第7章排放污染物的测试技术ppt课件

1、7.4 烟度丈量与分析7.3 颗粒物丈量与成分分析7.2 排气成分分析仪7.1 汽车排放污染物的取样系统第7章 排放污染物的测试技术 正确的测试汽车排放污染物是研讨汽车有害排放物的构成及控制技术的重要前提，随着各国汽车排放规范的日趋严厉，其排放测试技术也在不断地完善。对排放污染物测试的根本要求有： 1对所测的成分有较高的选择性，也就是说，丈量值受排气中其它成分的干扰小； 2对所丈量的成分浓度有相当的灵敏度； 3较高的可靠性和容易运用。 一个完好的排气成分测试应该包括取样、分析和结果整理三部分。 7.1 汽车排放污染物的取样系统取样系统概述 取样是汽车排放测试的第一环，在不同条件下，需求不同的取

2、样技术。取样系统的功能在于使样气经过预处置，以便按一定要求送入分析系统 取样的正确与否对丈量结果的正确性关系极大。 对取样系统的根本要求有： 1样气在进入测试仪器前，其所测成分必需能定量地再现排气中该成分的浓度； 2在较长的时间内，不受其它要素干扰。 取样过程中的主要干扰要素有：1可冷凝成分：在大多数的测试过程中，被测气体的冷却，总是伴随冷凝景象。在测试仪器里，冷凝液会呵斥丈量误差；2吸附和化学反响：被测成分在保送过程中的吸附和化学反响会呵斥该成分量的变化，对浓度很低的成分的丈量影响很大。有些资料对一定的化学反响有催化作用，特别是在温度较高的区域，如加热的保送管道，会呵斥某些成分的丈量误差。

3、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：直接取样系统定容取样系统稀释取样系统直接取样系统在发动机台架上进展排放测试，对气态成分普通采用直接采样分析的方法。直接取样法是将取样探头插入发动机的排气管中，用取样泵延续抽取一定量气体不经稀释直接送入分析系统进展分析。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域的各种用途发动机的排放丈量中。直接取样系统 未经稀释的采样气直接从排气管抽取，污染物浓度较高，具有较高的丈量精度。 采样泵P把样气从HSL1保温453473K送到氢火焰离子检测器HFID分析HC；经HSL2保温368473K保送到化学发光分析仪HCL

4、A分析NO ，另外排气经取样管SL保送到不分光红外线吸收型分析仪NDIR分析CO和CO2。 为了排除水蒸气对NDIR任务的干扰，用温度坚持273277K的槽型冷却器B来冷却和凝结排气样气中的水分。取样探头普通为一端封锁、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管内径的80%。探头处的排气温度不应低于343K，进展天然气NGNatural Gas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口1.52.5m的位置。反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。 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 2一粗滤器 3一逆向清扫系统 4一取样

5、泵 5一减压器 6一气样冷却器 7一冷凝液分别器 8一细滤器 直接取样系统 为了防止气样中的水分对分析仪的干扰，普通在系统中加由冷凝器和排水安装组成的水分别器，用冷凝法除湿。为防止HC中那些蒸气压低的高沸点成分溶于水而产生丈量误差，取样导管应做成加热式，对于汽油机应坚持在130左右，柴油机应坚持在180200。 稀释取样系统 把柴油机排气中的微粒搜集在滤纸上，用微克级精度的精细天平秤得滤纸在搜集微粒后和搜集前的质量差，就可得到微粒的质量。丈量柴油机的微粒排放时，用稀释风道微粒取样系统，使微粒样品能再现柴油机排气中的微粒排放特性。 丈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

6、排气经过稀释风道的比例，柴油机微粒质量丈量既可用:稀释取样系统1.全流稀释取样系统FFDSSFull Flow Dilution Sampling System，2.分流稀释取样系统PFDSS (Partial Flow Dilution Sampling System)。全流稀释取样系统是按照美国轻型车排放规范要求而设计；分流稀释取样系统是按照欧洲重型车排放规范要求而设计。全流稀释取样系统将全部排气引入稀释风道里，丈量精度高，但体积庞大，价钱昂贵；分流稀释取样系统仅将部分排气引入稀释风道里，因此体积较小。但控制系统和操作系统都较复杂，需求较高素质的操作人员，运用本钱也较高。 全流稀释系统必需

7、丈量排气和稀释用空气混合后的总流量，并搜集分析用的样气。根据整个实验过程中搜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与单级稀释系统或双级稀释系统。 全流稀释取样系统流程图 EP-排气管DAF-稀释用空气过滤器SDS-单级稀释系统DDS-双级稀释系统PDT-初级稀释通道SDT-次级稀释通道PSP-颗粒取样探头PTT-颗粒物传输管PDP-容积式泵CFV-临界流量文杜里管EP-排气管 PDP-容积式泵HE-热交换器 PDT-初级稀释通道SDS-单级稀释系统 DDS-双级稀释系统PTT-颗粒物传输管 SDT-次级稀释

8、通道FH-滤纸坚持架 SP-颗粒物取样泵DP-稀释用空气泵 PSP-颗粒取样探头DAF-稀释用空气过滤器CFV-临界流量文杜里管GF-气体计量仪或流量仪测定全流稀释取样系统 初级稀释风道PDT中应有足够的湍流强度和足够的混合长度，保证取样前柴油机排气管EP排出的排气经稀释空气滤清器DAF净化的稀释空气混合均匀。 单级稀释系统的直径至少为460mm，双级稀释系统的直径至少为200mm。发动机的排气应顺气流引入初级稀释通道，并充分混合。 分流稀释取样系统 分流稀释取样系统流程图 PSS-颗粒物取样系统PSP-颗粒物取样探头TT-颗粒物取样传输管PTT-颗粒物传输管EP-排气管 PR-取样探头ISP

9、-等动态取样探头 EGA-排气分析仪BV-球阀 SC-压力控制安装DPT-差压传感器 FC1-流量控制器SB-抽风机 PB-压力机DT-稀释通道 PSS-颗粒物取样系统PSP-颗粒物取样探头 PTT-颗粒物传输管FH-滤纸坚持架 SP-颗粒物取样泵FC2-流量控制 GF1-气体计量仪或流量测定仪DAF-稀释用空气过滤器 GF2-气体计量仪或流量测定仪TT-颗粒物取样传输管分流稀释取样系统 柴油机排气管EP中的排气经过颗粒物取样探头ISP或PR和颗粒物取样传输管TT保送到稀释通道DT。经过DT的稀释排气流量用颗粒物取样系统PSS中的流量控制器FC2 和颗粒物取样泵SP控制，稀释空气流量用流量控制

10、器FC1控制。 定容取样系统CVSConstant Volume Sampling 普通废气成分分析仪器都是丈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，这在内燃机稳定形状下比较容易实现。在非稳定形状下，实际上可把所测得的浓度曲线和排气流量曲线对时间进展积分，但实践上由于以下几方面的缘由，误差很大：1发动机排气管中的压力动摇，呵斥各工况的气样流量不同，丈量结果往往是偏向高负荷高转速工况；2由于排气丈量系统的取样系统和丈量仪器动态呼应滞后的不同，很难和所测得的内燃机排气流量完全一一对应，这样就呵斥了最后计算结果的误差；3在气样保送过程中，各工况样气的混合使浓度曲线不能再现发动机

11、排放的时间。 为此人们采用了丈量平均值的方法来处理这个问题。最直观的方法就是把一个规范测试循环中的一切排气搜集到气袋里，然后丈量浓度和气量，算出循环的总排放量。这种方法全量取样系统需求很大的气袋来搜集排气，非常不便。 如今对内燃机非稳定形状中以及许多规范测试循环中的排气成分的丈量和计算，如对于在底盘测功机上进展的轻型车排放检测，世界各国均规定采用定容取样系统(CVS)取样。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8把稀释排气经过由温度调理器11控制的换热器3和加热器12吸走。抽气泵8保送的稀释排气体积流量可以从抽气泵转速表9的指示器上读得。温度丈量用来计

12、算质量流量，并用来检查质量流量的恒定程度，被测气样经过取样泵6收入样气袋7。为监测环境条件，用来稀释排气的空气经过取样泵4收入环境室样气袋5中。测试循环终了后，各样气袋里的气体将分别进展分析。在测试循环终了后，将丈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，即是内燃机在丈量过程中各种成分的总排放量。 将汽车的全部排气引入稀释系统进展稀释, 丈量稀释后的废气流量、控制取样比例, 并进展稀释空气的干扰分析, 经过这些手段来丈量汽车在测试过程中的污染物排放量。 随着汽车污染物排放浓度的降低、测试要求的提高和流量丈量技术的提高, 开发了部分流稀释定容取样系统, 其原理表示图如图

13、2 所示。 汽车的部分排气引入稀释系统进展稀释,同时丈量发动机的排气流量, 并将此信号作为控制取样阀取样比例的根据。该系统由于采用了先进的流量丈量技术因此可实现定比稀释, 按汽车排气流量比例取样。由于稀释比较小, 稀释后的气体浓度利于分析仪器的丈量, 也可用零空气作为稀释气体以完全消除稀释空气的干扰。 如今，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展稀释，然后用定容取样CVSConstant Volume Sampling系统取样。除取样袋搜集的气体外，大部分排气被排出取样器，由丈量器丈量排出气体的总流量。丈量总流量的常用方法有两种方法：定容取样系统丈量总流量的常用方法容积式泵(P

14、DP，positive Displacement Pump临界流文杜里管 (CFV，critical flow venture )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-搜集稀释空气定量样气的取样口S2-搜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 带容积泵的定容取样系统特点 容积泵PDP每转的抽气体积是一定的，只需转数不变，总流量就不变。PDP系统可使流量无级变化，但构造庞大，且流量受温度影响大。 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-旋风分别

15、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-快接纳接头QV-快作用阀S1S4-取样探头SB-衡释排气取样袋的取样过滤器SP-取样泵TC-温度控制器TS-温度传感器 SF-丈量微粒排放质CFV-临界流量文杜里管 其总流量由一临界文杜里管CFV来确定，只需文杜里管一定，总流量就不变。该系统受温度影响较小，构造相对简单，但只可经过切换文杜里管来改动流量，且只能有级地改动。 采用临界流量文度里管的定容取样系统特点 在鼓风机(抽气泵的作用下文丘里管出口压力不断下降, 当文丘里管进口和出口的压差到达临界形

16、状时, 喉口处的流速到达声速, 同时它的流量到达最大。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。 该系统根据车辆瞬态排气量自动调整环境空气的吸入量, 在混合室充分混合后进入稀释通道, 经过取样文丘里管按比例并搜集部分排气在取样袋内, 分析取样袋内的气体组分和浓度, 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程中污染物的排放量。全流稀释有以下4 个特点:1) 依托主文丘里管在临界形状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。2) 取样的流量和稀释后的废气流量是成比例的, 由于主文丘里管和取样文丘里管前的压力和温度一样, 而两个文丘里管同时到达临界流动形状,

17、其流量只和文丘里管的几何外形有关, 所以保证了在测试过程中取样是按比例进展的。3) 稀释空气取样袋的取样流量是定常的, 整个测试过程中不断搜集稀释空气, 可以测定稀释空气对汽车排放测试的干扰。4) 稀释空气的组分是固定不变的, 用空气过滤器或稀释空气净化安装DAR ( Dilute Air Refinement)对稀释空气进展预处置来到达此要求。汽车排气中的CO和CO2用不分光红外线气体分析仪丈量NOX用化学发光分析仪丈量HC用氢火焰离子型分析仪丈量当需求从总碳氢化合物中分别出非甲烷碳氢化合物时，普通用气相色谱仪丈量甲烷。发动机排气中的氧气多用顺磁分析仪丈量7.2 排气成分分析仪 不分光红外线

18、气体分析仪NDIRNon-Dispersive Infra-Red Analyser是根据不同气体对红外线的选择性吸收原理提出的。红外线是波长为0.8600m的电磁波，多数气体具有吸收特定波长的红外线的才干。如CO能吸收4.55m的红外线， CO2能吸收44.5m 的红外线，所谓“不分光红外是指对于特定的被测气体，丈量时所用的红外光的波长是一定的。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子的种类。 7.2.1 不分光红外气体分析仪NDIR不分光红外气体分析仪NDIR任务原理在参比室9里充溢了不吸收红外线的气体(如N2)，被测气体流过分析室3，从红外光源11射出的强度为I0的红外射线经

19、过旋转的光栅1周期性地射入参比室9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少，其强度变为I；而参比室内的气体不吸收红外线，其透射红外线强度仍坚持为I0 ；两室透射出的红外线周期性地进入检测器5。检测器有两个接纳室，中间用兼作电容器极板的金属膜片8隔开，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化。 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，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6后显示在指示仪7或其他的输出安装上。为防止其它气体成分对被测成分丈量的干扰

20、，在光路上设置滤波室10，滤掉干扰气体能吸收的波段。 不分光红外气体分析仪NDIR不分光红外线气体分析仪任务原理图 不分光红外气体分析仪NDIR任务特点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却器或除湿器，以尽量除去水分。不分光红外线气体分析仪丈量NO时，其丈量精度低；丈量HC时，只能检测某一波长段的HC，而对非饱和烃和芳香烃那么不敏感，丈量的结果主要是反响了饱和烃的含量而不代表各种HC的含量，所以总的准确度较差。排放法规规定，CO和CO2用不分光红外线气体分析仪丈量。7.2.2 化学发光分析仪CLD具有感应度高，体积分数可达10-7；应

21、对性好，在10-2浓度范围内输出特性呈线性关系，适用于延续分析；为使丈量过程中NO2尽能够完全地转化成为NO，催化转化器中的温度必需在920K以上。是丈量NOX的规范方法。特点CLD只能直接测定NO。样气中的NO和臭氧O3在仪器的反响室中混合，发生化学反响，生成NO2，其中大约有10%左右处于激态用表示当衰减到基态时，会发射出波长0.63 的光子化学发光的强度与NO和O3两反响物的浓度乘积成正比化学发光的强度与NO的浓度成正比。化学发光分析仪CLD任务原理1-反响室；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-

22、反响室出口 样气由通道A或B进入反响室1。通道A直接通向反响室，这个通道只能丈量样气中NO的浓度；样气经过通道B时，样气中的NO2将在催化转换器中转化成NO，再进入反响室，这样仪器丈量得到的是NO和NO2的总和NOX。利用测得的NOX与NO的差值，即可确定样气中NO2的浓度。化学发光分析仪任务原理图 7.2.3 氢火焰离子分析仪FID特点是目前丈量汽车排放中HC的最有效手段；灵敏度高，可测到极小浓度的HC ；线性范围宽；对环境温度和压力也不敏感。不受样气中有无水蒸气的影响，但能够受其中氧的干扰。不同的HC分子构造对FID的影响不同。氢火焰离子分析仪任务原理 氢火焰熄灭时，2300K左右的高温氢

23、火焰会使HC离子化成自在离子，离子数根本与HC的浓度成正比。 待测气体与氢气混合后，由入口进入熄灭器，由熄灭嘴喷出，在空气的助燃下由通电的点火丝点燃。HC在缺氧的氢火焰的高温下裂解产生元素态碳，然后构成碳离子C+，这些离子在100300V外加电压作用下构成离子流，微弱的离子电流(约10-12A)经放大后输出。经过对离子流电流的丈量就可测得碳原子的浓度，从而反映出相应的HC的浓度。7.2.4 顺磁分析仪PMA 在内燃机排放的研讨中，有时需求丈量排气中氧的浓度。氧浓度的丈量可采用顺磁分析仪，其原理是基于氧的顺磁性。气体受不均匀磁场的作用时会遭到力的作用，假设该气体是顺磁性的，此力指向磁场加强的方向

24、；假设是反磁性的，那么指向磁场减弱的方向。大多数气体是反磁性的，只需少数气体是高度顺磁性的。 任务原理内燃机排气中的顺磁性气体有氧和氮氧化合物NOX，氧是一种强顺磁性气体，氮氧化合物有较弱的顺磁性，NO和NO2的顺磁性分别为氧的44%和29%。由于汽车排放中，氧的浓度要比NOX高得多，所以可用顺磁分析仪丈量排气中的氧浓度顺磁分析仪外形图 顺磁分析仪PMA任务原理 样气3中的氧2，在永久磁铁6的磁场吸引下充入程度玻璃管5中。在磁场强度最大的地方，样气被电热丝4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。冷的样气被加热后又被挤走,这样在玻璃管5中就构成了磁风。假设加热丝4同时起热线风

25、速仪的作用，就可以简单地测定磁风速度，从而测得样气中的氧浓度 顺磁分析仪任务原理 排气微粒是指根据一定的取样方法，在最高温度为325K的稀释排气中，由过滤器搜集到的固态或液态微粒。显微镜下的微粒组织外形 7.3 颗粒物丈量与成分分析7.3.1 微粒质量丈量微粒丈量过滤器通常采用滤纸。为了保证丈量的精度，空白滤纸和有微粒滤纸的质量丈量必需在调温调湿的干净小室内进展。空白滤纸至少在取样前2h放入小室内的滤纸盒中，待稳定后丈量质量，然后仍放在小室内待用。假设从小室取出后1h内没有运用，那么在运用前必需重新丈量质量。搜集微粒后的滤纸放回小室内至少2h，但不得超越36h，然后丈量总质量。微粒质量丈量安装

26、 微粒滤纸与空白滤纸的质量差就是微粒Mf 。微粒质量丈量计算公式 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 过滤器搜集的微粒质量，g d 与运转循环一致的间隔，km7.3.2 微粒成分分析微粒中有机可溶成分SOF的分别及分析方法 1.热解质量分析法TG2.真空挥发法V V3.索氏萃取法SE微粒成分分析不是排放法规所要求，但对微粒的构成、氧化过程及微粒后处置技术的研讨具有重要的意义。热解质量分析法TGThermo Gravimetry是在惰性气体气氛如N2中，将微粒样品按规定的加热速率加热到923K，保温5分钟。在这段时间内，其中可挥发部分

27、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VFVolatile Fraction，用此法测得的主要是高沸点HC和硫酸盐，根本与SOF相吻合。然后将气氛换成空气，在一样温度下，样品进一步减少的质量对应被氧化的碳烟组分，残留的那么是微量灰分。真空挥发法 真空挥发法VV是将微粒样品置于真空枯燥箱内，在真空度Vacuum Volatilization 95Kpa以上，温度473K以上加热3h左右，其质量变化即为微粒中可挥发部分VF含量。索氏萃取法盛有溶剂的烧瓶4置于恒温浴缸3中，加热使溶剂蒸发，上升到冷凝管8中，冷凝物回到样品室中浸泡样品，进展萃取。萃取液到达一定体积时，经虹吸管流回烧瓶

28、。溶剂在萃取器中循环流动，不断将微粒中的SOF带到烧瓶中，直到萃取完全。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。也可用丈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。 7.4 烟度丈量与分析烟度的丈量方法主要有两种滤纸法 先用滤纸搜集一定的烟气，再经过比较滤纸外表对光反射率的变化来丈量烟度，所用的丈量仪器为滤纸式烟度计消光度法 利用烟气对光的吸收作用，即经过光从烟气中的透过度来丈量烟度，所用的丈量仪表为消光式烟度计。7.4.1 滤纸式烟度计滤纸式烟度计主要由定容采样泵和检测仪两部分组成。抽气泵从排气中

29、抽取固定容积的气样，让气样经过装在夹具上的滤纸，使气样的碳烟堆积在滤纸上。由于抽取的气样数量恒定，故滤纸被染黑的程度能反映气样中所含碳烟的浓度。滤纸式烟度计外形 滤纸式烟度计构造和任务原理滤纸烟度计的构造及任务原理图 由白炽电灯泡光源射向已取样滤纸的光线，一部分被滤纸上的微粒吸收，一部分被反射给光电元件，从而产生相应的光电流，并由指示器指示输出。光电流的大小反映了滤纸反射率的大小，滤纸反射率取决于滤纸被染黑的程度。 滤纸被染黑的程度用010波许单位表示， “0表示全白色滤纸的烟度，“10表示全黑滤纸的烟度。 滤纸式烟度计构造简单, 运用方便, 曾得到广泛的运用. 但由于柴油机微粒中各种成分对光

30、线的吸收才干不同, 不同柴油机在不同工况下测得的滤纸烟度值与微粒质量之间没有完全一一对应关系。特别是现代低烟度柴油机滤纸烟度值FSN 2 ( Filter Smoke Number, 简称FSN) , 烟度与微粒质量之间的关系更不确切. 这种烟度计不能测定由油雾呵斥的蓝烟与白烟, 也不能对瞬态工况进展延续的丈量。 7.4.2不透光烟度计 让部分或全部排气流过光源和接纳器光电管构成的光通道，接纳器所接纳的光强度将被减弱，光强度大小可以反映烟度排放的大小。任务原理 哈特里奇烟度计根本构造表示图 丈量前，首先用空气吹扫，对烟度计进展零点校正。然后将排烟的部分或全部延续不断地流过烟度计，让光线透过导入的废