車載質(zhì)量排放率測試系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)研究

祖力，王羽，郭棟，張學(xué)鵬

(1.吉林大學(xué) 交通學(xué)院，長春 130025；2.長春市公安局交通警察支隊，長春 130025)

隨著機(jī)動車保有量的不斷增加，機(jī)動車排放對城市大氣環(huán)境的影響越來越大。如何準(zhǔn)確評價機(jī)動車的排放水平及其影響因素，進(jìn)而通過各種措施來削減排放是交通科研工作者亟需解決的問題，因此如何獲取實(shí)時交通流中機(jī)動車的瞬時排放特征，對于解決機(jī)動車排放問題具有重要的基礎(chǔ)性的作用。

目前對機(jī)動車瞬時排放的測量方法有三種：一是測功機(jī)法[1]，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用底盤測功機(jī)模擬道路行駛工況，測量結(jié)果準(zhǔn)確。但是模擬工況畢竟不等于實(shí)際道路環(huán)境，在測功機(jī)上測得的排放數(shù)值和在實(shí)際道路上測得數(shù)值有出入[2]。二是遙控法[3]，由車載激光系統(tǒng)遙測在路面行駛的車輛排放水平，該方法受天氣環(huán)境影響，測量精度不高，大多用于交通流排放水平的統(tǒng)計，不能準(zhǔn)確反映單一車輛排放情況，且以上兩種方法設(shè)備昂貴，體積大。三是實(shí)際道路環(huán)境下排放水平的實(shí)時測試，目前國內(nèi)未研制出相關(guān)的儀器[4]，有資料顯示天津大學(xué)開發(fā)過此類儀器，但需要拆解車輛油路串接油耗儀，還要裝車速傳感器，安裝復(fù)雜，安全性較差。

為了克服上述不足，本文提出一種適用于車輛攜帶的，可以實(shí)現(xiàn)汽車實(shí)際道路環(huán)境下尾氣排放的快速、實(shí)時測試技術(shù)，即車載質(zhì)量排放測試系統(tǒng)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理

車載排放質(zhì)量測量系統(tǒng)，是由進(jìn)氣歧管壓力傳感器、進(jìn)氣歧管溫度傳感器、五氣體廢氣分析儀、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、GPS接收機(jī)和單板機(jī)以及帶有二合一RS232串口卡的筆記本電腦組成，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在底盤測功機(jī)上取得的。各組成部分的功能如下所示：

(1)利用進(jìn)氣歧管壓力傳感器、進(jìn)氣歧管溫度傳感器測取進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度；

(2)利用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器測得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)利用五氣體廢氣分析儀測取尾氣的排放的體積濃度；

(4)利用底盤測功機(jī)進(jìn)行模擬加載；

試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Sketch of test system

進(jìn)氣歧管壓力傳感器和進(jìn)氣歧管溫度傳感器安裝在發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管上，二者的輸出端與單板機(jī)的輸入端相連，單板機(jī)的信號輸出端和筆記本電腦的RS232串口卡相連。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器卡裝在發(fā)動機(jī)的第一缸點(diǎn)火高壓線上，通過測取發(fā)動機(jī)高壓線上的點(diǎn)火脈沖數(shù)來計算得到發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。五氣體廢氣分析儀的取樣探頭插裝在排氣管內(nèi)，廢氣分析儀的輸出端與筆記本電腦RS232串口卡相連接。筆記本電腦和五氣體廢氣分析儀之間是雙向通訊的，筆記本電腦向廢氣分析儀發(fā)出控制信號并要求廢氣分析儀把檢測到的尾氣排放的相關(guān)參數(shù)傳輸?shù)焦P記本電腦內(nèi)。

由發(fā)動機(jī)傳感器組傳輸?shù)倪M(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號結(jié)合發(fā)動機(jī)的氣缸排量和氣缸充氣效率，根據(jù)相關(guān)的速度-密度法數(shù)學(xué)模型，計算得出汽車發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量；同時廢氣分析儀測試得到的過量空氣系數(shù)可以換算得到發(fā)動機(jī)的實(shí)際空燃比；由空燃比的定義，進(jìn)氣質(zhì)量和發(fā)動機(jī)實(shí)際空燃比即可計算出燃油消耗量；再由發(fā)動機(jī)燃油消耗量結(jié)合五氣體廢氣分析儀傳輸過來的發(fā)動機(jī)尾氣排放 HC、CO、NOX、CO2等成分的體積排放百分比以及過量空氣系數(shù)，最終求得尾氣質(zhì)量排放率。

圖2 控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理框圖Fig.2 Control and data acquisition systemwork principle block diagram

試驗(yàn)是在底盤測功機(jī)上進(jìn)行的，用底盤測功機(jī)模擬道路運(yùn)行工況，試驗(yàn)重復(fù)性好。為了驗(yàn)證空燃比油耗模型的準(zhǔn)確性，便于模型修正，在試驗(yàn)中，同時用流量計式油耗儀測量試驗(yàn)車的油耗，作為用空燃比法油耗模型計算油耗的比對標(biāo)準(zhǔn)。測試得到的瞬態(tài)油耗可以結(jié)合四種排放污染物的體積濃度計算得到質(zhì)量排放率，計算流程如圖3所示。

圖3 計算步驟示意框圖Fig.3 Diagram for calculation steps

2 尾氣質(zhì)量排放計算模型

眾所周知，汽車的尾氣排放與其燃油消耗有著密不可分的關(guān)系，燃油消耗比較高的汽車一般尾氣排放量也會隨之增大。

發(fā)動機(jī)燃油消耗與尾氣排放之間的關(guān)系可以建立為相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在得到消耗的燃料質(zhì)量的前提下，通過燃油消耗與尾氣排放之間的數(shù)學(xué)模型計算即可得到汽車的尾氣排放中HC、CO、CO2、NOx的質(zhì)量。

尾氣排放中 HC、CO、CO2、NOx的質(zhì)量與油耗之間的數(shù)學(xué)計算模型表示為：

式中：mHC、mCO、mNOx、mCO2為 HC、CO、NOx、CO2的質(zhì)量排放率(g/s)為由廢氣分析儀測量出的過量空氣系數(shù)；mfuel為燃油質(zhì)量流量，g/s；

Mrexh為廢氣的平均分子量，由以下公式計算得到[2]：

Y為燃油中H原子與C原子的個數(shù)比，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于測量HC規(guī)定的燃油中H與C個數(shù)的比例為1.85:1；

R為由C6H14測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為C1的系數(shù)；由于進(jìn)行濃度轉(zhuǎn)化時，HC的分子量的獲得是參照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[7]的H/C的比例進(jìn)行計算的，國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的HC分析方法是FID，該方法在測量HC濃度時是將C都離解成C原子，再進(jìn)行測量。本廢氣分析儀測量HC濃度是使用的是NDIR法，該種測量方法僅對廢氣中C6成分比較敏感，兩種測量方法的不同造成測量結(jié)果有出入[6]。本試驗(yàn)中對試驗(yàn)車輛的穩(wěn)態(tài)工況排放廢氣，同時用FID測量的HC濃度值(106C1)與用NDIR法測量的濃度值(106C1)進(jìn)行了測量比較后得到轉(zhuǎn)換系數(shù)R=FID/NDIR=16.5。依據(jù)此系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將HC的濃度轉(zhuǎn)化為C0表示的值。

由此，可以通過公式(1)計算的燃油消耗質(zhì)量帶入到公式(2)、(3)、(4)中，計算得到尾氣中單位時間排放出來的HC、CO、CO2、NOX的質(zhì)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本項(xiàng)目通過空燃比法研制了燃油消耗測量裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合燃油消耗率和廢氣分析儀得到的尾氣濃度實(shí)現(xiàn)了對汽車尾氣質(zhì)量型排放的檢測。

由廢氣分析儀測試到的HC、CO、CO2、NOX以及過量空氣系數(shù)結(jié)合燃油消耗率，根據(jù)得到的尾氣排放質(zhì)量計算模型即可得到尾氣中HC、CO、NOX、CO2的質(zhì)量排放率。GPS車載系統(tǒng)可以檢測車輛的行駛速度，可以將燃油消耗量換算成百公里油耗，尾氣中 HC、CO、NOX、CO2的質(zhì)量排放率換算成排放因子，在筆記本電腦上的控制界面顯示結(jié)果，并將測量數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)記錄下來，便于后期查看和處理。

尾氣排放測試試驗(yàn)采用輕型車和中型車各三輛進(jìn)行了六次實(shí)際路試，表1列出了紅旗 CA7200E3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。

表1 紅旗車載質(zhì)量排放測試數(shù)據(jù)Tab.1 The test data of Red Flag CA7200E3

試驗(yàn)結(jié)果表明，在機(jī)動車保持20～32km/h的實(shí)際道路平均行駛速度下，NOx的質(zhì)量排放率處于2～10mg/s的范圍內(nèi)，CO的質(zhì)量排放率在5～30mg/s的范圍內(nèi)，CO的質(zhì)量排放率在100~620mg/s。與美國Clear air Technologies公司生產(chǎn)的車載排放質(zhì)量測量儀器 OEM-2100的試驗(yàn)結(jié)果相比，NOx和HC的排放偏高兩倍左右，而CO和CO2結(jié)果比較相符，這是機(jī)動車在不同道路下由于試驗(yàn)條件產(chǎn)生的排放差異有關(guān)。綜上，開發(fā)的車載排放測試儀器具有較高的精度，可以作為實(shí)際道路排放測試的手段。

4 結(jié)論

以測量實(shí)際道路上機(jī)動車的瞬態(tài)質(zhì)量排放率為目標(biāo)，利用進(jìn)氣歧管壓力傳感器、進(jìn)氣歧管溫度傳感器、五氣體廢氣分析儀、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、GPS接收機(jī)和單板機(jī)以及帶有二合一RS232串口卡的筆記本電腦開發(fā)了車載質(zhì)量排放測試系統(tǒng)。選擇了六臺輕型車，分別進(jìn)行了臺架模擬工況和實(shí)際路面試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果說明，用空燃比法檢測發(fā)動機(jī)油耗量，并利用尾氣質(zhì)量排放計算模型來得到機(jī)動車的實(shí)時道路質(zhì)量排放率，是一種簡單可行的尾氣實(shí)時測量方法。

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