郑州省体育彩票:淺析廢氣分析儀類型和取樣系統-摩托車

摩托車排氣分析是一個較復雜的系統,也是業內較關注的測量指標之一。摩托車排放法規不僅規定了排放限值、試驗規范,同時也規定了分析儀器的類型、取樣系統、測量精度等,確保排氣分析精度和排放測量結果的可比性,使排放標準行之有效。 ? ?摩托車排放測量指標從怠速工況下的HC, CO體積濃度逐漸擴充至收集多個典型工況下的總HC. CO和NO:量,通過稀釋、定容比例取樣、流量和體積測量,最終計算出排放質量,從而綜合評價車輛排放水平。這2種不同指標是2個不同的概念,前者僅是1個穩態工況下的濃度直接測量(怠速法),而后者是瞬態多個工況下的綜合測量,且以質量來衡量(工況法);兩者采用了不同的測量儀器和設備,前者較簡單,一般作為環保部門對在用車輛的監測及發動機工作是否正常的快速簡易評價,后者較為復雜,兩者價格和構造差別較大。

筆者常聽到一些說法,認為同一輛車相隔一段時間后,排放測量結果會發生變化(尤其是工況法),主要原因是測試試驗臺或系統不可靠;對怠速法排放合格、而工況法排放不合格的結果不能正確分析;在利用等速工況測量結果分析和研究車輛排放時,出現簡單的對應關系;有時甚至對稀釋取樣系統和直接采樣系統產生了片面理解。其實這些差異的產生與儀器的測量原理、采樣方法等都有關系。

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???1排放污染物評定指標

 

常用的排放污染物評定指標有濃度排放量、質量排放量和比排放量,三者具有不同的含義和量綱:1)濃度排放量為體積分數,量綱為%或10-6;2)質量排放量為單位測試循環或單位時間質量排放量,量綱為g/h或g/test; 3)比排放量為單位功所排出的污染物質量,或每公里的排放量,量綱為g/(kW·h)或g/km。通常怠速法采用%、10-6量綱,工況法采用g/km量綱,通機排放采用g/(kW·h)量綱。

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???2分析儀類型及測量原理

 

為測量摩托車燃燒做功后排放中的有害物成分,需選擇合適的測量方法和儀器。不同氣體有不同的特性,不一定采用同種測量方法;在排氣過程中,廢氣成分會因相互影響而不穩定;采樣測量時,樣氣在進入測試儀器前的管路中有凝聚和吸附等現象。為得到正確的測量結果,需有合理的采集排氣樣氣的取樣系統及良好抗干擾性能和高靈敏度的測試儀器。

目前,多數國家采用的標淮分析儀有:不分光紅外線分析儀(NDIR ),主要測定CO, CO:氣體;氫火焰離子型分析儀(HFID ),主要測定HC氣體;化學發光分析儀(CLD),主要測定NO二氣體。我國排放標淮也規定了分析儀的類型,這3種分析儀的測量原理是目前國際上公認的、較為精確的測量方法。

 

? ?2.1不分光紅外線分析儀(NDIR)

 

NDIR靈敏度高、側量范圍大、能連續測量,是利用多數氣體(除單原子氣體和對稱雙原子氣體)都能吸收一定波長的紅外線(波長為0.8一600 u m的電磁波)原理進行測量的。摩托車排氣中的有害氣體為非對稱分子,如CO能吸收波長為4.5一5.0 ?m的紅外線、CO2能吸收波長為4.0一4.5 u m的紅外線,C6H14(正己烷)能吸收波長為3.5 u m的紅外線等,當紅外線透過不同分子氣體時,由于被氣體吸收能量會減小,因此,只要測出紅外線能量的變化,就可測出該種氣體的濃度。當然,在檢測儀器內部還要設置濾波室,以消除背景成分與被測氣體波長相重疊產生的測量誤差。

 

? ?2.2氫火焰離子型分析儀(FID、HFID)

 

FID是目前測量HC較理想的儀器,原理是使排氣中各種HC在2 000℃左右的氫火焰高溫中燃燒,部分分子或原子電離形成自由離子,其離子數與HC分子中的碳原子數成正比(對各類HC靈敏度相同),在外加電場作用下,產生離子電流,電流大小與待測氣體的流量和濃度成正比。

當采用FID測量總HC時,因線性和頻響特性好,其它成分的存在對其并無干擾,但背景氣中氧的存在會影響FID靈敏度,使計數降低。因為O:濃度不同會使氣體粘度發生變化,使火焰氣體量出現波動,火焰燃燒條件出現變化,一般加大燃氣量、減少空氣量可減少氧的干擾,在日本、美國排放標淮中,對氧干擾就有要求。FID是常溫采樣,高沸點的HC在取樣過程中會被凝縮和吸附,所以測量精度受影響。目前,常采用加熱型氫火焰離子法( HFID ),從采樣到檢測都處于恒溫下,對汽油機的直接采樣大多規定用HFID法。

有研究表明,對HC的分析結果,HFID, FID, NDIR這3種測量方法的結果是不同的。對同一氣體,HFID的測量結果是FID的1倍,NDIR的測量結果大約比FID低1/3。實際上,NDIR分析儀也能測量出內燃機廢氣中HC含量,但是內燃機排氣中有上百種HC,各分HC吸收系數不同,且這類儀器采樣系統為常溫型,可測到的HC類別較少,不僅測不出高沸點的HC成分,也測不出干涉光波段以外的HC成份,因而測量結果主要反映了飽和烴的含量,而不代表各種HC的總含量,所以測量精度不高,但由于攜帶方便、測量時間短,通常怠速排放儀采用此方法,即用NDIR同時測量HC和CO的濃度值。

 

? ?2.3化學發光法分析儀(CLD)

 

測量NOx濃度時采用CLD,原理是NO和臭氧03會發生化學反應生成NO2?NO2由激態向基態衰減時,會發射波長為0.6一Sum的光量子,用光電倍增管檢測其光強,即可測出NO濃度。CLD靈敏度高,響應性好,在10 x 10”范圍內輸出為線性,適用于連續測量,在實際應用中,為測量NOx,通常先經過適當轉換,將NO:還原為NO,因此應經常檢查NOz-NO的轉換效率,一般規定應高于95%.

為方便快速地進行排放測試,往往將NDIR,HFID, CLD等分析儀與采樣裝置、流量控制等集成為一個排放檢測系統,如怠速排放儀、五氣分析儀及排放試驗臺等。通常僅具有HC, CO分析功能的怠速排放儀一般只采用NDIR測量方法,采用NDIR測量NO時,由于輸出信號為非線性及易受干擾,所以測量精度低。具有分析NO二功能的五氣分析儀,其內部增加了1個電化學傳感器,用來測量NO},但這個傳感器的使用壽命一般為2年,需要定期更換。

分析儀的性能對測量的準確性有很重要的影響,隨著發動機工況變化,排氣中各種成分的濃度變化范圍也很大,這就要求儀器的輸出在整個濃度變化范圍內具有良好的線性。儀器應具有多檔量程的切換,以供測量時選擇;儀器的響應時間也很關鍵,響應時間過長會影響示值的準確性和跟蹤同步性,一般用指示值達到最終讀數的90%來表示,我國規定FID應為is,系統總響應時間<1 mine

用于標定儀器零點和滿刻度的標準氣體的精度和純度,如FID分析儀中燃氣和助燃空氣的純度等不容忽視,它們也會使儀器示值產生很大偏差。

 

? 3取樣系統

 

取樣是摩托車排放測試的第一環,在不同條件下,需要不同的取樣技術。取樣方法不同,取樣系統也有所不同,取樣系統的功能在于使樣氣經過預處理,以便按一定要求送人分析系統,取樣的正確性直接影響測量結果。

一般來說,當汽車在不變工況工作時,污染物排放量可通過排氣成分分析儀測量該成分在排氣中的濃度,然后根據汽車的排氣總流量來計算求得。當汽車在變工況工作時,理論上可先測出成分濃度和排氣流量隨時間的變化曲線,然后再對時間積分計算總量,但實際上由于排氣管壓力隨工況變化而變化,取樣系統和測量儀器動態響應滯后不同,及在輸送過程中各工況的樣氣部分混合,使濃度曲線不能再現汽車排放的時間特性,造成很大誤差。因此,采用通過測量排放平均值的方法來確定總排放量,如把一個標準測試循環中的所有排氣收集到氣袋里,然后測量濃度和流量,從而算出該循環的總排放量。

分析排氣成分的取樣系統有直接、稀釋定容取樣,兩者對應不同的測量結果,也應用于不同的場所。

稀釋取樣法,是車輛在轉鼓試驗臺上按規定的工況測試循環運轉,全部排氣排入稀釋道中,按規定比例與空氣混合,形成流量恒定的稀釋排氣,將其中一部分送人采樣袋中,用規定的分析儀器分析測量采樣袋中各種污染物的濃度,再乘以定容采樣系統流過的稀釋排氣總體積,再除以測試循環總里程,即可得到g/km。直接采樣法是將取樣探頭擂人發動機排氣管中,用取樣泵連續抽取一定量氣體不經稀釋直接送人分析系統進行分析,取樣測頭的安裝有順氣流和垂直氣流2種型式,SAE推薦采用順氣流式,而美聯邦法規和Ricardo則采用垂直氣流式,我國的怠速法(GB 14621一2002和HJ/T 3一93)并未規定采用何種取樣探頭,但一般所見怠速排氣監測儀通常為順氣流式取樣,規定取樣軟管長5.0 m,取樣接管長600 mm,內徑為40 mm,探頭插入深度不小于400 mm,并讀取穩定30 s時的讀數。

筆者未見有研究結果表明這2種安裝形式的測量結果有差異,化油器企業自己采用等速法測CO濃度一般是直接向管路取氣,并未見安裝取樣測頭,這能否保證取樣穩定,是否規定了取樣軟管長度、是否規定了測量穩定時間等,是否會影響測量結果、是否具有可比性等都值得探討不能簡單下結論。

通常,在發動機臺架上進行排放測試時,由于結構簡單、操作方便,一般都采用直采法。同樣是直采,五氣分析儀的直采和復雜的直采系統也是有差別的,尤其是在測量精度上,由于冷卻,一部分HC凝縮而溶于水,某些化學活性強的成分相互作用,給測量帶來誤差。因此,為防止一些氣體成分在常溫下發生冷凝,必須對采樣管等進行加熱,通常汽油機保持在130℃左右,柴油機在190 0C??杉?,直采系統和稀釋采樣系統在這部分是明顯不同的。

稀釋定容取樣為一種接近排氣擴散到大氣中的取樣方法,較符合實際狀態。排氣管排出的廢氣首先用大約10倍左右的空氣稀釋,通過除塵、均勻混合(旋風分離),用定容泵或臨界流量文氏管來保證稀釋排氣在試驗期間以恒定的流量通過,同時采樣氣泵將稀釋排氣按一定比例取樣,經濾清器和流量計后送入取樣袋供分析使用。用于收集稀釋空氣和稀釋排氣的取樣袋應具有足夠大的容積,不阻礙氣體的正常流動,而且不改變有關氣體的性質。稀釋排氣壓力和溫度都應測量,以便修正至標準狀態下。

CVS取樣系統由于樣氣被稀釋,因而減少了化學活性強的物質相應反應而引起的成分變化,測量精度高,國際上摩托車排放標準中多規定采用此法取樣,我國工況法排放標準也規定采用此法取樣。CVS取樣法的優點在于可測量出車輛行駛一段距離所排出的污染物質量,并且排氣處于稀釋狀態,比較接近車輛排氣中的實際擴散狀態,能防止水蒸汽和高沸點的HC在取樣系統中凝結,使排氣各成分的反應減小,取樣氣體組分較穩定,測量誤差小,但CVS取樣法對取樣系統設備要求較高,價格昂貴,系統龐大,測量時間長。

在我國摩托車排放測試方法中,工況法一般采用CVS取樣系統,而怠速法采用直接取樣法,測量HC和CO在怠速工況下的濃度值。HJ/T 3一93《汽油機動車怠速排氣監測儀技術條件》規定了此儀器的技術要求為:采用不分光紅外線法測量HC, CO;響應時間在10 s內;重復性應在滿量程的2%以下;零點和量距的漂移在滿量程的3%以內;同時也規定了干擾氣體的影響誤差。

在國外,則有稀釋定容取樣法分析怠速排放值。將摩托車放置在底盤測功機上,怠速1 min,用CVS法取樣,但閥門放在對稀釋排氣和稀釋空氣直接分析的位置上,分析儀和取樣探頭接通后應在1 min內達到穩定狀態。車輛為怠速工況,通過直接分析HC.CO濃度(1}一6`%)來計算HC. CO的排放量(g/min ),其計算與工況法的計算公式基本相同,只是沒有行駛距離計算,歐洲法規中的輕摩B型試驗即是此法。

 

??4結束語

 

通過以上分析,直接取樣法和稀釋取樣法是完全不同的,對系統和儀器的要求也不同,測量結果和量綱也不同;怠速法和工況法的車輛狀態不同,測量結果沒有簡單對應關系。排放測量系統中影響排放分析精度的因素很多,如分析儀的工作原理、儀器本身的精度、標準氣體的純度、背景氣體和水分等對分析儀的干擾,取樣系統的選擇和設計及試驗方法等。車輛排放指標測量就是燃料燃燒做功后的綜合性能指標,即便是在相同排放法規下、不同車輛狀態下、不同操作方法下、不同外界大氣環境影響下,所測量出的排放值必有差異。首先物質的化學性能應比物理性能更易受測量條件和環境的影響,對于摩托車排放分析系統的測量溯源性,通常也只能通過和有證標準物質比對的方式來實現。

對不同內外部狀態下的車輛的排放結果簡單對比是不可取的。有時,排放結果的差異來自隱藏于測量儀器原理、車輛狀態的變化中,雖同樣是直采法,但五氣分析儀或HC/CO分析儀與直采系統的測量精度和復雜性不同,當然在沒有直采設備的情況下,用五氣分析儀來在線監測車輛的瞬態排放是一種可行的方法。有人認為Sm的采樣管太長,影響測量結果的響應,但是過短的采樣管會使過熱的氣體送入儀器內,影響儀器的性能和測量結果。因此,采樣管不宜過短,為糾正這一不足,可采用平移實時曲線的方法來修正顯示值的同步性。

總之,對特定結果應謹慎分析,排除車輛內外部干擾后才能有效分析結果的變化,有利于問題的解決。

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