車載質量排放率測試系統開發與試驗研究

祖力，王羽，郭棟，張學鵬

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

隨著機動車保有量的不斷增加，機動車排放對城市大氣環境的影響越來越大。如何準確評價機動車的排放水平及其影響因素，進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，因此如何獲取實時交通流中機動車的瞬時排放特征，對于解決機動車排放問題具有重要的基礎性的作用。

目前對機動車瞬時排放的測量方法有三種：一是測功機法[1]，在實驗室內用底盤測功機模擬道路行駛工況，測量結果準確。但是模擬工況畢竟不等于實際道路環境，在測功機上測得的排放數值和在實際道路上測得數值有出入[2]。二是遙控法[3]，由車載激光系統遙測在路面行駛的車輛排放水平，該方法受天氣環境影響，測量精度不高，大多用于交通流排放水平的統計，不能準確反映單一車輛排放情況，且以上兩種方法設備昂貴，體積大。三是實際道路環境下排放水平的實時測試，目前國內未研制出相關的儀器[4]，有資料顯示天津大學開發過此類儀器，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，可以實現汽車實際道路環境下尾氣排放的快速、實時測試技術，即車載質量排放測試系統。

1 試驗系統的工作原理

車載排放質量測量系統，是由進氣歧管壓力傳感器、進氣歧管溫度傳感器、五氣體廢氣分析儀、發動機轉速傳感器、GPS接收機和單板機以及帶有二合一RS232串口卡的筆記本電腦組成，試驗數據是在底盤測功機上取得的。各組成部分的功能如下所示：

(1)利用進氣歧管壓力傳感器、進氣歧管溫度傳感器測取進氣壓力和進氣溫度；

(2)利用發動機轉速傳感器測得到發動機轉速。

(3)利用五氣體廢氣分析儀測取尾氣的排放的體積濃度；

(4)利用底盤測功機進行模擬加載；

試驗系統組成如圖1所示。

圖1 試驗系統組成示意圖Fig.1 Sketch of test system

進氣歧管壓力傳感器和進氣歧管溫度傳感器安裝在發動機的進氣歧管上，二者的輸出端與單板機的輸入端相連，單板機的信號輸出端和筆記本電腦的RS232串口卡相連。發動機轉速傳感器卡裝在發動機的第一缸點火高壓線上，通過測取發動機高壓線上的點火脈沖數來計算得到發動機的轉速。五氣體廢氣分析儀的取樣探頭插裝在排氣管內，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參數傳輸到筆記本電腦內。

由發動機傳感器組傳輸的進氣溫度、進氣壓力以及發動機轉速信號結合發動機的氣缸排量和氣缸充氣效率，根據相關的速度-密度法數學模型，計算得出汽車發動機的進氣質量；同時廢氣分析儀測試得到的過量空氣系數可以換算得到發動機的實際空燃比；由空燃比的定義，進氣質量和發動機實際空燃比即可計算出燃油消耗量；再由發動機燃油消耗量結合五氣體廢氣分析儀傳輸過來的發動機尾氣排放 HC、CO、NOX、CO2等成分的體積排放百分比以及過量空氣系數，最終求得尾氣質量排放率。

圖2 控制及數據采集系統的工作原理框圖Fig.2 Control and data acquisition systemwork principle block diagram

試驗是在底盤測功機上進行的，用底盤測功機模擬道路運行工況，試驗重復性好。為了驗證空燃比油耗模型的準確性，便于模型修正，在試驗中，同時用流量計式油耗儀測量試驗車的油耗，作為用空燃比法油耗模型計算油耗的比對標準。測試得到的瞬態油耗可以結合四種排放污染物的體積濃度計算得到質量排放率，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。

發動機燃油消耗與尾氣排放之間的關系可以建立為相應的數學模型，在得到消耗的燃料質量的前提下，通過燃油消耗與尾氣排放之間的數學模型計算即可得到汽車的尾氣排放中HC、CO、CO2、NOx的質量。

尾氣排放中 HC、CO、CO2、NOx的質量與油耗之間的數學計算模型表示為：

式中：mHC、mCO、mNOx、mCO2為 HC、CO、NOx、CO2的質量排放率(g/s)為由廢氣分析儀測量出的過量空氣系數；mfuel為燃油質量流量，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原子的個數比，依據國家標準關于測量HC規定的燃油中H與C個數的比例為1.85:1；

R為由C6H14測量結果轉化為C1的系數；由于進行濃度轉化時，HC的分子量的獲得是參照國家標準規定[7]的H/C的比例進行計算的，國家標準中規定的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果有出入[6]。本試驗中對試驗車輛的穩態工況排放廢氣，同時用FID測量的HC濃度值(106C1)與用NDIR法測量的濃度值(106C1)進行了測量比較后得到轉換系數R=FID/NDIR=16.5。依據此系數進行數據處理，將HC的濃度轉化為C0表示的值。

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

3 試驗結果分析

本項目通過空燃比法研制了燃油消耗測量裝置的基礎上，結合燃油消耗率和廢氣分析儀得到的尾氣濃度實現了對汽車尾氣質量型排放的檢測。

由廢氣分析儀測試到的HC、CO、CO2、NOX以及過量空氣系數結合燃油消耗率，根據得到的尾氣排放質量計算模型即可得到尾氣中HC、CO、NOX、CO2的質量排放率。GPS車載系統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果，并將測量數據和計算數據記錄下來，便于后期查看和處理。

尾氣排放測試試驗采用輕型車和中型車各三輛進行了六次實際路試，表1列出了紅旗 CA7200E3的試驗數據記錄。

表1 紅旗車載質量排放測試數據Tab.1 The test data of Red Flag CA7200E3

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

4 結論

以測量實際道路上機動車的瞬態質量排放率為目標，利用進氣歧管壓力傳感器、進氣歧管溫度傳感器、五氣體廢氣分析儀、發動機轉速傳感器、GPS接收機和單板機以及帶有二合一RS232串口卡的筆記本電腦開發了車載質量排放測試系統。選擇了六臺輕型車，分別進行了臺架模擬工況和實際路面試驗。試驗結果說明，用空燃比法檢測發動機油耗量，并利用尾氣質量排放計算模型來得到機動車的實時道路質量排放率，是一種簡單可行的尾氣實時測量方法。

[1]祖力.汽車油耗檢測的不解體方法-碳平衡法[J].長春理工大學學報，2007，30(2)：80-83.

[2]譚德榮.電控汽油機進氣量的最優估計算法[J].交通運輸工程學報，2006，6(2)：39-42.

[3]王秀貞.淺析現代轎車發動機進氣量的電子計量裝置[J].機電工程技術，2005，34(1)：16-19.

[4]楊延相.用于汽車道路行駛排放測量的車載實驗系統[J].長安大學學報：自然科學版，2002，22(4)：62-65.

[5]趙慧，張鎮順.實際道路行駛中汽車排放特性的研究[J].燃燒科學與技術，1999，5(1)：100-107.

[6]賀新.汽車油耗的測量與計算研究及其進展[J].北京工商大學學報：自然科學版，2007，25(1)：32-37.

[7]GB/T19233-2003輕型汽車燃料消耗量試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2003.