汽車排放污染物的測量方法

1、汽車排放污染物測試的發(fā)展方向車載排放測試由于底盤測功機應(yīng)用的局限性，使得人們開始考慮使用更為先進的汽車排放污染物測試途徑便攜式排放測量系統(tǒng)（PEMS， PortableEmissionMeasure System ）。雖然目前世界上通過政府認證的PEMS還不多，而且很多國家都沒有頒布對 PEMS的認證制度。但是從全球范圍內(nèi)廣泛使用通過美國和歐洲認證的 PEMS的效果來看，這些便攜式排放測量系統(tǒng)還是能夠真實反映車輛排放情況， 設(shè)備的精確性和可靠性還是能夠滿足我們進行道路排放測試的需要的。 由于這些便攜式排放測量系統(tǒng)主要是通過直接在車輛上進行安裝、測試，所以也被稱為車載排放測量系統(tǒng)。一、車載排放測

2、試技術(shù)簡介車載排放測試技術(shù)是近些年才日益快速發(fā)展的新技術(shù)。 對于其研究是始于 20 世紀 80 年代。車載排放測試技術(shù)的發(fā)展是伴隨著科技和工業(yè)水平的進步，以涌現(xiàn)的更新，更全，更精確，更強大的測試設(shè)備的出現(xiàn)為標志的。便攜式排放測量系統(tǒng)通過將排氣尾管直接連接到車載氣體污染物和微粒測量裝置上，對車輛尾氣進行直采，實時測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PEMS采用的是直接采樣的取樣方法，但是在取樣過程中沒有對取樣氣進行冷卻，這樣就排除了由于冷凝而對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響。通過對測量的瞬時排放數(shù)據(jù)以及GPS數(shù)據(jù)進行處理的結(jié)果，形成對被測車輛排放水平的評估。這種

3、技術(shù)的應(yīng)用不僅可以保證測試的精確度和可靠性，而且可以節(jié)約大量的測試時間和測試成本。特別是由于這套系統(tǒng)具有重量輕、體積小的特點， 能夠放在被測車輛上，可以在實際道路運行條件下對車輛排放進行實時測量。這樣就能夠反映外界環(huán)境條件的變化對車輛排放的影響。雖然各個公司的PEMS產(chǎn)品各有不同，但其采樣、數(shù)據(jù)處理的流程基本是一樣的。作為一個整體， PEMS按照圖 1 所示的 PEMS結(jié)構(gòu)圖，將各測量儀器集中到一起，利用 PITOT管直采的方法，對尾氣進行直接取樣，分析各污染物的瞬時排放濃度。車輛排放的氣體，在 PEMS的各個分析儀內(nèi)經(jīng)過分析之后，和環(huán)境參數(shù)、 GPS參數(shù)一起進入數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，之后輸入到記錄和

4、存儲數(shù)據(jù)的 PC中。安裝 PEMS也是相當容易的。對于乘用車和卡車，可以將系統(tǒng)安裝在被測車輛的副駕座位上，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，最好在座位上鋪上保護墊或者油布，這樣是為了防止對座位的損壞。當測試重型車輛時，可以將設(shè)備放置在對車輛運行和用戶使用來說認為安全的地方。二、各污染物分析原理及分析儀（一） CO與 CO2測量儀器非透視紅外線分析儀（ NDIR， Nondispersive Infrared Analyze

5、r ）是目前用來試驗和評價內(nèi)燃機排氣中有害排放物的一種廣泛使用的標準儀器， 這種儀器主要用來測定 CO和 CO2濃度。對于在紅外線領(lǐng)域中具有吸收帶的非對稱氣體分子，如 HC，原則上也能進行測量。非擴散紅外分析儀是通過測定試樣中對象成分的紅外光的吸收能， 來測定它的成分濃度。 它的基本構(gòu)造如圖 2 所示。它由兩個相同的紅外光源、 試樣室、比較室、檢測室、截光室，以及信號放大器和記錄儀器等部分組成。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氣體波長的紅外線能，不會影響測量結(jié)果。兩個紅外光源輻射出的紅外線分別是經(jīng)過試樣室和比較室進入由彈性膜片隔開的檢測室的上下兩個腔內(nèi)，

6、在檢測室的兩個腔內(nèi)充入等量的純待測氣體， 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。當紅外線同時通過試樣室和比較室時，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)果使檢測室的兩個腔所受的紅外能不同，由此造成兩個腔內(nèi)溫度變化的不同，使左右兩個腔內(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氣體的濃度。試樣室中吸收的紅外光能與被測氣體濃度的關(guān)系可以按式1 表示：式中： Ea所吸收的能量Ei 入射能量k光能吸收系數(shù)c被測氣體濃度L試樣管長度當濃度變化越大時， 轉(zhuǎn)換成檢測室電容量變化越大，得到的電輸出信號越大。NDIR就是

7、根據(jù)輸出電信號的大小得出樣氣中CO和CO2的濃度。（二） HC測量儀器雖然 NDIR原則上可以測量 HC，但是 NDIR對烯烴和芳香族的敏感度很低， 所以需要更為合適的測量儀器對尾氣中 HC濃度進行測量，主要用作測量碳氫化合物總量（ THC）。目前，在 CVS采樣中普遍使用氫火焰離子化分析儀測量車輛尾氣中的 HC濃度。氫火焰離子化分析儀（ FID，F(xiàn)lame Ionization Detector ）是用來測定內(nèi)燃機排氣中未燃碳氫化合物濃度的儀器之一。 由于氫氣與空氣燃燒離子化作用非常小，但如果將有機碳氫化合物導入氫火焰中，在氫火焰的高溫 （2000）作用下，部分分子和原子就會離子化生成大量的

8、自由離子，離子化的程度與碳氫化合物分子中碳原子數(shù)成正比關(guān)系。FID 就是通過以上現(xiàn)象，外加適當電場，使自由離子形成離子電流并產(chǎn)生微電流信號，那么通過測量離子電流的大小即可確定試樣氣中碳氫化合物以碳原子計量的濃度。圖 3 所示的就是FID 結(jié)構(gòu)示意圖。雖然 FID 對水蒸氣的靈敏度很低， 但是由于碳氫化合物中各組分的沸點不同，高沸點的碳氫化合物在直接采樣過程中會產(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管堵塞仍然是很重要的?；谝陨系脑?，在使用 FID 之前，要對燃燒裝置和采樣管進行預(yù)熱，當整個測試系統(tǒng)的溫度保持在 150 200以上時，排放樣氣中的 HC一般不會出

9、現(xiàn)凝聚和吸附的現(xiàn)象。（三） NOx測量儀器對于氮氧化物的測量，雖然能夠使用NDIR測量 NO，用非擴散紫外分析儀（ NDUV）測量 NO2，然后作為 NOx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。而化學發(fā)光分析儀（ CLD，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、能夠連續(xù)測量等優(yōu)點。所以現(xiàn)在主要使用 CLD測量汽車排放中的 NOx。CLD測量的基本原理是讓含有NO的被測樣氣和臭氧在反應(yīng)室中相遇時，發(fā)生如式 2 和式 3 所示的化學反應(yīng)，通過化學光測量 NOx。

10、即將 O2 送入臭氧發(fā)生器，轉(zhuǎn)換成 O3，使 O3 與 NO產(chǎn)生化學反應(yīng)產(chǎn)生 NO2分子，在 NO2分子由激發(fā)態(tài)衰減到基態(tài)的過程中時，會發(fā)出波長為 0.6 3m的光。由于發(fā)光強度與進入反應(yīng)室的 NO質(zhì)量成正比， 所以將光信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)信號放大器輸出，這樣就測量到 NO的濃度；對于 NO2，通過 NO2NO轉(zhuǎn)換器將 NO2還原為 NO后進入反應(yīng)室，再按上述方法進行測量，求得 NO和 NOx之和，這樣就測到被測樣氣中氮氧化物的總和 NOx。式中， NO2 為激發(fā)態(tài) NO2； h 為普朗克常量； v 為光量子頻率。（四）柴油機排氣微粒測量系統(tǒng)對于柴油機排放微粒的采集系統(tǒng)，現(xiàn)可分為兩種，即全流式稀

11、釋風道采樣系統(tǒng)和分流式稀釋風道采樣系統(tǒng)。前者將全部排氣引入稀釋風道里，測量精度高，但體積較大，價格昂貴；后者僅將部分排氣引入稀釋風道里，因而體積小。美國的輕、重型車用柴油機排放法規(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道測量柴油機微粒排放 ; 歐洲重型車用柴油機排放法規(guī)及我國 2000 年后的新排放法規(guī)中，對于以上兩種系統(tǒng)都允許使用。在對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 SOF的 SE萃取法。在稀釋風道測量系統(tǒng)中，全部排放氣被引入稀釋風道里。用于稀釋排放氣的空氣通過抽氣泵先經(jīng)過空氣濾清器?？諝鉃V清器由粗、細灰塵過濾器和活性炭過濾器組成，以過濾空氣中的灰塵和

12、不純氣體成分。經(jīng)過空氣濾清器過濾后的空氣和排放樣氣在稀釋風道里進行混合，形成稀釋樣氣。在稀釋風道上距離排氣入口 10 倍于稀釋風道直徑的地方，稀釋后的排放氣樣分別被 2 個微粒取樣泵引向直徑大于 47mm的微粒取樣濾紙，這 2 個氣流的體積可以通過流量測量計算出來。三、車載測試設(shè)備的開發(fā)和使用（一） OEM-2100車載排放測量系統(tǒng)OEM2100由美國清潔空氣技術(shù)公司（CATI）開發(fā)，是用于實際道路排放監(jiān)控的最先進和最新版的PEMS。該設(shè)備可以提供針對汽油車的HC、CO、CO2、NOx和 O2 的讀數(shù)以及針對柴油車的 NOx、CO、CO2、O2、 PM（輕微擴散）的讀數(shù)。該設(shè)備帶有的 GPS系

13、統(tǒng)可以記錄道路車輛測試過程中的經(jīng)緯度信息， 可以描繪車輛行駛路線。OEM-2100系統(tǒng)是通過使用車輛和發(fā)動機運行數(shù)據(jù)和來自排氣管的尾氣樣本里的污染物濃度，以測量在實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，并且提供逐秒測量的排放、油耗、車速、發(fā)動機轉(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)動機數(shù)據(jù)。對于有輔助的發(fā)動機電腦診斷端口的車輛來說，使用這個端口就能獲取發(fā)動機和車輛的數(shù)據(jù)。OEM-2100單元由 5 個主要的子系統(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，還有幾個可選擇的設(shè)備，包括全球定位系統(tǒng)（ GP

14、S）、預(yù)先催化取樣器、加熱取樣管、重型發(fā)動機掃描儀和通用傳感器列，這些設(shè)備根據(jù)測試需要，進行選擇性的安裝。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系列車載排放測量系統(tǒng)SEMTECH系列車載排放測量系統(tǒng)是由Sensors 公司開發(fā)出來的PEMS產(chǎn)品。其中 SEMTECH-是D以柴油機為測試對象， 而 SEMTECH-則G是針對汽油機排放測試而開發(fā)的。SEMTECH-D/G兩種產(chǎn)品的主要區(qū)別在于 SEMTECH-增D加了對 NO2的標定和測量，對其他污染物測量的原理和方式是相同的。儀器由 1 個帶有非透視紅外線（ NDIR）和非分散紫外線（ NDUV）的火

15、焰離子化探測器（ FID）的組合體構(gòu)成。 SEMTECH-和D -G 也可以安裝允許的其他附件和 GPS模塊。數(shù)據(jù)能夠通過手機和網(wǎng)絡(luò)線分別以無線和有線的方式傳輸?shù)搅硗獾墓P記本電腦上，以方便進行數(shù)據(jù)處理和儲存。1 SEMTECH-D早期在美國環(huán)保局（EPA）Ann Arbor 實驗室進行的相關(guān)測試證明SEMTECH-D儀器和 FTP系統(tǒng)等效（數(shù)據(jù)在要求上是可以利用的）。它可以測試所有級別的柴油車在實際運行條件下的排放。表 1 所示的是 SEMTECH-針D對不同污染物的測量參數(shù)。2 SEMTECH-GSensors 公司針對所有級別的汽油車和實際運行條件開發(fā)出SEMTECH-。GSEMTECH-

16、也G能夠在車輛運行的同時測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NOx，CO，CO2和 THC按照 g/km 為單位進行輸出?？梢园l(fā)現(xiàn)， SEMTECH-D/G的應(yīng)用范圍和設(shè)備特征基本上是相近的。可選的附件和 GPS模塊在兩套設(shè)備上是可以通用的。表 2 所示的是 SEMTECH-針G對不同污染物的測量參數(shù)。（三） OBS系列車載排放測量系統(tǒng)OBS（On-Board Emission Measurement System ）系列車載排放測量系統(tǒng)是由日本 HORIBA公司開發(fā)的。由防振型排放測量單元、主控筆記本電腦以及相關(guān)軟件、傳感器和帶有 PITOT流量計的采樣接頭等組成。現(xiàn)

17、在普遍使用的OBS系列包括 OBS-1000和 OBS-2000兩種系列型號。這兩種型號主要差異在于對不同排放因子的分析單元上的不同，但是測試流程和制造理念還是相同的。表 3 列出的是 OBS的兩種產(chǎn)品在對排放因子分析時各自使用的分析儀。從表 3 中可以發(fā)現(xiàn)， OBS-2000系列對 OBS-1000系列進行了改進。分析方式的改進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。OBS和其他 PEMS系統(tǒng)一樣， 可以很方便地安放在被測車輛上。圖 5 所示的是OBS系統(tǒng)在被測車輛上的布置示意圖。表 4 列出的是 OBS各組件及其功能（表4 中的序號對應(yīng)圖5）。在 OBS中，主控筆記本電腦主要功能是對GPS數(shù)據(jù)及其他外部信號、排氣濃度及相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)、排氣組分及油耗的實時質(zhì)量值和積分質(zhì)量值等進行采集存儲。通過控制軟件，在主控電腦上可以對測試流程和分析儀進行控制，同時采集并顯示污染物濃度、排氣流量/ 溫度 / 壓力、環(huán)境溫度 / 壓力 / 濕度、GPS信號和車速以及其他外部輸入信號，