汽車尾氣檢測裝置及其檢測方法

張 濤，樊海春*，汪 鋒

(1.天津同陽科技發展有限公司 天津 300384；2.天津市大氣污染物監測技術企業重點實驗室 天津 300384)

0 引 言

近年來，隨著工業發展和城市化進程的不斷加快，空氣質量不斷降低，對人們生產和生活的影響越來越大。我國境內霧霾天氣頻發，工業廢氣、施工揚塵、機動車尾氣等所排放的固體細顆粒物都是導致霧霾天氣頻發的元兇[1]。

隨著我國機動車排放標準逐步升級，在道路上行駛的各種車輛尾氣排放水平將會有很大差距。有效降低機動車尾氣排放對環境空氣質量的污染，發現并治理高排放的車輛，對于改善城市空氣質量狀況非常必要。目前控制機動車污染的主要舉措是機動車尾氣年檢和日常的路檢和巡檢，但實際檢測中仍然存在很多問題：傳統的檢測方法為接觸式檢測[2-5]，對機動車排氣管采樣，然后用常規儀器進行分析[6-7]，費時費力、成本高、操作難度大，4名工作人員一天只能檢測100余輛車，遠遠達不到篩選高污染車的目的。

由于所采用的雙怠速法檢測方法弊端較多，其檢測結果不能全面、準確反映機動車真實的排放狀況，其中機動車加速度對尾氣檢測精確度影響較大。檢測過程中人為性強，給化油器車留下了作弊的機會。檢測指標單一，只能單獨測量一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物、顆粒物的排放濃度[8-9]。工況法則需要被檢車輛進場檢測，檢測效率低，遠遠滿足不了實時檢測的要求。

目前尾氣檢測采用的主要手段是在行車道架設龍門架，放置光源和接收器，在路面放置反射鏡，對單車道采用反射式安裝方法，雖然能實現對單車道的測量，但是路面反射鏡極易受到煙塵、雨水和其他污染物的污染，測量結果真實性差；另一種做法是在道路兩側分別放置光源和接收器，但只能針對容納一輛機動車通過的單車道路況進行測量，應用場所受到很大限制[10-12]。

另外，現有技術中機動車加速度測量的方式主要有高精度 GPS測試設備和陀螺儀加速度計[13]，這兩種方式均需要將設備放置在機動車中才能測量，通過外部測量的主要方式是應用攝像機進行圖像抓拍計算，技術實現難度高而且精度較差，而且汽車尾氣測量等技術又要求準確測量汽車行駛的加速度，因此準確從外部測量車輛加速度就顯得格外重要。

1 汽車尾氣監測原理

該汽車尾氣監測系統包括一種汽車尾氣遙測裝置以及汽車加速度檢測裝置。

如圖1所示，機動車尾氣監測系統是全天候室外在線遙感檢測系統，專門針對城市主道路設計的多車道固定式機動車尾氣遙感監測。該系統可以對任何一輛從道路上通過的汽車的尾氣排放值進行分析(包括汽油車、柴油車、天然氣車)。

圖1 機動車尾氣監測系統整體效果示意圖Fig.1 Diagram of the overall effect of the system of vehicle exhaust monitoring

道路上正常行駛的汽車經過光源與檢測器之間的紅外光和綠光光束時，其排放的尾氣中 CO2、CO、NOx、HC(丙烷)對光線有吸收作用，這樣紅/綠光源發出的透射光被檢測器檢測到光強將會減弱，而減弱的程度與污染物的濃度相關。在檢測過程中，用攝像機抓拍車頭或車尾的圖像，獲取車輛牌照，同時利用雷達測速或者光切割測速法可測定車輛的速度與加速度。

2 汽車尾氣遙測裝置結構和功能

汽車尾氣遙測裝置是一種基于單波非色散紅外(NDIR)和漫反射技術的機動車尾氣遙測設備，包括尾氣檢測單元、抓拍檢測觸發系統、獨立光源。其中獨立光源用于發射調制后的中紅外光，采用漫反射的形式使空域內充滿均勻的紅外光；通過尾氣檢測單元前端的平凹透鏡匯聚，當經過車輛所排放的尾氣煙團出現在光路上時，改變了紅外光的強度，由此實現對排放氣體的檢測；當車輛抓拍檢測觸發系統檢測道路有來車時，將車輛信息通過傳輸線發送給尾氣遙測單元，該單元將檢測到的尾氣信息和車輛信息進行數據整合疊加，經數據傳輸接口，通過傳輸網絡傳輸到中心控制平臺。

圖2 機動車尾氣檢測原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the detection principle of vehicle exhaust

如圖 2所示，設備采用漫反射的形式，安裝調試靈活，1尾氣檢測單元和2獨立光源可以安裝于道路上方的橫梁處，采用俯射的形式，也可以安裝于行車道的兩側，采用對射的形式。2獨立光源發射調制后的中紅外光，采用漫反射的形式使空域內充滿均勻的紅外光。當 11車輛抓拍檢測觸發系統檢測道路有來車時，將車輛信息通過 13傳輸線發送給尾氣遙測單元，遙測單元將檢測到的車輛尾氣信息疊加到抓拍的車輛信息后，經 14數據傳輸接口，通過 3傳輸網絡傳輸到中心控制平臺。

如圖 3所示，由于采用的是漫反射的形式，所以通過 2獨立光源所發射出的紅外光在空間上是面向各個方向且分布均勻，而被檢測車道的光路，通過 1尾氣檢測單元前段的平凹透鏡匯聚于12尾氣遙測單元。當經過車輛所排放的尾氣煙團出現在光路上時，改變了光路強度，從而實現對排放氣體的檢測。且內部設計參考基準通道，能夠濾除掉環境氣體因素的影響，使測量數據更加準確。

圖3 機動車尾氣檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of the detection of vehicle exhaust

相對于現有技術，可在不影響車輛正常行駛的前提下，完成對車輛尾氣排放情況的檢測。設備克服了目前遙感設備無法實現多車道路段的準確檢測問題，使得多車道同時獨立檢測成為可能。由于紅外光源采用漫反射的形式，尾氣檢測設備光路呈發散型，可采用俯射式安裝也可以采用對射式安裝，同時可實時監測車流量。與傳統的平行光路在車輛增多時易出現監測數據錯誤相比，采用發散光路不僅提高了檢測精度，同時可監測多輛并行車輛，使監測效率更高。設備可在多種道路條件下安裝使用，可同時檢測尾氣中的一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、碳氫化合物(CH)、氮氧化物(NO)的排放濃度。

3 汽車尾氣遙測結果

通過一定濃度的標氣進行系統測試，測量結果完全滿足 JJG(京)45—2011《遙感式汽油車排放有害氣體檢測儀檢定規程》要求，數據如表1。

表1 系統測試結果Tab.1 Test results of the system

4 結 論

隨著汽車尾氣嚴重污染環境，人們對環境空氣質量越來越重視，需要加強機動車尾氣的檢測。該汽車尾氣遙測設備基于單波非色散紅外(NDIR)和漫反射技術，采用漫反射的形式，打破了傳統形式的束縛，光源和檢測器安裝方式靈活，檢測結果受外界影響小。通過架設尾氣遙測設備，監控通行車輛的尾氣排放情況，標識尾氣超標車輛，在汽車工業發展和環境保護之間尋求新的平衡，為解決汽車尾氣排放污染問題尋求新的對策。

總之，隨著汽車尾氣排放對環境造成的污染越來越嚴重，加強汽車排放尾氣檢測能力變得尤為重要。本文介紹完全順應我國環境現狀要求的監測設備，旨在為汽車尾氣排放防治貢獻一份力量。