（动力机械及工程专业论文）中国重型柴油车在用符合性检测方法研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：牡日期： 刃2 重。2 ，石 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分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 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：斜导师签名： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 我国重型车污染物排放现状1 1 2 国内外重型车在用符合性检测方法研究现状2 1 2 1 欧盟重型车在用符合性研究现状3 1 2 2 美国重型车在用符合性研究现状5 1 2 3 我国重型车在用符合性研究现状7 1 3 车载排放测试系统在重型车在用符合性检测的应用7 1 4 研究内容及目标：8 第二章所测车辆发动机及测试用仪器信息i 1 1 2 1 测试设备及仪器1 1 2 2 测试车辆及发动机信息1 3 2 2 1 道路测试车辆信息1 3 2 2 2 台架测试发动机信息2 l 第三章重型车道路排放测试研究2 5 3 1 车辆道路排放状况总体分析2 5 3 2n t e 方法适用性研究2 6 3 2 1 改变n t e 事件时长的影响3 0 3 2 2 改变n t e 区间功率下限的影响3 3 3 3n t e 方法限值可调节度分析3 5 3 4a w m 方法适用性研究3 7 3 5a w m 方法限值可调节度分析4 1 3 6o b d 氮氧化物监控和排气温度分析4 2 第四章发动机台架试验及排放限值研究4 9 4 1 发动机台架试验结果的总体分析4 9 4 2 法规测试循环的相关性研究5 3 4 3 发动机道路工况的台架复现性分析与回归分析5 9 山东大学硕士学位论文 4 3 1 发动机道路工况与台架复现性分析5 9 4 3 2 不同排放仪测得主要污染物的回归分析6 1 4 4 不同测试工况和设备导致的差异分析6 4 第五章验证性道路排放测试研究6 9 5 1 车辆总体排放状况分析6 9 5 2n t e 方法适用性及可调节度研究7 0 5 3a w m 方法适用性及可调节度研究7 1 5 4 补充道路试验分析7 1 第六章主要结论及建议：7 5 参考文献7 9 致谢：8 3 山东大学硕士学位论文 摘要 我国国民经济和社会发展“十二五 规划中，要求2 0 1 5 年年末全国氮氧化 物( n o x ) 排放总量相比2 0 1 0 年减少1 0 。机动车是n o x 减排的重点，而重型 柴油车又是机动车减排的重中之重。为进一步加强机动车污染防治，环保部门在 逐步加严新车排放标准的同时，也在大力推进在用车排放监管。从各国的经验来 看，只有对在用车排放进行有效控制，保证车辆在正常使用期限内排放达标，才 是治理重型柴油车污染的根本之道。近年来在美国和欧盟开始强制实施的在用符 合性车载排放测试法规，正是有效监管在用重型柴油车排放的关键技术手段，但 由于我国的车辆、油品和道路状况都与欧美有很大差异，在引入车载排放测试法 规前，必须对其适用性开展全面和深入的研究，以提出符合我国国情的重型柴油 车车载排放测试法规。 本研究在国内典型地区对1 6 辆使用国柴油发动机( 包括少数国i i i 柴油机 和c n ge e v ) 的重型货车和城市公交车开展了实际道路排放测试，并选择典型 机型在实验室发动机台架上进行了不同工况和测试设备的排放对比试验。基于第 一手的实验数据，分析了在用国重型柴油车( 包括部分国i i i 柴油车和c n g e e v ) 的总体排放状况及影响因素，评估了美国工况区达标法( n t e 方法) 和 欧盟平均窗口值法( a w m 方法) 在中国的适用性，同时针对车载测试方法研究 了n o x 排放限值的可调节度和宽限值。 通过上述工作，本研究得出以下主要结论和建议： ( 1 ) 我国重型车用发动机排放标准中的e t c e s c 法规工况代表性不够。 重型货车实际道路工况与e t c 瞬态循环存在的差别主要体现在发动机转速的错 位上；城市公交车实际道路工况与e t c 循环的差别更为显著，主要体现在发动 机负荷的错位上；e s c 的1 3 个稳态工况点则无法反映车辆在实际道路上运行工 况的瞬态变化。上述发动机转速和负荷的错位对其n o x 排放产生了重大影响， 实际道路上重型货车的n o x 排放可达发动机法规台架测试值的1 5 - 2 倍左右， 城市公交车的n o x 排放可达发动机法规台架测试值的3 5 倍左右。 ( 2 ) 采用便携式排放测试系统( p e m s ) 对重型柴油车开展车载排放测试时， 必须按照严格的试验规程进行，包括试验车辆的准备、道路测试的环境条件、测 山东大学硕士学位论文 试仪器的操作规程和试验数据的采集处理等。基于对车载排放测试中有效数据的 可获得性及使用效率的考虑，建议在制定中国重型车车载排放测试标准时主要参 考欧盟的a w m 方法进行排放达标判定，并参考美国的n t e 方法开展辅助分析。 ( 3 ) 对于重型货车( 及长途客车) ，建议直接采用欧盟的a w m 方法开展数 据分析；而采用美国的n t e 方法时，可将发动机最低负荷要求从3 0 0 , 6 降至2 0 ， 并考虑将n t i s 事件的最低持续时间要求从3 0 秒降至1 0 , - - - 2 0 秒。对于城市公交 车，建议采用a w m 方法时增加发动机平均负荷在1 0 - - - , 2 0 的区域，对于平均 负荷在2 0 以上区域无法获得足够多有效数据的车辆，可采用1 0 - 2 0 的区域进 行达标判定，在该区域的排放限值可调节度将有所放宽。 ( 4 ) 关于重型车车载测试标准的n o x 排放限值，建议较严格的限值是法规 台架限值的可调节度的1 5 2 0 倍，建议较宽松的n o x 排放限值为可调节度的 2 o 2 5 倍，因为测试方法和仪器的不同设定0 5 1 0 9 k w h 的宽限值，调整 后限值再往上取到0 5 的倍数。 关键词：重型柴油车；排放；在用符合性；工况区达标法：窗口平均值法 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i td e m a n d s1 0 r e d u c t i o ni nn o xe m i s s i o n si n “12 t hf i v e - y e a rp l a n o ft h e n a t i o n a le c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t m o t o rv e h i c l ei st h ek e yt or e d u c en o x e m i s s i o n s ，a n dh e a v y - d u t yd i e s e lv e h i c l ei sd o m i n a n ti nv e h i c u h rn o xe m i s s i o n s i n o r d e rt oc o n t r 0 1t h ev e h i c l ep o l l u t i o n , t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e p a r t m e n ti s p r o m o t i n gi n - u s ec o m p h a n c eb e s i d e st h es t r i c tv e h i c l ee m i s s i o n ss t a n d a r d s o n l yt h e i n - u s ev e h i c l ee m i s s i o nc a nb ec o n t r o u e de f f e c t i v e l yi st h ef u n d a m e n t a lw a yo f p o l l u t i o nc o n t r o lf r o ma l lt h ee x p e r i e m e t h ec o m p u l s o r yo n - b o a r dv e h i c l ee m i s s i o n t e s tr e g u l a t i o n si nu n i t e ds t a t e sa n de u r o p e a nu n i o ni st h ek e ye f f e c t i v es u p e r v i s i o n i nh e a v yd u t yd i e s e lv e h i c l ee m i s s i o n sc o r a x 0 1 i no r d e rt o p u tf o r w a r dh e a v yd u t y d i e s e lv e h i c l ee m i s s i o nt e s tr e g u l a t i o n s v e h i c l ee m i s s i o nt e s tr e g u l a t i o n s ，i tn e e d s c o m p r e h e n s i v er e s e a r c h i n gb e f o r eb r i n gi nt h ee m i s s i o nt e s tr e g u l a t i o n sb e c a u s eo f t h ed e f f e r e m eb e t w e e nc h i n aa n da b r o a di nf u e lq u a l i t y , v e h i c l e st e c h n o b g y , a n d r o a dc o n d i t i o n t h i ss t u d yc a r r yo u tr e a lr o a de m i s s i o nt e s to f2 0t r u c k sa n dc i t yb u s e sw h i c h e q u i p p e dw i t hc h i n ai v d i e s e le n g i n e s ( i n c l u d i n gaf e wc h i n ai i i e n g i n e sa n dc n g e e v ) i nt h ek e ya r e a s ，a n dc h o o s et h et y p i c a lm o d e le n g i n e st ol a b o r a t o r yb e n c ht e s t u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n dt e s t e q u i p m e n t s t h e na n a l y z et h e e m i s s i o n s c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f c h i n ai vd i e s e le n g i n e s ( i n c l u d i n gaf e w c h i n ai i i e n g i n e sa n dc n ge e v ) ，e v a l u a t et h ea p p l i c a b i l i t yo fu sn t ea n de u a w ma n dp r o p o s eap r o p e rm e t h o df o rc h i n a ，a sw e l la st h ef l e x i b i l i t yf a c t o ra n d a l b w a r eo f o n - b o a r dt e s t t h r o u g ht h ew o r ka b o v e ，w eh a v et h e s en n hc o n c l u s i o n sa n dr e c o l m a e n d a t i o n s ： ( 1 ) t h er e p r e s e n t a t i v eo fe t c e s ci sn o te n o u g hi no u rh e a v yd u t yv e h i c l e e n g i n ee m i s s i o ns t a n d a r d sr e g u l a t i o n s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nh e a v yd u t yt r u c kr e a l r o a dc o n d i t i o na n de t cm a i n l ye m b o d i e si nt h ed i s l o c a t i o no ft h ee n g i n es p e e d ，t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nc i t yb u sr e a lr o a dc o n d i t i o na n de t cr m i n l ye m b o d i e si nt h e d i s l o c a t i o no ft h ee n g i n eb a d 13s t e a d y - s t a t ep o i n t so fe s cc a n tr e f l e c tt r a n s i e n t 山东大学硕士学位论文 c m n 窘e so fr e a lr o a de n g i n eo p e r a t i o n t h e s ed i s l o c a t i o no fe n g i n es p e e da n dl o a d l e a dt 0g r e a ti n f l u e m eo nn o x e m i s s i o m ：t h en o xe m i s s i o n so fi n - u s eh e a v yt r u c k si s 1 5t 02t i m e sm o r et h a nv a l u eo f t h ee n g i n eb e n c ht e s tr e g u l a t i o n , a m3t o5t i m e st o c i t yb u s ( 2 ) i tm u s ts t r i c t l y i na c c o r d a m t , ew i t ht h et e s tp r o c e d u r e sw h e nu s i n gt h e p o r t a b be m i s s i o n 船a s 哦瞄i 吐s y s t e m 口e m s ) f o rh e a v yd u t yd i e s e lv e h i c l e s e m i s s i o nt e s t , i n c l u d i n gt h et e s tv e h i c l ep p a r a t i 0 i l ，t h ee n v 的n m e n t a lc o n d i t i o n , t e s t e q u i p m e n to p e r a t i o np r o c e d t n e sa n dt h ea c q u i s i t i o na n dp m c e s s i n go ft e s td a e t c b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fe f f e c t i v ea v a i l a b i l i t ya n du s eo ft h ee f f i c i e n c yo f e m i s s i o md a t a , w es u g g e s tt h em a i nr e f e r e n c eo fe ua w me m i s s i o ns t a n d a r d m e t h o d sa n dt a k eu sn t ea sa u x i l i a r ym e t h o dw h e ne s t a b l i s h i n gm a v yd u t yv e h i c l e e m i s s i o n st e s ts t a n d a r dhc h i n a ( 3 ) m d a t aa n a l y s i sm e t h o dc a nb ee ua w mf o rh e a v yd u t yt r u c k s ( a n db r i g d i s t a r mb u s e s ) , a n dt h em i n h u me n g i n eb a dd e m a n dc a nb ec h a n g e df r o m3 0 t o 2 0 w h e nu s i n gu sn t em e t h o d ，a tt h es a m et i m et h em i n i m u mn t ee v e n t sh s t t i m er e q u i r e m e mc a nb ec h a n g e df r o m3 0s e c o n d sd o w nt o10t o2 0s e c o n d s 们鸷 a v e r a g ee n g i n el o a dc o u l db ee x p a n d e dt ot h e10 2 0 f o rt h ec i t yb u s e sw h e n u s i n ge ua w m f o rb u s e sn o ta b l et oo b t a i ne n o u g hv a l i dd a 饥t h e yc o u l du 鼹t h e d a t aw i t h10 2 0 a v e r a g ee n g i n el o a df o rc o m p l i a w 圮c l 批k , a n dt h ef l e x i b i l i t yo f e m i s s i o nl i m i t sw o u l db eh c r c a s c d ( 4 ) r e l a t i v e l ys t r i n g e n tn o x l i m i ts e t t i n g ：f l e x i b i l i t yf a c t o rx1 5 2 0 ，a l l o w a n c e o 5 - 1 0g & w l l t h e nu p r o u n d e dt ot h em u l t i p l e so f0 5 mf l e x i b i l i t y 伍c t o ro f r e l a t i v e l yl o w e r e dn o x l i m i ti sx 2 肛2 5 ，t h ea l l o w a n c ei ss a m et or e l a t i v e l ys t r i n g e m n 0 x i k n i t k e yw o r d s ：h e a v y - d u t yd i e s e lv c h i c b s ；e m i s s i o m ；m - u s ec o m p l i a n c e ；n t e ；a w m v 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 我国重型车污染物排放现状 “十一五”期间，我国的汽车保有量平均年增长率达到2 0 ，从2 0 0 6 年的 3 0 8 8 万辆增加到2 0 1 0 年的7 7 2 2 万辆，保有量增加了1 5 倍，其中重型车数量 占8 5 左右【1 1 ，2 0 0 9 年全球深受金融危机的影响，而我国却以汽车产销量双双 突破1 3 0 0 万辆而成为世界第一大汽车生产国和消费国。在2 0 1 0 - - 2 0 2 0 年期间， 我国的汽车保有量还会增加2 倍左右。 由于我国控制机动车污染起步较晚，在用车中排放控制技术落后的车辆占较 大的比例，机动车的平均排放水平远高于欧美发达国家。同时我国的交通基础设 施建设和交通规划管理水平虽然有了很大的进步，但还未能与机动车保有量的高 速增长保持同步发展，同时公共交通能力较差，交通出行方式的结构组成不合理， 造成目前许多大城市市区主干道长时间处于饱和状态。许多城市车辆平均车速 低，怠速比例高，加重了城市内的空气污染。在我国的部分大城市中，机动车排 放已经成为主要大气环境污染源 2 1 。“十一五 期间，全国汽车排放的各种污染 物均呈增长趋势：一氧化碳排放量由2 9 6 4 万吨增加到3 1 7 5 万吨，年均增长1 ，4 ； 碳氢化合物排放量由3 4 7 万吨增加到3 6 4 万吨，年均增长0 9 ；氮氧化物排放 量由4 8 0 万吨增加到5 3 7 万吨，年均增长2 3 ；颗粒物排放量由5 5 5 万吨增加 到5 6 5 万吨，年均增长0 4 【l 】。氮氧化物的大量排放，造成我国的光化学烟雾 和灰霾频发，细颗粒物污染凸显，严重危害人群健康和生态环境【3 】。 为达到国四标准的要求，同时提高燃油经济性，我国柴油车通常会选择增压 中冷、高压共轨和优化燃烧等发动机技术来降低油耗和p m 排放，并采用添加尿 素的选择性催化还原技术( u r e a - s c r ) 来降低n o x 排放【8 1 4 1 。并且该技术已成 为满足欧四欧五以及u s 2 0 0 7 柴油车n o x 净化首选技术【1 5 1 8 1 。 我国国民经济和社会发展“十二五规划中，要求氮氧化物排放( n o x ) 减 少1 0 。机动车的氮氧化物排放控制是“十二五”氮氧化物总量减排工作重要的 组成部分，第一次污染源普查数据表明，2 0 0 7 年机动车n o x 排放达5 5 0 万吨， 约占全国n o x 排放总量的1 3 ，而重型柴油车又是机动车减排的重中之重【1 9 】。如 】 山东大学硕士学位论文 国图卜1 图1 - 1 和图卜2 所示，根据2 0 1 0 年的数据【1 1 ，重型柴油车( 重型货车 和大型客车的主要车型) 占汽车总量的7 9 6 左右，而其n o , 排放占汽车n o x 总排 放的6 0 9 6 以上。 图1 1 按车型划分的汽车构成 日瑾区己 图卜2 汽车氮氧化物分担率 1 2 国内外重型车在用符合性检测方法研究现状 控制汽车排放的法规体系主要由以下几部分组成：型式核准( t y p e a p p r o v a l ) ，生产一致性检查( p r o d u c t i o nc o n f o r m i t y ) ，在用符合性检测( i nu s e c o r a p l 妇) ，检查维护制度( i m 制度) ，车载诊断( o b d ) 等【2 0 - 2 3 1 。其中型 式核准和生产一致性检查都是针对进入市场销售前的新车而言，是在生产制造部 门进行。车辆在实际使用过程中，即在用车的排放控制装置会产生不同程度的劣 化，排放控制效果减弱，导致车辆实际排放水平升高，造成更大的污染【2 4 - 2 8 】。在 山东大学硕士学位论文 用符合性检查是对已通过排放型式核准和生产一致性检查的在用车，要求制造企 业采取适当措施，确保其排放控制装置在汽车正常寿命期内和正常使用条件下始 终有效运行，达到排放控制要求【2 9 1 。 我国从第三阶段排放标准( 国三) 开始，已经要求对轻型车开展在用符合性 检查。对轻型车的测试是基于整车进行的，正常行驶一定里程或时间后的车辆， 在底盘测功机台架上进行排放测试，获得单位是l 【l 】叫拘污染物排放系数。进行 在用符合性检测的轻型车必须满足以下要求：至少已经使用了6 个月或1 5 万k m ( 以后到达者为准) ，并且不超过5 年或8 万k m ( 以先到达者为准) ，同时车辆必 须有正常的保养记录。排放法规要求在此期间内必须保证排放的有效控制【3 0 】。 与轻型车在用符合性检查方法不同，重型车在用符合性检查是基于发动机台 架进行的。从正常行驶一定时间或里程的车辆上拆卸下发动机，在发动机台架实 验室进行排放测试，获得单位是k w h 的污染物排放系数。目前美国环保局已 经开始对重型车开展了在用符合性检查，并开发了“工况区达标法( n t e ) ”， 而欧洲也在进行相关的研究并提出了“平均窗口值法( a w m ) ，进行了大量 的道路实验，对该方法进行评估验证。 1 2 1 欧盟重型车在用符合性研究现状 近年来，欧盟一直开展重型车在用符合性检查方法研究，并把可能的测试方 法分为实验室测试和道路测试两种情况。 通常的实验室测试方法需要将发动机以及相应的排放后处理系统从车上拆 下后装到实验室台架上，再按照规定的测试循环进行测试，实际应用中该方法耗 时长，费用较高。另一种实验室测试方法是同轻型车一样，利用底盘测功机对整 车进行测试。而受目前测功机技术水平的限制，动态计算传动系和其他附属部件 的摩擦损失、换档时发动机速度的偏差、从转鼓上精确推算发动机转矩等问题都 没有很好的解决。能够满足欧盟稳态工况循环( e s c ) 及欧盟瞬态工况循环( e t c ) 测试要求的测功机还很少并且价格昂贵。 欧盟提出的道路测试方法包括：车辆瞬态测试循环，目标速度下的车辆测试 循环，平均窗口值法。车辆瞬态测试循环是控制发动机按e t c 循环工况运行【3 1 1 ， 车辆行驶在在没有车辆的空旷道路上，利用车载排放测试设备对污染物进行检 3 山东大学硕士学位论文 测。在目标速度下的车辆测试循环方法中，车速是呈周期性变化的，采用时间一 速度测试循环。经评估后欧盟认为：在现有的条件下，在车辆瞬态测试循环法中， 要在道路上保证发动机e t c 循环非常困难；目标速度下的车辆测试循环工况脱离 了重型车的实际运行状况，并不能反映车辆实际道路行驶下的排放状况。 而欧盟目前研究的重点是平均窗1 3 值法( a v e r a g ew i n d o wm e t h o d ，a w m ) ， 污染物是按照窗口周期进行平均的，这些窗口的共同特点是它们都以瞬态认证循 环中的发动机做功量或者c 0 2 排放量作为参考值【3 2 】。这些参考量，即发动机的 做功量或c 0 2 排放量，很容易计算或测量。其中：、 ( 1 ) 基于做功量的窗口平均值法：利用发动机的基本特征参数( 最大功率) ， 从瞬态认证循环的持续期和平均功率计算参考做功量； ( 2 ) 基于c 0 2 排放量的窗口平均值法：将认证循环中c 0 2 的排放量作为参 考值。 第一个窗口是从首个数据点至区间总的发动机做功量或c 0 2 排放量达到参 考值的数据点之间的连续区间，窗口平均值是该时间窗口内的数据求平均得到 的。然后按这种窗口判定方法随时间向后推移，每个时间窗口的起始数据点推移 的步长等于车载测试仪器的采样频率( 对于气态污染物而言，这个频率至少为 1 h z ) ，如此不断随时间做滑动平均，直到窗口的终止点到达试验的结束点。基 于不同作功量窗口的a w m 方法示例如图1 - 3 所示，参考量的大小和车辆运行工况 决定了窗口持续期的大小，对各窗口的数据进行平均计算所得到的是一系列的 值，这些值的个数与窗口的个数相等，这一系列值中的每一个点代表的都是在该 窗口中的污染物排放平均值。欧盟委员会联合研究中心( e c 一瓜c ) 研究了使用 c 0 2 的排放量代替做功量这种方法的可能性，因为这样做的话可以避免从发动机 的e c u ( 电控单元) 中读取发动机转速和扭矩，使得该方法的基础数据更易获得， 但同时给出以g k gc 0 2 为单位的污染物排放因子无法直接与限值相比较。 4 山东大学硕士学位论文 2 0 0 14 0 0 16 0 0 18 0 0 11 0 0 0 1 时间s 罩 妻 粤 。 呈 图卜3 平均窗口值法示例 比较来看，试验室具有稳定可控的环境条件和较高精度的测量设备，重复性 和精确性较好，但试验室测试费用较高，并且不能完全真实反映车辆在实际道路 上的排放状况，可能低估车辆的实际排放水平。道路测试可以获得车辆的实际排 放状况，这一方法可有效监管重型车在实际运行中的排放控制问题。对于重型车， 欧盟正准备将p e m s 技术用于欧标准车辆的在用符合性检查。 1 2 2 美国重型车在用符合性研究现状 美国环保局曾经对重型车在实际道路行驶中的排放情况进行调查，发现随着 技术的进步，一些发动机制造商利用发动机测试的漏洞进行作弊，设计特定控制 程序，使得在法规测试工况点发动机可以顺利达到排放要求，而在实际道路行驶 时发动机排放的污染物比试验室的认证值大得多【3 3 0 6 1 。为加强在用重型车管理， 缩小实际道路排放值和实验室台架测试排放值之间的差异，美国环保局要求从 2 0 0 7 年开始对重型车的气态污染物排放采用车载排放测试设备( p e m s ) 进行测 试，并提出了n t e ( n o t - t o - e x c e e d ) 方法来进行重型车在用符合性检型3 7 3 9 】。 其方法是：利用p e m s 测取车辆在实际道路上的排放值，再筛选出发动机持续3 0 s 以上运行在n t e 控制区域内的工况数据，称为n t e 事件，然后求出每个n t e 墨j i 件 的基于做功量的污染物排放系数( g k w h ) ，并要求n t e 事件排放系数的9 0 最 5 8 6 4 2 o 1 1 1 l l 8 6 4 2 o o o 0 o 0 0 o 0 o o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 9 8 7 6一so叫一叫锻郴2。 山东大学硕士学位论文 大值不能超过联邦测试规程( f t p ) 排放限值的1 5 2 o 倍。n j 空制区定义如 图1 4 中灰色区域所示。 百 菱 辑 赛 幅 粼 功率 功率 功率 图1 - 4n t e 区间的定义 n t e 控制区域是由发动机的外特性曲线结合转速、扭矩等参数所建立的一个 区域。n 捌试方法没有涉及到任何特定的发动机工作循环，车辆完全按道路正 常行驶。该测试方法同时规定了发动机运行的外部条件，如对温度、湿度、海拔 等有一定的要求。实际应用中该方法操作性较好，测量成本相对较低，可获得实 际行驶条件下的排放数据，美国环保局经评估后认为该方法是一种非常有效的在 用符合性检测方法【4 0 1 。 n t e 方法也可应用在实验室台架测试上，因此同样适用于车辆的型式核准 中。2 0 0 5 年，美国环保局颁布的“在用重型柴油车及发动机的排放测试规程” 中，实际道路排放和法规认证排放有了相同的衡量方法，增加了新车型式核准和 在用符合性检查之间的关联性。 欧盟的a w m 和美国的n t e 两种车载测试方法各有偏重。a w m 方法对排 放数据的筛选要求宽松，所测得的排放数据利用率较高，结合发动机台架实验的 做功或c 0 2 排放量可计算出排放的滑动窗口平均值；而n t e 方法更注重道路工 况点与发动机性能曲线的结合，并降低工况剧烈变化可能带来的干扰，对数据要 求较高，只有在符合规定条件的工况点，才能提取为有效数据，降低了数据的利 用率。 山东大学硕士学位论文 1 2 3 我国重型车在用符合性研究现状 近年来，汽车的排放污染问题越来越受到重视，我国的相关管理部门在逐步 加严新车排放限值的同时，也在积极推进汽车的在用符合性检查。从欧美国家的 经验来看，传统的法规标准难以有效监管控制重型柴油车实际运行时的污染物排 放，只有加强在用车的管理，保证车辆在正常运行过程中排放达标才是根本之道。 从重型车第四阶段排放标准开始，我国将开展重型车在用符合性检查，正是满足 进一步加强在用重型柴油车污染控制的需求【4 3 1 。 近年来，国内一些科研机构对车载测试在重型车上的应用开展了相关研究 4 4 - 4 6 。中国汽车技术研究中心、清华大学和北京理工大学等单位应用p e m s 对 机动车在实际道路上的污染物排放特征进行了测试研究【4 7 。5 2 1 。清华大学和中国环 境科学研究院针对n t e 和a w m 两种重型车在用符合性检查方法进行了实验应 用研究。 国外重型车在用符合性检查方法具有很好的借鉴和参考意义，由于中国的发 动机控制技术、车况、道路状况等都与欧美国家有所不刚5 ”5 1 ，在控制区划定、 有效数据筛选和污染物限值方面要根据中国的实际情况来定，需要进一步的实验 研究。 i 3 车载排放测试系统在重型车在用符合性检测的应用 车载排放测试系统( p e m s ) 一般由尾气流量计、气态污染物测试装置、颗 粒物测试装置三部分组成【5 6 - 5 5 。尾气流量计直接连在汽车的排气管出口，流量计 上安装有采样管，将部分汽车尾气引入到气态污染物和微粒测试装置，实时在线 测量整车的发动机排气流量和污染物浓度，从而计算出各种污染物的排放量。图 i - 5 为车载排放测试系统的示意图。 7 山东大学硕士学位论文 图1 - 5 车载排放测试系统示意图 测试车辆的发动机转速可直接测量，发动机扭矩可通过发动机进气口压力等 信号间接算出。若车辆有车载诊断系统( 0 b d ) ，车载系统可以直接从中读取 发动机运行参数，并将其传输到测试系统的数据处理单元。数据处理时可结合 g p s 、环境温湿度等外部参数，分析得到重型车的排放特征。 近年来，随着技术的发展，车载气态污染物排放测试方法日渐成熟。从单一 的只能获取道路车辆气态污染物瞬时排放浓度的五气分析仪，到基于油耗仪与五 气分析仪耦合技术、可获取气态污染物的瞬时质量排放量的测试系统，再发展到 可将五气分析仪与车辆诊断数据耦合在一起的测试系统，直到目前得到美国环保 局认证的美国s e n s o r s 公司的s e m t e c h - d s 测试仪和日本h o r i b a 公司的 o b s 一2 0 0 0 系列测试系统等【5 9 1 ，车载排放测试系统的稳定性得到提高，测量精度 也取得了很大的进步并逐渐接近实验室排放测量设备。目前p e m s 技术在气态 污染物的测量上已经基本成熟。而在颗粒物测量方面，有美国s e n s o r s 公司的 p p m d 和芬兰d e k a f i 公司的d m m - 2 3 0 等颗粒物在线测量设备，但目前还无法 完全满足法规要求【6 0 】。 1 4 研究内容及目标 本研究课题在典型地区进行在用重型柴油车的道路排放测试试验，包括重型 货车和城市公交车，主要为达到国排放标准的重型柴油车，兼顾国重型柴 8 山东大学硕士学位论文 油车。重型货车实验路线选取是根据当地路网，选取典型路线，按照驾驶员的正 常驾驶习惯驾驶试验车辆进行实际道路排放测试实验；公交车的测试则是选取代 表性的公交车路线进行实际道路测试。测试时，对车辆进行适当的加载。在实际 道路排放测试实验中，采用便携式排放测试设备( p e m s ) 采集车辆的日常行驶 工况，同时测量各种排放污染物( 主要是气态污染物) 的瞬态排放浓度以及排气 流量和排气温度等数据。通过对国重型柴油车开展道路排放测试，研究美国 n t e 和欧洲a w m 两种方法的适用性，以及两种方法的限值可调节度。并初步 提出适合我国的在用符合性检测方法。 选取三台典型发动机进行台架试验，对典型道路工况进行台架复现，并测取 发动机的外特性曲线，以及a 、b 、c 转速等重要的特性参数，同时进行发动机 常用法规认证循环，如e s c 循环、e t c 循环以及美国i - - i d d 瞬态f t p 循环等的 测试工作，分析重型车典型道路工况与法规认证发动机循环e s c 和e t c 工况之 间的相关性。通过实验室台架试验对比分析，研究适合我国的车载测试排放限值， 及不同气态污染物测量设备( 主要为道路排放测试设备和试验室台架测试设备) 导致的不确定性。在验证性道路测试部分选取在用重型柴油车对初步结论进行验 证评估，进行实际道路排放测试实验验证分析，最终得出适合于中国国情的重型 柴油车在用符合性检测方法及推荐限值。 9 山东大学硕士学位论文 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章所测车辆发动机及测试用仪器信息 2 1 测试设备及仪器 整个实验中所用的气态污染物排放测试设备分为车载的便携式排放仪和试 验室的固定排放仪两种。在实际道路测试实验和发动机台架试验中，气态污染物 的测量使用的是美国s e n s o r s 公司生产的s e m t e c h - d s 便携式气体分析仪，该 设备采用不分光红外分析法( n d i r ) 测量c o 和c 0 2 ，用氢火焰离子检测器( f i d ) 测量t h c ，用电化学法测量0 2 含量，不分光紫外分析法( n d u v ) 测量n o 和 n 0 2 ，利用s e m t e c h - e f m 流量计测量排气流量，由此得到气态污染物得排放 率。s e m t e c h d s 还自带一套全球卫星定位系统( g p s ) ，逐秒记录车辆行驶过 程中的地理位置( 即经度、纬度和海拔高度) 和行驶速度。仪器可测量的污染物、 测试方法、检测量程等参数见表2 1 另外，系统还提供一套可读取车辆行驶时 发动机运行参数的连接装置，可逐秒读取发动机的转速、负荷及车速等参数，这 是进行n t e 分析和a w m 分析所必不可少的基础参数。仪器的实物图见图2 1 和图2 2 。 表2 - 1 测试设备规格参数 山东大学硕士学位论文 图2 - 2s e m t e c h - e f m 实物图 发动机实验室的固定排放仪采用的是日本h o r 击a 公司生产的h o r m a m e x a - 7 1 0 0d e r g e 汽车尾气测试系统，该排放仪具有较高的测试精度，为法 规认可的发动机新机型式认证用排放测试设备。图2 - 3 是该排放仪的外形图。 山东大学硕士学位论文 图2 3h o r i b am e x a - 7 1 0 0d e r g e 发动机尾气排放分析仪 在发动机台架实验中，为了满足e t c 循环、美国h d d 瞬态f t p 循环和道路 行驶工况复现等瞬态运行工况的测试需求，本实验采用了日本h o r i b a 公司生产的 h t 3 5 0 型电力测功机。该测功机具有十分优秀的动态跟踪特性，而且控制系统的 鲁棒性较好，能够精确地实现复杂瞬态工况的测试。其额定功率为3 5 0 k w ，额定 窖 转矩为1 0 0 0 n m ，过载转矩为1 4 0 0 n m ，许用转速超过1 0 0 0 0 r m i n 。该电力测功 机采用s t a r s 软件作为监控界面，人机交互接口较为友好。 2 2 测试车辆及发动机信息 在整个实际道路排放测试实验中，共对1 5 辆重型车进行了测试，其中包括 前后对同一辆城市公交车进行了两次测试，共计1 6 车次道路排放实验。 在测试车辆的选取上尽量有较好的代表性，公交车和重型货车都有所涵盖， 并选取有着较大市场保有量的代表车型，其中包括：东风货车、陕汽货车、宇通 公交车、金龙公交车，以上车辆均采用康明斯发动机；青年c n g 公交车、福田 长途客车，以上车辆均采用非康明斯发动机。 】3 山东大学硕士学位论文 在发动机的排放标准方面，除在重庆测取的为国排放标准外，其余均为达 到国排放标准的重型车。测试地点包括北京、广东、重庆三地，其道路类型涵 盖了高速路、国道、市区和山路。 测试车辆信息列于表2 - 2 ，其装载的发动机信息列于表2 3 。 表2 - 2 测试车辆信息 1 4 山东大学硕士学位论文 序号发动机厂家发动机型号功率( k w )车重( t )负载( t ) 排放 标准 车辆1 1 3 装载的发动机均为康明斯柴油发动机，除车辆1 、2 为国i 车之外， 其余均为国车。其中车辆1 2 - a 与1 2 - b 为同一辆车，为在通州运行的城市公 交车，2 0 1 1 年1 月对该车进行第一次测试( 即1 2 - a ) ，车辆的加载较小；之后 为对比分析环境温度和负载大小对s c r 工作效率的影响，我们在2 0 1 1 年3 月对 1 5 山东大学硕