在用機動車尾氣排放檢測簡易瞬態(tài)工況法監(jiān)管策略

胡丹

(青神縣節(jié)能監(jiān)察中心，四川 眉山 620460)

我國點燃式發(fā)動機汽車尾氣排放檢測方法主要是簡易瞬態(tài)工況法和雙怠速法[1]。前者檢測精度高，可檢測汽車尾氣中的氮氧化合物(NOx)，是一種性價比更高的在用機動車尾氣排放檢測方法，已在國內得到大范圍的應用[2]。但個別機動車排氣檢驗機構為追求經濟利益最大化，在檢測過程中進行違規(guī)檢測，例如取樣軟管未配備齊全或長度不符合要求，對于單排氣管車輛仍在取樣管上加“三通”管件以稀釋尾氣，車輛上線檢驗不插入取樣探頭等[3-5]。因此，研究簡易瞬態(tài)工況法檢驗監(jiān)管策略，為監(jiān)管部門提供實時高效、有理可據的監(jiān)管手段具有重要意義。

1 檢測原理

簡易瞬態(tài)工況法的設備組成包括底盤測功機、五氣分析儀、流量計、排氣取樣系統(tǒng)、自動檢測控制系統(tǒng)、安全保護裝置等[6]。由底盤測功機的滾筒表面代替路面，通過加載裝置模擬車輛行駛在道路上的各種阻力，再現(xiàn)實際行駛中的各種工況。系統(tǒng)根據錄入的車輛基準質量自動設定試驗工況的吸收功率值(表1)[7]。底盤測功機的速度和扭力傳感器通過串口將所測數(shù)據送達主控計算機。

同時，通過流量計的稀釋氧傳感器測量出環(huán)境空氣的氧氣(O2)濃度和稀釋尾氣的O2濃度，與五氣分析儀所測尾氣中的O2濃度進行比較，計算出進入流量計的排放尾氣的稀釋比例。流量計測量的實際稀釋體積流量經壓力和溫度修正后，得到標準大氣壓狀態(tài)下的稀釋體積流量，結合稀釋比例，進而即可計算出尾氣的實際排放流量。再通過五氣分析儀測得尾氣中一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和NOx3種污染物的排放濃度，可分別計算出受檢車輛每秒排放的3種污染物質量[8]。計算公式如下：

(1)

式中:DR——稀釋比；[O2]amb——檢測站測試環(huán)境下的大氣氧濃度讀數(shù)，%；[O2]dil——流量計中氧傳感器的濃度讀數(shù)，%；[O2]raw——五氣分析儀中氧傳感器的濃度讀數(shù)，%。

(2)

式中:Qsta——0℃和101.3 kPa大氣壓狀態(tài)下的稀釋體積流量，L/s；Qact——實際稀釋體積流量，L/s；P——稀釋廢氣壓力傳感器讀數(shù)，kPa；T——溫度傳感器讀數(shù)，K。

Qe=Qsta×DR

(3)

式中:Qe——尾氣實際排放流量，L/s。

mCO=10×[CO]×DCO×Qe

(4)

mHC=10-3×[HC]×DHC×Qe

(5)

mNO=10-3×[NO]×DNO×Qe

(6)

式中：mCO、mHC、mNO——CO、HC、NO的實時排放質量，g/s；[CO]——CO的實時排放濃度，%；[HC]——HC的實時排放濃度，10-6；[NO]——NO的實時排放濃度，10-6；DCO、DHC、DNO分別是標準狀態(tài)下CO、HC、NO的密度，g/cm3[7]。

測得的受檢車輛每秒實際輸出功率和每秒3種污染物排放質量相結合，最終可計算出受檢車輛在模擬道路負荷工況下的排氣污染物排放總量。

2 可監(jiān)管參數(shù)分析

2.1 車輛基準質量

整個檢測過程中，底盤測功機施加于車輪的阻力與最初檢測人員錄入的車輛基準質量有關。系統(tǒng)根據車輛基準質量，匹配表1中的底盤測功機吸收功率值，自動計算設定不同工況下底盤測功機應對受檢車輛施加的載荷，而行駛阻力不同，受檢車輛進行簡易瞬態(tài)工況運轉循環(huán)所輸出功率也將隨之變化，將直接影響受檢車輛尾氣排放的最終測量數(shù)值，尤其是NOx測量值。因此，應確保錄入的車輛基準質量真實可靠，測功機設定的加載功率值符合標準要求[9-10]。

2.2 (CO+CO2)濃度

《汽油車污染物排放限值及測量方法(雙怠速法及簡易工況法)》(GB 18285—2018)中明確要求CO與CO2濃度之和不應<6%，否則排放測量結果無效。由于空氣中N2約占78%，O2約占21%，稀有惰性氣體(氦、氖、氬、氪、氙、氡等)約占0.94%，CO2約占0.03%，其他氣體(O3、NO、NO2、H2O等)和雜質占0.03%。由此可見，空氣中的(CO+CO2)濃度<6%。汽油車發(fā)動機燃燒時的理論空燃比為1∶14.7，汽車尾氣中絕大多數(shù)氣體為CO2和H2O，所以(CO+CO2)濃度一定>6%的，否則，就說明在取樣過程中，可能有大量空氣進入五氣分析儀的取樣管內。大量統(tǒng)計數(shù)據顯示，當汽油車檢測數(shù)據出現(xiàn)(CO+CO2)濃度<6%時，違規(guī)檢測的可能性高達99%[11]。

2.3 O2濃度

按照發(fā)動機燃燒理論，當混合氣的過量空氣系數(shù)為1時，理論上空氣與燃料的需求配比為1∶1，即所提供的空氣量剛好能滿足燃燒的需求，空氣正好消耗完全。當發(fā)動機中過量空氣系數(shù)>1.3時，會導致空氣量太多，混合氣過稀，燃燒不能持續(xù)，發(fā)動機不能正常工作，故實際燃燒時的空氣量最多能比理論所需空氣量多出30%，且空氣中的O2濃度約為21%，即最多約有6.3%的O2沒有燃燒而排出機外(采用稀薄燃燒技術的燃氣車輛除外)。正常運行狀態(tài)下的汽油車發(fā)動機，其過量空氣系數(shù)一般在0.8～1.1范圍內，即車輛尾氣中的O2濃度應在2%左右。因此，監(jiān)測受檢車輛尾氣中的O2濃度很有必要，當O2濃度在2%左右波動時，認為檢測過程正常；當O2濃度超過6%時，大概率有其他來源為受檢車輛的尾氣提供了O2，說明檢測設備出現(xiàn)問題：五氣分析儀漏氣或O2測試單元失準[12]。大量統(tǒng)計數(shù)據顯示，當檢測數(shù)據出現(xiàn)O2濃度高于6%時，違規(guī)檢測的可能性高達99%[11]。

2.4 實時檢測尾氣流量

目前，車用發(fā)動機需要通過進氣沖程從外界獲取空氣和燃料，經過壓縮、做功沖程完成能量轉換，最后，經過排氣沖程，將廢氣排出機外[13]。根據物質守恒定律，可以近似的通過發(fā)動機排量與尾氣排出量的關系，判斷排氣管是否有泄漏，從而影響檢測結果。

根據克拉珀龍方程推導如下：

PV=nRT

(7)

式中:P——氣體壓強，Pa；V——氣體體積，m3；n——物質的量，mol；R——氣體常數(shù)，J/(mol·k)；T——溫度，K。

(8)

(9)

式中:P1——流量計內氣體壓力，kPa；V1——流量計測得排氣體積，L；T1——流量計測得氣體溫度，K；P2——氣缸內排氣壓力，kPa；V2——發(fā)動機排量，L；T2——氣缸內排氣溫度，K；C——常數(shù)。

因發(fā)動機進氣沖程損失、排氣不充分等因素影響，需考慮增加流量計測得排氣體積與發(fā)動機排量之間的關系系數(shù)。經統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，正常檢測時，該系數(shù)約為0.65。按照流量計正常工作狀況時的條件要求，流量計內氣體壓力P1約為0.08 MPa，流量計內氣體溫度T1應為298 K。根據發(fā)動機的工作原理，發(fā)動機排氣壓力P2一般約為0.1 MPa，排氣溫度T2約為1 000 K，且發(fā)動機曲軸每轉2圈(720°)，完成一輪進氣沖程、壓縮沖程、爆炸沖程、排氣沖程。結合公式(9)進行化簡后可得：

(10)

Qact=2×10-3×n1×V2

(11)

式中:Qact——實際稀釋體積流量，L/s；n1——發(fā)動機轉速，r/min；V2——發(fā)動機排量，L。

依據上式的理論推導，可以利用發(fā)動機排量和發(fā)動機轉速的過程數(shù)據，通過公式(11)近似繪制出理論汽車尾氣流量曲線，將該曲線與實時檢測尾氣流量曲線進行比較，當差異較大時，檢測過程中可能發(fā)生了流量管泄漏現(xiàn)象，當差異>10%時，可基本判定為違規(guī)檢測[11]。

3 可監(jiān)管參數(shù)的可行性驗證

3.1 五氣分析儀漏氣實驗

選取RM<3 500 kg的單排氣管輕型汽油車進行簡易瞬態(tài)工況法五氣分析儀漏氣實驗。第1組實驗：車輛嚴格按照標準流程規(guī)范操作；第2組實驗：車輛在3檔車速為50 km/h運行工況時，拔出五氣分析儀取樣管；第3組實驗：車輛在3檔車速為50 km/h運行工況時，于五氣分析儀取樣管的三通閥門處接入一根取樣管抽取空氣，同時另1根取樣管抽取尾氣。

實驗結果表明，嚴格按照標準流程操作時，系統(tǒng)顯示(CO+CO2)濃度>6%、O2濃度<6%；拔出抽取受檢車輛尾氣的取樣管和接入一根抽取空氣的取樣管時，系統(tǒng)均顯示(CO+CO2)濃度<6%、O2濃度>6%。由此可見，可通過觀察CO與CO2濃度之和是否低于6%、O2濃度是否高于6%來判斷檢測過程中是否存在漏氣現(xiàn)象，從而實施有效監(jiān)管。

3.2 實測尾氣流量異常案例

1輛出廠日期為2011年，廠牌型號為QCJ7151A6型轎車，發(fā)動機排量為1.5 L，以簡易瞬態(tài)工況法進行尾氣排放檢測。監(jiān)管人員通過日常抽查監(jiān)控平臺的歷史視頻，發(fā)現(xiàn)該車在初檢時，流量管未完全收集其尾氣，有明顯流量管漏氣現(xiàn)象，按照上述分析計算出理論尾氣流量曲線，將其與實時檢測尾氣流量曲線比較，發(fā)現(xiàn)實時檢測尾氣流量與理論尾氣流量之間的差異率較大。監(jiān)管人員通知檢測站召回該車輛，按照檢測流程規(guī)范進行了復檢，將復檢的實時檢測尾氣流量曲線與理論尾氣流量曲線比較，差異率均<10%。部分實時檢測過程數(shù)據見表2。理論尾氣流量曲線和初、復檢實測尾氣流量曲線對比情況見圖1。由此可見，監(jiān)管人員可以通過監(jiān)控實時檢測尾氣流量與根據發(fā)動機排量、發(fā)動機轉速計算出的理論尾氣流量之間的差異，來判斷檢測過程中，是否存在違規(guī)檢測嫌疑，從而對簡易瞬態(tài)工況法檢測實施有效監(jiān)管。

表2 違規(guī)操作案例的部分實時檢測過程數(shù)據

圖1 違規(guī)操作案例的理論尾氣流量曲線和實測尾氣流量曲線對比

4 結語

監(jiān)管的目的不是為了對檢測機構進行處罰，而是為了減少、甚至杜絕違規(guī)檢測現(xiàn)象，推動機動車尾氣排放檢測領域規(guī)范化。本研究提出的監(jiān)管策略屬于事后監(jiān)管，而事后監(jiān)管并未真正達到監(jiān)管目的，應將監(jiān)管措施運用于監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)設定當中，通過系統(tǒng)軟件及時發(fā)現(xiàn)異常檢測數(shù)據，在檢測過程中中止檢測，將事后監(jiān)管變?yōu)槭轮斜O(jiān)管，從而切實有效地達到監(jiān)管目的。