发动机排放测试

10本章主要内容：介绍了CO、HC、NOX和微粒等排放污染物的测试仪器的工作原理和测试方法，表达了曲轴箱排放物和蒸发排放物的测试要点。是争论汽车有害排放物的形成及其掌握技术和装置的重要前提趋严格，其排放测试技术也不断地完善。就必需要有合理的采集排气样气的取样系统仪器。汽车排放污染物取样系统取样是汽车排放测试的第一环，在不同条件下，需要不同的取样技术。取样方法不同，统。取样的正确与否对测量结果的正确性关系极大。理论上可先测出成分浓度和排气流量随时间的变化曲线然后再对时间积分计算总量量结果的失真。下面针对每种取样方法并结合取样系统分析它们的特点。直接取样系统家和地区的各种用途发动机的排放测量中。为简化排放测量程序，提高测量精度，总质量大于3500kg的重型车辆排放气态污染物一般均在稳定工况下测量。图10-1为适用于重型车辆气态排放物的直接取样分析系统流程图。10-1直接取样分析系统流程图P把排气经加热取样管HSL〔保温45～473HFID分析HHSL36～473KHCLASL输送到不分光红外线吸取型NDIR分析CO和CO2。为了排解水蒸气对NDIR工作的干扰，用温度保273～277K的槽型冷却器B来冷却和分散排气样气中的水分。取样探头一般为一端封闭、多孔、平直的不锈钢探头，垂直插入排气管内80%343KNG〔NaturalGas〕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～2.5米的位置。稀释取样系统FFDSS〔FullFlowDilutionSamplingSystemPFDSS(PartialFlowDilutionSamplingSystem)。全流稀释取样系统10-2PDT和微粒取样系统PSS等构成的单级稀释取样SDS〔SingleDilutionSampling〕系统；也可是由初级稀释风道PDT和次级稀释取样系统SDT组成的双级稀释取样DDS(DoubleDilutionSampling)系统。图10-2 全流稀释系统EP-排气管；PDP-容积式泵；CFV-临界流量文杜里管；HE-热交换器；PDT-初级稀释通道；DDS-双级稀释系统；PSP-颗粒物取样探头；PTT-颗粒物传输管；SDT-次级稀释通道；DAF-稀释用空气过滤器；FH-滤纸保持架；SP-颗粒物取样泵；DP-稀释用空气泵；GF-气体计量仪或流量测定仪一般说来，排气管EP从发动机排气歧管或涡轮增压器出口，到稀释通道的排气管长度10m4m4m的局部都应隔热。隔热材料的径25mm673K0.1W/(m·K)。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EPDAF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。对仅用于SDS的颗粒物取样探头PSP和仅用于DDS的颗粒物传输管PTT1012mmPSP探头前端到滤1020mmPTT910mm，颗粒物样气的出口必需位于次级稀释通道的中心线上，并朝向下游。分流稀释系统进展稳态测量微粒排放时，可把一局部柴油机排气输入稀释风道的分流稀释取样系统。图10-3为测量重型车用柴油机稳态微粒排放用的分流稀释取样系统。图10-3 分流稀释取样系统EP-排气管；PR-取样探头；ISP-等动态取样探头；EGA-排气；TT-颗粒物取样传输管；SC-压力掌握装置；DPT-差压传感器；FC1-流量掌握器；GF1-气体计量仪或流量测定仪；SB-抽风机；PB-压力机；DAF-稀释用空气过滤器；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-滤纸保持架；SP-颗粒物取样泵；FC2-流量掌握器；GF2-气体计量仪或流量测定仪；BV-球阀EP中的排气通过颗粒物取样探头ISPPRTT输送到稀释通道DTDT的稀释排气流量用颗粒物取样系统PSS中的流量掌握器FC2和颗粒物取样泵SP掌握，稀释空气流量用流量掌握器FC1掌握。定容取样系统取样CVS〔ConstantVolumeSampling〕系统取样。除取样袋收集的气体外，大局部排气被排出取样器，由测量器测量排出气体的总流量。测量总流量的常用方法有：一是用容积泵PDP〔PositiveDisplacementPumpCFV〔CriticalFlowVenturi带容积泵的定容取样系统10-4所示。容积泵PDP每转的抽气体积是肯定的，只要转数不变，总流量就不变。PDP系统可使流量无级变化，但构造浩大，且流量受温度影响大。图10-4 带容积泵的定容取样〔PDP-CVS〕系统D-稀释空气滤清器；M-混合室；H-热交换器；TC-温度掌握系统；PDP-容积泵；T1-温度传感器；G1、G2-压力表；S1-收集稀释空气定量样气的取样口；S2-收集稀释排气定量样气的取样口；F-滤清器；P-取样泵；N-流量掌握器；FL-流量计；V-快速动作阀；Q-快速接头；BA-稀释空气取样袋；BE-稀释排气取样袋；C-容积泵转数计数器；虚线局部-压燃式发动机车辆分析HC时的附加设备；Fh-加热滤清器；S3-取样口；Vh-加热式多通阀；HFID-加热式氢火焰离子型；RI-记录积分瞬时HC浓度设备；Lh-加热取样管承受临界流量文杜里管的定容取样系统承受临界流量文杜里管的定容取样系统如图10-5所示。其总流量由一临界文杜里管CFV来确定，只要文杜里管肯定，总流量就不变。该系统受温度影响较小，构造相对简洁，但只可通过切换文杜里管来转变流量，且只能有级地转变。图10-5 样〔CFV-CVS〕系统AB-稀释空气取样袋；CF-积存流量计；CFV-临界流量文杜里管；CS-旋风别离器；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-流量掌握器；FL-流量计；HE-换热；HF-加热过滤器；PG-压力表；QF-快接收接头；QV-快作用阀；S1～S4-取样探头；SB-衡释排气取样袋；SF-测量微粒排放质量的取样过滤器；SP-取样泵；TC-TS-温度传感器10-410-5分析可知，发动机的排气经排气管排入混合室M或稀释风道DT，用经过稀释空气滤清器D或DAF过滤的环境空气稀释，形成恒定体积流量的稀释排气。排S2或取样探头S2送到稀释取样袋BESB测试循环完毕后，通过测量取样袋中各污染物的浓度，然后结合CVS系统中流过的稀释排气总量，就可获得发动机在测试循环中各污染物的总排放量。为了保证CVS系统的取样精度，流经系统的稀释排气质量流量必需保持恒定。流量掌握器N，用于保证在试验过程中，从取样探头处采集的样气流量稳定〔约10L/min样气流量应保证在试验完毕时，样气足以够供分析用。流量计FL，用于在试验期间调整和监控气体样气的流量稳定。测试柴油机时，因较重的HC可能在样气袋中冷凝，需对HC进展连续分析，因此，稀释排气用加热到463K的管路输送到分析器，并用积分器测试循环时间内的累计排放量。柴计组成的微粒取样系统。为保证排气与稀释空气均匀混合，CVS系统中稀释排气流淌必需满足雷诺数Re>4000。排气成分CO和CO2用不分光红外线气体测量，NOX用化学发光测量，HC用氢火焰离子型测量。当需从总碳氢化合物中别离出非甲烷碳氢化合物时，一般用气相色谱仪测量甲烷。发动机排气中的氧多用顺磁测量。NDIR〕不分光红外线气体NDIR〔Non-DispersiveInfra-RedAnalyser红外线的选择性吸取原理提出的。红外线是波长为～600μm的电磁波，多数气体具有吸取CO能吸取～5μm的红外线，CO24～4.5μm的红外线，CH4NO能吸取的红外线，不分光红外线气体依据其特定的吸取来鉴别气体分子的种类。10-61射出的红外线经过旋27和装有不吸取红外线的气体〔如氮〕的参比室4，透过两室的气体后进入检测器5。检测器有两个接收气室，当样气室中的被测样气浓度变化时，两个承受气室承受的红外线辐射能的差异也发生变化，导致分隔两气室的薄膜6两侧压变化。由截光盘调制的周期性变化引起电容器电容量周期变化号。为防止其它气体成分对被测成分测量的干扰，在光路上设置了滤波室3和8，滤掉干扰COCO2CH4等，分析时就不会受排气中的CO2和CH4成分的干扰；分析CO2CO、CH4等。CO和NO取样流程中应串联有冷却器或除湿器，以尽量除去水分。不分光红外线气体测量NOHC时，只能检测某一波长段的HC，如检测器接收室内充填正己烷，那么测量仪器对含量而不代表各种HC的含量，所以总的准确度较差。排放法规规定，COCO2用不分光红外线气体测量。图10-6 不分光红外线气体工作原理图1-红外光源；2-截光盘；3、8-滤波室；4-参比室；5-检测器；6-电容器薄膜；7-气样室化学发光〔CLD〕X化学发光CLD〔ChemicalLuminescenceDetector〕用来测量NO浓度，其优点是感应度高，体积分数可达10-7，应答性好，在10-2浓度范围内输出特性呈线性关系，适用于连续分析，是测量NOX的标准方法。XCLD只能直接测量NO，其原理基于NO与臭氧的反响：2NO+O3→NO2

*+O

〔10-1〕2 2NO*→NO+hυ 〔10-22 2式中：h—普朗克常数；υ—光子的频率。2 2 2 NO与O3反响生成NO10%NO*NO*衰减回基NO时，会放射出波长～3μmhυ。化学发光的强度与NOO2 2 2 NO在反响室内的滞留时间以及样气中其它分子种类有关。O3浓度比NONO成正比。2→10-7所示。样气依据需要由通道AB1。通道A直接通向反响室，这个通道只能测量样气中NO的浓度；样气通过通道B时，样气中的NO7中按下式转化成NO，再进入反响室：2→〔10-3〕

2NO2

2NO+O2这样仪器测量得到的是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。45～56放大后输出。为使NO2尽可能完全地转化成为NO，催化转化器中的温度必需在920K以上。在实际测量中常会消灭N2N2向NO的NO2NO2浓度较高的排放测量中〔如直接取样测量柴油机排放时90%时，应予以更。10-7化学发光工作原理图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-反响室出口氢火焰离子型〔FID〕氢火焰离子型〔FIDFlameIonizationDetector〕是目前测量汽车排放中HC的最有效手段。FID灵敏度高难度，可测到微小浓度的HC，且线性范围宽，对环境温度和压力也不敏感。FID的工作原理是利用HC在氢火焰燃烧时，2300K左右的高温氢火焰会使HC离子化成自由离子，离子数根本上与HC的浓度成正比。如图10-84进入燃烧器，由燃烧嘴2HC在缺氧的氢100～300V的电压下在离子收集器1反映出相应的HC的浓度。图10-8 氢火焰离子型工作原理图1-离子收集器；2-燃烧嘴；3-助燃空气入口；4-氢和待测气体入口；5-空气安排器；6-信号放大器FID40%H2+60%He的混合气代替纯H2；二是用含氧量接近待测气体的零点气和量距气进展标定。不同的HC分子构造对FIDFID显示的C响应的偏离较大。因高沸点的HC在取样过程中会分散，为防止这点，应对采样管路加热。测量汽油机排400K左右，测量柴油机排出的HC要用加热管路和加热氢火焰离子型〔HFID顺磁气体是高度顺磁性的。氧是一种强顺磁性气体，氮氧化合物有较弱的顺磁性，NO和NO244%和29%。由于汽车排放中，氧的浓度要比NOX高得多，所以可用顺磁测量排气中的氧浓度。图10-9 顺磁工作原理图6-永久磁铁顺磁PMA〔ParamagneticAnalyser10-93中的氧26产生的磁场吸引下自左向右充入水平玻璃管545中就形成了4同时起热线风速仪的作用，就可以简洁地测定磁风速度，从而测得样气中的氧浓度。气相色谱仪〔GC〕气相色谱仪〔GCGasChromatography〕是将混合物中各组分相互别离，以便对混合分的分析，是应用极为广泛的通用微量分析设备。10-10所示。用样气注射器把肯定体积的样气从试样注入口12进入仪器的3充剂的亲和力〔吸附或溶解性〕不同，在载气的推动下被别离。亲和力弱的组分，很难被滞留在填充剂中，首先流精彩谱柱；反之，亲和力强的组分流出较晚。图10-10 气相色谱仪工作原理图1-试样注入口；2-载气入口；3-色谱柱；4-温控槽；5-检测器；6-气体出口；7-色谱图记录仪色谱柱经别离后的各组分还需依次由载气送到出口处的检测器5定各组分的浓度。检测器除了氢火焰离子型检测器〔FID〕外，常用的还有用于测量CO和CO2等的热导率检测器TCD〔ThermalConductivityDetector捕获型检测器ECD(ElectronCaptureDetector)和测量含硫成分的焰光光度检测器FPD(FlamePhotometricDetector)。检测器可输出与被别离组分数量相对应的信号7上以色谱峰点的形式记中所含的每一组分。而色谱峰的面积那么与对应组分的含量成正比，可据此进展定量。微粒测量与分析排气微粒是指依据肯定的取样方法，在最高温度为325K的稀释排气中，由过滤器收集平称得过滤器在收集微粒前后的质量差，就可获得微粒排放的质量。微粒质量测量用符合要求的取样系统把排气微粒收集在过滤器上集微粒前后的质量差，就可获得微粒排放的质量。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，待稳定化后测量和记录质量，然后仍放在小室内直到使用。假设从小室取出后1h内没有使用，那么在使用前必需重测量质量。收集微粒后的滤纸放回小室内至少2h，但不得超过36h，然后测量总质量。微粒滤纸与空白滤纸的质量差就是微粒质量。10-210-3所示，可承受全流和分流稀释系统。排气微粒质量可用下式计算：VM mix mVp V d

或m Vepf V

M dp式中：Vep

—流经过滤器的流量，m3；

ep〔10-4〕

mixV —流经通道的流量，m3；mixMp —排放微粒质量，g/km；Mf—过滤器收集的微粒质量，g；d—与运转循环全都的距离，km。微粒成分分析等都具有重要意义。微粒中有机可溶成分SOF的别离及分析方法有：热解质量分析法〔TG〕热解质量分析法TG〔ThermoGravimetry〕是在惰性气体气氛〔如N2〕中，将微粒样品923K，保温5分钟。在这段时间内，其中可挥发局部蒸发掉，用热天平测得的微粒质量减小量就代表其中可挥发局部VF〔VolatileFraction要是高沸点HCSOF相吻合。然后将气氛换成空气，在一样温度下，样品进一步削减的质量对应被氧化的碳烟组分，残留的那么是微量灰分。该方法的优点是能准确快捷地得出样品质量损失率变化的连续曲线，可据此定量分析VF中的不同馏分，可测量碳烟在各种条件下的氧化速率。缺点是热解质量昂贵，一次只能处理一个样品。值得留意的是，TG把微粒样品与取样滤纸一起加热，法规规定的涂四氯乙烯的滤纸，本满足要求。此外，必需考虑取样滤纸的质量损失。真空挥发法〔VV〕真空挥发法VV〔VacuumVolatilization〕是将微粒样品置于真空枯燥箱内，在真空度95Kpa473K3h左右，其质量变化即为微粒中VF含量。此方法设备简洁，操作便利，真空枯燥箱具有较大的容积，一次可同时处理多个样品。但不能连续记录质量的变化，收集VF较困难。索氏萃取法〔SE〕对微粒中的SOF可承受萃取法采集，常用的有索氏萃取法SE〔SoxhletExtraction10-11所示。10-11索氏萃取装置简图样品室中浸泡样品，进展萃取。萃取液到达肯定体积时，经虹吸管流回烧瓶。这样，溶剂在萃取器中循环流淌，不断将微粒中的SOF带到烧瓶中，直到萃取完全。萃取溶剂通常承受二氯甲烷，其沸点为315K，比样品中的SOF低得多。萃取一般连续8hSOF质量。该方法从原理上说，是测量柴油机排放微粒中SOF最准确的方法，且萃取液可屡次使用，缺乏之处是耗时多，操作较简单。SOFGC进一步分析，以弄清其中各HC的来源。一般低于C19的HCC28的那么来自润滑油。假设色谱仪与质谱仪联用〔色质联机分析GC-MS烟度测量与分析微粒质量的测量是目前汽车排放法规规定的微粒测量方法，这对掌握微粒排放的争论、粒的瞬态排放特性。柴油机微粒的生成以碳烟为核心，在中等以上负荷碳烟的比例大，SOF较小，所以长期以排气烟度的测量来表征碳烟的多少。我国规定对柴油机的烟度进展测量。纸外表对光反射率的变化来测量烟度光式烟度计。滤纸式烟度计HJ/T4-93的规定。滤纸式烟度计主要由定容采样泵和检测仪两局部组成定，故滤纸被染黑的程度能反映气样中所含碳烟的浓度。滤纸烟度计检测仪的构造和工作原理如图10-12所示。它由反射光检测器与指示器组0～100100～10之间均匀分度。/。续的测量。a)构造图 b)工作原理图图10-12 滤纸式烟度计检测仪1-电线；2-灯泡；3、7-光电元件；4-滤纸接合面；5-灯室；6-光源；8-滤纸消光式烟度计器所承受的光强度的减弱〔消光量〕就代表排气的烟度。消光式烟度计已被国际标准化组织〔ISO〕所推举，其根本技术要求已在我国国标GB?压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法?中规定。哈特里奇〔Hartridge〕烟度计是一种典型的消光式烟度计，其烟度的分度为0〔无烟，～100〔全黑，透光度为0其检测局部主要由校正装置、光源与光电检测单元〔光电池等〕组成，根本构造如图10-13图10-13 哈特里奇烟度计根本构造示意图1-光源；2-排气入口