第7章排放污染物的测试技术

太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术17.4烟度测量与分析7.3颗粒物测量与成分分析7.2排气成分分析仪7.1汽车排放污染物的取样系统第7章排放污染物的测试技术太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术2正确的测试汽车排放污染物是研究汽车有害排放物的形成及控制技术的重要前提，随着各国汽车排放标准的日趋严格，其排放测试技术也在不断地完善。对排放污染物测试的基本要求有：1）对所测的成分有较高的选择性，也就是说，测量值受排气中其它成分的干扰小；2）对所测量的成分浓度有相当的灵敏度；3）较高的可靠性和容易使用。一个完整的排气成分测试应该包括取样、分析和结果整理三部分。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术37.1汽车排放污染物的取样系统太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术4取样系统概述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。取样系统的功能在于使样气经过预处理，以便按一定要求送入分析系统取样的正确与否对测量结果的正确性关系极大。对取样系统的基本要求有：1）样气在进入测试仪器前，其所测成分必须能定量地再现排气中该成分的浓度；2）在较长的时间内，不受其它因素干扰。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术5取样过程中的主要干扰因素有：1）可冷凝成分：在大多数的测试过程中，被测气体的冷却，总是伴随冷凝现象。在测试仪器里，冷凝液会造成测量误差；2）吸附和化学反应：被测成分在输送过程中的吸附和化学反应会造成该成分量的变化，对浓度很低的成分的测量影响很大。有些材料对一定的化学反应有催化作用，特别是在温度较高的区域，如加热的输送管道，会造成某些成分的测量误差。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术6不同的取样方法，就有不同的取样系统。按取样方法分，目前常采用的取样系统有：直接取样系统定容取样系统稀释取样系统太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术7直接取样系统在发动机台架上进行排放测试，对气态成分一般采用直接采样分析的方法。直接取样法是将取样探头插入发动机的排气管中，用取样泵连续抽取一定量气体不经稀释直接送入分析系统进行分析。由于直接取样法设备简单，操作方便，被广泛用于许多国家和地区的各种用途发动机的排放测量中。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术8直接取样系统未经稀释的采样气直接从排气管抽取，污染物浓度较高，具有较高的测量精度。采样泵P把样气从HSL1（保温453~473K）送到氢火焰离子检测器HFID分析HC；经HSL2（保温368~473K）输送到化学发光分析仪HCLA分析NO，另外排气经取样管SL输送到不分光红外线吸收型分析仪NDIR分析CO和CO2。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术9为了排除水蒸气对NDIR工作的干扰，用温度保持273～277K的槽型冷却器B来冷却和凝结排气样气中的水分。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，插入长度不少于排气管内径的80%。探头处的排气温度不应低于343K，进行天然气NG（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1.5～2.5m的位置。反清扫系统利用高压气体清洗过滤器，以免过于频繁拆装过滤器。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术10直接取样系统发动机台架测试的直接取样系统1一取样探头2一粗滤器3一逆向清扫系统4一取样泵5一减压器6一气样冷却器7一冷凝液分离器8一细滤器太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术11直接取样系统为了防止气样中的水分对分析仪的干扰，一般在系统中加由冷凝器和排水装置组成的水分离器，用冷凝法除湿。为防止HC中那些蒸气压低的高沸点成分溶于水而产生测量误差，取样导管应做成加热式，对于汽油机应保持在130℃左右，柴油机应保持在180~200℃。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术12稀释取样系统把柴油机排气中的微粒收集在滤纸上，用微克级精度的精密天平秤得滤纸在收集微粒后和收集前的质量差，就可得到微粒的质量。测量柴油机的微粒排放时，用稀释风道微粒取样系统，使微粒样品能再现柴油机排气中的微粒排放特性。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术13测量重型车柴油机的微粒排放测试时，用稀释取样系统取样，根据柴油机排气经过稀释风道的比例，柴油机微粒质量测量既可用:稀释取样系统1.全流稀释取样系统FFDSS（FullFlowDilutionSamplingSystem），2.分流稀释取样系统PFDSS(PartialFlowDilutionSamplingSystem)。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术14全流稀释取样系统是按照美国轻型车排放标准要求而设计；分流稀释取样系统是按照欧洲重型车排放标准要求而设计。全流稀释取样系统将全部排气引入稀释风道里，测量精度高，但体积庞大，价格昂贵；分流稀释取样系统仅将部分排气引入稀释风道里，因而体积较小。但控制系统和操作系统都较复杂，需要较高素质的操作人员，使用成本也较高。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术15全流稀释系统必须测量排气和稀释用空气混合后的总流量，并收集分析用的样气。根据整个试验过程中收集到一对滤纸上的微粒质量、取样流量以及稀释用空气和排气的总流量来确定微粒的质量。可以采用容积式泵PDP或临界流量文杜里管CFV与单级稀释系统或双级稀释系统。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术16全流稀释取样系统流程图EP-排气管DAF-稀释用空气过滤器SDS-单级稀释系统DDS-双级稀释系统PDT-初级稀释通道SDT-次级稀释通道PSP-颗粒取样探头PTT-颗粒物传输管PDP-容积式泵CFV-临界流量文杜里管太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术17EP-排气管PDP-容积式泵HE-热交换器PDT-初级稀释通道SDS-单级稀释系统DDS-双级稀释系统PTT-颗粒物传输管SDT-次级稀释通道FH-滤纸保持架SP-颗粒物取样泵DP-稀释用空气泵PSP-颗粒取样探头DAF-稀释用空气过滤器CFV-临界流量文杜里管GF-气体计量仪或流量仪测定太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术18全流稀释取样系统初级稀释风道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EP排出的排气经稀释空气滤清器DAF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。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术19分流稀释取样系统分流稀释取样系统流程图PSS-颗粒物取样系统PSP-颗粒物取样探头TT-颗粒物取样传输管PTT-颗粒物传输管太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术20EP-排气管PR-取样探头ISP-等动态取样探头EGA-排气分析仪BV-球阀SC-压力控制装置DPT-差压传感器FC1-流量控制器SB-抽风机PB-压力机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-流量控制GF1-气体计量仪或流量测定仪DAF-稀释用空气过滤器GF2-气体计量仪或流量测定仪TT-颗粒物取样传输管太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术21分流稀释取样系统柴油机排气管EP中的排气通过颗粒物取样探头ISP或PR和颗粒物取样传输管TT输送到稀释通道DT。通过DT的稀释排气流量用颗粒物取样系统PSS中的流量控制器FC2和颗粒物取样泵SP控制，稀释空气流量用流量控制器FC1控制。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术22定容取样系统CVS（ConstantVolumeSampling）一般废气成分分析仪器都是测量该成分在排气中的浓度，然后根据排气流量算出该成分的总排放量，这在内燃机稳定状态下比较容易实现。在非稳定状态下，理论上可把所测得的浓度曲线和排气流量曲线对时间进行积分，但实际上由于以下几方面的原因，误差很大：（1）发动机排气管中的压力波动，造成各工况的气样流量不同，测量结果往往是偏向高负荷高转速工况；太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术23（2）由于排气测量系统的取样系统和测量仪器动态响应滞后的不同，很难和所测得的内燃机排气流量完全一一对应，这样就造成了最后计算结果的误差；（3）在气样输送过程中，各工况样气的混合使浓度曲线不能再现发动机排放的时间。为此人们采用了测量平均值的方法来解决这个问题。最直观的方法就是把一个标准测试循环中的所有排气收集到气袋里，然后测量浓度和气量，算出循环的总排放量。这种方法（全量取样系统）需要很大的气袋来收集排气，十分不便。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术24现在对内燃机非稳定状态中以及许多标准测试循环中的排气成分的测量和计算，如对于在底盘测功机上进行的轻型车排放检测，世界各国均规定采用定容取样系统(CVS)取样。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术25在定容取样系统中，内燃机的全部排气排入稀释风道中和经过滤器滤过的空气混合，抽气泵8把稀释排气经过由温度调节器11控制的换热器3和加热器12吸走。抽气泵8输送的稀释排气体积流量可以从抽气泵转速表9的指示器上读得。温度测量用来计算质量流量，并用来检查质量流量的恒定程度，被测气样通过取样泵6收入样气袋7。为监测环境条件，用来稀释排气的空气通过取样泵4收入环境室样气袋5中。测试循环结束后，各样气袋里的气体将分别进行分析。在测试循环结束后，将测量气袋中各污染物成分的浓度，再乘上定容取样系统中流过的稀释排气总量，即是内燃机在测量过程中各种成分的总排放量。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术26将汽车的全部排气引入稀释系统进行稀释,测量稀释后的废气流量、控制取样比例,并进行稀释空气的干扰分析,通过这些手段来测量汽车在测试过程中的污染物排放量。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术27随着汽车污染物排放浓度的降低、测试要求的提高和流量测量技术的进步,开发了部分流稀释定容取样系统,其原理示意图如图2所示。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术28汽车的部分排气引入稀释系统进行稀释,同时测量发动机的排气流量,并将此信号作为控制取样阀取样比例的依据。该系统由于采用了先进的流量测量技术因而可实现定比稀释,按汽车排气流量比例取样。由于稀释比较小,稀释后的气体浓度利于分析仪器的测量,也可用零空气作为稀释气体以完全消除稀释空气的干扰。太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术29现在，世界各国的排放法规大多规定对汽车的排气先用干净空气进行稀释，然后用定容取样CVS（ConstantVolumeSampling）系统取样。除取样袋收集的气体外，大部分排气被排出取样器，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两种方法：定容取样系统测量总流量的常用方法容积式泵(PDP，positiveDisplacementPump）临界流文杜里管(CFV，criticalflowventure)太原理工大学机械工程学院车辆工程系第7章排放污染物的测试技术30带容积泵的定容取样系统D-稀释空气滤清器M-混合室H-热交换器TC-温度控制系统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