（车辆工程专业论文）重型柴油车辆排放因子和排放特性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 如何对在用重型柴油车的排放进行有效控制，研究在用重型柴油车排放特征 和污染源排放清单，进而确定和完善机动车道路排放因子，开发本土化机动车排 放模型，对进一步提高机动车的排放控制水平，制定机动车排放控制策略具有重 要意义。排放因子是评价机动车实际排放量和估算城市机动车排放总量的关键参 数，目前我国在该领域的研究多是采用别国的基础排放因子和排放模型，这与我 国车辆的实际排放状况有较大差异。论文采用发动机台架测试和先进的车载排放 测量技术，对典型的柴油发动机和重型柴油车进行了试验，在分析研究实际道路 排放特性的同时，重点研究了重型混合动力公交车的实际道路排放因子。 基于车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测 量方法( 中国i i i 、v 阶段) 规定的e s c 试验中规定的a 、b 、c 转速，设计 实验需要的4 3 个稳态工况点，为获得柴油发动机的气态和颗粒物的排放特性提供 了可能。 基于气体污染物测量系统o b s 2 2 0 0 和颗粒物测量系统e l p i ，设计了车载综 合排放测量系统，能够在车辆实际行驶条件下同时测量气态污染物和颗粒物排 放。通过与试验室设备的比对实验分析，验证了该系统具有良好的重复性和准确 度。 本研究重点测试了重型柴油车整车的污染物排放，选择一辆在用的重型混合 动力公交车和一辆常规柴油公交车。对混合动力公交车的污染物排放水平进行测 试和对比。针对重型混合动力公交车和常规柴油公交车，通过基于整车累积排放 水平的研究，论证了混合动力客车的整个工况循环过程和s t a 彬s t o p 阶段的h c ， c o ，n o x ，c 0 2 整体排放要比传统柴油车整个循环和怠速阶段排放量低，采用 s s 的重型混合动力客车可以达到节能减排的目的。本文还通过研究某混合动力 客车停机对下一次启动排放的影响，系统的对混合动力客车发动机s t a r t s t o p 删 放的影响进行了分析。 关键词：排放因子、排放模型、台架测试、车载排放测量、排放特性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i t i s s i g n i f i c a n c et h a td e v e l o p m e n to fv e h i c l ee m i s s i o nc o n t r o ls t r a t e g yt o e n h a n c et h ev e h i c l e se m i s s i o nc o n t r o ll e v e l s h o wt oc o n t r o lt h eh e a v y d u t yd i e s e l v e h i c l e se m i s s i o n s ，s t u d yo nt h eh e a v y - d u t yd i e s e lv e h i c l e se m i s s i o n sc h a r a c t e r i s t i c s a n ds o u r c e so fp o l l u t i o ne m i s s i o ni n v e n t o r i e s ，d e t e r m i n ea n di m p r o v et h er o a dv e h i c l e e m i s s i o nf a c t o r s ，d e v e l o pl o c a l i z e dv e h i c l ee m i s s i o n sm o d e l e m i s s i o nf a c t o ri st h e k e yp a r a m e t e r st oe v a l u a t et h ea c t u a le m i s s i o n so fv e h i c l e sa n de s t i m a t e dt h et o t a l u r b a nv e h i c l e n o w , o u rr e s e a r c hi nt h i sf i e l da r em o s t l ye m i s s i o nf a c t o r sa n de m i s s i o n m o d e l sb a s e do no t h e rc o u n t r i e s ，t h i si sd i f f e r e n tf r o mo u i a c t u a ls i t u a t i o n t h i s s t u d ym e a s u r e st h ed i e s e le n g i n e sa n dh e a v y - d u t yd i e s e lv e h i c l e sw i t he n g i n eb e n c h t e s t i n g ，a n dt h ep e m s ( p o r t a b l ee m i s s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ) ，i ta n a l y z e st h e e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c t u a lr o a d s ，w h i l ef o c u s i n go ns t u d i e so fh e a v y - d u t y h y b r i db u s e sa c t u a le m i s s i o n so ft h er o a df a c t o r b a s e do nt h e ”l i m i t sa n dm e a s u r e m e n tm e t h o d sf o re x h a u s tp o l l u t a n t sf r o m c o m p r e s s i o ni g n i t i o na n dg a sf u e l l e dp o s i t i v ei g n i t i o ne n g i n e so f v e h i c l e s ( i i i ，i v ，v ) ”，u n d e ri ti st h ea ，b ，cs p e e do fe s ct e s t ，t h i ss t u d yd e s i g n s4 3s t e a d y s t a t ep o i n t s o fe x p e r i m e n t ，i no r d e rt oo b t a i nv e h i c l ee m i s s i o n i td e s i g n e st h es y s t e mw i t hp e m sb a s e do no b s 一2 2 0 0a n de l p i ，t h i ss y s t e mc a n m e a s u r et h ev e h i c l ee m i s s i o nu n d e rt h er e a ld r i v i n gc o n d i t i o n s i tp r o v e dt h a tt h e s y s t e mh a sg o o dr e p e a t a b i l i t ya n da c c u r a c yb yc o m p a r i n gt o t h el a b o r a t o r y e q u i p m e n t t h ef o c u so ft h i ss t u d yi st h em e a s u r e m e n to ft h eh e a v y - d u t yd i e s e lv e h i c l e e m i s s i o n s ，t h i ss t u d yc h o o s ea ni n u s eh e a v y d u t yh y b r i db u s e sa n dac o n v e n t i o n a l d i e s e lb u sf o rt e s t i n ga n dc o m p a r i n gt h eh y b r i dv e h i c l ee m i s s i o nl e v e l s t h i ss t u d y d e m o n s t r a t e st h eh c ，c o ，n o x ，c 0 2e m i s s i o n so f t h es t a r t s t o pp h a s eo f t h eh y b r i d b u s e si sl o w e rt h a nc o n v e n t i o n a ld i e s e lb u s i tc a na c h i e v ee n e r g y - s a v i n ge m i s s i o n r e d u c t i o ng o a l st ou s eh e a v y d u t yh y b r i db u s e s s t u d yo ni n f l u e n c eo fs t o p s t a r to f h e v o nv e h i c l ee m i s s i o n b ys t u d y i n gt h es t o p s t a r to f t h eh y b r i db u ss t o p s t a r t k e yw o r d s ：e m i s s i o nf a c t o r s ；e m i s s i o n sm o d e l s ；b e n c ht e s t i n g ；p e m s ； e m i s s i o nc h a r a c t e r s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师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，也不包含为获得 武汉理工大学或其他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作了明确的说 明并表示了谓十意。 学位论文使用授权书 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 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 卉究生c ：鼢pc ：天辎嗍罗j 叭7 多 武汉理工大学硕+ 学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 尽管对新能源汽车的研究开发是当前汽车工业的研究热点，但是迄今为 止，传统的内燃机汽车仍然占据汽车市场的绝对主导地位，并将在很长一段时 间内继续占据汽车市场的主要份额。与1 0 0 多年前生产的内燃机相比，现代内 燃机技术已经有了长足的发展，在节能和降低排放等方面有了巨大的进步，但 是内燃机污染环境的基本特性却依然存在。随着国民经济的飞速发展，我国汽 车的年产量和保有量迅速增加，由汽车排放所导致的的大气污染越来越严重， 直接影响着城镇居民的生活品质，并导致各种与呼吸道相关的疾病发病率逐年 上升。过量使用汽车导致的环境污染还使自然界的生态平衡遭到严重破坏，大 量的研究结果表明汽车排放污染物已经成为城市的主要污染来源。例如美国主 要城市中的三种大气污染物中，c o 的8 4 、n o x 的4 2 、h c 的7 0 来源于机 动车废气排放；欧洲主要城市中c o 的7 6 、n o x 的5 1 、h c 的3 6 来自于机 动车废气排放；在中国，北京、上海、广州等大城大气污染物中c o 的8 0 ， h c 的7 5 ，n o x 的6 8 来自于机动车废气排放，机动车排放所导致的大气污染 不容忽视。 全球在用汽车的保有量大约为8 亿辆，大部分在城市中使用，这些汽车每 年排出约2 0 0 0 0 万吨c o 、4 0 0 0 万吨h c 、2 0 0 0 万吨n o 。等有害气体。c o 吸入 人体后，很容易和血液中的血红蛋白结合，形成缺氧红血蛋白( c o h b ) ，使血 液中的血红蛋白不能与氧结合，导致人体严重缺氧，甚至死亡；c o 的危害具有 积累性质，人处在混有c o 空气中的时间越长、环境中c o 的浓度越高、血液中 积累的c o i - i b 就越多，对人的危害也就越大；n o 和n 0 2 会对人体的呼吸系统 造成损害，n 0 2 中毒不仅可以使人发生肺气肿，更严重的是n o x 和h c 在特定 的条件下会发生光化学反应，生成光化学烟雾，产生更严重的二次污染物，对 动、植物造成更加严重的危害；h c 还会导致骨髓功能减弱，减少血液中红、白 血球的细胞数量：研究表明车辆排放的h c 中包括有p a h s 等多种致癌物质，虽 然机动车排放的c 0 2 对人体不会造成直接危害，但由于全球大量使用矿物燃 料，导致大气层中c 0 2 的浓度持续增长，加剧了全球温室效应，造成全球气候 变暖，对全球气候变化带来非常不利的影响。随着在用车数量的逐年增加，汽 车排放到大气中的有害物质不断增加，更进一步加剧了全球环境的恶化。因此 有效地控制和降低机动车排放是改善城市空气质量，提高人民生活水平，保证 国民经济可持续发展的重要战略问题。 1 武汉理工大学硕士学位论文 早在上世纪五十年代，人们就已经发现并意识到汽车排放对环境的危害， 正因为因此，美国加州在上世纪六十年代初就颁布实施了世界上第一个排放法 规，开始采用各种先进技术有效控制机动车的排放污染。随后美国联邦政府、 欧盟、日本先后颁布了各自的排放法规，我国在1 9 8 3 年也颁布实施相关的机动 车排放标准。随着人们对机动车排放认识的不断深入和排放测试技术的进步， 排放法规也由简单的怠速法和自由加速法过渡到了相对复杂的工况法，以全面 反映整车的排放状况，试图通过对实际运行工况的排放检验，全面控制机动车 的排放污染，并由此发展了美国、欧盟和日本的三大不同的排放标准体系。虽 然美、日、欧三大排放体系的循环工况有所不同，但均是在调查本国或者本地 区典型城市行驶工况的基础上发展起来的，因此在一定程度上反映了机动车的 实际道路排放。 中国沿用欧盟的排放体系，采用了等同欧盟法规中的的排放测试循环对新 生产汽车或者发动机进行型式认证和生产一致性检查试验。由于我国的道路交 通状况不同于欧洲，实际道路交通状况和新车认证工况有比较大的差异。因此 虽然新车排放认证试验能够反映出不同车辆的排放差别，但是却不能反映出在 实际道路上车辆的真实排放状况，不适合用来估算不同城市中机动车的排放总 量，也就不能用来作为我国城市大气污染控制策略的依据。 为获取机动车辆在实际运行工况下的排放特性参数，美国e p a 最早开展了 城市道路上实际排放因子的研究，他们通过大量的道路工况调查，提取出城市 典型道路的实际道路循环，通过实验室实验得到了实际道路上真实的排放因 子，并在此基础上开发了m o b i l e 系列程序，用于进行实际道路排放因子研 究。因为在实验室中便于对实验条件进行严格控制，因此实验数据的重复性比 较好，具有一定的权威性。但是这种方法也具有天生的缺陷，主要原因是进行 实验室试验的效率不高，每年能够进行检验的车辆数量有限，并且不是在实际 道路上进行的试验，因此通过试验室实验获得的基础数据有限，并且缺乏代表 性。寻找一种方便、快捷，能够在实际道路上进行实时排放试验的车载试验方 法无疑是提高实验效率、并且能够真实反映实际道路排放的最直接有效的研究 方法。 在上述实际道路排放因子研究需求的背景下，开发能够在实际道路上准确 测量机动车实际排放量的车载排放设备的研究成为机动车排放因子研究的关键 技术，并由此引发了对车载排放设备的研究丁f 发热情。各主要设备供应商经过 二十多年的不断研究改进，车载排气测量设备不断完善，目前主流车载排放设 备的测量精度甚至可以和实验室设备相媲美，二者之间具有高度相关性，这使 得对机动车在实际行驶条件下进行瞬时排放研究成为可能。 2 武汉理工人学硕士学位论文 柴油车尾气排放的n o x ( 氮氧化物) 和p m ( 颗粒物) 是目前许多中国城市环 境空气质量面临的最大问题。城市大气污染发生演变，从以s 0 z 为特征的烟煤型 污染转向以n o x 为特征的光化学烟雾型和以p m 为特征的灰霾型。柴油车尾气n o x ( 氮氧化物) 与汽油车相当，但p m ( 颗粒物) 排放却是汽油车的几十倍，p m ( 颗 粒物) 严重超标，部分城市出现灰霾天气。光化学污染威胁严重；交通微观环境 空气质量差，许多城市中柴油车黑烟投诉比例高 我国对第1 i i 、阶段车辆排放限值如表1 1 所示。汽油车辆可以在排气管中 加装三元催化转化后处理装置，大幅度削减h c 、c o 和n o x 的排放，但对于柴 油机而占，国内还没有技术成熟的后处理技术得到广泛应用。 表1 1 我国第1 i i 、i v d 段车辆排放限值( 单位：g i o n ) 限值 项目 c oh cn o xh c + n o xp m 阶类基准 汽油柴油汽油汽油柴油柴油柴油 段别质鼍 第 _ _ j 类 i2 30 6 4o 2o 1 5o 50 5 60 0 5 币 i i i 第i 2 30 6 4o 2 o 1 50 5o 5 60 0 5 j i i 4 1 7o 8 0 2 50 1 80 6 5o 7 20 0 7 。一 类 车 i i i 5 2 2o 9 50 2 9o 2 l0 7 80 8 6 o 1 0 第 。 类 i10 5o 1o 0 80 2 50 30 0 2 5 车 第i10 50 10 0 80 2 50 30 0 2 5 二 i i1 8 1o 6 30 1 30 1o 3 3o 3 90 0 4 类 车 i i i2 2 70 7 40 1 60 110 3 90 4 60 0 6 可以看出，我国柴油车对n o x 和的h c + n o x 的国i i i 、排放限值大大高于同 类汽油车辆，相对于汽油机车辆尾气后处理技术，这也从侧面反映出我国对柴 油车辆尾气排放控制技术的不成熟，还需要更加先进更加成熟的尾气排放控制 技术。 然而，由于受仪器设备和技术手段的限制，已有研究主要集中于轻型车的排放 测试如果说现有的研究和有限的测量数据还能大致反映轻型车尾气污染物排放 状况的话，那么可以说我们对重型车的排放知之甚少，而对重型柴油车排放现状的 了解则更少尽管隧道测量法可以弥补以往排放测试工作的不足，但是隧道法的准 确性和如何测量单车排放系数却是该方法需要着重探讨和解决的问题美国加州 大学r i v e r s i d e 分校环境研究与技术中心( c e c e r t ) 开发的“挂式流动排放实验 室”( m o b i l ee m i s s i o nl a b ) 为重型车在道路上的排放测试提供了可能，但遗憾的是， 国内目前尚不具备系统如此精良和配备如此完善的测量设备为了解重型车排放 3 武汉理1 = 大学硕七学位论文 状况，论文提出利用台架测试和车载排放测试两种方法，来获得重型车的排放特 性。 1 2 研究的目的和意义 本研究的目的是通过对目前国内外先进的汽车检测技术，测试方法以及测试 设备的分析，采用一种适合于重型汽车发动机和整车性能测试的测试方法，测试 技术及测试设备，对重型柴油汽车的各项性能，特别是污染物排放性能进行准确 地、客观地评估。对污染物的排放特性，以及各种技术手段，控制策略对污染物 排放的影响等进行深入的分析和研究。通过各种混合动力车辆的和纯柴油公交车 对l t , n 试，来分析不同动力装置重型柴油车辆的排放差异性。同时对混合动力电 动汽车的开发、生产、试验、管理提供一种技术支持。 随着全球能源危机的不断加深，石油资源的同趋枯竭以及大气污染，全球气 温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术 发展的主攻方向，作为一种经济、节能、高效率的动力系统，柴油机由于具有高 的压缩比而使其燃油效率比汽油机高，具有较低的燃油消耗率和较大的功率，以 其良好的燃油经济性、动力性、耐久性等优点，在大功率车辆如大型客车、大型 货车上得到广泛应用。另外发展电动汽车也将是解决节能减排的最佳途径，混合 动力汽车应运而生。然而，混合动力电动汽车相对于传统的内燃机汽车性能究竟 如何，它的燃油经济性有多大的提高，尾气污染物排放是一个什么水平还是一个 很模糊的问题。因此，我们采用车载排放测试技术对混合动力电动汽车的各项性 能进行测试，对市场上的混合动力车辆进行节能环保效益的评估，同时对混合动 力车辆和常规柴油车的排放特性进行对比、分析，以求通过对测试结果的分析， 找到影响混合动力车辆排放的因素，进而改善车辆的污染物排放，为混合动力车 辆，特别是重型混合动力客车的研发构建一个评价平台。 1 3 研究内容 本研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 实验室台架测试及车载排放测试 实验室台架测试及车载排放测试是获得机动车排放特征的最重要也是最根 本的方法。本研究将对不同技术类型的重型车采用这两种方法，获得重型汽车发 动机和整车在不同工况下的排放数据。 ( 2 ) 台架测试数据的分析及应用 4 武汉理一i 二人学硕士学位论文 基于实验室发动机台架测试试验的排放数据，对数据进行分析，得出发动 机的排放特性。 ( 3 ) 车载测试数据分析 对车载测试的数据进行深入分析，以重型车公交车为例，分析混合动力公交 车和常规柴油车排放的不同，以及混合动力公交车不同启动模式对排放的影响。 5 武汉理工大学硕七学位论文 第二章重型柴油车辆排放因子发展现状 2 1 重型柴油车排放因子 排放因子是评价机动车排放的重要指标。它是指车辆运行每单位里程、每单 位时间、每作单位功或消耗单位燃料所排放的污染物质量，单位分别为 g k m ，g h ，g k w h ，它反映了机动车的排放水平，是研究机动车污染物排放的基 础和依据。在实际应用中，可以根据不同的需要选取不同的参数。例如，对发动 机单机进行测量时，可以用每作单位功排放的污染物质量，可以评价不同种类、 大小不同的发动机的排放性能。对车辆整车进行测量时，可以用每单位里程排放 的污染物质量来评价，不同车型的排放性能。通过发动机台架测试和车载排放测 试，我们研究的重型柴油车排放因子，单位同样为g k m ，g h ，g k w h 。 国内多家研究机构根据我国城市的实际情况，运用国外的模型模拟城市道路 上运行机动车的排放因子水平，为城市机动车污染控制对策的建立提供了科学的 依据。 2 2 重型柴油车排放因子的研究方法 随着机动车排放治理工作的深入和细化，机动车排放研究工作的重点逐渐由 定性研究转为定量研究，精确的排放量化工作是评价机动车废气排放水平、制定 排放控制策略的重要基础，其中，机动车排放因子是宏观排放量化或总排放量计 算的关键，同时重型车排放因子也是宏观排放量化或总排放量计算的关键。目前 重型柴油车辆排放因子和普通轻型车排放因子的测试分析方法主要有以下几种： 1 实验室工况法 实验室工况法是将机动车若干常用工况组合在起在实验室中进行各种污 染物的排放测量，以综合评价车辆的实际排放水平。对轻型车，在实验室中可以 进行整车排放实验。实验过程中，被测试车辆按规定的实验循环运转，实验结果 以单位行驶罩程的比排放量( g k m ) 表示。由于机动车在道路上行驶时的交通状况 的差异很大，没有严格的比较基准，实际道路上的实验很难保证结果的重复性。 因此，一般根据大量实验结果提取的汽车在城市典型道路上或市郊道路上的实际 工况，按照实际工况在底盘测功机进行排放实验，获取轻型车的排放因子。 根据实际行驶工况确定排放因子的一般步骤是：行车工况调查_ 行驶工况 解析提取典型行驶工况模拟实际工况曲线进行整车实验确定排放 因子。在选定行车道路后，汽车按常规方式随该道路的车流行驶，在行驶过程中， 6 武汉理一i ：人学硕+ 学位论文 每隔1 秒自动测量一次车速并记录和储存在记忆卡中，然后进行工况解析；工况 解析又包括数据转换、1 5 2 0 m i n 为时间单位的区间数据制作、区问数据特性值 的计算、代表行驶工况候选数据的提取等几个步骤；经解析后得到典型行驶工况 曲线，将实际工况曲线数据输入到底盘测功机的计算机控制系统中，设定阻力， 再现道路阻力，按该工况曲线进行整车排放实验，获取排放因子。 2 燃料消耗量估算法 燃料消耗量估算法一般用于进行区域或国家层次的污染物排放估算，在大量 实验结果的基础上，确定污染物排放量与燃料消耗量之间的比例关系。然后根据 区域燃料消耗量估算总体排放量。由于这种方法研究的区域范围大，对排放因子 的估算相对比较粗略，往往仅能给出一定范围内不同车型的平均排放因子，难以 满足在城市层次上进行污染物排放和扩散研究的需要。也有部分学者认为根据燃 料消耗量计算得到的排放因子具有很好的代表性，主要原因是以燃料消耗量为基 础得到的排放因子对交通状况和运行条件的变化不敏感。 3 模型预测法 模型预测通过模型计算确定机动车排放因子，模型预测法的基础数据仍来自 对大量实际车辆的排放测量结果，通过对大量试验数据的统计分析，用数学模型 表达各种因素对排放的影响。利用排放模型计算排放因子，给决策者提供近似精 确的污染物排放清单，这种方法不需要对各种的机动车进行实际的排放实验研 究。通常在特定的环境温度、燃油蒸汽压、的劣化率及特定的测试流程下，利用 实验确定单车的基础排放因子。然后在基础排放因子的基础上，根据实际条件下 各种影响因素与标准工况下的差别确定基础排放因子的修正因子，得到实际运行 工况下的排放因子。 模型预测法综合考虑了机动车排放控制水平、运行工况、车辆使用年限、累 积行驶里程、车辆的维护保养状况、燃料特征以及运行环境条件等各种因素对实 际排放结果的影响，能相对全面反映机动车的实际排放水平，因此被广泛应用于 国内外大中城市机动车的污染控制对策研究中。 目前世界上应用最广泛的排放因子计算模型是美国e p a 的m o b i l e 模型。 其数据来源是各种不同技术水平的在用车排放水平的检测结果以及美国f t p 循 环的实验结果。m o b i l e 模型在我国进行应用存在一些天生的缺陷：一是模型界 面不够友好，大部分的输入数据要符合f o r t r a n 编程语言的编码要求，不易改 变默认输入假设；二是它对空间和时间的解析度很低，模拟不够精确，无法体现 交通道路对排放的影响，对交通道路规划指导意义不大；三是该模型不完全符合 我国国情，模型采用的参数和公式的基础数据库来源于美国f t p 排放循环获得 的实验数据，而我国轻型车排放型式认证试验中使用的是欧盟e c e 1 5 和e u d c 7 武汉理 ：大学硕士学位论文 测试循环。 4 遥感测量法 近年来，美国等发达国家逐渐开始遥感测量进行机动车排放因子的监测，遥 感测量法一般实在道路旁架设测量遥测仪器，通过不分光红外分析法( n d 氓) 和分光或不分光紫外分析法( n d u v ) 原理的测试设备，在线动态监测汽车排气 污染物浓度，获得在实际道路上行驶的机动车的排放因子。目前，北京市已经颁 布实旌了汽油车遥测法测量标准，对在用机动车进行排放检测，柴油车的遥测标 准正在制定过程中；广东省的制定的遥测排放标准也正在报批中。 遥感测量法不干涉被测车辆的运行状态，也不需要被测车辆驾驶员的配合， 因此检测结果真实反映了道路行驶车辆的实际排放。检测结果能够进一步转化成 以l 的表示的c o 和h c 质量排放速率。遥测技术经过不断完善，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。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。 遥感测量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，检测效率高，一般在1 s 的时间间隔内就能够完成对一辆车的排放测量，在 一天内就能够完成对上万辆车的排放检测。遥感测量的缺点是不适宜进行多车道 道路上机动车的排放检测，仅适用进行单车道或隧道内的实验。 5 公路隧道法 公路隧道法是在交通隧道内，通过监测过往隧道的机动车排入隧道内的污染 物浓度分布和隧道内风速等环境和气象要素，通过计算得出在一定机动车组成和 流量下污染物的排放因子。该方法的基本原理是将隧道看成一个理想的圆柱状活 塞，在一定时间内活塞进出的污染物浓度差与通风量的乘积等于通过隧道的机动 车污染物的总排放质量。 6 车载道路实测法 由于前面提到的各种排放因子的获取方法均不是在实际道路上进行的，基础 数据中缺乏交通环境信息，与车辆在实际道路上的真实排放状况存在的差别。因 此利用先进的测试技术，对道路上行驶的机动车进行实时排放测试，获取实际的 排放数据具有特别重要的意义。 车载排放测试利用p e m s 对车辆排放直接采样，将排气连接到车载气体污染 物测量装置上，实时测量污染物的体积浓度和排气体积流量，计算得到气体污染 物的质量排放量。根据实验测得的瞬时排放和g p s 道路交通信息，获得实际排 放因子。这种方法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 8 武汉理一r 大学硕士学位论文 试时间和测试成本。p e m s 系统具有重量轻、体积小的特点，能够安放各种被测 车辆上进行实际实验，得到车辆实际道路排放特征，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，提供了有效方便的测试方法。因此基于p e m s 的车载排放测试方法是排放因子研究的重要研究方向。 2 3 重型柴油车排放因子和排放模型的研究现状 2 3 1 重型柴油车排放因子的研究现状 排放因子是对机动车排放水平进行量化、分析和评价的重要参数，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机动车排放控制策 略。国外有关重型柴油车排放因子的研究报道较多，主要的研究方法是利用车载 排放测量系统或底盘测功机对机动车进行测试排放测试，获取基本排放因子，在 此基础上，建立排放模型，估算城市或区域内的排放总量和排放清单。 影响重型柴油车平均排放因子的因素很多，宏观的有车辆行驶工况、燃料特 性、i m 计划等；微观方面，平均速度、加速度、驾驶行为等也是制约排放因子 的因素，通过对实验获得的排放因子进行分析，得到各种因素对排放的影响。 车载排放测量利用置于车上的排放分析仪器和路谱分析等仪器，得到实际道 路行驶的机动车动态排放状况与对应的行驶工况，车载测试可以为实际行驶条件 下机动车排放特征的分析和模拟计算提供有效的数据支持。国内外研究人员近年 来相继开展了车载排放测量的实验研究，获得了很多有意义的结果。美国北卡州 立大学利用c l e a na i rt e c h n o l o g y 公司的车载尾气排放测量系统o e m 2 1 0 0 t m 进 行了实际道路上，特别是特定交通场景中的车载排放实验；加州大学戴维斯分校、 比利时v i t o 研究所、天津大学和香港理工大学等相继开展了相关研究。到目前 为止，他们使用的设备大多只能测试气态污染物的排放，少数能够测试颗粒物排 放的系统也因为技术不够成熟等原因而未能推广。 在数据后处理方面，国外也有较多的研究。如休斯敦研究者采用s m o gd o g 进行机动车排放物的检测和评价，可以从收集的排放物转换得到机动车的排放 率，并得到机动车的瞬时速度和加速度速率；香港理工大学进行了实际路况下柴 油车排放的检测和排放因子的研究，采用基于机动车排放数据的回归分析方法， 针对当地城市驾驶路况研究了c o 、h c 和n o 排放因子对机动车瞬时速度、加 速度减速度的影响；美国e p a 通过r o v e r 车载排放测试仪，丌发了评估车辆 排放率分布的模型m o v e s ，还利用r o v e r 和其他车载排放测试设备进行了重 型车道路排放测试，对重型柴油车排放的符合性开展了相关研究。 美固北卡罗来纳州立大学环境工程学院使用o e m2 1 0 0 ，在交通灯路口处， 9 武汉理： 人学硕士学位论文 比较在信号灯变化前后车辆排放情况，评估实际道路交通流的影响。并据此研究 如何优化交通控制措施，丌发出排放数据收集方法和评估模型。美国加利福尼亚 大学的环境研究技术中心( c e c e l 玎) 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。 g b1 8 3 5 2 3 2 0 0 5 “轻型汽车排放污染物测试方法”和g b t1 8 3 6 8 2 0 0 1 “电动 汽车一能量消耗率和续驶里程一试验方法”都是基于e c e l 5 工况。在我国车辆新 技术开发过程中，由于它们都没有反映实际的车辆行驶状况，普遍认为不能有效 地满足对实际排放因子的研究需要。 中国环境科学研究院的刘希玲、丁焰等在5 个典型城市进行汽车行驶工况试 验的基础上，对建立城市汽车行驶工况模式的方法和必要性作了详细的描述。该 行驶工况对有效控制我国城市汽车排放污染提供重要依据。 中国汽车技术研究中心的李孟良等分析了中国3 个典型城市f 北京、上海和 广州) 车辆行驶的速度、怠速、最大速度、加速度以及行程等特征及其分布特征， 结合交通特性研究了车辆行驶运动学水平。研究表明，现行采用e c e l 5 工况与 实际行驶工况相比，车辆燃油消耗被低估约1 0 ，覆盖的车辆工况范围远远小于 实际行驶工况，不适用于车辆设计开发要求。 清华大学的贺克斌等采用g p s 及多普勒速度仪对中国8 个不同规模城市的 机动车行驶工况进行测试。基于大量测试结果，采用特征参数法合成测试城市机 动车行驶工况，并分析了中国城市机动车行驶工况特征。结果表明，中国不同规 模的城市表现出不同的机动车行驶特征。与欧美标准工况相比，在行驶模式分布、 平均车速以及加减速等方面均存在很大差异。 北京交通大学的裴文文、于雷等提出了一种北京市机动车行驶周期的建立方 法。行驶周期的确定是建立在准确的行驶工况数据之上的，结合使用g p s 与o e m 收集机动车行驶工况数据，为北京市行驶周期的建立提供了新的方法。并通过初 步的实路测量试验得到了北京市的简易机动车行驶周期，并与国外的一些行驶周 期作了对比。 北京工商大学王岐东、姚志良等采用一套车载实验系统记录了实际道路汽车 行驶的瞬时速度和排放数据从大量的速度数据中以1 1 个特征参数为基准，合成 了成都市不同道路的行驶工况，并与标准测试工况进行了对比分析，发现比较了 它们之问的差距。 1 0 武汉理：r 大学硕十学位论文 2 3 2 机动车排放模型的研究现状 在大量试验的基础上，世界各国相继开发了多种模型用以量化汽车排放，按 模型的特点，他们所开发的模型可以分为宏观模型和微观模型两大类，输入相关 参数可以预测相关地区或城市的排放因子，为建立不同区域排放因子清单和制定 相关交通控制政策提供基础数据。 宏观排放模型一般是使用统计分析方法计算特定区域内的平均排放因子，用 于进行省、市级区域中的排放量估测。代表性的宏观排放模型如美国e p a 的 m o b i l e 和p a r t 系列、美国加州空气资源局( c a i m ) 的e m f a c 系列、欧盟 环境署( e e a ) 资助开发的c o p e r t 系列、以及美国加州大学河边分校开发的 e 模型等。 美国e p a 于1 9 7 8 年发布了m o b i l e1 0 版本，并通过法律确定了全美除加 州之外的4 9 个州在进行废气排放达标计算时必须使用该模型。在之后2 0 多年里， e p a 根据排放控制水平的提高和标准的加严对m o b i l e 不断进行更新，目前使 用的最新版本是2 0 0 4 年发布的m o b i l e 6 2 。m o b i l e 系列模型是基于平均排放 速度的预测模型，该模型的基本思路是在行驶周期的基础上测算出基准排放因 子，然后根据车型构成、车龄分布、行驶里程分布、燃料特性、平均速度、环境 温度、湿度等相关因素进行修正来得出实际排放因子。迄今为止，m o b i l e 系列 模型是最具影响力的宏观排放预测模型，其应用主要是对m o b i l e 模型的输入 参数进行本地化。 p a r t 系列模型是e p a 开发的道路机动车颗粒物排放因子模型，最新版本为 1 9 9 5 年发布的p a r t 5 。p a r t 模型的开发思路和结构上与m o b i l e 模型相似， 模型所用基础数据也来源于美国环保局组织的各种不同在用车排放测试结果。由 于在最新的m o b i l e 模型中纳入了颗粒物的排放因子，2 0 0 4 年p a r t 5 的功能被 m o b i l e 6 2 整合。 c o p e r t 模型的开发始于1 9 8 5 年，一般认为m o b i l e 模型是c o p e r t 模型 开发的向导，因此c o p e r t 与m o b i l e 有着相似的模型结构。其不同点主要有 以下两点：首先，c o p e r t 采用地区内燃油销售的统计数据作为基础数据，而 m o b i l e 基于调查所得的交通数据，如机动车的年行驶罩程分布和累积率；其次， 两个模型关于冷启动的定义不同，m o b i l e 按上次熄火到这次启动的时间间隔定 义冷启动，而c o p e r t 按冷却系统的水温定义冷启动，这导致了m o b i l e 预测 的排放量可能比c o p e r t 高，而c o p e r t 在缺乏交通基础数据的地区有更好的 适应性。 e m f a c 是用于美国加州废气排放计算的宏观排放模型，最新版本为e m f a c 1 1 武汉理1 二大学硕十学位论文 2 0 0 2 。在算法原理上，e m f a c 和m o b i l e 基本一致，但由于加州采用比美国其 他州更为严格的排放标准和检测维修( i m ) 制度，这两种模型所采用的基础数 据不同。 宏观排放模型是基于省、市级范围区域内固定行驶周期和平均速度下废气排 放测试数据的回归结果而开发的。研究发现废气排放量与车辆的瞬时速度和速度 的变化( 加速度) 紧密相关。由于城市交通的复杂性和动态性，固定行驶周期很 难反映实际驾驶中的速度和加速度的变化规律，因此基于固定行驶周期的宏观模 型不能反映真实道路上的废气排放，特别是不能用来评价具体交通措施对废气排 放的影响，如交叉口信号控制、道路管理、出行者信息系统、或其它的智能交通 ( i t s - - - i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 控制策略等对废气排放的影响。为解 决上述问题，开发能反映实际运行模式的微观废气排放模型显得十分必要。上世 纪9 0 年代开始，许多交通环境领域的专家和学者致力于微观排放模型的研究和 开发。 1 9 9 5 1 9 9 9 年间，美国加州大学河边分校和密歇根大学合作开发了综合模式 排放模型( c m e m - - - c o m p r e h e n s i v em o d a le m i s s i o nm a d e l ) ，该模型是能够计算 轻型汽油车废气排放的微观模型。模型以车辆特性( 如车重、发动机排量等) 和 运行参数( 如每秒的速度、加速度、道路坡度) 为输入参数。输出数据是该车队 组合每s 的h c 、c o 、n o x 和c 0 2 排放以及燃料消耗量。车辆的功率需求是 c m e m 中最重要的变量，模型利用该变量将车辆的运行模式和废气排放、燃油 消耗联系起来。模型认为：对特定车辆，功率需求可以表征为速度、加速度的多 项式函数，通过功率需求可以得到发动机的排放和燃油消耗，再根据催化转换器 的时变催化率函数得到车辆最终的废气排放。 除c m e m 外，还有很多其它的微观废气排放模型，如美国佐治亚理工大学 开发的基于g i s 的微观废气排放模型m e a s u r e ( m o b i l ee m i s s i o na s s e s s m e n t s y s t e mu r b a na n dr e g i o ne v a l u t i o n ) ，欧洲开发的m o d e m 排放模型等。值得注 意的是，上述这些模型大部分在形式上建立了微观交通特性和废气排放之间的函 数关系，但其采用的基础数据仍是实验室内获得的，所以没有真正反映实际道路 的排放。总的来说，到目前为止，仍然没有像m o b i l e 在宏观废气排放模型领 域一样得到广泛认可和应用的微观模型。 从1 9 7 8 年至今，m o b i l e 模型除了用于估算地区范围内的废气排放，也被 用于交通项目评价以及交通控制对排放影响分析的工具。为了满足交通环境影响 分析和评价的需求，e p a 丌始组织丌发新一代废气排放模型，即m o v e s ( m o t o r v e h i c l ee m i s s i o ns i m u l a t o r ) 。2 0 0 5 年，e p a 发布了模型试验版m o v e 2 0 0 4 。 与以往的模型相比，m o v e s 有多方面的进步。虽然其目自订的版本还只能用于宏 1 2 武汉理工大学硕七学位论文 观层次的排放预测，但它的最终版本将整合多层次的排放预测功能。m o v e s 在 宏观层次上继承了