簡易瞬態(tài)工況法(IG195)在I/M制度中的應(yīng)用分析

◆文/高金勝 慈勤蓬 劉富強 王希波

汽車的排放性能會因汽車排放控制裝置的老化、失效、故障等原因而劣化，從而使汽車的排放污染程度增加。推行在用車輛的檢查/維護(hù)(I/M)制度，通過有效的檢查手段，發(fā)現(xiàn)汽車排放控制裝置是否有效，從而進(jìn)行針對性的維護(hù)，恢復(fù)汽車的排放控制性能，是一種經(jīng)濟(jì)有效的控制汽車排放的方法。與雙怠速法、穩(wěn)態(tài)加載工況法和瞬態(tài)工況法相比，簡易瞬態(tài)工況法是一種性價比最高的在用車排放檢測方法。目前，簡易瞬態(tài)工況法在國內(nèi)已經(jīng)得到大范圍的應(yīng)用，業(yè)界對簡易工況法的測試過程的技術(shù)細(xì)節(jié)和控制水平也日漸成熟。

本文首先介紹簡易瞬態(tài)工況法在國內(nèi)應(yīng)用的地域分布特點，然后介紹簡易瞬態(tài)工況法的系統(tǒng)組成和特點，最后對簡易工況法的應(yīng)用分析進(jìn)行探討。

一、簡易瞬態(tài)工況法的地域分布

按照GB18285-2005《點燃式發(fā)動機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測量方(雙怠速法和工況法)》的要求，我國的機(jī)動車排氣污染物檢查維護(hù)的測試工況主要是加速模擬工況法(ASM)和簡易瞬態(tài)工況法(IG195)，表1為工況法地域分布的示意圖。除港澳臺外，全國31個省份，有17個省份用ASM工況法，12個省份用IG195工況法。如表1所示，IG195瞬態(tài)工況法主要應(yīng)用在東部沿海省份和西南的省份。在北方、中部省份，主要應(yīng)用穩(wěn)態(tài)工況法；北京和廣東則是兩種工況法都在使用。工況法地域分布的特點，還反映了人口密度因素的影響。人口密度高、汽車保有量大的河南、四川、山東等人口大省都無一例外采用了IG195瞬態(tài)工況法。

圖1所示為我國各省份(除港澳臺外)每百人汽車保有量與工況法對應(yīng)關(guān)系。在百人汽車保有量大于14時，以IG195工況法測試為主；在汽車保有量低于14時，應(yīng)用ASM穩(wěn)態(tài)工況法的省份略高于IG195工況法。可以預(yù)測，隨著各省汽車保有量的上升，IG195瞬態(tài)工況法的應(yīng)用比例會越來越高。

表1 2017年全國環(huán)保汽油車定期檢驗機(jī)構(gòu)、方法及檢測線情況

圖1 汽車保有量與工況法對應(yīng)關(guān)系

二、IG195測試循環(huán)分析

IG195測試循環(huán)是在IM195的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，借鑒了IG240和IM240的處理方式。IG195和IM195的運行工況是完全一樣的，與GB18352.3-2005《輕型車污染物排放限值及測量方法》中規(guī)定的新車型式認(rèn)證的第一階段的第一個循環(huán)工況(ECE15工況的第一個循環(huán)工況)完全相同，循環(huán)測試時間為195s，故稱IM195或者IG195。

圖2所示是IG195與IG240和TUV-A測試循環(huán)的比較。IG240和TUV-A對應(yīng)的最高車速度都是90km/h，而IG195最高車速只有50km/h。在IG240上存在多次加速減速的工況變化過程；在TUV-A的測試循環(huán)中，則存在多個階段的加速過程。與其他兩種工況相比，IG195的加速和減速的次數(shù)相對少，工況變化相對簡單。

從圖3某車型IG195測試循環(huán)排放檢測結(jié)果來看，NO的排放在加速段會有比較高的排放。因此，IG195測試循環(huán)在最終結(jié)果的加權(quán)處理上，需要采取和IG240以及TUV-A循環(huán)不同的處理方式，以提高測試結(jié)果與型式認(rèn)證試驗結(jié)果的一致性。

圖2 中美歐三種測試循環(huán)

圖3 IG195測試循環(huán)各污染物排放曲線

三、VMAS測試系統(tǒng)

1.系統(tǒng)組成

美國Sensors公司推出的VMAS系統(tǒng)是簡易瞬態(tài)工況法測試系統(tǒng)的典型。VMAS系統(tǒng)硬件主要由底盤測功機(jī)、氣體分析儀、氣體流量分析儀和主控計算機(jī)，構(gòu)成如圖4所示，檢測實況如圖5所示。

底盤測功機(jī)由滾筒、功率吸收單元、慣量模擬裝置、舉升器和轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成，是汽車的功率吸收及瞬態(tài)工況控制與測量裝置，可模擬車輛在道路上行駛的瞬態(tài)工況負(fù)荷，實時測量車速。

氣體分析儀通過采樣探頭通過探頭直接抽取汽車的尾氣，測量其中的CO、CO2、HC、NO和O2的濃度。對測得的濃度值根據(jù)燃料種類進(jìn)行稀釋修正和濕度修正，得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的濃度值。

氣體流量分析儀是VMAS系統(tǒng)的核心測量器件。流量分析儀主要完成排氣稀釋和流量實時測試功能。由流量采集軟管、風(fēng)機(jī)、超聲波流量傳感器、氧傳感器、溫度和壓力傳感器組成。

主控計算機(jī)上的數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)是測量系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)發(fā)送控制指令、接收數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果。數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)通過RS-232串口與氣體分析儀和氣體流量分析儀進(jìn)行通訊。

圖4 VMAS布置示意圖

圖5 檢測實況

2.污染物質(zhì)量排放測試原理

簡易瞬態(tài)工況法的核心是根據(jù)尾氣排放物濃度和尾氣流量計算尾氣中的排放物的質(zhì)量。尾氣流量的測量是計算排放物質(zhì)量的關(guān)鍵。其測試原理是應(yīng)用環(huán)境氧濃度、未稀釋排氣的氧濃度和稀釋排氣的氧濃度計算出稀釋比，在由測量得到的稀釋排氣的流量計算出尾氣的流量。

采用稀釋比來進(jìn)行排氣流量計算的依據(jù)是氧氣的質(zhì)量守恒。若汽車排氣管排出的流量為Q1(轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，環(huán)境稀釋空氣的流量為Q2(轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))、稀釋排氣的測量流量為Q3(轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))；Q1中氧氣的體積百分比濃度為α1、環(huán)境中氧氣的體積百分比濃度為α2、稀釋排氣中氧氣的體積百分比濃度為α3；則稀釋排氣中氧氣的體積(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)是汽車排氣中氧氣體積(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)和環(huán)境稀釋空氣氧氣體積(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)的和：

稀釋排氣的體積流量等于排氣的質(zhì)量流量和環(huán)境稀釋空氣的質(zhì)量流量的和：

由公式③可知，若測量得到了三個濃度α1、α2、α3，就可以計算出稀釋比K。由K和測量得到的稀釋排氣流量Q3，即可得到排氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量Q1。

對于排放物A，通過五氣分析儀測量得到的體積百分比濃度為αA，標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體排放物A的密度為ρA，則Q1中排放物A的質(zhì)量mA為：

由于濃度的測量和流量的測量是不同步的，流量測量落后于濃度測量。因此，需要連續(xù)測量流量，然后經(jīng)過延時修正，計算每個測量濃度所對應(yīng)的尾氣排量。

3.關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用VMAS進(jìn)行尾氣檢測的分析時，有兩個關(guān)鍵點需要控制。其一是不同位置、不同時間和不同瞬態(tài)響應(yīng)性能的傳感器所測量的結(jié)果是不同步的，如圖6所示，排氣氧含量的測試結(jié)果早于稀釋排氣氧含量的測試結(jié)果。即使在同一個位置，HC的測試結(jié)果早于O2的測試結(jié)果，與CO2的測試結(jié)果也略有差異。其方法是采用一定的延時時間，保證各傳感器所測量的結(jié)果能反映出同一批排氣，從而保證測試精度。采用延時的辦法進(jìn)行處理，其難點在于汽車發(fā)動機(jī)在瞬變工況中排氣的流速、溫度都是在發(fā)生變化的，這樣增加了傳感器信號同步的復(fù)雜性。

圖6 傳感器測試信號示意圖

第二個關(guān)鍵技術(shù)是針對國內(nèi)的交通情況，優(yōu)化測試循環(huán)，既能夠使測試結(jié)果與型式認(rèn)證試驗的結(jié)果保持較高的一致性，又能夠減少測試的時間和工作量，提高工作效率。從整體上控制VMAS系統(tǒng)的測試結(jié)果的一致性。

四、IG195測試循環(huán)的必要性

在國內(nèi)IG195測試循環(huán)的應(yīng)用日益增多，其原因有幾個方面。首先，隨著國內(nèi)排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，汽車的排放越來越低，單純的依靠原有的雙怠速法和加速模擬工況法(ASM)，已經(jīng)無法評價在用車輛排放性能的優(yōu)劣，無法分辨在用車輛的排放是不是達(dá)標(biāo)。而且，新的排放法規(guī)要求下，汽車上配備了尾氣處理系統(tǒng)和其他發(fā)動機(jī)上的排放控制措施，這些子系統(tǒng)的性能檢測，也需要IG195這樣的測試循環(huán)取代原有的ASM測試方法。

其次，IG195測試循環(huán)已經(jīng)與NEDC(New European Driving Cycle) 測試循環(huán)或者IM195測試循環(huán)等進(jìn)行了充分的對比研究，IG195測試循環(huán)的測試結(jié)果與NEDC測試循環(huán)的一致性，遠(yuǎn)高于雙怠速法和ASM工況法。瞬態(tài)工況法IM195與新車排放認(rèn)證工況法的污染物排放系數(shù)相關(guān)性最好，最高為0.73；簡易瞬態(tài)工況法(IG195)與新車排放認(rèn)證工況法相關(guān)性最高為0.6245；而穩(wěn)態(tài)工況法與新車排放認(rèn)證工況法的相關(guān)性最高為0.5449。經(jīng)對研究結(jié)果分析，同樣采用CVS進(jìn)行測試，IM195的測試結(jié)果與NEDC的測試結(jié)果相關(guān)性最高不超過0.73，說明了測試工況選擇對相關(guān)性影響的重要性；簡易瞬態(tài)工況法與NEDC測試結(jié)果的一致性遠(yuǎn)好于ASM工況法的測試結(jié)果。而歐洲的報道中，TUV-A測試結(jié)果與NEDC測試結(jié)果的相關(guān)性可以達(dá)到0.9以上。中國和歐洲數(shù)據(jù)的差異，說明了工況選擇和測試過程控制的重要性。我們還需要做更多努力，來提高IG195測試循環(huán)與NEDC測試結(jié)果的一致性。

另外，隨著我國對環(huán)境保護(hù)的重視，重視發(fā)展小排量的汽車。同樣的污染物體積百分?jǐn)?shù)濃度下，小排量的汽車對環(huán)境污染的總量要小于大排量的汽車。因此，采用VMAS計量方法，以排放的污染物總質(zhì)量作為排放依據(jù)，能夠區(qū)分大排量汽車和小排量汽車對環(huán)境的壓力，使得汽車對環(huán)境污染的評價更為科學(xué)合理。

最后，具有記錄排放瞬態(tài)值與累積總量的功能。便于在捧放測量時進(jìn)行監(jiān)測、調(diào)整和對比。測試結(jié)果可用來分析有害氣體成分隨工況不同的變化規(guī)律及各氣體排放量隨時間積累的變化規(guī)律。

五、結(jié)語

就目前情況來看，今后IG195測試循環(huán)還需要提升與NEDC測試結(jié)果的一致性。這必須從測試循環(huán)優(yōu)化、各傳感器的同步性提高和系統(tǒng)響應(yīng)性能等方面提高性能。充分利用測試過程中各測試的氣體濃度隨時間的變化規(guī)律，建立這些數(shù)據(jù)變化規(guī)律與測試系統(tǒng)布置和汽車排放控制系統(tǒng)的聯(lián)系，增強對汽車排放控制子系統(tǒng)的診斷功能。為I/M制度的高效執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支持。