基于车载测试的机动车比功率与排放关系的研究.pdf
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2012年(第34卷)第1期汽车工程AutomotiveEngineering2012(Vol34)No12012004基于车载测试的机动车比功率与排放关系的研究*国家自然科学基金(50678072)资助。
原稿收到日期为2011年1月5日,修改稿收到日期为2011年4月7日。
郭栋1,王云鹏2,邹广德1,高松1,谭德荣1,邵金菊1(1.山东理工大学交通与车辆工程学院,淄博255000;2.北京航空航天大学交通与科学工程学院,北京100191)摘要搭建车载排放测试试验平台,选择轻型车和中型车进行了实际道路排放测试,建立了排放数据与行驶工况数据对应的数据库。
引入比功率的概念比较了机动车排放随比功率和速度的变化关系,分析了轻型车和中型车比功率的分布频率和3种污染物的排放随比功率的变化关系。
结果表明,轻型车和中型车比功率集中在37kW/t范围;和速度相比,机动车的排放与比功率有更强的相关性。
关键词:
车载排放测试;比功率;质量排放率AStudyontheCorrelationBetweenVSPandVehicleEmissionBasedonOn-boardEmissionTestGuoDong1,WangYunpeng2,ZouGuangde1,GaoSong1,TanDerong1ShaoJinju11.SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255000;2.SchoolofTransportationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191AbstractAnon-boardemissiontestingplatformisbuilt,lightandmediumvehiclesarechosenforconduc-tingtheiremissiontestonrealroad,andadatabaserelatingemissiondatatodrivingconditiondataissetupAconceptofvehiclespecificpower(VSP)isintroduced,therelationsofemissionvsVSPandemissionvsvehiclespeedarecompared,andthedistributionfrequenciesofVSPfortwotypesofvehiclesandthechangingrelationbe-tweentheemissionsofthreepollutantsandVSPisanalyzedTheresultsshowthattheVSPoflightandmediumve-hiclesconcentrateontherangeof37kW/t,andcomparedwithvehiclespeed,thereisamorestrongcorrelationbetweenemissionsandVSPofvehiclesKeywords:
on-boardemissiontest;VSP;massemissionrate前言以往的机动车排放研究集中在机动车排放与使用年限、行驶里程和运行工况等机动车使用因素及环境条件的关系,但对与机动车排放关系密切的输出功率考虑较少,因此在量化排放总量时不够准确16。
排放模型MOVES和IVE中都将机动车比功率作为排放因子计算的工具,与基于平均速度的宏观排放模型相比,可反映机动车输出功率对排放的影响,并具有较高的时间分辨率,可更加准确地反映城市机动车的污染时变特征。
车载排放测试相比于广泛采用的底盘测功机试验和隧道测试等手段,可更准确地反映实际道路机动车的排放特征,因此已成为国内外进行机动车排放研究的主要测试手段79。
本文中以车载排放测试获得的轻型车和中型车质量排放数据和行驶工况数据为基础,计算得到了两种车型比功率的分布频率,并分析了3种污染物质量排放率随比功率的变化关系,为确定影响机动车排放的因素并制定相应的控制策略提出了一种新思路。
1车载排放测试试验2012(Vol34)No1郭栋,等:
基于车载测试的机动车比功率与排放关系的研究19在实验室通过底盘测功机进行机动车排放测试忽视了交通流状况和道路坡度对机动车排放的影响,而隧道测试不能反映具体车型的排放状况,本文中采用分车型车载排放测试,在选取的包含不同类型道路的环路上进行轻型车和中型车排放测试,获取瞬态的排放数据和行驶状态数据,以及在不同交通管控措施如信号交叉口、环岛和单行等状况下带来的机动车排放的变化情况。
1.1试验方案研究选用的轻型车和中型车的基本情况如表1所示。
采用的OEM2100TM车载排放测试仪器由五气分析仪、发动机状态检测仪和电脑组成。
五气分析仪用于获取尾气中CO、HC、NOx、CO2和O2的体积百分比,同时发动机状态检测仪通过OBD连接到发动机上,每秒检测一次发动机转速、发动机温度和进气压力69。
表1试验车型及基本情况车型生产年限行驶里程/万km发动机排量/L捷达Gix2001年4.21.6红旗CA72012004年3.52.0捷达Gix2002年2.31.6海狮锐驰2002年2.82.4海狮锐驰2006年2.02.4哈弗H32008年1.82.4尾气浓度数据由五气分析仪每秒采集一次,其中CO、HC和CO2运用NDIR(无弥散红外线)方法来测量,NOx运用电化学单元测量。
仪器根据所测发动机参数数据计算尾气体积流量,并结合测得的尾气体积百分含量计算出瞬时质量流量89:
排放质量流量(g/s)=尾气浓度(g/L)尾气流量(L/s)。
该仪器有较高的精度,与底盘测功机测得的数据相比,相关性系数R2可达0.900.99。
搭建的车载排放测试试验平台如图1所示。
1.2试验数据处理车载排放测试道路试验时,OEM2100得到的车辆实时排放和发动机工况数据以文本格式存储于内置的存储卡中,GPS得到的车辆运行数据以文本格式存储于计算机中。
文本格式的数据经处理后,最终得到如表2所示的机动车排放污染物与行驶工况数据对应的车载排放测试数据库格式。
2实际排放特征与比功率的关系图1轻型车车载排放测试试验平台表2车载排放测试数据库格式在机动车行驶过程中,由于受到道路环境和交通流的影响,会产生机动车自身行驶状态的变化,从而引起车辆功率需求变化,进而导致发动机油耗和排放的变化。
机动车比功率(vehiclespecificpower,VSP)概念包含了驾驶条件对机动车排放的影响1012,较为准确地描述了功率需求随车辆行驶状态的变化。
机动车的比功率VSP为单位质量机动车的瞬时功率,它表示发动机克服车轮旋转阻力Fr、空气动力学阻力Fa做功以及增加机动车的动能EK和势能PE所需要输出的功率和因内摩擦阻力Fi造成的传动系的机械损失功率。
其数值与速度和加速度有关,数学表达式为VSP=d(EK+PE)dt+Frv+Fav+Fiv/m=ddt(0.5m(1+i)v2+mgh)+CRmgv+0.5aCDA(v+vm)2v+Cimgv/m=va(a+i)+gsin+gCR+0.5aCDAm(v+vm)2v+Cigv
(1)20汽车工程2012年(第34卷)第1期式中:
v为车辆行驶速度,m/s;m为车辆质量,kg;a为车辆行驶瞬时加速度,m/s2;i为质量因子;h为车辆行驶时所处位置的海拔高度,m;为道路坡度;g为重力加速度,取为9.81m/s2;CD为风阻系数;A为车辆挡风面积,CDA/m取值为5;CR为滚动阻力系数,与路面材料与轮胎类型有关,取0.0135;a为环境空气密度,在20时为1.207kg/m3;vm为风速,m/s;Ci为内摩擦阻力系数,忽略不计。
进一步整理简化,得到VSP最终的计算公式:
VSP=v(1.1a+9.8as+0.132)+0.000302v3
(2)式中s为道路坡度。
以轻型车道路的一段数据为例,将实时测得的机动车运行速度、3种污染物的质量排放率和计算得到的比功率以时间序列对应,如图2所示,可以直观地反映机动车3种污染物质量排放率随比功率与速度的变化关系。
由图可见:
NOx的排放与速度关系密切,随着速度的升高机动车的NOx质量排放率明显增加,而CO、HC的质量排放率也不断增加。
分析整个试验行程的曲线变化规律可以看出,由于在机动车实际道路试验存在加减速情形,比功率也各有正负,在比功率为负值时,机动车的瞬态排放率要远小于机动车比功率为正值时,3种排放污染物达到峰值都出现在比功率上升到最大值的时候,表明机动车的排放与比功率的相关性强于其与速度的相关性。
图2速度、比功率和排放与时间序列对应关系分析原因,机动车排放污染物形成于燃油在燃烧室内的燃烧,其中CO和HC是由于供氧不足导致燃料燃烧不完全的产物,NOx的产生受到燃烧室温度、滞留时间和氧浓度的影响。
在比功率为负值时,对应着机动车的减速情况,3种污染物质量排放率较低,在比功率较高时对应比较高的速度和加速度,符合3种污染物产生的条件,对应着排放污染物的峰值,反映出机动车3种污染物质量排放率与比功率有很强的相关关系。
3两种车型比功率与排放关系3.1比功率分布频率试验轻型车和中型车的比功率在2020kW/t区间内的频率分布如图3所示。
图3比功率分布频率图由图可见,两种车型比功率在1010kW/t区间内出现频率较高,比功率为0的出现频率为37.3%和46%,其规律反映出以下几个特点:
(1)比功率区间比较集中,两种车型比功率集中在37kW/t区间,反映此区间是驾驶员正常驾驶最频繁发生的比功率值,也是在机动车行驶过程中产生大多数排放的区间;
(2)在集中的比功率区间范围内,加速度的区间一般处于11m/s2,速度的范围集中于55m/s区间范围内,表现为机动车在行驶过程中速度较低,而且不存在急加速和急减速的情况;(3)通过比功率计算公式各参数之间的关系可以得出:
速度为恒正量而比功率为负值时,加速度必定为0.012m/s2以下的值,因此大部分负值比功率都对应着机动车处于减速工况;(4)比功率在大于零的区间内数值越大,机动车越易存在急加速的情况,而高的比功率往往对应着机动车的排放热点区域,因此从排放控制的角度,应该降低高VSP出现的频率,也就是从交通控制等角度来减少驾驶过程中急加速情况的产生,通过改善驾驶条件来优化机动车排放是改善交通环境质量的有效手段。
2012(Vol34)No1郭栋,等:
基于车载测试的机动车比功率与排放关系的研究213.2排放随比功率变化关系将车载排放测试得到的机动车的速度、加速度和道路坡度的数据代入式
(2),计算得到逐秒的比功率及其对应的3种污染物的质量排放率。
轻型车和中型车3种污染物质量排放率随比功率变化规律如图4图6所示。
从图中可以看出,两种车型3种排放污染物随机动车比功率的变化规律相似,随着比功率的增加基本呈单调升高的趋势。
通过具体分析得出两种车型3种排放污染物随比功率的变化规律如下:
(1)CO的质量排放率随比功率变化趋势,两种车型皆呈现了正比增长的规律,但当比功率在2015kW/t区间时,轻型车的CO排放增长速度一直较为缓慢,而且在比功率为零时出现了最低点;当比功率高于10kW/t后,CO质量排放迅速增长,这是由于高比功率值对应着浓混合气状态的缘故;
(2)HC的质量排放率在比功率为201kW/t范围内增长较缓慢,最高值与最低值相差0.2mg/s左右,但在520kW/t范围内增长比较迅速,以轻型车为例,在比功率为19kW/t时的排放率要高出6kW/t时的排放率0.4mg/s左右;(3)NOx的质量排放率与比功率的相关性优于HC和CO,随比功率的上升基本呈单调增加的趋势,这与高比功率随速度增加而增加的规律一致。
4结论选择在城市道路上行驶的轻型车和中型车作为研究对象,通过搭建车载排放测试平台并进行实际道路排放测试,获取了机动车质量排放数据与对应的行驶工况数据;建立了比功率计算公式,比较机动车排放随比功率和速度的变化关系;得到了轻型车和中型车比功率的分布频率,并分析3种污染物质量排放率随比功率的变化关系。
研究结论表明:
(1)和速度相比,机动车的排放与比功率之间有更强的相关性;
(2)两种车型的机动车比功率集中在37kW/t区间范围。
高比功率值虽然比例较小,但对应着高排放值,是机动车排放控制的重点;(3)两种车型3种污染物质量排放率随比功率而增加的速率,在比功率为负值时较为缓慢,在比功率为正值时增长较迅速,反映出通过改善机动车的运行环境,减少急加速工况可有效降低排放。
参考文献1马因韬,刘启汉,雷国强,等机动车排放模型的应用及其适用性比较J北京大学学报(自然科学版),2008,2(3):
1102李孟良,徐俊芳,戴春蓓不同排放法规阶段轻型汽油车排放控制技术特征J汽车工程,2009,31(8):
7417453UnalAOn-boardMeasurementandAnalysisofOn-roadVehicleEmissionsDNorthCarolinaStateUniversity,20024马杰,肖利寿,戴春蓓轻型汽车排气污染物劣化系数的研究J汽车工程,2007,29(9):
7807835PandianS,GokhaleS,GhoshalAKEvaluatingEffectsofTrafficandVehicleCharacteristicsonVehicularEmissionsNearTrafficIn-tersectionsJTransportationResearchPartD:
TransportandEn-vironment,2009,14(3):
1801966HuoH,ZhangQ,HeKB,etalHigh-ResolutionVehicularE-missionInventoryUsingaLink-BasedMethod:
ACaseStudyofLight-DutyVehiclesinBeijingJEnvironmentalScienceTechnology,2009,43(7):
239423997WangQ,HuoH,HeK,etalCharacterizationofVehicleDrivingPatternsandDevelopmentofDrivingCyclesinChineseCitiesJTransportationResearchPartD:
TransportandEnvironment,2008,13(5):
2892978王云鹏,沙学锋,李世武,等城市道路车辆排放测试与模拟J中国公路学报,2006,19(5):
8892(下转第66页)66汽车工程2012年(第34卷)第1期基本上所有的超差指标已经得到改善,其中大部分指标已满足要求,但还有部分未达到目标值。
B柱的减速度值相对于改进前有一定的上升,这主要是由于前纵梁刚度的增加造成整车的刚度也相对增加了,在碰撞过程中,刚度越高,传递到后面的能量就越高,乘员所受的减速度值也越大。
因此刚度并不是增加的越多越好。
在100%RB中,前纵梁的主要变形区域由前部和后部转移到了前部和中部,这有助于减小对乘员舱的冲击。
另外在改进后的碰撞过程中,左/右前纵梁的变形量相对改进前也有所增加,达到262mm/279mm,分别增加了13mm/25mm,这说明碰撞过程中,前纵梁吸收了更多的碰撞能量,这也提高了乘员舱中的乘员安全系数。
尽管设计更改为整车碰撞结构安全性带来明显的改善,但许多区域还是没有达到目标值,这为燃料电池轿车的乘员带来了安全风险。
事实上,由于前面所述原因的存在,在经过根据多种改制设计方案进行的碰撞模拟后发现,无法在现有的动力系统结构和布置前提下使整车的结构完全满足碰撞安全要求。
前部刚度增加的过多,使乘员在碰撞过程中的减速度超过身体的负荷。
上述对前纵梁的修改方案是一个效果较好又简单易行的方案。
4结论
(1)燃料电池轿车碰撞能量较传统轿车更大,因此在结构设计中要提高整车的刚度和强度,以保护乘员的人身安全。
但过大的刚度容易导致碰撞时乘客有过大的减速度,反而对人体有伤害。
(2)由于前舱的动力系统是集成化和模块化设计,且考虑到安装维护方便,一般都会采取固定在前副车架上并一起安装到车身上的方案,导致前副车架的承载能力要远大于传统的内燃机轿车,因此对副车架及其与车身的连接点必须进行加强设计。
(3)在前舱中,动力系统与前围板和前保险杠横梁之间的空间应保持有250mm的最小距离,以便留出足够的前纵梁的溃缩距离,使其吸收尽可能多的碰撞能量。
(4)对于燃料电池轿车上一些特殊的与安全性有关的部件,如高压蓄电池和氢瓶等,必须对其设计较为可靠的防护措施,对这些部件周围的车身或者底盘结构做局部的加强设计,甚至可考虑做一些主动的吸能设计,确保这些安全部件在碰撞过程中不受影响。
(5)目前燃料电池轿车的碰撞安全性一般只能通过有限元仿真来进行验证,无法利用实际的碰撞试验对仿真结果作对比验证,相信今后会逐步解决目前碰撞结构安全设计研究的局限性。
参考文献1黄伟科,朱平燃料电池轿车整车碰撞氢安全评价方法J机械制造,2010,48(3):
32352邬诚君,王宏雁基于虚拟碰撞试验分析燃料电池轿车车身结构的安全性J安全与环境学报,2006,6
(1):
33363潘璠,朱西产,王大志,等燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究J汽车工程,2008,30(11):
101310174何健,万党水燃料电池轿车氢瓶保护系统设计分析研究J上海汽车,2008(7):
19215王晓蕾,马建新,邬敏忠,等燃料电池汽车的氢安全问题C2007机械工程全国博士生学术论坛,2007:
219221(上接第21页)9张春化,王奉双,马志义,等在用汽车不同测试方法的排放特性J长安大学学报(自然科学版),2009,29
(2):
889310MichalVojtisek-LomOEM-2100MontanaSystemOperationMan-ualMNewYork:
Buflio,200311王云鹏,沙学峰,李世武,等机动车道路排放的实时测试系统开发及实验研究J公路交通科技,2005,22(8):
14915112Jimenez-PalaciosJLUnderstandingandQuantifyingMotorVehi-cleSpecificPowerandTILDASRemoteSensingDUSA:
Mas-sachusettsInstituteofTechnology,1999(上接第71页)参考文献1闫清东,张连第,赵毓芹坦克构造与设计M北京:
北京理工大学出版社,2007,12张质文,虞和谦,王金诺起重机设计手册M北京:
中国铁道出版社,2001,73MerhofW,HackbarthEM履带车辆行驶力学M韩雪海,等译北京:
国防工业出版社,19894王良曦,王红岩车辆动力学M北京:
国防工业出版社,2008,95丁法乾履带式装甲车辆悬挂装置动力学M北京:
国防工业出版社,2004,1
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