山東省機(jī)動車排氣污染監(jiān)控中心 王興武，康志強(qiáng)浙江浙大鳴泉科技有限公司 吳 勇，康 野

據(jù)公安部交管局統(tǒng)計(jì)，截至2017年3月底，全國機(jī)動車保有量首次突破3億輛，其中汽車達(dá)2億輛，機(jī)動車駕駛?cè)顺?.64億人，其中汽車駕駛?cè)?.2億人。隨著群眾駕車出行需求不斷提高，汽車市場潛力持續(xù)釋放，汽車保有量保持快速增長，近5年年均增加1 400萬輛機(jī)動車，與此同時(shí)汽車排放的污染物總量也不斷攀升。當(dāng)前，我國機(jī)動車污染防治形勢十分嚴(yán)峻。一是機(jī)動車排放總量居高不下。目前，我國機(jī)動車排放各類大氣污染物4 607萬t，其中，氮氧化物（NOx）的排放量約占全國排放總量的1/3。二是新增排放壓力巨大。據(jù)預(yù)測，未來5年我國機(jī)動車將新增1億輛以上，新增污染物排放1 600萬t。三是機(jī)動車污染危害凸顯。機(jī)動車已成為我國大中城市的重要污染源。根據(jù)第1批大氣PM2.5源解析結(jié)果顯示，北京、上海等大城市及東部人口密集區(qū)，機(jī)動車對PM2.5濃度的貢獻(xiàn)率達(dá)15.0%～52.1%。此外，2012年世界衛(wèi)生組織將柴油車尾氣由可疑致癌物提升為明確致癌物。因此，加強(qiáng)機(jī)動車尾氣污染防治工作，尤其是強(qiáng)化機(jī)動車尾氣排放監(jiān)管工作，是防治大中城市以PM2.5和臭氧為特征的復(fù)合型污染的重要手段。

隨著“十二五”規(guī)劃約束性指標(biāo)——2015年氮氧化物排放總量要比2010年削減10%的提出，機(jī)動車氮氧化物排放被列入“十二五”總量控制指標(biāo)，成為電力、工業(yè)、機(jī)動車和生活等4項(xiàng)約束性指標(biāo)之一。目前國內(nèi)外針對在用車氮氧化物排放檢測對象僅規(guī)定了汽油車，占機(jī)動車氮氧化物排放總量比例過半的柴油車僅在新車生產(chǎn)環(huán)節(jié)檢測氮氧化物排放。道路上行駛的柴油車氮氧排放處于監(jiān)管缺失的狀態(tài)，一些尾氣污染嚴(yán)重的車輛極大地惡化了環(huán)境，損害了人身健康。

本文介紹用于檢測在用柴油車尾氣中氮氧化物總量的檢測儀器，從檢測對象、儀器結(jié)構(gòu)和儀器原理中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)出發(fā)，對檢測儀器進(jìn)行描述。

1 柴油車氮氧化物檢測儀器介紹

柴油車氮氧化物檢測儀器（圖1）由采樣系統(tǒng)、氣體預(yù)處理系統(tǒng)、氣體分析與操作顯示系統(tǒng)組成，并根據(jù)用戶的需要，可集成原有的顆粒物濃度測量功能。該儀器具有高測量精度、高可靠性、高使用壽命和專業(yè)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

1.1 柴油車氮氧化物檢測儀器的氣路原理

如圖2所示，柴油車氮氧化物檢測儀器的氣路原理大致為：尾氣從被測車輛排氣管排出，由采樣系統(tǒng)采集尾氣樣氣傳輸至氣體預(yù)處理系統(tǒng)，氣體預(yù)處理系統(tǒng)會將尾氣中直徑5 μm以上的顆粒物有效濾除，并將尾氣中的二氧化氮?dú)怏w轉(zhuǎn)換成一氧化氮?dú)怏w送入氣體分析系統(tǒng)，分析系統(tǒng)通過光學(xué)分析得到一氧化氮?dú)怏w的濃度。這個(gè)濃度包含了原始尾氣中一氧化氮?dú)怏w濃度和二氧化氮?dú)怏w濃度，反映了氮氧化物總量。

圖1 柴油車氮氧化物檢測儀器外觀

圖2 柴油車氮氧化物檢測儀器的氣路原理

1.2 柴油車氮氧化物檢測儀器的電氣連接原理

儀器內(nèi)部系統(tǒng)間主要實(shí)現(xiàn)傳感器、氣動元件、通信元件之間的協(xié)調(diào)互動，儀器對外與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和動作指令傳輸。儀器配合工控機(jī)或自身操作系統(tǒng)完成整個(gè)測量過程的動作控制和數(shù)據(jù)傳遞。

1.3 柴油車氮氧化物檢測儀器的結(jié)構(gòu)

柴油車氮氧化物檢測儀器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，氣體預(yù)處理系統(tǒng)和氣體分析系統(tǒng)均依照標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì)成箱體結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場使用過程將2個(gè)箱體中放入專用機(jī)柜中形成一套整體。機(jī)柜依照標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜尺寸設(shè)計(jì)，內(nèi)置電源接口和布線工藝槽。機(jī)柜底部有輪，可以整體推動移動至某一位置后放下鎖止裝置固定在該位置長期使用。如圖4所示，儀器通過主機(jī)模塊和預(yù)處理模塊共同完成氣體樣品的前處理和NOx的總量測定，同時(shí)完成內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 顆粒物過濾

柴油車尾氣中通常含有大量顆粒物，這些顆粒物若不經(jīng)處理會嚴(yán)重?fù)p壞儀器內(nèi)部的氣動元件和光學(xué)元件，造成儀器癱瘓。根據(jù)多年的前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，專門設(shè)計(jì)了用于過濾柴油車尾氣顆粒物的濾芯和過濾器結(jié)構(gòu)，能夠有效過濾掉5 μm以上的顆粒物，保證儀器長年正常使用。濾芯采用進(jìn)口纖維真空燒結(jié)而成，配合過濾器獨(dú)有的原理結(jié)構(gòu)最大程度發(fā)揮濾芯的過濾效果和承載量，確保有效過濾的同時(shí)保證濾芯的使用壽命滿足至少500輛次連續(xù)檢測。

2.2 氮氧轉(zhuǎn)換器

柴油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒時(shí)處于高溫、高壓、富氧狀態(tài)，容易產(chǎn)生氮氧化物。氮氧化物（NOx）主要由一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）兩種氣體組成。采用的光學(xué)分析方法，需要將二氧化氮轉(zhuǎn)換成一氧化氮再進(jìn)行濃度檢測。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程是一個(gè)化學(xué)還原反應(yīng)，需要適當(dāng)?shù)倪€原劑和反應(yīng)溫度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要兼顧轉(zhuǎn)換器內(nèi)部高溫需求和外部管路材料耐溫可靠性需求。通過巧妙的螺旋形預(yù)加熱系統(tǒng)使得熱量有效集中在化學(xué)還原反應(yīng)中，提高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)保證了系統(tǒng)的可靠性。

圖3 柴油車氮氧化物檢測儀器的結(jié)構(gòu)

圖4 柴油車氮氧化物檢測儀器的模塊構(gòu)成

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場使用

在汽車實(shí)驗(yàn)室中與AVL AMA 4000進(jìn)行比對實(shí)驗(yàn)，得到了一致性很高的測試數(shù)據(jù)。截至2016年底，本研究設(shè)計(jì)的柴油車氮氧檢測儀器分別在北京、上海、浙江等地連續(xù)進(jìn)行了多年的現(xiàn)場測試，積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的柴油車氮氧檢測儀器專業(yè)可靠，針對柴油車尾氣特點(diǎn)進(jìn)行了專業(yè)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)合理、使用方便，與國際知名品牌儀器的測量性能相仿。經(jīng)過多地長期現(xiàn)場使用，儀器安全可靠，實(shí)現(xiàn)了對在用柴油車尾氣中氮氧化物總量的檢測。