柴油車尾氣排放中氮氧化物的檢測研究

山東省機動車排氣污染監控中心 王興武，康志強

浙江浙大鳴泉科技有限公司 吳 勇，康 野

柴油車尾氣排放中氮氧化物的檢測研究

山東省機動車排氣污染監控中心 王興武，康志強

浙江浙大鳴泉科技有限公司 吳 勇，康 野

據公安部交管局統計，截至2017年3月底，全國機動車保有量首次突破3億輛，其中汽車達2億輛，機動車駕駛人超3.64億人，其中汽車駕駛人3.2億人。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1 400萬輛機動車，與此同時汽車排放的污染物總量也不斷攀升。當前，我國機動車污染防治形勢十分嚴峻。一是機動車排放總量居高不下。目前，我國機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。據預測，未來5年我國機動車將新增1億輛以上，新增污染物排放1 600萬t。三是機動車污染危害凸顯。機動車已成為我國大中城市的重要污染源。根據第1批大氣PM2.5源解析結果顯示，北京、上海等大城市及東部人口密集區，機動車對PM2.5濃度的貢獻率達15.0%～52.1%。此外，2012年世界衛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，加強機動車尾氣污染防治工作，尤其是強化機動車尾氣排放監管工作，是防治大中城市以PM2.5和臭氧為特征的復合型污染的重要手段。

隨著“十二五”規劃約束性指標——2015年氮氧化物排放總量要比2010年削減10%的提出，機動車氮氧化物排放被列入“十二五”總量控制指標，成為電力、工業、機動車和生活等4項約束性指標之一。目前國內外針對在用車氮氧化物排放檢測對象僅規定了汽油車，占機動車氮氧化物排放總量比例過半的柴油車僅在新車生產環節檢測氮氧化物排放。道路上行駛的柴油車氮氧排放處于監管缺失的狀態，一些尾氣污染嚴重的車輛極大地惡化了環境，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、儀器結構和儀器原理中幾個關鍵點出發，對檢測儀器進行描述。

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、氣體預處理系統、氣體分析與操作顯示系統組成，并根據用戶的需要，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、高使用壽命和專業化設計的特點。

1.1 柴油車氮氧化物檢測儀器的氣路原理

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

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，由采樣系統采集尾氣樣氣傳輸至氣體預處理系統，氣體預處理系統會將尾氣中直徑5 μm以上的顆粒物有效濾除，并將尾氣中的二氧化氮氣體轉換成一氧化氮氣體送入氣體分析系統，分析系統通過光學分析得到一氧化氮氣體的濃度。這個濃度包含了原始尾氣中一氧化氮氣體濃度和二氧化氮氣體濃度，反映了氮氧化物總量。

1.2 柴油車氮氧化物檢測儀器的電氣連接原理

儀器內部系統間主要實現傳感器、氣動元件、通信元件之間的協調互動，儀器對外與工控機實現數據傳輸和動作指令傳輸。儀器配合工控機或自身操作系統完成整個測量過程的動作控制和數據傳遞。

1.3 柴油車氮氧化物檢測儀器的結構

柴油車氮氧化物檢測儀器的結構如圖3所示，氣體預處理系統和氣體分析系統均依照標準機柜內部尺寸設計成箱體結構，在現場使用過程將2個箱體中放入專用機柜中形成一套整體。機柜依照標準機柜尺寸設計，內置電源接口和布線工藝槽。機柜底部有輪，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，儀器通過主機模塊和預處理模塊共同完成氣體樣品的前處理和NOx的總量測定，同時完成內外數據傳輸。

2 關鍵技術研究

2.1 顆粒物過濾

柴油車尾氣中通常含有大量顆粒物，這些顆粒物若不經處理會嚴重損壞儀器內部的氣動元件和光學元件，造成儀器癱瘓。根據多年的前期試驗數據，專門設計了用于過濾柴油車尾氣顆粒物的濾芯和過濾器結構，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。濾芯采用進口纖維真空燒結而成，配合過濾器獨有的原理結構最大程度發揮濾芯的過濾效果和承載量，確保有效過濾的同時保證濾芯的使用壽命滿足至少500輛次連續檢測。

2.2 氮氧轉換器

柴油發動機缸內燃燒時處于高溫、高壓、富氧狀態，容易產生氮氧化物。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。采用的光學分析方法，需要將二氧化氮轉換成一氧化氮再進行濃度檢測。整個轉換過程是一個化學還原反應，需要適當的還原劑和反應溫度。在結構設計上需要兼顧轉換器內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加熱系統使得熱量有效集中在化學還原反應中，提高轉換效率的同時保證了系統的可靠性。

圖3 柴油車氮氧化物檢測儀器的結構

圖4 柴油車氮氧化物檢測儀器的模塊構成

3 實驗數據與現場使用

在汽車實驗室中與AVL AMA 4000進行比對實驗，得到了一致性很高的測試數據。截至2016年底，本研究設計的柴油車氮氧檢測儀器分別在北京、上海、浙江等地連續進行了多年的現場測試，積累了大量經驗。

4 結論

本研究設計的柴油車氮氧檢測儀器專業可靠，針對柴油車尾氣特點進行了專業化設計，結構合理、使用方便，與國際知名品牌儀器的測量性能相仿。經過多地長期現場使用，儀器安全可靠，實現了對在用柴油車尾氣中氮氧化物總量的檢測。

2017-06-24）