（机械设计及理论专业论文）液化石油气lpg出租车排放特性研究.pdf

摘要 摘要 液化石油气( l p g ) 是一种新的清洁替代能源，近年来l p g 清洁替代 能源车辆在我国发展迅速。本文利用台架测试法、车载测试法和模型预 测法等三种方法从不同角度研究了广州市l p g 出租车的排放特性，对于研 究和发展清洁替代能源汽车具有重要意义。 通过6 2 辆不同车型、不同排放标准的l p g 出租车和l8 辆汽油出租车进 行简易工况法( v m a s ) 排放对比测试，研究l p g 出租车单车排放因子。 结果表明：( 1 ) 同为国i i 、国i i i 排放标准的l p g 出租车的排放性能优于汽 油出租车。如同为国i i 排放标准，l p g 出租车与汽油出租车的排放相比， c o 排放下降了约56 4 ，n o x 排放下降了约7 8 ，h c 基本相同；同为国i 排放标准，l p g 出租车相比汽油出租车，c o 排放下降了约6 3 3 ，h c 排 放下降了3o 5 ，n o x 排放下降了约81 2 。( 2 ) 原装l p g 出租车的排放性 能优于改装l p g 出租车，c o 、n o x 和h c 的排放分别降低了36 2 、71 7 和8 9 9 。 利用美国se n s o r s 公司生产的s e m t e c h d s 车载汽车尾气测试系统 对l p g 出租车进行了道路排放测试，从车辆运行工况、车速、车辆加速 度等方面研究l p g 出租车在实际道路上的实时排放特性。结果表明：( 1 ) 车辆运行模式对l p g 出租车的排放特性影响很大。加速工况中c o 、h c 和n o x 三种污染物的排放速率最大，且在整个测试线路中加速工况对总 体排放的分担率最高，达59 14 6 6 4 2 ，高于其4 7 3 的时间占有率。 ( 2 ) 车速对l p g 出租车的排放特性影响较大。c o 、h c 和n o x 三种污 染物排放浓度和排放速率随着速度的增加而增加；c o 、h c 和n o x 三种 污染排放物的排放因子在5 15k m h 的低速范围内最高。( 3 ) 速度和加速 度对污染物排放速率呈现交叉影响。速度加速度对c o 和h c 的影响较为 相似，在低速范围内加速度对排放速率的影响较小，且其影响随着速度 的增加而增大，低速范围内的急加速仍然会对n o x 排放速率产生较大的 影响：三种污染物排放速率最高值均出现在高速情况下的急加速工况。 广东i ：业大学硕十学位论文 应用美国环保局( u se p a ) 推出的m o b i l e 6 2 机动车排放因子模型 研究了l p g 出租车车队的综合排放因子。利用v m a s 测试结果得到模型 所需的基本参数，预测出模拟v ma s 试验车队综合排放因子，并在此基 础上预测适合广州市l p g 出租车运行特征的模拟城市车队综合排放因 子。结果表明：( 1 ) 模型预测模拟v m a s 试验车队c o 、h c 和n o x 三种 污染物综合排放因子与试验车队排放因子实测值误差均在1o 以内，预 测结果较好地反映了车队整体的排放水平。( 2 ) 模型预测模拟城市车队 c o 、h c 和n o x 三种污染物综合排放因子分别为2 0 7 9 k m 、0 2 5g k m 、0 2 5 g k m 。( 3 ) 利用模型研究了速度、车龄分布及零公里排放水平对模拟城市 车队综合排放因子的影响，结果表明，模拟城市车队在平均速度小于 2 0 k m h 时c o 、h c 和n o x 三种污染排放物排放因子较高，约为50 k m h 时的2 3 倍，并随着速度的增加而快速降低。随着车队车龄覆盖范围的 增大，车队三种污染排放物的排放因子也随之增大，城市车队三种污染 排放物综合排放因子均随零公里排放值的增加呈线性增加，c o 增加最快， n o x 增加最慢。 关键词：l p g 出租车；排放因子：v m a s 测试；车载测试；m o b i l e 6 2 机动车排放因子模型 i i a b s t r a c t a bs t r a c t l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ( l p g ) ，b e i n gan e wc l e a na l t e r n a t i v ee n e r g y ， r e c e n t l yh a sb e e nw i d e l yu s e d i nv e h i c l e si nc h i n a i nt h i s p a p e r ，t h e e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl p gt a x i si ng u a n g z h o uc i t yw e r es t u d i e db yt h e m e t h o d so fv m a s ，p e m sa n dm o b i l e 6 2m o d e lf r o md i f f e r e n ta n g l e s i ti s o fg r e a ti m p o r t a n c et ot h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to fc l e a na l t e r n a t i v e e n e r g yv e h i c l e s u n d e rs i m p l ed r i v i n gm o d et e s t ( v m a s ) ，6 2l p gt a x i e sa n d18g a s o l i n e t a x i e so fd i f f e r e n tt y p e sa n dd i f f e r e n te m i s s i o ns t a n d a r d sw e r et e s t e dt o i n v e s t i g a t et h es i n g l ev e h i c l ee m i s s i o nf a c t o r0 fl p gt a x i s t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ：( 1 ) t h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i t s0 fl p gt a x iw a sb e t t e rt h a n t h a to fg a s o l i n et a x ia tt h es a m ee m i s s i o ns t a n d a r d a tc h i n e s ep h a s ei i e m i s s i o ns t a n d a r d ，c o m p a r e dw i t hg a s o l i n et a x i ，l p gt a x ic oe m i s s i o nw a s r e d u c e db ya b o u t5 6 4 ，n o xe m i s s i o nw a sr e d u c e db ya b o u t7 8 w h i l eh c e m i s s i o ns t a y e da tt h es a m el e v e l a tc h i n e s ep h a s ei i ie m i s s i o ns t a n d a r d ， c o m p a r e dw i t hg a s ol i n et a x i ，c oe m i s s i o nf r o ml p gt a x iw a sr e d u c e db y a b o u t6 3 3 ，h ce m i s s i o nw a sr e d u c e db ya b o u t3 0 5 a n dn o xe m i s s i o n w a sr e d u c e db ya b o u t81 2 ( 2 ) t h ee m i s s i o nc h a r a e t e r i s t i c so fo r i g i n a l l p gt a x iw a sb e t t e rt h a nt h a to fm o d i f i e dl p gt a x iw i t hc o ，n o xa n dh c e m i s s i o nb e i n gr e d u c e db ya b o u t3 6 2 ，7 1 7 a n d8 9 9 r e s p e c t i v e l y l p gt a x ie m i s s i o nb e h a v i o ri nr e a l w o r l dw a st e s t e db yu s i n gp o r t a b l e e m i s s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mofs e m t e c h d sp r o d u c e db ya m e r i c a n s e n s o r si n c t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) t h er u n n i n gm o d eh a dag r e a t i m p a c to ne m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sofl p gt a x i s t h ei n s t a n t a n e o u sm a s s e m i s s i o n0 fc o ，n o xa n dh cw e r et h eh i g h e s ti nt h ea c c e l e r a t i o nm o d e ， u n d e rw h i c ht h ee m i s s i o nc o n t r i b u t e dm o s ti nt h et o t a lt e s tr o u t eu pt o 5 9 14 6 6 4 2 ，h i g h e rt h a ni t st i m eo c c u p a n c yr a t i o0 f4 7 3 ( 2 ) r u n n i n g s p e e dh a dag r e a ti m p a c to nt h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl p g t a x ia l s o 广东l ：业大学硕十学位论文 t h ee m i s s i o nr a t ea n dc o n c e n t r a t i o no fc o ，h ca n dn 0 xi n c r e a s e dw i t ht h e r u n n i n gs p e e d c o ，h ca n dn o xe m i s s i o nf a c t o r sw e r et h eh i g h e s ta tt h e l o w s p e e da b o u t 5 15 k m h ( 3 ) s p e e da n da c c e l e r a t i o nh a dc o m p o s i t e i m p a c t o ni n s t a n t a n e o u sm a s s e m i s s i o n t h ei n f l u e n c eofs p e e da n d a c e e l e r a t i o no ni n s t a n t a n e o u sm a s se m i s s i o no fc 0a n dh cw e r es i m i l a ra n d r e l a t i v e l ys m a l la t l o ws p e e d ，a n dw a sh i g h e rw i t hs p e e di n c r e a s e d ，w h i l e t h es p e e da n da c c e l e r a t i o nh a dag r e a t i m p a c to n i n s t a n t a n e o u sm a s s e m i s s i o no fn o xa tl o ws p e e d t h eh i g h e s tv a l u e 0 fi n s t a n t a n e o u sm a s se m i s s i o no fc o ，h ca n dn o xw a sp r e s e n ta tt h eh i g h s p e e da n dq u i c ka c c e l e r a t i o n c o m p o s i t ee m i s s i o nf a c t o r so fl p gt a x if l e e tw e r es t u d i e dw i t hm o b i l e s o u r c ee m i s s i o nm o d e lm o b i l e 6 2l a u n c h e d b y u n i t e ds t a t e s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ( u s e p a ) c o m p o s i t ee m i s s i o nf a c t o r so f v m a st e s tf l e e tw e r ee s t i m a t e dw i t hb a s i cp a r a m e t e r so b t a i n e df r o mt h e p r e v i o u sv m a st e s tr e s u l t s ，b a s e do nw h i c ht h ee m i s s i o nf a c t o r so fl p g t a x if l e e ti ng u a n g z h o uc i t yw e r ep r e d i c t e da sw e l l t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) c o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dr e s u l t s ，t h ee r r o r0fm o d e lp r e d i c t i o nw a s i nt h er a n g e0f10p e r c e n t i ti n d i c a t e dt h a tt h er e s u l t sofm o d e lp r e d i c t i o n c o u l dr e f l e c tt h ef l e e te m i s s i o nl e v e lw e l l ( 2 ) t h ec o ，h ca n dn o x c o m p o s i t ee m i s s i o nf a c t o r so fl p gc i t yf l e e tp r e d i c t e db ym o b i l e 6 2w e r e 2 0 7 g k m ，0 2 5g k ma n d0 2 5g k m ( 3 ) t h ei n f l u e n c eu p o nc o m p o s i t e e m i s s i o nf a c t o r sofc i t yf l e e tb ya v e r a g es p e e d ，d i s t r i b u t i o n0fv e h i c l e r e g i s t r a t i o n sa n dz e r om i l el e v e lw a sd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e e m i s s i o nf a c t o r so fc o ，h ca n dn o xi n c r e a s e dw i t hs p e e da n dw e r e r e l a t i v e l yh i g h e ra tt h er a n g eof0 - 2 0 k m h ，a b o u t2t o3t i m e sh i g h e rt h a ni t w a sa tt h es p e e do f5 0k m h a st h ed i s t r i b u t i o no fv e h i c l er e g i s t r a t i o n s i n c r e a s e d ，t h ee m i s s i o nf a c t o r s0 fc 0 ，h ca n dn o xi n c r e a s e da c c o r d i n g l y b e s i d e s ，t h ec o m p o s i t ee m i s s i o n f a c t o r so fa l lt h o s et h r e ee x h a u s t s i n c r e a s e di nl i n e a ra st h ez e r om i l ee m i s s i o nl e v e li n c r e a s e d ，w i t hc 0 i n c r e a s i n gt h ef a s t e s ta n dn o xt h es l o w e s t i v a b s t r a c t k e yw o r d s ：l p gt a x i ；e m i s s i o n p o r t a b l ee m i s s i o nm e a s u r e m e n t e m i s s i o nm e d e l f a c t o r s ；v e h i cl em a s sa n a l y s i ss y s t e m ； s y s t e m s ； m o b i l e 6 2m o b i l es o u r c e v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 论文作者签字： 7 1 年月g 日 彩印尺 铭安 第章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 近年来随着我国经济的高速发展，全国城市机动车保有量快速增长，珠江三 角洲经济区机动车的保有量更是以每年15 以上的速度激增。按照发达国家的一 般规律，当轿车的平均价格接近人均g d p 的2 倍至3 倍时，就是轿车“批量”进入 家庭的门槛。截止到2 0 0 7 年，广东省各城市民用汽车保有量已达5 ，0 6 7 ，2 1 2 辆，其 中私人汽车达3 ，7 2 5 ，2 51 辆。尽管机动车排放控制标准不断提高，但由于机动车 保有量的持续激增，在用车辆的排放污染仍然对大气环境带来的巨大压力。 2 0 0 7 年珠三角灰霾天气超过1 4 0 天，全国最多。降雨量如此充沛的地方，居 然灰霾天气这么多，说明环保问题已经刻不容缓。研究表明，机动车尾气已经成 为珠江三角洲的头号污染源。据预测，到2 0 10 年珠江三角洲机动车的n o x 与p m l0 排放量分别为6 0 7 万吨和1 6 万吨，分别占珠江三角洲2 0 1 0 年n o x 与p m l o 排放总量 的6 3 9 和3 0 7 。 机动车保有量的高速增长，除了带来巨大的环保问题，也对能源需求带来巨 大压力。以广州市为例，作为一个能源缺乏的能源消费城市，电力、燃料、燃气 等都需要从外地调剂进入。随着近年来机动车数目的激增，广州每天有3 0 0 多辆 新车上牌，广州对燃油的依赖度已越来越高。 目前，采用清洁替代燃料取代传统的汽油和柴油的方法得到广泛的关注。采 用替代燃料的目的在于节约能源、改善能源结构以及减少气态和颗粒态污染物的 排放。世界各国及其各大机动车制造公司都在致力于开发代用燃料机动车。按照 美国e p a c t ( 1 9 9 2 年能源政策条例) ，代用燃料( a l t e r n a t i v ef u e l ) 包括：甲醇 ( m e t h a n 0 1 ) 、变性酒精( 乙醇e t h a n o l ，非食用) 和其他醇类，天然气( n a t u r a lg a s ) 、 液化石油气( l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ，简称l p g ) 和氢气，从煤中提取的液体燃 料，非醇类生物燃料和电。一般来说，代用燃料或减少排放，或节约能源。 广东+ r 业大学硕t 学位论文 现阶段，我国汽车能源多元化的主要内容是：提高传统汽柴油效率；大力发 展清洁能源、替代燃料汽车，推进电动汽车、混合动力、燃料电池汽车的研究开 发和产业化；支持醇类燃料、天然气、混合燃料、氢燃料等新型车用燃料的研究 和开发，鼓励开发和生产新型燃料汽车。 19 9 9 年开始，由科技部、国家环保总局牵头，会同原国家计委等10 多个政府 部门成立了全国清洁汽车行动协调领导小组及办公室，联合开展“空气净化工程 一清洁汽车行动，其主要任务就是要推动国内低排放燃油汽车、燃气等代用燃 料汽车和电动汽车、混合动力汽车及燃料电池汽车等新型能源汽车的技术发展与 应用，建立新型清洁汽车产业，为国民经济与社会可持续发展服务。1 9 9 9 年4 月6 日7 日，“全国空气净化工程一一清洁汽车行动工作会议 在北京召开，广州市 被列入首批“全国空气净化工程一一清洁汽车行动”试点1 2 个示范城市之一，启 动了以在公交出租车行业推广使用清洁能源l p g 为核心的绿色公交工程。 为了更加深入的研究替代燃料车辆运行考核与应用技术，2 0 0 6 年1 2 月由广州 市电车公司牵头，联合广州市白云出租车公司、广州联新能源公司、广东省社会 科学院和广东工业大学等四家单位共同申报的国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计 划) 项目“广州市新能源汽车区域化运行考核与应用技术研究 ( 项目编号为 2 0 0 6 a a l l a l c 7 ，研究时间：2 0 0 6 年1 2 月一2 0 0 8 年1 2 月) 获得立项，本研究就是 来自该研究课题，研究内容是该课题的重要组成部分。 1 1 2 研究目的与意义 目前，我国汽车清洁替代燃料主要有液化石油气( l p g ) ，压缩天然气( c n g ) 和液化天然气( l n g ) 三种。在已经投入使用和处于研究阶段的清洁替代燃料汽 车中，以c n g 和l p g 的应用最为广泛，占所有清洁替代燃料汽车总量的8 0 9 0 。 截止2 0 0 8 年10 月，广州市l p g 燃气公交车已达6 8 0 0 台，占全市公交车总数的8 8 ， 全市18 7 2 1 台出租车已全部实现使用l p g 清洁能源。广州已成为全球l p g 单燃料 城市客车数量最多的城市，且其技术水平和使用水平也处于世界先进水平。广州 市公交车、出租车使用l p g 后其有害污染物排放总量的变化及对大气污染分担率 的影响效果引起了社会各界的密切关注。 目前，国内外学术界关于燃气汽车开发技术研究成果较多，针对在用燃气汽 2 第章绪论 车实际运行的排放特性研究较少，对于车辆使用l p g 清洁替代燃料后的实际排放 效果目前还没有定量的评价；对于车辆使用l p g 清洁替代燃料后对车辆排放特性 的影响还认识不深。本研究以广州市l p g 出租车为对象，利用台架测试法和车载 测试法两种试验方法，并结合美国环境保护局( u s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y ，简称e p a ) m o b i l e 6 2 机动车排放因子预测模型来研究l p g 车辆的排放 特性，为定量的评价l p g 车辆排放效益及评估城市公共交通车辆使用燃气后所带 来的环境效益打下坚实基础。 本研究所进行的l p g 出租车排放特性的研究，是研究l p g 车辆排放效益的基 础，对于揭示燃气汽车排放特性和科学评价燃气车辆对于城市大气污染环境的减 排效益具有重要意义。研究成果将为机动车排污控制措施提供理论与技术支持， 为清洁汽车发展规划及大气污染排放总量评估与控制提供科学依据。 1 2 机动车排放特性研究现状 1 2 1 机动车排放特性影响因素 机动车发动机燃烧过程产生的污染物主要有一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物 ( h c ) 、氮氧化物( n o x ) 和颗粒物等。影响机动车排放特性的因素相当复杂，从 其本质上看受到发动机技术、燃烧状况、燃烧温度、过量空气系数等内部条件影 响，从外部来看主要包括以下几个方面： 1 机动车排放控制水平 机动车排放控制水平是影响排放因子的最重要的因素，可以用机动车在标准 工况下的新车排放水平( 又称零公里排放水平，z e r om i l e a g el e v e l ，z m l ) 和劣 化率( d e t e r i o r a t i o nr a t e ，d r ) 两项重要的参数来衡量，它们也是机动车排放宏 观尺度模拟中最为重要的参数。z m l 和d r 一般受发动机的类型和技术水平、使 用的排放控制技术及其耐久性等因素影响，新的新车排放控制法规的推出会使这 两个指标产生很大的变化。 2 速度与加速度 美国环保局( u s e p a ) 对大量机动车的排放测试结果表明，机动车运行速度 对污染物排放因子的影响很大。在低速段，c o 和h c 的排放因子随速度的增加呈 3 广东一i j 业大学硕十学位论文 负指数下降，但速度对n o x 排放的影响相对较小。中国环境科学研究院和西安公 路交通大学环境工程研究所曾采用工况法进行测试，对我国在用轻型车的车速与 排放的关系进行了分析，得到了相似的结论。国内目前城市区域的机动车平均行 驶速度普遍较低，大都在2 0 3 0 k m h 左右，对削减污染物的排放非常不利。 国外的研究发现在实际的运行条件下，速度变化才是影响气态污染物排放的 关键因素，在微观情况下，加速度或减速度对排放特征的影响要比单纯考虑速度 的影响要大的多，。 还有一些研究者对不同的驾驶习惯对机动车排放的影响进行了试验，研究结 果表明这也会对机动车排放产生影响，实际上这主要是因为不同的驾驶习惯代表 了不同的加、减速的剧烈程度，从而会对排放产生影响。有研究者利用车载测量 的方式对汽油轿车在不同驾驶习惯下的排放特征进行了测试，试验结果表明，激 进的驾驶习惯( 加速、减速更加剧烈) 与正常的驾驶习惯的相比可以使油耗增加 3 0 4 0 ，气态污染物的排放也大大增加，碳氢化合物甚至可以增加到正常驾驶 习惯下的4 倍。 3 运行特征 运行特征主要指的是车辆使用规律，如每日出行次数和每次出行的运行里 程，冷热启动比例。运行特征对机动车启动排放的影响较大，目前在美国等机 动车污染控制较为先进的国家，机动车运行排放已经得到大幅度削减，而启动排 放正越来越引起研究者的重视。在美国e p a 开发的道路机动车排放因子模型的最 新版本m o b i l e 6 2 中，就专门加入了发动机每天启动的次数以及在各个小时内 的分布等参数，。 4 机动车检测维护( i m ) 制度 检测维护制度是通过定期检测的方式，及时发现排放状况不佳的车辆，使其 关键部位得到清洁、更换或是正确调整，从而使其恢复到正常工作状态。严格的 实施机动车检测维护制度能够保证机动车在良好的工况下运行，有效的减缓机动 车的劣化趋势，减少污染物的排放。 5 环境条件 环境温度和湿度都会对机动车污染物的排放产生影响，例如h c 在温度较高 时( 3 0 0 ) 时排放增加的就比较快，特别是蒸发排放等非尾气排放h c 增加很 迅速，而湿度对n o x 的排放会造成一定的影响。此外，机动车运行区域的海拔高 4 第章绪论 度也会影响机动车的排放因子。 6 负载情况 可以归结到负载情况的影响排放因子的因素包括空调的使用比例、拖车使用 情况、过载比例等。据研究，空调的使用会大大增加机动车气态污染物尤其是氮 氧化物的排放。国外的研究发现道路坡度也会对机动车污染物排放尤其是c o 的 排放产生很大的影响，试验得到的结果表明每增加1 的坡度会使c o 排放增加 3 9 m i l e ，这实际上可以归结到负载对排放因子的影响。 7 燃料性质 燃料的饱和蒸气压对机动车污染物的排放，尤其是v o c ( v o l a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d s ，挥发性有机化合物) 的排放影响较大，但相对来说燃料性质对颗粒物 排放的直接影响要更明显一些。使用l p g ( 液化石油气) 、c n g ( 压缩天然气) 等代用燃料也会明显削减污染物的排放。从燃料性质对机动车排放的影响上来说 间接影响要更为关键，因为改善燃料的品质是保证许多先进控制技术发挥作用的 必要条件。以汽油硫含量为例，它会明显降低催化转化器中催化剂的活性甚至使 其失效，还会影响排气氧传感器的正常工作，对尾气的排放会有明显的影响。 1 2 2 国内外研究现状 对于机动车重要的排放特性参数一一排放因子，目前国内外的研究方法主要 有：台架试验法、车载测试法、模式预测、隧道试验法、遥感遥测法等五种方法。 其中隧道试验法与遥感遥测法由于都不能对车辆实际运行工况下排放的变化进 行测量，都属于静态测量。本文仅介绍台架试验法、车载测试法、模式预测等三 种用于动态测试的方法。 1 台架试验法 台架试验是在发动机台架或底盘测功机上根据标准的测试规程模拟发动机 或机动车实际行驶工况，对排气进行取样与检测的一种方法。台架试验确定机动 车排放因子的方法重复性与再现性较好。 对于重型汽车，一般将其发动机装在发动机台架上进行稳态或者瞬态试验， 测其排放污染物的浓度，再进行计算。发动机台架试验系统的主要设备是测功机， 为进行发动机瞬态工况试验，就需要用发动机动态试验台，所使用的测功机要能 5 广东t 业大学硕十学位论文 按照规定的瞬态循环进行各种加速、减速、匀速等变工况试验。常用的测功机有 水力测功机、电力测功机和电涡流测功机。发动机台架试验是揭示发动机内部 的变化规律，找出提高经济性、动力性和排放性方法的重要途径。发动机台架试 验法根据不同燃料和使用不同排气后处理技术采用不同的测试规程，主要有欧洲 e c e r l 9 十三工况法、欧洲稳态标准测试循环( e s c ) 、动态烟度试验( e l r ) 和 欧洲瞬态循环( e t c ) 。底盘测功机试验是将整车放在底盘测功机上，机动车按 照规定的标准测试循环运行，与此同时采用定容系统( c v s ) 对排气进行收集和 分析的方法。其作用是能在底盘测功机上模拟在道路上按特定的行驶循环实际行 驶的状况，并测得在整个行驶循环期间机动车排出污染物总量。由于该方法可以 模拟车辆运行的多种工况，故测试结果更能接近车辆实际排放值，在在用车检测 中已逐渐取代无负荷的怠速法。 按照机动车排放检测采用的试验循环的不同，机动车在底盘测功机上测试的 方法可分为稳态工况法( a s m ) 、瞬态工况法和简易瞬态工况法。a s m 是加速模 拟工况( a c c e l e r a t i o ns i m u l a t i o nm o d e ) 的简称，是一种稳态工况法。a s m 工况法 基于这样的考虑：机动车以低、中速的速度在平路上等速行驶的阻力相对较小， 车辆在加速行驶过程中，发动机的输出功率主要用来克服车辆的惯性阻力。如果 在底盘测功机上利用功率吸收装置对车辆加载，测功机的总加载阻力等于车辆的 加速阻力与平路行驶阻力之和，将车辆在某点的加速阻力等效为等速阻力进行试 验，利用稳态阻力模拟加速阻力，这样在一定程度上能够反映有载荷工况的排放 情况。早在19 8 4 年，美国加州开始采用a s m 法检测在用汽车排气污染物的试点工 作，19 9 6 年，美国e p a 批准发布了a s m 试验方法标准。美国a s m 工况法分为 a s m 5 0 1 5 ( 我国称a s m 5 0 2 5 ) 和a s m 2 5 2 5 ( 我国称a s m 2 5 4 0 ) 两种，其中a s m 5 0 1 5 的 运行工况是：汽车以1 5 m i l e h ( 2 5 k m h ) 等速运行，稳态负荷是机动车以f t p 工况 下的最大加速度1 4 7 m s 2 加速运动的5 0 。a s m 2 5 2 5 的运行工况是：汽车以 2 5 m i l e h ( 4 0 k m h ) 等速运行，稳态负荷是汽车以美国联邦测试程序f t p ( f e d e r a l t e s tp r o c e d u r e ，简称f t p ) t 况下的最大加速度1 4 7 m s 2 加速运动的2 5 。a s m 工 况检测法对底盘测功机和尾气分析仪要求低，其设备投资和平时维持费用较低。 但a s m 法也存在以下不足，a s m 尾气污染成分检测采用浓度单位，检测结果不 能全面地反映减速、怠速、加速等的变化；测试结果与f t p 的相关性较差，相关 系数仅为：c o o 4 4 ，h c o 4 9 ，n o x o 7 1 。 6 第一章绪论 美国采用的瞬态工况法中，最常见的是i m 2 4 0 ，其试验工况建立在f t p 7 5 工 况的前2 4 0 s 的基础上。测定结果以汽车每行驶1k m 或1m i l e 的排气管排放物质量 g k m 或g m i l e 表示。因此，i m 2 4 0 和f t p 试验结果呈现较好的相关性，美国加州的 汽车排放测试研究表明，i m 2 4 0 - - f t p 的相关系数分别为：c o o 9 2 ，h c o 9 5 ， n o x w 0 8 4 ，检测的准确率高。19 9 2 年1 1 月，美国e p a 作出规定：要求各州执行 加强型i m 制度时，应当把i m 2 4 0 作为标准方法，若采用其他方法时，这种方法 必须与i m 2 4 0 方法有较好的相关性。但是，i m 2 4 0 检测系统，必须使用具有惯量 模拟的底盘测功机、定容取样系统( c v s ) 和化学发光型n o x 分析仪。但这些设备 价格昂贵，所以在美国也仅在实行加强型i m 制度、空气污染较严重的地区，测 试时才采用i m 2 4 0 。由于瞬态工况法对测试设备测量精度高，并且不受时间延迟 等方面的限制，是目前为止最为合理的测量方法，但其设备成本高，使得在实际 应用中受到了一定限制。 为克服a s m 方法与f t p 的相关性较差、i m 2 4 0 方法成本高的不足，2 0 0 1 年， 美国e p a 认可了纽约州开发的i g 2 4 0 瞬态工况法，也称v m a s ( v e h i c l em a s s a n a l y s i ss y s t e m ) ，它是一种瞬态短工况质量分析检测法，其试验工况与i m 2 4 0 相 同，使用a s m 工况法的基本测试设备和废气分析仪，增加v m a s 空气流量计( 1 9 9 8 年美国s e n s o r s 公司开发) ，测量经环境空气稀释后的尾气排放量，通过计算，得 到排气管排放物质量g k i n 或g m i l e 。i g 2 4 0 工况法检测结果与i m 2 4 0 有很好的相关 性，美国e p a 认可的i g 2 4 0 与i m 2 4 0 的相关系数为：c o o 9 9 ，h c o 9 5 ，n o x 一0 9 9 。因此，从测试精度而言，i g 2 4 0 是i m 2 4 0 十分理想的替代方法。而且该系 统硬件是在a s m 系统上只需增加一套v m a s ，在使用经济性方面有较大优势，在 美国得到了广泛的应用1 “。 在我国，机动车检测方法也逐渐由怠速法向工况法过渡，由稳态工况法向瞬 态工况法过渡。2 0 0 5 年5 月3 0 日，由国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫 总局批准发布了g b l8 2 8 5 - - 2 0 0 5 点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量 方法( 双怠速法及简易工况法) ，其中规定的简易工况法的检测方法有稳态工况 法a s m 、瞬态工况法i m l9 5 和简易瞬态工况法v m a s19 5 ( 或称为i g l9 5 ) ，它们除 了试验工况与美国规定的相对应的试验工况不同之外，其它都类似。 2 车载测试法 车载排放测试技术是近些年才快速发展起来的新技术。车载测试就是利用车 7 广东 ：业大学硕十学位论文 载的排放测量仪器得到现实路面行驶的机动车动态的排放状况与对应的工况。其 基本工作原理是通过将排气直接连接到车载排放污染物测量装置上，对车辆尾 气进行直采，实时测量整车排放的体积浓度和质量流量，得到排放污染物的质量 排放量”。可见车载排放测试能够得到实际工况下的动态排放状况，可以反映外 界环境条件的变化对车辆排放的影响，为实际道路机动车排放特征的分析和模拟 提供可靠的数据支持，是目前机动车排放测试的一个重要发展方向。美国e p a 在 他们的规划中将车载测试作为“革命性 的机动车排放数据收集手段。随着测试 手段的不断完善，车载测试将为未来排放测试与排放模拟带来巨大的影响”。 车载排放测试作为全新的机动车排放测试方法，越来越引起了相关学者和研 究机构的兴趣，目前已经有一些研究者对其进行了研究，开发出了各式各样的车 载排放测量系统。颁发给f o u r n i e r 等人的美国专利5 ，0 9 9 ，6 8 0 t “，、颁发给g u t m a n n 的 美国专利5 ，1 0 5 ，6 5 1 ，和颁发给h a r r i s 等人的美国专利5 ，7 0 9 ，0 8 2 t “，都描述过车载 排放测量系统。这些技术的车载系统都测不出实际的废气流动速度，也未提供便 于在各车辆之间转移的仪表模块。美国专利5 ，0 9 9 ，6 8 0 描述的车载系统可分析多 种废气成分，并与发动机计算机接口相连，该项技术以g m i l e 为单位计算机动车 污染物排放，是以车速与发动机容量为基础的。美国专利5 ，10 5 ，6 51 描述的车载 系统对废气的一氧化碳与碳氢化合物含量进行检测，并将废气分析数据与车辆运 行参数进行了关联。颁发给b r e t o n 等人的美国专利6 ，1 4 8 ，6 5 6 t 描述的系统，利用 车载的模块化流量计对机动车质量排放速率进行测量。美国北卡罗莱纳州立大学 的h c f r e y 利用c l e a na i rt e c h n o l o g y 公司开发的集成的车载尾气排放测试系统 o e m 2 10 0 t m 进行了实际道路行驶尤其是特定交通场景中车载测量的尝试，得到 了许多有启发意义的结论，。c l e a na i rt e c h n o l o g y 公司最新开发了可用于测定重 型柴油车n o x 、c o 和p m 的质量排放的车载测量系统，其测量结果与i m 2 4 0 、 l a 5 0 5 、f e t ( f e d e r a lh i g h w a yf u e le f f i c i e n c yt e s t ) 、纽约城市工况( n y c c ) 和f t p 2 等实验室工况测试结果都显示出较高的相关性“。此外比利时v i t o 的 i d ev l i e g e r 、天津大学的赵慧n “、香港理工大学的张镇顺等人也都曾经进行 过这方面的研究。 3 模型预测法 模型预测指的是通过模式模拟和运算来确定机动车排放因子的方法。目前模 型预测的基本依据仍然主要来自根据标准测试规程下进行的台架测试，通过对试 8 第章绪论 验结果的回归分析，可以用数学的方法表达各种因素对排放的影响。从机动车排 放模型的适用的尺度范围和功能上分，机动车排放模型的应用主要可以分为宏观 尺度、中等尺度和微观尺度三类。宏观尺度主要用于地区乃至整个国家范围的排 放因子估算和排放清单的建立；中等尺度主要用于某个交通区域的排放模拟；微 观尺度主要用于某一特定路段或是交叉口等的排放模拟。由于使用的尺度不同， 相应的模型结构也会有很大区别。 目前比较常用的用于宏观尺度的道路机动车排放因子模型包括u s e p a 开发 的m o b i l e 系列和加州空气资源局c a r b 开发的m v e i 系列，这两个系列的最新版 本分别是m o b i l e 6 2 和e m f a c 2 0 0 0 ，它们均基于标准测试规程下的台架测试数 据，适用于宏观尺度的综合排放因子的计算和排放清单的建立。 m o b i l e 系列模型是典型的宏观的排放因子模型，是世界上应用最广泛的排 放因子计算模型之一。第一版发布于19 7 8 年，最新版为2 0 0 2 年发布的m o b i l e 6 2 。 其基本的模拟思路是首先根据排放控制水平即z m l 和d r 得到机动车在标准工况 下的基本排放因子，在此基础上根据实际条件下各影响因素同标准工况的差别对 基