摩托车排放鼓试验台主控计算机系统的研制及应用.pdf

第 36卷? 第 4期 吉 林 大 学 学 报 ( 工 学 版 ) ? Vo. l 36? N o . 4 2006年 7月Journalof Jilin University (Engineering and Technology Edition)?July 2006 文章编号: 1671- 5497( 2006) 04- 0539- 04 收稿日期: 2005?11?26. 作者简介: 金振华 ( 1973- ), 男, 助理研究员. 研究方向: 汽车测试技术. E?mai: l jinzhenhua tsinghua . edu. cn 摩托车排放转鼓试验台主控计算机 系统的研制及应用 金振华, 黄开圣, 卢青春, 聂圣芳 (清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室, 北京 100084) 摘 ? 要: 为满足摩托车研究开发和法规检测排放试验的要求, 开发了摩托车排放转鼓试验台主 控计算机系统。硬件采用工业控制计算机、 数据采集接口卡和通讯接口卡; 软件采用虚拟仪器 开发平台开发。系统实现了摩托车定容采样试验、 连续稀释采样试验和直接采样试验的数据 采集、 设备控制及数据处理。实车试验表明: 该系统可靠性好、 功能全面且便于扩展。 关键词: 计算机应用; 排放试验; 转鼓试验台; 主控计算机 中图分类号: TP391 . 8? 文献标识码: A Development and application of host co mputer syste m formotorcycle em ission chassis dynamometer Jin Zhen? hua , Huang Kai?sheng ,LuQ ing?chun , Nie Sheng?fang (StateKey Laboratory of Auto mobileSafety and Energy, T singhua University, Beijing 100084 , China) Abstract : To meet the requirements of themotorcycle research and develop m ent and their em ission regulation tests,a host computer system for the motorcycle em ission chassis dynamometer was developed . The hardware integrationwas achieved w ith an industrial control computer ,a data acquisition card and a communication card .The soft ware was developed w ith the virtual instrument engineering workbench .The data acquisition , the device control and the data processing were realized for the CVS sampling tes, tthe continuous dilution sampling test and the direct sampling tes. t The system was proved to be reliable ,universal and extendible by tests in practice . Key words : computer application ;em ission tes; tchassis dynamometer ;host computer 0? 引 ? 言 随着摩托车保有量的持续增加, 摩托车排放 污染日益严重, 各个国家都加快了摩托车排放控 制进程 1 , 2。摩托车排放转鼓试验台是进行摩托 车法规要求的工况法排放试验以及研发试验所必 备的测试设备。目前由专业厂家生产的排放转鼓 试验台主控计算机系统只能与特定的设备连接, 价格昂贵, 软件及硬件功能很难进行扩展。针对 这种情况, 作者开发了采用开放式硬件结构和虚 拟仪器技术的摩托车排放转鼓试验台主控计算机 系统, 实现了法规 CVS采样试验、 连续稀释采样 试验、 直接采样试验的流程控制及数据处理。 吉 林 大 学 学 报 ( 工 学 版 )第 36卷 1? 排放转鼓试验台的总体结构 工况法排放测试是将若干工况组合成一个或 若干个测试循环, 试验时测取车辆在测试循环中 的排放水平。摩托车排放测试系统总体结构如图 1所示。排放试验过程中, 驾驶员根据设定的工 况曲线行驶, 底盘测功机模拟道路阻力进行加载。 定容取样系统连续抽取全部废气, 用环境空气加 以稀释, 按比例采集废气到取样袋中。 图 1? 排放测试系统总体结构图示意 Fig . 1? Genernal structure of e m ission test syste m 2? 主控计算机系统功能分析 摩托车法规规定的工况法排放试验采用定容 取样方法 3, 气体污染物排放量计算公式为: Mi= 1 s ? V ? ?i? kH? Ci? 10 - 6 ( 1) 式中: Mi为污染物 i的排放质量, g/k m; s为行驶 距离, km; V 为校正至标准状态下的稀释排气体 积, L; ?i为污染物 i在标准状态下的密度, kg/m 3; Ci为经背景气校正的稀释排气中污染物 i的体积 分数, 10 - 6; k H为湿度校正系数 (用于氮氧化物排 放量计算 )。 主控计算机的主要功能特性如下: ( 1)数据采集。采集参数包括车速、 行驶里 程、 大气压、 环境温度、 环境湿度、 背景气污染物浓 度、 采样气污染物浓度、 稀释排气体积。 ( 2)设备控制。试验开始后控制司机助显示 工况曲线, 在规定采样时刻启动 CVS气袋采样, 工况结束后控制分析仪进行背景气和样气分析。 ( 3)数据处理。根据试验过程中采集的数据 进行计算得到试验结果。 3? 主控计算机系统硬件设计 排放转鼓试验台的大功率电力电子设备较 多, 现场干扰比较强。此外测试设备较多, 各类设 备的接口形式多样, 如下所示: 底盘测功机: 模拟 量 0 10V, 脉冲量 TTL电平, RS232/GPIB /LAN 接口; 排放分析仪: RS232/GPIB /LAN接口; 油耗 仪: 模拟量 0 10 V, 脉冲量 TTL 电平, RS232/ GPIB接口。主控计算机系统的硬件设计主要考 虑系统的抗干扰性和可扩展性。主控计算机系统 硬件设计结构如图 2所示。采用通用的工业控制 图 2? 系统硬件设计 Fig . 2? Hardware design of syste m 计算机 IPC 。基于 IPC的硬件结构是一种开放式 结构, 具有可靠性好、 有丰富的软硬件支持、 便于 升级和功能扩展等特点。各类数据采集和通讯接 口卡插在主机的扩展槽内, 选用标准的工业级接 口卡, 便于系统的维护。 信号调理单元对模拟量、 开关量和脉冲量进 行调理, 转换为 AD接口卡和 DI/O接口卡能够采 集的信号。主控计算机通过各种型号的通讯接口 与司机助、 底盘测功机、 排放分析仪和 CVS通讯, 实现这些设备的数据采集和自动控制, 通讯接口 的型号为 RS232 、 GPIB 和 LAN 等。有些设备通 过模拟量和脉冲量输出信号, 系统通过信号调理 单元和数据采集接口采集这类信号。 ?540? 第 4期金振华, 等: 摩托车排放转鼓试验台主控计算机系统的研制及应用 4? 主控计算机系统软件设计 4 . 1? 总体设计 主控计算机系统软件在W indowsXP环境下, 采用虚拟仪器开发平台 LabV iew开发 4。主控计 算机系统软件主要功能模块如图 3所示。 图 3? 软件功能模块 Fig . 3?Functionalm odules of soft ware 工况编辑模块用于编辑试验工况曲线, 一个 工况曲线的定义包括以下参数: 时间车速序列、 显 示提示信息、 误差带、 气袋充气和关闭时间。系统 维护模块实现模拟量通道标定功能, 通过曲线拟 合计算出模拟量和工程量的转换系数; 试验过程 模块实现各类排放试验的数据采集和设备控制, 将采集的数据存入数据文件; 数据处理模块载入 数据文件, 对试验数据进行计算并以表格和曲线 等形式输出。 4 . 2? 排放试验流程 按照采样方式的不同, 排放试验主要有 CVS 采样试验、 连续稀释采样试验和直接采样试验 3 种类型 5 , 6。图 4为临界流量变稀释度 ( CFV - CVS)稀释装置和不同采样方式的采样管路。 图 4? 排放试验三种采样方式 Fig . 4? Three samplingm anners of e m ission test CVS采样试验是排放法规规定的试验方法, 试验过程中通过背景气采样管路和稀释排气采样 管路将背景空气和稀释排气按比例收集到气袋 中, 同时通过主文丘里管测量整个试验期间的排 气流量, 驾驶循环结束后对气袋中的背景气和稀 释排气进行分析。试验过程中主控计算机根据法 规要求分别与底盘测功机、 排放分析仪、 CVS采样 装置及司机助等设备通讯, 实现整个试验过程的 控制, CVS试验的流程控制如图 5所示, 通过气袋 分析得到整个试验过程中污染物排放质量。 图 5? CVS采样试验流程 Fig . 5?Flow chart of CVS sam pling process CVS采样试验只能得到一个总的排放结果, 通过连续稀释采样试验可以得到更详细的排放数 据。连续稀释采样试验可以与 CVS采样试验同 时进行。试验前首先测量背景气浓度, 用于背景 气修正计算。在试验过程中通过连续稀释采样管 路采集稀释排气并送至分析仪连续分析, 主控计 算机按照 10H z的采样频率记录瞬态污染物浓度 和 CVS流量值, 通过计算可以得出每秒污染物的 排放质量, 并且可以计算出各加速、 减速、 等速以 及各循环工况下的污染物排放质量 7, 8。 直接采样的采样点在稀释装置之前, 主控计 算机连续采集和记录排放污染物体积分数值, 包 括 CO、 CO2、 THC、 NOx、 O2体积分数, 可以通过计 算得出空燃比。直接采样试验一般用于电控发动 机开发和催化器特性研究等试验。 4 . 3? 数据处理 通过 CVS采样试验和连续稀释采样试验可 ?541? 吉 林 大 学 学 报 ( 工 学 版 )第 36卷 计算出排放污染物的质量。CVS采样试验直接按 照法规规定的计算方法计算即可, 对于连续稀释 采样试验, 排放污染物质量通过下式计算: m = ? n i= 1 Ci? ?Vi? ?( 2) 式中: i为采样点序号; ?Vi为污染物在第 i次采 样到第 i+ 1次采样之间排气稀释体积, m 3。 对运行工况的不同时间段进行积分计算, 可 以得到各加速、 等速、 减速段的污染物排放质量, 为发动机和整车的设计、 开发提供了详细的数据。 表 1为同时进行 CVS采样和连续稀释采样的试 验结果。可以看到气袋分析与连续分析结果非常 相近, 两者误差小于 5 % (见表 1)。 表 1?CVS试验与连续稀释采样试验结果 Table 1? Results of CVS sampling test and continuous dilution sampling test 采样结果 /gCO CO2 THC NOx CVS采样结果21 . 32151 . 811 . 860. 44 连续稀释采样结果21 . 5152 . 61 . 810. 46 两者的差别 /%0 . 840 . 522 . 694. 35 5? 应用实例 主控计算机系统已经在国内多家摩托车厂家 投入使用。实际应用表明, 由于硬件采用了工业 控制计算机、 工业级数据采集和通讯接口卡, 具有 良好的抗干扰性, 保证了系统运行可靠; IPC有多 个 ISA和 PCI扩展槽, 使系统硬件可方便地扩展; 软件功能除了满足法规 CVS采样试验要求外, 还 具有研发过程需要的连续稀释采样和直接采样试 图 6? 连续稀释采样曲线 Fig . 6? Curves of continuous dilution sampling test 验模块。图 6为连续稀释采样试验污染物浓度曲 线。表 2为 CVS采样试验结果。 表 2? CVS试验结果 Table 2?Results of CVS experi m ent 试 验 项 目CO CO2 THC NOx 背景气体积分数 /10- 615 . 450012 . 820. 33 样气体积分数 /10- 6649 . 13400123 . 949. 87 排放质量 /g21 . 32151 . 811 . 860. 44 每公里排放 /( g? k m- 1) 5 . 3137 . 80 . 460. 11 参考文献: 1 肖竑, 梁锡林, 双菊荣. 摩托车排放控制历程及排放 控制对策探讨 J. 中国环境管理, 2003 , 22(6): 5?7. X iao Hong ,L iang X i?lin, Shuang Ju?rong .Study on course and counter measure ofmotorcycle discharge con? trol J.China EnvironmentalM anage ment , 2003, 22 ( 6): 5?7. 2 贾雨, 王青. 摩托车欧排气污染物限值及发展趋 势 J. 摩托车技术, 2003( 5): 24?25. Jia Yu, W angQ ing . L i m it values and development trend ofEURO s pollutants for motorcycles J. M otorcy? cle Technology , 2003( 5): 24?25. 3 GB14622?2002. 摩托车排气污染物排放限值及测量 方法 S. 4 杨乐平, 李海涛, 肖凯. 虚拟仪器技术概论 M . 北 京: 电子工业出版社, 2002. 5 邱群麟, 葛蕴珊, 韩秀坤, 等. 汽油车稀释排放连续采 样系统的分析与应用 J. 车辆与动力技术, 2004 ( 4): 21?24 . Q iu Qun?lin , Ge Yun?shan, Han Xiu?kun, et a. l Analy? sis and application of gasoline auto mobiles continuous dilute e m ission sample J.System, Vehicle and Power Technology , 2004( 4): 21?24. 6 邓志伟, 卢青春, 张俊