歐V排放測試系統(tǒng)的關(guān)鍵影響因素及主要技術(shù)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(fù)雜，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能對測試結(jié)果造成較大的偏差。隨著歐V低排放要求的實(shí)施，其影響因素變得更為敏感和復(fù)雜。本文從歐V階段排放法規(guī)對測試系統(tǒng)的技術(shù)要求著手，研究分析了影響排放測試結(jié)果的各種因素，并根據(jù)目前所采用的主流測試系統(tǒng)的工作原理，對其為滿足更高法規(guī)要求的技術(shù)難點(diǎn)逐一進(jìn)行應(yīng)對分析。

一、歐V排放測試系統(tǒng)及其關(guān)鍵影響因素

1.道路阻力模擬準(zhǔn)確度

在排放測試中底盤測功機(jī)（轉(zhuǎn)鼓）起著最基本而又重要的作用。轉(zhuǎn)鼓是用來模擬樣車在實(shí)際道路上的行駛阻力。根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)基本公式：驅(qū)動(dòng)力=行駛阻力之和，可以看出轉(zhuǎn)鼓與道路阻力的擬合度決定了樣車在實(shí)驗(yàn)室中所輸出的功是否與其在道路行駛狀態(tài)下一致，這直接對排放測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

轉(zhuǎn)鼓對道路阻力的模擬主要分為兩個(gè)方面，一方面是對樣車質(zhì)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(gè)方面的因素最終體現(xiàn)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(jié)果也會(huì)隨之發(fā)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(shù)上還是會(huì)產(chǎn)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(shù)要求。這就使得底盤測功機(jī)在對道路阻力進(jìn)行模擬并加載時(shí)成為了測試的關(guān)鍵。

底盤測功機(jī)作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)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(jī)在0 km/h～150 km/h的車速范圍內(nèi)的連續(xù)曲線上，轉(zhuǎn)鼓的自身阻力需小于50 N。

2.背景空氣的質(zhì)量控制

進(jìn)行輕型汽車排放測試時(shí)，采用的定容取樣系統(tǒng)CVS系統(tǒng)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(jìn)行稀釋，并使稀釋后的樣氣流量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值。采用此種方法既可以避免在采樣、分析時(shí)尾氣中的水被析出，也可不必對尾氣的實(shí)時(shí)流量進(jìn)行測量。

圖1 CVS系統(tǒng)工作原理圖

如圖1所示，在試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行測量，再利用稀釋比（DF）進(jìn)行計(jì)算，就可以得到尾氣中各組分的實(shí)際排放量。

那么，對背景空氣質(zhì)量引起DF的波動(dòng)，是否會(huì)最終導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差呢？根據(jù)歐V法規(guī)ECE R83－2010《壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)怠速排放》中的技術(shù)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(yīng)污染物的濃度進(jìn)行校正。從下圖2中，可以看出，理論DF應(yīng)采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

圖2 CVS系統(tǒng)中各氣體濃度、容積的關(guān)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(zhǔn)確，即使尾氣中污染物的排放量再低，也能夠被精確地計(jì)算出來。然而，由于在實(shí)際測試過程中，無法對混合氣中尾氣和背景空氣的容積進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，因此在基于以下3個(gè)假設(shè)條件下，對DF采用式（2）進(jìn)行計(jì)算，得到其計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jì)算值

在目前的法規(guī)測試中，對各污染物排放量的計(jì)算即采用計(jì)算得到的DF。正是基于這個(gè)原因，當(dāng)背景空氣質(zhì)量與第1個(gè)假設(shè)條件相差較大時(shí)，同時(shí)尾氣中實(shí)際的排放量又很低時(shí)，會(huì)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。因此，在應(yīng)對歐V和VI排放法規(guī)測試方面，要求背景空氣的質(zhì)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(guī)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(dāng)?shù)偷乃?，因此對分析單元的性能提出了很高的要求?/p>

根據(jù)分析單元的原理，目前主要采取以下技術(shù)手段來應(yīng)對。

①關(guān)鍵組件有絕熱保護(hù)避免溫度波動(dòng)，提高分析儀信號(hào)的穩(wěn)定性；

②化學(xué)發(fā)光分析儀（CLD）反應(yīng)腔室的體積比先前的分析單元小，從而增強(qiáng)信號(hào)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(shí)現(xiàn)增加測量靈敏性和提高工作穩(wěn)定性的功能優(yōu)化；

④GC采樣環(huán)的容量比先前的分析單元大，同時(shí)優(yōu)化圓柱體的條件，增加其測量可靠性；

⑤進(jìn)一步穩(wěn)定氫火焰離子分析儀（FID）的高壓源，增加信號(hào)穩(wěn)定性，并使噪聲干擾最小化；

⑥改進(jìn)分析單元的電子控制器，從而達(dá)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(shù)手段的運(yùn)用也使之成為可能。目前，分析單元的最小量程從常規(guī)分析單元的10×10-6水平逐步發(fā)展到超低分析單元的1.0×10-6水平。

二、主要測試技術(shù)路線及其應(yīng)對方法

針對上述的技術(shù)分析，根據(jù)歐V階段排放法規(guī)技術(shù)要求特點(diǎn)，對測試系統(tǒng)在底盤測功機(jī)模擬精度、背景空氣處理系統(tǒng)和采樣分析系統(tǒng)等方面進(jìn)行技術(shù)應(yīng)對。以下主要就技術(shù)應(yīng)對路線和優(yōu)化方案進(jìn)行深入研究剖析。

1.排氣采樣系統(tǒng)的優(yōu)化

①背景空氣凈化

在此技術(shù)方案中，首先就是對背景空氣進(jìn)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(jì)算帶入的測量結(jié)果誤差可被盡可能地減少。

如圖3所示，左側(cè)為背景空氣經(jīng)過精制后，混和氣中尾氣和背景空氣的關(guān)系，右側(cè)是背景空氣未經(jīng)精制時(shí)的情況?？梢姡?dāng)背景空氣精制后，其對測量結(jié)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(jù)以上理論驗(yàn)證，即使在稀釋比的計(jì)算過程中仍然存在偏差，但由于背景空氣質(zhì)量的改善，最終測量計(jì)算結(jié)果與實(shí)際污染物排放情況之間的誤差被縮小了。因此，在進(jìn)行低排放輕型汽車排放測試時(shí)，背景空氣的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。

②CVS流量選擇的優(yōu)化

在輕型汽車歐V排放測試時(shí)，由于樣車自身的排放量很低，如選擇較大的CVS流量進(jìn)行稀釋，那么混和氣中的污染物濃度將會(huì)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(zhǔn)確度，就有必要選擇盡可能小的CVS流量進(jìn)行稀釋。

然而，當(dāng)選擇了較小的CVS流量時(shí)，在管路和氣袋中易產(chǎn)生冷凝水析出的問題，會(huì)對最終的測量結(jié)果造成負(fù)面影響。為避免產(chǎn)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(guān)系圖

通過圖4可以看出，當(dāng)有效地降低了背景空氣的濕度后，在選擇較小CVS流量時(shí)，才不易發(fā)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(huì)對最終測量結(jié)果產(chǎn)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(shí)，一般考慮選用Dyneon（TFM/PTFE）材料。

綜合上述的改進(jìn)措施，一個(gè)典型的改進(jìn)型CVS系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 典型改進(jìn)型CVS系統(tǒng)示意圖

當(dāng)然，在此基礎(chǔ)上也可通過對測試程序在采樣時(shí)間上的設(shè)定，對延時(shí)部分進(jìn)行補(bǔ)償，以利于更精確的測量。

2.轉(zhuǎn)鼓測量精度的提高

①固有損失的降低

轉(zhuǎn)鼓固有損失是機(jī)械部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)固有的阻力，但可在進(jìn)行測試前，采用暖機(jī)的方法使其降低，避免其對測量結(jié)果的影響。

同時(shí)，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(shù)手段使轉(zhuǎn)鼓固有損失維持在一個(gè)很低的水平，并省略暖機(jī)的步驟，延長軸承的壽命。

浮動(dòng)軸承是目前得到成熟應(yīng)用的降低轉(zhuǎn)鼓固有損失的技術(shù)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(shè)置加熱棒，連續(xù)對軸承的工作溫度進(jìn)行控制，使其始終保持在一個(gè)良好工作環(huán)境下。這樣，既避免了溫度波動(dòng)對軸承運(yùn)轉(zhuǎn)阻力的影響，也相應(yīng)提高軸承的壽命。

②傳感器精度的保證和提高

轉(zhuǎn)鼓的力測量裝置是轉(zhuǎn)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(yīng)用于低排放輕型汽車排放測試用轉(zhuǎn)鼓上，但由于其讀數(shù)穩(wěn)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(yīng)設(shè)置一個(gè)溫度保護(hù)盒，將其工作溫度控制在一個(gè)理想的狀態(tài)。

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

三、后語

隨著輕型汽車歐V法規(guī)的實(shí)施，在進(jìn)行輕型汽車排放測試時(shí)，將面臨更多的技術(shù)需求，而要將測量的準(zhǔn)確度進(jìn)一步提高，在技術(shù)上還需做出更多的努力。根據(jù)以上應(yīng)對路線和優(yōu)化方案，為構(gòu)建滿足歐V階段測試技術(shù)要求的試驗(yàn)平臺(tái)提供了必要的基礎(chǔ)。