汽车排放污染物的测量方法全解

汽车排放污染物测试的发展方向 车载排放测试 由于底盘测功机应用的局限性 使得人们开始考虑使用更为先进的汽车排 放污染物测试途径 便携式排放测量系统 PEMS PortableEmission Measure System 虽然目前世界上通过政府认证的 PEMS 还不多 而且很 多国家都没有颁布对 PEMS 的认证制度 但是从全球范围内广泛使用通过美 国和欧洲认证的 PEMS 的效果来看 这些便携式排放测量系统还是能够真实 反映车辆排放情况 设备的精确性和可靠性还是能够满足我们进行道路排 放测试的需要的 由于这些便携式排放测量系统主要是通过直接在车辆上 进行安装 测试 所以也被称为车载排放测量系统 一 车载排放测试技术简介一 车载排放测试技术简介 车载排放测试技术是近些年才日益快速发展的新技术 对于其研究是始于 20 世纪 80 年代 车载排放测试技术的发展是伴随着科技和工业水平的进步 以涌现的更新 更全 更精确 更强大的测试设备的出现为标志的 便携式排放测量系统通过将排气尾管直接连接到车载气体污染物和微粒测 量装置上 对车辆尾气进行直采 实时测量整车排放的体积浓度和质量流 量排量 得到气体污染物的质量排放量和微粒排放量 虽然 PEMS 采用的是 直接采样的取样方法 但是在取样过程中没有对取样气进行冷却 这样就 排除了由于冷凝而对测量结果产生的影响 通过对测量的瞬时排放数据以 及 GPS 数据进行处理的结果 形成对被测车辆排放水平的评估 这种技术 的应用不仅可以保证测试的精确度和可靠性 而且可以节约大量的测试时 间和测试成本 特别是由于这套系统具有重量轻 体积小的特点 能够放 在被测车辆上 可以在实际道路运行条件下对车辆排放进行实时测量 这 样就能够反映外界环境条件的变化对车辆排放的影响 虽然各个公司的 PEMS 产品各有不同 但其采样 数据处理的流程基本是一 样的 作为一个整体 PEMS 按照图 1 所示的 PEMS 结构图 将各测量仪器集 中到一起 利用 PITOT 管直采的方法 对尾气进行直接取样 分析各污染 物的瞬时排放浓度 车辆排放的气体 在 PEMS 的各个分析仪内经过分析之 后 和环境参数 GPS 参数一起进入数据整合系统 之后输入到记录和存储 数据的 PC 中 安装 PEMS 也是相当容易的 对于乘用车和卡车 可以将系统安装在被测车 辆的副驾座位上 这样就使监视屏幕和控制器面向驾驶员 并且所有的连 接器面向副驾一侧的车门 系统也能安装在小轿车的后座上 小型厢式车 的地板上 掀背式轿车或者皮卡的货箱里 或者车上其他任何安全 方便 的地方 将该系统放置在座位上时 最好在座位上铺上保护垫或者油布 这样是为了防止对座位的损坏 当测试重型车辆时 可以将设备放置在对 车辆运行和用户使用来说认为安全的地方 二 各污染物分析原理及分析仪二 各污染物分析原理及分析仪 一 一 COCO 与与 COCO2 2测量仪器测量仪器 非透视红外线分析仪 NDIR Nondispersive Infrared Analyzer 是目前 用来试验和评价内燃机排气中有害排放物的一种广泛使用的标准仪器 这 种仪器主要用来测定 CO 和 CO2浓度 对于在红外线领域中具有吸收带的非 对称气体分子 如 HC 原则上也能进行测量 非扩散红外分析仪是通过测定试样中对象成分的红外光的吸收能 来测定 它的成分浓度 它的基本构造如图 2 所示 它由两个相同的红外光源 试 样室 比较室 检测室 截光室 以及信号放大器和记录仪器等部分组成 在图 2 中 比较室中充满了惰性气体 通常为 N2 这种气体不吸收待测 气体波长的红外线能 不会影响测量结果 两个红外光源辐射出的红外线 分别是经过试样室和比较室进入由弹性膜片隔开的检测室的上下两个腔内 在检测室的两个腔内充入等量的纯待测气体 弹性膜片与金属电极共同组 成可变电容器 其电量的大小与其间距离成正比变化 当红外线同时通过 试样室和比较室时 由于试样室的气体吸收红外光能 而比较室的气体不 吸收红外光能 结果使检测室的两个腔所受的红外能不同 由此造成两个 腔内温度变化的不同 使左右两个腔内压力不等而使膜片发生位移 于是 电容电量发生变化 根据电容量的变化即可确定待测气体的浓度 试样室中吸收的红外光能与被测气体浓度的关系可以按式 1 表示 式中 Ea 所吸收的能量 Ei 入射能量 k 光能吸收系数 c 被测气体浓度 L 试样管长度 当浓度变化越大时 转换成检测室电容量变化越大 得到的电输出信号越 大 NDIR 就是根据输出电信号的大小得出样气中 CO 和 CO2的浓度 二 二 HCHC 测量仪器测量仪器 虽然 NDIR 原则上可以测量 HC 但是 NDIR 对烯烃和芳香族的敏感度很低 所以需要更为合适的测量仪器对尾气中 HC 浓度进行测量 主要用作测量碳 氢化合物总量 THC 目前 在 CVS 采样中普遍使用氢火焰离子化分析仪 测量车辆尾气中的 HC 浓度 氢火焰离子化分析仪 FID Flame Ionization Detector 是用来测定内 燃机排气中未燃碳氢化合物浓度的仪器之一 由于氢气与空气燃烧离子化 作用非常小 但如果将有机碳氢化合物导入氢火焰中 在氢火焰的高温 2000 作用下 部分分子和原子就会离子化生成大量的自由离子 离 子化的程度与碳氢化合物分子中碳原子数成正比关系 FID 就是通过以上现 象 外加适当电场 使自由离子形成离子电流并产生微电流信号 那么通 过测量离子电流的大小即可确定试样气中碳氢化合物以碳原子计量的浓度 图 3 所示的就是 FID 结构示意图 虽然 FID 对水蒸气的灵敏度很低 但是由于碳氢化合物中各组分的沸点不 同 高沸点的碳氢化合物在直接采样过程中会产生吸附和凝聚 因此预防 试样系统中 HC 的凝缩损失及水凝聚以避免毛细管堵塞仍然是很重要的 基 于以上的原因 在使用 FID 之前 要对燃烧装置和采样管进行预热 当整 个测试系统的温度保持在 150 200 以上时 排放样气中的 HC 一般不会 出现凝聚和吸附的现象 三 三 NONOx x测量仪器测量仪器 对于氮氧化物的测量 虽然能够使用 NDIR 测量 NO 用非扩散紫外分析仪 NDUV 测量 NO2 然后作为 NOx值 但是现在这两种方法都存在输出特性 呈非线形关系及干扰组分影响大的缺点 而化学发光分析仪 CLD Chemi luminescent Detector 具有线形范围宽 在 10000ppm 范围内输出特性呈 线形关系 灵敏度高 抗干扰能力强 能够连续测量等优点 所以现在 主要使用 CLD 测量汽车排放中的 NOx CLD 测量的基本原理是让含有 NO 的被测样气和臭氧在反应室中相遇时 发 生如式 2 和式 3 所示的化学反应 通过化学光测量 NOx 即将 O2送入臭氧发 生器 转换成 O3 使 O3与 NO 产生化学反应产生 NO2分子 在 NO2分子由激 发态衰减到基态的过程中时 会发出波长为 0 6 3 m 的光 由于发光强 度与进入反应室的 NO 质量成正比 所以将光信号转换为电信号经信号放大 器输出 这样就测量到 NO 的浓度 对于 NO2 通过 NO2 NO 转换器将 NO2还 原为 NO 后进入反应室 再按上述方法进行测量 求得 NO 和 NOx之和 这样 就测到被测样气中氮氧化物的总和 NOx 式中 NO2为激发态 NO2 h 为普朗克常量 v 为光量子频率 四 柴油机排气微粒测量系统 四 柴油机排气微粒测量系统 对于柴油机排放微粒的采集系统 现可分为两种 即全流式稀释风道采样 系统和分流式稀释风道采样系统 前者将全部排气引入稀释风道里 测量 精度高 但体积较大 价格昂贵 后者仅将部分排气引入稀释风道里 因 而体积小 美国的轻 重型车用柴油机排放法规以及欧洲轻型车排放法规 中 规定要用全流式稀释风道测量柴油机微粒排放 欧洲重型车用柴油机排 放法规及我国 2000 年后的新排放法规中 对于以上两种系统都允许使用 在对微粒成分的分析中主要采用热解质量分析法 TGA 和萃取法采集 SOF 的 SE 萃取法 在稀释风道测量系统中 全部排放气被引入稀释风道里 用于稀释排放气 的空气通过抽气泵先经过空气滤清器 空气滤清器由粗 细灰尘过滤器和 活性炭过滤器组成 以过滤空气中的灰尘和不纯气体成分 经过空气滤清 器过滤后的空气和排放样气在稀释风道里进行混合 形成稀释样气 在稀 释风道上距离排气入口 10 倍于稀释风道直径的地方 稀释后的排放气样分 别被 2 个微粒取样泵引向直径大于 47mm 的微粒取样滤纸 这 2 个气流的体 积可以通过流量测量计算出来 三 车载测试设备的开发和使用三 车载测试设备的开发和使用 一 一 OEM 2100OEM 2100 车载排放测量系统车载排放测量系统 OEM2100 由美国清洁空气技术公司 CATI 开发 是用于实际道路排放监控 的最先进和最新版的 PEMS 该设备可以提供针对汽油车的 HC CO CO2 NOx和 O2的读数以及针对柴油车的 NOx CO CO2 O2 PM 轻 微扩散 的读数 该设备带有的 GPS 系统可以记录道路车辆测试过程中的 经纬度信息 可以描绘车辆行驶路线 OEM 2100 系统是通过使用车辆和发动机运行数据和来自排气管的尾气样本 里的污染物浓度 以测量在实际道路驾驶条件下车辆质量尾气排放 它安 置在乘客座椅或者车辆底板上 并且提供逐秒测量的排放 油耗 车速 发动机转速和温度 节气门位置以及其他参数 使用一列分析传感器可以 直接读出发动机数据 对于有辅助的发动机电脑诊断端口的车辆来说 使 用这个端口就能获取发动机和车辆的数据 OEM 2100 单元由 5 个主要的子系统构成 电脑 轻型车扫描器 重型车扫 描器 微粒物监控器及双重气体分析仪 此外 还有几个可选择的设备 包括全球定位系统 GPS 预先催化取样器 加热取样管 重型发动机扫 描仪和通用传感器列 这些设备根据测试需要 进行选择性的安装 图 4 所示的是 OEM 2100 系统安装和数据传输的示意图 二 二 SEMTECHSEMTECH 系列车载排放测量系统系列车载排放测量系统 SEMTECH 系列车载排放测量系统是由 Sensors 公司开发出来的 PEMS 产品 其中 SEMTECH D 是以柴油机为测试对象 而 SEMTECH G 则是针对汽油机排 放测试而开发的 SEMTECH D G 两种产品的主要区别在于 SEMTECH D 增加了 对 NO2的标定和测量 对其他污染物测量的原理和方式是相同的 仪器由 1 个带有非透视红外线 NDIR 和非分散紫外线 NDUV 的火焰离子化探测 器 FID 的组合体构成 SEMTECH D 和 G 也可以安装允许的其他附件和 GPS 模块 数据能够通过手机和网络线分别以无线和有线的方式传输到另外 的笔记本电脑上 以方便进行数据处理和储存 1 SEMTECH D 早期在美国环保局 EPA Ann Arbor 实验室进行的相关测试证明 SEMTECH D 仪器和 FTP 系统等效 数据在要求上是可以利用的 它可以测试所有级 别的柴油车在实际运行条件下的排放 表 1 所示的是 SEMTECH D 针对不同 污染物的测量参数 2 SEMTECH G Sensors 公司针对所有级别的汽油车和实际运行条件开发出 SEMTECH G SEMTECH G 也能够在车辆运行的同时测量并且记录排气管排放和车辆的 车载电控系统的输出 排放污染物 NOx CO CO2和 THC 按照 g km 为单位进 行输出 可以发现 SEMTECH D G 的应用范围和设备特征基本上是相近的 可选的附件和 GPS 模块在两套设备上是可以通用的 表 2 所示的是 SEMTECH G 针对不同污染物的测量参数 三 三 OBSOBS 系列车载排放测量系统系列车载排放测量系统 OBS On Board Emission Measurement System 系列车载排放测量系统是 由日本 HORIBA 公司开发的 由防振型排放测量单元 主控笔记本电脑以及 相关软件 传感器和带有 PITOT 流量计的采样接头等组成 现在普遍使用 的 OBS 系列包括 OBS 1000 和 OBS 2000 两种系列型号 这两种型号主要差 异在于对不同排放因子的分析单元上的不同 但是测试流程和制造理念还 是相同的 表 3 列出的是 OBS 的两种产品在对排放因子分析时各自使用的 分析仪 从表 3 中可以发现 OBS 2000 系列对 OBS 1000 系列进行了改进 分析方式的改进增大了仪器分析的灵敏度 而且减小了整套仪器的体积和 重量 OBS 和其他 PEMS 系统一样 可以很方便地安放在被测车辆上 图 5 所示的 是 OBS 系统在被测车辆上的布置示意图 表 4 列出的是 OBS 各组件及其功 能 表 4 中的序号对应图 5 在 OBS 中 主控笔记本电脑主要功能是对 GPS 数据及其他外部信号 排气 浓度及相关传感器数据 排气组分及油耗的实时质量值和积分质量值等进 行采集存储 通过控制软件 在主控电脑上可以对测试流程和分析仪进行 控制 同时采集并显示污染物浓度 排气流量 温度 压力 环境温度 压力 湿度 GPS 信号和车速以及其他外部输入