李允平， 劉澤硯， 劉瑞祥

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049)

0 引 言

在用車作為移動污染源對大氣構(gòu)成的污染程度日益嚴重，據(jù)2012年《中國機動車污染防治年報》[1]及文獻[2]顯示，在“十一五”期間汽車保有量增長150%，其向大氣中排放的污染物日趨增多。隨著在用車行駛里程的增加，其排放特性也會隨之變差[3-4]。為了控制和改善在用車的排放，目前廣大科技人員對在用車排放特性進行大量的研究并取得了一定的成果，但從現(xiàn)有資料來看這些成果很少涉及到利用汽車排放總量分析系統(tǒng)(Vehicle Mass Analysis System，VMAS)作為實驗平臺研究在用車的排放特性，而大部分利用的是實際道路行駛的方法。本文利用VMAS排放檢測系統(tǒng)研究在用車的排放特性，試圖通過利用VMAS系統(tǒng)作為實驗平臺得出試驗數(shù)據(jù)，并分析研究車輛排放特性與其影響因素的關系，從而尋找一種更簡捷、科學、實用可行的方法，為找出排放超標車輛以控制排放、保護環(huán)境提供理論和實驗依據(jù)。

1 VMAS系統(tǒng)簡介

VMAS系統(tǒng)是執(zhí)行I/M制度(Inspection/Maintenance)的必備設備，I/M制度即檢查維修法，是美國在1968年通過的《空氣清潔法》基礎上，對汽車排放進行全面控制的一套法規(guī)，主要是對在用汽車實施檢查維修制度。在國內(nèi)經(jīng)過十幾年的探索和努力，業(yè)已形成了適合中國國情的基本完善的在用車排放污染物檢測與控制體系。VMAS系統(tǒng)就是專門用來檢測在用車排放的簡易瞬態(tài)工況法所采用的設備。

一套完整的VMAS系統(tǒng)主要包括：底盤測功機、流量計、廢氣分析儀及廢氣采樣裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、存儲打印系統(tǒng)、車輛信息錄入系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)以及其它輔助設備。其具備的基本功能是：模擬道路行駛工況進行測量排放污染物的檢測，并向客戶提供客觀、公正的檢測數(shù)據(jù)以及通過網(wǎng)絡接受主管部門的監(jiān)督。該系統(tǒng)主要應用于總質(zhì)量3.5 t以下的第一類和第二類輕型車。

VMAS系統(tǒng)的分析系統(tǒng)由HC、CO、CO2、NO、O2的濃度自動分析儀器和稀釋氣體流量分析儀器組成。簡易瞬態(tài)工況氣體污染物檢測使用下列儀器分析：一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和二氧化碳(CO2)采用不分光紅外法(NDIR)，一氧化氮(NO)采用電化學法或其它等效方法。五氣分析儀直接對排放氣體進行采樣分析。

分析儀響應時間：上升時間，當采樣頭濃度上升，分析儀對該變化值的響應從0上升到90%時，HC、CO、CO2響應時間應少于8 s，對于NO應少于12 s，對于O2應少于15 s；衰減時間，當采樣頭濃度衰減至原值10%以下時，分析儀對該變化值的響應時間應少于5 s(對NO可少于6 s)。儀器參數(shù)見表1[5-6]。

表1 五氣分析儀量程和精度、重復性要求

2 檢測方案的確定

實驗在淄博市機動車排放污染物檢測中心進行，該中心是集教學、科研、社會服務于一體的機動車排放檢測、控制科研單位。所用的儀器設備均符合國家有關標準的要求，并經(jīng)主管部門定期檢定合格。

2.1 實驗方法的確定

利用VMAS系統(tǒng)作為實驗平臺，按照文獻[5]規(guī)定的實驗規(guī)程對在用車的排放進行檢測，并獲取各排放因子的數(shù)據(jù)。實驗采用相同型號、同一批次但行駛里程不同的在用車進行，以期找出行駛里程、維護保養(yǎng)以及使用等因素對在用車排放特性的影響。

實驗車樣本數(shù)為6，實驗依據(jù)國家標準GB18285-2005進行。由于篇幅關系本文只給出兩輛車的基本信息以及實驗結(jié)果相應的圖表。實驗條件及樣車信息如表2所示。

表2 實驗條件及樣車信息

2.2 實驗步驟

2.2.1 樣車準備

實驗車按照出廠技術條件將整車預熱，使其各部分的熱狀態(tài)達到技術條件的要求，輪胎氣壓和磨損程度均達到國家標準及企業(yè)標準規(guī)定的技術要求，關閉音響冷暖設備等。

2.2.2 儀器設備準備

VMAS系統(tǒng)在實驗前按有關規(guī)定進行標定，主要標定項目有底盤測光機、流量計、廢氣分析儀等。所有標定項目均按文獻[5-6]中規(guī)定的方法進行。

2.2.3 實驗過程

將實驗準備好的樣車由實驗人員按要求安全地駛上一切準備就緒的VMAS檢測系統(tǒng)底盤測功機上，并將安全裝置固定好；系統(tǒng)操作員從主控機上調(diào)用該樣車的車輛信息后進入檢測程序，實驗人員按照司機助手的提示進行實驗車輛的操作，直到整個實驗程序結(jié)束并輸出實驗結(jié)果。實驗結(jié)束后從數(shù)據(jù)庫中提取采樣間隔為1 s、195 s內(nèi)的排放因子瞬時數(shù)據(jù)及對應的車速。同樣方法對同一輛實驗車連續(xù)做3次，以驗證其重復性。

3 結(jié)果及分析

3.1 實驗結(jié)果

在VMAS實驗平臺上測得的關鍵工況排放因子數(shù)據(jù)見表3，限于篇幅只給出了兩組數(shù)據(jù)，其中L1代表行駛9萬公里的樣車，L2代表行駛12萬公里的樣車。195 s內(nèi)的排放因子樣本見圖1。關鍵點曲線見圖2，關鍵點對應車速及使用檔位參見文獻[5]。

表3 排放因子測試數(shù)據(jù)

3.2 結(jié)果分析

將表3中各加速工況轉(zhuǎn)以加速度表示，并以工況點代表，具體為：0→15 km/h的加速度為1.04 m/s2，15→10→0 km/h的加速度為-0.805 m/s2，0→15→32 km/h的加速度為0.885 m/s2，32→10→0 km/h的加速度為-0.835 m/s2，0→15→35→50 km/h的加速度為0.657 m/s2，50→35 km/h的加速度為-0.52 m/s2，35→10 km/h的加速度為-0.86 m/s2，勻速和怠速工況的加速度為0。從而得出如圖2所示的關鍵點工況與排放因子之間的關系曲線。

3.2.1 工況分析

從表3及圖2中可以看出，在各個工況下L2的排放因子均高于L1。說明行駛里程對車輛的排放特性有直接的影響，隨著行駛里程的增加其排放特性也隨之變差。

在車速15 km/h、32 km/h、50 km/h勻速行駛時其平均污染物排放量L2較L1分別增長485.34%、491.34%和428.00%，在增幅中HC及NOx所占的比重較大，CO所占的比例較小，這是與車輛行駛里程的增加而導致整車的工況變差、燃料不完全燃燒、輪胎磨損引起發(fā)動機負荷增加以及與發(fā)動機的日常維護保養(yǎng)和廢氣后處理的狀態(tài)有關。同時圖2中顯示，隨車速的提高L1和L2排放因子均增高，特別是NOx的增幅更大。

在怠速工況下L2比L1的平均增幅：CO為364.50%，HC為299.00%，NOx為1 888.75%。

(a) CO測量樣本值

(a) 關鍵點與CO排放因子關系

(b) HC測量樣本值

(b) 關鍵點與HC排放因子關系

(c) 關鍵點與NOx排放因子關系圖2 關鍵點工況與排放因子之間的關系

特別是在變工況條件下，行駛里程的增加對車輛排放特性的影響更為顯著。另外，從實驗結(jié)果中知道HC及NOx排放因子的增長率在各個工況均高于CO的增長率。

綜合以上分析，車輛的不同工況對排放特性的影響是不同的[7]，勻速車速在32 km/h的排放隨行駛里程增大的增幅高于勻速車速15 km/h和50 km/h的排放增幅；怠速工況時CO的增幅最小，其次是HC，而NOx的增幅最大；在加速、減速過程中的排放增幅均較大。

行駛里程對汽車排放特性的影響因素除車齡因素外，與汽車的日常維護、保養(yǎng)、使用因素也有較大關系，例如不良的操作習慣、換檔時機等。發(fā)動機的熱狀態(tài)、輪胎的磨損程度、各零部件的調(diào)整狀態(tài)、排氣后處理裝置的狀態(tài)也直接影響到汽車的排放特性。針對影響因素，要采取必要的措施來改善汽車的排放特性，并應特別注意影響發(fā)動機燃燒狀態(tài)和排氣后處理裝置是否處于最佳狀態(tài)、加強日常維護及保養(yǎng)、文明操作以保障各零部件及裝置處于有效的工作狀態(tài)，從而減低排放。

利用VMAS系統(tǒng)作為在用車的排放檢測平臺，除上述車輛因素外，儀器設備的測量精度、人員素質(zhì)、管理水平、操作規(guī)程及檢測方法掌握的熟練程度等均影響到測試結(jié)果。要對儀器設備按要求進行維護保養(yǎng)及標定，使其處于良好的工作狀態(tài)；對從業(yè)人員要加強業(yè)務培訓，使其達到相應的管理和技術要求。

3.2.2 灰色關聯(lián)度分析

鑒于在測試過程中由于儀器設備及操作等因素的影響，不可避免地會出現(xiàn)離散點，為了保證本研究的科學性和嚴謹性，同時采用了灰色理論對實驗結(jié)果進行分析[7-8]。

根據(jù)灰色理論中鄧氏關聯(lián)度的計算方法分析各排放因子間的灰色關聯(lián)度，計算公式如下：

式中的符號含義參見參考文獻[7]。

具體計算過程及結(jié)果如下：

序列[1]為系統(tǒng)特征序列，序列參數(shù)為車輛行駛工況的加速度值。序列[2]為L1(CO)；序列[3]為L2(CO)；序列[4]為L1(HC)；序列[5]為L2(HC)；序列[6]為L1(NOx)；序列[7]為L2(NOx)。其余序列與它的鄧氏關聯(lián)度的計算過程如下[7,9]：第[一]步，計算序列初值像(計算過程及計算結(jié)果略)；第[二]步，計算差序列(計算過程及計算結(jié)果略)；第[三]步，計算極差，極差最大值：1 039.146 1，極差最小值：0.000 0(計算過程略)；第[四]步，計算關聯(lián)系數(shù)(計算過程及計算結(jié)果略)；第[五]步，其余序列與序列[1]的鄧氏關聯(lián)度，計算結(jié)果為，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。

比較各參數(shù)序列與行為序列[1]的鄧氏關聯(lián)度得出：L1的各排放因子與行為序列[1]的灰色關聯(lián)度均小于L2與行為序列[1]的灰色關聯(lián)度，表明L1與行駛里程的關系密切，而L2與行駛里程關系疏遠，車輛排放特性惡化。這一結(jié)論與前文3.2.1的結(jié)論一致，均表明了行駛里程對排放特性的影響是直接的，隨著行駛里程的增加其排放特性將變差。

4 結(jié) 語

通過對在用車在VMAS系統(tǒng)上得到的排放因子進行分析研究，同時利用灰色關聯(lián)度輔助分析。研究結(jié)果表明，在用車的行駛里程、維護保養(yǎng)對其排放特性有較大的影響，隨著行駛里程的增加，其排放特性也隨之變差。該研究方法簡單、實用、科學，具有研究周期短、成本低等優(yōu)點。為利用該方法開展在用車排放特性的研究以控制排放提供了理論和實驗依據(jù)。

[參考文獻]

[1] 環(huán)境保護部.2012年中國機動車污染防治年報[EB/OL].[2013-01-20]http//www.vecc-map.org.cn/download/index.jsp.

[2] 馮淑慧,何卉,Benjamin,等.中國機動車排放控制措施評估——成功經(jīng)驗與未來展望[R].華盛頓：國際清潔交通委員會,2010.

[3] 于增信,孫莉,鮑曉峰,等.在用車排放特性研究[J].北京聯(lián)合大學學報：自然科學版,2011,26(4):31-35.

[4] 李允平,劉澤硯,高松.輪胎磨損程度對在用車排放特性的影響研究[J].浙江科技學院學報,2013,25(1):59-66.

[5] 國家環(huán)境保護總局.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方法(雙怠速及簡易工況法)[S].北京:中國環(huán)境科學出版社,2005.

[6] 國家環(huán)境保護總局.HJ/T 396-2007,點燃式發(fā)動機瞬態(tài)工況法排放污染物檢測設備技術要求[S].北京:中國環(huán)境科學出版社,2007.

[7] 劉思峰,黨躍國,方志耕,等.灰色系統(tǒng)理論及其應用[M].5版.北京:科學出版社,2010:38-61,68-88.

[8] 孫玉剛.灰色關聯(lián)分析及其應用的研究[D].南京：南京航空航天大學,2007.

[9] 曾波.灰色系統(tǒng)建模軟件[CP/CD].北京：科學出版社.

[10] 邵祖峰.試論城市機動車尾氣污染的治理對策[J].上海汽車,2002(3):36-37.

[11] 孔慶華,柏麗敏,呂文超.哈爾濱市的綠色交通與可持續(xù)發(fā)展[J].黑龍江交通科技,2004(5):63-65.

[12] 郭秀鈴.淺談柴油公交車排放污染的治理[J].機電技術,2005(2):138-140.