气体成分分析

气体成分分析第1页，课件共41页，创作于2023年2月三、汽车及发动机排放检测方法怠速法—仅监测汽车或摩托车用汽油机怠速时排气中的CO，HC体积浓度。方法简单，设备便宜，但考核不全面。工况法—能比较全面地考核车辆或发动机在整个工作范围内的排放状况。系统复杂，设备昂贵，但考核比较全面。排放标准体系：美国EPA，欧洲ECE，我国采用ECE标准体系。排放限值检测车辆测试环境测试设备测试循环取样方法检测操作数据处理第2页，课件共41页，创作于2023年2月测试循环欧洲轻型车标准测试循环十三点工况法美国城市标准测试循环第3页，课件共41页，创作于2023年2月采样方法直接取样(DirectSampling)：存在冷凝、吸附问题定容取样（CVS—ConstantVolumeSampling)：稀释采样全流法（FullFlowSampling)部分流法(ProportionalSampling)第4页，课件共41页，创作于2023年2月第2节氧含量测量氧含量测量的目的判断燃烧状况分析二冲程发动机的扫气损失测量氧含量的主要方法磁性氧量分析—物理方法氧化锆氧量分析—电化学方法20世纪60年代初出现的氧分析仪器，能与烟气直接接触，采样简单方便。与磁性氧分析仪器相比，具有结构简单，稳定性好，灵敏度高，相应快的特点。现已广泛使用。第5页，课件共41页，创作于2023年2月一、氧化锆氧量分析仪的基本工作原理氧化锆固体电解质导电机理电解质溶液依靠离子导电。某些固体也具有离子导电的性质。固体电解质------具有某种离子导电性质的固体物质。固体电解质是离子晶体结构，温度越高，导电性能越强。氧离子固体电解质------能传导氧离子的固体电解质。氧化锆是一种固体电解质。纯氧化锆基本上不导电，但参杂了一些氧化钙、氧化钇等稀土元素后，具有高温导电性。如在氧化锆中掺杂一些氧化钙，Ca置换了Zr原子的位置，由于Ca2+和Zr4+离子价不同，在晶体中形成许多氧空穴。在高温（7500C以上）下，如有外加电场，就会形成氧离子（O2-）占据空穴的定向运动而导电。带负电荷的氧离子占据空穴的运动，也就相当于带正电荷的空穴做反向运动。此即氧化锆固体电解质的导电机理。与P型半导体靠空穴导电的机理类似。第6页，课件共41页，创作于2023年2月氧化锆探头（氧浓差电池）结构原理在掺有氧化钙的氧化锆固体电解质两侧，烧结一多孔铂层，并焊上铂丝引线构成电极，形成一氧浓差电池。其一侧在参比气体（如空气）中，氧分压为p2,另一侧在待测气体中，氧分压为p1，p2>p1。高温下，氧化锆，铂和气体三种物质交界处的氧分子有一部分从铂电极获得电子形成氧离子O2-。由于两侧气体氧含量不同，形成的氧离子浓度也不同，氧离子就从高浓度侧向低浓度侧扩散，一部分氧离子跑到负极，释放2个电子变成氧气析出。这时，空气侧的电极出现正电荷，待测气体侧的电极出现负电荷，这些电荷形成的电场阻碍氧离子的进一步扩散。最终扩散作用与电场作用达到平衡，两个电极间出现电位差E，这就是氧浓差电势。第7页，课件共41页，创作于2023年2月电极上的反应：氧浓差电势E：式中：E—氧浓差电势（V）F---法拉第常数，为96484C/molR---理想气体常数，为8.314J/(mol·K)T---氧浓差电池的热力学温度(K)n---一个氧分子输送的电子数，n=4当空气与待测气体压力相等时：∵空气中氧气的体积浓度为20.8%第8页，课件共41页，创作于2023年2月当T一定时，E是φ1的单值函数。利用氧化锆探头测含氧量的注意事项：二、氧化锆氧量分析仪测量系统组成：氧化锆管传感器、二次仪表。氧化锆管传感器采取恒温和温度补偿措施。合适的工作温度。T=8000C两侧气压相等。两侧气流应有一定流速。第9页，课件共41页，创作于2023年2月温度补偿：K型热电偶热电势：由φ1=2.0%时的试验数据可见，T变化，但：所以可以进行温度补偿。第10页，课件共41页，创作于2023年2月第11页，课件共41页，创作于2023年2月第3节色谱法测量气体成分一、概述色谱法是重要的近代分析手段之一。它对被分析的多组分混合物采取先分离，后检测的方法进行定性、定量的分析。具有取样量少、效能高、分析速度快、定量结果准确的特点。原理待分析的混合物样品在流动气体或液体（流动相）的推动下流经一装有填充物（固定相）的管子（色谱柱），受固定相的吸附或溶解作用，样品中的各组分在固定相和流动相中产生浓度分配。由于固定相对各组分的吸附或溶解能力不同，因此各组分在流动相和固定相中的浓度分配也不同，导致各组分丛色谱柱流出的时间不同，从而使各组分分离。分离后的各组分经相应的检测器检测浓度。如热导检测器，火焰电离检测器，电子俘获器、焰光光度检测器等。第12页，课件共41页，创作于2023年2月分类气相色谱法—流动相为气体气固色谱—固定相为固体气液色谱—固定相为液体液相色谱法—流动相为液体二、气相色谱仪的组成与工作流程载气源不吸附溶解与样品的灵敏度相差大H2，He，Ar色谱柱填充物的选择温度控制检测器第13页，课件共41页，创作于2023年2月三、气液色谱仪的组分分离原理色谱柱分离各组分。色谱柱内充满不动的多孔微粒，其表面涂有一层液体，称为“固定相”。在一定温度、压力下，各组分在流动相和固定相内有一定的分配比k。pi—i组分在固定相中的质量分数qi—i组分在流动相中的质量分数假定：色谱柱分为5段，每段中载气占据ΔV体积，进样量W=1mg，k=1则：进样后样品在各段的分布如右。第14页，课件共41页，创作于2023年2月如将色谱柱分段分得很细，各组分的信号就为正态分布曲线。由于各组分的分配比ki互不相等，故各组分从色谱柱口流出时间（保留时间）也不相等。从而达到组分分离的目的。第15页，课件共41页，创作于2023年2月四、热导检测器（TCD，ThermalConductanceDetector)热导检测器是一种应用较广的物理式气体分析器，通过对混合气体的导热系数的测量来分析气体混合物中某一个待测组分的含量，如N2，O2，CO2，CO，H2等。广泛用于气相色谱仪中。测量原理由热力学知，混合气体导热系数λ为：式中：λi—i组分的导热系数Ci—i组分的体积浓度假定：①C1为待测组分的体积浓度；λ2≈λ3≈…≈λn；

λ1与λ2有明显差异。则：第16页，课件共41页，创作于2023年2月热导检测器的工作原理结构因λ数值很小，故将λ的测量转为热丝电阻的测量。铂丝（电热丝）长l，半径rn，l>>rn，温度tn，热导池半径rc，温度tc散热进出气体流速很低，热丝主要靠气体导热来散热。电流一定时，λ越大，散热量越大，热丝温度越低，电阻越小。热平衡时，散热量=电热丝发热量，故有：因此：测得混合气体的导热系数λ即可知1组分的体积浓度C1；导热系数差异越大，测量的灵敏度越高；由于λ是温度的函数，测量时需保持恒温；当不满足条件λ2≈λ3≈…≈λn时，需对样气进行预处理，如去除水份等，使之满足上述条件。第17页，课件共41页，创作于2023年2月可见，热丝电阻与气体导热系数之间为单值函数关系。实际热导检测器中布置有测量室和参比室。通过检测室的为经过组分分离的样品气和载气的混合气体，通过参比室的是纯载气，其中的热丝R1和R3接在电桥中，构成2个相邻的桥臂。电桥可以测出R1的变化。R3起温度补偿的作用。第18页，课件共41页，创作于2023年2月热导池的形式要求：导热为热丝主要散热形式动态相应性好对流式—单臂对流式气流流量波动影响小响应慢直通式—双臂分流式响应快气流流量波动影响大扩散式—单臂扩散式气流流量波动影响小响应很慢对流扩散式—单臂对流扩散式气流流量波动影响小响应也快第19页，课件共41页，创作于2023年2月五、氢火焰电离检测器（FID，FlameIonizationDetector）氢火焰电离检测器是一种专用的质量浓度检测器，对有机组分的测量灵敏度很高（约为热导式检测器的千倍），线性范围也很宽，对无机组分不灵敏。广泛用于气相色谱仪，检测HC。内燃机中也用FID测量排气中的总碳氢含量THC。结构原理HC组分在载气的推动下进入喷嘴与H2混合，混合气体在喷嘴出口处喷出后与空气进行扩散型混合，被点火丝点燃后燃烧产生扩散型火焰。HC组分中的C原子在缺氧的扩散型火焰中变成C离子，并产生相应数量的电子。在火焰附近布置有两个电极，其上施加有90V—200V的电压。在该电场的作用下，C离子飞向-极，电子飞向+极，在回路中形成电流，该电流的大小与HC组分中所含C原子的数目成正比。测出该电流的大小，即可知样品气中总碳氢化合物的质量浓度THC。电压控制：90V—200V太低，对C离子吸收不好太高，电极间气体放电第20页，课件共41页，创作于2023年2月第4节红外光谱法测量气体成分气体对红外辐射的反应：单原子气体和具有对称分子结构的双原子气体（如H2，N2，O2等)：不吸收具有不对称分子结构的双原子气体（如CO，CO2，H2O等)：在特定波段吸收如同“物质指纹”。根据特定的吸收波谱，可知组分的种类和浓度。下图为CO，CO2，C6H14，C3H8的吸收波谱。Bill定律—描述一定波长的红外吸收强度与气体浓度的关系式中：I0—入射强度I—经吸收后的透射强度kλ—气体对λ波长的红外辐射的吸收系数，常数。c—气体浓度l—透射过的气体厚度第21页，课件共41页，创作于2023年2月不分光红外线气体分析仪（NDIR，Non-DispersiveInfraredAnalyzer)结构红外辐射光源10，反射镜测量室：两端开窗，内充待测气体反射镜滤光器：仅让指定波段的红外辐射通过光电检测器为给信号提供零点，还需设置：参比室：两端开窗，内充比较气体（N2)斩光器：使红外辐射交替通过测量室和参比室测量原理无样气进入时：有样气进入时：注意点：样气需严格除湿、除尘仪器需经常标定标定方法：充已知浓度的标准气NDIR是内燃机测试CO,CO2排放的标准方法。第22页，课件共41页，创作于2023年2月不分光红外线气体分析仪的机芯—英国城市技术公司第23页，课件共41页，创作于2023年2月第5节化学发光法测量氮氧化合物浓度NOX是NO与NO2的总称。一般内燃机排气中的NOX，NO占95%，NO2占5%。在内燃机燃烧过程中，燃烧室内温度越高，高温持续时间越久，混合气中O2含量越高，排气中的NOX浓度越高。NO2会溶于冷凝水，生成硝酸，腐蚀设备，吸附于管壁，造成测量误差。故取样测量系统需加热，保持在水的凝点之上。化学发光法（CLD，ChemiluminescentDetector)仅能测量NO的浓度，可将NO2用加热的方法还原为NO后再测量，得到NOX的浓度。测量原理NO与O3在反应室中将发生化学反应。反应中的过剩能量促成了激发态NO2*分子的产生。激发态NO2*分子在跃迁到基态而趋于稳定时，会发射波长范围为0.6—3μm的光子（hv)—近红外线，这种化学发光的反应机理可描述为：反应体系的发光强度I与NO和O3的浓度成正比。当O3的浓度充分大以至可以忽略反应过程中其浓度的变化时，第24页，课件共41页，创作于2023年2月测量流程第25页，课件共41页，创作于2023年2月第6节烟度测量内燃机排烟的产生与成分：黑烟：主要是不完全燃烧生成的碳烟颗粒，还含有硫酸雾、多环芳香烃等液体成分和各种金属及盐类微粒；白烟：是高沸点的未燃烃和水蒸汽混合而成的液态颗粒，它的直径一般在1.0微米左右，主要是在冷起动时产生，温度低于250oC兰烟：主要是未燃烧的烃，有燃油和润滑油，以及燃烧中间产物，其颗粒较小，一般在0．5微米以下，蓝烟主要是在暖机时产生，温度在250~650oC，当发动机温度提高后，蓝烟就会消失。烟度的测量方法：哈特里奇（Hartridge)烟度计，透光型，连续测量，分度值：0（空气）—100（不透光）波许（Bosch)烟度计，滤纸式，非连续测量，分度值：0（白滤纸）—10（全黑滤纸）冯布兰德（VonBrand)烟度计，滤纸式，自动进纸，连续测量，分度值：0（白滤纸）—100（全黑滤纸）第26页，课件共41页，创作于2023年2月一、哈特里奇（Hartridge)烟度计结构光源，光电池，排气测试管空气校正管测量原理排气的透光度反映了排气的烟度。用光电池接受光源透过排气射来的光产生的光电流。烟度越大，光电流越小。零点校正烟度计刻度分度：0—100特点响应快连续测量易污染注意事项光学系统清洁取样压力控制第27页，课件共41页，创作于2023年2月二、波许（Bosch)烟度计结构光源，光电管，表头测量原理在一定的取气口用定容抽气泵抽取排气，使一定容积的排气通过滤纸，滤纸被染黑的程度能够反映排气中的碳烟含量。再用反射率检测计检测滤纸的反射率。滤纸越黑，反射率越低。烟度计刻度：0—10之间线性分度零点校正可变电阻调灯泡光强对新滤纸，刻度调零特点结构简单，使用调整方便；滤纸试样可保存；非连续测量；只能测黑烟，不能测白烟、兰烟；测量结果受滤纸品质影响。第28页，课件共41页，创作于2023年2月三、冯布兰德（VonBrand)烟度计测量原理与波许烟度计类似，也是滤纸式烟度计。与波许烟度计的不同点：滤纸传送装置自动进纸，可连续测量；滤纸传送速度和取样喷嘴面积可调，使烟度计灵敏度可以调节；分度值：洁白滤纸：0全黑滤纸：100第29页，课件共41页，创作于2023年2月各种烟度计读数之间的相互关系第30页，课件共41页，创作于2023年2月发动机排放主要测试设备

1、

汽车与摩托车共用的48”排放底盘测功机

——美国宝克公司MIM4100型2、

汽车、摩托车排气稀释和定容采集系统

——日本HoribaCVS7400T3、

柴油车微粒取样系统——HoribaDLS7100E4、

气体分析系统——HoribaMEXA-7200D5、

发动机台架测功机——奥地利AVLAFA335PUMA5测控系统，AVL439烟度计6、

中重型柴油机部分流微粒采集系统

——AVLSPC4727、汽车、摩托车、内燃机油耗仪——AVL735第31页，课件共41页，创作于2023年2月48”排放底盘测功机满足欧洲3号排放法规的轻型汽车（汽油车、柴油车）摩托车排放污染物测试。汽车、摩托车室内性能试验

动力机械与汽车、摩托车的排放性能、燃油经济性能、动力性能优化匹配研究

第32页，课件共41页，创作于2023年2月汽车与底盘测功机适用于美国EPA、欧洲ECE和中国GB-18352等标准精确模拟各种道路工况(±0.045%F.S)系统软件标准化、功能多样化整个系统包括主控计算机、测功机、司机助、模拟风机等第33页，课件共41页，创作于2023年2月

Horiba排气稀释和定容采集系统模拟车辆排气与环境空气的混合、计算流量，要求无冷凝、不影响车辆排气包括文氏管、采样袋、负压风机、控制计算机等实现循环工况总量排放测量第34页，课件共41页，创作于2023年2月柴油车微粒取样系统测量汽、柴油