第7章 排放污染物的测试技术

1、太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 1 7.4 烟度测量与分析烟度测量与分析 7.3 颗粒物测量与成分分析颗粒物测量与成分分析 7.2 排气成分分析仪排气成分分析仪 7.1 汽车排放污染物的取样系统汽车排放污染物的取样系统 第第7章章 排放污染物的测试技术排放污染物的测试技术 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 2 正确的测试汽车排放污染物是研究汽车有正确的测试汽车排放污染物是研究汽车有 害排放物的形成及控制技术的重要前提，随着害排放物的形成及控制技术的重要前提，随着

2、 各国汽车排放标准的日趋严格，其排放测试技各国汽车排放标准的日趋严格，其排放测试技 术也在不断地完善。对排放污染物测试的基本术也在不断地完善。对排放污染物测试的基本 要求有：要求有： 1）对所测的成分有较高的选择性，也就是说，）对所测的成分有较高的选择性，也就是说， 测量值受排气中其它成分的干扰小；测量值受排气中其它成分的干扰小； 2）对所测量的成分浓度有相当的灵敏度；）对所测量的成分浓度有相当的灵敏度； 3）较高的可靠性和容易使用。）较高的可靠性和容易使用。 一个完整的排气成分测试应该包括取样、一个完整的排气成分测试应该包括取样、 分析和结果整理三部分。分析和结果整理三部分。 太原理工大学机

3、械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 3 7.1 汽车排放污染物的取样系统汽车排放污染物的取样系统 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 4 取样系统概述取样系统概述 取样是汽车排放测试的第一环，在不同条件下，取样是汽车排放测试的第一环，在不同条件下， 需要不同的取样技术。需要不同的取样技术。 取样系统的取样系统的功能在于使样气经过预处理，以便按功能在于使样气经过预处理，以便按 一定要求送入分析系统一定要求送入分析系统 取样的正确与否对测量结果的正确性关系极大。取样的正确与否对测量结果

4、的正确性关系极大。 对取样系统的基本要求有：对取样系统的基本要求有： 1）样气在进入测试仪器前，其所测成分必须能）样气在进入测试仪器前，其所测成分必须能 定量地再现排气中该成分的浓度；定量地再现排气中该成分的浓度； 2）在较长的时间内，不受其它因素干扰。）在较长的时间内，不受其它因素干扰。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 5 取样过程中的主要干扰因素有：取样过程中的主要干扰因素有： 1）可冷凝成分可冷凝成分：在大多数的测试过程中，被测气：在大多数的测试过程中，被测气 体的冷却，总是伴随冷凝现象。在测试仪器里，冷凝体的冷却，总是

5、伴随冷凝现象。在测试仪器里，冷凝 液会造成测量误差；液会造成测量误差； 2）吸附和化学反应吸附和化学反应：被测成分在输送过程中的吸：被测成分在输送过程中的吸 附和化学反应会造成该成分量的变化，对浓度很低的附和化学反应会造成该成分量的变化，对浓度很低的 成分的测量影响很大。有些材料对一定的化学反应有成分的测量影响很大。有些材料对一定的化学反应有 催化作用，特别是在温度较高的区域，如加热的输送催化作用，特别是在温度较高的区域，如加热的输送 管道，会造成某些成分的测量误差。管道，会造成某些成分的测量误差。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试

6、技术 6 不同的取样方法，就有不同的取样系统。不同的取样方法，就有不同的取样系统。 按取样方法分，目前常采用的取样系统有：按取样方法分，目前常采用的取样系统有： 直接取样系统直接取样系统 定容取样系统定容取样系统 稀释取样系统稀释取样系统 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 7 直接取样系统直接取样系统 在发动机台架上进行排放测试，对气态成分一在发动机台架上进行排放测试，对气态成分一 般采用直接采样分析的方法。般采用直接采样分析的方法。 直接取样法直接取样法是将取样探头插入发动机的排气管是将取样探头插入发动机的排气管 中，用取样泵

7、连续抽取一定量气体不经稀释直接中，用取样泵连续抽取一定量气体不经稀释直接 送入分析系统进行分析。送入分析系统进行分析。 由于直接取样法设备简单，操作方便，被广泛由于直接取样法设备简单，操作方便，被广泛 用于许多国家和地区的各种用途发动机的排放测用于许多国家和地区的各种用途发动机的排放测 量中。量中。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 8 直接取样系统 未经稀释的采样气未经稀释的采样气 直接从排气管抽取，污直接从排气管抽取，污 染物浓度较高，具有较染物浓度较高，具有较 高的测量精度。高的测量精度。 采样泵采样泵P P把样气从把样气

8、从 HSL1HSL1（保温（保温453453473K473K） 送到送到氢火焰离子检测器氢火焰离子检测器 HFIDHFID分析分析HCHC；经；经HSL2HSL2 （保温（保温368368473K473K）输送）输送 到到化学发光分析仪化学发光分析仪HCLAHCLA 分析分析NONO ，另外排气经，另外排气经 取样管取样管SLSL输送到输送到不分光不分光 红外线吸收型分析仪红外线吸收型分析仪 NDIRNDIR分析分析COCO和和COCO2 2。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 9 为了排除水蒸气对为了排除水蒸气对NDIR工作的

9、干扰，用温度保持工作的干扰，用温度保持 273277K的槽型冷却器的槽型冷却器B来冷却和凝结排气样来冷却和凝结排气样 气中的水分。气中的水分。 取样探头一般为一端封闭、多孔、平直的不锈钢取样探头一般为一端封闭、多孔、平直的不锈钢 探头，垂直插入排气管内，插入长度不少于排气探头，垂直插入排气管内，插入长度不少于排气 管内径的管内径的80%。探头处的排气温度不应低于。探头处的排气温度不应低于343K， 进行天然气进行天然气NG（Natural Gas）发动机测试时，）发动机测试时， 取样探头应安装在距排气歧管或增压器法兰盘出取样探头应安装在距排气歧管或增压器法兰盘出 口口1.52.5m的位置。的位

10、置。 反反清扫系统利用高压气体清洗过滤器，以免过于清扫系统利用高压气体清洗过滤器，以免过于 频繁拆装过滤器。频繁拆装过滤器。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 10 直接取样系统直接取样系统 发动机台架测试的直接取样系统发动机台架测试的直接取样系统 1一取样探头一取样探头 2一粗滤器一粗滤器 3一逆向清扫系统一逆向清扫系统 4一取样泵一取样泵 5一减压器一减压器 6一气样冷却器一气样冷却器 7一冷凝液分离器一冷凝液分离器 8一细滤器一细滤器 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物

11、的测试技术 11 直接取样系统直接取样系统 为了防止气样中的水分对分析仪的干扰，为了防止气样中的水分对分析仪的干扰， 一般在系统中加由冷凝器和排水装置组成的一般在系统中加由冷凝器和排水装置组成的 水分离器，用冷凝法除湿。为防止水分离器，用冷凝法除湿。为防止HC中那中那 些蒸气压低的高沸点成分溶于水而产生测量些蒸气压低的高沸点成分溶于水而产生测量 误差，取样导管应做成加热式，对于汽油机误差，取样导管应做成加热式，对于汽油机 应保持在应保持在130左右，柴油机应保持在左右，柴油机应保持在 180200。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试

12、技术 12 稀释取样系统稀释取样系统 把柴油机排气中的微粒收集在滤纸上，把柴油机排气中的微粒收集在滤纸上， 用微克级精度的精密天平秤得滤纸在收集用微克级精度的精密天平秤得滤纸在收集 微粒后和收集前的质量差，就可得到微粒微粒后和收集前的质量差，就可得到微粒 的质量。测量柴油机的微粒排放时，用的质量。测量柴油机的微粒排放时，用稀稀 释风道微粒取样系统释风道微粒取样系统，使微粒样品能再现，使微粒样品能再现 柴油机排气中的微粒排放特性。柴油机排气中的微粒排放特性。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 13 测量重型车柴油机的微粒排放测试时

13、，用稀测量重型车柴油机的微粒排放测试时，用稀 释取样系统取样，根据柴油机排气经过稀释风道释取样系统取样，根据柴油机排气经过稀释风道 的比例，柴油机微粒质量测量既可用的比例，柴油机微粒质量测量既可用: 稀释取样系统稀释取样系统 1.全流稀释取样系统全流稀释取样系统FFDSS（Full Flow Dilution Sampling System），）， 2.分流稀释取样系统分流稀释取样系统PFDSS (Partial Flow Dilution Sampling System)。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 14 全流稀释取样

14、系统全流稀释取样系统是按照美国轻型车排放标准要求是按照美国轻型车排放标准要求 而设计；而设计；分流稀释取样系统分流稀释取样系统是按照欧洲重型车排放是按照欧洲重型车排放 标准要求而设计。标准要求而设计。 全流稀释取样系统全流稀释取样系统将全部排气引入稀释风道里，测将全部排气引入稀释风道里，测 量精度高，但体积庞大，价格昂贵；量精度高，但体积庞大，价格昂贵； 分流稀释取样系统分流稀释取样系统仅将部分排气引入稀释风道里，仅将部分排气引入稀释风道里， 因而体积较小。但控制系统和操作系统都较复杂，因而体积较小。但控制系统和操作系统都较复杂， 需要较高素质的操作人员，使用成本也较高。需要较高素质的操作人员

15、，使用成本也较高。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 15 全流稀释系统全流稀释系统必须测量排气和稀释用空必须测量排气和稀释用空 气混合后的总流量，并收集分析用的样气。气混合后的总流量，并收集分析用的样气。 根据整个试验过程中收集到一对滤纸上根据整个试验过程中收集到一对滤纸上 的微粒质量、取样流量以及稀释用空气和排的微粒质量、取样流量以及稀释用空气和排 气的总流量来确定微粒的质量。可以采用气的总流量来确定微粒的质量。可以采用容 积式泵PDP或临界流量文杜里管CFV与单级与单级 稀释系统或双级稀释系统。稀释系统或双级稀释系统。 太

16、原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 16 全流稀释取样系统流程图 EP-排气管排气管 DAF-稀释稀释 用空气过滤用空气过滤 器器 SDS- 单级稀单级稀 释系统释系统 DDS- 双级稀双级稀 释系统释系统 PDT -初级初级 稀释稀释 通道通道 SDT-次级稀释通道次级稀释通道 PSP-颗粒取样探头颗粒取样探头 PTT-颗粒物传输管颗粒物传输管 PDP-容积式泵容积式泵 CF V-临临 界流界流 量文量文 杜里杜里 管管 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 17 EP

17、-排气管排气管 PDP-容积式泵容积式泵 HE-热交换器热交换器 PDT-初级稀释通道初级稀释通道 SDS-单级稀释系统单级稀释系统 DDS-双级稀释系统双级稀释系统 PTT-颗粒物传输管颗粒物传输管 SDT-次级稀释通道次级稀释通道 FH-滤纸保持架滤纸保持架 SP-颗粒物取样泵颗粒物取样泵 DP-稀释用空气泵稀释用空气泵 PSP-颗粒取样探头颗粒取样探头 DAF-稀释用空气过滤器稀释用空气过滤器 CFV-临界流量文杜里管临界流量文杜里管 GF-气体计量仪或流量仪测定气体计量仪或流量仪测定 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 1

18、8 全流稀释取样系统全流稀释取样系统 初级稀释风道初级稀释风道PDT中应有足够的中应有足够的湍流强度湍流强度和和 足够的足够的混合长度混合长度，保证取样前柴油机排气管，保证取样前柴油机排气管EP排排 出的排气经稀释空气滤清器出的排气经稀释空气滤清器DAF净化的稀释空气净化的稀释空气 混合均匀混合均匀。 单级稀释系统的直径至少为单级稀释系统的直径至少为460mm，双级稀，双级稀 释系统的直径至少为释系统的直径至少为200mm。发动机的排气应。发动机的排气应 顺气流引入初级稀释通道，并充分混合。顺气流引入初级稀释通道，并充分混合。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程

19、系 第7章 排放污染物的测试技术 19 分流稀释取样系统分流稀释取样系统 分流稀释取样系统流程图 PSS -颗粒颗粒 物取物取 样系样系 统统 PSP-颗粒颗粒 物取样探头物取样探头 TT-颗粒物取样传输管颗粒物取样传输管 PTT- 颗粒物颗粒物 传输管传输管 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 20 EP-排气管排气管 PR-取样探头取样探头 ISP-等动态取样探头等动态取样探头 EGA-排气分析仪排气分析仪 BV-球阀球阀 SC-压力控制装置压力控制装置 DPT-差压传感器差压传感器 FC1-流量控制器流量控制器 SB-抽风机

20、抽风机 PB-压力机压力机 DT-稀释通道稀释通道 PSS-颗粒物取样系统颗粒物取样系统 PSP-颗粒物取样探头颗粒物取样探头 PTT-颗粒物传输管颗粒物传输管 FH-滤纸保持架滤纸保持架 SP-颗粒物取样泵颗粒物取样泵 FC2-流量控制流量控制 GF1-气体计量仪或流量测定仪气体计量仪或流量测定仪 DAF-稀释用空气过滤器稀释用空气过滤器 GF2-气体计量仪或流量测定仪气体计量仪或流量测定仪 TT-颗粒物取样传输管颗粒物取样传输管 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 21 分流稀释取样系统分流稀释取样系统 柴油机排气管柴油机排气

21、管EP中的排气通过颗粒物取中的排气通过颗粒物取 样探头样探头ISP或或PR和颗粒物取样传输管和颗粒物取样传输管TT输送输送 到稀释通道到稀释通道DT。通过。通过DT的稀释排气流量用颗的稀释排气流量用颗 粒物取样系统粒物取样系统PSS中的流量控制器中的流量控制器FC2 和颗和颗 粒物取样泵粒物取样泵SP控制，稀释空气流量用流量控控制，稀释空气流量用流量控 制器制器FC1控制。控制。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 22 定容取样系统定容取样系统CVS （Constant Volume Sampling ） 一般废气成分分析仪器都

22、是测量该成分在排气中一般废气成分分析仪器都是测量该成分在排气中 的浓度，然后根据排气流量算出该成分的总排放量，的浓度，然后根据排气流量算出该成分的总排放量， 这在内燃机稳定状态下比较容易实现。在非稳定状态这在内燃机稳定状态下比较容易实现。在非稳定状态 下，理论上可把所测得的浓度曲线和排气流量曲线对下，理论上可把所测得的浓度曲线和排气流量曲线对 时间进行积分，但实际上由于以下几方面的原因，误时间进行积分，但实际上由于以下几方面的原因，误 差很大：差很大： （1）发动机排气管中的压力波动，造成各工况的气样）发动机排气管中的压力波动，造成各工况的气样 流量不同，测量结果往往是偏向高负荷高转速工况；流

23、量不同，测量结果往往是偏向高负荷高转速工况； 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 23 （2）由于排气测量系统的取样系统和测量仪器动）由于排气测量系统的取样系统和测量仪器动 态响应滞后的不同，很难和所测得的内燃机排气流态响应滞后的不同，很难和所测得的内燃机排气流 量完全一一对应，这样就造成了最后计算结果的误量完全一一对应，这样就造成了最后计算结果的误 差；差； （3）在气样输送过程中，各工况样气的混合使浓）在气样输送过程中，各工况样气的混合使浓 度曲线不能再现发动机排放的时间。度曲线不能再现发动机排放的时间。 为此人们采用了测量平

24、均值的方法来解决这个问题。为此人们采用了测量平均值的方法来解决这个问题。 最直观的方法就是把一个标准测试循环中的所有排最直观的方法就是把一个标准测试循环中的所有排 气收集到气袋里，然后测量浓度和气量，算出循环气收集到气袋里，然后测量浓度和气量，算出循环 的总排放量。这种方法（的总排放量。这种方法（全量取样系统）全量取样系统）需要很大需要很大 的气袋来收集排气，十分不便。的气袋来收集排气，十分不便。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 24 现在对内燃机非稳定状态中以及许多标准测试循现在对内燃机非稳定状态中以及许多标准测试循 环中的

25、排气成分的测量和计算，如对于在底盘测环中的排气成分的测量和计算，如对于在底盘测 功机上进行的轻型车排放检测，世界各国均规定功机上进行的轻型车排放检测，世界各国均规定 采用定容取样系统采用定容取样系统(CVS)取样。取样。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 25 在定容取样系统中，内燃机的全部排气排入稀释风道中和在定容取样系统中，内燃机的全部排气排入稀释风道中和 经过滤器滤过的空气混合，抽气泵经过滤器滤过的空气混合，抽气泵8把稀释排气经过由温把稀释排气经过由温 度调节器度调节器11控制的换热器控制的换热器3和加热器和加热器12吸走

26、。抽气泵吸走。抽气泵8输输 送的稀释排气体积流量可以从抽气泵转速表送的稀释排气体积流量可以从抽气泵转速表9的指示器上的指示器上 读得。温度测量用来计算质量流量，并用来检查质量流量读得。温度测量用来计算质量流量，并用来检查质量流量 的恒定程度，被测气样通过取样泵的恒定程度，被测气样通过取样泵6收入样气袋收入样气袋7。为监测。为监测 环境条件，用来稀释排气的空气通过取样泵环境条件，用来稀释排气的空气通过取样泵4收入环境室收入环境室 样气袋样气袋5中。测试循环结束后，各样气袋里的气体将分别中。测试循环结束后，各样气袋里的气体将分别 进行分析。在测试循环结束后，将测量气袋中各污染物成进行分析。在测试循

27、环结束后，将测量气袋中各污染物成 分的浓度，再乘上定容取样系统中流过的稀释排气总量，分的浓度，再乘上定容取样系统中流过的稀释排气总量， 即是内燃机在测量过程中各种成分的总排放量。即是内燃机在测量过程中各种成分的总排放量。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 26 将汽车的全部排气引入稀释系统进行稀释将汽车的全部排气引入稀释系统进行稀释, 测测 量稀释后的废气流量、控制取样比例量稀释后的废气流量、控制取样比例, 并进行稀并进行稀 释空气的干扰分析释空气的干扰分析, 通过这些手段来测量汽车在通过这些手段来测量汽车在 测试过程中的污染物

28、排放量。测试过程中的污染物排放量。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 27 随着汽车污染物排放浓度的降低、测试随着汽车污染物排放浓度的降低、测试 要求的提高和流量测量技术的进步要求的提高和流量测量技术的进步, 开发了开发了 部分流稀释定容取样系统部分流稀释定容取样系统, 其原理示意图如其原理示意图如 图图2 所示。所示。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 28 汽车的部分排气引入稀释系统进行稀释汽车的部分排气引入稀释系统进行稀释,同时测量发动机同时测量发动机 的排

29、气流量的排气流量, 并将并将此信号作为控制取样阀取样比例的依据此信号作为控制取样阀取样比例的依据。该。该 系统由于采用了先进的流量测量技术因而可实现定比稀释系统由于采用了先进的流量测量技术因而可实现定比稀释, 按按 汽车排气流量比例取样。汽车排气流量比例取样。由于稀释比较小由于稀释比较小, 稀释后的气体浓度稀释后的气体浓度 利于分析仪器的测量利于分析仪器的测量, 也可用零空气作为稀释气体以完全消除也可用零空气作为稀释气体以完全消除 稀释空气的干扰。稀释空气的干扰。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 29 现在，世界各国的排放法规

30、大多规定对汽车的排气先用现在，世界各国的排放法规大多规定对汽车的排气先用 干净空气进行稀释，然后用干净空气进行稀释，然后用定容取样CVS（Constant Volume Sampling）系统取样。除取样袋收集的气体外，大）系统取样。除取样袋收集的气体外，大 部分排气被排出取样器，由测量器测量排出气体的总流量。部分排气被排出取样器，由测量器测量排出气体的总流量。 测量总流量的常用方法有两种方法：测量总流量的常用方法有两种方法： 定容取样系统定容取样系统 测量测量 总流总流 量的量的 常用常用 方法方法 容积式泵容积式泵(PDP，positive Displacement Pump） 临界流文杜

31、里管临界流文杜里管 (CFV，critical flow venture ) 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 30 带容积泵的定容取样系统带容积泵的定容取样系统 D-稀释空气滤 清器 M-混合室 H-热交换器 TC-温度控制系 统 PDP-容积泵 T1-温度传感器 G1、G2-压力 表 S1-收集稀释空气 定量样气的取样口 S2-收集稀释排气 定量样气的取样口 带容积泵的定容取样系统流程图 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 31 带容积泵的定容取样系统带容积泵的

32、定容取样系统 特点特点 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 32 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 33 采用临界流量文度里管的定容取样系统采用临界流量文度里管的定容取样系统 AB-稀释空气取样袋 CF-积累流量计 CS-旋风分离器 DAF-稀释空气滤清器 DEP-稀释排气抽气泵 DT-稀释风道 F-过滤器 FC-流量控制器； FL-流量计 HE-换热 HF-加热过滤器 PG-压力表 QF-快接管接头 QV-快作用阀 S1S4-取样探头 SB-衡释排气取样袋 的取样

33、过滤器 SP-取样泵 TC-温度控制器 TS-温度传感器 SF-测量微粒排放质 CFV -临界临界 流量流量 文杜文杜 里管里管 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 34 采用临界流量文度里管的定容取样系统采用临界流量文度里管的定容取样系统 特点 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 35 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 36 在鼓风机在鼓风机(抽气泵）的作用下文丘里管出口压抽气泵）的作用下文丘里管出口

34、压 力不断下降力不断下降, 当文丘里管进口和出口的压差达到当文丘里管进口和出口的压差达到 临界状态时临界状态时, 喉口处的流速达到声速喉口处的流速达到声速, 同时它的流同时它的流 量达到最大。量达到最大。控制文丘里管进口处的温度和压力控制文丘里管进口处的温度和压力 就可以实现流量控制和比例取样。就可以实现流量控制和比例取样。 该系统根据车辆瞬态排气量自动调整环境空该系统根据车辆瞬态排气量自动调整环境空 气的吸入量气的吸入量, 在混合室充分混合后进入稀释通道在混合室充分混合后进入稀释通道, 通过通过取样文丘里管按比例并收集部分排气在取样取样文丘里管按比例并收集部分排气在取样 袋内袋内, 分析取样

35、袋内的气体组分和浓度分析取样袋内的气体组分和浓度, 结合文丘结合文丘 里管测得废气体积流量就可以计算出整个测试过里管测得废气体积流量就可以计算出整个测试过 程中污染物的排放量。程中污染物的排放量。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 37 全流稀释有以下全流稀释有以下4 个特点个特点: 1) 依靠主文丘里管在临界状态下流量不变的特性来依靠主文丘里管在临界状态下流量不变的特性来 计量整个测试过程中汽车排气的总流量。计量整个测试过程中汽车排气的总流量。 2) 取样的流量和稀释后的废气流量是成比例的取样的流量和稀释后的废气流量是成比例的

36、, 因因 为主文丘里管和取样文丘里管前的压力和温度相同为主文丘里管和取样文丘里管前的压力和温度相同, 而两个文丘里管同时达到临界流动状态而两个文丘里管同时达到临界流动状态, 其流量只和其流量只和 文丘里管的几何形状有关文丘里管的几何形状有关, 所以保证了在测试过程中所以保证了在测试过程中 取样是按比例进行的。取样是按比例进行的。 3) 稀释空气取样袋的取样流量是定常的稀释空气取样袋的取样流量是定常的, 整个测试整个测试 过程中不断收集稀释空气过程中不断收集稀释空气, 可以测定稀释空气对汽车可以测定稀释空气对汽车 排放测试的干扰。排放测试的干扰。 4) 稀释空气的组分是固定不变的稀释空气的组分是

37、固定不变的, 用空气过滤器或用空气过滤器或 稀释空气净化装置稀释空气净化装置DAR ( Dilute Air Refinement)对对 稀释空气进行预处理来达到此要求。稀释空气进行预处理来达到此要求。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 38 汽车排气中的汽车排气中的CO和和CO2用用测量测量 NOX用用测量测量 HC用用测量测量 当需要从总碳氢化合物中分离出非甲烷碳氢化合物时，当需要从总碳氢化合物中分离出非甲烷碳氢化合物时， 一般用一般用测量甲烷。测量甲烷。 发动机排气中的氧气发动机排气中的氧气测量测量 7.2 7.2 排气成

38、分分析仪排气成分分析仪 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 39 不分光红外线气体分析仪不分光红外线气体分析仪NDIR（Non- Dispersive Infra-Red Analyser）是）是 。红外线是。红外线是 波长为波长为0.8600m的电磁波，多数气体具有吸的电磁波，多数气体具有吸 收特定波长的红外线的能力。如收特定波长的红外线的能力。如CO能吸收能吸收4.5 5m的红外线，的红外线， CO2能吸收能吸收44.5m 的红外线，的红外线， 所谓所谓“不分光红外不分光红外”是指对于特定的被测气体，是指对于特定的被测气体，

39、测量时所用的红外光的波长是一定的。测量时所用的红外光的波长是一定的。不分光红不分光红 外线气体分析仪根据其特定的吸收来鉴别气体分外线气体分析仪根据其特定的吸收来鉴别气体分 子的种类。子的种类。 7.2.1 不分光红外气体分析仪不分光红外气体分析仪NDIR 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 40 不分光红外气体分析仪不分光红外气体分析仪NDIR工作原理工作原理 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 41 在参比室在参比室9里充满了不吸收红外线的气体里充满了不吸收红外线的

40、气体(如如N2)，被测气，被测气 体流过分析室体流过分析室3，从红外光源，从红外光源11射出的强度为射出的强度为I0的红外射的红外射 线经过旋转的光栅线经过旋转的光栅1周期性地射入参比室周期性地射入参比室9和分析室和分析室3。 由于被测气体吸收红外线，使得透射过分析室的红外线减由于被测气体吸收红外线，使得透射过分析室的红外线减 少，其强度变为少，其强度变为I；而参比室内的气体不吸收红外线，其；而参比室内的气体不吸收红外线，其 透射红外线强度仍保持为透射红外线强度仍保持为I0 ；两室透射出的红外线周期性；两室透射出的红外线周期性 地进入检测器地进入检测器5。检测器有两个接收室，中间用兼作电容。检

41、测器有两个接收室，中间用兼作电容 器极板的金属膜片器极板的金属膜片8隔开，隔开，两个接受气室接受的红外线辐两个接受气室接受的红外线辐 射能的差别也发生变化，导致分隔两气室的薄膜两侧压变射能的差别也发生变化，导致分隔两气室的薄膜两侧压变 化。化。 由于来自分析室的红外线强度小于来自参比室的红由于来自分析室的红外线强度小于来自参比室的红 外线强度，使金属膜片向分析室一侧凸起，电容量减少，外线强度，使金属膜片向分析室一侧凸起，电容量减少， 并且正比于被测气体的浓度。把电容量的变化调制为交流并且正比于被测气体的浓度。把电容量的变化调制为交流 电压信号的变化，经放大器电压信号的变化，经放大器6后显示在指

42、示仪后显示在指示仪7或其他的输或其他的输 出装置上。为防止其它气体成分对被测成分测量的干扰，出装置上。为防止其它气体成分对被测成分测量的干扰， 在光路上设置滤波室在光路上设置滤波室10，滤掉干扰气体能吸收的波段。，滤掉干扰气体能吸收的波段。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 42 不分光红外气体分析仪不分光红外气体分析仪NDIR 不分光红外线气体分析仪工作原理图 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 43 不分光红外气体分析仪NDIR 工作特点工作特点 不分光红外线气

43、体分析仪采用直接取样系统时，不分光红外线气体分析仪采用直接取样系统时，水蒸 气对CO和NO的测定有干扰，在取样流程中应串联有冷在取样流程中应串联有冷 却器或除湿器，以却器或除湿器，以尽量除去水分。 不分光红外线气体分析仪测量不分光红外线气体分析仪测量NO时，其测量精度低；时，其测量精度低； 测量测量HC时，只能检测某一波长段的时，只能检测某一波长段的HC，而对非饱和烃，而对非饱和烃 和芳香烃则不敏感，测量的结果主要是反应了饱和烃的和芳香烃则不敏感，测量的结果主要是反应了饱和烃的 含量而不代表各种含量而不代表各种HC的含量，所以总的精确度较差。的含量，所以总的精确度较差。 排放法规规定，CO和C

44、O2用不分光红外线气体分析仪测 量。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 44 7.2.2 化学发光分析仪CLD 具有感应度高，体积分数可达具有感应度高，体积分数可达10-7； 应答性好，在应答性好，在10-2浓度范围内输出特性呈线性浓度范围内输出特性呈线性 关系，适用于连续分析；关系，适用于连续分析； 为使测量过程中为使测量过程中NO2尽可能完全地转化成为尽可能完全地转化成为NO ，催化转化器中的温度必须在，催化转化器中的温度必须在920K以上。以上。 是测量是测量NOX的标准方法。的标准方法。 特点特点 太原理工大学机械工程学

45、院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 45 CLD只能直接测定只能直接测定NO。样气中的。样气中的NO和臭氧和臭氧 （O3）在仪器的反应室中混合，发生化学反应，生）在仪器的反应室中混合，发生化学反应，生 成成NO2，其中大约有，其中大约有10%左右处于激态（用左右处于激态（用 表示）表示） m 2 * 23 ONOONO 当当 衰减到基态 衰减到基态 时，会发射出波长 时，会发射出波长 0.63 的光子的光子 hNONO 2 * 2 化学发光的强度与化学发光的强度与NO和和O3两反应物的浓度两反应物的浓度 乘积成正比乘积成正比化学发光的强度与化学发光的强

46、度与NO的的 浓度成正比。浓度成正比。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 46 化学发光分析仪CLD工作原理 1-反应室；2-臭氧发生器；3-氧入口；4-滤光片； 5-光电倍增管检测器；6-信号放大器；7-催化转化 器；8-样气入口；9-转换开关；10-反应室出口 样气由通道样气由通道A或或B进进 入反应室入反应室1。通道。通道A直直 接通向反应室，这个通接通向反应室，这个通 道只能测量样气中道只能测量样气中NO 的浓度；样气通过通道的浓度；样气通过通道 B时，样气中的时，样气中的NO2将将 在催化转换器中转化成在催化转换器中转

47、化成 NO，再进入反应室，再进入反应室， 这样仪器测量得到的是这样仪器测量得到的是 NO和和NO2的总和的总和NOX 。利用测得的。利用测得的NO X与 与 NO的差值，即可确定的差值，即可确定 样气中样气中NO2的浓度。的浓度。 化学发光分析仪工作原理图 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 47 7.2.3 氢火焰离子分析仪FID 特点特点 是目前测量汽车排放中是目前测量汽车排放中HC的最有效手段；的最有效手段； 灵敏度高，可测到极小浓度的灵敏度高，可测到极小浓度的HC ； 线性范围宽；线性范围宽； 对环境温度和压力也不敏感。对

48、环境温度和压力也不敏感。 不受样气中有无水蒸气的影响，但可能受其中氧的干扰。不受样气中有无水蒸气的影响，但可能受其中氧的干扰。 不同的不同的HC分子结构对分子结构对FID的影响不同。的影响不同。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 48 氢火焰离子分析仪工作原理氢火焰离子分析仪工作原理 氢火焰燃烧时，氢火焰燃烧时，2300K左右的左右的 高温氢火焰会使高温氢火焰会使HC离子化成自由离子化成自由 离子，离子数基本与离子，离子数基本与HC的浓度成的浓度成 正比。正比。 待测气体与氢气混合后，由待测气体与氢气混合后，由 入口进入燃烧器，

49、由燃烧嘴喷出，入口进入燃烧器，由燃烧嘴喷出， 在空气的助燃下由通电的点火丝点在空气的助燃下由通电的点火丝点 燃。燃。HC在缺氧的在缺氧的氢火焰的高温下氢火焰的高温下 裂解产生元素态碳，然后形成碳离裂解产生元素态碳，然后形成碳离 子子C+，这些离子这些离子在在100300V外加外加 电压作用下形成离子流，微弱的离电压作用下形成离子流，微弱的离 子电流子电流(约约10-12A)经放大后输出。经放大后输出。 通过对离子流电流的测量就可测得通过对离子流电流的测量就可测得 碳原子的浓度，从而反映出相应的碳原子的浓度，从而反映出相应的 HC的浓度。的浓度。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机

50、械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 49 7.2.4 顺磁分析仪顺磁分析仪PMA 在内燃机排放的研究中，有时需要测量在内燃机排放的研究中，有时需要测量 排气中氧的浓度。氧浓度的测量可采用顺磁排气中氧的浓度。氧浓度的测量可采用顺磁 分析仪，其原理是基于氧的顺磁性。分析仪，其原理是基于氧的顺磁性。气体受气体受 不均匀磁场的作用时会受到力的作用，如果不均匀磁场的作用时会受到力的作用，如果 该气体是顺磁性的，此力指向磁场增强的方该气体是顺磁性的，此力指向磁场增强的方 向；如果是反磁性的，则指向磁场减弱的方向；如果是反磁性的，则指向磁场减弱的方 向。大多数气体是反磁性的，只有少数气体向。

51、大多数气体是反磁性的，只有少数气体 是高度顺磁性的。是高度顺磁性的。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 50 工作原理工作原理 内燃机排气中的顺磁性气内燃机排气中的顺磁性气 体有体有氧和氧和氮氧化合物氮氧化合物NOX， 氧是一种强顺磁性气体，氧是一种强顺磁性气体， 氮氧化合物有较弱的顺磁氮氧化合物有较弱的顺磁 性，性，NO和和NO2的顺磁性分的顺磁性分 别为氧的别为氧的44%和和29%。 因为汽车排放中，氧的浓因为汽车排放中，氧的浓 度要比度要比NOX高得多，所以高得多，所以 可用顺磁分析仪测量排气可用顺磁分析仪测量排气 中的氧

52、浓度中的氧浓度 顺磁分析仪外形图 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 51 顺磁分析仪顺磁分析仪PMA 工作原理工作原理 样气样气3 3中的氧中的氧2 2，在永久磁铁，在永久磁铁6 6的的 磁场吸引下充入水平玻璃管磁场吸引下充入水平玻璃管5 5中。在中。在 磁场强度最大的地方，样气被电热磁场强度最大的地方，样气被电热 丝丝4 4加热。加热后的氧顺磁性下降，加热。加热后的氧顺磁性下降， 磁铁对它的吸引力小于冷态的氧。磁铁对它的吸引力小于冷态的氧。 冷的样气被加热后又被挤走冷的样气被加热后又被挤走, ,这样在这样在 玻璃管玻璃管5 5

53、中就形成了磁风。如果加热中就形成了磁风。如果加热 丝丝4 4同时起热线风速仪的作用，就可同时起热线风速仪的作用，就可 以简单地测定磁风速度，从而测得以简单地测定磁风速度，从而测得 样气中的氧浓度样气中的氧浓度 顺磁分析仪工作原理 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 52 排气微粒排气微粒是指依据是指依据 一定的取样方法，一定的取样方法， 在最高温度为在最高温度为 325K的稀释排气的稀释排气 中，由过滤器收集中，由过滤器收集 到的固态或液态微到的固态或液态微 粒。粒。 显微镜下的微粒组织形状 7.3 颗粒物测量与成分分析颗粒物测量

54、与成分分析 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 53 7.3.1 微粒质量测量微粒质量测量 微粒测量过滤器通常采用滤纸。微粒测量过滤器通常采用滤纸。 为了保证测量的精度，空白滤纸和有微为了保证测量的精度，空白滤纸和有微 粒滤纸的质量测量必须在调温调湿的洁净粒滤纸的质量测量必须在调温调湿的洁净 小室内进行。小室内进行。 空白滤纸至少在取样前空白滤纸至少在取样前2h放入小室内的放入小室内的 滤纸盒中，待稳定后测量质量，然后仍放滤纸盒中，待稳定后测量质量，然后仍放 在小室内待用。在小室内待用。 如果从小室取出后如果从小室取出后1h内没有

55、使用，则在内没有使用，则在 使用前必须重新测量质量。使用前必须重新测量质量。 收集微粒后的滤纸放回小室内至少收集微粒后的滤纸放回小室内至少2h， 但不得超过但不得超过36h，然后测量总质量。，然后测量总质量。 微粒质量测量装置 Mf 。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 54 微粒质量测量计算公式 ep mix pffp epmix V V MmmMd VdV 或 Vep 流经过滤器的体积，m3 Vmix流经通道的体积，m3 Mp 排放微粒质量，g/km Mf 过滤器收集的微粒质量，过滤器收集的微粒质量，g d 与运转循环一致的

56、距离，km 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 55 7.3.2 微粒成分分析微粒成分分析 微粒中有机可溶成分SOF的分离及分析方法 1.热解质量分析法（TG） 2.真空挥发法（V V） 3.索氏萃取法（SE） 微粒成分分析不是排放法规所要求，但对微粒的形微粒成分分析不是排放法规所要求，但对微粒的形 成、氧化过程及微粒后处理技术的研究具有重要的意义。成、氧化过程及微粒后处理技术的研究具有重要的意义。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 56 热解质量分析法TG（The

57、rmo Gravimetry）是在惰是在惰 性气体气氛（如性气体气氛（如N2）中，将微粒样品按规定的加热）中，将微粒样品按规定的加热 速率加热到速率加热到923K，保温，保温5分钟。在这段时间内，其分钟。在这段时间内，其 中可挥发部分蒸发掉，用热天平测得的微粒质量减中可挥发部分蒸发掉，用热天平测得的微粒质量减 小量就代表其中可挥发部分小量就代表其中可挥发部分VF（Volatile Fraction ），用此法测得的主要是），用此法测得的主要是高沸点HC和硫酸盐，基本基本 与与SOF相吻合。然后将气氛换成空气，在相同温度相吻合。然后将气氛换成空气，在相同温度 下，样品进一步减少的质量对应被氧化的

58、碳烟组分下，样品进一步减少的质量对应被氧化的碳烟组分 ，残留的则是微量，残留的则是微量灰分灰分。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 57 真空挥发法 真空挥发法真空挥发法VV是将微粒样品置于真空干燥箱内，是将微粒样品置于真空干燥箱内， 在真空度（在真空度（Vacuum Volatilization） 95Kpa以以 上，温度上，温度473K以上加热以上加热3h左右，其质量变化即为左右，其质量变化即为 微粒中可挥发部分（微粒中可挥发部分（VF）含量。）含量。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第

59、7章 排放污染物的测试技术 58 索氏萃取法 盛有溶剂的烧瓶盛有溶剂的烧瓶4置于恒温浴置于恒温浴 缸缸3中，加热使溶剂蒸发，上中，加热使溶剂蒸发，上 升到冷凝管升到冷凝管8中，冷凝物回到中，冷凝物回到 样品室中浸泡样品，进行萃取样品室中浸泡样品，进行萃取 。萃取液达到一定体积时，经。萃取液达到一定体积时，经 虹吸管流回烧瓶。溶剂在萃取虹吸管流回烧瓶。溶剂在萃取 器中循环流动，不断将微粒中器中循环流动，不断将微粒中 的的SOF带到烧瓶中，直到萃取带到烧瓶中，直到萃取 完全。完全。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 59 硫酸盐的分析方法 微粒中所含的硫酸盐可溶解于二甲基丙酮微粒中所含的硫酸盐可溶解于二甲基丙酮 溶液或水中，根据溶解前后滤纸质量的变溶液或水中，根据溶解前后滤纸质量的变 化，可求出硫酸盐在微粒中的比例。也可化，可求出硫酸盐在微粒中的比例。也可 用测量含有硫酸盐的二甲基丙酮溶液的导用测量含有硫酸盐的二甲基丙酮溶液的导 电性的方法确定硫酸盐质量。电性的方法确定硫酸盐质量。 太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 第7章 排放污染物的测试技术 60 7.4 烟度测量与