汽車排放分析系統中NOX轉換效率的計算分析

襄陽 劉茹 李昕 葉仁根 張斌 張富泰

摘要：本文介紹了汽車排放氣體分析系統中氮氧化物分析儀的工作原理，并對汽車排放氣體分析系統中氮氧化物的轉換效率如何計算進行了詳細分析；上述內容對汽車尾氣排放試驗人員有一定參考價值。

關鍵詞：汽車排放分析系統；氮氧化物的轉換效率；計算分析

前言

氮氧化物NOX是汽車尾氣排放的主要污染物之一，所帶來的環境效應多種多樣，它是酸雨的成因之一，可導致地表水的酸化，大氣能見度降低，增加水體中有害于魚類和其他水生生物的毒素含量等。因此檢測分析汽車尾氣中氮氧化物的含量對環境污染控制具有重要意義。氮氧化物NOX包括NO2和NO，由于NOX分析儀不能直接檢測出NO2的含量，需將NO2轉換為NO才能進行檢測，該轉換過程由NOX轉換器完成（NOX的轉換效率指的是將NO2轉換為NO的轉換效率）。NOX的轉換效率直接影響NOX的測量結果，因此為確保NOX分析儀檢測數據的準確可靠，應定期檢查轉換效率是否符合要求。

1.NOX分析儀

1.1 化學發光法的原理

基態下的NO2不具有發光性，不能被化學發光法檢測出來，但化學發光法可以檢測出NO，因此須將NO2通過轉換器轉換為NO。

化學發光法的原理如下：

NO和O3發生化學反應產生激發態的NO2，大約有10%的NO2處于激發狀態。當激發態的NO2*返回到基態NO2時，將產生波長為600—2400nm，中心波長為900nm的近紅外熒光，其中一份光子的能量為hv。在一定的壓力和溫度條件下，熒光強度（或光子能量）只與反應前的NO的濃度成正比。利用光電倍增管吸收光子產生光電流，光電流強度與NO的濃度成線性，可通過光電強度測得NO的濃度。

1.2 NOX轉換器原理

NOX轉換器效率裝置簡圖如圖1所示，NO和O2進入氣路系統，將流量電磁閥控制開關置于閉合狀態，自耦變壓器產生高壓使臭氧發生器工作，產生化學反應：生成的O3與NO再進入分析儀進行分析。NOX轉換器效率裝置本質上是提供了一個外置的臭氧發生器。

圖1 NOX轉換器效率裝置簡圖[1]

氮氧化物(NOX)轉換是將NO2轉換為NO，其原理[5]是在轉換器外部通過加熱器加熱，使轉換器內部溫度達到氣體與轉換器內轉換介質催化物質工作條件，樣氣從轉換器一端進入，在轉換器內通過吸附作用將NO2轉換為成分穩定的NO，催化劑不參與化學反應。

（4）

1.3 NOX分析儀原理

將樣氣和用于臭氧發生器產生臭氧的外界空氣同時送入氣路系統，發生光化學反應。反應中產生的熒光強度由光電倍增管探測，將NOX分析儀置于NO測量模式，使未經過NOX轉換器的樣氣直接進入分析儀，測得NO的濃度[4]。

NOX分析儀置于NOX測量模式，樣氣（樣氣中的NOX包括NO和NO2）進入NOX轉換器，其中NO2被轉換成NO，再和樣氣中原有的NO一起與臭氧反應，這時光電倍增管探測到的應當是NOX的濃度。

由NOX的濃度減去NO的濃度就可得到NO2的濃度。

2.NOX轉換效率的計算分析

2.1 NOX轉換效率檢查各步驟的濃度分析及計算公式推導

在進行氮氧化物(NOX)轉換效率檢查時，標準氣體由定容取樣系統采集取樣，經稀釋空氣進行稀釋，再進入NOX分析儀進行分析。

NOX轉換效率檢查步驟的4種工作模式如表1。

表1 NOX轉換效率檢查步驟

Step NO O3-gen

O2 flow MODE

1 a OFF ON NO

2 b ON ON NO

3 c ON ON NOX

4 d OFF ON NOX

設標準氣體中NO的含量為x，NO2的含量為y，注入稀釋空氣的量為s。

工作模式1：NOX分析儀在NO測量模式，臭氧發生器不發生作用，NOX轉換器不工作。標準氣體中NO的濃度為：

工作模式2：NOX分析儀在NO測量模式，臭氧發生器發生作用產生臭氧并與 NO發生化學反應： ，NOX轉換器不工作。設與臭氧發生化學反應的NO的量為n，則剩余氣體中NO的濃度為：

工作模式3：NOX分析儀在NOX測量模式，臭氧發生器發生作用產生臭氧并與 NO發生化學反應，NOX轉換器工作。標準氣體經過轉換器，設轉換效率為 ，則此時標準氣體中NO的濃度為：

工作模式4：NOX分析儀在NOX測量模式，臭氧發生器不發生作用，NOX轉換器工作。此時標準氣體中NO的濃度為：

由此可以導出： ，

上面兩式可解得：

2.2 NOX轉換效率檢查實例

應用日本HORIBA公司的GDC-703對NOX轉換器進行轉換效率檢查，該分析儀的量程為50ppm，將濃度為43.80ppm的NOx標準氣體經由稀釋通道通入分析儀，其試驗數據如表2，試驗結果如表3。

表2 NOX轉換效率試驗數據

Target Conc.

NO 43.2977

a >=38.96 40. 3681

b 6.4947 7.7309

c 40.6890

d 41.1212

NOX <=45.46 44.0390

表3 NOX轉換效率檢查結果

% Status

Eff 98.68 Pass

NO2 in NO 1.71 Pass

根據公式計算轉換效率：

（13）

與NOX分析儀的檢查結果一致。標準氣體中NO2占NO的比例為1.71%，NOX轉換效率為98.68%，滿足排放法規要求。

3.結論

通過設定未知數，可在分析儀4種工作模式下列出4個方程，經簡化計算可求得NOX轉換器轉換效率的計算公式，驗證了轉換效率公式的正確性。

隨著低排放和超低排放車輛的出現，稀釋空氣中的NOX對分析儀的分析結果有較大影響，為了使NOX分析儀的檢測數據更準確，可應用稀釋空氣精致系統。稀釋空氣精致系統可將稀釋空氣中的NOX用NOX吸收裝置吸收，從而大大降低了稀釋空氣中的NOX對分析儀的影響，使分析儀檢測結果更準確可靠。

4.參考文獻：

[1] 國家標準化工作委員會. GB18352.3-2005 中國標準書號[S]. 北京: 中國標準出版社, 2005

[2] 牟建勇. 空氣凈化裝置DAR在輕型車排放測量中的應用[J]. 車輛與動力技術, 2012(2): 48-50

[3] P.J.,Bishop,G.A.,and Stedmon,D.H. A method for commercial aircraft NOX emission measurements. [G]. Environmental Science and Technology, 2008:1542-1544.