放水平和劣化率兩項(xiàng)重要的參數(shù)來衡量，它們也是機(jī)動(dòng)車排放宏觀尺度模擬中最為重要的參數(shù)。新車排 放水平和劣化率一般受發(fā)動(dòng)機(jī)的類型、技術(shù)水平。使用的排放控制技術(shù)以及耐久性能指標(biāo)的因素的影響，新的嚴(yán)格排放控制法規(guī)的推出會(huì)使這兩個(gè)指標(biāo)產(chǎn)生很大的變化，比如最近要推行的歐五排放指標(biāo)。 （ 2） 速度與加速度 美國(guó)國(guó)家環(huán)保局對(duì)大量機(jī)動(dòng)車的排放測(cè)試結(jié)果表明 ， 機(jī)動(dòng)車運(yùn)行速度對(duì)污染物排放因子的影響很大。在低速段 ， CO 和 HC 的排放因子隨速度的增加呈負(fù)指數(shù)下降 ， 但速度對(duì) NOX排放的影響相對(duì)較小。中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院和西安公路交通大學(xué)環(huán)境工程研究所曾采用工況法進(jìn)行測(cè)試 ， 對(duì)我國(guó)在用輕型車的車速與排放的關(guān)系進(jìn)行了分析 ， 得到了相似的結(jié)論 。國(guó)內(nèi)目前城市區(qū)域的機(jī)動(dòng)車平均行駛速度普遍較低 ， 大都在 20km/h 至30km/h 左右 ， 對(duì)削減污染物的排放非常不利。國(guó)外的研究也發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的運(yùn)行條件下 ，速度變化才是影響氣態(tài)污染物排放的關(guān)鍵因素 ， 在微觀情況下 ， 加速度或減速度對(duì)排放特征的影響要比單純考慮速度的影響要大的多。 （ 3） 運(yùn)行特征 運(yùn)行特征主要指的是車輛使用規(guī)律 ， 如每日出行次數(shù)和每次出行的運(yùn)行里程 ， 冷 /熱啟動(dòng)比例。運(yùn)行特征對(duì)機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)排放的影響較大 ， 目前在美國(guó)等機(jī)動(dòng)車污染控制較為先進(jìn)的國(guó)家 ， 機(jī)動(dòng)車運(yùn)行排放 已經(jīng) 得到大幅度削減 ， 而啟動(dòng)排放正越來越引起研究者的 重視。在美國(guó) EPA 開發(fā)的道路機(jī)動(dòng)車排放因子模型的 和美國(guó)國(guó)際可持續(xù)系統(tǒng)研究中心 (ISSRC)開發(fā)的評(píng)估機(jī)動(dòng)車對(duì)大氣環(huán)境影響的 IVE 模型中 ， 也都專門加入了發(fā)動(dòng)機(jī)每天啟動(dòng)的次數(shù)以及在各個(gè)小時(shí)內(nèi)的分布等參數(shù)。 （ 4） 交通管理法規(guī) 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 交通規(guī)劃和交通流的管理對(duì)道路車輛排放的影響也很大。例如 :北京交通大學(xué)對(duì)北京市交通路口尾氣排放分布表明 ， 交叉路口的各種轉(zhuǎn)向排放都高于正常路段的排放 ， 可以達(dá)到 至 3 倍。所以交通規(guī)劃的優(yōu)化 ， 可以一定程度上減少道路車輛排放。 （ 5） 駕駛行為 一些研究者對(duì)不同的駕駛習(xí)慣對(duì)機(jī)動(dòng)車 排放的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn) ， 研究表明這也會(huì)對(duì)機(jī)動(dòng)車排放產(chǎn)生影響 ， 實(shí)際上這主要是因?yàn)椴煌鸟{駛習(xí)慣代表了不同的加、減速的劇烈程度 ， 從而會(huì)對(duì)排放產(chǎn)生影響。有研究者利用車載測(cè)量的方式對(duì)汽油轎車在不同駕駛習(xí)慣下的排放特征進(jìn)行了測(cè)試 ， 實(shí)驗(yàn)表明 ， 激進(jìn)的駕駛習(xí)慣 (加速、減速更加劇烈 )與正常的駕駛習(xí)慣的相比可使油耗增加 30 至 40%， 氣態(tài)污染物排放也大大增加 ， 碳?xì)浠衔锷踔量梢栽黾拥秸ｑ{駛習(xí)慣下的 4 倍。 重型柴油車輛道路排放特征研究方法 車載排放測(cè)試 車載排放測(cè)量技術(shù)主要是通過 PEMS 對(duì)車輛尾氣進(jìn)行直采 ， 將排氣尾管直接連接 到車載氣體污染物和顆粒物測(cè)量裝置上 ， 實(shí)時(shí)測(cè)量整車排放的體積濃度 ， 和排氣流量 ， 從而得到氣體污染物的質(zhì)量排放量和顆粒物排放量。通過對(duì)所獲得的瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)以及 GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果 ， 形成對(duì)被測(cè)車輛排放水平的評(píng)估。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅可以保證測(cè)試的精確度和可靠性 ， 而且可以節(jié)約大量的測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本。特別是該系統(tǒng)具有重量輕、體積小的特點(diǎn) ， 能夠放在各種被測(cè)車輛上進(jìn)行實(shí)際道路排放實(shí)時(shí)測(cè)量 ， 從而反映出各種車輛實(shí)際道路排放特征 ， 這為評(píng)估整個(gè)城市的機(jī)動(dòng)車排放污染水平及對(duì)環(huán)境的貢獻(xiàn)率 ， 提供了有效且方便的測(cè)試 方法。因此基于 PEMS 的車載排放測(cè)試方法將是今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 本課題就是使用 Sensors 公司的 SEMTECHDS 車載排放測(cè)試系統(tǒng) ， 對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)際道路條件下的排放評(píng)估。根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù) ， 來評(píng)估并深入研究道路車輛的排放特性。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 3 重型柴油車輛排放測(cè)試試驗(yàn)的設(shè)計(jì) 測(cè)試手段 借鑒美國(guó)和歐洲對(duì)重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛在實(shí)際運(yùn)行過程中的排放監(jiān)控措施 ， 結(jié)合PEMS 技術(shù)的不斷成熟及其用于整車排放測(cè)試的技術(shù)可行性 ， 確定利用 PEMS 對(duì)重型汽車整車進(jìn)行排放測(cè)試 ， 利用 PEMS 測(cè)試更能客觀的反映車輛在實(shí)際運(yùn)行工況下的實(shí)際排放 情況。 便攜式排放 (PEMS)， 用來測(cè)量在用車輛整車排放。這項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)行實(shí)際在用輛整車排放測(cè)試 ， 并可以提供比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛測(cè)試設(shè)備更多的數(shù)據(jù)。 PEMS 提供一種現(xiàn)代的和創(chuàng)新的方法來檢查內(nèi)燃機(jī)排放對(duì)環(huán)境的影響。 PEMS 整合了精確的氣體分析儀 ， 尾氣質(zhì)量流量計(jì) ， 氣象站 ， 全球定位系統(tǒng) (GPS)和連接到汽車網(wǎng)絡(luò) [11]。 PEMS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的各種污染物 (HC， CO， CO2， NOX)進(jìn)行十分精確的實(shí)時(shí)監(jiān)控和測(cè)量 ， 并且還測(cè)量和記錄發(fā)動(dòng)機(jī)、車輛和環(huán)境參數(shù)等?？梢宰鳛槲覈?guó)重型發(fā)動(dòng)機(jī)在用符合性檢查手段的一種補(bǔ) 充。 縱觀 PEMS 在美國(guó)和歐洲的近期發(fā)展 ， PEMS 正成為一個(gè)重要的監(jiān)管工具。除了進(jìn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證測(cè)試之外 ， 美國(guó)環(huán)境保護(hù)局已經(jīng)推出了基于利用 PEMS 整車測(cè)試的不超出(NTE)概念所確定的附加排放要求。在聯(lián)邦 40CFRPart1065SubPartJ 部分規(guī)定了場(chǎng)地測(cè)試的測(cè)試程序 ， 并對(duì)便攜式排放測(cè)試設(shè)備儀器的性能要求進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定。歐盟在指令COM(2021)851(歐 VI 提案 )中提出 ， 為了更好地控制車輛在實(shí)際使用中 (包括非循環(huán)工況測(cè)試 )的排放 ， 以及制定便利的在用符合性規(guī)程 ， 提出需要采用一種基于便攜式測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)所確定的測(cè)試方法和性能要求。因此 ， 本文采用便攜式排放測(cè)試設(shè)備 (PEMS)作為整車排放測(cè)試工具。 便攜式排放測(cè)試系統(tǒng) (PEMS)的組成 便攜式排放測(cè)試系統(tǒng) (PEMS)主要有兩部分組成 :排氣污染物測(cè)量模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)信息讀取模塊。分別用于對(duì)車輛在運(yùn)行過程的排氣污染物數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集和發(fā)動(dòng)機(jī)信息的實(shí)時(shí)記錄。如圖 31 所示為便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)的示意圖。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 31 便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)示意圖 本文所使用的車載排放測(cè)試設(shè)備是由 美國(guó) sensor 公司的 SEMTECHDS 車載排放測(cè)試軟件 。 如圖 32 所示為固定在車內(nèi) 的電腦設(shè)備， 用于對(duì)采集的尾氣進(jìn)行實(shí)時(shí)組分分析并記錄數(shù)據(jù)。如圖 33 所示為采樣管連接到排氣管， 用于對(duì)車輛尾氣的收集并保證在取樣過程中的尾氣組分穩(wěn)定 ， 并實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛的排氣溫度。 圖 34 為安裝在汽車后箱的SEMTECHDS 車載測(cè)試軟件，用于分析排氣的成分和濃度。 圖 32 固定在測(cè)試車輛上面的 電腦 設(shè)備 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1