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汽車尾氣成分動態(tài)檢測技術(shù)研究

劉建春，邵明亮

（廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024）

摘要：針對汽車尾氣成分動態(tài)檢測的需要，設(shè)計不分光紅外檢測氣室、控制系統(tǒng)及上位機軟件，開發(fā)出簡易瞬態(tài)工況檢測儀。該控制系統(tǒng)以ARM7為核心，傳感器信號經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換等調(diào)理后實時顯示尾氣各成分的濃度并存儲。檢測儀經(jīng)USB接口把檢測數(shù)據(jù)傳遞給工控機，利用上位機軟件對各成分濃度、流量進行統(tǒng)計，分析出汽車在各工況的排放等。經(jīng)實驗驗證：該檢測儀可滿足動態(tài)檢測各工況尾氣成分和流量的需要，檢測結(jié)果直接決定環(huán)保標(biāo)志的發(fā)放，方便實用。

關(guān)鍵詞：簡易瞬態(tài)工況；尾氣；檢測；ARM7；USB接口

收到修改稿日期：2013-04-17

0　引　言

目前，我國大部分地區(qū)使用雙怠速法對在用車尾氣進行排放檢測。雙怠速法只是檢測汽車在高、低兩種怠速情況下的污染物排放，對于發(fā)現(xiàn)化油器轎車中的高排放車非常有效，而對于裝備電子燃油噴射系統(tǒng)和三元催化轉(zhuǎn)化器的轎車則效果較差，并且由于它是無負(fù)荷檢測方法，無法對車輛NOx的排放狀況進行監(jiān)控，存在很大的局限性[1-2]。

本文介紹一種簡易工況法可以解決上述方法的不足。這種方法可分為汽油車穩(wěn)態(tài)加載模擬工況法（ASM）和汽油車簡易瞬態(tài)工況法（VMAS）。ASM、VMAS這兩種方法均為動態(tài)加載檢測方法，能夠較好地檢測出尾氣排放中的CO、HC、NO等有害氣體成分[3-4]，對于裝備電子燃油噴射系統(tǒng)和三元催化轉(zhuǎn)化器的轎車的檢測也有明顯效果，且與新車排放認(rèn)證工況試驗相比，既簡化了設(shè)備、儀器，也可縮短試驗時間[5]。

ASM方法屬于恒速定載工況檢測，不適用汽車行駛中多變工況的檢測。而VMAS方法可以在195s內(nèi)的檢測過程中檢測出加速、減速、怠速、恒速等多種工況的尾氣成分[6]。傳統(tǒng)的雙怠速法檢測設(shè)備包括底盤測功機、五氣分析儀、氣體流量分析儀、主控計算機等，為了進一步簡化，本文設(shè)計了全新的汽油車簡易瞬態(tài)工況檢測儀，主要由尾氣五種氣體分析儀和尾氣流量檢測儀組成。

1　檢測儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

簡易瞬態(tài)工況法檢測總體系統(tǒng)如圖1所示。汽車在底盤測功機上按檢測要求模擬特定工況行駛，計算機控制底盤測功機模擬不同工況的負(fù)荷，汽車尾氣一部分經(jīng)采集探頭送到五氣體分析儀，分析出尾氣中的CO、CO2、HC、NO、O2的濃度，其余尾氣經(jīng)收集裝置和空氣按比例稀釋后送給流量分析儀，測量其流量。計算機綜合底盤測功機模擬的速度、里程、五氣體濃度、流量等數(shù)據(jù)，計算出汽車尾氣中CO、HC、NO等有害氣體總體排放量。以下重點介紹五氣體分析儀和流量分析儀。

圖1　VMAS檢測系統(tǒng)組成

1.1尾氣成分檢測

對于NO、O2氣體濃度的測量，采用電化學(xué)原理檢測，對CO、CO2、HC氣體濃度的檢測則采用不分光紅外線（NDIR）檢測，它是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的變化而不同的原理制成的[7]。

對于采用NDIR檢測的CO、CO2、HC，必須先設(shè)計一個氣室機構(gòu)，如圖2所示。光通道上的元器件均是通過固定架5固定在底板上，被測氣體通過進氣管7填充滿整個光通道管6，最終由排氣管8排出。紅外光源3發(fā)射出的光通過透鏡4轉(zhuǎn)換為平行光，經(jīng)隔氣玻璃2和光通道管6中的氣體，射向紅外傳感器9，并由傳感器上的濾光片對特定波段的光譜進行帶通濾波，得到測量氣體的信號。

圖2　汽車尾氣成分檢測儀氣室結(jié)構(gòu)示意圖

紅外光源提供1~20μm發(fā)射光譜，通過濾光片，對特定波段的光譜進行帶通濾波，從而使得每個濾光片透過的紅外光譜都能反映相應(yīng)特定成分的氣體的吸收情況。

氣體對紅外輻射的吸收遵循朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律[8-9]：式中：I——透射光的強度；

I0——入射光的強度；

C——吸收氣體的濃度；

K——吸收系數(shù)，取值見表1；

L——氣室長度。

表1　不同氣體的特征波長和吸收系數(shù)

氣體對紅外光吸收的程度，反應(yīng)在傳感器輸出的信號上。信號經(jīng)調(diào)理后可得氣體測量通道和參考通道的電壓信號，根據(jù)朗伯-比爾吸收定律，通過兩者的關(guān)系計算出各成分氣體的濃度，如式（2）所示。

式中：K0——當(dāng)待測氣體成分濃度C=0時，氣體測量通道和參考通道輸出電壓的比值；

ΔU——氣體測量通道和參考通道的電壓比。

由于氣室長度固定，待測氣體的吸收長度L保持不變，如果K0、K也保持不變，則ΔU和待測氣體的濃度成指數(shù)關(guān)系。實際上，由于K0、K受到很多因素的影響，例如氣體濃度的影響、氣室溫度的影響和大氣壓力的影響，ΔU和待測氣體的濃度C的關(guān)系比較復(fù)雜。因此通常是對已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進行測量，得到一系列的ΔU值，由此來擬合得到ΔU和待測氣體的濃度C的關(guān)系曲線。

氣室的材料和結(jié)構(gòu)直接影響入射到探測器的光強，因此氣室腔體要求內(nèi)壁光潔，不吸收紅外線，不吸附氣體，化學(xué)性能穩(wěn)定。可選鋁合金作為氣室的材料，并利用透鏡將紅外光線轉(zhuǎn)化為與氣室平行的平行光。

氣室的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是確定圓柱直徑和長度。氣室的直徑應(yīng)該與光源透鏡的直徑相同，圓柱的長度L則利用式（3）確定。

式中：C——儀器檢測氣體濃度的量程，見表2；

A——常數(shù)，取值為0.4343。

當(dāng)光程滿足式（3）時即滿足最佳吸光度條件，在該氣室長度L下，所探測氣體的靈敏度最大。當(dāng)氣室的長度不滿足最優(yōu)長度時，此時的靈敏度相對較小。對于多組分氣體共用一個氣室，就存在選擇氣室長度的問題。一個長度不可能對所有氣體都達到最佳吸光度，優(yōu)先考慮組合氣體中最關(guān)心的組分確定最佳長度。

表2　五氣分析儀量程范圍和誤差要求

1.2尾氣流量檢測

在VMAS瞬態(tài)檢測工況中，機動車排氣管排出的原始尾氣一部分被五氣成分檢測單元采集，另一部份與環(huán)境空氣混合，經(jīng)鼓風(fēng)機被VMAS氣體流量分析儀的排放氣體采集單元采集。在數(shù)據(jù)收集過程中，微處理器使用式（4）計算每秒的質(zhì)量流量（g/s）[10]：

式中：υ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下尾氣排放流量，由式（5）計算得到；

Ci——HC、CO、CO2、NO、O2在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的濃度，由成分檢測單元采集測量得到；

ρi——HC、CO、CO2、NO、O2在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度。

式中：νc——尾氣流量采集單元采集到的流量數(shù)值；kc——稀釋比，利用鋯氧氣傳感器測量在檢測過程中稀釋氣體的氧氣濃度改變，通過與尾氣成分檢測單元采集的氧氣濃度比較，由式（6）來計算。

式中：C0——周圍空氣氧氣濃度；C1——稀釋后氣體的氧氣濃度；C2——排放尾氣的氧氣濃度。

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

汽車尾氣成分動態(tài)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該檢測系統(tǒng)以ARM7 LPC2142芯片作為控制核心。由于采集的傳感器信號很弱，利用調(diào)理電路，將信號放大，同時A/D轉(zhuǎn)換器MX7705自帶增益放大器，對外部調(diào)理的信號可以進一步放大后，再A/D采集，減小對外部信號的調(diào)理要求。通過ARM7芯片的GPIO口管腳功能、特殊管腳SPI功能和內(nèi)置的USB接口來實現(xiàn)液晶屏顯示、觸摸屏和上下位機通信等功能。

圖3　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1下位機軟件設(shè)計

汽車尾氣成分動態(tài)檢測系統(tǒng)軟件包括初始化模塊、通道選擇模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、觸摸屏控制模塊、PWM紅外光源控制模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊和USB通信模塊等。系統(tǒng)的主要任務(wù)是A/D采集，由于自帶增益放大器的A/D轉(zhuǎn)換器MX7705是通過SPI與CPU通信的，而觸摸屏控制芯片ADS7843也是通過SPI與CPU進行通信。在檢測之前，系統(tǒng)無需啟用A/D轉(zhuǎn)換器MX7705，而且系統(tǒng)進入檢測時，一般情況下很少使用觸摸屏，因此本系統(tǒng)采用同一個SPI串行口，利用NPN三極管設(shè)計一個非門電路實現(xiàn)分時復(fù)用通信，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和對觸摸屏的控制，詳細(xì)流程如圖4所示。

3.2上位機軟件設(shè)計

為配合汽油車進行VMAS簡易瞬態(tài)工況法檢測，上位檢測系統(tǒng)還需配備底盤測功機。工控機接收上位主控計算機的控制信號，并輸出控制信號給底盤測功機，控制其電渦流加載裝置的運行。底盤測功機上的速度傳感器和扭力傳感器將信號發(fā)送給工控機，并經(jīng)由RS232串口傳送給主控計算機。同時尾氣成分與氣體流量等車輛尾氣排放信息數(shù)據(jù)經(jīng)由USB傳送給主控機。工控機將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算處理后，按照國家標(biāo)準(zhǔn)對受檢機動車的排氣污染數(shù)據(jù)進行自動評判，自動區(qū)分、打印機動車的黃、綠標(biāo)志，對檢測不合格的機動車打印超標(biāo)通知單，等待治理合格后，才能按級別打印出相應(yīng)的環(huán)保標(biāo)志。

4　實驗結(jié)果

4.1單車實驗

利用所設(shè)計的汽油車簡易瞬態(tài)工況檢測儀系統(tǒng)，按照GB18285-2005《點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法（雙怠速法和工況法）》，對發(fā)動機排量為1.6 L的小汽車進行了實驗。

圖5　測試實驗車速

如圖5所示，實線為國標(biāo)要求的汽車行駛速度，點線為實際行駛速度，可見，檢測時車速難與標(biāo)準(zhǔn)值一致。

圖6所示為圖5點線實際行駛速度下測量得到的3種氣體（HC、NO、CO）實時濃度，實線為HC濃度，虛線為NO濃度，點線為CO濃度。從圖中可見，HC排放在整個行駛過程濃度比較穩(wěn)定，大約為10×10-6； NO則在較高行駛速度工況下剎車時排放濃度大幅增加；CO則在低速加油門時增加較多。

圖6　尾氣濃度

綜合流量測量數(shù)據(jù)，可以獲得每秒3種氣體排放的當(dāng)量值，如圖7所示，HC排放相對穩(wěn)定，HC、CO變化趨勢與濃度相當(dāng)。

圖7　污染物排放

采用同一部車進行多次測量，每次測量得到的尾氣濃度曲線和污染物排放曲線也不完全一致，但總體相差不大，而且同一部車多次測試結(jié)果基本一致。表3為本次檢測結(jié)果，可以初步判定該檢測方法是可靠的。

表3　測試結(jié)果

為進一步驗證數(shù)據(jù)的可靠性，同時采用雙怠速測量進行比對。雙怠速法測量出的HC和NOx的濃度均在10×10-6以下，CO和O2濃度幾乎為0，CO2的濃度為15.6%。兩者數(shù)據(jù)比對，新方法不僅數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，而且可以更加準(zhǔn)確反映出汽車實際排放情況，以及汽車的瞬態(tài)尾氣的流量和有害氣體的組成狀態(tài)。

4.2與雙怠速法對比實驗

為了提高檢測結(jié)果的可比性，檢測人員及檢測儀器相對固定，測試環(huán)境（如大氣溫度、大氣壓力、相對溫度等）控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。選取了8種不同廠牌型號的轎車100輛，發(fā)動機排量均在1.3～2.0 L之間的三箱和兩箱車，并按使用年限劃分為不同車齡段。分別采用雙怠速法和汽油車簡易瞬態(tài)工況法（VMAS）進行對比實驗，雙怠速法檢測平均值及達標(biāo)情況見表4，VMAS法檢測平均值及達標(biāo)情況見表5。

表4　雙怠速法檢測平均值及達標(biāo)情況

表5　VMAS法檢測平均值及達標(biāo)情況

從表4可見，車輛使用年限在4年以內(nèi)的車輛，采用雙怠速法檢測，達標(biāo)率都在90%以上；而使用6年以上的車輛，達標(biāo)率只有80%。由表5可見，采用VMAS法檢測，使用年限在2年以內(nèi)的車輛，達標(biāo)率最高，也只有86.7%，比雙怠速法低了6.3%；使用年限在2～4年的車輛，比雙怠速法低了10%；而使用年限在6年以上的車輛，比雙怠速法低了13.3%，同時也發(fā)現(xiàn)該組數(shù)據(jù)波動較大，可見保養(yǎng)對車輛的排放影響很大。

5　結(jié)束語

通過對100輛轎車的對比檢測，結(jié)果表明，汽油車簡易瞬態(tài)工況法（VMAS）的達標(biāo)率總體低于雙怠速法，而且隨著車輛使用年限的增加，相差也越大。

由于目前國內(nèi)大部分地區(qū)仍然采用雙怠速法進行年檢，大部分車都能通過檢測，達到國家標(biāo)準(zhǔn)，拿到綠標(biāo)。隨著重點污染物排放總量控制擬寫入環(huán)保法，各地將加大汽車污染物排放總量控制，逐步建設(shè)汽油車簡易瞬態(tài)工況法（VMAS）檢測線，因此有必要加大汽車尾氣成分動態(tài)檢測技術(shù)的研究。

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Design of dynamic testing system for automotive exhaust components

LIU Jian-chun，SHAO Ming-liang

（Department of Mechanics Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China）

Abstract:For the need of dynamic vehicle exhaust composition detection，the authors designed non-dispersive infrared gas detection chamber，control system and PC software，and developed a simple transient detector. The control system takes ARM7 as the core，the signal of sensor is amplified and conversed by A/D module，and each concentration of exhaust component is displayed and stored in real time. The data produced by detecting instrument were transferred to the computer through USB interface，the statistics of each component concentration and flow was carried out through PC software，and the emission of the car in different conditions was analyzed. The experimental results showed that the instrument can dynamically detect gas composition and flow for cars in different working conditions. The test results directly determine the environmental issue，and the method is convenient and practical.

Key words:sample transient working condition；exhaust gas；test；ARM7；USB interface

基金項目：福建省青年人才基金項目（2008F3107）福建省科技計劃重點基金項目（2012H0042）

收稿日期：2013-02-16；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.002

文章編號：1674-5124（2013）05-0006-05

文獻標(biāo)志碼：A

中圖分類號：X830.2；X734.201；TM930.12；TP277

作者簡介：劉建春（1972-），男，福建泉州市人，副教授，博士，主要從事檢測技術(shù)、儀器儀表等研究工作。