发动机尾气排放污染程度有限元仿真检测分析.pdf

书 书 书基金项目河南省高等学校重点科研项目计划（）。作者简介杨慧荣（），女，讲师，主要研究方向：汽车控制技术教学。发动机尾气排放污染程度有限元仿真检测分析杨慧荣（河南工业贸易职业技术学院汽车工程学院郑州）摘要：开发和建立一套更加科学、合理、先进的发动机尾气排放污染程度检测方法对于控制城市空气污染具有深远意义。针对国家现有检测标准存在检测要求过低问题，提出基于有限元分析的发动机尾气排放污染程度检测方法，该方法基于简易瞬态工况法检测设备建立发动机尾气排放污染程度检测舱实体模型，将测量后计算获得的实际发动机尾气排放因子与检测舱实体模型排放限值作对比，获得发动机尾气排放污染浓度值，完成检测。通过多种检测方法对比，证明了本文方法的检测技术更加先进，检测标准更加严格，与实际车检结果高度吻合，有利于有效治理排放不达标车辆，配合政府制定排放标准和减少城市空气污染。关键词：有限元分析；发动机；尾气排放；污染程度；检测 （，）：，：；青海交通科技 第期引言截至年底，我国机动车保有量将近亿辆，其中汽车占比一半左右。经济社会的快速发展使得人民生活水平有了质的飞跃，加上汽车工业的迅速发展和崛起使得近年来私家车的普及率和使用率越来越高，发动机尾气对环境排放污染程度日趋严重。现代城市的尾气污染、交通拥堵等问题给人们的生活、出行带来了诸多困扰，特别是发动机尾气排放污染已经成为隐形杀手，这些污染都会给人们的健康带来严重不良影响。随着我国机动车保有量的逐年递增，发动机尾气排放总量也逐年攀升，城市空气环境污染已经从传统的煤烟型污染转化为机动车型污染，这一转变使得人们更加清楚地认识到研究发动机尾气排放污染程度检测以及尽早制定严格的发动机尾气排放标准的重要性。在前人研究的基础上，针对发动机尾气排放污染程度检测流程，给出了性能测试分析，以期对汽车尾气排放的测定起到一定的理论支撑作用。发动机尾气排放污染程度检测舱结构 检测舱有限元模型构建发动机尾气排放污染程度检测舱主要由控制间、配备检测平台以及引板等设备的设备间和附属间部分组成。研究基于简易瞬态工况法建立了发动机尾气排放污染程度检测舱实体模型，用于发动机尾气排放污染程度移动检测。由于发动机尾气排放污染程度检测舱有限元模型上的任何构件或零件都是三维的，当其任意一个方向或任意两个方向尺寸远远小于其他方向的尺寸时，可以将其简化为杆或者板。采用适当稀疏的网格划分方法，充分考虑到发动机尾气排放污染程度检测舱的制作材料，检测舱有限元模型采用板壳单元划分。发动机尾气排放污染程度检测舱体材料发动机尾气排放污染程度检测舱体的梁结构和支腿结构采用的是钢材；检测舱顶部以及侧壁采用复合夹层材料，上下层厚度各为，均采用铝合金材料，而检测舱中间夹层则采用环氧树脂材料填充，填充厚度为。表给出了发动机尾气排放污染程度检测舱体所用材料属性。表检测舱体所用材料属性材料属性弹性模量（）泊松比屈服极限 钢材 铝合金 环氧树脂 发动机尾气排放污染程度检测流程 实验仪器选取和参数标定（）发动机排气取样设备至少进行的连续清洗，如果是反吹清洗则连续清洗时间不得少于。将发动机排气取样设备的取样探针插入发动机尾部排气管内深左右处。（）对尾气分析仪和发动机排气流量分析仪进行预测处理，使其在通电半小时内达到稳定状态，在每次检测试验开始前将仪器结果自动归零，测定研究区域空气污染水平以及残留水平。（）在对汽车底盘测功机作预热处理后，进行汽车滑行试验，汽车滑行试验合格后方可采用上述建立的检测舱进行发动机尾气排放污染浓度检测。计算机系统根据汽车参数和基准值自动设置底盘测功机荷载以及试验工况的吸收功率值。汽车尾气排放污染浓度检测与结果判定（）启动发动机，使发动机保持怠速运行。（）根据相应操作流程循环试验，完成取样。（）预热后的发动机排气流量分析仪将取样稀释后的排放气体氧气浓度水平与原来未稀释排气的氧气浓度水平作对比，得到样品气体稀释比例系数；根据与发动机排气流量分析仪测得的稀释后的排放气体氧气流量计算获得实际滑行过程中发动机排放尾气体积；再根据尾气分析仪测量获得浓度计算每秒发动机排放尾气的质量。（）将汽车滑行试验只能计算得到的每秒发动 第期青海交通科技机尾气排放质量转换成单位里程下的尾气排放质量，即尾气排放因子。（）将上述测量和计算获得的发动机尾气排放因子与检测舱排放限值作对比，获得汽车发动机尾气排放污染浓度值。性能测试为了检验不同发动机尾气排放污染程度检测方法的性能优劣，采用怠速法、双怠速法、简易工况法和研究提出的基于有限元分析的发动机尾气排放污染程度检测方法（文中简称所提方法）进行对比测试。对辆汽车的发动机尾气排放污染程度检测，检测合格率统计结果如表所示。表测试发动机尾气排放检测结果年龄 指标方法怠速法 简易工况法 所提方法以下检测数辆达标数辆达标率 检测数辆达标数辆达标率 检测数辆达标数辆达标率 检测数辆达标数辆达标率 以上检测数辆达标数辆达标率 总计检测数辆达标数辆达标率 将参与测试的辆轻型汽油车车龄划分为五个阶段，其中特征最显著的就是车龄在以下的测试汽车达标率较高。根据表可以看出，对于以下车辆的发动机尾气排放污染程度检测，四种方法的检测达标率分别为、和，主要是因为当地政府颁布的关于实施轻型汽车污染物排放标准通告 中明确指出，对于新上牌的轻型汽油车必须选取闭环电喷发动机并同时安装三元催化器，而这部分发动机尾气排放污染程度通常较小，四种检测方法的检测达标率相差不大，但从另一个层面反映了当地政府对于发动机尾气排放污染控制政策的有效性。根据瞬态工况法和所提方法的发动机尾气排放污染程度检测结果分析，测试发动机尾气排放的污染物中排放情况，具体如表所示。表测试汽车的排放情况瞬态工况法（）所提方法（）以下 以上 平均 根据表可以看出，分别采用瞬态工况法和所提方法检测测试车辆的平均排放浓度分别为 和 。我国城市污染主要是以发动机尾气排放的为特征，存在严重的光化学污染危害，选取某市为研究对象，测试其空气环境中的和平均浓度水平，具体如表。从表中可以清楚地看出，该市发动机尾气排放的平均浓度水平严重超标，而平均浓度水平在标准范围之内，这就对该市控制发动机尾气排放的平均浓度水平提出了特殊要求，相对于我国现行的简易工况法，所提方法为检测发动机尾气排放污染程度提供了一个更有效、更可靠的检测手段。青海交通科技 第期表该市空气环境中的和年平均浓度年份指标（）（）年平均值 表统计了采用怠速法、简易工况法和所提方法（检测舱简易工况法）检测辆轻型汽油车发动机尾气排放污染达标率情况。表汽油车发动机尾气排放污染达标率统计超标量辆车龄以下 以上合计怠速法简易工况法所提方法 根据表的统计结果可以明显看出，采用设计的检测舱检测获得的轻型汽油车发动机尾气排放污染超标数量最多，共计有辆；其次是简易工况法，共计有辆；采用怠速法检测获得的超标数最少，仅为辆。在采用怠速法检测获得的辆轻型汽油车发动机尾气排放污染超标车辆中，有辆是怠速法简易工况法检测超标；辆为怠速法检测舱检测超标，由此说明采用怠速法检测超标的汽车大部分采用检测舱检测也显示超标，但是与简易工况法检测的相关性较差。在检测舱检测超标的辆轻型汽油车发动机尾气排放污染超标车辆中，采用简易工况法检测超标的有辆，采用怠速法检测超标的车辆有辆，这说明采用检测舱检测汽油车发动机尾气排放污染程度更为严格，车辆达标率较低。在怠速法、简易工况法和所提方法中，所提方法对汽油车发动机尾气排放污染程度检测要求最为严格，检测结果与实际检测结果吻合度更高，充分证明了所提方法的有效性和优越性，这是由于所提方法在对汽车底盘测功机作预热处理后，进行汽车滑行试验，汽车滑行试验合格后方才对发动机尾气排放污染浓度进行检测，检测结果更加符合实际，要求更加严格，准确性更高。结论提出了基于有限元分析的汽车发动机尾气排放污染程度检测方法，该方法利用有限元软件将简易工况法检测设备与检测舱设计有机结合，能够模拟实际路况反映发动机尾气排放污染程度，用于车辆排放达标检测，对于辅助不达标车辆的有效治理和降低城市污染具有重要现实意义。参考文献李钢，谷威，刘进，等在用汽车尾气遥测法检测及排放限值的研究环境科学与技术，（）：陶双成，黄山倩，高硕晗，等基于情景分析的关中城市群机动车污染物排放控制研究生态环境学报，（）：刘佳丽，温馨基于技术的垃圾焚烧气体监测与扩散模型的研究与建立电子设计工程，（）：肖瑶，胡敏，李梦仁，等汽油车尾气排放的稳定同位素特征中国电机工程学报，（）：王祺基于光纤激光器的机动车尾气排放浓度检测方法激光杂志，（）：吐尔逊买买提，赵梦佳，宁成博，等基于深度极限学习机的柴油机尾气排放预测科学技术与工程，（）：庞凯莉，张凯山，马帅，等中国农业机械的使用特征及其尾气排放的时空分布环境科学学报，（）：叶潇，李成，夏泽群，等内燃叉车尾气气态及细颗粒污染物排放特征研究环境科学学报，（）：第期青海交通科技