李允平， 劉澤硯， 劉瑞祥

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

0 引 言

在用車作為移動污染源對大氣構(gòu)成的污染程度日益嚴(yán)重，據(jù)2012年《中國機(jī)動車污染防治年報》[1]及文獻(xiàn)[2]顯示，在“十一五”期間汽車保有量增長150%，其向大氣中排放的污染物日趨增多。隨著在用車行駛里程的增加，其排放特性也會隨之變差[3-4]。為了控制和改善在用車的排放，目前廣大科技人員對在用車排放特性進(jìn)行大量的研究并取得了一定的成果，但從現(xiàn)有資料來看這些成果很少涉及到利用汽車排放總量分析系統(tǒng)(Vehicle Mass Analysis System，VMAS)作為實驗平臺研究在用車的排放特性，而大部分利用的是實際道路行駛的方法。本文利用VMAS排放檢測系統(tǒng)研究在用車的排放特性，試圖通過利用VMAS系統(tǒng)作為實驗平臺得出試驗數(shù)據(jù)，并分析研究車輛排放特性與其影響因素的關(guān)系，從而尋找一種更簡捷、科學(xué)、實用可行的方法，為找出排放超標(biāo)車輛以控制排放、保護(hù)環(huán)境提供理論和實驗依據(jù)。

1 VMAS系統(tǒng)簡介

VMAS系統(tǒng)是執(zhí)行I/M制度(Inspection/Maintenance)的必備設(shè)備，I/M制度即檢查維修法，是美國在1968年通過的《空氣清潔法》基礎(chǔ)上，對汽車排放進(jìn)行全面控制的一套法規(guī)，主要是對在用汽車實施檢查維修制度。在國內(nèi)經(jīng)過十幾年的探索和努力，業(yè)已形成了適合中國國情的基本完善的在用車排放污染物檢測與控制體系。VMAS系統(tǒng)就是專門用來檢測在用車排放的簡易瞬態(tài)工況法所采用的設(shè)備。

一套完整的VMAS系統(tǒng)主要包括：底盤測功機(jī)、流量計、廢氣分析儀及廢氣采樣裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、存儲打印系統(tǒng)、車輛信息錄入系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及其它輔助設(shè)備。其具備的基本功能是：模擬道路行駛工況進(jìn)行測量排放污染物的檢測，并向客戶提供客觀、公正的檢測數(shù)據(jù)以及通過網(wǎng)絡(luò)接受主管部門的監(jiān)督。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于總質(zhì)量3.5 t以下的第一類和第二類輕型車。

VMAS系統(tǒng)的分析系統(tǒng)由HC、CO、CO2、NO、O2的濃度自動分析儀器和稀釋氣體流量分析儀器組成。簡易瞬態(tài)工況氣體污染物檢測使用下列儀器分析：一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和二氧化碳(CO2)采用不分光紅外法(NDIR)，一氧化氮(NO)采用電化學(xué)法或其它等效方法。五氣分析儀直接對排放氣體進(jìn)行采樣分析。

分析儀響應(yīng)時間：上升時間，當(dāng)采樣頭濃度上升，分析儀對該變化值的響應(yīng)從0上升到90%時，HC、CO、CO2響應(yīng)時間應(yīng)少于8 s，對于NO應(yīng)少于12 s，對于O2應(yīng)少于15 s；衰減時間，當(dāng)采樣頭濃度衰減至原值10%以下時，分析儀對該變化值的響應(yīng)時間應(yīng)少于5 s(對NO可少于6 s)。儀器參數(shù)見表1[5-6]。

表1 五氣分析儀量程和精度、重復(fù)性要求

2 檢測方案的確定

實驗在淄博市機(jī)動車排放污染物檢測中心進(jìn)行，該中心是集教學(xué)、科研、社會服務(wù)于一體的機(jī)動車排放檢測、控制科研單位。所用的儀器設(shè)備均符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并經(jīng)主管部門定期檢定合格。

2.1 實驗方法的確定

利用VMAS系統(tǒng)作為實驗平臺，按照文獻(xiàn)[5]規(guī)定的實驗規(guī)程對在用車的排放進(jìn)行檢測，并獲取各排放因子的數(shù)據(jù)。實驗采用相同型號、同一批次但行駛里程不同的在用車進(jìn)行，以期找出行駛里程、維護(hù)保養(yǎng)以及使用等因素對在用車排放特性的影響。

實驗車樣本數(shù)為6，實驗依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB18285-2005進(jìn)行。由于篇幅關(guān)系本文只給出兩輛車的基本信息以及實驗結(jié)果相應(yīng)的圖表。實驗條件及樣車信息如表2所示。

表2 實驗條件及樣車信息

2.2 實驗步驟

2.2.1 樣車準(zhǔn)備

實驗車按照出廠技術(shù)條件將整車預(yù)熱，使其各部分的熱狀態(tài)達(dá)到技術(shù)條件的要求，輪胎氣壓和磨損程度均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求，關(guān)閉音響冷暖設(shè)備等。

2.2.2 儀器設(shè)備準(zhǔn)備

VMAS系統(tǒng)在實驗前按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行標(biāo)定，主要標(biāo)定項目有底盤測光機(jī)、流量計、廢氣分析儀等。所有標(biāo)定項目均按文獻(xiàn)[5-6]中規(guī)定的方法進(jìn)行。

2.2.3 實驗過程

將實驗準(zhǔn)備好的樣車由實驗人員按要求安全地駛上一切準(zhǔn)備就緒的VMAS檢測系統(tǒng)底盤測功機(jī)上，并將安全裝置固定好；系統(tǒng)操作員從主控機(jī)上調(diào)用該樣車的車輛信息后進(jìn)入檢測程序，實驗人員按照司機(jī)助手的提示進(jìn)行實驗車輛的操作，直到整個實驗程序結(jié)束并輸出實驗結(jié)果。實驗結(jié)束后從數(shù)據(jù)庫中提取采樣間隔為1 s、195 s內(nèi)的排放因子瞬時數(shù)據(jù)及對應(yīng)的車速。同樣方法對同一輛實驗車連續(xù)做3次，以驗證其重復(fù)性。

3 結(jié)果及分析

3.1 實驗結(jié)果

在VMAS實驗平臺上測得的關(guān)鍵工況排放因子數(shù)據(jù)見表3，限于篇幅只給出了兩組數(shù)據(jù)，其中L1代表行駛9萬公里的樣車，L2代表行駛12萬公里的樣車。195 s內(nèi)的排放因子樣本見圖1。關(guān)鍵點曲線見圖2，關(guān)鍵點對應(yīng)車速及使用檔位參見文獻(xiàn)[5]。

表3 排放因子測試數(shù)據(jù)

3.2 結(jié)果分析

將表3中各加速工況轉(zhuǎn)以加速度表示，并以工況點代表，具體為：0→15 km/h的加速度為1.04 m/s2，15→10→0 km/h的加速度為-0.805 m/s2，0→15→32 km/h的加速度為0.885 m/s2，32→10→0 km/h的加速度為-0.835 m/s2，0→15→35→50 km/h的加速度為0.657 m/s2，50→35 km/h的加速度為-0.52 m/s2，35→10 km/h的加速度為-0.86 m/s2，勻速和怠速工況的加速度為0。從而得出如圖2所示的關(guān)鍵點工況與排放因子之間的關(guān)系曲線。

3.2.1 工況分析

從表3及圖2中可以看出，在各個工況下L2的排放因子均高于L1。說明行駛里程對車輛的排放特性有直接的影響，隨著行駛里程的增加其排放特性也隨之變差。

在車速15 km/h、32 km/h、50 km/h勻速行駛時其平均污染物排放量L2較L1分別增長485.34%、491.34%和428.00%，在增幅中HC及NOx所占的比重較大，CO所占的比例較小，這是與車輛行駛里程的增加而導(dǎo)致整車的工況變差、燃料不完全燃燒、輪胎磨損引起發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加以及與發(fā)動機(jī)的日常維護(hù)保養(yǎng)和廢氣后處理的狀態(tài)有關(guān)。同時圖2中顯示，隨車速的提高L1和L2排放因子均增高，特別是NOx的增幅更大。

在怠速工況下L2比L1的平均增幅：CO為364.50%，HC為299.00%，NOx為1 888.75%。

(a) CO測量樣本值

(a) 關(guān)鍵點與CO排放因子關(guān)系

(b) HC測量樣本值

(b) 關(guān)鍵點與HC排放因子關(guān)系

(c) 關(guān)鍵點與NOx排放因子關(guān)系圖2 關(guān)鍵點工況與排放因子之間的關(guān)系

特別是在變工況條件下，行駛里程的增加對車輛排放特性的影響更為顯著。另外，從實驗結(jié)果中知道HC及NOx排放因子的增長率在各個工況均高于CO的增長率。

綜合以上分析，車輛的不同工況對排放特性的影響是不同的[7]，勻速車速在32 km/h的排放隨行駛里程增大的增幅高于勻速車速15 km/h和50 km/h的排放增幅；怠速工況時CO的增幅最小，其次是HC，而NOx的增幅最大；在加速、減速過程中的排放增幅均較大。

行駛里程對汽車排放特性的影響因素除車齡因素外，與汽車的日常維護(hù)、保養(yǎng)、使用因素也有較大關(guān)系，例如不良的操作習(xí)慣、換檔時機(jī)等。發(fā)動機(jī)的熱狀態(tài)、輪胎的磨損程度、各零部件的調(diào)整狀態(tài)、排氣后處理裝置的狀態(tài)也直接影響到汽車的排放特性。針對影響因素，要采取必要的措施來改善汽車的排放特性，并應(yīng)特別注意影響發(fā)動機(jī)燃燒狀態(tài)和排氣后處理裝置是否處于最佳狀態(tài)、加強(qiáng)日常維護(hù)及保養(yǎng)、文明操作以保障各零部件及裝置處于有效的工作狀態(tài)，從而減低排放。

利用VMAS系統(tǒng)作為在用車的排放檢測平臺，除上述車輛因素外，儀器設(shè)備的測量精度、人員素質(zhì)、管理水平、操作規(guī)程及檢測方法掌握的熟練程度等均影響到測試結(jié)果。要對儀器設(shè)備按要求進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)及標(biāo)定，使其處于良好的工作狀態(tài)；對從業(yè)人員要加強(qiáng)業(yè)務(wù)培訓(xùn)，使其達(dá)到相應(yīng)的管理和技術(shù)要求。

3.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

鑒于在測試過程中由于儀器設(shè)備及操作等因素的影響，不可避免地會出現(xiàn)離散點，為了保證本研究的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，同時采用了灰色理論對實驗結(jié)果進(jìn)行分析[7-8]。

根據(jù)灰色理論中鄧氏關(guān)聯(lián)度的計算方法分析各排放因子間的灰色關(guān)聯(lián)度，計算公式如下：

式中的符號含義參見參考文獻(xiàn)[7]。

具體計算過程及結(jié)果如下：

序列[1]為系統(tǒng)特征序列，序列參數(shù)為車輛行駛工況的加速度值。序列[2]為L1(CO)；序列[3]為L2(CO)；序列[4]為L1(HC)；序列[5]為L2(HC)；序列[6]為L1(NOx)；序列[7]為L2(NOx)。其余序列與它的鄧氏關(guān)聯(lián)度的計算過程如下[7,9]：第[一]步，計算序列初值像(計算過程及計算結(jié)果略)；第[二]步，計算差序列(計算過程及計算結(jié)果略)；第[三]步，計算極差，極差最大值：1 039.146 1，極差最小值：0.000 0(計算過程略)；第[四]步，計算關(guān)聯(lián)系數(shù)(計算過程及計算結(jié)果略)；第[五]步，其余序列與序列[1]的鄧氏關(guān)聯(lián)度，計算結(jié)果為，序列[2]：0.717 7；序列[3]：0.715 2；序列[4]：0.718 1；序列[5]：0.717 4；序列[6]：0.714 9；序列[7]：0.712 1。

比較各參數(shù)序列與行為序列[1]的鄧氏關(guān)聯(lián)度得出：L1的各排放因子與行為序列[1]的灰色關(guān)聯(lián)度均小于L2與行為序列[1]的灰色關(guān)聯(lián)度，表明L1與行駛里程的關(guān)系密切，而L2與行駛里程關(guān)系疏遠(yuǎn)，車輛排放特性惡化。這一結(jié)論與前文3.2.1的結(jié)論一致，均表明了行駛里程對排放特性的影響是直接的，隨著行駛里程的增加其排放特性將變差。

4 結(jié) 語

通過對在用車在VMAS系統(tǒng)上得到的排放因子進(jìn)行分析研究，同時利用灰色關(guān)聯(lián)度輔助分析。研究結(jié)果表明，在用車的行駛里程、維護(hù)保養(yǎng)對其排放特性有較大的影響，隨著行駛里程的增加，其排放特性也隨之變差。該研究方法簡單、實用、科學(xué)，具有研究周期短、成本低等優(yōu)點。為利用該方法開展在用車排放特性的研究以控制排放提供了理論和實驗依據(jù)。

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