低排放汽车排放测试技术探讨

2012-05-10牟建勇

海峡科学 2012年5期

关键词：样气定容排气

牟建勇

低排放汽车排放测试技术探讨

牟建勇

厦门环境保护机动车污染控制技术中心

随着汽车排放水平的不断提高，对排放测试的要求也越来越严格。该文讨论了达到欧四标准以上水平的低排放汽车排放测试，对影响试验结果的因素进行了分析和总结，提出了提高测试稳定性和准确性的几点措施。

轻型车低排放测试

随着全球汽车工业的迅速发展，由此而带来的环保问题越来越引起各国政府有关部门的重视，对于汽车排放污染物的控制力度也不断加强。欧盟已于2009年正式实施了欧五标准，并计划于2014年实施欧六标准。美国EPA于2011年8月大幅提高了乘用车温室气体排放和燃油经济性标准，成为世界各国中最为严格的汽车标准。在中国，汽车产销量已双双突破1800万辆，连续三年成为世界汽车产销量第一大国。北京、上海和广州分别为举办2008年奥运会、2010年世博会和2010年亚运会，提前实施了机动车国四排放标准。全国也将从2011年7月1日起分步实施国四标准。

为了适应法规的发展，相关排放认证试验也在不断加严。在利用现有设备对欧四以上水平的汽车进行排放测试的过程中，由于被测汽车排放水平的大幅降低，采用常规试验条件进行试验的结果重复性及稳定性开始下降。对于一些排放水平非常好，达到欧五以上的汽车，排放污染物的测试结果甚至可能出现负值。为了保证试验结果的良好重复性与准确性，本文对影响试验结果的因素进行了系统的分析和总结，提出了提高测试稳定性和准确性的几点措施。

1 排气污染物测试原理

排放法规对排气污染物（THC，NOx，CO等）的限值要求是质量浓度，要求在整个测试循环过程中对上述气体污染物的浓度和质量流量进行连续测量，通过连续积分从而获得排气污染物的质量。目前对浓度的连续测量已经非常成熟，而对于动态质量流量的连续测量却由于在整个测试循环过程中发动机排气的体积流量、温度及密度均不断变化，世界范围内一直没有很好的解决方案。因此，法规规定了以定容取样的方法对气体污染物进行采样测量。

定容取样的方式是利用文氏管或容积泵的定容原理，对发动机排气用背景空气（通常为实验室环境空气）进行定容稀释（如图1），在整个测试过程中对稀释后的混合气体以及背景空气进行连续比例采样，并将样气充到取样袋中予以储存，在试验结束后再对气袋中的样气进行分析。测试过程中，气袋除了具有储存样气的作用，同时还对样气浓度进行了连续均匀混合，也就是采样结束后样气袋中的浓度是整个采样过程中样气混合后的浓度平均值。

图1 定容采样系统原理简图

2 排气污染物测试影响因素分析

2.1 排气污染物浓度的计算

根据法规，定容取样后的排气污染物质量通过以下公式进行计算：

——最终气体排放污的总质量（g）；

C——样气袋中混合气体中污染物的浓度（ppm）；

C——背景气袋中污染物的浓度(ppm)；

——稀释因子，是汽车排气被背景空气稀释的倍数；

V——定容采样过程中总流量(m3)。

2.2 稀释因子DF的计算

值由以下公式确定：

公式是基于发动机采用基准燃料在理想状态下完全燃烧的方程式所得，燃料的碳氢比是1.84。式中分子是在发动机理想排气中的CO2浓度值，对于汽油车和柴油车，法规将该值确定为13.4%。而公式中的分母是混合气体样气袋中CO2、CO和THC的浓度，也就是发动机实际燃烧产生的含碳气体经过背景空气稀释的浓度。

由于背景空气也就是大气中的CO2浓度非常低，因此我们可以认为发动机理想燃烧状态下产生的含碳气体（全部是CO2）浓度除以被稀释后实际燃烧的含碳气体（CO2，CO，THC）浓度，即为发动机排气被稀释的倍数。值得注意的是，实际测试中，燃料的碳氢比在1.7～1.8之间，而发动机也不可能总在理想的空燃比状态下工作，因此该计算所得的DF值只是一个近似值。

2.3 稀释因子DF对污染物计算的影响

根据法规所规定的污染物质量计算公式，试验结果主要是由样气袋中浓度与背景空气袋的浓度差值所决定的。在被测汽车达到欧四水平以前，由于发动机排气的污染物浓度与背景空气中污染物浓度相差很大，DF偏差对测试结果的影响不会很大。

图2 排放测试循环

目前国标和欧洲标准的排放测试循环分为市区循环和郊区循环两段，在市区循环段，发动机总是处于起步、加速、制动、怠速状态，因此排放状况较差，而在郊区循环段发动机工作于较为理想状态下，因此排放浓度很低。特别是达到欧四阶段以后，由于限值比欧三下降了一半（如表1），排放污染物成分已接近甚至低于背景空气的浓度。以THC为例，汽车在郊区循环段的其实际排放浓度（1ppm以下）往往已远远低于背景气袋的浓度（2～4pmm）。在这种情况下，排放测试仪器的测试偏差被值放大以后对试验结果造成了较大的影响。

表1 欧洲排放标准

假设某试验循环下，样气袋中的浓度为2.68ppmC，背景空气浓度为3ppmC，真实稀释比为9，CVS总流量V为9m3。通过计算可得发动机排气的准确浓度0.12ppmC。

但由于实际计算出的值考虑到前文所述原因，有可能大于真实值，假设为10，则是实际计算结果将会是-0.18ppmC，显然无法反映发动机排放的真实值。

3 提高测试稳定性和准确性的措施

考虑到上述因素对试验结果的影响，可采用以下措施来提高试验的稳定性和准确性：

3.1 选择较低的CVS流量

由于值对试验结果会产生非常大的影响，因此试验中应尽可能减小定容采样系统的流量以减小值，同时提高被测污染物的浓度，以减小其对试验结果的影响。

值得注意的是，按照法规要求，CVS的流量应保证对发动机排气进行足够的稀释以保证系统不出现冷凝水。这是由于冷凝水的出现会导致排气污染物溶于水而降低测试的准确性。因此，在目前情况下，为了降低CVS流量，还可以进一步采用的方式是对背景空气除湿，以确保在降低稀释比的情况下而不出现冷凝。

3.2 使用精度更高、量程更低的分析仪

考虑到分析仪的测试偏差会被值放大，因此在试验中应尽量采用分析仪的最小量程，并用选用高精度的标准气体进行线性化检查。值得一提的是，目前欧四测试中NOx成分在背景气袋和样气袋中的浓度均已在1个ppm以下，目前所使用的常规分析仪的最小量程（10ppm）已难以满足测试的需要，如果以NOx为例再进行上述浓度计算，偏差将会更大，因此使用低量程（1ppm）的NOx分析仪将变得必要。

3.3 对背景空气中污染物成分的处理

据前文分析，决定试验结果的主要是样气袋中污染物浓度与背景气袋中污染物浓度的差值，因此降低背景气袋中污染物的浓度可以很大程度地提高欧四测试的精度。目前对背景气进行处理的最有效方式是使用稀释空气精致系统（DAR），采用类似车用三元催化器原理，通过化学反应使背景空气中各种污染物的浓度下降到0.1ppm 以下。由于使背景空气中的污染浓度比样气袋中的浓度小了一个数量级，因此值即使存在偏差，仍可获得十分接近真值的计算值。