第二章5汽车排放污染物检测

车辆检测与诊断南京农业大学工学院高强第五节汽车排放污染物检测汽车尾气排放检测标准尾气排放检测分汽油机尾气检测和柴油机尾气检测同工况，汽油机CO、HC和NOx排放比柴油机大，针对汽油机的国家标准主要是对上述三种排放物而言的柴油机燃烧时主要产生碳烟污染，国家标准主要是对柴油机碳烟第五节汽车排放污染物检测常见检测标准美国：最出名的是加利福尼亚州的排放标准欧洲：欧I～欧V日本：有最高限值和平均值，车辆的排放不能超过最高限值，同时在一定时间内抽查的同型号汽车的平均排放值不能超过平均排放限值我国：国I~国VI，部分地区实施国V1汽车污染物的主要成分及危害CO、HC、NOx、S化物及微粒（碳烟及铅氧化物等重金属）等。

CO燃料不完全燃烧的产物，混合气过浓或燃烧质量不佳

产生原因：排放物：危害：无色无味的有毒气体，与血液中血红蛋白的亲和力是氧的300倍使血液携带氧能力降低而引起缺氧

CO被人体大量吸入后，使人感觉恶心、头晕及疲劳，严重时使人窒息死亡。1汽车污染物的主要成分及危害CO、HC、NOx、S化物及微粒等。

HC，多种碳氢化合物的总称发动机未燃尽的燃料分解或供油系统中燃料的蒸发所产生的气体

HC的20％～25％来自曲轴箱窜气；20％来自化油器和燃油箱的蒸发；其余由发动机排气管排出产生原因：排放物：危害：HC能引起光化学反应生成光化学氧化剂，生成甲醛，形成烟雾，对人的眼、鼻和咽喉黏膜有较强的刺激作用，并可致癌1汽车污染物的主要成分及危害CO、HC、NOx、S化物及微粒等。

产生原因：排放物：危害：NOx高温燃烧过程中由空气中的氧和氮化合而成燃料中含氮氧化物也会部分形成氮氧化物排放NO的毒性较小，但NO在大气中被氧化为剧毒的NO2，是一种刺激性很强的污染物，刺激眼、鼻粘膜、麻痹嗅觉，甚至引起肺气肿1汽车污染物的主要成分及危害CO、HC、NOx、S化物及微粒等。

产生原因：排放物：危害：S化物燃料中含有的硫与空气中的氧反应而成

SO2有强烈的气味，本身可刺激咽喉与眼睛，严重时，使人中毒，引起呼吸道疾病SO2是形成酸雨的主要成分，污染河流、湖泊等水系，使土壤和水源酸化等危害1汽车污染物的主要成分及危害CO、HC、NOx、S化物及微粒等。

排放物：危害：微粒汽油机：铅化物、硫酸盐、低分子物质柴油机：碳化物质（高温裂解形成的黑烟）和高分子量有机物（润滑油的氧化和裂解产物）微粒的直径大约为0.1～10um范围柴油机产生的微粒量比汽油机多30～60倍微粒吸附有许多有机污染物、重金属元素和致癌物质，沉积到人体肺部，严重危害人体的健康1汽车污染物的主要成分及危害2汽车排放污染物检测技术2.1排气成分分析(1)NDIR分析法

NDIR是不分光红外线（Non-DispersiveInfra-Red）的简称，利用NDIR原理制造的排气成分分析仪称为不分光红外分析仪（Non-DispersiveInfra-RedAnalyzer，图1）。

a）FGA-4100汽车NDIR排气分析仪b）FLA-501系列汽车NDIR排气分析仪图1汽车NDIR不分光红外排气分析仪图

2气体的红外吸收光谱1）NDIR基本检测原理图

3不分光红外气体分析装置结构原理图1-旋转光栅；2-试样室；3-电测量装置；4-电容器动极膜片；5-检测室；6-比较室；7-过滤室；8-红外线辐射器；9-电动机2）不分光红外线CO和HC气体分析仪不分光红外线CO和HC气体分析仪（图4）是一种能从汽车排气管中采集气样，并对其中所含CO和HC的浓度进行连续测量的仪器。它由废气取样装置、气体分析装置、浓度指示装置和校准装置等组成。4MEXA324F型不分光红外线CO和HC气体分析仪(2).FID分析法

FID是氢火焰离子分析仪（HydrogenFlameIonizationDetector，图5）的简称。用FID分析发动机排气中的碳氢化合物是目前最有效的方法。它具有很高的灵敏度，其检测极限最小可达10-9数量级，而且线性和频响特性好，对环境温度及大气压力也不敏感。图5FID氢火焰离子分析仪实物照片图

6FID工作原理图(3).CLD分析法CLD是化学发光分析仪（ChemiluminescentDetector，图7）的简称。用CLD分析排气中的NOx是目前最好的方法。图

7CLD化学发光分析仪图8CLD检测原理图1-流量计；2-二通阀；3-催化转化器；4-抽气泵；5-O3发生器；6-反应室；7-光电倍增器；8-放大器；9-指示仪表；10-高压电源(4)综合分析法综合分析法是利用汽车综合排放分析仪同时进行快速检测汽车排气中CO、CO2、HC和NOx的方法。这种检测方法能全面反映汽车污染物的排放情况，能满足发动机台架试验或整车底盘测功机试验的排放测量要求。图9五气体分析仪2.2排气烟度测量柴油机的排烟主要有黑烟、蓝烟和白烟，其排烟的多少以烟度来表征。常用的烟度计（smokemeter）有滤纸式烟度计和不透光烟度计。(1).用滤纸式烟度计测量烟度滤纸式烟度计是一种用滤纸收集排烟，再比较滤纸表面对光的反射率来测量烟度的仪器。1）基本检测原理滤纸染黑的程度不同，则对照射到滤纸表面光线的反射能力不同。据此烟度值SF可表示为：式中SF——滤纸式烟度值，FSN（filtersmokenumber）；

Ro——污染滤纸的反射因数；

Rc——洁白滤纸的反射因数。

Ro／Rc的值由0到100%，分别对应于全黑滤纸的反射和洁白标准滤纸的反射。当污染滤纸为全黑时，烟度值为10；滤纸无污染时，烟度值为0。2）滤纸式烟度计结构原理滤纸式烟度计有手动（图10）、半自动和全自动（图11）三种类型。图10手动滤纸式烟度计图11FBY-201全自动滤纸式烟度计滤纸式烟度计主要由取样装置、烟度测量与指示装置、控制装置、校准装置等组成，如图9-13所示。图

12滤纸式烟度计结构简图图

13烟度测量与指示装置(2).用不透光烟度计测量烟度不透光烟度计（smokeopacimeter，又称消光式烟度计）是一种根据光在排气中被烟气消减的程度来测量烟度的仪器。不透光烟度计可分为全流式和分流式两类。全流式不透光烟度计（图14）通过测量全部排气的透光衰减率来检测烟度，而分流式不透光烟度计（图15）则是通过测量由取样管引入的部分烟气的透光衰减率来检测烟度。图

14全流式不透光烟度计图

15分流式不透光烟度计1）基本检测原理图16不透光烟度计基本检测原理（1）式中Φ0——入射光通量光通量（luminousflux），lm；

lm——流明（lumen，略作lm），光通量的单位；

Φ——出射光通量，lm；

K——光吸收系数，；

L——光通道有效长度，m。由式（1）可得：由于我国新的排放标准中用光吸收系数作为柴油机排放烟度的评价指标，因此不透光烟度计应使用光吸收系数作为计量单位，它是一种光吸收的绝对单位。但有的不透光烟度计用不透光度作为计量单位，其不透光度是指光线被排烟吸收而不能到达光接收器的百分率。仪表的不透光度可用下式换算为光吸收系数：（2）（3）式中N——不透光度读数（％）；

K——相应的光吸收系数值。两种计量单位的刻度范围均以光全通过时为零，光全吸收时为满量程。即烟气完全不吸光时，N＝0，K＝0；光线完全被烟气吸收时，N=100时，K＝∞（m-l）。2）全流式不透光烟度计结构原理图

17全流式不透光烟度计结构原理图1-排气管；2-排气导入管；3-检测通道；4-光源；5-光电池（光电检测单元）；6-烟度显示记录仪3）分流式不透光烟度计结构原理图18分流式不透光烟度计结构原理图1-光源；2-排气入口；3-排烟测试管；4-光电池；5-转换手柄；6-空气校正管；7-鼓风机；8-排气出口2.3排气颗粒物测量汽车的排气颗粒物浓度是通过稀释风道测量系统进行测量的。根据柴油机排气通过稀释风道的比例不同，柴油机排气颗粒物测量系统可分为全流式稀释风道测量系统和分流式稀释风道测量系统两种类型。在美国轻型车和重型车排放标准以及欧洲轻型车排放标准中，都必须使用全流式稀释风道来测量柴油机的颗粒排放物。在欧洲重型车排放标准中，允许使用分流稀释风道系统。我国GB17691－2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）中规定，两种测量系统均可使用。(1).全流式稀释风道测量系统在全流式稀释风道测量系统中，全部排气被引入稀释风道。图19全流式稀释风道测量系统CD-底盘测功机；AB-空气取样袋；CF-积累流量计；CFⅤ-临界流文杜里管；CS-旋风分离器；DT-稀释风道；DAF-稀释空气滤清器；DEP-稀释排气抽气泵；F-过滤器；FC-流量控制器；FL-流量计；HE-换热器；HF-加热过滤器；PG-压力表；QF-快接管接头；QV-快速作用阀；S1～S4取样探头；SP-取样泵；SB-稀释排气取样袋；SF-测量颗粒排放质量的取样过滤器；TC-温度控制器；TS-温度传感器(2).分流式稀释风道测量系统在分流式稀释风道测量系统中，部分排气被引入稀释风道。图20分流式稀释风道测量系统a）分流式风道稀释系统b）颗粒物取样系统SB-抽气泵；DAF-空气滤清器；EP-排气管；FD3-分流器；TT-输送管；DT-稀释风道；DC-缓冲室；DPT-压差传感器；EGA-排气分析仪；P-取样泵；PSP-颗粒物取样探头；FC3-流量控制器；FC1-流量控制器；HE-热交换器；BV-球阀；FH-滤纸保持架；FM3-流量计3汽车排放污染物检测方法3.1怠速法怠速法是测量汽油车在规定怠速工况下排气污染物浓度的方法，主要检测CO和HC，其常用的检测仪器是不分光红外气体分析仪。1.怠速测量法怠速工况时，发动机在无负载的最低稳定转速下运转，混合气雾化条件较差，混合气相对较浓，燃烧状况不佳，CO和HC的排放严重。因此，怠速工况历来都是作为CO和HC检测的一个重要工况。2.双怠速测量法双怠速测量法用于对汽油车怠速、高怠速工况下排气中的CO和HC浓度进行监测。所谓高怠速工况是指发动机无负载稳定运转在50％额定转速或制造厂技术文件中规定的某一高转速时的工况。高怠速时，混合气的雾化及燃烧条件有所改善，CO和HC的排放有所下降。为全面反映汽车CO和HC的排放状况，提高测量精度，并监控因催化转化器效率降低造成的汽车排放恶化，应将高怠速工况纳入检测范围。我国GB18285－2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》规定，装用点燃式发动机的新生产汽车的型式核准和生产一致性检查以及在用汽油车的排放检查采用双怠速法。怠速和高怠速检测的CO、HC浓度应分别符合排放标准要求，对于使用闭环控制电子燃油喷射系统和三元催化转化器技术的汽车，其高怠速时检测的过量空气系数应在1.00±0.03或制造厂规定的范围内，否则为不合格。怠速法检测具有操作简便、测试时间短、效率高、测试仪器便于携带等优点，因而怠速法极适用于汽车检测站对在用汽车排放性能的年检测试、环保部门对在用汽车进行排放监测。3.2工况法工况法是将汽车若干常用工况和排放污染较重的工况结合在一起测量排放污染物的方法。工况法的循环试验模式应根据汽车的排放性能、行驶特点、交通状况、道路条件、车流密度和气候地形等因素，对大量统计数据进行科学分析后来制定，以最大限度地重现汽车运行时的排放特性。采用工况法测量汽车排放污染物时，可在汽车底盘测功机上进行（图21）。图

21工况法测量汽车排放污染物（在汽车底盘测功机上进行）1.稳态工况法稳态工况法（AccelerationSimulationMode，ASM。也叫加速模拟工况法）由多种稳态工况组成。我国于2005年7月1日起实施的GB18285－2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》规定，全国点燃式发动机在用汽车的排放监控，在机动车保有量大、污染严重的地区，可采用稳态工况法。图

22稳态工况法（ASM）试验运转循环2.瞬态工况法瞬态工况法（TransientLoadedMode）由多种瞬态工况组成。我国于2007年7月1日起开始实施的GB18352.3－2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）规定，在车辆型式核准中的I型试验，采用如图23所示的运转循环。图23I型试验运转循环BS-取样开始；ES-取样结束

I型试验运转循环它由4个城区15工况循环和1个城郊13工况循环组成。检测时，将汽车放置在带有负荷和惯量模拟装置的底盘测功机上，并根据车辆参数自动设定底盘测功机载荷，然后按规定的运转循环测量排放物浓度。1）城区15工况循环城区15工况循环模拟的是城市条件下汽车的行驶工况，其瞬态工况运转循环如图24所示，具体说明见表2。2）城郊13工况循环城郊13工况循环模拟的是城市郊区条件下汽车的行驶工况，其瞬态工况运转循环如图25所示，具体说明见表3。工况法是当今世界最为科学并得以广泛使用的汽车排放试验方法，是汽车排放检测规范的发展趋势。工况法一般多用于新车的型式核准试验和生产一致性检查。图

24城区15工况循环图

25城郊13工况循环3.3烟度法烟度法是指对柴油车排烟浓度进行监测的方法，可分为稳态测量和非稳态测量两种。1）全负荷烟度测量法全负荷烟度测量法是指柴油机在全负荷稳定转速下测量柴油机排气烟度的一种方法。由于柴油车冒黑烟在全负荷运转时较为严重，因此全负荷烟度测量法是柴油车烟度检测中最常用的方法。我国于2005年7月1日起实施的GB3847－2005《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》标准中，规定压燃式发动机形式核准的烟度检测试验采用全负荷烟度测量法。我国车用柴油机全负荷烟度测量法要求：在全负荷曲线上不同稳定转速下测定排气烟度（光吸收系数值），在最高额定转速和最低额定转速之间应选取足够多的转速工况点（其中必须包含最大转矩转速点和最大功率转速点）对各种车用柴油机进行全负荷烟度测量，每一转速下的烟度测量必须在柴油机运转稳定后进行，任何一次测量结果都不得超过允许限值。全负荷烟度测量法既可在发动机上（利用发动机试验台架）进行，也可在汽车上（利用汽车底盘测功机）进行。对于高度强化柴油机和增压柴油机，由于在突然加速等过程中排烟浓度很高，因此，全负荷烟度测量法还不能反映出柴油机的全部排烟特性。2）加载减速工况法加载减速工况法（LugDownMode）是一种在汽车底盘测功机上模拟车辆负载稳定运行时测量压燃式汽车排气烟度的方法（图9-28）。

GB3847－2005《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》规定，在机动车保有量大、污染严重的地区，对于压燃式发动机在用汽车的排放监控采用加载减速工况法检测烟度。图

26测量汽车排气烟度（加载减速工况法）2.非稳态烟度测量非稳态烟度测量是指柴油车在变工况条件下利用不透光烟度计检测其排气烟度。柴油机在非稳态下的排气烟度受多种不稳定因素影响而变化很大，为了客观公正地反映柴油车的排烟特性，对非稳态烟度测定应有严格控制的试验规范。目前，非稳态烟度测量广泛使用自由加速烟度法。我国2005年7月1日实施的GB3847－2005《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》中，规定在用汽车检测使用自由加速烟度法。自由加速烟度法是指柴油机从怠速状态突然加速至高速空载转速过程中进行排气烟度测量的一种方法。典型的自由加速烟度检测规范如图27所示。图

27自由加速烟度检测规范3.4随车检测诊断法随车检测诊断法是指利用车载测量（On-BoradMeasurement，OBM）系统或车载诊断（On-BoradDiagnostics，OBD）系统随车监测汽车排放是否超标的一种方法。现代汽车的车载测量系统是一种就车安装的排放测量系统，具有实时监测汽车发动机排放水平的能力，能鉴别并记录汽车发动机排放超标的测量数据。在这种车上，人们可根据其测量数据随时了解汽车的排放状况。根据中国Ⅲ、Ⅳ阶段（GB18352.3－2005）汽车排放检测标准规定，将来轻型汽车必须装有车载诊断系统。这种系统具有自诊断功能：当汽车运行时，若电控系统出现故障、排放超标、催化转化器效率下降、氧传感器损坏等，则故障指示灯（MalfunctionIndicatorLamp，MIL）或检查发动机（CheckEngineSoon）指示灯就会闪烁，随时提醒车主尽快去维修站检修车辆。2.4汽车排放污染物检测标准1汽车污染物排放量表示方法汽车排放污染物的排放量根据不同的排放项目，常用浓度排放量、质量排放量、比排放量和排气烟度来表示。(1).浓度排放量浓度排放量常用体积分数和质量浓度表示。体积分数是指排气体积中污染物所占的体积比，根据实际污染物浓度的不同，可分别用%、10-6或10-9来表示。