在用汽车排放污染物检测仪器分析.pdf

2 0 0 6年 1 1月 农 机 化 研 究 第 1 1 期 在 用 汽 车 排放 污 染 物 检 测 仪 器 分 析 刘跃 明 ( 深圳职业技术学院 汽车工程系 ，广东 深圳 5 1 8 0 5 5 ) 摘 要 ：结合怠速工 况 、简易工况法分析 了汽车排放污染物检测 仪器 的结构原理。废气分析 仪采 用不分光 红外 吸收型对 H c 。c O和 c 0 进行测量 ，采 用电化学传 感器对 N O x 和 0 测量 ，能较好地 满足 G B 1 8 2 8 5 2 0 0 5 标 准的双怠速 和简易稳态工况法 的检测要求 。汽 车排放 总质量 的测量 是在废 气分析仪 的基础 上 。增加 了稀 释的排气流量 测量 装置 ，测取 的流量值 、污染物气 体成分的含量值 ；经计算机处理计算 ，以排放 因子 的形 式 显示 。能够满足 G B 1 8 2 8 5 - 2 0 0 5标准 的简易瞬态工况法和简易稳态工况法 的检测要求 。 关键词 ：交通 运输 工程 ；汽车排放 ；分析 ；检测 仪器 ；计算机 中围分 类号 ：U4 7 2 9 文献标 识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 3 1 8 8 X( 2 0 0 6 ) 1 1 0 2 0 3 0 3 0 引 言 汽 车的使用 给人们带来 了高效 、便 利 ，但也给 人们 带来 了污染 、痛苦 、灾难 。为了最大限度地发 挥 汽车的效率 ， 有效地 降低汽车给人类带来 的危 害 ， 各 国都根据 自己的经济技术状 况 ，制订 出各种 限制 和降低汽车危 害的措施 。我 国在用汽车排放污染 物 的 限 制 标 准 已 多 次 进 行 过 修 订 。 国 家 标 准 G B 1 8 2 8 5 - 2 0 0 5 在用 汽车排放污染物 限值及测试 方 法 规定 了双怠速 、简 易工况下测试汽车排放污 染 物 的方法 。为此 ，较详 细地 分析 了满 足 G B 1 8 2 8 5 - 2 0 0 5标准 的汽车排放污染 物测试仪器 。 1 点燃式发 动机汽车排放污 染物检测工况 1 1 双 怠 速 法 发动机从 怠速状态加速 至 7 0 额定转速 ，运转 6 0 s后降至 高怠速状态 。将取样探头插入排气管 中 ， 深 度等 于 4 0 0 m m ， 并 固定在排气 管上 。维持 1 5 s后 。 由具有平均值 功能的仪器读取 3 0 s内的平均值 ，或 者人工读取 3 0 s内的最高 值和最低值 。其平均值 即 为高怠速 污染物测量结果 。 发 动机 从高怠速 降至怠速状态基本稳定 时 。由 具有平 均值功能 的仪 器读取 3 0 s内的平 均值 ，或者 人工读取 3 0 s内的最 高值和最低值 ，其平 均值 即为 怠速 污染 物测量结果 。 1 2简易 工况法 1 2 1稳 态 工 况 法 收 稿 日期 ：2 0 0 5 - 1 2 - 1 7 基 金项 目 ：深圳 市科 技 和信 息 局 资助 项 目 (2 0 0 H O 0 7) 作 者 简 介 ：刘 跃 明 (1 9 5 B 一) 男 ，昆 明人 ，副 教授 ，工学 硕 士 ( E m a i l ) l i u y m e s z q t s t c n 。 稳态工况法最早在美 国加州实施 。 1 9 9 6年被美 国 E P A( 国家环保局 )认 可 ，并规定 了试 验方法 、 设备要求等 。最具代表 的标 准是加 州 B A R( 汽 车维 修管理局 ) 发 布的 B A R - 9 7技术 规范 。稳态工况在 美 国 称 为 加 速 模 拟 工 况 ( A c c e l e r a t i o n S i m u 1 a t i o n M o d e 。简称 A S M ) ， 该方法只有稳 定的匀速过程 。加 载保持 固定值 。 稳 态工况法 有两个等速工况 段 ：一是 A S M 5 0 2 4 工况 。车速为 2 4 1m h 。按车 辆加速度为 1 4 7 m s 。 时 负荷 的 5 0 对该工况进行加 载 ； 二 是 A S M 2 5 4 0工况 。 车速为 4 0 k m h ， 按车辆加速 度为 1 4 7 m s 。 时负荷 的 2 5 对该工况进行 加载 。 1 2 2简易瞬态工况法 简易瞬态工况法是 瞬态工况法 和稳态工况法 特 点的组合 。其使用 与稳 态工况法相 同的气体分 析设 备 。采用 瞬态工况 法的试验工况 。简易瞬态工 况法 系统是在原有 的 B A R 9 7 A S M排放检 测系统基础上增 加流量分析仪 ，根据测得 的气体 流量与浓度计 算瞬 态污染物 的排放 总质量 ，又称 为 “ 汽车排放 总质量 分析 系统 ”( V e h i c l e M a s s A n a l y s i S S y s t e m) 。 2汽车排放污染物检测 仪器分析 2 1 红外光废气 分析仪 不同气体具有吸 收不 同波长红外 线的特性 。c 0 主要吸收 4 7 I I m 附近的红外线 ， c 0 ： 主要 吸收 4 2 I I m 附近的红外线 ，H c主要 吸收 3 4 ii m附近的红外 线 。 据此 ，可让红外线通 过一定量 的汽 车尾气 ，根据对 比某一波长 的红外 线经过尾气前 后能量 的变化 ，来 测定尾气 中某种气 体的含量 。这 就是不分光 红外线 气体分析 方法 的基本原理 。需要说 明的是 ，由于废 2 0 3 维普资讯 2 0 0 6年 l 1月 农 机 化 研 究 第 l l 期 气 中 H c含 有多种成分 ， 不 同的碳氢化合物吸 收红外 线 的波长也有 些差别 。 H c对应 的吸收红外线波长为 3 4 u m ，是 正 己烷 ( C 。 H )的特性 。因此 ，检测汽 车废气时 的 H C浓 度 ，都是 以正己烷 为基准 。 目前 的汽油机废气 分析仪正是 基于红外线 的这 一 特性 工作 的 ，其 结构原理如 图 1 所示 。 - E R： ： 。 。 ： OUR G AS IN GAS I t O U T G S 1 流 量 传 感 器2 朕 片 泵3 红 外 发 送 器4 同 步 电 机 5 测量 室6 光学 滤 镜7 红 外接 收 器8 放 大器9 显 示器 1 0 N 0 传 感 器1 1 0 z 传感 器1 2 外 部过 滤器1 3 采 集 探管 1 4 标 定 电磁 阀 1 5 机 内过 滤器1 6 冷 却 分离 过 滤器 1 7 活 性 炭过 滤 器 1 8 自动 调零 电 磁 阀 圈 1 不分 光 红外 线 气体 分析 仪 工作 原 理 圈 该 仪器 主要检 测 c 0 ，c 0 。 ，H c ，N 0 ，0 。 的含量 。 汽车 排放废气通 过采集探 管 ( 1 3 ) 获取 ，经过冷却分 离过 滤器 ( 1 6 ) 分 离 出气体 中的水 分 ，并将气体送 至 测 量室 ( 5 ) 。红外发送 器 ( 3 ) 产生的红外光通过光学 滤镜 ( 6 ) 达到红外 接收器 ( 7 )( 测量元件 ) 。 由于 C 0 ，C 0 。 ，H C气体 的分子成分 在特殊的波 长下 吸收红外发送 器发出 的光线 ( 吸收波谱 ) ， 在测 量室 ( 5 ) 的 气体根 据其 气体不 同成 分 的浓度 吸收不 同波长 的红外线 。能量经过气体 吸收衰减的红外光 照 射到光学滤镜 ( 6 ) ， 光学 滤镜 只允许特定波长 的红 外线通 过 ，阻止其它波长 的红外线通过 ；通过光学 滤镜 的红外线 经红外接 收器 转换为 电量 ，电压高表 示测量 气体对该 波长 的红外线 吸收少 ，电压低 表示 测量气 体对该 波长 的红外线 吸收多 ，并将该 电量 放 大 、采样后 送单片机进行 处理 、显示 。 由于 N 。 ，0 。 气 体的分子成分不 能吸收红外发送 器发 出的光线 ，这 阻止 了通过红外 系统对 这类气体 浓度 的测 量 。 为 此 ， 仪 器装 备了一个 0 。 传感 器 ( 1 1 ) 、 N 0 x 传感 器 ( 1 0 ) 以测量 0 。 和 N 0 。 的百分 含量。 2 2 汽 车排放 总质 量分析 系统 汽车排 放总质量分析系统 由废气分析仪 、稀释 的排气流量 测试装置 ( V M A S) 、计 算机等组成 。汽车 排放 的尾气 一部分进入到废气 分析仪 ，对尾 气 中的 各 成分进行 测量 ，并将测量值 送入计算机 ；另一部 分与环境空气混合后经 风机引入 到流量测量装 置 ， 测量得到的流量值 由 R S 2 3 2串口送入计 算机 。稀释 的排气流量和尾气 各成分值 ，经分 析计算后 即可得 到每公里排放 污染 物的克数 ( g k m) 。汽车排 放总质 量分析 系统 的测量原理 ，如 图 2所示 。 ： 稀 释 的排气 环 境 空气 样气 测 功机 圈 2汽 车 排 放 总 质 翻 原 理 圈 稀 释的排气 的流量测量原 理 ，如 图 3所示 。当 气流通过 圆柱形支柱 的横截 面时 ，形 成涡旋 。这些 涡旋 的多少与稀释流量成 比例 。超声 波从传送 端发 射到接收端 ，但涡旋会 干扰这些超 声波 ，令 接收端 接收到的超声波减少 ，接收器通过 对干扰频 率的计 数 ，就可 以获得气体 的流量值 。 接 收 亡= 】 一 一 誓 言 篱 萎 要 主 蓑 誓 ， 一 、 释气 体 、， 厂 、 I 一， 一 、 ， 一 、 、 传送 圈 3气 体滚 原 理 圈 实 际流 量 是 由超 声 涡 旋 流量 计 直 接 测 量 的 流 量 ，没有校正 温度 和压力 。标 准流量是实 际流量 经 过温度和压力 修正的流量值 。 在数据 采集过程 中，系统将实时测量 的排放气 体浓度 和流 量值 送给 V M A S的微处理 器 ， 并 由微处理 2 0 4 维普资讯 2 0 0 6年 1 1月 农 机 化 研 究 第 l 1期 器计算 每秒的污染 物排放质量值 ( k g s) ，即 质量排放= 浓度 密度 排放 气体流量 ( 1 ) 其 中 ，浓度 ( H C ，C O 。C O ，N O ) 由气 体浓度分 析仪 采样原始排 放气体而获得 ，在标准状态下 ，每 种 气体的密度都 是一常量 。排放 气体流量无法直接 测量 ，由稀 释气体 的标 准流量和稀 释比计算得 到 。 即 排放 气体流量= 稀 释气体标准流量 X稀释 比 ( 2 ) 稀 释 比的值 为 0 1 0 0 。其计算公式 为 稀释比=( 环境 0 2 一稀释 0 2 )( 环境 0 2 一 原始 0 2 ) ( 3 ) 其 中，环境 0 2和稀释 0 2的值是通过流量分析 仪 中具有快 速 反应 能力 的氧传感 器测 取 ，原 始 0 2 的值是通 过气体浓度分 析仪采样测取 。 环境 0 2是每 次检测前 大气 中的氧 气含量 ， 稀 释 0 2则 是稀 释后气 体 中的氧气含量 。 各污染物排放 因子 (gk m) 最后 由系统主机计 算 ，即 排放 因子= 单位 时间排放质量 ( gS )车辆单 位 时间当量行驶距离 ( k mS) 3 结 论 1 )汽车排放 污染物严重影 响人们 的生存质量 ， 按 有关标 准和法规 的要求 ，应用符合 国家排放标 准 的仪器 对汽车排放污染 物进行检测意义 重大 。 2 )不 同气体具有 吸收不同波长红外线 的特性 。 根 据此 测定 汽 车排 放 污染 物 通 过测 量 室 的 能量 变 化 ，确定汽 车排放 污染物的含量 。本文所描 述的废 气分析仪采用 不分光红外 吸收型对 H C ，C 0 ，和 C 0 2 进行测量 ，采用 电化学传感 器对 N 0 x 和 0 测量 ，能 较 好地满 足 G B 1 8 2 8 5 - 2 0 0 5标准的 双怠速和简 易稳 态工况法的检测要求 。 3 ) 汽车 排放 总质量 的测 量 是在废 气分 析 仪 的 基 础 上 ，增 加 了稀 释 的 排 气 流 量 测 量 装 置 ，根 据 流 量测 量值 、污染物气体成分 的含量 ，经计算机处 理 计 算 ，以排 放 因子 (g k m)的形 式 显示 ，能 满 足 G B 1 8 2 8 5 - 2 0 0 5 标准 的简 易 瞬态 工况 法 和简 易稳 态 工况法的检测要求 。 参考文献 ： 1 中华 人 民共 和 国 国家 质 量技 术 监 督 局 G B 1 8 2 8 5 - 2 0 0 5 在用汽车排气 污染物限值及 测量方法 s 北 京 ： 中国环境 科学 出版社 ， 2 0 0 5 ： 1 - 3 7 2 中 华 人 民 共 和 国 国 家 质 量 技 术 监 督 局 G B 7 2 5 8 2 0 0 4 机 动车运行安全技术 条件 s 北 京 ： 中国环境 科 学出版社。 2 0 0 4： 2 2 2 3 3 曹 家 现 代汽 车检 测诊 断技 术 M 北 京 ： 清华 大 学出版社。 2 0 0 3： 7 8 8 2 4 杨延相 用于汽 车道路 行驶 排放测量 的车载实 验 系 统 J 长安大学学 报 (自然科学版 ) ， 2 0 0 2 。 2 2 ( 4 )： 6265 Ana l ys e s o f I ns t r um e nt f or Ex ha us t s o f Po l l ut a n t s f r om I n u s e hi c l e s LI U Yu e m i n g ( De p a r t me n t o f Au t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 。 S h e n z h e n V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y C o l l e g e 。 S h e n z h e n 5 l 8 0 5 5 。 C h i n a ) Abs t r a c t： Th e pa pe r a n al yz e d s t r uc t u r e a nd pr i nc i pl e of e xa mi ne i ns t r u m e n t ，whi c h ma y me e t i ns pe c t pol l ut i n g e m i s s i on of I dl e s p e e d a nd a c c e l e r a t i o n s i mul a t i on mod e i n GB l 8 28 5 200 5Th e e xha u s t g a s a na l yz e r ba s e d o n t h e NDI R ( No n - Di s p e r s i v e I n f r a - R e d ) h a d b e i n g me a s u r e d f o r H C ， C O， a n d C O2 ， a n d me a s u r e d NO x a n d O2 o n b a s e d o n s e n s o r o f e l e c t r o c h e mi s t r y Th i s ma y s a t i s f y p r e f e r a b l y d e ma n d o f i n s p e c t i o n for d o u b l e i d l e s p e e d a n d A c c e l e r a t i o n s i mu l a t i o n mo d e i n GB 1 8 2 8 5 - 2 0 0 5 T h e v e h i c l e ma s s a n a l y s i s