（輪機工程專業(yè)論文）武漢市道路輕型車行駛工況與排放特性研究.pdf

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要1 隨著城市汽車保有量的急劇增加，機動車的尾氣排放問題日趨嚴(yán)重，已經(jīng) 成為交通環(huán)境領(lǐng)域厄需解決的關(guān)鍵問題。建立行駛工況是檢測和評價機動車道 路排放的基礎(chǔ)，是制訂城市機動車排放控制策略的前提。車載排放測試技術(shù) p e m s ( p o r t a b l ee m i s s i o n sm e 私u r e i n 鋤ts y s t e m ) 的出現(xiàn)和發(fā)展為機動車道路排 放控制的相關(guān)研究提供了一種嶄新的實驗手段，其便捷、實時、準(zhǔn)確和采集數(shù) 據(jù)量大的優(yōu)點也為機動車行駛工況的建立提供了新的途徑。 本文采用o e m 0 2 1 0 0 便攜式排放測試儀和g p s 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)組成一套 車載排放測試系統(tǒng)，對4 種類型輕型車在指定道路上行駛時的排放和車速逐秒 數(shù)據(jù)進(jìn)行了實時檢測。通過對實測車速數(shù)據(jù)的分析，得到了不同道路的行駛特 征，并與標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行對比，結(jié)果表明，武漢市輕型車的行駛狀況與標(biāo)準(zhǔn)行駛 工況存在較大差異。文章以1 2 個特征參數(shù)為基準(zhǔn)，利用m a r l a b 軟件編寫程序 合成了一條長1 1 6 4 s 的行駛工況，該工況能更好地反映武漢市機動車的實際行 駛狀況。 通過對實測的道路排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計算了武漢市各種類型輕型車 在實際道路上的平均排放因子，結(jié)果表明4 種類型輕型車的排放因子均大大高 于歐i i 排放標(biāo)準(zhǔn)限值；同時根據(jù)對比分析可知，行駛里程對車輛排放的影響較 大，行駛里程越大，劣化越嚴(yán)重，排放越惡劣。 通過分析輕型車排放因子在速度一加速度平面上的分布規(guī)律，研究了n o x 、 h c 、c o 和c 0 2 幾種主要污染物各自的排放特性，并結(jié)合它們的產(chǎn)生機理分析 了其中的原因。 進(jìn)一步地，文章剖析了速度、加速度、比功率( v s p ) 三個參數(shù)與車輛道 路排放之間的關(guān)系。結(jié)果表明，速度和加速度對車輛排放都有較大的影響，輕 型車的行駛速度控制在3 0 5 0 k m h 范圍內(nèi)、加速度控制在- 0 5 0 5 m s 2 范圍 內(nèi)時，可達(dá)到最佳的排放性能；v s p 與機動車排放有著密切的關(guān)系，它從機動 車行駛的物理過程中合理地解釋了排放與工況的關(guān)系。分析結(jié)果表明v s p 比速 度和加速度能夠更好地反映出與四種污染物排放之間的關(guān)系。 關(guān)鍵詞：輕型車，車載排放測試系統(tǒng)，道路試驗，行駛工況，排放特性 本文研究得到了。國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃( 9 7 3 計劃) ( 課題編號：2 0 0 5 c b 7 2 4 2 0 5 ) ”的資助 i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ev e h i c l ee x h a u s te m i s s i o np r o b l e mh a sb e e nc o n t i n u o u s l yd e t e r i o r a t e da l o n g w i t ht h er a p i di n c r e a s eo f u r b a nm o t o rv e h i c l e i th a sb e c o m et h ek e yp r o b l e mw h i c h i su r g e n tt ob es o l v e di nt h ef i e l do f t r a f f i ce n v i r o n m e n t t h ed e v e l o p m e n to f d r i v i n g c y c l ei st h eb a s i sf o rm e a s u r i n ga n de v a l u a t i n gv e h i c l e sr o a de m i s s i o na n di st h e p r e c o n d i t i o nt os t i p u l a t ef o rt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f u r b a nv e h i c l e t h ee m e r g i n ga n d d e c e l o p m e n to ft h ep o r t a b l ee m i s s i o n sm e a s u r e m e n ts y s t e m ( p e m s ) t e c h n o l o g y p r o v i d e sa ni n n o v a t i v ee x p e r i m e n t a li n s t r u m e n tf o rt h er e s e a r c ho nv e h i c l ee m i s s i o n c o n t r o l s i na d d i t i o n , i t sa d v a n t a g e s i nt e r m so fc o n v e n i e n c e ，r e a l - t i m e n a t u r e ， a c c u r a c y , a n dm a s s i v ed a t ac o l l e c t i o nc a p a b i l i t ya l s op r o v i d eab r a n - n e wa c c e 鼴t o t h ed e v e l o p m e n to f v e h i c l ed r i v i n gc y c l e s i n t r o d u c i n ga no n - b o a r de m i s s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hi sc o n s i s to fa p o r t a b l e e m i s s i o n sm e a s t l r c m e n ts y s t e mo e m - 2 1 0 0a n dag l o b a lp o s i t i o n s y s t e m ，t h i st h e s i sc o l l e c t e df o u rd i f f e r e n tt y l so fl i g h t - d u t yv e h i c l e s e m i s s i o nd a t a a n dv e l o c i t yd a t as e c o n db ys e c o n d0 ns e l e c t e dr o u t e si nw u h a n t h e nt h ed r i v i n g c h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n tr o a dw e l - es t u d i e da n dc o m p a r e d 、i mt h es t a n d e r dd r i v i n g c y c l eb ya n a l y z i n go ft h es p e e dd a t z t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew a sm u c h d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed r i v i n gc o n d i t i o no f l i g h t - d u t yv e h i c l ei nw u h a na n ds t a n d e r d d r i v i n gc y c l e u s i n gm a n a bp r o g r a m a11 6 4 sl i g h t - d u t yv e h i c l e sd r i v i n gc y c l eo f w u h a nb a s e do n1 2p a r a m e t e r sf r o ms p e e dd a t ao f r e d a 螂w a ss y n t h e s i z e d ，w h i c h m a yr e f l e c tt h ea c t u a ld r i v i n gc o n d i t i o no f w u h a n m o r e p r o p e r l y t h ea v e r a g ee m i s s i o nf a c t o r so nd i f f e r e n tr o a d si nw u h n nw e r ec a l c u l a t e db y a n a l y z i n go ft h ee m i s s i o nd a t af r o mr o a dt e s t s t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ea v e r a g e e m i s s i o nf a c t o r so f t h ef o u rl i g h t - d u t yv e h i c l e sd i s t i n c t l ye x c e e dt h es t a n d e r dl e v e lo f e u r o a c c o r d i n gt o t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s w ea l s ou n d e r s t o o dt h a tt r a v e l m i l e a g ea f f e c t sv e h i c l e se m i s s i o nt os o m ee x t e n t m o r em i l e a g er e s u l t si nm o r e s e r i o u s l yd e t e r i o r a t i o na n dm o r e e m i s s i o n t h ee m i s s i o nc h 翻冶c t e i i s t i e so ff o u rm a i ne m i s s i o np o l l u t i o i l sn o x ，h c ，c o a n dc c hw c l es t u d i e d b ya n a l y z i n g o ft h ee m i s s i o nf l l e t o r sd i s t r i b u t i o no n i i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 s p e e d a c c e l e r a t i o np l a n e ，a n dt h ec a u s a t i o nw e r ed i s c u s s e dc o m b i n e dw i t ht h e i r p r o d u c i n gm e c h a n i s mr e s p e c t i v e l y f u r t h e r , t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ee m i s s i o nf a c t o ra n dt h r e ep a r a m e t e r s s p e e d a c c e l e r a t i o na n dv e h i c l cs p e c i f i cp o w e r ( v s p ) w c t es t u d i e d t h er 它s u l t ss h o w e d t h a ts p e e da n da c c e l e r a t i o na f f e c tv e h i c l e se m i s s i o ni n t e n s i v e l y t h eb e s te m i s s i o n p e r f o r m a n c ec a m et r u ew h e n i t s v e l o c i t yr a n g ef r o m3 0 k m h t o5 0 k m ha n d a c c e l e r a t i o nr a n g ef r o m 0 5m s 21 0o 5 m s z t h ec o n c e p t i o no fv e h i c l es p e c i f i c p o w e r , w h i c hh a ss t r o n gr e l a t i o n s h i pw i t l lv e h i c l ee m i s s i o n , p r o v i d e sar e a s o n a b l e e x p l a n a t i o no f t h er e l a t i o n s h i pb e t w c c l le m i s s i o n sa n dd r i v i n gm o d e si nt h ep h y s i c a l p r o c e s so ft h ed r i v i n g t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ed e p e n d e n c eo ff o u rm a i n e m i s s i o np o l l u t i o n so nv s pw a sb e t t e rt h a n0 1 1v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n k e yw o r d s ：l i g h t - d u t yv e h i c l e ，p o r t a b l ee m i s s i o n sm e a s u r e m e n ts y s t e m , r o a dt e s t ， “v i n gc y c l e ，e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c i i l 獨創(chuàng)- 陛聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其它教育 機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所傲的任何 貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名 日期：駕：! ! ：顰 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校有權(quán) 保留、送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布論文的全部 或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：重j 塹導(dǎo)師簽名： 1 導(dǎo)師簽名： 墨豎日 日 期：半7 期： 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第1 章緒論 在工業(yè)化程度越來越高的現(xiàn)代社會，汽車作為主要的交通運輸工具，幾乎 已經(jīng)深入到我們生活的每個角落。隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展和城市化速度的日 益加快，我國機動車的保有量正以前所未有的速度增加。截止2 0 0 7 年6 月，全 國機動車保有量約為1 5 2 8 億輛。據(jù)專家預(yù)計，我國機動車保有量將在未來的 1 0 年內(nèi)持續(xù)高速增長，到2 0 2 0 年將達(dá)到2 8 2 0 億輛。這樣迅猛增長的趨勢， 不僅給城市交通帶來了巨大壓力，也給城市環(huán)境帶來了極大危害。同時，由于 我國汽車制造技術(shù)水平比較低，新車排放達(dá)標(biāo)率低，在用車使用年限長，維修 保養(yǎng)制度都不夠完善，交通管理、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等方面都不能滿足汽車工業(yè)迅速發(fā) 展的需要，汽車排放污染已嚴(yán)重影響到了我國城市環(huán)境的空氣質(zhì)量i l j 。 2 0 0 1 年“環(huán)境與交通工作組”指出在一些大城市機動車排放的污染物對多 項大氣污染指標(biāo)的貢獻(xiàn)率已達(dá)到6 0 以上，據(jù)預(yù)測2 0 1 0 年汽車尾氣排放量將占 空氣污染源的6 4 【2 1 。因此，有效地控制和降低機動車尾氣排放是改善城市空氣 質(zhì)量、提高人民生活水平、保證國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略問題。 通常，汽車排放測試是在專門的實驗室進(jìn)行的，在一定的環(huán)境條件下，各 種車輛和發(fā)動機在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上根據(jù)事先給定的行駛模式，來模擬實際道路具 有的行駛情況【3 1 。在試驗中，汽車必須經(jīng)歷一系列的怠速、勻速、加速和減速， 同時通過定容取樣系統(tǒng)( c v s ) 測定各種排放物的質(zhì)量。測得的排氣污染物的排 放量，為該車輛或發(fā)動機的污染排放指標(biāo)。這個行駛過程就稱為行駛工況。 汽車排放受到多種因素的影響，如行駛特征( 包括速度、海拔高度、溫度 和其他環(huán)境狀況) 、車型、車齡、發(fā)動機狀況、排放控制系統(tǒng)和維護(hù)狀況等。即使 其他情況完全相同，僅僅行駛工況的改變也會導(dǎo)致排放產(chǎn)生高達(dá)1 0 0 0 , 4 的變化叫。 其實，同國外大城市相比，我國城市的機動車擁有量并不是很大，但污染 狀況卻相當(dāng)嚴(yán)重，這其中除了由于機動車排放控制水平差而造成機動車單車排 放因子過大外，另一個重要的原因就是我國城市配套設(shè)施建設(shè)相對落后，交通 管理和控制措施不利，交通的供需矛盾使機動車行駛工況不斷惡化，從而加重 了機動車的排放【5 卅。由此可見，行駛工況在研究機動車道路排放方面具有重要 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的意義。 輕型車在我國的機動車總體保有量中占有相當(dāng)大的份額，研究輕型車的道 路排放對于評價城市交通排放水平和制訂排放控制策略具有重要的意義。目前， 我國的輕型車排放檢測就是通過在底盤測功機上按事先給定的行駛工況模擬機 動車在實際道路行駛中的狀況，從而測定各種排放物的質(zhì)量的。2 0 0 5 年4 月1 5 日國家環(huán)保總局和國家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了1 g b l 8 3 5 2 3 - 2 0 0 5 輕型汽車污染物 排放限值及測量( 中國m 、階段) ，并于2 0 0 7 年7 月1 日起強制實施。標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定的輕型車污染物排放測量和燃料消耗量測量所采用的試驗循環(huán)均效仿國歐 洲經(jīng)濟委員會( e c e ) 所頒布的e c e l 5 工況。而e c e l 5 工況反映的是歐洲各 個國家的道路條件和交通狀況，因此用它來檢測中國的機動車排放水平，必然 存在著不合理之處。因為我國的城市結(jié)構(gòu)、交通狀況、道路特征以及自然環(huán)境 等等都與歐洲存在很大的差異，這必然導(dǎo)致機動車的平均行駛速度不同，從而 在很大程度上影響了機動車的排放水平。因此，e c e l 5 工況難以真實地反映我 國輕型車的實際行駛狀況，也就不能客觀地反映我國城市道路輕型車的實際排 放水平。 為了更好地實施排放控制標(biāo)準(zhǔn)，測試工況必須能夠切實代表機動車的運行 狀況，這樣才能保證測試結(jié)果具有真實性和可比性。由此可見，開發(fā)適合我國 自身城市交通特征的輕型車行駛工況，研究不同行駛特征和行駛工況與排放之 間的關(guān)系，對于制訂更為合理的法規(guī)制度，更好地控制我國機動車的排放污染 有著重要的意義。 1 2 國內(nèi)外車輛行駛工況的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢 1 2 1 國外車輛行駛工況的研究進(jìn)展 為減少機動車尾氣排放的污染，許多國家都在對機動車尾氣控制相關(guān)內(nèi)容 進(jìn)行研究。到目前為止，幾乎所有的工業(yè)發(fā)達(dá)國家都制訂了限制機動車污染物 排放量的標(biāo)準(zhǔn)，以此來限制機動車的排氣污染。目前，世界上實行的排放標(biāo)準(zhǔn) 主要有美國、歐洲和日本三大體系。為了在執(zhí)行過程中有一個統(tǒng)一的測試過程， 這些標(biāo)準(zhǔn)里都包含了特定的行駛工況。所以，目前世界上的車輛行駛工況也主 要分為美國行駛工況( u s d c ) 、歐洲行駛工況( e d c ) 和日本行駛工況( j d c ) 。 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中以美國f t p ( 聯(lián)邦測試程序) 為代表的瞬態(tài)工況( f 1 p 一7 5 ) 和歐洲e c e 為代表的模態(tài)工況( n e d c ) 為世界各國所采用【7 。世界各國采用的行駛工況主 要來自汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家，同時這些國家仍在不斷的對這些工況進(jìn)行修正和補 充嗍 1 3 1 。 1 2 1 1 美國行駛工況 2 0 世紀(jì)5 0 年代中期，為了研究洛杉機市區(qū)內(nèi)的汽車排放與光化學(xué)煙霧產(chǎn) 生之間的關(guān)系，美國汽車制造商協(xié)會a 姒組織了一次具有典型特征的道路上行 駛情況的統(tǒng)計，他們得到了一個包含1 l 工況的測試循環(huán)，用于代表汽車在洛杉 機市區(qū)行駛的真實情況。這一測試工況被用于評估產(chǎn)品樣車的c 0 和h c 的排放。 1 9 6 4 年，加利福尼亞州機動車污染控制局對1 1 工況進(jìn)行了修訂，得到了一個7 工況測試循環(huán)。加利福尼亞州對1 9 6 6 年產(chǎn)汽車排放的檢測就采用了這一測試工 況。這一測試工況是一些包括怠速、勻加速、勻速和勻減速的直線所組成的， 與現(xiàn)行的歐洲和日本的測試工況不同，它基本上是一個人工拼湊的測試工況， 并不完全是一個實際道路行駛工況的真實模擬。 上述測試工況的一個最主要的缺陷，就是缺乏對加速和減速過度過程的描 述。在加州研究者堅持不懈的努力下，一個新的總長約1 2 英里的測試工況終于 誕生了，這就是著名的l a 4 測試工況，這一測試工況可以稱為現(xiàn)代美國聯(lián)邦測 試工況的鼻祖。 在此基礎(chǔ)上，研究人員通過對l a 一4 測試工況進(jìn)行改進(jìn)研究，最終形成了美 國環(huán)保署( e p a ) 的城市汽車底盤測功機測試工況，即u r b a nd y n a m o m g ! t c rd r i v m g s c h e d u l e ，簡稱u d d s ，這一測試工況成為1 9 7 2 年實行的聯(lián)邦測試工況，即 f t p 一7 2 。這標(biāo)志著汽車排放的測試工況由實際道路行駛工況的測量轉(zhuǎn)向動態(tài)底 盤測功機循環(huán)工況的測量。 在洛杉機及美國其他一些大城市進(jìn)行的進(jìn)一步深入的研究直接導(dǎo)致了在 f t p 7 2 的基礎(chǔ)上f t p 7 5 的誕生。f t p 7 5 對于f t p 7 2 的最大的一個改進(jìn)是在 原有冷啟動的基礎(chǔ)上增加了熱啟動的工況。每一次循環(huán)持續(xù)2 4 7 5 s ，包括冷態(tài) 過渡工況( 0 5 0 5 s ) 、穩(wěn)定工況( 5 0 6 1 3 7 0 s ) 和熱態(tài)過渡工況( 1 9 7 0 2 4 7 5 s ) ， 工況曲線見圖1 1 ，每個階段加權(quán)系數(shù)見表1 1 ，主要特征參數(shù)見表l - 2 。其中 穩(wěn)定工況之后是6 0 0 s 的熱浸階段，然后重復(fù)進(jìn)行第一階段5 0 5 s 的測試。f f p - 7 5 是一個經(jīng)過精心測試和設(shè)計的瞬態(tài)工況，它比較真實地反映了一輛汽車在美國 城市道路行駛時的特征，因而，f t p 7 5 也就成為到目前乃至可見的將來美國的 3 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 城市標(biāo)準(zhǔn)測試工況。加拿大目前也使用f t p 7 5 作為其標(biāo)準(zhǔn)測試工況【1 4 1 。 t t 圖1 - 1 美國輕型車標(biāo)準(zhǔn)測試工況f t p - 7 5 表1 1f t p 7 5 工況不同測試階段加權(quán)系數(shù) 階段加權(quán)系數(shù) 過渡段( 0 5 0 5 s ) 冷起動 0 4 3 穩(wěn)定段( 5 0 6 1 3 7 0 s ) 6 0 0 s 停車 1 0 0 重復(fù)過渡段( 1 9 7 0 2 4 7 5 ) 熱起動 o 5 7 表1 2f r p 7 5 工況主要特征參數(shù) 總行駛里程 1 7 8 ( k m )總運行時間2 4 7 5 ( s ) 平均速度 2 2 2 ( k m h )最大行駛速度9 1 2 3 ( k m h ) 平均運行速度 3 1 4 ( k m h )怠速比例3 4 9 f t p 工況在1 9 7 0 年代初期被采用時，由于受到底盤測功機的性能限制，所 能達(dá)到的最大時速為9 1 k m h ，最大加速度1 4 7 m s 2 ，這都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際情況， 存在不能涵蓋所有速度和加速度的不足。而e p a 的研究表明高速和高加速行駛 的情況是非常常見的。f t p 工況的另一缺點是由于測功機所承受的負(fù)荷有限， 不能模擬空調(diào)開放時的運行情況。在測試過程中，空調(diào)必須是關(guān)閉的。e p a 試 驗表明，開啟空調(diào)時車輛的n o x 排放比關(guān)空調(diào)時幾乎多一倍。為克服f t p 7 5 的不足，2 0 0 0 年以后，美國在輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)中又引入了s f t p ( s u p p l e m e n t f e d e r a l t e s t p r o c e d u r e ) 標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)。s f t p 標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)是由f t p 7 5 ，s c 0 3 ( 圖 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 - 2 ) 汞1u s 0 6 ( 圖1 3 ) 三個循環(huán)組成。它包括了實際情況中所有的速度和負(fù)荷的范 圍，考慮了空調(diào)開放時的情況，并增加了對速度變化較頻繁以及帶空調(diào)的運行 狀態(tài)的檢驗。其中，s c 0 3 測試循環(huán)用于車輛滿負(fù)荷開空調(diào)的運行狀態(tài)，u s 0 6 主要用于高速公路上頻繁加速的運行狀態(tài)。 8 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 ，、 ，r 1 m7 f ，1 。 f l 訓(xùn) 川7門 f i i 71i 010 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 t i m e ，_ 圖1 - 2 美國輕型車標(biāo)準(zhǔn)補充測試循環(huán)s f t p - - s c 0 3 、一一 j l j r |l。j， n ，r 一 乙 y1 量f1，、 ，1ll i j1l l j l 1vj l jj j、i。yl 。1 01 0 丁2 0 03 0 04 0 05 0 0 t 砷慨 圖1 3 美國輕型車標(biāo)準(zhǔn)補充測試循環(huán)s f t p - - u s 0 6 在美國，除了s f t p 標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)以外，還有高速公路標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)( 圖 l - 4 ) ，它主要用于城市間的交通，并用以汽車油耗的計算。 5 皇i-，口。直 帥陽加加伯。 毒是量言譬is 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 0 6 0 5 0 1 亳4 0 薹s 。 2 。 10 0 h v 啊 一 乒礬“卜 廠廠、八 一、 聊v 、 一 、fi f 。 f 010 0 z u了口4 0 05 6 0 07 0 日 t l i n e s 圖1 4 美國高速公路標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán) 1 2 1 2 歐洲行駛工況 歐洲現(xiàn)行的行駛工況是由歐洲經(jīng)濟委員會和歐洲經(jīng)濟共同體制訂的，簡稱 e c e 。由于歐洲國家一般版圖較小，并且各國之間經(jīng)濟、交通聯(lián)系密切，因此 歐盟各國都執(zhí)行相同的排放標(biāo)準(zhǔn)。歐洲國家排放控制法規(guī)始于1 9 7 0 年，1 9 7 2 年開始實行統(tǒng)一的工況試驗法，1 9 7 4 年出現(xiàn)了歐洲的綜合法規(guī)，即聯(lián)合國歐洲 經(jīng)濟委員會的e c e r l 5 ，至1 9 8 4 年修訂為e c e r l 5 0 4 。 目前歐洲使用的是e c e + e u d c 工況，如圖l - 5 所示。e c e + e u d c 工況可 以分為兩部分。第一部分是傳統(tǒng)的城市道路行駛工況，是城市行駛過程的一個 簡化代表。該部分由1 5 種行駛方式組成，通常稱為“十五工況法”，主要反映 了機動車在歐洲城市內(nèi)的行駛特征。為了反映市郊高速運行時的排放，從1 9 9 2 年7 月起，在歐盟各國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測試工況后面又補充了第二部分，即機動車 在郊外公路上的行駛工況e u d c ( e x t r au r b a nd r i v i n gc y c l e ) ，兩種工況合起 來被稱作n e d c ( n e we u r o p e a nd r i v i n gc y c l e ) 【”】。其主要特征參數(shù)見表1 - 3 。 與美國f t p 7 5 工況不同的是，e u d c 是一種模態(tài)工況，主要由勻速、勻加 速和勻減速運動組成，這種缺乏真實性的試驗結(jié)果必然導(dǎo)致結(jié)果嚴(yán)格性的下降。 有關(guān)研究表明，歐洲行駛工況對排放的估計比實際情況要低1 5 2 5 。而且， 試驗中的最大加速度為1 0 6m m ，也低于美國測試規(guī)程的要求，造成其結(jié)果的 可信性受到影響。從2 0 0 0 開始，原來歐洲行駛工況中的4 0 秒熱機時間被取消， 冷起動剛開始時的污染物也將測試，從而使得工況測試的條件變得更為嚴(yán)格。 e c e 工況由于考慮到了冷起動的影響而具有更大的代表性，但仍擺脫不了模態(tài) 工況的缺陷。 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖l 一5 歐洲輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)測試工況( e c e + e u d c ) 表1 - 3 歐洲n e d c 工況主要特征參數(shù) ) 總行駛里程 1 1 0 1 ( k m )總運行時間1 2 2 0 ( s ) 平均速度 3 2 5 ( k m h )最大行駛速度1 2 0 ( k m h ) 平均運行速度 4 4 7 ( k m h )怠速比例2 7 3 另外，歐洲在瞬態(tài)工況的建立方面，也取得了成功。歐盟在大量試驗的基 礎(chǔ)上，建立了輕型車c a d c ( c o m m o n a r t e m i sd r i v i n gc y c l e s ) 行駛工況，見 圖1 - 6 。試驗數(shù)據(jù)是通過8 0 多輛乘用車，在歐洲6 個國家，累計行程大于1 0 0 ， 0 0 0 k m 的基礎(chǔ)上統(tǒng)計形成的。最終建立了分別能夠反映輕型車在市區(qū)、郊區(qū)以 及高速公路行駛特征的輕型車行駛i t l 閽。 1 ll6 虬1lll li fv u。i l i 。 j j i li f f矧 1 o j4n1 | | | 。i10九f厶 l 0t j ，! “種，i 1 0 t 0 r 佃憾“- ， ( a ) 輕型車a r t e m i s 市區(qū)行駛工況 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 “， ( b ) 輕型車a r t e m i s 市郊行駛工況 t 1 l l i 0 _ 1 ( c ) 輕型車a r t e m i s 高速公路行駛工況 圖1 - 6 歐盟輕型車排放測試工況( c a d c ) 1 2 1 3 日本行駛工況 與歐洲行駛工況相似，日本行駛工況也屬于模態(tài)工況。最初日本的測試工 況包括兩段截然不同的測試工況：1 0 工況和1 1 工況i ”j 。其中前者基本是一個 熱起動條件下的測試工況，而后者則主要是一個冷起動條件下的測試工況。 l o 工況相當(dāng)于車輛在城市中心的行駛情況。在進(jìn)行】o 工況測試之前，要 對被測試車輛進(jìn)行熱車。熱車過程是這樣要求的，即汽車需以不低于4 0k m h 的速度行駛至少1 5 分鐘。排放值用g k i n 表示，按照不同車輛的質(zhì)量規(guī)定不同 的排放限值。l o 工況是一個時間相當(dāng)緊湊的、速度較低的測試工況，其平均速 度不超過2 5k n v h 。與f r p 7 5 工況不同，它并不可以模擬任何特定的道路特征， 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 而是通過一輛行駛于一個典型的、緊湊的瞬態(tài)測試過程來評價其排放特性的。 1 0 工況曲線見圖1 7 ，特征參數(shù)見表1 4 。 柚 一一 ， 一 。 ， 譬謄 童： ， 憋瑚 ，、， 耀塒 、， 。、。，。弋 o 艟 鵪l 鋤嵫_ i 兩 時闋f 。l 圖1 7 日本1 0 工況測試循環(huán) 表1 _ 4 日本1 0 工況主要特征參數(shù) 總行駛里程 1 0 8 4 ( k m )總運行時間 5 0 5 ( s ) 平均速度 3 0 6 ( k m h )最大行駛速度6 0 ( k m h ) 平均運行速度 3 9 1 ( k m h )怠速比例2 1 7 l l 工況是一個冷起動狀態(tài)下的測試工況。它模擬了車輛由郊外駛?cè)氤菂^(qū)或 在郊外行駛的情況。由于這是一個冷態(tài)循環(huán)，因而在測試之前，被測汽車需要 在2 0 3 0 攝氏度的環(huán)境下放置至少6 個小時。經(jīng)過2 5 秒鐘的怠速運行之后進(jìn) 行測試，重復(fù)四次測試過程。其中只要求第一次測試工況中運行2 6 秒的怠速工 況，其余各次不做怠速運行。這一過程的排放值是用g t e s t 來表示的。1 0 工況 曲線見圖1 8 ，特征參數(shù)見表1 5 。 圖1 - 8 日本1 1 工況測試循環(huán) 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 表1 - 5 日本1 1 工況主要特征參數(shù) i總行駛里程 4 1 6 ( k m )總運行時間6 6 0 ( s ) i平均速度 2 2 7 ( k s n h )最大行駛速度7 0 ( k m h ) l i 平均運行速度 3 3 1 ( k m h )怠速比例3 1 7 目前日本已經(jīng)用1 0 - 1 5 工況取代了1 0 工況作為測試標(biāo)準(zhǔn)。它的測試過程是 在這樣的：首先機動車以6 0 k m h 的速度行駛1 5 分鐘，然后運行一個1 5 工況。 此時測試開始，機動車運行一個由三段1 0 工況和一段1 5 工況組成的行駛工況。 這個工況被稱為1 0 1 5 工況。其工況曲線見圖i - 9 。 圖1 - 9 日本1 0 1 5 工況測試循環(huán) 1 2 2 國內(nèi)車輛行駛工況的研究進(jìn)展 在國內(nèi)，許多學(xué)者對我國各城市市區(qū)的車輛行駛工況進(jìn)行了研究。香港理 工大學(xué)的研究人員在對香港地區(qū)的汽車行駛工況進(jìn)行研究時，將一套汽車行駛 速度和尾氣排放濃度的測量系統(tǒng)安裝在一輛輕型車上，選擇兩個代表性路線研 究了香港地區(qū)的行駛模式，得出了一個基于實際汽車速度的行駛工況。其工況 曲線見圖卜l o ，主要特征參數(shù)如表1 - 6 所示【l s 】。 圖1 - 1 0 香港城區(qū)的行駛工況 l o 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 表卜6 香港城區(qū)行駛工況主要特征參數(shù) 總行駛里程 6 3 7 ( k m )總運行時間 1 4 8 8 ( s ) 平均速度1 5 4 ( k m h )最大行駛速度 6 0 ( k i n h ) l 平均運行速度2 2 2 ( k m h )怠速比例 3 1 4 北京交通大學(xué)的研究人員對建立北京市區(qū)機動車行駛周期的方法進(jìn)行了研 究，通過g p s 和o e m 技術(shù)的結(jié)合，提出了基于實際行駛工況測量的北京市行駛 周期的建立方法，同時提出了1 9 個用于評價行駛工況的評價指標(biāo)，并通過小樣 本分析得出了一個初步的北京輕型車行駛工況【1 9 1 ，如圖1 1 1 所示。 圖1 - 1 1 北京市輕型車行駛工況 同濟大學(xué)的研究人員以上海市的道路及其車輛運行為研究對象，運用覆蓋 率、路段頻度和等概率抽樣等方法，規(guī)劃能夠代表上海市公交車典型運行線路， 并進(jìn)行了大量的試驗和實際運行數(shù)據(jù)的采集對大量的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理， 運用短行程、主成分分析、聚類分析等方法，構(gòu)建了上海市公交車的實際行駛 工況 2 0 1 ，如圖1 1 2 所示。 冀 1 2 馳 拍塒嘲l(fā) 拋 慵如 撕 察 聰 - l m 圖1 1 2 上海市公交車行駛工況( 從左至右依次為低速工況、 高速工況和綜合工況) 鼬鼬i 枷 矚“ m 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 北京工商大學(xué)的研究人員在對成都市車輛行駛工況進(jìn)行了研究，試驗采用 一套車載試驗系統(tǒng)，記錄了實際道路汽車行駛的瞬時速度和排放數(shù)據(jù)，并從大 量的速度數(shù)據(jù)中以1 1 個特征參數(shù)為基準(zhǔn)，合成了成都市不同道路的行駛工況 【2 ”，如圖1 1 3 所示。 1 0 0 喜蓁 o 1 0 0 萋曩 0 ； 喜竺 0 5 l0 0 0 t s 姍l0 0 0 以 冊t o 橢 圖i 1 3 成都市各類道路行駛工況 除此之外，中國環(huán)境科學(xué)院對廣州、天津、大連等城市的行駛工況也進(jìn)行 了研究，對中國重點城市的道路機動車行駛狀況給出了有效評估 2 2 1 。 1 2 3 車輛行駛工況合成方法的研究進(jìn)展 關(guān)于行駛工況合成方法的研究，國外從1 9 7 0 年以后就開始進(jìn)行了。一般來 說，合成行駛工況的方法有兩種1 2 3 j ：一種是行駛工況取自實際道路的實測記錄， 如美國的f t p 7 5 工況；另一種是由實測數(shù)據(jù)強制合成，如歐洲的e c e 1 5 工況。 k u h l e r 和k a r s t c n s 基于平均速度、平均行駛速度、平均加速度、平均減速 度、一個行駛段的平均距離、一個行駛段的平均加減速變化次數(shù)和加速比例、 減速比例、怠速比例、勻速比例l o 個參數(shù)強制性地合成了一個行駛- r 況t 2 3 j 。 a n d r e 等人對速度時間曲線進(jìn)行分析，把每一個行駛段看作是一系列地動 1 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 力學(xué)序列，采用因子分析和分類技術(shù)對這些序列進(jìn)行分類，并將不同類型的序 列連接在一起。行駛工況就是按照統(tǒng)計分析結(jié)果從真實的序列中隨機選擇出來 的剛。 e s t e v e s b o o t h 和m u n e e r 等人采用的是權(quán)重法，他們將每條路線上的車流 量、一個星期中的每一天的車流量以及每天的幾個時間段( 如上下班的高峰期) 的車流量都進(jìn)行統(tǒng)計并給出一個權(quán)重系數(shù)，通過實測的速度時間數(shù)據(jù)并結(jié)合權(quán) 重系數(shù)進(jìn)行工況合成【2 ”。 e r i c s s o n 通過對大量試驗數(shù)據(jù)的處理分析，從中提取出6 2 個特征參數(shù)，應(yīng) 用統(tǒng)計方法，從中篩選出1 6 個相互獨立的特征參數(shù)，用于工況的合成，這些參 數(shù)能夠較好地代表影響機動車排放的主要因素佇6 1 2 7 1 。 j i e l i n 和d e b b i e a n i e m e i e r 提出了用于建立汽車行駛工況的m a r k o v 理論。 這種全新的方法不僅提出了一種重要的數(shù)理統(tǒng)計理論，而且克服了許多以往在 建立汽車行駛工況時所遇到的關(guān)鍵性難題，是該領(lǐng)域的一次重要理論突破【2 ”。 i j r i e m e r s m a 、p h e n d r i k s e n 等人提出了在已有汽車道路行駛狀況數(shù)據(jù)的 基礎(chǔ)上建立汽車行駛工況的t n o 方法。該方法按照工況數(shù)據(jù)分析、樣本工況建 立、統(tǒng)計分析及工況挑選、行駛工況的最終建立等四個步驟詳細(xì)分析了建立汽 車行駛工況的過程，并且開發(fā)了專有軟件對已測得的汽車行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗 證，結(jié)果顯示了良好的適用性網(wǎng)。 ，n d e m b s k i 和y g u e z e n n e c 等人認(rèn)為目前大多數(shù)的發(fā)動機標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)經(jīng) 歷的時間和里程都較短，并不能充分代表大范圍內(nèi)的機動車實際行駛狀況。于 是在對大量機動車實際道路試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分門歸類和系統(tǒng)處理的基礎(chǔ)上，確定 了1 6 個用于評價行駛工況速度特征的準(zhǔn)則數(shù)，并通過多元數(shù)理統(tǒng)計的方法建立 了更為合適的汽車行駛工況例。 國內(nèi)，北京的周澤興等人采用了k m s e 和h u l a 最早提出的平均速度、最高 速度、怠速比例、加速比例、勻速比例、減速比例為準(zhǔn)則數(shù)的方法來合成出了 個北京市的行駛工況】。 天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室的杜青、楊延相等人在研究天津市 汽車道路行駛工況的過程中，通過大量試驗研究和理論分析，構(gòu)造了1 3 個用于 分析道路特征和速度構(gòu)成特性的準(zhǔn)則數(shù)，并按照各種參數(shù)對機動車輛污染物排 放量影響程度的大小，對各個準(zhǔn)則數(shù)給予不同的相對誤差閾值，同時提出了合 成代表性行駛工況的方法和步驟 3 2 1 。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 中國環(huán)境科學(xué)研究院的劉希玲、丁焰對五個典型城市( 北京、上海，天津、 大連和廣州) 工況進(jìn)行了測試研究，采用k r u s e 和h u l a 最早提出的以平均速度、 最高速度、怠速比例、加速比例、勻速比例、減速比例為準(zhǔn)則數(shù)的方法進(jìn)行工況 的合成，并與歐洲標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)每個城市的工況均與e c e - 1 5 工況有明 顯區(qū)別【3 3 】。 1 2 4 車輛行駛工況的發(fā)展趨勢 目前行駛工況還存在以下幾個問題，這也決定了它將來的發(fā)展趨勢【l 鰣。 建立行駛工況的數(shù)據(jù)量小。只有建立在大量準(zhǔn)確的行駛數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，行 駛工況才更具有代表性。國外現(xiàn)有的行駛工況由于發(fā)展起步早，數(shù)據(jù)量一般較 大。而國內(nèi)對行駛工況的研究都建立在初期的實驗基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)量小而且不能 代表最新的城市交通狀況，因而不能作為當(dāng)前機動車尾氣排放檢測和模型建立 的基礎(chǔ)。所以積累和增加實際路網(wǎng)中機動車的行駛工況數(shù)據(jù)是今后需要持續(xù)進(jìn) 行的工作。 行駛工況靈活性差。由于行駛工況一旦建立就固定不變，所以很容易為某 些出于不良目的降低機動車排放的人提供途徑。例如汽車廠商可以針對固定的 尾氣檢測行駛工況設(shè)計車輛以提高車輛的通過率，這就導(dǎo)致對實際排放的低估。 因此機動車行駛工況的靈活性應(yīng)該在今后逐步提高。 行駛工況可移植性差。不同城市的路網(wǎng)特征和駕駛行為有明顯差異；另外 隨著時間的推移，交通狀況的變化也會造成行駛工況特征的改變。因此，單一 標(biāo)準(zhǔn)的行駛工況并不能反映出真實路網(wǎng)中機動車的工況特征?？梢?，研究分等 級道路的、可隨交通數(shù)據(jù)改變而改變的動態(tài)行駛工況將是未來研究的一個主要 方向。 缺乏對所建立行駛工況的評價方法需要收集的數(shù)據(jù)量為多少，如何才能 保證建立的行駛工況能真實地代表路網(wǎng)中機動車的行駛狀況，這些問題目前在 行駛工況的研究領(lǐng)域中還處于空白。所以，研究行駛工況的評價方法也是一個 有待解決的重要問題。 1 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 本文的主要研究內(nèi)容和現(xiàn)實意義 1 3 1 本文的主要研究內(nèi)容 本文的主要研究內(nèi)容有以下幾個方面： ( 1 ) 利用便攜式排放測試儀o e m - 2 1 0 0 和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)g p s 組成一 套車載排放測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠測量汽車在實際道路行駛過程中的逐秒車速、 發(fā)動機轉(zhuǎn)速、排放等參數(shù)，是本研究的主要測試設(shè)備。 ( 2 ) 選擇若干條能夠代表武漢市汽車行駛狀況的道路作為試驗路線，4 種 不同車型的測試車輛在這些路線上跟隨車流往復(fù)行駛，o e m 2 1 0 0 和g p s 分別 記錄實驗過程中車輛的逐秒排放和車速等數(shù)據(jù)。 ( 3 ) 對采集的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以平均速度、加速比例、減速比例、 允許比例、怠速比例等1 2 個特征參數(shù)為基準(zhǔn)，從實測數(shù)據(jù)中合成一條代表武漢 市輕型車的行駛工況。 ( 4 ) 對排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到不同行駛參數(shù)對車輛排放的影響，計 算出不同車型實際道路的平均排放因子。 1 3 2 本研究的現(xiàn)實意義 隨著汽車在國民經(jīng)濟和人民生活各個領(lǐng)域中發(fā)揮的作用越來越大，其自身 的數(shù)量也越來越大，同時給城市的交通環(huán)境帶來了巨大威脅。必須制定合理