硕士论文
摘 要
汽车在给人们的生产与生活提供很大便利的同时,也给人们的生活环境带来了巨大的污染.针对机动车排放的危害性,各国都制定了严格的法规来加强对机动车排放的监管和控制.以轻型汽油车为例,车辆排放测试通常是基于试验室底盘测功机或发动机测功机,也有利用遥感技术进行测试.然而,车辆在实际道路行驶时影响因素众多且多变,车辆在实际道路上实测排放量与试验室中特定工况下排放特性差异性较大.本文研究了典型车辆在不同环境边界条件下的实际排放特性,并分析了不同影响因素的敏感性,为满足国 VI 排放标准的不同技术路线的车辆提供了数据支撑.
区别于传统的底盘测功机和发动机台架测试方法,在轻型车实际行驶过程中污染物的排放主要受环境边界条件、发动机控制参数、后处理控制策略等因素影响.本文通过车载排放设备研究了满足国 V 排放标准的汽油、柴油样车在不同海拔及外界气温条件下的 RDE 排放.从 RDE 测试方法、欧洲与中国实施 RDE测试的异同以及中国高海拔、低温环境下车辆 RDE 表现探究了 RDE 在中国的适应性.结果表明 RDE 测试方法在中国扩展海拔条件下可作为检测并进一步控制车辆实际排放的重要手段.
不同类型的后处理技术路线性能随车辆行驶里程的变化而不同,针对不同环境边界条件和实际耐久历程,分析了环境边界条件对不同技术路线后处理装置性能指标的影响特性,评价了不同国 VI 技术路线的特性.同时,分析了不同技术路线随车辆行驶里程的变化,为建立后处理关键部件快速老化方法和性能评价规范以及满足国 VI 排放标准的技术路线选择提供数据支撑.
关键词:RDE,排放特性,轻型汽油车,边界条件
Abstract:While the car provides great convenience for people's production and life, it alsobrings huge pollution to people's living environment. To measure vehicle emissionscharacteristics, many countries have established strict regulations to strengthen thesupervision and control of vehicle emissions. Taking light gasoline vehicles as anexample, vehicle emission tests are usually based on laboratory chassis dynamometersor engine rig dynamometers, as well as remote sensing technology. However, theinfluencing factors of the vehicle when driving on the road are numerous and varied,and the measured emissions of the vehicle on the road are different from the emissioncharacteristics under the specific working conditions in the laboratory. This paperstudies the real driving emission characteristics of typical vehicles under differentenvironmental boundary conditions, and analyzes the sensitivity of differentinfluencing factors, providing data support for vehicles with different technical routesthat meet national VI emission standards.
Different from the chassis dynamometer and engine bench test, the pollutantemission during the real driving emission of the light vehicle is mainly affected byenvironmental boundary conditions, engine control parameters, post-processing controlstrategies and other factors. RDE emissions of gasoline and diesel prototypes meetingnational V emission standards at different altitudes and outside air temperatures werestudied by vehicle emission equipment. The RDE test method, the similarities anddifferences between RDE tests in Europe and China, and the RDE performance ofvehicles in high altitude and low temperature environments in China explored theadaptability of RDE in China. The results show that the RDE test method can be usedto detect and further control the real emissions of vehicles under extended altitudeconditions in China.
The performance of different types of post-processing technology routes varieswith the mileage of the vehicle. According to different environmental boundaryconditions and real endurance history, the influence characteristics of environmentalboundary conditions on the performance indexes of different technical route postprocessing devices are analyzed, and the VIs of different countries are evaluated. Thecharacteristics of the technical route. At the same time, it analyzes the changes of themileage of different technical routes with the vehicle, and provides data support for theestablishment of post-processing key components rapid aging methods and performance evaluation specifications and technical route selection to meet national VIemission standards.
Key words:RDE, Emission characteristics; Light gasoline vehicles, boundary conditions
目 录
第 1 章 绪论.......................................................................................................... 1
1.1 课题背景.................................................................................................. 1
1.2 研究目的和意义...................................................................................... 5
1.3 车辆实际行驶排放研究现状.................................................................. 6
1.4 主要研究内容及技术路线...................................................................... 7
第 2 章 实际行驶排放测试方法.......................................................................... 9
2.1 RDE 测试方法.......................................................................................... 9
2.2 RDE 计算方法....................................................................................... 10
2.3 环境对 RDE 试验的影响...................................................................... 12
2.3.1 RDE 测试环境介绍...................................................................... 12
2.3.2 海拔对 RDE 排放的影响............................................................ 13
2.3.3 温度对 RDE 试验排放结果的影响............................................ 15
2.3.4 冷热启动对 RDE 试验排放结果的影响.................................... 16
2.3.5 RDE 试验的重复性...................................................................... 17
2.4 本章小结................................................................................................ 18
第 3 章 中欧 RDE 差异性及中国适用性研究.................................................. 21
3.1 中欧差异性处理.................................................................................... 21
3.1.1 冷启动方向.................................................................................. 21
3.1.2 数据处理方向.............................................................................. 23
3.1.3 预处理和浸车.............................................................................. 24
3.1.4 数据处理方法.............................................................................. 29
3.2 PEMS 设备验证 ..................................................................................... 31
3.2.1 PEMS 设备验证意义 ................................................................... 31
3.2.2 PEMS 设备试验室比对 ............................................................... 32
3.2.3 不确定度评估方法...................................................................... 32
3.2.4 当前评估内容.............................................................................. 35
3.3 混合动力车辆车载排放测试方法........................................................ 39
3.3.1 混合动力车辆技术路线.............................................................. 39
3.3.2 数据分析...................................................................................... 39
3.4 本章小结................................................................................................ 47
第 4 章 不同技术类型车辆 RDE 排放及技术路线选择.................................. 50
4.1 车载排放测试........................................................................................ 50
4.2 本章小结................................................................................................ 53
第 5 章 总结与展望............................................................................................ 54
5.1 全文总结................................................................................................ 54
5.2 后续研究展望........................................................................................ 55
参考文献.............................................................................................................. 56
致 谢.............................................................................................................. 60
第 1 章 绪论
1.1 课题背景
我国已连续 8 年成为世界机动车产销第一大国,机动车污染已成为我国空气污染的重要来源,是造成细颗粒物、光化学烟雾污染的重要原因[1].我国机动车保有量持续增长,2017 年,全国机动车保有量达到 3.10 亿辆,其中汽车 2.17 亿辆(含新能源汽车 153.0 万辆).纳入统计的机动车包括汽车(微型客车、小型客车、中型客车、大型客车、微型货车、轻型货车、重型货车、重型货车)、低速汽车、摩托车,不含挂车、上路行驶的拖拉机等,总计 29836.0 万辆.其中汽车20816.0 万辆,低速汽车 820.0 万辆,摩托车 8200.0 万辆.汽车已占主导地位,其构成按车型分类,客车占 88.8%,货车占 11.2%;按燃料分类,汽油车占 89.0%,柴油车占 9.4%,燃气车占 1.6%[2].尤其是在人口密集的城市地区,机动车保有量更为集中.
机动车在给人们日常生活带来更多便利的同时,也给环境造成巨大的污染.机动车的排气污染物主要包括:二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM、PN)等[3].据统计,北京、天津、上海等 15 个城市大气细颗粒物(PM2.5)源解析工作结果显示,本地排放源中移动源对细颗粒物浓度的贡献范围为 13.5%至 41.0%.2017 年,全国机动车四项污染物排放总量初步核算为 4359.7 万吨,比 2016 年削减 2.5%.其中一氧化碳(CO)3327.3 万吨,碳氢化合物(HC)407.1 万吨,氮氧化合物(NOx)574.3 万吨,颗粒物(PM)50.9 万吨[4].汽车驾驶室污染物排放总量的主要贡献者,其排放的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)超过 80%,氮氧化合物(NOx)和颗粒物(PM)超过 90%[4].各类机动车污染物排放分担率见图 1.1.因此,汽车排放已成为汽车污染物排放的主要来源.在内燃机中,一氧化碳是一种无色无味的气体,当不完全燃烧是由空气不足或其他原因引起时产生.当吸入一氧化碳时,一氧化碳很容易与血液中的血红蛋白结合,血红蛋白的亲和力是氧气的 300 倍.肺中的血红蛋白不与氧气结合而与一氧化碳结合,导致人体缺氧,可引起中毒症状,如头痛、头晕、呕吐,并可导致严重死亡.氮氧化物在太阳光的紫外光下与碳氢化合物发生反应,形成有毒的光化学烟雾.当光化学烟雾中的光化学氧化剂超过一定浓度时,具有明显的刺激性.它能刺激眼睛结膜,引起流泪,导致红眼病,同时对鼻子、咽部、咽喉等器官有刺激作用,可引起急性喘息,可使人呼吸困难,喉咙痛,眼睛发红,头部头晕加重,引起中毒.
光化学烟雾还对植物有损害,降低大气能见度,对橡胶制品有损害等危害.碳氢化合物是发动机排气中未燃烧的部分,包括燃料供应系统中燃料的蒸发和滴入.单个碳氢化合物只能在非常高的水平上对人类产生影响,这种水平通常很小,但它们是光化学烟雾的重要组成部分.一氧化二氮是发动机在一定负荷下产生的一种褐色刺激性气味.当发动机废气刚刚排出时,气体中的一氧化氮(NO)毒性较低,但很容易被氧化成其他氮氧化物化合物,如二氧化氮(NO2)毒性更大.氮氧化物进入肺泡,形成亚硝酸盐和硝酸,刺激肺组织.由燃烧排放的颗粒物(PM)有三个来源,一是不可燃物质,二是不可燃物质,三是燃烧产物.燃烧过程中排放的颗粒物大多为固体碳,火焰中形成的固体碳颗粒称为炭黑.燃烧纯气体燃料时可形成炭黑,但燃烧液体燃料时则更容易形成炭黑.除炭黑外,炭黑还含有碳氢化合物、硫化物和金属灰.含金属组分的颗粒主要来自抗爆剂、润滑油添加剂和燃料运动产生的磨料颗粒.
柴油发动机燃料燃烧不完全时,其内含有大量的黑色炭颗粒.炭烟不仅本身对人的呼吸系统有害,而且炭烟粒的孔隙中往往吸附着二氧化硫及有致癌作用的多环芳香烃等物质[5].同时,相较于其他污染源,机动车尾气更容易被人们直接吸入,威胁身体健康[6-7].
为了减少机动车尾气对人们健康的危害,各个国家都针对机动车的排放进行监管和控制都指定了严格的排放法规.特别是人们日常生活中接触最多的轻型车,以往排放法规中轻型车辆排放的测试要求一般都基于试验室中的底盘测功机的测试方法.车辆在底盘测功机上进行测试时,一般按照固定的测试循环曲线(速度-时间曲线)进行行驶,这些固定的测试循环曲线都是从车辆大量的实际行驶数据中提炼开发出来的,在法规中限定了严格的测试过程条件,目的在于能够将不同车辆之间的排放水平以标准化的方法进行比较.
目前国内排放法规体系中,针对轻型车的排放法规主要参照美标、欧标体系,法规中涉及到的排放测试循环主要包括目前国 V 法规中使用的 NEDC(NewEuropean Driving Cycle)、国 VI 法规中使用的 WLTC(Worldwide Harmonized LightDuty Driving Test Cycle)这两种循环.NEDC 循环由两部分组成,其中,第一部分从 0~780 秒,为市区部分,由 4 个连续的 ECE 循环构成,第二部分从 781~1180秒,由 1 个 EUDC 循环构成,为市郊部分.WLTC 循环由三部分组成,分别为城市工况从 1~900 秒、公路工况从 901~1368 秒、高速工况从 1369~1800 秒(见图1.2),两个循环参数对比见表 1.1[6-8].
结合图 1.2 和表 1.1 可以明显看出,WLTC 循环较 NEDC 循环在最高车速、平均车速和循环时长方面都有所提高,从图 1.2 中也可以直观的看出,WLTC 循环在驾驶方面更加激烈,此外,WLTC 循环减少了怠速比例.从国 V 到国 VI 排放测试循环的变化发现,从测试上循环更加注重与实际道路循环的贴近,WLTC循环不再像 NEDC 循环那样理想化.近几年来,中国工况 CATC(China AutomotiveTest Cycles)的研究显示,我国乘用车以市区、市郊通行为主(时间比例约占 76%,里程比例约为 56%),平均速度较低(29km/h)、怠速比例较高(约 22%).而国VI 排放标准引用的 WLTC 这四项数据分别为 57%、34%、46km/h 和 13%,明显偏离中国实际情况.同时,中国工况的最大加减速度和平均速度明显低于 WLTC工况,中国工况速度主要分布在低速和中速区间,速度分布在 80km/h 以上的时间比例仅为 4.7%,而 WLTC 分布在 80km/h 以上的时间比例高达 20%.这些差异直接导致车辆在法规测试循环中得到排放结果与其在实际道路上行驶中的结果存在较大差异.
近些年国内各地方也出现了遥感测试的监管方法,遥感测试装置一般安装于实际道路的路旁,特别在交通流量较大的路口,能够具有较大测试覆盖面.由于其使用场景的特性,遥感测试装置在在用车辆排放测量方面能够起到很大作用,其测试过程中不会影响到车辆的正常行驶,同时又能很好的反映车辆在实际行驶中的排放状态.然而,遥感测试技术测量的结果只反映了当时当地该车辆的瞬时排放状态,受该车辆在当时行驶状态影响,测试结果并不能反映出该车辆在长期复杂行驶环境中更全面的排放水平.车辆在底盘测功机上运行的循环曲线(速度-时间曲线)是从车辆实时驾驶轨迹的实际测量中开发的,并提供在严格控制的测试条件下车辆之间的标准化比较方法.但在日常生活中,影响实际运行车辆排放的因素很多,如汽车状况(发动机、车龄、保养状况、油品等),环境条件(海拔、温度、湿度等),实际道路状况(路面的好坏、车流量、交通灯的数目、路面交通的管理等),和驾驶习惯等,这些复杂多变的外界条件很难在试验室模拟重现.
针对试验室工况法的缺陷,欧美等国提出利用便携式排放测试系统(PortableEmission Measurement System,PEMS)测量车辆的实际驾驶排放(Real DrivingEmissions ,RDE),加强对机动车排放的管理.美国对于重型发动机的排放管理,推出了基于 PEMS 整车测试的 NTE(Not-To-Exceed)法,并在联邦法规 40 号第1065 部分规定了相应测试程序及测量仪器的要求.
欧洲在对美国基于车载排放测试技术为核心的 NTE 法规进行了评估后,认为 NTE 法不适合欧洲重型车辆的驾驶工况,因此欧洲提出了移动窗口法,加强对重型车的排放管理.2015 年欧洲还公布了关于轻型汽车 RDE 测试的法规草案Amending Regulation (EC) No. 692/2008 as regards emissions from light passengerand commercial vehicles (Euro 6),规定了轻型汽车 RDE 测试的流程,以及排放评估方法.
1.2 研究目的和意义
许多证据表明,试验室测试报告排放与实际行驶排放之间存在较大差别.这主要是由于目前,欧盟、日本、美国以及中国轻型车型式核准,其核心都是按照规定的试验循环,在试验室中规定的气象条件下(温度、湿度和大气压力)进行排放测试.与实际道路测试相比,试验室条件较为单一,不能覆盖车辆实际道路运行状况.制造商开发的减排技术,在测试中的减排效果可能明显好于道路上的减排效果,因为车辆制造商利用试验室运行工况边界条件狭窄这一事实,设计工程策略,使车辆在试验室工况内能够保证良好的燃油经济性以及对污染物限值的符合性.
车载排放测量系统(PEMS)在近年快速发展,PEMS 可以安装在实际道路行驶的车辆上,测试得到实际行驶过程中的排放特性,真实反映车辆在实际运行上的排放特征[9].然而,虽然利用 PEMS 可以方便地测量实际行驶过程中的排放特性,但是,因为测试与测试之间环境条件、驾驶员以及路线等的差异,同一辆车的测试结果也可能相差甚远,实际道路排放测试的随机性很大.
通过 RDE 测试方法研究我国不同环境条件(温度,湿度,海拔等)下的排放,结合我国实际情况分析轻型车道路排放特性,并比较 RDE 测试结果与试验室循环结果,为完善和丰富中国第六阶段的轻型汽车排放标准的制定提供数据支持,具有重大的指导意义.
1.3 车辆实际行驶排放研究现状
2013 年 2 月,北京市环境保护局和北京市质量技术监督局发布北京市地方标准《重型汽车排气污染物排放限值及测量方法(车载法)》[1],此标准主要参照EPA CFR 40 part 86 和 86.1370-1372 和 CFR part 1065 subpart J 部分、(EU)No582/2011(修订草案)以及 HJ439-2008《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车在用符合性技术要求》的部分技术内容,并根据北京实际情况进行了部分修改[2-5].本标准规定了重型汽车整车排放氮氧化物排放限值要求、测量方法和判定方法.2016 年下半年,中国环境保护部以及国家质量监督检验检疫局发布了《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(中国第六阶段)》的征求意见稿,其中附录 K 规定了重型车实际道路行驶污染物排放的测量方法[6].2016 年 12 月,中国环境保护部以及国家质量监督检验检疫局发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》发布稿,其中将 RDE 试验定为Ⅱ型试验,试验流程以及测试工况在欧洲法规基础上有所修改.法规要求车辆实际驾驶排放值不得超过 I 型试验排放限值与符合性因子(每一种污染物实际行驶排放结果和相对应的排放限值之比-Conformity Factor)的乘积.
韩国国家环境研究院的 Taewoo Lee,Junhong Park 等人在试验室底盘测功机上测量了 12 辆 Euro3-5 排放标准的轻型柴油车 NEDC 循环的 NOx 排放,并利用PEMS 测量这些车在实际道路上的 NOx 排放.研究发现试验车辆的实际道路 NOx排放比试验室 NEDC 循环排放高出约 8 倍;车辆在市区、郊区以及高速公路上行驶时 NOx的实际排放分别超出 Euro5 限值 8 倍、4 倍和 3 倍[10].
北京理工大学的葛蕴珊、王爱娟等人使用 PEMS 测试了 6 辆重型城市公交车和 5 辆轻型出租车的实际道路排放.其中 6 辆公交车中有 2 辆国 III 柴油车、2 辆国 IV 柴油车和 2 辆压缩天然气车,分别测试公交车空调打开与关闭时的实际排放.测试使用 SEMTECH-DS 气体分析仪分析污染物、SEMTECH-EF 流量计测量排气流量、静电低压撞击器(ELPI)测量颗粒物,以及使用 GPS 记录车辆实时的地理位置.结果发现,轻型汽车实际道路排放比试验室认证工况下的排放高出很多;车辆的气体污染物排放随速度增加而降低;当开启空调时,公交车的实际排放明显增加;天然气车辆的 NOx、HC 排放可能更高.
清华大学环境科学与工程系的王海鲲、傅立新以及深圳市环保局环境信息中心的陈爱忠等人利用一套车载排放系统在深圳测量了 7 辆轻型汽车的实际道路排放.测试使用 OTC Microgas 五气分析仪测量试验车辆尾气中各污染物浓度,利用 Corrys-Daton Microstar 非接触式雷达传感器测量车辆的速度、距离和加速度,使用 Corrys-Daton DFL-2 油耗仪测量车辆的油耗,利用集思宝 Vista GIS 采集器确定试验道路坡度.结果表明,试验车辆在深圳市行驶过程中加速和减速运行时间占总行驶时间 66.7%,各种污染物排放占各自总排放的比例达到 74.6-79.2%;车辆的实际道路排放也明显高于标准限值,我国目前采用的轻型汽车排放测试循环(NEDC)并不能反映我国机动车在实际道路上行驶的真实排放.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
第 5 章 总结与展望
5.1 全文总结
目前,汽车排放认证主要在试验室中采用标准循环进行,这些标准循环不能覆盖真实行驶条件下的运行工况,导致轻型车实际道路排放测试与认证工况之间有较大的差异.本文通过对欧洲轻型汽车 RDE 测试方法以及数据评估方法学习,并结合国内外对车载排放测试方面的研究和运用,提出使用 PEMS 对轻型汽车的实际行驶排放进行测试,并分析轻型汽车实际行驶排放与各种影响因素之间的关系.本文研究是参照欧洲 RDE 程序进行的测试和研究,为我国第六阶段轻型汽车排放标准的制定提供理论基础与数据支持,也为以后更规范的 RDE 试验提供经验.本文研究得到的结论如下:
(1)获得了海拔与环境边界条件对轻型汽车实际排放影响规律.随着海拔高度增加,环境压力随之降低,车辆油耗增加.其中试验车辆 CO 排放随海拔变化并无明显规律,NOx 排放随海拔上升总体呈下降趋势,PN 排放随海拔上升总体上也呈下降趋势,三项排放指标最高符合性因子为 0.633,满足当前国 VI 要求;温变化时国 V PFI 车辆 RDE 试验的 CO、NOx、PN 排放因子均呈现出先升后降的规律,均在 15 摄氏度中达到最高点,仅依靠 EGR 控制 NOx 的国 V 柴油车,同样 NOx排放均严重超标,最高符合性因子为 24.2.
(3)本文研究了冷启动对轻型汽车实际行驶排放特性的影响规律.车辆冷启动时 CO、NOx、PN 的积分排放要明显高于车辆热启动,其中 CO 积分排放相差68.4%,NOx积分排放相差 38.4%,PN 积分排放相差 75%.因此,冷启动作为车辆实际驾驶过程必经的阶段,此阶段大量污染物生成会造成冷热启动积分排放的显着差异,故 RDE 应当在适当的时候考虑加入冷启动排放..
(4)本文在确保试验温度、海拔、路线选择一致时,进行了 RDE 试验的重复性验证,三次重复性试验中污染物排放均有较大差异,其中 CO、NOx和 PN 排放与平均值最大差距分别可达 99.5%、84.5%和 57.6%,故 RDE 受驾驶习惯,路况等条件影响,排放数据均有着较大的差距.
(5)本文研究了中欧在冷启动、数据处理、预处理、以及数据处理方法的差异性.在目前国标体系下直接加入冷启动,市区和总行程的污染物排放不变或略有上升,幅度不大.但当使用 package4 的方法对数据进行处理时,污染物排放不论市区还是总行程均一致性较差,将近一半出现降低,最高降幅可达 50%,另一半出现升高,最高升幅可高达 200%.
5.2 后续研究展望
在实际道路上影响车辆实际行驶排放的因素众多且偶然性强,如车辆状态,环境条件,实际道路条件,激烈驾驶行为等.本文考虑了车型、排放标准和环境状况等影响因素,但受制于时间和试验力量有限,仍有不规则因素如驾驶行为等难以考虑.本文详细分析了温度,海拔以及发动机冷起动与热起动对轻型汽车实际行驶排放的影响,后续可进一步开展不同的路面状况(雨天、雪天等)、不同风速以及不同试验用油等对轻型汽车实际行驶排放的影响.
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