CN103616521A

CN103616521A - 一种在用车排气污染物测量系统

Info

Publication number: CN103616521A
Application number: CN201310497485.5A
Authority: CN
Inventors: 李德宽; 李斌
Original assignee: TIANJIN C&P TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: TIANJIN C&P TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2014-03-05

Abstract

本发明公开了一种在用车排气污染物测量系统，其排气污染物测量装置包括稀释排气流量测量和采样单元、排气成分测量分析单元等。在用车排出的经空气混合的稀释排气，由旋流风机（4）抽吸经SAO流量计（3）计量稀释排气流量后从风机出口（5）排到大气；并用采样泵（6）采集稀释排气，经连续采样管路（7）或者采样袋（8）进入排气成分测量分析单元（9），此中包括测量CO、CO2和O₂的NDIR分析仪；测量HC的NDIR分析仪；测量NO_x（含NO和NO₂）的CLD分析仪。与在用车现用检测方法和设备相比，本发明克服了排气成分测量精度低、不能测量（NO+NO₂）或仅能测量NO、不能计量排放量或计量精度低等缺陷；兼容在用车的几种检测方法，且价位适中、是市场可以接受的设计。

Description

一种在用车排气污染物测量系统

技术领域

本发明涉及一种在用机动车辆尾气排放的污染检测技术，尤其是涉及一种使用点燃式发动机的机动车辆在用车状态下尾气排放污染物的成分测量系统。

背景技术

数据显示，截止到2012年底止，全国机动车的保有量达2.4亿辆，机动车驾驶人数量达2.6亿人，其中汽车保有量1.2亿辆，数据还在不断刷新。2013年预估汽车和摩托车的销售量会各超过2000万辆。大量机动车的行驶，已给道路交通、车辆存放和能源消耗、环境排放带来日益恶化的影响。形势严峻，治理困难，全国上下特别是主管部门都在寻求治理在用车排放污染的科学适用、可坚持实行、被社会广泛接受的检测方案。

对于机动车排放减排，除了严格设计和制造标准外，重要的是加强对在用车的使用管理（包括定期检测和强制维修等，即实行I/M制度），根据检测结果进行不合格排放在用车的合理淘汰。针对在用车保有量巨大、是对用户在用车辆的常规检测，这就提出了对其的检测要有测量比较准确、测量简便快捷、以及测量成本比较低廉等综合要求。

我国机动车排放的测量和限值确定，是由国家认定的资质检测机构按国标规定，对产品制造厂提交的产品进行型式论证，按所谓的工况法进行测量，有一套完整、严格的测量规范。但这种针对出厂车辆产品的排放测量方法，其使用设备费用高，且因检测精度高，很难达到快速测量，因此不适用于在用车排放测量的场合。

按“国家2012机动车污染防治年报”所述（图1），“超标车”保有量仅占汽车保有量的16.4%，但其排放的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO_X）、颗粒物（PM），分别占汽车排放总量的55.9%、60.4%、63.7%、86.6%。可以看出，“超标车”污染治理是我国机动车污染防治的重点。在用车的检测重点首先是准确地检出“超标车”，实施I/M制度。因此对在用车排放检测（方法和设备）的设计：首先是应与车辆出厂时采用的型式论证排放检测方法比较一致；应能优先筛选出严重超标车；检测快速方便、设备价格不贵易被客户接受；同时还要能计算出排放总量，利于环境减排的量化管理和控制。这是当前国家对在用车排放测量和管理上迫切需要解决的问题。

我国对于在用车排放检测按GB18285-2005执行。我国各省市在用车排放检测普遍采用方法是双怠速法和稳态工况试验法（ASM法），有极少省市用简易瞬态工况法（VMAS法，Vehicle Mass Analysis System），瞬态工况法在标准中规定是一种检测方法，因技术度高和成本高方面的原因，对于在用车的检测场合未有采用。

但是，1)双怠速法仅测量低怠速和高怠速下的排放，与机动车载荷下运行的排放状况毫无关联，且是浓度测量，也无法计算出排放物总量；ASM法比双怠速法有所改进，对机动车采用两种工况（ASM2540和ASM4025）加载测量，和机动车的实际排放有一定相关性，但存在漏检情况；因仅测量排放成分浓度（不测量排气流量），无法计算出在用车行驶中排放成分总质量。双怠速法和稳态工况法，显然不能满足应对环境恶化、加严排放检测的新要求。2)简易瞬态工况法在加载情况下测量排气成分浓度和排气流量，并能计算排放成分总质量。但是由于它采用测量精度不高的五组分分析仪、排气流量测量精度低，影响到总的测量结果。3）上述现用的三种检测方法或者不测量氮氧化物（NO+NO₂）、或者仅能测量一氧化氮（NO）而测不出二氧化氮（NO₂）。机动车氮氧化物（NO+NO₂）是国家在“十二五”规划中明令增加的新检测内容，有其具体的减排指标。

目前在用车排放检测中，鉴于现行检测方法在技术上的缺失以及检测管理中实际存在的问题，执行情况不理想，未能达到通过在用车排放检测，检出排放超标车并强制维修的根本目的和目标。因此，国家需要一种新的在用车排放检测装置，解决当前城市中在用车排放检测的实际难题。面对庞大的在用车群体，其排放检测方法的设计必须科学合理、简化、简单、易行、低成本，同时又要和型式论证的工况法有较高的相关性（比对一致性）。

发明内容

为了克服现用检测方法存在的问题，本发明提出了一种在用车排气污染物测量系统。该系统选用亚音速文丘里流量计（SAO）精确测量稀释排气的流量，很好地解决在用车排放比质量和排放总质量的计量问题；并且在排气成分测量分析单元通过气体分析仪的选择，解决了现有检测方法中不测量氮氧化物（NO+NO₂）、或者仅能测量一氧化氮（NO）而测不出二氧化氮（NO₂）的问题，系统的优化设计和采购制造体系以及自行开发的CLD氮氧化物分析仪，使得测量装置的成本降低而能被客户接受。

本发明提出的在用车排气污染物测量系统，实现对点燃式发动机的在用机动车辆尾气的排气污染物成分测量。所述排气污染物成分测量装置包括稀释排气流量测量和采样单元、排气成分测量分析单元；其中：

在稀释排气流量测量和采样单元，在用车排出的尾气与周围干净空气混合后形成稀释排气，由旋流风机4负压抽吸经亚音速文丘里SAO流量计3计量稀释排气流量后从旋流风机出口5处排到大气；并用采样泵6采集稀释排气，经连续采样管路7进入排气成分测量分析单元9；

排气成分测量分析单元9包括测量CO、CO₂和O₂的NDIR气体分析仪；测量HC的NDIR气体分析仪；测量NOx（含NO和NO₂）的CLD分析仪；它们各自分别接入连续采样管路7，接收稀释排气进行测量。

所述排气成分测量分析单元9还包括冷凝器，用以减少水分对测量结果的干扰。稀释排气经冷凝去除水分后进入NDIR分析仪。

该系统还可包括采样袋8，稀释排气可经采样管路被连续送入采样袋8，经自然均混后再被送入排气成分测量单元9测量各排气成分。

该系统在检测时，被测量在用车安装在底盘测功机上，其底盘测功机功率等信号亦通过交换机或以太网直接传输到上位机中，由上位机进行同步的信号处理。

该系统还包括计算控制单元，在该单元，中央计算机11通过稀释排气流量测量和采样单元、排气成分测量分析单元、环境工作站等的传感器获取测量数据，通过数据采集模块转换为符合TCP/IP规范的数字信号，传送给上位机，由上位机完成数据处理工作。

与现行检测方法相比，本发明克服了现行检测方法不测量氮氧化物（NO+NO₂）、或者仅能测量一氧化氮（NO）而测不出二氧化氮（NO₂）的问题；被检排放成分排放量（比排放质量及总排放质量）不能测量或计算误差大的缺点；提出能够满足多种检测方法、比较准确测量尾气排放成分和计量排放量、并价格适中市场可以接受的新设计，满足当前我国点燃式发动机在用车排放测量需要改进和严格管理的迫切需求。整个设计和制造更加注重系统的集成和优化，更多地注意使用和优选社会上成熟的技术和零件资源，以保证产品的整体质量和较低成本。

附图说明

图1为2011年全国“黄标”车污染分担率数据分布示意图；

图2为本发明的在用车排气污染物测量系统的系统结构示意图；

1、显示终端（司机助），2、底盘测功机，3、SAO流量计，4、旋流风机，5、旋流风机出口，6、采样泵，7、连续采样采集结果，8、采样袋，9、排气成分测量分析单元（主要包括第一NDIR气体分析仪，用于测量CO、CO₂和O₂；第二NDIR气体分析仪，用于测量HC；CLD分析仪用于测量NO_X），10、打印机，11、计算机，12、MIS局域网工作站，13、局域网，14、防火墙、服务器

图3为本发明在用车排气污染物测量系统中所使用的SAO的结构示意图；

图4为本发明的计算机控制示意框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步详细说明本发明的具体实施方式。

如图2示，为本发明的在用车排气污染物测量系统的系统结构示意图，本系统在实际使用环境中，除了排气污染物测量装置、计算机控制和管理单元，还包括底盘测功机装置（用于模拟在用车的使用状态，提供在用车排放测量时的功率数据等）。通过扩展，本系统可形成多台位的检测线，并通过局域网13构成在用车排放测量与管理系统，从宏观上管理、统计和分析在用车排放测量数据。

底盘测功机装置部分主要包含：底盘测功机2、司机助1、车辆冷却风机、汽车固定装置、计算机控制等；

排气污染物测量装置部分主要包含：

稀释排气测量单元，在用车排出尾气与周围干净空气混合后成稀释排气，由旋流风机4负压抽吸经亚音速文丘里流量计（ＳＡＯ）3计量稀释排气流量后从旋流风机出口5处排到大气；并用采样泵6采集稀释排气，采样方式可以稀释排气连续采样管路7直接进入排气成分测量单元9（或者将稀释排气送入采样袋8，经自然均混后再进入排气成分测量单元9），其中的排气成分测量分析单元，主要包含用NDIR测量CO、CO₂和O₂；用NDIR测量HC（反映正己烷当量值）；用CLD测量NOx（含NO和NO₂）；在排气成分测量分析单元中新增加冷凝器强化除水功能，能显著减少水蒸汽对NDIR测量的干扰，保证测量测量精度。

计算机控制单元，含计算机11、过程自控相关硬件以及专用过程控制软件。

环境工作站，含大气压力计、温度计、湿度计（图2中未标示出）：用于测量大气压力、环境温度和湿度，便于将测量结果转化到标定状态下。

采用自行研发生产的CLD分析仪测量NOx(NO+NO2)，比进口分析仪成本低，解决了能在在用车检测领域推广使用的实际问题。因而合理、可行地解决了在用车检测中一直尚未解决的难题。

本发明中关于分析仪器配置方案，力求在测量精度、成本、操作方便性上做到合理、实用和可行的匹配，并新增加了国家规定新增的测量项目。

测量CO₂、CO以及O₂用NDIR分析仪。目前在在用车检测中，五组分分析仪中用的NDIR，价格虽低，但在实际使用上达不到标准上规定的技术要求，应改变盲目走低成本配置的思路，拟选用精度高（精度±1%）、频响快、使用可靠、成本稍高一点的NDIR分析仪。

由于在仪器配置中增加用NDIR测量氧气（O₂），并结合软件设计，可以扩展增加本发明的功能，能进行双怠速法排放测量以及求出实际的过量空气因素，也能计算在用车的理论燃料消耗量。

测量NOx用CLD分析仪。原来使用NDIR方法测量NOx，只能测量NO的浓度（缺失NO₂成分的浓度），受水干扰也大，特别是最小量程只能达到500ppm，精度只能达到5%。用电化学方法测量NOx，在开始测量阶段精度较高，但氧化锆传感器会随着时间推移快速老化，难以实现长时间、高精度、稳定的检测。当前对机动车中氮氧化物NOx（NO+NO₂）的危害（特别是NO₂）的认识已更为清晰，国家已经增列为减排的新重点，这在新发布的“十二五”环保规划中有明确的要求，氮氧化物的减排达标任务更为艰巨，因此需要比较准确地测量氮氧化物（NO+NO₂）排放量，原来用NDIR法仅测量一氧化氮物（NO）的做法不能满足实际要求。因此改变原来的测量方法和相应仪器已有基础和共识。

机动车测量氮氧化物（NO_X）在型式论证时规定采用化学发光法（CLD）。它是一种化学和光学结合的测量方法，利用NO在O₃中发出的荧光的强度来判断NO的浓度，通过NO₂-NO催化转化器实现NO₂的测量；结果以NOx（含NO和NO₂）显示。化学发光分析可靠，稳定性好，覆盖量程宽，探测器寿命长。其H₂O、CO和CO2等对测量的干扰只有1%以内，精度可以达到1%FS,最小量程可以达到30ppm。该仪器主要依靠进口，价格贵，因此在在用车排放的检测上受到限制、故标准中多规定采用价廉的不分光红外法（NDIR）测量。经过几年的研发，我们自主研发生产的CLD仪器已进入实用阶段，性能符合规定要求，价格较大降低，已配置在部分用于型式论证的产品中试用，今后的任务是在批量生产时能提高和稳定质量。

测量HC：产品型式论证时采用FID法测量，测量结果为总碳氢化合物（THC），测量精度高；但因FID成本、操作等问题，在用车检测场合不是合理配置；故仍推荐采用较高精度NDIR测量HC作为一种过渡方案。并用正己烷当量值表示，据有关资料介绍，其结果与实际情况有一定的相关性；同时基于发动机排放的改善，HC排放达标的情况总体较好，作为一种折中，可以适当放松检测的条件。

本发明系统中各单元的主要技术参数参考如下：

1.稀释排气流量和采样计量

稀释排气主流量测量采用亚音速文丘里流量计（SAO）：

流量范围：1.5m³/min—4.5m³/min（流量调节范围可达1:10）

精度：±0.7％

离心旋流风机：0～30kPa流量360m³/h

取样用膜片泵（无油，防化学）:-20kPa下，流量20l/min

2.分析仪器单元

2.1CLD（化学发光分析分析仪）----测量NOx（NO和NO₂）

本发明中使用自制的CLD，选用进口光子探测器，可以达到较好的精度和可靠性，其指标如下：

项目	指标
		量程	0-100,1,000，1,500ppm NO
精度、重复性	±1%FS
		零漂	1％FS/24hs
NOx转换效率	95%

T₉₀响应时间	T₉₀＜1.5s
		系统响应时间	（采样至显示读数的90%）＜10s

2.2NDIR（不分光红外气体分析仪）--测量CO、CO₂和O₂

不分光红外气体分析方法，红外光源发射出特殊波长的光，由于CO、CO₂和O₂在特征谱线上的特征吸收，经过气体吸收后强度下降，用吸收前后的光强度变化确定气体浓度。为了保证NDIR的精度等技术指标，满足必须的测量要求，需要摒弃盲目采用低成本的做法，在成本可接受的范围内，应选购精度等指标较高NDIR。技术指标如下：

2.3NDIR（不分光红外气体分析仪）---测量HC

利用NDIR测HC实际上仅能测量一种成分（只反映与正己烷相关的HC当量值），前已述及，出于对成本的考虑，以及车辆HC达标的情况有改善，这可以作为目前的一种过渡方案。

项目	指标
		量程	0-8000ppm
精度、重复性	±1%
		零漂	1％FS/24hs
T₉₀响应时间	T₉₀＜1.5s
		系统响应时间	（采样至显示读数的90%）＜10s

上述这些数据是现有的VMAS系统无法达到的，我们已在样机的实际试验中实现。

3.电涡流底盘测功机主要参数（全套外协）

电涡流底盘测功机在进行排放测量时，按GB18285-2005的规定的简易瞬态工况运行（或其它规定的工况运行），并同时向排放测量装置传送运行工况特征信息（如启动停止状态、功率数据等）。

注：电涡流底盘测功机是本发明所述装置的一个独立组成，不属于本发明的内容；但需按技术需求做好控制连接协议。

4.排放测量装置中央计算机控制和管理单元

如图4所示，主控系统主要由主控计算机、工业以太网络模块、传感器、控制模块以及信号输出符合TCP/IP协议标准并遵守AK协议的排放测量装置构成。

计算机控制单元的工作框图参见图4。中央计算机11通过稀释排气流量测量和采样单元、排气成分测量分析单元、环境工作站等的传感器获取测量数据，通过数据采集模块转换为符合TCP/IP规范的数字信号，传送给上位机，由上位机完成数据处理工作。同时，计算机根据采集信号的数值判断目前的工作状态，将控制指令发送给分析仪器单元的控制模块（可编程控制器件），并经气路中的执行元件实现自动取样、分析、清洗等功能。

控制模块要完成对分析仪器进行一系列气路切换、量程转换的操作，实现自动取样、分析等一系列功能。控制指令经控制模块处理后，转换为直接的继电器开闭去推动配电箱中的执行元件（继电器和接触器），实现开启或关闭系统电磁阀和取样泵的运行或停止操作。底盘测功机的信号亦可通过交换机或以太网直接传输到上位机中，由上位机进行同步的信号处理，测量结果自动保存或打印输出。

本发明的一个创新点是，在在用车排放测量中，首先提出采用亚音速文丘里流量计（SAO）测量稀释排气的流量，用以代替简易瞬态工况法中用涡轮转子流量计和氧传感器求出排气流量的方法。它和型式论证测量稀释排气流量有等同的测量精度，较好解决了在用车排放质量的较准确计量、并对在用车检测环境要求不高的问题。

在简易瞬态工况法（VMAS）中，是直采排气，计算汽车原始排气流量用测量稀释排气总量乘以空气稀释比来确定。而稀释排气总量用涡轮流量计测量，其精度低（±5%～10%）；测量稀释比用O₂作跟踪介质，而大气O₂含量随海拔、空气湿度、大气压力在变化，且O₂的测量采用电化学法或氧化锆传感器计量，因此氧气测量精度差，带来稀释比误差大。而VMAS法又规定采用GB18352.2—2001（汽车型式论证标准）中附录（CF4）所描述的CVS(Constant Volume Sampler定容取样器)系统标定稀释排气流量，即用精度高、使用娇气的LFE（Laminar Flow Element,层流流量计）仪器来标定误差大的流量测量方法，显得很不协调合理，难以达到精度±2%的规定。如用CFV（CriticalflowVenturi,临界流文丘里管）计量，是一种恒定流量计量，这种测量方法对环境的温度、压力和湿度等有较严格的要求，是汽车型式论证中规定的流量计量的标准量具，但是对在用车检测场合不是一种理想方案。现在首创提出使用一种亚音速文丘里流量计（SAO,Smooth Approach Orifice）(图3为一示意图)，它具有测量精度高（精度可达±0.7％或更高，甚至可作为对CFV标定的量具）、可在较宽流量范围内计量（流量调节范围1：10或更大）、可以进行参数补偿因而可以放宽对环境（温度、压力、湿度）的要求；流动压力损失小（比CFV测量要小很多；使用CFV要达到音速状态，要求有较高的负压）、可降低对风机的要求，因而降低风机成本。

本发明的首创方案还兼顾了同类设备的多功能性和简易性：按照GB18285-2005规定，本装置可以用于点燃式发动机在用车简易瞬态工况法排气污染物测量，包括比较精确测量气态排气污染物（CO、CO₂和HC；NO_X----含NO及新增加的NO₂）、排放质量比（g/km）和排放质量（t，吨）。同样可按GB18285规定，在稳态工况法、双怠速法以及瞬态工况法下进行排放测量；在双怠速工况下还能计算出过量空气因数，它是判断催化转化器是否正常工作的一个评定指标；能计算在用车的理论燃料消耗量。

根据行业信息和检索，未见国内提出同类的测量方法和设备。

Claims

1.一种在用车排气污染物测量系统，该系统利用排气污染物测量装置实现对点燃式发动机的在用机动车辆排气的气态污染物测量，将在用车中排放超标汽车检测出来；其特征在于，所述排气污染物测量装置包括稀释排气流量测量和采样单元、排气成分测量分析单元；其中：

稀释排气流量测量和采样单元，在用车排出的尾气与周围干净空气混合后形成稀释排气，由旋流风机（4）负压抽吸经亚音速文丘里SAO流量计（3）计量稀释排气流量后从旋流风机出口（5）处排到大气；并用采样泵（6）采集稀释排气，经连续采样管路（7）进入排气成分测量分析单元（9）；

排气成分测量分析单元（9），至少包括一测量CO、CO₂和O₂的NDIR气体分析仪、一测量HC的NDIR气体分析仪、一测量NOx（含NO和NO₂）的CLD分析仪；且各自接入连续采样管路（7），接收稀释排气进行测量。

2.如权利要求1所述的在用车排气污染物测量系统，其特征在于，在所述排气成分测量分析单元（9）还包括冷凝器，稀释排气经冷凝器冷却后进入NDIR气体分析仪，用以减少水分对NDIR测量的干扰，提高了测量精度。

3.如权利要求1或2所述的在用车排气污染物测量系统，其特征在于该系统还包括采样袋（8），稀释排气或经采样管路被连续送入采样袋，经自然均混后再被送入排气成分测量分析单元测量各排气成分。

4.如权利要求1所述的在用车排气污染物测量系统，其特征在于，该系统当在用车安装在底盘测功机上进行排放测量时，其底盘测功机的测量数据等信号亦通过交换机或以太网直接传输到上位机中，由上位机进行同步的信号处理。

5.如权利要求1所述的在用车排气污染物测量系统，其特征在于，该系统还包括计算控制单元及专用软件，在该单元，中央计算机（11）通过稀释排气流量测量和采样单元、排气成分测量分析单元、环境工作站等获取测量数据，通过数据采集模块转换为符合TCP/IP规范的数字信号，传送给上位机，由上位机完成数据处理工作。

6.如权利要求1所述的在用车排气污染物测量系统，具有多功能、满足GB18285-2005所述的全部测量方法要求：双怠速法、稳态工况法、简易瞬态工况法：其测量精度高于标准规定、而对瞬态工况法需改换个别主件后；并可测量过量空气因数和计算在用车理论燃料消耗量。