汽车排放污染物的测量方法全解

1、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

2、系统。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，

3、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

4、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(一) CO与 CO2测量仪器非透视红外线分析仪

5、( 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

6、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

7、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）HC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

8、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

9、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）NOx 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 （NDU）V 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，Chemiluminescent 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

10、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 NO2NO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

11、 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

12、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（一）OEM-2100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

13、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

14、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）SEMTEC系H列车载排放测量系统SEMTEC系H 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-是D 以柴油机为测试对象， 而 SEMTECH-则G 是针对汽油机排

15、放测 试而开发的。SEMTECH-D/G两种产品的主要区别在于 SEMTECH-增D 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（ NDU）V 的火焰离子化探测器（ FID） 的组合体构成。 SEMTECH-和D -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。1SEMTECH-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

16、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-针D 对不同污染 物的测量参数。2SEMTECH-GSensors 公司针对所有级别的汽油车和实际运行条件开发出SEMTECH-。GSEMTECH-也G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-针G 对不同污染物的测量参数。(三) O

17、BS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信号