机动车排气污染物检测设备发展对节能减排的促进作用

◆文/佛山市南华仪器股份有限公司 杨耀光

机动车排气污染物检测设备发展对节能减排的促进作用

◆文/佛山市南华仪器股份有限公司 杨耀光

一、汽车尾汽污染现状

机动车是重要的现代化交通工具，现已成为近现代物质文明的支柱之一，但随着机动车产业的快速发展、机动车保有量的不断增加，汽车尾气污染也成为空气质量不断恶化的“主凶”之一。机动车尾气排放的有害物质HC(碳氢化合物)、CO（一氧化碳）、NOx(氮氧化物)等不但影响空气环境质量，而且直接危害人们的身体健康。这些污染物在一定条件下会生成二次污染物——光化学烟雾，会对人体造成更大的危害。光化学烟雾是机动车排出尾气中的HC和NOx在特定的气温条件下，即在静风、湿度低、温度高、长时间阳光照射时产生的一种复杂烟雾。

我国虽然只在少数城市发现过光化学烟雾，但随着机动车保有量的增加，机动车排放污染物对环境的影响日益明显，将给城市和区域空气质量带来巨大的压力。目前，我国城市空气开始呈现出煤烟和机动车尾气复合污染的特点，一些地区灰霾、酸雨和光化学烟雾等区域性大气污染问题频繁发生。

二、汽车尾气排放限制标准

1.国外发展情况

为应对机动车尾气带来的环境污染问题，各国政府先后制定和执行了不同严厉程度的机动车尾气排放限制标准。最早的机动车尾气排放限制标准于1966年在美国加州开始实行。目前国际上关于机动车尾气排放限制的标准最常用的是美国标准、日本标准和欧洲标准，其中欧洲标准在除美、日、欧外的其他国家应用最为广泛。在欧洲，汽车废气排放的标准一般每四年更新一次，1992年实行了欧I标准，从1996年开始实行了欧II标准，从2000年开始实行了欧III标准，从2005年开始实行了欧IV标准，从2009年开始实行了欧V标准，欧洲汽车尾气排放限制标准对汽车尾气排放的限制要求越来越高。

2.我国发展情况

相对于发达国家，我国机动车尾气排放法规的制定和执行起步较晚。1983年我国颁布了第一批机动车尾气污染控制排放标准，这一批标准的制定和实施，标志着我国汽车尾气排放法规从无到有，并逐步走向法制治理汽车尾气污染的道路。1989年至1993年，我国相继颁布了两个限值标准(《轻型汽车排气污染物排放标准》《车用汽油机排气污染物排放标准》)和两个污染物测量方法标准(《轻型汽车排气污染物测量方法》《车用汽油机排气污染物测量方法》)，基本形成了一套较为完整的汽车尾气排放标准体系。

2000年，我国开始实施《国家机动车污染物排放标准第一阶段限制》(国I标准)，使我国汽车尾气排放标准达到发达国家20世纪90年代初的水平。

2004年，我国在全国范围内实施了相当于欧II标准的《国家机动车污染物排放标准第二阶段限制》(国II标准)。

2005年，国家环保总局颁布实施了《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)》

经过现场数据分析，所有被测车辆的排气温度均在100℃以上，因此通过对仪器上传的烟气温度进行监控，结合现场监控图像的方法能在一定程度上防止检测站操作人员的违规操作。

(GB18285-2005)和《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》(GB3847-2005)两项机动车排放控制标准。

2007年，我国开始实施相当于欧Ⅲ标准的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》(国Ⅲ标准)。

2011年6月14日，国家环保部发布《关于实施国家第四阶段轻型汽油车、两用燃料车和单一气体燃料车污染物排放标准的公告》(公告2011年第49号)，自2011年7月1日开始实施《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》(GB18352.3-2005)第四阶段排放限值。

2012年7月25日，国家环保部发布《关于实施国家第四阶段重型车用汽油发动机与汽车排放标准的公告》(公告2012年第46号)，自2013年7月1日开始实施《重型车用汽油发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》(GB14762-2008)第四阶段排放限值。

2012年12月3日，国家环保部发布《关于实施国家第五阶段气体燃料点燃式发动机与汽车排放标准的公告》(公告2012年第68号)，自2013年1月1日开始实施《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》(GB17691-2005)中的“气体燃料点燃式发动机与汽车第五阶段排放限值”。我国机动车尾气排放限值标准越来越严格。

国务院2 0 1 1年8月3 1日公布的《“十二五”节能减排综合性工作方案》中，首次把交通纳入减排领域，NOx首次被纳入主要污染物总量减排控制范围，提出“实施第四阶段机动车排放标准，在有条件的重点城市和地区逐步实施第五阶段排放标准”的方针。

近年来，我国北方地区频繁出现大范围持续雾霾天气，其“元凶”PM2.5越来越受到社会的关注。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，其被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。

2011年12月30日，国家环保部通过了新的《环境空气质量标准》，新的标准增设了PM2.5平均浓度限值和臭氧8小时平均浓度限值，收紧了PM10、NO2(二氧化氮)、铅等污染物的浓度限值。由于机动车排放物是PM2.5的主要来源之一，新的《环境空气质量标准》将促进机动车排放物检测标准的进一步发展。2012年的相关报道中提到，我国80%的城市不能达到新的环境空气质量标准，空气污染严重影响居民身体健康。长三角、珠三角、京津冀等地区城市大气雾霾和光化学烟雾污染日渐突出，雾霾天数占到全年总天数的30%至50%。

2013年1月14日，国家环保部发布《关于征求〈轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)〉(二次征求意见稿)意见函》，拟制定更严格的机动车尾气排放限值标准。2013年9月17日，国家环保部正式公布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》，该标准将于2018年1月1日开始实施。

三、机动车排气污染物检测设备

随着机动车尾气排放对环境的危害日益凸显，近年来，人们对机动车尾气污染问题越来越重视，为了保护环境，政府不断提高机动车尾气排放限制标准，增加对机动车尾气排放的检测项目，机动车尾气排放检测技术和方法也不断提高。机动车尾气排放限制标准的提高、检测项目的增加、机动车排放物检测技术和方法的提高推动了机动车排放物检测产品的发展，目前市场上使用的机动车排放物检测产品主要有废气分析仪、烟度计、工况法系统。

1.废气分析仪

废气分析仪是用于检测汽油车排放污染物的仪器，也是工况法检测系统的核心仪器。它从汽油车排气管内收集抽取汽车的尾气，并对取样气体中所含有的特定气体的浓度进行连续测定。

汽油车排放污染物分析的主要检测方法有：不分光红外分析法(NDIR)、电化学法、氢火焰离子化法(FID)、化学发光法(CLD)等，其中应用最为广泛的是不分光红外分析法。不分光红外分析法是基于不同组份气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性，通过测量被测气体的吸收光谱和吸收强度来确定被测气体的种类和被测气体浓度的。早期的红外气体分析仪多采用气动红外线检测器(即卢福特检测器)，它是由德国科学家卢福特发明的，早在1938年便开始投入工业化生产。

20世纪50年代，以费因格格夫和勒夫特为代表研制出了有选择性的光气体检测器，使不分光型红外气体分析仪技术趋于成熟。20世纪60年代，军事上的应用使高灵敏度的红外探测器的研究蓬勃发展起来，红外干涉滤光片制造技术也日趋完善，促使以红外探测器为接收元件的分析仪以其独特的特点迅速发展起来。

20世纪70年代开始，美、英、德等国一些厂家生产出多组份红外线气体分析仪，有代表性的产品是KENT公司生产的RI500型红外气体分析仪。这种仪器虽然能实现多组份分析，但是测量对象的吸收灵敏度不能相差太大，选择性也不够好。

20世纪80年代，气体滤波相关技术用于多组份分析，大大地提高了分析仪的选择性，但是仪器的测量灵敏度低。

20世纪80年代末以来，人们通过不断改进滤光片等元件的特性参数、优化部件结构、利用信息处理技术等手段，使检测仪器的抗干扰性、检测精度以及工作稳定性不断提升。

随着技术的不断进步，红外原理的优点得到充分挖掘，红外机动车排放物检测仪器结构简单、寿命长、测量精度高、反应速度快、运行费用低、操作简便，可用于分析测试HC、CO、CO2(二氧化碳)、NOx等气体的浓度，因而被广泛用于机动车废气分析领域。

早期的废气分析仪主要用于检测怠速状态下的HC和CO，因此也叫二气分析仪。后来随着各国环保标准的不断提高以及红外检测技术的不断进步，人们在二气分析仪的基础上研制出了四气、五气分析仪。目前四气、五气分析仪已逐步取代二气分析仪，成为市场的主流产品，表1列出了各类废气分析仪的适用范围。

分析仪 废气 HC CO CO2 O2 NOx二气分析仪 ○ ○ — — —四气分析仪 ○ ○ ○ ○ —五气分析仪 ○ ○ ○ ○ ○

图1为废气分析仪的结构示意图，其主要由尾气采收装置、气体分析光学平台(气体传感器)等构成。尾气采收装置由探头、取样管、过滤器、气水分离器及气泵等构成。探头从排气管中采集的尾气，经过滤器、气水分离器分离后，进入气体分析光学平台(气体传感器)。

废气分析仪的废气分析部分结构如图2所示。气体分析光学平台(气体传感器)主要由红外线光源、样品气室、滤光片、半导体红外检测器等构成，是废气分析仪的关键组成部分。检测时，光源发出的红外光，经切光片后形成红外光脉冲(近期的技术有采用脉冲式红外光源直接产生红外光脉冲)，红外光脉冲经样品气室后被样气(从采收部分输送来的多种气体)吸收部分能量，再通过滤光片后到达红外检测器。由于滤光片只允许对应待测组份的红外吸收波长的红外光通过(例如：CO滤光片只允许4.7微米的红外光通过)，所以对应波长红外光的能量被吸收的程度反映了相应待测组份的浓度，红外检测器通过对应波长红外光的衰减程度来测量相应待测组份的浓度。

目前废气分析仪已经普遍采用计算机数字信号处理技术，通过自适应、自调整软件能够对各种气体浓度信号进行线性化处理，对各环境因素(温度，压力等)变化造成的气体浓度信号变化进行补偿，从而提高了检测结果的准确性和稳定性，能够对检测过程进行引导和监控，对检测结果进行判别，从而提高了产品的智能化程度。

佛山市南华仪器股份有限公司生产的NHA系列废气分析仪是利用不分光红外吸收原理，采用计算机数字信号处理技术的智能化汽油车排气污染物检测仪器，已经广泛应用于各类机动车检测站、汽车修理厂、汽车制造厂、环境检测站等单位，其性能达到国际标准ISO 3930-2009 最高精度等级(00级)的要求，为防治机动车排气污染提供了有效监测手段。

2.烟度计

烟度计是测定柴油车排出烟气中烟度的仪器，目前，柴油车排气烟度测量主要采用两大类仪器：滤纸式烟度计和不透光烟度计。

(1)滤纸式烟度计

滤纸式烟度计结构如图3所示，其由探头、光电测量头、收纸机构、压纸机构、过滤纸、往复运动式汽缸构成。检测时，用探头从排气管中抽取一定量(标准规定330毫升)的烟气，烟气经过滤纸后，滤纸被烟气污染。当光线射向被污染的滤纸时，一部分光线被滤纸上的碳烟所吸收，另一部分光线被反射到光电测量头，使光电测量头产生光电流，光电流的大小反映了滤纸反射率的大小，而滤纸的反射率决定于滤纸的被污染程度，进而测定烟气的污染程度。

滤纸式烟度计结构简单、调整方便、测定值可靠性高、价格低廉，滤纸试样直观性好、便于保存。但缺点是只能检测排气中黑色的碳烟，无法测量同样存在污染的蓝烟和白烟，这是因为蓝烟(通常因燃料或润滑油不完全燃烧产生的微滴组成)、白烟(通常是由水蒸气和/或油雾组成)不能像黑色碳烟一样在滤纸上留下固体颗粒。

(2)不透光烟度计

不透光烟度计，又称透射式烟度计、不透光度计，其基本工作原理是光吸收的物理作用，其结构如图4所示。光源发出的光线穿过废气后，经过吸收和散射，光线强度衰减，光电管测出光线的衰减率，进而得到气体污染程度。由于无论低浓度污染物(如蓝烟、白烟)还是高浓度污染物(如黑烟)都会使光源发出的光线得到一定程度的衰减，因而这种工作原理使不透光烟度计不仅可以测量高浓度污染物，也可测量低浓度污染物，而且能够实现连续测量。另外，不透光烟度计的工作原理也使其能够适用于瞬态工况、自由加速工况、有负荷加速工况等多种柴油车工况状态下的排放污染物测量。

佛山市南华仪器有限公司生产的NHT－6 不透光度计，其主要性能指标达到国际标准ISO 11614的有关要求，已经广泛应用于各类机动车检测站、汽车修理厂、汽车制造厂、环境检测站等单位。并且通过了日本有关部门的认证试验，达到日本相关标准要求，批量出口日本。

3.工况法系统

工况法是一种对在用车进行有载荷检测的方法，其通过模拟车辆在道路上的实际运行工况测量其污染物的排放量，测量结果与车辆实际排放趋同，被公认为是评价机动车(或发动机)尾气排放状况(浓度、质量)及排放控制装置净化效果最为科学、最有说服力的试验方法。

工况法应用于在用车尾气检测称作“简易工况法”(以下简称“工况法”)，是相对于检测设备和检测程序更为复杂的“全工况法”而言的。

我国的工况法包括应用于汽油车的稳态工况法(ASM)、简易瞬态工况法(VMAS)和应用于柴油车的加载减速工况法(LUGDOWN)等三种检测方法。

工况法系统是通过计算机控制软件，将底盘测功机、机动车排放物检测仪器(汽油车废气分析仪/柴油车烟度计)等仪器进行集成控制的系统性产品。检测时将车辆置于底盘测功机上，车辆按规定车速在底盘测功机上“行驶”，通过模拟汽车在道路行驶情况下怠速、减速、加速和换挡等实际工况，从而更真实地测量机动车排放污染物的含量，其检测有效率比现行检测方法(汽油车双怠速法和柴油车自由加速烟度法)高4～5倍。

在工况法应用之前，国内外对汽油车进行尾气检验主要采用怠速法和双怠速法，对柴油车进行尾气检验主要采用自由加速烟度法。汽油车怠速法和双怠速法使用的检测设备为废气分析仪和相关计算机软件，柴油车自由加速烟度法使用的检测设备为烟度计和相关计算机分析软件。

(1)工况法在汽油车尾气检测中的应用

汽油车怠速法是指在怠速工况下测量排放污染物浓度的尾气检验方法。怠速工况是汽车多种工况中的一种，指车辆变速器位于空挡、离合器为接合位置、发动机加速踏板松开、低速空转的状态。汽油车怠速检测法的检测过程如下：将发动机由怠速工况加速至70%额定转速，维持60秒后降至怠速，将废气分析仪的取样探头插入排气管中，维持15秒后，由具有平均值功能的仪器读取30秒内的平均值，或人工读取30秒内的最高值和最低值，其平均值即为怠速污染物测量结果。怠速检测法的特点是只能反映车辆怠速、空负荷状态下的排放情况，这时发动机为贫氧偏浓燃烧，主要产生HC和CO，产生少量或不产生NOx，因此此检测方法只需要能够分析HC和CO浓度的废气分析仪即可，所以检测成本低、操作方便快捷。但由于怠速法检测车辆无负荷，不能反映NOx的排放，对于那些NOx排放高的车无能为力。所以用怠速检测法测量汽车的尾气排放，并以其测量结果来判断车辆的排放是否合格是不够科学、不够合理的，用这种方法来治理尾气排放造成的环境污染也是难以奏效的。我国在2005年7月1日实施的GB 18285-2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》中已不再采用该方法作为在用车的排放检测。

汽油车双怠速法是指在怠速及高怠速工况下分别测量排放气体的污染物浓度，两种状态下检测结果有一项超过规定的限值，则判为不合格。高怠速工况即指发动机无负载运转，离合器处于接合位置，变速器处于空挡位置，用加速踏板将发动机转速稳定控制在50%额定转速或制造厂技术文件中规定的高怠速转速工况。双怠速法的检测过程如下：将发动机从怠速状态加速至70%额定转速，运转30秒后降至高怠速状态。将废气分析仪的取样探头插入排气管中，深度不少于400毫米，并固定在排气管上，维持15秒后，由具有平均值功能的仪器读取30秒内的平均值，或人工读取30秒内的最高值和最低值，其平均值即为高怠速污染物测量结果。当发动机从高怠速降至怠速状态15秒后，由具有平均值功能的仪器读取30秒内的平均值，或人工读取30秒内的最高值和最低值，其平均值即为怠速污染物测量结果。双怠速法与怠速法相比多考察了一个工况，增加了高怠速工况的检测后，对普通化油器式的车辆，扩大了污染物排放的控制范围，更能够有效地发现化油器混合气供给系统中故障。进行双怠速法检测需增加的设备投入不大(支持双怠速法的废气分析仪，能测发动机转速、机油温度、排气温度等)，操作较简便，但它还是一种无负荷检测，不能全面反映汽车在道路上行驶时各种工况下的排放情况。

国家环保部2005年6月7日发布的《点燃式发动机汽车排放污染物排放限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)》中提到，“全国点燃式发动机在用汽车排放监控，采用本标准规定的双怠速法排放污染物排放限值及测量方法；在机动车保有量大、污染严重的地区，也可按规定采用本标准附录B、C、D中所列的简易工况法”。确立了“双怠速法为最低要求、工况法为发展方向”的在用车检测导向。

根据国家环保部发布的《中国机动车污染防治年报(2011年度)》以及国家环保部新闻发言人的介绍，鉴于机动车污染排放已成为我国空气污染的一个重要来源，环保部今后将继续加大工作力度，全面实施机动车NOx总量控制。由于只有采用工况法才能实现对机动车NOx的准确检测，这一政策的实施使工况法系统产品的应用范围从目前的国内重点地区推向全国。

我国的汽油车工况法主要包括稳态工况法ASM、简易瞬态工况法VMAS。稳态工况法ASM，也称加速模拟工况法，是将车辆置于底盘测功机上，通过控制系统控制底盘测功机的加载，持续稳定地模拟车辆在道路上加速时的负载，分析车辆在此工况下排放污染物浓度的检测方法。简易瞬态工况法VMAS是将车辆置于底盘测功机上，通过控制系统控制底盘测功机的加载，模拟车辆在道路上行驶的怠速、加速、匀速、减速工况，对其运行过程中排放污染物排放量进行检测的方法。工况法与双怠速法相比有四大优点：一是检测项目齐全，能够检测出双怠速法不能检测的NOx排放状况，对于空气质量控制(尤其是NOx的减排)具有积极作用；二是检测结果更接近于真实排放水平，能够反映出机动车在道路上行驶的各种工况的真实排放状况；三是检测过程是在软件控制下，按照预设的检测条件进行检测，能够有效减少人为因素对检测的影响，防止弄虚作假；四是检测设备与机动车排放监控中心具有联网功能，便于监督管理。简易瞬态工况法不仅能够测量排放污染物浓度，而且能够测量排放污染物质量。表2对双怠速法(非工况法)、稳态工况法、简易瞬态工况法的优缺点进行了比较。

表2 汽油车尾气检测方法比较

(2)工况法在柴油车尾气检测中的应用

柴油车进行尾气检验主要有柴油车自由加速烟度法和柴油车加载减速工况法。

柴油车自由加速烟度法是指当柴油车发动机处于自由加速工况时，从排气管中抽取一定量的排气，用不透光式烟度计或滤纸式烟度计进行检测的一种检测方法。自由加速工况是指柴油车发动机处于怠速状态时，将加速踏板迅速踏到底，维持4秒后松开时的工况。该方法的特点是，检测操作简便易行、测试仪器价格便宜且便于携带、检测时间短等。但其不能反映功率大小，车主容易通过限油方式作弊。

柴油车加载减速工况法是一种模拟车辆负载运行，分别在最大功率点、最大功率对应转速的90%转速点和最大功率对应转速的80%转速点等3个加载工况点对排放污染物进行检测的方法。柴油车加载减速工况法与自由加速烟度法相比较，优点突出。一是加载减速法是满负荷的检测方法，模拟道路行驶工况开展检测且与柴油车型式核准时的工况十分相近，能够更准确快速地测量出柴油车烟气的排放量，有利于估算机动车污染物排放总量。二是检测时同时测量车辆的轮边功率值，进而可判断其柴油机动力性的劣化程度，为及时维修提供依据。三是其配套的设备具有计算机联网功能，可与机动车排放监控中心连接，便于主管部门实施监督管理和对检测数据进行统计与分析。四是加载减速法对发现高排放的“黑烟车”极为有效。表3中列出了柴油车尾气检测方法的优、缺点比较。

在工况法系统的应用方面，随着环境问题的日益凸显，各地环保部门对机动车环保、安全检测越来越重视，纷纷出台了工况法推广应用的政策指导意见。北京市自2001年1月1日起，首先对使用10年以上的车辆和5年以上的出租小客车实施工况法检测；自2003年8月1日起，对在用轻型车、重型车、农用车和摩托车实施工况法检测。直辖市中除北京市外，重庆市也已开始实施工况法检测。副省级城市中，广州、青岛、南京、深圳、沈阳、大连、杭州等城市相继开始实施工况法检测。广东省珠三角地区的佛山、珠海、东莞等城市也都开始实施工况法检测。国务院2011年8月31日公布的《“十二五”节能减排综合性工作方案》中，首次把交通纳入减排领域，NOx首次被纳入主要污染物总量减排控制范围，提出“实施第四阶段机动车排放标准，在有条件的重点城市和地区逐步实施第五阶段排放标准”的方针。全国各个省市对工况法检测都在加紧推广应用之中。未来，以工况法为代表的系统化、集成化、智能化的检测系统将逐渐成为市场的主流产品。

佛山市南华仪器有限公司生产的NH系列工况法机动车排气检测系统，其主要组成部分为：汽车底盘测功机、汽油车废气分析仪、柴油车烟度计、计算机控制软件，以上均为自主设计与生产，具有较强的产品配套能力和售后服务能力，已经在全国各地各类机动车检测站广泛使用。

4.其他新型机动车排放物检测产品

为了不断加强对机动车尾气污染的治理，特别是高排放车辆的筛选、发现和治理，除了采用工况法定点定期地检测外，路检和抽检也是十分必要的，移动式机动车排气检测车和遥感式机动车排气检测车为此提供了检测手段。移动式机动车排气检测车由车载式废气分析仪、烟度计、车载不间断电源、视频摄像系统、计算机管理系统等设备组装在专用汽车上构成。遥感式机动车排气检测车由遥感检测装置、车牌识别系统、车辆速度与加速度检测系统、车载不间断电源、视频摄像系统、计算机管理系统等设备组装在专用汽车上构成，可对道路上行驶的车辆的排气污染物进行实时检测，这些检测设备为环保部门的监管和执法提供了有效工具。

机动车排气污染物监测仪器设备的不断发展，为防治机动车排气污染提供了有效手段，为实现节能减排目标提供了可靠保障。