汽車尾氣成分動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究

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汽車尾氣成分動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究

劉建春，邵明亮

（廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024）

摘要：針對(duì)汽車尾氣成分動(dòng)態(tài)檢測(cè)的需要，設(shè)計(jì)不分光紅外檢測(cè)氣室、控制系統(tǒng)及上位機(jī)軟件，開發(fā)出簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況檢測(cè)儀。該控制系統(tǒng)以ARM7為核心，傳感器信號(hào)經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換等調(diào)理后實(shí)時(shí)顯示尾氣各成分的濃度并存儲(chǔ)。檢測(cè)儀經(jīng)USB接口把檢測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給工控機(jī)，利用上位機(jī)軟件對(duì)各成分濃度、流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析出汽車在各工況的排放等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：該檢測(cè)儀可滿足動(dòng)態(tài)檢測(cè)各工況尾氣成分和流量的需要，檢測(cè)結(jié)果直接決定環(huán)保標(biāo)志的發(fā)放，方便實(shí)用。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況；尾氣；檢測(cè)；ARM7；USB接口

收到修改稿日期：2013-04-17

0　引　言

目前，我國(guó)大部分地區(qū)使用雙怠速法對(duì)在用車尾氣進(jìn)行排放檢測(cè)。雙怠速法只是檢測(cè)汽車在高、低兩種怠速情況下的污染物排放，對(duì)于發(fā)現(xiàn)化油器轎車中的高排放車非常有效，而對(duì)于裝備電子燃油噴射系統(tǒng)和三元催化轉(zhuǎn)化器的轎車則效果較差，并且由于它是無(wú)負(fù)荷檢測(cè)方法，無(wú)法對(duì)車輛NOx的排放狀況進(jìn)行監(jiān)控，存在很大的局限性[1-2]。

本文介紹一種簡(jiǎn)易工況法可以解決上述方法的不足。這種方法可分為汽油車穩(wěn)態(tài)加載模擬工況法（ASM）和汽油車簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法（VMAS）。ASM、VMAS這兩種方法均為動(dòng)態(tài)加載檢測(cè)方法，能夠較好地檢測(cè)出尾氣排放中的CO、HC、NO等有害氣體成分[3-4]，對(duì)于裝備電子燃油噴射系統(tǒng)和三元催化轉(zhuǎn)化器的轎車的檢測(cè)也有明顯效果，且與新車排放認(rèn)證工況試驗(yàn)相比，既簡(jiǎn)化了設(shè)備、儀器，也可縮短試驗(yàn)時(shí)間[5]。

ASM方法屬于恒速定載工況檢測(cè)，不適用汽車行駛中多變工況的檢測(cè)。而VMAS方法可以在195s內(nèi)的檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)出加速、減速、怠速、恒速等多種工況的尾氣成分[6]。傳統(tǒng)的雙怠速法檢測(cè)設(shè)備包括底盤測(cè)功機(jī)、五氣分析儀、氣體流量分析儀、主控計(jì)算機(jī)等，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，本文設(shè)計(jì)了全新的汽油車簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況檢測(cè)儀，主要由尾氣五種氣體分析儀和尾氣流量檢測(cè)儀組成。

1　檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法檢測(cè)總體系統(tǒng)如圖1所示。汽車在底盤測(cè)功機(jī)上按檢測(cè)要求模擬特定工況行駛，計(jì)算機(jī)控制底盤測(cè)功機(jī)模擬不同工況的負(fù)荷，汽車尾氣一部分經(jīng)采集探頭送到五氣體分析儀，分析出尾氣中的CO、CO2、HC、NO、O2的濃度，其余尾氣經(jīng)收集裝置和空氣按比例稀釋后送給流量分析儀，測(cè)量其流量。計(jì)算機(jī)綜合底盤測(cè)功機(jī)模擬的速度、里程、五氣體濃度、流量等數(shù)據(jù)，計(jì)算出汽車尾氣中CO、HC、NO等有害氣體總體排放量。以下重點(diǎn)介紹五氣體分析儀和流量分析儀。

圖1　VMAS檢測(cè)系統(tǒng)組成

1.1尾氣成分檢測(cè)

對(duì)于NO、O2氣體濃度的測(cè)量，采用電化學(xué)原理檢測(cè)，對(duì)CO、CO2、HC氣體濃度的檢測(cè)則采用不分光紅外線（NDIR）檢測(cè)，它是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的變化而不同的原理制成的[7]。

對(duì)于采用NDIR檢測(cè)的CO、CO2、HC，必須先設(shè)計(jì)一個(gè)氣室機(jī)構(gòu)，如圖2所示。光通道上的元器件均是通過(guò)固定架5固定在底板上，被測(cè)氣體通過(guò)進(jìn)氣管7填充滿整個(gè)光通道管6，最終由排氣管8排出。紅外光源3發(fā)射出的光通過(guò)透鏡4轉(zhuǎn)換為平行光，經(jīng)隔氣玻璃2和光通道管6中的氣體，射向紅外傳感器9，并由傳感器上的濾光片對(duì)特定波段的光譜進(jìn)行帶通濾波，得到測(cè)量氣體的信號(hào)。

圖2　汽車尾氣成分檢測(cè)儀氣室結(jié)構(gòu)示意圖

紅外光源提供1~20μm發(fā)射光譜，通過(guò)濾光片，對(duì)特定波段的光譜進(jìn)行帶通濾波，從而使得每個(gè)濾光片透過(guò)的紅外光譜都能反映相應(yīng)特定成分的氣體的吸收情況。

氣體對(duì)紅外輻射的吸收遵循朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律[8-9]：式中：I——透射光的強(qiáng)度；

I0——入射光的強(qiáng)度；

C——吸收氣體的濃度；

K——吸收系數(shù)，取值見表1；

L——?dú)馐议L(zhǎng)度。

表1　不同氣體的特征波長(zhǎng)和吸收系數(shù)

氣體對(duì)紅外光吸收的程度，反應(yīng)在傳感器輸出的信號(hào)上。信號(hào)經(jīng)調(diào)理后可得氣體測(cè)量通道和參考通道的電壓信號(hào)，根據(jù)朗伯-比爾吸收定律，通過(guò)兩者的關(guān)系計(jì)算出各成分氣體的濃度，如式（2）所示。

式中：K0——當(dāng)待測(cè)氣體成分濃度C=0時(shí)，氣體測(cè)量通道和參考通道輸出電壓的比值；

ΔU——?dú)怏w測(cè)量通道和參考通道的電壓比。

由于氣室長(zhǎng)度固定，待測(cè)氣體的吸收長(zhǎng)度L保持不變，如果K0、K也保持不變，則ΔU和待測(cè)氣體的濃度成指數(shù)關(guān)系。實(shí)際上，由于K0、K受到很多因素的影響，例如氣體濃度的影響、氣室溫度的影響和大氣壓力的影響，ΔU和待測(cè)氣體的濃度C的關(guān)系比較復(fù)雜。因此通常是對(duì)已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測(cè)量，得到一系列的ΔU值，由此來(lái)擬合得到ΔU和待測(cè)氣體的濃度C的關(guān)系曲線。

氣室的材料和結(jié)構(gòu)直接影響入射到探測(cè)器的光強(qiáng)，因此氣室腔體要求內(nèi)壁光潔，不吸收紅外線，不吸附氣體，化學(xué)性能穩(wěn)定?？蛇x鋁合金作為氣室的材料，并利用透鏡將紅外光線轉(zhuǎn)化為與氣室平行的平行光。

氣室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定圓柱直徑和長(zhǎng)度。氣室的直徑應(yīng)該與光源透鏡的直徑相同，圓柱的長(zhǎng)度L則利用式（3）確定。

式中：C——儀器檢測(cè)氣體濃度的量程，見表2；

A——常數(shù)，取值為0.4343。

當(dāng)光程滿足式（3）時(shí)即滿足最佳吸光度條件，在該氣室長(zhǎng)度L下，所探測(cè)氣體的靈敏度最大。當(dāng)氣室的長(zhǎng)度不滿足最優(yōu)長(zhǎng)度時(shí)，此時(shí)的靈敏度相對(duì)較小。對(duì)于多組分氣體共用一個(gè)氣室，就存在選擇氣室長(zhǎng)度的問(wèn)題。一個(gè)長(zhǎng)度不可能對(duì)所有氣體都達(dá)到最佳吸光度，優(yōu)先考慮組合氣體中最關(guān)心的組分確定最佳長(zhǎng)度。

表2　五氣分析儀量程范圍和誤差要求

1.2尾氣流量檢測(cè)

在VMAS瞬態(tài)檢測(cè)工況中，機(jī)動(dòng)車排氣管排出的原始尾氣一部分被五氣成分檢測(cè)單元采集，另一部份與環(huán)境空氣混合，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)被VMAS氣體流量分析儀的排放氣體采集單元采集。在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，微處理器使用式（4）計(jì)算每秒的質(zhì)量流量（g/s）[10]：

式中：υ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下尾氣排放流量，由式（5）計(jì)算得到；

Ci——HC、CO、CO2、NO、O2在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的濃度，由成分檢測(cè)單元采集測(cè)量得到；

ρi——HC、CO、CO2、NO、O2在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度。

式中：νc——尾氣流量采集單元采集到的流量數(shù)值；kc——稀釋比，利用鋯氧氣傳感器測(cè)量在檢測(cè)過(guò)程中稀釋氣體的氧氣濃度改變，通過(guò)與尾氣成分檢測(cè)單元采集的氧氣濃度比較，由式（6）來(lái)計(jì)算。

式中：C0——周圍空氣氧氣濃度；C1——稀釋后氣體的氧氣濃度；C2——排放尾氣的氧氣濃度。

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

汽車尾氣成分動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該檢測(cè)系統(tǒng)以ARM7 LPC2142芯片作為控制核心。由于采集的傳感器信號(hào)很弱，利用調(diào)理電路，將信號(hào)放大，同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器MX7705自帶增益放大器，對(duì)外部調(diào)理的信號(hào)可以進(jìn)一步放大后，再A/D采集，減小對(duì)外部信號(hào)的調(diào)理要求。通過(guò)ARM7芯片的GPIO口管腳功能、特殊管腳SPI功能和內(nèi)置的USB接口來(lái)實(shí)現(xiàn)液晶屏顯示、觸摸屏和上下位機(jī)通信等功能。

圖3　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

汽車尾氣成分動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)軟件包括初始化模塊、通道選擇模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、觸摸屏控制模塊、PWM紅外光源控制模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊和USB通信模塊等。系統(tǒng)的主要任務(wù)是A/D采集，由于自帶增益放大器的A/D轉(zhuǎn)換器MX7705是通過(guò)SPI與CPU通信的，而觸摸屏控制芯片ADS7843也是通過(guò)SPI與CPU進(jìn)行通信。在檢測(cè)之前，系統(tǒng)無(wú)需啟用A/D轉(zhuǎn)換器MX7705，而且系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)時(shí)，一般情況下很少使用觸摸屏，因此本系統(tǒng)采用同一個(gè)SPI串行口，利用NPN三極管設(shè)計(jì)一個(gè)非門電路實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和對(duì)觸摸屏的控制，詳細(xì)流程如圖4所示。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為配合汽油車進(jìn)行VMAS簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法檢測(cè)，上位檢測(cè)系統(tǒng)還需配備底盤測(cè)功機(jī)。工控機(jī)接收上位主控計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)，并輸出控制信號(hào)給底盤測(cè)功機(jī)，控制其電渦流加載裝置的運(yùn)行。底盤測(cè)功機(jī)上的速度傳感器和扭力傳感器將信號(hào)發(fā)送給工控機(jī)，并經(jīng)由RS232串口傳送給主控計(jì)算機(jī)。同時(shí)尾氣成分與氣體流量等車輛尾氣排放信息數(shù)據(jù)經(jīng)由USB傳送給主控機(jī)。工控機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)換算處理后，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)受檢機(jī)動(dòng)車的排氣污染數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)評(píng)判，自動(dòng)區(qū)分、打印機(jī)動(dòng)車的黃、綠標(biāo)志，對(duì)檢測(cè)不合格的機(jī)動(dòng)車打印超標(biāo)通知單，等待治理合格后，才能按級(jí)別打印出相應(yīng)的環(huán)保標(biāo)志。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1單車實(shí)驗(yàn)

利用所設(shè)計(jì)的汽油車簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況檢測(cè)儀系統(tǒng)，按照GB18285-2005《點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（雙怠速法和工況法）》，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.6 L的小汽車進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

圖5　測(cè)試實(shí)驗(yàn)車速

如圖5所示，實(shí)線為國(guó)標(biāo)要求的汽車行駛速度，點(diǎn)線為實(shí)際行駛速度，可見，檢測(cè)時(shí)車速難與標(biāo)準(zhǔn)值一致。

圖6所示為圖5點(diǎn)線實(shí)際行駛速度下測(cè)量得到的3種氣體（HC、NO、CO）實(shí)時(shí)濃度，實(shí)線為HC濃度，虛線為NO濃度，點(diǎn)線為CO濃度。從圖中可見，HC排放在整個(gè)行駛過(guò)程濃度比較穩(wěn)定，大約為10×10-6； NO則在較高行駛速度工況下剎車時(shí)排放濃度大幅增加；CO則在低速加油門時(shí)增加較多。

圖6　尾氣濃度

綜合流量測(cè)量數(shù)據(jù)，可以獲得每秒3種氣體排放的當(dāng)量值，如圖7所示，HC排放相對(duì)穩(wěn)定，HC、CO變化趨勢(shì)與濃度相當(dāng)。

圖7　污染物排放

采用同一部車進(jìn)行多次測(cè)量，每次測(cè)量得到的尾氣濃度曲線和污染物排放曲線也不完全一致，但總體相差不大，而且同一部車多次測(cè)試結(jié)果基本一致。表3為本次檢測(cè)結(jié)果，可以初步判定該檢測(cè)方法是可靠的。

表3　測(cè)試結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)采用雙怠速測(cè)量進(jìn)行比對(duì)。雙怠速法測(cè)量出的HC和NOx的濃度均在10×10-6以下，CO和O2濃度幾乎為0，CO2的濃度為15.6%。兩者數(shù)據(jù)比對(duì)，新方法不僅數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，而且可以更加準(zhǔn)確反映出汽車實(shí)際排放情況，以及汽車的瞬態(tài)尾氣的流量和有害氣體的組成狀態(tài)。

4.2與雙怠速法對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了提高檢測(cè)結(jié)果的可比性，檢測(cè)人員及檢測(cè)儀器相對(duì)固定，測(cè)試環(huán)境（如大氣溫度、大氣壓力、相對(duì)溫度等）控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。選取了8種不同廠牌型號(hào)的轎車100輛，發(fā)動(dòng)機(jī)排量均在1.3～2.0 L之間的三箱和兩箱車，并按使用年限劃分為不同車齡段。分別采用雙怠速法和汽油車簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法（VMAS）進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，雙怠速法檢測(cè)平均值及達(dá)標(biāo)情況見表4，VMAS法檢測(cè)平均值及達(dá)標(biāo)情況見表5。

表4　雙怠速法檢測(cè)平均值及達(dá)標(biāo)情況

表5　VMAS法檢測(cè)平均值及達(dá)標(biāo)情況

從表4可見，車輛使用年限在4年以內(nèi)的車輛，采用雙怠速法檢測(cè)，達(dá)標(biāo)率都在90%以上；而使用6年以上的車輛，達(dá)標(biāo)率只有80%。由表5可見，采用VMAS法檢測(cè)，使用年限在2年以內(nèi)的車輛，達(dá)標(biāo)率最高，也只有86.7%，比雙怠速法低了6.3%；使用年限在2～4年的車輛，比雙怠速法低了10%；而使用年限在6年以上的車輛，比雙怠速法低了13.3%，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)該組數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，可見保養(yǎng)對(duì)車輛的排放影響很大。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)100輛轎車的對(duì)比檢測(cè)，結(jié)果表明，汽油車簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法（VMAS）的達(dá)標(biāo)率總體低于雙怠速法，而且隨著車輛使用年限的增加，相差也越大。

由于目前國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)仍然采用雙怠速法進(jìn)行年檢，大部分車都能通過(guò)檢測(cè)，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，拿到綠標(biāo)。隨著重點(diǎn)污染物排放總量控制擬寫入環(huán)保法，各地將加大汽車污染物排放總量控制，逐步建設(shè)汽油車簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法（VMAS）檢測(cè)線，因此有必要加大汽車尾氣成分動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的研究。

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Design of dynamic testing system for automotive exhaust components

LIU Jian-chun，SHAO Ming-liang

（Department of Mechanics Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China）

Abstract:For the need of dynamic vehicle exhaust composition detection，the authors designed non-dispersive infrared gas detection chamber，control system and PC software，and developed a simple transient detector. The control system takes ARM7 as the core，the signal of sensor is amplified and conversed by A/D module，and each concentration of exhaust component is displayed and stored in real time. The data produced by detecting instrument were transferred to the computer through USB interface，the statistics of each component concentration and flow was carried out through PC software，and the emission of the car in different conditions was analyzed. The experimental results showed that the instrument can dynamically detect gas composition and flow for cars in different working conditions. The test results directly determine the environmental issue，and the method is convenient and practical.

Key words:sample transient working condition；exhaust gas；test；ARM7；USB interface

基金項(xiàng)目：福建省青年人才基金項(xiàng)目（2008F3107）福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)基金項(xiàng)目（2012H0042）

收稿日期：2013-02-16；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.002

文章編號(hào)：1674-5124（2013）05-0006-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：X830.2；X734.201；TM930.12；TP277

作者簡(jiǎn)介：劉建春（1972-），男，福建泉州市人，副教授，博士，主要從事檢測(cè)技術(shù)、儀器儀表等研究工作。