1、2023年7月2日星期日第十章汽车排放测试第十章汽车排放测试10.4 碳烟测量与分析碳烟测量与分析10.3 微粒测量与分析微粒测量与分析10.2 排气成分分析仪排气成分分析仪10.1 汽车排放污染物取样系统汽车排放污染物取样系统第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试概述：主要内容概述：主要内容第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 1.环境污染现状，特别环境污染现状，特别是与汽车尾气相关的是与汽车尾气相关的大气污染情况。大气污染情况。2.各种汽车排放污染物各种汽车排放污染物对人类和自然的危害对人类和自然的危害。3.汽车排放控制技术的汽车排放控制技术的发展历程。发展历程。取样系统概述取样系统概述
2、 取样是汽车排放测试的第一环，在不同条件下，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。需要不同的取样技术。取样系统的取样系统的功能功能在于在于使样气经过预处理，以便按一使样气经过预处理，以便按一定要求送入分析系统定要求送入分析系统 不同的取样方法，就有不同的取样系统。按取样不同的取样方法，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：方法分，目前常采用的取样系统有：直接取样系统直接取样系统、稀释取样系统稀释取样系统和和定容取样系统定容取样系统。直接取样系统直接取样系统直接取样法直接取样法是将取样探头插入发动机的排气管是将取样探头插入发动机的排气管中，用取样泵连续
3、抽取一定量气体不经稀释直中，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。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，被广泛由于直接取样法设备简单，操作方便，被广泛用于用于许多国家和地区的各种用途发动机的排放许多国家和地区的各种用途发动机的排放测量中测量中。第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 直接取样系统直接取样系统未经稀释的采样气直接从排气管抽未经稀释的采样气直接从排气管抽取，污染物浓度较高，具有较高的取，污染物浓度较高，具有较高的测量精度。测量精度。采样泵采样泵P把样气从把样气从HSL1（保温（保温453473K）送到
4、）送到氢火焰离子检测器氢火焰离子检测器HFID分析分析HC，经，经HSL2（保温（保温368473K）输送到）输送到化学发光分析仪化学发光分析仪CLA分析分析NOx，另外排气经取样管，另外排气经取样管SL输送到输送到不分光红外线吸收型分析不分光红外线吸收型分析仪仪NDIR分析分析CO和和CO2。为了排除水蒸气对为了排除水蒸气对NDIR工作的干工作的干扰，用温度保持扰，用温度保持273-277K的槽型冷的槽型冷却器却器B来除去排气样气中的水分。来除去排气样气中的水分。测量重型车柴油机的微测量重型车柴油机的微粒排放测试时，用稀释粒排放测试时，用稀释取样系统取样。既可用取样系统取样。既可用全 流 稀
5、 释 取 样 系 统全 流 稀 释 取 样 系 统FFDSS（Full Flow Dilution Sampling System），），也可用也可用分流稀释取样系分流稀释取样系统统PFDSS(Partial Flow Dilution Sampling System)。稀释取样系统稀释取样系统稀释取样系统外形稀释取样系统外形第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 全流稀释取样系统全流稀释取样系统 EP-排气管排气管PDP-容积式泵容积式泵HE-热交换器热交换器PDT-初级稀释通道初级稀释通道SDS-单级稀释系统单级稀释系统DDS-双级稀释系统双级稀释系统PTT-颗粒物传输管颗粒物传输管SDT
6、-次级稀释通道次级稀释通道FH-滤纸保持架滤纸保持架SP-颗粒物取样泵颗粒物取样泵DP-稀释用空气泵稀释用空气泵PSP-颗粒取样探头颗粒取样探头DAF-稀释用空气过稀释用空气过滤器滤器CFV-临界流量文杜临界流量文杜里管里管GF-气体计量仪或气体计量仪或流量仪测定流量仪测定全流稀释取样系统流程图全流稀释取样系统流程图 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 全流稀释取样系统流程图 EP-排气管排气管 DAF-稀释稀释用空气过滤用空气过滤器器SDS-单级稀单级稀释系统释系统DDS-双级稀双级稀释系统释系统PDT-初级初级稀释稀释通道通道SDT-次级稀释通道次级稀释通道 PSP-颗粒取样探头颗粒取
7、样探头PTT-颗粒物传输管颗粒物传输管PDP-容积式泵容积式泵CFV-临临界流界流量文量文杜里杜里管管10全流稀释取样系统全流稀释取样系统 技术要点技术要点第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 初级稀释风道初级稀释风道PDT中应有足够的中应有足够的湍流强度湍流强度和足够的和足够的混合长度混合长度，保证取样前柴油机排气管，保证取样前柴油机排气管EP排出的排气排出的排气能经稀释空气滤清器能经稀释空气滤清器DAF净化的稀释空气净化的稀释空气混合均匀混合均匀。单级稀释系统的直径至少为单级稀释系统的直径至少为460mm，双级稀释系统，双级稀释系统的直径至少为的直径至少为200mm。发动机的排气应顺气流
8、引入。发动机的排气应顺气流引入初级稀释通道，并充分混合。初级稀释通道，并充分混合。分流稀释取样系统分流稀释取样系统 EP-排气管排气管PR-取样探头取样探头ISP-等动态取样探头等动态取样探头EGA-排气分析仪排气分析仪BV-球阀球阀 SC-压力控制装置压力控制装置DPT-差压传感器差压传感器FC1-流量控制器流量控制器SB-抽风机抽风机PB-压力机压力机DT-稀释通道稀释通道PSS-颗粒物取样系统颗粒物取样系统PSP-颗粒物取样探头颗粒物取样探头PTT-颗粒物传输管颗粒物传输管FH-滤纸保持架滤纸保持架SP-颗粒物取样泵颗粒物取样泵FC2-流量控制流量控制GF1-气体计量仪或流量测定仪气体计
9、量仪或流量测定仪DAF-稀释用空气过滤器稀释用空气过滤器GF2-气体计量仪或流量测定仪气体计量仪或流量测定仪TT-颗粒物取样传输管颗粒物取样传输管分流稀释取样系统流程图分流稀释取样系统流程图 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 分流稀释取样系统分流稀释取样系统 分流稀释取样系统流程图 PSS-颗粒颗粒物取物取样系样系统统PSP-颗粒颗粒物取样探头物取样探头TT-颗粒物取样传输管颗粒物取样传输管PTT-颗粒物颗粒物传输管传输管13分流稀释取样系统分流稀释取样系统 工作原理工作原理第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 返回返回 柴油机柴油机排气管排气管EP中的排气通过中的排气通过颗粒物取样颗
10、粒物取样探头探头ISP或或PR和和颗粒物取样传输管颗粒物取样传输管TT输送到输送到稀释通道稀释通道DT。通过。通过DT的稀释排气流量用的稀释排气流量用颗颗粒物取样系统粒物取样系统PSS中的中的流量控制器流量控制器FC2 和和颗颗粒物取样泵粒物取样泵SP控制，稀释空气流量用控制，稀释空气流量用流量控流量控制器制器FC1控制。控制。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 C V S（Constant Volume Sampling）系统取样。除取样袋收集（测得浓度值）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；因此可以计算
11、得到排放总量。定容取样系统定容取样系统第10章 汽车排放测试 测量 总流 量的 常用 方法 容积泵PDP 文杜里管CFV带容积泵的定容取样系统带容积泵的定容取样系统D-稀释空气滤清稀释空气滤清器器 M-混合室混合室H-热交换器热交换器TC-温度控制系统温度控制系统PDP-容积泵容积泵T1-温度传感器温度传感器G1、G2-压力表压力表 S1-收集稀释空气定量样气的取样口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收集稀释排气定量样气的取样口 带容积泵的定容取样系统（带容积泵的定容取样系统（PDP-CVS）流程）流程图图 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 带容积泵的定容取样
12、系统带容积泵的定容取样系统第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 特点特点 容积泵容积泵PDP每转的抽气体积是一定的，只要每转的抽气体积是一定的，只要转数不变，总流量就不变。转数不变，总流量就不变。PDP系统可使流量无级变化，但结构庞大，系统可使流量无级变化，但结构庞大，且流量受温度影响大。且流量受温度影响大。采用临界流量文杜里管的定容取样系统采用临界流量文杜里管的定容取样系统AB-稀释空气取样袋稀释空气取样袋CF-积累流量计积累流量计CS-旋风分离器旋风分离器DAF-稀释空气滤清稀释空气滤清器器DEP-稀释排气抽气稀释排气抽气泵泵DT-稀释风道稀释风道F-过滤器过滤器FC-流量控制器；流量控
13、制器；FL-流量计流量计 HE-换热换热HF-加热过滤器加热过滤器PG-压力表压力表QF-快接管接头快接管接头QV-快作用阀快作用阀S1S4-取样探头取样探头SB-衡释排气取样袋衡释排气取样袋的取样过滤器的取样过滤器SP-取样泵取样泵TC-温度控制器温度控制器TS-温度传感器温度传感器 采用临界文丘里管（采用临界文丘里管（CVF）的定容取样系）的定容取样系统统 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 CFV-临界流量文杜里管；临界流量文杜里管；SF-测量微粒排放测量微粒排放第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 其总流量由一临界文杜里管其总流量由一临界文杜里管CFV来确定，只来确定，只要文杜里
14、管一定，总流量就不变。该系统受温要文杜里管一定，总流量就不变。该系统受温度影响较小，结构相对简单，但只可通过切换度影响较小，结构相对简单，但只可通过切换文杜里管来改变流量，且只能有级地改变。文杜里管来改变流量，且只能有级地改变。采用临界流量文杜里管的定容取样系统采用临界流量文杜里管的定容取样系统返回返回特点特点 汽车排气中的汽车排气中的CO和和CO2用用测量；测量；NOx用用测量；测量；HC用用测量测量；当需要从总碳氢化合物中分离出当需要从总碳氢化合物中分离出非甲烷碳氢化合物时，一般用非甲烷碳氢化合物时，一般用测量甲烷；测量甲烷；发动机排气中的氧多用发动机排气中的氧多用测量。测量。排气成分分析
15、仪概述排气成分分析仪概述排气成分分析仪外形图排气成分分析仪外形图 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 不分光红外线气体分析仪不分光红外线气体分析仪NDIR（Non-Dispersive Infrared Analyzer）是）是。多数气体具多数气体具有吸收特定波长的红外线的能力。有吸收特定波长的红外线的能力。不不分光红外线气体分析仪根据其特定的吸收来鉴别气分光红外线气体分析仪根据其特定的吸收来鉴别气体分子的种类。体分子的种类。不分光红外气体分析仪不分光红外气体分析仪NDIR第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 不分光红外气体分析仪不分光红外气体分析仪NDIR不分光红外线气体分析仪工作原理
16、图不分光红外线气体分析仪工作原理图 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试NDIR工作原理工作原理24NDIR工作特点工作特点第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 不分光红外线气体分析仪采用直接取样系统时，不分光红外线气体分析仪采用直接取样系统时，在取样流程中应串联有冷却在取样流程中应串联有冷却器或除湿器，以尽量除去水分。器或除湿器，以尽量除去水分。而对非饱和烃而对非饱和烃和芳香烃则不敏感，测量的结果主要是反应了饱和烃的和芳香烃则不敏感，测量的结果主要是反应了饱和烃的含量而不代表各种含量而不代表各种HC的含量，所以总的精确度较差。的含量，所以总的精确度较差。排放法规规定，排放法规规定，用不分
17、光红外线气体分析仪用不分光红外线气体分析仪测量。测量。化学发光分析仪化学发光分析仪CLD(Chemical Luminescence Detector)具有感应度高，体积分数可达具有感应度高，体积分数可达10-7；应答性好，在应答性好，在10-2浓度范围内输出特性呈线性关浓度范围内输出特性呈线性关系，适用于连续分析；系，适用于连续分析；为使测量过程中为使测量过程中NO2尽可能完全地转化成为尽可能完全地转化成为NO，催化转化器中的温度必须在，催化转化器中的温度必须在920K以上。以上。第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 特点特点化学发光分析仪化学发光分析仪CLD 工作原理（工作原理（见见P1
18、73）样气由通道样气由通道A或或B进入反进入反应室应室1。样气样气中的中的NO2将在催化转换器将在催化转换器7中转化成中转化成NO，再进入反，再进入反应室，应室，利用测得的利用测得的NOx与与NO的的差值，即可确定样气中差值，即可确定样气中NO2的浓度。的浓度。化学发光分析仪工作原理图化学发光分析仪工作原理图 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 氢火焰离子分析仪氢火焰离子分析仪FID(Flame Ionization Detector)第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 目前测量汽车排放中目前测量汽车排放中HC的最有效手段；的最有效手段；灵敏度高，可测到极小浓度的灵敏度高，可测到极小浓
19、度的HC；线性范围宽；线性范围宽；对环境温度和压力也不敏感；对环境温度和压力也不敏感；不受样气中有无水蒸气的影响，但可能受其中氧的不受样气中有无水蒸气的影响，但可能受其中氧的干扰；干扰；不同的不同的HC分子结构对分子结构对FID的影响不同。的影响不同。氢火焰离子分析仪工作原理氢火焰离子分析仪工作原理离子数基本与离子数基本与HC的浓度成正比的浓度成正比待测气体与氢气混合后，由入口待测气体与氢气混合后，由入口进入燃烧器，由燃烧嘴喷出，在进入燃烧器，由燃烧嘴喷出，在空气的助燃下由通电的点火丝点空气的助燃下由通电的点火丝点燃。燃。这些离子和电子形这些离子和电子形成按一定方向运动的离子流，成按一定方向运
20、动的离子流，从而反映出相应从而反映出相应HC的浓度的浓度。1-离子收集器；离子收集器；2-信号放大器；信号放大器；3-空气分空气分配器；配器；4-；5-助燃空气助燃空气入口；入口；6-燃烧嘴燃烧嘴氢火焰离子型分析仪工作原理图氢火焰离子型分析仪工作原理图 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 顺磁分析仪顺磁分析仪PMA氮氧化物有较弱的顺磁性氮氧化物有较弱的顺磁性，NO和和NO2的顺磁性分别的顺磁性分别为氧的为氧的44%和和29%。因为。因为汽车排放中，氧的浓度要汽车排放中，氧的浓度要比比NOx高得多，所以可用高得多，所以可用顺磁分析仪测量排气中的顺磁分析仪测量排气中的氧浓度。氧浓度。顺磁分析仪
21、外形图顺磁分析仪外形图 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 顺磁分析仪顺磁分析仪PMA(Paramagnetic Analyzer)工作原理工作原理在在磁场强度最大的地方，样气被电热磁场强度最大的地方，样气被电热丝丝4加热。加热。冷的样冷的样气被吸到磁极中心，挤走热的样气气被吸到磁极中心，挤走热的样气。冷的样气被加热后又被挤走。冷的样气被加热后又被挤走。如果加热丝如果加热丝4同时起同时起的的作用，就可以简单地测定磁风速度作用，就可以简单地测定磁风速度，从而测得样气中的氧浓度。，从而测得样气中的氧浓度。第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 热线风速仪（热线风速仪（Hot wire Anem
22、ometer，简称，简称HWA）基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“热热线线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。热量，使金属丝温度下降。改变加热的电流使气体带走的热量得以补充，而使金属丝改变加热的电流使气体带走的热量得以补充，而使金属丝的温度保持不变（也称金属丝的电阻值不变）如保持的温度保持不变（也称金属丝的电阻值不变）如保持150；这时流速愈大则
23、所需加热的电流也愈大，根据所；这时流速愈大则所需加热的电流也愈大，根据所需施加的电流（加热电流值）则可得知流速的大小。需施加的电流（加热电流值）则可得知流速的大小。32气相色谱仪气相色谱仪 GC(Gas Chromatography)对混合气的组成中各成分浓度进行详细的分析；对混合气的组成中各成分浓度进行详细的分析；它灵敏度高，需要样气数量很少；它灵敏度高，需要样气数量很少；一次可完成多种成分的分析。一次可完成多种成分的分析。第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 特点特点气相色谱仪气相色谱仪 GC1-试样注入口试样注入口；2-色谱图记色谱图记录仪；录仪；3-气体出口；气体出口；4-检测检测器
24、；器；5-温控槽；温控槽；6-色谱柱；色谱柱；7-载气入口载气入口气相色谱仪工作原理图气相色谱仪工作原理图 返回返回第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 10.2.5 气相色谱仪气相色谱仪 GC工作原理工作原理由于样气的由于样气的。亲和力弱的组分，。亲和力弱的组分，很难被滞留在填充剂中，首先很难被滞留在填充剂中，首先流出色谱柱；反之，亲和力强流出色谱柱；反之，亲和力强的组分流出较晚。的组分流出较晚。色谱柱分离的各组分由载气送色谱柱分离的各组分由载气送到检测器测定出各组分浓度。到检测器测定出各组分浓度。1-试样注入口试样注入口；2-色谱图记色谱图记录仪；录仪；3-气体出口；气体出口；4-检测检
25、测器；器；5-温控槽；温控槽；6-色谱柱；色谱柱；7-载气入口载气入口气相色谱仪工作原理图气相色谱仪工作原理图 返回返回第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 35排气微粒排气微粒 排气微粒排气微粒是指依是指依据一定的取样方法据一定的取样方法，在最高温度为，在最高温度为325K的稀释排气中的稀释排气中，由过滤器收集到，由过滤器收集到的固态或液态微粒的固态或液态微粒。显微镜下的微粒组织形状显微镜下的微粒组织形状 返回返回第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 微粒质量测量微粒质量测量微粒测量过滤器通常采用滤纸。微粒测量过滤器通常采用滤纸。为了保证测量的精度，空白滤纸和为了保证测量的精度，空白滤纸
26、和有微粒滤纸的质量测量必须在调温有微粒滤纸的质量测量必须在调温调湿的洁净小室内进行。调湿的洁净小室内进行。空白滤纸至少在取样前空白滤纸至少在取样前2h放入小室放入小室内的滤纸盒中，待稳定后测量质量内的滤纸盒中，待稳定后测量质量，然后仍放在小室内待用。，然后仍放在小室内待用。如果从小室取出后如果从小室取出后1h内没有使用，内没有使用，则在使用前必须重新测量质量。则在使用前必须重新测量质量。收集微粒后的滤纸放回小室内至少收集微粒后的滤纸放回小室内至少2h，但不得超过，但不得超过36h，然后测量总，然后测量总质量。质量。微粒质量测量装置微粒质量测量装置。第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 微粒质
27、量测量计算公式微粒质量测量计算公式第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 Vep流经过滤器的流量，流经过滤器的流量，m3 Vmix流经通道的流量，流经通道的流量，m3 mf过滤器收集的微粒质量，过滤器收集的微粒质量，g d 与运转循环一致的距离，与运转循环一致的距离，km微粒成分测量 微粒中有机可溶成分SOF的分离及分析方法 第10章 汽车排放测试 1.热解质量分析法（TG）2.真空挥发法（V V）3.索氏萃取法（SE）微粒成分测量微粒成分测量热解质量分析法热解质量分析法热解质量分析法热解质量分析法TG（Thermo Gravimetry）是在是在惰性气体气氛（如惰性气体气氛（如N2）中，将微
28、粒样品按规定的）中，将微粒样品按规定的加热速率加热到加热速率加热到923K，保温，保温5分钟。在这段时间内分钟。在这段时间内，其中可挥发部分蒸发掉，用热天平测得的微粒，其中可挥发部分蒸发掉，用热天平测得的微粒质量减小量就代表其中可挥发部分质量减小量就代表其中可挥发部分VF（Volatile Fraction），用此法测得的主要是），用此法测得的主要是高沸点高沸点HC和硫和硫酸盐酸盐，基本与，基本与SOF相吻合。然后将气氛换成空气，相吻合。然后将气氛换成空气，在相同温度下，样品进一步减少的质量对应被氧在相同温度下，样品进一步减少的质量对应被氧化的碳烟组分，残留的则是微量灰分。化的碳烟组分，残留的
29、则是微量灰分。第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 微粒成分测量微粒成分测量真空挥发法真空挥发法 真空挥发法真空挥发法VV（Vacuum Volatilization）是将微是将微粒样品置于真空干燥箱内，在真空度粒样品置于真空干燥箱内，在真空度95kPa以上，以上，温度温度473K以上加热以上加热3h左右，其质量变化即为微粒左右，其质量变化即为微粒中中VF含量。含量。第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 微粒成分测量微粒成分测量索氏萃取法索氏萃取法（Soxhlet Extraction）返回返回第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 烟度测量方法烟度测量方法返回返回第第10章章 汽车排放测
30、试汽车排放测试 烟度的测量方法主要有两种烟度的测量方法主要有两种滤纸式烟度计滤纸式烟度计滤纸式烟度计外形滤纸式烟度计外形 第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试 滤纸式烟度计结构和工作原理滤纸式烟度计结构和工作原理滤纸烟度计的结构及工作原理图滤纸烟度计的结构及工作原理图 由反射光检测器与指示器组成由反射光检测器与指示器组成，由白炽电灯泡光源射向已取，由白炽电灯泡光源射向已取样滤纸的光线，一部分被滤纸样滤纸的光线，一部分被滤纸上的微粒吸收，一部分被反射上的微粒吸收，一部分被反射给光电元件，从而产生相应的给光电元件，从而产生相应的光电流，并由指示器指示输出光电流，并由指示器指示输出。光电流的大小反映了滤纸反射光电流的大小反映了滤纸反射率的大小，滤纸反射率取决于率的大小，滤纸反射率取决于滤纸被染黑的程度。光电越小滤纸被染黑的程度。光电越小，滤纸的反射率越低，即滤纸，滤纸的反射率越低，即滤纸的染黑程度越高，表明被测碳的染黑程度越高，表明被测碳烟的浓度越高。烟的浓度越高。第第10章章 汽车排放测试汽车排放测试
