（载运工具运用工程专业论文）汽油机瞬态排放间接测量的理论与实践.pdf

摘要 随着人们环保意识的加强，世界各国排放法规的要求越来越苛刻。在城市道 路运行中，汽油机相当长的时间工作于起动、暖机以及加速、减速等瞬态工况， 燃油供给和空气供给的速率均在瞬时变化，有害排放物的某些成分将明显变化， 因此在稳态工况下获得的排放参数并不能代表汽油机的实际排放水平。国内、外 的一些研究机构目前正在探寻实时动态检测汽油机排放的方法，国内的起步要更 晚，因此研究瞬态过程的排放及其测试技术具有重要意义。 本论文考虑国内大多数研究机构不具备实时瞬态排放测试的仪器设备这一实 际情况，采用间接测量方法，搭建间接测试系统实时采集瞬态过程的排放数据， 修正因采用常规排放分析仪导致的测试误差，分析瞬态排放数据。主要的研究内 容如下： ( 1 ) 概述了国内外汽油机瞬态排放测试技术的现状，讨论了汽油机主要有害排 放污染物的生成机理及影响因素。 ( 2 ) 根据汽油机城市道路运行状况，确定了影响城市大气质量的主要瞬态工 况，并结合本研究课题目前所具备的试验条件制定了试验大纲，搭建了汽油机瞬 态排放间接测试系统。 ( 3 ) 利用不可压缩二阶系统模型和可压缩流体模型1 分别对常规排放分析仪 的管道系统进行了物理建模，获得其频率响应特性，并进行了比较。结合计算机 仿真结果对常规排放分析仪用于汽油机瞬态排放间接测量时产生时延和幅值畸变 的原因进行分析，并结合频率响应特性和实验结果进行时延修正，同时提出了幅 值畸变误差修正的思路。 ( 4 ) 对四种搭载了电喷汽油机的汽车进行了冷起动、暖机、加速一滑行组合等 瞬态工况的排放测试，并对测试结果进行了分析，结果表明：对空燃比的有效 控制仍然是优化瞬态过程排放的重点和难点；汽油机的空燃比、催化转化器的 工作温度范围、冷起动阶段的时间以及汽油机的热力状态等是影响瞬态排放的主 要因素。要彻底解决汽油机动力性、加速性与排放水平之间的矛盾，仅靠目前 的后处理措施勉为其难，可以寄希望于缸内直喷( g d i ) 技术早日成熟，最终实现 分层燃烧。 关键词：汽车技术状态智能监测与故障诊断；瞬态排放；间接测量；汽油机：冷起动；暖机； 加速滑行组合：流体模型 a b s t r a c t w i t ht h e s t r e n g t h e n o f p e o p l e s e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s s ，t h e e m i s s i o nr e g u l a t i o n so fw o r l da r eb e c o m i n gs t r i c t e ra n ds t r i c t e r d u r i n gt h ec i t yr o a d r u n n i n g ，t h eg a s o l i n ee n g i n e sf r e q u e n t l y r u nu n d e rt h ec o n d i t i o n s o ft r a n s i e n t o p e r a t i o nm o d e ss u c ha sc o l d s t a r t ，w a r m - u p ，a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n ，w h i l et h e v e l o c i t y o ft h e s u p p y o ff u e la n d g a s a l s oi n s t a n t a n e o u s c h a n g e a s s o m e c o m p o s i t i o n so fp o i s o n o u se m i s s i o n sw o u l dd i s t i n c t l yc h a n g e ，s ot h ee m i s s i o n sr e s u l t s u n d e rt h ec o n d i t i o n so f s t e a d yo p e r a t i o nm o d e s c a n tr e f l e c tt h et r u er e s u l t so f g a s o l i n ee n g i n ee m i s s i o n s a tp r e s e n t s o m er e s e a r c hi n s t i t u t i o n si nt h ew o r l da r e e x p l o r i n gt h ew a y so fr e a l - t i m ed y n a m i ct e s t i n g ，a n dd o m e s t i c t r a n s i e n te m i s s i o n s r e s e a r c hl a gt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，s oi ti se x t r e m e l yi m p o r t a n tt or e s e a r c he x h a u s t e m i s s i o n sa n dt e s tt e c h n o l o g i e so ft r a n s i e n tp r o c e s s i nt h i sp a p e rt h ei n d i r e c tm e a s u r e m e n tm e t h o do ft r a n s i e n te x h a u s te m i s s i o n si s a d o p t e d ，a st h e r ea r e n oa d v a n c e de q u i p m e n t st h a tc a nb eu s e dt or e a l t i m ed y n a m i c t e s ti nm o s tr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s i ti s p r a c t i c a l t ob u i l dt h ei n d i r e c tt e s t s y s t e m t o c o l l e c tt h ee m i s s i o n sr e s u l t s ，a n dt h e na n a l y z er e s u l t sa n de r r o r s t h er e s e a r c hi t e m s a r ef o l l o w s ： ( 1 ) t h ec u r r e n ts t a t e so fg a s o l i n ee n g i n et r a n s i e n te m i s s i o n st e s tt e c h n o l o g i e sa r e s u m m a r i z e d ，t h e nt h e m e c h a n i s ma n de f f e c tf a c t o r so fm a j o rp o i s o n o u sg a s o l i n e e n g i n ee x h a u s te m i s s i o n sa r ed i s c u s s e d ( 2 ) a c c o r d i n g t ot h e g a s o l i n ee n g i n e r u nc o n d i t i o n so fc i t yr o a d ，t h em a j o r t r a n s i e n to p e r a t i o nm o d e st h a ta f f e c tt h el e v e l o fa t m o s p h e r ea r ee n s u r e da n dt h e g a s o l i n e t r a n s i e n te m i s s i o n si n d i r e c tt e s t s y s t e m a r eb u i l tu n d e rt h e e x i s t i n g e x p e r i m e n t a t i o n c o n d i t i o n s ( 3 ) u n c o m p r e s s i b l es y s t e m m o d e la n dc o m p r e s s i b l el i q u i d b o d ym o d e li i i a r e d e v e l o p e dt o b u i l dt h em o d e lo fc o n v e n t i o n a le m i s s i o na n a l y s e rp i p e l i n es y s t e m ，a n d t h et w o f r e q u e n c yr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e d t h e r e a s o n so fa l t i t u d e d i s t o r t i o na n dt i m ed e l a yo fc o n v e n t i o n a le m i s s i o na n a l y s e ra r ea n a l y z e d ，a sw e l l a s t h et h o u g h t so fc o r r e c t i n gt h ea l t i t u d ed i s t o r t i o na n dt i m ed e l a ya r eb r o u g h tf o r w a r d a c c o r d i n g t ot h ef r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ( 4 ) t h ee x h a u s te m i s s i o n so ft h e f o u rd i f f e r e n tv e h i c l e so fc o l d s t a r t ，w a r m u p a n da c c e l e r a t i o n s l i d et r a n s i e n t o p e r a t i o n m o d e sa r et e s t e d ，a sw e l la s r e s u l t sa r e a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w ：c o n t r o l l i n ga i r f u e lr a t i oiss t i l lt h ee m p h a s e sa n d d i f f i c u l t y o f o p t i m i z i n g t r a n s i e n te x h a u s te m i s s i o n s ；a i r f u e lr a t i oo fg a s o l i n e e n g i n e ，w o r kt e m p e r a t u r er a n g eo fc a t a l y s e r ，t h et i m eo fc o l d s t a r ta n dt h e r m ics t a t e a r et h e m a j o r f a c t o r st h a ta f f e c tt h e g a s o l i n ee n g i n e t r a n s i e n t e m i s s i o n s ；a s p r e s e n td i s p o s a lm e a s u r e s c a nn o ta l l e v i a t et h ec o n t r a d i c t i o n s a m o n gt h ed y n a m i c ， a c c e l e r a t i o na n de m i s s i o n sl e v e lo fg a s o l i n ee n g i n e ，s oo d i t e c h n i q u et h a tc a nm a k e t h ed i v i d e l a y e rc o m b u s t i o nt r u ei se x p e c tt od e v e l o p k e y w o r d s ：s m a r tc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i n go f v e h i c l e ；t r a n s i e n t e x h a u s t e m i s s i o n s ；i n d i r e c tm e a s u r e m e n t ；g a s o l i n e e n g i n e ；c o l d s t a r t ；w a r m u p e n g i n e ；a c c e l e r a t i o n s l i d ec o m b i n a t i o n ；l i q u i d b o d ym o d e l 1 i l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名 饽淑趁 日期：一瞬中月一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 笨p 复褪 日期：蜥 p 月伊日 导师签名：了轰向 日期：年年辱月钧日 第一章 汽油机瞬态工况及其排放测试技术概述 1 1 我国汽油车排放的现状 保护大气环境是目前世界范围内最为关注的问题之一。目前大气低层中的污染 物有6 0 来自于汽车尾气，汽车尾气已经成为最严重的大气污染源，大城市大气 环境污染变得日益突出【l o 】。北京、广州、上海、重庆等大城市，单车污染物排放 量较大。据环保部门的研究结果，北京市机动车排放对大气污染物中c o 、h c 的 分担率分别为6 34 、7 3 4 ；上海市中心地区机动车排放对大气中c o 、h c 的分 担率分别为8 6 、9 6 p j 。因此寻找有效的排放控制技术来改善汽车的排放水平具 有重要的实际意义。 目前我国采用电喷和催化转化技术的轻型汽车能满足欧i 排放标准甚至欧i i 标准：部分还采用化油器式汽油机的微型车辆都能满足e c er 15 0 4 标准：最近两 年的试验表明多种汽车在试车场内运行8 万k m ，能持续符合欧i 排放标准甚至欧 i i 标准要求。 但是，目前不少企业在对车用汽油机排放达标的实施过程中，遇到了以下具 体问题： ( 1 ) 我国正式发布的有关汽车排放的标准种类繁多，但并不协调。( 2 ) 多数企业原设计水平较低，排放指标落后，新标准要求较严。( 3 ) 企业的检测手 段尚不能完全达到新标准规定的水平，国家认可指定的检测单位又太少。根据近 年来原国家机械部和国家技术监督局组织的汽车排放抽查和日常检测数据，我国 汽油车的排放状况整体上还处于欧洲2 0 世纪9 0 年代初期水平【”。 1 2 汽油机瞬态工况的概念及其分类1 4 , 5 1 2 1 ；- 2 油机瞬态工况的概念 发动机的运行情况简称工况，决定于其输出的转矩( 或功率) 和曲轴的转速。 当发动机曲轴的转速n 、输出转矩及其内部热平衡q 基本不随时间r 变化时的工 况称为稳定工况。在稳定工况下，发动机各工作过程参数之间存在着定的函数 关系。由于汽车发动机的实际运行工况大都随路面阻力的情况而不断地变化着， 因此发动机曲轴的转速n 、输出转矩正及其内部热平衡q 等参数中的一个或几个会 随时唰t 的变化而变化，使发动机出现瞬态工况。 在正常热力状态下工作的汽油机，通常是通过曲轴转速 、节气门开度足，和 f 空燃比爿f 来实现工况的调节与控制，亦即当曲轴转速”、节气f 开度k ，及空燃比 a f 这三个量确定时，便确定了汽油机的工况。以时间f 作自变量来考察，则有： 稳定工况：d n d t 0 、d k ，d t 0 和d a f d r 0 ： 瞬态工况：幽加0 或d k ，础0 或d a f 础0 。 因此，在瞬态工况下，用于确定汽油机工况的是nk ，a f 、d n d l 、d k ，曲 和以f ，出六个量。对于化油器式汽油机，空燃比4 f 是节气门开度k 。及其变化率 d k 。d t 的函数；电喷式发动机在不考虑温度补偿时也是如此。故在大多数情况下， 是n 、k 。、d n 西和d k d 西四个量决定了汽油机的工况。 汽车发动机最常见的瞬态工况是冷起动、暖机以及加、减速等工况，在此定 义加速工况为砌西与d k 。曲两者或两者之一大于零的瞬态工况，本文主要讨论这 些常见的瞬态工况。 1 2 2 汽油机瞬态工况的分类 有关瞬态工况，国内外学者提出了各种不同的分类方法。我们认为，瞬态工 况的分类应以节气门位置的变化、曲轴转速的变化以及发动机的热力状态的变化 为基础。在汽车发动机典型过渡过程( 发动机从一个工况过渡到另一个工况的变 化过程) 中包括以下一些瞬态工况。 ( 1 ) 当发动机曲轴转速增加( d n 0 ) 时，可能出现以下四种加速情况： 节气门开度不断增加( d k ， 0 ) 。 节气门位置不变( d k ，= 0 ) 。 在使用中，这两种情况经常依次发生，从而出现加速时的两个阶段，即加速 初期对应节气门的开启过程，加速过程的中间段和结尾则是在节气门位置不变的 情况下进行的。 节气门开度不断减小( d k 。 0 ) ，这种情况对应于汽车从水平路段过渡到 下坡。 在怠速时，采用节气门的开启来实现曲轴转速的提高。 ( 2 ) 当发动机曲轴转速下降时( d n 0 ) 。 节气门位置不变，发动机的负荷增加( d k 。= 0 ) 。 节气门掩闭( 即节气f - 未完全关死) ，卸除负荷( d k 。 0 ) 。 怠速时，不断减小节气门开度( d k 。 0 ) 。 节气门关闭，负荷减小( d k ， 0 ) 。 汽车下坡或在平路上行驶时，离合器不分离，发动机曲轴的转速仍较高，而 节气门却保持在怠速开度，这种工况称之为强制怠速工况。其特征是节气门掩闭， 并强制确保曲轴转动。与强制怠速工况相联系的过渡过程有以下几种：从负荷工 况过渡到强制怠速工 6 u 即d n 0 ) ；从强制怠速工况过渡到怠速工况( 即d n 0 ，d k 。= o ) 。强制怠速既可 能发生在发动机曲轴转速增加时，也可能发生在曲轴转速下降时。 工况的变化会伴随着发动机热力状态的变化，发动机零部件的温度也会随之 变化。影响零部件温度状况变化速度的因素有：起始热力状态；过程进行的时间； 过渡过程进程的快慢；周围环境的温度和冷却系统的性能等。 1 3 国内外汽油机瞬态排放测试的现状 长期以来，国内的排放测试都是针对发动机的稳态过程，这种测试方式对分 析仪器的响应速度要求不高，测得的数据也有比较高的精度。但是在市区内，发 动机相当长的时间是工作于冷起动、暖机以及加、减速等瞬态工况，燃油供给和 空气供给的速率均在瞬时变化，有害排放物的某些成分( 如h c ) 将明显变化，因 此在稳态工况测得的排放指标并不能真正代表发动机的排放污染水平，甚至与实 际使用环境相去甚远【6 】。 随着人们环保意识的加强，世界各国排放法规要求越来越苛刻，国内外都在 探寻对各种发动机的废气排放进行实时动态检测的方法，并取得了一些进展，这 对了解废气的成园以及如何对废气进行处理很有裨益，以下就对近年来世界各国 在这方面所取得的进展进行介绍。 对于汽油机瞬态排放测试技术而言，国内、外现有的瞬态排放测量方法按测 试手段不同可分为间接测量和直接测量两种。 1 3 1 瞬态排放的间接测量法 将稳态时所用的废气采样技术和常规分析仪器用于瞬态过程测试时，由于管 道流动阻力和测量机理的限制，所测信号与实际排放的变化规律有较大的时间滞 后和畸变。在没有快速响应排放分析仪的情况下，b t m c c l u r e 首先提出采用数学 方法对常规排放分析仪测量结果进行运算处理，用间接方法得到较合理的瞬态排 放值【 。在他所设计的循环试验采样系统中，n o x 浓度用光化学检测器测量，h c 浓度用氢火焰检测器测量。为了分析传统采样设备和分析仪器的特性，设计了一 个测定仪器响应时间的试验方案，经过对标准脉冲信号的多次测量及分析比较， 认为测量值与实际排放值之间的关系可用一个经验微分方程来表示。由于有关参 数由试验获得，因此不具有良好的通用性。 a j b e a u m o n t 等人使用信号重建技术来测量瞬态排放 8 1 。他们利用预测控制 方法设计了一个信号重建滤波器。首先用离散时间线性系统模型描述排放分析仪： y o ) = 一口，y o f ) + 6 ，“0 一k f ) + e c ，e ( r i ) ( 1 1 ) 上式中y ( t ) ，“( ，) ，p o ) 分别为分析仪输出信号、输入信号和测量噪声信号； 是采样管的时间滞后参数；a ，、6 、c ，是模型的系数。用实验产生伪随机废气脉冲 信号，根据分析仪输出结果计算出各参 数。然后利用分析仪的模型，把要重建的 分析墼塑全r 五i 五磊_ 羔芊垡掣 信号看作预测控制系统的待求输入信号， j 把实测得到的信号作为控制输出结果，通厂1 重堡塾鲨墨卜一2 过专解嚣竺篓耋薯输淼擞卜匾斗11f t p) 。利用这一系统计算循环的部分 i 一 过程中n o x 和h c 的排放瞬时水平，得到 l 里垄坌塑堡塑冬 比较有价值的结果。 图1 1 重建过滤器示意图 ca r c o u m a n i s 认为传统光化学 分析仪中，化学反应和感光部件的响应速度是很快的，仪器的滞后主要由采样气 体的传递时间引起【9 】。因此他对采样系统建立了扩散和混合模型，用下面两个方程 描述： 扩散模型( 管道流动) ：垦善生：d 鱼旦亟尘 (12)2 混合模型( 突变容积) ：a u c 。= a u c 。+ y 二孚 ( 1 3 ) d 为扩散率；x 为管道轴向坐标；a 为进出口的面积；“为流动速度：v 为突变容 积；脚标i 和o 分别代表入口和出口参数。解上述方程可得到c 和c ，的对应关系， 其中包含时延的影响。利用这关系和数据重建模型，再由试验测得数据可求出 c ，。用脉冲信号检验重建模型效果，结果表明模型输出值与标准输入脉冲吻合得 相当好。 s h c h a n 也使用信号重建的方法【10 , 1 ”。根据传统n d i r 分析仪的结构，采 样废气要流经一系列管道和气室，对每一个混合容积和稀释容积都建立了一q - 理模型，如图1 2 ，然后用测得结果，由此模型逆向运算，从而得到与实际排放相 近的结果，用脉冲信号检验证明效果很好。 信号预测 输入三医i m 磊i m 磊五言号 il1illi1 目h 1 i * o f 扩散模型h 混合模型a 卜叫棍合模型b 卜_ _ 叫混合模型cp 圳。 重建厂 广 广 厂 重建信号 测量蓓可i 芏墼塑型卜1 塑全堡型垒i 叫望垒塑型旦j _ 1 堡鱼竖型曼j + - 图1 2 信号预测和重建模型示意图 以上介绍的间接测量方法是通过常规分析仪器得到瞬态过程排放信号，为解 决仪器的响应滞后问题而采用数学对测得数据进行修正，从而获得与实际信号基 本吻合的结果。这类方法适用于研究对瞬态过程排放的变化规律和精度要求不太 高的场合。 1 3 2 瞬态排放的直接测量法 由于测试仪器水平的进步，近年来瞬态排放测试趋向于直接化，便于对瞬态 过程进行精确的分析。直接测量法可分为缸内测量和排气管测量两类。 缸内测量主要研究缸内有害生成物随燃烧进程的变化规律，从而获得影响排 放物生成的因素以减少排放。缸内测量通过一套快速取样装置，能够在给定的曲 轴转角上取得缸内气体样本，并进行事后分析1 2 ) 。但这种方法要求采样设备既能 快速准确取气，又要能承受缸内周期性高温高压环境。 缸内测量可以分辨一个工作循环内的缸内成份变化，而排气管测量则可以分 辨排气成分随不同循环变化的历程。h u g ob e t z o l d 等人开发的计算机控制采样取 气系统s i s ( s a m p l i n g a n di n l e ts y s t e m ) 1 3 1 。此系统可选择连续或非连续取样，由 一根探针从排气阀后取样，控制采样的时刻由一个旋转控制阀完成。该阀相位可 调，可与发动机转速同步。s i s 与高速分析仪器共用，取样率可达到1 0 0 次s ，或 者对应曲轴转角2 。的取样角，这对瞬态工况实时分析非常有用。 d d z a r l i n g 设计了一个滑动阀进行单循环取样 1 4 1 。取样过程如下：在需要 取样的循环中，电磁阀控制气动泵带动滑阀动作，使取样孔对准气缸排气口取样。 s t e p h a nb a l t i s b e r g e r 和k a r lr u h m 对化学发光法( c h e m i l u m i n e s c e n c e ) 测量 n o x 的仪器工作机理进行了分析，认为响应速度受反应室压力、温度、采样气体流 量、干空气流量、0 3 发生器效率以及反应室容积等因素影响，减小反应室容积， 优化协调所有六个因素，可大大提高响应速度。据此开发了一个传感器和一套便 携附加设备，用模拟瞬态过程检验，证明其响应时间仅为5 毫秒。 英国剑桥大学( c a m b r i d g eu n i v e r s i t y ) 和c o m b u s t i o n 公司联合开发出一种新 型快速响应n o 探测器，它是基于化学发光原理而开发出来的，这种方法提供了一 种直接对火花点火发动机的缸内和废气中n o 的空间和瞬态分布进行测量的方法。 f n x 4 0 0 快速化学发光仪器是由快速响应f i d 发展而来的，两者的主要不同是该装置 中化学发光仪器采用光纤将信号传输给光电倍增管，而f i d 则是用离子收集器，因 而该装置的信号传输时间缩短，减少了时间损耗。该系统核心仪器9 0 的时间响应 为3 5m s 延迟( 从样品进入传感器到c l d ) 。此步b c l d 只能测量n o ，因此需要把n o ： 转化为n o ( 。 日本h o r i b a 公司最近研制了一种利用软电离原理进行工作的质谱系统，用 于快速测量发动机排气成分中的有害性气体成分，诸如$ 2 0 、h 2 s 、n o x 等。这种 测量仪器的响应时间可以达到1 0 6 5 0 0m s 【” ，并且具有较高的灵敏度。飞行时间 质谱系统( t o f m s ) 是一种有希望广泛用于发动机瞬态测量的仪器，该方法的研 究已得到了国内外研究者的重视m 1 引。 t o f m s 是一种动态分析系统，它有无限的质量分析范围，分析速度极快，可 达1 0 0k h z ，完全可以满足废气实时分析的需要。废气通过进样装置将油滴、微粒 等对t o f m s 性能有影响的物质除掉，然后进入到飞行时间质谱系统，由t o f 。m s 中的离子源将废气中各组份轰击成碎片离子，离子的初始动能基本相同，而质核 比( m q ) 不同，导致飞行速度不同，m q 大的离子速度小，m q 小的离子速度 大，因此离子飞行一固定距离所需要的时间随离子m q 不同而异，这样离子按i t i q 顺序分开。离子检测器测量出离子信号，获取离子谱图，并送入到前置放大器 中。t o f - m s 的采集速度极快，可以达到纳秒级，所以为了适应t o f m s 的快速性 能，必须配备高速采集系统，为此采用采样率达到2 5m h z 15 0m h z 的采集卡， 这样就可将快速变化的谱图信息记录下来，从而获得发动机的排气成份。除了飞 行时间质谱仪外，还有四重质谱仪、激光感应式质谱仪和化学电离质谱仪等测试 频率比较高的分析仪。 综上所述，汽油机瞬态排放的直接测试对设备要求相当高，目前国内大多数 研究院所尚不具备这类仪器设备。而对瞬态排放进行瞬时采样，将获得的样气送 入光化学检测器( n 0 x ) 或氢火焰检测器( h c ) 一类常规废气检测仪中分析，通 过采用数学方法对测得数据进行修正，可以比较准确地再现瞬态排放的变化规律。 这类测试系统的经济投入远远低于进口瞬态排放测量仪器的费用。 6 1 4 本文研究的意义及任务 本文的主要目的通过运用间接测量的方法对汽油机瞬态工况进行排放测试， 并对测试结果进行分析。同时，为用于进一步的研究( 如用于符号时间序列方法 分析) 提供排放测试数据序列。本文在没有瞬态t 4 放分析仪的条件下，充分利用 现有的a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 五组份排放分析仪，根据不可压缩流体二阶模型对其 管道和气室系统进行建模，然后用测得结果按此模型逆向运算，得到相近结果。 本论文的主要任务包括以下四个大方面： 拟定瞬态工况，搭建汽油机瞬态排放间接测试系统； 分析将采样频率较低的a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 五组份排放分析仪用于汽油 机瞬态排放间接测量时的不足与问题； 寻找进行汽油机瞬态排放间接测量的方法，并提出因管道流动阻力以及分 析仪频率响应特性而导致间接测量信号幅值畸变和时延的修正方法； 对汽油机瞬态排放间接测量结果及影响因素进行分析。 为完成以上任务，各章内容安排如下： 第一章汽油机瞬态工况及其排放测试技术概述。综述课题的研究背景、目的 和意义，汽油机瞬态工况的概念及其分类，国内外汽油机瞬态排放测试技术的研 究及现状，并介绍本论文的主要研究内容及构成； 第二章汽油机主要有害排放物的危害性、生成机理及其影响因素分析。详细 论述了汽油机的三种主要有害排放物( c o 、h c 、n o x ) 的危害性及其生成机理， 并分析了其影响因素。 第三章汽油机瞬态排放间接测试系统总体方案设计。根据实际调研分析，选 定典型的瞬态工况进行测试，确定试验方法、试验方案、试验汽油机参数及主要 试验设备仪器。 第四章a v l 五组份排放分析仪特性分析、仿真及误差修正。根据分析仪的结 构，利用物理建模的方法得到分析仪管道和气室的相频、幅频特性，并进行计算 机仿真。根据响应特性分析的结果对试验数据进行误差修正。 第五章汽油机瞬态排放间接测量结果及其影响因素分析。对选定的冷起动、 暖机、加速一滑行三种典型瞬态工况的排放结果进行影响因素分析。 第六章总结与展望。总结全文的主要内容，提出了要进一步深入研究的内容。 本论文的研究工作依托于国家自然科学基金资助项目：基于符号时间序列方 法的汽油机瞬态排放特征分析( 批准号：5 0 1 7 6 0 0 6 ) 。 第二章汽油机主要有害排放物的惫害性、生成机理及其影响因 素分析 汽油机在燃烧过程中产生的有害成分主要为一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物 ( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 、硫氧化物( s o x ) 和铅化合物等。其中，硫氧化物 和铅化合物可以通过降低燃料中的含硫量以及采用无铅汽油来有效控制，目前排 放法规限制的主要是c o 、h c 和n o x 三种排放成分，还有一些目前各国法规尚未 限制的排气成分，如甲醛、乙醛、苯、乙酰甲醛和丁二烯等。本章主要讨论排放 法规限制的上述三种有害排放成分的危害性、生成机理及其影响因素等内容。 2 1 汽油机主要有害排放物的危害性 汽车尾气所引起的环境污染大致可分为两类l ”】：( 1 ) 区域性污染，指废气中 的c o 、h c 、n o x 、颗粒排放、苯、甲醛等有毒气体对人类健康的损害。( 2 ) 全球 性污染，指废气中的c 0 2 等气体造成温室效应，致使全球变暖，同时使地球臭氧 层遭到破坏。而废气中所含的s 0 2 导致的酸雨，造成森林死亡，危害地球生物。 2 1 1 一氧化碳( c o ) 的危害 c o 是燃料不完全燃烧的产物，是一种无色、无刺激、无味的气体。c o 被人 体吸入后，会在血液中取代氧而形成牢固的血红蛋白，影响氧气输送。人会由于 缺氧而感到疲劳，引起头晕、恶心等中毒症状，甚至导致窒息死亡【2o 】。c o 的另一 种危害是促使n o 向n 0 2 转化，使光化学烟雾增加。城市大气中的大部分c o 是汽 车排放的，c o 是汽油机排气中有害浓度最大的成分，c o 在大气低层停留的时间 较长，其累计浓度常常超过允许值，因此要特别引起注意。 2 1 2 碳氢化合物( h c ) 的危害 h c 是燃烧后生成的多种碳氢化台物的总称，其中含有少量醛类( 甲醛和丙烯 醛) 和芳香烃( 最后组成苯丙芘) 。每种化合物的量很少，但其共同作用十分明显 【20 1 。甲醛、丙烯醛具有强烈气味，对鼻、眼和呼吸道的粘膜有刺激作用，可引起 结膜炎、鼻炎等。苯丙芘是一种致癌物质。汽车密集的城市癌症发病率比汽车排 污少的地区高的多。此外，碳氢化合物与氮氧化合物反应会形成化学烟雾。 2 1 - 3 氮氧化物( n o x ) 的危害 r 汽车排气中排出的n o x 主要是一氧化氮和二氧化氮【2 0 1 。n o 是一种无色无昧 的气体，毒性不大，在空气中能生成n 0 2 ，但高浓度的n o 对血液有毒性作用，能 使神经麻痹，使中枢神经瘫痪及痉挛。n 0 2 是种红棕色气体，有强烈的刺激性气 味，是汽车排气中恶臭物质成分之一，被吸入肺部时，能与肺部的水分结合生成 可溶性硝酸，有刺激作用，可引起独具特点的闭塞性纤维性支气管炎，严重时会 引起肺气肿。在强烈阳光下会发生光化学反应，形成二次污染。 2 1 4 光化学烟雾的危害 汽车内燃机排气中，h c 和n o x 混合在起，在强烈的阳光照射下会产生一 系列复杂的光化学反应，生成臭氧和各种化合物而形成烟雾称为光化学烟雾 2 ”。 臭氧具有很强的氧化性和毒性，化合物中含有甲醛、丙烯醛、硫酸等，这些化合 物会产生毒性较大的浅蓝色烟雾，即光化学烟雾。光化学烟雾会阻碍视线，刺激 眼睛，引起咳嗽，并能致癌；使植物枯萎，并会使受应力的橡胶开裂。 2 2 汽油机主要有害物的生成机理及其影响因素 2 2 1 一氧化碳( c o ) 的生成机理及其影响因素1 , 2 1 , 2 2 】 c o 是燃料在燃烧过程中的重要中间产物和不完全燃烧产物，是汽油机排气中 有害浓度最大的成分，其生成机理比较复杂。若以r 代表碳氢根，则在燃烧过程 中生成c o 要经历如下反应： r h - r _ r 0 2 _ r c h c 一r c o 叶c o( 2 1 ) 其中r c o 自由基生成c o 是通过热分解或通过与0 2 、o h 、o 、h 等发生反应 实现的。 在汽油机缸内混合气达到一定的反应温度，并在有氧化剂存在的情况下c o 将 继续按链反应机理进行反应而生成最终燃烧产物c 0 2 ： c o + o h 巾c o z + h ( 2 2 ) 在燃烧火焰中，通常o h 的浓度较高，因此c o 按下式进行氧化反应的速度是 很慢的。 c o + o 一c o + o ( 2 3 ) 如果燃烧过程中局部空间和瞬时存在下列条件之一，则c o 不能继续燃烧生成 c 0 2 而被排出机外：( 1 ) 反应的气体温度突然过低；( 2 ) 反应的气体突然缺乏氧化 剂；( 3 ) 反应物停留在适合于反应条件的时间过短。 9 c o 的生成除了跟上述反应有关外，还与c 0 2 和h 2 0 的高温离解反应有关 c 0 2 和h 2 0 的离解反应分别为： 2 c 0 2 2 c o + 0 2 ( 2 4 ) 2 h 2 0 2 h 2 + 0 2( 2 5 ) 两离解反应均为吸热反应，其离解率随温度的升高而增大，其中离解产物h 2 和c 0 2 发生反应生成c o 和h 2 0 ： h 2 + c 0 2 一h 2 0 + c o( 2 6 ) 这就是内燃机在不缺氧的情况下仍有c o 排出的两个原因。 c o 的生成主要受混合气浓度的影响，在过量空气系数( 实际空燃比与理论空 燃比的比值) 五 1 的稀混合气工况时，理论上不应有c o 产生，但 实际燃烧过程中，由于混合不均匀造成局部区域的五 1 条件成立，由局部燃烧不 完全而产生c o ；或者已成为燃烧产物的c 0 2 和h 2 0 在高温时吸热，产生热离解 反应，由此生成c o ；另外，在排气过程中，未燃碳氢化合物h c 的不完全氧化也 会产生少量c o 。 燃烧终了时的c o 浓度一般取决于燃气温度，但由于汽油机膨胀过程中缸内温 度下降很快，以至于温度下降速度远快于气体中各成分建立新的平衡过程的速度， 即产生“冻结”现象，使实际的c o 浓度要高于排气温度相对应的化学平衡浓度。 根据经验，汽油机排气中的浓度近似等于1 7 0 0 k 时的c o 平衡浓度。 2 2 2 碳氢化合物( h c ) 的生成机理及其影响因素2 1 , 2 3 】 汽油机排气中的碳氢化合物其成分极其复杂，有未参加燃烧的燃油碳氢化合 物分子，有燃烧过程中高温分解和合成的中间产物和部分氧化物，如醛、烯及芳 香族烃等，不完全燃烧产物以及润滑的碳氢化物等成分，种类达2 0 0 余种。在以 预均匀混合气进行燃烧的汽油机中，h c 与c o 一样，也是一种不完全燃烧( 氧化) 的产物，因而与过量空气系数 有密切关系。但即使 1 的条件下，往往也会产 生很高的h c 排放，这是因为h c 还有淬熄和吸附等生成原因。液化石油气和压缩 天然气等燃气发动机中h c 的生成机理与汽油机基本相同。 不完全燃烧 汽油机中不完全燃烧的原因主要有：怠速及高负荷工况时，可燃混合气浓度 处于五 1 时，由于油气混合不均匀，也会因不完全燃烧产生h c 排放。 燃烧室内的缝隙效应 燃烧室内存在很多缝隙，如由活塞顶部与缸壁之间，及一、二活塞环背后组 成的缝隙，这部分占总的缝隙的8 0 ，其它缝隙有气缸盖垫接合面处、火花塞螺 栓处、进排气门头部周围。缝隙对h c 的生成起着重要的作用。当缸内压力升高时， 会将一部分未燃的可燃混合气压进缝隙中去，由于缝隙很窄，面容很大，混合气 流入缝隙中被双壁冷却，火焰无法传入到缝隙中去，使其中存在的燃油( 也包括 润滑油) 不能燃烧，于是形成未燃h c ，当膨胀、排气过程中缸内压力降低时，未 燃h c 从缝隙中排出。研究表明，约有5 1 0 新鲜混合气由于缝隙效应会躲过 火焰传播的燃烧过程。这种缝隙效应是产生未燃h c 的重要来源。 在燃烧室中还存在着缸壁淬熄效应，在燃烧过程中，燃气温度高达2 0 0 0 以 一l ，而气缸壁面温度在3 0 0 以下，因而靠近壁面的气体，受低温壁面的影响，温 度远低于燃气温度，并且气体的流动也较弱。所谓壁面淬熄效应是指温度较低的 燃烧室壁面对火焰的迅速冷却( 也称冷激) ，使活化分子的能量被吸收，链式反应 中断，在壁面形成厚约0 1 0 2m m 左右的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产 生大量未燃h c 。淬熄层厚度随发动机工况、混合气湍流程度和壁温的不同而不同， 小负荷时较厚，特别是冷起动和怠速时转速较低，此时压缩终了混合气的温度和 压力都比较低，因此有很大一部分燃油将以油膜的形式滞留在气道壁面上、进气 门处和气缸上，这些油膜将随周围温度的提高而挥发，形成“后汽化”现象，使 排放情况恶化。 壁面油膜和积碳的吸附 在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，以及沉积在活塞顶部、燃室 壁面和进气门、排气门上的多孔性积碳，会吸附未燃混合气，而在膨胀过程和排 气过程中逐步脱附释放出来。像上述淬熄层一样，这些h c 的少部分被氧化，大部 分则随已燃气体排出气缸。据研究，这种由油膜和积碳吸附产生的h c 排放占总量 的3 5 5 0 。在些使用中的车辆上，往往存在较厚的积碳层，当清除积碳后， h c 排放会降低2 0 3 0 。 2 2 3 氮氧化物( n o x ) 的生成机理及其影响因素2 4 1 2 5 内燃机排气中的氮氧化物n o x 主要是n o ，但在进入空气后会很快被氧化成 i l n 0 2 。n o x 的生成机理与h c 及c o 不同，它不是混合气不完全燃烧的结果，它的 生成与燃烧的扩散、混合浓度分布、火焰浓度分布及热的传导等一系列因素有关， 反应机理十分复杂。汽油中基本不含氮的成分，n o x 的生成主要来源于燃烧所需 的空气中n 2 与0 2 在燃烧高温作用下所发生的热反应机理( t h e r m a ln o 反应机理) 。 此机理认为，与可以很快达到平衔状态的燃烧反应速度相比，n o 的生成过程比较 缓慢，对温度的依赖性较大，需要吸收较多的热量一般要到火焰后期才产生有关 反应，其反应基本过程是： n + o h n o + h( 2 7 ) 上述反应过程称之为生成n o 扩大的谢尔多维奇( z e l d