第三章(3)机动车安全技术检验检测设备

第三章机动车安全技术检验检测设备主讲：李耀平高级工程师第六节汽油车排气污染物测量设备随着国民经济的不断发展，机动车的保有量日益增加。机动车在给人们人类生活带来极大方便的同时，也给人们的生活带来了一定的损害。汽车公害：空气污染、噪声污染、电磁波干扰等。GB18285-2005《在用汽车排气污染物限值及测量方法》中规定，装有点燃式发动机的车辆，在检测中要进行怠速试验、双怠速试验和加速模拟工况（ASM）试验。汽油车排气中的污染物主要有：有害物：CO、HC、NOX、SO2、CO2、铅化合物、碳烟等。无害物：N2、O2、H2、H2O等。用于测定汽油车排气污染物排放的仪器有：

1）不分光红外线废气分析仪；（非分散型）

2）氢火焰离子型分析仪；

3）化学发光分析仪。

第六节汽油车排气污染物测量设备一、不分光红外线废气分析仪（一）概述不分光红外线废气分析仪是最常见的汽油车废气分析仪之一。根据测量参数的不同仪器分为二气、四气、五气废气分析仪。二气分析仪在我国20世纪80年代开始使用,主要检测怠速状态下的HC、CO；现在四气、五气逐步取代二气分析仪。第六节汽油车排气污染物测量设备1）研究表明，机动车燃烧状态的优劣，直接影响有害排放的排放量。而废气中的CO2、O2的浓度是表征发动机燃烧状态的重要参数。正常燃烧时，废气中CO2的浓度在12%、而O2在1%左右。2）装有闭环式控制的三元催化净化器，其净化效率与发动机工作时的过量空气系数有关，要求控制在1.0附近。通过对废气中的CO、HC、CO2、O2浓度进行运算，可以得出相应的过量空气系数。3）通过对废气中CO2、O2浓度进行分析，可以发现检测过程中出现的诸如取样探头脱落，取样管路漏气的失误以及作弊现象（如排气管上打孔等）。此时排气中的O2浓度异常升高，CO2浓度异常降低。近年，机动车废气中的NO的污染也引起重视，因而在四气的基础上，增加了NO，构成了五气组分分析仪。第六节汽油车排气污染物测量设备（二）基本结构和工作原理1、基本结构1）取样系统----探头、取样管、分水器、过滤器、气泵等；2）排气分析系统----红外线光源、气样室、旋转风扇（截光器）和传感器组成；3）含量指示装置----分析气体指示表头；4）校准装置----机械校准、标准气校准。第六节汽油车排气污染物测量设备第六节汽油车排气污染物测量设备导管滤清器取样探头取样探头CO仪表HC仪表HC标准气CO标准气第六节汽油车排气污染物测量设备第六节汽油车排气污染物测量设备2、工作原理非分散型分析仪采用不分光红外线吸收原理对汽油车排气污染物中的HC、CO、CO2进行分析，对O2、NO的分析则采用电化学电池。1）不分光红外线吸收原理

可见光区红外线波长区微波区不同气体所吸收的红外线

吸光度HC对3.4红外线吸收强;CO对4.7红外线吸收强;CO2对4.2红外线吸收强.

由异原子组成的气体分子（如：CO、C3H8、CO2、SO2……）在特定的波长上吸收红外线的能量，其吸收的量与该气体的浓度成正比。第六节汽油车排气污染物测量设备气体对红外线的吸收，遵循比耳—朗博特定律。式中：I0—测量室中被测气体组分为0时，到达红外线接收器上的红外光能量。

I—测量室中被测气体组分为c时，到达红外线接收器上的红外光能量。

c—被测气体组分浓度。

l—测量室长度。红外线吸收能量与气体浓度c的关系

当测量的长度一定时，被测组分所吸收的红外线能量与被测组分的浓度成正比。第六节汽油车排气污染物测量设备气体分析光学系统结构从光源发出的红外线，经旋转切光片周期性切断，进入测量室。（测量室内通入样品气体），然后穿过滤光片，到达红外线接收器。红外线接收器将接收到的红外光能量转换成电信号输出。通过与待测组分浓度为零时的输出进行比较，即可得出被测组的浓度。第六节汽油车排气污染物测量设备电容微音器式分析装置

两个同样的红外线光源发出等量的红外线光束，一束穿过测量气室，一束穿过标准气室。在标准气室内充满不吸收红外线光能的N2气，因此红外线光束穿过时，红外线光能未受损失。而测量气室内则通以被测发动机的废气，由于废气中含有吸收红外线的CO、HC、CO2，因此红外线光能相应减少。从而，两束红外线的能量形成差异。检测室内充以适当浓度的与被测气体相同的气体(CO充CO\HC充正乙烷),并在检测室中部设有一隔膜,将检测室分隔成两个独立的封闭腔,测量时,由于两个腔所受的红外线光能不相等,因而两个腔内气体膨胀也不一致,致使两腔之间的膜片弯曲.该膜片上与电容器的一只金属片相联,由金属片的位移引起电容量变化,这一微弱信号经过放大器放大,即可在显示仪表上指示出来.电容微音器式分析装置1)红外线光源2)标准气样室3)旋转扇轮4)测量室5)电容微音器6)前置放大器7)主放大器8)指示仪表9)排气入口10)测量气室11)排气出口第六节汽油车排气污染物测量设备半导体式分析装置两个同能量红外线光源发出的红外线,分别通过标准气样室和测量气室.

红外线穿过旋转扇轮后,断续地通过标准气样室和测量气样室,经过聚光管和光学滤色片后到达半导体传感器.通过标准气样室的红外线由于未被吸收,因此能保持不变.通过测量气样室的红外线,由于被所测气体含量吸收掉一部分一定波长的红外线,因此分别通过两气样室的红外线的能量形成差异后到达传感器.半导体传感器能把上述红外线能量差异转变成电信号差异,经放大器放大后输送给含量指示装置.

1)指示仪表2)主放大器3)前置放大器4)半导体传感器5)光学滤色片6)聚光管7)标准气样室8)红外线光源9)旋转扇轮10)排气入口11)测量气样室12)排气出口第六节汽油车排气污染物测量设备2)电化学电池氧传感器结构图

O2传感器和NO传感器都属于电化学电池式传感器。O2传感器，基本形式包括一个电解质阳极和一个空气阴极组成的金属-空气有限度渗透型电化学电池。第六节汽油车排气污染物测量设备

在阴极，其反应式为：

O2+2H2O+4e-4OH-

氧原子被还原成氢氧离子。随后，在金属阳极氢氧离子被氧化，如下式所示：

2Pb+4OH-4PbO+2H2O+4e-

上述电池的反应作用，可概括为：

2Pb+O22PbO

综上所述，氧传感器是一个电流发生器，其所产生的电流正比于氧的消耗率。此电流可通过在输出端子上跨接一个电阻以产生一个电压信号。第六节汽油车排气污染物测量设备

实际应用中，氧传感器的电流或信号取决于被测氧气在渗透膜上的渗透率。在氧传感器上，使用一种特殊的塑料薄膜作为渗透膜，其渗透量受控于气体分子撞击膜壁上的微孔。如果气体分压增加，分子的渗透率增加。因此输出的结果正比于氧的分压在整个浓度范围内呈线性响应。

氧传感器在实际应用中的一个局限是氧传感器输出特性寿命。在使用一段时间后（通常在1年半左右），其输出将大幅下降至0mv，必须更换。

NO传感器的工作原理与氧传感器类似。第六节汽油车排气污染物测量设备（三）设备检定汽油车气体分析仪按JJG688-1990《汽车排放气体测试仪检定规程》并参照GB/T11798.3-2001《机动车安全检测设备检定技术条件第3部分：汽车排放气体分析仪检定技术条件》进行计量检定。用标准气样校准：接通电源对分析仪预热30min，先打开气泵，让仪器吸入清洁空气，用零点调整旋扭（按键）调整零点，关闭气泵。把标准气样灌入仪器校准气样接口：

CO—按标准气样瓶上标明的CO浓度值作为校准时的标准值；

HC—校准的标准值=标准气样（丙烷）浓度×换算系数

（正乙烷换算值）（气瓶上表明数值）（测量仪器上表明数值）第六节汽油车排气污染物测量设备检定最大允许误差仪器的最大允许误差应不超过下表规定（检定时满足a和b中任何一条即为合格）。第六节汽油车排气污染物测量设备（四）汽油车排气污染物检验程序

0.7倍的额定转数0.5倍的额定转速怠速转速

60秒15秒30秒15秒30秒

插探头稳定读平均值稳定读平均值1、怠速法具体步骤如下：a)必要时在发动机上安装转速计；b)发动机由怠速工况加速至0.7额定转速，维持60s后降至怠速状态；c)发动机降至怠速状态后，将取样探头插入排气管中，深度等于400mm，并固定于排气管上。d)发动机在怠速状态，维持15s后开始读数，读取30s内的最高值和最低值，其平均值即为测量结果。若为多排气管时，取各排气管测量结果的算术平均值。第六节汽油车排气污染物测量设备2、双怠速法具体步骤如下：a)发动机由怠速工况加速至0.7倍的额定转速，维持60s后降至高怠速(即0.5倍的额定转速)，必要时在发动机上安装转速计；b)将取样探头插入排气管中，深度等于400mm，并固定于排气管上；c)在高怠速状态维持15s基本稳定后读数，读取30s排放的CO和HC的最高值和最低值，取其平均值即为高怠速排放检验结果；d)发动机从高怠速状态降至怠速状态,在怠速状态维持15s后开始读数，读取30s内排放的CO和HC的最高值和最低值，取其平均值即为怠速排放检验结果。若为多排气管时，分别取各排气管高怠速检验结果平均值和怠速排放检验结果的平均值。

第六节汽油车排气污染物测量设备（四）判定标准第六节汽油车排气污染物测量设备（四）判定标准第七节柴油车排气污染物测量设备一、滤纸式烟度计（一）基本结构和工作原理1、基本结构采样抽气系统：抽气气缸、抽气电机、取样探头、气路管道系统和控制电路组成。测量系统：走纸机构、压纸机构、光电测量探头、测量电路和显示电路组成。滤纸式烟度计总体结构示意图（废气取样装置、污染度测量装置、污染度指示装置、校准装置）第七节柴油车排气污染物测量设备2、测量单位GB/T3846—1984滤纸式烟度计烟度值-------Rb(波许)滤纸式烟度计烟度值-------FSN—

FilterSmokeNumber

滤纸式烟度的表达式：

SF-----滤纸式烟度

R1------被污染的滤纸的反射因数

R2------洁白滤纸的反射因数（92±3）﹪R1------被污染的滤纸的反射因数

R2------洁白滤纸的反射因数（85±2.5）﹪注意：FSN与Rb略有不同。但是，由于习惯的原因GB/T3846—1993颁布后，实际应用中仍沿用了Rb这一单位。第七节柴油车排气污染物测量设备3、工作原理自由加速烟度—在自由加速工况下，从发动机排气管抽取规定长度排气柱所含碳烟，使规定面积的清洁滤纸染黑的程度。

0Rb---全白滤纸

10Rb---全黑滤纸

把取样后表面带有黑烟的滤纸，放到测量装置的规定位置，从灯泡发出的光线照射滤纸后反射回来，反射光被环型光电池接受，光电池产生电流使测试仪表产生数值。光电传感器原理图1-滤纸2-光电元件（环型硒光电池）3-光源4-指示仪表5-电源6-电阻第七节柴油车排气污染物测量设备（二）设备检定1、按JJG847-1993《滤纸式烟度计检定规程》并参照GB/T11798.5-2001《机动车安全检测设备检定技术条件第5部分：滤纸式烟度计检定技术条件》进行。2、主要内容：（1）示值误差：对烟度值约3、5、7FSN（Rb）的三种标准烟度卡，其示值误差均应不超过满量程的3%（F.S）。（2）抽气量：取样系统应保证每次抽气量在仪器所提供的实际抽气量的±5%范围以内。（3）抽气时间：取样系统每次抽气时间为1.4s±0.2s。（4）密闭性：取样系统密闭性要求在1min内，外界空气渗入量应不超过抽气量的10%。第七节柴油车排气污染物测量设备（三）柴油车排气污染物检测程序第七节柴油车排气污染物测量设备具体步骤如下：a)

由怠速工况将油门踏板迅速踏到底，4s后松开，反复三次，以清除排气管和消声器里的碳碴；b)

将取样探头插入被检汽车的排气管约300mm，并使其中心线与排气管轴线平行,固定稳妥；c)

将脚踏板开关固定在油门踏板上端；d)将脚踏板开关和油门踏板一并迅速踏到底，保待4s后迅速松开油门踏板和脚踏板开关，完成第一次检验；e)读取示值（自动）或取样（手动）；f)相隔11s后，重复d)、e)的检验步骤；g)重复检验三次，取三次检验值的算术平均值为排气烟度的检验结果。h)

当发动机出现黑烟冒出排气管的时间和抽气泵开始抽气的时间不同步现象时，应取最大烟度值。第六节汽油车排气污染物测量设备（四）判定标准装配压燃式发动机的车辆自由加速试验排气可见污染物限值第七节柴油车排气污染物测量设备二、不透光度计（一）基本结构和工作原理1、相关概念国际标准ISO11614《往复压燃式内燃机测量不透光度和确定排放气体光吸收系数的仪器》中与不透光度计相关的定义包括透光度、不透光度、光通道有效长度及光吸收系数，具体如下：

(1)透光度，光从光源通过充满烟的暗通道到达观察者或仪器接收器的传输百分率，表达式为：式中：——测量区充满干净空气时接收器上的光通量；

——测量区充满排烟时接收器上的光通量。第七节柴油车排气污染物测量设备(2)不透光度N，是指阻止光从光源通过充满烟的暗通道到达观察者或仪器接收器的传输衰减率，表达式为：

(3)光通道有效长度LA，是指光发射体与接收器之间被排烟贯穿的光束经修正后的长度(单位为m)。该长度因不透光度的梯度效应和散射效应所造成的不均匀性而需要得到修正。

(4)光吸收系数k，表达式为：或第七节柴油车排气污染物测量设备2、基本结构不透光度计（又称消光式烟度计、透光式烟度计）是利用透光衰减率来测量排气烟度的典型仪器，主要由测量单元、控制单元、取样探头、连接电缆等组成。不透光度计的组成第七节柴油车排气污染物测量设备控制单元后面板布置图第七节柴油车排气污染物测量设备3、工作原理

国际标准ISO11614《往复压燃式内燃机测量不透光度和确定排放气体光吸收系数的仪器》中关于描述如下：“不透光度计的原理是使光通过被测烟的特定的长度，用到达光接收器的入射光的强弱作为被测烟对光的吸收能力的评价。”第七节柴油车排气污染物测量设备被测排气从7进入----从左5和右8排出。发光二极管2发出的光----半反射镜3反射-----透镜4----一束平行光----左出口进入----(测量室)中的烟气----右出口射出---反射镜10反射----折返----右出口----测量室----烟气----透镜4----半透射镜3---聚焦在光电转换器1上----转换成电信号。不透光式烟度计的测量原理第七节柴油车排气污染物测量设备

测量单元的测量室是一根分为左右两部分的圆管，被测排气从中间的入口7进入，分别穿过左圆管和右圆管，从左出口5和右出口8排出。透镜4装在左出口的左边，反射镜10装在右出口的右边。在透镜4的左侧是一个放置成45°的半反射半透射镜3，它的下方是绿色发光二极管2，它的左边光电转换器1，发光二极管2及光电转换器1到透镜4的光程都等于透镜的焦距。因此，发光二极管2发出的光经过半反射镜3的反射，再通过透镜4后就成为一束平行光。平行光从测量室的左出口进入，穿过左右圆管(测量室)中的烟气从右出口射出，被反射镜10反射后折返，从测量室的右出口重新进入测量室，再次穿过烟气从左出口射出。射出的平行光经过透镜4，穿过半透射镜3，聚焦在光电转换器1上，并转换成电信号。排气中含烟越多，平行光穿过测量室的光能衰减越大，经光电转换器1转换的光电信号就越弱。

第七节柴油车排气污染物测量设备（二）设备检定1、按JJG976-2002《透射式烟度计检定规程》进行计量检定。2、主要内容：（1）检定仪器的光吸收比N：示值误差±2.0%。（2）检定仪器的光吸系数：计算得到的光吸收系数数值之间的差值。不得大于0.05m-1。第七节柴油车排气污染物测量设备(3)检定仪器测量电路的响应时间烟度计测量电路的响应时间，即插入遮光片使光接收器全被遮住时，显示仪表指针或数显值从满量程的10%到满量程的90％时所需的时间应为(1.0±0.1)s。

(4)检定仪器显示的被测烟气温度烟度计显示的被测烟气温度显示值误差不超过±5℃。

(5)检定仪器的油温测量对带有油温测量功能的烟度计，其油温测量示值误差不超过±5℃。

(6)检定烟度计的转速测量转速测量示值误差在转速为600r／min～1000r／min时不超过±20r／min；在其他范围不超过±50r／min。第七节柴油车排气污染物测量设备（三）柴油车排气污染物检测程序第七节柴油车排气污染物测量设备（四）判定标准装配压燃式发动机的车辆自由加速试验排气可见污染物限值环保检测标准检测项目/参数检测标准（方法）名称及编号（含年号）序号名称1（柴/汽油车）点燃式发动机汽车排气污染

(ASM/CO、HC、NO、双怠速法/CO、HC)压燃式发动机汽车排气烟度

(加载减速法、自由加速法/光吸收系数（k）m-1GB18285-2005点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）HJ/T240－2005确定点燃式发动机在用汽车简易工况法排气污染物排放限值的原则和方法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HJ/T241－2005确定压燃式发动机在用汽车加载减速法排气烟度排放限值的原则和方法2（柴油车）压燃式发动机汽车排气烟度

(加载减速法、自由加速法)/光吸收系数（k）m-1GB3847－2005车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车气放烟度排放限值及测量方法HJ/T241－2005确定压燃式发动机在用汽车加载减速法排气烟度排放限值的原则和方法

补充:加速模拟工况法(ASM工况法)汽车排气检测系统

(一)概述加速模拟工况法(ACCELERATIONSIMULATIONMODE，简称ASM工况法)是美国加利福尼亚州汽车维修管理局推行的一套汽车排放污染物检测方法，在美国若干个州得到推广。我国的北京市在2002年开始试行，2003年全面实行了这一方法，GB18285-2005也将这种方法列为试验方法之一，对2001年1月1日以后上牌照的M1类车辆将按该方法进行试验。按以往的做法，对在用汽车排放检测使用的是怠速法和双怠速法，由于这两种方法与汽车行驶时的工况有较大差异，不能完全反映汽车的实际排放水平。而且，汽车排放物中的NO，只是在汽车有负荷，且发动机温度较高时才生成，在怠速工况下，NO的生成都很少，但NO却是汽车排放物中的一种主要的污染物，对环境空气的污染后果较大，有必要进行有效的检测和控制。

补充:加速模拟工况法(ASM工况法)汽车排气检测系统

比较有效的方法，是国家标准GB18352.1—2001《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》中规定的多工况法试验方法，这种方法比较符合汽车在道路上运行的实际情况，能较为真实地反映汽车排放污染物的实际水平。但是这种试验方法设备庞大、耗资巨大、试验周期长，对在用车实行这种方法进行监督和检查，显然是不可能的。所以通常都是在新车进行型式认证试验，或者是对批量生产的车辆以抽查的方式进行一致性检查时，采用多工况法进行试验。为了解决怠速法、双怠法与汽车运行情况差异太大，而多工况法又过于复杂这一矛盾，ASM工况法(也称简易工况法)为在用车的汽车排放检测多增加了一种选择，而且被很多地方的政府管理部门所接受，成为正在投入使用的新方法。ASM工况法的特点在于在试验期间，给汽车施加一定的稳定负荷，在这种情况上，进行汽车排放物的检测。本节将对有关情况作简要介绍。

补充:加速模拟工况法(ASM工况法)汽车排气检测系统

ASM工况法

ASM工况法采用底盘测功机对汽车施加一定的负荷，采用废气分析仪对试验过程的汽车排放物进行检测，并结合汽车的基准质量对汽车排放是否合格进行判别。ASM工况法分为两种工况：

1．5025工况

2．2540工况

1．5025工况(1)试验要求

a)汽车在底盘测功机上的运行速度：25km／h。

b)底盘测功机对汽车的加载功率：相当于被试验汽车在加速度为1.475m／s2时的输出功率的50％。

c)试验时间:由0km/h→25km/h加速过程时间:3.5s～8.5s，检测前的稳速时间:10s，检测时间:最多90s。(2)试验过程车辆经预热后，加速到25km/h，测功机根据试验工况要求加载，驾驶员应控制油门，使车辆速度保持在25km/h±1.5km/h范围内稳速运行，维持10s后开始记时(t