汽车排放技术讲座

汽车排放检测技术讲座

汽车排放检测技术讲座提纲：第一节：汽车排放检测技术的发展第二节：汽车有害排放污染物及其生成机理和对环境的危害。第三节：汽车有害排放污染物的检测第四节：汽车排放检测仪的基础知识及结构原理第五节：汽车尾气净化治理和汽车检查维护制度及排放控制第六节：汽车排放的有关国家标准第七节：排放检测仪的操作与使用

第一节：汽车排放检测技术的发展

1983年，我国颁布了控制汽车怠速污染物的有关标准，例如：GB3842-83《汽油车怠速污染物排放标准》等。（注：该标准在1993年重新修改为GB14761.5-93）

为了适应这一系列标准的贯彻实施，相关的汽车怠速排放污染物检测仪器（以下简称“汽车废气分析仪”）在我国逐渐发展起来，并形成了一定的生产能力。随着半导体材料与电子计算机技术的飞速发展，上述检测仪器的技术水平已有了很大的发展。本文回顾了这一发展过程，介绍了目前已在或即将在我国开始应用的新技术，供同行参考。汽车废气分析仪是基于气体的红外吸收原理进行工作的。即：由多原子组成的气体分子，在某一特定波长的范围内，吸收红外光能量，其吸收量与气体浓度成正比。实现这一原理的方法（或技术），经历了不同的发展阶段，具有不同的结构，下面分述之。1.单组分、双光路、电容式检测结构此种结构的主要特征是：每一个检测机构只分析一种组分；双光路；采用电容式检测器（如图1所示）。

两个光源发出能量相等的两束红外光IR0,ISO。切光片是一个周期旋转的扇形挡光片，把两束光周期性地遮断，打开。参比气室充有不吸收红外光的气体（例如N2），样品气体从样品气室的入口通入，从出口流出。电容式检测器由一片金属膜分隔成左右两个接收室，此接收室充有一定浓度的被测组分气体，金属膜旁有一平板电极，与金属膜构成一平板式电容器。当被测气体浓度为零时，样品气室内没有红外光能量被吸收，因此IS=ISO。参比气室如上所述充的是不吸收红外光的气体，因此也没有红外光能量的损失。即IR=IRO。所以，Is=IR。入射到检测器左、右接收室的红外光能量相同。接收室内的气体吸收的红外光能量相同，所产生的压力相同，薄膜两边的压力平衡，不产生位移。当被测气体浓度不为零时，样品气室内的待测气体组分吸收了一部分红外光能量，导致Is＜Iso,因此IS＜IR,入射到检测器左接收室的红外光能量大于右接收室。所以，左接收室内的气体有较多的红外光能量吸收，产生较大的压力。而右接收室内的气体只有相对较少的红外光能量吸收，产生较小的压力。薄膜两端产生压力差，在此作用下，薄膜向右移动，电容器的极间距离减少，电容量增加。当IR0和ISO在切光片旋转的过程中被遮断时，IR和IS都为零，检测器两接收室的压力消失，薄膜回复到原始状态，电容量复原。综上所述，在挡光片同期性地遮断、打开过程中，电容量也产生周期性的变化，其变化量正比于被测气体的浓度。把电容变化量通过相应电路检测出来，就可知被测气体的浓度。此种结构是一种经典型的结构，从60年代起开始在国外应用，其特点如下：

a).应用经验比较成熟，国内80年代的汽车废气分析仪采用。（例如：佛分厂的MEXA-324F）b).结构复杂，加工精度要求高。c).一个检测机构只能测试一种组分。

d).可靠性低。（存在检测器漏电、漏气隐患）2、多组分、单光路、半导体检测器结构随着半导体材料技术的发展，半导体红外检测器（例如热电堆检测器、热释电检测器）在汽车废气分析仪上得到了广泛的应用，其发展趋势将取代前述的电容式检测器，图2示出这种结构的原理图。这种结构的主要特征是：每一个检测机构可以分析2-3种组分；单光路；采用半导体检测器。

从光源发出的红外光投射到样品气室，当样气中被测组分（CO、HC）为零时，没有红外吸收产生，通过滤光片之后到达半导体红外检测器上的红外光能量最强，半导体红外检测器输出信号最大。当样气中被测组分不为零时，CO和HC气体将吸收部分对应其吸收波长的红外光能量。使得到达相应的半导体红外检测器上的红外光能量减少，其输出信号减少。通过比较半导体红外检测器输出信号减少的程度，就可测出相应的CO、HC气体浓度。光路中的滤光片是一种窄带通滤光片，它仅允许相应于CO（或HC）红外吸收波长的那部分红外光能量通过，其它波长截止。因此在其后的半导体红外检测器的输出信号只反映某一相应的气体（CO或HC）浓度，从而实现在一个光路中检测多种气体组分的功能。图中的切光片按一定转速旋转，把光源发出的红外光周期性地遮断、打开，使半导体红外检测器输出信号为交变信号，从而使整个机构工作更稳定，灵敏度更高。 此种结构是一种比较先进的结构，从80年代初期开始在国外投入使用，国内也有部分厂家在近年生产出采用上述结构的仪器，（例如南华仪器有限公司NHA-201）其特点如下：a).结构简单，在一个检测机构上可完成多种组分的检测。b).可靠性高。c).在“放大及信号处理模块”中采用单片计算机技术后，可方便地实现自动调零、线性化、压力补偿、温度补偿、数字显示和通讯等先进功能。3.关于脉冲光源的应用在前述两种结构中，旋转式切光片都是必不可少的组成部分，通常它采取等分式扇形结构，如图3所示，在电机带动下旋转，将光源发出的红外光分割成方波式光束。

随着材料科学的不断发展以及计算机技术的普遍应用，从90年代初，国外某些厂家开始采用脉冲光源，从而摒弃了检测机构中的转动部分。所谓脉冲光源，其发热体采用热惯量极少的发热材料，可在瞬间使发热体达到规定的温度，再配上由计算机精确控制的脉冲式供电电源，组合而成。采用脉冲光源的检测机构，具有如下明显优势：a).没有运动部件，寿命更长。b).体积更小。c).预热时间大大缩短，通常只需5-10min即可。4.关于气流调制方式前述几种结构形式，都需对红外光束进行调制，以便获得交变信号，提高测量的稳定性及灵敏度。最近，国外某厂家开发出一种全新的调制方式---气流调制方式，即按一定的周期，向样品气室交替导入待测气体和零气体，这样就可以得到与待测气体浓度对应的交变电信号。

无论采用旋转切光片或脉冲光源对红外光束进行调制，当样品气室内被测组分浓度为零时（简称零气），检测器将输出一定幅度的交变信号，而在被测组分不为零时，这一交变信号的幅值将会变小，其与零气体时的交变信号幅度的差值，则表征被测气体的浓度。见图4（a）所示。由于光源的微小变化，以及其它外界因素的影响（例如温度），都会导致检测器在零气状态时的输出交变信号幅值产生变化，此即零位漂移。它限制了仪器测量精度的进一步提高。而对于气流调制方式而言，当在零气体状态时，检测器输出的交变信号的幅值永远为零（见图4（b）所示），从而从根本上解决了零位漂移的问题。这一方式的不足之处是其气路结构稍微复杂，要求较高。5.多组份、多功能废气分析仪的应用趋势

从环境保护的角度出发，早期的汽车排放标准（例如：GB3842-83）对汽车怠速废气中的有害成分CO及HC提出了限制规定。因而，相应的汽车废气分析仪也只对汽车废气中的CO及HC进行测量。所以广泛应用的是两组分的汽车废气分析仪。在对汽车废气中有害成分的生成因素进行分析后，人们发现，要降低有害成分的浓度，其中一个主要条件是发动机的燃烧情况必需良好，而汽车废气中的O2和CO2浓度，是表征发动机燃烧情况的重要依据。

因此，从80年代末期开始，欧洲、美国等工业化国家，已普遍采用四组分（CO、HC、CO2、O2）汽车废气分析仪对汽车废气进行检测，国际标准ISO3930:1993《道路车辆检测修理用气体排放测量设备技术规范》规定了汽车废气分析仪的测量组分为CO、HC、CO2、O2。近年推出的四组分汽车废气分析仪兼有提供过量空气系数λ的功能，使用户能直观判别汽车发动机的工作情况。目前，我国在制订有关汽车废气的相关标准时，基本上是等效采用国际标准。因此，采用四组分汽车废气分析仪检测怠速工况下的汽车废气，是必然的发展趋势。

近年，更有五组分（CO、HC、CO2、O2、NO）汽车废气分析仪面市，其原因是造成大气污染中的主要成分之一--NO，越来越引起人们重视，因而将其列入检测对象。在我国2001年7月1日实施的GB18285-2000对NO的限值标准和试验方法有了明确的规定。此外，随着双怠速法（即在怠速和高怠速工况下，对排气进行检测）在某些地区的实行（例如欧洲和我国的北京、上海），要求汽车废气分析仪具有转速和机油温度的检测功能，以及转速达标控制，检测时间控制，自动检漏，自动判别管路HC残留物等功能，使废气分析仪正朝向多组分、多功能的方向发展。6.电子计算机技术在汽车废气分析仪上的运用

随着电子计算机技术的不断发展，进入90年代以来，在汽车废气分析仪上应用电子计算机技术已越来越普遍，它可以使仪器具备（增加）下列功能：*零位自动调节*量程自动切换*线性化指示*温度自动补偿*压力补偿*数字化显示*简单故障自诊断从而使仪器的性能得以提高，使用更为方便。具备初级智能化的功能。因此，是否在仪器内采用电子计算机技术，已成为新型和老式仪器的分水岭。7.汽车废气分析仪技术指标的不断提高

近年来，汽车排放要求越来越严格，汽车废气净化技术取得很大进展，包括在国内，很多汽车都已实现了低排放，甚至“零”排放。从而也促进了检测仪器精度的相应提高，表一给出了不同时期，国内或国外有关标准中，关于汽车废气分析仪的最大允许误差指标。

8.汽车尾气的检测速度要求加快

为了加快汽车尾气的检测速度，尾气遥感检测技术在美国和其它的一些国家和地区得到了应用，北京市也引进了这种先进设备，已用于汽车尾气的监测和控制。遥感检测技术来源于美国航天局，是长距离的吸收光谱法，当汽车从车道通过时，汽车的尾气排放值立即显示出来，同时车牌和汽车尾部被拍摄出来。与汽车排放有关的各种数据都被电脑记录下来，由于鉴别汽车是否存在排放控制问题需要维修，也可判断该车是否为清洁车辆，而允许其免除下一次的定期尾气检测。对不同车型的汽车和重污染车达到快速有效的检测。每小时可检测5000辆。

由表中可见，国内所执行的标准较之国外标准已明显落后，据悉，有关部门正在修订中，将会向国外先进标准靠拢。综上所述，随着时间的推移，技术的发展，汽车废气检测仪器的制造技术也在不断发展，为有效控制汽车废气污染提供了越来越先进、实用性更强的检测仪器。了解和掌握相关的知识，将使有关人员在购置、使用这些仪器时更为清楚地了解有关特点，从而为更好地开展汽车废气污染治理工作打下良好基础。这也是笔者编写本文的主要目的。第二节汽车有害排放污染物及其生成机理

和对环境的危害★汽车污染物各排放源相对排放量一、汽车排放污染及其危害

★汽车排放污染物及其危害二、污染物的生成：1、CO的生成：（1）氧气不足（2）混和不匀（3）分配不匀（4）高温离解（5）壁面激冷（淬熄）（6）排气系统HC的不完全氧化2、HC的生成：（1）壁面激冷（2）燃料完全不燃烧（3）燃料不完全燃烧3、NOX的生成：内燃发动机排出的氮氧化物主要是NO，而NOX含量少。内燃机燃烧室出现的NO，是在高温有氧条件下的生成物，是氮和氧的反应物，而不是来自燃料本身。NO排到大气后遇氧能生成的NO2及其它氮氧化物。

加强汽车尾气治理迫在眉睫，这既是环境保护的需要，也是汽车修理行业本身的需要。通过汽车尾气排放的检测和治理可以了解发动机的燃烧状况，分析产生尾气超标的原因，进一步改善汽车运行状态。第三节：汽车有害排放物的检测

各国汽车排放中，对有害排放物的检测，都规定使用一定的检测运转方法，一定的取样方法和一定的排气成分分析仪。1、排气成分的检测运转方法（1）怠速法汽油汽车或其发动机处于怠速运转工况，用以检测其CO及HC的排放浓度，检查其是否符合排放标准。（2）工况法检测汽车在底盘测功机上按既定的程序以怠速、加速、等速、减速工况交替运转，使用复杂、价昂的排气分析仪通过程序控制系统自动检测出CO、HC及NOX的排放值，一般用克/公里表示检测值。用工况法检测汽车有害排放物比较科学。（3）台架工况法将重型汽车的发动机装于发动机试验台架上，按一定的规范以若干个不同工况、循环运转、检测其有害排放物。（4）柴油车烟度检测的试验工况柴油车烟度分稳态和非稳态两种。稳态烟度测定适用于发动机台架上进行，非稳态烟度测定的工况有自由加速法与控制加速法。a.自由加速法

无负荷加速工况下时测定烟度。检测方便，欧洲、日本广泛采用。b.控制加速法

试验循环由怠速、加速、额定转速、过载和中面转速等工况组成。

2、排气取样方法（1）直接取样法（2）全量取样法（3）比例取样法（4）定容取样法3、排气分析仪（1）不分光红外吸收型分析仪（2）氢火焰离子化型分析仪（3）化学发光型分析仪（4）激光光声光谱仪4、烟度的测定方法与烟度计（1）波许（Bosch）烟度计

（2）哈特里奇（Hartridge）仪（3）重量式烟度计1、不分光红外检测仪的分类：二气分析仪：（HC、CO）三气分析仪：（HC、CO、NOX）第四节：汽车排气检测仪的基本知识和结构原理

四气分析仪：（HC、CO、O2、CO2）λ、转速、油温五气分析仪：（HC、CO、O2、CO2、NOX）λ、转速、油温HC、CO、CO2采用不分红外光原理检测，O2、NOX采用电化学传感器检测，λ（过量空气系数）是通过HC、CO、O2、CO2的值计算出来。2、测量汽油车排放的废气分析仪（1）单组分、双光路、电容式检测器的废气分析仪（2）多组份、单光路、半导体检测器的废气分析仪

不分光红外气体分析仪利用每一种特定的被测气体的红外吸收光谱通过计算正比于气体浓度的被吸收能量来测定样品气室的浓度。

I0I1

LI0：入射红外光I：出射红外光L：气体层比度C：气体浓度根据比耳定律:

ΔI=I0-I1=IO(1-e-KCL)

当气体层比度一定时，被测气体吸收的能量ΔI与气体浓度C成一一对应关系。废气分析仪可分为三个部分：a.分析部件：又称“机芯”、“光学平台”。它的作用是把红外光的能量转变成电信号。它包括红外光源、气室、检测器等。“机芯”的先进性反映了仪器的精度，稳定性和先进性。b.数字处理及控制系统：它可以实现的功能有：零位自动调节、量程自动切换，线性化指示、温度自动补偿、压力补偿、数字化显示、检漏，简单故障自诊断。计算机技术在仪器中的应用是仪器制造业的一个飞跃。使仪器操作简单、使用方便。滤纸式烟度计C.气路系统基本包括：取样探头取样管前置过滤器气水分离器电磁阀气泵测量气室排气管有些仪器还增加了其它一些装置如：增加一组气路，用于加快响应时间，在气路中有标定仪器用的标准气通道，有检漏装置及气路阻塞时的报警装置等等。滤纸式烟度计3、测量柴油车排烟的仪器（1）滤纸式烟度计滤纸式烟度计

R2-R1SF=╳10R2

式中

SF：烟度R1：污染滤纸的反射因数R2：洁白滤纸反射因素10：烟度计的满量程测试滤纸采用标准过滤纸：滤纸白度为85±2.5%时，用Rb表示，单位为波许滤纸白度为92±3%时，用SF表示，单位为FSN滤纸式烟度计不透光度仪4、不透光度仪

不透光度仪是利用透光衰减率来测定排气烟度。由于排气是连续不断通过测试管，所以不论是发动机稳定工况、非稳定工况或过渡工况的烟度都可方便测出。既可测出排气中的碳烟烟度，也可测定排气中的水气（白烟）和油雾（蓝烟）。

第五节：汽车尾气的净化、治理和汽车检查维护制度及排放控制1、排气净化措施（1）前处理净化

对进入发动机燃烧室的燃料与空气作有益于净化的预处理，主要有排气再循环。燃料掺水，增压中冷、减少或清除汽油中的含铅量，采用能减少有害排放物的化学添加剂等。（2）机内净化

从有害排放物的生成机理出发，在燃烧室内部对有害排放物的生成反应予最大限度的限制，而对他们的消失反应尽量提供有利条件，进而从根本上达到减少排气污染的目的。（3）后处理净化

对已排出发动机燃烧室而尚未排到大气中去的废气，在排气系统中做进一步净化处理。2、汽车检查维护制度和排放控制（1）I/M制度：通过对在用汽车的检查，确定其排放污染严重的原因，然后有针对性地采取维修措施，使在用车最大限度的降低排放物。（2）I/M制度的主要内容：A、I/M制度法规B、在用车污染物排放测试方法及标准C、I/M网络建立D、质量保证体系E、人员培训F、信息传输及反馈（3）我国现行的汽车检查维护制度、排放控制和I/M制度的关系：A、在用车排放控制的主要途径：限制在用车的使用；改进燃料品质；增加排气净化的附加装置；汽车发动机燃料供给系统进行技术改造；加强在用车的检查维修。B、汽车检查维护制度：定期检测；强制维护；视情修理。C、我国现行的检查维护制度与I/M制度在治理排污方面，无论是思维方向还是具体方法和操作程序极为相似。只是侧重点不同。目前还没有把控制汽车排放置于最关键、最突出的位置之上。D、完善汽车检查维护制