CN105181343B - 适用于装有obd的重型汽车的简易车载排放测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试方法，该方法利用简易车载排放测试系统对重型汽车尾气中NOX、CO2、CO和HC浓度开展在线测试，同时读取发动机运行参数(转速、扭矩、燃油喷射速率)，基于以上数据计算以g/kWh为单位的NOx排放系数。本发明与相对成熟的欧洲功基窗口法相比，省去了对功基窗口的大小以及滑动平均的功基窗口比排放等的测算，大大简化了数据分析工作；能够便捷、快速、准确地判断国四及以后重型汽车的NOx排放水平，用于重型汽车排放的现场检查等。

Description

适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试方法
技术领域
本发明涉及一种重型汽车排放测试系统及方法，尤其涉及一种装有OBD的重型汽车车载排放测试方法。
背景技术
重型汽车排放测试的法规方法主要是在实验室发动机台架上进行模拟测试。发动机台架测试容易控制测试工况，其测试结果具有较好的重复性，是目前重型汽车排放检测中最常用的方法。
但台架模拟测试是按设定的工况测试发动机的排放，不能真正反映重型汽车在实际道路上行驶时的排放特征。对在用重型汽车进行排放测试时，发动机台架测试方法也存在操作复杂、耗时长、费用高等问题。
针对日益突出的重型汽车实际道路排放监管需求，国内外开发了车载排放测试系统(portable emissions measurement system，PEMS)。重型汽车车载排放测试示意图如图1所示，该系统一般采用：
1、不分光红外分析法(NDIR)测量CO和CO2；
2、用氢火焰离子检测器(FID)测量THC(总碳氢化合物)；
3、不分光紫外分析法(NDUV)或化学发光法(CLD)测量NO和NO2；
4、用电化学法(EC)测量O2；
5、用尾气流量计测量排气流量；
6、用全球卫星定位系统(GPS)，逐秒记录重型汽车行驶过程中的地理位置(即经度、纬度和海拔高度)和行驶速度；
7、用OBD读码器(即ECU通讯模块)读取发动机的运行参数(如转速、扭矩、负荷等)。
车载测试得到的是单辆车在实际道路上的排放情况，可以为实际行驶条件下机动车排放特征的分析和模拟提供有效的数据支持，但其设备组件较多，操作较为复杂，耗时较长(约需1天)，主要应用于法规要求的重型汽车排放在用符合性监管，但难以做到快速检测。
发明内容
本发明目的是提供一种能够快速测试大量样本、能在庞大的车队中及时发现超标车辆的重型汽车简易车载排放测试方法。
本发明的技术解决方案是：
一种适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试系统，包括气路系统、尾气分析系统、数据采集和处理系统，其特殊之处是，所述气路系统包括零气或量距气气路、样气处理单元、废水和废气单元；所述样气处理单元包括依次串联的采样管、冷凝管、除水器、样气泵；所述废水和废气单元包括废水管和废气管；所述采样管的入口与重型汽车尾气管出口相通；所述除水器的出气口与样气泵的入口相通，其出水口与废水管相通；所述尾气分析系统包括控制阀单元、颗粒物过滤器、常规尾气分析仪；所述控制阀单元包括单向阀和三通阀；所述单向阀的入口和零气或量距气气路相通；所述三通阀A、B、C口分别与单向阀的出口、样气泵的出口、颗粒物过滤器的入口相通；所述常规尾气分析仪的入口与颗粒物过滤器出口相通，其出口与废气管相通；所述数据采集和处理系统包括OBD读码器、数据存储器、数据处理和输出设备；所述OBD读码器读取重型汽车的发动机瞬时运行参数；所述数据存储器实时记录和存储常规尾气分析仪测试所得的重型汽车尾气污染物浓度和OBD读码器读取的重型汽车发动机瞬时运行参数；所述数据处理和输出设备提取数据存储器中的数据进行分析处理。
上述常规尾气分析仪为常规的汽车尾气五气分析仪，其采样频率≥1Hz，采用不分光红外法测试CO2/CO/HC浓度，采用电化学法测试NOx和O2浓度。
上述三通阀用于实现单一的A口进C口出或单一的B口进C口出。
上述发动机瞬时运行参数包括但不限于转速、扭矩、燃油喷射速率；所述数据处理和输出设备的分析处理包括数据甄选、自定义函数编辑、统计分析和测试结果判定。
一种基于上述简易车载排放测试系统的适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试方法，包括以下步骤：
1)用简易车载排放测试系统测量被测重型汽车尾气污染物浓度以及发动机运行参数，按公式(1)和(2)分别计算NOx瞬时排放速率和发动机瞬时输出功率；所述尾气污染物包括NOx、CO2、CO和HC；所述发动机运行参数包括转速、扭矩和燃油喷射速率；
式中：为重型汽车尾气NOx瞬时排放速率，g/s；
和MC分别为NO2和C的摩尔质量，mol/g；
NOxconc.、CO2conc.、COconc.、HCconc.分别为重型汽车尾气NOx、CO2、CO、HC瞬时体积排放浓度，单位分别为ppm、％、ppm、ppmC；
FC为燃油瞬时喷射速率，g/s；
Wc为燃油的含碳量，％；
式中：P为重型汽车发动机的瞬时输出功率，kW；
Torq.为重型汽车发动机的瞬时净扭矩，N·m；
n为重型汽车发动机的瞬时转速，rpm；
2)利用NOx排放速率和发动机瞬时输出功率按公式(3)求出以g/kWh为单位的NOx排放系数
式中：为重型汽车尾气NOx瞬时排放速率的算术平均值，g/s；
为重型汽车发动机的瞬时输出功率的算术平均值，kW；
3)对测试结果进行判定：
若NOx排放系数比功基窗口NOx比排放的参考限值小，可初步判定被检重型汽车的尾气NOx净化装置工作正常，否则工作不正常。
上述步骤1和/或步骤2还包括测试数据甄选环节：
若测量数据中存在发动机瞬时输出功率小于设定阈值的数据点，则认定为低负荷工况点，该数据点不参与NOx排放系数的计算。
当被测重型汽车以城市道路为主要运行区域时，所述设定阈值为该车发动机额定功率的15％；其余被测重型汽车的设定阈值为该车发动机额定功率的20％。
本发明的优点：
1、本发明系统的结构简单、成本低。本发明简易车载排放测试系统可省去法规PEMS系统中的尾气流量计、GPS等设备，仅需尾气分析仪一台、OBD读码器一台、数据输出设备一台(如图2所示)，其中尾气分析仪选择常用的汽车尾气五气分析仪，可以使用车载供电或体积较小的电池。
2、本发明系统可大大缩短仪器预热时间，检测周期短，小于30min。
3、本发明方法使用过程简单。可大大简化法规PEMS方法，利用简易车载排放测试系统重点对重型汽车尾气污染物浓度和发动机运行参数开展测试，能够更加便捷和快速地判断重型汽车的NOx排放水平，用于重型汽车排放的现场抽查和路检等。
4、本发明方法将测量数据中测试车辆发动机瞬时输出功率小于额定功率的20％的数据点(对城市车辆为小于15％的数据点)，认定为低负荷工况点，不参与NOx排放系数的计算，提高了分析结果的可靠性。
附图说明
图1是现有重型汽车车载排放测试示意图；
图2是本发明重型汽车简易车载排放测试示意图；
图3是本发明重型汽车简易车载排放系统原理示意图。
具体实施方式
本发明适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试系统仅需尾气分析仪一台、OBD读码器一台、数据输出设备一台，可用于重型汽车排放的现场抽查和路检等。
本发明适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试系统包括气路系统、尾气分析系统、数据采集和处理系统，气路系统包括零气或量距气气路、样气处理单元、废水和废气单元；样气处理单元包括依次串联的采样管、冷凝管、除水器、样气泵；废水和废气单元包括废水管和废气管；采样管的入口与重型汽车尾气管出口相通；除水器的出气口与样气泵的入口相通，其出水口与废水管相通；分析系统包括控制阀单元、颗粒物过滤器、常规尾气分析仪；控制阀单元包括单向阀和三通阀；单向阀的入口和零气或量距气气路相通；三通阀A、B、C口分别与单向阀的出口、样气泵的出口、颗粒物过滤器的入口相通；常规尾气分析仪的入口与颗粒物过滤器出口相通，其出口与废气管相通；三通阀用于实现单一的A口进C口出或单一的B口进C口出，即用于切换零气(或量距气)以及样气进入颗粒物过滤器；数据采集和处理系统包括OBD读码器、数据存储器、数据处理和输出设备。
尾气分析仪选择常用的汽车尾气五气分析仪(CO2/CO/HC浓度测试采用不分光红外方法(NDIR)；NOx和O2浓度测试使用电化学方法)，采样频率为1Hz，实时测试重型汽车尾气污染物的浓度(CO2为％，其余组分为ppm)。重型汽车简易车载排放系统原理示意图如图3所示。相比法规PEMS系统简单很多，可以使用车载供电或体积较小的电池，也可以省去图1中的尾气流量计、GPS等设备，并大大缩短仪器预热时间。
本发明方法操作便捷，耗时短(～30min)，将能够更加便捷和快速地判断重型汽车的NOx排放水平，筛选出尾气净化技术(如SCR)失效的高排放车，从而开展进一步的监管(包括法规测试)和补救工作。
本发明适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试方法可仅使用尾气NOx和CO2浓度和发动机实时运行参数来测算以g/kWh为单位的NOx排放系数。与参考限值(如DB11-965功基窗口法排放限值)对比，可初步判定被测重型汽车的尾气NOx净化装置工作是否正常。例如对一辆国四重型柴油车，简易车载排放测试方法的NOx排放系数为10g/kWh时，通过与国四重型柴油车功基窗口NOx比排放的参考限值(DB11-965中为7g/kWh)比较，可初步判断其尾气NOx净化装置工作不正常。与相对成熟的欧洲功基窗口法相比，省去了对功基窗口的大小以及滑动平均的功基窗口比排放等的测算，大大简化了数据分析工作。
考虑到发动机低负荷工作状态下的NOx比排放并不能真实反映排放水平的高低，因此在计算NOx比排放时，需要将低负荷工况去除。车载排放测试方法的功基窗口法只将窗口平均功率不低于20％的数据点作为有效数据。为了与功基窗口NOx比排放进行比较，本方法仍推荐发动机瞬时输出功率大于额定功率20％的数据为有效数据；鉴于城市车辆日常多处于低速低负荷运行状态，故对其则推荐发动机瞬时输出功率大于额定功率15％的数据为有效数据。
适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试方法不仅可用于重型汽车NOx排放控制水平的快速判断，还可以推广到非道路工程机械中，用于快速分析在用工程机械的NOx排放控制水平，以加强非道路工程机械的NOx排放监管工作。

Claims (3)

1.一种适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)用简易车载排放测试系统测量被测重型汽车尾气污染物浓度以及发动机运行参数，按公式(1)和(2)分别计算NOx瞬时排放速率和发动机瞬时输出功率；所述尾气污染物包括NOx、CO2、CO和HC；所述发动机运行参数包括转速、扭矩和燃油喷射速率；
<mrow> <msub> <mi>ER</mi> <mrow> <msub> <mi>NO</mi> <mi>x</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>M</mi> <mrow> <msub> <mi>NO</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mi>C</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>NO</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mi>c</mi> <mo>.</mo> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mn>10000</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>CO</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mi>c</mi> <mo>.</mo> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>CO</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mi>c</mi> <mo>.</mo> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>HC</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mi>c</mi> <mo>.</mo> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mi>F</mi> <mi>C</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>W</mi> <mi>c</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：为重型汽车尾气NOx瞬时排放速率，g/s；
和MC分别为NO2和C的摩尔质量，mol/g；
NOxconc.、CO2conc.、COconc.、HCconc.分别为重型汽车尾气NOx、CO2、CO、HC瞬时体积排放浓度，单位分别为ppm、％、ppm、ppmC；
FC为燃油瞬时喷射速率，g/s；
Wc为燃油的含碳量，％；
<mrow> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>T</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>q</mi> <mo>.</mo> <mo>&amp;times;</mo> <mi>n</mi> </mrow> <mn>30000</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：P为重型汽车发动机的瞬时输出功率，kW；
Torq.为重型汽车发动机的瞬时净扭矩，N·m；
n为重型汽车发动机的瞬时转速，rpm；
2)利用NOx排放速率和发动机瞬时输出功率按公式(3)求出以g/kWh为单位的NOx排放系数
<mrow> <msub> <mi>EF</mi> <mrow> <msub> <mi>NO</mi> <mi>x</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mover> <mrow> <msub> <mi>ER</mi> <mrow> <msub> <mi>NO</mi> <mi>x</mi> </msub> </mrow> </msub> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mover> <mi>P</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>3600</mn> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：为重型汽车尾气NOx瞬时排放速率的算术平均值，g/s；
为重型汽车发动机的瞬时输出功率的算术平均值，kW；
3)对测试结果进行判定：
若NOx排放系数比功基窗口NOx比排放的参考限值小，可初步判定被检重型汽车的尾气NOx净化装置工作正常，否则工作不正常；
所述简易车载排放测试系统包括气路系统、尾气分析系统、数据采集和处理系统，所述气路系统包括零气或量距气气路、样气处理单元、废水和废气单元；
所述样气处理单元包括依次串联的采样管、冷凝管、除水器、样气泵；所述废水和废气单元包括废水管和废气管；所述采样管的入口与重型汽车尾气管出口相通；所述除水器的出气口与样气泵的入口相通，其出水口与废水管相通；
所述尾气分析系统包括控制阀单元、颗粒物过滤器、常规尾气分析仪；
所述控制阀单元包括单向阀和三通阀；所述单向阀的入口和零气或量距气气路相通；所述三通阀A、B、C口分别与单向阀的出口、样气泵的出口、颗粒物过滤器的入口相通；所述常规尾气分析仪的入口与颗粒物过滤器出口相通，其出口与废气管相通；
所述数据采集和处理系统包括OBD读码器、数据存储器、数据处理和输出设备；
所述OBD读码器读取重型汽车的发动机瞬时运行参数；所述数据存储器实时记录和存储常规尾气分析仪测试所得的重型汽车尾气污染物浓度和OBD读码器读取的重型汽车发动机瞬时运行参数；所述数据处理和输出设备提取数据存储器中的数据进行分析处理。
2.根据权利要求1所述适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试方法，其特征在于：所述步骤1和/或步骤2还包括测试数据甄选环节：
若测量数据中存在发动机瞬时输出功率小于设定阈值的数据点，则认定为低负荷工况点，该数据点不参与NOx排放系数的计算。
3.根据权利要求2所述适用于装有OBD的重型汽车的简易车载排放测试方法，其特征在于：当被测重型汽车以城市道路为主要运行区域时，所述设定阈值为该车发动机额定功率的15％；其余被测重型汽车的设定阈值为该车发动机额定功率的20％。
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