简易瞬态工况法(IG195)在I/M制度中的应用分析

◆文/高金胜 慈勤蓬 刘富强 王希波

汽车的排放性能会因汽车排放控制装置的老化、失效、故障等原因而劣化，从而使汽车的排放污染程度增加。推行在用车辆的检查/维护(I/M)制度，通过有效的检查手段，发现汽车排放控制装置是否有效，从而进行针对性的维护，恢复汽车的排放控制性能，是一种经济有效的控制汽车排放的方法。与双怠速法、稳态加载工况法和瞬态工况法相比，简易瞬态工况法是一种性价比最高的在用车排放检测方法。目前，简易瞬态工况法在国内已经得到大范围的应用，业界对简易工况法的测试过程的技术细节和控制水平也日渐成熟。

本文首先介绍简易瞬态工况法在国内应用的地域分布特点，然后介绍简易瞬态工况法的系统组成和特点，最后对简易工况法的应用分析进行探讨。

一、简易瞬态工况法的地域分布

按照GB18285-2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方(双怠速法和工况法)》的要求，我国的机动车排气污染物检查维护的测试工况主要是加速模拟工况法(ASM)和简易瞬态工况法(IG195)，表1为工况法地域分布的示意图。除港澳台外，全国31个省份，有17个省份用ASM工况法，12个省份用IG195工况法。如表1所示，IG195瞬态工况法主要应用在东部沿海省份和西南的省份。在北方、中部省份，主要应用稳态工况法；北京和广东则是两种工况法都在使用。工况法地域分布的特点，还反映了人口密度因素的影响。人口密度高、汽车保有量大的河南、四川、山东等人口大省都无一例外采用了IG195瞬态工况法。

图1所示为我国各省份(除港澳台外)每百人汽车保有量与工况法对应关系。在百人汽车保有量大于14时，以IG195工况法测试为主；在汽车保有量低于14时，应用ASM稳态工况法的省份略高于IG195工况法。可以预测，随着各省汽车保有量的上升，IG195瞬态工况法的应用比例会越来越高。

表1 2017年全国环保汽油车定期检验机构、方法及检测线情况

图1 汽车保有量与工况法对应关系

二、IG195测试循环分析

IG195测试循环是在IM195的基础上发展起来的，借鉴了IG240和IM240的处理方式。IG195和IM195的运行工况是完全一样的，与GB18352.3-2005《轻型车污染物排放限值及测量方法》中规定的新车型式认证的第一阶段的第一个循环工况(ECE15工况的第一个循环工况)完全相同，循环测试时间为195s，故称IM195或者IG195。

图2所示是IG195与IG240和TUV-A测试循环的比较。IG240和TUV-A对应的最高车速度都是90km/h，而IG195最高车速只有50km/h。在IG240上存在多次加速减速的工况变化过程；在TUV-A的测试循环中，则存在多个阶段的加速过程。与其他两种工况相比，IG195的加速和减速的次数相对少，工况变化相对简单。

从图3某车型IG195测试循环排放检测结果来看，NO的排放在加速段会有比较高的排放。因此，IG195测试循环在最终结果的加权处理上，需要采取和IG240以及TUV-A循环不同的处理方式，以提高测试结果与型式认证试验结果的一致性。

图2 中美欧三种测试循环

图3 IG195测试循环各污染物排放曲线

三、VMAS测试系统

1.系统组成

美国Sensors公司推出的VMAS系统是简易瞬态工况法测试系统的典型。VMAS系统硬件主要由底盘测功机、气体分析仪、气体流量分析仪和主控计算机，构成如图4所示，检测实况如图5所示。

底盘测功机由滚筒、功率吸收单元、惯量模拟装置、举升器和转速测量系统组成，是汽车的功率吸收及瞬态工况控制与测量装置，可模拟车辆在道路上行驶的瞬态工况负荷，实时测量车速。

气体分析仪通过采样探头通过探头直接抽取汽车的尾气，测量其中的CO、CO2、HC、NO和O2的浓度。对测得的浓度值根据燃料种类进行稀释修正和湿度修正，得到标准状况下的浓度值。

气体流量分析仪是VMAS系统的核心测量器件。流量分析仪主要完成排气稀释和流量实时测试功能。由流量采集软管、风机、超声波流量传感器、氧传感器、温度和压力传感器组成。

主控计算机上的数据集成系统是测量系统的核心，负责发送控制指令、接收数据、分析数据和显示结果。数据集成系统通过RS-232串口与气体分析仪和气体流量分析仪进行通讯。

图4 VMAS布置示意图

图5 检测实况

2.污染物质量排放测试原理

简易瞬态工况法的核心是根据尾气排放物浓度和尾气流量计算尾气中的排放物的质量。尾气流量的测量是计算排放物质量的关键。其测试原理是应用环境氧浓度、未稀释排气的氧浓度和稀释排气的氧浓度计算出稀释比，在由测量得到的稀释排气的流量计算出尾气的流量。

采用稀释比来进行排气流量计算的依据是氧气的质量守恒。若汽车排气管排出的流量为Q1(转换为标准状态)，环境稀释空气的流量为Q2(转换为标准状态)、稀释排气的测量流量为Q3(转换为标准状态)；Q1中氧气的体积百分比浓度为α1、环境中氧气的体积百分比浓度为α2、稀释排气中氧气的体积百分比浓度为α3；则稀释排气中氧气的体积(标准状态下)是汽车排气中氧气体积(标准状态下)和环境稀释空气氧气体积(标准状态下)的和：

稀释排气的体积流量等于排气的质量流量和环境稀释空气的质量流量的和：

由公式③可知，若测量得到了三个浓度α1、α2、α3，就可以计算出稀释比K。由K和测量得到的稀释排气流量Q3，即可得到排气在标准状态下的流量Q1。

对于排放物A，通过五气分析仪测量得到的体积百分比浓度为αA，标准状况下气体排放物A的密度为ρA，则Q1中排放物A的质量mA为：

由于浓度的测量和流量的测量是不同步的，流量测量落后于浓度测量。因此，需要连续测量流量，然后经过延时修正，计算每个测量浓度所对应的尾气排量。

3.关键技术

应用VMAS进行尾气检测的分析时，有两个关键点需要控制。其一是不同位置、不同时间和不同瞬态响应性能的传感器所测量的结果是不同步的，如图6所示，排气氧含量的测试结果早于稀释排气氧含量的测试结果。即使在同一个位置，HC的测试结果早于O2的测试结果，与CO2的测试结果也略有差异。其方法是采用一定的延时时间，保证各传感器所测量的结果能反映出同一批排气，从而保证测试精度。采用延时的办法进行处理，其难点在于汽车发动机在瞬变工况中排气的流速、温度都是在发生变化的，这样增加了传感器信号同步的复杂性。

图6 传感器测试信号示意图

第二个关键技术是针对国内的交通情况，优化测试循环，既能够使测试结果与型式认证试验的结果保持较高的一致性，又能够减少测试的时间和工作量，提高工作效率。从整体上控制VMAS系统的测试结果的一致性。

四、IG195测试循环的必要性

在国内IG195测试循环的应用日益增多，其原因有几个方面。首先，随着国内排放法规的日益严格，汽车的排放越来越低，单纯的依靠原有的双怠速法和加速模拟工况法(ASM)，已经无法评价在用车辆排放性能的优劣，无法分辨在用车辆的排放是不是达标。而且，新的排放法规要求下，汽车上配备了尾气处理系统和其他发动机上的排放控制措施，这些子系统的性能检测，也需要IG195这样的测试循环取代原有的ASM测试方法。

其次，IG195测试循环已经与NEDC(New European Driving Cycle) 测试循环或者IM195测试循环等进行了充分的对比研究，IG195测试循环的测试结果与NEDC测试循环的一致性，远高于双怠速法和ASM工况法。瞬态工况法IM195与新车排放认证工况法的污染物排放系数相关性最好，最高为0.73；简易瞬态工况法(IG195)与新车排放认证工况法相关性最高为0.6245；而稳态工况法与新车排放认证工况法的相关性最高为0.5449。经对研究结果分析，同样采用CVS进行测试，IM195的测试结果与NEDC的测试结果相关性最高不超过0.73，说明了测试工况选择对相关性影响的重要性；简易瞬态工况法与NEDC测试结果的一致性远好于ASM工况法的测试结果。而欧洲的报道中，TUV-A测试结果与NEDC测试结果的相关性可以达到0.9以上。中国和欧洲数据的差异，说明了工况选择和测试过程控制的重要性。我们还需要做更多努力，来提高IG195测试循环与NEDC测试结果的一致性。

另外，随着我国对环境保护的重视，重视发展小排量的汽车。同样的污染物体积百分数浓度下，小排量的汽车对环境污染的总量要小于大排量的汽车。因此，采用VMAS计量方法，以排放的污染物总质量作为排放依据，能够区分大排量汽车和小排量汽车对环境的压力，使得汽车对环境污染的评价更为科学合理。

最后，具有记录排放瞬态值与累积总量的功能。便于在捧放测量时进行监测、调整和对比。测试结果可用来分析有害气体成分随工况不同的变化规律及各气体排放量随时间积累的变化规律。

五、结语

就目前情况来看，今后IG195测试循环还需要提升与NEDC测试结果的一致性。这必须从测试循环优化、各传感器的同步性提高和系统响应性能等方面提高性能。充分利用测试过程中各测试的气体浓度随时间的变化规律，建立这些数据变化规律与测试系统布置和汽车排放控制系统的联系，增强对汽车排放控制子系统的诊断功能。为I/M制度的高效执行提供数据支持。