（动力机械及工程专业论文）车辆行驶工况与排放率关系及其数据库研究.pdf

武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 机动车对环境的污染问题已经引起社会的广泛关注。传统的实验室对机动 车排放的评估方法，由于其工况不能反映实际道路驾驶行为等原因，未能完全 反映车辆实际道路排放情况，车辆排放控制策略的丌发也就局限在法规工况控 制范围内。所以为了更深入地了解车辆实际排放状况，本文采用车载排放测试 的方法来研究天津市实际道路行驶机动车的排放，对天津市道路行驶特征和车 辆排放整体特性进行了分析。 本文使用的车载排放检测设备是o b s 2 2 0 0 车载实时汽车道路排放测量系 统，该系统可以每秒一次甚至十次的速率采集记录下汽车的瞬时车速，发动机 温度、压力，环境温度、压力，各排放污染物( c o 、c 0 2 、n o x 和t h c ) 浓度 值等信息。这些数据可用于计算分析汽车的道路行驶工况的特征、道路废气质 量的排放特性，汽车实际道路的排放因子。在进行本文研究之前，我们已经利 用该套试验设备进行了大量的道路试验，试验证明该套系统的工作可靠，测试 精度达到设备说明书要求。 本文通过对天津市的道路类型比例进行分析研究后确定了本项目的试验路 线，并采用上述车载检测技术测试了7 0 多辆具有代表性的轻型汽油车辆的道路 实际排放，结果显示车辆实际道路得到的排放因子比实验室法规情况下测量的 排放因子要高的多。车辆排放耐久性测试的劣化系数c o 为6 2 ，n o x 为5 4 ， t h c 为7 1 ，大大高于法规认为1 2 的系数。 本文通过对7 0 多辆试验车辆的排放测试数据进行处理分析，采用行驶力( 速 度, a n 速度) 和速度与排放率的联合分布来分析车辆道路行驶工况与排放率关 系。通过对废气质量排放率与车辆行驶参数的关系研究发现，使用v a 描述的 参数与废气质量排放率存在对应关系，我们定义了v a 这个参数，用它来表征 车辆行驶力的大小。研究了单元数量的选择和单元内数值地计算。把v 从o 1 3 0 k m h 按照5k m h 的间隔分为2 5 段，v x a 从3 5 - - 3 0m 2 s 3 按照2 5m 2 s 3 间隔分 2 5 段，建立一个点数为6 2 5 的排放数据库。库中每个点的排放率，按照其v 和 v a 值的不同，放置于不同的单元中，在每个单元内计算其平均值。车辆按技 术种类、排量和使用年龄根据回归曲线，插值修正计算其排放率值，最终得到 了不同车辆按技术种类和使用年龄在实际行驶中的废气排放率。并结合m a t l a b 武汉理 大学硕十。位论文 工具，开发出了车辆工况与排放关系解析软件，利用该解析软件对数据进行分 析整理，最终得到了一种新型的车辆行驶工况与排放率关系数据库。 通过天津市典型道路上的大量的实际道路测试，获得了描述各种不同道路 类型的汽车行驶特征参数。结果表明各类参数在不同的道路上有不同的分布特 征。 关键词：尾气排放排放率车载排放测试行驶力行驶工况排放数据库 武汉理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep o l l u t i o np r o b l e mo fv e h i c l e st oe n v i r o n m e n th a sa l r e a d yc a u s e ds o c i a l e x t e n s i v ec o n c e m e v a l u a t i o nm e t h o do ft r a d i t i o n a ll a b o r a t o r yt ov e h i c l e s e m i s s i o n s ，o w i n gt oi t sw o r kc o n d i t i o nc a n tr e f l e c ta c t u a lr o a dd r i v i n gb e h a v i o r ，c a n t c o m p l e t e lyr e f l e c tv e h i c l e s a c t u a lr o a de m i s s i o n s ，t h ee x p l o i t u r eo fs t r a t e g yo f t h e v e h i c l ee m i s s i o n sc o n t r o la l s ol i m i t si nt h ea r e a so ft h el a ws t i p u l a t ew o r k i n g c o n d i t i o n i no r d e rt om o r et h o r o u g h l yu n d e r s t a n dv e h i c l e sa c t u a le m i s s i o n s ，t h et e x t a d o p t e so n - b o a r de m i s s i o n st e s tm e t h o dt os t u d yv e h i c l e sa c t u a lr o a de m i s s i o n si n t i a n ji nc i t y ，a n a l y s i n gt h er o a dd r i v i n gc h a r a c t e r i s t i ca n d t h ew h o l ev e h i c l ee m i s s i o n s c h a r a c t e r i s t i co ft i a n j i nc i t y t h eo n b o a r de m i s s i o nt e s te q u i p m e n tw h i c ht h et e x tu s e si so b s 一2 2 0 0 a n o n b o a r dr e a lt i m ev e h i c l er o a de m i s s i o nt e x ts y s t e m u s i n gt h i ss y s t e m ，t h ev e h i c l e i n s t a n t a n e o u ss p e e d ，e n g i n et e m p e r a t u r ea n dp r e s s ，e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n d p r e s s ，v o l u m ec o n c e n t r a t e no f e x h a u s tg a s e s ( c o ，c 0 2 ，n o xa n dt h c ) c a i lb et e s t e d a n dr e c o r d e dw i t ho n ee v e nt e nt i m e sp e rs e e a l lt h e s ed a t ac a nb eu s e dt oa n a l y z e e x h a u s tb e h a v i o ro ft h ev e h i c l eu n d e rr e a l i s t i cr o a dc o n d i t i o na n dd r i v i n g p a r e m s o m ee x p e r i m e n t sh a sb e e nm a d et oc e r t i f yt h ec r e d i b i l i t ya n dp r e c i s i o no f t h e s y s t e m p a s s i n ga n a l y s i n ga n dr e s e a r c h i n gt h er o a dt y p e sp r o p o r t i o no ft i a n j i nc i t y ，w e c o n f i r mt h et e s tr o u t e ，a n da d o p t e dt h ea b o v e m e n t i o n e do n b o a r dt e s tt e c h n i q u et o t e s tm o r et h a n7 0r e p r e s e n t a t i v ev e h i c l e s ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h ee m i s s i o nf a c t o ro f v e h i c l ea c t u a lr o a de m i s s i o ni sh i g h e rt h a nt e s t i n gi nl a b o r a t o r y t h ei n f e r i o r c o e f f i c i e n to fv e h i c l ee m i s s i o nd u r a b l et e s ti s ：c oi s6 2 ，n o xi s5 4 ，t h ci s 7 1 ，c o n s u m e d l yh i g h e rt h a n1 2o ft h el a wo r d a i n i n g p a s s i n ga n a l y s i n ga n dd e a l i n gw i t et h ed a t ao fm o r et h a n7 0v e h i c l e s ，a d o p t i n g u n i t ed i s t r i b u t i o no f d r i v i n gp o w e r ( s p e e d 幸a c c e l e r a t e n ) 、s p e e da n de m i s s i o nr a t et o a n a l y s i n gt h er e l m i o nb e t w e e nv e h i c l er o a dd r i v i n gc o n d i t i o na n de m i s s i o nr a t e f r o m r e s e a r c h i n gt h er a l a t i o no ft h ew a s t eg a sq u a l i t ye m i s s i o n s r a t ea n dt h ev e h i c l ed r i v i n g 武汉理l i 大学硕士学位论文 p a r a m e t e r ，w ef i n dt h a tt h ep a r a m e t e rd e s c r i b e db yv x aa n dt h ew a s t eg a sq u a l i t y e m i s s i o n sr a t ee x i s tc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n ，w ed e f i n et h ev x ap a r a m e t e ra n du s ei t e x p r e s sv e h i c l ed r i v i n gp o w e r v a l u e w es t u d yt h ec h o i c eo fc e l l sn u m b e ra n d n u m e r i cc a l c u l a t i o ni nc e l l w ed i v i d et h evi n t o2 5s e c t sf r o mt h eo 13 0 k m h a c c o r d i n gt ot h ep a r t i t i o no f5 k m h d i v i d et h ev x a i n t o2 5s e c t sf r o m 一3 5 3 0 m 2 sa c c o r d i n gt ot h ep a r t i t i o no f 2 5 m 2 s 3 ，b u i l du pa ne m i s s i o n sd a t a b a s e i n c l u d i n g6 2 5c e l l s e a c hc e l l 。se m i s s i o nr a t ei nt h ed a t a b a s e ，a c c o r d i n gt ot h e d i s s i m i l a r i t yo fi t sv a n dvx a sv a l u e ，p l a c i n gi nd i f f e r e n tc e l l s ，c a l c u l a t i n gi t s a v e r a g ev a l u e i ne a c hc e l l a c c o r d i n gt ot h et e c h n i q u et y p e ，e m i s s i o nm a s sa n dt h e u s i n gy e a r s ，b yu s i n g r e t u r nc h iv ea n di n s e r t i n gv a l u ea n dc o r r e c t i n gt oc a l c u l a t ei t s e m i s s i o n sr a t ev a l u e ，a n dg e t t i n ga c t u a ld r i v i n ge m i s s i o nr a t eo fd i f f e r e n tv e h i c l e a c c o r d i n gt od i f f e r e n tt e c h n i q u et y p ea n du s i n gy e a r sa tl a s t c o m b i n i n g w i t h m a t l a b ，w ee m p o l d e ra na n a l y z i n gs o f t w a r ea b o u tt h er e l a t i o no f v e h i c l e s w o r k c o n d i t i o na n de m i s s i o n s ，u s i n gi tt oa n a l y s ea n dd e a lw i t ht h o s ed a t a , w eb u i l du pa n e wk i n do fd a t a b a s ea b o u tt h er e l a t i o no fv e h i c l e s w o r kc o n d i t i o na n de m i s s i o n w ec a r r yt h r o u g hag r e a td e a lo fa c t u a lr o a dt e s to ft y p i c a lm o d e lr o a di nt i e n j i n c i t y ，o b t a i n i n gv a r i o u sr o a dt y p ed r i v i n gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r a sar e s u l t ，e a c h k i n do fp a r a m e t e ro nd i f f e r e n tr o a dh a sd i f f e r e n td i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d ：t a i lg a se m i s s i o n ，e m i s s i o nr a t e ，p o r t a b l ee m i s s i o n sm e a s u r e m e n t s y s t e m ，d r i v i n gp o w e r ，d r i v i n gc y c l e ，e m i s s i o nd a t a b a s e i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：遣叁笙日期：! ! 鳖：竺竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 签名：逢垒聋导师签名：翌看客窟i l 知期：2 芝芝星苎：! ； 武汉理 大学硕士学位论文 1 1 、引言 第1 章绪论 汽车是当今社会的主要交通工具之一。目前汽车用燃料主要是汽油、煤油 等石油产品，世界石油资源的很大一部分都消耗在汽车上，而汽车尾气的排放 则是增长最快的空气污染源之一。在发达国家城市区域，汽车是c o 、n o x 和 h c 等空气污染的主要来源，控制汽车排放、提高燃油经济性和开放新的代用燃 料将对改善环境污染，缓解能源危机做出重大贡献。 1 1 1 、研究尾气排放特性与分布规律的目的和意义 由于机动车的制造技术、燃料类型、排放控制、行驶模式以及道路条件等不 同因素的影响，各类车辆之间、同类车辆的不同驾驶模式之间、城市的不同路 之间甚至相同道路的不同地点，机动车尾气排放都具有很大的差异。 利用p e m s ( p o r t a b l ee m i s s i o n sm e a s u r e m e n ts y s t e m ，便携式排放测试系统) 技术，通过对不同类型车辆在不同条件下的排放进行实时的路上测试，然后对 收集到的数据进行分析，如果能得到各种车辆在各种条件下的排放特征以及在 道路网络中的分布规律，无疑对提高尾气污染治理的效率和针对性有极其重要 的意义。 本文主要是在前期的p e m s 道路测试的工作基础上，通过对数据进行分析， 建立了排放率与行驶工况的关系数据库，并对天津市各种车辆的尾气排放特性 与分布规律进行对比分析，并在此基础上对尾气排放严重地点，从道路改善和 交通规划与控制的角度提出可能的改善建议。 1 1 2 、道路车辆尾气排放特性分析 1 1 2 1 、尾气排放特性分析方法 本文从影响排放的相关因素，包括车辆自身属性、行驶工况等，结合交通或 武汉理工大学硕士学位论文 者环保部门的着眼点，充分利用前期建立的基础交通尾气数据库，对天津市的 机动车尾气排放数据进行了排放特性分析。 1 1 2 2 、尾气排放相关研究热点问题 随着试验手段的进步，尤其是车载尾气检测系统的出现，使得车辆在实际 路况下每秒的瞬时尾气排放数据的获得成为可能。由于长期困扰研究人员的问 题获得了新的解决手段，尾气排放量化和控制领域内近期出现了很多新的研究 热点。在城市范围内，考虑基础性和适用性，其中的研究热点有： 1 )瞬时尾气排放数据的积累与挖掘 2 )各种车辆的排放特性分析 3 ) 尾气排放时空分布规律 4 )基于上述数据的尾气量化模型的开发 通过研究制定汽车排放控制规划，建立和完善排放控制法规及管理机构， 对汽车排放进行科学的、系统的监督管理。由于近年来汽车数量增加过快，在 汽车的设计制造、使用、维修保养、报废等环节上存在许多问题，加上城市的 道路建设相对滞后、交通管理不适应，以致城市汽车排气污染问题仍很严重。 机动车排放的大气污染物主要出现在城市主要道路两侧和交通密集区域， 与行人的距离最近，同样的排放量，行人对机动车排放污染物的摄入量是对电 厂排放污染物摄入量的3 0 倍；许多城市道路两侧空气质量超标严重，司机、交 通警察长期处于空气污染严重的环境中，乘车者、骑车者和行人也深受道路空 气污染的危害。随着城市煤烟型污染控制取得成效，今后城市机动车排放污染 对空气质量的影响将越来越突出。机动车排放的污染物因此改变大气组成成分， 另外其中含有的可燃物、微量气体和颗粒也会对人体健康、植物和各种存在于 周围环境的物质造成很大损害。n o x 超标相当严重和城市道路两侧及交通密集 区域c o 浓度超过国家标准是我国当前城市街道机动车污染的主要特点。因此， 有效控制城市机动车污染是改善城市空气质量的必要举措【2 】。 虽然在国内不少城市都设有环境监测站，但因为大气环境质量监测是一件 耗资巨大的工作，环境监测站数量上很有限，且位置高度按国际控点要求，在 十多米高度，不能反应地面环境状况，如果某一个地方没有被监测，大气污染 控制将无法决定某一特定的污染源排放率是否符合周围环境的大气质量标准。 关于城市机动车污染现状的研究，已有一些学者作了研究，给环保、城建以及 2 武汉理r t 人学硕士、位论文 机动车生产厂家提供了有价值的参考依据，但是现有的工作多是对城市及市区 某一地区的大尺度范围的污染物扩散状况进行统计和计算分析，因此作进一步 深入研究是非常必要的【3 卅。 1 1 3 、国内外研究现状 面对城市交通网络中机动车尾气排放量是多少、对空气污染的贡献率有多 大、分布规律又是如何等问题，国内外都进行了大量研究，其中对尾气进行准 确的定量分析是科学研究的基础，而实验手段是决定分析准确性的条件f 5 】。 国内外有关机动车排放率的研究报道较多，目前主要通过车载排放测试系 统和底盘测功机对机动车进行测试，进行机动车排放污染物浓度、机动车行驶 速度及加速度的相关性研究。 在数据的后处理方面，国外也有较多的研究。如休斯敦研究者采用s m o gd o g 进行机车排放物的检测和评价，可以从收集的排放物转换得到机车的排放率， 并得到机车的瞬态速度和加速度速率；香港实际路况下柴油机车排放的检测和 排放因子的研究，采用基于机车排放数据的回归分析方法，针对当地城市驾驭 路况研究了排放因子c o 、h c 和n o 对机动车瞬间速度、加速度减速度的影响； 美国e p a 通过自行研发的r o v e r 车载排放测试仪，开发了评估车辆排放率分 布的模型m o v e s ，其还利用r o v e r 和其他车载排放测试设备进行重型车道路 排放测试，研究出重型在用车符合性的研究。 美国北卡罗来纳州立大学环境工程学院通过使用便携式测量仪器 o e m 2 1 0 0 ，在交通灯路口处，比较在信号灯变化前后车辆排放情况，来评估实 际道路交通流的作用。并通过此研究如何优化交通控制措施，以及开发出排放 数据收集方法和评估模型。美国加利福尼亚大学工程学院的下属的环境研究技 术中，i i , ( c e c e r t ) 已经通过分析重型车排放数据得到了重型车排放数据清单 和重型车排放行为。目前，c e c e r t 已经与c a r b 、e p a ，发动机生产厂商、 排气后处理装置厂商合作研究重型柴油车道路排放特性，以更好的了解重型车 排放问题和提出相应的解决方案p 1 2 】。 国内方面，中国环境科学研究院利用自行开发并研制的机动车排放颗粒物 稀释风道采集系统检测并分析了各种机动车不同粒径颗粒物的排放因子：轻型 柴油车排放特性与机动车比功率分布的实例研究，引入机动车比功率概念研究 武汉理r 大学硕士学位论文 了驾驶条件对机动车排放的影响及二者间的关系；天津内燃机所的研究人员利 用所设计的机动车车载实时排放测试系统研究了机动车实际道路排放因子的分 布特征以及速度、加速度等参数对排放因子的影响规律；清华大学环境科学与 工程系构建的车载排放测试系统对北京市8 辆轻型车的实际道路瞬态排放进行 测试，分别解析了速度、加速度与排放的数理规律，引入“排放增量”概念，建立 一套可用于研究交通流特征对机动车排放影响的轻型车瞬态排放数学模拟模 式。 1 2 、获取机动车排放因子的目的和意义 机动车排放的尾气是大气三大污染源之一，随着机动车保有量的增长，其 大气污染的分担率也日益加大。排放因子是对机动车尾气排放进行量化、分析 和评价的重要参数，它可用于估算区域排放总量或排放强度，有助于分析高排 放的原因和制定控制策略。 现今使用最多的还是台架测试技术，但台架测试技术本身的特点决定了通 过这种测试获得的排放因子在针对性、实时性和数据准确性方面略显不足，因 此，如何获取交通网络中较为准确的排放因子一直是近年来各大城市既关注又 棘手的问题。本文在研究天津市车辆行驶工况与排放因子的关系的基础上，针 对排放因子的研究做了以下几点补充。 1 2 1 、机动车尾气排放因子的概念 机动车排放因子的确定是城市机动车污染控制体系的核心内容之一，所谓机 动车排放因子是指一辆机动车运行单位里程或小时或消耗单位燃料所排放的污 染物的量，单位为g l m l 或g 1 1 或眺g ( 燃料) ，它反映了机动车的排放水平，是 进行尾气控制对策研究的基础和依据。 1 2 2 、机动车尾气实测排放因子 获取机动车尾气实测排放因子的技术有很多，发展至今已经形成了几种比较 成熟的方法：底盘测功机测试法( 台架测试法) 、隧道测试法和室外遥感监测法， 但这些方法均有明显的缺陷：台架测试法不能模拟实时行驶工况，隧道法不能 将排放数据和车辆对应，遥感监测只能定点收集浓度数据。 4 武汉理一 人学硕十学何论文 本文用的测试方法是实时车载尾气检测法，即p e m s 技术。该技术可以记录 所有测试时间内的以秒计的质量排放，再结合g p s 获得的车辆行驶速度和路径 数据，便可得到测试车辆的排放因子。 1 2 3 、应用p e m s 技术获取真实、准确的排放因子 根据实测排放因子获得的方法介绍可以看出，应针对不同的研究需求选用 不同的测试方法以获得不同精度的排放因子数据。台架测试是发展最成熟也是 应用最广泛的测试法，但这一方法无法测到机动车实际道路运行状况下的排放 因子，因此得到的数据中缺失交通信息、道路信息等，在此情况下想得到尾气 的网络分布特性就显得无能为力了。这时，利用车载测试技术( p e m s ) 对路网 中的机动车进行实时测试，获取其实际排放数据就显得尤为必要了。 1 2 4 、通过排放因子分析各种因素对排放的影响 影响城市平均排放因子水平的因素很多，宏观的有车辆行驶工况、燃料特 性、i m 计划等，有些宏观影响因素的影响效果不一定马上体现出来；在微观方 面，平均速度、加速度、驾驶行为等的变化也是制约排放因子的因素，因此通 过对获得的排放因子进行分析，就可以得出各因素对排放的影响。 1 3 、排放因子的获取方法综述 随着机动车尾气治理工作的深入和细化，机动车尾气研究工作的重点逐渐由 定性研究转为定量研究，精确的尾气量化模型是评价城市机动车尾气排放水平、 制定尾气控制策略的基础，其中，机动车排放因子是宏观尾气排放量化或总尾 气排放量计算的关键。 目前的车辆排放特征的分析方法主要有以下几种： 1 3 1 、尾气排放台架测试法 尾气排放台架测试是指在底盘测功机( 或发动机台架) 上根据标准的测试 规程模拟汽车实际行驶条件并对其排气进行取样与检测的一种方法。测试规程 是模拟汽车在典型道路上的运行工况而编制出来的，最常用的是美国联邦测试 武汉理i ：大学硕十学位论文 规程( f t p ) 、欧洲经济委员会测试规程( e c e ) 和日本的测试规程。测定时， 汽车发动机在实验台架上按照既定规程运转，尾气采样使用定容采样系统 ( c v s ) 收集并用规定的方法分析，测定各有害成分的排放量。台架试验的缺点 在于它的测试工况与现实工况相差很远，工况点很有限，测试结果与实际道路 行驶条件差别较大。而且该种方法采取固定的行使周期进行测试，因此并不能 真正反映实际道路上的尾气排放。 1 3 2 、隧道测试法 2 0 世纪8 0 年代初，为克服台架测试不能反映车辆组合和路上行驶工况的局 限性，c h a n g 等提出了隧道测试法，该方法通过检测经过隧道的车流排入隧道内 的污染物浓度和隧道内风速等环境因素，应用污染物扩散模型推导车流平均单 车排放因子。与台架测试法对比，这种方法得出的排放因子可以代表隧道内车 流真实行使状态下的整体排放水平，但由于车辆在隧道内的行使模式和实际网 络中的行使模式存在差异，该方法的局限性也很明显。 1 3 3 、遥感监测 近年来，美国、日本等发达国家采用遥感监测技术进行排放因子的监测。 这种方法一般在道路边架设仪器，通过不分光红外分析法( n d i r ) 和分光或不 分光紫外分析法( n d u v ) 等技术，在线动态监测尾气管排放污染物的浓度，进而 求出该道路上的机动车排放因子。 遥感监测不需要干预被测车辆的操作，也不需要被测车辆司机的配合，监 测结果更真实地反映了道路车辆的实际排放。而且检测结果能够进一步转化成 以g l 的表示的c o 和h c 质量排放速率。近年来，该项技术不断完善，在不分 光红外分析法的基础上，结合分光或不分光紫外分析法可以得到n o c 0 2 的比 值，从而得到n o 的排放状况。在实际的测试中，还有研究者利用可调红外激光 二极管差分吸收光谱法( t i l d a s ) 进行遥感监测，这种方法在得到n o 浓度的 同时，还可以得到n 0 2 n o 的比值，从而将得到的n o 排放转化为研究中更常用 的n o x 排放。 遥感监测技术是分析实际道路机动车排放状况和筛选高排放车辆的有效手 段，但是遥感监测不能对多车道道路上机动车排放情况作出准确测定，往往仅 6 武汉理t 大学硕士学位论文 能应用于单车道道路或隧道内。虽然其可以对大量的车辆进行测试，但其不能 对实际运行工况下排放的变化进行测量，而且该方法只能测量出排放气体的浓 度，无法得到排放气体的绝对质量，因此也无法用于量化在实际交通网络环境 中运行车辆的尾气排放。 1 3 4 、车载排放测试 2 0 0 0 年之后最新应用的测试方法是实时车载尾气检测法，该方法应用便携 式尾气检测技术( p e m s ) ，摆脱了实验室内不能模拟实时路上行驶工况的缺陷， 突破了遥感监测定点尾气收集数据的局限性。 车载排放测试主要是通过p e m s 对车辆尾气进行直采，将排气尾管直接连 接到车载气体污染物测量装置上，实时测量整车排放的体积浓度和排气流量， 从而得到气体污染物的质量排放量。通过对所获得的瞬时排放数据以及g p s 数 掘进行处理的结果，形成对被测车辆排放水平的评估。这种技术的应用不仅可 以保证测试的精确度和可靠性，而且可以节约大量的测试时间和测试成本。特 别是该系统具有重量轻、体积小的特点，能够放在各种被测车辆上进行实际道 路排放实时测量，从而反映出各种车辆实际道路排放特征，这为评估整个城市 的机动车排放污染水平及对环境的贡献率，提供了有效且方便的测试方法。因 此基于p e m s 的车载排放测试方法将是今后相当长的一段时间内的一个重要发 展方向【1 3 之。 1 4 、本文研究的目的、内容及意义 1 4 1 、研究的目的及意义 本文研究的目的是利用车载测试技术( p e m s ) 对天津市交通网络中的机动 车排放进行实时的动态检测，采集检测数据，然后对这些数据进行修正处理， 建立一个可以不断更新的排放污染物数据库，为天津交通提供科学准确的排放 污染物量化方法，以及排放污染物的排放特性和时空分布，为天津的机动车尾 气排放治理和改善大气环境提供有效的决策支持。 城市机动车在实际行使过程中的尾气排放受很多因素的影响，如车辆设计， 武汉理1 人学硕十学位论文 道路状况，交通管理、驾驶行为等等。相同的车辆在不同的道路状况、交通管 理措施的情况下运行，其尾气排放也有显著区别，而以往实验室内尾气检测方 法不足以反映这些变化特征。因此，积累实时的、在线的排放数据以及基于这 些数据进行相关问题的研究就显得十分必要。本文使用由最先进的p e m s 设备 所获得的逐秒排放数据从一个全新的角度即使用行驶力( 速度与加速度 的乘积) 来评价机动车的尾气排放，从而有效地评估交通网络的废气排放状况， 为制订全面有效的机动车尾气排放控制策略奠定了峰实的基础。 1 4 2 、研究的内容 研究的内容如下： 1 ) 对收集的数据进行分类和整理建立一个能不断更新和完善的排放污染 物数据库： 2 ) 分析机动车在交通网络中的排放特性，并得出排放的空间分布规律， 3 ) 对排放污染严重地点，从道路改善和交通规划与控制的角度提出可能的 改善建议。 1 4 3 、技术路线 l 竺型、 、k 武汉理1 = 大学硕十学位论文 第2 章试验设计及数据预处理 2 1 1 1 、车载测试系统设计方案 本文测试的车辆包括各种技术类型的轻型汽油车，因此为了满足车载测试 系统能测量这些不同技术类型车辆的排放情况，我们选择了o b s 2 2 0 0 设备对车 辆进行测量。 本测试方案的主要技术包括以下两个部分： 测试系统：车载气态污染物实时测量、车载排气流量实时测量。 数据后处理：车辆实际道路行驶瞬态排放特性的分析研究方法。 2 2 、车载测试技术研究 本测试系统具有使用便携的特点，安放于被测试车辆上，对车辆的行驶状 态及其排放污染物排放量进行实时的测量。测试系统对被测对象的测量和数据 采集的频率为1 h z ，因此，该技术满足了对实际道路行驶状况下对车辆瞬态排放 特性进行分析研究的要求。 2 2 1 、实验设备：o b s 2 2 0 0 o b s 系统是由抗震的气体分析仪单元、温湿度传感器、g p s 、用来系统控 制和数据记录的计算机、附属传感器和连接在尾气管的p i t o t 管流量计组成的。 车辆排放污染物中的c o 、c 0 2 的浓度是由非扩散红外气体分析仪( n d i r ) 澳i 量； t h c 浓度则是由氢火焰离子化监测仪( f i d ) 测量；n o 。浓度由化学分光探测仪 ( c l d ) 狈i j 量：气体分析仪的分析数据和附属传感器的数据通过控制软件储存在计 算机中：外部信号通过o b s 2 2 0 0 的附属接口输入到计算机中。在软件中可以根 据g p s 经纬度数据得出车辆的行驶路线，并且根据流量得出车辆污染物的质量 排放量和燃油消耗率。系统实物图如下图2 1 所示。 对于有辅助的发动机电脑诊断端口( o b d ) 的车辆来说，o b s 系统提供的 9 武汉理i ：人学硕士学位论文 诊断模块接口可读取车辆e c u 的信息，获取发动机和车辆的数据：如发动机转 速、发动机冷却剂温度、节气门位置、进气质量流量、进气压力等。对于无o b d 的车辆，则可以通过加装的传感器测量，再通过o b s 系统配套的外部信号输入 单元( h u ) ，对传感器信号的转化，成为o b s 系统可以读取数据内容，来实 现外部信号与o b s 系统的连通。 o b s 一2 2 0 0 系统测量参数包括：实时的c o 、c 0 2 、h 2 0 、n o x 、t h c 浓度； 实时的车辆排放尾气的流量、温度、压力：周围环境温度、湿度、压力；经度、 纬度、速度、海拔：电池电压：外部输入数据( 可选) ；o b d 输入数据。 o b s 一2 2 0 0 系统通过测量参数可以计算的数据包括：车辆的行驶路线：车辆 排放污染物实时质量排放量和总质量排放量：燃油消耗率：车辆行驶距离，空 燃比：车辆行驶发出的功率；车辆的排放因子等。 i 一一一o 。世1 ：譬 豁遵也 图2 - lo b s 系统实物图 o b s 的系统规格及参数如下： 表2 - io b s 系统的特征和规格 c oh n d i r c 0 2 f i n d i r 1 h c h f i d 测量成分及n0。hcld 输入信号 排气流量：p i t o t 流量计 标准输入从附属传感器测得 外部输入最大1 6 通道 o b d 数据最大1 6 项内容 电源供应 2 0 v - 3 0 vd c 功率消耗 大约o5 k w 系统规格 体积尺寸 ! 塑( 邺塑3 1 ( h ! 堑塑婴r a m 重量 一 羹约2 9 k g 应用范围汽油车：柴油车；lp g 、c n g 车：符合美国c f r l 0 6 5j 分部法规 注：标准输入包括：排气温度；排气压力；环境温度、湿度、压力：g p s 信号 武汉理i ：人学硕十学位论文 2 2 2 、基于o b s 技术的试验方案的设计 2 2 2 1 、实验目标的确定 基于o b s 的尾气测量实验是本项目一切研究的基础，获取真实有效的排放 数据以建立天津市汽车污染物排放数据库是实验的最直接的目标，利用o b s 实 验数据结合i v e ( i n t e r n a t i o n a lv e h i c l ee m i s s i o n ，国际车辆排放模型) 模型完成以下 工作是实验的间接目标。 一、 得到天津市不同车型实测排放因子； 二、 分析天津市尾气排放特征和分布规律； 三、 得到i v e 模型所用的基础排放率修正因子。 2 2 2 2 、实验的影响因素分析 比起传统的尾气排放台架测试法，o b s 车载排放测试系统因其灵活便捷性 也造成了实验过程的复杂性。台架尾气排放测试法的实验外部条件具有可控性， 而实时的车载排放测试属于观察性实验。例如，温度、湿度等类似外部条件不 在实验条件的控制范围之内。传统的尾气排放台架测试法是在设定的速度和发 动机工况下进行的，即在特定的行使周期下进行的。而实时测试，车辆速度和 发动机及其交通状况是未知的。在外界温度、相对湿度、交通状况、司机驾驶 行为、测试路线条件都是不可控因素的条件下，制定合理的测试计划显得尤为 重要。合理的测试计划可以将以上种种不可控因素变成尾气排放相关研究的新 的切入点和突破点。 本项目对车辆进行实时测试的合理的测试计划制定过程见图2 2 引日嘲日矮1 黼 i 确定测试日期安排 武汉理t 大学硕士学位论文 2 2 2 3 、实验车辆的选择 由于本研究基于天津市乘用车排放调查项目，所以根据天津市道路乘用车 类型的实际组合比例选择车辆，目前所测试的车辆有7 4 辆，由于要计算各车辆 的排放因子，所以本项目还结合了i v e 型，利用i v e 模型来计算各车辆的排放 因子，i v e 模型中是按技术类型对车辆的排放因子进行计算的，因此依据i v e 模型划分标准，我们将7 4 辆车划分为了1 3 种技术类型，以便后文计算各技术 类型车辆的排放因子，7 4 辆车的所属技术类型如下表2 2 所示： i v e 技术类型 0 2 3 1 11 7 118 119 1 2 0 1 2 1 1 2 6 1 2 7 1 2 8 1 2 9 1 3 0 表2 2 测试车辆组成 类 型 特征 轻型化油器汽车( 中等行驶早程) 轻型化油器汽车( 高等行驶罩程) 中型化油器三元催化汽车( 中等行驶里程) 轻型多点喷射三元催化汽车( 低等行驶里程) 轻型多点喷射三元催化汽车( 中等行驶罩程) 轻型多点喷射三元催化汽车( 高等行驶里程) 中型多点喷射三元催化汽车( 低等行驶罩程) 中型多点喷射三元催化汽车( 中等行驶罩程) 轻型多点喷射三元催化汽车( 低等行驶里程、带 废气循环系统) 轻型多点喷射三元催化汽车( 中等行驶里程、带 废气循环系统) 轻型多点喷射三元催化汽车( 高等行驶里程、带 废气循环系统) 中型多点喷射三元催化汽车( 低等行驶里程、带 废气循环系统) 中型多点喷射三元催化汽车( 中等行驶里程、带 废气循环系统) 2 2 2 4 、实验路线的选择 所占比例 4 0 5 1 4 8 6 1 3 5 3 1 。0 8 4 0 5 1 8 9 2 1 3 5 4 0 5 4 0 5 8 1 1 4 0 5 2 7 1 1 3 5 对于路线的选择，目前有两种方法，一种是追踪法，一种是路线循环法。 追踪法是指载有测速仪器的车辆在选定的路段范围内，随机选择跟踪一个目标 车辆，模仿目标车辆进行跟踪模拟。一方面追踪法可以模拟不同司机的驾驶习 惯，排除了因为追踪车辆有目的而刻意的驾驶行为，另一方面可以获得各个路 段和节点上包括拥塞等最能反映实际工况的数据。另外，路段级别的不同会影 响机动车的驾驶速度，而这一关系无法从速度曲线中分辨出来，运用追踪法可 糙4竹1捣3似1 3 3 武汉理r 大学硕士学位论文 以随机选择行驶路线，包括了各种路段的行驶工况，所收集的数据因此具有很 强的代表性。路线循环法是让装了测速仪的机动车在选定的合适路线上反复行 驶。实验证明用两种方法测得的结果没有太大差异。选择合适的路线才能代表 实际的行驶状况。设计路线必须根据实际路网选择道路类型比例合适的路线。 该研究基于天津市轻型车排放水平调查项目，所以根据天津市的道路类型比例， 选择过程如下： 目前，天津市路网大约2 4 4 1 6 千米，其中有2 1 9 1 千米的快速路，2 4 1 千米 的主干道，4 8 1 8 千米的次干道和7 2 8 5 千米的支路。根据实际调查，以上类型 道路的车流量分别为4 0 0 0 、1 3 0 0 、5 0 0 、3 0 0 辆d , 时左右。考虑上述因素，车 辆行驶里程比例约为4 0 0 0 2 1 9 ：1 3 0 0 x 2 4 1 ：5 0 0 4 8 l ：3 0 0 x 7 2 8 ，设计路线包括以 上四种道路类型，比例为3 7 ：1 3 ：l ：0 9 。按照以上道路类型原则选择的道路 如图2 3 ，该路线封闭总长约1 4 6 公里。各路段的道路类型及行车道数见表2 3 。 图2 3 按照天津市道路类型比例原则选择的测试路线 表2 3 按照天津市道路类型比例原则选择的测试路线的道路类型和车道数 路段路段级别车道数 耐火厂路支路 1 + l 程林道主干道 3 + 3 九经路次干道 2 + 2 七纬路次干道 1 + l 十一经路快速路3 + 3 卫国道快速路3 + 3 昆仑路 快速路 3 + 3 崂山道支路 l + 1 天山路次干道2 + 2 香山道支