整車排放測試中不同工況對(duì)污染物排放的影響

摘 要：汽車數(shù)量增多使得大量污染物排放增加，從而對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。這篇文章采用先進(jìn)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(xì)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(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、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(jìn)程的加速和汽車保有量的持續(xù)增長，交通運(yùn)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(jī)動(dòng)車尾氣排放中的一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）以及顆粒物（PM）等污染物，對(duì)空氣質(zhì)量、人體健康及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。整車排放測試作為評(píng)估車輛在實(shí)際使用條件下污染物排放水平的關(guān)鍵手段，對(duì)于制定和實(shí)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(dòng)等，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷、燃燒效率及排氣溫度等參數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)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(duì)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(jī)理，還能改進(jìn)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(duì)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(duì)污染物排放的影響

不同工況對(duì)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(dòng)機(jī)負(fù)荷低且燃燒不充分，HC和CO的排放量相對(duì)較高。加速工況中，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(dòng)機(jī)工作相對(duì)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(dòng)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(dòng)力汽車中表現(xiàn)尤為明顯。冷啟動(dòng)工況則是排放污染最為嚴(yán)重的階段之一，由于發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)影響排放水平。例如，頻繁的急加速和急剎車會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)浠衔锖鸵谎趸肌Ｍ瑫r(shí)，駕駛員的駕駛習(xí)慣如長時(shí)間怠速或持續(xù)高轉(zhuǎn)速行駛，也會(huì)增加污染物的排放。道路條件和交通狀況同樣對(duì)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(dòng)和停止，排放波動(dòng)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(yùn)行，排放較為均勻，但長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)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(duì)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(jī)動(dòng)車排放的主要污染物包括一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）等。這些污染物對(duì)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(duì)不同工況下的排放特性進(jìn)行總結(jié)。冷啟動(dòng)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)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?yàn)榈蜏叵氯剂喜煌耆紵a(chǎn)生大量CO，同時(shí)未燃燒的燃料和潤滑油蒸發(fā)形成HC；怠速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，進(jìn)氣量小，燃燒室內(nèi)殘余廢氣比例大。怠速時(shí)，CO和HC排放濃度也較高，尤其是CO排放顯著增加，因?yàn)榈∷贂r(shí)燃燒效率下降，混合氣偏濃。怠速時(shí)NOx排放相對(duì)較低，因?yàn)楦邷馗邏簵l件是NOx生成的主要條件，而怠速時(shí)燃燒溫度較低。加速工況，油門突然加大，進(jìn)氣量和供油量增加，空燃比提高。加速時(shí)，一氧化碳排放濃度有所下降，因?yàn)榭杖急忍岣吒纳屏巳紵剩坏獺C排放濃度可能增加，因?yàn)榧铀龠^程中燃油霧化不良和燃燒不完全；NOx排放濃度會(huì)顯著上升，因?yàn)榧铀贂r(shí)燃燒溫度升高，促進(jìn)了NOx的生成。等速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)以相對(duì)穩(wěn)定的速度運(yùn)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(duì)較低，因?yàn)槿紵瘦^高；但NOx排放濃度可能較高，因?yàn)榇藭r(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。減速時(shí)，一氧化碳排放濃度可能驟增，因?yàn)闇p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(gè)高峰值，因?yàn)椴糠治慈紵娜剂媳慌懦觯欢鳱Ox排放則迅速減少，因?yàn)槿紵郎囟认陆怠?/p>

2 影響污染物排放的關(guān)鍵因素

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)

點(diǎn)火正時(shí)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(diǎn)火正時(shí)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(shí)現(xiàn)最優(yōu)化效果。發(fā)動(dòng)機(jī)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；氣過稀（λ大于1）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(xì)控制與優(yōu)化。高負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)點(diǎn)火正時(shí)與噴油策略，在確保動(dòng)力輸出同時(shí)減少燃燒溫度和壓力，有效抑制NOx生成。利用先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測動(dòng)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(fù)荷、轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火正時(shí)及空燃比等關(guān)鍵參數(shù)結(jié)合先進(jìn)技術(shù)顯著降低汽車運(yùn)行過程中的污染物，為環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量[3]。

現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)通常配備多種傳感器和控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(jìn)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(jìn)氣量和噴油量，進(jìn)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(jìn)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(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)也對(duì)排放有直接影響，保持適當(dāng)?shù)陌l(fā)動(dòng)機(jī)溫度可以優(yōu)化燃燒過程，減少污染物排放。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的優(yōu)化和控制是減少機(jī)動(dòng)車污染物排放的關(guān)鍵。通過先進(jìn)的控制技術(shù)和精細(xì)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(hù)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(duì)實(shí)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(huì)重要的交通工具，運(yùn)行狀態(tài)影響安全、舒適，并對(duì)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(jì)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(dòng)機(jī)負(fù)荷并降低燃油效率。在快速加速期間，需要大量動(dòng)力使得發(fā)動(dòng)機(jī)過度噴射燃料導(dǎo)致不完全燃燒情況出現(xiàn)，進(jìn)一步增強(qiáng)污染物如CO、HC及NOx的排放。頻繁踩剎車?yán)速M(fèi)動(dòng)能，制動(dòng)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(jì)性與排放性能；載重增加滾動(dòng)阻力和風(fēng)阻，需要發(fā)動(dòng)機(jī)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(hù)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(duì)車輛維護(hù)有關(guān)鍵作用，影響燃油經(jīng)濟(jì)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(dòng)阻力和風(fēng)阻，從而減輕發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，提高燃料效率并減少排放。不論氣壓不足或過高均會(huì)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(duì)污染物生成與擴(kuò)散產(chǎn)生直接或間接影響。氣溫就是一個(gè)明顯例子。高溫降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作效率，使得發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)及催化轉(zhuǎn)化器的性能欠缺，會(huì)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(jìn)而削弱發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力輸出，引起排放上升。外部因素如交通狀況和道路條件對(duì)排放有影響。擁堵情景下車輛啟動(dòng)、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(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究針對(duì)此款品牌中型轎車排放特性和優(yōu)化展開實(shí)驗(yàn)，通過市場代表型號(hào)作為測試樣本。在模擬道路條件下，建立綜合測試平臺(tái)，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(dòng)機(jī)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(shí)時(shí)采集關(guān)鍵污染物CO與HC濃度；OBD系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)火正時(shí)、空燃比等參數(shù)以幫助了解其對(duì)排放性能影響。

實(shí)驗(yàn)采用交叉設(shè)計(jì)方法，研究點(diǎn)火正時(shí)、空燃比等參數(shù)對(duì)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(shí)結(jié)果可靠與穩(wěn)定，進(jìn)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(shí)驗(yàn)時(shí)遵循科學(xué)原則規(guī)范，保證數(shù)據(jù)真實(shí)可追溯。

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

點(diǎn)火正時(shí)的影響：在起步加速工況下，將點(diǎn)火正時(shí)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(diǎn)火正時(shí)和空燃比對(duì)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(dòng)時(shí)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(yùn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(rèn)識(shí)。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(dòng)機(jī)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(dòng)時(shí)期，由于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(diǎn)。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(jìn)一步凸顯優(yōu)化怠速控制策略的必要性。實(shí)驗(yàn)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(shí)排放量大幅增長，高負(fù)荷促使缸內(nèi)溫度壓力上升，并豐富了對(duì)機(jī)動(dòng)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(diǎn)火正時(shí)等發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(shí)驗(yàn)經(jīng)詳盡數(shù)據(jù)分析非常仔細(xì)考察各種現(xiàn)象，驗(yàn)證設(shè)計(jì)科學(xué)合理嚴(yán)格執(zhí)行，也為未來開展更有效環(huán)保的控制方案奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)此成果助推汽車技術(shù)創(chuàng)新并向環(huán)境保護(hù)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)作出重要貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)不同工況下整車排放的污染物進(jìn)行測試和分析，得出了以下結(jié)論：不同工況對(duì)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(dòng)機(jī)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(jī)理和制定有效的減排策略提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[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(duì)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(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)，楊建軍，高繼東，等.柴油車尾氣排放控制技術(shù)進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，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.