汽油車氨排放檢測方法的對比與分析

摘要：機動車產生的氨排放是大氣中氨的主要來源之一，而氨氣是生成大氣二次顆粒污染物的主要前體物。在城市地區占有較高保有量的汽油車，其氨排放主要源于三元催化器內發生的氧化還原反應。因此，對汽油車產生的氨排放進行高靈敏度在線檢測，把握其排放規律，對研究全球氮循環及環境保護具有非常重要的意義。對目前汽油車氨排放檢測方法進行梳理，系統介紹傅里葉紅外光譜（FTIR）技術和量子級聯激光器（QCL）技術的原理和特點，并通過全球統一輕型車輛測試循環（WLTC）排放試驗對比分析二者的實際檢測效果，以期為下一步全面開展氨排放檢測工作提供技術支持。

關鍵詞：汽油車；氨排放；檢測技術；傅里葉紅外光譜；量子級聯激光器

0 前言

道路交通運載工具主要是柴油車和汽油車，其中汽油車的氨排放是由于三元催化器內發生了氧化還原反應。在三元催化器的催化劑作用下，CO與催化劑表面的端位或橋式羥基發生反應生成H2，或者與水發生水煤氣反應生成氫氣，所產生的H2還原NO生成NH3，或者與氮氧化物（NOx）反應生成氨。

因此，對汽油車產生的氨排放進行高靈敏度在線檢測，并掌握其排放規律，對研究全球氮循環及環境保護具有非常重要的意義。目前，在汽油車領域，國內外均未對氨排放提出要求，但歐盟已在將要實施的歐七排放標準中增加了對氨排放的要求，我國也已在下一階段排放標準預研中啟動了對氨排放的相關檢測研究。本文探討汽油車氨排放檢測技術，通過對不同檢測技術的原理、特點及應用效果進行詳細分析與對比，以期為準確測量汽油車氨排放量提供參考。

1 汽油車氨排放檢測技術

目前，常用的汽油車氨排放檢測采用光學檢測技術，它可以在整個測量過程中實現高溫控制，確保整個測量過程中沒有冷凝水，減少樣氣的損失。同時，高溫環境還能夠抑制銨鹽的產生，提高檢測精度[2]。

光學檢測技術具有高分辨率、高靈敏度、強抗干擾能力等獨特優勢，已經被廣泛應用于氣體遙感探測、工業環境監測及污染防治等領域。目前，常用的光學檢測技術主要有腔增強吸收光譜（CEAS）技術、腔衰蕩光譜（CRDS）技術、光聲光譜（PAS）技術、差分光學吸收光譜（DOAS）技術、可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術、傅里葉紅外光譜（FTIR）技術和量子級聯激光器（QCL）技術[3]。現今各排放實驗室所使用的氨分析儀大部分采用FTIR技術或QCL技術，本文對這兩種技術進行分析，探討兩者的差異性。

1. 1 FTIR技術

FTIR技術利用分光束的干涉原理，將邁克爾遜干涉儀、調制技術與計算機技術相結合，通過傅里葉變換方法，實現由干涉圖到光譜的還原[4]，實現對氨的測量分析。

圖1為FTIR氣體分析儀的光學結構示意圖。從光源發出的紅外光被干涉儀轉換成參考光束，光束穿過有樣氣流動的樣氣單元，最后通過紅外檢測器檢測干涉圖。對干涉圖進行傅里葉變換分析獲得通過樣氣單元的紅外光線的投射功率譜。根據樣氣功率譜和參考功率譜獲得樣氣的吸收光譜，其中參考功率譜一般在試驗測量前使用參考氣體（如氮氣）獲得[5]。

在中紅外區域，很多物質都具有吸收性，這使得樣氣功率譜通常包含多個互相重疊的吸收峰。通過對樣氣功率譜的多變量分析，可根據圖譜得到多種物質的濃度。通過反復采集樣氣功率譜和目標組分濃度，就可以實現連續測量[5]。

鑒于汽油車尾氣中含有一定濃度的水蒸氣，而FTIR能夠直接測量得到H2O的濃度，所以在一般情況下，汽油車尾氣可以不經過除濕而直接進入分析單元。因此，對于易溶解于水的氨，可不考慮除濕過程產生的損失[5]。

1. 2 QCL技術

QCL測量氨主要基于紅外光譜吸收原理和朗伯比爾定律來實現。光譜按照不同的能量傳遞方式可分為拉曼光譜、發射光譜和吸收光譜3種類型。其中，吸收光譜是指吸收光子能量后不發生輻射，而是將能量轉換成其他形式的原子或分子所形成的光譜。分子吸收光譜主要由分子轉動、原子振動、電子運動3種運動形式產生[6]。

在實際氣體檢測中所使用的紅外吸收光譜，特指分子的振動-旋轉光譜。當氣體分子吸收紅外輻射時，其分子能量的變化與振動頻率有關，而分子的振動頻率又與分子特性直接相關，因此可以通過能量的變化來表征某一特定分子[6]。

當用一束紅外光照射氣體分子時，由于光束會被分子吸收和散射，光強會在一定程度上發生衰減。在紅外光源的照射下，基態分子的振動模式會發生一定程度的改變。當紅外光輻射的頻率與分子振動的頻率相同時，分子就會躍遷到一個較高的能級，此即發生紅外光譜吸收。由于氣體不斷吸收光子，紅外輻射光的強度會逐漸減弱。光強衰減量與氣體分子量呈正比關系，即氣體濃度越大，紅外光譜吸收現象越明顯，光強的衰減越大。

因此，在紅外氣體檢測系統中，光源的選擇非常重要，特別是對痕量氣體氨的檢測而言，在很大程度上決定了檢測系統的下限和精度。QCL具有光功率密度高、發射線寬窄、準直性高、單色性好等特點。因此，選擇QCL作為紅外氣體檢測系統的光源，可以大大提高紅外氣體檢測系統的精度，降低其光譜檢測下限[6]。

圖2為QCL的原理示意圖。QCL發射的中紅外激光光束進入氣體單元，將待測量的樣氣引入氣體單元，在氣體單元中，近紅外光束在專門設計的光學通道中被吸收。檢測器測量得到吸收后的光束強度，根據發射和被吸收光強度的變化，利用朗伯比爾定律，計算得到待測氣體的濃度[5]。

2 FTIR與QCL對于氨的檢測效果

FTIR光譜范圍廣，可以測量多種氣體成分的質量濃度，其檢測的目標成分包括NH3、CO、NO、HCHO、HCOOH、CH4、C2H4、C2H6和C3H6等。QCL憑借其光源特性，對所測量氣體具有高靈敏度和低干擾的明顯優勢[5]，它能檢測的目標成分主要包括NH3、NO、NO2和N2O。

本文選用FTIR和QCL兩種不同測量原理的氨分析儀，對3臺輕型汽油車在全球統一輕型車輛測試循環（WLTC）工況下的氨排放濃度進行檢測，評估當下氨分析儀設備的精確度、靈敏度及響應時間情況，以期為進一步制定合理有效的排放控制方法和政策提供理論基礎。試驗設備及試驗車輛基本參數見表1和表2。在進行WLTC工況排放試驗前，對3臺氨分析儀均進行了零點及量距點的標定，保證其穩定性及準確性，采用經過計量院檢定校準的AVL公司的氨分析儀（設備A）為基準設備，其測試結果作為參照方，其余2臺設備的測試結果作為比對方。

3臺樣車的WLTC工況排放試驗結果見表3。3臺樣車在整個WLTC工況中的氨排放逐秒體積分數如圖3～圖5所示。由表3可以看出：在WLTC排放測試中，QCL技術相對于FTIR技術的檢測結果更加精確，更接近基準設備的檢測結果。2種針對汽油車氨排放的檢測技術，在精確度上均存在一定誤差，QCL技術的相對誤差在5%以內，但FTIR技術的相對誤差最大可達到12%，所以采用QCL技術檢測氨排放的精確度更高。

在對3輛樣車氨排放峰值結果進行分析的基礎上，進一步驗證2種檢測技術對于3輛樣車在低速段氨排放檢測的靈敏度及響應時間情況，結果如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可以看出：當車輛冷啟動時，氨排放在200 s內達到峰值。此時對于氨排放的測量，設備C的靈敏度及響應時間與基準設備更加接近，設備C明顯比設備B的靈敏度更高，響應時間更快。結合FTIR技術及QCL技術各自的特點，可以發現在單獨測量氨濃度方面，相對于基于FTIR技術的設備B，基于QCL技術的設備C在精度、靈敏度及響應時間上更有優勢。但考慮到在實際測量試驗及經濟效益性，各排放試驗室不會僅單獨測量氨排放，需要更全面地測量汽車尾氣的各污染物濃度。這也是現階段FTIR技術的應用率比QCL技術更高的原因之一。但隨著排放標準對于排放限值及測量方法的完善，QCL技術具備的高精度、低干擾的特點將促進其得到更大規模的應用。

3 結語

本文對目前汽油車行業氨排放檢測技術進行梳理，較為系統地介紹FTIR技術和QCL技術的原理和特點，以及實際的應用效果。FTIR技術主要根據光的干涉原理和傅里葉變換公式實現對氨濃度的測量，而QCL技術則依據紅外光譜吸收原理及朗伯比爾定律進行氨濃度測量。在汽油車的氨排放測量上，2種技術在精確度、靈敏度及響應時間上均存在一定的偏差，但相對來說，QCL技術在精確度、靈敏度及響應時間上更占優勢。

對于具有成熟市場化儀器設備的FTIR技術和QCL技術，建議盡快推動技術標準化，規范現場檢測行為，實現對氨的準確測量。這可為下一步在我國開展全面系統的氨排放檢測工作提供技術支持。

參考文獻

[1] 羅佳鑫，崔健超，譚建偉，等.基于WLTC和NEDC循環的輕型車氨排放特性研究[J].汽車工程，2019， 41（5）：493-498.

[2] 劉通浩，敬紅，王軍霞，等.固定污染源氨排放與監測技術現狀及展望[C]//2020中國環境科學學會科學技術年會論文集（第三卷）.北京： 中國環境科學學會，2020.

[3] 張玉容.基于4.5 μm量子級聯激光器的開放光路N2O氣體檢測系統研究[D].濟南：山東師范大學，2023.

[4] 徐亮.大氣痕量氣體的主動FTIR光譜分析方法及應用研究[D].合肥：中國科學院合肥物質科學研究院，2007.

[5] 葛蘊珊，尹航，王欣.汽車污染物和碳排放控制[M].北京：人民交通出版社，2023.

[6] 苗春壯.基于量子級聯激光器紅外CO檢測系統的關鍵問題研究[D].長春：吉林大學， 2017.