（载运工具运用工程专业论文）汽油机瞬态排放间接检测系统的研制.pdf

摘要 随着人们环保意识的加强，要求治理汽车尾气的呼声也日渐高涨。 控制汽车排放尾气的一个较为有效的办法就是对在用车施行定期的排放 检测。目前对在用汽车的尾气排放检测已逐步由稳态工况检测过渡到瞬 态工况检测。瞬态工况检测对检测设备的成本要求比较高，且操作也比 较复杂。 本文考虑利用稳态排放测量仪器a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 型五组份排 放分析仪，运用间接检测手段，开发汽油机瞬态排放间接检测系统。所 做的一些主要工作如下： 基于w i n 3 2 通信a p i 函数实现了计算机和a v l 五组份排放分析 仪之问的串行通信，利用计算机控制a v l 五组份排放分析仪获取排放数 据。 利用w i n d o w s 多线程技术，解决了瞬态工况控制和排放数据获取 的同步问题，实现了二者之间的无缝联接。 基于v i s u a lc + + 6 0 开发平台- ，开发了文档视图结构的单文档控 制软件，并采用指针动画的形式实时显示节气门开度和汽油机转速，利 用d a o 数据库技术将检测到的排放数据保存到计算机硬盘中。 利用m a t l a b 和v c + + 的混和编程，实现了m a t l a b 平台下的单缸 s h a n n o n 熵计算程序在检测系统中的集成。 所开发的间接检测系统通过实验检验，不但能够同步控制被测汽油 机的瞬态工况并获取该工况下的瞬态排放数据；还可以采用符号时间序 列方法的单缸s h a n n o n 熵评价汽油机的瞬态排放状况。 关键词：载运工具运用工程；汽油机瞬态排放间接检测系统；程序设计； 瞬态工况：数据修j 下；单缸s h a n n o n 熵：串行通信：w i n d o w s 多线程技 术：计算机控制；文档视图；d a o 数据库技术；内存缓冲绘图；混和编 程 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s c i o u s n e s ss t r e n g t h e no fp e o p l e se n v ir o n m e n tp r o t e c t i o n ； t h ec l a i mt os o l v ea u t o m o b i l ee x h a u s te m i s s i o ni sg r a d u a l l yr i s i n g o n eo f t h em os te f f e c t i v em e t h o dst oc o n t r 0 1a u t o i n o b i l ee x h a us te m is s i o ni st o d e t e c ti tse m iss i o nc o n d i t i o nst i m e l y a tp r e s e n t ，t h ew o r k i n g c o n d i t i o n so f d e t e c t i n ge x h a u s te m i s s i o n ，w h i c ha i m sa tt h ei n u s ev e h i c l e s ，i sg r a d u a l l y tr a ns ir i n gf r o ms t a b ew o r k i n g c o n d i t i o n st ot r a n s i e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s t h e r e f or et h ec os to fm e a s ur ee q u i p m e n t st h a tc a nd e t e c ttr a ns i e n te m i ss i o n isc o m p a r a t i v e l yh i g h e r ，a n di t so p e r a t i o nisa l s oc o m p l e x 、 i nor d e rt od e v e l o pat r a ns i e n te m i s s i o ni n d i r e c t l yd e t e c t i n gs y s t e m ( t e i d s ) f o rs p a r k - i g n i t e de n g i n es ，as t a b t ea m is s i o nm e a s u r ei n s t r u m e n t t h a tisaf i v ec o m p o n e n tse x h a u s ta n a ly z e rw i t ht h et y p eo fa v ld i g as4 0 0 0 l i g h tisc o n s i d e r e di nt h ist h es is t h em e a n so fi n d ir e c td e t e c t i n gi sa d o p t e d t h er es e a r e hi t e msa r ea sf o l l 0 w s ： t h es er i a lc o m m u n i c a t i o i l sb e t w e e nt h ec o n tr o lc o m p u t e ra n da v l f i v e c o m p o n e n t s e x h a u s ta n a l y z e r isc a r r i e do u tb a s e do nt h ew i n 3 2 c o m m u n i c a t i o na p if u n c t i o ns ，t h ee m iss i o nd a t aiso b t a i n e dt h r o u g hm a k i n g u s i n go ft h ec o m p u t e rt oc o n t r o lt h ea v lf i v ec o m p o n e n t se x h a u s ta n a l y z e r t h er e q u es t0 fs y n c hr o n o u sa n dw i t h o u tg a pf o rc o n t r o l l i n gt r a n s i e n t w or k i n g c o n d i t i o nsa n do b t a i n i n gt r a ns i e n te m iss i o nd a t aism e tb ym a k i n g us eo fw i n d o w sm u l t i t h r e a dt e c h n 0 1 0 9 y t h es i n g l ed o c u m e n tc o n t r o ls o f t w a r eo fd o c u m e n t v i e ws t r u c t u r e isd es i g n e da c c or d i n gt ot h ev is u a lc + + 6 0d e v e l o p i n gp l a t f o r m t h e t h r o t t l e o p e n i n gd e g r e e a n d s p a r k i g n i t e de n g i n er o t a t i n gs p e e d a r e s i m u l t a n e o us 1 yd is p l a y e di nt h ef o r mo fn e e d l ea n i m a t i o n t h ee m is s i o n d a t am e a s u r e dis p r e s e r v e d i n c o m p u t e r h a r dd r i v e b yu t i l i z i n gd a o d a t a b a s et e c h n 0 1 0 9 y t h ei n t e g r a t i o no fc a l c u l a t i n gp r o g r a m ，w h i c hc a nc a l c u l a t es i n g l e c y l i n d e rs h a n n o ne n t r o p y u n d e rm a t l a bp l a t f or mi nt h et e i d s ，i sa l s o a c h i e v e db yu t i l i z i n gm i x e dp r o g r a m m i n gb e t w e e nm a t l a ba n dv c + + t h ed e v e l o p e dt e i d sist es t e dt h r o u g he x p e r i m e n te x a m i n a t i o n ，t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o ni sr e a c h e d ：i tc a nn o to n l ys y n c h r o n o u s l yc o n t r o lt h e tr a ns i e n tw o r k i n g c o n d i t i o nso fs p a r k i g n i t e de n g i n em e a s u r e da n do b t a i n t h et r a ns i e n te m i s s i o nd a t au n d ert h et r a n s i e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s ，b u ta ls o e v a l u a t et h et r a n s i e n te m i ss i o n p e r f or m a n c eo fs p a r k i g n i t e de n g i n esb y a d o p t i n gt h es i n g l ec y l i n d e rs h a n n o ne n t r o p yw h i c hb e l o n g st ot h em e t h o d o fs y m b o l i ct i m es er i esa n a l y s is k e yw o r ds ：v e h i c l eo p e r a t i o n e n g i n e e r i n g ：t e i d s f or s p a r k i g n i t e d e n g i n e s ；pr o g r a m d es i g n ；t r a ns i e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s ；d a t am o d i f y ； s i n g l ec y l i n d e r s h a n n o n e n t r o p y ： s er i a lc o m m u n i c a t i o n ： w i n d o w s m u l t i t hr e a d t e c h n 0 1 0 9 y ；c o m p u t e rc o n t r o l ；d o c u m e n tv i e w ；d a o d a t a b a s et e c h n o l o g y ；m e m o r yb u f f e rg r a p h i c s ；m i x e dp r o g r a m m i n g 1 1 1 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- 9 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7 1 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：1 ：乞阖盛日期：2 0 0 6 年- 0 3 月。；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。 本学位沦文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者虢倜礴 导岍j 签名： 日期：2 0 0 6 年0 3 月15 日 e t 期：2 0 0 6 年0 3 月15 曰 第一章检测汽油机瞬态排放的必要性及现状 自改革开放以来，特别是近10 年来，随着我国国民经济的持续快速 发展，我国的汽车数量已进入了快速增长阶段。2 0 0 4 年，我国全年生产 和销售汽车5 0 7 0 5 万辆和5 0 7 1 万辆，分别比2 0 0 3 年增长1 4 1 和16 5 ： 2 0 0 5 年，我国全年生产和销售汽车均有望超过5 6 0 万辆，将超过俄罗斯， 成为世界第三大汽车生产国。随着我国汽车保有量的增加，汽车尾气污 染问题也变的越来越突出，已经成为影响环境质量的重要污染源，直接 危害着人们的生命健康，过量的汽车排放物还破坏了自然界的生态平衡。 目前大气低层中的污染物有6 0 来自于汽车尾气，特别是在一些大、中 型城市，汽车排气污染已经成为首要污染源，汽车废气造成的环境污染 也日渐成为社会各界关注的焦点，治理汽车尾气的呼声也日益高涨m 2 1 。 有数掘显示，机动车排放已经成为城市空气中一氧化碳、碳氢化合物、 氮氧化物、细颗粒物等污染的主要来源，一些城市甚至存在发生光化学 烟雾污染的潜在危险”4 i ，这些都晓明，我国城市空气污染已经到了不容 忽视和非治理不可的程度了。 为了减少汽车排放造成的污染，人们采取了各种措施，其中最有效 的措施是：执行严格的新车排放标准，促进汽车生产厂家应用高新技 术使新出厂的汽车降低污染，这是汽车低污染的前提条件：实施在用 车定期检查保养i m ( i n s p e c t i o na n dm a i n t e n a n c e ) 制度解决在用车超标 排放问题，通过实施强制性法规，要求车辆定期或不定期地进行排放检 测以找出其中的超标排放车辆，对这些车辆进行针对性的维修和保养， 待排放合格后再准许其继续上路行驶m 。 对于在用车的排放检测，目前世界上不少国家都先后根据自己的国 情制定和实施了一系列有关控制汽车排放污染物的法规和标准，到目前 为i 上，已经形成了以美国、日本和欧洲为代表的3 大汽车排放标准体系， 世界上其它许多国家都先后不同程度地沿用了这些标准，我国的排放检 测标准也是参照欧洲排放标准制定的。 1 ，1 目前国内外汽车排放的检测现状 虽然世界各国都有自己的排放检测标准，但以美国、日本和欧洲的 排放标准最为全面，形成了当今世界的汽车排放3 大标准体系。汽车排 放检测试验又可分为两大类：一类是用于新车的型式认证和生产一致性 排放检测试验；另一类就是在用车的定期排放检测试验。排放检测试验 t 圭 兰 趔 龋 主要包括三个方面的内容15 1 ：试验运转循环，排放限值标准和检测设备。 下面就分别对美、日、欧和我国的汽车排放检测试验运转循环和检测设 备进行介绍。 1 1 1 美国 美国是世界上最早意识到汽车排放对环境造成危害的国家，因此其 排放法规要求最严，排放控制指标种类也最多。美国的汽车排放法规又 分为联邦排放法规和加利福尼亚州排放法规。加利福尼亚州因其地势情 况特殊，排放法规通常要比联邦政府排放法规提前1 2 年。 美国采用的新车型式认证试验运转循环是f t p 一7 5 ( f e d er a lt es t p r o c e d u r e ) 冷、热启动工况试验循环16 i ，试验在底盘测功机上进行，用定 容取样法( c v s c o ns t a n tv o l u m es a m p l i n g ) 取样。 f t p 7 5 试验循环如图l1 所示。试验总里程为17 8k m ，每循环的里 程为120 7k m ，总试验时l 到为2 4 7 7s ，每循环持续时问为13 7 2s ，平均车 速为3 4 1k m h ，最高车速出现在第2 4 0s ，为9 12k m h 。试验分三阶段 进行：第一阶段为冷态过渡工况阶段( 0 5 0 5s ) ；第二阶段为稳定阶段 ( 5 0 5 l37 2s ) ；第三阶段为热启动工况阶段( 19 7 2 2 4 7 7s ) ，速度曲 线和冷态过渡工况阶段相同。三个试验阶段的排放物和环境空气分别取 样到三个袋中，进行分析并乘以不同的加权系数，其和即为测试结果。 0 5 0 5 s =5 0 5 l3 7 2 s =1 0 r a i n 停车19 7 2 2 4 7 7 s 一 冷起动阶段稳定阶段( 发动帆熄火) 热起动阶段 散八m 觚门八m 时间s r 7 7 s + 6 f x hf 筝牢：1 产均乖谜：3 4ik l 一】1 ： 1 i & 鼎谜艘：9 i2 k i w 】1 幽11美国f t p 。75 冷热工况试验循环 对在用车的定期排放检测试验运转循环 7 。12 ，在美国主要有三种： i m 2 4 0 、a s m 、1 g 2 4 0 。其中i m 2 4 0 试验循环是美国为用于新车型式认证 试验的f t p 检测程序的到版，主要用于在用车检查保养i m 制度的排放 检测。该试验循环考虑了在用车的瞬念加载：i ：况试验。i m 2 4 0 运转循环 总共2 4 0s ，路程3 1k m ，平均车速4 73k m h ，最高车速9 1 2k m h 。i m 2 4 0 运转循环的车速时间曲线如图1 2 所示。i m 2 4 0 检测程序的检测结果与 f t p 检测结果的相关性非常好。 但检测设备过于昂贵，检测费 用高。 a s m 加速模拟工况试验是 在汽车两个很稳定的转速工况 下根据汽车规定车速时的加载 负荷，通过底盘测功机对车辆 9 6 6 翻4 3 2 2 0 4 0 8 01 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 时闽t s 图1 2 i m 2 4 0 试验运转循环 加载，采用直接取样法取样排放废气，检测设备投资小。但是该工况试 验只考虑了两个稳态工况下的排放，对于其它工况( 如减速) 没有检测。 1 g 2 4 0 是在综合a s m 和i m 2 4 0 的基础上开发出来的，采用i m 2 4 0 的 试验循环和a s m 的排放检测设备，再外加一套气体流量传感器组成。 1 1 2 日本 日本对在用车的排放检测试验采用和新车型式认证试验相同的试验 检测方法；日本的汽车排放检测试验循环依次有1 0 工况法、1 】工况法和 10 二l5 热启动工况法】。在19 9 1 年之前，日本直采用1 o 工况热启动 法模拟拥挤的城区工况。10 工况试验循环共需进行6 次，对后5 次循环 用定容取样法( c v s ) 取样。自19 9 1 年11 月起，10 15 热启动工况代替 了原来的10 工况试验，即在原来10 工况的基础上，增加一个】5 工况( 高 速) 循环测试工况，1 0l5 工况用于模拟汽车在城市道路上的平均行驶状 况。】1 工况试验循环用于模拟汽车冷启动后由郊外向市中一心前进的平均 行驶状况。该试验共需进行4 次，4 个循环全部进行排放计量。 进行10 15 热 启动工况试验时， 在试验开始前先进 行预处理，即以6 0 k m h 运行5m i n ， 接着进行怠速工况 排放试验，然后再 以6 0k m h 运行15 m i n 并进行一个l5 工况试验循环。预 处理后接着开始进 1 0 0 2 0 03 1 1 84 ( 1 05 0 0f i l l 06 6 0 响5 l 蜓坠一骂f j 些一一坚墅j 幽l3 日本1015 上况试验循环 加轴加加o 行10 15 工况试验，即1 0 工况循环3 次，加15 工况循环1 次，同时测量 排放，用定容取样法( c v s ) 取样。每次试验循环次数为1 次，总试验 时间为6 6 0s ，总里程为4 16k m ，平均车速为2 2 7k m h ，最高车速7 0k m h ， 怠速时间占总试验时间的3 1 4 。10 15 工况试验循环如图1 3 所示。 1 l 工况法是日本在19 7 5 年以后采用的试验方法。试验时，车辆在室 温下放置6h 以上，冷启动后怠速运转2 6s ，然后开始试验循环。废气取 样方法也是采用定容取样法( c v s ) 。 试验每循环里程为 1 0 2 1k m ，每次试验循环次 数为4 次，总里程为4 0 8 4 k m ，总试验时间为5 0 5s ， 每循环持续时间12 0s ，平 均车速为3 0 6k m h ，最高 车速为6 0k m h ，怠速时间 占总试验时问的2 17 。1 1 工况试验循环如图1 4 所 不o 1 1 3 欧洲 j 量 一 刑 4 斗 图1 4日本1 l 工况试验循环 欧洲的道路状况和我国的道路状况比较相似，我国的汽车排放检测 标准也主要是参照欧洲标准制定的。欧洲目前对轻型汽车新车型式认证 试验采用的试验循环是e c e 15 + e u d c 试验循环【6 1 ( e c o n i m i cc o m m i s s i o n f o re u r o p ea n de x t r aur b a nd r i v i n gc y c l e ) ，但欧盟自2 0 0 0 年开始执行的 试验循环也称之为新欧洲试验循环，英文缩写为n e d c ( n e we u r o p e a n d r i v i n gc y c l e ) 。新欧洲试验循环】相对于以前的试验循环，虽然排放限 值没有变化，但由于取消了冷启动后的4 0s 怠速运转，即在发动机冷启 动后立即进行排放测试，实际上是严格了排放测试限值标准。新欧洲试 验循环还增加了一7 下的低温排放试验。 对在用车的排放检测，欧洲标准只测试怠速工况时排气管中c o 排放 浓度，对装有三元催化转化器的汽车排放控制要严一些，要进行高怠速 工况检测 。 e c e 一15 + e u d c 试验循环，由1 部( 市区运转循环e c e 一15 ) 和2 部 ( 市郊运转循环e u d c ) 组成。其中1 部e c e 一15 ( 又称15 工况4 循环法) ， 模拟汽车在市区行驶时的状况；2 部e u d c 是在原来e c e 一1 5 工况的基础 上增加的郊外高速工况，模拟汽车在郊外高速行驶时的状况。 e c e 15 + e u d c 试验循环，共行驶12 2 0s ，最高车速达l2 0k m h ，平 均车速约6 2 6k m h ，行驶距离l9 4 4k m ，用定容取样法( c v s ) 取样， 用不分光红外分析仪( n d i r ) 测定c o 的浓度，用氢火焰离子分析仪( f i d ) 测定h c 的浓度，用化学发光分析仪( c l d ) 或不分光紫外线共谐吸收型 l r 卜 市区运转循环单元 | u ，l j 洲n 舯，n 八j i 叭 e j ， 4 0 i 1 9 51 9 5 1 9 51 9 5 4 0 0 时同s 1 2 2 0 b s ：取样开始：e s ：取样结柬；l p ：低功率车辆 幽i 5欧洲e c e 一15 + e u d c 试验循环 分析仪测定n o x 的浓度，测出的排放污染物质量再除以每次试验时汽车 行驶的里程4 0 5k m ，测试结果单位用g k m 表示。e c e - l5 + e u d c 试验循 环如图1 5 所示，郊外高速工况段的l p 段是低功率发动机用运转工况， 适用于最高车速达不到l2 0k m h 的车辆。 1 1 4 我国的汽车排放检测试验循环 我国于19 8 2 年颁布大气质量标准。在吸收发达国家的成功经验后， 我国制订了一条适合我国国情的汽车排放控制标准技术路线，即对汽油 车排放控制先实行“怠速法”，再实施“强制装置法”，最后实行工况法。 我国于l9 8 3 年丌始制订并颁柿了汽车排放限值，19 8 4 年实施了汽油车怠 速排放标准：l9 8 9 年颁布了轻型汽车排放限值标准；1 9 9 0 年实施了汽车 曲轴箱排放限值标准。19 9 3 年对过去发布的部分标准进行了修订，并新 颁粕了车用汽油机排放标准等i ”。”。 ：薹一、精丹 在新车型式认证方面，我国参照欧洲汽车排放控制标准制定了我国 的国家标准g b l8 3 5 21 _ 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( i ) 和g b l835 22 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( i i ) ，分别 等效于欧洲汽车排放控制标准e u l 、e u 2 ( 简称欧i 、欧i i 标准) ，但实 施时间分别是2 0 0 1 年4 月16 日和2 0 0 4 年7 月1 日，比欧盟迟后了8 年。 等效于欧i i i 、欧i v 标准的国家标准g b l8 35 2 3 2 0 0 5 轻型汽车污染物排 放限值及测量方法( 中国i i i 、阶段) 也已经出台，将于2 0 0 7 年7 月1 目在全国实旋，北京计划在2 0 0 5 年提前实施。试验循环采用 e c e l5 + e u d c 试验循环，如图t5 所示。 对在用车的排放检测，目前己逐步由稳态工况检测过渡到瞬态工况 检测，现行国标g b l8 2 8 5 2 0 0 0 规定：对在用车可以用怠速法、双怠速法 或加速模拟工况法进行排放检测 2 0 i 。不过从2 0 0 5 年7 月1 日起已在全国 施行的新的国家标准g b l8 2 8 5 2 0 0 5 规定对在用车的排放检测可以用双 怠速法、稳态工况法、瞬态工况法或简易瞬态工况法进行排放检测f 2 3 l 。 国标g b l8 2 85 2 0 0 0 规定的怠速、双怠速检测方法的检测对象多为在用汽 油汽车，检测汽车在稳态、空载工况下排气管中c o 和h c 的浓度排放状 况，但是随着汽车制造技术的进步以及对汽车排放控制力度的加大，这 种和汽车实际运行工况偏差较大的检测方法已渐渐濒临被淘汰的边缘。 稳态工况法( 又称加速模拟工况法) 由于其检测方法考虑了汽车实际 运行时的道路负荷状况，且还能检测汽车的n o 排放状况，且设备投资 也不是很大，因而在一定时期内得到了广泛的应用。它是在美国i m 2 4 0 测试循环的爨础上取消了过渡过程( 3 个拐点除外) ，保留了稳定的匀速 和匀加速过程而形成的加速模拟工况a s m ( a c c e l e r a t i o ns i m u l a t i o n k 11 逑t k n 业) a s m 2 5 4 0 铰造槛：! 鼍 a s m 2 5 4 0 ：l 龇 一 a s m 5 0 2 5 | 。 快迷幢蜘薯a s m s 0 2 5 t l 以 0 s 5 s 1 5 s2 5 s 9 0 s 0 s 5 s1 5 s2 5 s9 0 s h 蚓( s j 幽i6稳态t 况法( a s m ) 试验运转循环 m o d e ) 试验循环。 车辆预热到规定的热状态后，加速至规定车速，根据车辆规定车速 时的加载负荷，通过底盘测功机对车辆实施；o h 载，车辆保持等速运转即 为加速模拟工况。在底盘测功机上的试验运转循环由a s m 5 0 2 5 和 a s m 2 5 4 0 两个工况组成，见图1 6 所示。 瞬态- l 况法是新的国家标准g b l 8 2 8 5 2 0 0 5 中规定的检测方法，试验 运转循环取自欧洲e c e 一】5 工况4 循环法中的第一个循环，由一系列的怠 速、等速、加速、减速等工况组成，试验在底盘测功机上进行。在进行 排放测试前，应根据车辆参数设定测功机载荷或测试工况的测功机吸收 功率值。 瞬态工况法的试验运转循环如图1 7 所示。试验共进行19 5s ，最高 车速达5 0k m h ，行驶距离1 0 】3k r n ，平均车速l9k m h ，怠速时间占总 试验时f n j 的3 08 ，用定容取样法( c v s ) 取样，用不分光红外分析仪 ( n d i r ) 测定c o 的浓度，用氢火焰离子分析仪( f 1 d ) 测定h c 的浓度， 用化学发光分析仪( c l d ) 或不分光紫外线共谐吸收型分析仪测定n o x 的浓度，测m 的排放污染物质量再除以每次试验时汽车行驶的里程1 0 13 k m ，测试结果单位用g k m 表示。 ”“ n m 月k ：x ，- jf 古诗露丹崔童8 t一辩疽= 掐 洳季i i 皇 ； 一i ! 溉i i i l p m ，窑苎j，盘毫 j 。i 7 l茹 扩， ：羲瓷： 震 lk ：i 怒簟疆k ； 簿李 l l 警 刀 。斓，酶。：，驴 ，| 。【 ，列； ，。i ， l j 2，k 紫罕oi ：8 ， 叶 1 6 m 潜黼f 。# 臂。j ： 玮。，l 。影f ，l 工毯峙随z h f 幽1719 5s 瞬态： 况运转循环 简易瞬态工况法采用的试验运转循环就是瞬态工况法的试验运转循 环，检测设备在采用了稳态工况法检测设备的基础上再外加一个气体流 量分析仪，因此其设备投资比瞬态工况法小。 新的国家标准g b l8 35 2 3 2 0 0 5 还增加了对过量空气系数五的检测要 求，对使用闭环电控燃油喷射系统和三元催化转化器的汽车要测定过量 空气系数l 。汽油机转速在高怠速转速时，五应处于1 o o 0 0 3 或在制造 厂规定的范围内。 1 2 汽油机瞬态排放检测的必要性 与发达国家相比，我国对汽车排放污染的控制起步较晚，汽车工业 生产技术和汽车零配件质量与国际水平相比也有较大差距，我国的汽车 排放污染控制标准较为宽松。目前，我国除了北京市等少数地区外，其 它地方都还是采用稳态无负荷检测方法进行在用车的尾气排放检测。北 京由于其汽车保有量大、情况特殊，采用的是稳态加载工况法( b a s m ) 和瞬态： 况法( b j l9 5 ，取至欧洲汽车排放检测试验循环e c e 一15 的前19 5 s ) 检测汽车尾气排放【2 4 2 ”。 怠速检测方法i ! s ，的应用起始于化油器式汽油汽车的时代，这时期的 车用汽油机采用的是化油器和低能量分电器点火技术。汽车的排放性能 主要靠化油器的结构和制造精度来保证。怠速检测法测量汽车在怠速工 况下的h c 和c o 的排放浓度，据此就能较好地识别化油器式汽油汽车的 排放效果。对于与排放有关的故障一般也能通过调整化油器或分电器加 以排除。化油器、分电器的凋整均属机械式调整，具有连续性的特征， 即在调整点附近，其排放性能的变化是逐渐变化的。当发动机工况由怠 速工况向其它工况过渡时，其排放性能也是逐渐变化的。当怠速法中加 入了高怠速成为双怠速法后，这种渐变的性能又得到进一步扩展。一般 怠速排放好的车辆，其低速或者由怠速向低速加速时也具有较好的排放 性能。怠速检测法由于其操作简便、实现起来比较容易，至今仍为许多 国家所采用。 怠速检测法虽然对化油器式汽油汽车的排放控制效果较好，但是也 存在着一些问题： 随着人们剥n o x 危害性认识的加深，要求控制汽车的n o x 排放， 但是在怠速工况下的n o 排放数值很低，不易检测。 汽车在城市行驶时其怠速工况大约只占全部运行工况的3 0 ，用 怠速检测法测试汽车的排放状况和汽车的实际运行工况相比出入较大。 在怠速检测前，有些车主为了逃避惩罚，有意将发动机进行调整， 以牺牲动力性换取排放检测合格，检测后再将发动机调回原来的状态。 面对这样的问题，怠速、双怠速检测法就无能为力，这样就根本达不到 控制在用车排放和保护环境的目的。 从2 0 世纪7 0 年代中期开始，采用三元催化转化器和废气再循环 装置( e g r ) 降低c o 、h c 和n o x 排放的技术在汽车上获得越来越广泛 的应用。对采用了这些技术的汽车，空燃比和点火调整都不如原来对化 油器式汽油汽车的调整方便，怠速检测法的一些优势也相对减弱。 在怠速检测时，由于汽油机转速低，其排气流量相对较小，其怠 速工况下的排放合格与否并不能保证汽车在实际行驶时其排放也合格。 汽车实际运行工况可以分为匀速工况、加速工况、减速工况和怠速 工况等，汽车在道路上运行时是各种工况的组合i 。汽车在实际行驶时， 在怠速工况运行时问较少，大部分时问是在对排放影响较大的有负荷的 工况下运行的。为了使汽车的排放测试工况更符合实际运行情况，可以 通过研究分析汽车的实际运行工况，选择具有代表性的几个典型工况进 行测试和评价在用车的排放性能，这就是加速模拟工况法( a s m ) 的由 来! “。 加速模拟工况法( a s m ) 正是根据汽车的排放性能、行驶特点、交 通状况i 道路条件、车流密度、地形地貌、气候条件等因素，经过大量 统计分折而制定的、以求最大限度的重现汽车运行时排放特性的方法【2 7 1 。 加速模拟工况法( a s m ) 是在汽车加载工况下对汽车的排放状况加 以检测，因此它比怠速法更贴近于汽车的实际运行状况。而且，加速模 拟工况法不仅能检测汽车的c o 、h c 排放状况，还能检测汽车的n o x 排 放状况。但是加速模拟工况法也有一些不足之处 2 6 l ： 加速模拟工况法的最大特点是对n o 有较强的识别能力。因此适 合于装有n o x 排放控制装置的车辆，对于不装用n o x 排放控制装置的车 辆，采用这种测试方法的意义就不是很大。例如，对于大部分化油器式 汽油汽车，山于没有采用任何n 0 x 排放控制装置，因而也就不存在由于 控制装置失效而引起的n o x 超标问题；相反，较高的n o x 排放往往意味 着这时的汽油机具有较好的燃烧状态，要控制此时的n o x 排放只会破坏 它原来的工作状态，这会导致严重的h c 、c o 排放超标。 加速模拟工况法只测试两个车速工况，2 5k m h 和4 0k m h ，这和 车辆的实际行驶情况相差较大。即使这两个工况下的排放合格也并不能 保证其它：i ：况下的排放也合格。 加速模拟工况法所要求的车辆负荷只是汽车的中、低负荷，一些 只有在更高负荷下才+ 能出现的故障就不会被检测到。例如点火系统在大 负荷下失火，引起严重的超标排放；对这类故障，加速模拟工况法是无 能为力的。 现代汽车越来越多地采用了氧传感器加三元催化转化器的排放 闭环控制系统，加速模拟工况法对氧传感器、三元催化转化器等元件老 化、灵敏度降低的判断能力低下。这会大大限制加速模拟： 况法在采用 闭环排放控制技术车辆上的应用。 怠速法和加速模拟工况法虽然各有其特点和不足，但都属于稳态测 试法。测试时的车速是不变的，然而在实际运行状态下的车辆速度却是 不断变化的，因而稳态测试法不能全面反映汽车的实际排放状况m ，。 据有关资料统计，汽车在城区道路条件下行驶时，由于受到红绿灯、 公交车站、道路状况、行人以及其它交通因素的影响，汽车的加速、减 速、起动等工况约占总运行时间的5 0 9 0 ，其中3 0 5 0 为加速工况。 即使在国道环境下，频繁的变档超车也使得汽车发动机经常工作于瞬态 工况。在汽车底盘测功机或发动机实验台架上所进行的循环工况实验表 明，在起动、加速等工况，由于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 、c o 的含量将明显改变。有资料表明， 汽车有害排放物的4 0 8 0 来自于瞬态工：况，其中3 0 7 0 来自于加速 工况f 24 , 2 5 1 ，因此由稳态运转时获得的排放数据不能真正反映汽油机的瞬态 排放状况。 汽车在实际行驶时，车速是不断变化的，节气门开度也经常变化，因 此排放测试方法就要顺应这种变化，能够检测典型瞬态工况下的排放状 况，以便更加真实地反映汽车的实际排放情况。再者，由于车辆制造技 术的迸步，汽车排放控制系统普遍采用了电控燃油喷射、三元催化转化 器等新技术，从根本【：改 变了汽车的排放控制模 式，因而从客观上也要求 改进排放测试方法。 在由车载计算机 e c u 为核心的排放控制 系统中，控制信号随： 况 不同而异。控制信号之间 相互独立，不像机械控制 系统那样具有连续性。因 此，只有在变化的：i ：况下 才能测量到这种排放控 ， ；0 l 蕊 代 i 瑟耀 眦 i一飞 l ， 制信号的变化，现以氧传感器的性能变化对排放的影响为例予以说明。 氧传感器在使用过程中会老化，灵敏度会降低，这种氧传感器性能劣化 故障在稳态工况下是检测不到的。图1 8 表示三元催化器在最佳空燃比 1 4 7 时工作具有最佳的转化效率。最佳空燃比是由排气尾管处的氧传感 器发出信号给车载计算机e c u 自动控制的。当油门踏板变化时，空燃比 离开最佳位置，向左或向右偏移，这时，氧传感器就发出信号加以纠正， 使之回到最佳位置。 如果氧传感器老化，向应时间就会变慢，回位时间就会变长，排放 性能就会恶化。这种变化只有在油门踏板变化时才能测量出来，而稳态 测试时，油门开度基本上是不变的。这就是瞬态工况测试法获得应用的 主要原因1 2 6 ，。采用电子控制技术的自动排放控制装置，只有采用瞬态检 测法刊能检测到它对排放控制性能的变化。 1 3；- 2 油机瞬态排放间接检测及其必需性 国标规定的瞬态工况检测法需要将汽车放置在底盘测功机上并按试 验循环要求运行进行测量，排放物要用专门的定容取样系统收集起来， 由精度较高的分析仪器进行测量。这些检测设备其昂贵的价格都远远超 出了国讷许多检测机构的经济承受能力。据参考文献 2 8 ，2 9 1 介绍，目前 国内的影 ：多车辆排放检测机构还只是停留在怠速、双怠速检测阶段，条 件稍好些的检测站能进行加速模拟工况检测试验，这些检测机构要进行 国标g b l8 2 8 5 2 0 0 5 规定的瞬态排放检测试验，就需要在原来检测设备的 基础上添置新设备或改进现有的老设备，这都需要花费大量的资金；文 献资料同时也指出，我国目前的汽车总量还不能完全支承这些检测机构 的运行费用，资金问题是全国检测机构普遍存在的大问题，新国标 g b l8 2 8 5 2 0 0 5 的施行也因此而变的困难重重。 瞬态工况检测法对检测设备的成本要求比较高，目前国内的大多数 车辆检测机构还尚未配备这类仪器设备。如果能对瞬态排放进行瞬时采 样并将采样获得的排放样气送入a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 型五组份排放分 析仪等常规型废气分析仪器中进行分析，再通过数学方法对测得的排放 数据进行修正，如果测量结果能够比较准确地再现瞬态排放的变化规律， 则这类检测系统的经济投入会大大低于装备瞬态排放检测仪器的费用。 本文正是考虑采用这一方法，用a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 型五组份排 放分析仪和自行研制的节气门瞬态控制器，运用间接检测手段，研制汽 油机瞬态排放间接检测系统，再通过运用数学方法修正获得的排放数据 来获取汽油机在瞬念工况下的排放状况。 1 4本文研究的意义及任务 本文研究的最终目的是开发一套汽油机瞬态排放间接检测系统，系 统的研制开发主要包括下列内容： 系统开发所依托课题组的相关研究成果； 瞬态工况控制和瞬态排放数据获取的同步问题： 汽油机瞬态排放间接检测系统控制软件的设计； 单缸s h a n n o n 熵计算程序在该检测系统中的集成。 为了完成以上内容，各章内容安排如下： 第一章检测汽油机瞬态排放的必要性及现状。介绍了当今世界上汽 车排放控制3 大主流标准体系( 美、日、欧) 和我国汽车排放控制标准 中对汽车排放的检测现状，指出了检测汽油机瞬态排放的必要性和间接 检测瞬态排放的必需性。 第二章论文依托课题的相关研究成果。介绍了开发汽油机瞬念排放 间接检测系统所需要的课题组相关研究成果，包括瞬态工况的概念和瞬 态工况的控制，间接检测瞬态排放的方法，间接检测瞬态排放数据的修 正方法，评价汽油机瞬态排放程度的指标一单缸s h a n n o n 熵。 第三章汽油机瞬态排放间接检测系统中的w i n d o w s 多线程技术。由 于节气门瞬态控制器采用的运动控制卡在运行时会独占c p u 资源，造成 排放分析仪和节气门控制器不能同步工作，w i n d o w s 的多线程运行能力 f 好可以解决这一问题，而费时的串行通信从客观上也要求采用多线程 技术。本章主要介绍了a v l 五组份排放分析仪及其底层通信协议，节气 门控制子线程函数和排放数据获取子线程函数的设计，并设置了两个线 程的优先级, 3 1 j 。 第四章汽油机瞬态排放间接检测系统的设计。本章介绍了该检测系 统的总体组成、预发功能、i 殳计原则及控制界面的设计、各功能的具体 实现。 第五章m a t l a b 平台下的单缸s h a n n o n 熵计算程序在检测系统中的集 成。评价汽油机瞬态排放程度的评价指标一一单缸s h a n n o n 熵的计算程 序已被课题组其他成员在m a t l a b 平台下开发出来，利用v i s u a lc + 十和 m a t l a b 的混和编程，实现了单缸s h a n n o n 熵m a t l a b 计算程序在检测系统 中的集成。 第六章汽油机瞬态排放间接检测系统的性能实验。通过试验对所丌 发的检测系统进行检验，考核其是否达到了预先的设计要求。 总结和展望。总结全文的主要内容，并展望了可进一步研究的内容。 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 问序列方法的汽油机瞬态排放特征分析”( 批准号：5 0 17 6 0