CH10发动机排放测试

1、发动机排放污染及控制 主讲人主讲人 龚金科等龚金科等 2021年7月13日 第10章 发动机排放与测试 10.4 碳烟测量与分析 10.3 微粒测量与分析 10.2 排气成分分析仪 10.1 汽车排放污染物取样系统 第10章 发动机排放测试 概述：主要内容 介绍了环境污染现状， 特别是与汽车尾气相关 的大气污染情况。归纳 了各种汽车排放污染物 对人类和自然的危害总 结了汽车排放控制技术 的发展历程。 第10章 发动机排放与测试 取样系统概述 取样是汽车排放测试的第一环，在不同条件 下，需要不同的取样技术。 取样系统的功能功能在于使样气经过预处理，以使样气经过预处理，以 便按一定要求送入分析系统

2、便按一定要求送入分析系统 不同的取样方法，就有不同的取样系统。按 取样方法分，目前常采用的取样系统有：直接 取样系统、稀释取样系统和定容取样系统。 第10章 发动机排放与测试 直接取样系统 直接取样法直接取样法是将取样探头插入发动机的排气管 中，用取样泵连续抽取一定量气体不经稀释直 接送入分析系统进行分析。 由于直接取样法设备简单，操作方便，被广泛 用于许多国家和地区的各种用途发动机的排放 测量中。 第10章 发动机排放与测试 直接取样系统 未经稀释的采样气直接从 排气管抽取，污染物浓度较 高，具有较高的测量精度。 采样泵P把样气从HSL1 （保温453473K）送到氢火 焰离子检测器HFID

3、分析HC， 经HSL2（保温368473K）输 送到化学发光分析仪HCLA分 析，另外排气经取样管SL输 送到不分光红外线吸收型分 析仪NDIR分析CO和CO2。 第10章 发动机排放与测试 测量重型车柴油机的微 粒排放测试时，用稀释 取样系统取样，既可用 全 流 稀 释 取 样 系 统 F F D SS （ F u l l F l o w Dilution Sampling System），也可用分流 稀释取样系统PFDSS (Partial Flow Dilution Sampling System)。 稀释取样系统 稀释取样系统外形 第10章 发动机排放与测试 全流稀释取样系统 EP-排

4、气管 PDP-容积式泵 HE-热交换器 PDT-初级稀释通道 SDS-单级稀释系统 DDS-双级稀释系统 PTT-颗粒物传输管 SDT-次级稀释通道 FH-滤纸保持架 SP-颗粒物取样泵 DP-稀释用空气泵 PSP-颗粒取样探头 DAF-稀释用空气过 滤器 CFV-临界流量文杜 里管 GF-气体计量仪或流 量仪测定 全流稀释取样系统流程图 第10章 发动机排放与测试 全流稀释取样系统 技术要点技术要点 初级稀释风道PDT中应有足够的湍流强度和足够 的混合长度，保证取样前柴油机排气管EP排出的排 气经稀释空气滤清器DAF净化的稀释空气混合均匀 。 单级稀释系统的直径至少为460mm，双级稀释系

5、统的直径至少为200mm。发动机的排气应顺气流引 入初级稀释通道，并充分混合。 第10章 发动机排放与测试 分流稀释取样系统 EP-排气管 PR-取样探头 ISP-等动态取样探头 EGA-排气分析仪 BV-球阀 SC-压力控制装置 DPT-差压传感器 FC1-流量控制器 SB-抽风机 PB-压力机 DT-稀释通道 PSS-颗粒物取样系统 PSP-颗粒物取样探头 PTT-颗粒物传输管 FH-滤纸保持架 SP-颗粒物取样泵 FC2-流量控制 GF1-气体计量仪或流量测定仪 DAF-稀释用空气过滤器 GF2-气体计量仪或流量测定仪 TT-颗粒物取样传输管 分流稀释取样系统流程图 第10章 发动机排放

6、与测试 分流稀释取样系统 工作原理 返回 柴油机排气管EP中的排气通过颗粒物取样探 头ISP或PR和颗粒物取样传输管TT输送到稀 释通道DT。通过DT的稀释排气流量用颗粒物 取样系统PSS中的流量控制器FC2 和颗粒物 取样泵SP控制，稀释空气流量用流量控制器 FC1控制。 第10章 发动机排放与测试 现在，世界各国的排放法规大 多规定对汽车的排气先用干净 空气进行稀释，然后用定容取定容取 样样CVS（Constant Volume Sampling）系统取样。除取样 袋收集的气体外，大部分排气 被排出取样器，由测量器测量 排出气体的总流量。 定容取样系统 定容取样系统 测量 总流 量的 常用

7、 方法 容积泵容积泵PDP 文杜里管文杜里管CFV 第10章 发动机排放与测试 带容积泵的定容取样系统 D-稀释空气滤清器 M-混合室 H-热交换器 TC-温度控制系统 PDP-容积泵 T1-温度传感器 G1、G2-压力表 S1-收集稀释空气定量样气的取样口 S2-收集稀释排气定量样气的取样口 带容积泵的定容取样系统流程图 第10章 发动机排放与测试 带容积泵的定容取样系统 特点 第10章 发动机排放与测试 采用临界流量文度里管的定容取样系统 AB-稀释空气取样袋 CF-积累流量计 CS-旋风分离器 DAF-稀释空气滤清器 DEP-稀释排气抽气泵 DT-稀释风道 F-过滤器 FC-流量控制器；

8、 FL-流量计 HE-换热 HF-加热过滤器 PG-压力表 QF-快接管接头 QV-快作用阀 S1S4-取样探头 SB-衡释排气取样袋 的取样过滤器 SP-取样泵 TC-温度控制器 TS-温度传感器 带容积泵的定容取样系统流程图 CFV-临界流量文杜里管；SF-测量微粒排放质 第10章 发动机排放与测试 采用临界流量文度里管的定容取样系统 返回 特点 第10章 发动机排放与测试 汽车排气中的CO和CO2用 测量 NOX用测量 HC用测量 当需要从总碳氢化合物中分离出 非甲烷碳氢化合物时，发动机排 气中的氧多用顺磁分析仪测量 测量甲烷。 排气成分分析仪概述 排气成分分析仪外形图 第10章 发动机

9、排放与测试 不分光红外线气体分析仪NDIR（Non-Dispersive Infra-Red Analyser）是 。红外线是波长为0.8600m 的电磁波，多数气体具有吸收特定波长的红外线的能 力。如CO能吸收4.55m的红外线， CO2能吸收4 4.5m 的红外线，不分光红外线气体分析仪根据 其特定的吸收来鉴别气体分子的种类。 不分光红外气体分析仪NDIR 第10章 发动机排放与测试 不分光红外气体分析仪NDIR 工作原理工作原理 红外线光源射出的红外线 经过旋转的截光盘交替地投 向气样室和装有不吸收红外 线的气体（如氮）的参比室 ，透过两室的气体进入有两 个接收气室的检测器。当样 气室中

10、的被测样气浓度变化 时，两个接受气室接受的红 外线辐射能的差别也发生变 化，导致分隔两气室的薄膜 两侧压变化。由截光盘调制 的周期性变化引起电容器电 容量周期变化，该信号经放 大成为分析仪的输出信号。 不分光红外线气体分析仪工作原理图 第10章 发动机排放与测试 不分光红外气体分析仪NDIR 工作特点工作特点 不分光红外线气体分析仪采用直接取样系统时，水蒸气 对CO和NO的测定有干扰，在取样流程中应串联有冷却器 或除湿器，以尽量除去水分。 不分光红外线气体分析仪测量NO时，其测量精度低； 测量HC时，只能检测某一波长段的HC，而对非饱和烃和 芳香烃则不敏感，测量的结果主要是反应了饱和烃的含量

11、而不代表各种HC的含量，所以总的精确度较差。 排放法规规定，CO和CO2用不分光红外线气体分析仪测 量。 第10章 发动机排放与测试 化学发光分析仪CLD 具有感应度高，体积分数可达10-7； 应答性好，在10-2浓度范围内输出特性呈线性关 系，适用于连续分析； 为使测量过程中NO2尽可能完全地转化成为NO ，催化转化器中的温度必须在920K以上。 是测量NOX的标准方法。 特点特点 第10章 发动机排放与测试 化学发光分析仪CLD工作原理 1-反应室；2-臭氧发生器；3-氧入口；4-滤光片； 5-光电倍增管检测器；6-信号放大器；7-催化转化 器；8-样气入口；9-转换开关；10-反应室出口

12、 样气由通道A或B进入反应 室1。通道A直接通向反应 室，这个通道只能测量样 气中NO的浓度；样气通过 通道B时，样气中的NO2将 在催化转换器7中转化成 NO，再进入反应室，这样 仪器测量得到的是NO和 NO2的总和NOX。利用测得 的NOX与NO的差值，即可 确定样气中NO2的浓度。 化学发光分析仪工作原理图 第10章 发动机排放与测试 氢火焰离子分析仪FID 特点特点 是目前测量汽车排放中HC的最有效手段； 灵敏度高，可测到极小浓度的HC ； 线性范围宽； 对环境温度和压力也不敏感。 不受样气中有无水蒸气的影响，但可能受其中氧的 干扰。 不同的HC分子结构对FID的影响不同。 第10章

13、发动机排放与测试 氢火焰离子分析仪工作原理 工作原理工作原理 氢火焰燃烧时，2300K左右 的高温氢火焰会使HC离子化成自 由离子，离子数基本与HC的浓度 成正比。 待测气体与氢气混合后，由 入口进入燃烧器，由燃烧嘴喷出 ，在空气的助燃下由通电的点火 丝点燃。HC在缺氧的氢扩散火焰 中分解出离子和电子。这些离子 和电子形成按一定方向运动的离 子流，通过对离子流电流的测量 就可测得碳原子的浓度，从而反 映出相应HC的浓度。 1-离子收集器；2-信号放大器；3-空气分 配器；4-氢和待测气体入口；5-助燃空气 入口；6-燃烧嘴 氢火焰离子型分析仪工作原理图 第10章 发动机排放与测试 顺磁分析仪P

14、MA 工作原理工作原理 氧是一种强顺磁性气体， 氮氧化合物有较弱的顺磁 性，NO和NO2的顺磁性分 别为氧的44%和29%。因 为汽车排放中，氧的浓度 要比NOX高得多，所以可用 顺磁分析仪测量排气中的 氧浓度 顺磁分析仪外形图 第10章 发动机排放与测试 顺磁分析仪PMA 工作原理工作原理 样气3中的氧2，在永久磁铁6 的磁场吸引下充入水平玻璃管5中 。在磁场强度最大的地方，样气被 电热丝4加热。加热后的氧顺磁性 下降，磁铁对它的吸引力小于冷态 的氧。冷的样气被加热后又被挤走 ,这样在玻璃管5中就形成了磁风。 如果加热丝4同时起热线风速仪的 作用，就可以简单地测定磁风速度 ，从而测得样气中的

15、氧浓度 顺磁分析仪工作原理 第10章 发动机排放与测试 气相色谱仪 GC 对混合气的组成中各成分浓度进行详细的分析； 它灵敏度高，需要样气数量很少； 一次可完成多种成分的分析。 特点特点 第10章 发动机排放与测试 10.2.5 气相色谱仪 GC 工作原理工作原理 用样气注射器把一定体积 的样气从试样注入口注入仪器 ，与从载气入口进入仪器的氢 、氦、氩等载气混合后流入装 有填充剂的色谱柱中。 由于样气的不同组分对色 谱柱中的填充剂的亲和力（吸 附或溶解性）不同，在载气的 推动下被分离。亲和力弱的组 分，很难被滞留在填充剂中， 首先流出色谱柱；反之，亲和 力强的组分流出较晚。 1-试样注入口；2

16、-色谱图记 录仪；3-气体出口；4-检测 器；5-温控槽；6-色谱柱； 7-载气入口 气相色谱仪工作原理图 返回 第10章 发动机排放与测试 排气微粒 排气微粒排气微粒是指依据 一定的取样方法， 在最高温度为325K 的稀释排气中，由 过滤器收集到的固 态或液态微粒。 显微镜下的微粒组织形状 返回 第10章 发动机排放与测试 微粒质量测量 微粒测量过滤器通常采用滤纸。 为了保证测量的精度，空白滤纸和 有微粒滤纸的质量测量必须在调温调 湿的洁净小室内进行。 空白滤纸至少在取样前2h放入小室内 的滤纸盒中，待稳定后测量质量，然 后仍放在小室内待用。 如果从小室取出后1h内没有使用，则 在使用前必须

17、重新测量质量。 收集微粒后的滤纸放回小室内至少2h ，但不得超过36h，然后测量总质量。 微粒质量测量装置 。 第10章 发动机排放与测试 微粒质量测量计算公式 ep mix pffp epmix V V MmmMd VdV 或 Vep 流经过滤器的流量，m3 Vmix流经通道的流量，m3 Mp 排放微粒质量，g/km Mf 过滤器收集的微粒质量，g d 与运转循环一致的距离，km 第10章 发动机排放与测试 微粒成分测量 微粒中有机可溶成分SOF的分离及分析方法 1.热解质量分析法（TG） 2.真空挥发法（V V） 3.索氏萃取法（SE） 微粒成分分析不是排放法规所要求微粒成分分析不是排放法

18、规所要求 第10章 发动机排放与测试 微粒成分测量热解质量分析法 热解质量分析法TG（Thermo Gravimetry）是在惰性 气体气氛（如N2）中，将微粒样品按规定的加热速 率加热到923K，保温5分钟。在这段时间内，其中 可挥发部分蒸发掉，用热天平测得的微粒质量减小 量就代表其中可挥发部分VF（Volatile Fraction）， 用此法测得的主要是高沸点HC和硫酸盐，基本与 SOF相吻合。然后将气氛换成空气，在相同温度下 ，样品进一步减少的质量对应被氧化的碳烟组分， 残留的则是微量灰分。 第10章 发动机排放与测试 微粒成分测量真空挥发法 真空挥发法真空挥发法VV是将微粒样品置于真空干燥箱内， 在真空度（Vacuum Volatilization） 95Kpa以上 ，温度473K以上加热3h左右，其质量变化即为微 粒中VF含量。 第10章 发动机排放与测试 微粒成分测量索氏萃取法 盛有溶剂的烧瓶置于恒温浴缸 中，加热使溶剂蒸发，上升到 冷凝管中，冷凝物回到样品室 中浸泡样品，进行萃取