CN102706782B - 汽油车排放微颗粒物重量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开汽油车排放微颗粒物重量检测方法，包括如下步骤：(a)利用原始尾气采样装置采集汽油车尾气管排放的原始尾气；(b)根据国标GB18285-2005中规定的195s的标准工况循环测试方法进行测试，将汽油车排放的原始尾气输送到激光光散射仪；(c)激光光散射仪检测出原始尾气中微颗粒物的浓度；(d)根据汽油车排放的原始尾气量和行驶的里程，计算出汽油车每公里排放微颗粒物的重量。本发明能够对汽油车排放微颗粒物进行检测。

Description

汽油车排放微颗粒物重量检测方法

技术领域

本发明涉及汽油车排放测量方法，特别涉及一种汽油车排放污染物及微颗粒物重量检测方法。

背景技术

目前，针对汽油车尾气排放污染物测量的检测设备，依据国标GB18285-2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)》中规定的要求，根据其测量结果的不同，可分为浓度法检测设备和质量法检测设备。浓度法设备的测量结果是尾气中各成分污染物(主要是一氧化碳CO、碳氢化合物HC和氮氧化合物NOx)的排放浓度，其核心设备是气体分析仪，而质量法设备的测量结果是尾气中各成分污染物每公里的排放克数，即排放总量，其核心设备是在气体分析仪的基础上增添了体积流量测量装置，那么，根据公式(质量＝浓度×密度×流量)计算，就可以得到总量排放结果。比较而言，质量法检测设备得到的数据结果更真实地体现了不同排量车辆的实际排放状况，是一种科学的计量方法，有利于政府部门归纳排放因子，估算和统计城市机动车污染物排放总量，因而对城市制定机动车污染控制措施具有实际意义。

现有的汽车排气污染物质量法检测设备，主要是简易瞬态工况法的检测设备，通过国标中规定的195s的标准工况循环测试后，可以测量出CO、CO₂、HC和NOx的排放质量结果，单位g/km。但是，目前为止，国标中尚未就汽油车排放中的微颗粒物，即PM(英文全称为Particulate Matter)值的检测方法和排放限值做出明确规定。现在执行的国标中，汽油车不检测PM排放值。

近年来，国内外对大气中微颗粒物的重视程度越来越强烈，北京率先在2012年1月21日起，由北京市环保监测中心网站实时发布PM2.5研究性监测的小时浓度数据，北京PM2.5的来源，包括本市的机动车、燃煤、扬尘等，以及周边省市的影响因素。

颗粒物的直径越小，进入人体呼吸道部位就越深，对人体的危害就越大。空气中悬浮颗粒物分为大粒径颗粒物(粒径在11～100微米)和可吸入颗粒物(粒径≤10微米，即PM10)。PM10又分粗颗粒物(粒径在2.5～10微米)和微颗粒物(粒径≤2.5微米，即PM2.5)，PM2.5也称可入肺颗粒物。一般而言，粒径2.5～10微米的粗颗粒物主要来自道路扬尘等；2.5微米以下的微颗粒物则主要来自化石燃料的燃烧(如机动车尾气、燃煤)、挥发性有机物等。在欧盟国家中，PM2.5导致人们的平均寿命减少8.6个月。而PM2.5还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病的传播推波助澜。目前国际上主要发达国家以及亚洲的日本、泰国、印度等均将PM2.5列入空气质量标准。国务院总理温家宝2012年2月29日主持召开国务院常务会议，同意发布新修订的《环境空气质量标准》，历时4年修改后，PM2.5终于写入“国标”，纳入各省市强制监测范畴。与现行的标准相比，“新国标”最大的变化在于增加了微颗粒物(PM2.5)和臭氧8小时浓度限值监测指标。这也是公众对纳入国标呼声最高的两项指标。在国务院常务会议上，还再次强调了全国开展PM2.5监测的时间表。会议要求，2012年要在京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及直辖市和省会城市开展微颗粒物与臭氧等项目监测，2013年在113个环境保护重点城市和国家环境保护模范城市开展监测，2015年覆盖所有地级以上城市。传统的颗粒物测量方法主要为滤膜称重、显微观察计数等取样方法，这些方法由于响应速度慢，不适合在线实时监测。

在现有技术中，汽油车排气管排放的气体污染物通常是指一氧化碳、碳氢化合物及氮氧化物，在国家标准中对上述三种气体污染物排放限值及测量方法进行了明确规定。2012年2月，国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》增加了PM2.5监测指标；而汽油车也会排放出大量的微颗粒物，这就使得汽油车排放微颗粒物的检测势在必行。但是，在现有技术并没有针对汽油车排放微颗粒物的检测设备或检测装置，而汽油车的总量很大(尤其是在城市地区)。因此，迫切需要研究开发针对汽油车排放微颗粒物的检测方法，以改善环境质量，为人们创造更好的生活环境。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够对汽油车排放微颗粒物进行检测的汽油车排放微颗粒物重量检测方法；既能够兼顾现有国标中对汽车尾气排放污染物中各气体成分的质量排放结果(g/km)，同时又增加了微颗粒物排放的总重量结果(mg/km)，适应未来汽车尾气排放检测的需要，适应日益加严的机动车排放限值标准。

本发明的技术方案是这样实现的：汽油车排放微颗粒物重量检测方法，包括如下步骤：

(a)利用原始尾气采样装置采集汽油车尾气管排放的原始尾气；

(b)根据国标GB18285-2005中规定的195s的标准工况循环测试方法进行测试，将汽油车排放的原始尾气输送到激光光散射仪；

(c)激光光散射仪检测出原始尾气中微颗粒物的浓度；

(d)根据汽油车排放的原始尾气量和行驶的里程，计算出汽油车每公里排放微颗粒物的重量。

上述汽油车排放微颗粒物重量检测方法，在步骤(b)中，将原始尾气还分别输送到稀释尾气采集装置和五气分析仪，稀释尾气采集装置将原始尾气和进入到稀释尾气采集装置中的空气一起输送到流量计，流量计检测出原始尾气稀释后的流量，五气分析仪测试出原始尾气中氧气、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物的浓度数值；在步骤(d)中，首先根据原始尾气中氧气含量和原始尾气稀释后氧气含量计算出原始尾气稀释比，再根据原始尾气稀释比和原始尾气稀释后的流量计算出原始尾气流量。

上述汽油车排放微颗粒物重量检测方法，在步骤(d)中：原始尾气稀释比＝(环境空气中氧气浓度-原始尾气稀释后的氧气浓度)/(环境空气中氧气浓度-原始尾气氧气浓度)；原始尾气流量＝原始尾气稀释比×原始尾气稀释后的流量。

上述汽油车排放微颗粒物重量检测方法，步骤(b)中的激光光散射仪包括激光发射器、聚光腔、光探测器、信号采集处理装置和显示器，激光发射器发出的光束进入聚光腔内，原始尾气通过聚光腔并与聚光腔内的激光发射器发出的光束相交；步骤(c)中：聚光腔收集原始尾气中微颗粒物产生的散射光并将经过收集的散射光传输给光探测器，光探测器将散射光转化为电信号并输出到信号采集处理装置，信号采集处理装置将接收到的电信号经前置放大、非线性放大及64通道计数器后得到微颗粒物的质量浓度，并将微颗粒物的质量浓度输出到显示器。上述汽油车排放微颗粒物重量检测方法，通过式(Ⅰ)计算微颗粒物数目：

$\left[\begin{array}{c}{N}_{100}\\ N_{1000}\\ N_{5000}\\ N_{10000}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{R}_1{\mathrm{CH}}_1& R_1{\mathrm{CH}}_2& ...& R_1{\mathrm{CH}}_{64}\\ R_2{\mathrm{CH}}_1& R_2{\mathrm{CH}}_2& ...& R_2{\mathrm{CH}}_{64}\\ R_3{\mathrm{CH}}_1& R_3{\mathrm{CH}}_2& ...& R_3{\mathrm{CH}}_{64}\\ R_4{\mathrm{CH}}_1& R_{41}{\mathrm{CH}}_2& ...& R_4{\mathrm{CH}}_{64}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\\ ...\\ k_{64}\end{array}\right]---\left(I\right);$

N₁₀₀、N₁₀₀₀、N₅₀₀₀、N₁₀₀₀₀分别对应粒径在100nm以下、100～1000nm、1000～5000nm和5000～10000nm范围内的4组微颗粒物数目，RnCH₁～RnCH₆₄为64路通道计数器测量数据，n为粒径的分级数，k₁～k₆₄为64路通道的标定因数。

针对激光光散射仪中因为每个颗粒产生的光脉冲，除了通过放大电路将其放大成足够大的电脉冲信号外，还设计了64通道计数器和采用聚类分析算法进行数据处理，以达到对大、小脉冲信号幅度甄别，这样不仅能够得到微颗粒物的质量浓度值，而且可以将数据分类，并与颗粒物的粒径一一对应，计算出原始尾气中不同粒径的颗粒产生的脉冲数目，了解原始尾气中微颗粒物粒径的分布结果，该方法在微颗粒物分析中属于创新性应用。迭代聚类法的聚类结果受奇异值和不合适的聚类变量的影响较小，对于不合适的初始聚类可以进行反复调整。本发明根据汽油车排放微颗粒物粒径特点和相似程度，将粒径变量分为4组，能够准确地测定汽油车排放微颗粒物粒径分布及含量。

本发明的有益效果是：采用具有连续取样特性的激光散射原理的激光光散射仪，用一个或几个激光光源发出的光照射汽油车原始尾气上，在一定方向上用光电转换元件(即光探测器)接收散射光的信号，按照光散射理论计算出相应的被测颗粒的平均直径、粒径分布等参数。光散射原理测得的悬浮颗粒物的质量浓度与其产生的散射光强度成正比，从而可以测出微颗粒物的质量浓度，即mg/m³。本发明在现有测量方法及其测量设备的设计上改进，达到检测微颗粒物质量排放浓度mg/m³，从而计算出微颗粒物总重量，即mg/km，填补该项技术的空白。利于环保部门整理真实微颗粒物排放的总重量，即年排放的吨数。因此，本发明汽油车排放微颗粒物重量检测方法能够对汽油车排放微颗粒物进行检测，从而改善环境质量，为人们创造更好的生活环境。

附图说明

图1为本发明汽油车排放微颗粒物重量检测方法的工作流程图；

图2为本发明汽油车排放微颗粒物重量检测方法使用的集成设备结构示意图。

图中：1-被试汽油车，2-原始尾气采样装置，3-激光光散射仪，4-稀释尾气采集装置，5-流量计，6-五气分析仪，7-底盘测功机，8-司机助，9-打印机。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，集成设备包括原始尾气采样装置2、激光光散射仪3、稀释尾气采集装置4、流量计5、五气分析仪6、底盘测功机7、司机助8和打印机9。所述原始尾气采样装置2的样品气体出口分别与所述激光光散射仪3的样品气体入口、所述稀释尾气采集装置4的样品气体入口和五气分析仪6的待测气体入口流体导通。所述稀释尾气采集装置4的样品气体出口与流量计5的气体流入口流体导通。被试汽油车1位于底盘测功机7上，并且在所述被试汽油车1的驾驶室前方设置有司机助8，所述激光光散射仪3、所述五气分析仪6、所述流量计5、所述底盘测功机7、所述司机助8和所述打印机9分别与计算机8通信连接；以便将测试数据传输到所述计算机8，并可以通过所述打印机9输出。

如图2所示，本实施例汽油车排放微颗粒物重量检测方法，包括如下步骤：

(a)利用原始尾气采样装置采集汽油车尾气管排放的原始尾气；

(b)根据国标GB18285-2005中规定的195s的标准工况循环测试方法进行测试，将汽油车排放的原始尾气分别输送到激光光散射仪、稀释尾气采集装置和五气分析仪，稀释尾气采集装置将原始尾气和进入到稀释尾气采集装置中的空气一起输送到流量计，流量计检测出原始尾气稀释后的流量，五气分析仪测试出原始尾气中氧气、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物的浓度数值；激光光散射仪包括激光发射器、聚光腔、光探测器、信号采集处理装置和显示器，激光发射器发出的光束进入聚光腔内，原始尾气通过聚光腔并与聚光腔内的激光发射器发出的光束相交；

(c)聚光腔收集原始尾气中微颗粒物产生的散射光并将经过收集的散射光传输给光探测器，光探测器将散射光转化为电信号并输出到信号采集处理装置，信号采集处理装置将接收到的电信号经前置放大、非线性放大及64通道计数器后得到微颗粒物的质量浓度，并将微颗粒物的质量浓度输出到显示器；

(d)首先根据原始尾气中氧气含量和原始尾气稀释后氧气含量计算出原始尾气稀释比，再根据原始尾气稀释比和原始尾气稀释后的流量计算出原始尾气流量，并根据行驶时间计算出汽油车排放的原始尾气量，最后再根据行驶的里程计算出汽油车每公里排放微颗粒物的重量；原始尾气稀释比＝(环境空气中氧气浓度-原始尾气稀释后的氧气浓度)/(环境空气中氧气浓度-原始尾气氧气浓度)；原始尾气流量＝原始尾气稀释比×原始尾气稀释后的流量。

本实施例的汽油车排放微颗粒物重量检测方法，针对激光光散射仪中因为每个颗粒产生的光脉冲，除了通过放大电路将其放大成足够大的电脉冲信号外，还设计了64通道计数器和采用聚类分析算法进行数据处理，以达到对大、小脉冲信号幅度甄别，这样不仅能够得到微颗粒物的质量浓度值，而且可以将数据分类，并与颗粒物的粒径一一对应，计算出原始尾气中不同粒径的颗粒产生的脉冲数目，了解原始尾气中微颗粒物粒径的分布结果，该方法在微颗粒物分析中属于创新性应用。迭代聚类法的聚类结果受奇异值和不合适的聚类变量的影响较小，对于不合适的初始聚类可以进行反复调整。本发明根据汽油车排放微颗粒物粒径特点和相似程度，将粒径变量分为4组，能够准确地测定汽油车排放微颗粒物粒径分布及含量。通过式(Ⅰ)计算微颗粒物数目：

$\left[\begin{array}{c}{N}_{100}\\ N_{1000}\\ N_{5000}\\ N_{10000}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{R}_1{\mathrm{CH}}_1& R_1{\mathrm{CH}}_2& ...& R_1{\mathrm{CH}}_{64}\\ R_2{\mathrm{CH}}_1& R_2{\mathrm{CH}}_2& ...& R_2{\mathrm{CH}}_{64}\\ R_3{\mathrm{CH}}_1& R_3{\mathrm{CH}}_2& ...& R_3{\mathrm{CH}}_{64}\\ R_4{\mathrm{CH}}_1& R_{41}{\mathrm{CH}}_2& ...& R_4{\mathrm{CH}}_{64}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\\ ...\\ k_{64}\end{array}\right]---\left(I\right);$

N₁₀₀、N₁₀₀₀、N₅₀₀₀、N₁₀₀₀₀分别对应粒径在100nm以下、100～1000nm、1000～5000nm和5000～10000nm范围内的4组微颗粒物数目，RnCH₁～RnCH₆₄为64路通道计数器测量数据，n为粒径的分级数，k₁～k₆₄为64路通道的标定因数。即： $\begin{array}{c}{N}_{100}=k_1{R}_1{\mathrm{CH}}_1+k_2{R}_1{\mathrm{CH}}_2+...+k_{64}{R}_1{\mathrm{CH}}_{64}\\ N_{1000}=k_1{R}_2{\mathrm{CH}}_1+k_2{R}_2{\mathrm{CH}}_2+...+k_{64}{R}_2{\mathrm{CH}}_{64}\\ N_{5000}=k_1{R}_3{\mathrm{CH}}_1+k_2{R}_3{\mathrm{CH}}_2+...+k_{64}{R}_3{\mathrm{CH}}_{64}\\ N_{10000}=k_1{R}_4{\mathrm{CH}}_1+k_2{R}_4{\mathrm{CH}}_2+...+k_{64}{R}_4{\mathrm{CH}}_{64}\end{array}$

这样就可以计算出粒径在100nm以下、粒径为100～1000nm、粒径为1000～5000nm和粒径为5000～10000nm的微颗粒物数目；从而可以统计得出哪种粒径范围的微颗粒物较多，哪种粒径范围的微颗粒物较少。另外，还可以根据被测原始尾气的量来计算原始尾气中每种粒径范围的微颗粒物含量。

本实施例汽油车排放微颗粒物重量检测方法在具体应用的时候，被试汽油车位于底盘测功机上，并且在被试汽油车的驾驶室前方设置有司机助，激光光散射仪、五气分析仪、流量计、底盘测功机、司机助和打印机分别与计算机通信连接；以便将测试数据传输到计算机，并可以通过打印机输出。

一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物的排放质量：

每秒钟一氧化碳的排放质量＝原始尾气流量(L/s)×原始尾气一氧化碳浓度(体积分数)×一氧化碳密度(g/L)；

每秒钟氮氧化合物的排放质量＝原始尾气流量(L/s)×原始尾气氮氧化合物浓度(体积分数)×氮氧化合物密度(g/L)；

每秒钟碳氢化合物的排放质量＝原始尾气流量(L/s)×原始尾气碳氢化合物浓度(体积分数)×碳氢化合物密度(g/L)。

每秒钟微颗粒物的排放质量(mg)＝原始尾气中微颗粒物的质量浓度(mg/L)×原始尾气排放流量(L/s)；

汽油车平均每公里排放微颗粒物的质量(g/km)＝微颗粒物的总排放质量(g)/被试汽油车工况路程(km)。

本发明中：底盘测功机包括滚筒、功率吸收单元、惯量模拟装置、举升器和转速测量系统。用于模拟车辆在道路上行驶的瞬态工况负荷，并实时测取当前车速。底盘测功机基本参数为：最大吸收功率为200kW，最高测试车速为200km/h，机械转动惯量为907kg，测试轴重为5.5吨，驱动电机带有变频调速装置，功率为2.5kW，滚筒直径为217mm。

原始尾气采样装置包括采样探头和采样软管，采样探头插入汽车排气管中，将汽车的原始排放尾气经由采样软管分别送入到后面的五气分析仪和激光光散射仪中。其中，采样探头采用带有阀门的Y型输出端口设计，可以同时打开五气分析仪和激光光散射仪两路通道，也可以在不需要检测微颗粒物时关闭其采样通道。

五气分析仪包括采样泵、电磁阀组、采样气路以及CO、CO₂、HC、NOx和O₂传感器。采样泵通过原始尾气采样装置吸入尾气，CO、CO₂、HC、NOx和O₂传感器直接获得汽车原始排放气体的浓度值，其中，CO、CO₂和HC采用不分光红外法(NDIR)测量，NO和O₂采用电化学法测量，测得的气体浓度值，并可以根据使用的燃料种类进行稀释修正和湿度修正计算。

本发明所用五气分析仪基本参数为：测量范围HC为0～9000×10^-6，CO为0～14％，CO₂为0～18％，NOx为0～5000×10^-6，O₂为0～25％；分辨率HC为1×10^-6，NO为1×10^-6，CO为0.01％，CO₂为0.1％，O₂为0.1％。

本发明所用激光光散射仪基本参数为：测量范围0.01～700.00mg/m³，测量精度0.01mg/m³，粒径尺寸100～10000nm。

稀释尾气采样装置包括流量采集软管和风机，主要用于将汽车排放的全部尾气经新鲜空气混合后一起由风机吸入到后面的流量计中。

流量计包括流量传感器、O₂传感器、温度和压力传感器。通过稀释尾气采样装置和流量传感器获得稀释流量数据，用于测量经稀释气体的流量，稀释气体由排放剩余尾气和环境空气混和而成，通过计算气体中O₂稀释比，可以得到尾气的实际流量，再经温度和压力修正，获得标准体积流量。流量计基本参数为：流量测量范围70～240L/s，测量精度7L/s，分辨率0.5L/s。稀释氧采用氧化锆传感器，测量范围0～22.5％，测量精度0.2％，分辨率0.1％。

司机助是一个显示终端，用于指导驾驶员按照规定的工况曲线行驶。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (2)

1.汽油车排放微颗粒物重量检测方法，其特征在于，包括如下步骤： 

（a）利用原始尾气采样装置采集汽油车尾气管排放的原始尾气； 

（b）根据国标GB18285-2005中规定的195s的标准工况循环测试方法进行测试，将汽油车排放的原始尾气输送到激光光散射仪，所述激光光散射仪包括激光发射器、聚光腔、光探测器、信号采集处理装置和显示器，激光发射器发出的光束进入聚光腔内，原始尾气通过聚光腔并与聚光腔内的激光发射器发出的光束相交；还将原始尾气还分别输送到稀释尾气采集装置和五气分析仪，稀释尾气采集装置将原始尾气和进入到稀释尾气采集装置中的空气一起输送到流量计，流量计检测出原始尾气稀释后的流量，五气分析仪测试出原始尾气中氧气、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物的浓度数值； 

（c）激光光散射仪的聚光腔收集原始尾气中微颗粒物产生的散射光并将经过收集的散射光传输给光探测器，光探测器将散射光转化为电信号并输出到信号采集处理装置，信号采集处理装置将接收到的电信号经前置放大、非线性放大及64通道计数器后得到微颗粒物的质量浓度，通过式（Ⅰ）计算微颗粒物数目，从而检测出原始尾气中微颗粒物的浓度，并将微颗粒物的质量浓度输出到显示器： 

N₁₀₀、N₁₀₀₀、N₅₀₀₀、N₁₀₀₀₀分别对应粒径在100nm以下、100～1000nm、1000～5000nm和5000～10000nm范围内的4组微颗粒物数目，RnCH₁～RnCH₆₄为 64路通道计数器测量数据，n为粒径的分级数，k₁～k₆₄为64路通道的标定因数;

（d）首先根据原始尾气中氧气含量和原始尾气稀释后氧气含量计算出原始尾气稀释比，再根据原始尾气稀释比和原始尾气稀释后的流量计算出原始尾气流量，再根据汽油车排放的原始尾气量和行驶的里程，计算出汽油车每公里排放微颗粒物的重量。 

2.根据权利要求1所述的汽油车排放微颗粒物重量检测方法，其特征在于，在步骤（d）中：原始尾气稀释比=（环境空气中氧气浓度-原始尾气稀释后的氧气浓度）/（环境空气中氧气浓度-原始尾气氧气浓度）；原始尾气流量=原始尾气稀释比×原始尾气稀释后的流量。 

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