汽車排放污染物的測(cè)量方法

1、汽車排放污染物測(cè)試的發(fā)展方向一一車載排放測(cè)試由于底盤測(cè)功機(jī)應(yīng)用的局限性，使得人們開始考慮使用更為先進(jìn)的汽車排放污染物測(cè)試途徑 便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)(pems portableemission measure system)。雖然目前世界上通過(guò)政府認(rèn)證的pemss不多，而且很多國(guó)家都沒(méi)有頒布對(duì)pems勺認(rèn)證制度。但是從全球范圍內(nèi)廣泛使用通過(guò)美 國(guó)和歐洲認(rèn)證的pems勺效果來(lái)看，這些便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)還是能夠真實(shí) 反映車輛排放情況，設(shè)備的精確性和可靠性還是能夠滿足我們進(jìn)行道路排放 測(cè)試的需要的。由于這些便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)主要是通過(guò)直接在車輛上進(jìn)行 安裝、測(cè)試，所以也被稱為車載排放測(cè)量系統(tǒng)。一、車載排

2、放測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介車載排放測(cè)試技術(shù)是近些年才日益快速發(fā)展的新技術(shù)。對(duì)于其研究是始于20世紀(jì)80年代。車載排放測(cè)試技術(shù)的發(fā)展是伴隨著科技和工業(yè)水平的進(jìn)步， 以涌現(xiàn)的更新，更全，更精確，更強(qiáng)大的測(cè)試設(shè)備的出現(xiàn)為標(biāo)志的。便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)將排氣尾管直接連接到車載氣體污染物和微粒測(cè) 量裝置上，對(duì)車輛尾氣進(jìn)行直采，實(shí)時(shí)測(cè)量整車排放的體積濃度和質(zhì)量流量 排量，得到氣體污染物的質(zhì)量排放量和微粒排放量。雖然pem睬用的是直接采樣的取樣方法，但是在取樣過(guò)程中沒(méi)有對(duì)取樣氣進(jìn)行冷卻，這樣就排除 了由于冷凝而對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響。通過(guò)對(duì)測(cè)量的瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)以及gps數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果，形成對(duì)被測(cè)車輛排放水平的評(píng)估。這種

3、技術(shù)的應(yīng)用不 僅可以保證測(cè)試的精確度和可靠性，而且可以節(jié)約大量的測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成 本。特別是由于這套系統(tǒng)具有重量輕、體積小的特點(diǎn)，能夠放在被測(cè)車輛上， 可以在實(shí)際道路運(yùn)行條件下對(duì)車輛排放進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。這樣就能夠反映外界環(huán)境條件的變化對(duì)車輛排放的影響。雖然各個(gè)公司的pem歹品各有不同，但其采樣、數(shù)據(jù)處理的流程基本是一樣的。作為一個(gè)整體，pem強(qiáng)照?qǐng)D1所示的pems吉構(gòu)圖，將各測(cè)量?jī)x器集 中到一起，利用pitot管直采的方法，對(duì)尾氣進(jìn)行直接取樣，分析各污染物 的瞬時(shí)排放濃度。車輛排放的氣體，在 pems勺各個(gè)分析儀內(nèi)經(jīng)過(guò)分析之后,和環(huán)境參數(shù)、gp曜數(shù)一起進(jìn)入數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，之后輸入到記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

4、的pc中。 1 pens 首梅m安裝pem他是相當(dāng)容易的。對(duì)于乘用車和卡車，可以將系統(tǒng)安裝在被測(cè)車 輛的副駕座位上，這樣就使監(jiān)視屏幕和控制器面向駕駛員，并且所有的連接 器面向副駕一側(cè)的車門。系統(tǒng)也能安裝在小轎車的后座上，小型廂式車的地 板上，掀背式轎車或者皮卡的貨箱里， 或者車上其他任何安全、方便的地方。 將該系統(tǒng)放置在座位上時(shí)，最好在座位上鋪上保護(hù)墊或者油布，這樣是為了 防止對(duì)座位的損壞。當(dāng)測(cè)試重型車輛時(shí)，可以將設(shè)備放置在對(duì)車輛運(yùn)行和用 戶使用來(lái)說(shuō)認(rèn)為安全的地方。二、各污染物分析原理及分析儀(一)co co測(cè)量?jī)x器非透視紅外線分析儀(ndir nondispersive infrared a

5、nalyzer )是目前 用來(lái)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)內(nèi)燃機(jī)排氣中有害排放物的一種廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器，這種儀器主要用來(lái)測(cè)定cow co濃度。對(duì)于在紅外線領(lǐng)域中具有吸收帶的非對(duì)稱 氣體分子，如hc原則上也能進(jìn)行測(cè)量。非擴(kuò)散紅外分析儀是通過(guò)測(cè)定試樣中對(duì)象成分的紅外光的吸收能，來(lái)測(cè)定它的成分濃度。它的基本構(gòu)造如圖2所示。它由兩個(gè)相同的紅外光源、 試樣室、比較室、檢測(cè)室、截光室，以及信號(hào)放大器和記錄儀器等部分組成。用1 mce的34梅地在圖2中，比較室中充滿了惰性氣體（通常為n2）,這種氣體不吸收待測(cè)氣體波長(zhǎng)的紅外線能，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。兩個(gè)紅外光源輻射出的紅外線分別 是經(jīng)過(guò)試樣室和比較室進(jìn)入由彈性膜片隔開的檢測(cè)室

6、的上下兩個(gè)腔內(nèi)，在檢測(cè)室的兩個(gè)腔內(nèi)充入等量的純待測(cè)氣體，彈性膜片與金屬電極共同組成可變電容器，其電量的大小與其間距離成正比變化。當(dāng)紅外線同時(shí)通過(guò)試樣室和 比較室時(shí)，由于試樣室的氣體吸收紅外光能，而比較室的氣體不吸收紅外光 能，結(jié)果使檢測(cè)室的兩個(gè)腔所受的紅外能不同，由此造成兩個(gè)腔內(nèi)溫度變化 的不同，使左右兩個(gè)腔內(nèi)壓力不等而使膜片發(fā)生位移，于是電容電量發(fā)生變 化。根據(jù)電容量的變化即可確定待測(cè)氣體的濃度。試樣室中吸收的紅外光能與被測(cè)氣體濃度的關(guān)系可以按式1表示：a利一，式中：ea一所吸收的能量ei 一入射能量k一光能吸收系數(shù)c一被測(cè)氣體濃度l一試樣管長(zhǎng)度當(dāng)濃度變化越大時(shí)，轉(zhuǎn)換成檢測(cè)室電容量變化越大，

7、得到的電輸出信號(hào)越大。 ndir就是根據(jù)輸出電信號(hào)的大小得出樣氣中 co?口 co的濃度。（二）hc測(cè)量?jī)x器雖然ndir原則上可以測(cè)量hq但是ndir對(duì)烯燒和芳香族的敏感度很低， 所 以需要更為合適的測(cè)量?jī)x器對(duì)尾氣中 hc濃度進(jìn)行測(cè)量，主要用作測(cè)量碳?xì)?化合物總量（thc。目前，在cvs采樣中普遍使用氫火焰離子化分析儀測(cè) 量車輛尾氣中的hc濃度。氫火焰離子化分析儀（fid, flame ionization detector ）是用來(lái)測(cè)定內(nèi)燃 機(jī)排氣中未燃碳?xì)浠衔餄舛鹊膬x器之一。由于氫氣與空氣燃燒離子化作用非常小，但如果將有機(jī)碳?xì)浠衔飳?dǎo)入氫火焰中，在氫火焰的高溫（2000c）作用下，部分分

8、子和原子就會(huì)離子化生成大量的自由離子，離子化的程度與 碳?xì)浠衔锓肿又刑荚訑?shù)成正比關(guān)系。fid就是通過(guò)以上現(xiàn)象，外加適當(dāng)電場(chǎng)，使自由離子形成離子電流并產(chǎn)生微電流信號(hào)，那么通過(guò)測(cè)量離子電流 的大小即可確定試樣氣中碳?xì)浠衔镆蕴荚佑?jì)量的濃度。圖3所示的就是fid結(jié)構(gòu)示意圖。ml雖然fid對(duì)水蒸氣的靈敏度很低，但是由于碳?xì)浠衔镏懈鹘M分的沸點(diǎn)不同， 高沸點(diǎn)的碳?xì)浠衔镌谥苯硬蓸舆^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生吸附和凝聚，因此預(yù)防試樣系統(tǒng)中hc的凝縮損失及水凝聚以避免毛細(xì)管堵塞仍然是很重要的?；谝陨?的原因，在使用fid之前，要對(duì)燃燒裝置和采樣管進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的溫度保持在150c200c以上時(shí)，排放樣氣中

9、的 hc一般不會(huì)出現(xiàn)凝聚和吸附的現(xiàn)象。（三）no測(cè)量?jī)x器對(duì)于氮氧化物的測(cè)量，雖然能夠使用ndir測(cè)量nq用非擴(kuò)散紫外分析儀（nduv測(cè)量no,然后作為no值。但是現(xiàn)在這兩種方法都存在輸出特性呈 非線形關(guān)系及干擾組分影響大的缺點(diǎn)。而化學(xué)發(fā)光分析儀（ clq chemi luminescent detector ）具有線形范圍寬（在 10000ppm范圍內(nèi)輸出特性呈 線形關(guān)系）、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、能夠連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。所以現(xiàn)在主 要使用cld測(cè)量汽車排放中的noxcld測(cè)量的基本原理是讓含有 no的被測(cè)樣氣和臭氧在反應(yīng)室中相遇時(shí)， 發(fā)生 如式2和式3所示的化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)化學(xué)光測(cè)量 no。即將o

10、送入臭氧發(fā)生 器，轉(zhuǎn)換成q,使q與no產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生no分子，在no分子由激發(fā)態(tài) 衰減到基態(tài)的過(guò)程中時(shí)，會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)為 0.63mm的光。由于發(fā)光強(qiáng)度與進(jìn) 入反應(yīng)室的no質(zhì)量成正比，所以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器輸出， 這樣就測(cè)量到no的濃度；對(duì)于no,通過(guò)no - no專換器將no還原為no后 進(jìn)入反應(yīng)室，再按上述方法進(jìn)行測(cè)量，求得no?口 no之和，這樣就測(cè)到被測(cè)樣氣中氮氧化物的總和 no。nchvnocpp）nouqtrrr）式中，no為激發(fā)態(tài)no; h為普朗克常量；v為光量子頻率。（四）柴油機(jī)排氣微粒測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于柴油機(jī)排放微粒的采集系統(tǒng)，現(xiàn)可分為兩種，即全流式稀釋風(fēng)道采樣系 統(tǒng)和

11、分流式稀釋風(fēng)道采樣系統(tǒng)。前者將全部排氣引入稀釋風(fēng)道里，測(cè)量精度 高，但體積較大，價(jià)格昂貴；后者僅將部分排氣引入稀釋風(fēng)道里，因而體積 小。美國(guó)的輕、重型車用柴油機(jī)排放法規(guī)以及歐洲輕型車排放法規(guī)中，規(guī)定 要用全流式稀釋風(fēng)道測(cè)量柴油機(jī)微粒排放；歐洲重型車用柴油機(jī)排放法規(guī)及 我國(guó)2000年后的新排放法規(guī)中，對(duì)于以上兩種系統(tǒng)都允許使用。在對(duì)微粒成分的分析中主要采用熱解質(zhì)量分析法（tga和萃取法采集so用勺se萃取 法。在稀釋風(fēng)道測(cè)量系統(tǒng)中，全部排放氣被引入稀釋風(fēng)道里。用于稀釋排放氣的 空氣通過(guò)抽氣泵先經(jīng)過(guò)空氣濾清器。空氣濾清器由粗、細(xì)灰塵過(guò)濾器和活性 炭過(guò)濾器組成，以過(guò)濾空氣中的灰塵和不純氣體成分。經(jīng)過(guò)

12、空氣濾清器過(guò)濾 后的空氣和排放樣氣在稀釋風(fēng)道里進(jìn)行混合，形成稀釋樣氣。在稀釋風(fēng)道上 距離排氣入口 10倍于稀釋風(fēng)道直徑的地方，稀釋后的排放氣樣分別被2個(gè)微粒取樣泵引向直徑大于47mm勺微粒取樣濾紙，這2個(gè)氣流的體積可以通 過(guò)流量測(cè)量計(jì)算出來(lái)。三、車載測(cè)試設(shè)備的開發(fā)和使用（一）oem-210除載排放測(cè)量系統(tǒng)oem210（ft美國(guó)清潔空氣技術(shù)公司（cati）開發(fā)，是用于實(shí)際道路排放監(jiān)控 的最先進(jìn)和最新版的pems該設(shè)備可以提供針對(duì)汽油車的 hg co c。no 和q的讀數(shù)以及針對(duì)柴油車的 no、co co、q、pm （輕微擴(kuò)散）的讀數(shù)。 該設(shè)備帶有的gp膝統(tǒng)可以記錄道路車輛測(cè)試過(guò)程中的經(jīng)緯度信息，

13、可以描繪車輛行駛路線。oem-2100系統(tǒng)是通過(guò)使用車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)和來(lái)自排氣管的尾氣樣本 里的污染物濃度，以測(cè)量在實(shí)際道路駕駛條件下車輛質(zhì)量尾氣排放。它安置 在乘客座椅或者車輛底板上，并且提供逐秒測(cè)量的排放、油耗、車速、發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度、節(jié)氣門位置以及其他參數(shù)。使用一列分析傳感器可以直接讀 出發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。對(duì)于有輔助的發(fā)動(dòng)機(jī)電腦診斷端口的車輛來(lái)說(shuō)，使用這個(gè)端 口就能獲取發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的數(shù)據(jù)。oem-210cb元由5個(gè)主要的子系統(tǒng)構(gòu)成：電腦、輕型車掃描器、重型車掃描 器、微粒物監(jiān)控器及雙重氣體分析儀。此外，還有幾個(gè)可選擇的設(shè)備，包括 全球定位系統(tǒng)（gps、預(yù)先催化取樣器、加熱取樣管、重型發(fā)動(dòng)

14、機(jī)掃描儀 和通用傳感器列，這些設(shè)備根據(jù)測(cè)試需要，進(jìn)行選擇性的安裝。圖 4所示的是oem-2100系統(tǒng)安裝和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D（二）semtech列車載排放測(cè)量系統(tǒng)semtech列車載排放測(cè)量系統(tǒng)是由 sensors公司開發(fā)出來(lái)的pems"品。其 中semtech-d以柴油機(jī)為測(cè)試對(duì)象， 而semtech-g是針對(duì)汽油機(jī)排放測(cè) 試而開發(fā)的。semtech-d/曲種產(chǎn)品的主要區(qū)別在于 semtech-d力口了對(duì)no 的標(biāo)定和測(cè)量，對(duì)其他污染物測(cè)量的原理和方式是相同的。儀器由 1個(gè)帶有 非透視紅外線（ndir）和非分散紫外線（nduv的火焰離子化探測(cè)器（fid） 的組合體構(gòu)成。semtech

15、-d-g也可以安裝允許的其他附件和 gps真塊。數(shù) 據(jù)能夠通過(guò)手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)線分別以無(wú)線和有線的方式傳輸?shù)搅硗獾墓P記本電 腦上，以方便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存。1. semtech-d-d早期在美國(guó)環(huán)保局（epa ann arbor實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的相關(guān)測(cè)試證明 semtech儀器和ftp系統(tǒng)等效（數(shù)據(jù)在要求上是可以利用的）。它可以測(cè)試所有級(jí)別 的柴油車在實(shí)際運(yùn)行條件下的排放。表1所示的是semtech-d對(duì)不同污染 物的測(cè)量參數(shù)。? i emtece-d t 1-，/：*-r r：川 >r，ft ewcqaai%wf «ix 即.0的m典博* 3”口二 00ntt30 1ppm為界聞量，用w

16、守”ps牛苒闡* ."忸的0- ldc>oc1ia:ppme，霹皿f r ry：曠.-ff«415種，斯?。ǜΦ漠?dāng)通tigul用網(wǎng)片嘴力沙2. semtech-gsensors公司針對(duì)所有級(jí)別的汽油車和實(shí)際運(yùn)行條件開發(fā)出semtech-gsemtech-g能夠在車輛運(yùn)行的同時(shí)測(cè)量并且記錄排氣管排放和車輛的車載 電控系統(tǒng)的輸出。排放污染物 no, cq co和thc按照g/km為單位進(jìn)行輸 出?？梢园l(fā)現(xiàn)，semtech-d/的應(yīng)用范圍和設(shè)備特征基本上是相近的?？蛇x 的附件和gps莫塊在兩套設(shè)備上是可以通用的。表2所示白是semtech-g 對(duì)不同污染物的測(cè)量參數(shù)。心工

17、semteth-g v 1 叫；1%，- 上4斷*同用*e 20%6 m,co0-114卻if. t內(nèi)一再弟丐。ibc0 -fftiif即ph的里ivxptl:麗一麗城”:即口帝u市k m *二落武曰（丹嶼”成獸竄機(jī)際船雪(x4301=2：:rmif. e周、傳匯于.（三）ob除列車載排放測(cè)量系統(tǒng)obs（on-board emission measurement system ）系列車載排放測(cè)量系統(tǒng)是 由日本hor舊心司開發(fā)的。由防振型排放測(cè)量單元、主控筆記本電腦以及 相關(guān)軟件、傳感器和帶有 pitot流量計(jì)的采樣接頭等組成?，F(xiàn)在普遍使用的 obs系列包括obs-1000和obs-2000兩種

18、系列型號(hào)。這兩種型號(hào)主要差異在 于對(duì)不同排放因子的分析單元上的不同，但是測(cè)試流程和制造理念還是相同的。表3列出的是obs勺兩種產(chǎn)品在對(duì)排放因子分析時(shí)各自使用的分析儀。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，obs-2000系列對(duì)obs-1000系列進(jìn)行了改進(jìn)。分析方式 的改進(jìn)增大了儀器分析的靈敏度，而且減小了整套儀器的體積和重量。我3 obs票列的兩x產(chǎn)品魯自對(duì)持放國(guó)子的分析方式門范”了o0s-1oo(?cb生 2qq0cqco,nzcr1o：rthc1o1ezjo.- -本而cldobs?其他pems（統(tǒng)一樣，可以很方便地安放在被測(cè)車輛上。圖5所示的是obs系統(tǒng)在被測(cè)車輛上的布置示意圖。 表4列出的是ob略組件及其功能（表 4中的序號(hào)對(duì)應(yīng)圖5）。f j 0酩： ''(中.一lck r « f.tt a cq £r me.:口入尊-<e!l>手e if*-' f -pci：