车辆工程毕业设计67稳态加载汽油车排放测试系统设计文档格式.docx
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95.4
61.8
96
37.1
59.7
HC
79.1
--
56.7
92
81.9
NOx
54.8
41.9
20.9
22
20.3
26.9
汽车排气是低空排气，因此气体排出后首先会对人造成伤害，汽车排放的一氧化碳（CO）,碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）,碳烟、苯并花（BaP）等对人体都有直接的危害。
CO经人呼吸进入肺部，被血液吸收后能与体内血红蛋白结合成一氧化碳--血红蛋白。
CO与血红蛋白的亲和力比氧与血红蛋白的亲和力要大250倍，因而导致人体组织缺氧。
当大气中的CO浓度达70～80ppm以上时，人在暴露几个小时后，一氧化碳-血红蛋白浓度就可达10%，它影响氧的输送，阻碍血液循环，引起头痛、心跳等症状:
当人体血.液中一氧化碳-红蛋白含量为20%左右时，就会引起中毒。
当含量达60%时，即可因窒息而死亡[4]。
烃为各种碳氢化合物的总称，以符号HC表示。
汽车排出的废气中所含的烃类，成分有200多种。
其中有苯并花、硝基烯、甲醛、乙烯、丙烯醛等。
各种成分对人类的直接影响，目前还不完全清楚。
但可以肯定，苯并花（一种五个环的稠环芳香烃C20H12）和硝基烯是致癌物质。
甲醛、丙烯醛对眼睛和呼吸器官具有强烈的刺激性，对肺部防御机理产生恶劣影响。
乙烯在常见浓度下，会伤害农作物和某些观赏植物[4]。
氮氧化物有NO,NOZ,N2O3,N2O,N2O5,N2O4及NO3等。
从大气污染的角度来看，最重要的是NO和NO2，其余的氮氧化物除了NO2在环境中有少量可见外都可以忽略不计，与环境污染有关的NO和NO2总称NOx。
高浓度的NO能引起中枢神经的瘫痪及痉挛。
NO是一种褐色气体，有特殊刺激性臭味，是汽车排气中的恶臭物质成分之一，它使人中毒的症状是在发生肺水肿的同时，引起独具特点的闭塞性纤维性细支气管炎。
对健康人来说，当NOx浓度大约在16ppm时，暴露10分钟后，肺气流阻力有明显上升[4]。
黑烟通常在柴油机大负荷时产生，例如当汽车加速、爬坡及大负荷时，排气常常会冒黑烟:
黑烟不但限制了柴油机的最大输出功率，影响其动力性，而且污染大气，对人体健康不利。
黑色多孔的碳烟往往吸附有S02和致癌物苯并花等有机化合物。
一般说来，2～10um的碳烟吸入人的气管后可排出体外，对身体影响不大；
2um以下的碳烟吸入肺部后会沉积起来，而0.1～0.5um的碳烟对人体肺部危害最大，除了致癌作用外，这种碳烟吸入肺部，还会导致慢性病、肺气肿、皮肤病及变态性疾病[5]。
此外，大气中的NOx和HC在太阳照射下会发生化学反应，形成光化学烟雾光化学烟雾产生的真正罪魁祸首是NO2和HC，当空气中存在这两种物质时，经强阳光照射，在波长4000×
10-10m以下的紫外线区内会进行一系列的光化学反应，生成臭氧（O3）和过氧化酞基硝酸盐（PAN）等光化学过氧化物以及各种游离基醛、酮等成分，形成一种毒性较大的浅蓝色烟雾。
光化学烟对人的影响主要是对眼睛和呼吸道产生刺激，使红眼病患者增加，促进哮喘病人发作，并引发其它疾病。
美国洛杉矶市在1943年夏季发生了令人震惊的第一起光化学烟雾事件，使该市大多数市民患了眼红病和头疼病。
又于1955年和1970年两度发生光化学烟雾事件，前一次有400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死亡，后一次使全市居民的眼睛受害达128天之久，3/4以上市民患上红眼病。
日本东京也在1970年发生过光化学烟雾，造成6000人死亡，2万人染上红眼病[6]。
我国虽然没有发生过光化学烟雾事件，但在广州、上海、成都等地出现过多次光化学烟雾现象[5]。
汽车排气对大城市环境造成的影响尤为剧烈。
因为大城市人口稠密、汽车数量多、排气难以扩散。
而在城市现代化的过程中，政府一般都将工厂搬迁到郊区。
1.2控制汽车排放的途径
鉴于日益严重的环境污染己威胁到人类的生存和发展，联合国1992年6月在巴西里约热内卢召开了有世界各国代表团参加的环境与发展大会，通过并发表了名为《21世纪议程》的大会宣言，要求各国政府制定出各自国家相应的《21世纪议程》，以便有效地扭转全球环境日益恶化的趋势，使经济、社会与环境得以协调地持续发展[9]。
随着我国加入WTO，我国在各方面已融入了国际社会，控制汽车排放不仅可以改善国内环境，还可以改善全球环境。
所以，控制汽车排放对我们国家发展的重要性不言而喻，而且高排放车辆燃烧一般都不完全，自然要消耗更多的能源，从这个层面上讲，制定更加严格的排放标准对保护环境、节约能源、提升国际形象、提高我国汽车制造业的国际竞争能力，都有着重要的现实意义[10]。
有效控制汽车污染需作好以下两方面的工作：
第一、是实施新车排放法规，从新车开始就控制好污染物的排放水平；
第二、是对在用汽车执行严格的I/M（Inspection/Maintenance/检测/维护）制度，确保在用汽车排放控制系统正常工作，使在用车保持良好的技术状况。
1.3I/M制度的主要作用及发展过程
1.3.1I/M制度的主要作用
在用车检测与维修工作的顺利开展依赖于行之有效的制度。
美国最早以法律的形式建立了在用车检测与维修制度，叫做I/M制度。
I/M制度或称I/M计划，来源于英语InspectionandMaintenanceprogramme，其含义为检查/维修制度，简称I/M制度。
该制度在美国、加拿大主要是针对在用车排放污染物控制的制度，通过立法以及科学的质量控制、质量保证体系和管理机制，对在用车定期进行强制排放检测，发现排放超标车和私自排放控制装置的车辆，责令其限期进行修理，使在用车最大限度地发挥自身的排放净化能力。
I/M制度的基本流程如图1-1所示。
图1-1I/M制度的基本流程
I/M制度是通过对在用车进行定期（年检）和不定期（路检）的排放检测，确定排放污染严重的车辆并诊断其产生的故障原因，然后采取相应的维护或修理措施，监督检验车上原有污染控制装置工作是否正常，充分发挥汽车的自身排放净化能力，使车辆最大限度地保持原制造厂的技术指标。
实施I/M制度可以促进车辆的正常维护，使得在整个车辆使用寿命期中排放控制系统始终能够保持良好的技术状态，因此，I/M制度是目前国际上公认的在用车排放治理最有效、最快速、最经济、最合理的措施，主要表现在:
a.根据国外经验，占汽车总数10%～15%的高排放在用车排出的污染物占机动车污染物排放总量的50%，而这些车辆中绝大多数是由于没有进行良好的维护造成的，I/M制度正是着眼于治理这部分高排污车辆的排放。
因此它可以使在用车总排污量减少50%以上，这是目前任何一种所谓的净化器所望尘莫及的。
b.I/M制度治理在用车排放是发挥自身的净化潜力，结合二级维护工艺进行，无需进行大量匹配研究，因此是最快速、最立竿见影的方法。
c.随着汽车技术水平不断提高，各种新型车不断出现，需根据生产厂家的要求，制定不同的I/M检测方法与维修工艺。
因此I/M制度治理汽车排放是不会过时的，它是非常有效和非常及时的措施。
d.I/M制度的检测法规中，根据不同车型制定不同的排放限值，制定不同的工况测试方法，对控制在用车排放和减少在用车总的排放量比目前怠速法和双怠速法优越得多，因此，特别对我国而言是一种非常有效的控制在用车排放的制度。
e.I/M制度主要是利用目前现有的检测设施（除需投资测功机外）和维护体制进行治理在用车排放，因此投资少。
不像采用净化器那样，用户增加费用大，净化效果又不好。
f.如果要采用净化装置（如尾气催化净化器等），必须进行大量研究和匹配工作，不同机型要有不同的匹配和产品，费用和投资都非常大，而I/M制度用不着这种投资和费用。
g.I/M制度的管理体制中，十分重要的一条就是全部I/M检测站与I/M管理部门联网，定期向公众报告车主参与I/M制度的情况及I/M制度对清洁城市大气的贡献，使车主直接了解他们参与I/M制度后，自身及其后代所获得的好处，从而参与治理在用车排放的I/M制度。
安装净化装置是达不到这种效果。
根据国外统计资料，实行I/M制度可使在用车排放污染降低17%～25%。
北京市从1999年试行了这个制度之后其效果十分显著。
1998年在用车的排放路检合格率不到40%,1999年就上升到了68%,2000年在用车的排放碳氢化物合格率就达到了90%以上。
据《中国汽车维修市场》杂志1999年第12期介绍:
“上海对1800台桑塔纳化油器轿车、300辆解放牌货车、200辆东风牌卡车、900辆柴油车进行二级维护前后比对检测，经过二级维护之后，汽车的排放数值明显下降。
以桑塔纳为例，维护前HC的排放在200ppm。
仅有14%，维护后增加到26.4%；
维护前的CO在3%以下的仅有34.4%，维护后增加到73.4%。
哈尔滨铁路公安局机动车辆安全技术检测站，自1993年成立以来，共计受理各种机动车辆检测/维护车辆近一万辆（次），经过16个周期检测与维护，绝大部分车辆在没有经过任何“改造”，没有添加任何附件的情况下，尾气排放的状况越来越好。
1.3.2I/M制度的发展过程
美国是最早实施I/M制度的国家，各州中最早开始执行I/M制度的是加里福尼亚州（简称加州）。
加州的汽车维修局（英文为BureauofAutomotiveRepair，缩写为BAR）从1974年开始执行怠速法排放检测制度，直到1990年为止，在用车排放检测都采用怠速法。
1990年，美国颁布了“清洁空气法案修正案”，定义了极其严重、严重及适度的空气质量地区标准，确定了更加严格的新车型式认证排放标准，并要求制造厂推行全面的保修制度，即将保修范围扩大到排放。
只要用户没有使用不当的情况发生，制造厂就要对排放不达标的汽车实行保修若干年。
因此，美国环保署（EPA）规定了基本的和强化的检测规范，以及对强化检测设备的要求。
美国还第一次应用（MOBILE）电脑软件对排放控制措施进行评估。
所以，美国从1990年开始在在用车中逐步引入工况法检测。
起初只是将美国环保署用于新车型式认证中排气排放物检测的FTP检测程序浓缩一下，称为IM240工况法，用于在用车排放检测。
IM240所有的检测设备，除了底盘测功机比新车型式认证用的简单以外，排气分析仪器跟型式认证用的差不多，排气也要稀释，也用CVS系统收集排气并采样。
这种检测方法的结果跟FTP检测程序的结果之间存在很高的相关性。
但是，IM240工况法设备费用太大，为一般分散型检测/维修所难以承担。
于是，便提出采用简易的底盘测功机上额外添加负荷的方法来模拟加速工况，称为加速模拟工况法，缩写为ASM。
但是这种方法的误判率比较高，而且检测结果只能以浓度表述。
所以又在ASM的基础上添加了一种叫做VMAS的传感器，检测结果以质量表述，叫做IG240工况法。
IG240跟IM240工况法具有很高的相关性，误判率明显降低。
美国的在用车排放检测发展完善，现在不仅仅局限于排气排放物的检测，而且已经扩展到了一些附加检测:
包括车载故障诊断OBDII,油箱盖检测燃油系蒸发控制装置检测等。
此外有些检测线还可以进行全面的安全检测。
1.4I/M制度主要内容及实施I/M制度的基本要求
我国的在用车维护制度是根据汽车的安全性、动力性、经济性、可靠性和寿命来强制维护检测的，因此它的维护周期不一定与排放控制要求吻合，同时维护和检测的内容比I/M制度广泛得多，但是其中很多内容与控制汽车排污的维护内容是一致的，例如:
点火系统维护、燃油系统维护、配气系统维护、EGR和PCV阀的检测等。
国外I/M制度涉及的内容有所不同，欧洲、日本的汽车检测/维修体系包括汽车安全性和排放，实施方式与我国汽车年检相似。
美国、加拿大的I/M制度只是针对汽车排放的检测/维修制度，是一套独立的体系，制定了相应的法律、法规，例如美国的《清洁空气法》明确规定在用车实施I/M制度控制污染物排放。
此外，还有详细的I/M制度的技术法规和标准，明确了I/M制度的各项技术内容。
I/M制度的实施由各州政府负责，环保局只是审查州执行计划，采用特定的模型评价各州的执行计划是否能取得预期的效果。
如美国加州法规条例中规定了加州汽车维修管理局负责实施在用车的排放检测/维修工作。
无论是针对排放的I/M制度，还是针对汽车行驶性能的I/M制度，基本上包含2部分内容:
其一是管理支持，包括法律法规依据、质量控制和质量保证体系以及宣传教育等:
其二是技术支持，包括检测方法标准、维修诊断规范、检测/诊断/维修设备供应、数据自动传输及人员的培训。
I/M制度是一项十分严格而完善的制度，通常实施I/M制度应满足以下基本要求：
a.立法。
立法是实施I/M制度的根本保障，通过立法能够:
明确在用车排放治理的主管部门:
建立在用车的I/M管理体制;
确定检测标准、方法和应采用的检测设备:
制定科学合理的在用车排放控制质量保证期;
规定检测站、维修站的认证条件:
规定在用车必须进行定期检测、强制维护、明确车主、检测站和维修站的责任、义务，以及与机动车辆排放治理有关的处罚条款等等。
b.建立检测、维修和监督评价的管理体系。
c.建立完善的I/M网络。
d.人员培训。
对从事汽车排放治理的检测、维修及监督评价体系的人员必须经过严格的培训，并考核合格，取得资格证书后方可上岗。
e.主管部门对检测、维修企业和其所使用的检测设备进行资格认定。
f.建立完善的质量保证体系。
1.5我国I/M制度的发展现状
我国对在用车的尾气检测，汽油车过去通常用的检测方法为怠速法，（或双怠速法），都属于无负载检测法，测试价格便宜，试验方法简单快捷。
怠速法突出的弊端是检测时车辆无载荷，检测结果的代表性与真实性差。
因此逐步趋向于向工况法方向发展。
北京市于2002年对机动车排放检测设备实施了核准测试，2003年率先实施了机动车工况法排放检测，对改善北京市大气质量起到了很好的作用。
上海市于2003年开始对排放检测设备进行性能测试和研究工作，取得了一定数据，做了很多准备工作，并于2006年在全市范围内进行排放检测设备的核准测试工作和实施机动车工况法排放检测。
广州、深圳、南京、济南、沈阳、呼和浩特等城市已建立了机动车排放检测中心站，对排放检测设备进行性能测试和对当地机动车的排放状况进行摸底研究，取得了很多成绩。
其它大城市和旅游城市也都在进行工况法排放检测的准备工作。
1.6在用车尾气污染物检测方法
对在用车尾气污染物检测方法，过去汽油车通常采用怠速法（或双怠速法），而现在趋向于采用简易工况法，其包括瞬态加载法（IM240，IM195）、简易瞬态加载法（VMAS）、稳态加载加速模拟法（ASM）。
一、怠速检测法
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。
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。
双怠速测量方法要求发动机由怠速工况加速至0.7额定转速，维持60s后降至高怠速（0.5的额定转速）保持15s，读取30s内最高值和最低值的平均值为高怠速测量结果，然后降至低怠速15s后用同样方法测量低怠速的检测值。
怠速检测法的特点是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CO和HC，产生少量或不产生NOx。
其存在着以下弊端：
a、怠速法不能全面反映出汽车真实的排放状况。
一些排放达到欧Ⅰ或欧Ⅱ标准的车辆行驶了仅两万多公里，用有负载的工况法检测表明其排放已超标，但怠速检测的CO和HC结果却仍然很低，达标并远有富余。
一些新车作排放匹配试验时，也出现过怠速排放很好，工况法检测却达不到欧Ⅰ或欧Ⅱ标准。
化油器车也有类似情况：
工况法检测CO很高，超出了新车标准，但怠速检测结果却正常。
b.怠速法检测车辆无负荷，不能反映NOx的排放。
对于那些NOx排放已经很高的车，怠速法检测却无能为力。
c.对于化油器车留下作弊机会。
检测超标的车本应通过维修、保养，使车况正常，从而降低CO、HC浓度。
但一些车主在年检前自己将化油器怠速螺钉、节气门螺钉向混合气偏稀调整，偏离正常的怠速浓混合气设计状态。
混过年检后，为不使车辆启动困难，再将化油器调整恢复到原状态。
二、简易工况法
针对上述情况，一些发达国家发展了车辆有载荷检测法。
即将车辆置于底盘测功机上，车辆按规定车速在底盘测功机上“行驶”。
驱动轮带动滚筒转动，滚筒并非处于自身无阻力可旋转状态，底盘测功机会按照检测标准的事先设定向滚筒、最终向驱动轮施加一定的负荷，来模拟汽车道路行驶阻力。
车辆按一定的速度、克服一定的阻力，走完试验工况，同时测量尾气中污染物含量。
由于在用车的有载荷检测法与新车试验的完全工况法相比，设备、仪器做了简化，试验时间也缩短很多，故称为“简易工况法”。
1、瞬态加载法（IM240，IM195）
美国的瞬态工况法IM240，IM240试验工况采用美国联邦新车型式认定用测试规程FTP曲线前0～333秒的两个峰，经修改缩短为240秒，如图1-2所示。
IM240测试结果与FTP结果有很好的相关性，捕捉高排放汽车的错判率很低。
但IM240是一种技术含量高的检测方法，设备费用昂贵，维护比较复杂，检测时间较长，对检测人员有较高的要求，因此不容易普及。
图1-2IM240试验工况
另外，由于我国汽车型式论证试验采用ECE试验循环，因此，瞬态工况法采用IM195，试验循环采用了GB18352《轻型汽车排气污染物排放标准》中试验工况的市区运转循环的一个单元，见图1-3所示。
图1-3IM195试验运转循环
2、简易瞬态加载法（VMAS）
VMAS是一种瞬态加载简易工况法。
它使用与IM240相同的底盘测功机，它吸取了IM240瞬态工况、测量稀释排气量最终可得出污染物排放质量的优点，也吸取了ASM直接利用简便式尾气分析仪就可对各个污染物浓度测试的长处，采用一个被称为“气体流量分析仪”的装置来测得汽车的排气流量（经稀释），经处理计算，最终也可得出每种污染物每公里的排放质量。
该试验循环包含了怠速、加速、匀速和减速各种工况，能反映车辆实际行驶时的排放特征，与新车检测有高的相关性，准确率高，误判率仅为5%以下（以IM240准确率为100%计）。
但其价格要比ASM贵。
3、稳态加载加速模拟法（ASM）
国际上I/M制度执行较成功的国家（主要是美国）采用瞬态短工况多年之后发现，这种方法尽管有很多优点（主要是与FTP-72相关性极好），但是操作较复杂，费用高。
另外，一些污染不特别严重的地区偏爱更为简便的方法，因此提出了稳态短工况测试方法[7]。
稳态加速模拟工况（ASM）将车辆放置在底盘测功机上,模拟汽车以一定车速（一般为15mile/h或25mile/h）上坡时的道路负荷,稳定运转几分钟后,测试汽车尾气排放的HC、CO、NOx的浓度,对机动车排放废气中的HC、CO及CO2浓度进行检测采用不分光红外吸收法原理，对O2及NO浓度进行检测采用电化学传感器。
虽然IM240和VMAS240的测试结果与FTP结果有很好的相关性，捕捉高排放汽车的错判率低，但检测费用相对较高。
IM240和VMAS240的测试结果与FTP结果相关性好并不能说明IM195和VMAS195的测试结果与ECE结果相关性就一定好，其测试结果有待进一步研究验证。
IM和VMAS测试工况控制复杂，测试设备核心技术我国尚未掌握，设备依赖进口。
成功申办2008年奥运会后，2001年起，北京市开始实施IM制度，到目前为止，汽油车的尾气污染物检测方法采用的仍是稳态工况法。
可以预见，在相当长的时间内，稳态工况法是我国在用汽油车尾气污染物检测的主要方法之一。
1.7本设计的主要内容
自2000年以来北京市采用ASM法检测在用车，初期设备完全依赖进口，目前北京、广东、四川等地企业开始生产测试设备，但处于模仿阶段，核心技术没有完全掌握，有必要开展稳态加载测试系统的研究和开发。
根据论文开题报告的要求，本论文重点开发稳态加载工况下汽车排放检测系统的数据采集。
本设计的主要任务和内容是：
1、通过熟悉在用车I/M制度，了解在用汽车排放测试方法发展方向。
2、了解汽油车排气污染物生成机理和影响因素，介绍汽油车排气污染物稳态工况测试方法，明确ASM测试过程中汽车运行工况控制的必要性。
3、根据ASM测试要求，设计ASM测试系统。
4、运用虚拟仪器技术，开发测试软件，实现ASM测试过程中加载力矩和试验车速的测量。
第二章汽车排放污染物生成机理及影响因素
2.1汽车排放污染物的生成机理
人们对汽车排气污染大气的重视始于1943年[4]，半个多世纪以来人们为了控制其污染，深入研究了汽车尾气污染物的形成机理并达成了一些共识，考虑到其成分复杂，下面重点介绍三种主要污染物的形成机理。
2.1.1碳氢化合物的生成机理
汽车HC排放又称未燃烃UHC排放，是由汽车排放的没有燃烧或部分燃烧的碳氢化合物的总称。
汽油车的UHC包括排气甲的未燃烃、燃油供给系统和燃烧室的蒸发排放和泄漏排出的HC。
由汽车发动机曲轴箱排出的气体混合物其组成大约为85%的未燃燃料空气混合气和15%的废气（由燃烧室泄漏的燃烧产物），泄漏量随发动机的磨损而增加。
在没有控制的汽车上从曲轴箱通风管排入大气的泄漏气体大约为汽车HC化合物排放量的25%。
在发达国家对汽车泄漏气体己全部进行了控制，使泄漏气体由曲轴箱循环进入发动机中燃烧掉。
燃烧室中HC的生成主要有下列几条途径[2,5]。
第一类是由于多种原因造成的不完全燃烧所生成的HC；
第二类是燃烧室壁面的淬熄作用形成的HC；
第三类是润滑油及燃烧室壁面的多孔性积碳等的吸附及释放所形成的HC排放；
第四类是由于燃烧过程中狭缝效应所生成的HC。
具体有下面几种原因:
1、烃的氧化反应终止
碳氢燃料的氧化随着其温度、压力、混合比、燃料种类及分子结构的不同而有着不同的特点。
各种烃燃料的燃烧其实质是烃的一系列氧化反应，这一系列的氧化反应有随着温度而拓宽的一个浓限和稀限。
混合气过浓或过稀以及温度过低都将出现氧化反应终止，导致火焰传播中断，燃烧停止。
在烃类燃料的燃烧过程中，一般而言，即使混合比在可燃界限之内，当高温火焰贴近冷的燃烧室表面时，由于散热损失大，火焰将中断，出现所谓“壁面激冷现象”。
另外，虽然供给的混合气的平均混合比在可燃界限之内，但燃烧室内混合气浓度的分布很难保持均匀一致，难免有局部过浓或过稀现象，致使局部
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