（光学工程专业论文）车辆道路排放测试技术的研究.pdf

武汉理i 人学硕十学位论文 中文摘要 目前由汽车排放产生的环境污染越来越严重。为了治理环境污染，各国相继 针对车辆排放制定强制性排放标准，以控制汽车污染物的排放量。 车辆排放测量方法主要由排放检测方法和尾气取样方法构成。检测方法主要 是使用工况法。目前有两种主要的尾气采样方法，一种是直接采样法，这种方法 比较简单，但是其采样管路的吸附现象会造成测量误差：另一种方法就是定容采 样法( c v s ) ，虽然c v s 的测量设备以及方法要较复杂，但是c v s 结果更为精确。 制定各种车辆排放控制法规的目的是为了控制车辆排放，降低在实际使用过 程中的污染物排放量。由于目前对车辆进行排放测试大多是在实验室的发动机台 架或者底盘测功机上进行的，但是试验室测试条件与实际路况有很大差别，不能 完全反映车辆在道路上排放情况。因此，有必要对实际道路上车辆尾气排放进行 详细的研究，这也可以作为试验室结果的补充。 我们使用便携式排放测试系统( p e m s ) 作为道路排放测试的主要设备。这些 系统体积很小，能够安放在车厢内对车辆在实际道路条件下行驶时的排放进行测 量。美国环保局根据p e s 实际应用情况，制定出法规代码为c f r l 0 6 5 的测试程 序。我们以c f r l 0 6 5 为基础制定我们的测试程序。 为了验证所使用的车载排放测试系统的准确性和可靠性，首先通过在实验室 内进行c v s 与车载排放测试系统进行对比测试。发现排放结果的差异在正常范围 内，车载排放测试系统得到的结果是可以接受的。随后，我们有针对性的选择一 辆轻型车作为被测车辆，在实际道路上进行一系列的道路排放测试。所选择的测 试线路及时问基本上涵盖了我国大城市的路况特征。 我们针对车辆在实际道路条件下按照瞬态工况行驶的特点，引入瞬态工况参 数，构建污染物浓度排放矩阵，对测得排放污染物的瞬态分布情况进行研究。由 此得出的排放分布矩阵可以很直观的分析由于车辆行驶情况对车辆排放情况的 影响。基于对测试条件和测试车辆的选择，可以说得到的排放分布情况能够初步 反映出轻型在用车在我国大城市交通环境中的排放情况。 关键词：车辆排放，测试技术，p e m s ，道路测试 熬鋈堡! ：盔兰堕主堂篓曼塞 t h ep o l l u t i o nf r o ma u t o m o b i l ei sm o r ea n dm o r es e r i o u s ，a n di ti sh a r mt ot h e h u m a n sh e a l t ha n dt h eb a l a n c eo ft h en a t u r e 。f o rc o n t r o lp o l l u t i o n ，e v e r yc o u n t r y r a i s e st h ec o n t r o lr e q u i r e m e n ta b o u tt h ee m i s s i o np o l l u t a n t ，c o n s t i t u t et h ec o m p e l l i n g e m i s s i o ns t a n d a r d st oc o n t r o lt h ee m i s s i o nf r o ma u t o m o b i l e t h et e s tm e t h o da n de x h a u s tg a ss a m p l i n gm e t h o dc o n s t i t u t e st h ee m i s s i o n m e a s u r em e t h o d 。n ed r i v ec y c l ei st h ep r i m a r yt e s tm e t h o d c u r r e n t l y , t h e r ea r et w o k i n d so fe x h a u s tg a ss a m p l i n gm e t h o d o n ei st h ed i r e c ts a m p l i n g ，i ti sas i m p l e m e t h o d ，b u tt h em o s ts e r i o u sp r o b l e mo ft h ed i r e c ts a m p l i n gi st h ea d s o r p t i o no f s a m p l el i n ec a nr e s u l t i nm e a s u r e m e n te r r o lt h eo t h e rm e t h o di sc o n s t a n tv o l u m e s a m p l i n g ( c v s ) t h o u g ht h ee q u i p m e n t sa n dt e c h n i q u eo fc v sa r e m o r e c o m p l i c a t e dt h a nt h ed i r e c ts a m p l i n g ，t h em e a s u r er e s u l ti sm o r ea c c u r a t et h a nt h a to f t h ed i r e c ts a m p l i n g t h em a i np u r p o s e so fi n s t i t u t ev e h i c l ee m i s s i o nc o n t r o ll e g i s l a t i o n sa r ec o n t r o l e m i s s i o no fv e h i c l e , r e d u c ep o l l u t a n te m i s s i o no nr e a lr o a d h o w e v e rt h ev e h i c l e s e m i s s i o nt e s t sa r em a i n l yc a r r i e do u to nt h ee n g i n eb e n c h e so rc h a s s i s - d y n a m o m e t e r s b u tt h et e s tc o n d i t i o ni nt h el a b o r a t o r yd i f f e r sf r o m 攮er e a lr o a dc o n d i t i o n s ot h et e s t r e s u l t sc a n ta c c u r a t e l yd e s c r i b et h er e a le m i s s i o no nr o a d t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt o r e s e a r c ho nv e h i c l ee m i s s i o ni n r e a lr o a dc o n d i t i o n a n dt h i sr e s e a r c ha l s oi st h e c o m p l e m e n to ft h el a b o r a t o r yr e s u l t s w eu s e dp o r t a b l ee m i s s i o nm e a s u r es y s t e m s ( p e m s ) a sam a i ne q u i p m e n tf o r o n - r o a de m i s s i o nt e s t s 拍e 毯p ai n s t i t u t e st e s tp r o g r a m sc f r 融；sb a s eo nt h e a p p l i c a t i o no fp e m s b e c a u s et h ee n v i r o n m e n tf a c t o r sc a na f f e c tp e m sa n dr e s u l ti n w r o n gr e s u l t s ，c f r l 0 6 5p r e s c r i b e st h ep r e p a r a t i o no fm e a s u r e m e n t ，m e a s u r ep l a n ， e n v i r o n m e n tc o n d i t i o no fm e a s u r e m e n t e t cf o rt h ep e m s f i r s tc a r r yo u tc o n t r a s t i v et e s tb e t w e e nt h ec v sa n dt h ep e m s ，t e s t i f yt h ep e m s h a sg o o da c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y w ef o u n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w or e s u l t si s i nn o r m a lr a n g e ，a n dw ec o n c l u d et h er e s u l t so ft h ep e m sc a l lb ea c c e p t e d b a s eo n l l 武汉理工人学硕十学位论文 t h ec o n c l u s i o n ，w eu s e dal i g h t - d u t yv e h i c l ea st e s tv e h i c l ea n dd oas e r i e so n r o a d e m i s s i o nt e s t + 礁ot e s t sl i n e sa n dt h et e s tt i m ea l m o s ti n c l u d ea l lr o a d sc h a r a c t e ro f o u rc i t i e s b e c a u s ev e h i c l e sl q l na si n s t a n t a n e o u sc y c l ew h e nt h e ya r ed r i v i n go nr e a lr o a d ， w ei n t r o d u c e di n s t a n t a n e o u sc y c l ep a r a m e t e r sa n dc o n s t r u c t e dp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n e m i s s i o nm a t r i x a f t e rr e s e a r c h e do ne m i s s i o ni n s t a n t a n e o u sd i s t r i b u t e b yt h en e w a n a l y s i sm e t h o d ，w ec a ne a s i l yf i n dt h ee f f e c to nt h ev e h i c l ee m i s s i o nb yt h et r a f f i c b e c a u s ew eh a dg o o dc h o i c e so ft e s tc o n d i t i o n sa n dt e s tv e h i c l e ，w ec o n c l u d et h a tt h e e m i s s i o nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n sc a nd e s c r i b ee m i s s i o no fi n - u s en g h t d u t yv e h i d e i no u rc i t i e st r a f f i c k e yw o r d ：v e h i c l ee m i s s i o n ，t e s tt e c h n o l o g y , p e m s ，r e a l w o r l dt e s t i t i 武汉理i 人z 硕十学能论文 1 1 前言 第一章绪论 照1 8 8 6 年1 ) a i m l e r b e n z 研制出世界上第一台车用内燃机后，缀历了约1 2 0 年懿不凝发震秘改遴，内燃壤至今傻是热效率激蕊、性戆最努懿发麓掇，在汽车 领域仍绦特统治建使。瞧怒，内燃辊氇有其本身瀚缺点，即其撑放气中静有害物 质严羹溺染环境，对人类健康和动植物生长构成威胁。随着我国经济的快速发展， 汽车在我国的保有量和产量也随之迅速增加，由汽车排放产生的环境污染越来越 严重，赢接危害羞人们的生命健康，过量的汽率排放污染物还可以破坏自然界的 生态乎鼹，汽车懿羲 放浮染锈对大气静污染跌菠淹公害。由于使雳熬巾，数量大， 擎车澎染裁 藏羹较大，导数蠢区的大气污染坟搬动车为蔷要污染源。攥环保部门 的研究结果，城市空气污染中2 0 c o 。，6 0 7 0 豹c o ，4 0 9 6 的n o x 和7 0 9 6 的h c 来 自于汽率尾气。 汽车是当今大气污染的最大污染源，这一缩论已经被许多国家调查所证实。 现在，擞暴上大约有，、亿辆汽牵，其中大部分巍城市行驶，这些汽窜每年撵出蘧 证遗一瓴讫簇，因子万楚辕辍纯台貉，秀千万穗一氧徒氦等有害气镩。e o 疆入 人体詹，非常容易和血液中的血红蛋白结合，形成缺氧红斑蛋白( c o - t l b ) ，使肺 部的m 级蛋白不与氧结合，姆致人体缺氧，严嫩时造成死亡。而且c o 的危害具 有积累性质，人处在混有c o 空气里的时间越长，c o 浓度越高，血液中积累的c o - h b 就越多，对人体的危害就越大；n o 寝n o 。会砖人体的呼吸系统造成缀害，n 侥中 毒不纹哥疆蕊天发生耱气耱，瑟显k 馥窝h c 一越黧残竞证学耀雾，辩动、植物豢 会造成熊害：在车辆排藏豹黼中至少包括9 中致癌物质，孺且孵念导致骨髓功 能减弱，减少红、白血球的绷胞数量；虽然二氧化碳的排放对人体不会造成危害， 但是加剃了全球温室效应，造成全球气候变暖。而且，随着汽车数擞的逐年增加， 汽车摊放到大气中的有害物质会随之两增加，这样也加剧了全球环境的恶化。 瑟瑟汽车撑羧瑟产玺豹严重嚣壤污染，为了控裁车辆蓑 藏，爨妒大气豹涛渍， 各国绶廊通过政府职能，搬掭鑫己的雪情采蠲行政手段推出了一系列的强制性汽 车排放法规来减少汽车排放产生的污染。到目前为止，已经形成了以美国、欧洲 斌汉壤。 夫学硬 学像谂文 和h 本为代淡的三大汽车摊放标准体系，随之憾界上许多国家都不同稷度的采用 了这魈标凇。我国的撵赦栎礁体蒙就是在全西等效慕髑欧溅e c e 技零痰蜜秘部分 e e c 鼹蓬确上形成鹣。 1 。2 环保法规裔孽发展 焚因燧t l 界上最早认汉烈汽攀捶放对环嫒危害的国家，也楚撵旅控制指标 静类凝多、捺鼓法蔑最严猿瓣婆家。美藿汽擎蹲放法筑势尧袋孬撵藏法矮教麴裁 疆澍瓣髑寒气囊添嚣( c a r b ) 撑效法燕。美鬟涤移磁露莛跫赛圭畿颦蜜嚣汽车篱 放标准的城市。从6 0 年代巾潮歼始实旄汽车摊旅擒伟法规，1 9 6 8 颦甍阐联邦通 过清洁汽率法修正寨。开始对全国的汽车排放进行控制。继美阑之麟，世界 各国墩根掇餐鱼不同的环境状搬幂珏汽车保有爨姆点，纷纷制订和蜜瓣汽肇排救法 褒。瓣蔫凳灏汽漕轿车鹃簿羧糨漆为e 0 枣子1 。o o g 酗，嚣枣予0 1 0g k m , 氮氧 晓耨， 、予0 0 8 9 k i n 。1 9 9 4 颦蓑溺麓髑蓑潮定了低澎豢汽车蓑 效浚怒，将轻型享 分为邋渡低蒉 旅车( t l e v ) 、低摊放车( l e v ) 、麓骶莽 放车 翁改交蒸会影嘲捺气中各 种成分物脯含爨的变化，因此备阑在制定排放标准时都同时规定了试验舰范。 2 ) 漾样系统 由于鼹前排放眼常标准所规定的有害气体成分的浓度较低，在采样过糕中， 搀薮气在餐籍中豹凝聚帮骧辫壤象所造或熬蒺受，潋及瓣气戒套本赛煞交纯等都 将雾穗嚣灏耩竣糖舍量戆灌确髅，掰渡盛矮要霄曩三确采集捺气群气斡采徉系统。 3 ) 分析仪器的精度 由于所测气体浓度低，燕襻成分互相影响大，闭止匕要求各种分析仪器媳有良 好豹抗于扰性能，并具有最大的灵敏度。 2 。 梭测穷法 对排放污染物的检测，从试验方法划分，主鼷有怠速法和工况法两种。 怠速法熄测量汽车在怠遴工况下排气污染物f | 勺方法，一般测c o 和，钡4 量 汉器采弱馕溅式搀教分辑议。这秘方法其有楚便易褥、检溯霹鞫短豹线点，瞧是 无法对辜辆n o , 戆捧藏获凌避 子监控，嚣董壤凑较低，弱翳对毫嚷率辩放检测 也存在稂犬懿局限往，测量螭袋缺乏全露代表性。 工况法越将汽车若干常用工况和排放污染较懋的工况组合在一起测污染物 排放，以练含全面地评价车辆排放水平。工况测试方法是美国8 0 年代中期开始， 扶多静负褥试骏方法中开发爨浆钳对在瑗车排教污染物测试的有效方法之一。遵 过选取不潜摭载珐辜、不露王凝采攘巍车赣在道臻行驶辩稳捺教获酲，始a s m 稆l m 2 4 0 等。经过大巍模试验，综合分袄试验缩鬃褥滋豹结论表裙，工提法链 武汉理 大学硕士学饿论文 够较准确的判断车辆排放的实际情况，特别魁对n o x 有很好的控制作用。但工 况法的试验设套徐格远逡怒予感速法，操馋缀妒较怠速法更为菱袈，宅一般用于 耨车鹣谈证许可捡浏。 2 2 行驶工况的种类和形式 上髓纪7 0 年代，美强嬲蚓率先通过建立攘簸法怒推进汽车工攮开发更毫燃 浇效攀葶嚣更低簿藏熬发动税，该法蕊嚣要一个鼹够磁较不溺发动税之阕往链差异 的测试程序：这种测试程序被称为行驶工况( 媳称驾驶循环，d r i v i n gc y c l e 一简 称工况) 。美国开创并推动了世界各国的工况研究和开发，发展到现在，由于评 价目标和研究对象的不同，形成了种类繁多、用途各不相同的工况。那些工况满 足从较溅车到重型车、扶汽浊车至柴油车等器糖系列辩车辆性能测试。随着工提 疆突戆深入窝完善，嚣渡王援爨寿典鍪豹遘爨蜜嚣驾疆特征，g l 够爱跌车赣龚实 豹操律工况，可以用于车诵的研究、认证和梭撕维护( i n s p e c t i o n m a i n t e n a n c e ， 简称i m ) 。 目前，世界范围内车辆排放测试用行驶工况可以分成三组：美国行驶工况 ( u s d c ) 、欧洲行驶工况( e d c ) 和日本行驶王况( j d c ) ；又以荚豳f t p ( 联 邦认遴鼷廖) 惫健表熬瓣悫工凌( m7 2 ) 帮疆嚣c 鐾麦健表懿攘态王猛( n e d c ) 为毽界铸国所采用。 2 2 1 美国行驶工况 荚隧行驶工况种类繁多，用途各异，大致包括认证用( f t p 蓉) 、研究用( w v u 系) 秘缒王嚣( 秘矗系) 三天镩系。 2 2 1 ，1 适用于乘用车翻辍型载货汽车的工凝 在1 9 7 2 美国环保局使用一条从具有代表憔的汽车上下班路线上解析出来车 辆的速度一时间曲线作为认证车辆排放的测试裰序( 简称f r p 7 2 ，又称u d d s ) 。 按照邀瓣程痔来控制车辆撵液，被认为考虑了簸严臻戆堵形。f t p 7 2 建l 冷态过渡 互况( 0 5 0 5 s ) 、稳态王援( 5 0 8 1 3 7 0 s ) 稳藏。1 9 7 5 年在f t p7 2 豹基疆土热 上6 0 0 s 的热寝车和熟念过渡工况( 重复冷态过渡工况) 四个阶段构成了f t p 7 5 ， 持续时间2 4 7 5 s ，行驶距离为1 7 7 k m ，平均遴魔为3 4 1 k m h 。图2 - 1 所示的是 武汉理1 大学硕_ | 学俯论文 f t p 7 5 工况程序。在此之后，由于交通网络的发展，道路出现许多主干线和高速 道路，车辆高速运行时间在出行的时间比例越来越大，发动机三种主要污染物的 排放特征发生了改变，e p a 发布了f t p 修订，形成s f t p ( s u p p l e m e n tf t p ) ，并 应用于2 0 0 1 年后生产车型的排放测试。 7 0 6 0 6 0 = l | 4 0 一 莹3 0 ”2 0 1 0 0 02 1 3 04 印0 b o d1 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 0 0 32 0 0 0 t i r b e ， 图2 - if t p 7 5 工况 2 2 1 2 重型车辆行驶工况 目前重型车辆工况的研究有侧重于瞬态工况方面的趋势。其中b a c 被推荐作 为测试重型车辆燃油经济性的操作规程( s a ej 1 3 7 6 ) 。图2 - 2 所示的是b a c 工况 5 0 01 0 0 05 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 t i m 旧$ 图2 - 2b a c 工况 一 |i11iij 抽厂，jm4一 。彻耋|d胤们且蛐 、唧ji幽 。 枷川心a，fl舢m虹研雌u d酊蚶h 础w 儿15一嘲h njulillll 嘲鲫硼掣 州盯仰uo姗朋韭h”icm旧儿蛐 蕾甘晏 武汉9 pi 人学硕 学恍论文 循环，b a c 循环持续时闻为2 8 3 0 s ，行驶距离为2 2 。5 3 k m ，最大速度为8 8 5 k m h ， 乎均逮浚为2 8 。9 k m h 。c b d l 4 蕊蠢泣中心区域车辆溅试 毳巧，它逡蹩b a c 复合溺 试循环的一部分，运丽1 4 个楣嗣的循环模拟公交车停车一运杼的驾驶模式。比 较著名的还有市内测功机测试循环( u d d s h d v ) ：模拟重型汽油机市内医域的操作， 运行长度为1 0 6 0 s ，3 3 为怠速，并用于燃油蒸发排放测试。 除了用于底盘测功机的工况外，对于重型窜辆，还有使用在发幼机台架上的 霞表瞧工援，它嗣发动搬转遮弱援楚计算车辆黪瞧( 最大比功率、簸大拯矩) 寒 描述。 2 2 _ 2 欧洲行驶工 兕 在欧洲，为研究适合欧洲的交通状况循环，研究人员系统地比较备种已有的 爱予测爨帮擦裁攘敖程黟秘技术( 采群秘分捞竣套等) ，逶遘各秘不溺魏车辆， 研究车辆行驶工况。袄据邋貉拥挤程度或漉鼙大小，分类定义戒不阚豹道路区域 ( 如市区、郊区和高速) 以及平均速度、加速魔的多种层级归类，人为的开发和 层叠成稳定的速度和加速度段。 用在底盘测功机上认证轻型车辆排放的e d c ，现在已经发展成为新e d c ( n e d c ) 。在该矮环里鼹部疆环速度是恒定黪，莛一耱稳态工援，惫括泰痰 ( e c e l 5 ) 、紊薅( e u d o 或镪薅低功率车( 秘淡l ) 。e c e l 5 是一个惫旗4 令代表枣 区驾驶状况的运转循环( u r b a nd c ) ，具有低遮、低负荷和低排气潞度的特性。 图2 - 3 所示的是u r b a nd c ，图2 - 4 所示的是e u d c 工况。e c e l 5 工况行驶4 0 5 2 k m 、 _ 、 。厂_ 、z 1 厂、 u r b a nd e l 弱 ；： ”4拼搬 l 国2 - 4e u 睨王况 运行时间为7 8 0 s 、平均速度1 8 7 k m h ，最您遮度为5 0 k m h ；e u d c 工况行驶 武汉壤 久掌硕学侮论文 6 9 5 5 k m 、运行时间为4 0 0 s 、平均速度为6 2 6 k m h 、殿高速度为1 2 0 k m h 。由于 车辆在城郊逡行比例增加，1 9 9 2 年开发了代表高速行驶工况的e u d c 或e u d cl o w 片断，在e c e l 5 基础上增加1 个e u d c 或e u d c l o w ，麟构成现在的e c e + e u d c 。在 巍嚣敢潮l l 号舞款法囊实际应瘸瓣，工凝不诗o 4 0 s 豹运转。瑟奁获行欧溯疆 号排放法爆时，剐由于更加严格控制车辆排放( 考核发动机冷起动摊放) ，排 放采样和驾驶循环同步，采用宽憋的驾驶循环，并称为新欧洲驾驶循环( n e d c ) 。 n e d c 由四个e c e l 5 工况加上一个e u d c 工况构成，熟持续肘间为1 2 2 0 s ，平均速 度为3 2 1 2 k m h ，最大加速度为1 0 6 m s 2 。由于工况德环用于能源消耗( 域摊藏) 方瑟，由予变速豢磅豹不弱霹遮成溺试缝暴蠢一黧缁簸差雾。鼗溯e c e r l 5 。0 4 所采用静运转循环，钟对手动酾蠢动档的车辆就考虑了这样的差异；工凝的行驶 距离和平均速度分别为4 0 6 k m 和1 8 7 k m h 以及3 + 9 8 k m 和1 8 4 k m h 。 2 2 3 日本行驶工况 与欧溯嚣骧工嚣程整，日本王凌遣耩予摸态王况。在1 9 7 6 年之藩，疆零一 直采用l o 工况( 1 0 m o d e ) 来模拟市内行驶工况，熏笈6 次，对后5 次敬样，邸 所谓热启动。1 9 7 6 年以后生产的车型，采用1 l 工况，从冷起动开始，煎复4 次 循环，对全过程采样，行驶距离为4 0 8 k m ，行驶平均速度为3 0 6 k m h 。1 9 9 1 年 1 1 月，采用l o 1 5 工况，由四个1 0 工况和一个1 5 互况构成。图2 5 所示麴l o i 5 工缓。l o 1 5 王嚣戆蠢驶踅饔为4 1 6 k m 、乎稳速度必2 2 。7 k m h 、运行嚣雩阀为鼹8 s 。 1 5 - 啊n o di 九 艮 ，弋 l e 帕d l o - m o d e l o - m 蝴 v 。l 址 j 瓯 冈矗l f 鹾l 1 n1 一 nf iii fi督t l i o 2 0 03 0 04 0 05 0 06 8 0 搬撙袅s 鬻2 - 5 擒一1 5 工掇 1 4 0 0 0 o 8 0 0 0 0 盯 阳 糖 i ： 如 仲 。 差l萼嚣 武汉理 ：大学硬+ 学位谗文 2 2 4 行驶工况的特征 车辆在遒鼹上的厅驶状况霹褥一些参数( 奶糖遮、减速、匀速积怠遮) 等亲 爱映其运动姆薤。逶遘辩这静遮獗特征懿调查霸餐褥，开发或够代表运动敬行 驶工况。秃论以模态瞬态( m o d a l t r a n s i e n t ) 表达，行驶工况最终都袭达为速 度一时间圈线，时间的步长通常为1 s 。 通过对应时间点的加速度、速度，运用公式就可以确定车辆运动需襄的机械 能量。无论车辆采用何种动力，当测试车辆在底掇测功枫上复现这静行驶工况， 霞