汽车检测：在用车排放测量技术分析
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1 前 言
控制汽车排放污染主要分成新车核准和在用车阶段。随着我国汽车排放标准的逐步加严，新生产车需要满足越来越严格的排放法规，以满足国家有关部门管理上的准入要求。2005 年4 月15 日国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局联合发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法( 中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》，并将在2007年7月1日于全国范围内实施，其中OBD顺延一年;经国务院批准，北京市于2005 年12月30日开始提前实施轻型汽油车国家三阶段排放标准，并规定自2006年12月1日以后在京上市的所有新车必须装有OBD系统，从而可以随时监测车辆与排放有关的零部件状态。
在2000 年实行满足欧二标准的低排放小汽车减征消费税的激励政策前提下，2002 年我国新生产车90%以上均满足了欧二排放标准的要求，而国家标准规定欧二自2004 年7月1日才在全国范围内实施，这说明新生产车提前两年时间达到了相应标准的要求，国家有关政策取得了非常大的环保成效。
新车排放标定的目标值一般控制在标准限值的50%以下，从而可以保证型式核准和一致性抽查时满足要求。随着国三标准的逐步实施，除OBD 技术外，在用车排放符合性也是该标准中不可或缺的一部分。在用车排放符合性要新车至少已经使用了15000km或6个月( 以后到达者为准);且不超过80000km或5年( 以先到达为准)，同时必须有正常的保养记录，其Ⅰ型排放结果需要符合标准限值要求[1]。在用车排放符合性需要建立样本库，这也就意味着部分车辆被排除在抽查范围以外，但在用车不论车况良好与否，只要尚未达到国家规定的车辆报废期限，仍可以上路行驶。
我国上牌以后的车辆需要实行年检制度，其中包括排放以及涉及车辆安全、灯光等，同时也包括必要的检测/维护制度(I/M制度) 。虽然在用车符合性与在用车年检(I/M制度) 均同样针对在用车辆，但二者不同的是，在用车排放符合性主要针对汽车生产厂，并且有一定的车辆族系划分和检查条件;而在用车年检制度则主要针对所有车辆用户，且两者所采用的检测设备和检测方法迥然不同。
2 我国现行的在用车检测方法
除北京地区外，我国对在用车的排放年检通常用的检测方法有两种，汽油车为怠速法或双怠速法，柴油车为自由加速烟度法。
(1) 怠速法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。标准限值和测试方法对化油器车型尚可进行高排放筛选，但自从我国禁售化油器车型后，由于怠速法限值过于宽松，工况也远远落后于电喷加三元催化的汽车排放控制技术发展，对新生产车车况较好的在用车，怠速法结果几乎为零。
2005 年国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局联合发布了新的双怠速法和简易工况法的国家标准。对于电喷加三元催化器的车辆，需采用五组分分析仪，同时规定，发动机为高怠速转速时，λ 应为1.00±0.03(或制造厂规定的范围)，从而能够在相对便捷的情况下检测车辆氧传感器的工作状态。
(2)自由加速工况与滤纸式烟度[5] [6]指柴油发动机于怠速、将油门迅速踏到底，维持4s 后松开。在该工况下，从排气管抽取规定长度的排气柱所含的碳烟，用光电法确定清洁滤纸染黑的程度。
自由加速法测量的不确定性较大，重复性差。
3 先进的汽油车和柴油车简易工况检测方法
怠速法与自由加速法共有的的弊端是试验时车辆无载荷，检测结果的代表性与真实性差。新车认证时采用EUDC 循环，通过稀释取样系统，测试车辆1220 秒(欧Ⅱ以前) 或1180 秒(欧Ⅲ以后) 的质量排放量，该工况是在车辆市区和市郊综合工况下测量车辆的排放状况，但用时长，设备及人员的造价高，根本无法在车辆年检时使用。简易工况法可以根据车辆实际使用情况，制订出合适的简化程序，利用相对低廉的设备，同时对操作人员的要求又不高，并且可以模拟汽车道路行驶阻力，克服怠速法和自由加速法测试时车辆无负荷的弊端，简易工况法主要有：稳态加载加速模拟简易工况法(ASM) 、瞬态加载工况法(IM240) 、瞬态加载简易工况法(VMAS)以及柴油车加载减速法(LUGDOWN) 等。
3.1 稳态加载加速模拟法ASM
ASM方法只有稳定的匀速过程，加载保持固定值。有两个等速工况段，一是ASM5024 工况，车速为24km/ h，按车辆加速度为1.47m/s2 时负荷的50% 对该工况进行加载，故称为ASM5024 工况;二是ASM2540 工况，车速为40km/h，按车辆加速度为1.47m/s2 (实际为1.1m/ s2 左右) 时负荷的25%对该工况进行加载，故称为ASM2540 工况。
污染物分析仪器采用下列原理：CO、HC 和CO2采用不分光红外法(NDIR)，NO 和O2 采用电化学法。
ASM设备使用和维护费用相对较低，而且操作简单，比较适合于我国的国情.但由于ASM采用等速等负荷的稳态工况，与采用瞬态工况的新车工况有很大的差异，而且其尾气测量为直接取样分析，测量结果为浓度而非质量排放，ASM与新车工况以及其它瞬态加载简易工况的相关性较差。
3.2 瞬态加载法IM240
IM240 检测设备的设计是为了满足1990 年美国环保局(EPA) 颁布的《清洁空气法》修订条例中制定的排放法规和检测配备，并规定空气污染严重的地区其I/M计划要使用IM240 设备。
IM240 试验工况采用FTP 曲线前0～333 秒的两个峰，经修改缩短为240 秒。底盘测功机为多点，以模拟道路行驶阻力和车辆加速惯量。采样系统为定容稀释取样(CVS) 。一氧化碳用非分散型红外分析仪(NDIR)，碳氢化合物用氢离子火焰分析仪(FID)，氮氧化物用化学发光分析仪(CLD)，最后的测试结果以g/km 表示。
由于相近的测试工况以及稀释取样系统，IM240 试验最后同样为质量排放量，因此与FTP 结果有很好的相关性，对高排放车的错判率较低。
但与ASM相比，IM240 的技术含量高，设备费用昂贵，维护比较复杂，检测时间较长，对检测人员的要求较高，除了试验工况的简化，其它要求基本上和新车认证时相同。
3.3 瞬态加载简易工况法VMAS
VMAS 方法界于IM240 和ASM之间，基本上吸取了二者的优点，是一种瞬态加载简易工况法。试验系统由底盘测功机、Vmas 系统、排气分析仪和主控计算机等组成[2]。
VMAS 采用的底盘测功机和运行工况与IM240一致，但采用了与ASM相似的简便式排气分析仪，即能够测量CO、CO2、HC、NOx 和O2 的五组分气体分析仪。
为了将测得的污染物浓度转化成质量，VMAS系统通过可以实时测量流量的“气体流量分析仪”和校正系统，用来实时测量稀释后气体的流量。主控计算机根据排气中各污染物成份的浓度(Cn)，标况下的密度(ρn) 以及稀释后气体的流量(Va)，计算稀释比(Diu)，以及污染物的排放质量(mn) 。
计算公式如下:
Diu=(Oa-Or) /(Oa-Od)
mn=Cn ρnVa / Diu
公式中Oa——大气中游离氧的体积浓度
Or——稀释前排气中的氧气浓度
Od ——稀释后排气中的氧气浓度
由于VMAS 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，因而准确率较高;同时它也简化了IM240 的排气分析系统，更利于节约成本以及大面积的推广使用。
3.4 柴油车加载减速法LUGDOWN
LUGDOWN 是在一定工况条件下测量柴油车的排放污染物烟度值，LUGDOWN 检测设备可实现对柴油车尾气排放和动力输出的动态检测。通过烟度计采样分析最大功率点转速下、90% 最大功率点速度、80%最大功率点速度下柴油车三个速度下的烟度值，将检测结果与标准中提供的烟度限值进行比较，只有上述3 个工况点测得的光吸收系数k 或烟度值均满足标准限值，排放测试才判定为合格。测试设备主要包括底盘测功机、不透光烟度计和发动机转速计，由计算机控制系统集中控制。
LUGDOWN 方法与传统的自由加速法测量相比，无论是重复性还是与新车工况的相关性都有很大的提高。
4 遥感测量技术
车辆尾气遥感检测技术于上世纪80 年代末开始在美国出现，目前已经在北美，欧洲，东亚等国家和地区得到了广泛的应用。遥测主要利用分子对不同波段的吸收光谱特性，当遥测设备的光源发生器发出红外光(或激光) 和紫外光光束时，其道路对面的红外线(或激光) 和紫外光反光镜又将其反射回设备的光源检测器，道路上行驶的车辆通过这些光束时，排出的尾气会对红外光(或激光) 产生吸收，红外线发射接收器通过分析接收光光谱的变化情况计算出车辆行驶中一氧化碳(CO) 、二氧化碳(CO2) 、碳氢化合物(HC) 及氮氧化物(NOx) 的排放浓度。并同时由车辆辨别系统记录下车辆的车牌，速度传感器测量其车速和加速度，气象仪器记录环境参数。
遥测具有检测效率高、不影响车辆正常行驶、防止舞弊和能较真实反映车辆道路实际排放状况等突出优点。但由于遥测技术是使用非接触式方法进行排气测量，因此，受测量条件的影响较大，测量精度和重复性相对较差。影响遥测结果的因素有车辆的实际行驶工况，道路坡度以及环境条件的变化等。遥测作为传统机动车排气检测方法的补充手段，被广泛应用于高排放车筛选、低排放车豁免、机动车排放调查和I/M项目评估等方面。
5 小结
随着排放法规的加严和排放控制技术的提高，怠速法已经不能满足低排放车辆的检测要求。以上几种简易工况检测方法根据成本以及测量的准确性而各有优缺点，应根据各地实际的大气污染情况以及汽车保有量，采用相对合适的检测方法，尤其是在车辆密度高，排放污染严重的地区，对在用车的检查力度也应该更严格。