（载运工具运用工程专业论文）汽油机瞬态排放的检测工况与评价参数.pdf

摘要汽油机在国民经济建设和人民f 1 常生活中的应用甚广，随之所造成的污染对人类及环境的危害亦趋大，世界各国对汽油机排放法规的要求也越来越严格。在城市道路运行中，尽管汽车的汽油机长时间处于起动、加速、减速等瞬态工况，通常却是在汽油机稳态运转工况下检测其排放状况并进行评判，这显然与实际使用环境相去甚远，因此研究汽油机瞬态排放的检测：1 ：况和评价参数具有重要意义。本文考虑到列于汽油机和汽油汽车，目前的瞬态排放赢接检测实验设备价值昂贵、实验工况复杂、评价参数存在不足之处等情况，利用单缸s h a n n o n 熵对汽油机的瞬态排放、汽油汽车的瞬态排放、汽汕机技术状况劣化时的瞬态排放等进行分析。本文所做的主要工作是：( 1 ) 进行血组份排放分析仪瞬态检测性能对比实验，给出了a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t i 组份捌：放分析仪幅值误差修f 步骤，形成了瞬态排放间接检测手段。( 2 ) 介绍了符号时间序列分析方法及其统计量，列树层数进行了合理的选择。( 3 ) 使用单缸s h a n n o n 熵、排放物浓度曲线的面积值等对汽油机在节气门匀加速肩一闭、匀速启一闭两类组合工况下的瞬态排放状况进行了分析。( 4 ) 使用单缸s h a n n o n 熵、排放物浓度曲线的面积值等对汽油汽车在加速一空档滑行：】况下的瞬态排放状况进行了分析。( 5 ) 使用单缸s h a n n o n 熵对汽油机在技术状况正常和技术状况劣化时的瞬态排放状况进行了分析。( 6 ) 在上述工作的基础上，选择单缸s h a n n o n 熵作为汽油机和汽油汽车瞬态排放状况的评价参数。( 7 ) 在单缸s h a n n o n 熵及所选择实验设备的基础上，确定了汽油机和汽油汽车的瞬态排放检测工况。关键词：载运工具运用工程：瞬态排放；汽油机；汽油汽车；s h a n n o n 熵；评价参数：检测工况a b s t r a c tt h es p a r k - i g n i t e de n g i n e s ，w h i c hh a v eb e e nw i d e l yu s e di nn a t i o n a le c o n o m ya n ds o c i e t y ，p r o d u c ep o l l u t a n tt ob em o r ed a n g e r o u st ot h eh u m a nr a c ea n de n v i r o n m e n t ，t h e r e f o r et h ee m i s s i o nr e g u l a t i o n sa r eb e c o m i n gs t r i c t e ra n ds t r i c t e ri nt h ew o r l d r u n n i n go nt h ec i t ys t r e e ts c e n e ，i nd e s p i t eo ft h es p a r k - i g n i t e de n g i n e sf i x e do nt h eg a s o l i n ev e h i c l e su s u a l l y , w o r k i n gu n d e rt h et r a n s i e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n ss u c ha ss t a r t ，a c c e l e r a t i o na n dd e c e l er a t i o n ，t h et r a n s i e n te m i s s i o ns i t u a t i o nisj u d g e db ) u s i n go ft h es t e a d yo p e r a t i o nm o d e s o b x i o u s l 3 ，i ti sd i f f e r e n tf r o mt h et r u e n e s ss oi tise x t r e m eyi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ed e t e c t i n gc o n d i t i o na n de v a l u a t i n gp a r a m e t e r sf o r t h ee x h a u s te m i s s i o n s i nt h et h e s i s ，t ot h eg a s o l i n ev e h i c l ea n ds p a r k i g n i l e de n g i n e ，i nv i e wo ft h ee x p e n s i v ec o s tf o rd i r e c tm e a s u r e m e n te q u i p m e n to ft r a n s i e n te m i s s i o n s ，t h ec o m p l i c a t e dd e t e c t i n gc o n d i t i o na n dt h ed i s s a t i s f i e de v a l u a t i n gp a r a m e t e r s ，t h es h a n n o ne n t r o p yo fs i n g l ec y l i n d e ri sc h o s et oa n a l y z et h et r a n s i e n te m i s s i o n sf r o mg a s o l i n ev e h i c l e sa n ds p a r k i g n i t e de n g i n e st h a ta r ei nn o r m a lo rf a u l tc o n d i t i o n st h em a j o rr e s e a r c hi t e m sa r ef o l l o w s ：( 1 ) t h ep a r a l l e le x p e r i m e n tf o rt h ep e r f o r m a n c eo ft r a n s i e n te m is s i o nd e t e c t i n go faf i v ec o m p o n e n t se x h a u s ta n a l y z e ri sc a r r i e do u t t h ec o r r e c t i n ga p p r o a c hf o rt h ev a l u ee r r o ro ft h a tw i t ht h et y p eo fa v ld i g a s4 0 0 0l i g h ti so f f e r e dt h ei n d i r e c td e t e c t i n gm e a s u r e m e n tf o rt r a n s i e n te m i s s i o n si so b t a i n e d ( 2 ) t h em e a s u r e m e n ta n ds t a t i s t i cp a r a m e t e r so fs y m b o l i ct i m es e r i e sa n a l y s tsa r ei n t r o d u c e d t h el a y e ro fs y m b o lt r e ei sr e a s o n a b l yc h o s e ( 3 ) t h es h a n n o ne n t r o p yo fs i n g l ec y l i n d e ra n dt h ea r e ao fe m i s s i o nc u r v ea r eu s e dt oa n a l y z et h et r a n s i e n te m i s s i o n ss t a t u sw h i l et h et h r o t t l e si nt h ec o n d i t i o no fa c c e l e r a t i n gt u r no n o f fa n de v e nt u r no n o f f ( 4 ) t h es h a n n o ne n t r o p yo fs i n g l ec y l i n d e ra n dt h ea r e ao fe m i s s i o nc u r v ea r eu s e dt oa n a l y z et h et r a n s i e n te m i s s i o n ss t a t u sw h i l et h eg a s o l i n ev e h i c l ei nt h ec o n d i t i o no fa c c e l e r a t i o n - c o a s t i n g ( 5 ) t h es h a n n o ne n t r o p yo fs i n g l ec y l i n d e ri su s e dt oa n a l v z et h et r a n s i e n te m is s i o n ss t a t u sw h i l et h es p a r k - i g n i t e de n g i n e si nt h en o r m a lo rf a u i tc o n d i t i o n s( 6 ) b a s e do f ft h ew o r k sa b o v e ，t h es h a n n o ne n t r o p yo fs i n g l ec y l i n d e ri s。e g a r d e da sa ne v a l u a t i n gp a r a m e t e rf o rt h et r a n s i e n te m is s i o n sf r o ms p a r k i g n i t e de n g i n ea n dg a s o l i n ev e h i c l e( 7 ) b a s e do nt h es h a n n o ne n t r o p yo fs i n g l ec y l i n d e ra n dt h et e s te o u i p m e n ts e l e c t e d ，t h ed e t e c t i n gc o n d i t i o n sa r ec o n f o r m e df o rs p a r k i g n i t e de n g i n ea n dg a s o l i n ev e h i c l ek e ) 7w o r d s ：v e h i c l eo p e r a t i o ne n g i n e e r i n g ；t r a n s i e n te m i s s i o n s ；s p a r k i g n i t e de n g i n e ；g a s o l i n ev e h i c l e ；s h a n n o ne n t r o p ) ：e v a l u a t i n gp a r a m e t e r ；d e t e c t i n gc 0 n d i t i o ni j i长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：三囊朔日期：2 0 0 60 3 月1 5 目学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l 、保密口，在一年解密后适用本授权书。2 、不保密团。( 请在以匕相应方框内打“”)作者签名：翱日期：2 0 0 6 圭f0 3 月1 5t e导师签名：咙面日期：2 0 0 6 年0 3 月1 5 日第一章汽油机瞬态排放检测工况及评价参数概述1 1 我国汽油机排放的现状随着科学技术的不断发展和进步，汽车在国民经济建设和人民日常生活中得到越来越广泛的应用。特别是9 0 年代末，我国汽车工业进入持续高增长期，2 0 0 0 年后更是以惊人的速度增长，2 0 0 1 年至2 0 0 4 年，汽车产量增长率在3 0 以上。2 0 0 4 年，我国全年生产和销售汽车5 0 70 5 万辆和5 0 7 1 万辆，分别比2 0 0 3 年增长14 1 和165 ；2 0 05 年，我国全年生产和销售汽车均大于5 6 0 万辆，已经超过俄罗斯，成为世界第三大汽车生产国。据预测，至2 0 10 年我国将拥有的轿车量有18 0 0 余万辆，到2 0 2 0 年，我国小康社会全面实现时，国内列轿车的年需求量将达10 0 0万辆以上 1 ”。目前我国的汽车主要集中在大中型城市，另外单车污染物排放因子很高，使得大中型城市大气环境污染变得日益突出。根据环保部门的研究结果表明：北京市汽车排放对大气污染物中c o 、h c 的分担率分别为6 34 、7 3 4 ：上海市中心地区汽车排放对大气污染物中c o 、h c 的分担率分别为8 6 、9 6 。因此寻找有效的排放控制技术，改善汽车的排放水平具有重要的实际意义。我国目前采用电喷和催化剂转化技术的轻型汽车能满足欧1 排放标准甚至欧l i 排放标准，部分仍采用化油器式的微型汽车也能满足欧i 标准，但是国内、外调查研究证实，城市在用车中有1o 15 排放严重超标的汽车，污染物的排放量占整个地区在用车污染排放量的50 6 0 【4 i 。根据近年来原国家机械部和国家质量技术监督局组织的汽车排放抽查和f | 常检测数据，目前我国汽车的排放水平整体上处于欧洲2 0 世纪9 0 年代初期水平。1 2 汽油机瞬态排放的检测工况现状目前汽车中使用汽油机占了很大比重，随着汽油机排放物逐渐成为大气污染的主要来源，许多国家，尤其是工业发达国家都通过制定瞬态排放检测方法限制汽油机的排放污染。目前，检测汽油机瞬态排放的方法可以分为工况法和在用车检测法两类。1 2 1 工况法汽油机瞬态工况法主要适合于对出厂的汽油机进行排放检测，条件比较严格，工况比较复杂。目前世界上琳琅满目的工况法中主要有美国、欧洲和日本三大体系，我国的排放标准以欧洲标准为基础，下面分别作简要介绍【2s 一1 。1 2 1 1 美国工况法体系( 1 ) f t p - 7 5 实验循环美国2 0 世纪7 0 年代初使用f t p 一7 2 实验循环，l9 7 5 年后改为f t p 7 5的实验循环。f t p 一7 5 实验循环是美国乘用车和轻型货车的排放标准规定的测试方法。实验总里程为17 8 6k m ，每循环里程为1 2 0 7k m ，总实验时间为24 7 7s ，每循环持续时间为l37 2s ，平均车速为31 6 7k m h ，最高车速出现在第2 4 0s 时为9 1 2k m h 。实验分为三段进行：第阶段为冷态过渡工况阶段( 0 5 05s ) ；第二阶段为稳态工况阶段( 5 0 5 13 6 9s ) ；第三阶段为热起动工况阶段( 0 5 0 5s ) ，速度曲线与冷态过渡工况阶段相同。三个阶段排放物和环境空气分别取样到三个袋中，进行分析并乘以不同的加权系数，总和即为测试结果。冷态过渡工况阶段、稳态工况阶段、热起动工况阶段等三个阶段的加权系数依次为0 43 、10 、0 5 7 。( 2 ) s f t pu s 0 6 实验循环用于乘用车和轻型货车认证的排放测试。s f t pu s 0 6 是美国增补的一个程序，用于弥补f t p 一7 5 的不足。s f t pu s 0 6 实验循环反映了汽车高速、高加速、高速时高加速和速度快速变化等运行模式，用于模拟在受蚀的公路上运行。该实验循环的总路程为1 2 8k m ，平均速度7 7 9k m h ，最高速度12 92k m h ，实验时间5 9 6s 。( 3 ) s f t ps c 0 3该循环用于模拟汽车空调系统工作时的排放。该实验循环的总里程为5 8k m ，平均速度3 4 8k m h ，最高速度8 8 2k m h ，实验时间5 9 6s 。( 4 ) 重型车工况法美国加州和联邦分别于l9 6 9 年和1 9 7 0 年规定对2 7t 以上重型汽车的汽油机采用九工况实验方法。除怠速工况外，所有工况的转速均为20 0 0r m i n ，最初规定以汽油机进气管的真空度控制实验负荷，在l9 7 7 年，联邦改用汽油机的转矩调整实验负荷，每个工况的运转时间和加权系数也作了修改。排放物用比排放量g k w h 表示。1 2 1 2欧洲工况法体系由于欧洲各国的国土面积小，为统一汽车排放标准，1 9 7 0 年欧洲经济委员会制定统一的行驶工况实验方法，最初各国的限值也不一样，到l9 7 4 年出现欧洲统一法规，称e c e 第15 号法规，即e c e r l5 ，排放物测试规范为e c e + l5 + e u d c 循环。以后大约每隔3 4 年修改一次，逐步加严限值，形成欧i 、欧i i 、欧i i i 和欧法规，今年将执行欧法规。但是2 0 0 0 年后执行的法规和以前相比有2 点不同：一是2 0 0 0 年后的法规规定汽油机起动后立即测量排放物，二是2 0 0 0 年后的法规增加了一7 下的低温排放实验。1 213 日本工况法体系日本的实验循环有10 15 模式循环、11 模式循环、13 模式循环等3种。l0 l5 模式实验循环用于模拟汽车在城市道路的平均行驶状况。1 i模式用于模拟汽车冷起动后由郊区外向市中心的平均行驶状况。13 模式循环用于重型汽油、柴油及液化石油汽车的排放物测量，其中，用于重型汽汕及液化石油汽车的实验循环称为g i3 模式循环、用于重型柴油的实验循环称为d 13 模式循环。( 1 ) 10 15 工况循环此实验规范于19 9 1 年1 1 月生效，进行1 0 i5 热起动实验时，预处理以6 0k m h 运行5m i n ，接着进行怠速工况排放实验，然后以6 0k m h运行15m i n 并进行一个15 工况循环。预处理结束后开始10 15 工况实验，即l0 工况循环3 次，加l5 工况1 次，同时测量排放物。每次实验循环次数为1 次，总实验时间为6 6 0s ，总里程为4 16k m ，s t 2 均车速为2 27k m h ( 不包括怠速时33 1k m h ) ，最高车速7 0k m h ，怠速时f 司占总实验时问314 。f 2 1 1 1 工况循环11 工况冷起动实验：11 工况循环需运行4 次，4 个循环全部计时。冷起动后怠速运行2 6s ，对3 档和4 档变速箱使用指定档位，对特殊变速箱叫吏用的变速比需单独规定，如自动变速器只能选择d 档。排气分析使用c v s 系统。实验每循环里程为l0 2 1k m ，每次实验循环次数为4 次，总里程为4 0 8 4k m ，总实验时间为5 0 5s ，每循环持续时间为12 0s ，平均车速为3 0 6k m h ( 不包括怠速) ，最高车速为6 0k m h ，怠速时间占总实验时间的2 1 7 。( 3 1 重型车工况法日本重型车采用13 工况实验法，对于汽油机、l p g 的排放物限制有h c 、c o 、n o 。等。13 工况法测试转速有额定功率转速的2 0 、4 0 、6 0 等三个转速。1 2 1 4 我国的工况法体系我国的工况法起步较晚，19 8 1 年开始制定汽车排放标准，通过不断努力，已经取得了长足的进步。但是目前没有自己的工况法实验规范，而是借用国外的标准。( 1 ) 15 工况4 循环法( e c e 15 )15 工况4 循环法即e c e 一15 ( e c o n o m i cc o m m is s i o ne u r o p e ) 规范。e c e - 15 指15 个工况连续运转4 个循环的实验方法。被试车应在2 0 3 0室温下停放6h 以上，冷起动后，先使汽油机保持怠速运转4 0s ，然后按15 个预定工况连续运转4 个循环。每循环历时19 5s ，用定容取样法取样，用n d i r 分析仪测量c o ，用f i d 或h f i d 检测仪测量h c ，用c l d测试仪或不分光紫外线共谐吸收型( n d u v r ) 分析仪测量n o 。，测出排放物的单位为g 实验，由于每次实验相当于汽车行驶的里程为4 0 5k m ，故对测出的结果除以4 0 5 ，即换算为g k m 。( 2 ) 轻型车排放工况法现行的轻型车排放实验规范由l 部( 市区运转循环e c e 15 ) 和2 部( 市郊运转循环e u d c ：e x t r au r b a nd r i v i n gc y c l e ) 组成，1 部运行工况即为e c e 一15 规范。2 部是由13 工况和1 1 工况组成，目前使用的实验规范为e c e 15 + e u d c 规范。( 3 ) 重型车工况法对于总质量大于3 5t 的点燃式汽油机，国标g b t1 4 7 6 2 9 3 规定其c o 和n o 、的测量方法用15 工况4 循环法，在无c l d 测试仪的条件下，允许采用n d i r 分析仪测量n o 。浓度。h c 的排放浓度用加热型氢火焰离子分析仪测量，温度应加热到13 0 10 ，国标规定采用九工况法( 参见g b l4 7 6 2 2 0 0 2 1 。实验要求：除怠速工况外，测功机应在稳定转速f 2 0 0 0l0 0r i m i n l l ：运转，每一工况的最初10s 内，转速偏差不得超过2 0 0r m i n 。挂档滑行工况允许误差为2s ，所有其宜，工况允许误差为4s 。汽油机每个非挂档滑行工况运转时间为6 0s ，前35s 为控制期，允许对汽油机、测功机进行调整；第3 6 5 0s 为稳定期，要求转矩值与规定值的误差保持在最大转矩的5 内；第5 1 6 0s 为排气分析期，分析排气中各成份的浓度，并连续记录，要求转矩值与规定值的误差保持在最大转矩的2 内。例如第三工况在稳定期的转矩值应保持在最大转矩的5 0 6 0 之间，而排气分析期的转矩值保持在最大转矩的5 3 5 7 之涮。1 2 2 在用车排放检测在用车的排放检测方法相对于工况法而言其工况比较简单、实验时间短、容易操作、设备较为简单，适合于对正在使用的汽车进行例行或随机检测，进而评价其排放状况。目前各国在用车瞬态排放检测方法主要有以下几种一9 1 ：( 1 ) l9 5s 简易瞬态工况法此方法是参考欧洲15 工况法，采用了15 工况法的第一个循环，包含了怠速、加速、减速、匀速共15 种工况，历时19 5s ，用定容取样法取样，我国目前使用此种瞬态排放检测方法。( 2 ) 瞬态工况i g l9 5i g l95 工况曲线取新车型式认证的欧洲工况前195s ，包含了怠速、加速、减速、等速共15 种工况，循环3 次，较为全面地模拟了车辆在路面上的行驶情况，实验时排放物的计量单位为g k m 。( 3 1 i m 2 4 0 检测法该工况采用f t p 工况的前2 4 0s ，包含各种瞬时运行、停止和起动工况，实验前车辆要预置。整个实验路程为31k m ，平均车速47 3k m h ，最高车速9 12k m h 。f 4 1 v - m a s 法这种方法是结合i m 2 4 0 和a s m 的特征，是相对较新的瞬态检测方法，但是目前处于试用了解阶段。1 3 汽油机瞬态排放的评价参数现状汽油机排放物包括水蒸气( h 2 0 ) 、氢气( h 2 ) 、二氧化碳( c o2 ) 、一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o 、) 、硫氧化合物( s o 。) 、氧气( o2 )等成份，排放法规限制的是c o 、h c 和n o 。等三种有害成份12 2 0 】。e g 前对汽油机有害排放物的评价有两种12 l ：一是对总排放量进行评价：二是对单排放量进行评价。1 3 1 汽油机总排放量的评价汽油机排入大气中的排放物总量与人类的各种社会活动排入大气中污染物总和之比可以评价汽油机污染物的排放情况。该指标通常称为污染物的分担率m 。4 i 。汽油机污染物分担率分为排放分担率和浓度分担率两类。排放分担率定义为汽油机排放某种污染物占该污染物总排放量的比例。浓度分担率则表示在一定范围内的空气污染浓度中汽油机排放污染物所占的比例大小。经常采用道路污染浓度分担率和区域污染浓度分担率的概念，分别说明在某条道路附近或某个区域内汽油机的污染浓度分担率。由于不同污染源的排放海拔高度不同，扩散特性也有差别，因此，同一地点的排放分担率和浓度分担率可能相同，也可能不同。分担率的确定是非常复杂的，目前只有部分城市公布了这方面的指标。例如北京市某一年的机动车c o 排放分担率为8 4 1 ，而浓度分担率则为7 6 8 ；n o 。的排放分担率为4 2 7 ，而浓度分担率却是7 2 8 。1 3 2 汽油机单排放量的评价对单排放量进行评价主要有以下三种评价参数m m ，9 1 ：其一是单位行驶罩程有害物质的排出量，g k m 、g m i l e ，或每次实验的排出质量，g 实验：其二是每做单位功的排出污染物质量( 一般用于重型车) ，g ( k w h 1或g ( p s h ) ；其三是污染物在排出气体中的体积浓度。由于现在的重型汽车基本上搭载柴油机，所以第二种参数不适合本文要求。而第一种评价参数一一单位行驶里程污染物的排出量或每次实验污染物的排出量，则是在第三种评价参数的基础上通过一套气体流量分析仪获得，可以计算污染物的质量，精确度提高了，同时仪器开销也将大幅度提高。所以，一般还是采用第三种评价参数。1 321 排放的体积浓度要计算排放物的体积浓度，首先要对排放物进行取样，目前取样方法包括直接取样法、全量取样法、比例取样法以及定容取样法等，然后采用不分光红外分析仪( n d i r ) 、化学发光分析仪( c l d ) 、氢火焰离子分析仪( f i d ) 以及气相色普法等分别对汽油机的各排放物成份进行分析，进而计算其体积浓度【2 20 】。132 2 排放的质量随着检测手段的进步和要求的更加严格，现在有些国家提出要测量汽车排放物的领量，在体积浓度方法的基础上增加一套气体流量分析仪，可以计算排放物的质量。现在普遍采用的仪器是美国传感器公司生产的v m a s ( v e h i c l em a s sa n a l y s i ss y s t e m l ，这种仪器由气体通道、气体流量计、氧气传感器、抽风机和温度及压力传感器等组成。其中v m a s 微处理器用来控制气体流量分析系统。仪器计算从排放分析仪、气体流量计的流量传感器和氧气传感器传来的实验数据，然后v m a s 处理器根据收到的数据通过以下公式计算每秒的排放质量1 19 , 25 】：排放质量( g s ) = 浓度密度排放流量，其中浓度( 10 - 2 v o lc o 、10 - 2 v o lc 02 、10 v o lh c 、10 6 v o ln 0 1 是从排放分析仪中采样得来的，排放物的密度在标准状态下是确定的常数，排放流量值被修正为标准状态下被测车辆的排气流量。1 4本文研究的意义及任务从上述瞬态排放检测工况和评价参数所收集的资料可知：f 1 1 目前，对于汽油机瞬态工况的研究较少。对在用车进行瞬态检测时，- 2 e 要是采用19 5s 简易瞬态工况法，实验2 1 2 况较为复杂，并且其标准是欧洲的标准。欧洲的标准是欧盟在大量实车测试基础上制定的，欧洲的道路状况和车辆行驶水平与我国的道路状况和车辆行驶水平都存在较大的差异。f 2 、目前汽油机瞬态排放状况评价方法是测量污染物在排出气体中的浓度值，进而可以计算排放物浓度日自线的面积值。这种方法有以下不足之处。以面积值表征瞬态过程中的排放量，虽然其直观意义明显，但是物理含义不是很明确，尤其是缺乏有关非线性非稳态系统的理论层次解释，而瞬态排放过程属于非线性非稳态系统。由于以上不足之处，本文试图将符号时间序列分析方法中的s h a “o “熵运用于汽油机瞬态排放分析，结合排放物浓度曲线的面积值以及汽油机实际排放状况，判断s h a n n 。n 熵或单缸s h a h l l o n 熵是否可以作为汽油机瞬态排放的评价参数，进而根据s h a n n 。n 熵、单缸s h a n n 。n 熵和所选择的实验发各等确定汽油机瞬态排放检测工况。论文主要任务包括以下几个方面：f 1 ) 建立实验平台，获取瞬态排放物浓度值数据；f 2 1 通过瞬态检测性能列比实验对a v ld i g as4 0 0 0l i g h t 五组份排放分析仪获得的实验数据进行幅值修于，形成瞬态排放间接检测手段：f3 1 判断s h a n n o n 熵或单缸s h a n n o n 熵是否可以作为汽油机瞬态排放的评价参数；一，一f 4 、分析汽油机技术状况劣化时的瞬态排放状况；( 5 ) 确定汽油机瞬态排放的检测工况。为完成以上任务，论文各章的内容安排如下。箱一章汽油机瞬态排放检测工况及评价参数的概述。综述课题的研究背景、目的和意义；箱二章汽油机主要有害排放物的生成机理及影响因素。详述了汽油机排放物中c o 、t t c 等成份的危害性及生成机理，并分析影响因素；第三章汽油机及汽油汽车瞬态实验工况的设定。在瞬态检测性能对比实验及实验设备等基础上，设定瞬态实验3 2 况，获取瞬态排放数据，同时确定修正幅值误差的方法；第四章符号时间序列理论。介绍了符号时间序列理论的基本内容；第五章汽油机及汽油汽车瞬态排放评价参数的确定。根据汽油机和汽油汽车瞬态排放的实际状况及排放物浓度曲线的面积值判断s h a n n o n熵或单缸s h a n n o n 熵是否可以作为评价汽油机和汽油汽车瞬态排放的评价参数；第六章汽油机技术状况劣化时瞬态排放的符号时间序列分析。选择技术状况良好和技术状况劣化的同一类型两台汽油机，进行瞬态排放对比分析；第七章汽油机及汽油汽车瞬态排放检测工况的确定。根据s h a n n o n熵、单缸s h a n n o n 熵和所选择的实验设备等，确定瞬态排放检测工况；总结和展望。总结全文的主要工作，提出需要进一步研究的内容。本论文的研究工作依托于国家自然科学基金资助项目：基于符号时间序列方法的汽油机瞬态排放特征分析( 批准号：5 0 17 6 0 0 6 ) 。第二章汽油机主要有害排放物的生成机理及影晌因素汽油机排放物中包括水蒸气( h 2 0 ) 、氢气( h 2 ) 、二氧化碳( c o2 ) 、一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o 。) 、硫氧化合物( s o 。) 、氧气( o2 ) 等成份，目前各国排放法规限制c o 、h c 等有害成份 2 , 20 l ，本章主要讨论c o 、h c 两种有害排放成份的危害性、生成机理及影响因素等。2 1 汽油机有害排放物的危害性随着汽油汽车拥有量迅速增长，其排放直接导致了环境空气质量的恶化，特别是在大城市中道路网密集、交通繁忙、人口密集的地区，汽油机排放已经对一部分人群的健康造成了严重威胁，特别是对儿童、老人、孕妇以及患有心脏病和呼吸系统疾病的人群，伤害更大。下面分别阐述汽油机有害排放物的危害性。2 1 1 一氧化碳( c o ) 的危害一氧化碳是无色、无味、无臭的易燃有毒气体，能与血红素相作用。一般城市中的c o 含量对植物及有关的微生物均无害，但是对人类有害。实验证明：血红素与c o 的结合能力要比与氧的结合能力大2 0 0 3 0 0 倍。因此，c o 使血液携带氧的能力降低而引起缺氧。c o 被人体大量吸入之后会使人发生恶心、头晕、疲劳症状，严重时会使人窒息死亡。2 1 2 碳氢化合物( h c ) 的危害汽油机排放的碳氢化合物主要是烷烃c 。h2 。+ 2 、环烷烃c 。h2 。、烯烃、芳香族化合物和含氧化合物醛、醇、醚类和酮类等，其中，饱和烃危害不大，不饱和烃危害性很大。甲烷气体无毒性，但是当甲醛、丙烯醛等醛类气体的含量超过1 10 - 6 v o l 时，就会对眼睛、呼吸道和皮肤产生强刺激作用；当含量超过2 5 1 0 “v o l 时，会引起头晕、恶心、红血球减少、贫血；当含量超过l0 0 0 1o “v o l 时，会出现急性中毒。苯是无色气体，但有特殊气味。带更多环的多环芳香烃，如苯并芘及硝基烯，是强致癌物质。烃类成份还是引起光化学烟雾的重要物质。2 1 3 光化学烟雾的危害光化学烟雾是排放到大气中的h c 和n o 。在太阳能( 30 0 0 40 0 0 10 。1om 紫外线) 作用下进行光化学反应生成臭氧、醛类和过氧酰基硝酸盐等形成的一种浅蓝色烟雾的二次污染物，是一种强刺激性有害气体。光化学烟雾的主要危害可以归纳为四个方面：其一，光化学烟雾中的甲醛、过氧化苯甲醛硝酸酯( p b z n ) p a n 和丙烯醛会刺激眼睛：其二，光化学烟雾中的臭氧是强氧化剂，引起胸部压缩、刺激粘膜、头痛、咳嗽、疲倦等症状；其三，光化学烟雾中的臭氧损害有机物质( 如橡胶、棉布、尼龙等) ；其四，使哮喘病增加，毁坏植物。2 2 汽油机有害排放物生成机理由于n 2 、0 2 、h 2 、c o2 等成份都是无害气体，未列入大气污染物，因此汽油机排放污染物可归纳如下：排放中主要有c o 、h c 、n o 。、s 0 2 ：曲轴箱窜气和燃油蒸发成份中的h c 。上述各种有害成份中，c o 、h c 和n o 。三者的排放量较大并且对环境有严重污染，其中又以c o 、h c 为最，而且光化学烟雾的生成又与h c和n o 。有直接关系，以下分别叙述c o 、h c 的生成机理。2 2 1 一氧化碳( c 0 ) 的生成机理 20 - 28 1c o 是烃燃烧的中间产物，排放中的c o 是由于烃的不完全燃烧所致。根据燃烧化学，理论上当空燃比a f 一1 4 8 时，燃烧完全，燃烧产物为c 0 2 和h2 0 。4 c 。h 。+ ( 4 n + m ) 0 2 = 4 n c 0 2 + 2 m h 2 02 1 )当空气含量不足，空燃比a f 1 4 8 时，由于混合不均匀，造成局部过浓或过稀现象，也会因不完全燃烧产生h c 排放。( 2 ) 壁面淬熄效应燃烧过程中，燃气温度高达20 0 0 以上，而气缸壁面温度在3 0 0 。c以下，因而靠近壁面的气体，受低壁面温度的影响，温度远低于燃气温度，并且气体的流动也较弱。壁面淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却( 也称激冷) ，使活化分子的能量被吸收，链式反应中断，在壁面形成厚约0 1 0 2m m 左右的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量未燃h c 。淬熄层厚度随汽油机工况、混合气湍流程度和壁温的不同而不同，小负荷时较厚，特别是冷起动和怠速时，燃烧室壁温较低，形成很厚的淬熄层。( 3 ) 狭缝效应狭缝主要指活塞头部、活塞环和气缸壁之间的狭小缝隙、火花塞中心电极的空隙、火花塞的螺纹、喷油器周围的间隙等处。当压缩过程中气缸压力升高时，未燃混合气或空气被压入各个狭缝区域：在燃烧过程中缸内压力继续上升，未燃混合气继续被压入狭缝。由于狭缝面容比很大，淬熄效应十分强烈，火焰无法传入狭缝中继续燃烧；在膨胀和排气过程中，缸内压力下降，当缝隙中的未燃混合气压力高于气缸压力时，缝隙中的气体重新流回气缸并随已燃气体一起排出。部分由壁面淬熄效应和狭缝效应产生的h c ，在膨胀和排气过程中被氧化。这个氧化反应需要高温和足够的氧气，因此，h c 浓度在空燃比a f = 16 2 8 18 5 时最小，空燃比a f 太小，由于缺氧，h c 不能得到充分氧化；空燃比a f 太大，则温度较低，氧化反应的速率不够。( 4 ) 壁面油膜和积碳吸附在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，以及沉淀在活塞顶部、燃烧室壁面和进气门、排气门上的多孔性积碳，会吸附未燃混合气和燃料蒸气，而在膨胀和排气过程中这些吸附的燃料蒸气逐步释放出来进入气态的燃烧+ 产物中。象上述淬熄层一样，这些h c 中的少部分被氧化，大部分则随己燃气体排出气缸。据研究，这种由壁面油膜和积碳吸附产生的h c 排放占h c 排放总量的35 5 0 t ：”。实验表明，汽油机使用含铅汽油时燃烧室积碳可使h c 排放增加7 2 0 ，消除积碳后，h c 排放明显降低。2 3 影响汽油机排放污染物生成的因素汽油机的设计和运行参数、燃料的制备及成份等因素都与排气中污染物的排出量有很大关系。为降低汽油机排气中的有害成份就必须了解这些因素对有害排放物生成的影响，具体分析如下 2 , 2 0 , 27 , 2g 】：2 3 1 空燃比a f空燃比a f 是影响汽油机排气t p 污染物产生的重要因素之一。c o 的排放浓度随空燃比的增加而下降，这是因为随着空气量的增加，燃料能充分燃烧。当实际空燃比大于理论空燃比后，c o 仍保持一定浓度，这主要是由于混合气不均匀、高温分解及反应终止所造成。空燃比进步增加，混合气变稀，使燃烧温度降低，减少了高温分解，因此c o 的排放浓度就进一步下降。就c o 而言，其排放量主要受空燃比a f的支配，其它因素影响不大。空燃比a f 对h c 的影响与c 0 有类似的倾向。但是在过稀混合比的情况下，因为火焰传播不充分或断火，h c 的排放浓度有所增加。2 32 点火提前角点火提前角对c o 的影响很小，除非点火提前角过分推迟使c o 没有充分的燃烧时川。空燃比一定时，随点火提前角的推迟，h c 的排放浓度降低，燃油消耗却明显恶化。2 3 3 汽油机运转状态汽油机的运转可以分为稳定和：怍稳定两种运转状态。稳定运转状态是指汽油机的零部件、冷却水及润滑油的温度趋于平衡，汽油机在恒定的转速和负荷下运转。汽油机在稳定运转状态下时，除了循环变动外，每个相连的工作循环基本相同。在非稳定运转状态下，汽油机的转速、负荷、水温、燃烧室壁面温度、排气背压及燃烧室表面沉积物都列排放产生影响。实际运行中，汽油机的零部件、冷却水以及润滑油的温度不可能恒定不变，汽油机的转速和负荷也需要随时调整以适应不同的外界条件。在非稳定运转状态下，影响汽油机排放的情况主要是冷起动、加蓝和减速等工况。2 3 4 汽油机结构参数对汽油机排放影响较大的结构参数有气缸工作容积、行程缸径比( s d ) 、燃烧室形状、压缩比、活塞顶结构尺寸、配气定时以及排气系统等。活塞在上止点时燃烧室的面容比f v 越大、进入活塞间隙的混合气越多，排气中氧化越不充分时，h c 的排出量越大。2 3 5 燃料性质汽油辛烷值的大小影响汽油机的油耗，较低的辛烷值导致油耗增加，因此排放量也随之增大。汽油的挥发性太低，则混合气的生成不良，起动困难，暖机性能不好，影响燃烧和排放：挥发性太高，则蒸发排放增加，炭罐容易过载，并且油路中气泡增加，影响喷油器的稳定性，进而影响排放。烯烃是不饱和碳氢化合物，能提高辛烷值，但受热后会形成胶质沉淀在进气系统和燃油供给系统中，形成堵塞，使排放恶化，功率下降，油耗增加。另外烯烃蒸发后会促使近地大气中形成臭氧，危害健康。国产汽油的烯烃含量( 体积浓度) 为3 0 4 0 ，比例较高。芳烃能提高汽油的辛烷值，但同时增加汽油机中的沉积物及有害气体排放。另外，洁净添加剂对排放也有影响。第三章汽油机及汽油汽车瞬态实验工况的设定汽车在市区运行时，曲轴转速和汽油机控制机构位置经常处于变化中，即经常处于加速、减速状态中。根据有关统计资料，汽车在市区条件下的行驶时间约占总运行时间的5 0 7 0 ，并具有以下特点 3 1 ：f 1 1 节气门开闭次数，每10 0k m 达i5 0 0 30 0 0 次，比郊区行驶时高10 3 0 倍：f 2 ) 换档次数每10 0k m 达4 0 0 8 0 0 次，比郊区行驶时高10 倍；f3 1 曲轴平均转速比郊区行驶约低2 5 5 0 ，汽车行驶速度低，使用效率低；f 4 1 行驶每单位里程的曲轴转数增加3 0 8 0 ，加速了汽油机的磨损；f 5 1 由于汽车经常被迫停车，故汽油机怠速运转的比例达到3 0 ：f 6 1 汽油机平均负荷不大，比郊区行驶时低3 0 ：f 7 1 随着交通干扰密度的增加，使得冷却系统的温度较低，从而造成汽油机的热力状态不正常；又由于汽油机零部件的热惯性，即使在正常冷却液温度下，也出现热力状态的偏移：f 8 1 单位里程的平均燃料消耗量随瞬态运行平均速度的降低和工况变化强度与频率的增加而上升，从而导致汽车运输成本增加约2 5 ；f 9 ) 市区瞬态运行条件与稳态运行条件相比，有害排放物增加。其中c o 增加约0 5 lo 倍，h c 增加约1 1 1 3 倍。长期以来，人们对汽油机的稳态工况进行了大量研究和分析，并获得大量成果，但是，对瞬态工况的研究相对较少。目前国内用于在用汽油机排放的检测方法可分为稳态和瞬态两种，稳态检测方法主要有怠速、双怠速以及加速模拟工况法( a s m ) 等，瞬态的检测方法主要是19 5s 简易瞬态工况法。对于稳态的检测方法明显不适合瞬态排放的测量，19 5s 简易瞬态工况法虽然是瞬态检测方法，但是检测工况比较复杂，且直接引进欧洲标准，欧洲标准与中国道路情况及车辆行驶水平相差甚远。因此为研究汽油机瞬态工况排放，对汽油机和汽油汽车分别制定了瞬态实验检测工况。3 1 基于实验台架的汽油机瞬态工况设定选用节气门控制器一台、a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 五组份排放分析仪一台( 配探头不同的取样管两根、电感式转速传感器一个) 、奔i i i 台式和笔记本电脑各一台等组成采样系统对汽油机的排放进行采样。采样时，取样管道和仪器内部容腔等引起排气幅值在传输过程中的失真，造成幅值误差，随着汽油机节气门转角速度增大，采集到的排放数据幅值误差就越大15 】，所以汽油机节气门转角速度需有个合理的范围值。3 1 1 基于a v lc e b i i 高性能排放分析仪的幅值修正实验通过瞬态检测性能对比实验确定汽油机转角速度值的范围