（机械工程专业论文）工况式尾气排放检测系统的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 工况式尾气排放检测系统是针对北京市的在用车尾气年检及与之对应的汽车修理厂的 需要所开发的套系统。其是梭据新颁布实施的北京市地方标准d b i1 1 2 2 2 0 0 3 汽油车 稳态加载污染物排放标准和尚未实施的d b l l 1 2 3 2 0 0 0 轻型汽油车简易瞬态工况污 染物排放标准和d b l l 1 2 1 - 2 0 0 0 柴油车加载减速烟度排放标准的要求所开发。 另外，在开发的过程中还参考了国外的相关检测程序。 论文首先介绍了在用车工况式尾气排放检测系统研究的背景，说明了对在用车进行工 况式尾气检测的必要| 生，介绍了目前国内外对在用车尾气排放检测方面的标准和现状， 并阐述了本研究的目的和意义。 论文接着介绍了该检测系统的总体构造，说明了构成系统的各部分的详细内容和 功能，以及各部分之间的联系。然后阐述了工况式尾气检测各项目的检测原理、检测 方法和控制原理，同时也说明了系统是如何进行校正的。 论文的重点是检测系统的软件的设计开发，主要说明了如何采用统一软件开发的 方式对控制系统和数据管理系统两大部分进行设计。对控制系统，首先介绍了控制系 统的功能概要，然后根据功能要求进行需求捕获和分析，建立了系统的需求模型和分 析模型，再在需求模型和分析模型的基础上进行系统设计，构造系统，从而获得实现 所有需求的系统组织；而对数据管理系统，先针对系统的需求说明数据库管理系统的 功能概要，然后给出数据库的实体模型和根据实体模型细化而来的数据库表定义，随 后进行了数据管理系统的接口设计和实现，最后对数据管理系统的重要类进行了设计。 论文最后说明了检测系统操作界面的设计，同时结合界面设计描述了系统的运行 过程，并介绍了系统的运行环境和实例。 关键词：工况式尾气排放检测控制系统数据管理系统 j 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o a d e d - m o d ee x h a u s te l n l s s l o ni n s p e c t i o ns y s t e mv c a sd e v e l o p e df o rt h en e e do ft h ea n n u a l c h e c ko fi n - u s ev e h i c l ea n dt h er e p a i rw o r k si nb e i j i n g i tw a sa c c o m p l i s h e da c c o r d i n gt o r e q u i r e m e n to fs e i j i n gl o c a ls t a n d a r dd b l1 1 2 2 2 0 0 3 ( ( e m i s s i o ns t a n d a r df o re x h a u s tp o l l u t a n t s f r o mg a s o l i n ev e h i c l eu n d e rs t e a d y - s t a t el o a d e dm o d e ) ) t h a th a v eb e e nb r i n gi n t oe f f e c t ， d b l l 1 2 3 2 0 0 0 ( e m i s s i o ns t a n d a r df o re x h a u s tp o l l u t a n t sf r o ml i g h t - d u t yg a s o l i n ev e h i c l eu n d e r s h o r tt r a n s i e n td r i v i n gc y c l e ) ) a n dd b l1 1 2 1 - 2 0 0 0 ( ( e x h a u s ts m o k es t a n d a r df o rd i e s e lv e h i c l eu n d e r l u g - d o w nt e s t ) ) t h a tn o tb ei m p l e m e n t e d 。i na d d i t i o n , i th a v er e f e r r e dr e l a t e di n s p e c t i o np r o g r a m , o f f o r e i g n a tf i r s t , b a c k g r o u n do fi n - u s ev e h i c l el o a d e d - m o d ee x h a u s te m i s s i o ni n s p e c t i o ns y s t e m s r e s e a r c h i n gw a si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ；n e c e s s i t yo fl o a d e d - m o d ee x h a u s ti n s p e c t i o nf o ri n - u s e v e h i c l ew o 5i l l u s t r a t e d s t a n d a r da n ds i t u a t i o no fi n - u s ev e h i c l ee x h a u s te m i s s i o ni n s p e c t i o n r e s e a r c h i n gw a sa n a l y z e d , p u r p o s ea n dv a l u eo f t h er e s e a r c hw a se x p l a i n e d t h e n , i nt h i st h e s i sg e n e r a ls t r u c t u r eo fi n s p e e t i o ns y s t e mw a si n t r o d u c e d c o n t e n t s ，f i m c f i o n s a n dr e l a t i o n s h i po fa 1 1p a r t so ft h es y s t e mw e r ee x p l a i n e d i n s p e c t i o np r i n c i p l e i n s p e c t i o nm e t h o d a n dc o n t r o lp r i n c i p l ew a se x p l a i n e d , s y s t e mc a l i b r a t i o nm e t h o dw a sa l s oi l l u s t r a t e d e m p h a s i so f t h i st h e s i si ss o f t w a r ed e s i g no ft h ei n s 脚o ns y s t e m i tm a i n l ye x p l a i n e dt h a t o w 幻d e s i g nt h et w op a r t - - - c o n t r o l _ s y s t e ma n dd a t am 甜迥弦m 朝fs y s t e mb yt h em o d eo fu n i f i e d s o f t w a r ed e v e l o p m e n lf o rc o n l r o ls o m v a l es y s t e m , g e n e r a lf u n c t i o nw a si n t r o d u c e df i r s t l y , t h e n c a p t u r ea n da n a l y z et h en e e da c c o r d i n gt of u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n db u i l du pt h em o d e lo f n e e da n d a n a l y s i s ，s od e s i g nt h es y s t e mo nt h eb a s eo ft h e s em o d e l s ，c o n s t r u c ts y s t e ma n dg e tt h es y s t e m s t r u c t u r e t o n 翻妇a l l n e e d 。f o r d a t a a t a n a g e m e n ts y s t e r t x , e x p l a i n t h eg e r t e r a l f i l r 衄0 1 1 0 f s y s t e m i n a l l u s i o nt 0n e e do f s y s t e mf i r s t l y , t h e nd e s i g nt h em o d e lo f d a t a b a s ea n dd e t a i l e dd a t a b a s et a b l e a n d t h e nd e s i g na n dr e a l i z et h ei n t e r f a c eo f t h es y s t e m , d e s i g nt h ei m p o r t m a tc l a s so f t h es y s t e mf i n a l l y a tl a s tp a r to f t h i st h e s i s ，e x p l a i n e dt h ed e s i g no f o p e r a t i n gi n t e r f a c eo f i n s p e c t i o ns y s t e m ，a n d d e s c r i b e dt h ep r o c e s sf l o wc o m b i n e dw i t ht h ei n t e r f a c ed e s i g ns i m u l t a n e i t y , a n di n 廿o d u c e dt h e o p e r a t i o nc i r c i l m s t a n c ea n df a c te x a m p l e k e yw o r d ：l o a d e d - m o d e e , d m u s te m i s s i o ni n s t x c t i o n c o n 廿o s y s t e m d a t am a n a g e m e n ts y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位沧文作者签名：击_ 魇 日期： o 。年i l 月近日 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， 即：学校有权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密眦 ( 请在以上方框内打“妒) 学位论文作者签名：兰f 京 日期：0 姑1 2 月v s 日 指导教师签名渺 日期：a 班斗年f 1 一月2 j 目 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 首先介绍在用车工况式尾气排放检测系统研究的背景，指出由于目前城市中汽车 保有量的急剧增加所带来的汽车尾气排放污染加剧的问题并提出了一目前所普遍采用 的并行之有效的方法。然后探讨目前国内外在尾气排放检测方面的状况，并对系统实 施所达到的目的进行简介。最后，介绍论文的组织结构和主要内容。 1 1 研究的背景 自从1 8 8 6 年德国人k b e n z 制造出世界上第一辆汽车，特别是1 9 1 3 年来美国福 特公司发明汽车生产装配流水线以来，汽车制造业就异军突起，由少数人的“宠物” 很快演变为“大众情人” 1 l 。近些年，全世界的汽车保有量以每年3 0 0 0 万辆的速度递 增，预测到2 0 1 0 年全球汽车量将增到1 0 亿辆。汽车在我国的发展可谓“后来居上”， 汽车产销1 0 0 万辆用了近4 0 年时间，由此增至2 0 0 万辆用了8 年；而今达到3 0 0 万辆 仅仅用了两年多。权威部门预计，今年全国汽车需求量为3 8 0 万辆，同比增长2 0 6 。 其中，国产轿车需求1 4 3 5 万辆，同比增长2 6 4 。有专家中国已进入“汽车时代”， 高速增长期将至少维持2 0 年。据预测，到2 0 1 0 年全国的汽车保有量将有望达到4 亿 辆。2 0 0 2 年被汽车界人士誉为“中国汽车元年”，是年中国汽车产量突破3 2 5 万辆， 同比增长接近4 0 ，轿车产量逼近1 1 0 万量，涨幅高达5 5 。首都北京更是独领风骚， 2 0 0 2 年新增机动车2 7 6 万辆，汽车保有量达到2 0 0 万辆。专家预言，要不了几年，北 京的汽车拥有量将达到东京、纽约等世界大型城市的水平，增加到4 0 0 万辆。 然而，凡事有一利必有一弊。随着汽车保有量的持续快速增长，汽车尾气已成为 许多城市大气污染的罪魁祸首，交通的发展造成了严重的空气污染【2 】。大量的机动车 尾气排放导致空气中污染物浓度过高，不仅影响了城市居民的身体健康，也对全球气 候产生了许多不利的影响 3 1 。目前，大气污染已不仅仅是在几个工业化国家中，它已 逐渐发展成为世界性的问题，尤其是在一些大中城市。随着汽车保有量的增加，汽车 排气污染物造成的环境污染情况将日趋严重 4 1 。 所以对汽车排气污染物的监控预防治，已处于刻不容缓的地步。要搞好汽车排气 污染物的治理，首先必须做好防治工作【5 l 。为了控制日益严重的机动车排气污染，对 在用车实行严格的尾气排放检测制度以正确找出其中的高排放车辆并采取相关措施是 比较有效的方法之一1 6 】。用废气分析仪和烟度计测定排气污染物的浓度，目的是控制 华中科技大学硕士学位论文 排气污染物的扩散，使其限定在被允许的范围内，以达到保护生态环境和自然界生态 平衡的目的。 为了控制汽车排气污染物对生态环境的危害，世界各国政府相继制定了汽车排气 污染物的限制标准。我国机动车排放法规的建立与实施起步较晚，1 9 9 4 年5 月我国才 开始实施排放限值法规。我国的排放法规体系就是在全面等效采用欧洲e c e 技术内容 和部分采用e e c 的基础上形成的l ”。由于我国机动车辆制造技术水平较低，这也相应 导致了汽车排放标准的低水平。我国汽车综合性能检测站根据中华人民共和国国家标 准g b l 4 7 6 1 5 1 9 9 3 汽油车怠速污染物排放标准和g b l 4 7 6 1 6 1 9 9 3 柴油车自 由加速烟度排放标准来检测汽车的排放污染物。g b l 4 7 6 1 1 9 9 3 系列标准1 9 9 4 年5 月强制实施，g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 系列标准是对g b l 4 7 6 1 1 9 9 3 和其它相关部颁标准的修订 和替代，于2 0 0 0 年1 月1 日起开始实施。考虑到全国含铅汽油使用比较普遍的国情， 该标准的排放限值相当于欧洲2 0 世纪9 0 年代初期的水平，接近e c e 8 3 ( e u r o i ) 法规， 这些法规总体上落后于欧洲发达国家1 0 2 0 年的水平。 同时，我国的检测方法也相对落后。我国对在用车的尾气检测是在实施年检制度 中执行的。通常用的检测方法，汽油车为怠速法( 或双怠速法) ，柴油车为自由加速烟 度法。都属于无负载检测法，测试价格便宜，试验方法简单快捷哺l 。 我国现行的在用汽油车的排放标准为( m 1 4 7 6 1 5 - - 9 3 汽油车怠速污染物排放标 准，相应的测试方法为g b t 3 8 4 5 - - 9 3 汽油车排气污染物的测量( 怠速法) 。怠 速工况是汽车多种工况的一种，指车辆变速箱位于空档、离合器为接合位置、发动机 油门松开、低速空转的状态 9 1 。在汽车启动后的稳定、暖机时，十字路口等红灯及交 通堵车时，汽车为怠速工况。测试方法发动机由怠速工况加速至o 7 额定转速，维持 6 0 s 后降至怠速。将取样探头插入排气管中，维持1 5 s 后开始读取3 0 s 内的最高值和最 低值，取平均值 8 1 。怠速检测特点只能反映车辆怠速状态下空负荷排放情况，这时发 动机为贫氧偏浓燃烧，主要产生c o 和h c ，产生少量或不产生n o x 【l 。该方法操作 方便快捷，价钱便宜。广泛使用于检测场车辆年检、环保部门进行路检以及修理厂对 车辆的检修工作等方面，帮助环境监管人员、车辆维修人员判断发动机是否处于正常 的工作状态【】。怠速检测法传统的怠速测量法有很大的局限性，一些国家为了监控因 化油器量孔磨损、或因催化器转化效率降低造成的汽车排放恶化【1 2 】。近年来，普遍采 用双怠速测量方法，北京市1 9 9 4 年发布了汽油车双怠速污染物排放标准。 我国现行的在用柴油车的排放标准为g b l 4 7 6 1 6 - - 1 9 9 3 柴油车自由加速烟度排 放标准，相应的测试方法为g b t 3 8 4 6 - - 1 9 9 3 柴油车自由加速烟度的测量( 滤纸 烟度法) 。自由加速工况与滤纸式烟度指柴油发动机于怠速、将油门迅速踏到底，维 2 华中科技大学硕士学位论文 持4 s 后松开。在该工况下，从排气管抽取规定长度的排气柱所含的碳烟，用光电法确 定清洁滤纸染黑的程度。滤纸式烟度计的工作原理由取样系统和测量系统组成。抽气 泵将一定容量的柴油车排气吸入，排出的污染颗粒被阻隔在滤纸上，形成污斑。将一 束光照射在滤纸上，上方放置硒光电池。污斑越黑，照射光的反射越少，光电池光电 压较小，仪表有示值显示。滤纸越黑。烟度计示值越大【l3 1 。测试方法将取样探头固定 于排气管内，插深于3 0 0 m m 以上，并使其中心线与排气管轴线平行。将抽气泵开关置 于油门踏板上。完成滤纸走位、清除排气管残存的碳烟之后，将油门踏板迅速踏到底， 维持4 s 后松开。按仪表指示读数。1 5 秒后执行同一操作，连续测量4 次，取后3 次 读数的算术平均值即为所测烟度值【l ”。自由加速烟度测试特点该方法具有检测操作简 便易行、测试仪器价格便宜和便于携带、以及检测时间短等优点，广泛应用与柴油车 的年检、路检”。 随着环保要求的提高，当前的在用车排放检测方法已显示出以下问题。 对汽油车怠速检测法，主要表现在：怠速法不能全面反映出汽车真实的排放状况； 怠速法检测车辆无负荷，不能反映n o x 的排放；对于化油器车留下作弊机会。 对柴油车自由加速烟度法，主要表现在：自由加速法在操作时，“将油门踏板迅速 踏到底”中速度与力度的掌握不同，“维持4 s 后松开”中时间长短的掌握，使得测量 的不确定性较大，重复性差；自由加速不带负荷，不是汽车行驶的真实工况，也不是 汽车短时间停驶维持怠速的工况；有时会出现冒黑烟和抽气泵开始抽气的时间不同步 的现象，这时测不到最大烟度值i l “。 因此，国家有关部门制定了新的在用车排放法规g b l 8 2 8 5 - 2 0 0 0 在用汽车排气污 染物限值及测试方法，采用了稳态加载工况法作为测试条件。 尤其对于北京来说，2 0 0 8 年要在此举办奥运会，为实现“绿色奥运”的承诺，北 京市对大气污染的防治和治理工作，特别是对车辆排放污染的控制更显得必要和迫切。 为此北京市发布了地方标准d b i1 1 2 2 - 2 0 0 0 汽油车稳态加载污染物排放标准，其 是在参考美国e p a - a a - r s p d i m 9 6 2 ( 1 9 9 6 年) 技术指南和美国加州b a r 9 7 法规中加 速模拟工况( a s m ) 的技术内容基础上制定出来的【i ”，被称为b a s m ( 即b e j 汹g a c c e l e r a t i o ns i m u l a t i o nm o d e ) ，并预定于2 0 0 1 年1 月1 日起在北京市实旖，但由于 各种原因并没实施。2 0 0 3 年1 月1 日北京市提前执行国家机动车排放标准第二阶段排 放限值( 相当于欧i i 排放标准) ，随着该限值的执行，北京市对在用车的尾气排放要 求也进一步提高。随后北京市颁布了新的d b l l 1 2 2 2 0 0 3 用于代替一直未实施的 d b l1 1 1 2 2 2 0 0 0 ，并于2 0 0 3 年3 月1 日起正式实施，现在北京市包括轿车、越野车在 内的所有轻型车和3 5 吨以上的货车的尾气检测全面启用稳态加载工况法来检测，8 华中科技大学硕士学位论文 月1 日起推广至包括农用车、摩托车在内的所有机动车。 因此，针对标准的要求开发适用于我国实际情况的工况式尾气排放检测设备以服 务于治理尾气污染的任务就成了当务之急。 1 2 研究状况综述 现在美国是世界上最早执行排放法规的国家，同时也是排放法规最严格，控制排 放措标种类最多和法规更替频繁的国家。3 0 年来，美国政府不断提高严重污染地区的 新车和在用车尾气排放标准，在治理机动车污染方面取得了明显效果。提高汽车的尾 气排放标准也促成了一些新的汽车尾气排放控制技术和蹦计划，产生的新技术及程 序中就包括利用测功机测量车辆在负载行驶下的尾气排放状况【l ”。 最开始怠速法是世界上各国，包括美国对在用车排放的检测方法。但随着美国i m 制度的推行，认为怠速法不能反映汽车的实际工作情况，要求改用工况法对在用车的 排气管排放物进行检测，因此从1 9 9 0 年开始引入了工况法。其所采用的在用车工况法 检测程序主要是i m 2 4 0 、a s m 和i g 2 4 0 。 其中i m 2 4 0 工况法检测程序是美国环保署( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ，简 称e p a ) 为新车型式认证制订的排气管排放物f t p 检测程序的翻版。其检测设备有一 台底盘测功器、一套c v s ( 定容采样系统) 和一套排气分析仪器【1 9 j 1 9 。采样后供分析的排 气经过稀释后用气袋收集。排气分析仪器的精度很高，测定结果以汽车每行驶u 或 i n g l e 的排气管排放物质量鲈强或g m i l e 表示。这种检测程序可检测在加载情况下的 瞬态排气成分，能反映实际运行工况，并能检测排气中的n o x ，因此比怠速法优越 得多。i m 2 4 0 试验循环时间缩短为2 4 0 s ，而f t p 循环总计2 4 7 7 s ，其头尾各是一个长 达5 0 5 s 的瞬态循环i l “。另外i m 2 4 0 底盘测功器转鼓的直径比f t p 用的转鼓直径小， 而且构造比较简单。i m 2 4 0 的检测结果跟f t p 检测结果的相关性非常好，但是v 1 2 4 0 系统的价格比较昂贯，几乎是怠速法所用的b 蟠圆o 气体分析仪的1 0 倍。 由于i m 2 4 0 的检测设备过于昂贵，测试流程过于复杂，所以开发了一种简易的、 廉价的加速模拟工况检测程序a s m ( a c c e l e r a t i o ns i m u l a t i o nm o d e ，缩写为a s m ) 。a s m 的设计是取代i m 2 4 0 的一个低成本选择。a s m 虽然名为加速模拟工况检测程序，实 际上却是在恒定车速下进行检测的，不过底盘测功器除了对汽车施加与车速相对应的 负荷以外，还添加额外的负荷，借以模拟加速工况，故此法得名“加速模拟”工况检 测程序，a s m 不能模拟减速工况。a s m 不存在试验循环，而是在两种稳态工况下检 测：种是高负荷低速( 5 0 油门，2 4 1 3 5 k i n h ) ，另一种是中负荷中速( 5 0 油门， 华中科技大学硕士学位论文 4 0 2 2 5 k m h ) 。a s m 底盘测功器转鼓直径比i m 2 4 0 更小，因而也更廉价。原始排气 是不经稀释直接采样的，采用b a r 9 7 气体分析仪测定排气中各种物质如h c 、c o 、 c 0 2 、n o x 及0 2 的浓度，检测结果以体积浓度( 或1 0 6 ) 表示【2 0 】。a s m 检测程序的优 点是设备投资费用较低，大约只有i m 2 4 0 的1 6 ，其运行费用也比较低。缺点是这种 方法只考虑了加速工况，而不能全面地考虑减速、怠速、巡航等工况。但汽车制造商 在确定发动机电子控制单元中的匹配数据时，是按照型式认证的要求，根据整个工况 法试验循环对其排放的控制来确定的，以保证排放达到法规的要求，而不是仅仅考虑 个别几个工况如上述加速工况的排放。汽车制造商采取的各种排放治理措旌的效果， 除了在上述两种工况以外都无法在测定中得到反映。因此就可能出现在型式认证循环 中排放比较低的汽车，在a s m 检测程序中排放反而比较高的情况。这当然是很不合 理的。即使承认加速工况下的排放能够说明问题，a s m 检测程序也不能真正代表加速 工况。因为，a s m 检测程序中只是以额外的负荷来模拟加速负荷，此时，发动机的转 速却还是恒定的，但实际上加速时发动机的转速是在改变的。因此，这两种情况下的 排放也不会相同。由于a s m 的缺点，人们试图将m 2 4 0 和a s m 的优点结合起来，于 是产生了i g 2 4 0 检测程序。 i g 2 4 0 是瞬态加载的工况法检测程序，是在a s m 的基础上改进而成的。i g 2 4 0 是在底盘测功器上检测，采用i m 2 4 0 试验循环，负荷随车速的变化而变化。其采用的 是与a s m 检测程序相同的底盘测功器。汽车排气管排放物用大气中的空气进行稀释。 采用跟a s m 程序中相同的b a r 9 7 排气分析仪测定稀释前原始排气中各种物质的体积 浓度，包括游离氧的体积浓度。采用一台由美国s e n s o r s 公司生产的v m a s 传感器， 测定稀释后排气的体积流量及其中的游离氧体积浓度。检测结果以汽车每行驶l k m 或 l m i l e 的排气管排放物质量鲫，血或g m i l e 表示。在i g 2 4 0 系统中，汽车尾气在稀释之 前已由排气分析仪b a i 玛7 对其中各种物质的体积浓度c r ，以及游离氧的体积浓度0 r ， 进行测定经过稀释的排气通过v m a s 传感器后排入大气。v m a s 传感器测定三个参 数：稀释后的排气气流中游离氧体积浓度o d 。稀释后的排气气流体积流量v d 及稀释后 的排气密度p d 。i g 2 4 0 检测程序最初是为了对在i m 2 4 0 中末获通过的汽车修理后进行 预检而开发的。后来在使用过程中发现i g 2 4 0 的检测结果跟i m 2 4 0 检测结果的相关性 十分好。这两种检测程序中对应时刻的排放值非常接近，但i g 2 4 0 的设备投资却只有 1 m 2 4 0 的约1 4 1 3 。所以将i g 2 4 0 作为一种独立的在用车排放检测程序来推广。据报 道，美国现在已有三个州采用了这种检测程序。 世界范围内排放标准应用最为广泛的还算是欧洲体系标准即e c e 标准，其经历 了e c e l 5 、e c e 4 9 、e c e 8 3 、e c e 9 3 ( e u r o i ) 、e c e 9 6 ( e u r o l l ) 、e c e 2 0 0 0 ( e u r o l i i ) 、 华中科技大学硕士学位论文 e c e 2 0 0 5 ( e u r o r v ) 排放标准的发展，排放的限值及项目均有所变化。欧洲的汽车排放法 规一直较美国和日本宽松。联合国欧洲经济委员会从1 9 7 0 年开始以e c e r l 5 法规的形 式控制轻型汽油车排气污染物和曲轴箱污染物排放，以后限值每3 、4 年修订加严次， 到1 9 8 4 年，逐渐形成了e c e r l 5 0 1 ，e c e r l 5 0 2 ，e c e r l 5 0 3 ，e c e r l 5 0 4 号限值。 随着欧洲一体化进程的深人，自2 0 世纪9 0 年代始推行了更加严格的排放法规，对汽 车废气排放的限制越来越严厉，相继出台了欧洲i 号、i i 号直至v 号标准。从2 0 0 0 年1 0 月1 日起，将执行欧洲i i i 号标准。欧共体国家实行型式认证，为了简化认证工 作，欧洲按车型进行分类，也需对汽车厂进行质量保证体系认证，欧洲许多国家对新 车认证试验和产品车生产一致性试验都由认证权威部门委托试验机构进行。欧洲过去 无i m 制度，1 9 9 2 年8 月欧共体才实施此制度，试验采用单怠速法；目前正在为制订 新的i m 计划进行前期准备，计划进行各种简便规程的验证比较。 日本是一个仅次于美国的汽车生产大国，年产汽车超过1 0 0 0 万辆，因其国土狭 小，排气污染物更为突出。1 9 6 3 年对汽车排放物危害开始调查；1 9 6 6 年对新车用4 工况法检测，1 9 7 3 年后采用l o 工况试验法，对污染物限制扩大到h c 和n o x ：1 9 7 8 年以后，对汽油和l p g 乘用车，没有实施强化排放限值措施，而是侧重开展了降低 排放的技术研究和跟踪国外汽车排放限值的发展动态。所以在一般的汽车检测站和维 修工厂内所使用的尾气检测装置都是很简单的2 气式尾气分析仪。 北京市目前在汽车尾气的检测和标准制定方面走在全国的前面，具有一定的代表 性。从2 0 0 3 年3 月1 日起，北京市对在用机动车的尾气检测将全面停止使用“双怠速 法”，改为“简易工况法”检测尾气，与之相对应的标准即d b l l 1 2 2 2 0 0 3 汽油车 稳态加载污染物排放标准。现在北京市共有4 6 条简易工况法检测线，计划再添1 0 0 条检测线，这样，总数近1 5 0 条的简易工况法检测线每年可完成2 0 0 多万辆汽车的尾 气检测。从2 0 0 0 年开始国家环保总局和北京市计委既将新一代汽车尾气检测设备的 研制列为了国债高技术产业化项目。但目前北京使用最多的还是美国e s p 公司的设备。 e s p 公司是美国最大的机动车尾气排放检测设备供应商，除在美国市场占有很高份额 外，e s p 产品在新加坡、欧洲、德国、英国都有使用。中国自己的检测设备生产厂家 中研究的有一定成果的包括深圳大雷、成都汽保，另外北京清华欧林特公司和金铠星 公司等公司也有相应的产品。但据用户反应，国产的设备无论是在系统的稳定性和测 试结果的重复性，还是在设备的可扩充性上都还无法和国外的设备相比。 另外，在2 0 0 0 年的时候，北京市环保局还制定了一份d b l l 1 2 3 2 0 0 0 轻型汽油 车简易瞬态工况污染物排放标准，该标准参考了美国i m 2 4 0 和纽约瞬态短时循环测 试( n y t e s t ) 要求，由于考虑到效益和研究水平等各方面的原因，并没有最终实施。 6 华中科技大学硕士学位论文 但但a 刈目t 在以后各方面条件成熟后将制定更完善的检测标准并加以实施。 1 3 研究的目的及意义 该课题的目的之一就是要按照北京市地方标准d b l1 1 2 2 2 0 0 3 来开发稳态工况式 尾气排放检测系统，以满足现在北京市在用车尾气检测的实际需要。北京市已于2 0 0 3 年3 月1 日起正式执行d b l l 1 2 2 2 0 0 3 标准，该标准要求采用稳态加载工况法来进行 尾气检测，该系统可以对应全新的排放限值规定，并可根据实际情况作更改。 同时，这次的课题还特意加入了有关瞬态工况测试的设计在内。因为象怠速法以 及稳态工况法等以浓度为计量基础的测量方法并不能准确地反应出车辆实际的污染物 排放水平。例如，对一辆大卡车和一辆微型车，两辆汽车的尾气中n o 的浓度是一样 的，但是由于大卡车的发动机的排气量要大，所以也就产生出更多的n o ，显而易见， 此时大车对环境的污染要大【2 lj 。这就要求我们应该采用以质量为基础的测试方法来检 测汽车的实际排放物污染水平，从而找出真正的高排放车辆。于是瞬态工况检测程序 被开发了出来，其测定结果是以汽车每行驶l 公里的排气管排放物质量来表述的。瞬 态工况检测用的设备实际上是在稳态加载工况检测系统的基础上加一套气体流量分析 仪所组成的，利用它即可测得尾气污染物的排放质量田】。所以考虑到瞬态工况测试相 对于加速模拟工况测试的先进性，且北京市环保局在2 0 0 0 年也发布了d b l1 1 2 3 2 0 0 0 轻型汽油车简易瞬态工况污染物排放标准，在这次的程序开发中特加入有关瞬态工 况测试的内容。另外，此次程序中所定的工况循环完全对应目前标准中的规定，另外， 为了满足以后检测标准的发展的要求，使用者还可以根据当时的实际情况自己定制工 况循环的模式，也就说程序具有良好的适应性。 本课题的研究目标就是跟踪研究现在国际上先进的汽车尾气测试方法，并针对中 国的现在实际情况，充分考虑到以后的发展情况，开发出自己的工况式尾气检测系统， 为中国的机动车尾气污染治理工作服务。 实现一套能够满足这种测试要求的系统是一项系统工程，应该包括机械系统的设 计、电气系统的设计和软件系统的设计等几大部分。对于机械系统，根据标准的要求 以及参考已有系统的设计在底盘测功机的基础上可以很容易实现，而对于系统中的组 成设备，象尾气流量计、尾气分析仪、发动机转速计等都有已有的成熟的产品，均可 以采购到，而且各公司的设计也基本大同小异。但是在计算机系统软件方面，主要包 括控制系统和数据管理系统。每个设计者都有自己的风格和特点。 因此，该课题的主要内容就是计算机系统软件部分的开发。所开发的尾气排放检 华中科技大学硕士学位论文 测系统的软件部分和其他机械和电气部分一起组成一个完整的检测系统来进行尾气检 测，用更科学的测试程序找出排放超标需要修理的车辆，强制其去进行必要的保养或 修理，以减少超标车辆对空气环境的污染。 国内外调查研究证实，城市在用车当中有1 0 1 5 排放严重超标的车辆，其污染 物排量占整个地区的在用车污染排放量的5 0 - - 6 0 ，通过该系统准确地找出这1 0 1 5 的高排放车，然后用维护、修理的办法使其恢复到接近出厂时的排放水平，这样仅 治理1 0 一1 5 的在用脏车，达到削减占排放总量5 0 - - 6 0 的污染物，达到事半功倍的 效果。 另外，对于工况法检测设备，美国在技术方面处于世界领先地位，在美国简易工 况法检测设备生产非常专业化，美国一些厂商也正在努力打入中国市场并取得一定的 成绩。另外，如果我们自己开发出该产品将可能在我国大面积推广更严格的在用车排 放法规的同时，减少这种产品的大量进口，为国家节省大量的外汇，并创造可观的经 济和环境效益，并可以开拓新的环保产业领域。 1 4 论文的主要内容及组织结构 全文共分7 章，组织结构图见图i - i ，完成的主要工作如下： - - i 目的和意义卜一t 绪言 工 _ 一囊明尾气检测系统的总体结i j2 尾气检测系统总体结构 l 萄l 。”。 况 式 一三婆蓉导嘉萋蘑0 鲤氅烈磐i 一3 尾气检测原理及系统校正 尾_ 和方法以及系统校正的说明广 “甩1 8 8 “8 “ 气 检 - t 尾气检测控制系统的设计h 4 尾气检测控制系统的设计 测 系 统 i 尾气检测数据管理系统的设l 5 尾气检测数据管理系统的 的 i 计l 砹计 开 发 _ 一曼舞禁犁季筝蚕i 慝萝以及h6 尾气检测系统的实现 运行环境和实例的介绍厂 “8 ”“5 “。“ 一总结论文并展望未来卜一7 结论与展望 图1 - 1 论文的组织结构 8 华中科技大学硕士学位论文 1 首先介绍了在用车工况式尾气排放检测系统研究的背景，指出了由于目前城 市中汽车保有量的急剧增加所带来的汽车尾气排放污染加剧的问题并提出了一目前所 普遍采用的并行之有效的方法。然后探讨了目前国内外在尾气排放检测方面的状况， # 对系统实施所达到的目的进行了简介。最后，介绍了论文的组织结构和主要内容。 2 介绍工况式尾气排放检测系统的总体构造。首先介绍系统的总体构成，然后 分别对系统构成中的机械系统、电气系统、控制系统和数据管理系统进行了说明。 3 说明工况式尾气检测中各项目的测试原理和方法，并说明该系统是如何进行 校正的。首先，简要介绍了各尾气检测项目的检测方法和内容。然后，分别详细说明 各测试的检测原理、检测方法和控制原理。最后说明系统的校正方法。 4 从软件工程设计的角度对工况式尾气检测控制系统进行分析和设计。首先将 介绍控制系统的功能概要，给出系统的功能树模型。然后根据功能要求进行需求捕获 和分析，建立系统的需求模型和分析模型。并在需求模型和分析模型的基础上进行系 统设计并构造系统，获得实现所有需求的系统组织。最后进行了用例设计和类设计。 5 论述工况式尾气检测数据管理系统的设计。首先针对系统的需求说明数据库 管理系统的功能概要，并对设计作一概述。然后，给出数据库的实体模型和根据实体 模型细化而来的数据库表定义。随后进行数据管理系统的接口设计和实现。最后对数 据管理系统的重要类进行设计。 6 尾气检测系统的实现部主要主要是结合界面设计说明系统的运行过程，说明 系统的实现和实际运行的情况，并介绍了系统的运行环境和实例。 7 结论和展望部对该论文进行了总结，并对该系统的前景进行了展望。 1 5 本章小结 本章主要介绍了在用车工况式尾气排放检测系统研究的背景。然后介绍了目前国 内外在尾气排放检测方面的概况，并对系统实施所达到的目的和意义进行了阐述。在 最后介绍了论文的组织结构和主要内容。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 尾气检测系统的总体结构 介绍工况式尾气排放检测系统的总体构造。首先介绍系统的总体构成，然后分别 对系统构成中的机械系统、电气系统、控制系统和数据管理系统进行了说明a 2 1 系统总体构成 下图显示的是系统的总体构成示意图，如图2 - 1 所示 佩譬负囊控斜椿 图2 一l 总体构成示意图 以下简单介绍各组成部分在系统中的作用： ( 1 ) 底盘测功机 底盘测功机主要由滚筒、功率吸收单元、惯性模拟装置等组成，用来模拟车辆行 驶的道路阻力。 ( 2 ) 简易负载控制装置 简易负载控制就是通过和计算机进行通信的控制箱来控制机械本体。可以根据计 算机的指令来控制机械本体的编码器、负载传感器、电磁涡流机、升降机和校正用马 达。 华中科技大学硕士学位论文 。( 3 ) 尾气分析仪 尾气分析仪是由取样系统和五气分析仪两部分组成。通过取样系统由汽车的排气 管中抽取尾气试样，然后送到五气分析仪中进行分析测试得到尾气中各污染物的浓度。 ( 4 ) v m a s v m a s 进行稀释后汽车尾气流量的测定和氧气浓度的测量。然后根据测得值计算 出尾气的稀释系数。并由此而计算出汽车在整个测试循环中实际所排放的尾气的量。 ( 5 ) 黑烟测试仪( l c s ) 测量柴油发动机所排放的尾气的不透明度。 ( 6 ) 发动机转速计 测量发送机的转速，显示单位是r m a n 。 ( 7 ) 驾驶员用显示器 供驾驶员观看的显示器，在整个试验过程中指导操作员和驾驶员完成试验，其显 示的内容包括操作指示、测量结果、各设备的状况以及警告信息等。 ( 8 ) 控制柜( 信号处理部) 包括控制系统计算机、视频信号分配器和检测报告打印机等。 ( 9 ) 其他设备 另外还包括与测试相关的其他一些必须的设备，如温度计、湿度计、大气压力计 和冷却风扇等。 2 2 机械系统构成 该设备最主要的机械装置即底盘测功机，其主要的作用就是模拟车辆在路面上 行驶时的各种状态。主要由以下几个部分组成：滚筒、前后滚筒连接用同步带、左 右滚筒连接用弹性联轴器、电涡流机、惯性飞轮、旋转编码器、负载传感器以及校 正用电机等。其构成示意图如图2 2 所示： 华中科技大学硕士学位论文 i 。 麴 图2 2 设备的机械构成 ( 1 ) 滚筒 使用的是双滚筒结构，采用防滑性能好的沟槽式结构，可以保证轮胎与滚筒之间 不打滑和良好的防水性，同时也可以保证行驶距离和转速的测量准确并保持恒定。 测试时，车轮在滚筒上转动即相当于在路面上连续滚动。 ( 2 ) 校正电机用驱动同步带 连接校正电机和驱动滚筒，采用同步传动皮带。 ( 3 ) 弹性联轴节 连接左右滚筒，可适应左右滚筒间的一定量的偏心量。 ( 4 ) 校正用电机 校正时用的电机通过传动装置可带动滚筒旋转。 ( 5 ) 前后滚筒连接用同步带 连接前后滚筒，采用同步传动皮带。 ( 6 ) 升降台 方便车辆驶入和驶出。 ( 7 ) 联轴器 连接滚筒和电磁涡流器以及飞轮。 ( 8 ) 电涡流机 功率吸收装置，可以按照预先的设定给滚筒加负载以产生阻力来消耗汽车驱动轮 输出功率，从而模拟出车辆在道路上行驶的状态。 电涡流机主要由定子和转子两部分组成，转子与主动滚筒相连接随其一起转动， 而在定子中装有激磁线圈，这样当转子转动时，转子的电磁盘在磁场中转动而产生涡 电流与定子磁场作用，产生与滚筒转动方向相反的负荷矩。当改变激磁电流的大小时， 一 一 1鼍 华中科技大学硕士学位论文 即可改变负荷矩的大小，即所谓的加载。 ( 9 ) 飞轮 作为设备的基础惯量。 ( 1 0 ) 旋转编码器 在测试过程中监测滚筒的转速，从而换算出车辆的车速。 ( 1 1 ) 负载传感器 测量施加在滚筒上的负载值。 2 3 电气系统构成 设备的电气系统的主要任务就是收集并处理各设备发过来信号，并将这些信号 传给计算机系统进行处理，然后根据计算机处理后所发出的指令来控制各设备作相 应的动作。同时电气系统也负责根据要求给各设备供电。电气系统的构成如图