汽车尾气检测方法分析及设备研发

时凤奎

(天津市交通科学技术研究所 天津300012)

汽车尾气检测方法分析及设备研发

时凤奎

(天津市交通科学技术研究所 天津300012)

对比阐述了国内外汽车尾气治理的情况，重点分析介绍了国内常用的 4类技术：无负荷测试方法、工况法、道路遥感监测方法以及车载检测技术，分析了每种方法的特点及应用现状，并对一款实用性较强的便携式尾气检测仪进行了开发及应用举例。该仪器不仅可以提高“简易工况法”测量的准确度，实现环保部门对环境监测要求，还能有效减少环境污染。

汽车尾气 检测方法 便携式尾气检测仪

随着国民经济的不断发展，机动车保有量不断增加，机动车尾气排放量剧增，成为城市主要的大气污染源，严重威胁着人类健康。世界各国的学术和医学界开始深入关注机动车尾气的治理问题，而机动车尾气检测是尾气污染治理的基础。常用的尾气检测方法和检测设备与车辆发展水平、国家最新标准要求的矛盾也日趋凸显。

1 国内外尾气防治的发展现状

多年来，世界各国进行了各种努力和尝试，试图从源头上解决尾气污染这一全球性问题。为了使汽车污染的排放量降低、减少，欧洲一些国家通过制定税费，对不同污染程度等级的汽车进行分类税收。美国政府从生产环节这一源头就采取了一系列的控制措施，出台了一系列法律法规来控制汽车的排放污染问题。新加坡则通过加大管理力度及范围，大力发展交通系统软、硬件设施，推广公共交通使用频率，提高汽车的上路条件及标准。

随着我国经济的不断发展，公众的尾气防治意识和水平也在不断提升。1984年，我国正式出台并实施了第一个关于排放问题的国家标准。截至 1992年，我国对于空气污染的治理已经有了显著进步，并积累了一定的经验，初步建成较为完善的空气治理体系。2000年，根据国情，结合美、日、欧盟等国家地区的标准体系经验，我国先后制定出第一阶段和第二阶段的排放标准，并于 2005年 5月 30日颁布了第三、四、五阶段标准，于2008年10月1日正式实施。随着机动车保有量的飙升，以及人们对尾气排放治理的决心，各阶段排放标准的实施日期不断提前，北京、广州、上海等大城市近年来相继实施了第五阶段排放标准，天津市环保局也确定了第五阶段机动车排放要求及实施规定，并于2015年 9月 1日起正式实施，成为继北京、广州、上海等城市后进入国五时代的国内城市。

2 常见尾气检测方法

常用的检测方法分为无负荷测试方法、工况法、道路遥感监测方法、车载检测技术4种类型。

2.1 无负荷测试方法

2.1.1 怠速法

对怠速工况下的在用车进行尾气排放检测。怠速法可以用来检测一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)等主要污染物，其检测结果通过污染物的体积浓度表示。优点为：方法简便、快捷、设备费用低。缺点为：只测得汽车道路行驶中怠速状况时的 CO和HC排放情况。

2.1.2 双怠速法

对在用车尾气进行 CO、HC体积浓度排放的检测，分别在怠速工况和 50%,额定转速的高怠速工况下进行。GB,18285—2005规定用双怠速法采用不分光红外分析仪(NDIR)对污染物进行测量。优点为：双怠速法操作简单且快捷，对测试仪器设备的要求并不高，对于较高排放测量识别率优势明显。缺点为：不能进行 NOx的检测，无法真实体现汽车的实际工作排放状况。

2.2 工况法

常用的工况法检测技术包括：稳态加速模拟工况、瞬态加载工况和简易瞬态工况法。工况法尾气检测是利用底盘测功机模拟机动车各种道路(负荷)行驶状态，同时检测CO、CH、NOx等尾气排放物。

2.2.1 ASM(AccelerationSimulationMode，简称ASM)稳态工况法

这是最为简单快速的有负荷测试方法。它包括ASM5025和ASM2540两个典型的等速有负荷运行工况。

①ASM5025工况。加载功率为测试速度25,km/h，加速度为 1.475,m/s2(FTP-75循环中的最大加速度)时的输出功率的 50%,。标准规定加载功率 P5025＝车辆的基准质量/148，以试验车辆的基准质量加载，这样操作较为简便。②ASM2540工况。加载功率为测试速度 40,km/h，加速度为 1.475,m/s2时的输出功率的 25%,。按照相关规定的要求，加载功率P2540＝车辆的基准质量/185，同样以车辆的基准质量加载。作为一种加载负荷的检测方法，ASM 不仅能够对汽车尾气进行测量，同时能够有效识别车辆气体排放中NOx排放量及状况，对排放值比较高的车辆有较好的识别判断能力。但由于该测试方法测试的工况较为单一，只对两个车速下的工况进行测试，测试结果必然会与实际行驶时的排放情况存在较大差异，且不能准确判别加减速过程中排放状况的优劣。

2.2.2 瞬态工况法

包括 IM240瞬态工况和 IM195瞬态工况。①IM240检测主要是采用美国联邦新车认定用测试规程 FPT曲线前 0～333,s的两个峰，经过修改缩短为240,s，底盘测功机可以根据车辆实际需要进行变负荷、变车速运行。②IM195瞬态工况循环测试时间为195,s，所以称为 IM195。采样装置、分析仪器等与新车测试保持一致。

瞬态工况IM195和IM240除了试验循环不同，均采用相同的气体分析原理及废气采样系统，它包括怠速、加速、减速等15种模拟工作状况，基本能够较为全面地对不同路面行驶状况的车辆进行模拟。

2.2.3 简易瞬态工况法(VMAS)

简易瞬态工况法与瞬态工况法采用相同的底盘测功机进行检测，试验循环完全相同，两者不同的是采样系统和气体分析仪的原理不同。这种检测方式融合了IM240瞬态工况、测量稀释排气量的优点，同时融合了 ASM检测技术的长处，通过一个“气体流量分析仪”装置检测汽车的排气量，经处理和计算，进一步得出每种污染物每公里的排放量。这种检测技术可以真实有效地反映车辆的实际行驶状况及排放特征，也比较适用于新车的检测，但价格要高于ASM检测方法。

2.3 道路遥感监测方法

道路遥感监测设备主要包括尾气排放分析系统、行驶状况检测系统、数据处理与显示系统、车牌信息记录系统，将这些系统有效结合便可进行汽车排放情况检测。优点为：检测便捷高效、自动化程度高、测试费用低、不妨碍交通，车辆能够在一般行驶中完成汽车尾气的检测，不受任何人为因素及外界环境的干扰。但是，由于各种车辆实际工况的差异，遥感监测的检测精度并不高，国家的政策扶持及法律方面的保障也较为不足，所以该技术发展仍处在初级理论研究阶段。

2.4 车载尾气检测技术

车载尾气检测技术是通过直采的方式对汽车进行尾气排放的检测，将排气尾管直接与车载尾气测量装置连接。通过这种检测方法能够有效并实时检测到整车气体排放的浓度、质量、流量、排量情况，从而获得准确的气体污染物以及微粒排放量的相关数值。该种检测方法之所以能够真实反映被测车辆的实际排放水平，是因为在检测过程中通过对瞬时排放数据、环境参数、GPS数据等进行进一步的处理后完成的测量。优点为：设备重量轻，易于连接安放，能够实时测量车辆的排放，测试结果精确、可靠，测试便捷，成本较低，技术优越性明显，应用市场前景广阔。

3 便携式尾气检测仪研发与应用举例

笔者所在单位与天津圣威科技共同研究开发的便携式尾气检测仪，首先对国内外的汽车尾气动态分析仪进行分析消化，吸收其特点，并在原有SV-5Q分析仪的基础上进行改进，针对 ASM 简易工况法的要求，实现了动态尾气检测分析，突出特点在于可在汽车变工况状态下实时检测包括氮氧化合物在内的5种尾气成分。

3.1 测量原理

该仪器在系统研发中，从排气分析仪实际使用需求和价格定位出发，采用非扩散红外线分析法(NDIR)法测量 CO、CO2、HC；采用电化学方法测量NOx、O2。

3.1.1 CO、CO2和HC的测试原理

CO、CO2和HC采用NDIR来测量其浓度，测量原理基础是某种气体吸收的红外线波长为特定的范围，即大多数非对称分子对某一特定范围的红外线波长中具有吸收功能，且吸收程度与被测气体的浓度有关。依据红外线吸收图谱中红外线强度推断出CO、 CO2、HC的浓度。如CO能吸收红外线最强的波长为4.7 ,μm，CO2吸收红外线最强的波长为 4.2,μm，HC吸收红外线最强的波长为 3.4,μm。红外线气体分析装置原理图详见图1。

图1 红外线气体分析装置原理图Fig.1 Schematic diagram of the infrared ray gas analyzer

本系统采用的红外分析仪具有较短的预热时间，且响应时间较快、测量精度高，同时具有较高的性价比。

3.1.2 NOx和O2测试原理

汽车尾气分析仪的O2测试功能能够有效测得汽车排气中的含氧量，从而能够反映三元催化反应器的工作状况，采取有效措施调节空燃比，控制排放量。

5种气体成分的浓度测定通常采用两类不同方法，CO、CO2、HC通过“气体吸收的红外线波长为特定的范围”原理来测定，测试精度较高。而 NOx和O2的浓度测定采用电化学原理，排气中含氧量的浓度测定通过在测试信道中设置氧传感器即可。测定过程如图2所示：

图2 NO测定过程图Fig.2 NO measuring process

3.2 主要性能指标及功能图

通过该项目开发研制出可动态检测汽车尾气的检测仪并可准确检测尾气的各项指标，具体性能指标包括：

CO 测量范围 0%～10%，分辨率 0.01%；CO2测量范围 0%～20%，分辨率 0.1%；HC 测量范围0～10,000×10-6，分辨率 1×10-6；NOx测量范围0～5,000×10-6，分辨率1×10-6。

该设备能够满足GB,18285的在用车排气污染物限值的基本要求，并利用数据采集分析自动生成对比分析报告。功能示意图如图3所示。

4 结 语

该仪器可应用于汽车维修市场和各级交通、公安检测站、各级环保尾气治理点，具有非常巨大的市场潜力。不仅可以提高“简易工况法”测量的准确度，弥补“怠速法”测量的缺陷，还能够满足天津市推行的“汽车尾气简易工况法”的检测要求以及现行GB,18285在用车排气污染物限值使用要求，实现环保部门对环境监测管理要求，有效减少环境污染。

图3 便携式尾气检测仪功能示意图Fig.3 Functions of the portable tail gas detector

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An Analysis of Automobile Exhaust Detection Methods and the Development of Corresponding Equipment

SHI Fengkui
(Tianjin Institute of Transportation Science and Technology，Tianjin 300012，China)

The present situation of automobile tail gas treatment both at home and abroad was introduced with an emphasis on four common methods in China，including zero load test method(idle speed and double idle speed method)，mode tests(steady state method，transient state method and simple transient state method)，road remote sensing monitoring and portable emission measurement．The characteristics and application of each method were discussed．In addition，the development and application of a portable instrument of tail gas detector were introduced．The instrument can not only improve the measurement accuracy，but also meet environmental monitoring requirements of relative agency and effectively reduce environmental pollution.

automobile exhaust；detection method；portable exhaust detection instrument

Q93-338

A

1006-8945(2016)01-0046-03

科技支撑计划，动态汽车尾气检测仪的研制(13ZCZDTG02300)。

2015-12-15