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      整車排放測試中不同工況對污染物排放的影響

      2024-10-23 00:00:00宮錦暉
      時代汽車 2024年19期

      摘 要:汽車數(shù)量增多使得大量污染物排放增加,從而對環(huán)境造成嚴重影響。這篇文章采用先進測量技術(shù)調(diào)查了整車在不同測試條件下的排放表現(xiàn),旨在減少污染物排放。研究詳細探討了城市和高速行駛過程中的典型排放問題,并指出發(fā)動機狀態(tài)、操作情況與周圍環(huán)境顯著影響污染水平。文中介紹了實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析方法,從而推導(dǎo)出改善建議。

      關(guān)鍵詞:整車排放測試 工況分析 污染物排放 環(huán)境影響 排放控制技術(shù)

      0 引言

      隨著全球工業(yè)化進程的加速和汽車保有量的持續(xù)增長,交通運輸領(lǐng)域已成為大氣環(huán)境污染的重要來源之一,尤其是機動車尾氣排放中的一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)以及顆粒物(PM)等污染物,對空氣質(zhì)量、人體健康及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴重威脅。整車排放測試作為評估車輛在實際使用條件下污染物排放水平的關(guān)鍵手段,對于制定和實施有效的排放控制策略具有至關(guān)重要的意義。

      不同的工況條件,如城市道路擁堵、加速超車、減速制動等,會導(dǎo)致發(fā)動機工作負荷、燃燒效率及排氣溫度等參數(shù)發(fā)生變化,進而影響尾氣中各類污染物的生成與排放。所以深入研究不同工況對整車排放特性的影響,不僅有助于揭示排放污染物的生成機理,還能改進排放控制系統(tǒng)、制定科學(xué)合理的排放標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

      本文旨在通過系統(tǒng)分析整車排放測試中不同工況下的污染物排放數(shù)據(jù),探討工況參數(shù)變化對CO、HC、NOx及PM等污染物排放水平的影響規(guī)律。

      1 整車排放測試工況分析

      1.1 工況對污染物排放的影響

      不同工況對整車排放的污染物具有顯著影響。在怠速工況下,由于發(fā)動機負荷低且燃燒不充分,HC和CO的排放量相對較高。加速工況中,隨著發(fā)動機負荷的急劇增加,燃油噴射量增大,燃燒溫度升高,導(dǎo)致NOx的生成量顯著增加,PM的排放也可能因燃燒不完全而上升[1]。勻速工況下,發(fā)動機工作相對穩(wěn)定,污染物排放趨于平穩(wěn),但不同速度下的排放特性仍有所不同。減速工況中,制動回收系統(tǒng)的應(yīng)用有助于減少能量損失和污染物排放,特別是在混合動力汽車中表現(xiàn)尤為明顯。冷啟動工況則是排放污染最為嚴重的階段之一,由于發(fā)動機和催化器溫度低,催化轉(zhuǎn)化效率低,導(dǎo)致HC和PM的排放量急劇上升[2]。

      不同的駕駛模式和操作條件也會影響排放水平。例如,頻繁的急加速和急剎車會導(dǎo)致發(fā)動機工況變化劇烈,燃燒過程不穩(wěn)定,排放大量未完全燃燒的碳氫化合物和一氧化碳。同時,駕駛員的駕駛習(xí)慣如長時間怠速或持續(xù)高轉(zhuǎn)速行駛,也會增加污染物的排放。道路條件和交通狀況同樣對排放有顯著影響,擁堵的城市道路和順暢的高速公路上車輛的排放特性有所不同。在城市擁堵工況下,車輛頻繁啟動和停止,排放波動大,污染物濃度較高。而在高速行駛工況下,車輛以較穩(wěn)定的速度運行,排放較為均勻,但長時間高負荷運行可能導(dǎo)致氮氧化物排放增加。因此,不同工況下的排放特性研究對于優(yōu)化排放控制技術(shù)和制定合理的排放標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。

      1.2 污染物排放特性分析

      機動車排放的主要污染物包括一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)等。這些污染物對人體健康、大氣環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)均造成不利影響。

      現(xiàn)對不同工況下的排放特性進行總結(jié)。冷啟動工況,發(fā)動機溫度低,燃燒不充分,混合氣濃度較高。此工況下,CO和HC排放濃度較高,因為低溫下燃料不完全燃燒產(chǎn)生大量CO,同時未燃燒的燃料和潤滑油蒸發(fā)形成HC;怠速工況,發(fā)動機轉(zhuǎn)速低,進氣量小,燃燒室內(nèi)殘余廢氣比例大。怠速時,CO和HC排放濃度也較高,尤其是CO排放顯著增加,因為怠速時燃燒效率下降,混合氣偏濃。怠速時NOx排放相對較低,因為高溫高壓條件是NOx生成的主要條件,而怠速時燃燒溫度較低。加速工況,油門突然加大,進氣量和供油量增加,空燃比提高。加速時,一氧化碳排放濃度有所下降,因為空燃比提高改善了燃燒效率;但HC排放濃度可能增加,因為加速過程中燃油霧化不良和燃燒不完全;NOx排放濃度會顯著上升,因為加速時燃燒溫度升高,促進了NOx的生成。等速工況,發(fā)動機以相對穩(wěn)定的速度運行,燃燒狀態(tài)較為穩(wěn)定。等速工況下,CO和HC排放濃度相對較低,因為燃燒效率較高;但NOx排放濃度可能較高,因為此時燃燒溫度較高且穩(wěn)定。減速工況,油門減小或關(guān)閉,發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降。減速時,一氧化碳排放濃度可能驟增,因為減速過程中燃燒室內(nèi)混合氣過濃;HC排放濃度也可能出現(xiàn)一個高峰值,因為部分未燃燒的燃料被排出;而NOx排放則迅速減少,因為燃燒溫度下降。

      2 影響污染物排放的關(guān)鍵因素

      2.1 發(fā)動機工作狀態(tài)

      點火正時控制燃燒過程參數(shù)。保證完整燃盡,提高效率,減少污染物排放。不正確點火正時導(dǎo)致不完全燃燒現(xiàn)象,并增加HC和CO排放量。精確空燃比理論λ等于1實現(xiàn)最優(yōu)化效果。發(fā)動機狀態(tài)多變,空燃比需在特定范圍調(diào)整。氣過濃(λ小于1)導(dǎo)致燃燒不完全,HC和CO排放增加;氣過?。é舜笥?)則可能導(dǎo)致失火及排放惡化。為降低污染物,關(guān)鍵操作參數(shù)需精細控制與優(yōu)化。高負荷時調(diào)節(jié)點火正時與噴油策略,在確保動力輸出同時減少燃燒溫度和壓力,有效抑制NOx生成。利用先進發(fā)動機系統(tǒng)實時監(jiān)測動態(tài)調(diào)整空燃比,減少HC和CO排放。優(yōu)化催化轉(zhuǎn)化器性能與位置作為降低排放手段,提高催化轉(zhuǎn)換效率并縮短高排放期窗口顯著降低尾氣污染物濃度。通過調(diào)控負荷、轉(zhuǎn)速、點火正時及空燃比等關(guān)鍵參數(shù)結(jié)合先進技術(shù)顯著降低汽車運行過程中的污染物,為環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展貢獻力量[3]。

      現(xiàn)代發(fā)動機通常配備多種傳感器和控制系統(tǒng),通過實時監(jiān)控和調(diào)整發(fā)動機的運行參數(shù)來優(yōu)化燃燒過程。例如,氧傳感器可以監(jiān)測排氣中的氧含量,幫助控制系統(tǒng)調(diào)整空燃比,確保燃燒效率和排放性能的最佳狀態(tài)。進氣壓力傳感器和節(jié)氣門位置傳感器則可以幫助調(diào)節(jié)進氣量和噴油量,進一步優(yōu)化燃燒過程。渦輪增壓技術(shù)和廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)也是減少排放的重要手段。渦輪增壓可以提高進氣量和燃燒效率,從而減少HC和CO的排放,而EGR技術(shù)通過將一部分廢氣再引入燃燒室,降低燃燒溫度,有效減少NOx的生成。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和維護也對排放有直接影響,保持適當(dāng)?shù)陌l(fā)動機溫度可以優(yōu)化燃燒過程,減少污染物排放。

      發(fā)動機工作狀態(tài)的優(yōu)化和控制是減少機動車污染物排放的關(guān)鍵。通過先進的控制技術(shù)和精細的參數(shù)調(diào)整,可以顯著提高燃燒效率,減少HC、CO、NOx和PM的排放,為環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。研究和應(yīng)用這些技術(shù)對實現(xiàn)綠色交通和改善空氣質(zhì)量具有重要意義。

      2.2 車輛操作條件

      車輛是現(xiàn)代社會重要的交通工具,運行狀態(tài)影響安全、舒適,并對環(huán)境污染有顯著作用。駕駛方式、車載重量和輪胎氣壓決定燃油經(jīng)濟性及排放水平,從而影響空氣質(zhì)量。其中,駕駛方式尤為關(guān)鍵。常見誤區(qū)包括突發(fā)加速及頻繁剎車,這些操作增加發(fā)動機負荷并降低燃油效率。在快速加速期間,需要大量動力使得發(fā)動機過度噴射燃料導(dǎo)致不完全燃燒情況出現(xiàn),進一步增強污染物如CO、HC及NOx的排放。頻繁踩剎車浪費動能,制動過程中產(chǎn)生更多熱量和磨損顆粒,加劇環(huán)境污染。車輛重量影響燃油經(jīng)濟性與排放性能;載重增加滾動阻力和風(fēng)阻,需要發(fā)動機消耗更多燃油維持正常行駛。降低了燃油效率,尾氣污染物排放增加。因此合理規(guī)劃承載量減少排放保護環(huán)境意義重大。車主需依需求安排物品裝載,避免超載。輪胎氣壓對車輛維護有關(guān)鍵作用,影響燃油經(jīng)濟性、排放水平。適當(dāng)輪胎氣壓確保與地面接觸面積適中,降低滾動阻力和風(fēng)阻,從而減輕發(fā)動機負荷,提高燃料效率并減少排放。不論氣壓不足或過高均會增加油耗且惡化排放。因此車主應(yīng)定期檢查保持輪胎氣壓在推薦數(shù)值范圍內(nèi)。

      2.3 環(huán)境因素

      環(huán)境因素在整車排放測試中占有重要地位,對污染物生成與擴散產(chǎn)生直接或間接影響。氣溫就是一個明顯例子。高溫降低發(fā)動機冷卻系統(tǒng)工作效率,使得發(fā)動機溫度上升,干擾燃燒過程及其排放表現(xiàn)。高溫加速催化轉(zhuǎn)化器老化,轉(zhuǎn)換效率下降導(dǎo)致HC、CO和NOx等污染物排量增多。另一方面,在低溫狀態(tài)特別是冷啟階段,由于發(fā)動機及催化轉(zhuǎn)化器的性能欠缺,會削弱催化轉(zhuǎn)換效率,提高HC和PM的排放量。此外濕度極大地影響著排放情況。濕度變化影響空氣密度和含氧量,作用燃燒過程及排放特性。高濕度環(huán)境使催化轉(zhuǎn)化器表面凝結(jié)水分,降低催化活性導(dǎo)致排放性能惡化。海拔與大氣壓力同為重要環(huán)境因素。海拔升高造成大氣壓力下降、空氣稀薄、含氧量減少,進而削弱發(fā)動機燃燒效率與排放標(biāo)準(zhǔn);特別是,高海拔地區(qū)需增加油耗保持動力輸出,引起排放上升。外部因素如交通狀況和道路條件對排放有影響。擁堵情景下車輛啟動、加速、減速頻繁,污染物釋放增多。優(yōu)良的道路環(huán)境可使車輛平穩(wěn)行駛,多余燃油消耗及排放量降低。在整車排放測試中必須重視環(huán)境因素作用,并實施相關(guān)控制調(diào)整策略保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與可靠性。

      3 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

      3.1 實驗設(shè)計

      本研究針對此款品牌中型轎車排放特性和優(yōu)化展開實驗,通過市場代表型號作為測試樣本。在模擬道路條件下,建立綜合測試平臺,包括尾氣分析系統(tǒng)、車載診斷系統(tǒng)(OBD)以及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。記錄在不同環(huán)境中的排放數(shù)據(jù)與發(fā)動機狀態(tài)。依據(jù)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定多種工況如起步加速、勻速行駛等,并按照上述標(biāo)凂明確的操作規(guī)范確保數(shù)據(jù)一致且可復(fù)制。高精度排放分析儀用于實時采集關(guān)鍵污染物CO與HC濃度;OBD系統(tǒng)監(jiān)控點火正時、空燃比等參數(shù)以幫助了解其對排放性能影響。

      實驗采用交叉設(shè)計方法,研究點火正時、空燃比等參數(shù)對排放性能的影響。在每種工況下改變關(guān)鍵參數(shù),記錄排放數(shù)據(jù)趨勢。不同設(shè)置的數(shù)據(jù)揭示某些參數(shù)顯著地影響排放表現(xiàn)及其變化情形。為證實結(jié)果可靠與穩(wěn)定,進行重復(fù)測試環(huán)節(jié)。同條件多次測量汽車排放數(shù)據(jù),以消除偶然誤差干擾,提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和可信性,支持后繼分析與科學(xué)判斷基礎(chǔ)。實驗時遵循科學(xué)原則規(guī)范,保證數(shù)據(jù)真實可追溯。

      3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

      點火正時的影響:在起步加速工況下,將點火正時從10°CA BTDC調(diào)整到15°CA BTDC,并適當(dāng)減小空燃比,顯著降低了CO和HC的排放量,分別減少了25%和25%,NOx和PM的排放量也有所下降。這表明優(yōu)化點火正時和空燃比對于改善排放性能具有積極作用。車輛排放特性受工況變化影響。冷啟動時催化器未完全激活,污染物排放量增加;快速加熱催化器策略能降低排放水平。怠速運行期間HC、CO排放上升,要優(yōu)化控制策略解決此問題。自然增溫過程中催化裝置功能逐步展開,有時污染物減少。從技術(shù)手段提高設(shè)備升溫速度,縮短高污染階段,提高效果,顯示該設(shè)備在削減排放方面作用。

      3.3 結(jié)果討論

      深入分析實驗數(shù)據(jù),獲得不同工況下整車排放污染物特性及其規(guī)律的認識。研究表明:變化工況中車輛排放顯著差異,這些差異是發(fā)動機內(nèi)部物理化學(xué)過程與外界環(huán)境條件交互影響的結(jié)果。尤其在加速、冷啟動時期,由于發(fā)動機負荷突變、燃燒不穩(wěn)定以及催化轉(zhuǎn)換器未完全激活等因素,HC、CO和PM等污染物急劇增多,這一問題成為控制重點。怠速狀態(tài)下HC和CO排放較高現(xiàn)象主要因燃料不足完全燃燒與氣缸內(nèi)殘余廢氣再循環(huán),這進一步凸顯優(yōu)化怠速控制策略的必要性。實驗亦發(fā)現(xiàn)排放呈現(xiàn)有趣規(guī)律及變化,例如NOx在加速時排放量大幅增長,高負荷促使缸內(nèi)溫度壓力上升,并豐富了對機動車排放特性的理解、提供新視角以便后續(xù)深入分析。空燃比和點火正時等發(fā)動機運行參數(shù)顯著影響排放性能;它們通過調(diào)整關(guān)鍵參量來直接控制污染物生成轉(zhuǎn)換,并為技術(shù)改善提供科學(xué)支撐。本次實驗經(jīng)詳盡數(shù)據(jù)分析非常仔細考察各種現(xiàn)象,驗證設(shè)計科學(xué)合理嚴格執(zhí)行,也為未來開展更有效環(huán)保的控制方案奠定堅實基礎(chǔ)。同時此成果助推汽車技術(shù)創(chuàng)新并向環(huán)境保護可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)作出重要貢獻。

      4 結(jié)語

      本文通過對不同工況下整車排放的污染物進行測試和分析,得出了以下結(jié)論:不同工況對污染物排放的影響顯著;不同污染物的排放特性和變化規(guī)律存在差異;發(fā)動機工作狀態(tài)、車輛操作條件和環(huán)境因素等是影響污染物排放的關(guān)鍵因素。這些結(jié)論為深入理解整車排放機理和制定有效的減排策略提供了科學(xué)依據(jù)。

      參考文獻:

      [1]李偉.重型整車排放測試方法相關(guān)性分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2019(24):2.

      [2]許丹丹.重型整車排放測試方法對比研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2024.

      [3]中國環(huán)境科學(xué)研究院.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法:(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2005.

      [4]王建強,楊建軍,高繼東,等.柴油車尾氣排放控制技術(shù)進展[J].科技導(dǎo)報,2011,29(11).

      [5]郭國勝.柴油汽車排放控制技術(shù)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)旬刊,2006.

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