歐V排放測試系統的關鍵影響因素及主要技術路線

文/屈正倫 陳碧峰 孔曉龍

眾所周知，對于汽車排放測試，其影響因素十分復雜，每一個環節都有可能對測試結果造成較大的偏差。隨著歐V低排放要求的實施，其影響因素變得更為敏感和復雜。本文從歐V階段排放法規對測試系統的技術要求著手，研究分析了影響排放測試結果的各種因素，并根據目前所采用的主流測試系統的工作原理，對其為滿足更高法規要求的技術難點逐一進行應對分析。

一、歐V排放測試系統及其關鍵影響因素

1.道路阻力模擬準確度

在排放測試中底盤測功機（轉鼓）起著最基本而又重要的作用。轉鼓是用來模擬樣車在實際道路上的行駛阻力。根據汽車動力學基本公式：驅動力=行駛阻力之和，可以看出轉鼓與道路阻力的擬合度決定了樣車在實驗室中所輸出的功是否與其在道路行駛狀態下一致，這直接對排放測試結果產生影響。

轉鼓對道路阻力的模擬主要分為兩個方面，一方面是對樣車質量的模擬，即所謂的慣量模擬，另一方面是對道路阻力的模擬，即力模擬，這兩個方面的因素最終體現在對樣車施加的阻力。

隨著道路阻力的變化，各污染物排放的測試結果也會隨之發生變化。即使是微小的變化，在歐V、VI階段如此低排放的測試技術上還是會產生不小的影響。車輛道路阻力曲線一般是通過道路滑行來得到的，而道路滑行并沒有新的技術要求。這就使得底盤測功機在對道路阻力進行模擬并加載時成為了測試的關鍵。

底盤測功機作為一個旋轉部件和功率吸收裝置，其自身的固有損失也不容小覷。一般情況下，要求底盤測功機在0 km/h～150 km/h的車速范圍內的連續曲線上，轉鼓的自身阻力需小于50 N。

2.背景空氣的質量控制

進行輕型汽車排放測試時，采用的定容取樣系統CVS系統的基本原理如圖1所示。

對汽車所排出的尾氣采用背景空氣進行稀釋，并使稀釋后的樣氣流量達到預先設定的值。采用此種方法既可以避免在采樣、分析時尾氣中的水被析出，也可不必對尾氣的實時流量進行測量。

圖1 CVS系統工作原理圖

如圖1所示，在試驗結束后，僅需要對背景空氣采樣氣袋和混合氣采樣氣袋中各組分的濃度進行測量，再利用稀釋比（DF）進行計算，就可以得到尾氣中各組分的實際排放量。

那么，對背景空氣質量引起DF的波動，是否會最終導致計算結果偏差呢？根據歐V法規ECE R83－2010《壓燃發動機怠速排放》中的技術要求，稀釋尾氣中污染物的濃度需采用背景空氣中所測得相應污染物的濃度進行校正。從下圖2中，可以看出，理論DF應采用公式（1）進行計算。

圖2 CVS系統中各氣體濃度、容積的關系圖

式（1）中：

Vmix：混合氣的容積，L；

DF：稀釋比理論值

可以看出，只要DF準確，即使尾氣中污染物的排放量再低，也能夠被精確地計算出來。然而，由于在實際測試過程中，無法對混合氣中尾氣和背景空氣的容積進行實時測量，因此在基于以下3個假設條件下，對DF采用式（2）進行計算，得到其計算值。

①背景空氣無污染，即背景空氣中CO2、CO和HC的濃度均為零；

②發動機在燃燒過程中，其空燃比始終為理論空燃比，即λ=1；

③在所有采樣管路中忽略水分子由于溫度波動析出的情況。

式（2）中：

Cco2：取樣袋中稀釋尾氣的CO2濃度，%；

CHC：取樣袋中稀釋尾氣的HC濃度，10-6；

CCO：取樣袋中稀釋尾氣的CO濃度，10-6；

DF：稀釋比計算值

在目前的法規測試中，對各污染物排放量的計算即采用計算得到的DF。正是基于這個原因，當背景空氣質量與第1個假設條件相差較大時，同時尾氣中實際的排放量又很低時，會對計算結果產生極大的影響。因此，在應對歐V和VI排放法規測試方面，要求背景空氣的質量盡可能地清潔。

3.分析單元的測量精度

在歐V、VI排放法規測試中，由于這些低排放車輛自身的排放量以及背景空氣中污染物的濃度都處于相當低的水平，因此對分析單元的性能提出了很高的要求。

根據分析單元的原理，目前主要采取以下技術手段來應對。

①關鍵組件有絕熱保護避免溫度波動，提高分析儀信號的穩定性；

②化學發光分析儀（CLD）反應腔室的體積比先前的分析單元小，從而增強信號輸出，并減小噪聲干擾；

③CLD中采用新的真空泵，其真空比較先前的分析單元高，以實現增加測量靈敏性和提高工作穩定性的功能優化；

④GC采樣環的容量比先前的分析單元大，同時優化圓柱體的條件，增加其測量可靠性；

⑤進一步穩定氫火焰離子分析儀（FID）的高壓源，增加信號穩定性，并使噪聲干擾最小化；

⑥改進分析單元的電子控制器，從而達到增加分析單元靈敏性和消減噪聲干擾的目的。

為滿足樣氣濃度下降的需要，分析單元的最小量程也必須隨之不斷降低，上述技術手段的運用也使之成為可能。目前，分析單元的最小量程從常規分析單元的10×10-6水平逐步發展到超低分析單元的1.0×10-6水平。

二、主要測試技術路線及其應對方法

針對上述的技術分析，根據歐V階段排放法規技術要求特點，對測試系統在底盤測功機模擬精度、背景空氣處理系統和采樣分析系統等方面進行技術應對。以下主要就技術應對路線和優化方案進行深入研究剖析。

1.排氣采樣系統的優化

①背景空氣凈化

在此技術方案中，首先就是對背景空氣進行凈化，使其污染物濃度降到最低。若背景空氣中的污染物濃度降到最低，則由于DF計算帶入的測量結果誤差可被盡可能地減少。

如圖3所示，左側為背景空氣經過精制后，混和氣中尾氣和背景空氣的關系，右側是背景空氣未經精制時的情況。可見，當背景空氣精制后，其對測量結果的影響將降至最低。

圖3 不同背景空氣濃度下混和氣樣式

根據以上理論驗證，即使在稀釋比的計算過程中仍然存在偏差，但由于背景空氣質量的改善，最終測量計算結果與實際污染物排放情況之間的誤差被縮小了。因此，在進行低排放輕型汽車排放測試時，背景空氣的質量有著至關重要的影響。

②CVS流量選擇的優化

在輕型汽車歐V排放測試時，由于樣車自身的排放量很低，如選擇較大的CVS流量進行稀釋，那么混和氣中的污染物濃度將會更低，這樣對于分析單元的性能就提出了更高的要求。為使混和氣中各污染物組分的濃度相對上升，以提高分析的準確度，就有必要選擇盡可能小的CVS流量進行稀釋。

然而，當選擇了較小的CVS流量時，在管路和氣袋中易產生冷凝水析出的問題，會對最終的測量結果造成負面影響。為避免產生此問題，有必要對背景空氣采取除濕處理。圖4是不同CVS流量下，不同背景空氣濕度條件下，在采樣氣袋和混合三通中水分的含量示意圖。

圖4 背景空氣濕度、CVS流量和混和氣中水分含量的關系圖

通過圖4可以看出，當有效地降低了背景空氣的濕度后，在選擇較小CVS流量時，才不易發生冷凝水析出的問題。

③采樣氣袋的材料選擇

不同的材料對HC和CO的吸附效果也不同，因此也會對最終測量結果產生影響。

綜合考慮不同材料對HC和CO的吸附效果，目前在選擇氣袋材料時，一般考慮選用Dyneon（TFM/PTFE）材料。

綜合上述的改進措施，一個典型的改進型CVS系統如圖5所示。

圖5 典型改進型CVS系統示意圖

當然，在此基礎上也可通過對測試程序在采樣時間上的設定，對延時部分進行補償，以利于更精確的測量。

2.轉鼓測量精度的提高

①固有損失的降低

轉鼓固有損失是機械部件運轉時固有的阻力，但可在進行測試前，采用暖機的方法使其降低，避免其對測量結果的影響。

同時，隨著對道路阻力模擬精度要求的不斷提高，可以采用一定的技術手段使轉鼓固有損失維持在一個很低的水平，并省略暖機的步驟，延長軸承的壽命。

浮動軸承是目前得到成熟應用的降低轉鼓固有損失的技術方案之一。其原理是通過軸承保持架中增加溫度傳感器，并在軸承座中設置加熱棒，連續對軸承的工作溫度進行控制，使其始終保持在一個良好工作環境下。這樣，既避免了溫度波動對軸承運轉阻力的影響，也相應提高軸承的壽命。

②傳感器精度的保證和提高

轉鼓的力測量裝置是轉鼓最為核心的部件，目前主流的形式有拉壓傳感器和扭矩法蘭兩種。這兩種形式的傳感器均可應用于低排放輕型汽車排放測試用轉鼓上，但由于其讀數穩定性受外部溫度影響較大，尤其是拉壓傳感器。故一般在傳感器外部應設置一個溫度保護盒，將其工作溫度控制在一個理想的狀態。

對于速度測量裝置，由于其精密度非常高，且采用光學原理，所以受溫度等因素影響不大。但為了保證測量的準確性，一般配置獨立的兩套測量系統，用來進行速度比對監控以提高精度和加快系統的響應速度，同時也可作為備用速度測量。

三、后語

隨著輕型汽車歐V法規的實施，在進行輕型汽車排放測試時，將面臨更多的技術需求，而要將測量的準確度進一步提高，在技術上還需做出更多的努力。根據以上應對路線和優化方案，為構建滿足歐V階段測試技術要求的試驗平臺提供了必要的基礎。