车载质量排放率测试系统开发与试验研究

祖力，王羽，郭栋，张学鹏

(1.吉林大学 交通学院，长春 130025；2.长春市公安局交通警察支队，长春 130025)

随着机动车保有量的不断增加，机动车排放对城市大气环境的影响越来越大。如何准确评价机动车的排放水平及其影响因素，进而通过各种措施来削减排放是交通科研工作者亟需解决的问题，因此如何获取实时交通流中机动车的瞬时排放特征，对于解决机动车排放问题具有重要的基础性的作用。

目前对机动车瞬时排放的测量方法有三种：一是测功机法[1]，在实验室内用底盘测功机模拟道路行驶工况，测量结果准确。但是模拟工况毕竟不等于实际道路环境，在测功机上测得的排放数值和在实际道路上测得数值有出入[2]。二是遥控法[3]，由车载激光系统遥测在路面行驶的车辆排放水平，该方法受天气环境影响，测量精度不高，大多用于交通流排放水平的统计，不能准确反映单一车辆排放情况，且以上两种方法设备昂贵，体积大。三是实际道路环境下排放水平的实时测试，目前国内未研制出相关的仪器[4]，有资料显示天津大学开发过此类仪器，但需要拆解车辆油路串接油耗仪，还要装车速传感器，安装复杂，安全性较差。

为了克服上述不足，本文提出一种适用于车辆携带的，可以实现汽车实际道路环境下尾气排放的快速、实时测试技术，即车载质量排放测试系统。

1 试验系统的工作原理

车载排放质量测量系统，是由进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器、五气体废气分析仪、发动机转速传感器、GPS接收机和单板机以及带有二合一RS232串口卡的笔记本电脑组成，试验数据是在底盘测功机上取得的。各组成部分的功能如下所示：

(1)利用进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器测取进气压力和进气温度；

(2)利用发动机转速传感器测得到发动机转速。

(3)利用五气体废气分析仪测取尾气的排放的体积浓度；

(4)利用底盘测功机进行模拟加载；

试验系统组成如图1所示。

图1 试验系统组成示意图Fig.1 Sketch of test system

进气歧管压力传感器和进气歧管温度传感器安装在发动机的进气歧管上，二者的输出端与单板机的输入端相连，单板机的信号输出端和笔记本电脑的RS232串口卡相连。发动机转速传感器卡装在发动机的第一缸点火高压线上，通过测取发动机高压线上的点火脉冲数来计算得到发动机的转速。五气体废气分析仪的取样探头插装在排气管内，废气分析仪的输出端与笔记本电脑RS232串口卡相连接。笔记本电脑和五气体废气分析仪之间是双向通讯的，笔记本电脑向废气分析仪发出控制信号并要求废气分析仪把检测到的尾气排放的相关参数传输到笔记本电脑内。

由发动机传感器组传输的进气温度、进气压力以及发动机转速信号结合发动机的气缸排量和气缸充气效率，根据相关的速度-密度法数学模型，计算得出汽车发动机的进气质量；同时废气分析仪测试得到的过量空气系数可以换算得到发动机的实际空燃比；由空燃比的定义，进气质量和发动机实际空燃比即可计算出燃油消耗量；再由发动机燃油消耗量结合五气体废气分析仪传输过来的发动机尾气排放 HC、CO、NOX、CO2等成分的体积排放百分比以及过量空气系数，最终求得尾气质量排放率。

图2 控制及数据采集系统的工作原理框图Fig.2 Control and data acquisition systemwork principle block diagram

试验是在底盘测功机上进行的，用底盘测功机模拟道路运行工况，试验重复性好。为了验证空燃比油耗模型的准确性，便于模型修正，在试验中，同时用流量计式油耗仪测量试验车的油耗，作为用空燃比法油耗模型计算油耗的比对标准。测试得到的瞬态油耗可以结合四种排放污染物的体积浓度计算得到质量排放率，计算流程如图3所示。

图3 计算步骤示意框图Fig.3 Diagram for calculation steps

2 尾气质量排放计算模型

众所周知，汽车的尾气排放与其燃油消耗有着密不可分的关系，燃油消耗比较高的汽车一般尾气排放量也会随之增大。

发动机燃油消耗与尾气排放之间的关系可以建立为相应的数学模型，在得到消耗的燃料质量的前提下，通过燃油消耗与尾气排放之间的数学模型计算即可得到汽车的尾气排放中HC、CO、CO2、NOx的质量。

尾气排放中 HC、CO、CO2、NOx的质量与油耗之间的数学计算模型表示为：

式中：mHC、mCO、mNOx、mCO2为 HC、CO、NOx、CO2的质量排放率(g/s)为由废气分析仪测量出的过量空气系数；mfuel为燃油质量流量，g/s；

Mrexh为废气的平均分子量，由以下公式计算得到[2]：

Y为燃油中H原子与C原子的个数比，依据国家标准关于测量HC规定的燃油中H与C个数的比例为1.85:1；

R为由C6H14测量结果转化为C1的系数；由于进行浓度转化时，HC的分子量的获得是参照国家标准规定[7]的H/C的比例进行计算的，国家标准中规定的HC分析方法是FID，该方法在测量HC浓度时是将C都离解成C原子，再进行测量。本废气分析仪测量HC浓度是使用的是NDIR法，该种测量方法仅对废气中C6成分比较敏感，两种测量方法的不同造成测量结果有出入[6]。本试验中对试验车辆的稳态工况排放废气，同时用FID测量的HC浓度值(106C1)与用NDIR法测量的浓度值(106C1)进行了测量比较后得到转换系数R=FID/NDIR=16.5。依据此系数进行数据处理，将HC的浓度转化为C0表示的值。

由此，可以通过公式(1)计算的燃油消耗质量带入到公式(2)、(3)、(4)中，计算得到尾气中单位时间排放出来的HC、CO、CO2、NOX的质量。

3 试验结果分析

本项目通过空燃比法研制了燃油消耗测量装置的基础上，结合燃油消耗率和废气分析仪得到的尾气浓度实现了对汽车尾气质量型排放的检测。

由废气分析仪测试到的HC、CO、CO2、NOX以及过量空气系数结合燃油消耗率，根据得到的尾气排放质量计算模型即可得到尾气中HC、CO、NOX、CO2的质量排放率。GPS车载系统可以检测车辆的行驶速度，可以将燃油消耗量换算成百公里油耗，尾气中 HC、CO、NOX、CO2的质量排放率换算成排放因子，在笔记本电脑上的控制界面显示结果，并将测量数据和计算数据记录下来，便于后期查看和处理。

尾气排放测试试验采用轻型车和中型车各三辆进行了六次实际路试，表1列出了红旗 CA7200E3的试验数据记录。

表1 红旗车载质量排放测试数据Tab.1 The test data of Red Flag CA7200E3

试验结果表明，在机动车保持20～32km/h的实际道路平均行驶速度下，NOx的质量排放率处于2～10mg/s的范围内，CO的质量排放率在5～30mg/s的范围内，CO的质量排放率在100~620mg/s。与美国Clear air Technologies公司生产的车载排放质量测量仪器 OEM-2100的试验结果相比，NOx和HC的排放偏高两倍左右，而CO和CO2结果比较相符，这是机动车在不同道路下由于试验条件产生的排放差异有关。综上，开发的车载排放测试仪器具有较高的精度，可以作为实际道路排放测试的手段。

4 结论

以测量实际道路上机动车的瞬态质量排放率为目标，利用进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器、五气体废气分析仪、发动机转速传感器、GPS接收机和单板机以及带有二合一RS232串口卡的笔记本电脑开发了车载质量排放测试系统。选择了六台轻型车，分别进行了台架模拟工况和实际路面试验。试验结果说明，用空燃比法检测发动机油耗量，并利用尾气质量排放计算模型来得到机动车的实时道路质量排放率，是一种简单可行的尾气实时测量方法。

[1]祖力.汽车油耗检测的不解体方法-碳平衡法[J].长春理工大学学报，2007，30(2)：80-83.

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[7]GB/T19233-2003轻型汽车燃料消耗量试验方法[S].北京：中国标准出版社，2003.