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[分享] 整车排放测试法规及车载排放测试技术

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发表于 2015-5-20 03:42:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
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株式会社堀场制作所(以下简称“堀场”)开发的OBS-2200主机单元体积较上一代OBS-1000的体积减少了55%,重量也减轻了55%,而且功率较小,非常适用于车载排放测量,不仅为重型车整车排放测试提供了技术手段,并且也将在动力系统等研发过程中起到了重要的作用。
        重型汽车整车排放测试新法规
        目前,我国的机动车排放国家标准为等效采用欧洲机动车排放标准体系,3.5t以上重型车辆仅按照发动机工况试验,无需进行整车工况测试。但是发动机试验工况与车辆的实际使用工况之间存在明显的差异。另外,同一款发动机,匹配不同动力系统后,其整车实际工况排放差别很大。
       

整车排放测试法规及车载排放测试技术

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        据北京市环保局消息,目前北京市的重型柴油车保有量不到30万辆,仅占全市机动车保有量的5%左右,但是其排放的NOX占全市机动车排放的50%以上。因此,北京市政府新近针对3.5t以上重型汽车实施了两项重型汽车地方标准,《重型汽车排放污染物排放限值及测量方法(车载法)》(DB11/965-2013)和《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(台架工况法)》(DB11/964-2013)。特别是DB11/965-2013车载法的发布,弥补了现有法规中部分道路行驶工况点在台架试验中未得到体现的缺陷,加强了重型柴油车实际道路运行下排放的监管,为GB17691-2005标准的有力补充。
       

整车排放测试法规及车载排放测试技术

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        实际上,美国和欧盟近年来一直就重型车车载排放测试技术和方法进行研究。美国在2006年颁布的美国联邦法规(CFR)40号文件86章1370-1372及1065章J节,对重型车排放测试方法进行了详细的描述和规定。该法规要求新的重型车发动机必须进行实际道路上基于便携式排放测量系统(PEMS)的排放测试。由于发动机台架试验是在规定的工况下进行,为了保证整车排放测试与发动机台架测试的一致性,在CFR1065法规中对整车行驶过程中发动机的运行条件进行了规定,即NTE(Not to Exceed)区,该判定方法也被称为“NTE法”。欧盟也对基于PEMS测试系统的重型汽车排放测试研究,并在EU NO. 595/2009修订草案中建议将在VI阶段实施基于功基窗口法的PEMS测试方法。
        另外,随着对重型整车动力系统的研究,在实际道路情况下,重型整车排放测试也变得越来越重要。
       

整车排放测试法规及车载排放测试技术

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        车载排放测试系统OBS
        作为发动机排放测试领域的领先者,堀场早在20世纪90年代就对车载排放测试设备进行了研究和开发,并推出了第一代车载排放测试系统OBS-1000。为满足CFR1065法规的要求,对OBS-1000的分析单元、体积、功率等均进行了改进和优化,并与2005年开始推出新一代满足CFR1065法规要求的车载排放测试系统OBS-2200。
        1. 车载排放测试系统OBS-2200
        新一代车载排放测试系统OBS-2200由分析单元模块、主控及数据处理系统、皮托管流量计及采样管路、ECU数据通信单元、蓄电池和外部信号等组成(见图1)。
       

整车排放测试法规及车载排放测试技术

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        2. 分析单元模块
        (1)加热式真空型分析单元
        分析单元模块包括一套用于THC测量的加热式HFID分析单元、一套用于NOX测量的加热式HCLD分析单元及一套HORIBA专利技术的加热式HNDIR分析单元用于CO、CO2和H2O的测量。因此,所有的成分均在湿态测量,无需过滤发动机排气中的水分。
        为了减少柴油机排放中大碳氢分子的凝结,采样系统需进行加热处理。通常,加热式采样系统需要加热式采样泵。这样不仅使系统的功率消耗变大,而且加热泵的体积也比较大。为了减少系统的功率消耗,并使整个系统的尺寸尽可能的小,所有的分析单元均采用半真空型,使加热区域减小。OBS-2200系统功率消耗小于300W,整体尺寸相比第一代OBS-1000减小55%,为350mm(W)×330mm(H)×500mm(D);质量减小55%,仅为29kg。
       

整车排放测试法规及车载排放测试技术

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        (2)加热式HNDIR分析单元
        为了更准确地测量排气中的CO和CO2值,堀场开发了加热式HNDIR分析单元(见图2)。该分析单元可以同时测量CO、CO2和H2O,而无需对样气进行除湿处理。OBS-2200将通过测量得到的H2O浓度,对CO、CO2值进行修正计算,从而减少H2O对CO和CO2测量的干涉影响。另外,H2O浓度也用于HCLD分析单元NOX测量时进行熄光修正。
        (3)加热式HCLD分析单元
        采用HCLD方法进行NOx测量时,排气中大分子的H2O和CO2会对不稳定NO的光子产生熄光,从而使测量值产生负误差。CFR 1065规定CLD分析单元的H2O+CO2的熄光应小于±2%。OBS-2200由于采用负压型分析单元从而减少了熄光的可能性,另外,通过测量得到的H2O和CO2浓度,对NOx值进行修订。图3所示为 CO2的熄光修正,图4所示为H2O的熄光修正。
       

整车排放测试法规及车载排放测试技术

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        (4)分析单元的响应时间
        由于样气管路长短、分析单元原理等不同,分析单元的响应时间也不同。为满足实时测量的要求,CFR1065要求所有分析单元必须进行响应时间的校准,校准后分析单元之间响应时间差别不能超过1.0s。另外,最快分析单元的响应时间T10-90应不小于最慢分析单元响应时间T10-90的75%。OBS-2200系统中采用了一种缓冲技术,通过控制进入各分析单元样气的流量和流速,从而使快速响应的分析单元响应减慢。图5所示为OBS-2200为校准后的分析单元的响应时间。校准后的响应时间为CO∶T10-90 = 1.4s、CO2∶T10-90=1.5s、THC∶T10-90 = 1.6s和NOX∶T10-90 = 1.6s。响应时间差为0.2s,远优于法规的要求。另外,最快响应分析单元CO(1.4s)与最慢响应分析单元THC(1.6s)之比为87.5%,也优于法规75%的要求。
        3. 高精度皮托管流量计
        OBS-2200采用一套高精度的皮托管流量计对车辆发动机的排气流量进行测量。以一辆1.6L汽油机在转鼓上进行FTP75测试时皮托管流量计的测试情况为例,采用采样频率为1.6Hz传感器测量结果与SAO流量计的对比(见图6),可以看到在某些怠速区域偏差较大。采用2.0Hz传感器测量结果与SAO流量计的测量有很好的吻合(见图7)。
       

整车排放测试法规及车载排放测试技术

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        4. 与试验室排放测试系统的对比
        图8和图9所示为在试验室中采用一辆2.0L汽油车在转鼓上进行FTP75 1阶段试验时,OBS-2200与MEXA-7100D测量数据的对比。从图中可以看到OBS-2200与MEXA-7100D所测量的CO、CO2、THC及NOx的浓度值有很好的相关性。
        在试验室中,OBS-2200与CVS测试系统的测量也进行了对比。图10为在美国西南研究院进行的对比试验,从图中可以看出OBS-2200与CVS测量的质量值也有很好的相关性。
        另外,堀场还进行了7次重复性试验,可以看到OBS-2200本身测量结果的重复性以及与CVS测量结果对比的重复性均非常优秀(见图11)。
        总结
        堀场开发的OBS-2200完全满足美国CFR 1065排放法规和欧盟的相关法规。同时,堀场联合国内相关专家开发了满足DB11/965-2013标准的测试分析软件包,满足DB11/965-2013中NTE和功基窗口法的测试要求,并自动生成测试报告。
        OBS-2200所有分析单元均采用加热湿式分析单元,不仅可以测量CO、CO2、THC和NOx,而且还可以测量排气中的H2O,提高CO、CO2和NOx测量精度。OBS-2200主机单元体积较上一代OBS-1000的体积减少了55%,重量也减轻了55%,而且功率较小,非常适用于车载排放测量。OBS-2200不仅为重型车整车排放测试提供了技术手段,并且也将在动力系统等研发过程中起到重要的作用。
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