汽車尾氣檢測方法分析及設備研發

時鳳奎

(天津市交通科學技術研究所 天津300012)

汽車尾氣檢測方法分析及設備研發

時鳳奎

(天津市交通科學技術研究所 天津300012)

對比闡述了國內外汽車尾氣治理的情況，重點分析介紹了國內常用的 4類技術：無負荷測試方法、工況法、道路遙感監測方法以及車載檢測技術，分析了每種方法的特點及應用現狀，并對一款實用性較強的便攜式尾氣檢測儀進行了開發及應用舉例。該儀器不僅可以提高“簡易工況法”測量的準確度，實現環保部門對環境監測要求，還能有效減少環境污染。

汽車尾氣 檢測方法 便攜式尾氣檢測儀

隨著國民經濟的不斷發展，機動車保有量不斷增加，機動車尾氣排放量劇增，成為城市主要的大氣污染源，嚴重威脅著人類健康。世界各國的學術和醫學界開始深入關注機動車尾氣的治理問題，而機動車尾氣檢測是尾氣污染治理的基礎。常用的尾氣檢測方法和檢測設備與車輛發展水平、國家最新標準要求的矛盾也日趨凸顯。

1 國內外尾氣防治的發展現狀

多年來，世界各國進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，對不同污染程度等級的汽車進行分類稅收。美國政府從生產環節這一源頭就采取了一系列的控制措施，出臺了一系列法律法規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，大力發展交通系統軟、硬件設施，推廣公共交通使用頻率，提高汽車的上路條件及標準。

隨著我國經濟的不斷發展，公眾的尾氣防治意識和水平也在不斷提升。1984年，我國正式出臺并實施了第一個關于排放問題的國家標準。截至 1992年，我國對于空氣污染的治理已經有了顯著進步，并積累了一定的經驗，初步建成較為完善的空氣治理體系。2000年，根據國情，結合美、日、歐盟等國家地區的標準體系經驗，我國先后制定出第一階段和第二階段的排放標準，并于 2005年 5月 30日頒布了第三、四、五階段標準，于2008年10月1日正式實施。隨著機動車保有量的飆升，以及人們對尾氣排放治理的決心，各階段排放標準的實施日期不斷提前，北京、廣州、上海等大城市近年來相繼實施了第五階段排放標準，天津市環保局也確定了第五階段機動車排放要求及實施規定，并于2015年 9月 1日起正式實施，成為繼北京、廣州、上海等城市后進入國五時代的國內城市。

2 常見尾氣檢測方法

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

2.1 無負荷測試方法

2.1.1 怠速法

對怠速工況下的在用車進行尾氣排放檢測。怠速法可以用來檢測一氧化碳(CO)和碳氫化合物(HC)等主要污染物，其檢測結果通過污染物的體積濃度表示。優點為：方法簡便、快捷、設備費用低。缺點為：只測得汽車道路行駛中怠速狀況時的 CO和HC排放情況。

2.1.2 雙怠速法

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

2.2 工況法

常用的工況法檢測技術包括：穩態加速模擬工況、瞬態加載工況和簡易瞬態工況法。工況法尾氣檢測是利用底盤測功機模擬機動車各種道路(負荷)行駛狀態，同時檢測CO、CH、NOx等尾氣排放物。

2.2.1 ASM(AccelerationSimulationMode，簡稱ASM)穩態工況法

這是最為簡單快速的有負荷測試方法。它包括ASM5025和ASM2540兩個典型的等速有負荷運行工況。

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循環中的最大加速度)時的輸出功率的 50%,。標準規定加載功率 P5025＝車輛的基準質量/148，以試驗車輛的基準質量加載，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時的輸出功率的 25%,。按照相關規定的要求，加載功率P2540＝車輛的基準質量/185，同樣以車輛的基準質量加載。作為一種加載負荷的檢測方法，ASM 不僅能夠對汽車尾氣進行測量，同時能夠有效識別車輛氣體排放中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，只對兩個車速下的工況進行測試，測試結果必然會與實際行駛時的排放情況存在較大差異，且不能準確判別加減速過程中排放狀況的優劣。

2.2.2 瞬態工況法

包括 IM240瞬態工況和 IM195瞬態工況。①IM240檢測主要是采用美國聯邦新車認定用測試規程 FPT曲線前 0～333,s的兩個峰，經過修改縮短為240,s，底盤測功機可以根據車輛實際需要進行變負荷、變車速運行。②IM195瞬態工況循環測試時間為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。

瞬態工況IM195和IM240除了試驗循環不同，均采用相同的氣體分析原理及廢氣采樣系統，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行模擬。

2.2.3 簡易瞬態工況法(VMAS)

簡易瞬態工況法與瞬態工況法采用相同的底盤測功機進行檢測，試驗循環完全相同，兩者不同的是采樣系統和氣體分析儀的原理不同。這種檢測方式融合了IM240瞬態工況、測量稀釋排氣量的優點，同時融合了 ASM檢測技術的長處，通過一個“氣體流量分析儀”裝置檢測汽車的排氣量，經處理和計算，進一步得出每種污染物每公里的排放量。這種檢測技術可以真實有效地反映車輛的實際行駛狀況及排放特征，也比較適用于新車的檢測，但價格要高于ASM檢測方法。

2.3 道路遙感監測方法

道路遙感監測設備主要包括尾氣排放分析系統、行駛狀況檢測系統、數據處理與顯示系統、車牌信息記錄系統，將這些系統有效結合便可進行汽車排放情況檢測。優點為：檢測便捷高效、自動化程度高、測試費用低、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境的干擾。但是，由于各種車輛實際工況的差異，遙感監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，所以該技術發展仍處在初級理論研究階段。

2.4 車載尾氣檢測技術

車載尾氣檢測技術是通過直采的方式對汽車進行尾氣排放的檢測，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時檢測到整車氣體排放的濃度、質量、流量、排量情況，從而獲得準確的氣體污染物以及微粒排放量的相關數值。該種檢測方法之所以能夠真實反映被測車輛的實際排放水平，是因為在檢測過程中通過對瞬時排放數據、環境參數、GPS數據等進行進一步的處理后完成的測量。優點為：設備重量輕，易于連接安放，能夠實時測量車輛的排放，測試結果精確、可靠，測試便捷，成本較低，技術優越性明顯，應用市場前景廣闊。

3 便攜式尾氣檢測儀研發與應用舉例

筆者所在單位與天津圣威科技共同研究開發的便攜式尾氣檢測儀，首先對國內外的汽車尾氣動態分析儀進行分析消化，吸收其特點，并在原有SV-5Q分析儀的基礎上進行改進，針對 ASM 簡易工況法的要求，實現了動態尾氣檢測分析，突出特點在于可在汽車變工況狀態下實時檢測包括氮氧化合物在內的5種尾氣成分。

3.1 測量原理

該儀器在系統研發中，從排氣分析儀實際使用需求和價格定位出發，采用非擴散紅外線分析法(NDIR)法測量 CO、CO2、HC；采用電化學方法測量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，測量原理基礎是某種氣體吸收的紅外線波長為特定的范圍，即大多數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。依據紅外線吸收圖譜中紅外線強度推斷出CO、 CO2、HC的濃度。如CO能吸收紅外線最強的波長為4.7 ,μm，CO2吸收紅外線最強的波長為 4.2,μm，HC吸收紅外線最強的波長為 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

本系統采用的紅外分析儀具有較短的預熱時間，且響應時間較快、測量精度高，同時具有較高的性價比。

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器的工作狀況，采取有效措施調節空燃比，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原理，排氣中含氧量的濃度測定通過在測試信道中設置氧傳感器即可。測定過程如圖2所示：

圖2 NO測定過程圖Fig.2 NO measuring process

3.2 主要性能指標及功能圖

通過該項目開發研制出可動態檢測汽車尾氣的檢測儀并可準確檢測尾氣的各項指標，具體性能指標包括：

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，并利用數據采集分析自動生成對比分析報告。功能示意圖如圖3所示。

4 結 語

該儀器可應用于汽車維修市場和各級交通、公安檢測站、各級環保尾氣治理點，具有非常巨大的市場潛力。不僅可以提高“簡易工況法”測量的準確度，彌補“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”的檢測要求以及現行GB,18285在用車排氣污染物限值使用要求，實現環保部門對環境監測管理要求，有效減少環境污染。

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

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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

科技支撐計劃，動態汽車尾氣檢測儀的研制(13ZCZDTG02300)。

2015-12-15