低排放汽車排放測試技術探討

牟建勇

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低排放汽車排放測試技術探討

牟建勇

廈門環境保護機動車污染控制技術中心

隨著汽車排放水平的不斷提高，對排放測試的要求也越來越嚴格。該文討論了達到歐四標準以上水平的低排放汽車排放測試，對影響試驗結果的因素進行了分析和總結，提出了提高測試穩定性和準確性的幾點措施。

輕型車 低排放 測試

隨著全球汽車工業的迅速發展，由此而帶來的環保問題越來越引起各國政府有關部門的重視，對于汽車排放污染物的控制力度也不斷加強。歐盟已于2009年正式實施了歐五標準，并計劃于2014年實施歐六標準。美國EPA于2011年8月大幅提高了乘用車溫室氣體排放和燃油經濟性標準，成為世界各國中最為嚴格的汽車標準。在中國，汽車產銷量已雙雙突破1800萬輛，連續三年成為世界汽車產銷量第一大國。北京、上海和廣州分別為舉辦2008年奧運會、2010年世博會和2010年亞運會，提前實施了機動車國四排放標準。全國也將從2011年7月1日起分步實施國四標準。

為了適應法規的發展，相關排放認證試驗也在不斷加嚴。在利用現有設備對歐四以上水平的汽車進行排放測試的過程中，由于被測汽車排放水平的大幅降低，采用常規試驗條件進行試驗的結果重復性及穩定性開始下降。對于一些排放水平非常好，達到歐五以上的汽車，排放污染物的測試結果甚至可能出現負值。為了保證試驗結果的良好重復性與準確性，本文對影響試驗結果的因素進行了系統的分析和總結，提出了提高測試穩定性和準確性的幾點措施。

1 排氣污染物測試原理

排放法規對排氣污染物（THC，NOx，CO等）的限值要求是質量濃度，要求在整個測試循環過程中對上述氣體污染物的濃度和質量流量進行連續測量，通過連續積分從而獲得排氣污染物的質量。目前對濃度的連續測量已經非常成熟，而對于動態質量流量的連續測量卻由于在整個測試循環過程中發動機排氣的體積流量、溫度及密度均不斷變化，世界范圍內一直沒有很好的解決方案。因此，法規規定了以定容取樣的方法對氣體污染物進行采樣測量。

定容取樣的方式是利用文氏管或容積泵的定容原理，對發動機排氣用背景空氣（通常為實驗室環境空氣）進行定容稀釋（如圖1），在整個測試過程中對稀釋后的混合氣體以及背景空氣進行連續比例采樣，并將樣氣充到取樣袋中予以儲存，在試驗結束后再對氣袋中的樣氣進行分析。測試過程中，氣袋除了具有儲存樣氣的作用，同時還對樣氣濃度進行了連續均勻混合，也就是采樣結束后樣氣袋中的濃度是整個采樣過程中樣氣混合后的濃度平均值。

圖1 定容采樣系統原理簡圖

2 排氣污染物測試影響因素分析

2.1 排氣污染物濃度的計算

根據法規，定容取樣后的排氣污染物質量通過以下公式進行計算：

——最終氣體排放污的總質量（g）；

C——樣氣袋中混合氣體中污染物的濃度（ppm）；

C——背景氣袋中污染物的濃度(ppm)；

——稀釋因子，是汽車排氣被背景空氣稀釋的倍數；

V——定容采樣過程中總流量(m3)。

2.2 稀釋因子DF的計算

值由以下公式確定：

公式是基于發動機采用基準燃料在理想狀態下完全燃燒的方程式所得，燃料的碳氫比是1.84。式中分子是在發動機理想排氣中的CO2濃度值，對于汽油車和柴油車，法規將該值確定為13.4%。而公式中的分母是混合氣體樣氣袋中CO2、CO和THC的濃度，也就是發動機實際燃燒產生的含碳氣體經過背景空氣稀釋的濃度。

由于背景空氣也就是大氣中的CO2濃度非常低，因此我們可以認為發動機理想燃燒狀態下產生的含碳氣體（全部是CO2）濃度除以被稀釋后實際燃燒的含碳氣體（CO2，CO，THC）濃度，即為發動機排氣被稀釋的倍數。值得注意的是，實際測試中，燃料的碳氫比在1.7～1.8之間，而發動機也不可能總在理想的空燃比狀態下工作，因此該計算所得的DF值只是一個近似值。

2.3 稀釋因子DF對污染物計算的影響

根據法規所規定的污染物質量計算公式，試驗結果主要是由樣氣袋中濃度與背景空氣袋的濃度差值所決定的。在被測汽車達到歐四水平以前，由于發動機排氣的污染物濃度與背景空氣中污染物濃度相差很大，DF偏差對測試結果的影響不會很大。

圖2 排放測試循環

目前國標和歐洲標準的排放測試循環分為市區循環和郊區循環兩段，在市區循環段，發動機總是處于起步、加速、制動、怠速狀態，因此排放狀況較差，而在郊區循環段發動機工作于較為理想狀態下，因此排放濃度很低。特別是達到歐四階段以后，由于限值比歐三下降了一半（如表1），排放污染物成分已接近甚至低于背景空氣的濃度。以THC為例，汽車在郊區循環段的其實際排放濃度（1ppm以下）往往已遠遠低于背景氣袋的濃度（2～4pmm）。在這種情況下，排放測試儀器的測試偏差被值放大以后對試驗結果造成了較大的影響。

表1 歐洲排放標準

假設某試驗循環下，樣氣袋中的濃度為2.68ppmC，背景空氣濃度為3ppmC，真實稀釋比為9，CVS總流量V為9m3。通過計算可得發動機排氣的準確濃度0.12ppmC。

但由于實際計算出的值考慮到前文所述原因，有可能大于真實值，假設為10，則是實際計算結果將會是-0.18ppmC，顯然無法反映發動機排放的真實值。

3 提高測試穩定性和準確性的措施

考慮到上述因素對試驗結果的影響，可采用以下措施來提高試驗的穩定性和準確性：

3.1 選擇較低的CVS流量

由于值對試驗結果會產生非常大的影響，因此試驗中應盡可能減小定容采樣系統的流量以減小值，同時提高被測污染物的濃度，以減小其對試驗結果的影響。

值得注意的是，按照法規要求，CVS的流量應保證對發動機排氣進行足夠的稀釋以保證系統不出現冷凝水。這是由于冷凝水的出現會導致排氣污染物溶于水而降低測試的準確性。因此，在目前情況下，為了降低CVS流量，還可以進一步采用的方式是對背景空氣除濕，以確保在降低稀釋比的情況下而不出現冷凝。

3.2 使用精度更高、量程更低的分析儀

考慮到分析儀的測試偏差會被值放大，因此在試驗中應盡量采用分析儀的最小量程，并用選用高精度的標準氣體進行線性化檢查。值得一提的是，目前歐四測試中NOx成分在背景氣袋和樣氣袋中的濃度均已在1個ppm以下，目前所使用的常規分析儀的最小量程（10ppm）已難以滿足測試的需要，如果以NOx為例再進行上述濃度計算，偏差將會更大，因此使用低量程（1ppm）的NOx分析儀將變得必要。

3.3 對背景空氣中污染物成分的處理

據前文分析，決定試驗結果的主要是樣氣袋中污染物濃度與背景氣袋中污染物濃度的差值，因此降低背景氣袋中污染物的濃度可以很大程度地提高歐四測試的精度。目前對背景氣進行處理的最有效方式是使用稀釋空氣精致系統（DAR），采用類似車用三元催化器原理，通過化學反應使背景空氣中各種污染物的濃度下降到0.1ppm 以下。由于使背景空氣中的污染濃度比樣氣袋中的濃度小了一個數量級，因此值即使存在偏差，仍可獲得十分接近真值的計算值。

4 結論

4.1 排氣污染物測試結果主要是由樣氣袋中濃度與背景空氣袋的濃度差值所決定的。而達到歐四以后，偏差對測試結果所造成的影響已不可忽略。

4.2 在保證系統不出現冷凝水的前提下，盡可能減小定容采樣系統的流量，以減小DF值，從而降低對測試結果的影響。

4.3 應使用精度更高、量程更低的分析儀進行測試，并選用高精度的標準氣體進行線性化檢查以減小測試偏差。

4.4 降低背景氣袋中污染物濃度可以大幅度提高測試精度。

[1] 張曼茵. 當前影響世界汽車產業發展因素分析[J]. 上海經濟研, 2009(1):79-85.

[2] 中華人民共和國環境保護部. 2011年中國機動車污染防治年報[Z].

[3] 中華人民共和國環境保護部. 關于國際機動車排放標準第四階段限值實施日期的復函[Z]. 環辦函[2010] 1390號

[4] GB18352.3-2005, 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國III、IV階段）[S].