9.2排放法规及测试方法1.pdf

1、2)不同类型柴油机的排放特性对比 不同燃烧室的柴油机排放特性会显著不同。如 图 9-16所示， 在不采取任何排放控制措 施时， 非直喷式柴油机的气体排放比直喷式柴油机低。但直喷式柴油机因具有良好的燃油 经济性， 近年来已成为主流。 9.2排放法规及测试方法 排放法规既是对汽车和内燃机工业发展的限制， 也是促进汽车和内燃机技术进步的动 力 。排放法规的核心内容有两个， 即排放限值和测试方法， 本节将对此进行主要介绍。而有 关法规限值和测试计算方法放在附录中， 以便学习和试验中参考。 9.2.1排放法规分类 1. 怠速法与工况法 排放法规可以分为两大类， 即怠速法和工况法。其中工况法又根据车型种类

2、不同而分 为重型车排放法规和轻型车排放法规。 怠速法是指测量汽车在怠速工况下排放污染物的一种方法， 一般仅测 C0 和 H C， 测量 仪器采用便携式排放分析仪。这种方法具有简便易行、 测试设备价廉以及试验时间短等优 点 ， 但测量精度较低， 测量结果缺乏全面性和代表性。怠速法主要用作环保部门对在用车 (in-use vehicle)的排放进行监测， 以及汽车修理厂对车辆排放性能进行简易评价。 工况法是将若干汽车常用工况和排放污染较重的工况组合成一个或若干个测试循环， 试验时测取汽车或发动机在整个测试循环中的比排放量。与怠速法相比， 工况法可以全面 地反映汽车排放水平， 一般用于新车的型式认证

3、和一致性检测。轻型车的工况法排放检测 要求在底盘测功机上进行。重型车的排放检测一般要求在发动机台架上进行， 因为能进行 重型车试验的底盘测功机价格太昂贵。 工况法检测的排放限值一般分为两类， 即型式认证试验限值和产品一致性试验限值。 型式认证试验是指对新设计车型的认证试验； 产品一致性试验是指对批量生产车辆的试验， 要求从成批生产的车辆中任意抽取一辆或若干辆进行试验。一般型式认证试验限值严于产 品一致性试验限值， 但这两种排放限值今后有合而为一的趋势。 近年来， 包括我国在内的部分国家开始使用简易工况法代替怠速法进行在用车监测， 它 的性能和成本介于怠速法和工况法之间。简易工况法属于有载荷检测

4、法， 包括汽油车稳态 工况法、 瞬态工况法和柴油车加载减速工况法等检测方法， 主要是通过模拟汽车在道路行驶 情况下怠速、 减速、 加速和换挡等实际工况， 从而更真实地测量机动车污染物排放量， 较传统 的怠速无载荷检测方法更真实、 更精确。 2 . 世界汽车排放体系 目前世界上的汽车排放法规主要有三个体系， 即美国、 欧洲和日本排放体系。中国和其 他大多数国家是参照欧洲排放法规制定并实施本国的排放法规， 如 图 9-17所示。 近年来， 各国也在考虑制定世界统一的排放法规， 如联合国欧洲经济委员会（ U N EC E) 285 图9-17采用欧洲排放标准体系的世界主要国家和地区及其法规实施情况

5、成立了一个排放和能源工作组， 已经制定了世界统一的排放测试循环方案， 如世界统一的稳 态循环(W HSC)和世界统一的瞬态循环(W HTC)。但世界各国情况差别大， 很难实施统一 的排放法规。 9.2.2轻型车排放法规 1 . 美国 世界上最早的工况法排放法规于1966年诞生在美国加利福尼亚州， 用 7 个工况组成一 个测试循环， 称为加州标准测试循环， 并 于 1968年被美国联邦政府采纳作为联邦排放法规。 美国联邦排放标准由美国环保局（ EP A)制定并实施， 1975年 美 国 E P A 开始使用联邦测试 程 序 FT P-75,这是根据对洛杉矶市早晨上班时大量汽车实测行驶工况的统计获

6、得的， 并一 直沿用到现在。 FT P-75测试循环（ 图 9-18)由冷起动、 瞬态和热起动三阶段组成， 第三阶段是在发动机 图9-18美国FTP-75测试循环 2001 年 2002 年 2003 年 2004 年 2005 年 2006年 2007年 2008年 2009 年 2010 年 欧洲 欧 m 欧 IV 欧 V 中国 欧 I 欧 n 欧 m 欧 IV 中国北京 欧 I 欧 n 欧 m 欧 IV 中国香港 欧 m 欧 IV 阿根廷 欧 I 欧 n 欧 in 澳大利亚(轻型） 欧 I 欧 n 欧 m 澳大利亚(重型） 欧 I 欧 n 欧 IV 巴西 欧 n 欧 m 俄罗斯 欧 I

7、欧 n 欧 m 越南 欧 I 欧 n 新加坡(轻型） 欧 n 新加坡(重型） 欧 n 欧 m 墨西哥 欧 n 欧 m 印度 欧 I 欧 n 欧m 印度十城市 欧 I 欧 n 欧 m 欧 IV 韩国(轻型） 韩国2000 韩国2004 加州 ULEV 韩国(重型） 韩国2000 韩国2004 欧 IV 泰国 欧 n 欧 m 欧 iv 286 从 2000年起， 测试车辆必须增加两个补充循环（ S F T P)， 如图9-20所示， 一个循环是模 拟高速急加减速工况（ U S06)， 一个是模拟使用空调情况（ SC03)。 图9-20美国SF T P测试循环 (a) U S06 循 环 ；（ b)

8、 SC03 循环 美国联邦排放法规定义了不同阶段的轻型车标准：第一阶段（ Tier 1)标准从1994年到 1997年逐步实施； 第二阶段（ Tier 2)标准从2004年到2009年逐步实施。 Tier 2 标准（ 见附 表 B-1)将排放限值分为11个等级 （ Bin 1 Bin l l ) ， Bin 1 表示最清洁（ 零排放） 汽车， Bin 11表示污染最严重的汽车。汽车制造商可以生产满足任何 B in等级的汽车， 但是任何 一家制造商生产的所有汽车 NOz 平均排放必须满足平均的 B in等级 （ Bin 5)目标。Tler2 停机10 m in后再重复第一阶段测试循环， 三阶段加

9、权系数分别为 . 43、 1. 0和0 . 57。整个 循环持续时间 1874 s ， 行驶里程 11. 04 mile(17. 77 km)， 平均车速 21. 2 mile/h(34. 1 km/h)。 图 9-19给出了一辆总质量为1200 k g 的汽车， 按 FT P-75循环运行时， 各工况点在一台 1.5 L 汽油机万有特性图上的位置。由图可以看出， FT P-75循环的工况点主要分布在中低 转速和部分负荷区域。这是典型的轻型车和汽油发动机常用工况分布， 如果对其他测试循 环（ 后述的欧洲或日本轻型车法规)进行分析， 也可以得到类似的分布， 可以根据轻型车的这 种工况点分布特性来

10、合理确定配套发动机的排放控制原则。 图 9-19 FTP-75测试循环的工况点在汽油机万有特性上的分布 287 ( a) ( b)图9-21 欧洲 NEDC测试循环（ ECE15十EUDC) 标准对轿车、 小型箱式车、 轻型货车以及 S U V 车都采用同一限值， 也不区分是汽油车、 柴油 车还是代用燃料汽车。 加利福尼亚州是美国唯一被授权制定地方排放法规的州， 加州排放法规由该州大气资 源局（ CARB)负责制定， 通常加州的排放法规较美国联邦排放法规更严， 也是目前世界上最 严格的排放法规。其他州可以选择实施美国联邦排放法规， 也可以选用加州排放法规。 C A R B制定的第二阶段低排放汽

11、车排放标准 （ LEV H )实施期限为20042010年 ， 其中对 车重低于 8500 lb (3856 k g )的轻型货车和中型汽车进行了重新分类（ 见附表 B-2)。 LEV 标准对汽油车和柴油车采用同一限值， 并且相比 LEV I 标 准 对 NOx 和 P M 限值进 行了大幅度加严， 只有采用先进的排放控制技术（ 如微粒过滤器和 N( X 还原催化剂） 的汽车 才能满足这一标准。 2.欧盟 欧盟 （ European U nion)由欧洲 2 7个成员国组成， 制定统一的汽车排放法规， 由各成员 国参照执行。欧盟乘用车排放标准如表 9 -3所示。从表中可以看出， 1992年实施

12、的欧工标 准对汽油车和柴油车实行统一的 c o 、 h c + n o x 排放限值（ 除 p m 外） 。从 欧 n 标准开始， 对汽油车和柴油车引入不同的排放限值， 柴油 车 的 C O排放限值更严， 但允许更高的 N( 排放。从欧 IV标准开始， 不再对 C O和 H C排放限值加严， 重点是控制 N C X和 P M 的排放。 在欧 IV标准之前， 汽油车没有颗粒物（ P M )排放限制， 但是欧 V 和欧 YI标准对缸内直喷汽油 车提出了与柴油车相同的 P M 质量限值， 并且开始对轻型柴油机的 P M 数量（ P N )进行限 制。2014年 9 月前将对汽油车的 P M 数量提出

13、具体限值。 欧洲轻型车排放测试循环(NEDC)如 图 9-21所示， 它由若干等加速、 等减速、 等速和怠 速工况组成。该循环分为两部分， 第一部分是城市工况， 由反复4 次 的 15工况（ EC E15)构 成 ， 模拟城市道路工况;第二部分是市郊工况(EUDC)， 模拟市郊高速公路行驶工况， 最高车 速为120 km/h。N E D C循环工况特征参数如表9-4所示。 288 表 9 - 3 欧 盟 乘 用 车 排 放 标 准 （ M *类 ） g/km 等级 实施日期 CO THC NMHC NO, H C + N a PM PN CI SI CI SI CI SI CI SI CI S

14、I CI SI CI SI 欧1 + 1992.07 2. 72 (3. 16) 0. 97 (1. 13) 0. 14 (0. 18) 欧 n 1996.01 1.0 2.2 0. 7 0. 5 0. 08 欧 m 2000.01 0. 64 2.3 0. 20 0. 50 0. 15 0. 56 0. 05 一 欧 Y 2005.01 0.50 1.0 0. 10 0.25 0. 08 0. 30 0.025 一 欧 V 2009. 09 0. 500 1. 000 0. 100 0.068 0. 180 0. 060 0. 230 0. 005 0. 005 6 X 1011 欧 Y I

15、 2014.09 0. 500 1. 000 0. 100 0.068 0.080 0. 060 0. 170 0. 005 0. 005* 6 X 1011 一 注： CI- 柴油车； S I 汽油车； * 在欧 V 之前， 乘用车质量大于2500 k g按轻型商用车 N r l 进行型式论证; *仅用于缸内直喷汽油机； *缸内直喷汽油机的 P M 数量限值将于2014年 9 月前确定并在欧 VI生效； t 括号限值用于产品一致性。表9-4 N E D C循环工况特征参数 特征参数 单位 ECE15 EUDC 行驶里程 km 1.013X 4-4.052 6.955 持续时间 S 195X

16、4 = 780 400 平均车速 km/h 18.7(含怠速） 62.6 最高车速 km/h 50 120 3曰本 日本从1966年开始对汽车排放进行控制， 规定汽车尾气中的C0 浓度在3 % 以下， 这是 世界上第一个国家级排放法规。1970年规定汽车必须安装曲轴箱通风装置控制 H C蒸发 排放， 1972年限制化油器及汽油箱 H C蒸发量为2 g/试验。1973年按比排放量（ g/km)限 制 CO、 H C及 NO_ 直到20世纪90年代， 日本的汽车排放标准相对宽松。2003年， 日本 环境省颁布了非常严格的2005排放标准， 2009年进一步加严。日本柴油乘用车排放标准 见附表 B-

17、3。 日本轻型车排放法规采用10-15工况测试循环， 如 图 9-22(a)所示。2005年的排放法 规引人新的 JC08工况测试循环（ 图 9-22(b)， 并从2011年开始完全采用。10-15工况循环 类似 N E D C循环， 循环里程4. 16 km， 平均车速22. 7 km/h， 持续时间660 s。JC08测试循环 代表了拥挤城市行驶工况， 包括怠速和频繁的加、 减速工况。该循环持续时间1204 s， 循环 里程8. 171 km， 平均车速24. 4 km/h， 最高车速81. 6 km/h， 负荷率29. 7 % 。测试循环进行 两次， 一次是冷起动， 另一次是热起动。 图

18、 9 - 2 2 日本 10-1 5 和 J C 0 8测试循环工况 (a) 10-15 工 况 ；（ b) JC08 工况 4.中国 我国于1984年 4 月 1 日开始实施汽车排放法规， 最初的 GB 3842 3844- 83分别为汽 油车怠速污染物、 柴油车自由加速烟度、 汽车柴油机全负荷烟度排放标准， 仅规定了单一工 况的排放限值， 也未控制 NC 排放。后参照欧洲排放法规， 于 1989年颁布了我国轻型车排 放标准 GB 116411989及其测试方法 GB 116421989,采用 15工况测试循环。 2000年 1 月， 我国开始实施的GB 147611999法规， 基本等效采

19、用了欧I 排放标准和 测试循环（ 简称国 I 标准） ， 并 陆 续 在 2004年 7 月和2007年 7 月实施了国 n 和国 D I (相当于 欧 II和欧 DI)排放法规。与此同时， 北京市为缓解日益严峻的市区大气污染状况， 于 1999年 1 月在国内率先实施了国I 标 准 ， 并 于 2008年 3 月提前实施国W标准。我国排放法规中的 各阶段限值基本与欧洲标准一致。9.2.3重型车排放法规 图9-23美国重型柴油机瞬态F P T循环 美国加州法规和联邦法规要求所有发动机制造商分别从2005年和2007年开始进行补 充排放测试(S E T)和工况区不超标（ N T E)测试。S E

20、 T 主要控制长途运输车辆在高速公路 稳态行驶的排放， 而 N T E主要控制在用柴油车在实际道路行驶条件的排放。 2.欧盟 欧盟重型车是指整车质量超过3500 k g 的柴油车或火花点火发动机（ 如汽油机、 天然气 和液化石油气等） 驱动的车辆。从欧 I 到欧 II标准， 重型柴油机排放测试采用由13个工况 1.美国 美国联邦法规定义的重型车的整车质量为8500 lb(磅 ， 1 lb=450 g)以上， 而加州法规定义 的整车质量为14 000 l b 以上。2000年 12月 2 1 日， 美国 E P A颁布了 2007年及以后的重型 柴油机排放标准， 排放限值进一步加严， P M 为

21、 0. 01 g/bhp-h r(克/马 力 小 时 ， 1 bhp = 0. 746 kW， 下同） ， N a 为 0. 20 g/bhp-hr， 非 甲烷碳氢 N M H C 排放为 0. 14 g/bhp-hr。其中 P M 排放标准从2007年完全实施； NO, 和 N M H C标准在20072010年逐步实施。CA RB 实际上从2001年 10月就开始采用2007重型车排放标准。由于目前的美国联邦法规要求 采用发动机台架测试进行重型柴油车的型式认证(整车质量低于14 000 l b 的柴油车可以选 择转鼓测试） ， 因此排放标准限值用g/bhp-h r表示。 美国重型柴油车测试

22、工况为瞬态F T P循环， 相对转矩和相对转速的变化如图9-23所 示。该循环由四段组成， 第一段是纽约非高速（ N Y N F)段， 代表频繁起停的城市行驶工况; 第二段是洛杉矶非高速(L A N F)段， 代表城市拥堵但很少起停的行驶工况； 第三段是洛杉矶 髙速（ L A F Y)段， 模拟高速公路拥堵行驶状况;第四段是重复第一段的纽约非高速（ N Y N F) 段。循环平均负荷率为20% 25%。进行两次循环测试， 第二次循环测试是在第一次循环 测试完成后20 m in再热起动完成。循环当量车速约30 km/h， 当量行驶里程10. 3 km (1200 s 循环运行时间） 。 291

23、图9-24欧洲E S C循环 (a) 测试转速选取； （ b) 测试T： 况点及其加权系数 E L R测试主要是评价动态烟度特性。试验时， 在上述 A、 B、 C 三个转速以及随机抽检 转速 D 条件下， 由 10%负荷开始突然将油门加到最大， 用不透光式烟度计测量这个过程的 烟度最大值， 如图9-25所示。 E T C测试主要是评价瞬态工况时的排放特性， 它模拟重型柴油车的实际道路行驶状 况， 如图9-26所示。图（ a)、 （ b)分别表示发动机相对转速（ 转速 iV与额定转速 N rated之比) 和相对转矩（ 转矩了与最大转矩 T m a x之比） 随时间的变化。可以看出， E T C

24、测试中的发动机 转速和转矩均快速变化， 对发动机排放控制系统的瞬态工况控制特性要求较高。 3日本 日本从2005年开始对重型柴油车排放测试采用 JE05瞬态循环（ 热起动） ， 如 图 9-27 所示， 而 2005年之前是采用稳态的13工况或6 工况法进行测试， 排放标准见附表 B-6。 JE05测试循环持续时间约1800 s， 平均车速26. 94 km/h， 最高车速88 km/h。如果用发动 机台架进行测试， 必须基于 JE05循环工况转换成发动机转矩-转速-时间数据。 组成的稳态测试循环（ ECE R-49)。从欧 ID排放标准开始， 这 种 13工况的测试循环被欧洲 稳态循环（ E

25、SC)取代， 并增加了负荷响应（ E L R)循环， 而对带先进后处理装置的柴油机还要 增加瞬态循环(E T C)。对欧 W及其以后排放标准， 柴油机则全部采用E SC、 E L R 和 E T C测 试循环。对火花点火气体发动机， 从欧 DI开始就采用 E T C循环。欧洲重型柴油机的稳态循 环工况排放限值和实施日期见附表B-4,重型柴油机和火花点火气体发动机的瞬态循环工 况排放限值如附表 B-5所示。 如图9-24所示， E S C循环的测试转速有3 个， 以发动机外特性曲线上功率为50%额定 功率时所对应的转速为转速， 以高于额定转速且功率降到70%额定功率时所对应的转速 为 100%转

26、速， 则 3 个测试转速 A、 B 和 C 分别为该转速区间内的25%、 50%和 75%转速（ 见 图 9-24U )。在 A、 B 和 C 转速下各取4 个工况点， 加上怠速工况， 构 成 13个测试工况点。 在稳态条件下（ 怠速工况4 min， 其他工况2 min)测试各点的排放， 分别乘以各自的加权系数 (见图9-24(b)中各点的百分数） ， 作和后获得 E S C测试循环排放结果。 292 ( a) ( b)图9-26欧洲E T C测试循环 (a)转速； （ b)转矩 图9-27日本JE05测试循环 4.中国 我国于1983年颁布了柴油车自由加速烟度排放标准， 1993年对该标准进

27、行了一次修 订， 加严了标准限值。2001年颁布了柴油机工况法排放标准 （ GB 176912001)， 参照欧盟 图 9-25 欧洲 E L R循环 293 91/542/E E C指令制定了对压燃式发动机 CO、 H C、 N C X和颗粒物排放同时进行控制的污染 物排放标准。2000年执行国 I 标准， 2003年执行国 n 标准， 测试工况为 R49。从 2005年颁 布的国 IH、 国 IV和国 V 标准 （ GB 176912005)开始， 采用欧洲 E SC、 E T C 和 E L R 测试循环。 北京分别于2005年 和 2008年提前实施国 HI和国 IV标准。表 9-5和

28、 表 9-6给出了中国重型 车排放法规的限值和实施时间。 表 9-5 E SC和 E L R测试排放限值 g/(kW h )(炭烟单位： n T 1) 标准等级 实施日期 测试循环 CO HC NOx PM 炭烟 国 I 2000.09.01 R49 4.5 1. 1 8.0 0. 36 国 n 2003.09.01 4.0 1. 1 7.0 0. 15 国 in 2007. 01. 01 2. 1 0. 66 5.0 0. 10,0. 13 0. 8 国IV 2010.01.01(带060) ESC、 ELR 1.5 0. 46 3. 5 0. 02 0. 5 国 V 2012.01.01(

29、S BD) 1. 5 0. 46 2.0 0. 02 0. 5 EEV 1.5 0. 25 2.0 0. 02 0. 15 注：对每缸排量小于 0.75 L 和额定转速大于 3000 r /m in的发动机。 E E V 为环境友好车辆， 其限值为非强制性要求， 制造和使用满足该要求的汽车应受到鼓励。 表 9-6 E T C测试排放限值 g/(kW h) 标准等级 实施日期 CO NMHC CH4 NOx PM 国 I 2007.01.01 5. 45 0. 78 1. 6 5.0 0. 16,0.21 国 I V 2010. 01.01C带 OBD) 4.0 0. 55 1. 1 3. 5

30、0.03 国 V 2012.01.01(带060) 4.0 0. 55 1. 1 2.0 0.03 EEV 3.0 0. 40 0. 65 2. 0 0. 02 注： N M H C为非甲烷碳氢化合物。 仅对 N G发动机。 不适用于第 ID、 IV和 V 阶段的燃气发动机。 对每缸排量小于 . 75 L 和额定转速大于3000 r/m in的发动机。 E E V 为环境友好车辆， 其限值为非强制性要求， 制造和使用满足该要求的汽车应受到鼓励。 9.2.4采样系统及方法 1 . 整车转鼓试验的采样系统 用于轻型车排放测试的转鼓试验台， 其采样系统被规定用定容取样系统 （ constant vo

31、lume sampling， C V S)， 如 图 9-28所示。被测车辆在转鼓试验台上按规定的工况法测试循 环运转， 全部排气排入稀释风道(D T)中， 按规定的比率与空气混合， 形成流量恒定的稀释排 气 ， 将其中一小部分收集到采样气袋(S B)中。美 国 FT P-75测试循环要求各阶段分别采样 (3个气袋） ， 而欧洲和日本的测试循环则全部采入1 个气袋中， 用排气分析仪测量采样气袋 中各种污染物的浓度。同时用过滤器(S F)采集稀释样气中的微粒， 用精密天平测量微粒质 量 。将各种污染物浓度乘以定容采样系统中流过的稀释排气总量， 并除以测试循环的总行 驶距离， 得到比排放量（ g/

32、km)， 具体计算方法见附录 C-1。 294 图9-28用于轻型车工况法测试的定容采样系统 CD 底盘测功机； A B 空气取样袋； C F积累流量计； C F V临界流文丘里管； C S 旋风分离器； D A F稀释空气滤清器； D E P稀释排气抽气泵； D T稀释风道； F过滤器； F C 流量控制器； F L流量计； H E换热器； H F 加热过滤器； P G压力表； Q F快接管接头； Q V 快速作用阀； 用 295 图 9 - 2 9微粒采集系统示意图 (a) 全流稀释通道；（ b) 部分流稀释通道 氢火焰离子法测量丁 H C ;用化学发光法测量 NC 。但怠速法和简易工况法

33、的检测标准中 有所不同， 一般用不分光红外法测量 C 0、 C 0 2 和 T H C， 用电化学法测量 N a 。 作为非在线测试方法， 也可以用气相色谱仪 (gas chromatography， GC)分析排气气体的 成分和浓度。G C方法可以区分出 T H C 中各种碳氢化合物， 常被用于研究性试验测试， 但 测试分析所需时间较长。 以下简要介绍在汽车排放专用测试仪器中最常用的不分光红外法、 化学发光法以及氢 火焰离子法三种气体污染物测试方法。 1 )不分光红外分析仪（ non-dispersive infrared， NDIR) 红外线是波长为 . 8 600 p m的电磁波， 大多

34、数非对称分子(不同原子构成的分子） 的气 体都具有吸收红外线的特性， 如 C O能吸收4. 5 5. 0 p m波长的红外线， NO。能吸收5. 3 波长的红外线。吸收红外线程度与气体浓度有关， 不分光红外分析法则是利用这一原理测量 气体浓度。所谓“ 不分光红外” 是指对于特定的被测气体， 测量所用的红外光波长是一定的。 设 I。为红外光对气体的入射强度 J 为经气体吸收后的红外光透射强度， 则两者关系 遵循比尔（ Bill)定律： 式中， 为气体对波长为A 的红外光的吸收系数， 对于某一气体成分， iCA为常数以为气体 密度； Z为气体厚度。 图 9 -3 0为 N D IR分析仪的工作原理

35、示意图。被测气体流过分析室， 同时参比室内充满 不吸收红外线的参比气体， 由光源射出的入射红外线 I。经旋转光栅和滤波室分别射入分析 室和参比室。由于被测气体吸收红外线使光强衰减为 I ， 而参比气体不吸收红外线仍保持 光强为因而进入检测器上下两个接受室的红外光强度不同， 下接受室内的气体吸光致 热量大于上接收室， 导致金属膜片上凸， 感应电容量变化， 信号经放大调制后输出。 N D IR法可以测量 C 0、 C 0 2、 CH4、 S 2、 N 0 2 和 N H 3 等 7 0余种气体成分， 但 测 量 NO 等气体时， 由于输出信号非线性以及易受干扰， 导致测试精度较低， 因而用于汽车排

36、放测试 时主要测量 C O和 C 0 2, 以及精度要求不高时（ 如怠速） 测 量 H C。应当指出的是， 随检测器 接收室内充人气体的不同， N D IR只能检测某一波长段的H C。例如充人正己烷（ C6H 14)图9-30 NDIR分析仪测试原理 时， 仪器对饱和烃敏感， 对非饱和烃及芳香烃不敏感， 因而测试结果会显著低于实际的总碳 氢(THC)浓度。这也就是前述用 NDIR法测得的碳氢化合物一般记为 H C的原因(见9.1. 3)。 2 ) 化学发光分析仪（ chemi-luminescent detector， CLD) 用化学发光法测量 N i 的原理如下： 式中， NO; 为激发态

37、 N0 2;/ i 为普朗克常数;v为光量子频率。 测试分析时， 首先使被测气体中的 N O 与 0 3 反应， 生 成 NOf (激 发 态 N0 2)， 在 NOf 由激发态衰减到基态 N0 2 的过程中， 会发出波长为0. 6 3. 0 p m 的光量子/ iv， 称为化学发 光 ， 其强度与 N O浓度成正比。 图 9-31表示了 C L D分析仪的测量原理。0 2 连续进入臭氧发生器， 产 生 03 进入反应 室。在检测 N O时， 被测气体经转换开关由 A 管路进入反应室， N O 与 03 反应产生化学发 光 ， 经滤光片被光电倍增管转换成电信号， 由放大器调制输出， 其测量结果

38、是 N O 的浓度。 在检测 N0 2 时 ， 被测气体经转换开关由 B 管路先流经催化器， N0 2 在此被还原为 N O,然后 进入反应室。这样测得的结果是 NCX， 而 N0 2 浓度则等于 N( 与 N O 的浓度之差。 3 )氢火焰离子分析仪（ hydrogen flame ionization detector， FID) F ID 的 T： 作原理是利用碳氢化合物在氢火焰的高温（ 2000 C左右） 中热致电离形成自由 离子， 而离子数与碳原子数基本成正比。 如 图 9-32所示， 被测气体与含有40% H2(其 余 为 H e气） 的燃料气体混合后进人燃烧 器 ， 在氢火焰的高

39、温氛围中， 碳氢化合物裂解形成碳离子 C+ ， 在 100 300 V 的外加电压作 图9-31 CLD分析仪的测量原理 图9-32 FID分析仪的测量原理用下形成离子流， 微弱的离子电流（ 约 1(T 12 A)经放大后输出。 2 . 微粒及烟度的测量 柴油机排放的微粒和黑烟虽然是两个不同的测量指标， 但两者有着密切的关系。如前 所述， 排放法规中主要限制微粒排放， 但由于炭烟在微粒中所占比率最大， 加之测试仪器低 廉 ， 所以表征炭烟多少的排气烟度测量方法长期以来也得到了广泛应用。 1) 柴油机排气微粒 由上述微粒采样系统采集到的微粒， 用微克（ pg)级精密天平称得滤纸在收集微粒前后 的

40、质量差， 即可得到微粒的质量， 并根据需要计算出单位行驶里程的比排放量 g/km(对于 整车试验)或单位功率的比排放量 gAkW h)(对于发动机台架试验） 。 研究工作中经常要对微粒的成分进行分析， 以确定其产生的原因。常用的方法有索氏 萃取法， 这种方法用二氯甲烷做溶剂， 将 S O F由微粒中分解出来;硫酸盐的萃取可以用纯净 水或二甲基丙酮溶液做溶剂； 由此可以将 P M 分解成干炭烟、 可溶性有机成分以及硫酸盐。 另 外 ， 热解质量分析法（ T G)可以将可挥发性有机化合物（ VOC)由微粒中分解出来 ， VOC 与 S O F的区别在于， S O F中只有高沸点的碳氢化合物， 而

41、V C 中实际上还包括硫酸盐。 通过液相色谱仪可以对分解出的 S O F作进一步详细分析， 以搞清各种 H C 的来源。一 般 认 为 ， 低 于 C19的 H C来自燃油， 而 高 于 C2 8 的 H C则来自润滑油。如果将色谱仪与质 谱仪连用（ 色质连机分析 GC-M S)， 则可对复杂有机物进行更仔细的分析。 2) 排气烟度 烟度的测量方法主要有两大类， 一类是根据收集了黑烟的滤纸表面对光的反射率来测 量烟度， 这种方法称为滤纸法或反射法， 如波许（ Bosch)烟度计； 另一类是根据光从排气中 透射的程度来确定烟度， 称为不透光法或消光法。 (1) 滤纸式烟度计 最早问世和目前使用最

42、广泛的烟度测试方法是波许烟度计， 它主要由定容采样泵和检 测仪两部分组成。定容采样泵从排气中抽取一定容积的样气（ 一般为330 m L或 1000 m L)， 当样气通过一张滤纸时， 其中的炭烟被收集在滤纸上。然后用反射式光度计测量滤纸黑度， 即射向滤纸的光线一部分被滤纸上的炭烟所吸收， 另一部分被反射到光电管上产生光电流。 光电流的大小反映了滤纸反射率的大小， 滤纸黑度越高， 则反射率越低， 检测结果以波许烟 度单位（ B SU)表示。 冯布兰德 （ Von Brand)烟度计的原理与波许烟度计类似， 不同之处在于它采用带状滤 纸 ， 自动进行送纸、 抽气、 过滤炭烟、 检测滤纸黑度以及清吹

43、采样系统等环节， 因而也被称为 自动烟度计。 滤纸式烟度计结构简单、 成本低廉， 但不能用于瞬态烟度测量， 也不能测量蓝烟和白烟。 (2) 不透光式烟度计 不透光式烟度计也称为哈特里奇（ H anridge)烟度计， 其测量原理如图9-33所示。用废 气取样头从汽车排气管中将部分废气连续导人测量腔， 由光源（ 绿色发光二极管） 发出的光 束穿过测量腔中的被测废气， 由光电转换器接受透过光并转换为电压信号。光束的减弱程 度用不透光度 T(%)或吸收系数 K 来表示。为保证测量腔的光学窗口不被烟尘污染， 采用 气幕（ 切向气流） 保护措施。分析和显示装置给出瞬态烟度曲线（ 如 图 9-34所示的自

44、由加速 试验结果） ， 并确定最大烟度和平均值。 298 图9-34不透光度测量实例 不透光式烟度计可以进行连续测量， 以研究柴油机的瞬态炭烟排放特性， 可以按排放法 规要求测量加速烟度， 而且所测烟度不仅包含黑烟， 也包含排气中的水气、 白烟（ 冷起动时) 和蓝烟（ 窜机油时） 等成分。 3 . 非常规排放测试 在排放法规规定的 C C X T H C N O i和 P M 四种成分之外， 汽车排气中还会不同程度 地含有醛类、 酮类、 烯烃类和苯类等有害的非常规排放成分， 尤其近年来甲醇、 乙醇、 生物 柴油等替代燃料逐渐被应用， 这是否会带来法规尚未限制的新的排放污染成分一直深受 关注。 测量甲醇和乙醇燃料的非常规排放时， 可以将抽取的样气采袋后用气相色谱仪（ GC)分 析 ， 也有人尝试将排气直接导人气相色谱仪的方法。另外， 也可先将排气中被测成分用某种 物质吸附， 再溶解后用液相色谱法分析。但这些方法都不能在线测试， 因而存在耗时费工和 测试误差大等问题。 近年来开始使用的傅里叶红外光谱仪（ FT IR)是一种便捷可靠的汽车非常规排放在线 测试方法。F T IR利用干涉仪干涉调频的工作原理， 通过干涉图和红外光谱图之间的对应 关系以及傅里叶变换， 可同时测得甲醇、 乙醇、 甲醛、 乙醛、 乙烯、 丁二烯、 甲苯、 胺以及二氧化 图9-33不透光式烟度计结构示意图