（光学工程专业论文）重型混合动力车辆排放能耗评价方法研究.pdf

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 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生 签名 生燧 日期2 生生订 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 研究生 签名 虚麟 导师 签名 日期砒订 车辆 h d h e v h e a v yd u t yh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 因其较高的燃油经济性和 减排效果而成为各汽车生产厂家竞相开发的热点 随着技术的不断成熟完善 混 合动力电动汽车已经开始进入商品化 市场化阶段 而最终促成混合动力车辆的 技术成熟和市场普及 则必须建立其完整的评价体系 本文调研了国内外h d h e v 能耗排放测试的方法和相关标准 并针对基于 重型底盘测功机及全流定容稀释采样系统 f f d s s f u l l f l o wd i l u t i o ns a m p l i n g s y s t e m 的测试方法和基于p e m s 的实际道路测试方法进行了深入试验研究 集成了重型底盘测功机及f f d s s 测试系统 利用该系统测量了一辆并联式 混合动力车辆的能耗和排放情况 试验结果表明 重型底盘测功机可以以小于 3 误差模拟试验车辆的行驶阻力 混合动力车辆的制动能量回收过程也可以复 现 在测试结果重复性方面 除h c 和p m 排放外 试验车辆c o 排放因子各重 复测试相对误差小于7 c 0 2 n o x 百公里油耗和测试里程各重复测试相对 误差则小于5 测试有比较好的可重复性 冷热态测试结果表明 冷态测试条 件试验车辆燃油消耗量 h c c o c 0 2 和p m 排放明显高于热态测试条件 混 合动力模式下分别是热态测试条件的1 1 倍 2 3 4 倍 1 2 5 倍 1 1 倍和1 7 倍 h c 排放明显增加 n o x 排放受冷热态测试条件影响不明显 集成了基于p e m s 的实际道路测试系统 利用该系统测量了一辆混联式混 合动力车辆的能耗排放情况 同时利用p e m s 也在底盘测功机上测量了试验车 辆的能耗排放 实际道路测试结果表明 通过工况跟踪系统 驾驶员可以较好的 复现测试循环 跟踪车速与实际车速的相关性系数在o 9 8 附近 目标车速与跟 踪车速拟合直线的斜率大于0 9 7 在试验结果重复性方面 除h c 和p m 里程排 放因子外 其他几个测量参数的重复性可以保证在1 0 以内 满足试验精度要求 实际道路测试方案也是可行的 重型底盘测功机和实际道路测试方案的对比结果表明 两种测试方案 试验 车辆均能够以较高的精度复现测试循环 底盘测功机方案试验车辆跟踪行驶循环 好于实际道路 从测试结果重复性对比来看 底盘测功机试验测试结果重复性好 于实际道路测试 从测试结果相关性和一致性来看 两种测试方案试验车辆的百 公里油耗结果偏差o 1 4 9 7 但从排放结果看 两种测试方案排放结果偏差过大 一致性较差 偏差在5 2 0 之间 实际道路测试条件试验车辆的排放结果比底 盘测功机测试恶劣 但两种测试方案测试结果相关性较好 相关性系数为0 9 9 8 6 关键字 重型混合动力 底盘测功机 实际道路 p e m s 排放 能耗 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nu r g ep e o p l et os t u d ya n dd e v e l o pt h e n e we n e r g yv e h i t i e s b e c a u s eo fi t sh i g h e rf u e le c o n o m ya n de m i s s i o nr e d u c t i o n e f f e c t h d h e vh a sb e c o m et h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n th o ts p o t so fm a n y a u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r s a st h ei m p r o v e m e n to ft e c h n o l o g y h e v sh a v ee n t e r e dt h e c o m m e r c i a l i z a t i o na n dm a r k e ts t a g e s b u ti no r d e rt op r o m o t et h et e c h n i c a lm a t u r i t y a n dm a r k e tp e n e t r a t i o no fh d h e 舱m u s te s t a b l i s ht h ei n t a c te v a l u a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r t h et e s tm e t h o d sa n dr e l e v a n ts t a n d a r d so fe m i s s i o na n de n e r g y c o n s u m p t i o no fh d h e vw e r ei n v e s t i g a t e d a n dt w ot e s tm e t h o d sw e r es t u d i e d d e e p l y s e p a r a t e l y t h em e t h o db a s e do nh e a v y d u t yc h a s s i sd y n a m o m e t e ra n d 向1 1 f l o wd i l u t i o ns a m p l i n gs y s t e m t h eo n r o a dt e s tb a s e do np e m s 1 1 1 et e s ts y s t e mo fh e a v y d u t yc h a s s i sd y n a m o m e t e ra n df f d s sw a si n t e g r a t e d t h ee m i s s i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o no fap a r a l l e lh y b r i dv e h i c l ew e r et e s t e db yt h e t e s ts y s t e m t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t t h eh e a v y d u t yc h a s s i sd y n a m o m e t e rc o u l d s i m u l a t et h eo n r o a dd r i v i n gr e s i s t a n c eo ft e s tv e h i c l eu n d e rt h ee r r o ro fl e s st h a n 2 5 t h eb r a k i n ge n e r g yr e c o v e r yp r o c e s so ft e s tv e h i c l ec o u l da l s ob er e p r o d u c e d r e p e a t a b i l i t yo ft e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t i na d d i t i o nt oh ca n dp me m i s s i o n s t h e r e l a t i v ee r r o ro fe m i s s i o nf a c t o ro fc ow a sl e s st h a n7 t h er e l a t i v ee r r o r so f e m i s s i o nf a c t o ro fc 0 2a n dn o x f u e lc o n s u m p t i o np e rh u n d r e dk i l o m e t e r s t e s t m i l e a g ee a c ht e s tw a sl e s st h a n5 t e s tr e s u l t sh a v eb e t t e rr e p e a t a b i l i t y t e s tr e s u l t s o fe m i s s i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o nu n d e rc o l da n dh o tt e s tc o n d i t i o n ss h o w e dt h a t u n d e rc o l dt e s tc o n d i t i o n f u e lc o n s u m p t i o n e m i s s i o nf a c t o r so ft h c c o c 0 2a n d p mw e r es e p a r a t e l y1 1t i m e s 2 3 4t i m e s 1 2 5t i m e s 1 1t i m e sa n d1 7t i m e st h a n t h o s eu n d e rh o tt e s tc o n d i t i o n t l l et h ce m i s s i o ni n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y b u tt h en o x e m i s s i o nh a dl i t t l ec h a n g e 1 1 1 eo n r o a dt e s ts y s t e mb a s e do np e m sw a si n t e g r a t e d s ot h ee m i s s i o na n d e n e r g yc o n s u m p t i o no fas e r i e s p a r a l l e lh y b r i dv e h i c l ew e r et e s t e db yt h et e s ts y s t e m a n dt h ee m i s s i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o no ft e s tv e h i c l ew e r ea l s ot e s t e do n h e a v y d u t yc h a s s i sd y n a m o m e t e rb a s e do np e m s n l et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t t h r o u g ho nb o a r dd r i v i n gc y c l et e s t i n gs y s t e m o b d c t s t h ed r i v e rc o u l dr e p r o d u c e t h et e s tc y c l e 谢t hl l i 曲a c c u r a c y t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e na c t u a ls p e e da n d t a r g e ts p e e dw a sa r o u n d0 9 8 t h es l o p eo ft h ef i t t e dl i n ew a sg r e a t e rt h a n0 9 7 r e p e a t a b i l i t yo ft e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t i na d d i t i o nt oh ca n dp me m i s s i o n s t h e r e p e a t a b i l i t yo fs e v e r a lo t h e rm e a s u r e m e n tp a r a m e t e r sc o u l dg u a r a n t e el e s st h a n10 w h i c hc o u l dm e e tt h et e s ta c c u r a c y t e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h eo n r o a dt e s tm e t h o d b a s e do np e m si sf e a s i b l e t h ec o m p a r a t i v er e s u l t sb e t w e e nt w ot e s tm e t h o d ss h o wt h a t t h ed r i v e rc o u l d r e p r o d u c et h et e s tc y c l e s l i t l ll l i 曲a c c u r a c y b u tu n d e rt h et e s tm e t h o db a s e do n h e a v y d u t yc h a s s i sd y n a m o m e t e r t h ed r i v e rc o u l dr e p r o d u c et h et e s tc y c l e sb e a e r f r o m r e p e a t a b i l i t y o ft e s tr e s u l t s t h e r e p e a t a b i l i t y o f h e a v y d u t y c h a s s i s d y n a m o m e t e rt e s tm e t h o dw a sb e r e rt h a nt h o s eu n d e ro n r o a dt e s tm e t h o d f r o mt h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 v i e wo ft h er e l e v a n c ea n dc o n s i s t e n c yo ft e s tr e s u l t s t h ed e v i a t i o no ff i l e l c o n s u m p t i o np e rh u n d r e dk i l o m e t e r su n d e rt w ot e s tm e t h o d sw a s0 14 9 7 b u tt h e d e v i a t i o no fe m i s s i o nr e s u l t su n d e rt w ot e s tm e t h o d sw e r eh i 曲e r t h ec o n s i s t e n c y b e t w e e nt w ot e s tm e t h o d sw a sp o o r t h ed e v i a t i o nb e t w e e nt w ot e s tm e t h o d sw e r e a b o u t5 2 0 t h ee m i s s i o nr e s u l t so ft e s tv e h i c l eu n d e ro n r o a dt e s tc o n d i t i o nw e r e w o r s et h a l lt h o s eu n d e rh e a v y d u t yc h a s s i sd y n a m o m e t e rt e s tc o n d i t i o n b u tt h et e s t r e s u l t so ft w ot e s tp r o g r a m sh a db e t t e rc o r r e l a t i o n t h ec o r r e l a t i o nt o e 伍c i e n tw a s 0 9 9 8 6 k e yw o r d s h d h e v h d c h a s s i sd y n a m o m e t e r o n r o a d p e m s e m i s f i o n e n e r g y c o n s u m p t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 中文摘要 i a b s t r a c t i i 目豸匙 i 第1 章绪论 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 课题研究目的及意义 2 1 3 课题研究内容及技术路线 3 1 3 1 课题的研究内容 3 1 3 2 课题研究的技术路线 4 第2 章重型混合动力车辆排放能耗测试方法概述 5 2 1 重型混合动力车辆测试方法 5 2 1 1 重型底盘测功机测试方法 5 2 1 2 基于p e m s 的道路测试方法 6 2 1 3 基于发动机台架的测试方法 7 2 1 4 整车模拟法 h l l s 8 2 2 排放能耗测试标准国内外研究现状 1 0 2 2 1 美国 1 0 2 2 1 1 美国汽车工程师协会 s a e 1 0 2 2 1 2 美国环境保护署 e p a 1 2 2 2 2 日本 1 4 2 2 3 中国 1 5 2 2 3 1 重型混合动力车辆能量消耗量标准 1 5 2 2 3 2 重型混合动力车辆排气污染物测试标准 1 6 2 2 4 国际标准化组织 i s o 1 6 2 3 我国重型混合动力车辆能耗和排放标准制修订的建议 1 7 2 4 本章小结 1 8 第3 章基于重型转鼓及全流排放测试系统的重型混合动力车辆排放能耗测试方法研究 1 9 3 1 试验车辆 1 9 3 2 试验测试系统 2 0 3 2 1 重型底盘测功机测试系统 2 0 3 2 2 全流定容稀释采样系统f f d s s 2 l 3 2 2 1 定容采样系统c v s 2 l 3 2 2 2 颗粒物采样系统p s s 2 2 3 2 3 气体污染物分析仪a m a1 6 0 2 2 3 2 4 燃油质量流量计7 3 5 s 和燃油温控系统7 5 3 c 2 3 3 2 5 排放测试主控系统 2 4 3 3 试验循环 2 5 3 4 车辆滑行试验 j 2 6 3 4 1 车辆道路滑行试验原理 2 6 3 4 2 试验车辆实际道路滑行 2 6 3 5 5 1 转鼓阻力设定原理 3 1 3 5 5 2 转鼓阻力设定程序 3 2 3 5 6 试验车辆预循环 3 3 3 5 7 测试项目 3 3 3 5 7 1 试验车辆冷热态测试 3 3 3 5 7 2 试验车辆在传统模式和混合动力模式下能耗排放比对 3 4 3 6 试验结果计算与处理 3 4 3 6 1 气态污染物和颗粒物排放测试结果计算 3 4 3 6 1 1 总稀释排气量计算 3 4 3 6 1 2 取样袋中污染物的校正浓度计算 3 5 3 6 1 3n 0 x 湿度校正系数的确定 3 5 3 6 1 4 气态污染物和颗粒物排放量计算 3 5 3 6 2 油耗量测试结果计算 3 6 3 6 3 电耗量测试结果计算 3 6 3 7 试验结果分析 3 6 3 7 1 转鼓对车辆行驶阻力模拟精度分析 3 6 3 7 2 试验车辆对测试循环跟踪结果 3 8 3 7 3 测试结果重复性分析 4 2 3 7 4 冷热态测试结果分析 4 4 3 7 5 混合动力模式和传统模式试验车辆排放能耗结果对比 4 6 3 8 本章小结 4 6 第4 章基于p e m s 的重型混合动力车辆排放能耗实际道路测试方法研究 4 8 4 1 试验车辆 4 8 4 2 试验测试系统 4 9 4 2 1o b 2 2 0 0 5 0 4 2 2o b s 2 2 0 0 流量计的原理 5 l 4 2 3e l p i 5 2 4 2 4 油耗仪 5 3 4 2 5 电功计 5 4 4 2 6 工况跟踪系统o b d c t s o nb o a r dd r i v i n gc y c l et e s t i n gs y s t e m 5 4 4 2 7 车载排放测试功能的集成和扩展 5 5 4 3 测试循环 5 6 4 4 车载排放测试系统测试精度试验验证 5 7 4 4 1 气态污染物测试验证 5 7 4 4 1 1 验证方案 5 7 4 4 1 2o b s 系统与试验室测试系统测试精度分析 5 8 i i 4 5 2 试验车辆预处理 6 2 4 5 3 试验车辆测试设备安装 6 2 4 5 4 预循环 6 3 4 5 5 实际道路测试试验流程 6 3 4 6 实际道路测试结果计算及数据分析 6 4 4 6 1 试验样车对测试循环跟踪结果 6 4 4 6 2 试验车辆排放能耗结果计算 6 6 4 6 2 1 电量消耗量计算 6 6 4 6 2 2 燃油消耗量计算 6 6 4 6 2 3 气态污染物排放因子计算 6 6 4 6 2 4 颗粒物排放因子计算 6 6 4 6 2 5 试验车辆排放能耗测试结果 6 7 4 6 3 实际道路测试测试结果重复性分析 6 7 4 7 本章小结 6 9 第5 章实际道路测试方法和重型底盘测功机测试方法相关性研究 7 0 5 1 测试方案 7 0 5 2 实际道路滑行试验 7 0 5 3 试验车辆实际道路和底盘测功机试验 7 1 5 4 测试结果分析 7 2 5 4 1 转鼓对试验车辆行驶阻力模拟精度分析 7 2 5 4 2 循环跟踪精度对比 7 2 5 4 3 测试结果重复精度对比 7 4 5 4 4 测试结果一致性和相关性分析 7 5 5 5 本章小结 7 7 第6 章全文总结及展望 7 8 6 1 本文研究内容及成果 7 8 6 2 研究展望 7 9 参考文献 8 0 致谢 8 3 硕士期间发表的论文 8 4 i i i 1 1 课题研究背景 近年来 世界各国汽车工业都一直面对能源安全与环境保护两大挑战 一方 面 全球汽车工业的快速发展 使得汽车的产量 销售量和保有量在逐年增加 因此对石油资源的需求越来越大 能源危机在全球范围内日益凸显 另一方面 石油燃料的燃烧会产生各种各样的废气 如h c c o z c o n o x 等 c o z 排放 造成全球气温变暖 c o n o x h c 碳烟等的排放造成严重的环境污染 如酸 雨等 严重破坏生态环境 危害人们的身体健康i 为了确保全球汽车工业的可 持续发展 节能与环保的新能源汽车的开发成为各个汽车生产厂家竞相开发研究 的热点 如纯电动汽车 混合动力汽车以及燃料电池汽车 纯电动汽车用蓄电池 作为动力源驱动 使用中可以实现零排放 无污染 但制约电动汽车发展的最大 瓶颈是蓄电池能量密度过低 电动车辆每次充电的续使里程短 以发动机和电动 机为动力源的混合动力电动汽车 h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s h e v 具有高性能 低油耗 低排放和续驶里程长等方面的综合优势 因此 混合动力电动汽车的研 究开发逐步进入各汽车生产厂家的视角 重型混合动力系统最适合也最有潜力的 应用便是城市公交车 混合动力公交车h e b h y b r i de l e c t r i cb u s 城市公共交通 通常比较拥挤 公交车走走停停 怠速时间比较长 行车速度比较慢 发动机负 荷率低 导致燃油消耗量高 污染物排放情况比较严重 因此传统的内燃机汽车 燃油消耗量和排放情况都很差 而混合动力系统完全可以通过辅助动力系统减少 发动机在耗油量排放高的工作区域的运转时间 同时在车辆制动过程中实现制动 能量回收再利用 从而达到节能减排效果 2 1 根据国外相关文献 混合动力车辆 的燃油消耗指标与装备同类型发动机的传统汽车相比平均降低3 0 4 0 尾气 排放指标平均降低5 0 o 6 0 t 副1 引 当前 全球很多国家都在对混合动力城市公交车进行测试和试运营 其中北 美地区已经率先进入了商业化运营阶段 2 0 0 6 年 北美地区4 0 多个运输部门运 营9 0 0 多辆混合动力客车 另外还有上百辆的混合动力公交车已经订购但未交付 使用 在欧洲 尤其是德国 意大利 瑞典和丹麦 已有许多混合动力城市客车 展开测试并投入试运营 日本 泰国 以及澳大利亚等国也对混合动力城市客车 进行 f n 试 与此同时 这些国家为了鼓励混合动力城市客车的应用 还制定了 相应的激励政策 如美国的联邦政府公交补贴 缓解拥堵及空气质量控制项目资 助 税收抵免政策等 欧洲国家实施的1 0 1 0 0 不等的财政补贴等 武汉理工大学硕士学位论文 目前 国内众多汽车生产厂家都开发和试制了混合动力城市客车 正在进行 产业化和商品化的准备工作 国内于2 0 0 8 年1 2 月正式启动了 十城干辆 工程 开始了新能源汽车大规模商业化运营 北京 上海 济南 武汉 深圳等大中型 城市已经率先进行了示范化运营 并取得了不错的成果1 6 j 预计到2 0 1 2 年示范 运营车辆总数超过3 万辆 其中大中型混合动力车辆5 0 0 0 辆 混合动力出租车 2 0 0 0 0 辆 其他电动汽车5 0 0 0 辆 为了推广新能源汽车的示范运行 国家还制 定了一系列的财税优惠政策 刀 长度在十米以上 且节油率在1 0 以上的混合动 力城市客车按照五档分级标准获得财政补贴 按照车辆的节油率以及所使用的混 合动力系统的最大电功率比来确定补贴金额 其中混合动力汽车分为使用铅酸电 池和使用镍氢电池 锂离子电池两类 最高补贴额分别为8 万元 辆和4 2 万元 辆 财政优惠政策的实施极大的推动了新能源汽车 特别是混合动力城市公交车 的推广应用 1 2 课题研究目的及意义 随着技术的不断成熟完善 混合动力电动汽车已经开始进入商品化 市场化 阶段 一些国家为了推进新型的电驱动车辆的推广应用 还施行了针对混合动力 汽车的财税优惠政策 进一步加快了其市场化进程 而最终促成混合动力车辆的 技术成熟和市场普及 则必须建立其完整的评价体系 由于电驱动系统的加入 针对传统燃油汽车的试验方法标准法规 并不能适用于混合动力车辆 特别是就 车辆的燃油经济性和排放两项性能而言 必须在试验评价过程中考虑到发动机之 外其它动力源装置的影响 这就要求在传统汽车试验方法的基础上针对混合动力 车辆的特性作出修改 重型混合动力车辆在装备传统发动机的基础上 通常至少增添了一套辅助动 力装置 蓄电池组 超级电容等 而辅助动力装置的工作特性是以优化发动机的 工作状态为目标的 使得整车工况 负荷与发动机工况 负荷之间的对应关系进 一步减弱 因此 重型混合动力车辆的性能评价必须从整车的角度开展 一方面 由于传统重型车辆的车型比较繁多 g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 t 8 中规定的传统重型车排放试 验是在发动机试验台架上进行的 只对发动机的油耗排放情况进行试验评价 试 验程序无法反映车辆混合动力系统的实际运行情况 因此不能满足重型混合动力 车辆性能评价的要求 沿用传统重型发动机评价的方法来评价重型混合动力车辆 性能显然已经不合理 另一方面 传统的重型车辆测试技术平台还难以实现混合 动力车辆的制动能量回收 这更凸显出传统重型车排放法规测量方法在混合动力 车辆上应用的局限性 9 1 目前 国外已经有针对重型混合动力车辆能耗排放的评 2 武汉理工大学硕士学位论文 价方法颁布 我国也于2 0 0 5 年发布了重型混合动力汽车能量消耗量试验方法 1 0 1 但相应的排放试验方法则一直缺失 且随着车辆技术 测试技术的发展 现有的 能量消耗量试验方法也需要进行修订 本课题在对国内外重型混合动力车辆排放 能耗评价方法充分调研的基础上 对重型混合动力车辆排放能耗场地测试方法和 底盘测功机测试方法进行了测试系统集成与方案验证 研究了场地测试方法和底 盘测功机测试方案的相关性 为量化重型混合动力车辆排放能耗性能指标提供科 学的检测手段 为制修定重型混合动力车辆排放能耗测试方法标准提供科学的数 据支持 同时也为重型混合动力车辆的研发机构 生产单位进行技术改进 产品 优化提供科学的依据和完善的测试技术平台 1 3 课题研究内容及技术路线 1 3 1 课题的研究内容 本文主要从对重型混合动力车辆能量消耗量和污染物排放测试评价方法研 究出发 考察基于底盘测功机和基于实际道路的重型混合动力车辆能耗排放测试 评价方法的可行性 研究实际道路和重型底盘测功机测试方法的相关性和一致 性 文章研究内容主要分为以下几个部分 1 重型混合动力车辆能量消耗量排放测试评价方法概述 主要是调研国 内外重型混合动力车辆能消耗排放测试的四种评价方案 考察美国 日本 欧洲 和中国等几大标准体系相关标准制定现状以及测试方法研究现状 为国内重型混 合动力车辆能耗排放测试评价方法标准的制修订提供理论支持 2 基于重型底盘测功机及其全流稀释采样系统的重型混合动力车辆能耗 排放评价方法研究 在重型底盘测功机上利用全流测试系统测量重型混合动力车 辆的能耗排放 分析重型底盘测功机及其全流稀释采样系统的工作原理 研究制 定试验车辆滑行试验和重型底盘测功机测试试验程序 考察重型底盘测功机对试 验车辆行驶阻力的模拟精度 循环跟踪 测试结果重复性等问题 验证基于重型 底盘测功机及其排放测试系统测试方案的可行性 通过试验结果 分析重型混合 动力车辆冷态和热态排放能耗差异性以及重型混合动力车辆的节能减排效果 3 基于实际道路及p e m s 测试系统的重型混合动力车辆能耗排放评价方 法研究 分析车载能耗排放测试系统 p e m s 及工况跟踪系统的工作原理 通 过底盘测功机试验对比p e m s 测试系统和试验室测试系统排放测试结果的一致 性和相关性 在实际道路上利用p e m s 测量一辆混合动力车辆能耗排放情况 制定实际道路能耗排放测试程序 从试验方案对测试循环跟踪结果 测试结果重 3 武汉理工大学硕士学位论文 复性等方面验证实际道路测试方法的可行性 4 基于p e m s 的重型底盘测功机和实际道路重型混合动力车辆能耗排放 评价方法相关性研究 分别在实际道路上和重型底盘测功机上利用p e m s 对同 一辆混合动力车辆进行能耗排放试验 对比分析两种测试方法对循环跟踪的精 度 测试结果重复性以及测试结果相关性和一致性 研究实际道路测试和重型底 盘测功机测试的相关性 1 3 2 课题研究的技术路线 图1 1 所示为本文研究的技术路线 图1 1 试验技术路线图 4 重型底盘测功机测试方案综合运用底盘测功机滚筒本身的惯性质量和电动 机的电惯量模拟功能模拟车辆的实际道路行驶阻力 车辆在底盘测功机上按标准 要求的循环工况行驶 通过排放测试系统 全流排放测试系统 部分流排放测试 系统或车载排放测试系统等 测量车辆在行驶过程中t h c n o x c o c 0 2 等 气态污染物和颗粒物的排放情况 利用称重法 油耗仪或碳平衡法测量车辆在循 环工况下的油耗值 基于重型底盘测功机的测试方案成功解决了重型混合动力和 传统车辆排放能耗无法在试验室内测量的问题 试验室条件受外界环境因素影响 小 保证了实验过程中试验条件的可控性 是未来重型车辆排放能耗评价方法的 发展方向 但是基于重型底盘测功机的测试系统占据空间面积大 测试设备价格 高 测试成本较高 在很短时间内实现全面推广存在一定的困难 美国n a v c 东北部先进汽车联盟 早在2 0 0 0 年就采用基于重型底盘测功 机的测试方案对重型混合动力车辆排放能耗性能进行了评价试验研究 测试设备 采用西佛吉亚大学的底盘测功机以及可移动的c v s 排放实验室u 评价试验测 量了2 辆混合动力车辆 3 辆压缩天然气客车和1 辆传统柴油客车的燃油经济性 以及气态污染物和颗粒物排放情况 测试循环分别采用了c b d 测试循环 n y 客车循环 n y 城市客车综合循环 m a n h a t t a n 循环等六种测试循环 研究了燃 油中不同硫含量对颗粒物排放的影响以及试验车辆在不同测试循环下的燃油经 济性和排放情况 实验研究结果表明 柴油混合动力客车要比传统柴油车排放要 低 与传统天然气客车排放情况比较接近 但是混合动力客车的氮氧化物排放较 天然气客车高 通过使用低硫燃油以及采用催化微粒过滤器 混合动力客车的颗 粒物排放同c n g 客车一样减少了很多 项目的研究结果也表明 当混合动力客 车完全工作在目标循环时 车辆的燃油经济性要比同类c n g 客车高1 0 0 2 0 0 2 到2 0 0 4 年间 芬兰国立技术研究中心 v t t 利用重型底盘测功机 全流稀释测试系统以及a m a 4 0 0 0 分析仪对3 4 辆排放水平为欧1 到e e v e n h a n c e de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yv e h i c l e 环境友好汽车 的公交车的n o x 和p m 排放情况进行试验研究f 1 2 研究结果表明 欧i 公交车的排放最差 满足 e e v 排放水平的天然气公交车排放最好 欧i 公交车的n o x 排放因子高达 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 9 k m 而大部分天然气公交车则大约为6 9 k m 欧i 公交车p m 排放因子为 0 6 9 k m 而天然气公交车的p m 排放因子为0 0 0 3 9 k m 对一辆欧h 公交车和一 辆欧i 公交车进行了油品对比研究 试验结果显示 与含硫量为5 0 p p m 的商用 油相比 含硫量小于5 p p m 的瑞典m k l 可降低n o x 排放约5 降低p m 排放 约1 5 0 旷2 5 对3 辆柴油公交车和4 辆天然气公交车常规排放物和非常规排放 物测量结果表明 装有c r t 颗粒过滤器的柴油公交车可以在很大程度上降低p m 排放 但是与天然气客车相比 则逊色不少 国内一汽技术中心的杨钫等 1 3 人参考国内外现有的车辆排放污染物测量方 法 在整车试验底盘测功机上使用车载尾气排放仪 在国内首次对重型混合动力 客车和传统客车进行排放对比测量试验 验证了混合动力客车可以减少车辆污染 物排放 并取得了一些大型车辆排放污染物的测量经验 2 1 2 基于p e m s 的道路测试方法 测试车辆在试验道路上按照法规规定的循环工况行驶 试验道路等级要满足 法规规定的要求 在实验过程中利用便携式车载排放测试系统 p e m s 如o b s s e m t e c h d e l p i 等 测量试验车辆在行驶过程中的t h c n o x c o c 0 2 等气态污染物和颗粒物的排放情况 同样也可以采用称重法 车载油耗仪或碳平 衡法测量车辆在循环工况下的油耗值 基于p e m s 的道路测试测试方案简便易 行 灵活性比较大 在现行的国家标准中推荐采用道路测试方案 缺点是试验受 环境因素影响较大 比如大气温度 大气湿度 风向 风速以及道路状况等 在 恶劣的试验条件下往往导致车辆评价试验无法进行 试验重复性较差 测试结果 很难保证较好的一致性 中国汽车技术研究中心的李梦良 刘伏萍等 1 4 人在中国典型城市公交循环 c c b c 下 基于车载排放测试技术 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 简 称p e m s 测量了某重型混合动力客车在怠速运转时采取发动机停机和不停机两 种不同控制策略下的t h c c o n o x c 0 2 等气态污染物的实际排放因子和燃 油消耗率 试验研究结果表明 停机模式比不停机模式可提高试验车辆的燃油经 济性4 6 但c o 排放因子却增加了5 3 6 怠速不停机时 h c n o x 排放增 加2 0 6 该试验表明对于混合动力车辆的油耗和排放 尤其是对排放的评价 考虑到混合动力车辆能源动力系统的特点 应当采取基于整车的评价方法 中国汽车技术研究中心的秦孔建等 1 5 人将两套高性能的排放测量装置 o b s 2 2 0 0 和e l p i e l e c t r i c a ll o wp r e s s u r ei m p a c t o r 电子低压撞击仪 集 成了用于重型汽车排放测量的综合性车载排放测试系统 i p e m s 并在法规级 6 武汉理工大学硕士学位论文 排放实验室对其准确性和重复性进行比对测试 研究结果表明 集成的排放系统 具有良好的测量重复性 各种污染物 h c c o n o x 和p m 的i p e m s 测量结 果与实验室c v s 系统测量结果之间的相关性强 满足准确测量和评估重型汽车 实际道路条件下排放的技术要求 美国环境保护署 e p a l j o s e p hb a c h m a n a n t h o n ye r b 等1 1 6 人基于场地测 试方案 利用车载排放测试设备 p e m s s e m t e c h d 测量了四辆8 类重型货 车的气态污染物排放 采用碳平衡法计算了试验车辆的燃油消耗量 并且同采用 称重法计算得到的试验车辆的燃油消耗量结果进行直接对比 研究结果表明 p e m s 测得的油耗结果与称重法测得的油耗结果呈现较高的相关性 相关性系数 大于0 9 8 四辆试验车辆中有三辆的油耗测试结果的回归斜率几乎是接近的 在 9 5 的置信区间内 对于碳平衡法来讲 三次重复测量的油耗结果的平均协方差 为3 2 6 而对于称重法来讲 三次重复测量的油耗结果的平均协方差为2 9 8 测试结果充分表明s e m t e c h d 的测量精度较高 完全可以代替称重法 用来 确定车辆的油耗 2 1 3 基于发动机台架的测试方法 基于发动机台架的重型混合动力车辆排放能耗测试方法仍旧沿用传统重型 车辆发动机认证的测试方案 但是在进行混合动力系统排放能耗评价试验时 发 动机 电动机 发电机 发电机 储能装置等混合动力总成部件要按照混合动力 总成布置方案安装在发动机台架上 利用测功机来模拟车辆的负载 通过c a n 总线把台架测试控制系统与整车多能源控制器 发动机控制单元e c u 连接起来 实时测量混合动力总成的各项参数 控制总成的运行状态 同时运用油耗仪 排 放分析系统 电量计以及相关的传感器测量混合动力总成的能耗排放情况 与整 车试验相比 台架试验不受外界自然环境的限制 同时台架可以使各零部件的布 置不受整车总布置的限制 台架的模块化可以为不同类型的发动机及其控制器 电机及其控制器 蓄电池及其管理模块以及整车控制器提供所需的试验环境 调 试安装快捷准确 缩短混合动力总成研发周期 但混合动力台架试验容易造成发 动机测试工况与整车实际行驶工况脱离 能耗和排放结果与车辆实际运行结果相 差较大 系统控制也比较困难 厦门金龙旅行车有限公司的张焱 张汝辉等 1 7 人利用现有的发动机台架和 发动机排放法规 将混合动力总成系统 发动机 电动机 控制器 电池组等 安装在发动机台架上 通过发动机台架试验来评价混合动力系统的排放性能 在 城市循环工况下 动力总成中央控制器控制各动力总成部件在不同工况下按照控 7 武汉理工大学硕士学位论文 制策略与实际运行工况一致的切换过程 从而得到反映重型混合动力系统真实排 t 放水平的测试结果 图2 1 为吉林大学的李占龙等 1 8 1 人研究开发的并联式混合动力系统的台架 试验原理图 驾驶员输入模块 图2 1 并联混合动力总成台架测试 2 1 4 整车模拟法 h i l s 对于重型混合动力车辆来说 测试时 首先通过硬件在环路 h i l s 的方 法把车速 时间循环转化为发动机转矩 转速 时间循环 如图2 2 所示 测试时首 先利用发动机e c u 和车辆混合动力控制单元h c u 与基于d s p d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r 数字信号处理器 的车辆模型连接 d s p 模型由电动机 发动机 蓄 电池或超级电容等动力总成部件的数值模型 d s p 模型根据e c u 和h c u 的控 制信号模拟出车辆各部件的运行状态 因此也能获得发动机转速 转矩时间序列 混合动力车辆的能耗值利用转化来的发动机转矩转速时间序列 通过查找发动机 燃油消耗量图得到 而排放的测量则需要通过发动机的台架试验完成 测试时发 动机按照转化来的发动机转矩 转速 时间循环在台架上运转 利用排放分析系统 测量发动机在该运行工况下的排放值 整车模拟法是传统台架测试方法的改进 解决了传统台架测试容易造成发动机测试工况与整车行驶工况脱离的问题 测量 精度较高 缺点是h i l s 中的混合动力模型没有标准化 通用性较差 8 武汉理工大学硕士学位论文 e 要参数 发动帆 姥姥圈 电动帆 姥蹙圈 与f 宰平暂圉 雎s s 内阻 开路电压 车诵质量 忸1 生 传动敷率 受速器比 图2 2 重型混合动力汽车h i l s 测试方法 基于h i l s 的混合动力车辆排放能耗测试方案由日本汽车研究所的k e n j i m o r i t a k a z u k is h i m a m u r a 等人 1 9 提出 日本汽车研究所的相关研究人员利用 h i l s 方法完成了对一辆串联式混合动力客车和一辆并联式混合动力货车的排放 能耗评价验证试验 验证试验结果表明 车辆速度 电动机转矩 可再充电能量 存储系统的功率 电流 电压 发动机转速和转矩以及其他参数的计算值与实际测 量值的相关系数大于0 9 表现出较高的相关性 燃油经济性的计算值与测量值 的误差保持在2 左右 且在硬件回路仿真器中 发动机负载的计算结果可以满 足验证测试所要求的精度 2 0 1 0 年6 月7 日 1 1 日 联合国车辆法规协调