汽油車簡易瞬態(tài)工況法排放檢測影響因素分析

黃萬友，谷成婕，唐向臣，于明進*，田雪松

1.山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 濟南 250357；2.山東新凌志檢測技術(shù)有限公司,山東 濟南 250000

0 引言

簡易瞬態(tài)工況法具有接近車輛實際工況、評價指標(biāo)客觀準(zhǔn)確等優(yōu)勢，成為汽油車排放檢測方法中的主流方法[1]，文獻[2]對簡易瞬態(tài)工況法增加了明確的測試限值。檢測過程中保證檢測數(shù)據(jù)真實準(zhǔn)確至關(guān)重要，文獻[3]研究表明稀釋系數(shù)測定誤差影響車輛排放檢測結(jié)果；文獻[4-7]通過試驗分析了汽油添加物(乙醇、二甲醚、甲基叔丁基醚和乙基叔丁基醚等含氧化合物、乙醛和苯系物等)對車輛排放的影響；文獻[8]研究發(fā)現(xiàn)，隨著試驗循環(huán)中平均車速的提高，氣體排放下降；文獻[9]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛安裝后處理系統(tǒng)時，大多數(shù)試驗條件下的顆粒物、THC和CO排放都非常低；文獻[10]通過測試同一駕駛員駕駛同一車輛、2位經(jīng)驗不同的駕駛員駕駛同一車輛以及2位經(jīng)驗豐富的駕駛員駕駛同一車輛3種情況下的排放，驗證了駕駛因素對汽車排放結(jié)果具有明顯影響；文獻[11]通過改變預(yù)置溫度，得出溫度對排放檢測結(jié)果的影響；文獻[12-15]從設(shè)備自身、人為因素、燃油品質(zhì)、市場監(jiān)管及周圍環(huán)境5個方面分析了排放檢測結(jié)果的影響因素。

本文中基于汽車底盤測功機、氣體分析儀、氣體流量分析儀，測試分析汽車底盤測功機寄生功率(測功機內(nèi)部摩擦損失功率)、測功機加載功率、氣體分析儀取樣探頭深度、取樣管長度、取樣管樣氣流量、氣體流量分析儀氧傳感器測量環(huán)境氧的準(zhǔn)確性、氣體流量分析儀體積流量、集氣軟管長度等因素對檢測結(jié)果的影響規(guī)律，并給出應(yīng)對策略，保證簡易瞬態(tài)工況法排放檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

狀態(tài)穩(wěn)定的試驗車輛有利于減小車輛自身原因?qū)ε欧艡z測結(jié)果的影響，在進行汽車底盤測功機寄生功率對排放檢測結(jié)果的影響試驗時，整備質(zhì)量較小的汽車對應(yīng)的加載功率小，便于測試寄生功率對排放檢測結(jié)果的影響，因此質(zhì)量小的車輛(車輛B)僅用于進行汽車底盤測功機寄生功率對排放檢測結(jié)果的影響試驗，整備質(zhì)量大的汽車(車輛A)對應(yīng)的加載功率大，進行除寄生功率外其他影響因素的排放檢測試驗。試驗車輛參數(shù)如表1所示，氣體流量分析儀、氣體分析儀、汽車底盤測功機等主要試驗設(shè)備參數(shù)如表2～4所示。

表1 試驗車輛參數(shù)

表3 MQW-5105(Z)氣體分析儀測量參數(shù)及測量范圍

表4 ADG-10A汽車底盤測功機參數(shù)

1.2 試驗方案

按照文獻[2]相關(guān)試驗要求，由同一名駕駛經(jīng)驗豐富的駕駛員嚴格按照簡易瞬態(tài)工況法運轉(zhuǎn)循環(huán)駕駛車輛，對試驗車輛采用單一變量法測試，每組試驗至少進行3次簡易瞬態(tài)工況法排放檢測，取平均值作為最終檢測結(jié)果。

2 底盤測功機對簡易瞬態(tài)工況法排放檢測結(jié)果的影響

2.1 寄生功率

由同一名駕駛員駕駛試驗車輛B，車速為40 km/h，在寄生功率分別為0.59、1.01、1.91、2.22 kW的4臺汽車底盤測功機上采用簡易瞬態(tài)工況法進行排放檢測，不同寄生功率時CO、HC、NOx排放如表5所示。

表5 不同寄生功率時排放結(jié)果

由表5可知：底盤測功機的寄生功率影響車輛排放檢測結(jié)果，其中CO及NOx排放隨寄生功率的增加呈上升趨勢，HC排放隨寄生功率的增加在一定范圍內(nèi)浮動。這是因為被測車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量小、加載功率小，寄生功率超過車輛測試時所需的加載功率，寄生功率增大，相當(dāng)于車輛負載增加，影響排放檢測結(jié)果。

寄生功率隨測功機使用年限的增加而增大，也因生產(chǎn)廠家不同而異，因此應(yīng)注重汽車底盤測功機的維護保養(yǎng)，減小軸承等部件之間的磨損。為使檢測結(jié)果更具準(zhǔn)確性和公正性，在同一地區(qū)應(yīng)使用寄生功率相近的汽車底盤測功機作為檢測設(shè)備。

2.2 吸收功率

排放試驗車輛A基準(zhǔn)質(zhì)量為1825 kg，文獻[2]推薦車速為50 km/h時測功機的吸收功率為2.73 kW，在試驗過程中將50 km/h時的測功機吸收功率分別設(shè)置為1.80、2.00、2.73、2.99、3.12 kW進行簡易瞬態(tài)工況法排放檢測。不同吸收功率下的CO、HC、NOx排放如表6所示，測功機吸收功率對加載扭力的影響如圖1所示。

表6 不同測功機吸收功率時排放結(jié)果

圖1 不同測功機吸收功率時的加載扭力曲線

由表6及圖1可知：車輛A的CO、HC、NOx排放隨底盤測功機吸收功率增大呈上升趨勢；測功機吸收功率越大，加載扭力越大，當(dāng)在規(guī)定時間內(nèi)達到某一速度時，車輛的阻力就越大，駕駛員踩油門的力度越大，排放相應(yīng)增大，反之則排放減小。這主要是由于為改進汽油機加速性能，電控噴油系統(tǒng)的策略是在車輛加速時增加噴油量，使混合氣變濃，車輛加速段混合氣加濃后，由于缺乏氧氣，燃燒不完全，導(dǎo)致CO、HC排放增加；阻力加大后，在車輛勻速行駛過程中，燃燒溫度升高等因素也會引起NOx排放增加。

3 氣體分析儀對簡易瞬態(tài)工況法排放檢測結(jié)果的影響

3.1 排氣取樣探頭深度

按照文獻[2]試驗要求，由同一名駕駛員駕駛排放試驗車輛A，將排氣取樣探頭分別插入車輛尾氣管50、100、200、400、550 mm進行簡易瞬態(tài)工況法排放檢測。取樣探頭深度不同時CO、HC、NOx排放如表7所示，取樣探頭深度對原始排氣中O2體積分數(shù)的影響如圖2所示。

表7 不同取樣探頭深度下排放結(jié)果

圖2 取樣探頭深度對原始排氣中O2體積分數(shù)的影響

由表7可知：當(dāng)排氣取樣探頭深度由100 mm增加至550 mm時，排放檢測結(jié)果整體變化不大；排氣取樣探頭深度由100 mm減小至50 mm時，各污染物排放劇增，CO排放增加106%，HC排放增加239%，NOx排放增加98%。

由圖2可知：當(dāng)取樣探頭深度為50 mm時，原始排氣中O2體積分數(shù)明顯高于其他取樣探頭深度，這是因為氣體分析儀抽取的樣氣中混合了空氣，使得氣體分析儀測量的原始排氣中O2體積分數(shù)劇增。原始排氣中O2體積分數(shù)劇增引起排氣的稀釋比劇增，使排氣流量劇增，導(dǎo)致污染物排放明顯增加。因此，探頭深度為50 mm時，分析儀取樣中O2體積分數(shù)對檢測結(jié)果起決定性影響，導(dǎo)致簡易瞬態(tài)工況法測量的排放結(jié)果劇增。取樣探頭深度為100、200、400和550 mm時，原始排氣中O2體積分數(shù)變化相對較小，各污染物實時體積分數(shù)對檢測結(jié)果起決定性作用。排氣取樣探頭深度越大，探頭取樣越有效，分析儀所測的各污染物的體積分數(shù)越接近實際。

進行簡易瞬態(tài)工況法排放檢測時，應(yīng)嚴格按照文獻[2]規(guī)定，排氣取樣探頭深度應(yīng)不低于400 mm；檢測過程中，應(yīng)固定排氣取樣探頭位置，以免探頭隨車輛抖動移位導(dǎo)致排放檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。

3.2 取樣管長度

按照文獻[2]相關(guān)試驗要求，由同一名駕駛員駕駛試驗車輛A，進行6組簡易瞬態(tài)工況法排放檢測試驗，取樣管長度分別為5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5 m。取樣管長度不同時，CO、HC、NOx排放結(jié)果如表8所示，取樣管長度對CO實時排放結(jié)果的影響如圖3所示。

表8 不同取樣管長度時的CO、HC、NOx排放結(jié)果

圖3 取樣管長度對CO實時排放結(jié)果的影響

由表8及圖3可知：當(dāng)取樣管長度不同時，CO、HC、NOx排放檢測結(jié)果呈波動式變化，無明顯上升或下降，且CO排放波動幅度較大。

稀釋比

DF=(φ1-φ2)/(φ1-φ3)，

(1)

式中：φ1為環(huán)境中O2的體積分數(shù)，φ2為稀釋排氣中O2的體積分數(shù)，φ3為原始排氣中O2的體積分數(shù)。

排氣體積流量

qV=qV1DF，

(2)

式中：qV1為稀釋排氣體積流量，L/s。

污染物排放質(zhì)量流量

qm=φρqV，

(3)

式中：ρ為氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，g/L；φ為排放中污染物體積分數(shù)。

比排放

Me=∑qm/∑v，

(4)

式中：v為車輛當(dāng)量行駛距離，km/s。

式(3)中各污染物體積分數(shù)及公式(1)中原始排氣中的O2體積分數(shù)由氣體分析儀自動測量，測量周期為1 s，式(2)中稀釋排氣流量、式(1)中稀釋排氣中O2體積分數(shù)由氣體流量分析儀測得。不同取樣管長度下氣體到達氣體分析儀中的時間不同，隨取樣管長度增加，氣體分析儀的單位時間內(nèi)污染物排放測量結(jié)果時間變長，取樣管長度影響氣體分析儀和氣體流量分析儀采集檢測數(shù)據(jù)的同步性，進而影響稀釋比、排氣流量和污染物濃度的相對關(guān)系，由于排放質(zhì)量流量根據(jù)式(3)計算，導(dǎo)致比排放量計算結(jié)果受取樣管長度影響。

在進行簡易瞬態(tài)工況法排放檢測時，為保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，在同一地區(qū)應(yīng)使用統(tǒng)一長度的取樣管，且不宜使用過短或過長的取樣管。

3.3 取樣管中樣氣流量

表9 不同探頭通氣孔堵塞數(shù)量下排放結(jié)果及取樣管路壓力

通過控制排氣取樣探頭通氣孔數(shù)目的方式來改變?nèi)庸苤袠託饬髁?，按照文獻[2]試驗要求，由同一名駕駛員分別在排氣取樣探頭通氣孔未堵、堵塞2孔、堵塞4孔、堵塞7孔的條件下駕駛排放試驗車輛A進行簡易瞬態(tài)工況法排放檢測試驗。不同排氣取樣探頭通氣孔堵孔數(shù)目時CO、HC、NOx排放和取樣管管路壓力如表9所示。

由表9可知：取樣管管路壓力與樣氣流量正相關(guān)，即壓力越大，樣氣流量越大。增加排氣取樣探頭通氣孔堵塞數(shù)量(樣氣流量減小)影響排放檢測結(jié)果，各污染物排放在一定范圍內(nèi)波動。取樣管中氣體流量不同，也會影響氣體分析儀和氣體流量分析儀檢測數(shù)據(jù)的同步性，使得稀釋比、排氣流量和污染物濃度的相對關(guān)系變化，導(dǎo)致檢測結(jié)果隨取樣管中樣氣流量變化。因此在日常檢測及維護過程中，需要對排氣取樣探頭通氣孔狀態(tài)進行檢查，并隨時關(guān)注取樣管管路壓力。

4 氣體流量分析儀對簡易瞬態(tài)工況法排放檢測結(jié)果的影響

4.1 氧傳感器測量準(zhǔn)確性

按照相關(guān)試驗要求，由同一名駕駛員駕駛排放試驗車輛A，使用2臺使用年限不同的同款氣體流量分析儀分別進行簡易瞬態(tài)工況法排放檢測。2臺氣體流量分析儀測得環(huán)境中O2體積分數(shù)分別為20.52%、20.79%，不同O2體積分數(shù)時CO、HC、NOx排放如表10所示，不同O2體積分數(shù)對稀釋比的影響如圖4所示。

表10 不同O2體積分數(shù)下排放結(jié)果

圖4 不同O2體積分數(shù)對稀釋比的影響

由表10和圖4可知：氣體流量分析儀氧傳感器所測環(huán)境O2的體積分數(shù)由20.52%變化至20.79%時，CO排放增加124%，HC排放增加138%，NOx排放增加54%；當(dāng)O2體積分數(shù)偏低時，稀釋比明顯減小，排放檢測結(jié)果降低。

由式(1)可知，當(dāng)環(huán)境O2及稀釋排氣中O2體積分數(shù)降低時，原始排氣中的O2體積分數(shù)不變，稀釋比減??；由式(2)可知，相應(yīng)的排氣流量減??；由式(3)可知，此時CO、HC、NOx單位時間排放質(zhì)量明顯降低，對檢測結(jié)果影響較大。

在進行簡易瞬態(tài)工況法排放檢測時，應(yīng)保證氣體流量分析儀中氧傳感器測量的準(zhǔn)確性。氧傳感器老化及使用壽命超過年限均影響氧傳感器響應(yīng)時間，降低測量精確度。排放檢測機構(gòu)應(yīng)定期更換將達使用年限及檢測次數(shù)過多的氧傳感器，在檢測過程中還需要保證空氣的流通性，每次車輛檢測前嚴格進行自檢流程，避免正常環(huán)境中O2的體積分數(shù)變化導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

4.2 氣體流量分析儀體積流量

按照試驗要求，由同一名駕駛員駕駛排放試驗車輛A，控制氣體流量分析儀體積流量為2.5、4.5、6.0、7.8、8.7 m3/min時分別進行簡易瞬態(tài)工況法排放檢測。氣體流量分析儀不同體積流量時的CO、HC、NOx排放如表11所示，氣體流量分析儀不同體積流量對排氣流量的影響如圖5所示。

表11 氣體流量分析儀不同體積流量時排放結(jié)果

圖5 氣體流量分析儀的體積流量對排氣流量的影響

由表11和圖5可知：氣體流量分析儀體積流量對排放檢測結(jié)果影響較小，在流量為2.5～8.7 m3/min時排放檢測結(jié)果變化不大，且呈波動式變化，氣體流量分析儀體積流量不同時，排氣體積流量變化不大，考慮到實際測試車輛狀態(tài)的波動及測試儀器誤差，氣體流量分析儀體積流量對最終檢測結(jié)果的影響不大。

4.3 氣體流量分析儀集氣軟管長度

按照相關(guān)試驗要求，由同一名駕駛員駕駛排放試驗車輛A，在集氣軟管長度為3.0、6.5、10.0、15.5 m時分別進行簡易瞬態(tài)工況法排放檢測。不同集氣軟管長度下CO、HC、NOx排放結(jié)果如表12所示。

表12 不同集氣軟管長度時排放結(jié)果

由表12可知：集氣軟管長度對排放檢測結(jié)果的影響較大，且呈波動式的變化，這是由于在進行排放值計算時，集氣軟管長度不同，稀釋氣體到達氣體流量分析儀的時間具有超前性或滯后性，稀釋氣體對應(yīng)的排氣流量及稀釋排氣中O2體積分數(shù)難以保證與氣體分析儀所測的污染物同步，最終對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，為保證檢測結(jié)果的一致性，在同一地區(qū)的排放檢驗機構(gòu)應(yīng)使用統(tǒng)一長度的集氣軟管。

5 結(jié)語

1)分析了影響簡易瞬態(tài)工況法檢測汽車污染物排放結(jié)果的因素及影響規(guī)律，為基于簡易瞬態(tài)工況法有效檢測車輛排放提供了依據(jù)。

2)汽車底盤測功機加載功率、氣體分析儀排氣取樣探頭深度和氣體流量分析儀氧傳感器測量準(zhǔn)確性對檢測結(jié)果有顯著影響，在測試的流量范圍內(nèi)氣體流量分析儀體積流量對簡易瞬態(tài)工況法排放檢測結(jié)果基本無影響。為提高簡易瞬態(tài)工況法排放檢測結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性，應(yīng)采取有效措施控制檢測結(jié)果的影響因素，避免出現(xiàn)同一輛車在不同排放檢驗機構(gòu)排放測試結(jié)果差異較大。