胡丹

(青神縣節(jié)能監(jiān)察中心，四川 眉山 620460)

我國點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車尾氣排放檢測方法主要是簡易瞬態(tài)工況法和雙怠速法[1]。前者檢測精度高，可檢測汽車尾氣中的氮氧化合物(NOx)，是一種性價(jià)比更高的在用機(jī)動(dòng)車尾氣排放檢測方法，已在國內(nèi)得到大范圍的應(yīng)用[2]。但個(gè)別機(jī)動(dòng)車排氣檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)為追求經(jīng)濟(jì)利益最大化，在檢測過程中進(jìn)行違規(guī)檢測，例如取樣軟管未配備齊全或長度不符合要求，對于單排氣管車輛仍在取樣管上加“三通”管件以稀釋尾氣，車輛上線檢驗(yàn)不插入取樣探頭等[3-5]。因此，研究簡易瞬態(tài)工況法檢驗(yàn)監(jiān)管策略，為監(jiān)管部門提供實(shí)時(shí)高效、有理可據(jù)的監(jiān)管手段具有重要意義。

1 檢測原理

簡易瞬態(tài)工況法的設(shè)備組成包括底盤測功機(jī)、五氣分析儀、流量計(jì)、排氣取樣系統(tǒng)、自動(dòng)檢測控制系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置等[6]。由底盤測功機(jī)的滾筒表面代替路面，通過加載裝置模擬車輛行駛在道路上的各種阻力，再現(xiàn)實(shí)際行駛中的各種工況。系統(tǒng)根據(jù)錄入的車輛基準(zhǔn)質(zhì)量自動(dòng)設(shè)定試驗(yàn)工況的吸收功率值(表1)[7]。底盤測功機(jī)的速度和扭力傳感器通過串口將所測數(shù)據(jù)送達(dá)主控計(jì)算機(jī)。

同時(shí)，通過流量計(jì)的稀釋氧傳感器測量出環(huán)境空氣的氧氣(O2)濃度和稀釋尾氣的O2濃度，與五氣分析儀所測尾氣中的O2濃度進(jìn)行比較，計(jì)算出進(jìn)入流量計(jì)的排放尾氣的稀釋比例。流量計(jì)測量的實(shí)際稀釋體積流量經(jīng)壓力和溫度修正后，得到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)下的稀釋體積流量，結(jié)合稀釋比例，進(jìn)而即可計(jì)算出尾氣的實(shí)際排放流量。再通過五氣分析儀測得尾氣中一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和NOx3種污染物的排放濃度，可分別計(jì)算出受檢車輛每秒排放的3種污染物質(zhì)量[8]。計(jì)算公式如下：

(1)

式中:DR——稀釋比；[O2]amb——檢測站測試環(huán)境下的大氣氧濃度讀數(shù)，%；[O2]dil——流量計(jì)中氧傳感器的濃度讀數(shù)，%；[O2]raw——五氣分析儀中氧傳感器的濃度讀數(shù)，%。

(2)

式中:Qsta——0℃和101.3 kPa大氣壓狀態(tài)下的稀釋體積流量，L/s；Qact——實(shí)際稀釋體積流量，L/s；P——稀釋廢氣壓力傳感器讀數(shù)，kPa；T——溫度傳感器讀數(shù)，K。

Qe=Qsta×DR

(3)

式中:Qe——尾氣實(shí)際排放流量，L/s。

mCO=10×[CO]×DCO×Qe

(4)

mHC=10-3×[HC]×DHC×Qe

(5)

mNO=10-3×[NO]×DNO×Qe

(6)

式中：mCO、mHC、mNO——CO、HC、NO的實(shí)時(shí)排放質(zhì)量，g/s；[CO]——CO的實(shí)時(shí)排放濃度，%；[HC]——HC的實(shí)時(shí)排放濃度，10-6；[NO]——NO的實(shí)時(shí)排放濃度，10-6；DCO、DHC、DNO分別是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO、HC、NO的密度，g/cm3[7]。

測得的受檢車輛每秒實(shí)際輸出功率和每秒3種污染物排放質(zhì)量相結(jié)合，最終可計(jì)算出受檢車輛在模擬道路負(fù)荷工況下的排氣污染物排放總量。

2 可監(jiān)管參數(shù)分析

2.1 車輛基準(zhǔn)質(zhì)量

整個(gè)檢測過程中，底盤測功機(jī)施加于車輪的阻力與最初檢測人員錄入的車輛基準(zhǔn)質(zhì)量有關(guān)。系統(tǒng)根據(jù)車輛基準(zhǔn)質(zhì)量，匹配表1中的底盤測功機(jī)吸收功率值，自動(dòng)計(jì)算設(shè)定不同工況下底盤測功機(jī)應(yīng)對受檢車輛施加的載荷，而行駛阻力不同，受檢車輛進(jìn)行簡易瞬態(tài)工況運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)所輸出功率也將隨之變化，將直接影響受檢車輛尾氣排放的最終測量數(shù)值，尤其是NOx測量值。因此，應(yīng)確保錄入的車輛基準(zhǔn)質(zhì)量真實(shí)可靠，測功機(jī)設(shè)定的加載功率值符合標(biāo)準(zhǔn)要求[9-10]。

2.2 (CO+CO2)濃度

《汽油車污染物排放限值及測量方法(雙怠速法及簡易工況法)》(GB 18285—2018)中明確要求CO與CO2濃度之和不應(yīng)<6%，否則排放測量結(jié)果無效。由于空氣中N2約占78%，O2約占21%，稀有惰性氣體(氦、氖、氬、氪、氙、氡等)約占0.94%，CO2約占0.03%，其他氣體(O3、NO、NO2、H2O等)和雜質(zhì)占0.03%。由此可見，空氣中的(CO+CO2)濃度<6%。汽油車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)的理論空燃比為1∶14.7，汽車尾氣中絕大多數(shù)氣體為CO2和H2O，所以(CO+CO2)濃度一定>6%的，否則，就說明在取樣過程中，可能有大量空氣進(jìn)入五氣分析儀的取樣管內(nèi)。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)汽油車檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)(CO+CO2)濃度<6%時(shí)，違規(guī)檢測的可能性高達(dá)99%[11]。

2.3 O2濃度

按照發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒理論，當(dāng)混合氣的過量空氣系數(shù)為1時(shí)，理論上空氣與燃料的需求配比為1∶1，即所提供的空氣量剛好能滿足燃燒的需求，空氣正好消耗完全。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)中過量空氣系數(shù)>1.3時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空氣量太多，混合氣過稀，燃燒不能持續(xù)，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作，故實(shí)際燃燒時(shí)的空氣量最多能比理論所需空氣量多出30%，且空氣中的O2濃度約為21%，即最多約有6.3%的O2沒有燃燒而排出機(jī)外(采用稀薄燃燒技術(shù)的燃?xì)廛囕v除外)。正常運(yùn)行狀態(tài)下的汽油車發(fā)動(dòng)機(jī)，其過量空氣系數(shù)一般在0.8～1.1范圍內(nèi)，即車輛尾氣中的O2濃度應(yīng)在2%左右。因此，監(jiān)測受檢車輛尾氣中的O2濃度很有必要，當(dāng)O2濃度在2%左右波動(dòng)時(shí)，認(rèn)為檢測過程正常；當(dāng)O2濃度超過6%時(shí)，大概率有其他來源為受檢車輛的尾氣提供了O2，說明檢測設(shè)備出現(xiàn)問題：五氣分析儀漏氣或O2測試單元失準(zhǔn)[12]。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)O2濃度高于6%時(shí)，違規(guī)檢測的可能性高達(dá)99%[11]。

2.4 實(shí)時(shí)檢測尾氣流量

目前，車用發(fā)動(dòng)機(jī)需要通過進(jìn)氣沖程從外界獲取空氣和燃料，經(jīng)過壓縮、做功沖程完成能量轉(zhuǎn)換，最后，經(jīng)過排氣沖程，將廢氣排出機(jī)外[13]。根據(jù)物質(zhì)守恒定律，可以近似的通過發(fā)動(dòng)機(jī)排量與尾氣排出量的關(guān)系，判斷排氣管是否有泄漏，從而影響檢測結(jié)果。

根據(jù)克拉珀龍方程推導(dǎo)如下：

PV=nRT

(7)

式中:P——?dú)怏w壓強(qiáng)，Pa；V——?dú)怏w體積，m3；n——物質(zhì)的量，mol；R——?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·k)；T——溫度，K。

(8)

(9)

式中:P1——流量計(jì)內(nèi)氣體壓力，kPa；V1——流量計(jì)測得排氣體積，L；T1——流量計(jì)測得氣體溫度，K；P2——?dú)飧變?nèi)排氣壓力，kPa；V2——發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；T2——?dú)飧變?nèi)排氣溫度，K；C——常數(shù)。

因發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣沖程損失、排氣不充分等因素影響，需考慮增加流量計(jì)測得排氣體積與發(fā)動(dòng)機(jī)排量之間的關(guān)系系數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，正常檢測時(shí)，該系數(shù)約為0.65。按照流量計(jì)正常工作狀況時(shí)的條件要求，流量計(jì)內(nèi)氣體壓力P1約為0.08 MPa，流量計(jì)內(nèi)氣體溫度T1應(yīng)為298 K。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力P2一般約為0.1 MPa，排氣溫度T2約為1 000 K，且發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)2圈(720°)，完成一輪進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、爆炸沖程、排氣沖程。結(jié)合公式(9)進(jìn)行化簡后可得：

(10)

Qact=2×10-3×n1×V2

(11)

式中:Qact——實(shí)際稀釋體積流量，L/s；n1——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；V2——發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L。

依據(jù)上式的理論推導(dǎo)，可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)排量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的過程數(shù)據(jù)，通過公式(11)近似繪制出理論汽車尾氣流量曲線，將該曲線與實(shí)時(shí)檢測尾氣流量曲線進(jìn)行比較，當(dāng)差異較大時(shí)，檢測過程中可能發(fā)生了流量管泄漏現(xiàn)象，當(dāng)差異>10%時(shí)，可基本判定為違規(guī)檢測[11]。

3 可監(jiān)管參數(shù)的可行性驗(yàn)證

3.1 五氣分析儀漏氣實(shí)驗(yàn)

選取RM<3 500 kg的單排氣管輕型汽油車進(jìn)行簡易瞬態(tài)工況法五氣分析儀漏氣實(shí)驗(yàn)。第1組實(shí)驗(yàn)：車輛嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)流程規(guī)范操作；第2組實(shí)驗(yàn)：車輛在3檔車速為50 km/h運(yùn)行工況時(shí)，拔出五氣分析儀取樣管；第3組實(shí)驗(yàn)：車輛在3檔車速為50 km/h運(yùn)行工況時(shí)，于五氣分析儀取樣管的三通閥門處接入一根取樣管抽取空氣，同時(shí)另1根取樣管抽取尾氣。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)流程操作時(shí)，系統(tǒng)顯示(CO+CO2)濃度>6%、O2濃度<6%；拔出抽取受檢車輛尾氣的取樣管和接入一根抽取空氣的取樣管時(shí)，系統(tǒng)均顯示(CO+CO2)濃度<6%、O2濃度>6%。由此可見，可通過觀察CO與CO2濃度之和是否低于6%、O2濃度是否高于6%來判斷檢測過程中是否存在漏氣現(xiàn)象，從而實(shí)施有效監(jiān)管。

3.2 實(shí)測尾氣流量異常案例

1輛出廠日期為2011年，廠牌型號(hào)為QCJ7151A6型轎車，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.5 L，以簡易瞬態(tài)工況法進(jìn)行尾氣排放檢測。監(jiān)管人員通過日常抽查監(jiān)控平臺(tái)的歷史視頻，發(fā)現(xiàn)該車在初檢時(shí)，流量管未完全收集其尾氣，有明顯流量管漏氣現(xiàn)象，按照上述分析計(jì)算出理論尾氣流量曲線，將其與實(shí)時(shí)檢測尾氣流量曲線比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測尾氣流量與理論尾氣流量之間的差異率較大。監(jiān)管人員通知檢測站召回該車輛，按照檢測流程規(guī)范進(jìn)行了復(fù)檢，將復(fù)檢的實(shí)時(shí)檢測尾氣流量曲線與理論尾氣流量曲線比較，差異率均<10%。部分實(shí)時(shí)檢測過程數(shù)據(jù)見表2。理論尾氣流量曲線和初、復(fù)檢實(shí)測尾氣流量曲線對比情況見圖1。由此可見，監(jiān)管人員可以通過監(jiān)控實(shí)時(shí)檢測尾氣流量與根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出的理論尾氣流量之間的差異，來判斷檢測過程中，是否存在違規(guī)檢測嫌疑，從而對簡易瞬態(tài)工況法檢測實(shí)施有效監(jiān)管。

表2 違規(guī)操作案例的部分實(shí)時(shí)檢測過程數(shù)據(jù)

圖1 違規(guī)操作案例的理論尾氣流量曲線和實(shí)測尾氣流量曲線對比

4 結(jié)語

監(jiān)管的目的不是為了對檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行處罰，而是為了減少、甚至杜絕違規(guī)檢測現(xiàn)象，推動(dòng)機(jī)動(dòng)車尾氣排放檢測領(lǐng)域規(guī)范化。本研究提出的監(jiān)管策略屬于事后監(jiān)管，而事后監(jiān)管并未真正達(dá)到監(jiān)管目的，應(yīng)將監(jiān)管措施運(yùn)用于監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定當(dāng)中，通過系統(tǒng)軟件及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常檢測數(shù)據(jù)，在檢測過程中中止檢測，將事后監(jiān)管變?yōu)槭轮斜O(jiān)管，從而切實(shí)有效地達(dá)到監(jiān)管目的。