汽油車簡易瞬態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.山東交通學院 汽車工程學院，山東 濟南 250357；2.山東新凌志檢測技術有限公司,山東 濟南 250000

0 引言

簡易瞬態工況法具有接近車輛實際工況、評價指標客觀準確等優勢，成為汽油車排放檢測方法中的主流方法[1]，文獻[2]對簡易瞬態工況法增加了明確的測試限值。檢測過程中保證檢測數據真實準確至關重要，文獻[3]研究表明稀釋系數測定誤差影響車輛排放檢測結果；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]研究發現，隨著試驗循環中平均車速的提高，氣體排放下降；文獻[9]研究發現，當車輛安裝后處理系統時，大多數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位經驗不同的駕駛員駕駛同一車輛以及2位經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果具有明顯影響；文獻[11]通過改變預置溫度，得出溫度對排放檢測結果的影響；文獻[12-15]從設備自身、人為因素、燃油品質、市場監管及周圍環境5個方面分析了排放檢測結果的影響因素。

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境氧的準確性、氣體流量分析儀體積流量、集氣軟管長度等因素對檢測結果的影響規律，并給出應對策略，保證簡易瞬態工況法排放檢測結果的準確性。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

狀態穩定的試驗車輛有利于減小車輛自身原因對排放檢測結果的影響，在進行汽車底盤測功機寄生功率對排放檢測結果的影響試驗時，整備質量較小的汽車對應的加載功率小，便于測試寄生功率對排放檢測結果的影響，因此質量小的車輛(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果的影響試驗，整備質量大的汽車(車輛A)對應的加載功率大，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備參數如表2～4所示。

表1 試驗車輛參數

表3 MQW-5105(Z)氣體分析儀測量參數及測量范圍

表4 ADG-10A汽車底盤測功機參數

1.2 試驗方案

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

2 底盤測功機對簡易瞬態工況法排放檢測結果的影響

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浮動。這是因為被測車輛的基準質量小、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，相當于車輛負載增加，影響排放檢測結果。

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

2.2 吸收功率

排放試驗車輛A基準質量為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置為1.80、2.00、2.73、2.99、3.12 kW進行簡易瞬態工況法排放檢測。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，當在規定時間內達到某一速度時，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工況法排放檢測結果的影響

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體積分數的影響如圖2所示。

表7 不同取樣探頭深度下排放結果

圖2 取樣探頭深度對原始排氣中O2體積分數的影響

由表7可知：當排氣取樣探頭深度由100 mm增加至550 mm時，排放檢測結果整體變化不大；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：當取樣探頭深度為50 mm時，原始排氣中O2體積分數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體積分數劇增。原始排氣中O2體積分數劇增引起排氣的稀釋比劇增，使排氣流量劇增，導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體積分數對檢測結果起決定性影響，導致簡易瞬態工況法測量的排放結果劇增。取樣探頭深度為100、200、400和550 mm時，原始排氣中O2體積分數變化相對較小，各污染物實時體積分數對檢測結果起決定性作用。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越接近實際。

進行簡易瞬態工況法排放檢測時，應嚴格按照文獻[2]規定，排氣取樣探頭深度應不低于400 mm；檢測過程中，應固定排氣取樣探頭位置，以免探頭隨車輛抖動移位導致排放檢測結果不準確。

3.2 取樣管長度

按照文獻[2]相關試驗要求，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排放結果如表8所示，取樣管長度對CO實時排放結果的影響如圖3所示。

表8 不同取樣管長度時的CO、HC、NOx排放結果

圖3 取樣管長度對CO實時排放結果的影響

由表8及圖3可知：當取樣管長度不同時，CO、HC、NOx排放檢測結果呈波動式變化，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為環境中O2的體積分數，φ2為稀釋排氣中O2的體積分數，φ3為原始排氣中O2的體積分數。

排氣體積流量

qV=qV1DF，

(2)

式中：qV1為稀釋排氣體積流量，L/s。

污染物排放質量流量

qm=φρqV，

(3)

式中：ρ為氣體標準狀態下的密度，g/L；φ為排放中污染物體積分數。

比排放

Me=∑qm/∑v，

(4)

式中：v為車輛當量行駛距離，km/s。

式(3)中各污染物體積分數及公式(1)中原始排氣中的O2體積分數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污染物排放測量結果時間變長，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據的同步性，進而影響稀釋比、排氣流量和污染物濃度的相對關系，由于排放質量流量根據式(3)計算，導致比排放量計算結果受取樣管長度影響。

在進行簡易瞬態工況法排放檢測時，為保證檢測結果的準確性，在同一地區應使用統一長度的取樣管，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量下排放結果及取樣管路壓力

通過控制排氣取樣探頭通氣孔數目的方式來改變取樣管中樣氣流量，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進行簡易瞬態工況法排放檢測試驗。不同排氣取樣探頭通氣孔堵孔數目時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，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量(樣氣流量減小)影響排放檢測結果，各污染物排放在一定范圍內波動。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據的同步性，使得稀釋比、排氣流量和污染物濃度的相對關系變化，導致檢測結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進行檢查，并隨時關注取樣管管路壓力。

4 氣體流量分析儀對簡易瞬態工況法排放檢測結果的影響

4.1 氧傳感器測量準確性

按照相關試驗要求，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工況法排放檢測。2臺氣體流量分析儀測得環境中O2體積分數分別為20.52%、20.79%，不同O2體積分數時CO、HC、NOx排放如表10所示，不同O2體積分數對稀釋比的影響如圖4所示。

表10 不同O2體積分數下排放結果

圖4 不同O2體積分數對稀釋比的影響

由表10和圖4可知：氣體流量分析儀氧傳感器所測環境O2的體積分數由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O2體積分數偏低時，稀釋比明顯減小，排放檢測結果降低。

由式(1)可知，當環境O2及稀釋排氣中O2體積分數降低時，原始排氣中的O2體積分數不變，稀釋比減小；由式(2)可知，相應的排氣流量減小；由式(3)可知，此時CO、HC、NOx單位時間排放質量明顯降低，對檢測結果影響較大。

在進行簡易瞬態工況法排放檢測時，應保證氣體流量分析儀中氧傳感器測量的準確性。氧傳感器老化及使用壽命超過年限均影響氧傳感器響應時間，降低測量精確度。排放檢測機構應定期更換將達使用年限及檢測次數過多的氧傳感器，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，避免正常環境中O2的體積分數變化導致測量結果不準確。

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果影響較小，在流量為2.5～8.7 m3/min時排放檢測結果變化不大，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工況法排放檢測。不同集氣軟管長度下CO、HC、NOx排放結果如表12所示。

表12 不同集氣軟管長度時排放結果

由表12可知：集氣軟管長度對排放檢測結果的影響較大，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，稀釋氣體對應的排氣流量及稀釋排氣中O2體積分數難以保證與氣體分析儀所測的污染物同步，最終對檢測結果產生影響。因此，為保證檢測結果的一致性，在同一地區的排放檢驗機構應使用統一長度的集氣軟管。

5 結語

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

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確性對檢測結果有顯著影響，在測試的流量范圍內氣體流量分析儀體積流量對簡易瞬態工況法排放檢測結果基本無影響。為提高簡易瞬態工況法排放檢測結果的真實性和準確性，應采取有效措施控制檢測結果的影響因素，避免出現同一輛車在不同排放檢驗機構排放測試結果差異較大。