汽車排放技術(shù)講座

汽車排放檢測技術(shù)講座

汽車排放檢測技術(shù)講座提綱：第一節(jié)：汽車排放檢測技術(shù)的發(fā)展第二節(jié)：汽車有害排放污染物及其生成機(jī)理和對環(huán)境的危害。第三節(jié)：汽車有害排放污染物的檢測第四節(jié)：汽車排放檢測儀的基礎(chǔ)知識及結(jié)構(gòu)原理第五節(jié)：汽車尾氣凈化治理和汽車檢查維護(hù)制度及排放控制第六節(jié)：汽車排放的有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)第七節(jié)：排放檢測儀的操作與使用

第一節(jié)：汽車排放檢測技術(shù)的發(fā)展

1983年，我國頒布了控制汽車怠速污染物的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如：GB3842-83《汽油車怠速污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等。（注：該標(biāo)準(zhǔn)在1993年重新修改為GB14761.5-93）

為了適應(yīng)這一系列標(biāo)準(zhǔn)的貫徹實施，相關(guān)的汽車怠速排放污染物檢測儀器（以下簡稱“汽車廢氣分析儀”）在我國逐漸發(fā)展起來，并形成了一定的生產(chǎn)能力。隨著半導(dǎo)體材料與電子計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，上述檢測儀器的技術(shù)水平已有了很大的發(fā)展。本文回顧了這一發(fā)展過程，介紹了目前已在或即將在我國開始應(yīng)用的新技術(shù)，供同行參考。汽車廢氣分析儀是基于氣體的紅外吸收原理進(jìn)行工作的。即：由多原子組成的氣體分子，在某一特定波長的范圍內(nèi)，吸收紅外光能量，其吸收量與氣體濃度成正比。實現(xiàn)這一原理的方法（或技術(shù)），經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，具有不同的結(jié)構(gòu)，下面分述之。1.單組分、雙光路、電容式檢測結(jié)構(gòu)此種結(jié)構(gòu)的主要特征是：每一個檢測機(jī)構(gòu)只分析一種組分；雙光路；采用電容式檢測器（如圖1所示）。

兩個光源發(fā)出能量相等的兩束紅外光IR0,ISO。切光片是一個周期旋轉(zhuǎn)的扇形擋光片，把兩束光周期性地遮斷，打開。參比氣室充有不吸收紅外光的氣體（例如N2），樣品氣體從樣品氣室的入口通入，從出口流出。電容式檢測器由一片金屬膜分隔成左右兩個接收室，此接收室充有一定濃度的被測組分氣體，金屬膜旁有一平板電極，與金屬膜構(gòu)成一平板式電容器。當(dāng)被測氣體濃度為零時，樣品氣室內(nèi)沒有紅外光能量被吸收，因此IS=ISO。參比氣室如上所述充的是不吸收紅外光的氣體，因此也沒有紅外光能量的損失。即IR=IRO。所以，Is=IR。入射到檢測器左、右接收室的紅外光能量相同。接收室內(nèi)的氣體吸收的紅外光能量相同，所產(chǎn)生的壓力相同，薄膜兩邊的壓力平衡，不產(chǎn)生位移。當(dāng)被測氣體濃度不為零時，樣品氣室內(nèi)的待測氣體組分吸收了一部分紅外光能量，導(dǎo)致Is＜Iso,因此IS＜IR,入射到檢測器左接收室的紅外光能量大于右接收室。所以，左接收室內(nèi)的氣體有較多的紅外光能量吸收，產(chǎn)生較大的壓力。而右接收室內(nèi)的氣體只有相對較少的紅外光能量吸收，產(chǎn)生較小的壓力。薄膜兩端產(chǎn)生壓力差，在此作用下，薄膜向右移動，電容器的極間距離減少，電容量增加。當(dāng)IR0和ISO在切光片旋轉(zhuǎn)的過程中被遮斷時，IR和IS都為零，檢測器兩接收室的壓力消失，薄膜回復(fù)到原始狀態(tài)，電容量復(fù)原。綜上所述，在擋光片同期性地遮斷、打開過程中，電容量也產(chǎn)生周期性的變化，其變化量正比于被測氣體的濃度。把電容變化量通過相應(yīng)電路檢測出來，就可知被測氣體的濃度。此種結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)典型的結(jié)構(gòu)，從60年代起開始在國外應(yīng)用，其特點如下：

a).應(yīng)用經(jīng)驗比較成熟，國內(nèi)80年代的汽車廢氣分析儀采用。（例如：佛分廠的MEXA-324F）b).結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高。c).一個檢測機(jī)構(gòu)只能測試一種組分。

d).可靠性低。（存在檢測器漏電、漏氣隱患）2、多組分、單光路、半導(dǎo)體檢測器結(jié)構(gòu)隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體紅外檢測器（例如熱電堆檢測器、熱釋電檢測器）在汽車廢氣分析儀上得到了廣泛的應(yīng)用，其發(fā)展趨勢將取代前述的電容式檢測器，圖2示出這種結(jié)構(gòu)的原理圖。這種結(jié)構(gòu)的主要特征是：每一個檢測機(jī)構(gòu)可以分析2-3種組分；單光路；采用半導(dǎo)體檢測器。

從光源發(fā)出的紅外光投射到樣品氣室，當(dāng)樣氣中被測組分（CO、HC）為零時，沒有紅外吸收產(chǎn)生，通過濾光片之后到達(dá)半導(dǎo)體紅外檢測器上的紅外光能量最強(qiáng)，半導(dǎo)體紅外檢測器輸出信號最大。當(dāng)樣氣中被測組分不為零時，CO和HC氣體將吸收部分對應(yīng)其吸收波長的紅外光能量。使得到達(dá)相應(yīng)的半導(dǎo)體紅外檢測器上的紅外光能量減少，其輸出信號減少。通過比較半導(dǎo)體紅外檢測器輸出信號減少的程度，就可測出相應(yīng)的CO、HC氣體濃度。光路中的濾光片是一種窄帶通濾光片，它僅允許相應(yīng)于CO（或HC）紅外吸收波長的那部分紅外光能量通過，其它波長截止。因此在其后的半導(dǎo)體紅外檢測器的輸出信號只反映某一相應(yīng)的氣體（CO或HC）濃度，從而實現(xiàn)在一個光路中檢測多種氣體組分的功能。圖中的切光片按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，把光源發(fā)出的紅外光周期性地遮斷、打開，使半導(dǎo)體紅外檢測器輸出信號為交變信號，從而使整個機(jī)構(gòu)工作更穩(wěn)定，靈敏度更高。 此種結(jié)構(gòu)是一種比較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)，從80年代初期開始在國外投入使用，國內(nèi)也有部分廠家在近年生產(chǎn)出采用上述結(jié)構(gòu)的儀器，（例如南華儀器有限公司NHA-201）其特點如下：a).結(jié)構(gòu)簡單，在一個檢測機(jī)構(gòu)上可完成多種組分的檢測。b).可靠性高。c).在“放大及信號處理模塊”中采用單片計算機(jī)技術(shù)后，可方便地實現(xiàn)自動調(diào)零、線性化、壓力補償、溫度補償、數(shù)字顯示和通訊等先進(jìn)功能。3.關(guān)于脈沖光源的應(yīng)用在前述兩種結(jié)構(gòu)中，旋轉(zhuǎn)式切光片都是必不可少的組成部分，通常它采取等分式扇形結(jié)構(gòu)，如圖3所示，在電機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)，將光源發(fā)出的紅外光分割成方波式光束。

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展以及計算機(jī)技術(shù)的普遍應(yīng)用，從90年代初，國外某些廠家開始采用脈沖光源，從而摒棄了檢測機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動部分。所謂脈沖光源，其發(fā)熱體采用熱慣量極少的發(fā)熱材料，可在瞬間使發(fā)熱體達(dá)到規(guī)定的溫度，再配上由計算機(jī)精確控制的脈沖式供電電源，組合而成。采用脈沖光源的檢測機(jī)構(gòu)，具有如下明顯優(yōu)勢：a).沒有運動部件，壽命更長。b).體積更小。c).預(yù)熱時間大大縮短，通常只需5-10min即可。4.關(guān)于氣流調(diào)制方式前述幾種結(jié)構(gòu)形式，都需對紅外光束進(jìn)行調(diào)制，以便獲得交變信號，提高測量的穩(wěn)定性及靈敏度。最近，國外某廠家開發(fā)出一種全新的調(diào)制方式---氣流調(diào)制方式，即按一定的周期，向樣品氣室交替導(dǎo)入待測氣體和零氣體，這樣就可以得到與待測氣體濃度對應(yīng)的交變電信號。

無論采用旋轉(zhuǎn)切光片或脈沖光源對紅外光束進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)樣品氣室內(nèi)被測組分濃度為零時（簡稱零氣），檢測器將輸出一定幅度的交變信號，而在被測組分不為零時，這一交變信號的幅值將會變小，其與零氣體時的交變信號幅度的差值，則表征被測氣體的濃度。見圖4（a）所示。由于光源的微小變化，以及其它外界因素的影響（例如溫度），都會導(dǎo)致檢測器在零氣狀態(tài)時的輸出交變信號幅值產(chǎn)生變化，此即零位漂移。它限制了儀器測量精度的進(jìn)一步提高。而對于氣流調(diào)制方式而言，當(dāng)在零氣體狀態(tài)時，檢測器輸出的交變信號的幅值永遠(yuǎn)為零（見圖4（b）所示），從而從根本上解決了零位漂移的問題。這一方式的不足之處是其氣路結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，要求較高。5.多組份、多功能廢氣分析儀的應(yīng)用趨勢

從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，早期的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)（例如：GB3842-83）對汽車怠速廢氣中的有害成分CO及HC提出了限制規(guī)定。因而，相應(yīng)的汽車廢氣分析儀也只對汽車廢氣中的CO及HC進(jìn)行測量。所以廣泛應(yīng)用的是兩組分的汽車廢氣分析儀。在對汽車廢氣中有害成分的生成因素進(jìn)行分析后，人們發(fā)現(xiàn)，要降低有害成分的濃度，其中一個主要條件是發(fā)動機(jī)的燃燒情況必需良好，而汽車廢氣中的O2和CO2濃度，是表征發(fā)動機(jī)燃燒情況的重要依據(jù)。

因此，從80年代末期開始，歐洲、美國等工業(yè)化國家，已普遍采用四組分（CO、HC、CO2、O2）汽車廢氣分析儀對汽車廢氣進(jìn)行檢測，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO3930:1993《道路車輛檢測修理用氣體排放測量設(shè)備技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了汽車廢氣分析儀的測量組分為CO、HC、CO2、O2。近年推出的四組分汽車廢氣分析儀兼有提供過量空氣系數(shù)λ的功能，使用戶能直觀判別汽車發(fā)動機(jī)的工作情況。目前，我國在制訂有關(guān)汽車廢氣的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時，基本上是等效采用國際標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用四組分汽車廢氣分析儀檢測怠速工況下的汽車廢氣，是必然的發(fā)展趨勢。

近年，更有五組分（CO、HC、CO2、O2、NO）汽車廢氣分析儀面市，其原因是造成大氣污染中的主要成分之一--NO，越來越引起人們重視，因而將其列入檢測對象。在我國2001年7月1日實施的GB18285-2000對NO的限值標(biāo)準(zhǔn)和試驗方法有了明確的規(guī)定。此外，隨著雙怠速法（即在怠速和高怠速工況下，對排氣進(jìn)行檢測）在某些地區(qū)的實行（例如歐洲和我國的北京、上海），要求汽車廢氣分析儀具有轉(zhuǎn)速和機(jī)油溫度的檢測功能，以及轉(zhuǎn)速達(dá)標(biāo)控制，檢測時間控制，自動檢漏，自動判別管路HC殘留物等功能，使廢氣分析儀正朝向多組分、多功能的方向發(fā)展。6.電子計算機(jī)技術(shù)在汽車廢氣分析儀上的運用

隨著電子計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，進(jìn)入90年代以來，在汽車廢氣分析儀上應(yīng)用電子計算機(jī)技術(shù)已越來越普遍，它可以使儀器具備（增加）下列功能：*零位自動調(diào)節(jié)*量程自動切換*線性化指示*溫度自動補償*壓力補償*數(shù)字化顯示*簡單故障自診斷從而使儀器的性能得以提高，使用更為方便。具備初級智能化的功能。因此，是否在儀器內(nèi)采用電子計算機(jī)技術(shù)，已成為新型和老式儀器的分水嶺。7.汽車廢氣分析儀技術(shù)指標(biāo)的不斷提高

近年來，汽車排放要求越來越嚴(yán)格，汽車廢氣凈化技術(shù)取得很大進(jìn)展，包括在國內(nèi)，很多汽車都已實現(xiàn)了低排放，甚至“零”排放。從而也促進(jìn)了檢測儀器精度的相應(yīng)提高，表一給出了不同時期，國內(nèi)或國外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于汽車廢氣分析儀的最大允許誤差指標(biāo)。

8.汽車尾氣的檢測速度要求加快

為了加快汽車尾氣的檢測速度，尾氣遙感檢測技術(shù)在美國和其它的一些國家和地區(qū)得到了應(yīng)用，北京市也引進(jìn)了這種先進(jìn)設(shè)備，已用于汽車尾氣的監(jiān)測和控制。遙感檢測技術(shù)來源于美國航天局，是長距離的吸收光譜法，當(dāng)汽車從車道通過時，汽車的尾氣排放值立即顯示出來，同時車牌和汽車尾部被拍攝出來。與汽車排放有關(guān)的各種數(shù)據(jù)都被電腦記錄下來，由于鑒別汽車是否存在排放控制問題需要維修，也可判斷該車是否為清潔車輛，而允許其免除下一次的定期尾氣檢測。對不同車型的汽車和重污染車達(dá)到快速有效的檢測。每小時可檢測5000輛。

由表中可見，國內(nèi)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)較之國外標(biāo)準(zhǔn)已明顯落后，據(jù)悉，有關(guān)部門正在修訂中，將會向國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)靠攏。綜上所述，隨著時間的推移，技術(shù)的發(fā)展，汽車廢氣檢測儀器的制造技術(shù)也在不斷發(fā)展，為有效控制汽車廢氣污染提供了越來越先進(jìn)、實用性更強(qiáng)的檢測儀器。了解和掌握相關(guān)的知識，將使有關(guān)人員在購置、使用這些儀器時更為清楚地了解有關(guān)特點，從而為更好地開展汽車廢氣污染治理工作打下良好基礎(chǔ)。這也是筆者編寫本文的主要目的。第二節(jié)汽車有害排放污染物及其生成機(jī)理

和對環(huán)境的危害★汽車污染物各排放源相對排放量一、汽車排放污染及其危害

★汽車排放污染物及其危害二、污染物的生成：1、CO的生成：（1）氧氣不足（2）混和不勻（3）分配不勻（4）高溫離解（5）壁面激冷（淬熄）（6）排氣系統(tǒng)HC的不完全氧化2、HC的生成：（1）壁面激冷（2）燃料完全不燃燒（3）燃料不完全燃燒3、NOX的生成：內(nèi)燃發(fā)動機(jī)排出的氮氧化物主要是NO，而NOX含量少。內(nèi)燃機(jī)燃燒室出現(xiàn)的NO，是在高溫有氧條件下的生成物，是氮和氧的反應(yīng)物，而不是來自燃料本身。NO排到大氣后遇氧能生成的NO2及其它氮氧化物。

加強(qiáng)汽車尾氣治理迫在眉睫，這既是環(huán)境保護(hù)的需要，也是汽車修理行業(yè)本身的需要。通過汽車尾氣排放的檢測和治理可以了解發(fā)動機(jī)的燃燒狀況，分析產(chǎn)生尾氣超標(biāo)的原因，進(jìn)一步改善汽車運行狀態(tài)。第三節(jié)：汽車有害排放物的檢測

各國汽車排放中，對有害排放物的檢測，都規(guī)定使用一定的檢測運轉(zhuǎn)方法，一定的取樣方法和一定的排氣成分分析儀。1、排氣成分的檢測運轉(zhuǎn)方法（1）怠速法汽油汽車或其發(fā)動機(jī)處于怠速運轉(zhuǎn)工況，用以檢測其CO及HC的排放濃度，檢查其是否符合排放標(biāo)準(zhǔn)。（2）工況法檢測汽車在底盤測功機(jī)上按既定的程序以怠速、加速、等速、減速工況交替運轉(zhuǎn)，使用復(fù)雜、價昂的排氣分析儀通過程序控制系統(tǒng)自動檢測出CO、HC及NOX的排放值，一般用克/公里表示檢測值。用工況法檢測汽車有害排放物比較科學(xué)。（3）臺架工況法將重型汽車的發(fā)動機(jī)裝于發(fā)動機(jī)試驗臺架上，按一定的規(guī)范以若干個不同工況、循環(huán)運轉(zhuǎn)、檢測其有害排放物。（4）柴油車煙度檢測的試驗工況柴油車煙度分穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種。穩(wěn)態(tài)煙度測定適用于發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行，非穩(wěn)態(tài)煙度測定的工況有自由加速法與控制加速法。a.自由加速法

無負(fù)荷加速工況下時測定煙度。檢測方便，歐洲、日本廣泛采用。b.控制加速法

試驗循環(huán)由怠速、加速、額定轉(zhuǎn)速、過載和中面轉(zhuǎn)速等工況組成。

2、排氣取樣方法（1）直接取樣法（2）全量取樣法（3）比例取樣法（4）定容取樣法3、排氣分析儀（1）不分光紅外吸收型分析儀（2）氫火焰離子化型分析儀（3）化學(xué)發(fā)光型分析儀（4）激光光聲光譜儀4、煙度的測定方法與煙度計（1）波許（Bosch）煙度計

（2）哈特里奇（Hartridge）儀（3）重量式煙度計1、不分光紅外檢測儀的分類：二氣分析儀：（HC、CO）三氣分析儀：（HC、CO、NOX）第四節(jié)：汽車排氣檢測儀的基本知識和結(jié)構(gòu)原理

四氣分析儀：（HC、CO、O2、CO2）λ、轉(zhuǎn)速、油溫五氣分析儀：（HC、CO、O2、CO2、NOX）λ、轉(zhuǎn)速、油溫HC、CO、CO2采用不分紅外光原理檢測，O2、NOX采用電化學(xué)傳感器檢測，λ（過量空氣系數(shù)）是通過HC、CO、O2、CO2的值計算出來。2、測量汽油車排放的廢氣分析儀（1）單組分、雙光路、電容式檢測器的廢氣分析儀（2）多組份、單光路、半導(dǎo)體檢測器的廢氣分析儀

不分光紅外氣體分析儀利用每一種特定的被測氣體的紅外吸收光譜通過計算正比于氣體濃度的被吸收能量來測定樣品氣室的濃度。

I0I1

LI0：入射紅外光I：出射紅外光L：氣體層比度C：氣體濃度根據(jù)比耳定律:

ΔI=I0-I1=IO(1-e-KCL)

當(dāng)氣體層比度一定時，被測氣體吸收的能量ΔI與氣體濃度C成一一對應(yīng)關(guān)系。廢氣分析儀可分為三個部分：a.分析部件：又稱“機(jī)芯”、“光學(xué)平臺”。它的作用是把紅外光的能量轉(zhuǎn)變成電信號。它包括紅外光源、氣室、檢測器等。“機(jī)芯”的先進(jìn)性反映了儀器的精度，穩(wěn)定性和先進(jìn)性。b.數(shù)字處理及控制系統(tǒng)：它可以實現(xiàn)的功能有：零位自動調(diào)節(jié)、量程自動切換，線性化指示、溫度自動補償、壓力補償、數(shù)字化顯示、檢漏，簡單故障自診斷。計算機(jī)技術(shù)在儀器中的應(yīng)用是儀器制造業(yè)的一個飛躍。使儀器操作簡單、使用方便。濾紙式煙度計C.氣路系統(tǒng)基本包括：取樣探頭取樣管前置過濾器氣水分離器電磁閥氣泵測量氣室排氣管有些儀器還增加了其它一些裝置如：增加一組氣路，用于加快響應(yīng)時間，在氣路中有標(biāo)定儀器用的標(biāo)準(zhǔn)氣通道，有檢漏裝置及氣路阻塞時的報警裝置等等。濾紙式煙度計3、測量柴油車排煙的儀器（1）濾紙式煙度計濾紙式煙度計

R2-R1SF=╳10R2

式中

SF：煙度R1：污染濾紙的反射因數(shù)R2：潔白濾紙反射因素10：煙度計的滿量程測試濾紙采用標(biāo)準(zhǔn)過濾紙：濾紙白度為85±2.5%時，用Rb表示，單位為波許濾紙白度為92±3%時，用SF表示，單位為FSN濾紙式煙度計不透光度儀4、不透光度儀

不透光度儀是利用透光衰減率來測定排氣煙度。由于排氣是連續(xù)不斷通過測試管，所以不論是發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工況、非穩(wěn)定工況或過渡工況的煙度都可方便測出。既可測出排氣中的碳煙煙度，也可測定排氣中的水氣（白煙）和油霧（藍(lán)煙）。

第五節(jié)：汽車尾氣的凈化、治理和汽車檢查維護(hù)制度及排放控制1、排氣凈化措施（1）前處理凈化

對進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室的燃料與空氣作有益于凈化的預(yù)處理，主要有排氣再循環(huán)。燃料摻水，增壓中冷、減少或清除汽油中的含鉛量，采用能減少有害排放物的化學(xué)添加劑等。（2）機(jī)內(nèi)凈化

從有害排放物的生成機(jī)理出發(fā)，在燃燒室內(nèi)部對有害排放物的生成反應(yīng)予最大限度的限制，而對他們的消失反應(yīng)盡量提供有利條件，進(jìn)而從根本上達(dá)到減少排氣污染的目的。（3）后處理凈化

對已排出發(fā)動機(jī)燃燒室而尚未排到大氣中去的廢氣，在排氣系統(tǒng)中做進(jìn)一步凈化處理。2、汽車檢查維護(hù)制度和排放控制（1）I/M制度：通過對在用汽車的檢查，確定其排放污染嚴(yán)重的原因，然后有針對性地采取維修措施，使在用車最大限度的降低排放物。（2）I/M制度的主要內(nèi)容：A、I/M制度法規(guī)B、在用車污染物排放測試方法及標(biāo)準(zhǔn)C、I/M網(wǎng)絡(luò)建立D、質(zhì)量保證體系E、人員培訓(xùn)F、信息傳輸及反饋（3）我國現(xiàn)行的汽車檢查維護(hù)制度、排放控制和I/M制度的關(guān)系：A、在用車排放控制的主要途徑：限制在用車的使用；改進(jìn)燃料品質(zhì)；增加排氣凈化的附加裝置；汽車發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造；加強(qiáng)在用車的檢查維修。B、汽車檢查維護(hù)制度：定期檢測；強(qiáng)制維護(hù)；視情修理。C、我國現(xiàn)行的檢查維護(hù)制度與I/M制度在治理排污方面，無論是思維方向還是具體方法和操作程序極為相似。只是側(cè)重點不同。目前還沒有把控制汽車排放置于最關(guān)鍵、最突出的位置之上。D、完善汽車檢查維護(hù)制