同步检测柴油机排放物气体成分及不透光度的检测系统

叶校波

摘 要：为满足GB17691-2018、GB3847-2018等新标准中对柴油发动机排放物中氮氧化物等气体组分分析的需求，本文提出了一种可以同步测量柴油发动机排放物气体成分及不透光度的一种一体式检测系统。

关键词：尾气分析；柴油机排放检测；不透光度；对冲气幕；氮氧化物

中图分类号：U467.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0005-02

0 前言

近年来机动车保有量增加趋势迅猛，车辆排放污染已成为城市空气污染的主要来源之一，而且车辆比工矿企业离群众生活圈子更近，对人民群众的身体健康危害更大[1]。

我国在2018年发布了GB17691-2018、GB3847-2018等标准，对柴油发动机排放物的检测在传统的不透光度之外，尾气成分的检测也在要求之列。目前按新标准检测柴油发动机排放物的方案多为不透光度计搭配增加尾气前置处理装置的气体分析仪。为了将这一套系统集成，需要检测仪器的采样气路系统有很好的封闭性，以隔绝系统外的空气等污染物，同时在使用上也要保護检测装置的镜头等器件不容易受污染。但目前国内的不透光度检测设备中，大部分是开放式结构的气路系统。这类设备有的通过风扇等开放式抽取装置将外界空气引入气路中作为气幕，起到保持镜头清洁作用；有的因为没有测量气体成分的结构，故而对自身气路系统的封闭性并无要求。

1 测量原理

本文中的不透光度测量原理是基于比尔-朗伯定律（Beer-Lambert）。定律表明，光线通过含颗粒污染物的烟气的光透过率随着烟气的分子吸收率、颗粒物污染浓度及光通过烟气的距离这三个值的增大呈指数下降[2]。其下降的程度用不透光度来衡量。

本文中的气体组分分析装置采用不分光红外吸收法原理，除了可以测量排放物中的CO、CO2、HC之外，还可以测量NO、NO2成分。

2 检测系统的设计及运作机理

检测系统的设计组成如图1所示。下面本文按顺序来介绍该检测系统各组件的运作机理。

2.1 不透光度检测平台

排放物通过采样探头被采样泵吸入不透光度检测平台。详见图2，该平台采用分流式设计，排放物进入平台的检测管道后分流向两边，从A及B口流出。在此过程中，不透光度检测平台的光源发出的光束穿过检测管道，并由于检测管道内气态排放物的存在而发生折射、反射等现象而衰减。衰减后的光束被传感器接收并转换为电信号并传输出去计算排放物的不透光度。而该不透光度检测平台的检测管道集成了恒温加热模块及气体压力检测模块，可以让检测环境保持相对稳定，保证了数据的可重复性。

另外在检测过程中为避免左透镜、右透镜受到污染。回流支路排放物在进入二次过滤器和节流器后，在节流器处再次分为两路分别进入C口及D口作为回流气流与从检测管道分流来的待检气态排放物交汇对冲（见图2），然后从A、B口排出。在此过程中，因C、D两进气口位于左透镜、右透镜之前，与A、B排气口及检测管道隔一段通道相对，故而C、D两进气口进入的回流气流在流向A、B两出气口的过程中充塞了C-A、D-B段的通道，相当于一种光轴轴向的对冲气幕。这样回流气流就能阻隔从检测管道分流来的排放物对左透镜、右透镜的污染。而该回流气流是经同一排放系统排出，回流速度可调整，流经距离短，且经过二次过滤，对待测气态排放物检测数据的影响经过实验证明在误差范围内。而且经过对比试验，该方式对光通道长度的影响相对比较稳定，可以通过调整检测管道的长度或通过软件换算解决。

2.2 过滤器及二次过滤器

排放物通过过滤器将排放物中的碳粒等固体颗粒物过滤掉，使之不影响下一步的气体成分分析。同时又保护了后级的采样泵及流量计等元件不被碳粉堵塞污染。而为了不污染待测气体，二次过滤器对支路排放物要进行精度更高的过滤，而且不但要过滤颗粒物，还要过滤油雾。

2.3 气体缓冲罐-采样泵-气体缓冲罐

为了避免待测的排放物被泵污染，系统中的采样泵采用了隔膜型真空泵。由于是往复式运作，这种泵的压力曲线存在一定的脉动，所以要使用多泵头并联接管。同时要在采样泵前级添加气体缓冲罐稳定不透光度检测平台的气体压力，在后级增加气体缓冲罐为气体成分分析装置支路及回流支路提供稳压作用[3]。前级气体缓冲罐的容积由实验确定。实验具体按GB3847-2018中“C.3.8.2对于光吸收系数为1.7m-1的气体，被测气体和清扫空气的压力波动引起的光吸收系数的变化应不大于0.05m-1”的标准来测定压力波动与缓冲罐容积的关系。为了成本考虑，后级气体缓冲罐经试验可以使用和前级气体缓冲罐相同规格。

2.4 流量计及气体成分分析装置

流量计的作用是计量气体成分分析装置支路流过的气体，为排放物检测及节流器的调节提供参数。流量计安装在后级正压气路，能避免前级负压气路因探头安装方式而导致的气阻、气压环境改变而形成的计量误差[4]。

气体成分分析装置进行气体成分的分析，气体成分分析完毕后，剩余气体被排放到外界。

3 运行试验及改进

3.1 运行试验

该运行试验的首要目的验证该检测系统的光学镜头对柴油发动机排放物污染的防护能力。故而使用了经自由加速试验[5]后确定排放物不透光度峰值73%的重污染柴油车作为检测对象。正对该柴油车管排气管管口，用直管式无帽取样探头取样进行测试。第一次试验，调节节流器，使回流气体流量占系统空载总流量的25%。

在重复进行了5组自由加速试验后，该系统的不透光度检测平台的N值零位偏移18.2%。经用放大镜对左透镜、右透镜进行观察后，发现明显的碳粒及水雾、油膜污染。经清洗镜头后，试验继续。全部试验记录见表1。

3.2 试验结论及改进

试验后经仪器检测，回流气流在经过较长的管道输送后到达C、D入气口时温度已经下降至约60摄氏度，到达镜片位置时产生了冷凝现象。而在将回流气流流量比例调节至50%时，基本只观察到水雾和少许油膜的污染，受碳粒的污染比较轻微。

为解决水雾的问题，经研究，我们在左、右透镜后侧贴上PTC加热环，将透镜表面加热到60摄氏度，同时将气路部分封闭在恒温箱内。之后再进行测试，在进行5组自由加速试验后N值偏移1.3%。在多次反复同样实验后，确定偏移值范围在1%-1.5%之间。在这种情况下只需要及时调零和隔一段时间拭擦一次透镜就可以持续使用，满足实际应用要求。

最后我们使用了佛山市南华仪器股份有限公司的NHT-7不透光度计及NHA-509废气分析仪系列来验证该系统不透光度及气体组分检测数据的准确性，均初步通过测试。

4 结语

该新型柴油机排放物检测系统为近年新开发的产品，目前还处于样机阶段。还有诸如成本高、体积大、部分元器件不稳定等问题需要克服。但展望未来，柴油发动机排放物一体化检测相对不透光度计搭配气体分析仪的方案，具有软硬件配套少、使用成本低的特点，在便利性和经济性上有一定优势，而且该系统尤其适合于发动机台架试验等场合，同时也能兼顾路面检测。

参考文献

[1] 吕田.压燃式发动机颗粒物排放理化特性及其对大气环境的影响[D].上海：上海交通大学，2013.

[2] 王文光，等.透射式烟度计的研究与探讨[J].北京：工业计量，2003，13（3）：35-36.

[3] 王绍宇.压空缓冲罐和真空缓冲罐容积的确定[J].上海：化工与医药工程，2015（1）：29-33.

[4] 曹玉鑫.四种类型气体采样器计量准确度分析[J].天津：环境与健康杂志，1993，10（2）：35-36.

[5] 生态环境部，国家市场监督管理总局.柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速法及加载减速法）：GB3847-2018发布稿[S/OL].北京：中国环境出版社，2018-09-27.