整车排放测试中不同工况对污染物排放的影响

摘 要：汽车数量增多使得大量污染物排放增加，从而对环境造成严重影响。这篇文章采用先进测量技术调查了整车在不同测试条件下的排放表现，旨在减少污染物排放。研究详细探讨了城市和高速行驶过程中的典型排放问题，并指出发动机状态、操作情况与周围环境显著影响污染水平。文中介绍了实验设计、数据处理及结果分析方法，从而推导出改善建议。

关键词：整车排放测试 工况分析 污染物排放 环境影响 排放控制技术

0 引言

随着全球工业化进程的加速和汽车保有量的持续增长，交通运输领域已成为大气环境污染的重要来源之一，尤其是机动车尾气排放中的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）以及颗粒物（PM）等污染物，对空气质量、人体健康及生态环境构成了严重威胁。整车排放测试作为评估车辆在实际使用条件下污染物排放水平的关键手段，对于制定和实施有效的排放控制策略具有至关重要的意义。

不同的工况条件，如城市道路拥堵、加速超车、减速制动等，会导致发动机工作负荷、燃烧效率及排气温度等参数发生变化，进而影响尾气中各类污染物的生成与排放。所以深入研究不同工况对整车排放特性的影响，不仅有助于揭示排放污染物的生成机理，还能改进排放控制系统、制定科学合理的排放标准提供理论依据和技术支持。

本文旨在通过系统分析整车排放测试中不同工况下的污染物排放数据，探讨工况参数变化对CO、HC、NOx及PM等污染物排放水平的影响规律。

1 整车排放测试工况分析

1.1 工况对污染物排放的影响

不同工况对整车排放的污染物具有显著影响。在怠速工况下，由于发动机负荷低且燃烧不充分，HC和CO的排放量相对较高。加速工况中，随着发动机负荷的急剧增加，燃油喷射量增大，燃烧温度升高，导致NOx的生成量显著增加，PM的排放也可能因燃烧不完全而上升[1]。匀速工况下，发动机工作相对稳定，污染物排放趋于平稳，但不同速度下的排放特性仍有所不同。减速工况中，制动回收系统的应用有助于减少能量损失和污染物排放，特别是在混合动力汽车中表现尤为明显。冷启动工况则是排放污染最为严重的阶段之一，由于发动机和催化器温度低，催化转化效率低，导致HC和PM的排放量急剧上升[2]。

不同的驾驶模式和操作条件也会影响排放水平。例如，频繁的急加速和急刹车会导致发动机工况变化剧烈，燃烧过程不稳定，排放大量未完全燃烧的碳氢化合物和一氧化碳。同时，驾驶员的驾驶习惯如长时间怠速或持续高转速行驶，也会增加污染物的排放。道路条件和交通状况同样对排放有显著影响，拥堵的城市道路和顺畅的高速公路上车辆的排放特性有所不同。在城市拥堵工况下，车辆频繁启动和停止，排放波动大，污染物浓度较高。而在高速行驶工况下，车辆以较稳定的速度运行，排放较为均匀，但长时间高负荷运行可能导致氮氧化物排放增加。因此，不同工况下的排放特性研究对于优化排放控制技术和制定合理的排放标准具有重要意义。

1.2 污染物排放特性分析

机动车排放的主要污染物包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）等。这些污染物对人体健康、大气环境及生态系统均造成不利影响。

现对不同工况下的排放特性进行总结。冷启动工况，发动机温度低，燃烧不充分，混合气浓度较高。此工况下，CO和HC排放浓度较高，因为低温下燃料不完全燃烧产生大量CO，同时未燃烧的燃料和润滑油蒸发形成HC；怠速工况，发动机转速低，进气量小，燃烧室内残余废气比例大。怠速时，CO和HC排放浓度也较高，尤其是CO排放显著增加，因为怠速时燃烧效率下降，混合气偏浓。怠速时NOx排放相对较低，因为高温高压条件是NOx生成的主要条件，而怠速时燃烧温度较低。加速工况，油门突然加大，进气量和供油量增加，空燃比提高。加速时，一氧化碳排放浓度有所下降，因为空燃比提高改善了燃烧效率；但HC排放浓度可能增加，因为加速过程中燃油雾化不良和燃烧不完全；NOx排放浓度会显著上升，因为加速时燃烧温度升高，促进了NOx的生成。等速工况，发动机以相对稳定的速度运行，燃烧状态较为稳定。等速工况下，CO和HC排放浓度相对较低，因为燃烧效率较高；但NOx排放浓度可能较高，因为此时燃烧温度较高且稳定。减速工况，油门减小或关闭，发动机转速下降。减速时，一氧化碳排放浓度可能骤增，因为减速过程中燃烧室内混合气过浓；HC排放浓度也可能出现一个高峰值，因为部分未燃烧的燃料被排出；而NOx排放则迅速减少，因为燃烧温度下降。

2 影响污染物排放的关键因素

2.1 发动机工作状态

点火正时控制燃烧过程参数。保证完整燃尽，提高效率，减少污染物排放。不正确点火正时导致不完全燃烧现象，并增加HC和CO排放量。精确空燃比理论λ等于1实现最优化效果。发动机状态多变，空燃比需在特定范围调整。气过浓（λ小于1）导致燃烧不完全，HC和CO排放增加；气过稀（λ大于1）则可能导致失火及排放恶化。为降低污染物，关键操作参数需精细控制与优化。高负荷时调节点火正时与喷油策略，在确保动力输出同时减少燃烧温度和压力，有效抑制NOx生成。利用先进发动机系统实时监测动态调整空燃比，减少HC和CO排放。优化催化转化器性能与位置作为降低排放手段，提高催化转换效率并缩短高排放期窗口显著降低尾气污染物浓度。通过调控负荷、转速、点火正时及空燃比等关键参数结合先进技术显著降低汽车运行过程中的污染物，为环境保护与可持续发展贡献力量[3]。

现代发动机通常配备多种传感器和控制系统，通过实时监控和调整发动机的运行参数来优化燃烧过程。例如，氧传感器可以监测排气中的氧含量，帮助控制系统调整空燃比，确保燃烧效率和排放性能的最佳状态。进气压力传感器和节气门位置传感器则可以帮助调节进气量和喷油量，进一步优化燃烧过程。涡轮增压技术和废气再循环（EGR）技术也是减少排放的重要手段。涡轮增压可以提高进气量和燃烧效率，从而减少HC和CO的排放，而EGR技术通过将一部分废气再引入燃烧室，降低燃烧温度，有效减少NOx的生成。发动机冷却系统的设计和维护也对排放有直接影响，保持适当的发动机温度可以优化燃烧过程，减少污染物排放。

发动机工作状态的优化和控制是减少机动车污染物排放的关键。通过先进的控制技术和精细的参数调整，可以显著提高燃烧效率，减少HC、CO、NOx和PM的排放，为环境保护和可持续发展提供技术支持。研究和应用这些技术对实现绿色交通和改善空气质量具有重要意义。

2.2 车辆操作条件

车辆是现代社会重要的交通工具，运行状态影响安全、舒适，并对环境污染有显著作用。驾驶方式、车载重量和轮胎气压决定燃油经济性及排放水平，从而影响空气质量。其中，驾驶方式尤为关键。常见误区包括突发加速及频繁刹车，这些操作增加发动机负荷并降低燃油效率。在快速加速期间，需要大量动力使得发动机过度喷射燃料导致不完全燃烧情况出现，进一步增强污染物如CO、HC及NOx的排放。频繁踩刹车浪费动能，制动过程中产生更多热量和磨损颗粒，加剧环境污染。车辆重量影响燃油经济性与排放性能；载重增加滚动阻力和风阻，需要发动机消耗更多燃油维持正常行驶。降低了燃油效率，尾气污染物排放增加。因此合理规划承载量减少排放保护环境意义重大。车主需依需求安排物品装载，避免超载。轮胎气压对车辆维护有关键作用，影响燃油经济性、排放水平。适当轮胎气压确保与地面接触面积适中，降低滚动阻力和风阻，从而减轻发动机负荷，提高燃料效率并减少排放。不论气压不足或过高均会增加油耗且恶化排放。因此车主应定期检查保持轮胎气压在推荐数值范围内。

2.3 环境因素

环境因素在整车排放测试中占有重要地位，对污染物生成与扩散产生直接或间接影响。气温就是一个明显例子。高温降低发动机冷却系统工作效率，使得发动机温度上升，干扰燃烧过程及其排放表现。高温加速催化转化器老化，转换效率下降导致HC、CO和NOx等污染物排量增多。另一方面，在低温状态特别是冷启阶段，由于发动机及催化转化器的性能欠缺，会削弱催化转换效率，提高HC和PM的排放量。此外湿度极大地影响着排放情况。湿度变化影响空气密度和含氧量，作用燃烧过程及排放特性。高湿度环境使催化转化器表面凝结水分，降低催化活性导致排放性能恶化。海拔与大气压力同为重要环境因素。海拔升高造成大气压力下降、空气稀薄、含氧量减少，进而削弱发动机燃烧效率与排放标准；特别是，高海拔地区需增加油耗保持动力输出，引起排放上升。外部因素如交通状况和道路条件对排放有影响。拥堵情景下车辆启动、加速、减速频繁，污染物释放增多。优良的道路环境可使车辆平稳行驶，多余燃油消耗及排放量降低。在整车排放测试中必须重视环境因素作用，并实施相关控制调整策略保证测试数据准确与可靠性。

3 实验设计与结果分析

3.1 实验设计

本研究针对此款品牌中型轿车排放特性和优化展开实验，通过市场代表型号作为测试样本。在模拟道路条件下，建立综合测试平台，包括尾气分析系统、车载诊断系统（OBD）以及环境监测设备。记录在不同环境中的排放数据与发动机状态。依据国家及行业标准确定多种工况如起步加速、匀速行驶等，并按照上述标凂明确的操作规范确保数据一致且可复制。高精度排放分析仪用于实时采集关键污染物CO与HC浓度；OBD系统监控点火正时、空燃比等参数以帮助了解其对排放性能影响。

实验采用交叉设计方法，研究点火正时、空燃比等参数对排放性能的影响。在每种工况下改变关键参数，记录排放数据趋势。不同设置的数据揭示某些参数显著地影响排放表现及其变化情形。为证实结果可靠与稳定，进行重复测试环节。同条件多次测量汽车排放数据，以消除偶然误差干扰，提高数据准确度和可信性，支持后继分析与科学判断基础。实验时遵循科学原则规范，保证数据真实可追溯。

3.2 数据统计与分析

点火正时的影响：在起步加速工况下，将点火正时从10°CA BTDC调整到15°CA BTDC，并适当减小空燃比，显著降低了CO和HC的排放量，分别减少了25%和25%，NOx和PM的排放量也有所下降。这表明优化点火正时和空燃比对于改善排放性能具有积极作用。车辆排放特性受工况变化影响。冷启动时催化器未完全激活，污染物排放量增加；快速加热催化器策略能降低排放水平。怠速运行期间HC、CO排放上升，要优化控制策略解决此问题。自然增温过程中催化装置功能逐步展开，有时污染物减少。从技术手段提高设备升温速度，缩短高污染阶段，提高效果，显示该设备在削减排放方面作用。

3.3 结果讨论

深入分析实验数据，获得不同工况下整车排放污染物特性及其规律的认识。研究表明：变化工况中车辆排放显著差异，这些差异是发动机内部物理化学过程与外界环境条件交互影响的结果。尤其在加速、冷启动时期，由于发动机负荷突变、燃烧不稳定以及催化转换器未完全激活等因素，HC、CO和PM等污染物急剧增多，这一问题成为控制重点。怠速状态下HC和CO排放较高现象主要因燃料不足完全燃烧与气缸内残余废气再循环，这进一步凸显优化怠速控制策略的必要性。实验亦发现排放呈现有趣规律及变化，例如NOx在加速时排放量大幅增长，高负荷促使缸内温度压力上升，并丰富了对机动车排放特性的理解、提供新视角以便后续深入分析。空燃比和点火正时等发动机运行参数显著影响排放性能；它们通过调整关键参量来直接控制污染物生成转换，并为技术改善提供科学支撑。本次实验经详尽数据分析非常仔细考察各种现象，验证设计科学合理严格执行，也为未来开展更有效环保的控制方案奠定坚实基础。同时此成果助推汽车技术创新并向环境保护可持续发展目标作出重要贡献。

4 结语

本文通过对不同工况下整车排放的污染物进行测试和分析，得出了以下结论：不同工况对污染物排放的影响显著；不同污染物的排放特性和变化规律存在差异；发动机工作状态、车辆操作条件和环境因素等是影响污染物排放的关键因素。这些结论为深入理解整车排放机理和制定有效的减排策略提供了科学依据。

参考文献：

[1]李伟.重型整车排放测试方法相关性分析[J].中国新技术新产品，2019（24）：2.

[2]许丹丹.重型整车排放测试方法对比研究[D].天津：河北工业大学，2024.

[3]中国环境科学研究院.车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法：（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）[M].北京：中国环境科学出版社，2005.

[4]王建强，杨建军，高继东，等.柴油车尾气排放控制技术进展[J].科技导报，2011，29（11）.

[5]郭国胜.柴油汽车排放控制技术[J].企业技术开发旬刊，2006.