基于VMAS系統(tǒng)的在用車(chē)排放特性研究

李允平， 劉澤硯， 劉瑞祥

(山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

0 引 言

在用車(chē)作為移動(dòng)污染源對(duì)大氣構(gòu)成的污染程度日益嚴(yán)重，據(jù)2012年《中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治年報(bào)》[1]及文獻(xiàn)[2]顯示，在“十一五”期間汽車(chē)保有量增長(zhǎng)150%，其向大氣中排放的污染物日趨增多。隨著在用車(chē)行駛里程的增加，其排放特性也會(huì)隨之變差[3-4]。為了控制和改善在用車(chē)的排放，目前廣大科技人員對(duì)在用車(chē)排放特性進(jìn)行大量的研究并取得了一定的成果，但從現(xiàn)有資料來(lái)看這些成果很少涉及到利用汽車(chē)排放總量分析系統(tǒng)(Vehicle Mass Analysis System，VMAS)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究在用車(chē)的排放特性，而大部分利用的是實(shí)際道路行駛的方法。本文利用VMAS排放檢測(cè)系統(tǒng)研究在用車(chē)的排放特性，試圖通過(guò)利用VMAS系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析研究車(chē)輛排放特性與其影響因素的關(guān)系，從而尋找一種更簡(jiǎn)捷、科學(xué)、實(shí)用可行的方法，為找出排放超標(biāo)車(chē)輛以控制排放、保護(hù)環(huán)境提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 VMAS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

VMAS系統(tǒng)是執(zhí)行I/M制度(Inspection/Maintenance)的必備設(shè)備，I/M制度即檢查維修法，是美國(guó)在1968年通過(guò)的《空氣清潔法》基礎(chǔ)上，對(duì)汽車(chē)排放進(jìn)行全面控制的一套法規(guī)，主要是對(duì)在用汽車(chē)實(shí)施檢查維修制度。在國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)十幾年的探索和努力，業(yè)已形成了適合中國(guó)國(guó)情的基本完善的在用車(chē)排放污染物檢測(cè)與控制體系。VMAS系統(tǒng)就是專(zhuān)門(mén)用來(lái)檢測(cè)在用車(chē)排放的簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法所采用的設(shè)備。

一套完整的VMAS系統(tǒng)主要包括：底盤(pán)測(cè)功機(jī)、流量計(jì)、廢氣分析儀及廢氣采樣裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、存儲(chǔ)打印系統(tǒng)、車(chē)輛信息錄入系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及其它輔助設(shè)備。其具備的基本功能是：模擬道路行駛工況進(jìn)行測(cè)量排放污染物的檢測(cè)，并向客戶(hù)提供客觀、公正的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接受主管部門(mén)的監(jiān)督。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于總質(zhì)量3.5 t以下的第一類(lèi)和第二類(lèi)輕型車(chē)。

VMAS系統(tǒng)的分析系統(tǒng)由HC、CO、CO2、NO、O2的濃度自動(dòng)分析儀器和稀釋氣體流量分析儀器組成。簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況氣體污染物檢測(cè)使用下列儀器分析：一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和二氧化碳(CO2)采用不分光紅外法(NDIR)，一氧化氮(NO)采用電化學(xué)法或其它等效方法。五氣分析儀直接對(duì)排放氣體進(jìn)行采樣分析。

分析儀響應(yīng)時(shí)間：上升時(shí)間，當(dāng)采樣頭濃度上升，分析儀對(duì)該變化值的響應(yīng)從0上升到90%時(shí)，HC、CO、CO2響應(yīng)時(shí)間應(yīng)少于8 s，對(duì)于NO應(yīng)少于12 s，對(duì)于O2應(yīng)少于15 s；衰減時(shí)間，當(dāng)采樣頭濃度衰減至原值10%以下時(shí)，分析儀對(duì)該變化值的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)少于5 s(對(duì)NO可少于6 s)。儀器參數(shù)見(jiàn)表1[5-6]。

表1 五氣分析儀量程和精度、重復(fù)性要求

2 檢測(cè)方案的確定

實(shí)驗(yàn)在淄博市機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染物檢測(cè)中心進(jìn)行，該中心是集教學(xué)、科研、社會(huì)服務(wù)于一體的機(jī)動(dòng)車(chē)排放檢測(cè)、控制科研單位。所用的儀器設(shè)備均符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并經(jīng)主管部門(mén)定期檢定合格。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法的確定

利用VMAS系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，按照文獻(xiàn)[5]規(guī)定的實(shí)驗(yàn)規(guī)程對(duì)在用車(chē)的排放進(jìn)行檢測(cè)，并獲取各排放因子的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)采用相同型號(hào)、同一批次但行駛里程不同的在用車(chē)進(jìn)行，以期找出行駛里程、維護(hù)保養(yǎng)以及使用等因素對(duì)在用車(chē)排放特性的影響。

實(shí)驗(yàn)車(chē)樣本數(shù)為6，實(shí)驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18285-2005進(jìn)行。由于篇幅關(guān)系本文只給出兩輛車(chē)的基本信息以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果相應(yīng)的圖表。實(shí)驗(yàn)條件及樣車(chē)信息如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件及樣車(chē)信息

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 樣車(chē)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)車(chē)按照出廠技術(shù)條件將整車(chē)預(yù)熱，使其各部分的熱狀態(tài)達(dá)到技術(shù)條件的要求，輪胎氣壓和磨損程度均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求，關(guān)閉音響冷暖設(shè)備等。

2.2.2 儀器設(shè)備準(zhǔn)備

VMAS系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)前按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行標(biāo)定，主要標(biāo)定項(xiàng)目有底盤(pán)測(cè)光機(jī)、流量計(jì)、廢氣分析儀等。所有標(biāo)定項(xiàng)目均按文獻(xiàn)[5-6]中規(guī)定的方法進(jìn)行。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備好的樣車(chē)由實(shí)驗(yàn)人員按要求安全地駛上一切準(zhǔn)備就緒的VMAS檢測(cè)系統(tǒng)底盤(pán)測(cè)功機(jī)上，并將安全裝置固定好；系統(tǒng)操作員從主控機(jī)上調(diào)用該樣車(chē)的車(chē)輛信息后進(jìn)入檢測(cè)程序，實(shí)驗(yàn)人員按照司機(jī)助手的提示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)車(chē)輛的操作，直到整個(gè)實(shí)驗(yàn)程序結(jié)束并輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取采樣間隔為1 s、195 s內(nèi)的排放因子瞬時(shí)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的車(chē)速。同樣方法對(duì)同一輛實(shí)驗(yàn)車(chē)連續(xù)做3次，以驗(yàn)證其重復(fù)性。

3 結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在VMAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)得的關(guān)鍵工況排放因子數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，限于篇幅只給出了兩組數(shù)據(jù)，其中L1代表行駛9萬(wàn)公里的樣車(chē)，L2代表行駛12萬(wàn)公里的樣車(chē)。195 s內(nèi)的排放因子樣本見(jiàn)圖1。關(guān)鍵點(diǎn)曲線見(jiàn)圖2，關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)車(chē)速及使用檔位參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

表3 排放因子測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 結(jié)果分析

將表3中各加速工況轉(zhuǎn)以加速度表示，并以工況點(diǎn)代表，具體為：0→15 km/h的加速度為1.04 m/s2，15→10→0 km/h的加速度為-0.805 m/s2，0→15→32 km/h的加速度為0.885 m/s2，32→10→0 km/h的加速度為-0.835 m/s2，0→15→35→50 km/h的加速度為0.657 m/s2，50→35 km/h的加速度為-0.52 m/s2，35→10 km/h的加速度為-0.86 m/s2，勻速和怠速工況的加速度為0。從而得出如圖2所示的關(guān)鍵點(diǎn)工況與排放因子之間的關(guān)系曲線。

3.2.1 工況分析

從表3及圖2中可以看出，在各個(gè)工況下L2的排放因子均高于L1。說(shuō)明行駛里程對(duì)車(chē)輛的排放特性有直接的影響，隨著行駛里程的增加其排放特性也隨之變差。

在車(chē)速15 km/h、32 km/h、50 km/h勻速行駛時(shí)其平均污染物排放量L2較L1分別增長(zhǎng)485.34%、491.34%和428.00%，在增幅中HC及NOx所占的比重較大，CO所占的比例較小，這是與車(chē)輛行駛里程的增加而導(dǎo)致整車(chē)的工況變差、燃料不完全燃燒、輪胎磨損引起發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加以及與發(fā)動(dòng)機(jī)的日常維護(hù)保養(yǎng)和廢氣后處理的狀態(tài)有關(guān)。同時(shí)圖2中顯示，隨車(chē)速的提高L1和L2排放因子均增高，特別是NOx的增幅更大。

在怠速工況下L2比L1的平均增幅：CO為364.50%，HC為299.00%，NOx為1 888.75%。

(a) CO測(cè)量樣本值

(a) 關(guān)鍵點(diǎn)與CO排放因子關(guān)系

(b) HC測(cè)量樣本值

(b) 關(guān)鍵點(diǎn)與HC排放因子關(guān)系

(c) 關(guān)鍵點(diǎn)與NOx排放因子關(guān)系圖2 關(guān)鍵點(diǎn)工況與排放因子之間的關(guān)系

特別是在變工況條件下，行駛里程的增加對(duì)車(chē)輛排放特性的影響更為顯著。另外，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中知道HC及NOx排放因子的增長(zhǎng)率在各個(gè)工況均高于CO的增長(zhǎng)率。

綜合以上分析，車(chē)輛的不同工況對(duì)排放特性的影響是不同的[7]，勻速車(chē)速在32 km/h的排放隨行駛里程增大的增幅高于勻速車(chē)速15 km/h和50 km/h的排放增幅；怠速工況時(shí)CO的增幅最小，其次是HC，而NOx的增幅最大；在加速、減速過(guò)程中的排放增幅均較大。

行駛里程對(duì)汽車(chē)排放特性的影響因素除車(chē)齡因素外，與汽車(chē)的日常維護(hù)、保養(yǎng)、使用因素也有較大關(guān)系，例如不良的操作習(xí)慣、換檔時(shí)機(jī)等。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)、輪胎的磨損程度、各零部件的調(diào)整狀態(tài)、排氣后處理裝置的狀態(tài)也直接影響到汽車(chē)的排放特性。針對(duì)影響因素，要采取必要的措施來(lái)改善汽車(chē)的排放特性，并應(yīng)特別注意影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)和排氣后處理裝置是否處于最佳狀態(tài)、加強(qiáng)日常維護(hù)及保養(yǎng)、文明操作以保障各零部件及裝置處于有效的工作狀態(tài)，從而減低排放。

利用VMAS系統(tǒng)作為在用車(chē)的排放檢測(cè)平臺(tái)，除上述車(chē)輛因素外，儀器設(shè)備的測(cè)量精度、人員素質(zhì)、管理水平、操作規(guī)程及檢測(cè)方法掌握的熟練程度等均影響到測(cè)試結(jié)果。要對(duì)儀器設(shè)備按要求進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)及標(biāo)定，使其處于良好的工作狀態(tài)；對(duì)從業(yè)人員要加強(qiáng)業(yè)務(wù)培訓(xùn)，使其達(dá)到相應(yīng)的管理和技術(shù)要求。

3.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

鑒于在測(cè)試過(guò)程中由于儀器設(shè)備及操作等因素的影響，不可避免地會(huì)出現(xiàn)離散點(diǎn)，為了保證本研究的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)采用了灰色理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析[7-8]。

根據(jù)灰色理論中鄧氏關(guān)聯(lián)度的計(jì)算方法分析各排放因子間的灰色關(guān)聯(lián)度，計(jì)算公式如下：

式中的符號(hào)含義參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]。

具體計(jì)算過(guò)程及結(jié)果如下：

序列[1]為系統(tǒng)特征序列，序列參數(shù)為車(chē)輛行駛工況的加速度值。序列[2]為L(zhǎng)1(CO)；序列[3]為L(zhǎng)2(CO)；序列[4]為L(zhǎng)1(HC)；序列[5]為L(zhǎng)2(HC)；序列[6]為L(zhǎng)1(NOx)；序列[7]為L(zhǎng)2(NOx)。其余序列與它的鄧氏關(guān)聯(lián)度的計(jì)算過(guò)程如下[7,9]：第[一]步，計(jì)算序列初值像(計(jì)算過(guò)程及計(jì)算結(jié)果略)；第[二]步，計(jì)算差序列(計(jì)算過(guò)程及計(jì)算結(jié)果略)；第[三]步，計(jì)算極差，極差最大值：1 039.146 1，極差最小值：0.000 0(計(jì)算過(guò)程略)；第[四]步，計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)(計(jì)算過(guò)程及計(jì)算結(jié)果略)；第[五]步，其余序列與序列[1]的鄧氏關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果為，序列[2]：0.717 7；序列[3]：0.715 2；序列[4]：0.718 1；序列[5]：0.717 4；序列[6]：0.714 9；序列[7]：0.712 1。

比較各參數(shù)序列與行為序列[1]的鄧氏關(guān)聯(lián)度得出：L1的各排放因子與行為序列[1]的灰色關(guān)聯(lián)度均小于L2與行為序列[1]的灰色關(guān)聯(lián)度，表明L1與行駛里程的關(guān)系密切，而L2與行駛里程關(guān)系疏遠(yuǎn)，車(chē)輛排放特性惡化。這一結(jié)論與前文3.2.1的結(jié)論一致，均表明了行駛里程對(duì)排放特性的影響是直接的，隨著行駛里程的增加其排放特性將變差。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)在用車(chē)在VMAS系統(tǒng)上得到的排放因子進(jìn)行分析研究，同時(shí)利用灰色關(guān)聯(lián)度輔助分析。研究結(jié)果表明，在用車(chē)的行駛里程、維護(hù)保養(yǎng)對(duì)其排放特性有較大的影響，隨著行駛里程的增加，其排放特性也隨之變差。該研究方法簡(jiǎn)單、實(shí)用、科學(xué)，具有研究周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。為利用該方法開(kāi)展在用車(chē)排放特性的研究以控制排放提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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