点燃式发动机在用汽车排放测试之稳态工况法详讲

点燃式发动机在用汽车排放测试
之稳态工况法
众所周知，怠速法适合用于检测机械控制的传统化油器发动机汽车的排放，但不适合用于采用电子控制汽油喷射、燃油定量闭环控制技术的发动机和三效催化转化器的现代汽车。

所以，GB 18285-2005规定，在机动车保有量大、污染严重的地区也可采用简易工况法。

在用汽车排放测试的简易工况法共分三种，即瞬态工况法、简易瞬态工况法和稳态工况法。

稳态工况法
稳态工况法的英文全称是“Steady State Loaded”，译为“加载稳态工况法”；英文的另一种叫法是“Acceleration Simulation Mode”，缩写成ASM，GB 18285-2005沿用了这个缩写的英文名称，中文可翻译为“加速模拟工况法”。

从“加载稳态工况法”这一名称看出，做稳态工况法试验时非但汽车应保持恒定的车速，故有“稳态”之说；同时对发动机还必须额外地施加载荷。

在试验台上对行驶中的汽车的发动机施加载荷，即施加阻力矩，只有底盘测功机的电机通过转鼓才能做得到。

所以稳态工况法必须使用底盘测功机。

那么，如何加载，加多少载荷呢？试验时先将汽车加速至某一数值，然后底盘测功机额外地根据当时车速下以某一个加速度(GB 18285-2005规定其数值为1.475m/s2)加速时发动机所输出的功率乘上一个系数作为设定功率对车辆加载，即所谓“加速模拟”。

此时发动机除了提供在该车速下恒速行驶时所消耗的功率以外，还要提供克服底盘测功机额外地对汽车施加阻力矩所需的功率。

稳态工况法的检测系统
稳态工况法的检测系统由一台底盘测功机和一台带尾气分析仪的主系统组成，不需要CVS(定容采样系统)，尾气也不经稀释，见图1。

稳态工况法检测系统的特点如下：
1.底盘测功机转鼓的直径比瞬态工况法小，因而价格低廉。

2.原始尾气不经稀释直接采样。

3.尾气分析仪能测定尾气中HC、CO、CO2和NOx以及O2的浓度，通常称之为“五气分析仪”。

4.尾气分析仪采用NDIR(不分光红外分析法)分析HC、CO、CO2。

相比之下，瞬态工况法采用火焰离子法(FID)分析HC。

采用NDIR分析HC 所得数值仅为采用FID分析的60%。

5.尾气分析仪采用电化学原电池分析NOx。

相比之下，瞬态工况法采用化学发光法(CLD)分析NOx。

6.检测结果以体积分数(%或ppm)显示。

稳态工况法检测系统必须满足以下基本要求：
1.底盘测功机应装备双滚筒，滚筒直径在200mm~530mm之间，同一地区的检测项目应采用配备同一直径滚筒的底盘测功机。

可采用左右可移动式滚筒或固定式滚筒。

应保证轮胎不打滑。

2.底盘测功机应有滚筒转速测试装置。

测功机应能达到的最高车速为90km/h。

3.底盘测功机应有对汽车进行冷却的装置，该装置应在环境温度超过22℃时启动，且不得使三效催化转化器受到冷却。

4.底盘测功机的安装应保证测试汽车在测功机上试验时处于水平位置。

5.用于四轮驱动汽车的底盘测功机，其前后车轮滚筒速度同步误差应小于0.3km/h。

6.尾气分析仪的采样系统应有水分离系统、微粒过滤装置、采样泵和流量控制单元。

制造与采样气体接触的零部件的材料不得与采样气体发生反应，并且不得污染采样气体，不得改变被分析气体的特性。

采样系统必须耐腐蚀，并能耐受稳态工况法检测过程中汽车的排气温度。

7.采样探头插入汽车排气管的深度应不小于400mm，所用材料应能耐受600℃的排气温度。

8.尾气分析仪应能测试双排气管汽车。

双采样探头应保证各支管流量相同。

9.通风系统不应使尾气在探头采样点被稀释，且不能使汽车排气出口压力变化大于0.25kPa。

10.尾气分析仪应具备每秒至少一次的尾气体积分数测试能力。

11.采样与分析系统若遇下列情况之一则应自动停止工作：
● 尾气分析仪未进行充分预热
●与测试无关的气体干扰影响超过±10×10-6HC、±0.05%CO、±0.20%CO2和±25×10-6NO。

● 采样系统中HC 残留体积分数大于10×10-6。

● 零点漂移或标定时的读数漂移超过分析仪调整范围。

12.尾气分析仪应能抗电磁干扰，抗振动冲击。

13.分析HC、CO、CO2时，从输入待测气体到尾气分析仪显示终值的90%所经历的时间应小于8s，到显示终值的95%所经历的时间应小于12s；分析NO时，从输入待测气体到显示终值的90%所经历的时间应小于12s，NO稳定值读数下降到10%稳定读数值的响应时间应小于12s。

14.分析HC、CO和CO2应采用NDIR(不分光红外分析法)分析仪，分析NO应采用电化学传感器分析仪或其它等效方法。

15.系统应配备湿度计、温度计，按检测程序要求向控制计算机实时传输数据。

16.系统应配备气压计。

在大气压力变化不大的地区，系统应能够允许人工输入检测地区季节大气压力。

17.系统应配备计时器。

稳态工况法的测试运转循环
国家标准GB 18285-2005规定了在用汽车排放测试稳态工况法的运转循环图，见图2。

运转循环的操作时间示于表1。

由此可见，稳态工况法在两种稳定的车速下进行排放检测，一种车速为25km/h，另一种为40km/h。

必须说明的是，在这两种车速下进行排放检测的同时，底盘测功机额外地分别以汽车在这两种车速下加速度为1.475m/s2时的输出功率的50%(用于车速25km/h)和25%(用于车速40km/h)作为设定功率对汽车加载。

这才称得上为“加载稳态工况法” 或“加速模拟工况法”。

虽然所论的加速度相同，但是由于加速所需的功率不仅取决于阻力，而且还与车速有关，所以在这两种车速下为以上述的同一加速度加速所需提供的输出功率是不同的。

稳态工况法检测程序的实施过程
1.测试前应做好测试设备方面的准备工作和测试条件记录。

测试前应首先将汽车参数输入底盘测功机。

底盘测功机每天开机前应进行自动预热，停机或车速小于25km/h的状况持续超过30min时，也应在试验重新开始之前进行自动预热。

此预热应由系统自动控制完成，如没有按规定完成预热，系统应锁止，不能进行检测。

在每天开机开始检测前应对尾气分析仪采样系统进行泄漏检查，如未进行泄漏检查或泄漏检查未通过，则不得进行检测，系统应锁止。

每24h必须对尾气分析仪进行一次校准并用低量程标准气体进行检查，若检查未通过，则不得进行检测，系统应自动锁止。

在试验循环开始前应记录环境温度、相对湿度和大气压力。

2.测试前应做好汽车的准备工作。

发动机冷却液和润滑油温度应不低于80℃，或者达到汽车使用说明书规定的热车状态。

应关闭汽车的空调、暖风等附属装备。

备有牵引力控制装置的汽车应关闭牵引力控制装置。

如果在试验前汽车的等候时间超过20min或在试验前熄火超过5min，则应选以下任一种方法预热汽车：使汽车在无负荷状态下令发动机以2500r/min 的转速运转4min；使汽车在底盘测功机上按ASM 5025 工况运行60s。

安装自动变速器的汽车应使用前进档进行试验；安装手动变速器的汽车应使用二档，如果二档所能达到的最高车速低于45km/h ，可使用三档。

3.加速以进入ASM 5025工况：经预热后的汽车加速至25.0km/h，所经历的时间未作严格规定。

4.加载：车速达到25km/h时，底盘测功机以该车速下汽车加速度为1.475m/s2加速时的输出功率的50%作为设定功率对其加载，工况计时器开始计时(表1中的操作累计时间t=0秒)。

5.持续运转(t=0~5s)：汽车在加载状态下以25km/h±1.5km/h的速度持续运转5s后开始检测。

允许车速在25km/h±1.5km/h的误差范围内波动，但加载扭矩应随车速的波动而作相应的调整，以保证加载功率不随车速改变。

加载扭矩允许误差为该工况设定扭矩的±5%。

当底盘测功机转速和扭矩偏差超过设定值的时间大于5s，则检测应重新开始。

如果底盘测功机模拟的惯量值在计时开始后持续3s超出规定的误差范围，工况计时器将重新开始计时(回到t=0s)。

如果再次出现该情况，检测将被停止。

6.预置(t=5~15s)系统根据尾气分析仪最长响应时间进行预置(假定尾气分析仪最长响应时间为10s，则预置时间为10s)。

7.ASM 5025快速检查工况(t=15~25s)：系统从计时器计时为t=15s开始采样，每秒钟采样并分析一次，持续运行10s，到t=25s，最后根据稀释修正系数及湿度修正系数计算10s内的排放平均值，此即ASM 5025快速检查工况。

在测试过程中，若连续10s内任何1s的车速变化相对于第1s都小于±0.5km/h，则测试结果有效。

快速检查工况持续的10s内的排放平均值经修正后如果低于或等于限值的50％，则不必进行后续的程序便可判定测试合格，检测结束，可免除包括ASM 5025工况剩余的t=25~90s测试和ASM 2540检测在内的所有其它检测；否则应继续进行ASM 5025工况剩余的25~90s测试运转。

8.ASM 5025工况(t=25-90秒)：此后从t=25s继续运行至t=90s同时检测排放。

如果任何一种污染物连续10s的平均值超过限值，则不必进行后续的程序便可判定测试不合格，检测结束。

在检测过程中如果任意连续10s内任何一种污染物的排放值经修正后10次检测中有一次高于限值的500％，则也可判定测试不合格，检测结束。

如果所有检测污染物连续10s的平均值均低于或等于限值，则该车应判定为ASM 5025工况合格，继续进行ASM 2540检测。

9.再次加速以进入ASM 2540工况：ASM 5025工况检测结束后立即从25km/h加速至40km/h，所经历的时间未作严格规定。

10.调整载荷：车速达到40km/h时，底盘测功机额外地对汽车加载的设定功率调整为在该车速下以汽车加速度为1.475m/s2加速时的输出功率的25%，工况计时器重新开始计时(工况累计时间t=0s)。

11.持续运转(t=0~5s)：汽车在加载状态下以40km/h±1.5km/h的速度持续运转5s后开始检测。

当底盘测功机转速和扭矩偏差超过设定值的时间大于5s，则检测应重新开始。

如果底盘测功机模拟的惯量值在计时开始后持续3s超出所规定的误差范围，工况计时器将重新开始计时(回到t=0s)。

如果再次出现该情况，检测将被停止。

12.预置(t=5~15s)系统根据尾气分析仪最长响应时间进行预置(假定尾气分析仪最长响应时间为10s，则预置时间为10s)。

13.ASM 2540快速检查工况(t=15~25s)：系统从计时器计时为t=15s开始采样，每秒钟采样并分析一次，持续运行10s，到t=25s，最后根据稀释修正系数及湿度修正系数计算10s内的排放平均值，此即ASM 2540快速检查工况。

在测试过程中，连续10s内第1s至第10s 秒任何1s的车速变化相对于第1s都小于±0.5km/h，则测试结果有效。

快速检查工况10s内的排放平均值经修正后如果低于或等于限值的50％，则测试合格，检测结束，可免除ASM 2540后续的检测程序；否则应继续进行ASM 2540工况剩余的25~90s测试运转。

14.ASM 2540工况(25~90s)：此后从t=25s继续运行至t=90s同时检测排放。

如果所有检测污染物连续10s的平均值均低于或等于限值，则该车应判定为合格，检测结束；如果任何一种污染物连续10s的平均值超过限值，则判定测试不合格，检测结束。

在检测过程中如果任意连续10s内任何一种污染物的排放值经修正后10次检测中有一次高于限值的500％，则也判定测试不合格，检测结束。

稳态工况法检测程序的优缺点
ASM检测程序的优点是设备投资费用比瞬态工况法低廉，大约只有瞬态工况法的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，而且还只是模拟的“加速”而不是真正的加速，更不用说全面地考虑减速、怠速、巡航等工况了。

可是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控制其排放之总和，来保证排放达到法规要求的，而不是仅仅考虑个别几个工况，更不是如ASM检测程序那样仅仅考虑加速工况的排放。

此外，即使承认加速工况的排放能够说明问题，那么，ASM检测程序也不能真正代表加速工况。

因为，ASM检测程序中只是以额外的负荷来模拟加速负荷，发动机的转速却还是恒定的，但是实际上加速时发动机的转速在改变。

众所周知，这两种情况下的排放不会相同，因为转速的变化对排放是有影响的，即使负荷保持不变。

由于ASM的缺点，人们试图将瞬态工况法和ASM的优点结合起来，这就是简易瞬态工况法。

现在我们可以对双怠速法、稳态工况法、简易瞬态工况法和瞬态工况法作一比较如表2所示。

根据上述比较，笔者认为，在我国大部分地区，简易瞬态工况法最为合适。