汽车尾气物的危害和检测方法的发展

汽车尾气物的危害和的发展 汽车尾气物的危害和检测方法的发展 1 汽车尾气物的危害和检测方法的发展 1.1 汽车尾气中的污染物 汽车尾气是一种流动大气污染源，其污染物主要由汽车的排气管、曲轴箱、化油箱(老式汽车使用)和燃油系统排出。产生的污染物有:一氧化碳(CO)、未燃烧的汽油 (HC)、氮氧化物(NOx)、硫化物、悬浮微粒、二氧化碳(CO2)和光化学烟雾。 1.1.1 一氧化碳 一氧化碳是燃油氧化不完全的中间产物，当氧气不充足时会产生CO，混合气浓度大及混合气不均匀都会使排气中的CO增加 。CO的毒性现在它能与人体的血红蛋白(O2Hb)结合成难离解的羟基血红蛋白(COHb),妨碍了血红蛋白与氧的结合,降低了血红蛋白输氧的能力,造成机体组织缺氧,严重时可造成人体内缺氧而窒息死亡。 1.1.2未燃烧的汽油(HC) HC是燃料中未燃烧的物质，由于混合气不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部 -6分燃油未来得及燃烧就被排放出去而产生的，当它的浓度达到500×10,600×-610时,会影响人体健康,因为它与NO2混合物在强烈日照下可在大气中产生臭氧等过氧化物,对人的眼、鼻和咽喉粘膜有较强的刺激作用,可引起结膜炎、鼻炎、支气管炎等症状。有些烃类伴有难闻的臭味,严重时可致癌。 1.1.3氮氧化物(NOX) 氮氧化物(NOx)是由于发动机内燃烧进程期间温度能达到1927? 以上，在这样的高温下，空-燃混合气中的一部分氮会合氧结合生成的。一般主要是指NO和NO2。NO对人的危害主要表现在对呼吸系统和神经系统的损害，同时NO还能与臭氧层发生破坏作用。NO2易溶于水形成硝酸和亚硝酸从而造成酸性污染 ，还能与低层的大气发生光化学反应生成光化学烟雾，对人的呼吸系统有强烈的刺激作用。 1.1.4硫氧化物 绝大部分的汽油中都含有一些硫，汽车上的催化式净化器便将这些硫转化成了硫氧化物。汽车内燃机尾气中硫氧化物的主要成分为SO2,它是导致酸雨的主要物质。而酸雨已成为当前世界性环境污染的主要问题之一。SO2离开净化器后，在大气中继续氧化并和大气中的水结合转化成硫酸烟雾(SO3+H2O?H2SO4)和硫酸盐,之后继续与环境中的其它污染物相互作用造成严重污染。SO2造成的恶果事件有英国伦敦烟雾事件,美国多诺拉烟雾事件,我国西南地区酸雨。SO2对人体危 -6-6害主要是刺激人和呼吸道和眼睛,当空气中SO2浓度达1×10,5×10时,可引起和加重呼吸系统和心血管疾病,严重可危及生命。 1.1.5二氧化碳 二氧化碳为无色无毒的气体,不助燃,无嗅味,对人体无害。现在每年排入大气中的二氧化碳总量约为200亿t,其中30%来自汽车尾气。一般情况下CO2通过 海水的吸收和植物的光合作用而被消耗掉,但近几十年来,随着工业飞速发展,矿物燃料用量的增加,而能大量吸收CO2的森林遭到破坏,导致大气中CO2的浓度大幅度增加。众所周知CO2是一种温室气体，它会吸收大量的地表的长波辐射，由于CO2的浓度大幅度增加而导致全球气温上升,南北极冰层溶化,海平面上升,大陆腹地沙漠趋势加剧,使人类和动植物赖以生存的生态环境遭破坏。因此对CO2控制也是对汽车排放一个重要要求。 1.1.6悬浮微粒 汽油机中主要微粒物有硫酸盐、低分子物质;柴油机的微粒量比汽油机多30倍~60倍,成分也比较复杂,主要是碳烟,它主要是由直径0.1,10µm的多孔碳粒构成。碳烟除了会被人体吸入肺部沉淀下来以外,还会粘附SO2和致癌物质严重危害人的健康。 1.1.7光化学烟雾 光化学烟雾是由汽车内燃机尾气中的氮氧化物和碳氢化物等一次污染物，在阳光照射下发生光化学反应而产生二次污染物，这种由一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象。其特征是烟雾弥漫,大气呈白色雾状或黄褐色,能见度低并具有特殊的刺激臭味,刺激咽喉和眼睛,烟雾具有氧化性,能使橡胶开裂,植物变黄和枯死。 1.2 在用车检测技术的发展 鉴于机动车尾气的巨大危害和机动车数量的迅速增加，人们开始日益关注城空气质量，并不断制定出新的机动车尾气排放来限制机动车尾气的排放。与此同时各大汽车制造商也在不断改进汽车技术，使汽车从化油器发动机汽车发展到电喷发动机汽车再到同时使用电喷技术和三元催化技术的汽车，这些新技术的运用都大大减少汽车尾气的排放。 在另一方面随着机动车尾气排放标准不断推出和汽车技术的不断进步，也要求了在用车检测技术不断的进步。 机动车一般分为点燃式汽油车和压燃式柴油车。目前汽油车检测技术经历了从怠速法、到双怠速法、再到简易工况法。柴油车检测技术一直使用的自由加速法。 1.2.1怠速法。 怠速测量法检测汽车在怠速运行时排放气态污染物的浓度。试验期间环境温度必须在20,30?之间，应预热发动机直至冷却液和机油的温度以及机油的压力达到平衡为止。试验时汽车离合器处于结合位置，对手动和半自动变速器的汽车其变速杆置于空档位置，对自动变速器的汽车其变速杆置于“空档”或“驻车”。怠速试验时的最低转速应不低于制造厂规定转速的100r/min,最高转速应不高于制造厂规定转速的250r/min。此方法快速简单，但与汽车的实际工况不符，先进国家早将其淘汰。 1.2.2 双怠速法 目前绝大多数地方使用的是双怠速法。双怠速法排放标准是指在两种空转转 速下进行污染物排放测量的排放标准。双怠速是两种空转转速，一种是普通怠速转速，即车辆使用说明书上规定的怠速转速;另一种是高怠速转速我国国家标准规定其为50,额定功率转速。由于怠速时混合气偏浓，因此会影响三效催化转换器的效率。为了检测因催化器转化效率降低而造成的汽车排放恶化，对装有三效催化转化器和氧传感器的车辆要进行高怠速试验。各组分测试仪器均使用不分光红外分析仪(NDIR)。同时还增加了对空燃比的测试。其方法的优点是简单易行。 1.2.3 简易工况法。 简易工况法就是利用新型专业设备，使汽车在保持不动的前提下模拟在路面实际的匀速行驶状况，并通过仪器给汽车以相应的加载量模拟爬坡时状态，以测定汽车这时的尾气排放情况。简易工况法的优势在于其程序更为严格，如果不按有关程序操作，就无法进行下一步。一辆车只有两次机会，第一次没过还可以再过第二次，如果还不通过就彻底“枪毙”，没有机会参加下一个项目的检测。其特点有:?用于对在用机动车的排放检测和排放控制装置的效果判定测试;?检测过程是模拟车辆道路行驶实际工况的各种状态，测定车辆排放的污染物;?能检测出机动车尾气排放中的,,,污染物;?能测量车辆排放的污染物的浓度和排放量;?简易工况法检测出车辆的排放问题比怠速法检测的多,,,倍;?检测系统的数据通讯功能及数据处理功能实现了应用统计处理控制技术的及时分析;?检测的准确性非常高，避免了由于检测不准造成的索赔;?检测要求结合严谨的技术支持及资格认证措施，保证检测更有效，并能提供更经济的维修结果。 简易工况法通常分为稳态简易工况法(ASM)和瞬态简易工况法。 1.2.3.1 稳态简易工况法是通过底盘测功机(底盘测功机主要有滚筒、功率吸收单元、管型模拟装置组成)根据机动车的基准质量，模拟机动车运行中的稳态负荷，被检测机动车再次负荷下匀速运行。一般进行ASM5025和ASM2540两个工况。 经预热后的车辆加速至25.0km/h，测功机以车辆速度为25.0km/h、加速度为 21.475m/s时的输出功率的50%作为设定功率对车辆加载，工况计时器开始计时(t=0s)。车辆以25.0km/h?1.5km/h 的速度持续运转5s，如果底盘测功机模拟的惯量值在计时开始后持续3s 超出所规定误差范围，工况计时器将重新开始计时(t=0)。如果再次出现该情况，检测将被停止。系统将根据分析仪最长响应时间进行预置，(如果分析仪响应时间为10s，则预置时间为10s，t=15)然后系统开始取样，持续运行10s(t=25s)即为ASM5025 快速检查工况。ASM5025 快速检查工况结束后继续运行至90s(t=90s)即为ASM5025工况。 ASM5025工况检测结束后车辆立即加速至40.0km/h，测功机以车辆速度为 240.0km/h，加速度为1.475m/s时的输出功率的25%作为设定功率对车辆加载。工况计时器开始计时(t=0s)。车辆以40.0km/h?1.5km/h 的速度持续运转5s，如果底盘测功机模拟的惯量值在计时开始后持续3s 超出所规定误差范围，工况计时器将重新开始计时(t=0)。如果再次出现该情况，检测将被停止。系统将根据分析仪最长响应时间进行预制，(如果分析仪响应时间为10s，则预时间为10s， t=15)然后系统开始取样，持续运行10s(t=25s)即为ASM2540 快速检查工况。ASM2540快速检查工况结束后继续运行至90s(t=90s)即为ASM2540 工况。## 污染物分析仪器采用下列原理:CO、HC和CO采用不分光红外法(NDIR)，NO2 和O采用电化学法或其它等效方法。排放结果以浓度表示。 2 to 1 稳态工况法试验运转程序 图 但实践显示;ASM检测结果与美国联邦实验程序(FTP)结果相关性较差，3种污染物的相关因子分别为:一氧化碳为43.5,;碳氢化合物为49.2,;氮氧化物为71.4,。这主要是由于ASM是等速等负荷的稳态行驶工况，IM240与FTP是变速变负荷的瞬态行驶工况，显然对排放有不同影响。另外，尾气污染物分析原理也不相同。ASM与新车试验的相关性较差，使得ASM方法误判率偏高，尤其是对电喷，三元催化器的车，误判率最高可达35,左右，准确率最差时可低到65,(根据美国资料，以IM240的准确率为100,)。ASM的另一不足之处是该方法基于污染物排放浓度而不是排放质量。发动机排量小的车辆排放质量少，排量大的车辆排放质量多，但其排放浓度却有可能相同。因而ASM对不同发动机排量的车辆是欠公允的。 1.2.3.2 目前使用的瞬态简易工况法有美国IM240测试法、VMAS测试法和我国刚刚制定的IG195工况测试法。 ? IM240试验工况采用美国联邦新车型式认定用测试FTP曲线前0,333秒的两个峰，经修改缩短为240秒。测试设备的工作原理同新车试验的要求一致。 底盘测功机因车辆要变负荷变车速运行，故应配备多点载荷设定的功率吸收装置和惯性飞轮组，以模拟道路行驶阻力和车辆加速惯量。 采样装置与分析仪器与新车试验一致。采样系统为定容稀释取样(CVS)。一氧化碳用非分散型红外分析仪(NDIR)，碳氢化合物用氢离子火焰分析仪(FID)，氮氧化物用化学发光分析仪(CLD)。最后的测试结果以克,公里表示。 IM240特点测试结果与FTP结果有很好的相关性。3种污染物的相关因子可达到:一氧化碳为91.8,;碳氢化合物为94.7,;氮氧化物为84.3,。同时，IM240 对3种污染物的测试结果相对于FTP结果的离散性很小，所以IM240的错判率很低。 但IM240工况法设备费用比较昂贵，日常运行维护比较复杂，单车检测时间较长，而且对检测人员也有较高的技术要求。 ? 为了克服ASM与FTP相关性差、IM240虽与FTP相关性好但费用太高、不利于推广的困难，一种被称作VMAS(又称IG240)的检测方法几年前在美国出现。美国EPA2001年认可了纽约州使用的VMAS检测方法(Vehicle Mass Analysis System)。 当VMAS采用与IM240相同的工况时，两者测试结果的相关性非常好。1998年美国EPA在纽约对VMAS的性能发起了一个与IM240对比的试验(Gordon,Darby试验)，试验对846辆随机选取的车做了VMAS,IM240同步测试。数据的相关性计算表明，一氧化碳的R2,0.993;碳氢化合物的R2,0.93;氮氧化合物的R2,0.992。表现出极好的相关性。 VMAS是一种瞬态加载简易工况法。它使用与IM240相同的底盘测功机，它吸取了IM240瞬态工况测量稀释排气量最终可得出污染物排放质量的优点，也吸取了ASM直接利用简便式废气分析仪就可对各个污染物浓度测试的长处，采用一个被称为“气体流量分析仪”的装置来测得汽车的排气流量(经稀释)，经处理计算，最终也可得出每种污染物每公里的排放质量。 ? 我国最早的瞬态加载法是北京环保局根据DB11/123-2000《轻型汽油车简易瞬态工况污染物排放标准》，制定了BJ195工况测试法。随后国家根据新标准制定了IM195和IG195瞬态加载方法。 北京地方标准制定的BJ195瞬态加载方法和最近颁布的国家标准制定的IM195和IG195瞬态加载方法，都是借鉴了美国经验，其测量工况曲线取自于国家标准(等同于欧洲ECE15-03工况)中4个测试循环中的第1个测试循环，循环时间为195s。IM195使用的设备同 IM240，IG195 和 BJ195 使用的设备同IG240，类设备的测量结果都是车辆运行工况下的排放总量，单位为mg/km。## 一套完整的IG195测试法设备包括一个至少能模拟加速惯量和匀速负荷的底盘测功机、一个五气分析仪和一个气体流量分析仪组成的采样分析系统。机动车在底盘测功机上通过不停的怠速、加速、等速、减速、减速，离合器脱开、换档来模拟机动车在不同道路上实际运行中的工况。一般一个完整的IG195测试需要25个步骤、15个工序，需要195s来完成。此方法能准确地反映车辆及发动机的真实运行工况，特别是车辆在有载荷的工况下运行时的排放情况。其具体操作过程如下 表1 瞬态简易工况法运转循环 操作 加速度 速度 每次时间 累计 手动换档时 时间 操作 工况 操作 工序 2 序号 m/skm/h (s) 用的档位 s s 1)2) 1 怠速 1 - - 11 11 11 6sPM+5sK12 加速 2 1.04 0?15 4 4 15 1 3 等速 3 - 15 8 8 23 1 4 减速 -0.69 15?10 2 25 1 5 减速，离4 5 -0.92 10?0 3 28 K1 合器脱开 6 怠速 5 - - 21 21 49 16sPM+5sK 17 加速 0.83 0?15 5 54 1 8 换档 6 2 12 56 - 9 加速 0.94 15?32 5 61 2 10 等速 7 - 32 24 24 85 2 11 减速 -0.75 32?10 8 93 2 8 11 12 减速，离-0.92 10?0 3 96 K2 合器脱开 13 怠速 9 - - 21 24 117 16sPM+5sK 114 加速 0.83 0?15 5 122 1 15 换档 2 124 - 16 加速 10 0.62 15?35 9 26 133 2 17 换档 2 135 - 18 加速 0.52 35?50 8 143 3 19 等速 11 - 50 12 12 155 3 20 减速 12 -0.52 50?35 8 8 163 3 21 等速 13 - 35 13 13 176 3 22 换档 2 178 - 23 减速 -0.86 32?10 7 185 2 14 12 24 减速，离-0.92 10?0 3 188 K2 合器脱开 25 怠速 15 - - 7 7 195 7sPM 注:1)PM-变速器置空档，离合器接合。 2)K，K-变速器置一档或二档，离合器脱开。 12 1.2.4 自由加速法 我国现行的在用柴油车的排放标准为GB14761.6,1993《柴油车自由加速烟度排放标准》，相应的测试方法为GB,T3846,1993《柴油车自由加速烟度的测量(滤纸烟度法)》。 滤纸式烟度计的工作原理由取样系统和测量系统组成。抽气泵将一定容量的柴油车排气吸入，排出的污染颗粒被阻隔在滤纸上，形成污斑。将一束光照射在滤纸上，上方放置硒光电池。污斑越黑，照射光的反射越少，光电池光电压较小，仪表有示值显示。滤纸越黑，烟度计示值越大。 测试方法是“将取样探头固定于排气管内，插深于300mm以上，并使其中心线与排气管轴线平行。将抽气泵开关置于油门踏板上。完成滤纸走位、清除排气管残存的碳烟之后，将油门踏板迅速踏到底，维持4s后松开。按仪表指示读数。15秒后执行同一操作，连续测量4次，取后3次读数的算术平均值即为所测烟度值”。 自由加速烟度测试特点该方法具有检测操作简便易行、测试仪器价格便宜和便于携带、以及检测时间短等优点，广泛应用于柴油车的年检、路检。 1.2.5 柴油车加载减速LUGDOWN法简介 该方法来自香港。香港环保署于2000年6月颁布了修订后的柴油车加载减速排放限值和测量方法，对柴油车分为5.5t以下级和5.5t以上级两个级别。该方法在3个加载工况点测试烟度。3个测量点分别是最大功率点，最大功率对应转速的90,转速点和最大功率对应转速的80,转速点。测试方法采样探头插入机动车排气管中，插入深度不得低于400mm。接好不透光烟度仪。测试数据包括轮边功率、发动机转速和排气烟度。只有轮边最大功率、发动机转速范围和3个工况点测得的光吸收系数k或烟度值均满足标准限值，排放测试才判定为合格。 测试设备主要包括底盘测功机、不透光烟度计和发动机转速计，由计算机控制系统集中控制。底盘测功机主要由滚筒、功率吸收单元(PAU)、惯量模拟装置等组成。不透光烟度计采用分流式内置不透光测量的原理。 由于测试和数据采集是完全自动的，不透光烟度计需满足以下技术要求:采样速率,不透光度仪的采样频率为每秒至少10次;数据通讯,不透光度仪须配备与测功机控制单元的数据采集方式兼容的数据传输装置。 控制系统测功机应配备自动控制模块来进行烟度测试。控制模块的软件应能直接控制不透光烟度计和转速传感器，自动完成测试程序。加载减速测试一般应在2分钟内完成，最长不能超过3分钟。 控制模块通过监控下述参数来完成测试规程和数据采集:车辆行驶速度，测功机的吸收功率，发动机转速和排气烟度。控制模块应配备实时显示器，显示发动机转速及相应的吸收功率。