同步檢測柴油機排放物氣體成分及不透光度的檢測系統

葉校波

摘 要：為滿足GB17691-2018、GB3847-2018等新標準中對柴油發動機排放物中氮氧化物等氣體組分分析的需求，本文提出了一種可以同步測量柴油發動機排放物氣體成分及不透光度的一種一體式檢測系統。

關鍵詞：尾氣分析；柴油機排放檢測；不透光度；對沖氣幕；氮氧化物

中圖分類號：U467.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0005-02

0 前言

近年來機動車保有量增加趨勢迅猛，車輛排放污染已成為城市空氣污染的主要來源之一，而且車輛比工礦企業離群眾生活圈子更近，對人民群眾的身體健康危害更大[1]。

我國在2018年發布了GB17691-2018、GB3847-2018等標準，對柴油發動機排放物的檢測在傳統的不透光度之外，尾氣成分的檢測也在要求之列。目前按新標準檢測柴油發動機排放物的方案多為不透光度計搭配增加尾氣前置處理裝置的氣體分析儀。為了將這一套系統集成，需要檢測儀器的采樣氣路系統有很好的封閉性，以隔絕系統外的空氣等污染物，同時在使用上也要保護檢測裝置的鏡頭等器件不容易受污染。但目前國內的不透光度檢測設備中，大部分是開放式結構的氣路系統。這類設備有的通過風扇等開放式抽取裝置將外界空氣引入氣路中作為氣幕，起到保持鏡頭清潔作用；有的因為沒有測量氣體成分的結構，故而對自身氣路系統的封閉性并無要求。

1 測量原理

本文中的不透光度測量原理是基于比爾-朗伯定律（Beer-Lambert）。定律表明，光線通過含顆粒污染物的煙氣的光透過率隨著煙氣的分子吸收率、顆粒物污染濃度及光通過煙氣的距離這三個值的增大呈指數下降[2]。其下降的程度用不透光度來衡量。

本文中的氣體組分分析裝置采用不分光紅外吸收法原理，除了可以測量排放物中的CO、CO2、HC之外，還可以測量NO、NO2成分。

2 檢測系統的設計及運作機理

檢測系統的設計組成如圖1所示。下面本文按順序來介紹該檢測系統各組件的運作機理。

2.1 不透光度檢測平臺

排放物通過采樣探頭被采樣泵吸入不透光度檢測平臺。詳見圖2，該平臺采用分流式設計，排放物進入平臺的檢測管道后分流向兩邊，從A及B口流出。在此過程中，不透光度檢測平臺的光源發出的光束穿過檢測管道，并由于檢測管道內氣態排放物的存在而發生折射、反射等現象而衰減。衰減后的光束被傳感器接收并轉換為電信號并傳輸出去計算排放物的不透光度。而該不透光度檢測平臺的檢測管道集成了恒溫加熱模塊及氣體壓力檢測模塊，可以讓檢測環境保持相對穩定，保證了數據的可重復性。

另外在檢測過程中為避免左透鏡、右透鏡受到污染。回流支路排放物在進入二次過濾器和節流器后，在節流器處再次分為兩路分別進入C口及D口作為回流氣流與從檢測管道分流來的待檢氣態排放物交匯對沖（見圖2），然后從A、B口排出。在此過程中，因C、D兩進氣口位于左透鏡、右透鏡之前，與A、B排氣口及檢測管道隔一段通道相對，故而C、D兩進氣口進入的回流氣流在流向A、B兩出氣口的過程中充塞了C-A、D-B段的通道，相當于一種光軸軸向的對沖氣幕。這樣回流氣流就能阻隔從檢測管道分流來的排放物對左透鏡、右透鏡的污染。而該回流氣流是經同一排放系統排出，回流速度可調整，流經距離短，且經過二次過濾，對待測氣態排放物檢測數據的影響經過實驗證明在誤差范圍內。而且經過對比試驗，該方式對光通道長度的影響相對比較穩定，可以通過調整檢測管道的長度或通過軟件換算解決。

2.2 過濾器及二次過濾器

排放物通過過濾器將排放物中的碳粒等固體顆粒物過濾掉，使之不影響下一步的氣體成分分析。同時又保護了后級的采樣泵及流量計等元件不被碳粉堵塞污染。而為了不污染待測氣體，二次過濾器對支路排放物要進行精度更高的過濾，而且不但要過濾顆粒物，還要過濾油霧。

2.3 氣體緩沖罐-采樣泵-氣體緩沖罐

為了避免待測的排放物被泵污染，系統中的采樣泵采用了隔膜型真空泵。由于是往復式運作，這種泵的壓力曲線存在一定的脈動，所以要使用多泵頭并聯接管。同時要在采樣泵前級添加氣體緩沖罐穩定不透光度檢測平臺的氣體壓力，在后級增加氣體緩沖罐為氣體成分分析裝置支路及回流支路提供穩壓作用[3]。前級氣體緩沖罐的容積由實驗確定。實驗具體按GB3847-2018中“C.3.8.2對于光吸收系數為1.7m-1的氣體，被測氣體和清掃空氣的壓力波動引起的光吸收系數的變化應不大于0.05m-1”的標準來測定壓力波動與緩沖罐容積的關系。為了成本考慮，后級氣體緩沖罐經試驗可以使用和前級氣體緩沖罐相同規格。

2.4 流量計及氣體成分分析裝置

流量計的作用是計量氣體成分分析裝置支路流過的氣體，為排放物檢測及節流器的調節提供參數。流量計安裝在后級正壓氣路，能避免前級負壓氣路因探頭安裝方式而導致的氣阻、氣壓環境改變而形成的計量誤差[4]。

氣體成分分析裝置進行氣體成分的分析，氣體成分分析完畢后，剩余氣體被排放到外界。

3 運行試驗及改進

3.1 運行試驗

該運行試驗的首要目的驗證該檢測系統的光學鏡頭對柴油發動機排放物污染的防護能力。故而使用了經自由加速試驗[5]后確定排放物不透光度峰值73%的重污染柴油車作為檢測對象。正對該柴油車管排氣管管口，用直管式無帽取樣探頭取樣進行測試。第一次試驗，調節節流器，使回流氣體流量占系統空載總流量的25%。

在重復進行了5組自由加速試驗后，該系統的不透光度檢測平臺的N值零位偏移18.2%。經用放大鏡對左透鏡、右透鏡進行觀察后，發現明顯的碳粒及水霧、油膜污染。經清洗鏡頭后，試驗繼續。全部試驗記錄見表1。

3.2 試驗結論及改進

試驗后經儀器檢測，回流氣流在經過較長的管道輸送后到達C、D入氣口時溫度已經下降至約60攝氏度，到達鏡片位置時產生了冷凝現象。而在將回流氣流流量比例調節至50%時，基本只觀察到水霧和少許油膜的污染，受碳粒的污染比較輕微。

為解決水霧的問題，經研究，我們在左、右透鏡后側貼上PTC加熱環，將透鏡表面加熱到60攝氏度，同時將氣路部分封閉在恒溫箱內。之后再進行測試，在進行5組自由加速試驗后N值偏移1.3%。在多次反復同樣實驗后，確定偏移值范圍在1%-1.5%之間。在這種情況下只需要及時調零和隔一段時間拭擦一次透鏡就可以持續使用，滿足實際應用要求。

最后我們使用了佛山市南華儀器股份有限公司的NHT-7不透光度計及NHA-509廢氣分析儀系列來驗證該系統不透光度及氣體組分檢測數據的準確性，均初步通過測試。

4 結語

該新型柴油機排放物檢測系統為近年新開發的產品，目前還處于樣機階段。還有諸如成本高、體積大、部分元器件不穩定等問題需要克服。但展望未來，柴油發動機排放物一體化檢測相對不透光度計搭配氣體分析儀的方案，具有軟硬件配套少、使用成本低的特點，在便利性和經濟性上有一定優勢，而且該系統尤其適合于發動機臺架試驗等場合，同時也能兼顧路面檢測。

參考文獻

[1] 呂田.壓燃式發動機顆粒物排放理化特性及其對大氣環境的影響[D].上海：上海交通大學，2013.

[2] 王文光，等.透射式煙度計的研究與探討[J].北京：工業計量，2003，13（3）：35-36.

[3] 王紹宇.壓空緩沖罐和真空緩沖罐容積的確定[J].上海：化工與醫藥工程，2015（1）：29-33.

[4] 曹玉鑫.四種類型氣體采樣器計量準確度分析[J].天津：環境與健康雜志，1993，10（2）：35-36.

[5] 生態環境部，國家市場監督管理總局.柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）：GB3847-2018發布稿[S/OL].北京：中國環境出版社，2018-09-27.