浅析废气分析仪类型和取样系统-摩托车

摩托车排气分析是一个较复杂的系统,也是业内较关注的测量指标之一。摩托车排放法规不仅规定了排放限值、试验规范,同时也规定了分析仪器的类型、取样系统、测量精度等,确保排气分析精度和排放测量结果的可比性,使排放标准行之有效。    摩托车排放测量指标从怠速工况下的HC, CO体积浓度逐渐扩充至收集多个典型工况下的总HC. CO和NO:量,通过稀释、定容比例取样、流量和体积测量,最终计算出排放质量,从而综合评价车辆排放水平。这2种不同指标是2个不同的概念,前者仅是1个稳态工况下的浓度直接测量(怠速法),而后者是瞬态多个工况下的综合测量,且以质量来衡量(工况法);两者采用了不同的测量仪器和设备,前者较简单,一般作为环保部门对在用车辆的监测及发动机工作是否正常的快速简易评价,后者较为复杂,两者价格和构造差别较大。

笔者常听到一些说法,认为同一辆车相隔一段时间后,排放测量结果会发生变化(尤其是工况法),主要原因是测试试验台或系统不可靠;对怠速法排放合格、而工况法排放不合格的结果不能正确分析;在利用等速工况测量结果分析和研究车辆排放时,出现简单的对应关系;有时甚至对稀释取样系统和直接采样系统产生了片面理解。其实这些差异的产生与仪器的测量原理、采样方法等都有关系。

 

   1排放污染物评定指标

 

常用的排放污染物评定指标有浓度排放量、质量排放量和比排放量,三者具有不同的含义和量纲:1)浓度排放量为体积分数,量纲为%或10-6;2)质量排放量为单位测试循环或单位时间质量排放量,量纲为g/h或g/test; 3)比排放量为单位功所排出的污染物质量,或每公里的排放量,量纲为g/(kW·h)或g/km。通常怠速法采用%、10-6量纲,工况法采用g/km量纲,通机排放采用g/(kW·h)量纲。

 

   2分析仪类型及测量原理

 

为测量摩托车燃烧做功后排放中的有害物成分,需选择合适的测量方法和仪器。不同气体有不同的特性,不一定采用同种测量方法;在排气过程中,废气成分会因相互影响而不稳定;采样测量时,样气在进入测试仪器前的管路中有凝聚和吸附等现象。为得到正确的测量结果,需有合理的采集排气样气的取样系统及良好抗干扰性能和高灵敏度的测试仪器。

目前,多数国家采用的标淮分析仪有:不分光红外线分析仪(NDIR ),主要测定CO, CO:气体;氢火焰离子型分析仪(HFID ),主要测定HC气体;化学发光分析仪(CLD),主要测定NO二气体。我国排放标淮也规定了分析仪的类型,这3种分析仪的测量原理是目前国际上公认的、较为精确的测量方法。

 

   2.1不分光红外线分析仪(NDIR)

 

NDIR灵敏度高、侧量范围大、能连续测量,是利用多数气体(除单原子气体和对称双原子气体)都能吸收一定波长的红外线(波长为0.8一600 u m的电磁波)原理进行测量的。摩托车排气中的有害气体为非对称分子,如CO能吸收波长为4.5一5.0  m的红外线、CO2能吸收波长为4.0一4.5 u m的红外线,C6H14(正己烷)能吸收波长为3.5 u m的红外线等,当红外线透过不同分子气体时,由于被气体吸收能量会减小,因此,只要测出红外线能量的变化,就可测出该种气体的浓度。当然,在检测仪器内部还要设置滤波室,以消除背景成分与被测气体波长相重叠产生的测量误差。

 

   2.2氢火焰离子型分析仪(FID、HFID)

 

FID是目前测量HC较理想的仪器,原理是使排气中各种HC在2 000℃左右的氢火焰高温中燃烧,部分分子或原子电离形成自由离子,其离子数与HC分子中的碳原子数成正比(对各类HC灵敏度相同),在外加电场作用下,产生离子电流,电流大小与待测气体的流量和浓度成正比。

当采用FID测量总HC时,因线性和频响特性好,其它成分的存在对其并无干扰,但背景气中氧的存在会影响FID灵敏度,使计数降低。因为O:浓度不同会使气体粘度发生变化,使火焰气体量出现波动,火焰燃烧条件出现变化,一般加大燃气量、减少空气量可减少氧的干扰,在日本、美国排放标淮中,对氧干扰就有要求。FID是常温采样,高沸点的HC在取样过程中会被凝缩和吸附,所以测量精度受影响。目前,常采用加热型氢火焰离子法( HFID ),从采样到检测都处于恒温下,对汽油机的直接采样大多规定用HFID法。

有研究表明,对HC的分析结果,HFID, FID, NDIR这3种测量方法的结果是不同的。对同一气体,HFID的测量结果是FID的1倍,NDIR的测量结果大约比FID低1/3。实际上,NDIR分析仪也能测量出内燃机废气中HC含量,但是内燃机排气中有上百种HC,各分HC吸收系数不同,且这类仪器采样系统为常温型,可测到的HC类别较少,不仅测不出高沸点的HC成分,也测不出干涉光波段以外的HC成份,因而测量结果主要反映了饱和烃的含量,而不代表各种HC的总含量,所以测量精度不高,但由于携带方便、测量时间短,通常怠速排放仪采用此方法,即用NDIR同时测量HC和CO的浓度值。

 

   2.3化学发光法分析仪(CLD)

 

测量NOx浓度时采用CLD,原理是NO和臭氧03会发生化学反应生成NO2 NO2由激态向基态衰减时,会发射波长为0.6一Sum的光量子,用光电倍增管检测其光强,即可测出NO浓度。CLD灵敏度高,响应性好,在10 x 10”范围内输出为线性,适用于连续测量,在实际应用中,为测量NOx,通常先经过适当转换,将NO:还原为NO,因此应经常检查NOz-NO的转换效率,一般规定应高于95%.

为方便快速地进行排放测试,往往将NDIR,HFID, CLD等分析仪与采样装置、流量控制等集成为一个排放检测系统,如怠速排放仪、五气分析仪及排放试验台等。通常仅具有HC, CO分析功能的怠速排放仪一般只采用NDIR测量方法,采用NDIR测量NO时,由于输出信号为非线性及易受干扰,所以测量精度低。具有分析NO二功能的五气分析仪,其内部增加了1个电化学传感器,用来测量NO},但这个传感器的使用寿命一般为2年,需要定期更换。

分析仪的性能对测量的准确性有很重要的影响,随着发动机工况变化,排气中各种成分的浓度变化范围也很大,这就要求仪器的输出在整个浓度变化范围内具有良好的线性。仪器应具有多档量程的切换,以供测量时选择;仪器的响应时间也很关键,响应时间过长会影响示值的准确性和跟踪同步性,一般用指示值达到最终读数的90%来表示,我国规定FID应为is,系统总响应时间<1 mine

用于标定仪器零点和满刻度的标准气体的精度和纯度,如FID分析仪中燃气和助燃空气的纯度等不容忽视,它们也会使仪器示值产生很大偏差。

 

  3取样系统

 

取样是摩托车排放测试的第一环,在不同条件下,需要不同的取样技术。取样方法不同,取样系统也有所不同,取样系统的功能在于使样气经过预处理,以便按一定要求送人分析系统,取样的正确性直接影响测量结果。

一般来说,当汽车在不变工况工作时,污染物排放量可通过排气成分分析仪测量该成分在排气中的浓度,然后根据汽车的排气总流量来计算求得。当汽车在变工况工作时,理论上可先测出成分浓度和排气流量随时间的变化曲线,然后再对时间积分计算总量,但实际上由于排气管压力随工况变化而变化,取样系统和测量仪器动态响应滞后不同,及在输送过程中各工况的样气部分混合,使浓度曲线不能再现汽车排放的时间特性,造成很大误差。因此,采用通过测量排放平均值的方法来确定总排放量,如把一个标准测试循环中的所有排气收集到气袋里,然后测量浓度和流量,从而算出该循环的总排放量。

分析排气成分的取样系统有直接、稀释定容取样,两者对应不同的测量结果,也应用于不同的场所。

稀释取样法,是车辆在转鼓试验台上按规定的工况测试循环运转,全部排气排入稀释道中,按规定比例与空气混合,形成流量恒定的稀释排气,将其中一部分送人采样袋中,用规定的分析仪器分析测量采样袋中各种污染物的浓度,再乘以定容采样系统流过的稀释排气总体积,再除以测试循环总里程,即可得到g/km。直接采样法是将取样探头擂人发动机排气管中,用取样泵连续抽取一定量气体不经稀释直接送人分析系统进行分析,取样测头的安装有顺气流和垂直气流2种型式,SAE推荐采用顺气流式,而美联邦法规和Ricardo则采用垂直气流式,我国的怠速法(GB 14621一2002和HJ/T 3一93)并未规定采用何种取样探头,但一般所见怠速排气监测仪通常为顺气流式取样,规定取样软管长5.0 m,取样接管长600 mm,内径为40 mm,探头插入深度不小于400 mm,并读取稳定30 s时的读数。

笔者未见有研究结果表明这2种安装形式的测量结果有差异,化油器企业自己采用等速法测CO浓度一般是直接向管路取气,并未见安装取样测头,这能否保证取样稳定,是否规定了取样软管长度、是否规定了测量稳定时间等,是否会影响测量结果、是否具有可比性等都值得探讨不能简单下结论。

通常,在发动机台架上进行排放测试时,由于结构简单、操作方便,一般都采用直采法。同样是直采,五气分析仪的直采和复杂的直采系统也是有差别的,尤其是在测量精度上,由于冷却,一部分HC凝缩而溶于水,某些化学活性强的成分相互作用,给测量带来误差。因此,为防止一些气体成分在常温下发生冷凝,必须对采样管等进行加热,通常汽油机保持在130℃左右,柴油机在190 0C。可见,直采系统和稀释采样系统在这部分是明显不同的。

稀释定容取样为一种接近排气扩散到大气中的取样方法,较符合实际状态。排气管排出的废气首先用大约10倍左右的空气稀释,通过除尘、均匀混合(旋风分离),用定容泵或临界流量文氏管来保证稀释排气在试验期间以恒定的流量通过,同时采样气泵将稀释排气按一定比例取样,经滤清器和流量计后送入取样袋供分析使用。用于收集稀释空气和稀释排气的取样袋应具有足够大的容积,不阻碍气体的正常流动,而且不改变有关气体的性质。稀释排气压力和温度都应测量,以便修正至标准状态下。

CVS取样系统由于样气被稀释,因而减少了化学活性强的物质相应反应而引起的成分变化,测量精度高,国际上摩托车排放标准中多规定采用此法取样,我国工况法排放标准也规定采用此法取样。CVS取样法的优点在于可测量出车辆行驶一段距离所排出的污染物质量,并且排气处于稀释状态,比较接近车辆排气中的实际扩散状态,能防止水蒸汽和高沸点的HC在取样系统中凝结,使排气各成分的反应减小,取样气体组分较稳定,测量误差小,但CVS取样法对取样系统设备要求较高,价格昂贵,系统庞大,测量时间长。

在我国摩托车排放测试方法中,工况法一般采用CVS取样系统,而怠速法采用直接取样法,测量HC和CO在怠速工况下的浓度值。HJ/T 3一93《汽油机动车怠速排气监测仪技术条件》规定了此仪器的技术要求为:采用不分光红外线法测量HC, CO;响应时间在10 s内;重复性应在满量程的2%以下;零点和量距的漂移在满量程的3%以内;同时也规定了干扰气体的影响误差。

在国外,则有稀释定容取样法分析怠速排放值。将摩托车放置在底盘测功机上,怠速1 min,用CVS法取样,但阀门放在对稀释排气和稀释空气直接分析的位置上,分析仪和取样探头接通后应在1 min内达到稳定状态。车辆为怠速工况,通过直接分析HC.CO浓度(1}一6`%)来计算HC. CO的排放量(g/min ),其计算与工况法的计算公式基本相同,只是没有行驶距离计算,欧洲法规中的轻摩B型试验即是此法。

 

  4结束语

 

通过以上分析,直接取样法和稀释取样法是完全不同的,对系统和仪器的要求也不同,测量结果和量纲也不同;怠速法和工况法的车辆状态不同,测量结果没有简单对应关系。排放测量系统中影响排放分析精度的因素很多,如分析仪的工作原理、仪器本身的精度、标准气体的纯度、背景气体和水分等对分析仪的干扰,取样系统的选择和设计及试验方法等。车辆排放指标测量就是燃料燃烧做功后的综合性能指标,即便是在相同排放法规下、不同车辆状态下、不同操作方法下、不同外界大气环境影响下,所测量出的排放值必有差异。首先物质的化学性能应比物理性能更易受测量条件和环境的影响,对于摩托车排放分析系统的测量溯源性,通常也只能通过和有证标准物质比对的方式来实现。

对不同内外部状态下的车辆的排放结果简单对比是不可取的。有时,排放结果的差异来自隐藏于测量仪器原理、车辆状态的变化中,虽同样是直采法,但五气分析仪或HC/CO分析仪与直采系统的测量精度和复杂性不同,当然在没有直采设备的情况下,用五气分析仪来在线监测车辆的瞬态排放是一种可行的方法。有人认为Sm的采样管太长,影响测量结果的响应,但是过短的采样管会使过热的气体送入仪器内,影响仪器的性能和测量结果。因此,采样管不宜过短,为纠正这一不足,可采用平移实时曲线的方法来修正显示值的同步性。

总之,对特定结果应谨慎分析,排除车辆内外部干扰后才能有效分析结果的变化,有利于问题的解决。

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