汽车尾气检测装置及其检测方法

张 涛，樊海春*，汪 锋

(1.天津同阳科技发展有限公司 天津 300384；2.天津市大气污染物监测技术企业重点实验室 天津 300384)

0 引 言

近年来，随着工业发展和城市化进程的不断加快，空气质量不断降低，对人们生产和生活的影响越来越大。我国境内雾霾天气频发，工业废气、施工扬尘、机动车尾气等所排放的固体细颗粒物都是导致雾霾天气频发的元凶[1]。

随着我国机动车排放标准逐步升级，在道路上行驶的各种车辆尾气排放水平将会有很大差距。有效降低机动车尾气排放对环境空气质量的污染，发现并治理高排放的车辆，对于改善城市空气质量状况非常必要。目前控制机动车污染的主要举措是机动车尾气年检和日常的路检和巡检，但实际检测中仍然存在很多问题：传统的检测方法为接触式检测[2-5]，对机动车排气管采样，然后用常规仪器进行分析[6-7]，费时费力、成本高、操作难度大，4名工作人员一天只能检测100余辆车，远远达不到筛选高污染车的目的。

由于所采用的双怠速法检测方法弊端较多，其检测结果不能全面、准确反映机动车真实的排放状况，其中机动车加速度对尾气检测精确度影响较大。检测过程中人为性强，给化油器车留下了作弊的机会。检测指标单一，只能单独测量一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物、颗粒物的排放浓度[8-9]。工况法则需要被检车辆进场检测，检测效率低，远远满足不了实时检测的要求。

目前尾气检测采用的主要手段是在行车道架设龙门架，放置光源和接收器，在路面放置反射镜，对单车道采用反射式安装方法，虽然能实现对单车道的测量，但是路面反射镜极易受到烟尘、雨水和其他污染物的污染，测量结果真实性差；另一种做法是在道路两侧分别放置光源和接收器，但只能针对容纳一辆机动车通过的单车道路况进行测量，应用场所受到很大限制[10-12]。

另外，现有技术中机动车加速度测量的方式主要有高精度 GPS测试设备和陀螺仪加速度计[13]，这两种方式均需要将设备放置在机动车中才能测量，通过外部测量的主要方式是应用摄像机进行图像抓拍计算，技术实现难度高而且精度较差，而且汽车尾气测量等技术又要求准确测量汽车行驶的加速度，因此准确从外部测量车辆加速度就显得格外重要。

1 汽车尾气监测原理

该汽车尾气监测系统包括一种汽车尾气遥测装置以及汽车加速度检测装置。

如图1所示，机动车尾气监测系统是全天候室外在线遥感检测系统，专门针对城市主道路设计的多车道固定式机动车尾气遥感监测。该系统可以对任何一辆从道路上通过的汽车的尾气排放值进行分析(包括汽油车、柴油车、天然气车)。

图1 机动车尾气监测系统整体效果示意图Fig.1 Diagram of the overall effect of the system of vehicle exhaust monitoring

道路上正常行驶的汽车经过光源与检测器之间的红外光和绿光光束时，其排放的尾气中 CO2、CO、NOx、HC(丙烷)对光线有吸收作用，这样红/绿光源发出的透射光被检测器检测到光强将会减弱，而减弱的程度与污染物的浓度相关。在检测过程中，用摄像机抓拍车头或车尾的图像，获取车辆牌照，同时利用雷达测速或者光切割测速法可测定车辆的速度与加速度。

2 汽车尾气遥测装置结构和功能

汽车尾气遥测装置是一种基于单波非色散红外(NDIR)和漫反射技术的机动车尾气遥测设备，包括尾气检测单元、抓拍检测触发系统、独立光源。其中独立光源用于发射调制后的中红外光，采用漫反射的形式使空域内充满均匀的红外光；通过尾气检测单元前端的平凹透镜汇聚，当经过车辆所排放的尾气烟团出现在光路上时，改变了红外光的强度，由此实现对排放气体的检测；当车辆抓拍检测触发系统检测道路有来车时，将车辆信息通过传输线发送给尾气遥测单元，该单元将检测到的尾气信息和车辆信息进行数据整合叠加，经数据传输接口，通过传输网络传输到中心控制平台。

图2 机动车尾气检测原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the detection principle of vehicle exhaust

如图 2所示，设备采用漫反射的形式，安装调试灵活，1尾气检测单元和2独立光源可以安装于道路上方的横梁处，采用俯射的形式，也可以安装于行车道的两侧，采用对射的形式。2独立光源发射调制后的中红外光，采用漫反射的形式使空域内充满均匀的红外光。当 11车辆抓拍检测触发系统检测道路有来车时，将车辆信息通过 13传输线发送给尾气遥测单元，遥测单元将检测到的车辆尾气信息叠加到抓拍的车辆信息后，经 14数据传输接口，通过 3传输网络传输到中心控制平台。

如图 3所示，由于采用的是漫反射的形式，所以通过 2独立光源所发射出的红外光在空间上是面向各个方向且分布均匀，而被检测车道的光路，通过 1尾气检测单元前段的平凹透镜汇聚于12尾气遥测单元。当经过车辆所排放的尾气烟团出现在光路上时，改变了光路强度，从而实现对排放气体的检测。且内部设计参考基准通道，能够滤除掉环境气体因素的影响，使测量数据更加准确。

图3 机动车尾气检测示意图Fig.3 Schematic diagram of the detection of vehicle exhaust

相对于现有技术，可在不影响车辆正常行驶的前提下，完成对车辆尾气排放情况的检测。设备克服了目前遥感设备无法实现多车道路段的准确检测问题，使得多车道同时独立检测成为可能。由于红外光源采用漫反射的形式，尾气检测设备光路呈发散型，可采用俯射式安装也可以采用对射式安装，同时可实时监测车流量。与传统的平行光路在车辆增多时易出现监测数据错误相比，采用发散光路不仅提高了检测精度，同时可监测多辆并行车辆，使监测效率更高。设备可在多种道路条件下安装使用，可同时检测尾气中的一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、碳氢化合物(CH)、氮氧化物(NO)的排放浓度。

3 汽车尾气遥测结果

通过一定浓度的标气进行系统测试，测量结果完全满足 JJG(京)45—2011《遥感式汽油车排放有害气体检测仪检定规程》要求，数据如表1。

表1 系统测试结果Tab.1 Test results of the system

4 结 论

随着汽车尾气严重污染环境，人们对环境空气质量越来越重视，需要加强机动车尾气的检测。该汽车尾气遥测设备基于单波非色散红外(NDIR)和漫反射技术，采用漫反射的形式，打破了传统形式的束缚，光源和检测器安装方式灵活，检测结果受外界影响小。通过架设尾气遥测设备，监控通行车辆的尾气排放情况，标识尾气超标车辆，在汽车工业发展和环境保护之间寻求新的平衡，为解决汽车尾气排放污染问题寻求新的对策。

总之，随着汽车尾气排放对环境造成的污染越来越严重，加强汽车排放尾气检测能力变得尤为重要。本文介绍完全顺应我国环境现状要求的监测设备，旨在为汽车尾气排放防治贡献一份力量。