CN1888857A - 汽油车尾气排放污染物总量测量设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽油车尾气排放污染物总量的测量设备及方法，包括尾气稀释流量测量部分和原始尾气浓度测量部分。尾气稀释流量测量部分包括与风机连接的稀释软管，风机的排风管连接有涡街流量计，流量计配置有温度传感器、压力传感器和氧化锆传感器；原始尾气浓度测量部分包括采样软管和与其连接的气体分析仪，两者之间依次设置有气水分离器，冷凝器，过滤器，电磁阀和采样泵。其方法包括测量稀释的尾气排气的流量、温度、压力和氧浓度、测量原始尾气的各污染物的浓度值并计算。该方法和设备既能够达到实时测量尾气排放污染物中各成分的质量排放结果的目的，又极大地简化了系统的设备配置和降低了设备成本，使之能够完全适用于在用车的尾气排放测试。

Description

汽油车尾气排放污染物总量测量设备及其方法

技术领域

本发明涉及一种测量设备和方法，具体涉及一种汽油车尾气排放污染物总量的测量设备及其方法。

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，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，根据公式：质量＝浓度×密度×流量，的计算，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。

现有的质量法检测设备，对污染物排放总量的取样和测量手段也是各不相同的，主要分为全量取样法和CVS定容取样法两种，其中CVS方法又可细分为PDP-CVS容积泵式定容取样法和CFV-CVS临界流量文丘里管式定容取样法两种。

全量取样法是一种直接取样的方法，它是将汽车排放试验中的全部原始排放尾气收集到一个容积足够大的气袋中，然后分析测量的方法，检测过程中，尾气是不经过任何环境空气的稀释处理的。尾气在进入气袋前通过热交换器需进行冷却和除湿处理，该方法通过直接测定气袋中尾气各污染物成分的浓度、气袋体积，根据上述公式进一步计算出各污染物成分的排放总量。

CVS定容取样法是一种间接取样的方法，它是将汽车排放试验中的全部原始排放尾气，用8倍以上的稀释空气混合，然后通过定容装置例如容积泵或文丘里管，形成恒定流量的稀释气体，并对其进行取样分析测量的方法。之所以采用定容取样法，主要是因为汽车发动机随着车辆运行工况，比如加速、减速、匀速、怠速等的变化，其排气管中的压力是不断波动变化的，故而从汽车尾气管中排放的尾气流量也是不稳定的，如果直接对尾气浓度和流量进行测量比较困难，因此，通过采用定容装置使得稀释后的排气流量保持在一个恒定值上，那么只要测量出混合后气体中各成分污染物的浓度值，就可以很容易计算出尾气中各成分污染物的排放总量了。下面，我们以CFV-CVS定容取样法为例，简单阐述一下这种测量方法的结构和工作原理，而PDP-CVS定容取样法则是使用了容积泵取代CFV-CVS定容系统中的文丘里管和风机，作为产生恒定流量的装置。

参见图2，汽车排放的尾气在稀释风道里和用过滤器1滤过的环境空气相混合，形成稀释排放气体，经热交换器9和加热器10进行调温处理，以及旋风分离器11的除水处理后，再通过测量文丘里管13，经风机14的抽吸排人大气中，取样文丘里管16对稀释排气进行部分取样，样气依次经过滤清器17、第二采样泵18、缓冲器19、第二流量计20、第二电磁阀21、第二快速接头22，进入稀释样气测量气袋23，用于测量样气中各成分污染物的浓度值。两个文丘里管13、16进口的压力和温度相等，取样容积与总容积之比保持一致。同时，为了检查环境空气污染对测量的影响程度，还使用大致相同的取样速率将环境空气测量气袋7同时注满，及时修正环境空气污染对测量造成的附加误差，环境空气的取样是依次通过第一采样泵2、流量控制器3、第一流量计4、第一电磁阀5、第一快速接头6，进人环境空气测量气袋7。

由上述分析看出，CVS定容取样法的特点是对汽车排气的稀释程度高，需要很大体积的气袋，对取样系统、气体分析仪和恒流发生装置的精度要求高，因此测量设备复杂，价格极其昂贵，试验测试时间长，只能集中采样分析，不能每秒实时测量尾气排放数据，通常只用于针对新车的型式认证试验，故而无法向汽车检测市场推广，不适用于针对在用车的排放测试。

于是，寻找一种具有实时测量功能、结构简单、价格低廉、能够适合于在用车尾气排放总量测量的设备及其测量方法，具有非常重要的现实意义和市场前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设备简化并能够达到测量尾气排放污染物中各成分的质量排放结果的汽油车尾气排放污染物总量的测量设备及其方法。

本发明所述的汽油车尾气排放污染物总量的测量设备，尾气稀释流量测量部分和原始尾气浓度测量部分，其特征是所述尾气稀释流量测量部分包括一端套装在汽车排气管的末端、另一端与风机连接的稀释软管，所述风机的排风管连接有涡街流量计，该流量计配置有温度传感器、压力传感器和氧化锆传感器；所述原始尾气浓度测量部分包括采样软管和与其连接的气体分析仪，在采样软管和气体分析仪之间依次设置有气水分离器，冷凝器，过滤器，电磁阀和采样泵。

本发明所述的设备还设置有气体标定单元，该气体标定单元与电磁阀连通。

所述稀释软管的自由端具有喇叭形的空气进气口。

本发明所述汽油车尾气排放污染物总量的测量方法，包括：

A、测量稀释后的尾气排气的流量、温度、压力和O₂的浓度

首先测量并记录环境空气中O₂的浓度值，然后测量稀释后的汽车排放尾气的温度、压力和O₂的浓度，并记录每秒的稀释排气的流量、温度、压力数据及O₂的浓度值，以便对稀释气体流量进行标准状态的修正计算和计算尾气稀释前后的稀释比，根据稀释排气的温度、压力值，将测量的稀释排气流量修正为标准稀释排气流量值；

B、测量原始尾气的HC、CO、NOx、O₂、CO₂的浓度值

首先采集汽车的原始尾气，对原始尾气进行除水、降温和除尘处理，然后与测稀释排气同步，测量并记录每秒原始尾气中的HC、CO、NOx、O₂、CO₂的浓度值，并与稀释排气的流量值相对应；将测量的3种污染物HC、CO、NOx的浓度值进行浓度修正和湿度修正，转化为标准原始污染物浓度值；

C、计算

1)根据环境空气O₂浓度值、原始尾气中的O₂浓度值和稀释排气中的O₂浓度值，通过下式计算每秒钟尾气流量的稀释比：

稀释比＝(环境空气O₂浓度-稀释排气O₂浓度)/(环境空气O₂浓度-原始尾气O₂浓度)

2)根据稀释比和标准稀释排气流量，通过下式计算每秒原始尾气排放流量：

原始尾气排放流量＝标准稀释排气流量×稀释比

3)根据原始尾气排放流量和标准原始污染物浓度值，通过下式计算各污染物HC、CO、NOx每秒尾气的污染物排放质量：

污染物排放质量＝标准原始污染物浓度×标准密度×原始尾气排放流量

工况测试循环结束，累加每秒尾气的污染物排放质量，计算出HC、CO、NOx三种污染物的排放总量。

本发明所述的方法和设备既能够达到实时测量尾气排放污染物中各成分的质量排放结果的目的，又极大地简化了系统的设备配置和降低了设备成本，使之能够完全适用于在用车的尾气排放测试，便于向车辆检测市场推广，具有以下优点和积极效果：

1、本发明通过对尾气稀释前后其中O₂浓度的变化情况，来推算环境空气对尾气的稀释比例关系，从而直接计算出每秒钟汽车尾气的实际排放流量，即尾气稀释前的流量值或者称之为原始排放流量，由于其对尾气浓度进行取样、分析的位置不是在尾气被稀释之后进行的，而是直接对汽车的原始尾气浓度进行测量，故而不需要采用价格昂贵的CVS定容取样装置，而使用普通的涡街式流量计即可，环境空气也不需要经过过滤器进行过滤。另外，由于稀释比不大，因此也不必采用CVS方法中的高精度气体分析仪，而是采用价格便宜的、目前在用车尾气排放检测市场广泛使用的普通气体分析仪即可；

2、对尾气排放质量的测量方法是实时进行的，也就是每秒钟都能够计算出尾气中各成分污染物的排放质量，最后根据总的工况测试时间计算出排放总量，因此该方法是一种积分累加的方法，这一点不同于CVS方法的对尾气进行全部取样后再统一分析计算的方法。其好处在于该方法适应了尾气流量的波动变化情况，尾气随测随排，不必要再使用CVS方法中的体积庞大的气袋，简化了取样装置；

3、作为一种实时测量方法，测量的尾气瞬时浓度数据和瞬时流量数据必须要一一对应起来，即反映的是同一秒内的数据值，但实际上，气体流量的测量是实时的，而气体浓度的测量由于在管路传输过程中具有一定时间的延迟，故而与流量的瞬时值不可能同时得到，而是要延迟一段时间后获得，通常为5～6秒钟左右。为此，本方法中采用了精确的同步时间响应技术，通过精确测量气体从采样软管进入到气体分析仪能够准确读取数据的响应时间值，来达到同步计算的目的。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明所述汽油车尾气排放污染物总量的测量设备结构示意图；

图2是现有CFV-CVS定容取样法的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明所述汽油车尾气排放污染物总量的测量设备，包括尾气稀释测量部分和原始尾气浓度测量部分。所述尾气稀释流量测量部分包括与风机13连接的稀释软管14，所述风机13的排风管连接有涡街流量计9，该流量计配置有温度传感器12、压力传感器11和氧化锆传感器10。

所述稀释软管14的自由端具有喇叭形的空气进气口。

使用时将稀释软管14套装在汽车排气管15的末端、空气从进气口进入，汽车排放的尾气B与环境空气A混合稀释后，全部经稀释软管通过风机的抽吸再经涡街流量计测量后，最终排放到大气C中。

所述原始尾气浓度测量部分包括采样软管1和与其连接的气体分析仪7，在采样软管1和气体分析仪7之间依次设置有气水分离器2，冷凝器3，过滤器4，电磁阀5，采样泵6。检测时，将采样软管1的一端置于汽车的尾气排气管15中并与其连接，经采样软管从排气管中直接取样的尾气B，通过气水分离器、冷凝器和过滤器的除水、降温和除尘处理后，再经电磁阀由采样泵抽吸至气体分析仪中，进行CO、HC、NOx、O₂、CO₂的浓度测量后，也最终排放到大气C中。

本发明对尾气进行稀释处理的目的不是为了对其取样和测量其中的各成分污染物排放的浓度，而是通过对尾气稀释前后其中O₂浓度的变化情况，来推算环境空气对尾气的稀释比例关系，从而直接计算出每秒钟汽车尾气的实际排放流量，即尾气稀释前的流量值或者称之为原始排放流量。

涡街流量计中的温度传感器和压力传感器用于测量稀释排气的温度和压力值，以便对稀释气体流量进行标准状态的修正计算。

涡街流量计中的氧化锆传感器，用于测量稀释排气中O₂的浓度，以便计算尾气稀释前后的稀释比。

本发明还设置有气体标定单元8，该气体标定单元8与电磁阀5连通。当需要对气体分析仪7的气体传感器进行标定时，采样泵6则通过电磁阀5抽取气体标定单元8的标准气体，进行相应的标定工作。

下面对本发明所述汽油车尾气排放污染物总量测量方法的具体测量过程进行阐述：

1)安装设备，将本发明所述的测量设备的稀释软管和采样软管与汽车的尾气排气管连接；

2)打开风机13，气体分析仪7、涡街流量计9进行设备预热和自检。空气经稀释软管14进入对汽车排放的尾气稀释，稀释后的排气由风机抽入涡街流量计；

3)氧化锆传感器测量并记录环境空气中O₂的浓度值；

4)工况测试循环开始，启动检测，涡街流量计测量并记录每秒的稀释排气的流量、温度、压力数据，氧化锆传感器同时测量并记录每秒稀释排气中O₂的浓度值；

5)稀释排气的温度、压力值，将测量的稀释排气的流量修正为标准流量值，即在温度为20℃和一个标准大气压下的气体流量值；

6)响应时间到，气体分析仪开始测量经气水分离、冷凝和过滤后的原始尾气并记录每秒原始尾气中的HC、CO、NOx、O₂、CO₂的浓度值，并与稀释排气的流量值相对应；

7)测量3种污染物HC、CO、NOx的浓度值并进行浓度修正和湿度修正，转化为标准浓度值，即在温度为20℃和一个标准大气压下的气体浓度值；

8)根据环境空气O₂浓度值、原始尾气中的O₂浓度值和稀释排气中的O₂浓度值，通过下式计算每秒钟尾气流量的稀释比：

稀释比＝(环境空气O₂浓度-稀释排气O₂浓度)/(环境空气O₂浓度-原始尾气O₂浓度)

9)根据稀释比和标准稀释排气流量，通过下式计算每秒原始尾气排放流量：

原始尾气流量＝标准稀释排气流量×稀释比

10)根据原始尾气排放流量和标准原始污染物浓度值，通过下式计算各污染物(HC、CO、NOx)每秒尾气的污染物排放质量：

污染物排放质量＝标准原始污染物浓度×标准密度×原始尾气排放流量

11)工况测试循环结束，累加每秒尾气的排放质量，计算出HC、CO、NOx三种污染物的排放总量，测试结束。工况测试循环时间根据国家标准设置。

本发明所述的对尾气排放质量的测量方法是实时进行的，也就是每秒钟都能够计算出尾气中各成分污染物的排放质量，最后根据总的工况测试时间计算出排放总量，因此该方法是一种积分累加的方法，这一点不同于CVS方法的对尾气进行全部取样后再统一分析计算的方法。其好处在于该方法适应了尾气流量的波动变化情况，尾气随测随排，不必要再使用CVS方法中的体积庞大的气袋，简化了取样装置。其不足之处在于，由于采用的是积分累加方法计算尾气排放总量，而非对尾气进行全量的收集，因此其测量的排放总量不如CVS方法更精确地接近车辆的真实排放数据，但只要积分取样的时间片足够小，两者的测量结果就越接近。

作为一种实时测量方法，测量的尾气瞬时浓度数据和瞬时流量数据必须要一一对应起来，即反映的是同一秒内的数据值，但实际上，气体流量的测量是实时的，而气体浓度的测量由于在管路传输过程中具有一定时间的延迟，故而与流量的瞬时值不可能同时得到，而是要延迟一段时间后获得，通常为5～6秒钟左右。为此，本方法中采用了精确的同步时间响应技术，通过精确测量气体从采样软管进入到气体分析仪能够准确读取数据的响应时间值，来达到同步计算的目的。

Claims (4)

1、汽油车尾气排放污染物总量测量设备，包括尾气稀释流量测量部分和原始尾气浓度测量部分，其特征是所述尾气稀释流量测量部分包括与风机(13)连接的稀释软管(14)，所述风机(13)的排风管连接有涡街流量计(9)，该流量计配置有温度传感器(12)、压力传感器(11)和氧化锆传感器(10)；所述原始尾气浓度测量部分包括采样软管(1)和与其连接的气体分析仪(7)，在采样软管(1)和气体分析仪(7)之间依次设置有气水分离器(2)，冷凝器(3)，过滤器(4)，电磁阀(5)和采样泵(6)。

2、根据权利要求1所述的测量设备，其特征是还设置有气体标定单元(8)，该气体标定单元(8)与电磁阀(5)连通。

3、根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征是所述稀释软管(14)的自由端具有喇叭形的空气进气口。

4、汽油车尾气排放污染物总量的测量方法，包括：

A、测量稀释后的尾气排气的流量、温度、压力和氧的浓度

首先测量并记录环境空气中氧的浓度值，然后测量稀释后的汽车排放尾气的温度、压力和氧的浓度，并记录每秒的稀释排气的流量、温度、压力数据及氧的浓度值，以便对稀释气体流量进行标准状态的修正计算和计算尾气稀释前后的稀释比，根据稀释排气的温度、压力值，将测量的稀释排气流量修正为标准稀释排气流量值；

B、测量原始尾气的碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物、氧、二氧化碳的浓度值

首先采集汽车的原始尾气，对原始尾气进行除水、降温和除尘处理，然后与测稀释排气同步，测量并记录每秒原始尾气中的碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物、氧、二氧化碳的浓度值，并与稀释排气的流量值相对应；将测量的3种污染物碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物的浓度值进行浓度修正和湿度修正，转化为标准原始污染物浓度值；

C、计算

1)根据环境空气氧浓度值、原始尾气中的氧浓度值和稀释排气中的氧浓度值，通过下式计算每秒钟尾气流量的稀释比：

稀释比＝(环境空气O₂浓度-稀释排气O₂浓度)/(环境空气O₂浓度-原始尾气O₂浓度)

2)根据稀释比和标准稀释排气流量，通过下式计算每秒原始尾气排放流量：

原始尾气排放流量＝标准稀释排气流量×稀释比

3)根据原始尾气排放流量和标准原始污染物浓度值，通过下式计算各污染物碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物每秒尾气的排放质量：

污染物排放质量＝标准原始污染物浓度×标准密度×原始尾气排放流量

工况测试循环结束，累加每秒尾气的污染物排放质量，计算出碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物三种污染物的排放总量。

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