城市道路汽车行驶工况及排放污染物的测试和分析研究

速过慢会造成机动车污染物排放量增加，有关研究
表明机动车车速较低时，车速每增减５ ｋｍ／ｈ，一氧 化碳和碳氧化合物的排放量变化在１５％￣２０％。当 汽车以较低的速度行驶与中速相比ＣＯ会增加０．９ 倍，ＨＣ也会增加ｏ．５５倍。 １．６部分城市与西安市道路行驶工况比较 表３表明：西安市的加、减速工况时间比例较 之北京、上海相对略高，和成都、天津处于一级水 平，而与ＥＣＥｌ５相比则差别很大，主要区别在加、 减速工况比例较高，匀速和怠速比例偏小，平均车 速偏高。显然，采用通常评价汽车污染物排放量的 ＥＣＥｌ５来评价西安市的状况不太适宜。因为西安市 的怠速、匀速工况比例与其差别很大。造成这种状 况的原因是西安属于老城，道路规划不够完善，加 之近年汽车总量的不断升高，使得交通拥堵现象愈 来愈严重。综合显示：以上各城市的匀速工况比例 较之ＥＣＥｌ５都低，此状况表明整体来说我国大中型 城市道路普遍都是流速较低、拥堵情况严重的现象。
息后，经接收仪接收，并由信号记录仪记录，其记 录频率为１ ｓ、测量速度误差０．０５ ｍ／ｓ。最后，为了
研究不同路线中汽车各工况特征值的情况，每通过 一个预设路线，记录一次起始和终了的时间。西安 市城市道路汽车行驶概况见表１。
吼＝√ｘ。＋ｙ。＋ｚ。
１．３西安市汽车城市道路行驶工况的测试 每天的７：００～１９：００选定为测试时间。首 先，在测试之前设定好要测试的路线，为以后的数
小雁塔
３０．４７ １２．６０ ２５・９５ ３０・９８ ２５．２４ １７．５３ ５５．７７ ３０．１２ ９・５４ ２８・４６ ３１．８６ ２３．５６ １６．４７ ５１．１５ １３・６５ １３・５０ ３７・３７ ３５・４８ ３３・８９ ２９．３３ ５７．５７
（１）
公式中ｘ７，ｌ，７，ｚ’是当卫星在指定轨道上运行
１．１数据采集仪器及设备
时，第Ｊ颗卫星的瞬时位置；ｘ。，ｙｕ，Ｚ。为运动体在 时间点ｔ。的瞬时位置；ｓｔ为站星距离，即运动体上 安装的信号接收仪和发出信号的第Ｊ颗卫星间的距
汽车行驶工况测试分析所需的设备及仪器有： ｑ）ｃｅｓ测速系统：其借助车身上安装的ＧＰＳ信号接收 仪和记录装置，随时记录汽车的瞬时速度；②Ｍｉ—
表１西安城市道路汽车行驶调查表
１．４
西安市城市道路行驶工况数据处理 图１为行驶工况数据处理流程图。将ＧＰＳ记录
同。由表２可看出：市区一般路段路面较窄、交通 流量小、有红绿灯、平面交叉，缺少非机动车道， 机动车与非机动车混行较为严重，故平均速度数值 和匀速工况比例和市区综合工况相近，而减、加速
仪记录的数据经汇总、转换后，用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ
城市道路汽车行驶工况及排放污染物的 测试和分析研究
宋真玉，李南，马亚乾 （长安大学汽车学院，陕西西安７１００６４）
摘要：为了适应欧Ⅲ排放法规的需要，针对西安市区城市道路上正常行驶汽车的工况及排放情况进行研究，通过采用
ＧＰＳ测速系统和ＩＰＥＸ Ｄ便携式排放测量仪。快速、准确的获取汽车正常行驶过程中的即时速度及瞬间排放污染物等客
ｐｐｍｖｏｌ／ｓ。
２０１３年第２期
４１
万方数据
汽车工程
表２西安市道路工况特征值
路段 外环路
怠速时间／％
１６．９１
匀速时间／％
２２．１９
减速时间／％
２６．００
加速时ＨＩ％
３４．９０
行驶速度
４０．６７
平均速度
３３．８１
最高速度
７４．７５
火车站一五路口一民乐园 —新城广场一西华门 钟楼 南门一南稍门一草场坡一 长安立交—小寨 八里村一政法学院一吴家 坟一国展中心一电视塔
图２西安市各类道路行驶工况
工况所占比例相对略高；市区主干道为城市中心的 交通密集区，贯穿城市南北，路面较宽、交通流量 大，红绿灯较多，商业区多，交叉路口多，所以汽 车行驶工况中怠速比例最高为２９．６２％；外环路路面 状况比较好，立体交叉、红绿灯较少等，因此汽车 行驶平均速度、匀速工况比例都比一般道路、市区 主干道高很多。 由表２可知，市区一般道路的特征值较高，主 干道较低，而市区综合工况则介于其中，其特征值 为平均速度２５．４８ ｋｍ／ｈ，匀速工况比例１３．８８％。这 组数据表明西安市市区道路运量非常大，且严重拥 挤。造成这种情况的原因还包括近年来西安市经济 快速发展，人们收入和消费水平不断提高，且国内 汽车生产企业加大了技术改造和规模扩张，从而促 使西安市车辆保有量不断增加。加之，城市交通网 络老化，规划不够合理等原因，使得西安市城市道 路运输负担进一步加重。同时，怠速、减速、加速 时间比率（２１．２５％、２９．２８％、３５．５５％）都非常高， 也从侧面反映出西安市城市道路运行状况不够良 好，骤停、急起频繁。 国内外有关研究成果和笔者的研究论证显示： 影响排放污染物的关键因素是运行工况和车速。加 速时，一氧化碳排放浓度高；减速时，碳氢化合物 排放浓度高；怠速时，一氧化碳、碳氢化合物排放 浓度高。中速和匀速时，一氧化碳、碳氢化合物排 放量少，氮氧化合物排放量多。城市道路拥堵或车
ＳｏｎｇＺｈｅｎｙｕ，ＬｉＮａ，Ｍａ
（Ｓｃｈｏｏｌ
wenku.baidu.com
Ｙａｑｉａｎ Ｘｉ’ａｎ ７１００６４，Ｃｈｉｎａ）
ｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａａｎ ｘｉ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ
ａｄａｐｔ
ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｕｒｏ １１１
ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ
ｕｓｅ
ｔｒａｆｆｉｃ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ ｃｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ
ｏｂｊｅｃｔ
ｏｆ ｓｔｕｄｙ，ｍａｋｉｎｇ
ｏｆ ＩＰＥＸ Ｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，
ａｎａ－
ＧＰＳ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｇａｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｒａｆｆｉｃ，ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ
ｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｙｃｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ，ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｙｃｌｅ，ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｔａｋｅｓ ＣＯ，ＨＣ，ＮＯＸ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ
ｃｒｏｓｏｆｔ Ｏｆｆｉｃｅ
Ａｃｃｅｓｓ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ
ｏｆ箱ｃｅ
ｅｘｃｅｌ和笔记本
离；ｄ为站星偏差，即信号传递过程中由于时间的 延迟等因素造成的接收仪和卫星之间的偏差，也可 以认为是ｓｔ的修正数值。式（１）中各式都是时间的函 数，因此对式（１）两边求导，即得动态载体的三维速
电脑；③测试用车为大众宝来，１．６ Ｌ排量，５挡手 动换挡，电喷发动机；上海大众明锐１．６ Ｌ排量，电 喷发动机，手动五挡机械变速箱，并装有三元催化 转化器。
大幅提高，城市规模进一步扩大，车辆拥有量逐年 骤增，随之而来面临的城市规划、道路设计、交通
控制、环境保护以及车辆监管等城市交通环境问题 倍显突出，及早着手合理规划、保护环境、创建宜 居西安显得越来越紧迫和重要，最终使得西安市愈 来愈重视控制汽车污染物排放。
１西安市汽车道路行驶工况分析
｜ｓ，＝陋’一孔）２＋∥７一圪）２＋皤’一ｚ。）２ｒ＋ｄ
ＧＰＳ测速是指分析接收到的ＧＰＳ信号，并经过 一系列相关数值计算，推理得出运动体的实时运动 速度。尽管不同的运动体运行速度有差异，运行状 态亦不同，但是只要将ＧＰＳ信号接收仪安装在其内 部，就可以随时随地的接收卫星发送过来的信号， 对运行体定位，并可以准确计算出其运行速度。其 基本原理如下。 利用信号接收仪与发射信号的卫星之间距离的 测量、接收天线和ＧＰＳ卫星之间的距离，以此来进 行速度测量。其计算式如下：
ｉ
ｓ＝【Ⅳ一（ｆｏ一，）△ｒ］（夕乍）△ｒ
（３’
ＧＰＳ卫星的运行速度（Ｘ。，Ｙ。，Ｚ。）的确定： 在进行测速之前，可先使动态接收仪处于静止状 态，则有：ｘ。，ｙ。，ｚ。＝ｏ，故可由上述各式得出卫 星的三维速度。这样以来，运动体的运行速度公式 中就仅有运动体的三维速度（ｘ。，ｌ，。，ｚ。）及接收
上式中，Ｊ７、ｒ是ＧＰＳ信号接收机所测得的积分多 普勒频移计数；，是第，颗ＧＰＳ卫星所发射的载波 频率；工为ＧＰＳ信号接收机所接收到的载波频率； △ｒ是测速时间间隔；ｃ为电磁波的传播速度；同
ａｓ
ｔｈｅ ｍａｉｎ
ｓｕｂｊｅｃｔｓ，ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｈｏｗ
ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｙｃｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｒｏａｄｓ ａｆｆｅｃｔｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｃｉｔｙ ｒｏａｄ；ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｙｃｌｅ；ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＧＰＳ；ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｆ
ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ
作者简介：宋真玉，男，硕士，研究方向为载运工具运用工程。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｆｅｉｓａ－ｔｒｅｅ＠１２６．ｔｏｍ
交通节能与环保Ｉ
Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
ｉｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ
万方数据
汽车工程
西安市是我国十三代王朝首都，也是我国西部 大开发战略过程中的重要城市，更是一个历史悠 久、底蕴深厚的旅游城市。近些年随着城市政治、 经济、文化战略地位的不断提升及人民生活水平的
图１汽车行驶工况数据处理框图
交通节能与环保Ｉ
Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ
万方数据
汽车工程
————————————————————————————————————————————————————————一
鬲三量聂函百番蓦季吾善吾嚣量量§蚕虿蚤ｓ
２各种行驶工况对排放污染物影响的分析
由表４可得：在怠速情况下ＮＯ。的平均排放量
为９７．７３８ ｐｐｍｖｏｌ／ｓ；在匀速情况下，ＮＯ。的平均排
放量为２２２．９１３ ｐｐｍｖｏｌ／ｓ；在加速情况下，ＮＯ。的平 均排放量为２７７．５４８ ｐｐｍｖｏｌ／ｓ；在减速情况下，ＮＯ。 的平均排放量为２０２．４２３
观数据，进而具体分析汽车在城市道路上的行驶工况及排放情况，最终计算得出西安市城市道路上行驶汽车的相应工
况、即时速度与瞬间排放之间的关系。其中，本文主要研究以汽油为燃料的车辆在城市道路条件下行驶时尾气排放中的
ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ×５－种污染物，客观分析并确定日常城市道路条件下汽车行驶工况对其排放的相关影响。
关键词：城市道路；汽车行驶工况；汽车工程；ＧＰＳ测速系统；排放污染物
中图分类号：Ｕ６６４．１２ ．ＤｇＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３．６４７８．２０１３．０２．００８ 文献标识码：Ａ
Ｔｈｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｆ Ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ
ｏｆｆｉｃｅ
ｅｘｃｅｌ计算出整个区间的参考值，然后随机挑出几个 不同的行驶周期为备选组。接着计算备选组工况的 特征值。其中汽车行驶各工况特征参数值主要包 括：怠速时间比例、匀速时间比例、减速时间比 例、加速时间比例、行驶速度、平均速度、最高速
度等等。如果其值和整个区间的特征值在误差范围
内，则认为此工况可以代表西安市道路行驶工况； 如果不在误差范围内，则认为此工况不合理。其时 间与速度的曲线图见图２。 １．５城市道路汽车行驶工况分析 汽车的运行工况在不同的道路条件下也有所不
１．２
度表达式，若忽略接收机和卫星时钟误差及电离层
对流层时延的变化，可以得到表达式如下：
ＧＰＳ测速原理简介
专，＝［：ｘｉ－ｘＪ（２’一支。）＋∥’一匕）（ｐ’一矿。）＋（ｚ’一ｚ。）（２７—２。：｜／ｓｊ
公式中， ｓｔ为站星距离变化率，是由ＧＰＳ信号 接收机测得；ｓｔ即站星距离。
ｉ
（２）
时，这些参数均是已知的，为此可以根据式（１）、（２） 和（３）联合求解计算出站星距离的变化率。
２０１３年第２期
万方数据
汽车工程
仪钟速击这四个未知参数。因此，至少需要观测四 颗在视ＧＰＳ卫星，就可求得以上公式中的未知数，
据采集、分析打好基础。然后，安装测试设备。将 ＧＰＳ接收天线固定在车顶部，天线连接ＧＰＳ接收 仪，接收仪连接汽车总线。卫星发出汽车的位置信
即运动体的速度为：
厂１——■ｉ——■ｒ