废气排放检测法优化方法

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：图11-31 美国的检测模式表11-6 各国排气检测法①11模式检测模式反复检测4次。图11-32所示为排气检测装置。排放废气量是利用取样浓度和检测期间的总流量进行计算。①排放废气的检测。

1.检测模式

韩国目前采用的检测模式为，汽油车和天然气汽车的废气排放认证检测为定容取样法（CVS-75）模式，柴油车为ECE15和EUDC模式，柴油大型汽车（大型乘用车/货车、超大型乘用车/货车）为ND-13模式和ETC模式。

定容取样法（CVS-75）与美国的FTP-75（联邦检测程序）相同，如图11-31a所示。这是模拟美国洛杉矶实际市区行驶环境的测试程序，又称为LA-4模式。ECE15、EUDC、ETC模式均照搬了欧洲汽车排气测试程序。此外，排放废气检测模式还有日本的11模式、10·15模式。各国所采用排气检测法的比较见表11-6。

图11-31 美国的检测模式

表11-6 各国排气检测法

①11模式检测模式反复检测4次。

2.CVS-75模式

（1）检测装置和条件排气检测装置有蒸发气体检测装置、底盘测功机、排气取样装置、排气分析装置、资料处理装置和其他附属装置。

定容取样法（CVS-75）是在恒温测试室中，使用能再现汽车在实际道路上行驶时所处的负荷状态的底盘测功机。底盘测功机上配备有负荷吸收装置，以及能再现加减速惯性重量的飞轮，也能模拟惯性力矩、滚动阻力和空气阻力。吸收负荷的方式有电气方式和水力方式。

测试对象车辆需要保持驻车状态规定的时间，汽油和天然气汽车为12～36h，柴油汽车为12h以上，并在进行测试期间，测试室的温度要保持在20～30℃（68～86℉）。

测试时，把测试对象车辆放在底盘测功机辊子上面，车辆上乘坐一名操作员，把规定的检测模式按照运行辅助装置的指示行驶完成后，检测排放的CO、CO₂、HC、NO_x和PM等排放废气的浓度，并以此测量值为根据计算单位行驶里程的排放量（g/km）。图11-32所示为排气检测装置。

图11-32 排放废气检测装置

（2）取样装置、分析取样装置如图11-32所示，能对连续的一定流量进行取样，能检测实际排放废气量。排放废气量是利用取样浓度和检测期间的总流量进行计算。

取样装置多采用临界流量文丘里管定容取样装置（CFV-CVS）。样品袋要使用不阻碍样品流动的充分大的袋。

①排放废气的检测。汽车在测功机上的运行分为三个阶段，在每个阶段对排气取样并进行分析。排气检测阶段见表11-7。

表11-7 排气采集阶段

低温起动测试初期阶段：从起动开始到最初505S期间。此时把排气用一定量的空气进行稀释，并采集在第一个样品袋中。

低温起动测试稳定阶段：506～1370S之间的865S时间为稳定阶段。此时把排气采集在第二个样品袋中。当稳定阶段结束时，关闭发动机并等待600S（10min）。

高温起动测试阶段：发动机在高温状态重新起动到最初505S期间。此时把排气用空气稀释后，采集在第三个样品袋中。高温起动测试阶段转速周期与低温起动测试初期阶段的转速周期相同。

②定容取样法。定容取样法（CVS或CFV-CVS：临界流量文丘里管定容取样）是采集发动机排气的最普通的方法。如图11-32所示，把从排气管排出的气体用空气进行稀释（或混合），使其进入热交换器降低到一定的温度（或密度）后，利用定容泵（PDP）把部分排气采集到样品袋中。这种方法又称为稀释取样法。用空气稀释排气是为了防止水分冷凝和产生二次反应。水分冷凝会改变污染物质的状态（损失）。如果过度稀释会导致测量正确性低，因此一般排气与空气的稀释比率采取1：10～1：5的比率，通常采用8倍以上。

图11-33 CVS可变稀释技术

定容取样法的可变稀释技术如图11-33所示。首先如图中采用排出量V_f一定的取样泵。进入取样泵的流量为空气流量V_air和排气流量V_exh之和。此时因系统的V_f（=V_air+V_exh）始终不变，因此当V_exh增加时V_air会减少。如果设定进入取样泵的HC的质量分率为F，流出的质量分率为F′，根据质量平衡定律，进入质量和流出质量为相同，有

HC进入质量=F×V_exh×ρ_HC （11.7）

HC流出质量=F′×V_f×ρ_HC

以此根据上述两个公式获得

在式（11.8）可以看出，流出的HC容积与进入的HC容积和排气容积之乘积成正比。如果排出量V_f全部收集在样品袋中，则行驶周期中排放的HC质量为

但是，采集全部的空气稀释排气是不现实的，因此利用样品袋采样获得平均F_bag，总容积V_bag为取样泵每一转的排放量乘以取样泵转速来进行计算。

（3）排气分析装置排气的分析装置在国际上规定了标准测试步骤和计量仪器。HC用氢火焰离子化分析仪（FID），CO用非色散红外气体分析仪（NDIR），NO_x用化学发光式分析仪（CLD），CH₄（甲烷）用气象色谱-氢火焰离子化分析仪（GC-FID）进行分析，见表11-8。

表11-8 排气计量仪

①非色散红外气体分析仪。非色散红外气体分析仪（NDIR）使用在检测CO、CO₂、NO成分。如图11-34所示，从光源发射的红外线被旋转的斩波器间歇切断成为断续光，通过样品室和比较室的光路径进入到检测器。在检测器中充入有适当分压的与检测成分气体相同的气体，在进入检测器的红外线中，仅选择吸收检测成分气体的吸收波长范围。在样品室中会吸收与检测成分气体浓度相对应的红外线，但在比较室中因充入了不吸收红外线的气体，因此不吸收红外线。因此，由检测器吸收的红外线光量，会使通过薄膜隔开的两个密封腔中的气体产生浓度差，进而形成压力差。通过此压力差使薄膜产生位移，用电容式位移计检测此位移量，并把信号放大输出并记录。

②氢火焰离子化分析仪。氢火焰离子化分析仪（FID）是在图11-35所示的燃烧装置中保持一定量的氢火焰，在其内部燃烧HC并进行检测的方式。在火焰周围设置电极，并在电极间供给一定量的电压，以此利用高阻抗放大器检测电极间隙中产生的微量离子电流，可以检测并输出与HC中的碳原子数成比例的数据，不会受到氢气和碳等无机物的影响。因此与HC的构成没有什么影响，可以检测到3×10^-6～30000×10^-6范围的甲烷。

图11-34 非色散红外气体分析仪

图11-35 氢火焰离子化分析仪

③化学发光式分析仪。化学发光式分析仪（CLD）是利用NO和O₃产生反应生成的部分NO₂处于激发状态的情况，通过检测其返回到基态NO₂时产生的化学发光能量，以此检测NO浓度的方法。

NO+O₃→NO₂^*+O₂

NO₂^*→NO₂+ν

排气中NO_x的检测方法是，把NO₂加温到高温状态，并利用催化剂还原后，以上述方法和用图11-36所示的装置进行检测。

图11-36 化学发光分析仪

④烟度计。烟度计是检测柴油机排放废气中炭烟的装置，其装置结构如图11_-37所示。检测装置有两种：一是利用真空泵从排气管中把一定容量的排气通过吸入嘴吸入，利用过滤纸截留排气中的碳粒子，并测量碳粒子反射光强度的博世烟度计；二是在一定长度光路径中流过排放气体，并测量它的对光的透光度的哈特里奇烟度计。

图11-37 烟度计采集装置

3.新欧洲标准行驶循环（NEDC）模式

欧洲早期对乘用车和轻型车（载货车、客货两用车）等排气的测试模式（欧洲经济委员会测试循环）具有代表性的是，模拟城市实际行驶条件的ECE15模式（UDC：城市行驶循环）。从1993年开始采用，在此测试模式基础上，增加最高车速为120km/h的郊区行驶循环（EUDC）的新欧洲行驶循环（NEDC）模式。

从2000年开始，为了检测符合欧Ⅲ排放标准的排气，检测方法升级为新欧洲标准行驶循环（NEDC，EU+EUDC）。此测试取消了在城市行驶循环（UDC）中起动后等待10S的时间，起动后就开始测量，因此包含了低温起动初期阶段状态测试。行驶循环模式如图11-38所示，由以4个基础城市行驶模式构成的城市行驶模式（部分1）和附加城市行驶模式（部分2）组成。

在韩国，把新欧洲标准行驶循环（NEDC，ECE15+EUDC）模式使用在以柴油作为燃料的轻型车、小型、中型汽车排气的检测上。

（1）测试装置和条件测试装置与定容取样法（CVS-75）模式的测试装置（包括气体分析仪）相同。测试条件是把测试汽车移动到驻车室后，驻车最少6h和最多36h，使发动机的机油温度和冷却液温度达到驻车室温的±2℃以内。测试室的温度要保持在20～30℃，绝对湿度要保持在KS（30%～75%）±3%。

城市行驶循环（ECE15）模式是按照15工况每195S连续无间断地反复行驶4次，行驶里程为4.052km，平均车速为18.7km/h，最高车速为50km/h。郊区行驶循环（EUDC）模式的最高车速为120km/h，行驶时间为400S，行驶里程为6.955km。因此，新欧洲标准行驶循环（NEDC）的总行驶里程为11km，行驶时间为1220S，平均车速为32.5km/h。

图11-38 新欧洲标准行驶循环（NEDC）

（2）排气检测方法排气取样与发动机起动同步开始，并在行驶周期最后怠速停止的同时结束。在各样品袋中采集的排气，尽可能要尽快进行分析。测试结束后，在1h内把颗粒物质检测过滤纸移动到重量检测室，并在检测室中2～36h内进行测量。颗粒物质量m由在各测试阶段中两个过滤纸（第一过滤纸m₁、第二过滤纸m₂）中截留的颗粒物质量来决定。

如果0.95（m₁+m₂）≤m₁，则m=m₁

如果0.95（m₁+m₂）>m₁，则m=m₁+m₂

如果m₂>m₁，取消测试。

4.10·15、11模式

日本使用模拟实际行驶条件的11模式和10·15模式两种测试循环，如图11-39所示。测试装置和检测法与定容取样法（CVS-75）模式相同。低温起动状态测试的11模式循环要重复进行4次，10·15模式为高温起动状态测试，仅进行1次。

图11-39 日本

10·15模式为高温起动的准备程序包括怠速状态的排气测试，其过程如下。车辆以60km/h车速行驶约15min进行暖机后，怠速运行时对排气取样，并测量HC、CO和NO_x排放量。在低温起动测试阶段对于污染物质每次测试循环以质量进行检测时，高温起动结果相对于行驶里程进行决定，以单位行驶里程的克（g）进行标记。

废气排放检测法优化方法

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