汽车排放污染物的测量方法.docx

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汽车排放污染物的测量方法

汽车排放污染物的测量方法

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，PortableEmissionMeasureSystem）。

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

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

（一）CO与CO2测量仪器

非透视红外线分析仪（NDIR，NondispersiveInfraredAnalyzer）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）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，FlameIonizationDetector）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）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（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，ChemiluminescentDetector）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0.6～3μm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

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

（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）SEMTECH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）AnnArbor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）OBS系列车载排放测量系统

OBS（On-BoardEmissionMeasurementSystem）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，通过输入的信号计算出排放质量、油耗、行驶里程、空燃比等。

OBS的附属传感器包括排气温度传感器、排气压力传感器、环境温度和湿度传感器、环境压力传感器、GPS、电池电压监控器等。

四、结论

基于实验室内测试的局限性，开辟了一种新的测试在用车辆排放水平的途径——PEMS测试方法。

这种测试方法可以弥补实验室测试的局限性，具有成本低、效率高的优点。

本文着重介绍了目前各大公司开发的PEMS设备，讲述了它们的结构、组成、安装以及使用原理等问题。

随着车辆排放标准的越来越严，这种测量方法必将会在不久的将来应用到各种类型的车辆排放测试上，这些测试设备也会被广泛地使用。