（载运工具运用工程专业论文）汽车尾气排放远程移动检测技术的研究.pdf

摘要随着人们环保意识的加强，要求治理汽车尾气排放的呼声也日渐高涨。控制汽车尾气排放的一个较为有效的办法就是对在用汽车施行定期的尾气排放检测。目前，汽车尾气排放检测方法和检测设备主要是基于室内检测，但是室内检测受到实验室条件和实验设备的限制，不能很好的反映出车辆在实际使用时的排放状况。在前人研究的基础之上，完成了基于a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 型五组份排放分析仪的汽车尾气排放远程移动检测系统的研制工作。使用该系统开展了汽车排放道路检测实验，并对实验结果进行了分析。所做的主要工作如下：通过扩充a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 型五组份排放分析仪测量发动机转速的功能，实现车速数据的获取；分析了实验过程中出现的信号干扰现象，并提出了解决方案；通过实验分析了g s m 短消息数据传输的特点，利用计算机控制无线m o d e m 实现了汽车尾气排放远程移动检测系统的数据传输功能；使用l a b v i e w 图形化编程语言开发了汽车尾气排放远程移动检测软件；建立了用于道路检测实验的简单升档加速工况和改进的a s m 工况，开展了汽车排放道路检测实验；对汽车排放道路检测实验的实验结果进行了分析。关键词：载运工具运用工程；汽车尾气排放检测系统；道路检测；串行通信；远程通信：计算机控制；数据分析a b s t r a c tw 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 i r 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 et a i le m i s s i o ni sg r a d u a l l yr i s i n g o n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d st oc o n t r o la u t o m o b i l ee x h a u s te m i s s i o ni st od e t e c ti t se m i s s i o nc o n d i t i o n st i m e l y a tp r e s e n t ，t h em e t h o d sa n de q u i p m e n t sf o ra u t o m o b i l et a i le m i s s i o nd e t e c t i o na r eb a s e do nt h ei n d o o rd e t e c t i o n ，b u tt h ei n d o o rd e t e c t i o ni sr e s t r i c t e db yt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n sa n de q u i p m e n t s ，a n di ti su n a b l et or e f l e c tt h ea u t o m o b i l ee m i s s i o ns i t u a t i o ni nr e a l i t yv e r yw e l l b a s i n go nt h es t u d y i n go ff o r m e r ，t h ea u t o m o b i l et a i le m i s s i o nr e m o t em o b i l ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h ef i v ec o m p o n e n t se x h a u s ta n a l y z e rw i t ht y p eo fa v ld i g a s4 0 0 0l i g h ti sc o n s i d e r e di nt h er e s e a r c h t h eo nr o a dd e t e c t i o ne x p e r i m e n t sf o ra u t o m o b i l ee m i s s i o na r ea c c o m p l i s h e db yu s eo ft h i ss y s t e m ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h er e s e a r c hi t e m sa r ea sf o l l o w s ：b ye x p a n d i n gt h ee n g i n es p e e dm e a s u r e m e n tf u n c t i o no ft h ef i v ec o m p o n e n t se x h a u s ta n a l y z e rw i t ht y p eo fa v ld i g a s4 0 0 0l i g h t ，t h ea u t o m o b i l ev e l o c i t yd a t ai sa c q u i r e d t h es i g n a li n t e r f e r e n c ep h e n o m e n o na p p e a r e di nt h ep r o c e s so fe x p e r i m e n t sa r ea n a l y z e d ，a n dt h es o l u t i o ni sp r o v i d e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m sd a t at r a n s m i s s i o ni sa n a l y z e dw i t ht h ee x p e r i m e n t ，t h ed a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o no ft h ea u t o m o b i l et a i le m i s s i o nr e m o t em o b i l ed e t e c t i o ns y s t e mi sa c h i e v e dw i t hw i r e l e s sm o d e mc o n t r o l l e db yp e r s o n a lc o m p u t e r t h es o f t w a r ef o rt h ea u t o m o b i l et a i le m i s s i o n r e m o t em o b i l ed e t e c t i o ni sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h el a b v l e wp r o g r a m m i n gs o f t w a r e t h es i m p l ys h i f tu pa c c e l e r a t i n gc o n d i t i o na n dt h ei m p r o v e da s mc o n d i t i o nf o rt h eo nr o a dd e t e c t i o ne x p e r i m e n t sa r ee s t a b l i s h e d ，t h eo nr o a dd e t e c t i o ne x p e r i m e n t sf o ra u t o m o b i l ee m i s s i o na r ea c c o m p l i s h e d t h er e s u l t so fo nr o a dd e t e c t i o ne x p e r i m e n t sf o ra u t o m o b i l ee m i s s i o na r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：v e h i c l ea p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n g ；a u t o m o b i l et a i le m i s s i o nd e t e c t i o ns y s t e m ；o nr o a dd e t e c t i o n ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；r e m o t ec o m m u n i c a t i o n ；c o m p u t e rc o n t r o l ；d a t aa n a l y s i si i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。名：飘瓠眺2 吣邮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 、不保密团。( 请在以上相应方框内打“ )名：积秋导师签名：多记匆日期：2 0 08 年4 月15 日日期：2 0 08 年4 月15 日第一章汽车尾气排放远程移动检测技术的研究目的禾口现状随着近年来环境问题的日益突出和人们环保意识的不断增强，汽车尾气对环境的污染越来越被人们所重视。由于汽车在使用时，范围集中、数量大、单车污染物排放量大，导致市区的大气污染以机动车为首要污染源。据环保部门的研究结果，城市空气污染中2 0 的c 0 2 ，6 0 7 0 的c o ，4 0 的n o x 和7 0 的h c 来自于汽车尾气。面对日益严重的环境污染，各国政府纷纷根据各自国情采取了一系列强制性法规减少汽车尾气排放所造成的污染。到目前为止，己经形成了以美国、欧洲和日本为代表的三大汽车尾气排放标准体系，世界上许多国家都不同程度的采用了这些标准，我国的排放标准体系就是在欧洲标准的基础上形成的。国内现行的汽车尾气排放检测方法和检测设备主要是基于室内检测，受到检测环境和检测设备的限制，不能很好地反映出汽车，特别是重型汽车在实际使用时的排放状况。汽车尾气排放远程移动检测技术是一种在车辆行驶状态下对其尾气排放进行检测的方法，检测结果能够真实的反映车辆在实际使用时的排放状况。为了避免含义混淆，定义以下名词供本文使用：室内检测：以检测汽油汽车尾气排放为目的，使用室内检测设备及仪器，在实验室环境下对实验车辆的排放数据及其它相关检测参数进行的检测；道路检测：以检测汽油汽车尾气排放为目的，通过车载检测设备及仪器，在室外道路环境下对实验车辆实际使用时的排放数据及其它相关检测参数进行的检测；道路检测工况：模拟实际交通环境下的车辆行驶过程，用于道路检测的行驶工况。1 1 汽车尾气排放远程移动检测技术现状1 1 1 国外现状上世纪8 0 年代，欧美等国开始了汽车排放移动检测技术的研究。汽车排放移动检测设备最初是由19 9 8 年美国环保局( e p a ) 的实时车载排放分析仪( r o v e r ) 发展而来的。经过几年的更新换代，现在已经出现的有美国s e n s o r 公司的s e m t e c h 系列和日本h o r i b a 公司的o b s 系列等车载排放设备，这些设备都已经得到美国e p a 的认证。目前，国外的车载排放测试技术已经步入成熟，并广泛应用于美国和欧洲的汽车排放污染物控制工作中。本世纪初，欧美等国开始了针对汽车尾气排放远程监测技术的研究工作，其中主要有：英国帝国理工学院在2 0 0 0 年进行的汽车运行和排放状态远程监控系统研究【2 】，英国曼彻斯特大学工程学院的柴油机尾气排放研究小组于2 0 01 年在城市消防车上进行的远程监测研究工作【3 】，欧共体可持续发展委员会发起的分别在英国等六国进行的低成本汽车排放状态远程监测技术研究”j 等。1 1 2 国内现状我国的车载排放检测技术研究目前还处于起步阶段。天津大学于2 0 0 2 年研究了一种机动车车载实时道路排放测量系统【5j 。该系统以瑞典m u l t i g a sp r o 公司生产的五气体分析仪为核心采集尾气排放污染物，通过四爪分度器和接近开关传感器配合8 0 c19 6 单片机测量车速。该“机动车车载实时道路排放测量系统”可实现机动车瞬时速度、瞬时加速度、瞬时燃油消耗率及h c 、c o 、n o 等有害排放气体的排放因子的测量。相对于国外汽车状态远程监测技术在汽车状态和尾气排放方面的具体应用研究而言，我国的汽车状态远程监测技术研究目前主要集中在理论研究方面。伴随无线通信网络和互联网技术的发展，国内汽车状态远程监测系统研究主要集中于以下几种：基于i t s 的汽车状态远程监测系统【6 】基于g p s 的车辆定位及状态监测系统【7 1基于g s m g p s 的车辆状态远程监测系统【8 】基于无线传感器网络的车辆跟踪系统【9 】1 2 研究汽车尾气排放远程移动检测技术的必要性室内检测【ll 是我国现行汽车污染物排放测量时主要采用的检测方法。对于轻型汽车，通常是在底盘测功机上按一定的行驶工况测量车辆的尾气排放值：对于重型汽车，则将发动机置于发动机台架上进行13 工况点的测量。室内检测具有较好的重复性和精确度，但是受实验室环境和实验设备限制，其检测范围具有局限性，不能有效模拟出交通状况和气候条件对检测可能产生的影响因素，也无法设置车辆实际运行过程中可能遇到的突发状况。因此，室内检测的结果并不能真实地反映车辆在实际使用时的排放状况。与室内检测不同，道路检测是在车辆实际使用过程中对尾气排放进行检测，虽然重复性和精确度不如室内检测，但是其检测结果反映的是车辆在实际使用时的真实状况。开展汽车尾气排放道路检测，离不开移动检测设备与技术的成熟与完善，因此，我国应加紧对汽车尾气排放远程移动检测技术的研究，推动我国汽车尾气排放污染控制工作的进程，为在用汽车排放的管理提供新的思路。1 3 本文研究的意义及任务本文的研究任务是设置道路检测工况与检测方案，研制汽车尾气排放远程移动检测系统，开展汽车尾气排放道路检测实验。通过分析实验结果，寻找实际道路交通环境下影响汽油汽车排放的主要因素。论文包括以下主要工作：研制汽车尾气排放远程移动检测系统；设置道路检测工况；开展汽车尾气排放道路检测和双怠速工况检测实验；分析道路检测和双怠速工况检测的实验结果。为了完成上述工作，论文各章内容安排如下：第一章汽车尾气排放远程移动检测技术的研究目的和现状。通过综述国内外汽车尾气排放远程移动检测的现状，分析该技术的优势与特点，指出研究该技术的意义和必要性。第二章汽车尾气排放检测的研究对象与论文依托课题的相关研究成果。介绍汽车尾气中污染物的种类、生成机理和影响因素；几种典型瞬态工况对发动机排放的影响；使用a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 型五组份排放分析仪( 以下简称为a v l 五组份排放分析仪或a v l ) 进行瞬态排放间接检测时的数据修正方法；介绍用于评价瞬态工况下发动机排放状况的符号时间序列方法和s h a n n o n 熵。第三章汽车尾气排放远程移动检测系统的研制。从整体设计、硬件组成、软件编制三个方面对汽车尾气排放远程移动检测系统的研制过程进行了介绍。具体包括：系统的整体设计；检测参数的选择和检测方法的确定；利用排放分析仪测量发动机转速的功能采集车速信号的方法及实验；车速标定的方法和相关参数的获取；利用短消息进行数据远程传输的方法及实验；汽车尾气排放远程移动检测软件的设计与编制。第四章汽油汽车道路检测实验及实验结果分析。设置了用于道路检测实验的简单升档加速工况和改进的a s m 工况；开展了汽车尾气排放道路检测实验和双怠速工况实验；获得了汽油汽车尾气排放道路检测和双怠速工况检测的实验数据；通过体积分数含量、面积分数含量和单缸s h a n n o n 熵对实验数据进行了评价；分析了实际道路交通环境下影响汽油汽车排放的因素。总结与展望。总结全文主要的内容，展望可进一步研究的内容。本文的研究工作依托国家自然科学基金项目“基于符号时间序列方法的汽油机瞬态排放特征分析”( 编号：5 017 6 0 0 6 ) 和湖南省教育厅重点科研计划“基于通讯网的汽车状态远程监测( 批文号：湘教科 2 0 01 】l9 7号，合同编号：01a 0 2 0 ) 。第二章汽车尾气排放检测的研究对象与论文依托课题的相关研究成果汽车尾气排放远程移动检测技术的研究是建立在传统汽车尾气排放检测技术基础之上的，研制汽车排放远程移动检测系统，需要以课题组其他成员研究所取得的大量相关成果为基础。这些研究成果包括：国家排放法规中主要限制的几种汽车排放污染物的生成机理和影响因素、瞬态工况的基本概念、几种典型瞬态工况下发动机排放特点和影响因素、使用a v l 五组份排放分析仪进行发动机瞬态排放检测的间接检测方法、检测数据修正、以及用于评价发动机瞬态排放状况的符号时间序列方法和s h a n n o n 熵。2 1 发动机主要有害排放物的危害性、生成机理及影响因素汽油汽车对城市大气的污染主要源自于五个方面【lo 】：排气污染、曲轴箱通气污染、汽油箱通风污染、化油器的蒸发和泄漏污染、含铅或含磷汽油造成的铅、磷污染。其中，排气污染占汽油汽车污染总量的6 5 85 ，是汽油汽车产生的主要污染源。其余四种污染源所产生的污染只占15 35 ，随着汽车技术的不断进步，已经得到有效防治。汽油汽车排气污染主要来自于发动机在燃烧过程中产生的一氧化碳c o 、碳氢化合物h c 、氮氧化合物n o x 和硫氧化物s o x 】。其中硫氧化物可以通过降低燃料中的含硫量得以有效控制，目前国家排放法规主要限制的是c o 、h c 和n o x 。2 1 1 一氧化碳( c o )c o 是燃料在燃烧过程中重要的中间产物和不完全燃烧产物，是发动机排气中成分浓度最大的有害物，是一种无色、无刺激、无味的气体。在被吸入人体之后，c o 会取代氧o 在血液中形成牢固的血红蛋白，影响氧气输送。人在吸入c o 之后会由于缺氧而感到疲劳，引起头晕、恶心等中毒症状，严重的甚至导致窒息死亡。c o 在发动机中的生成主要受混合气浓度的影响，如图2 1 所示。在过量空气系数( 实际空燃比与理论空燃比的比值) 入 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内入 1 条件成立，导致局部燃烧不完全而产生c o 。除了混合气浓度的影响之外，已成为燃烧产物的c 0 2 和h 2 0 在高温条件下所备排詹、成分浓度1 31 j1 11 d0 90 a 0 70 6o j浓一一空燃比一一稀图2 1 发动机排放物与空燃比关系示意图发生的热离解反应，和排气过程中未燃碳氢化合物h c 的不完全氧化，都会产生少量的c o 。燃烧结束时，c o 的浓度通常取决于燃气温度，但是，由于发动机膨胀过程中气缸内温度下降得很快，以至于温度下降的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 浓度往往高于排气温度下的理论浓度。根据经验，c o 在发动机排气中的浓度近似等于l5 2 7 时的c o 平衡浓度。2 1 2 碳氢化合物( h c )h c 是燃料燃烧后生成的多种碳氢化合物的总称，包括甲醛、丙烯醛、苯丙芘等。虽然每种化合物的量很少，但是其共同作用十分明显。例如，甲醛、丙烯醛具有强烈气味，对鼻、眼和呼吸道的黏膜有刺激性，可以引起结膜炎、鼻炎等，苯丙芘是一种致癌物质，此外，碳氢化合物与氮氧化合物反应会形成化学烟雾。作为发动机排气中的主要污染物之一，碳氢化合物的成分极其复杂，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，其种类达2 0 0 余种。和c o 一样，h c 也是一种不完全燃烧( 氧化) 的产物，因而与过量空气系数入有密切关系，如图2 1 所示。与c o 不同的是，即使在入1 的条件下，发动机排气中有时也含有大量的h c ，这是因为除了不完全燃烧之外，淬熄、缝隙效应和吸附也是产生h c 的重要原因。( 1 ) 不完全燃烧导致发动机不完全燃烧而产生h c 的主要原因有：怠速及高负荷工况时，混合气浓度处于入 1 时，由于油气混合不均匀而造成的局部燃烧不完全也会产生h c 。( 2 ) 燃烧室内的缝隙效应缝隙效应是产生未燃h c 的重要原因之一。在发动机的燃烧室里，存在着很多缝隙，例如活塞与缸壁之间的缝隙、活塞环与环槽形成的背隙等。当气缸内压力升高时，一部分未燃的可燃混合气会被挤压进缝隙并被缝隙壁面所冷却，由于缝隙中面积小，温度低，燃烧时的火焰无法传入缝隙中，使缝隙中的可燃混合气( 也包括润滑油) 无法正常燃烧，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 则从缝隙中返回气缸并随废气排出气缸，增加了h c 的排放。( 3 ) 燃烧室缸壁淬熄效应在燃烧过程中，燃气的温度高达2 0 0 0 以上，而气缸壁面温度则在30 0 以下，因而靠近壁面的气体温度受壁面的影响，其温度远远低于燃气温度，而且流动性也较弱。所谓壁面淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对燃气火焰的迅速冷却，使活化分子的能量被吸收，链式反应中断，在壁面形成约o 1 o 2m m 厚的火焰淬熄层，从而产生大量未燃h c 。因此有很大一部分燃油最终以油膜形式滞留在气道壁面上、进气门处和气缸壁上，这些油膜将随着环境温度的升高而挥发，形成“后汽化现象，使排放状况恶化。( 4 ) 壁面油膜和积碳的吸附在气缸的迸气和压缩过程中，由于压力的作用，气缸壁面上的润滑油膜，以及沉积在各处的多孔性积碳，会吸附未燃混合气，而在膨胀和排气过程中，这些被吸附的未燃混合气则会逐步脱附释放出来。像上述淬熄层一样，这些h c 的小部分被氧化燃烧，大部分则随废气排出气缸。2 1 3 氦氧化合物( n o x )汽车尾气中排出的n o x 主要是一氧化氮n o 和二氧化氮n 0 2 。n o 是一种无色无味的气体，毒性不大，在空气中会生成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 是一种红棕色气体，有强烈的刺激性气味，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，n 0 2 在强烈阳光下还会发生光化学反应，形成二次污染。发动机排气中的氮氧化物n o x 主要是n o ，但在进入空气后很快会被氧化成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，它的生成与火焰传播方式、混合气浓度分布、发动机机体温度、热传导效率等一系列因素有关，反应机理十分复杂。n o x 的生成主要取决于缸内燃烧温度以及氧的浓度。在氧浓度稍稀( 入= 1 1 ) 且高温的条件下，n o 生成浓度最高。高温是最重要的条件，即使氧很充分，但如果燃烧温度不高，氧的分解进程就会很慢，n o 的生成浓度也就比较低。此外n o x 的浓度还与混合气在高温下的滞留时间有关，滞留时间越长，n o x 浓度越大。因此，点火提前角对n o x 生成率有显著的影响，随着点火提前角的减小，最高燃烧温度降低，燃气在高温下滞留时间缩短，n o x 的生成率随之下降。在稀混合气时n o x 生成率下降的效果更明显，其原因在于浓混合气中n o x 基本上是由火焰初期的p r o m p tn o 反应生成，而在稀混合气中，n o x 主要在火焰后期的已燃混合气中产生，此时n o 的生成速率较低。因此，在足够的氧浓度条件下，温度越高和反应时间越长，n o 的生成量就越大。2 2 瞬态工况对汽油汽车排放的影响根据有关统计资料，汽车在城区道路条件下行驶时，受到红绿灯、公交车站、行人等交通因素的影响，汽车的加速、减速、起动等工况约占运行时间的5 0 9 0 ，其中3o 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发动机经常工作于瞬态工况。对于汽车尾气排放检测技术而言，目前人们对稳态工况下的发动机排放机理和排放特征已经了解得较为透彻，配套的排放治理手段也较为成熟，而对于汽车实际使用中经常出现的瞬态工况却了解得不多。因此，了解瞬态工况以及它对发动机排放污染物生成的影响，是汽车尾气排放远程移动检测技术研究的一个重点。发动机的运行状况简称工况，发动机工况主要决定于其输出扭矩( 或功率) 和曲轴转速。发动机的曲轴转速n 、输出扭矩t 。及其内部热平衡状态q 等参数基本不随时间t 而变化的工况，称为稳态工况【l1 1 。在稳态工况下，发动机各参数之间存在着一定的函数关系。在汽车实际行驶时，发动机的工况是随路况不断变化的，并会导致发动机热力状态的变化，因此发动机的曲轴转速n 、输出扭矩t 。及其内部热平衡状态q 等参数中的一个或几个会随着时间t 而变化，从而使发动机处于瞬态工况。在汽车的实际使用中最常遇到的瞬态工况包括冷起动、暖机以及加、减速等工况。2 2 1 冷起动过程冷起动过程是指发动机从冷态起动到暖机前的这段过程，该过程尽管很短暂，但却是发动机燃烧状况最为恶劣的过程。按照美国联邦测试规程f t p 7 5 的测试结果，发动机冷怠速工况( 包括冷起动和暖机过程)中，近7 0 的h c 和c o 都是在冷起动阶段排出的【l2 1 。论文依托课题的实验研究结果【1 3 】表明，在冷起动阶段，导致发动机燃烧状况恶劣的因素包括：混合气的混合质量、进气温度、发动机转速和点火时间等。造成冷起动阶段c o 和h c 高排放的原因主要包括：失火、火焰不完全传播、液态燃油在气缸内的沉积、混合气过浓等。对于目前的电喷发动机，为了能使发动机尽快点火，通常在起动最初的一二个循环内喷射5 至6 倍于正常所需的燃油，这是造成冷起动阶段排气品质恶劣的主要原因。在冷起动最初的几个循环中，由于发动机转速较低，使得进气量较小，混合气的湍流程度不强、均匀程度不高，气缸壁的温度以及压缩终了时的混合气温度都较低，因而使得燃油的蒸发性差，可燃混合气浓度较低。在发动机内，混合气中的燃油有很大一部分是以油膜的形式滞留在混合气途经之处，这些油膜在后续的暖机过程中都将存在，并随周围温度提高而挥发。在膨胀过程后期，排气门开启时燃烧正在进行，由于排气门开启使气缸压力突降，部分未燃混合气便被排入了排气歧管，由于发动机刚刚起动，排气歧管内的温度不高，混合气在这里很难被继续氧化燃烧，最终以未燃h c 的形式排出。这些都造成了冷起动阶段的高h c排放。在缸内燃烧过程趋于稳定后，h c 排放值开始大幅度下降。电喷发动机冷起动过程运行品质不佳的另一个重要原因是在这一时段内氧传感器不起作用，无法提供反馈信号，对空燃比进行有效的控制，以及三元催化器尚未起燃。因此在此时段燃烧所产生的废气不能被催化器转化，而以未燃h c 的形式直接排出。2 2 2 暖机过程发动机的冷怠速过程包括冷起动和暖机过程，将从发动机起动到催化剂起燃所用时间定义为t ，从冷起动结束到催化剂起燃时刻这一时间段为冷怠速的第二阶段，即暖机过程【l4 1 。暖机过程中，发动机由转速不稳定的“冷 怠速向转速稳定的热怠速过渡，实际上它是冷起动的后续。在这个阶段中，冷起动阶段的一系列问题仍然存在，只是随着发动机运行条件的好转而逐渐改善。影响暖机过程排放的因素很多，空燃比、热力状态、催化转化器等因素都对暖机过程中的发动机排放产生直接影响。根据论文依托课题的实验研究结果，在暖机过程中，发动机排放的影响因素主要有以下三方面：一、由燃油雾化效果差造成的有效空燃比【l3 】的影响；二、暖机过程中，发动机热力状态未达到平衡，为了保证运转的稳定性，供入较浓的混合气而导致高浓度的c o 和h c 排放；三、暖机阶段，由于催化转化器未达到起燃温度，催化剂失效导致h c 、c o 的高排放。2 2 3 加速过程在加速工况下，影响发动机排放的主要因素有【ll 】：一、节气门开度和曲轴转速的影响；二、发动机热惯性的影响；三、点火系统的工作状态及其适应性的影响。对于燃烧过程中c o 和h c 的生成，混合气浓度始终是一个重要的影响因素。在车辆加速时，影响混合气浓度的因素可以从曲轴转速和节气门开度的变化两个方面来考虑。在曲轴角加速度很大时，曲轴转速的变化强烈地影响着气缸内混合气的形成和充气，改变了缸内混合气浓度的均匀性，使局部混合气浓度偏离了稳态工况时的混合气浓度，同时在加速过程中，节气门的快速开启，也会对进气歧管中混合气的流动产生影响，使气流紊乱程度加强，这些都增加了c o 和h c 的排放。在加速工况下，气缸燃烧状态相对于稳态工况也被破坏。在稳态工况下，壁面的激冷不是未燃h c 的主要生成源；但发动机在突然加速工况下，气缸盖的温度呈线性缓慢增加，冷却风扇转速和风量均增加，使整机的热力系统大约要经过2 0 0s 左右的时间才能基本达到热平衡，使得缸盖下表面、气门下表面、活塞上表面、燃烧室壁面以及混合气等的温度均滞后于新的工况，加上高浓度的混合气，造成在燃烧过程中火焰传播到上述燃烧室表面附近时，受到低温壁面的迅速冷却以及氧气不充分的影响，火焰温度猝然下降，燃烧链反应中断，化学反应缓慢或停止，壁面附近的混合气不能着火燃烧，形成比稳定工况更厚的冷激层，从而在冷激层内生成未燃h c ，在燃烧室表面生成不完全燃烧产物c o 。2 2 4 减速过程【5 】减速过程是继加速工况之后的又一个c o 和h c 排放较恶劣的工况。汽车突然减速时，节气门骤然关闭，进气量减到最小，但驾驶员并未置变速箱于空挡，此时由于汽车的惯性作用，传动系统倒拖着发动机，使发动机仍保持很高的转速，进气管真空度急剧升高，因此发动机从怠速油路吸入了大量的燃油，同时附着在进气管壁上的燃料也将被吸入燃烧室，这些都造成了减速瞬间的混合气过浓，由此造成的不完全燃烧使得c o 和h c 排放浓度剧增。2 2 5 滑行过程【1 1 15 】车辆空挡滑行初期节气门关闭，导致发动机进气量明显减少。对于目前广泛使用的电喷发动机而言，当发动机从加速工况突然变为怠速工况时，尽管e c u 能根据接收到的信号，及时发出停止供油的指令，但由于节气门的迅速关闭，造成进气管内真空度急剧增加，使加速阶段沉积在进气管壁面和进气门附近的燃油油膜迅速蒸发，导致气缸内混合气较浓的现象仍将有短暂的持续。虽然持续时间远远小于化油器式发动机，但同样会排出较大的h c 和c o 。2 3 发动机瞬态排放间接检测技术发动机瞬态排放间接检测是使用基于稳态检测时所用的排放取样技术和五组份排放分析仪，对瞬态工况下的发动机排放进行检测【l 引。由于受管道流动阻力和分析仪器测量机理的限制，所测信号与实际排放相比有一定的时间滞后和幅值畸变，所以测量所得数据并非真实的瞬态排放数据，需要进行时延和幅值修正。2 3 1 瞬态排放间接检测数据的修正方法研究使用了课题组配置的a v l 五组份排放分析仪。由于该仪器主要由各种管路和室腔等组成，因此可以近似作为二阶系统看待l l6 1 。当将其用于发动机稳态燃烧排放测量时，检测信号基本无畸变和时延出，可以直接使用其测量结果进行数据分析。而当用于发动机瞬态排放测量时，由于燃烧的快速性和非稳定性，仪器工作在非线性阶段( 即叫畋 l 的阶段，其中国。是仪器管道系统的固有圆频率，缈是取样点废气的波动圆频率，受发动机转速影响) ，从而出现幅频特性1 日如) i 刊r ( c o ) x ( c o ) l 1 的情形，即所检测的排放数据有时延缸和幅值畸变】，。因此需要对测量结果的时延血和幅值畸变】，进行修正。通过对排放分析仪取样管道系统进行“可压缩流体管路频响特性 分析【l3 1 ，可以获得取样管道系统的幅频特性h 国。) = y x 和相频特性伊吲国。) ，这两条曲线可视为输出信号的时延和特性幅值畸变特性，如图2 2 所示。时延【相顿) 特性2 3 1 2 幅值修正幅值修正可以采用图2 2 的计算结果，根据发动机转速范围，逐点修正排放数据，但这样操作实现起来非常麻烦，而且检测系统的主要目的是选择一个指标来正确评价发动机的实际排放状况，因此在实际的瞬态排放间接检测系统中，这样修正的意义不大。在论文所依托课题的研究中，为了获得a v l 五组份排放分析的幅值修正值，课题组在东风汽车有限公司商用车研发中心发动机部进行了五组份排放分析仪瞬态检测幅值误差对比实验。在设定的瞬态工况下，使用a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 五组份排放分析仪与a v lc e b i i 高性能排放分析仪同步检测某发动机的排放信号，以后者为相对标准，比较两台排放分析仪采集结果在时域滞后和幅值畸变两方面的差异，从而获得前者的瞬态检测性能。前者自带数据采集器的采样频率为1 5h z ，后者配备a v lp u m a 数据采集器设定的采样频率为10h z ，并与e v g9 4 0 0 节气门控制器无缝连接。实验框图如图2 3 所示。a v l 五组份排放分析仪a v l c e b 高性能排放分析仪有数据采集软件的笔记本电脑a v l p u m a 数据采集器瞬态排放数据图2 3a v l 五组份排放分析仪瞬态检测性能对比实验框图实验中，设定发动机瞬态工况为：匀速10o s 启闭节气门，重复2次，间隔10s 。实验所获得的排放数据及修正结果如图2 4 所示。由图2 4 ( a ) 可见，a v l 五组份排放分析仪在检测瞬态工况下的发数据序列( n )( a ) 修正前。爹s_吝z( b ) 修正后图2 4瞬态排放检测性能对比试验检测结果动机排放时，检测结果确实出现了幅值畸变。考虑到瞬态排放是一个过程，而不是一个数值，应当在整个过程中加以考察和分析，因此可以通过寻找幅值修正系数k ，将a v l 五组份排放分析仪检测结果扩大k 倍予以修正，获得和a v lc e b 高性能排放分析仪相接近的结果，图2 4 ( b )为修正后的实验结果。通过进一步实验与分析，课题组还得出结论【l6 】：在将a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 型五组份排放分析仪应用于瞬态排放的间接检测时，较为合适的节气门角加速度值应小于3 5o s 2 ，过大的节气门角加速度会使通过幅值修正系数k 进行幅值畸变修正的方法失效。2 3 2 符号时间序列分析方法和s h a n n o n 熵【1 7 】符号时间序列分析方法是从符号动力学理论1 1 8 , 9 】和信息理论发展起来的一种分析方法，其实质是对时间序列符号化。符号化的基本思想就是在几个可能值上对时间序列进行离散，把具有许多可能值的数据序列变换为仅有几个互不相同值的符号序列。这是一个“粗粒化过程，能够捕获大尺度的特征，从而可以降低动力学噪声和测量噪声的影响。符号时间序列分析方法对于噪声的不敏感性，使得国外学者已经将其运用到研究发动机燃烧循环的可变性 2 0 2 2j 、检测发动机失速的早期行为【23 1 、机身振动等一类瞬态数据的分析工作中，结果表明对具有非平稳强时变特征的发动机信号非常有效。符号时间序列分析方法中有一个重要的统计量s h a n n o n 熵，从课题组已开展的一系列研究工作中可知，s h a n n o n 熵可以有效地评价发动机的瞬态排放状况。o雪苔一吝譬一盆毒毛_子u时间序列s( 1 ) 冷起动过程时间序列s( 1 ) 冷起动过程时间序列s( 2 ) 暖车过程( a ) h c 成分时间序列s( 2 ) 暖车过程( b ) c o 成分一5事2毛51吝j5uo时间序列s( 3 ) 加速滑行过程时间序列s( 3 ) 加速滑行过程图2 5 吉利i i q 6 3 6 0 e 1 尾气中l l c 和c o 成份的时间信号课题组选取了三种实验车型：吉利h q 6 3 6 0 el 、北京b j 2 0 2 4 u i 、富康新自由人r p c ，分别就冷起动、暖车、置于底盘测功机的加速滑行( 2 5k m h 一4 0k m h0k m h ) 三种瞬态工况进行了实验。三台实验车型中，吉利h q 6 3 6 0 e1 尾气的h c 和c o 成份时间信号如图2 5 所示，另外两种车型的h c 和c o 成份时间信号亦相类似。从图形上直观来看，排放尾气中某一成份曲线所包围面积的量值大小反映了排放量值的大小。发动机燃烧质量越差，排放量越大，所包围面积的量值就越大。表2 1 是实验的三种车型中h c 及c o 成份的s h a n n o n熵平均值和曲线所包围面积的平均值。表2 1s h a n n o n 熵和曲线所包围面积平均值车型排放成份s h a n n o n 熵平均值面积平均值h co 8 06 7 3 10 410 。6 sv o l吉利h q 6 3 6 0 e1c oo 7 514 6 3510 2 sv o lh c0 7 32 9 6 10 410 。6 sv o l北京b j 2 0 2 4 u 1c oo 7 72 0 4 0 510 2 sv o lh c0 6 72 7 8 10 410 。6 sv o l富康新自由人r p cc o0 7114 0 。4 910 2 sv o l由表2 1 可以看出s h a n n o n 熵和面积值之间具有基本相同的变化趋势，说明两者之间有着某种对应的关系，可以采用面积值来评价排放，也可以采用s h a n n o n 熵。但是直接采用面积值评价排放有两个不足之处：以面积值表征瞬态过程中的排放量，虽然其直观意义明显，但是物理含义不甚明确，尤其是缺乏有关非线性非稳态系统的理论层面解释，显然瞬态排放过程属于这一类系统形式。面积值单位量的物理含义不明显，且不同排放成份的面积值要以不同单位量表示，例如h c 排放成份的面积单位是10 - 6 sv o l ，而c o 排放成份的面积单位是10 。2 sv o l ，既不方便使用也不易理解，最好能够统一设置瞬态排放评价指标。s h a n n o n 熵正好可以弥补上述不足，因为s h a n n o n 熵恰是描述非线性非稳态系统的一个无量纲统计量，在理论层面能够较好地解释瞬态排放过程中数据紊乱变化的程度和量值的大小。排放信号的s h a n n o n 熵越大，其随机紊乱程度就越大，发动机中的燃烧质量就越差，排放量也就越大。如果再进一步排除发动机缸数的影响，“单缸s h a n n o n 熵 更能够反映发动机的瞬态排放状况。所以单缸s h a n n o n 熵提供了一种能够定量描述发动机不同瞬态工况排放程度的评价参数。第三章汽车尾气排放远程移动检测系统的研制3 1 汽车尾气排放远程移动检测系统的总体设计3 1 1 检测系统的组成所设计的汽车尾气排放远程移动检测系统由a v l 五组份排放分析仪、控制计算机、e t p r o + + 无线m o d e m ( 以下简称为无线m o d e m ) 和运行于w i n d o w s 系统平台下的汽车尾气排放远程移动检测软件( 以下简称为检测软件) 等组成，系统设备组成及框图见图3 1 ，设备参数见附录d 。检测系统硬件部分检测系统软件部分：l 一图3 1 汽车尾气排放远程移动检测系统总体组成框图3 1 2 检测系统的功能汽车尾气排放远程移动检测系统可以实现以下功能：在车载条件下对实验车辆的各项检测参数进行实时检测；检测数据的实时显示( 表格和曲线图) ；排放数据面积特征值的计算；排放数据面积特征值远程传输( 短消息方式) ；检测数据的存储( e x c e l 格式) 。3 2 汽车尾气排放远程移动检测系统的检测参数与检测方法3 2 1 检测参数汽车尾气排放远程移动检测系统的检测参数包括排放污染物、车速以及过量空气系数。根据国家排放法规的限制内容，检测汽车尾气排放中c o 和h c 的体积分数含量。3 2 2 检测方法汽车尾气远程移动检测系统的检测方法由所使用的a v l 五组份排放分析仪所决定，采用直接采样法 17 1 对汽车尾气进行检测。使用采样泵直接采集一定量的气样，经过滤和除湿后供排气分析仪分析。其流程如图3 2 所示。过谵千燥图3 2直接采样法流程示意图在研究中，采集气样的采样点设置于排气尾管的出口部分。a v l 五组份排放分析仪的采样管总长约8m ，采样点设置在排气尾管内30 0m m处。使用时，将采样探头( 内径4 6m m 不锈钢管，管壁上开14 l6 个直径2 - 4m m 小孔) 插入排气尾管内采样点处，如图3 3 所示。对于车速的检测，所使用的方法是通过扩展a v l 五组份排放分析仪测量发动机转速的功能，用以检测汽车车速传感器产生的车速信号，从而得到实际车速，“3 3 2 将详细介绍。3 2 3 评价方法图3 3 探头安装位置研究中设置了两种评价方法及其对应的特征参数对实验数据进行分析与评价。根据“2 3 2 ，在通过排放物面积特征值对发动机燃烧质量与排放状况进行评价的基础上，引入符号时间序列分析方法中的统计量s h a n n o n 熵对发动机排放随机紊乱程度进行评价，进而对发动机燃烧状态进行评价。3 3 汽车尾气排放远程移动检测系统的硬件组成3 3 1 硬件总体设计汽车尾气排放远程移动检测系统的硬件主要由a v l 五组份排放分析仪、控制计算机和无线m o d e m 组成，各部分之间的数据传输通过r s 2 3 2串口及u s b 接口完成，系统供电由12 v 独立蓄电池配合电源逆变器提供。a v l 五组份排放分析仪：负责排放数据及车速数据的检测，将所有非电量信号和模拟信号转换成数字信号提供给控制计算机。控制计算机：负责从a v l 五组份排放分析仪接收数据，并对数据进行处理。包括数据的还原、特征值的计算以及控制无线m o d e m 对数据进行远程发送等等。无线m o d e m ：负责通过g s m 短消息进行远程通信与数据的发送。系统的硬件组成如图3 4 所示，设备参数见附录d 。排放及车速数据a v l 五组份排放分析仪u s b 转r s 2 3 2控制计算机r s 2 3 2串口独立蓄电池1 2 v 直流2 2 0 v 交流电源逆变器图3 4 汽车尾气排放远程移动检测系统硬件组成框图数据发送3 3 2 车速检测a v l 五组份排放分析仪具有测量发动机转速的功能。研究发现，该功能的实现与排放分析仪对点火脉冲频率的测量有关。在此基础上，设计了车速检测方案，通过将车辆行驶时由车速传感器产生的车速信号送入a v l 五组份排放分析仪，得到车速信号频率