基于改進ASM汽車尾氣檢測的研究

摘 要：文章基于N市汽車尾氣檢測方法的分析，提出對汽車尾氣檢測方法要有總體設計，并對可能影響系統功能實現的因素，如系統的硬件選型、軟件設計及功能的實現途徑等開展研究，以完成對AVL測量發動機轉速功能的擴展、AVL在瞬態工況下檢測數據的時延修正及幅值修正等，最終改進ASM汽車尾氣檢測方法。

關鍵詞：汽車尾氣；ASM；工況分析

近年來，隨著汽車使用量的大幅增長，由汽車尾氣引發的環境問題愈發嚴重，汽車行駛過程中產生的CO、HC、NOX以及近CO2等氣體對地球和人類產生的危害已經到了不能容忍的地步，機動車污染成了大氣的第一污染源。伴隨著人們環保意識的增強，對汽車尾氣的治理也就顯得尤為重要。在我國，各大、中型城市已經把汽車尾氣的治理擺在了政府工作的議題上[1-2]。

傳統的汽車尾氣檢測設備與檢測方法主要是在室內使用，檢測結果往往偏離實際情況，尤其對重型汽車實際運行時的尾氣檢測偏差更大。而采取有效方式檢測汽車在實際運行過程中的尾氣，對于汽車尾氣治理以及保護大氣環境均具有重要的現實意義。

1 ASM檢測技術

為減少設備投資和日常運行費用，提高檢測效率，擴大檢測范圍，美國提出了更為簡單的方法，ASM則是使用較多、具有代表性的一種。1996年美國EPA認可了ASM，規定了試驗方法、設備要求等。ASM最大的特點是試驗設備充分簡化，可使用在怠速法中廣泛使用的直接取樣濃度分析儀[3]。ASM所需的整套設備價格僅為I/M240的30%左右，操作與維護都比I/M240簡易。其原理：CO、HC和CO2采用不分光紅外法（NDIR），NO和O2采用電化學法；排放結果以濃度表示。

但是，ASM檢測結果與美國聯邦實驗程序FTP結果相關性較差，3種污染物的相關因子分別為：一氧化碳43.5%；碳氫化合物49.2%；氮氧化物71.4%[4]。這主要是由于ASM是等速等負荷的穩態行駛工況，而I/M240與FTP是變速變負荷的瞬態行駛工況，顯然對排放有不同影響。此外，尾氣污染物分析原理也不相同。ASM與新車試驗的相關性較差，使得ASM方法誤判率偏高，尤其是對電噴+三元催化器的車，誤判率最高可達35%左右，準確率最差時可低到65%（根據美國資料，以I/M240的準確率為100%計）[5]。ASM的另一不足之處是其基于污染物排放濃度而不是排放質量。而發動機排量不同車輛的排放濃度卻有可能相同，因而ASM對不同發動機排量的車輛是欠公允的[6]。

2 基于改進ASM汽車尾氣檢測的研究

本研究基于N市汽車尾氣檢測方法的分析，研究AVL測量發動機轉速功能的擴展、AVL在瞬態工況下檢測數據的時延修正及幅值修正等，最終改進汽車尾氣檢測方法。

2.1 測試前的車輛準備

記錄與試驗車輛及與試驗負荷設定有關的各項參數：車輛牌照號、車輛類型、燃料種類及供油方式、底盤型號或整車編號（VIN）、發動機型號、車輛初次登記日期、累計行駛里程、基準質量、最大總質量和整備質量、制造廠名和廠牌型號、氣缸數和發動機排量（L）、變速器形式、排氣管類型及數量等。車輛機械狀況應良好，無影響安全或引起測試偏差的機械故障。如需要，可在發動機上安裝冷卻水和潤滑油測溫計等測試儀器。車輛進、排氣系統不得有任何泄漏；車輛的發動機、變速箱和冷卻系統等應無液體滲漏。檢察被測車輛，其輪胎氣壓不得低于標準氣壓（可以是標準氣壓的100%，120%）；清除輪胎中夾雜的石塊、金屬屑，以免損壞滾筒，或者拋出傷人。把軸流或風扇置于發動機前方2m，以冷卻發動機及輪胎，風量在21～26m/h中選擇。測試前應關閉空調、暖風等附屬裝備，并中斷車輛上可能影響試驗的功能（如ASR、ESP、EPC牽引力控制或自動制動系統等）。測試前，車輛各總成的熱狀態應符合汽車技術條件的規定，并保持穩定；車輛等候時間超過20min或在測試前熄火超過5min，應選以下任一種方法預熱車：①在無負荷狀態讓發動機以轉速2500r/rain運轉4min；②車輛在測功機上按AsM5025工況運行60s。駕駛車輛至驅動輪正直位于滾筒上，確保車輛橫向穩定和驅動輪胎干燥、限位良好。對于前輪驅動車輛，測試過程中應使駐車制動起作用。安裝自動變速器的車輛應使用前進擋，安裝手動變速器的車輛應使用二擋，如果二擋所能達到的最高車速低于45km/h可使用三擋。在試驗工況計時過程中，車輛不允許制動，否則工況起始記時應重新置零（t=O）。

2.2 實驗前的設備準備

（1）預熱分析儀（分析儀器在通電后40min內方可達到穩定）。

（2）測試前2min分析儀對零，測定環境空氣和檢查HC殘留量。

（3）檢測前需檢查排氣分析儀系統有無泄漏，如未檢查或檢測未通過，系統應鎖定。

（4）開機時自動預熱底盤測功機，并且之前不應進入正式檢測程序；底盤測功機如停用30min以上，應在使用前再次預熱。根據制造商的建議，這一時間間隔可以延長。

（5）當試驗場地環境溫度超過22℃，應啟動冷卻風機以降低發動機溫度，但不得冷卻催化轉化器。

2.3 檢測方案的確定

測試系統滿足以下條件后，可開始ASM檢測：CO+CO2之和滿足規定的稀釋限定值；分析系統未檢測到存在低流量的現象；發動機處于怠速狀態，轉速范圍400～1250r/mmrain；底盤測功機滾筒未轉動（車速<1km/h）。本實驗中，利用汽車尾氣檢測方法測試在簡單升檔加速工況下尾氣水平的相關設置如下：

檢測時間：2011/09/23，陣雨，無風，29℃；

檢測地點：XX大學室外的平坦馬路；

檢測車輛：Audi A6汽油汽車；

檢測工況：簡單升檔加速；

檢測系統：汽車尾氣遠程移動測系統；

檢測人員：儀器操作員、計時員以及駕駛員。

2.4 檢測程序方法

測試程序：車輛驅動輪位于測功機滾筒上，將分析儀取樣探頭插入排氣管中，深度為400mm，并固定于排氣管上（對獨立工作的多排氣管應同時取樣）。車輛經預熱后，加速至25km/h，測功機根據測試工況要求加載，工況計時器開始計時（t=Os），車輛保持25km/h±1.5km/h等速5s后開始檢測。系統按規定開始預置10s之后開始快速檢查工況，計時器為t=15s時分析儀器開始測量，每秒鐘測量一次，并根據稀釋修幣系數及濕度修詎系數計算10s內的排放平均值。運行10s（t=25s）ASM5025快速檢查工況結束。車輛運行至90s（t=90s）ASM5025工況結束。測功機在車速25km/h±1.5km/h的允許誤差范圍內，加載扭矩隨車速變化相應調整，保證加載功率不隨車速改變。扭矩允許誤差為該工況設定扭矩的±5%。

在測量過程中，任意連續10s內第一秒至第十秒的車速變化相對于第一秒小于±0.5kmh，測試結果有效。快速檢查工況的10s內排放平均值經修正后如果等于或低于限值的50%，則測試合格，檢測結束，否則應繼續進行至90s工況。如果所有檢測污染物連續10s的平均值均低予或等于限值，則該車應判定為ASM5025工況合格，繼續進行ASM2540檢測；如果任何一種污染物連續10s的平均值超過限值，則測試不合格，檢測結束。檢測過程中，任意連續10s內的任何一種污染物10次排放值經修正后均高于限值的500%，則測試不合格，檢測結束。

2.5 檢測工況設置條件分析

對簡單升檔加速工況設定：在30s的檢測時間內，實驗的汽油汽車從靜止起步，進行不同的升檔方式加速到車速為40km/h后，開始保持車速不變，進行勻速行駛到檢測結束。此過程中，利用本研究所設計的系統檢測實驗汽車發動機轉速、排放與空燃比，按其升檔方式分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種工況（見表1和圖1）。

3 ASM檢測研究結果

3.1 研究工況參數

ASM是當前《在用汽車排氣污染物限值及測試方法》（GB18285-2005）中規定的對在用汽車排放的檢測方法。本研究在此基礎上設置改進ASM工況條件，以AudiA6汽油汽車為檢測車輛，檢測地點為重慶大學室外的平坦馬路，模擬城郊汽車在兩個客運站間的典型運行情況。研究工況參數如圖2和表2所示。其運行時間為80s，實驗車輛所行駛的總距離為541.7m。

3.2 實驗結果

在利用汽車尾氣移動遠程檢測系統進行測試時，由于工況操作的熟練度以及路況等條件限制，30組實驗數據中有效數據為13組。平均有效數據，獲得實驗結果（見圖3）。實驗中，由于AVL相關部件老化，未獲得空燃比數據。一氧化碳與碳氫化合物排放的符號時間序列直方圖和時間信號如圖4（a）與圖4（b），相應的汽車尾氣量以及Shannon熵如表3所示。

3.3 檢測結果分析

由以上結果可知，本研究并未得到類似相對標準結果，考慮瞬態排放并非一個數值，而是以一個過程存在，所以，在分析排放結果時，可根據兩種工況的排放狀況變化過程，分析其影響因素。通過對比，找出其中的共性與差異。所以，本研究僅對結果采取了時延修正，放棄了幅值修正。

3.3.1 簡單升檔加速工況條件下結果分析

（1）發動機轉速曲線與排放曲線對比分析。經時延修正的實驗結果，發動機轉速曲線無法與排放曲線有效對應。簡單升檔加速主要由加速工況組成。而實驗的汽油汽車的排氣管道作為一個系統，在發動機轉速發生變化時，其排氣管內的氣流速度也會發生變化。此過程中，發動機轉速變化已經脫離了修正實驗中的脈沖形式，由于駕駛員的頻繁換擋操作，發動機的轉速也連續地發生變化，排氣管道內氣體的流動速度變化導致排放信號的時延值不斷發生變化。此時固定時延值已不能對時延誤差進行有效修正。

（2）排放物影響因素分析。對于發動機排放污染物中的CO的主要影響因素是混合氣的濃度。由實驗結果圖示可以看到，空燃比曲線與CO的排放曲線對應良好，說明在簡單升檔加速工況下，空燃比是影響CO的主要因素。而排放HC的實驗結果中，雖然空燃比曲線與HC排放曲線的對應程度不如CO，但整體上依然具有一定對應度。伴隨著工況的時間與換擋次數的增加，發動機轉速變化不大，但HC的排放曲線呈現前低后高趨勢，說明在簡單升檔加速工況下，碳氫化合物C的生成受到淬熄、空燃比、吸附以及縫隙效應等因素共同影響。由于發動機的熱慣性造成的后期會現象與空燃比是影響其生成的主要因素。

3.3.2 ASM工況條件下實驗結果分析

（1）發動機轉速曲線與排放曲線對比分析。該工況下，實驗結果的發動機轉速曲線與排放曲線對應程度顯示良好。ASM工況在勻速行駛階段的時間較長，并且發動機的轉速變化基本上是以脈沖形式出現。所以，用過時延值對時延誤差的修正可得到了較好的效果。

（2）排放物生成影響因素分析。ASM工況是混合工況，它包含怠速、加速、勻速與滑行。當實驗汽車發動機處于怠速狀態，CO與HC處在高排放狀態，此時發動機處于低轉速，節氣門近似全部關閉，發動機則依靠怠速噴口所產生的混合氣來維持基本運轉[7]。由于進行了多次連續實驗，發動機的溫度已處于正常狀態，發動機溫度偏低的影響可以排除。所以，進氣流速度不高、發動機轉速偏低所導致殘余廢氣的稀釋與混合氣濃度高是該階段排放狀況不佳的主要原因。隨著實驗汽車開始加速，其發動機的轉速曲線逐漸上升，每一次轉速的波動均對應著一次換擋的過程。當發動機曲線上升到一定程度，排放曲線便開始下降，仍然會出現排放曲線隨變檔操作呈波動情況。

發動機經由怠速工況轉為加速工況時，節氣門開啟，進氣門的氣流速度加大，此時，燃燒室內的殘余廢氣的稀釋作用降低，導致混合氣混合程度上升，燃燒狀況逐漸好轉，CO與HC的排放量亦逐漸開始下降。當實驗汽車加速到一定車速后便開始換擋，此時駕駛員松開油門的同時踩下離合器，加速過程停止，汽車發動機在瞬間進入減速工況，進氣門的氣流速度開始下降，破壞燃燒狀態，致使CO與HC的排放量瞬間變大。換擋結束，實驗車輛由加速變至勻速狀態，從而進入穩態工況，而整機的熱力系統與燃燒室內混合氣的混合程度趨于平衡，燃燒狀況逐漸好轉，兩種氣體的排放量持續下降，直到換擋加速進行。

實驗中，汽油汽車進入滑行階段后，發動機轉速曲線下降到怠速工況，排放曲線此時迅速地上升。由于發動機轉速快速下降，節氣門快速關閉與進氣量減少，均使進氣管內的真空度升高，導致了前面兩個階段所積累下來的燃油的油膜迅速征服，大量生成兩種氣體。另外，怠速噴口所噴出的濃度很高的混合氣也是此兩種氣體生成的一個原因。

綜述，可知在ASM工況下，進氣門的氣流速度的變化與發動機的轉速都是影響CO和HC的主要因素。

4 結論

本文對汽油汽車道路檢測實驗中的簡單升檔加速工況與改進ASM工況進行了設定，同時開展了道路檢測實驗。根據實驗所得最終數據，分析了兩種工況下影響汽油汽車尾氣的主要因素，并對其共性與差異進行了總結。

發動機怠速轉速是影響汽油汽車在怠速工況下排放的主要原因，提高發動機轉速可降低CO與HC的排放量。CO與HC的平均排放量在工況Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ中隨著發動機平均轉速的下降是逐漸下降的，充分地體現了轉速低排放高、轉速高排放低的特點。

ASM工況下的實驗結果，由圖4可知，當實驗汽車處于空擋滑行以及怠速時，發動機的轉速最低，排放量最大，兩次的尾氣曲線的波峰對應著兩次的換擋過程。

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