简易瞬态工况法测量准确度影响因素研究

汽车工程　２００６年（第２８卷）第４期　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２００６０７２　简易瞬态工况法测量准确度影响因素研究术　葛蕴珊　，张学敏　，高力平　，韩秀坤　，钟科　（１．北京ＪＥ＿ｖ＿大学机械与车辆工程学院，北京　１０００８１；２．中国农业大学工学院，北京　１０００８３）　［摘要］　论述国家颁布的在用汽油车排放标准中简易瞬态工况法（Ｖｍａｓ系统）的测试原理和测量系统组成，　分别采用不同的底盘测功机、不同的测试模式进行试验，分析了影响Ｖｍａｓ测量汽车排气污染物准确度的因素。在　进行大量试验的基础上，提出了为提高测量准确度和重复性，车辆在试验前应进行必要的预处理，使用电涡流测功　机应该附加机械飞轮。　关键词：在用车，排放测试。简易瞬态工况　Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｆａｃｔｏｒｓ　Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　Ｓｈ０Ｉｒｔ　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｄｒｉｖｉｎｇ　Ｃｙｃｌｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｇｅ　Ｙｕｎｓｈａｎ　，Ｚｈａｎｇ　Ｘｕｅｍｉｎ　一，Ｇａｏ　Ｌｉｐｉｎｇ　，Ｈａｎ　Ｘｉｕｋｕｎ　＆Ｚｈｏｎｇ　Ｋｅ　１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８１；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｈａｓｓｉｓ　ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｍｏｄｅｓ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｆ－　ｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｔｅｓｔｓ，ａ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈａｔ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｄｏｎｅ　ｏｎ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂｅｆｏｒｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｆｌｙｗｈｅｅｌ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ａｄｄｅｄ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｗｈｅｎ　ｅｄｄｙ　ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ　ｉｓ　ｕｓｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎ－ｕｓｅ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ，Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｅｓｔ，Ｓｈｏｒｔ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　简易瞬态工况法的实质是在底盘测功机上进行　１　前言　随着我国汽车工业的快速发展和各大城市汽车　道路阻力模拟，同时利用Ｓｅｎｓｏｒ公司的Ｖｍａｓ系统　测量排放，排放测量结果以污染物的质量表示。　文中介绍了简易瞬态工况法的原理和系统组　保有量的快速增加，机动车排放对城市大气污染日　趋严重。　成，重点介绍了Ｖｍａｓ系统原理，分析了检测方法准　确度的影响因素，在试验的基础上，提出了提高测量　结果重复性的方法建议。　实施新法规之后新上市车辆的排放大幅降低，　在控制了新车排放污染之后，对数量巨大的在用车　的监督管理就显得尤其重要。随着新车排放法规越　２　Ｖｍａｓ测量原理　图１是简易瞬态工况法测量系统组成，试验系　来越严格，传统的怠速或双怠速法规已经不能满足　对在用车管理的需要¨　，因为在怠速工况下，难以对　车辆的ＮＯ　排放状况进行客观评价。因此国家环　统由底盘测功机、Ｖｍａｓ系统、排气分析仪和主控计　算机等组成　。　２．１底盘测功机　保总局颁布了新的在用车排放标准，新标准中包含　有双怠速法、加速模拟法（ＡＳＭ）、简易瞬态工况法　（Ｖｍａｓ）和瞬态工况法（ＩＭ）。　北京市科委项目（Ｈ０２０６２０４７０１２０）资助：　要求底盘测功机能够准确模拟道路阻力，标准　原稿收到日期为２００５年３月２９日，修改稿收到日期为２００５年６月３　ｔｑ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

汽车　Ｔ程　２００６年（第２８卷）第４期　图１　简易瞬态＿［况法测量系统组成　规定的循环取自ＧＢ１８３５２．２—２ＯＯＯ标准Ｉ型试验中　１５个工况中的１个循环（图２），循环试验时间为　１９５ｓ。循环由怠速、加速、减速和等速等１５个工况　组成。标准要求底盘测功机能够按照车辆在道路上　的实际行驶阻力对测量系统进行加载。　图２试验循环工况　标准规定可以使用电力测功机，也可以使用电　涡流测功机。电力测功机（交流或直流测功机）响　应速度快，低速转矩特性好，但设备成本高。因此实　际广泛使用的是电涡流测功机，双转鼓、直径为２１６　～２１８ｍｍ，测功机（包括转鼓、飞轮等）的基础惯性质　量为９００ｋｇ左右。　图３表示的是目前常用的电涡流测功机的转矩　特性曲线，如果电涡流测功机不再另外附加有组合　飞轮以补偿车辆惯性质量。那么电涡流测功机就要　补偿吸收车辆（车辆基准质量大于９００ｋｇ）在加速过　程中的额外加速阻力。图４表示的是车辆基准质量　测功机转速ｒ・ｍｉｎ‘。　图３　典型电涡流测功机的转矩特性曲线　分别为ｌ　２００、ｌ　５００和２　０００ｋｇ时，按图２所示循环　工况进行测试，第一个加速过程即０～１５ｋｍ／ｈ的加　速过程（加速度为１．０４ｍ／ｓ　）时车辆行驶的阻力：　从图４中可以看出由于电涡流测功机所固有的低转　速功率吸收能力的缺陷，无法满足车辆基准惯量偏　离测功机基础惯量的车辆的试验要求，因此选择电　涡流测功机作为底盘测功机的功率吸收装置时，必　须根据车辆的基准质量配备必要的机械惯量补偿装　置，也就是惯性飞轮组合ｃ　３００　２５０　２００　ｌ　５０　ｌ００　５０　０　午速ｋｉｎ・ｈ　——测功机曲线　一一一一Ｉ　２００ｋｇ　—’。—’－Ｉ　５００ｋｇ　２　０００ｋｇ　图４试验储环工　２．２排气分析仪　排气分析仪使用能够测量ＣＯ、ＣＯ　、ＨＣ、ＮＯ　和　Ｏ　的五气体分析仪，其中ＣＯ、ＣＯ　和ＨＣ采用红外测　量原理，ＮＯ　和Ｏ　采用电化学原理测量：　２．３　Ｖｍａｓ系统组成和测量原理　图５表示的是Ｖｍａｓ系统内部原理示意图，它实　际上是一个实时流量测量和校正系统，用来实时测　量稀释后气体的流量，并根据氧的浓度推算排气的　流量：一般由微处理器、流量传感器（接收涡流发生　体产生涡流频率大小）、氧气传感器、温度和压力传　感器等组成。　稀释废气　图５　Ｖｍａｓ系统内部原理示意图　气体流量计将原始排放气体进行稀释后测得的　气体流量　，换算为标准状态下的排放气体，流量　计算公式为　原始排放气体流量＝稀释排放气体流量／稀释比　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６（Ｖｏ１．２８）Ｎｏ．４　葛蕴珊，等：简易瞬态工况法测量准确度影响因素研究　・３３７・　其中稀释比　Ｄｉｕ＝（０。一０　）／（０　一０ｄ）　测功机加载会对汽车排放有很大的影响。　３．３　Ｖｍａｓ流量精度　瞬态测试时，在计算排气流量时需要利用流量　式中０　为大气中游离氧的体积浓度，一般为２０．８％　～２０．８５％；Ｏ　为稀释后排气气流中的氧气浓度，可　传感器测量稀释后的气体流量，由于有连接管，管长　的不同直接影响到流量计测量流量的延迟时间。而　以利用二氧化锆氧气传感器的信号测定；Ｏ　为排气　中氧气的浓度，可以利用五气体分析仪测量　在数据收集过程中，微处理器按下列公式计算　且不同材料的管对于排放气体有不同的吸附作用，　每秒的每种污染物质量排放量，即　，ｎ　＝Ｃ…Ｐ　／Ｄｉｕ　从而影响气体的流量和浓度。所以对系统的稀释管　的长度和材料都应该严格要求。测量时，稀释流量　也必须保证在７～１０ｍ　／ｍｉｎ的要求范围内。如果流　式中Ｃ，　为原始排气中的第ｎ种物质（ＣＯ　、ＣＯ、Ｏ　、　ＨＣ、ＮＯ）的体积浓度，由五气体分析仪的排气分析　单元测得，Ｐ，　为第ｎ种物质的密度，　为稀释后测得　的气体流量。　系统中的微处理器就能够根据上述系列公式逐　秒计算出原始排气中第ｎ种气体物质的质量。积分　后就可以得到整个循环过程中各种排放物的质量，　再除以整个循环所行驶的里程，就可得到以ｇ／ｋｍ　表述的排放量　３　Ｖｍａｓ系统测量误差的主要影响因素　根据Ｖｍａｓ的工作原理，影响系统测量精度的　主要因素有：排放分析仪器（五气体分析仪）的测量　精度和响应时问，底盘测功机的精度和阻力模拟精　度，Ｖｍａｓ流量精度，分别讨论如下。　３．１　排放分析仪的响应时间　按Ｓｅｎｓｏｒ公司的规定，排放分析仪使用满足　ＢＡＲ９７规定的分析仪，ＮＯ　和Ｏ　测量使用的化学电　池传感器响应时间一般为５～６ｓ，并且和排气流量、　污染物的浓度、取样分析系统的管道长度等诸多因　素有关　。这样在逐秒积分计算过程中，污染物测　量时刻和流量｝贝０量时刻不同步，虽然微处理器中已　经根据标准延迟时间进行了修正，但是由于响应时　间和多种因素有关，并且随着使用时间的增长，化学　电池输出电压下降，延迟时间也相应增长，因此精确　修正延迟时间比较困难。　３．２底盘测功机的加载精度　瞬态工况测试时，需要底盘测功机能够精确再　现车辆在道路上的行驶阻力，目前新车测试系统广　泛使用电力测功机（交流测功机或直流测功机），但　在用车排放测试系统中，由于受到成本和使用环境　的限制，一般使用风冷电涡流测功机。电涡流测功　机的响应时间比电力测功机要慢，而且低速转矩特　性较差，模拟汽车道路阻力的能力较差，不同的底盘　量低于流量传感器标定范围，系统测量精度就会降　低，影响测量结果。　４　不同底盘测功机上测试结果分析　为研究Ｖｍａｓ系统的测量准确度和重复性影响　因素，组建了测量系统，其中Ｖｍａｓ系统和五气体分　析仪按Ｓｅｎｓｏｒ公司规定配置，并严格按使用要求进　行标定和初始化。底盘测功机使用日本小野公司的　ＰＥＣＤ９４００测功机，该系统为直流测功机，采用组合　飞轮模拟机械惯量，能够满足ＧＢ１８３５２．２—２ｏ０１的　要求进行整车排放试验，满足对底盘测功机的惯量　模拟和载荷设定要求。另外，使用西班牙Ｋ１６０电涡　流底盘测功机配合Ｖｍａｓ系统进行测试，测功机基本　惯量为９００ｋｇ。　图６是受检车辆在不同的底盘测功机上进行图　２所示试验循环，３种污染物逐秒测量的结果。根据　ｉ贝０量时间历程能方便地分析底盘测功机加载精度对　测量结果的影响。将每秒的测量结果进行积分就能　够得到在整个试验循环的总质量排放量。　从图６可知，由于电涡流测功机加载精度和不　能准确模拟汽车惯量，造成排放测量值与使用电力　测功机进行Ｖｍａｓ测试时的测量值有较大的差异。　５试验方法和试验结果分析　在用车排放检测目前在我国属强制性标准，年　度检测不合格者不得上路行驶，因此要求检坝０方法　科学、合理，重复性好。为保证检测方法的科学合　理，ＧＢ１８３５２．２—２００１标准有严格的试验预处理要　求，并且需严格控制试验环境。因此不适应在用车　的排放检测，在用车的排放检测频率快，试验环境得　不到精确控制。必须针对在用车的实际情况，制定　科学、合理的试验预处理过程，保证检测结果的科学　性和合理性，并且重复性好。　维普资讯 http://www.cqvip.com

・３３８・　．．　汽车工程　２００６年（第２８卷）第４期　Ｅ＼ｏＵ　Ｄ／０／　薯毒　试验选定两类车辆，４辆样车，其中Ａ、Ｂ为闭环　∞如　０　０　Ｏ　０　０　０　０　如加ｍ　电控带三效催化转化器的车辆，而Ｃ、Ｄ为闭环电控　∞　如　∞　喷射车辆，无三效催化转化器，试验车辆性能稳定。　－　为评价各种方法对不同种类车辆测量结果的稳　定性，探索提高测量稳定性的试验条件，分别按下列　５０　１００　１５０　２００　模式进行试验。　（１）连续测量１９５ｓ的排放试验，但中间间隔　测量时间／ｓ　１０ｍｉｎ左右，每次Ｖｍａｓ测量之前，有三效催化转化　器的车辆先检测三效催化转化器的温度，无三效催　化转化器车辆检测冷却液和机油的温度，待温度一　致时开始测量。　。　．　一。一—　匙一　（２）连续无间断进行多次１９５ｓ排放试验。　（３）连续测量１９５　ｓ的排放试验，但中间间隔　１０ｍｉｎ左右，每次测量之前，以５０ｋｍ／ｈ的车速连续　运转３ｍｉｎ，然后进行１９５ｓ的试验测量。　为分析试验结果的重复性，计算每个模式下测　量结果的算术平均值，然后计算每次测量结果和该　算术平均值之间的相对误差，试验结果如图７～图　测量时间／ｓ　——１０。图中曲线符号分别代表：＿◇－Ｈｃ－０－ｃ０２－ａ－ＮＯ、　＊Ｃ０。　电力测功机　一　电涡流测功机　图６在不同底盘测功机上利用Ｖｍａｓ系统　根据上述试验结果可知，对没有使用三效催化　瑚　０　转化器的车辆（Ｃ、Ｄ），试验的重复性较好，与平均值　的测量误差都在±１５％以内，其中Ｃ０　的稳定性最　测量得到的Ｈｃ、ｃ０、Ｎ０　排放量　≮　毒　２　３　４　６　７　８　９　ｌ０　次数　（ａ）模式　次数　（ｂ）模式２　次数　（Ｃ）模式３　图７　Ａ车测量结果　々　＝　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　次数　（ａ）模式　次数　（Ｃ）模式３　图８　Ｂ车测量结果　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６（Ｖｏ１．２８）Ｎｏ．４　葛蕴珊，等：简易瞬态工况法测最准确度影响　素研究　・３３９・　３　０　耋　次数　（ａ）模式　耋　次数　０　ｏ．ｏ　兰　三．３．０　６　ｏ　（ｂ１模』℃：　『訇９　Ｃ车测昼结果　－ｉ一耋．　一　ｌ　２　３　４　５　１　３　４　次数　次数　（ｂ）模式２　次数　（Ｃ）模式３　ａ）模式　１０　Ｄ　测鞋结果　好，波动不超过±５％。说明Ｖｍａｓ测量系统对没有　其中测功机道路阻力模拟精度是重要因素之一，瞬　态排放试验如果使用电涡流式底盘测功机，应当配　备能够根据车辆基准惯量进行调节的惯性飞轮组　使用三效催化转化器的车辆测量的重复性好：　对于使用了三效催化转化器的车辆（Ａ、Ｂ），试　验结果的重复性变差，ＣＯ、ＨＣ、ＮＯ　的波动范围最大　达到土１５０％左右，而ＣＯ　的波动一般不超过±５％，　＝薹　合，提高道路阻力模拟精度：　（２）Ｖｍａｓ系统对没有使用三效催化转化器的　车辆测量稳定性好，对使用了三效催化转化器的车　辆，由于三效催化转化器内部温度的影响，导致测量　结果波动相对较大：　说明试验车况稳定，可以推断是由于三效催化转化　器内部温度的差异导致了污染物催化转换效率的波　动，最终导致排放测量结果的波动。在３种测量模　式下，模式２最好，随着测量次数增加，误差浮动范　围减小：所以测量中，考虑实际操作的方便性和可　（３）对于使用三效催化转化器的车辆，在进行　Ｖｍａｓ排放试验前，应当对车辆进行必要的预先处　行性，推荐预先运行１个１９５　Ｓ瞬态循环，测量第２　个循环的排放情况。　根据在用车排放检测的特点，在大中城市中，满　理，以充分预热三效催化转化器，提高测量结果的准　确度。　足国Ｉ、国Ⅱ甚至更高排放标准的车辆远多于没有　三效催化转化器的车辆，为保证检测结果的公正性　和科学性，在进行排放测试之前，应充分预热受检车　辆，保证三效催化转化器处于良好的工作状态：　１　参考文献　张跃涛，袁大宏，张云龙，等．在用车排放检测试验方法的研究　Ｊ．汽车＝工程，２００１，２３（３）　２：　蔡悦彬，陈丹青，蔡图斌，等．采用Ｖｍａｓ系统检测分析汽车排　放物的研究：Ｊ　．车用发动机，２００３（３）．　３：　邓志伟，卢青春，张俊智，等．整车排放连续稀释模态测试延迟　６结论　（１）影响Ｖｍａｓ测量结果准确度的因素有很多，　时间的测定及分析：Ｊ：．公路交通科技，２００１，１８（４）．