時(shí)鳳奎

(天津市交通科學(xué)技術(shù)研究所 天津300012)

汽車尾氣檢測方法分析及設(shè)備研發(fā)

時(shí)鳳奎

(天津市交通科學(xué)技術(shù)研究所 天津300012)

對比闡述了國內(nèi)外汽車尾氣治理的情況，重點(diǎn)分析介紹了國內(nèi)常用的 4類技術(shù)：無負(fù)荷測試方法、工況法、道路遙感監(jiān)測方法以及車載檢測技術(shù)，分析了每種方法的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對一款實(shí)用性較強(qiáng)的便攜式尾氣檢測儀進(jìn)行了開發(fā)及應(yīng)用舉例。該儀器不僅可以提高“簡易工況法”測量的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)環(huán)保部門對環(huán)境監(jiān)測要求，還能有效減少環(huán)境污染。

汽車尾氣 檢測方法 便攜式尾氣檢測儀

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量不斷增加，機(jī)動(dòng)車尾氣排放量劇增，成為城市主要的大氣污染源，嚴(yán)重威脅著人類健康。世界各國的學(xué)術(shù)和醫(yī)學(xué)界開始深入關(guān)注機(jī)動(dòng)車尾氣的治理問題，而機(jī)動(dòng)車尾氣檢測是尾氣污染治理的基礎(chǔ)。常用的尾氣檢測方法和檢測設(shè)備與車輛發(fā)展水平、國家最新標(biāo)準(zhǔn)要求的矛盾也日趨凸顯。

1 國內(nèi)外尾氣防治的發(fā)展現(xiàn)狀

多年來，世界各國進(jìn)行了各種努力和嘗試，試圖從源頭上解決尾氣污染這一全球性問題。為了使汽車污染的排放量降低、減少，歐洲一些國家通過制定稅費(fèi)，對不同污染程度等級(jí)的汽車進(jìn)行分類稅收。美國政府從生產(chǎn)環(huán)節(jié)這一源頭就采取了一系列的控制措施，出臺(tái)了一系列法律法規(guī)來控制汽車的排放污染問題。新加坡則通過加大管理力度及范圍，大力發(fā)展交通系統(tǒng)軟、硬件設(shè)施，推廣公共交通使用頻率，提高汽車的上路條件及標(biāo)準(zhǔn)。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，公眾的尾氣防治意識(shí)和水平也在不斷提升。1984年，我國正式出臺(tái)并實(shí)施了第一個(gè)關(guān)于排放問題的國家標(biāo)準(zhǔn)。截至 1992年，我國對于空氣污染的治理已經(jīng)有了顯著進(jìn)步，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，初步建成較為完善的空氣治理體系。2000年，根據(jù)國情，結(jié)合美、日、歐盟等國家地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)體系經(jīng)驗(yàn)，我國先后制定出第一階段和第二階段的排放標(biāo)準(zhǔn)，并于 2005年 5月 30日頒布了第三、四、五階段標(biāo)準(zhǔn)，于2008年10月1日正式實(shí)施。隨著機(jī)動(dòng)車保有量的飆升，以及人們對尾氣排放治理的決心，各階段排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施日期不斷提前，北京、廣州、上海等大城市近年來相繼實(shí)施了第五階段排放標(biāo)準(zhǔn)，天津市環(huán)保局也確定了第五階段機(jī)動(dòng)車排放要求及實(shí)施規(guī)定，并于2015年 9月 1日起正式實(shí)施，成為繼北京、廣州、上海等城市后進(jìn)入國五時(shí)代的國內(nèi)城市。

2 常見尾氣檢測方法

常用的檢測方法分為無負(fù)荷測試方法、工況法、道路遙感監(jiān)測方法、車載檢測技術(shù)4種類型。

2.1 無負(fù)荷測試方法

2.1.1 怠速法

對怠速工況下的在用車進(jìn)行尾氣排放檢測。怠速法可以用來檢測一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔?HC)等主要污染物，其檢測結(jié)果通過污染物的體積濃度表示。優(yōu)點(diǎn)為：方法簡便、快捷、設(shè)備費(fèi)用低。缺點(diǎn)為：只測得汽車道路行駛中怠速狀況時(shí)的 CO和HC排放情況。

2.1.2 雙怠速法

對在用車尾氣進(jìn)行 CO、HC體積濃度排放的檢測，分別在怠速工況和 50%,額定轉(zhuǎn)速的高怠速工況下進(jìn)行。GB,18285—2005規(guī)定用雙怠速法采用不分光紅外分析儀(NDIR)對污染物進(jìn)行測量。優(yōu)點(diǎn)為：雙怠速法操作簡單且快捷，對測試儀器設(shè)備的要求并不高，對于較高排放測量識(shí)別率優(yōu)勢明顯。缺點(diǎn)為：不能進(jìn)行 NOx的檢測，無法真實(shí)體現(xiàn)汽車的實(shí)際工作排放狀況。

2.2 工況法

常用的工況法檢測技術(shù)包括：穩(wěn)態(tài)加速模擬工況、瞬態(tài)加載工況和簡易瞬態(tài)工況法。工況法尾氣檢測是利用底盤測功機(jī)模擬機(jī)動(dòng)車各種道路(負(fù)荷)行駛狀態(tài)，同時(shí)檢測CO、CH、NOx等尾氣排放物。

2.2.1 ASM(AccelerationSimulationMode，簡稱ASM)穩(wěn)態(tài)工況法

這是最為簡單快速的有負(fù)荷測試方法。它包括ASM5025和ASM2540兩個(gè)典型的等速有負(fù)荷運(yùn)行工況。

①ASM5025工況。加載功率為測試速度25,km/h，加速度為 1.475,m/s2(FTP-75循環(huán)中的最大加速度)時(shí)的輸出功率的 50%,。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加載功率 P5025＝車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量/148，以試驗(yàn)車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量加載，這樣操作較為簡便。②ASM2540工況。加載功率為測試速度 40,km/h，加速度為 1.475,m/s2時(shí)的輸出功率的 25%,。按照相關(guān)規(guī)定的要求，加載功率P2540＝車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量/185，同樣以車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量加載。作為一種加載負(fù)荷的檢測方法，ASM 不僅能夠?qū)ζ囄矚膺M(jìn)行測量，同時(shí)能夠有效識(shí)別車輛氣體排放中NOx排放量及狀況，對排放值比較高的車輛有較好的識(shí)別判斷能力。但由于該測試方法測試的工況較為單一，只對兩個(gè)車速下的工況進(jìn)行測試，測試結(jié)果必然會(huì)與實(shí)際行駛時(shí)的排放情況存在較大差異，且不能準(zhǔn)確判別加減速過程中排放狀況的優(yōu)劣。

2.2.2 瞬態(tài)工況法

包括 IM240瞬態(tài)工況和 IM195瞬態(tài)工況。①IM240檢測主要是采用美國聯(lián)邦新車認(rèn)定用測試規(guī)程 FPT曲線前 0～333,s的兩個(gè)峰，經(jīng)過修改縮短為240,s，底盤測功機(jī)可以根據(jù)車輛實(shí)際需要進(jìn)行變負(fù)荷、變車速運(yùn)行。②IM195瞬態(tài)工況循環(huán)測試時(shí)間為195,s，所以稱為 IM195。采樣裝置、分析儀器等與新車測試保持一致。

瞬態(tài)工況IM195和IM240除了試驗(yàn)循環(huán)不同，均采用相同的氣體分析原理及廢氣采樣系統(tǒng)，它包括怠速、加速、減速等15種模擬工作狀況，基本能夠較為全面地對不同路面行駛狀況的車輛進(jìn)行模擬。

2.2.3 簡易瞬態(tài)工況法(VMAS)

簡易瞬態(tài)工況法與瞬態(tài)工況法采用相同的底盤測功機(jī)進(jìn)行檢測，試驗(yàn)循環(huán)完全相同，兩者不同的是采樣系統(tǒng)和氣體分析儀的原理不同。這種檢測方式融合了IM240瞬態(tài)工況、測量稀釋排氣量的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)融合了 ASM檢測技術(shù)的長處，通過一個(gè)“氣體流量分析儀”裝置檢測汽車的排氣量，經(jīng)處理和計(jì)算，進(jìn)一步得出每種污染物每公里的排放量。這種檢測技術(shù)可以真實(shí)有效地反映車輛的實(shí)際行駛狀況及排放特征，也比較適用于新車的檢測，但價(jià)格要高于ASM檢測方法。

2.3 道路遙感監(jiān)測方法

道路遙感監(jiān)測設(shè)備主要包括尾氣排放分析系統(tǒng)、行駛狀況檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)、車牌信息記錄系統(tǒng)，將這些系統(tǒng)有效結(jié)合便可進(jìn)行汽車排放情況檢測。優(yōu)點(diǎn)為：檢測便捷高效、自動(dòng)化程度高、測試費(fèi)用低、不妨礙交通，車輛能夠在一般行駛中完成汽車尾氣的檢測，不受任何人為因素及外界環(huán)境的干擾。但是，由于各種車輛實(shí)際工況的差異，遙感監(jiān)測的檢測精度并不高，國家的政策扶持及法律方面的保障也較為不足，所以該技術(shù)發(fā)展仍處在初級(jí)理論研究階段。

2.4 車載尾氣檢測技術(shù)

車載尾氣檢測技術(shù)是通過直采的方式對汽車進(jìn)行尾氣排放的檢測，將排氣尾管直接與車載尾氣測量裝置連接。通過這種檢測方法能夠有效并實(shí)時(shí)檢測到整車氣體排放的濃度、質(zhì)量、流量、排量情況，從而獲得準(zhǔn)確的氣體污染物以及微粒排放量的相關(guān)數(shù)值。該種檢測方法之所以能夠真實(shí)反映被測車輛的實(shí)際排放水平，是因?yàn)樵跈z測過程中通過對瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)、GPS數(shù)據(jù)等進(jìn)行進(jìn)一步的處理后完成的測量。優(yōu)點(diǎn)為：設(shè)備重量輕，易于連接安放，能夠?qū)崟r(shí)測量車輛的排放，測試結(jié)果精確、可靠，測試便捷，成本較低，技術(shù)優(yōu)越性明顯，應(yīng)用市場前景廣闊。

3 便攜式尾氣檢測儀研發(fā)與應(yīng)用舉例

筆者所在單位與天津圣威科技共同研究開發(fā)的便攜式尾氣檢測儀，首先對國內(nèi)外的汽車尾氣動(dòng)態(tài)分析儀進(jìn)行分析消化，吸收其特點(diǎn)，并在原有SV-5Q分析儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，針對 ASM 簡易工況法的要求，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)尾氣檢測分析，突出特點(diǎn)在于可在汽車變工況狀態(tài)下實(shí)時(shí)檢測包括氮氧化合物在內(nèi)的5種尾氣成分。

3.1 測量原理

該儀器在系統(tǒng)研發(fā)中，從排氣分析儀實(shí)際使用需求和價(jià)格定位出發(fā)，采用非擴(kuò)散紅外線分析法(NDIR)法測量 CO、CO2、HC；采用電化學(xué)方法測量NOx、O2。

3.1.1 CO、CO2和HC的測試原理

CO、CO2和HC采用NDIR來測量其濃度，測量原理基礎(chǔ)是某種氣體吸收的紅外線波長為特定的范圍，即大多數(shù)非對稱分子對某一特定范圍的紅外線波長中具有吸收功能，且吸收程度與被測氣體的濃度有關(guān)。依據(jù)紅外線吸收圖譜中紅外線強(qiáng)度推斷出CO、 CO2、HC的濃度。如CO能吸收紅外線最強(qiáng)的波長為4.7 ,μm，CO2吸收紅外線最強(qiáng)的波長為 4.2,μm，HC吸收紅外線最強(qiáng)的波長為 3.4,μm。紅外線氣體分析裝置原理圖詳見圖1。

圖1 紅外線氣體分析裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the infrared ray gas analyzer

本系統(tǒng)采用的紅外分析儀具有較短的預(yù)熱時(shí)間，且響應(yīng)時(shí)間較快、測量精度高，同時(shí)具有較高的性價(jià)比。

3.1.2 NOx和O2測試原理

汽車尾氣分析儀的O2測試功能能夠有效測得汽車排氣中的含氧量，從而能夠反映三元催化反應(yīng)器的工作狀況，采取有效措施調(diào)節(jié)空燃比，控制排放量。

5種氣體成分的濃度測定通常采用兩類不同方法，CO、CO2、HC通過“氣體吸收的紅外線波長為特定的范圍”原理來測定，測試精度較高。而 NOx和O2的濃度測定采用電化學(xué)原理，排氣中含氧量的濃度測定通過在測試信道中設(shè)置氧傳感器即可。測定過程如圖2所示：

圖2 NO測定過程圖Fig.2 NO measuring process

3.2 主要性能指標(biāo)及功能圖

通過該項(xiàng)目開發(fā)研制出可動(dòng)態(tài)檢測汽車尾氣的檢測儀并可準(zhǔn)確檢測尾氣的各項(xiàng)指標(biāo)，具體性能指標(biāo)包括：

CO 測量范圍 0%～10%，分辨率 0.01%；CO2測量范圍 0%～20%，分辨率 0.1%；HC 測量范圍0～10,000×10-6，分辨率 1×10-6；NOx測量范圍0～5,000×10-6，分辨率1×10-6。

該設(shè)備能夠滿足GB,18285的在用車排氣污染物限值的基本要求，并利用數(shù)據(jù)采集分析自動(dòng)生成對比分析報(bào)告。功能示意圖如圖3所示。

4 結(jié) 語

該儀器可應(yīng)用于汽車維修市場和各級(jí)交通、公安檢測站、各級(jí)環(huán)保尾氣治理點(diǎn)，具有非常巨大的市場潛力。不僅可以提高“簡易工況法”測量的準(zhǔn)確度，彌補(bǔ)“怠速法”測量的缺陷，還能夠滿足天津市推行的“汽車尾氣簡易工況法”的檢測要求以及現(xiàn)行GB,18285在用車排氣污染物限值使用要求，實(shí)現(xiàn)環(huán)保部門對環(huán)境監(jiān)測管理要求，有效減少環(huán)境污染。

圖3 便攜式尾氣檢測儀功能示意圖Fig.3 Functions of the portable tail gas detector

［1］ 郝艷召，于雷，王宏圖. 機(jī)動(dòng)車尾氣遙測技術(shù)發(fā)展歷程及應(yīng)用研究[J]. 安全與環(huán)境工程，2010，17(4)：46-51.

［2］ 徐輝，徐洋. 隨車式汽車尾氣分析儀的設(shè)計(jì)[J]. 電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2009(增)，23(1)：228-231.

［3］ 黨寶英. 汽車尾氣分析與發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的研究[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)息. 2009(23)：334-336.

［4］ 劉侃侃，炱延濱，羅才武，等. 城市機(jī)動(dòng)車尾氣排放及道路擴(kuò)散模式綜述[J]. 環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2009，21(6)：8-13.

［5］ 陸三蘭，李本宴，黃光明. 新型便攜式汽車尾氣檢測儀[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2007(8)：14-15.

［6］ 張輝平. 我國在用汽車尾氣檢測——簡易工況法[J].客車技術(shù)與研究，2007(2)：44-46.

［7］ Davis N，Lents J，Osses M，et a1. Development and application of an international vehicle emissions model[C]. Washington D. C.：Transportation Research Board 81st Annual Meeting，2013-2016.

［8］ MtCulloch M，Normand E，Duxbury G，et al. Real time detection of automobile exhaust gases by use of a chirped pulse spectrometer[C]. Baltimore：Conference on Lasers and Electro-Optics 2003，2003.

An Analysis of Automobile Exhaust Detection Methods and the Development of Corresponding Equipment

SHI Fengkui
(Tianjin Institute of Transportation Science and Technology，Tianjin 300012，China)

The present situation of automobile tail gas treatment both at home and abroad was introduced with an emphasis on four common methods in China，including zero load test method(idle speed and double idle speed method)，mode tests(steady state method，transient state method and simple transient state method)，road remote sensing monitoring and portable emission measurement．The characteristics and application of each method were discussed．In addition，the development and application of a portable instrument of tail gas detector were introduced．The instrument can not only improve the measurement accuracy，but also meet environmental monitoring requirements of relative agency and effectively reduce environmental pollution.

automobile exhaust；detection method；portable exhaust detection instrument

Q93-338

A

1006-8945(2016)01-0046-03

科技支撐計(jì)劃，動(dòng)態(tài)汽車尾氣檢測儀的研制(13ZCZDTG02300)。

2015-12-15