穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計論文

南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 1 南京林 業(yè) 大 學 本科 畢業(yè)設計 （ 論 文） 題 目： 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 學 院： 應用技術學院 專 業(yè) ： 交通運輸（汽車運用工程） 學 號 ： 學 生姓名： 指 導教師 ： 職 稱 ： 摘 要 為保護環(huán)境，提高人民的生活質量，汽車排放 治理已成為各級政府部門的重要工作。實施 I/M制度是目前控制在用汽車排放污染的最行之有效的手段之一，為了滿足 I/M制度的實施要求 ,在用汽車的排放檢測方法由怠速 /雙怠速法向工況法發(fā)展。 論文介紹了在用汽車尾氣排放工況法檢測方法；通過尾氣污染物生成機理和影響因素的分析，證明了尾氣排放檢測時， 測試 工況精確控制的必要性；根據 GB18285-2005點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法 (雙怠速法及簡易工況法 )的要求， 構建了穩(wěn)態(tài)加載工況法排放檢測系統(tǒng)，選用美國 NI 公司的 LabVIEW 軟件和 VC+軟件 為開發(fā)工具，運用虛擬儀器技術，獨立地設計出在穩(wěn)態(tài)加載工況下汽車排放污染物數據采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用 A/D 數據采集卡，運用可控硅整流電路及動態(tài)鏈接庫技術，實現了實時控制底盤測功南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 2 機的加載量，同時采集系統(tǒng)所需的各種參數。 關鍵詞 : I/M 制度、穩(wěn)態(tài)加載工況、檢測系統(tǒng)、在用汽車 Abstract In order to protect environment and raising the life quality of the people, administering the automobile emission becomes the important work of government departments. Implements of the I/M system is the most effective method of controling in-use automobile to discharge the pollution. In order to satisfy the request of the I/M system, the examination method of in-use automobile is discharged from speed idel/two-speed idel mode to the simple driving mode. The methods on examining the exhaust of in-use automobile are introduced. Through analysis the mechanism and influence factor of the exhaust pollutant production, proves that when examine the exhaust discharges accuracy control the test operating mode is necessity. According the request of GB 18285-2005 limits and measurement methods for exhaust pollutants from vehicles equipped ignition engine under two-speed idle conditions and simple driving mode condition , designed the Acceleration Simulation Mode detecting system ,this system chooses the LabVIEW software of American NI corporation and the VC+ software, using virtual instruments technology and independently designing out that the automobile exhaust pollutant detecting system under the ASM. The system is designed for the testing application development, using A/D data acquisition (DAQ) card, silicon controlled rectifier rectification circuit and dynamic link library (DLL) technology. It has realized the loading capacity of real-time control vehicle chassis dynamometer, and gathers at the same time the various parameters that the system needed. Keywords: I/M program Acceleration Simulation Mode detecting system in-use vehicles 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 3 目 錄 第一章 在用車 I/M 制度分析及發(fā)展方向 1 1.1 汽車排放對人體健康和環(huán)境的影響 1 1.2 控制汽車排放的途徑 3 1.3 I/M 制度主要作用及發(fā)展過程 3 1.4 I/M 制度主要內容及實施 I/M 制度的基本要求 5 1.5 我國 I/M 制度的發(fā)展現狀 6 1.6 在用車尾氣污染物檢測方法 7 1.7 本設計的主要內容 9 第二章 汽車排放污染物生成機理及影響因素 11 2.1 汽車排放污染物的生成機理 11 2.1.1 碳氫化合物的生成機理 11 2.1.2 一氧化碳的生成機理 12 2.1.3 氮氧化物的生成機理 13 2.2 影響汽車尾氣排放的因素 14 第三章 穩(wěn)態(tài)加載工況法排放檢測系統(tǒng)設計 16 3.1 穩(wěn)態(tài)加載工況法排放檢測系統(tǒng)的構建 16 3.2 檢測設備各部分 功用 17 3.3 在底盤測功機上的測試運轉循環(huán) 23 3.4 測試程序 24 第四章 穩(wěn)態(tài)加載工況法排放測試系統(tǒng)軟件開發(fā)與試驗 27 4.1 開發(fā)工具的選擇 27 4.1.1 Labview 軟件概述 27 4.1.2 Labview 軟件功 能特點 28 4.2 測試軟件開發(fā) 29 4.2.1 加載力矩與車速測量軟件程序開發(fā) 29 數據采集卡的驅動 29 數據采集程序 32 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 4 4.3 運行試驗 33 第五章 結論 36 致謝 37 參考文獻 38 第一章 在用車 I/M 制度分析及發(fā)展方向 1.1 汽車排放對人體健康和環(huán)境的影響 隨著社會經濟和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保有量急劇增加。據統(tǒng)計，目前我國汽車保有量已超過 2700 萬輛，摩托車 4500 萬輛，農用運輸車 2400 萬輛。車輛的排氣污染己成為當今大氣污染的主要貢獻者，這在大城市中表現得尤為突出。進入 21 世紀，我國汽車生產和銷售增 長速度達到了兩位數，汽車對城市的污染也以驚人的速度增長。 2001 年“環(huán)境與交通工作組”指出，一些大城市機動車排放污染物的貢獻率在多項大氣污染指標中占到了 60%以上。根據預測，到 2010 年，我國的汽車尾氣排放量將占空氣污染源的 64%1。汽車排放污染己對城市大氣環(huán)境構成了嚴重威脅，直接和間接地損害著人們的健康，破壞著自然界的生態(tài)環(huán)境。 衡量機動車尾氣對城市大氣污染貢獻的一個重要指標就是機動車排放污染物分擔率，它是用城市機動車污染物排放量占大氣總污染物量的百分數來計算。表 1-12列出了國內部分城市機動車排 放污染物分擔率。從表中可以看出，所統(tǒng)計城市的 CO, HC 分擔率大部分都超過 60%，濟南等少數城市竟達 90%以上，北京的 NOX排放分擔率己接近 55%，而且有繼續(xù)增大的趨勢。這說明機動車排放污染物已真正成為一些城市大氣環(huán)境的第一大污染源3。 表 1-1 部分城市的機動車排放污染物分擔率（ %） 分擔率 北京 天津 上海 濟南 深圳 蘭州 CO 80.3 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 汽車排氣是低空排氣，因此氣體排出后首先會對人造成傷害，汽車排放的一氧化碳 (CO),碳氫化合物 (HC)、氮氧化物 (NOx),碳煙、苯并花 ( BaP )等對人體都有直接的危害。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 5 CO經人呼吸進入肺部，被血液吸收后能與體內血紅蛋白結合成一氧化碳 -血紅蛋白。CO與血紅蛋白的親和力比氧與血紅蛋白的親和力要大 250 倍，因而導致人體組織缺氧。當大氣中的 CO 濃度達 70 80ppm 以上時，人在暴露幾個小時后，一氧化碳 -血紅蛋白濃度就可達 10%，它影響氧的輸送，阻礙血液循環(huán)，引起頭痛、心跳等癥狀 :當人體 血 .液中一氧化碳 -紅蛋白含量為 20%左右時，就會引起中毒。當含量達 60%時，即可因窒息而死亡 4。 烴為各種碳氫化合物的總稱，以符號 HC 表示。汽車排出的廢氣中所含的烴類，成分有 200 多種。其中有苯并花、硝基烯、甲醛、乙烯、丙烯醛等。各種成分對人類的直接影響，目前還不完全清楚。但可以肯定，苯并花 (一種五個環(huán)的稠環(huán)芳香烴 C20H12)和硝基烯是致癌物質。甲醛、丙烯醛對眼睛和呼吸器官具有強烈的刺激性，對肺部防御機理產生惡劣影響。乙烯在常見濃度下，會傷害農作物和某些觀賞植物 4。 氮氧化物有 NO, NOZ, N2O3, N2O, N2O5, N2O4及 NO3等。從大氣污染的角度來看，最重要的是 NO 和 NO2，其余的氮氧化物除了 NO2在環(huán)境中有少量可見外都可以忽略不計，與環(huán)境污染有關的 NO 和 NO2總稱 NOx。高濃度的 NO 能引起中樞神經的癱瘓及痙攣。 NO 是一種褐色氣體，有特殊刺激性臭味，是汽車排氣中的惡臭物質成分之一，它使人中毒的癥狀是在發(fā)生肺水腫的同時，引起獨具特點的閉塞性纖維性細支氣管炎。對健康人來說，當 NOx 濃度大約在 16ppm 時，暴露 10 分鐘后，肺氣流阻力有明顯上升 4。 黑煙通常在柴 油機大負荷時產生，例如當汽車加速、爬坡及大負荷時，排氣常常會冒黑煙 :黑煙不但限制了柴油機的最大輸出功率，影響其動力性，而且污染大氣，對人體健康不利。黑色多孔的碳煙往往吸附有 S02和致癌物苯并花等有機化合物。一般說來， 2 10um的碳煙吸入人的氣管后可排出體外，對身體影響不大； 2um 以下的碳煙吸入肺部后會沉積起來，而 0.1 0.5um 的碳煙對人體肺部危害最大，除了致癌作用外，這種碳煙吸入肺部，還會導致慢性病、肺氣腫、皮膚病及變態(tài)性疾病 5。 此外，大氣中的 NOx 和 HC 在太陽照射下會發(fā)生化學反應，形成 光化學煙霧光化學煙霧產生的真正罪魁禍首是 NO2和 HC，當空氣中存在這兩種物質時，經強陽光照射，在波長4000 10-10m 以下的紫外線區(qū)內會進行一系列的光化學反應，生成臭氧 (O3)和過氧化酞基硝酸鹽 (PAN)等光化學過氧化物以及各種游離基醛、酮等成分，形成一種毒性較大的淺藍色煙霧。光化學煙對人的影響主要是對眼睛和呼吸道產生刺激，使紅眼病患者增加，促進哮喘病人發(fā)作，并引發(fā)其它疾病。美國洛杉磯市在 1943 年夏季發(fā)生了令人震驚的第一起光化學煙霧事件，使該市大多數市民患了眼紅病和頭疼病。又于 1955 年和 1970 年兩 度發(fā)生光化學煙霧事件，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達 128 天之久， 3/4 以上市民患上紅眼病。日本東京也在 1970 年發(fā)生過光化學煙南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 6 霧，造成 6000 人死亡， 2萬人染上紅眼病 6。我國雖然沒有發(fā)生過光化學煙霧事件，但在廣州、上海、成都等地出現過多次光化學煙霧現象 5。 汽車排氣對大城市環(huán)境造成的影響尤為劇烈。因為大城市人口稠密、汽車數量多、排氣難以擴散。而在城市現代化的過程中，政府一般都將工廠搬遷到郊區(qū)。 1.2 控制汽車排放的途徑 鑒于日益嚴重的 環(huán)境污染己威脅到人類的生存和發(fā)展，聯合國 1992 年 6 月在巴西里約熱內盧召開了有世界各國代表團參加的環(huán)境與發(fā)展大會，通過并發(fā)表了名為 21 世紀議程的大會宣言，要求各國政府制定出各自國家相應的 21 世紀議程，以便有效地扭轉全球環(huán)境日益惡化的趨勢，使經濟、社會與環(huán)境得以協調地持續(xù)發(fā)展 9。 隨著我國加入 WTO，我國在各方面已融入了國際社會，控制汽車排放不僅可以改善國內環(huán)境，還可以改善全球環(huán)境。所以，控制汽車排放對我們國家發(fā)展的重要性不言而喻，而且高排放車輛燃燒一般都不完全，自然要消耗更多的能源，從這 個層面上講，制定更加嚴格的排放標準對保護環(huán)境、節(jié)約能源、提升國際形象、提高我國汽車制造業(yè)的國際競爭能力，都有著重要的現實意義 10。 有效控制汽車污染需作好 以下 兩方面的工作 ： 第 一 、 是實施新車排放法規(guī)，從新車開始就控制好污染物的排放水平； 第二、是對在用汽車執(zhí)行嚴格的 I/M（ Inspection/Maintenance/檢測 /維護）制度，確保在用汽車排放控制系統(tǒng)正常工作，使在用車保持良好的技術狀況。 1.3 I/M 制度的主要作用及發(fā)展過程 1.3.1 I/M 制度的主要作用 在用車檢測與維修工作的順利 開展依賴于行之有效的制度。美國最早以法律的形式建立了在用車檢測與維修制度，叫做 I/M制度。 I/M制度或稱 I/M計劃，來源于英語 Inspection and Maintenance programme，其含義為檢查 /維修制度，簡稱 I/M 制度。該制度在美國、加拿大主要是針對在用車排放污染物控制的制度，通過立法以及科學的質量控制、質量保證體系和管理機制，對在用車定期進行強制排放檢測，發(fā)現排放超標車和私自排放控制裝置的車輛，責令其限期進行修理，使在用車最大限度地發(fā)揮自身的排放凈化能力。 I/M 制度的基本流程如圖 1-1所示。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 7 圖 1-1 I/M 制度的基本流程 I/M 制度是通過對在用車進行定期 (年檢 )和不定期 (路檢 )的排放檢測，確定排放污染嚴重的車輛并診斷其產生的故障原因，然后采取相應的維護或修理措施，監(jiān)督檢驗車上原有污染控制裝置工作是否正常，充分發(fā)揮汽車的自身排放凈化能力，使車輛最大限度地保持原制造廠的技術指標。實施 I/M 制度可以促進車輛的正常維護，使得在整個車輛使用壽命期中排放控制系統(tǒng)始終能夠保持良好的技術狀態(tài)，因此， I/M 制度是目前國際上公認的在用車排放治理最有效、最快速、最經濟、 最合理的措施，主要表現在 : a.根據國外經驗，占汽車總數 10% 15%的高排放在用車排出的污染物占機動車污染物排放總量的 50%，而這些車輛中絕大多數是由于沒有進行良好的維護造成的， I/M 制度正是著眼于治理這部分高排污車輛的排放。因此它可以使在用車總排污量減少 50%以上，這是目前任何一種所謂的凈化器所望塵莫及的。 b.I/M 制度治理在用車排放是發(fā)揮自身的凈化潛力，結合二級維護工藝進行，無需進行大量匹配研究，因此是最快速、最立竿見影的方法。 c.隨著汽車技術水平不斷提高，各種新型車不斷出現，需根據生產廠 家的要求，制定不同的 I/M 檢測方法與維修工藝。因此 I/M 制度治理汽車排放是不會過時的，它是非常有效和非常及時的措施。 d.I/M 制度的檢測法規(guī)中，根據不同車型制定不同的排放限值，制定不同的工況測試方法，對控制在用車排放和減少在用車總的排放量比目前怠速法和雙怠速法優(yōu)越得多，因此，特別對我國而言是一種非常有效的控制在用車排放的制度。 e.I/M 制度主要是利用目前現有的檢測設施 (除需投資測功機外 )和維護體制進行治理在用車排放，因此投資少。不像采用凈化器那樣，用戶增加費用大，凈化效果又不好。 f.如果要采用凈化 裝置 (如尾氣催化凈化器等 )，必須進行大量研究和匹配工作，不同機型要有不同的匹配和產品，費用和投資都非常大，而 I/M 制度用不著這種投資和費用。 g.I/M 制度的管理體制中，十分重要的一條就是全部 I/M 檢測站與 I/M 管理部門聯網，定期向公眾報告車主參與 I/M 制度的情況及 I/M 制度對清潔城市大氣的貢獻，使車主直接南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 8 了解他們參與 I/M 制度后，自身及其后代所獲得的好處，從而參與治理在用車排放的 I/M制度。安裝凈化裝置是達不到這種效果。 根據國外統(tǒng)計資料，實行 I/M 制度可使在用車排放污染降低 17% 25%。北京市從 1999年試行了這個制度之后其效果十分顯著。 1998 年在用車的排放路檢合格率不到 40%, 1999年就上升到了 68%, 2000 年在用車的排放碳氫化物合格率就達到了 90%以上。據中國汽車維修市場雜志 1999 年第 12 期介紹 :“上海對 1800 臺桑塔納化油器轎車、 300 輛解放牌貨車、 200 輛東風牌卡車、 900 輛柴油車進行二級維護前后比對檢測，經過二級維護之后，汽車的排放數值明顯下降。以桑塔納為例，維護前 HC 的排放在 200ppm。僅有 14%，維護后增加到 26.4%；維護前的 CO 在 3%以下的僅有 34.4%，維護后增加到 73.4%。哈爾濱鐵路公安局機動車輛安全技術檢測站，自 1993 年成立以來，共計受理各種機動車輛檢測 /維護車輛近一萬輛 (次 )，經過 16 個周期檢測與維護，絕大部分車輛在沒有經過任何“改造”，沒有添加任何附件的情況下，尾氣排放的狀況越來越好。 1.3.2 I/M 制度的發(fā)展過程 美國是最早實施 I/M 制度的國家，各州中最早開始執(zhí)行 I/M 制度的是加里福尼亞州 (簡稱加州 )。加州的汽車維修局 (英文為 Bureau of Automotive Repair，縮寫為 BAR)從 1974年開始執(zhí)行怠速法排放檢測制度，直到 1990 年 為止，在用車排放檢測都采用怠速法。 1990年，美國頒布了“清潔空氣法案修正案”，定義了極其嚴重、嚴重及適度的空氣質量地區(qū)標準，確定了更加嚴格的新車型式認證排放標準，并要求制造廠推行全面的保修制度，即將保修范圍擴大到排放。只要用戶沒有使用不當的情況發(fā)生，制造廠就要對排放不達標的汽車實行保修若干年。因此，美國環(huán)保署 (EPA)規(guī)定了基本的和強化的檢測規(guī)范，以及對強化檢測設備的要求。美國還第一次應用（ MOBILE)電腦軟件對排放控制措施進行評估。所以，美國從 1990 年開始在在用車中逐步引入工況法檢測。起初只是將美國 環(huán)保署用于新車型式認證中排氣排放物檢測的 FTP 檢測程序濃縮一下，稱為 IM240 工況法，用于在用車排放檢測。 IM240 所有的檢測設備，除了底盤測功機比新車型式認證用的簡單以外，排氣分析儀器跟型式認證用的差不多，排氣也要稀釋，也用 CVS 系統(tǒng)收集排氣并采樣。這種檢測方法的結果跟 FTP 檢測程序的結果之間存在很高的相關性。 但是， IM240 工況法設備費用太大，為一般分散型檢測 /維修所難以承擔。于是，便提出采用簡易的底盤測功機上額外添加負荷的方法來模擬加速工況，稱為加速模擬工況法，縮寫為 ASM。但是這種方法的誤判率比較 高，而且檢測結果只能以濃度表述。所以又在 ASM的基礎上添加了一種叫做 VMAS 的傳感器，檢測結果以質量表述，叫做 IG240 工況法。 IG240南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 9 跟 IM240 工況法具有很高的相關性，誤判率明顯降低。 美國的在用車排放檢測發(fā)展完善，現在不僅僅局限于排氣排放物的檢測，而且已經擴展到了一些附加檢測 :包括車載故障診斷 OBD II ,油箱蓋檢測燃油系蒸發(fā)控制裝置檢測等。此外有些檢測線還可以進行全面的安全檢測。 1.4 I/M 制度主要內容及實施 I/M 制度的基本要求 我國的在用車維護制度是根據汽車的安全性、動力性、經濟 性、可靠性和壽命來強制維護檢測的，因此它的維護周期不一定與排放控制要求吻合，同時維護和檢測的內容比 I/M制度廣泛得多，但是其中很多內容與控制汽車排污的維護內容是一致的，例如 :點火系統(tǒng)維護、燃油系統(tǒng)維護、配氣系統(tǒng)維護、 EGR 和 PCV 閥的檢測等。 國外 I/M 制度涉及的內容有所不同，歐洲、日本的汽車檢測 /維修體系包括汽車安全性和排放，實施方式與我國汽車年檢相似。美國、加拿大的 I/M 制度只是針對汽車排放的檢測 /維修制度，是一套獨立的體系，制定了相應的法律、法規(guī)，例如美國的清潔空氣法明確規(guī)定在用車實施 I/M 制度 控制污染物排放。此外，還有詳細的 I/M 制度的技術法規(guī)和標準，明確了 I/M 制度的各項技術內容。 I/M 制度的實施由各州政府負責，環(huán)保局只是審查州執(zhí)行計劃，采用特定的模型評價各州的執(zhí)行計劃是否能取得預期的效果。如美國加州法規(guī)條例中規(guī)定了加州汽車維修管理局負責實施在用車的排放檢測 /維修工作。 無論是針對排放的 I/M 制度，還是針對汽車行駛性能的 I/M 制度，基本上包含 2 部分內容 :其一是管理支持，包括法律法規(guī)依據、質量控制和質量保證體系以及宣傳教育等 :其二是技術支持，包括檢測方法標準、維修診斷規(guī)范、檢測 /診斷 /維修設備供 應、數據自動傳輸及人員的培訓。 I/M 制度是一項十分嚴格而完善的制度，通常實施 I/M 制度應滿足以下基本要求： a.立法。立法是實施 I/M 制度的根本保障，通過立法能夠 :明確在用車排放治理的主管部門 :建立在用車的 I/M 管理體制 ；確定檢測標準、方法和應采用的檢測設備 :制定科學合理的在用車排放控制質量保證期 ；規(guī)定檢測站、維修站的認證條件 :規(guī)定在用車必須進行定期檢測、強制維護、明確車主、檢測站和維修站的責任、義務，以及與機動車輛排放治理有關的處罰條款等等。 b.建立檢測、維修和監(jiān)督評價的管理體 系。 c.建立完善的 I/M 網絡。 d.人員培訓。對從事汽車排放治理的檢測、維修及監(jiān)督評價體系的人員必須經過嚴格的培訓，并考核合格，取得資格證書后方可上崗。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 10 e.主管部門對檢測、維修企業(yè)和其所使用的檢測設備進行資格認定。 f.建立完善的質量保證體系。 1.5 我國 I/M 制度的發(fā)展現狀 我國對在用車的尾氣檢測，汽油車過去通常用的檢測方法為怠速法 ， (或雙怠速法 )，都屬于無負載檢測法，測試價格便宜，試驗方法簡單快捷。 怠速法突出的弊端是檢測時車輛無載荷，檢測結果的代表性與真實性差。 因此逐步 趨向于向工況法方向發(fā)展。 北京市于 2002 年對機動車排放檢測設備實施了核準測試， 2003 年率先實施了機動車工況法排放檢測，對改善北京市大氣質量起到了很好的作用。上海市于 2003 年開始對排放檢測設備進行性能測試和研究工作，取得了一定數據，做了很多準備工作，并于 2006 年在全市范圍內進行排放檢測設備的核準測試工作和實施機動車工況法排放檢測。廣州、深圳、南京、濟南、沈陽、呼和浩特等城市已建立了機動車排放檢測中心站，對排放檢測設備進行性能測試和對當地機動車的排放狀況進行摸底研究，取得了很多成績。其它大 城市和旅游城市也都在進行工況法排放檢測的準備工作。 1.6 在用車尾氣污染物檢測方法 對在用車尾氣污染物檢測方法 ，過去汽油車通常 采 用怠速法 (或雙怠速法 )， 而現在趨向于采用簡易工況法，其包括 瞬態(tài)加載法（ IM240， IM195） 、簡易 瞬態(tài)加載法（ VMAS） 、穩(wěn)態(tài)加載加速模擬法（ ASM） 。 一、怠速檢測法 怠速工況是汽車多種工況的一種，指車輛變速箱位于空檔、離合器為接合位置、發(fā)動機油門松開、低速空轉的狀態(tài)。在汽車啟動后的穩(wěn)定、暖機時，十字路口等紅燈及交通堵車時，汽車為怠速工況。雙怠速測量方法要求發(fā)動機由怠速工況加速至 0.7 額定轉速，維持 60s 后降至高怠速（ 0.5 的額定轉速）保持 15s，讀取 30s 內最高值和最低值的平均值為高怠速測量結果，然后降至低怠速 15s 后用同樣方法測量低怠速的檢測值。怠速檢測法的特點是只能反映車輛怠速狀態(tài)下空負荷排放情況，這時發(fā)動機為貧氧偏濃燃燒，主要產生 CO 和 HC，產生少量或不產生 NOx。 其存在著以下弊端： a、 怠速法不能全面反映出汽車真實的排放狀況。一些排放達到歐 或歐 標準的車輛行駛了僅兩萬多公里，用有負載的工況法檢測表明其排放已超標，但怠速檢測的 CO 和HC結果卻仍然很低，達標并遠有 富余。一些新車作排放匹配試驗時，也出現過怠速排放很好，工況法檢測卻達不到歐 或歐 標準。化油器車也有類似情況：工況法檢測 CO 很高，南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 11 超出了新車標準，但怠速檢測結果卻正常。 b.怠速法檢測車輛無負荷，不能反映 NOx 的排放。對于那些 NOx 排放已經很高的車，怠速法檢測卻無能為力。 c.對于化油器車留下作弊機會。檢測超標的車本應通過維修、保養(yǎng)，使車況正常，從而降低 CO、 HC 濃度。但一些車主在年檢前自己將化油器怠速螺釘、節(jié)氣門螺釘向混合氣偏稀調整，偏離正常的怠速濃混合氣設計狀態(tài)。混過年檢后，為不使車輛啟動困 難，再將化油器調整恢復到原狀態(tài)。 二、簡易工況法 針對上述情況，一些發(fā)達國家發(fā)展了車輛有載荷檢測法。即將車輛置于底盤測功機上，車輛按規(guī)定車速在底盤測功機上 “ 行駛 ” 。驅動輪帶動滾筒轉動，滾筒并非處于自身無阻力可旋轉狀態(tài)，底盤測功機會按照檢測標準的事先設定向滾筒、最終向驅動輪施加一定的負荷，來模擬汽車道路行駛阻力。車輛按一定的速度、克服一定的阻力，走完試驗工況，同時測量尾氣中污染物含量。由于在用車的有載荷檢測法與新車試驗的完全工況法相比，設備、儀器做了簡化，試驗時間也縮短很多，故稱為 “ 簡易工況法 ” 。 1、 瞬態(tài)加載法（ IM240， IM195） 美國的 瞬態(tài)工況法 IM240， IM240試驗工況采用美國聯邦新車型式認定用測試規(guī)程 FTP曲線前 0 333秒的兩個峰，經修改縮短為 240秒，如圖 1-2所示。 IM240測試結果與 FTP結果有很好的相關性，捕捉高排放汽車的錯判率很低。但 IM240是一種技術含量高的檢測方法，設備費用昂貴，維護比較復雜，檢測時間較長，對檢測人員有較高的要求，因此不容易普及。 圖 1-2 IM 240 試驗工況 另外，由于我國汽車型式論證試驗采用 ECE試驗循環(huán)，因此， 瞬態(tài)工況法采用 IM195，試驗循環(huán)采用了 GB 18352輕型汽車排氣污染物排放標準中試驗工況的市區(qū)運轉循環(huán)的一個單元，見圖 1-3所示。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 12 圖 1-3 IM 195 試驗運轉循環(huán) 2、簡易 瞬態(tài)加載法（ VMAS） VMAS 是一種瞬態(tài)加載簡易工況法。它使用與 IM240 相同的底盤測功機，它吸取了 IM240瞬態(tài)工況、測量稀釋排氣量最終可得出污染物排放質量的優(yōu)點，也吸取了 ASM 直接利用簡便式尾氣分析儀就可對各個污染物濃度測試的長處，采用一個被稱為 “ 氣體流量分析儀 ”的裝置來測得汽車的排氣流量（經稀釋），經處理計算，最終也可得出 每種污染物每公里的排放質量。 該 試驗循環(huán)包含了怠速、加速、勻速和減速各種工況，能反映車輛實際行駛時的排放特征 ， 與新車檢測有高的相關性 ， 準確率高，誤判率僅為 5%以下（以 IM240 準確率為 100%計）。 但其 價 格要 比 ASM 貴。 3、 穩(wěn)態(tài)加載加速模擬法（ ASM） 國際上 I/M 制度執(zhí)行較成功的國家 (主要是美國 )采用瞬態(tài)短工況多年之后發(fā)現，這種方法盡管有很多優(yōu)點 (主要是與 FTP-72 相關性極好 )，但是操作較復雜，費用高。另外，一些污染不特別嚴重的地區(qū)偏愛更為簡便的方法，因此提出了穩(wěn)態(tài)短工況測試方法 7。 穩(wěn)態(tài)加速模擬工 況 (ASM)將車輛放置在底盤測功機上 ,模擬汽車以一定車速 (一般為15mile/h或 25mile/h)上坡時的道路負荷 ,穩(wěn)定運轉幾分鐘后 ,測試汽車尾氣排放的 HC、 CO、NOx的濃度 ,對機動車排放廢氣中的 HC、 CO及 CO2濃度進行檢測采用不分光紅外吸收法原理，對 O2及 NO濃度進行檢測采用電化學傳感器。 雖然 IM240和 VMAS240的 測試結果與 FTP結果有很好的相關性，捕捉高排放汽車的錯判率低，但檢測費用相對較高。 IM240和 VMAS240的 測試結果與 FTP結果相關性好并不能說明IM195和 VMAS195的測試 結果與 ECE結果相關性就一定好， 其 測試結果有待進一步研究驗證。IM和 VMAS測試工況控制復雜，測試設備核心技術 我國尚未掌握，設備依賴進口。 成功申辦2008年奧運會后， 2001年起，北京市開始實施 IM制度，到目前為止，汽油車的尾氣污染物檢測方法采用的仍是 穩(wěn)態(tài)工況法?？梢灶A見，在相當長的時間內，穩(wěn)態(tài)工況法是我國在用汽油車 尾氣污染物檢測的主要方法之一。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 13 1.7 本設計的主要內容 自 2000 年以來北京市采用 ASM 法檢測在用車，初期設備 完全依賴進口，目前北京、廣東、四川等地企業(yè)開始生產測試設備，但處于模仿階段，核心 技術沒有完全掌握，有必要開展 穩(wěn)態(tài)加載測試系統(tǒng)的研究和開發(fā)。根據論文開題報告的要求，本論文重點開發(fā)穩(wěn)態(tài)加載工況下汽車排放檢測系統(tǒng)的數據采集。 本設計 的主要任務和內容是： 1、通過 熟悉在用車 I/M 制度，了解在用汽車排放測試方法發(fā)展方向。 2、了解汽油車排氣污染物生成機理和影響因素，介紹汽油車排氣污染物 穩(wěn)態(tài)工況測試方法， 明確 ASM 測試過程中汽車運行工況控制的必要性。 3、根據 ASM 測試要求，設計 ASM 測試系統(tǒng)。 4、運用虛擬儀器技術，開發(fā)測試軟件，實現 ASM 測試過程中加載力矩和試驗車速的測量。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 14 第二章 汽車排放污染物生成機理及影響因素 2.1 汽車排放污染物的生成機理 人們對汽車排氣污染大氣的重視始于 1943 年 4，半個多世紀以來人們?yōu)榱丝刂破湮廴?，深入研究了汽車尾氣污染物的形成機理并達成了一些共識，考慮到其成分復雜，下面重點介紹三種主要污染物的形成機理。 2.1.1 碳氫化合物的生成機理 汽車 HC 排放又稱未燃烴 UHC 排放，是由汽車排放的沒有燃燒或部分燃燒的碳氫化合物的總稱。汽油車的 UHC 包括排氣甲的未燃烴、燃油供給系統(tǒng)和燃燒室的蒸發(fā)排放和泄漏排出的 HC。由汽車發(fā)動機曲軸箱排出的氣體混合物其組成大約為 85%的未燃燃料空氣混合氣和 15%的廢氣 (由燃燒室泄漏的燃燒產物 )，泄漏量隨發(fā)動機的磨損而增加。在沒有控制的汽車上從曲軸箱通風管排入大氣的泄漏氣體大約為汽車 HC化合物排放量的 25%。在發(fā)達國家對汽車泄漏氣體己全部進行了控制，使泄漏氣體由曲軸箱循環(huán)進入發(fā)動機中燃燒掉。 燃燒室中 HC 的生成主要有下列幾條途徑 2,5。第一類是由于多種原因造成的不完全燃燒所生成的 HC；第二類是燃燒室壁面的淬熄作用形成的 HC；第三類是潤滑油及燃燒室壁面的多孔性積碳等的吸附 及釋放所形成的 HC 排放；第四類是由于燃燒過程中狹縫效應所生成的 HC。具體有下面幾種原因 : 1、烴的氧化反應終止 碳氫燃料的氧化隨著其溫度、壓力、混合比、燃料種類及分子結構的不同而有著不同的特點。各種烴燃料的燃燒其實質是烴的一系列氧化反應，這一系列的氧化反應有隨著溫度而拓寬的一個濃限和稀限?；旌蠚膺^濃或過稀以及溫度過低都將出現氧化反應終止，導南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 15 致火焰?zhèn)鞑ブ袛?，燃燒停止。在烴類燃料的燃燒過程中，一般而言，即使混合比在可燃界限之內，當高溫火焰貼近冷的燃燒室表面時，由于散熱損失大，火焰將中斷，出現所謂“ 壁面激冷現象”。另外，雖然供給的混合氣的平均混合比在可燃界限之內，但燃燒室內混合氣濃度的分布很難保持均勻一致，難免有局部過濃或過稀現象，致使局部反應過慢或斷火。可見，烴的氧化反應不完全是生成 HC的一個途徑。 2、火焰淬熄 由于冷態(tài)的 (或溫度較低的 )燃燒室壁面對火焰產生的熱量或活性物質具有吸收或吸附作用，故當火焰接近燃燒室壁面時將會發(fā)生淬熄現象。淬熄過程可以分為兩個階段 :第一階段是在接近冷態(tài)的壁面時火焰的熄滅，由熱反應區(qū)傳遞壁面的熱量和在反應區(qū)火焰釋放的熱量兩者的平衡決定的；第二階段是淬熄后 1ms 或數毫秒發(fā)生的擴散和氧化過程，它最終降低日淬熄層引起的 HC 排放。淬熄現象在燃燒室壁面留下一薄層未燃燒的混合氣，形成一個重要的 HC 排放源。但也有人認為淬熄對 HC 排放的影響是可以忽略不計的。 3、潤滑油及燃燒室壁面沉積物的吸附及釋放 在發(fā)動機的燃燒室、氣缸壁面等任何有潤滑油或沉積物的地方，在燃燒前和燃燒后，這些潤滑油層或沉積物都能吸收和釋放出燃油，從而使部分燃油避開主燃燒過程而不被燃燒，導致廢氣中 HC 化合物含量增多。 在發(fā)動機的進氣過程中，氣缸里的燃油濃度增大，壁面上的潤滑油或沉積物 將吸收燃油蒸汽，壓縮行程后期，燃油蒸汽壓力增大 ；燃燒階段燃油蒸汽濃度接近于零，吸收的燃油蒸汽將從液態(tài)潤滑油膜或沉積物中釋放出來進入氣態(tài)的燃燒產物中，釋放過程一直延續(xù)到整個膨脹及排氣行程。油膜釋放出的部分燃油蒸汽將與高溫燃燒產物混合并氧化。然而，后期釋放的燃油蒸汽由于與溫度較低的燃燒產物混合，因而避開了完全氧化，促使了未燃HC排放的增加。對燃油蒸汽具有吸附和釋放作用的有壁面潤滑油膜和燃燒室壁面的多孔性碳質沉積物等。 4、狹縫效應 狹縫主要指活塞、活塞環(huán)和氣缸壁之間的狹小縫隙，火花塞中心電極的空隙，火花 塞的螺紋、噴油器周圍的間隙等。 當壓縮過程中氣缸壓力升高時，未燃混合氣或空氣被迫進入各個狹縫區(qū)域 ；由于這些狹縫都有較大的面容比，故流入狹縫的氣體被冷卻到接近壁面的溫度。在燃燒過程中由于缸內壓力繼續(xù)上升，未混合氣繼續(xù)流入狹縫。由于狹縫里氣體溫度較低以及壁面的淬熄作用，火焰很難進入狹縫燒掉這些氣體。當狹縫中氣體壓力高于氣缸壓力時，狹縫中的氣體重新流回氣缸。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 16 2.1.2 一氧化碳的生成機理 一氧化碳是碳氫燃料在燃燒過程中生成的中間產物。理論上當氧氣不足時，燃燒反應進行不充分才導致 CO 出現。實際上 發(fā)動機在任何空燃比時都生成 CO原因是混合氣的不均勻性和 CO2高溫分解所致。 鮑曼（ 1975）用一步反應的準完整模型來描述了一氧化碳的生成機理 . CnHm+(n/2)O2 nCO+(m/2)H2 (2-1) 當混合氣中有足夠的氧氣時，會有下述反應 : 2H2 + O2 2H2O (2-2) 2CO + O2 2CO2 (2-3) 同時一氧化 碳還與生成的水蒸汽作用 : H2O + CO H2 + CO2, (2-4) 可見，當空氣量充足時，理論上燃料燃燒后不會存在 CO。實際上，由于局部或瞬間空氣量不足、發(fā)動機的混合氣成分的分布不是完全均勻以及位于溫度較低的燃燒室壁面附近的激冷層的混合氣會沒有燃燒或燃燒不完全，所以燃燒后還會存在中間產物的 CO。 另外， CO 的氧化速度較小，在膨脹過程中，會以高溫下的高濃度狀態(tài)“凍結”住，排氣中有一部分的 HC 會被部分氧化為 CO，這也增加了 CO 的排放量 。 此外，燃燒高溫會引起氣體離解，生成 CO: 2CO2 2C0 + O2 (2-5) 2H2O 2H2 + O2 (2-6) CO2+H2 CO + H2O (2-7) 因而排氣中總會有少量的 CO存在的 6,7,8,9。 2.1.3 氮氧化物的生成機理 氮氧化物包括 NO, NO2, N2O4, N2O, N2O3, N2O5以及 NO:等。發(fā)動機排放的氮氧化物主要是指 NO 和 NO2，特別是在汽油機排放的氮氧化物中 95%以上為 NO。從化學性質和排放量而言，比較受到重視的是 NO7,9。 由于汽油中基本不含氮，故 NO 主要是空氣中的氮氣和氧氣在高溫下生成的“熱力”NO，其形成機理十分復雜。目前被廣泛采用的理論是前蘇聯學者澤爾多維奇 (Zeldovich)提出的鏈反應機理 7,8,9: O2 O+O (2-8) N2+O NO+N (2-9) 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 17 O2+N NO+O (2-10) 以上表明鏈反應是從反應式 (2-8)中在燃燒的高溫下，由氧氣分子分解成的原子氧開始的。反應開始后，分子狀態(tài)的氮與原子狀態(tài)的氧或氧分子與氮原子碰撞生成 NO。反應式(2-9)左邊的氧原子除一小部分由反應式 (2-10)右邊生成的氧供給外，大部分由反應式（ 2-8)的分解反應生成。反應式 (2-10)左 邊的 N,主要靠反應式右邊 (2-9)生成的氮原子供給。反應式 (2-9)和 (2-10)生成的 NO 是同一數量級的。從三個反應式可以看出，氧氣的濃度對 NO 的生成影響很大。溫度和時間對 NO 的生成量也有影響。氣體在高溫滯留的時間越長， NO 的生成量越大。因而汽油機排放的 NO 濃度主要取決于燃燒溫度、氧氣含量以及高溫滯留時間的長短 7,8,9,10。 影響氮氧化物生成的因素有空燃比、點火時間、發(fā)動機轉速、進氣管壓力和大氣濕度。空燃比和點火時間的影啊比較大，它們都能影響燃燒時的燃燒室內的溫度、壓力以及可利用的氧的濃度 。轉速的影響在不同空燃比下表現不同 :在稀混合氣時由于燃燒速度慢，在高轉速情況下，大部分燃燒是在膨脹行程中壓力和溫度不太高時進行的， NO 的生成量減少。在濃混合氣時燃燒速度較快，發(fā)動機轉速的提高加強了缸內氣體的擾動，使燃燒速度增加，熱損失降低，因此 NO 的生成增加。減小進氣管壓力，使發(fā)動機負荷和溫度降低，殘余廢氣沖淡作用增強，使燃燒速度下降，結果是 NO 濃度隨進氣管的壓力下降而減少。大氣中的水分在汽缸內蒸發(fā)時吸收熱量，使汽缸內溫度下降，因此大氣濕度增大， NO的生成減少。 此外冷卻水的溫度提高，不利于汽缸體的散熱，也 會促使 NO的生成。 2.2 影響汽車尾氣排放的因素 在穩(wěn)態(tài)運行下，轉速、負荷、點火時間、混合氣濃度、水溫、燃燒室壁面溫度、排氣背壓及燃燒室表面沉積物對排放的影響。 1、汽油機轉速 汽油機轉速的變化將引起充氣系數、點火提前角、空燃比、缸內氣體流動、溫度以及排氣在排氣管中停留的時間等的變化。一般當轉速增加時，缸內氣體流動增強，燃油霧化質量及均勻性得到改善，湍流強度增大，燃燒室溫度提高。這些都有利于改善燃燒，降低CO及 HC 的排放。對 NOx 的排放影響較復雜，隨空燃比不同會有不同的反應。 2、負荷 如果維 持混合氣空燃比及轉速不變，點火提前角調整到最佳點，則負荷增加對 HC 排放基本上沒有影響。因為負荷增加雖然使缸內壓力及溫度升高，激冷層變薄， HC在膨脹及排氣沖程的氧化加速，但壓力升高使縫隙容積中的未燃烴儲存量增加 ；而進氣流量增加，南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 18 使排氣在排氣管高溫度段停留的時間縮短，從而抵消了前者對 HC 排放的有利影響。在上述條件下，負荷變化對 CO 的排放基本上也沒影響，但對 NOx 的排放有影啊。負荷增加，進氣歧管壓力增加，缸內溫度提高， NOx 排放增加，在使用稀混合氣時更明顯。 3、點火時間 空燃比一定時，隨著點火時間推遲 HC 及 NOx 的排放減少。 HC 減少的主要原因是點火時間延遲后，排氣溫度上升，使 HC 在排氣行程及排氣道中的氧化加強。 NOx 降低的原因主要是由于點火延遲后，最高燃燒溫度直線下降 1。 4、混合氣濃度 HC 的濃度隨空燃比增加而減少 ；但當空燃比大于 18 時， HC 隨空燃比增大而增加，這主要是由于混合氣變稀后，產生部分燃燒及失火致使 HC 排放增加。在空燃比小于 18 時，隨 A/F 增大， HC 排放減少的原因是由于混合氣變稀后，壁面淬熄層中燃料濃度減少以及在排氣行程和排氣道中氧濃度的增大從而使 HC 進一步氧化所致。 NOx 的排放 在 16 附近最大，比這個值小或大的空燃比都使 NOx 排放濃度降低。在稀混合氣一側 NOx 降低的原因是由于最高燃燒溫度降低。在濃混合氣一側降低的原因是由于氧濃度的降低。可見在稀的一側對 HC, NOx 及燃料消耗率都是有利的。但是混合氣太稀將使燃燒的穩(wěn)定性變差，導致 HC 增加及有效耗油率上升。 5、汽油機冷卻水及燃燒室壁面溫度 提高汽油機冷卻水及燃燒室壁面溫度，可降低縫隙容積中儲存的 HC 的濃度，減少激冷層的厚度，改善縫隙容積逸出的 HC 及激冷層擴散出來的燃油的氧化條件，而且可改善燃油的蒸發(fā)、分配 ；提高排氣溫度，這些都使 HC排放物減少。 6、排氣背壓 排氣背壓增加會使未燃烴濃度高的排氣留一部分在缸內，并在下一循環(huán)中燒掉，因此排氣的 HC 濃度將降低。然而，如果排氣背壓過大，則留在缸內的廢氣過多，稀釋了混合氣，燃燒惡化，排氣中的 HC 反而會增加。 7、燃燒室壁面沉積物 燃燒室壁面沉積物的主要成分有兩類 :一種是燃油中抗爆震添加劑氧化分解生成的各種鹽 ；另一種是燃油及潤滑油未完全燃燒的碳元素。這類物質多呈微孔型，能吸附混合氣中的燃料，在排氣過程中再釋放出來。因此，燃燒室壁面沉積物的增加將使 HC 排放量增加。隨沉積物厚度的增加，發(fā)動機的壓縮比也 隨著增加，導致最高燃燒溫度升高， NOx 排放量增加。 綜上所述，發(fā)動機的工況對汽車尾氣排放有直接影響，為保證檢測結果的真實性、精南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 19 度和重復性，汽車尾氣污染物簡易工況法測試過程中，必須保證汽車運行在規(guī)定的工況范圍內，即在尾氣污染物測量時的車速和加載負荷在規(guī)定的范圍內。 第三章 穩(wěn)態(tài)加載工況法排放檢測系統(tǒng)設計 3.1 穩(wěn)態(tài)加載工況法排放檢測系統(tǒng)的構建 為了能準確快速地檢測出在穩(wěn)態(tài)加載工況下汽車的排放污染物的含量，必須借助必要的檢測設備才行。構建的 ASM 測試系統(tǒng)主要由 底盤測功機、工業(yè)控制計算機、 A/D 數據采集板、晶閘管調壓器、尾氣檢測儀、司機助、傳感器等組成，如圖 3-1 所示。 圖 3-1 穩(wěn)態(tài)加載工況系統(tǒng)總圖 整個系統(tǒng)以工業(yè)控制計算機為核心，實現汽車檢測工況控制和汽車排氣污染物測試。在系統(tǒng)檢測過程中實時采集各傳感器的信號，經分析整理后由工控機輸出特定的控制信號。系統(tǒng)中底盤測功機加載裝置采用電渦流測功器，主控計算機通過數據采集板，實時采集底盤測功機車速、扭矩等信號，在軟件分析的基礎上經分析判斷計算后實時向晶閘調壓南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 20 器輸出數字控制信號，通過改變調壓器的 輸出電壓達到改變電渦流測功機吸收功率的目的。主控計算機與廢氣分析儀的信號傳輸，既可通過數據采集板的 A/D 通道，亦可通過RS-232 數字串行通信接口實現。根據排氣污染物檢測要求，主控計算機向晶閘管調壓器控制單片機、廢氣分析儀等輸出控制信號。主控計算機還將檢測要求工況和實際運行工況的相關參數顯示在司機助上，通過司機助可以將汽車的運行狀態(tài)如速度和工況運行時間等必要參數顯示出來，檢測員可根據這些參數控制汽車的運行狀態(tài)，以滿足 ASM 檢測工況的要求。主控計算機通過數據采集板采集空氣溫度、濕度和大氣壓力信號，用于測量值的 校正。 本設計中 ,系統(tǒng)硬件主要依據汽車與交通運輸實驗中心現有設備進行選用。 測控計算機采用臺灣研華公司 601 型工業(yè)控制計算機，處理器為 P 800。 數據采集板采用北京華遠公司 HY-8021A 型多功能數據采集板。 底盤測功機選用的是 AHS-ELP300 型底盤測功機 ,該底盤測功機自帶的控制系統(tǒng)能實現恒速和恒扭驅動輪輸出功率的測量。基本慣量為 310kg，滾筒直徑為 318mm,滾筒中心距550mm ,最大車速為 250km/h。底盤測功機有車速和扭矩信號處理、放大電路和模擬量輸出端口，其中車速信號輸出是頻率信號，應用 實驗室自制的 F/V 變換電路轉換為電壓信號后，輸到 HY-8021A 型多功能數據采集板的 A/D 端口。 廢氣分析儀選用的是 FLA-502 型廢氣分析儀，采用不分光紅外吸收法原理 ,對機動車排放廢氣中的 HC、 CO 及 CO2濃度進行檢測，采用電化學傳感器對 O2及 NO濃度進行檢測。 空氣溫度、濕度和大氣壓力傳感器采用 ACOIE 型三功能一體式傳感器，其信號輸入FLA-502 型廢氣分析儀，工業(yè)控制計算機通過 RS232 通訊接口采集。 晶閘管調壓器采用晶閘管移相調壓器，工控機通過控制晶閘管的導通角實現調壓器輸出電壓的控制。本設計主要 任務是設計系統(tǒng)試驗工況的測量軟件，不涉及工況控制部分。 3.2 檢測設備各部分功用 3.2.1底盤測功機 測功機結構應適用于最大總質量不大于 3500kg 的 M類、 N類車輛，根據檢測錄入的車輛參數，測功機應能自動選擇測試工況的加載功率。 一、測功機功率吸收裝置： （ 1）設定的測功機加載功率允許波動范圍為 0.2kw。 設定測功機對車輛的加載功率時應考慮到車輪與滾筒表面的摩擦損失功率和測功機內部損失功率，并按下列公式進行功率設定。 Pi=Pt-Pc-Pf 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 21 P=Pi+Pc 式中： P 設定功率值，根據基準質量和 試驗工況確定， kw； Pi 測功機的指示功率， kw； Pt 車輛規(guī)定工況的輸出功率， kw； Pf 測功機滾筒與輪胎表面摩擦損失功率， kw； Pc 測功機內部損失功率， kw。 （ 2） 測功機功率吸收裝置應能滿足最大總質量（ GVM）小于 3500kg的 M類、 N類車輛進行 ASM5025和 ASM2540工況時的試驗載荷要求。在滾筒轉速大于 22.5km/h 時，功率吸收裝置吸收的功率應不少于 15kw，穩(wěn)定的試驗狀態(tài)應不少于 5min，每次試驗間隔 3min，連續(xù)試驗應不少于 10次。 （ 3） 測功機應定期標定系統(tǒng)的內部 損失功率（包括軸承摩擦損失、系統(tǒng)驅動摩擦損失和風阻損失等）。 （ 4） 應使用電功率吸收裝置。在 0 到 40 環(huán)境范圍內，測功機在 25 km/h 和 40km/h 的轉速下，吸收功率應能以 0.1kw 為單位進行調整。功率設定的準確度應為 0.2kw。 二、滾筒 測功機應裝備雙滾筒。滾筒直徑為 200 mm 到 530mm 之間，同一地區(qū)的檢測項目應采用配備同一直徑滾筒的底盤測功機?？刹捎米笥铱梢苿邮綕L筒或固定式滾筒。固定式滾筒內外跨距要求能滿足輕型車工況檢測的安全要求。 滾筒中心距要求 L=（ 620+D） sin31.5 L 滾筒軸間距， mm； D 滾筒直徑， mm。 滾筒軸間距公差為 -6.5mm 12.5mm。 在任何氣候條件下，滾筒尺寸、表面處理和硬度均應保證輪胎不打滑；測試距離、速度、精度恒定；輪胎磨損小、噪聲低。 三、慣量 （ 1）基準慣量 測功機應配備機械飛輪或慣量模擬裝置使測功機具有不得低于 900kg20kg 的基準慣量；并應在銘牌上標明基準慣量。 （ 2）慣量模擬 測功機應能模擬基準質量小于 3500kg 的車輛在加速度為 0 1.475 m/s2 時的瞬態(tài)慣南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 22 量。慣量為 800 2700kg，速度為 90km/h 的車輛加速時測功機最大模擬輸出功率應大于18kw。應標明慣量模擬偏差，慣量模擬并應做相應修正。 （ 3）慣量模擬系統(tǒng)響應 慣量模擬扭矩響應在 0.3s 內應達到扭矩變化終值的 90%。 （ 4）慣量模擬誤差 慣量模擬誤差應不超過被試車輛所選慣性質量的 3%。 四、其它要求 測功機應有滾筒轉速測量裝置。測功機應能達到的最高車速為 90km/h。車速大于 10km/h 時，測量準確度應為 0.2km/h。 測功機應配備限位系統(tǒng)。限位系統(tǒng)應保證施加于驅動輪上的水平、垂直方向的力對排放測量沒有影響。測功機應配備冷卻車輛 的裝置。環(huán)境溫度超過 22時冷卻系統(tǒng)應啟動。應避免冷卻車輛催化轉化器。測功機的安裝應保證測試車輛在測功機上試驗時處于水平位置 , 四輪驅動測功機應能按規(guī)定對車輛正確加載，不能損壞車輛的四輪驅動系統(tǒng)，并適用于加裝防抱死制動系統(tǒng)和牽引力控制系統(tǒng)的車輛。前后車輪滾筒速度同步誤差應小于 0.3km/h。 3.2.2 測量儀器 排氣分析儀 取樣系統(tǒng)應有水氣分離系統(tǒng)、顆粒過濾裝置、取樣泵和流量控制單元，應保證可靠耐用，無泄漏并且易于維護。與取樣氣體接觸的制造材料不能與取樣氣體發(fā)生反應并且不污染取樣氣體 或改變被分析氣體的特性。取樣系統(tǒng)必須耐腐蝕 ,并能耐受 ASM 工況檢測過程中車輛的排氣溫度。取樣探頭插入車輛排氣管深度應不小于 400mm，所用材料應能耐受600 C 的排氣溫度。排氣分析儀應能測試雙排氣管車輛。雙取樣探頭應保證各支管流量相同。排氣通風系統(tǒng)不應引起探頭取樣點尾氣被稀釋且不能引起車輛排氣出口壓力變化大于 0.25kPa。排氣分析儀應能滿足至少每秒一次的廢氣濃度測試能力。 下列情況系統(tǒng)取樣分析應自動停止工作： 排氣分析儀未進行充分預熱； 無關氣體干擾影響超過 10 10-6HC、 0.05% CO、 0.20% CO2 和 25 10-6 NO； 取樣系統(tǒng)中 HC 殘留量濃度大于 10 10-6； 零點漂移或標定時的讀數漂移超過分析儀調整范圍。 排氣分析儀應能抗電磁干擾，抗振動沖擊。 排氣分析儀響應要求： 排氣分析儀對 HC、CO、 CO2 分析，從探頭輸入被測氣體到顯示終值的 90%響應時間應小于 8s，顯示終值的 95%南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 23 反應時間應小于 12s；對 NO 分析，從探頭輸入被測氣體到顯示終值的 90%響應時間應小于12s， NO 穩(wěn)定值讀數下降到 10%穩(wěn)定讀數值的響應時間應小于 12s。 HC、 CO 和 CO2 分析 應采用不分光紅外吸收型（ NDIR）分析儀， NO 分析應采用電化學傳感器分析儀或其它等效方法。儀器量程和測量誤差應滿足表 3-1 的要求（滿足相對誤差和絕對誤差任一項即可）： 表 3-1 儀器量程和測量誤差要求 氣體種類 量程 測量誤差 相對誤差 絕對誤差 HC 0 2000 10-6 5% 10 10-6 2001 10-6 9000 10-6 10% / CO 0 10% 5% 0.05% 10.01% 14% 10% / CO2 0 16% 5% 0.5% 16% 18% 10% / NO 0 40000 10-6 4% 25 10-6 4000 10-6 5000 10-6 8% / 其它測量裝置 （ 1）濕度計 設備須配備濕度計，相對濕度測量范圍應為 5% 95%，測量準確度應為 3%。濕度計須安置在能直接采集檢測場內環(huán)境濕度的地方，按檢測程序要求向控制計算機傳輸實時數據。 （ 2）溫度計 設備須配備溫度計，溫度測量范圍應為 255K 333K（ -18 -60），測量準確度應為 1.5K。溫度計須安置在能直接采集檢測場內環(huán)境濕度的地 方，按檢測程序要求向控制計算機傳輸實時數據。 （ 3）氣壓計 設備應配備氣壓計，氣壓測量范圍應為 80 kPa 110kPa，測量準確度應為 3%。如大氣壓力變化不大的地區(qū)，系統(tǒng)應能夠允許人工輸入檢測地季節(jié)大氣壓力。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 24 （ 4）計時器 計時器 10s 1000s 測量準確度應為 0.1%。 3.2.3數據采集板的選用及原理 本系統(tǒng)的數據采集選用的 HY-8021A 多功能數據采集板。 HY-8021A 采集板上安裝有 12位分辨率的 A/D 和 D/A 轉換器，具備 8 雙 /16 單的模擬輸人通道和 2路模擬輸出通道。輸人信號的幅度可 以經程控增益儀表放大器調到合適的范圍，以保證最佳轉換精度。程控增益可選擇 1、 2、 4、 8 或 1、 10、 100、 1000。 A/D 轉換器可以選擇模擬輸人信號范圍有5V、 0 l0V、 l0V。同時板上還裝有可編程定時 /計數器 8253，以滿足定時和計數的需要。HY-8021A 采集板上還有 8路數字量輸人和 8路數字量輸出通道。 一、 HY-8021A 多功能采集板的主要技術指標 1、模擬信號輸人部分 模擬信號輸人通道數 : 16 單端、 16 偽雙端、 8雙端模擬信號輸人； 模擬信號輸人范圍： 5V, 0 10V, 10V； 模擬輸人阻抗： 100 M S2； 模擬輸人共模電壓范圍： 2V； 程控放大器增益范圍： 1、 10、 100、 1000； 放大器建立時間： 2uS(精度 0.01%，增益 1000 時 )， 10uS(精度 0.01%，增益 =1000 時 )； 放大器增益誤差性： 0.05%(增益 1000 時 )， 0.1%(增益 =1000 時 )； 2、 A/D 轉換電路部分 A/D 分辨率 :12Bit(4096)； 非線性 : LSB(最大 )； 轉換時間 (含采樣時間 ):10uS； 孔徑抖動時間 :150Ps； 系統(tǒng)側量精度 (滿量程 )0.05% ( G1000 時 )； 系統(tǒng)通過率 :110KHz(最大 )； 3、 D/A 轉換電路部分 輸出通道數 :2 路； 模擬輸出電壓范圍 :0 5V, 5V, 0 lOV、 10V； 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 25 D/A 分辨率 :12Bit(4096)； 非線性 : LSB(最大 )； D/A 輸出精度 (滿量程 ):12LSB； 建立時 I旬 :5uS(0.01%精 度 )； 輸出阻抗 :0.2 ； 4、數字量輸入 /輸出部分 數字量輸人通道數 :8Bit(并行不鎖存 )； 數字量輸出通道數 :8Bit(并行鎖存 )； 輸人 /輸出電平特性 :TTL 電平兼容。 5、可編程定時 /計數器部分 定時 /計數器板上時鐘頻率 :4MHz ； 定時 /計數器板上時鐘頻率 :延 4MHz ； 可使用定時觸發(fā)頻率 :0.001Hz 200KHz ； 輸人 /輸出電平特性 :TTL 電平兼容； A/D 轉換外觸發(fā)通道數 :1路； A/D 轉換外觸發(fā)信號特性 :下降沿有效。 6、中斷申請和 DMA 部分 中斷申請通道數 :2 路 (硬件選擇 )； 中斷申請級別 :IRQ3、 IRQ4、 IRQS、 IRQ7、 IRQ10、 IRQ11、 IRQ12、 IRQ 15； 中斷申請信號有效電平 :高電平有效； 中斷申請信號電平特性 :TTL 電平兼容； DMA 傳輸通道數 ；2 路 (硬件選擇 )； DMA 通道級別選擇 :DMA1,DMA3(硬件選擇 )； DMA 傳輸信號電平特性 :TTL 電平兼容。 二、 HY-8021A 多功能數據采集板的工作原理 HY-8021A 板主要由模 /數轉換 (A/D)電路、數 /模轉換 (D/A)電路、數字量輸人 (DI)電路、數字量輸出 (DO)電路和定時 /計數器 (T1)電路及 PC AT 總線接口電路等六部分組成。通過各部分電路的組合，力求滿足用戶各種用途的要求。 在 HY-8021A 板上用戶通過軟件編程或硬件控制來啟動 A/D 轉換，當 A/D 轉換完成后，可通過軟件查詢 A/D 完成位然后讀取數據 ；或者通過 A/D 完成后 發(fā)出中斷申請然后由中斷服務程序讀取數據 ；或者通過 A/D 完成后發(fā)出 DMA 請求，由 DMA 傳送至主機內存。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 26 HY-8021A 板模擬輸出可由軟件分兩次向板上 D/A 輸出寄存器寫人數據， D/A 轉換器將D/A 輸出寄存器中的數據轉換為模擬量輸出供用戶使用， HY-8021A 板的數字量輸人電路采用 74LS373 構成緩沖式輸人，供用戶軟件直接讀取 8Bit 輸入數據 .數字量輸出電路采用74LS273 構成鎖存式輸出電路，具有上電清零的功能。通過向 I/O 口地址寫數據，可改變8Bit 數字量輸出值。 在 HY-8021A 板 A/D 轉換電路的觸發(fā)方式主要分為軟件觸發(fā)、定時觸發(fā)和外觸發(fā)三種方式。 其中外觸發(fā)主要有下列兩種方式 : a、外觸發(fā)方式 b、外門控定時觸發(fā)方式 在 HY-8021A 板 A/D 轉換的結果可通過下列三種方式傳送給主機 : a、軟件查詢 A/D 轉換完成位，然后由主機讀人結果數據。 b、 A/D 轉換完成后，發(fā)出中斷申請信號，然后由主機讀人結果數據。 c、 A/D 轉換完成后，直接存儲器存取 (DMA)工作方式。 3.2.4 自動檢測控制系統(tǒng)和顯示 自動檢測控制系統(tǒng)應能根據輸入的車 輛參數自動設置加載載荷和選擇排放標準。檢測程序，數據采集和分析判斷檢測結果應由計算機控制自動進行。自動檢測控制系統(tǒng)應考慮到排氣分析儀的響應時間，以確保記錄的排氣污染物檢測值與相應的試驗工況記錄值互相對應。 系統(tǒng)應配備清晰可見的駕駛員引導裝置。引導裝置應不斷顯示所需速度，試驗工況時間，駕駛實際速度和時間，以及其它必要的提示和警告。系統(tǒng)應具有設備數據生成功能，具體格式將根據國家環(huán)境保護主管部門的要求另行規(guī)定。 3.3 在底盤測功機上的測試運轉循環(huán) 在底盤測功機上的測試運轉循環(huán)由 ASM5025 和 ASM2540 兩個工況組成，見圖 3-2、表3-2 所示 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 27 圖 3-2 穩(wěn)態(tài)工況法（ ASM）試驗運轉循環(huán) 表 3-2 穩(wěn)態(tài)工況法（ ASM）試驗運轉循環(huán)表 工況 運轉次序 速度 km/h 操作時間（ mt） s 測試時間（ t） s 5025 1 25 5 / 2 25 15 3 25 25 10 4 25 90 65 2540 5 40 5 / 6 40 15 7 40 25 10 8 40 90 65 3.3.1 ASM5025 工況 經預熱后的車輛加速至 25.0km/h，測功機以車輛速度為 25.0km/h、加速度為 1.475m/s2 時的輸出功率的 50%作為設定功率對車輛加載，工況計時器開始計時（ t=0s）。車輛以 25.0 km/h 1.5km/h 的速度持續(xù)運轉 5s，如果底盤測功機模擬的慣量值在計時開始后持續(xù) 3s超出所規(guī)定誤差范圍，工況計時器將重新開始計時（ t=0）。如果再次出現該情況，檢測將被停止。系統(tǒng)將根據分析儀最長響應時間進行預置，（如果分析儀響應時間為 10s，則預置時間為 10s， t=15）然后系統(tǒng)開始取樣，持續(xù)運行 10s（ t=25s）即為 ASM5025 快速檢查南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 28 工況。 ASM5025 快速檢查工況結束后繼續(xù)運行至 90s（ t=90s）即為 ASM5025工況。 3.3.2 ASM2540 工況 ASM5025 工況檢測結束后車輛立即加速至 40.0km/h，測功機以車輛速度為 40.0km/h，加速度為 1.475m/s2時的輸出功率的 25%作為設定功率對車輛加載。工況計時器開始計時（ t=0s）。車輛以 40.0 km/h 1.5km/h 的速度持續(xù)運轉 5s，如果底盤測功機模擬的慣量值在計時開 始后持續(xù) 3s 超出所規(guī)定誤差范圍，工況計時器將重新開始計時（ t=0）。如果再次出現該情況，檢測將被停止。系統(tǒng)將根據分析儀最長響應時間進行預制，（如果分析儀響應時間為 10s，則預時間為 10s， t=15）然后系統(tǒng)開始取樣，持續(xù)運行 10s（ t=25s）即為 ASM2540 快速檢查工況。 ASM2540 快速檢查工況結束后繼續(xù)運行至 90s（ t=90s）即為ASM2540 工況。 3.4測試程序 車輛驅動輪位于測功機滾筒上，將分析儀取樣探頭插入排氣管中，深度為 400mm，并固定于排氣管上。對獨立工作的多排氣管應同時取樣 。 3.4.1 ASM5025工況 車輛經預熱后，加速至 25km/h，測功機根據測試工況要求加載，工況計時器開始計時（ t=0s），車輛保持 25 km/h 1.5km/h 等速 5s 后開始檢測。當測功機轉速和扭矩偏差超過設定值的時間大于 5s，檢測應重新開始。然后系統(tǒng)根據所規(guī)定開始預置 10s 之后開始快速檢查工況，計時器為 t=15s時分析儀器開始測量，每秒鐘測量一次，并根據稀釋修正系數及濕度修正系數計算 10s 內的排放平均值。運行 10s（ t=25s） ASM5025 快速檢查工況結束。車輛運行至 90s（ t=90s） ASM5025 工況結束。測功機在車速 25.0 km/h 1.5km/h 的允許誤差范圍內，加載扭矩應隨車速的變化做相應的調整，保證加載功率不隨車速改變。扭矩允許誤差為該工況設定扭矩的 5%。 在測量過程中，任意連續(xù) 10s 內第一秒至第十秒的車速變化相對于第一秒小于0.5km/h，測試結果有效?？焖贆z查工況的 10s 內的排放平均值經修正后如果等于或低于限值的 50，則測試合格，檢測結束；否則應繼續(xù)進行至 90s 工況。如果所有檢測污染物連續(xù) 10 秒的平均值均低于或等于限值，則該車應判定為 ASM5025 工況合格，繼續(xù)進行ASM2540 檢測；如任何一種污染物連續(xù) 10 秒的平均值超過限值，則測試不合格，檢測結束。在檢測過程中如任意連續(xù) 10s 內的任何一種污染物 10 次排放值經修正后均高于限值的 500，則測試不合格，檢測結束。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 29 3.4.2 ASM2540工況 車輛從 25km/h 直接加速至 40km/h，測功機根據測試工況要求加載，工況計時器開始計時（ t=0s），車輛保持 40 km/h 1.5km/h 等速 5s 后開始檢測。當測功機轉速和扭矩偏差超過設定值的時間大于 5s，檢測應重新開始。然后系統(tǒng)根據所規(guī)定開 始預置 10s 之后開始快速檢查工況，計時器為 t=15s時分析儀器開始測量，每秒鐘測量一次，并根據稀釋修正系數及濕度修正系數計算 10s 內的排放平均值。運行 10s（ t=25s） ASM2540 快速檢查工況結束。車輛運行至 90s（ t=90s） ASM2540 工況結束。測功機在車速 40.0km/h 1.5km/h 的允許誤差范圍內，加載扭矩應隨車速的變化做相應的調整，保證加載功率不隨車速改變。扭矩允許誤差為該工況設定扭矩的 5%。 在測量過程中，任意連續(xù) 10s 內第一秒至第十秒的車速變化相對于第一秒小于0.5km/h，測試結果有效。快速檢查工況的 10s 內的排放平均值經修正后如果等于或低于限值的 50，則測試合格，檢測結束；否則應繼續(xù)進行至 90s 工況。如果所有檢測污染物連續(xù) 10 秒的平均值均低于或等于限值，則該車應判定為合格。如任何一種污染物連續(xù) 10 秒的平均值超過限值，則測試不合格，檢測結束。在檢測過程中如任意連續(xù) 10s 內的任何一種污染物 10 次排放值經修正后如高于限值的 500，則測試不合格，檢測結束。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 30 第四章 穩(wěn)態(tài)加載工況法排放測試系統(tǒng)軟件開發(fā)與試驗 4.1 開發(fā)工具的選擇 為了實現對檢測系統(tǒng)各參數的檢測和對設備及儀器的控制，必須依靠軟件平臺。在WINDOWS 操作系統(tǒng)下可以選用多種開發(fā)語言實現對系統(tǒng)的控制，常用的開發(fā)軟件有 VC,VB， LabVIEW ( Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorbench)等。 VB 是一種容易上手的應用軟件，但其不支持面向硬件的直接編程，編碼運行速度比較慢，在高精度的測控要求下很難滿足要求。 VC 可以實現對硬件的直接控制，功能強大，運行速度較快，但該軟件開發(fā)要求較高，因此在本系 統(tǒng)中局部對運行速度要求較高的測控部分 (如轉速、扭矩及排放物濃度等數據的采集部分和電壓調節(jié)器的控制部分 )采用該開發(fā)工具編制。 LabVIEW 是美國 NI 公司 (National Instruments Company)的產品，主要用于儀器控制、數據采集、數據分析和數據顯示等方面。 LabVIEW 和 VC, VB,Delphi 語言一樣，也是一種程序開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與這些語言的之間最大的區(qū)別在于 :其他這些開發(fā)環(huán)境都采用基于程序代碼的編程語言，而 LabVIEW使用的是一種圖形化的編程語言 -G語言 (Graphics Language，這種語言采用流程圖的形式開發(fā)應用程序。同時 LabVIEW 與 VC,VB,Delphi 語言一樣，是一種具有函數庫的通用程序開發(fā)系統(tǒng)。 LabVIEW 自帶的函數庫可以用于數據采南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 31 集、 GPIB 和串行設備的控制、數據分析、數據顯示和數據存儲。 LabVIEW 還提供了一些常用的開發(fā)工具，這些工具可以提高程序開發(fā)效率和質量，簡化程序的開發(fā)工作。系統(tǒng)開發(fā)可充分利用其強大的虛擬儀器技術進行檢測分析，直觀明了，開發(fā)費用低。因此選擇LabVIEW 作為加速模擬工況汽車排放污染物檢測系統(tǒng)的總體開發(fā)工具是可行的。 4.1.1 Labview 軟件概述 LabVIEW 是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。 LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS-232 和RS-485 協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用 TCP/IP、 ActiveX等軟件標準的庫函數。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為 G語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼 ，取而代之的是流程圖或流程圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此， LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。利用 LabVIEW，可產生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32位編譯器。像許多重要的軟件一樣， LabVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh的多種版本 15。 NI LabVIEW 是行業(yè)領先的用于開發(fā)設計、控制和測試系統(tǒng)的軟件工具。自 1986 年問世以來，世界范圍內的工程師和科學家在整個產品設計周期內都依靠 NI LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境來開發(fā)項目，從而獲得更高的質量，更短進入市場的時間，和更高的工程和生產效率。 LabVIEW的圖形化數據流語言很自然地吸引了全世界的工程師和科學家將其作為一種更加直觀的方式用于自動測量和控制系統(tǒng)。結合了內置 I/O、交互式用戶界面控件和指示器的數據流語言使得 LabVIEW 成為工程師和科學家的理想選擇。 使用 LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀 器程序，簡稱為 VI。 VI包括兩個部分 :前面板和程序框圖。 如下圖 4-1所示。 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 32 圖 4-1 前面板和程序框圖 4.1.2 Labview軟件功能特點 LabVIEW 軟件的特點可歸納為 : 1、采用圖形化的編程方式，設計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語言。 2、提供了豐富的數據采集、數據分析及存儲的庫函數。 3、既提供了傳統(tǒng)的程序調試手段，如設置斷點、單步運行，同時提供有獨到的高亮執(zhí)行工具，使程序動畫式運行，利于設計者觀察程序運行的細節(jié)，使程序的調試和開發(fā)更為方便和快捷。 4、通過 32bit 的編譯 器編譯生成 32bit 的編譯程序，可以保證用戶數據采集、測試和測量方案的高速執(zhí)行。 5、包括了 DAQ,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485 在內的各種儀器通信總線標準的所有功能函數，使得不懂總線標準的開發(fā)者也能夠驅動不同總線標準接口設備與儀器。 6、提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，如 DLLs(動態(tài)連接庫 )、 DDE(共享庫 )、南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 33 ActiveX 等。 7、具有強大的 Internet 功能，支持常用網絡協議。方便網絡、遠程測控儀器的開發(fā)。 4.2 測試軟件開發(fā) 4.2.1 加載力矩與車速測量軟件程序開 發(fā) 數據采集卡的驅動 一、數據采集的基本原理 為了獲取檢測系統(tǒng)所需要的各種外部參數，同時為了利用計算機的數字信號處理技術，首先要將外部的模擬信號轉換為數字信號。轉換工作是由采集卡（ DAQ)的核心 -模數(A/D)轉換器來完成的。采集卡的轉換速率和精度主要和模數轉換器的結構類型有關。目前使用較多的模數轉換器主要有逐次逼近型、雙積分型、并行式轉換型、 V/F 轉換型及 -型等多種類型。其中逐次逼近型和并行式轉換型轉換速率較快，常常構成高速數字信號通訊；雙積分型及 V/F 轉換型轉換速率不高， 轉換時間較長，但其轉換精度較高，常構成低速 A/D 轉換器；而 -型 A/D 轉換器是近年研制出來的新型模數轉換器，它的優(yōu)點是分辨率高 ( 16 位 )、線性度好、成本低，目前已成為高分辨率 A/D 轉換器的主流產品。 數據采集可以分為兩個階段 :首先是模擬信號的量化，然后是進行編碼。編碼后的信號即成為數字信號，可以被計算機所識別。量化是指將連續(xù)變化的模擬信號離散為一系列不同的模擬量狀態(tài)，而編碼則是將每一個已經離散了的模擬量再確定一個二進制數字量。 從模擬量轉換到數字量時，需要一定的時間來完成模擬量的量化和編 碼工作，該時間被稱為 A/D 轉換器的轉換時間。在轉換時間內，轉換器只能完成一次轉換并產生一個輸出編碼，因此在轉換時間內也只能有一點的信號振幅可能與輸出編碼對應。實際轉換過程中，在轉換時間內，一個輸出編碼對應的是輸人模擬量的一段變化量，這樣就產生了轉換誤差。采集時總是希望分辨率要高，同時轉換時間要短。為了實現這一功能，在采集卡中設計了采樣保持電路來解決這一難題。采樣保持電路的作用是將所采集的信號電壓在完成數據轉換所需的時間內進行鎖存。這樣在一個采樣周期內，采樣保持器內存儲并輸出的電壓將是一個恒值，當轉換器對該電 壓進行數據轉換時，就不必考慮數據轉換所需的時間長短，從而可以使用高分辨率的轉換器來提高轉換轉換精度，這種技術已廣泛使用在 A/D 采集技術中 10。 在采集過程中，對采集結果影響最大的因素主要有兩個，一個是采樣分辨率，另一個是 A/D 轉換速度。采樣分辨率即是通常所說的 A/D 轉換器輸出的二進制數的位數，位數多時其轉換精度也較高。轉換速度即是采樣速率，是指在單位時間內數據采集卡對模擬信號南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 34 的采樣次數。較高的采樣速率就意味著在給定的時間內采集更多的點，因而可以更好地還原原始信號，信號的失真度就較低。相反，如果采 樣速率較低則可能會導致原始信號的畸變，使整個系統(tǒng)的精度降低。通常將這種信號畸變叫做混頻 (Alias)。根據奈奎斯特理論(Nyquist theorem )，為了防止在采集時產生混頻，最低采樣頻率必須是原始信號頻率的兩倍。對于某個給定的采樣率，能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率。在實際采集系統(tǒng)中，往往會同時使用多個輸人通道，為了保證采樣的精度，要求采樣率應該是通道數與信號頻率之積的 (7 10)倍，否則無法得到準確的檢測結果。其表達式如式 4-1 所示 : Fc=(7 10)FmaxN (4-1) 式中 :Fc:系統(tǒng)采樣頻率 ； Fmax:源信號最高頻率 ； N:采樣通道數。 二、 穩(wěn)態(tài)加載 工況下采集過程的實現 穩(wěn)態(tài)加載工況下數據采集主要通過動態(tài)鏈接庫 (DLL)文件實現。在此文件中通過 VC+ 6.0 語言編寫了采集程序，供 LabVIEW 在采集和控制時調用。 其中采集子程序簡述如下 : #include stdafx.h #include sys2l.h #include dos.h #include stdio.h #include conio.h #include math.h /略 float PASCAL EXPORT ADCAIJI(int chno,int addly) int i,j,ad； float adv； _inp(646)； _outp(640,0)； _outp(641,chno)； for(i=0； iaddly； i+)； for(j=0； j5； j+) 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 35 _inp(642)； do ； while(!(_inp(640)&0x40)； adj=_ inp(643)+(_inp(644)&0xf)+8)； advj=(float)(float)adj-2047)*20/4096)； /略 return adv； /略 . 在采集過程中大氣壓、大氣濕度及大氣溫度數值可在檢測準備階段進行采集，汽車尾氣排放值 (最多 5組通道 )同時采集。本系統(tǒng)中源信號的最高頻率為 50Hz，采集板的系統(tǒng)采樣頻率為 50KHz，根據奈奎斯特理論 (Nyquist theorem )11和多通道采集原則，此信號采集裝置可以保證采集數據的精度。系統(tǒng)采集采用調用子程序的方法進行。 LabVIEW 強大的測控功能還和其選用的采集卡有關。一般來說 LabVIEW 只支持 NI 公司的采集卡，而且軟件本身還帶有 NI 公司采集卡的驅動，使用非常方便，測控功能強。但是 NI 公司的采集卡都很貴，普通用戶很難承受。為了彌補這一不足， LabVIEW 還支持其他公司的采集卡，但 LabVIEW 并不提供它們的驅動和應用程序，需要用戶自己開發(fā)。本系統(tǒng)選用華控公司的 HY-8021A 采集卡，其 驅動程序由用戶開發(fā)。在開發(fā)過程中，我們運用LabVIEW 可以調用外部動態(tài)鏈接庫 (Dynamic Link Library，簡稱 DLL)的特性，通過 LabVIEW本身提供的調用庫函數節(jié)點 CLF（ Call Library Function)功能實現對自編的動態(tài)鏈接庫文件的調用，以實現數據的采集和控制作用。自編的 DLL 文件建立在 Visual C+6.0 環(huán)境 下，是和 LabVIEW 相兼容的 32 位程序。 數據采集程序 測控程序是計算機實現數據采集功能的核心部分，也是 ASM 測試系統(tǒng)的關鍵。以LabVIEW 為平臺，編寫的測控程序分為前、后面板兩部分。 前面板如圖 4-2 所示 ： 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 36 圖 4-2 前面板 該測控程序的后面板如圖 4-3所示： 圖 4-3 程序框圖 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 37 4.3 運行試驗 試驗用長安 SC6372A 汽車在本設計構建的試驗系統(tǒng)上進行，系統(tǒng)試驗的實景照片如圖4-4 所示。長安 SC6372A 汽車基準質量為 990kg。根據 ASM2540 與 ASM5025 工況測試要求，底盤測功機控制加載扭矩，駕駛人員控制測試車 車速。 圖 4-4 測試試驗實景圖 實驗時 ASM2540 與 ASM5025 工況施加扭矩計算如下： 測功機內部為摩擦阻力矩按式 4-2 計算。 TB=0.00048V2+0.05546V+3.643(N m) (4-2) 式中 TB為內部摩擦阻力矩， V為車速 (km/h)。 則 ASM5025 與 ASM2540 工況測試時，內部摩擦阻力矩 TB5025和 TB2540分別為： TB5025=5.3295(N.m) (4-3) TB2540=6.6294(N.m) (4-4) 分別根據式 4-3、 4-4 計算可得 ASM5025 與 ASM2540 試驗時，加載所知的設定值分別為： T5025=（ 0.15479 RM TB5025） /0.159 930(N.m) (4-5) T2540=（ 0.07739 RM TB2540） /0.159 440(N.m) (4-6) 試驗中，采樣頻率為 1.5Hz 時，試驗車速與加載扭矩的原始采集數據結果如圖 4-5、4-6 所示 ,實驗時，計算機 自動保存了測試數據為了顯示數據，運用 LABView 語言編輯軟件，用來采集測試數據。在采集之前要對實驗數據進行濾波處理，以保證圖形的準確性，程序框圖如圖 4-7所示 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 38 ASM5025 工況： 圖 4-5 5025 工況數據分析前面板 ASM2540 工況 南京林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 穩(wěn)態(tài)加載汽油車排放測試系統(tǒng)設計 第 頁 共 39 頁 39 圖 4-6 2540 工況數據分析前面板 圖 4-7 數據分析軟件程序框圖 第五章 結論 實施 I/M制度是目前控制在用汽車排放污染的最行之有效的手段，為了滿足 I/M制度的實施要求 ,在用汽車的排放檢測方法由怠速 /雙怠速法向工況法發(fā)展。 通過對 I/M制度的了解，掌握了在用車排放污染物簡易工況檢測方法。簡易工況法包括 穩(wěn)態(tài)工況法