欧V排放测试系统的关键影响因素及主要技术路线

文/屈正伦 陈碧峰 孔晓龙

众所周知，对于汽车排放测试，其影响因素十分复杂，每一个环节都有可能对测试结果造成较大的偏差。随着欧V低排放要求的实施，其影响因素变得更为敏感和复杂。本文从欧V阶段排放法规对测试系统的技术要求着手，研究分析了影响排放测试结果的各种因素，并根据目前所采用的主流测试系统的工作原理，对其为满足更高法规要求的技术难点逐一进行应对分析。

一、欧V排放测试系统及其关键影响因素

1.道路阻力模拟准确度

在排放测试中底盘测功机（转鼓）起着最基本而又重要的作用。转鼓是用来模拟样车在实际道路上的行驶阻力。根据汽车动力学基本公式：驱动力=行驶阻力之和，可以看出转鼓与道路阻力的拟合度决定了样车在实验室中所输出的功是否与其在道路行驶状态下一致，这直接对排放测试结果产生影响。

转鼓对道路阻力的模拟主要分为两个方面，一方面是对样车质量的模拟，即所谓的惯量模拟，另一方面是对道路阻力的模拟，即力模拟，这两个方面的因素最终体现在对样车施加的阻力。

随着道路阻力的变化，各污染物排放的测试结果也会随之发生变化。即使是微小的变化，在欧V、VI阶段如此低排放的测试技术上还是会产生不小的影响。车辆道路阻力曲线一般是通过道路滑行来得到的，而道路滑行并没有新的技术要求。这就使得底盘测功机在对道路阻力进行模拟并加载时成为了测试的关键。

底盘测功机作为一个旋转部件和功率吸收装置，其自身的固有损失也不容小觑。一般情况下，要求底盘测功机在0 km/h～150 km/h的车速范围内的连续曲线上，转鼓的自身阻力需小于50 N。

2.背景空气的质量控制

进行轻型汽车排放测试时，采用的定容取样系统CVS系统的基本原理如图1所示。

对汽车所排出的尾气采用背景空气进行稀释，并使稀释后的样气流量达到预先设定的值。采用此种方法既可以避免在采样、分析时尾气中的水被析出，也可不必对尾气的实时流量进行测量。

图1 CVS系统工作原理图

如图1所示，在试验结束后，仅需要对背景空气采样气袋和混合气采样气袋中各组分的浓度进行测量，再利用稀释比（DF）进行计算，就可以得到尾气中各组分的实际排放量。

那么，对背景空气质量引起DF的波动，是否会最终导致计算结果偏差呢？根据欧V法规ECE R83－2010《压燃发动机怠速排放》中的技术要求，稀释尾气中污染物的浓度需采用背景空气中所测得相应污染物的浓度进行校正。从下图2中，可以看出，理论DF应采用公式（1）进行计算。

图2 CVS系统中各气体浓度、容积的关系图

式（1）中：

Vmix：混合气的容积，L；

DF：稀释比理论值

可以看出，只要DF准确，即使尾气中污染物的排放量再低，也能够被精确地计算出来。然而，由于在实际测试过程中，无法对混合气中尾气和背景空气的容积进行实时测量，因此在基于以下3个假设条件下，对DF采用式（2）进行计算，得到其计算值。

①背景空气无污染，即背景空气中CO2、CO和HC的浓度均为零；

②发动机在燃烧过程中，其空燃比始终为理论空燃比，即λ=1；

③在所有采样管路中忽略水分子由于温度波动析出的情况。

式（2）中：

Cco2：取样袋中稀释尾气的CO2浓度，%；

CHC：取样袋中稀释尾气的HC浓度，10-6；

CCO：取样袋中稀释尾气的CO浓度，10-6；

DF：稀释比计算值

在目前的法规测试中，对各污染物排放量的计算即采用计算得到的DF。正是基于这个原因，当背景空气质量与第1个假设条件相差较大时，同时尾气中实际的排放量又很低时，会对计算结果产生极大的影响。因此，在应对欧V和VI排放法规测试方面，要求背景空气的质量尽可能地清洁。

3.分析单元的测量精度

在欧V、VI排放法规测试中，由于这些低排放车辆自身的排放量以及背景空气中污染物的浓度都处于相当低的水平，因此对分析单元的性能提出了很高的要求。

根据分析单元的原理，目前主要采取以下技术手段来应对。

①关键组件有绝热保护避免温度波动，提高分析仪信号的稳定性；

②化学发光分析仪（CLD）反应腔室的体积比先前的分析单元小，从而增强信号输出，并减小噪声干扰；

③CLD中采用新的真空泵，其真空比较先前的分析单元高，以实现增加测量灵敏性和提高工作稳定性的功能优化；

④GC采样环的容量比先前的分析单元大，同时优化圆柱体的条件，增加其测量可靠性；

⑤进一步稳定氢火焰离子分析仪（FID）的高压源，增加信号稳定性，并使噪声干扰最小化；

⑥改进分析单元的电子控制器，从而达到增加分析单元灵敏性和消减噪声干扰的目的。

为满足样气浓度下降的需要，分析单元的最小量程也必须随之不断降低，上述技术手段的运用也使之成为可能。目前，分析单元的最小量程从常规分析单元的10×10-6水平逐步发展到超低分析单元的1.0×10-6水平。

二、主要测试技术路线及其应对方法

针对上述的技术分析，根据欧V阶段排放法规技术要求特点，对测试系统在底盘测功机模拟精度、背景空气处理系统和采样分析系统等方面进行技术应对。以下主要就技术应对路线和优化方案进行深入研究剖析。

1.排气采样系统的优化

①背景空气净化

在此技术方案中，首先就是对背景空气进行净化，使其污染物浓度降到最低。若背景空气中的污染物浓度降到最低，则由于DF计算带入的测量结果误差可被尽可能地减少。

如图3所示，左侧为背景空气经过精制后，混和气中尾气和背景空气的关系，右侧是背景空气未经精制时的情况。可见，当背景空气精制后，其对测量结果的影响将降至最低。

图3 不同背景空气浓度下混和气样式

根据以上理论验证，即使在稀释比的计算过程中仍然存在偏差，但由于背景空气质量的改善，最终测量计算结果与实际污染物排放情况之间的误差被缩小了。因此，在进行低排放轻型汽车排放测试时，背景空气的质量有着至关重要的影响。

②CVS流量选择的优化

在轻型汽车欧V排放测试时，由于样车自身的排放量很低，如选择较大的CVS流量进行稀释，那么混和气中的污染物浓度将会更低，这样对于分析单元的性能就提出了更高的要求。为使混和气中各污染物组分的浓度相对上升，以提高分析的准确度，就有必要选择尽可能小的CVS流量进行稀释。

然而，当选择了较小的CVS流量时，在管路和气袋中易产生冷凝水析出的问题，会对最终的测量结果造成负面影响。为避免产生此问题，有必要对背景空气采取除湿处理。图4是不同CVS流量下，不同背景空气湿度条件下，在采样气袋和混合三通中水分的含量示意图。

图4 背景空气湿度、CVS流量和混和气中水分含量的关系图

通过图4可以看出，当有效地降低了背景空气的湿度后，在选择较小CVS流量时，才不易发生冷凝水析出的问题。

③采样气袋的材料选择

不同的材料对HC和CO的吸附效果也不同，因此也会对最终测量结果产生影响。

综合考虑不同材料对HC和CO的吸附效果，目前在选择气袋材料时，一般考虑选用Dyneon（TFM/PTFE）材料。

综合上述的改进措施，一个典型的改进型CVS系统如图5所示。

图5 典型改进型CVS系统示意图

当然，在此基础上也可通过对测试程序在采样时间上的设定，对延时部分进行补偿，以利于更精确的测量。

2.转鼓测量精度的提高

①固有损失的降低

转鼓固有损失是机械部件运转时固有的阻力，但可在进行测试前，采用暖机的方法使其降低，避免其对测量结果的影响。

同时，随着对道路阻力模拟精度要求的不断提高，可以采用一定的技术手段使转鼓固有损失维持在一个很低的水平，并省略暖机的步骤，延长轴承的寿命。

浮动轴承是目前得到成熟应用的降低转鼓固有损失的技术方案之一。其原理是通过轴承保持架中增加温度传感器，并在轴承座中设置加热棒，连续对轴承的工作温度进行控制，使其始终保持在一个良好工作环境下。这样，既避免了温度波动对轴承运转阻力的影响，也相应提高轴承的寿命。

②传感器精度的保证和提高

转鼓的力测量装置是转鼓最为核心的部件，目前主流的形式有拉压传感器和扭矩法兰两种。这两种形式的传感器均可应用于低排放轻型汽车排放测试用转鼓上，但由于其读数稳定性受外部温度影响较大，尤其是拉压传感器。故一般在传感器外部应设置一个温度保护盒，将其工作温度控制在一个理想的状态。

对于速度测量装置，由于其精密度非常高，且采用光学原理，所以受温度等因素影响不大。但为了保证测量的准确性，一般配置独立的两套测量系统，用来进行速度比对监控以提高精度和加快系统的响应速度，同时也可作为备用速度测量。

三、后语

随着轻型汽车欧V法规的实施，在进行轻型汽车排放测试时，将面临更多的技术需求，而要将测量的准确度进一步提高，在技术上还需做出更多的努力。根据以上应对路线和优化方案，为构建满足欧V阶段测试技术要求的试验平台提供了必要的基础。