【文章內(nèi)容簡介】 明車輛 (或發(fā)動機 )在當(dāng)前測試工況下的排放狀態(tài)。而在實際道路行駛過程中 ， 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驗室測量所得的排放值高的多。本次課題所提出的車輛道路 (或試驗場 )排放測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源對空氣質(zhì)量的貢獻率 ， 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（論文） 3 從而深入了解車輛實際道路排放特性 ， 為制定有效的控制策略 ， 起著極其重要的作用。此外 ， 對車輛實際道路排放性能評估也是驗證和確保政策有效的重要手段。 研究的目的和意義 本文通過對美國 NTE 法和歐洲的調(diào)研和分析 ， 結(jié)合我國對車載 排放測試技術(shù)在整車排放測試方面的研究和運用以及我國加強重型車輛在用車的排放監(jiān)管的要求 ， 提出了利用目前國際上流行而且技術(shù)上發(fā)展成熟的便攜式排放測試系統(tǒng) (PEMS： Potable Emission Measurement System)對重型車輛整車進行排放測試。對獲取的整車排放測試數(shù)據(jù)和發(fā)動機負荷數(shù)據(jù)利用美國 NTE 法和歐盟功基窗口法進行處理和計算 ， 并分別建立了利用 NTE法和功基窗口法對重型車輛排放水平的評估標準。利用 PEMS 測試設(shè)備對整車排放進行測試 ， 收集重型車輛在實際運行狀況下排放數(shù)據(jù) ， 研究重型車輛的實際道 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重型柴油車輛 實際道路運行下排放的監(jiān)控和管理提供了依據(jù)。彌補了重型發(fā)動機認證試驗測試工況不能完全反映車輛在實際運行過程中的工況的不足 ， 更全面、更真實地反映了車輛排放水平。對提升重型車輛污染排放評價能力 ， 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。 國內(nèi)外重型柴油車道路排放測試發(fā)展現(xiàn)狀 在用車管理是世界各國機動車污染控制的重要內(nèi)容之一 [6]。 美國 通過自行研發(fā)的ROVER 車載排放測試儀 ， 對近 150 輛機動 車進行測量 ， 從而開發(fā)了評估車輛排放率和分布的模型 MOVES。其還利用 ROVER 和其他車載排放測試設(shè)備進行重型車道路排放測試 ， 研究出重型柴油 車符合性的研究。在 2021 年 8 月 ， 美國環(huán)保局根據(jù)道路測試數(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試程序 40CFRPartS9and86[7]。美國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量儀器 OEM2100， 在交通燈路口處 ， 比較在信號燈變化前后車輛排放情況 ， 來評估實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 估模型。美國加利福尼亞大學(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)動機生產(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)測試體系 ， 包括成功開發(fā)的獨特道路排放測試實驗室、復(fù)雜的交通運輸系統(tǒng)體系、和增強型環(huán)境條件形成系統(tǒng)。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 從 2021 年 1 月開始 ， 歐洲議會通過 OGEBTR 和 JRC 的合作來研究使用車 載排放測試系統(tǒng) (PEMS)測量重型車道路排放的方法來進行對重型在用車 符合性檢查 [8]。研究目標包括三個方面 ： (1)、評估各種 PEMS 在進行道路測試時的可應(yīng)用性和它們在 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試原則和方法 ； (3)、評估美國不超標 (NTE)法規(guī)在歐洲的適用情況 ； 目前 ， 該項目中的 PEMS 系統(tǒng)有效性驗證和實際車輛道路測試的研究已經(jīng)完成 ， 車輛實際道路氣態(tài)污染物測試的方法已經(jīng)被確定為可行的 ， 顆粒物車載測試方法正在驗證當(dāng)中。 我國 道路排放測試也進行了一些研究。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)對實際道路的排放因子和油耗的影響關(guān)系 [9]。 2021年 11 月 ， 我國的北京交通大學(xué)利用車載排放測量 (OEM)技術(shù) ， 對交通網(wǎng)絡(luò)中的機動車尾氣排放進行實時動態(tài)測量 ， 獲取了北京市機動車排放科學(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空分布 ， 確定了北京市機動車 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)容包括以下幾個方面 ： (1) 調(diào)研國內(nèi)外重型車輛整車排放測試方法 ， 設(shè)計適合我國車輛行駛工況的重型汽車整車排放測試方案。 (2) 對獲取的重型車輛在實際道路運行工況下的整車排放數(shù)據(jù)進行處理和分析 ， 研究重型車輛在實際道路運行時的排放特征 ， 分析重型車輛實際道路運行條件下的行駛工況特征。 (3) 利用美國 NTE 法規(guī)中的要求對整車排放數(shù)據(jù)進行處理和評價整車排放性能 。結(jié)合我國車輛的行駛工況 特征和發(fā)動機運行區(qū)域 ， 修正美國 NTE 法并處理 (4) 整車排放數(shù)據(jù) ， 評價車輛排放水平。利用歐盟功基窗口法 ， 對整車排放測試數(shù)據(jù)和發(fā)動機數(shù)據(jù)進行處理和分析 ， 評估整車的排放水平。 研究的技術(shù)路線 基于上述研究內(nèi)容 ， 本文的研究技術(shù)路線如圖所示 : (1) 國內(nèi)外重型汽車整車排放測試研究 ； 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 (2) 提出重型柴油車輛整車排放測試方案； (3) 驗證試驗； (4) 整車排放特性研究； (5) 整車排放特征評估 (美國 NTE 法和修正 NET 法計算評估功基窗口法計、功基窗口法計算評估） 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 2 車輛道路排放特征影響因素以及實驗 的方法 車輛道路排放特征影響因素 柴油發(fā)動機 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)、碳氫化合物(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)動機技術(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方面 : （ 1） 排放控制水平 機動車排放控制水平是影響排放因子的最重要的因素，可以用機動車在標準工況下的新車排放水平和劣化率兩項重要的參數(shù)來衡量，它們也是機動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)動機的類型、技術(shù)水平。使用的排放控制技術(shù)以及耐久性能指標的因素的影響，新的嚴格排放控制法規(guī)的推出會使這兩個指標產(chǎn)生很大的變化，比如最近要推行的歐五排放指標。 （ 2） 速度與加速度 美國國家環(huán)保局對大量機動車的排放測試結(jié)果表明 ， 機動車運行速度對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指數(shù)下降 ， 但速度對 NOX排放的影響相對較小。中國環(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行測試 ， 對我國在用輕型車的車速與排放的關(guān)系進行了分析 ， 得到了相似的結(jié)論 。國內(nèi)目前城市區(qū)域的機動車平均行駛速度普遍較低 ， 大都在 20km/h 至30km/h 左右 ， 對削減污染物的排放非常不利。國外的研究也發(fā)現(xiàn)在實際的運行條件下 ，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 ， 加速度或減速度對排放特征的影響要比單純考慮速度的影響要大的多。 （ 3） 運行特征 運行特征主要指的是車輛使用規(guī)律 ， 如每日出行次數(shù)和每次出行的運行里程 ， 冷 /熱啟動比例。運行特征對機動車啟動排放的影響較大 ， 目前在美國等機動車污染控制較為先進的國家 ， 機動車運行排放 已經(jīng) 得到大幅度削減 ， 而啟動排放正越來越引起研究者的 重視。在美國 EPA 開發(fā)的道路機動車排放因子模型的 和美國國際可持續(xù)系統(tǒng)研究中心 (ISSRC)開發(fā)的評估機動車對大氣環(huán)境影響的 IVE 模型中 ， 也都專門加入了發(fā)動機每天啟動的次數(shù)以及在各個小時內(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（論文） 7 交通規(guī)劃和交通流的管理對道路車輛排放的影響也很大。例如 :北京交通大學(xué)對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 一些研究者對不同的駕駛習(xí)慣對機動車 排放的影響進行了實驗 ， 研究表明這也會對機動車排放產(chǎn)生影響 ， 實際上這主要是因為不同的駕駛習(xí)慣代表了不同的加、減速的劇烈程度 ， 從而會對排放產(chǎn)生影響。有研究者利用車載測量的方式對汽油轎車在不同駕駛習(xí)慣下的排放特征進行了測試 ， 實驗表明 ， 激進的駕駛習(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 ， 碳氫化合物甚至可以增加到正常駕駛習(xí)慣下的 4 倍。 重型柴油車輛道路排放特征研究方法 車載排放測試 車載排放測量技術(shù)主要是通過 PEMS 對車輛尾氣進行直采 ， 將排氣尾管直接連接 到車載氣體污染物和顆粒物測量裝置上 ， 實時測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。通過對所獲得的瞬時排放數(shù)據(jù)以及 GPS 數(shù)據(jù)進行處理的結(jié)果 ， 形成對被測車輛排放水平的評估。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅可以保證測試的精確度和可靠性 ， 而且可以節(jié)約大量的測試時間和測試成本。特別是該系統(tǒng)具有重量輕、體積小的特點 ， 能夠放在各種被測車輛上進行實際道路排放實時測量 ， 從而反映出各種車輛實際道路排放特征 ， 這為評估整個城市的機動車排放污染水平及對環(huán)境的貢獻率 ， 提供了有效且方便的測試 方法。因此基于 PEMS 的車載排放測試方法將是今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)的一個重要發(fā)展方向。 本課題就是使用 Sensors 公司的 SEMTECHDS 車載排放測試系統(tǒng) ， 對車輛進行實際道路條件下的排放評估。根據(jù)測得的數(shù)據(jù) ， 來評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（論文） 8 3 重型柴油車輛排放測試試驗的設(shè)計 測試手段 借鑒美國和歐洲對重型柴油發(fā)動機車輛在實際運行過程中的排放監(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試的技術(shù)可行性 ， 確定利用 PEMS 對重型汽車整車進行排放測試 ， 利用 PEMS 測試更能客觀的反映車輛在實際運行工況下的實際排放 情況。 便攜式排放 (PEMS)， 用來測量在用車輛整車排放。這項技術(shù)可以進行實際在用輛整車排放測試 ， 并可以提供比傳統(tǒng)實驗室發(fā)動機或車輛測試設(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)燃機排放對環(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 ， 氣象站 ， 全球定位系統(tǒng) (GPS)和連接到汽車網(wǎng)絡(luò) [11]。 PEMS可以實現(xiàn)對發(fā)動機排出的各種污染物 (HC， CO， CO2， NOX)進行十分精確的實時監(jiān)控和測量 ， 并且還測量和記錄發(fā)動機、車輛和環(huán)境參數(shù)等。可以作為我國重型發(fā)動機在用符合性檢查手段的一種補 充。 縱觀 PEMS 在美國和歐洲的近期發(fā)展 ， PEMS 正成為一個重要的監(jiān)管工具。除了進實驗室認證測試之外 ， 美國環(huán)境保護局已經(jīng)推出了基于利用 PEMS 整車測試的不超出(NTE)概念所確定的附加排放要求。在聯(lián)邦 40CFRPart1065SubPartJ 部分規(guī)定了場地測試的測試程序 ， 并對便攜式排放測試設(shè)備儀器的性能要求進行了相應(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際使用中 (包括非循環(huán)工況測試 )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試系統(tǒng)(PEMS)所確定的測試方法和性能要求。因此 ， 本文采用便攜式排放測試設(shè)備 (PEMS)作為整車排放測試工具。 便攜式排放測試系統(tǒng) (PEMS)的組成 便攜式排放測試系統(tǒng) (PEMS)主要有兩部分組成 :排氣污染物測量模塊和發(fā)動機信息讀取模塊。分別用于對車輛在運行過程的排氣污染物數(shù)據(jù)的實時收集和發(fā)動機信息的實時記錄。如圖 31 所示為便攜式排放測試系統(tǒng)的示意圖。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 31 便攜式排放測試系統(tǒng)示意圖 本文所使用的車載排放測試設(shè)備是由 美國 sensor 公司的 SEMTECHDS 車載排放測試軟件 。 如圖 32 所示為固定在車內(nèi) 的電腦設(shè)備， 用于對采集的尾氣進行實時組分分析并記錄數(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 ， 并實時檢測車輛的排氣溫度。 圖 34 為安裝在汽車后箱的SEMTECHDS 車載測試軟件，用于分析排氣的成分和濃度。 圖 32 固定在測試車輛上面的 電腦 設(shè)備 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1