CN101113947A - 测量车辆颗粒物排放的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量车辆颗粒物排放的装置，该装置包括颗粒物浓度测试仪和数据记录处理模块，尾气管通向颗粒物浓度测试仪之间依次连接有取样探头和采样稀释器，从而形成气体流量通路；采样稀释器上连接有稀释气控制装置；颗粒物浓度测试仪上连接有真空泵；尾气管内分别设置有压力传感器和排气流量计；上述压力传感器、排气流量计和颗粒物浓度测试仪分别向数据记录处理模块传递信号。本发明中还公开了利用上述测量装置进行测量车辆颗粒物排放的方法。本发明通过对相关仪器采集的数据进行计算获得机动车道路测试过程中的颗粒物质量排放量，而无须称重；客观地反映任何测试时段上的颗粒物质量排放量，进而为制定有效的控制策略起着极其重要的作用。

Description

测量车辆颗粒物排放的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种测量连续通过仪器的流动固体材料的流量及浓度的系统，尤其涉及一种用于道路或者其他情况下的机动车颗粒物排放流量和浓度的测量系统。

背景技术

对于机动车尾气排放的测量，在气态排放污染物测量与分析计算已经成熟，但由于颗粒物的测量目前仅限于滤纸称重法，并且不能实现实时测量。目前，虽然国外有很多技术可以对颗粒物瞬态排放浓度进行采集，还不能直接测量总质量。因此，对于颗粒物的实际道路排放测量还未有可行及成熟的技术手段。

现有技术中，基于底盘测功机、发动机台架的机动车排放试验室检测方法是我们准确地了解各类型车辆排放水平重要的基础手段。但是上述试验室检测手段有很大的局限性，其不足之处主要表现为：

(1)对于轻型车，依据试验室的法规测量方法只能测量特定工况下，如：NEDC(neweurope driving cycle新欧洲循环)和FTP75(Federal Test Procedure美国联邦试验程序)车辆的排放水平。这些工况只是针对特定地区和特定环境开发的，很难重复再现实际道路复杂的工况情况。这种手段获取的车辆排放测量数据，只能表明车辆在当前测试工况下的排放状态。而在车辆的实际使用中，不同区域不同环境条件，车辆的行驶工况的差异，这些因素都会对车辆排放水平产生重要影响。大量研究已经表明，城市车辆实际的道路行驶排放值要比法规程序下试验室测量所得的排放值高得多。

(2)对于重型车来说，我国现行的重型车排放法规中规定的发动机测试循环是遵循欧洲ECE R49十三工况法。该测试方法只是测量发动机在十三个工况点的排放。即便是将来(2008年)实行欧III标准——即：对重型发动机实行稳态测试循环(ESC)和瞬态测试循环(ETC)而言，其测量工况测试覆盖面也非常有限。

(3)对于重型混合动力车辆来说，由于它是在常规发动机基础上，增添配置了一套动力辅助装置，这种装置被设计成根据车辆的实际行驶工况，采取针对性的控制策略，实现车辆节能和降低排放的目的。对于这种车辆，单从结构上看(多了一套动力辅助装置)，依据发动机来评价就不合适；更何况由于辅助动力装置的工作，发动机的实际运行工况分布与欧洲稳态循环(ESC)相差很大，所以混合动力车辆实际的排放仅仅依据发动机排放水平来评价是不合适的。

另外，申请号为200610097516.8，其公告号是CN1959373，公告日是2007年5月9日的中国发明专利申请公开了一种《光学流速颗粒物浓度测量方法及装置》，其实现的技术方案是包括有发光二极管和调制电路，发光二极管的前方安装有二个光电二极管探测器，光电二极管探测器将信号分别经过放大、检波电路后，接入低频带通滤波器a、b，低频带通滤波器a、b输出的信号分别经过A/D模数转换接入计算机数据处理系统。由计算机采样、处理，计算两路信号的互相关，最后由最大互相关的时间延迟计算出流速；同时，信号经低频带通滤波器a和A/D模数转换后，计算颗粒物浓度。上述对烟气流流速和颗粒物浓度测量方法及装置在燃煤发电厂、水泥厂、金属冶炼厂等领域有广泛的利用价值，然而由于其对粒径较小的车辆颗粒排放物灵敏度较低，尚不能满足在车辆颗粒物排放测试上的应用。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种测量车辆颗粒物排放的装置及其测量方法。本发明能够实现基于真实运行环境的车辆道路颗粒物排放测量和计算，通过采集的数据进行计算获得机动车道路测试过程中的颗粒物质量排放量，而无须称重；同时，还可以客观地反映任何测试时段上的颗粒物质量排放量。从而更能准确地反映车辆颗粒物的实际道路排放情况，进而为制定有效的控制策略，起着极其重要的作用。

本发明测量车辆颗粒物排放的装置予以实现的技术方案是：该装置包括颗粒物浓度测试仪和数据记录处理模块，尾气管通向所述颗粒物浓度测试仪之间依次连接有取样探头和采样稀释器，从而形成气体流量通路；所述采样稀释器上连接有稀释气控制装置；所述颗粒物浓度测试仪上连接有真空泵；所述尾气管内分别设置有压力传感器和排气流量计；上述压力传感器、排气流量计和颗粒物浓度测试仪分别向所述数据记录处理模块传递信号。

本发明测量车辆颗粒物排放的装置，其中，所述排气流量计与压力传感器之间为空间垂直交叉的位置，两者在尾气管中的轴向距离为3～5cm。

利用上述测量装置进行测量车辆颗粒物排放的方法，包括以下步骤：通过排气流量计和压力传感器将尾气管中的排气流量信号和排气绝对压力信号传递给数据记录处理模块；取样探头采集气样后，气样流经采样稀释器和颗粒物浓度测试仪，并通过颗粒物浓度测试仪将气样的颗粒物浓度信号传递给数据记录处理模块；所述数据记录处理模块根据接收到的上述信号，采用下列公式即可得到稀释排气质量流量：

${\mathrm{PM}}_{\mathrm{mass}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{conc}}_{\mathrm{mass},i}\×Q_{\mathrm{EXHW},i}\×D_i\left(P_{\mathrm{EXHW},i}\right)}{60000}---\left(1\right)$

${\mathrm{PM}}_{\mathrm{number}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{conc}}_{\mathrm{number},i}\×Q_{\mathrm{EXHW},i}\×D_i\left(P_{\mathrm{EXHW},i}\right)}{60000}---\left(2\right)$

上述公式(1)和公式(2)中各参数的含义为：

PM_mass——测试循环颗粒物排放总质量；

PM_number——测试循环颗粒物排放总数量；

conc_mass，i——颗粒物质量浓度，其单位为mg/m³；

conc_number，i——颗粒物质量浓度，其单位为mg/m³；

Q_EXHW，i——稀释排气体积流量，其单位为m³/min；

D_i(P_EXHW，i)——对应排放压力P_EXHW，i的瞬态稀释比。

本发明测量车辆颗粒物排放的方法，其中，所述对应排放压力P_EXHW，i的瞬态稀释比D_i(P_EXHW，i)的修正根据是通过取样探头处的取样点的尾气压力、进入采样稀释器的稀释气压力和真空泵的抽气压力进行控制，其中，抽气压力恒定，稀释比随取样点的尾气压力的变化而变化，通过取样点的尾气压力即可得到稀释比。

附图说明

图1是本发明测量车辆颗粒物排放的装置的结构方框图；

图2是本发明测量车辆颗粒物排放的方法中稀释比与取样点的尾气压力函数关系图；

图3是本发明测量车辆颗粒物排放的方法的流程框图；

图4-1和图4-2是图1中所示压力传感器与取样探头之间相互位置关系示意图。

下面是本发明中说明书附图中附图标记的说明：

A——取样点的尾气压力  B——稀释气压力    C——抽气压力

1——尾气取样点        2——排气流量计    3——采样稀释器

4——颗粒物测试仪      5——压力传感器    6——数据记录子模块

7——取样探头          8——数据处理子模块

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明是如何实现其测试功能的。

如图1所示，本发明测量车辆颗粒物排放的装置包括由尾气管10通向所述颗粒物浓度测试仪4之间依次连接有取样探头7和采样稀释器3，从而形成气体流量通路；所述采样稀释器3上连接有稀释气控制装置，所述稀释气控制装置包括依次连接的空压机13、空气干燥过滤器11和压力控制器14，空压机13提供的空气经空气干燥过滤器11干燥过滤，由压力控制器14控制干燥过滤后的稀释气压力B，该稀释气进入采样稀释器3，并与由上述气体流量通路流进的尾气混合，从而完成尾气的稀释。所述颗粒物浓度测试仪4上连接有真空泵12；由于颗粒物浓度测试仪4只能测量颗粒的浓度，对于车载排放仅测量其浓度是不够的，还要通过测量排气流量，才能实现对颗粒物排放总量的测量，从而得出车辆实际道路行驶排放的颗粒物状况，实现完整的车载颗粒排放测量的目的，因此，在本发明中还采用了排气流量计。压力传感器是用来测试取样点的尾气压力信号，用来对稀释比进行修正。根据每秒的压力信号，有一对应的稀释系数。把瞬时压力信号导入数据记录子模块，按照压力和稀释比两者之间的函数关系即可以确定瞬时的稀释比。在数据计算模板中导入流量数值、颗粒物浓度数值、瞬时稀释比，即可以计算出最终颗粒物总排放量。所述尾气管10内分别设置有压力传感器5和排气流量计2，如图4-1和图4-2所示，所述排气流量计2与压力传感器5之间为空间垂直交叉的位置，两者在尾气管10中的轴向距离为3～5cm。上述压力传感器5、排气流量计2和颗粒物浓度测试仪4分别与装载有数据记录处理模块9的计算机联接，从而将检测到的压力信号、排气流量信号和颗粒物浓度信号直接导入计算机，经过数据记录处理模块9记录、处理和计算接收到的上述信号得出需要的排放测量的最终数据。

本发明的测量装置中，所述颗粒物浓度测试仪4采用的是芬兰DEKATI生产的ELPI(Electrical Low Pressure Impactor)用于实时监控并可测量瞬态颗粒物排放浓度的设备，其测试响应速率为2-3秒，它可以测量空气动力学直径(Aerodynamic diameter，Dp)在28nm～9.9μm之间的颗粒物，通过加载过滤级，能够测试到的颗粒物最小粒径可以达到7nm。以每级吸收率50％的颗粒物粒径为标记，一共分13级。所述的采样稀释器3为Diluter DEKATI生产的型号为L7的产品；所述的压力传感器5采用日本SMC生产的型号为PSE510的产品。

如图3所示，利用上述测量装置进行测量车辆颗粒物排放的方法，包括以下步骤：通过排气流量计2和压力传感器5将尾气管10中的排气流量信号和排气绝对压力信号传递给数据记录处理模块；取样探头7在尾气取样点1采集气样后，气样流经采样稀释器3和颗粒物浓度测试仪4，并通过颗粒物浓度测试仪4将气样的颗粒物浓度信号传递给数据记录处理模块9；所述数据记录处理模块9包括数据记录子模块6和数据处理子模块8。

所述数据记录处理模块9根据接收到的上述信号，采用下列公式即可得到稀释排气质量流量：

${\mathrm{PM}}_{\mathrm{mass}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{conc}}_{\mathrm{mass},i}\×Q_{\mathrm{EXHW},i}\×D_i\left(P_{\mathrm{EXHW},i}\right)}{60000}---\left(1\right)$

${\mathrm{PM}}_{\mathrm{number}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{conc}}_{\mathrm{number},i}\×Q_{\mathrm{EXHW},i}\×D_i\left(P_{\mathrm{EXHW},i}\right)}{60000}---\left(2\right)$

上述公式(1)和公式(2)中各参数的含义为：

PM_mass——测试循环颗粒物排放总质量；

PM_number——测试循环颗粒物排放总数量；

conc_mass，i——颗粒物质量浓度，其单位为mg/m³；

conc_number，i——颗粒物质量浓度，其单位为mg/m³；

Q_EXHW，i——稀释排气体积流量，其单位为m³/min；

D_i(P_EXHW，i)——对应排放压力P_EXHW，i的瞬态稀释比。

上述参数中，P_EXHW，i通过压力传感器5测得；conc_mass，i和conc_number，i通过颗粒物测试仪4测得；Q_EXHW，i通过排气流量计2测得；其相关得算法也是本领域内普通技术人员所公知的。D_i(P_EXHW，i)通过P_EXHW，i值是按照下列公式(3)计算得到。

上述公式(1)和公式(2)中涉及到的对应排放压力P_EXHW，i的瞬态稀释比D_i(P_EXHW，i)的修正根据是通过取样探头处的取样点的尾气压力A、进入采样稀释器3的稀释气压力B和真空泵的抽气压力C进行控制，其中，抽气压力C恒定，稀释比随取样点的尾气压力A的变化而变化，通过取样点的尾气压力A即可得到稀释比，稀释比与取样点的尾气压力A的函数关系为：

$D_i\left(P_{\mathrm{EXHW},i}\right)=a_0+a_1\×{p_{\mathrm{EXHW}}}_i+a_2\×p_{\mathrm{EXHW}}^2+a_3\×p_{\mathrm{EXHW}}^3+a_4\×p_{\mathrm{EXHW}}^4---\left(3\right)$

在上述公式(3)中，P_EXHW，i的取值范围不同，有关参数的取值有以下三种情形之一：

1)当P_EXHW，i≤980mbar时：

a0＝980,12068561.1037；

a1＝-50244.56547；

a2＝78.440539；

a3＝-0.0544245；

a4＝0.00001416；

2)当980mbar＜P_EXHW，i＜1030mbar时：

a0＝52.39105；

a1＝-0.043478；

a2＝0；

a3＝0；

a4＝0

3)当P_EXHW，i≥1030mbar时：

a0＝23.07886；

a1＝-0.01502；

a2＝0；

a3＝0；

a4＝0

图2是根据上述公式(3)得到的稀释比与取样点的尾气压力函数关系图，即通过取样点A处的压力P_EXHW，i就可以得到稀释比。

综上所述，本发明测量车辆颗粒物排放的装置及方法主要是通过颗粒物浓度测试仪4、排气流量计2、采样稀释器3和压力传感器5等测量仪器，采集必要的数据，在计算机的Microsoft office excel系统基础上，通过本发明中特定的算法计算道路试验车辆排放中颗粒物的质量与数量的排放总量。本发明的关键所在是通过瞬态采集排气压力数值，根据稀释器的稀释特性，对稀释比进行瞬态修正，以提高测量精度，同时扩大颗粒物测试仪的应用范围。

尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。

Claims (9)

1.一种测量车辆颗粒物排放的装置，包括颗粒物浓度测试仪和数据记录处理模块，其特征在于：尾气管通向所述颗粒物浓度测试仪之间依次连接有取样探头和采样稀释器，从而形成气体流量通路；所述采样稀释器上连接有稀释气控制装置；所述颗粒物浓度测试仪上连接有真空泵；所述尾气管内分别设置有压力传感器和排气流量计；上述压力传感器、排气流量计和颗粒物浓度测试仪分别向所述数据记录处理模块传递信号。

2.根据权利要求1所述测量车辆颗粒物排放的装置，其特征在于：所述排气流量计与压力传感器之间为空间垂直交叉的位置，两者在尾气管中的轴向距离为3～5cm。

3.根据权利要求1所述测量车辆颗粒物排放的装置，其特征在于：所述稀释气控制装置包括依次连接的空压机、空气干燥过滤器和压力控制器，空气流经空压机、空气干燥过滤器和压力控制器后进入采样稀释器。

4.根据权利要求1所述测量车辆颗粒物排放的装置，其特征在于：所述颗粒物浓度测试仪4采用的是芬兰Diluter DEKATI公司生产的ELPI用于实时监控并可测量瞬态颗粒物排放浓度的设备，其测试响应速率为2-3秒，它可以测量空气动力学直径在28nm～9.9μm之间的颗粒物，通过加载过滤级，能够测试到的颗粒物最小粒径可以达到7nm，以每级吸收率50％的颗粒物粒径为标记，一共分13级。

5.根据权利要求1所述测量车辆颗粒物排放的装置，其特征在于：所述采样稀释器为芬兰Diluter DEKATI公司生产的型号为L7的产品。

6.根据权利要求1所述测量车辆颗粒物排放的装置，其特征在于：所述压力传感器采用日本SMC生产的型号为PSE510的产品。

7.根据权利要求1所述测量车辆颗粒物排放的装置，其特征在于：所述数据记录处理模块采用Microsoft office excel系统。

8.一种利用如权利要求1所述测量车辆颗粒物排放的装置进行测量车辆颗粒物排放的方法，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：

通过排气流量计和压力传感器将尾气管中的排气流量信号和排气绝对压力信号传递给数据记录处理模块；

取样探头采集气样后，气样流经采样稀释器和颗粒物浓度测试仪，并通过颗粒物浓度测试仪将气样的颗粒物浓度信号传递给数据记录处理模块；

所述数据记录处理模块根据接收到的上述信号，采用下列公式即可得到稀释排气质量流量：

${\mathrm{PM}}_{\mathrm{mass}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{conc}}_{\mathrm{mass},i}\×Q_{\mathrm{EXHW},i}\×D_i\left(P_{\mathrm{EXHW},i}\right)}{60000}---\left(1\right)$

${\mathrm{PM}}_{\mathrm{number}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{conc}}_{\mathrm{number},i}\×Q_{\mathrm{EXHW},i}\×D_i\left(P_{\mathrm{EXHW},i}\right)}{60000}---\left(2\right)$

上述公式(1)和公式(2)中各参数的含义为：

PM_mass——测试循环颗粒物排放总质量；

PM_number——测试循环颗粒物排放总数量；

conc_mass，i——颗粒物质量浓度，其单位为mg/m³；

conc_number，i——颗粒物质量浓度，其单位为mg/m³；

Q_EXHW，i——稀释排气体积流量，其单位为m³/min；

D_i(P_EXHW，i)——对应排放压力P_EXHW，i的瞬态稀释比。

9.根据权利要求8所述测量车辆颗粒物排放的方法，其特征在于：所述对应排放压力P_EXHW，i的瞬态稀释比D_i(P_EXHW，i)的修正根据是通过取样探头处的取样点的尾气压力、进入采样稀释器的稀释气压力和真空泵的抽气压力进行控制，其中，抽气压力恒定，稀释比随取样点的尾气压力的变化而变化，通过取样点的尾气压力即可得到稀释比，稀释比与取样点的尾气压力的函数关系为：

$D_i\left(P_{\mathrm{EXHW},i}\right)=a_0+a_1\×p_{{\mathrm{EXHW}}_i}+a_2\×p_{\mathrm{EXHW}}^2+a_3\×p_{\mathrm{EXHW}}^3+a_4\×p_{\mathrm{EXHW}}^4---\left(3\right)$

1)当P_EXHW，i≤980mbar时：

a0＝980,12068561.1037；

a1＝-50244.56547；

a2＝78.440539；

a3＝-0.0544245；

a4＝0.00001416；

2)当980mbar＜P_EXHW，i＜1030mbar时：

a0＝52.39105；

a1＝-0.043478；

a2＝0；

a3＝0；

a4＝0；

3)当P_EXHW，i≤1030mbar时：

a0＝23.07886；

a1＝-0.01502；

a2＝0；

a3＝0；

a4＝0。

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