基于VMAS系统的在用车排放特性研究

2014-03-23李允平刘泽砚刘瑞祥

陕西理工大学学报(自然科学版) 2014年1期

李允平，刘泽砚，刘瑞祥

(山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255049)

0 引言

在用车作为移动污染源对大气构成的污染程度日益严重，据2012年《中国机动车污染防治年报》[1]及文献[2]显示，在“十一五”期间汽车保有量增长150%，其向大气中排放的污染物日趋增多。随着在用车行驶里程的增加，其排放特性也会随之变差[3-4]。为了控制和改善在用车的排放，目前广大科技人员对在用车排放特性进行大量的研究并取得了一定的成果，但从现有资料来看这些成果很少涉及到利用汽车排放总量分析系统(Vehicle Mass Analysis System，VMAS)作为实验平台研究在用车的排放特性，而大部分利用的是实际道路行驶的方法。本文利用VMAS排放检测系统研究在用车的排放特性，试图通过利用VMAS系统作为实验平台得出试验数据，并分析研究车辆排放特性与其影响因素的关系，从而寻找一种更简捷、科学、实用可行的方法，为找出排放超标车辆以控制排放、保护环境提供理论和实验依据。

1 VMAS系统简介

VMAS系统是执行I/M制度(Inspection/Maintenance)的必备设备，I/M制度即检查维修法，是美国在1968年通过的《空气清洁法》基础上，对汽车排放进行全面控制的一套法规，主要是对在用汽车实施检查维修制度。在国内经过十几年的探索和努力，业已形成了适合中国国情的基本完善的在用车排放污染物检测与控制体系。VMAS系统就是专门用来检测在用车排放的简易瞬态工况法所采用的设备。

一套完整的VMAS系统主要包括：底盘测功机、流量计、废气分析仪及废气采样装置、数据处理系统、存储打印系统、车辆信息录入系统、网络系统以及其它辅助设备。其具备的基本功能是：模拟道路行驶工况进行测量排放污染物的检测，并向客户提供客观、公正的检测数据以及通过网络接受主管部门的监督。该系统主要应用于总质量3.5 t以下的第一类和第二类轻型车。

VMAS系统的分析系统由HC、CO、CO2、NO、O2的浓度自动分析仪器和稀释气体流量分析仪器组成。简易瞬态工况气体污染物检测使用下列仪器分析：一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和二氧化碳(CO2)采用不分光红外法(NDIR)，一氧化氮(NO)采用电化学法或其它等效方法。五气分析仪直接对排放气体进行采样分析。

分析仪响应时间：上升时间，当采样头浓度上升，分析仪对该变化值的响应从0上升到90%时，HC、CO、CO2响应时间应少于8 s，对于NO应少于12 s，对于O2应少于15 s；衰减时间，当采样头浓度衰减至原值10%以下时，分析仪对该变化值的响应时间应少于5 s(对NO可少于6 s)。仪器参数见表1[5-6]。

表1 五气分析仪量程和精度、重复性要求

2 检测方案的确定

实验在淄博市机动车排放污染物检测中心进行，该中心是集教学、科研、社会服务于一体的机动车排放检测、控制科研单位。所用的仪器设备均符合国家有关标准的要求，并经主管部门定期检定合格。

2.1 实验方法的确定

利用VMAS系统作为实验平台，按照文献[5]规定的实验规程对在用车的排放进行检测，并获取各排放因子的数据。实验采用相同型号、同一批次但行驶里程不同的在用车进行，以期找出行驶里程、维护保养以及使用等因素对在用车排放特性的影响。

实验车样本数为6，实验依据国家标准GB18285-2005进行。由于篇幅关系本文只给出两辆车的基本信息以及实验结果相应的图表。实验条件及样车信息如表2所示。

表2 实验条件及样车信息

2.2 实验步骤

2.2.1 样车准备

实验车按照出厂技术条件将整车预热，使其各部分的热状态达到技术条件的要求，轮胎气压和磨损程度均达到国家标准及企业标准规定的技术要求，关闭音响冷暖设备等。

2.2.2 仪器设备准备

VMAS系统在实验前按有关规定进行标定，主要标定项目有底盘测光机、流量计、废气分析仪等。所有标定项目均按文献[5-6]中规定的方法进行。

2.2.3 实验过程

将实验准备好的样车由实验人员按要求安全地驶上一切准备就绪的VMAS检测系统底盘测功机上，并将安全装置固定好；系统操作员从主控机上调用该样车的车辆信息后进入检测程序，实验人员按照司机助手的提示进行实验车辆的操作，直到整个实验程序结束并输出实验结果。实验结束后从数据库中提取采样间隔为1 s、195 s内的排放因子瞬时数据及对应的车速。同样方法对同一辆实验车连续做3次，以验证其重复性。

3 结果及分析

3.1 实验结果

在VMAS实验平台上测得的关键工况排放因子数据见表3，限于篇幅只给出了两组数据，其中L1代表行驶9万公里的样车，L2代表行驶12万公里的样车。195 s内的排放因子样本见图1。关键点曲线见图2，关键点对应车速及使用档位参见文献[5]。

表3 排放因子测试数据

3.2 结果分析

将表3中各加速工况转以加速度表示，并以工况点代表，具体为：0→15 km/h的加速度为1.04 m/s2，15→10→0 km/h的加速度为-0.805 m/s2，0→15→32 km/h的加速度为0.885 m/s2，32→10→0 km/h的加速度为-0.835 m/s2，0→15→35→50 km/h的加速度为0.657 m/s2，50→35 km/h的加速度为-0.52 m/s2，35→10 km/h的加速度为-0.86 m/s2，匀速和怠速工况的加速度为0。从而得出如图2所示的关键点工况与排放因子之间的关系曲线。

3.2.1 工况分析

从表3及图2中可以看出，在各个工况下L2的排放因子均高于L1。说明行驶里程对车辆的排放特性有直接的影响，随着行驶里程的增加其排放特性也随之变差。

在车速15 km/h、32 km/h、50 km/h匀速行驶时其平均污染物排放量L2较L1分别增长485.34%、491.34%和428.00%，在增幅中HC及NOx所占的比重较大，CO所占的比例较小，这是与车辆行驶里程的增加而导致整车的工况变差、燃料不完全燃烧、轮胎磨损引起发动机负荷增加以及与发动机的日常维护保养和废气后处理的状态有关。同时图2中显示，随车速的提高L1和L2排放因子均增高，特别是NOx的增幅更大。

在怠速工况下L2比L1的平均增幅：CO为364.50%，HC为299.00%，NOx为1 888.75%。

(a) CO测量样本值

(a) 关键点与CO排放因子关系

(b) HC测量样本值

(b) 关键点与HC排放因子关系

特别是在变工况条件下，行驶里程的增加对车辆排放特性的影响更为显著。另外，从实验结果中知道HC及NOx排放因子的增长率在各个工况均高于CO的增长率。

综合以上分析，车辆的不同工况对排放特性的影响是不同的[7]，匀速车速在32 km/h的排放随行驶里程增大的增幅高于匀速车速15 km/h和50 km/h的排放增幅；怠速工况时CO的增幅最小，其次是HC，而NOx的增幅最大；在加速、减速过程中的排放增幅均较大。

行驶里程对汽车排放特性的影响因素除车龄因素外，与汽车的日常维护、保养、使用因素也有较大关系，例如不良的操作习惯、换档时机等。发动机的热状态、轮胎的磨损程度、各零部件的调整状态、排气后处理装置的状态也直接影响到汽车的排放特性。针对影响因素，要采取必要的措施来改善汽车的排放特性，并应特别注意影响发动机燃烧状态和排气后处理装置是否处于最佳状态、加强日常维护及保养、文明操作以保障各零部件及装置处于有效的工作状态，从而减低排放。

利用VMAS系统作为在用车的排放检测平台，除上述车辆因素外，仪器设备的测量精度、人员素质、管理水平、操作规程及检测方法掌握的熟练程度等均影响到测试结果。要对仪器设备按要求进行维护保养及标定，使其处于良好的工作状态；对从业人员要加强业务培训，使其达到相应的管理和技术要求。

3.2.2 灰色关联度分析

鉴于在测试过程中由于仪器设备及操作等因素的影响，不可避免地会出现离散点，为了保证本研究的科学性和严谨性，同时采用了灰色理论对实验结果进行分析[7-8]。

根据灰色理论中邓氏关联度的计算方法分析各排放因子间的灰色关联度，计算公式如下：

式中的符号含义参见参考文献[7]。

具体计算过程及结果如下：

序列[1]为系统特征序列，序列参数为车辆行驶工况的加速度值。序列[2]为L1(CO)；序列[3]为L2(CO)；序列[4]为L1(HC)；序列[5]为L2(HC)；序列[6]为L1(NOx)；序列[7]为L2(NOx)。其余序列与它的邓氏关联度的计算过程如下[7,9]：第[一]步，计算序列初值像(计算过程及计算结果略)；第[二]步，计算差序列(计算过程及计算结果略)；第[三]步，计算极差，极差最大值：1 039.146 1，极差最小值：0.000 0(计算过程略)；第[四]步，计算关联系数(计算过程及计算结果略)；第[五]步，其余序列与序列[1]的邓氏关联度，计算结果为，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。

比较各参数序列与行为序列[1]的邓氏关联度得出：L1的各排放因子与行为序列[1]的灰色关联度均小于L2与行为序列[1]的灰色关联度，表明L1与行驶里程的关系密切，而L2与行驶里程关系疏远，车辆排放特性恶化。这一结论与前文3.2.1的结论一致，均表明了行驶里程对排放特性的影响是直接的，随着行驶里程的增加其排放特性将变差。

4 结语

通过对在用车在VMAS系统上得到的排放因子进行分析研究，同时利用灰色关联度辅助分析。研究结果表明，在用车的行驶里程、维护保养对其排放特性有较大的影响，随着行驶里程的增加，其排放特性也随之变差。该研究方法简单、实用、科学，具有研究周期短、成本低等优点。为利用该方法开展在用车排放特性的研究以控制排放提供了理论和实验依据。

[参考文献]

[1] 环境保护部.2012年中国机动车污染防治年报[EB/OL].[2013-01-20]http//www.vecc-map.org.cn/download/index.jsp.

[2] 冯淑慧,何卉,Benjamin,等.中国机动车排放控制措施评估——成功经验与未来展望[R].华盛顿：国际清洁交通委员会,2010.

[3] 于增信,孙莉,鲍晓峰,等.在用车排放特性研究[J].北京联合大学学报：自然科学版,2011,26(4):31-35.

[4] 李允平,刘泽砚,高松.轮胎磨损程度对在用车排放特性的影响研究[J].浙江科技学院学报,2013,25(1):59-66.

[5] 国家环境保护总局.GB18285-2005,点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法方法(双怠速及简易工况法)[S].北京:中国环境科学出版社,2005.

[6] 国家环境保护总局.HJ/T 396-2007,点燃式发动机瞬态工况法排放污染物检测设备技术要求[S].北京:中国环境科学出版社,2007.

[7] 刘思峰,党跃国,方志耕,等.灰色系统理论及其应用[M].5版.北京:科学出版社,2010:38-61,68-88.

[8] 孙玉刚.灰色关联分析及其应用的研究[D].南京：南京航空航天大学,2007.

[9] 曾波.灰色系统建模软件[CP/CD].北京：科学出版社.

[10] 邵祖峰.试论城市机动车尾气污染的治理对策[J].上海汽车,2002(3):36-37.

[11] 孔庆华,柏丽敏,吕文超.哈尔滨市的绿色交通与可持续发展[J].黑龙江交通科技,2004(5):63-65.