同步檢測柴油機(jī)排放物氣體成分及不透光度的檢測系統(tǒng)

葉校波

摘 要：為滿足GB17691-2018、GB3847-2018等新標(biāo)準(zhǔn)中對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物中氮氧化物等氣體組分分析的需求，本文提出了一種可以同步測量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物氣體成分及不透光度的一種一體式檢測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：尾氣分析；柴油機(jī)排放檢測；不透光度；對沖氣幕；氮氧化物

中圖分類號：U467.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0005-02

0 前言

近年來機(jī)動(dòng)車保有量增加趨勢迅猛，車輛排放污染已成為城市空氣污染的主要來源之一，而且車輛比工礦企業(yè)離群眾生活圈子更近，對人民群眾的身體健康危害更大[1]。

我國在2018年發(fā)布了GB17691-2018、GB3847-2018等標(biāo)準(zhǔn)，對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的檢測在傳統(tǒng)的不透光度之外，尾氣成分的檢測也在要求之列。目前按新標(biāo)準(zhǔn)檢測柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的方案多為不透光度計(jì)搭配增加尾氣前置處理裝置的氣體分析儀。為了將這一套系統(tǒng)集成，需要檢測儀器的采樣氣路系統(tǒng)有很好的封閉性，以隔絕系統(tǒng)外的空氣等污染物，同時(shí)在使用上也要保護(hù)檢測裝置的鏡頭等器件不容易受污染。但目前國內(nèi)的不透光度檢測設(shè)備中，大部分是開放式結(jié)構(gòu)的氣路系統(tǒng)。這類設(shè)備有的通過風(fēng)扇等開放式抽取裝置將外界空氣引入氣路中作為氣幕，起到保持鏡頭清潔作用；有的因?yàn)闆]有測量氣體成分的結(jié)構(gòu)，故而對自身氣路系統(tǒng)的封閉性并無要求。

1 測量原理

本文中的不透光度測量原理是基于比爾-朗伯定律（Beer-Lambert）。定律表明，光線通過含顆粒污染物的煙氣的光透過率隨著煙氣的分子吸收率、顆粒物污染濃度及光通過煙氣的距離這三個(gè)值的增大呈指數(shù)下降[2]。其下降的程度用不透光度來衡量。

本文中的氣體組分分析裝置采用不分光紅外吸收法原理，除了可以測量排放物中的CO、CO2、HC之外，還可以測量NO、NO2成分。

2 檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)作機(jī)理

檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成如圖1所示。下面本文按順序來介紹該檢測系統(tǒng)各組件的運(yùn)作機(jī)理。

2.1 不透光度檢測平臺(tái)

排放物通過采樣探頭被采樣泵吸入不透光度檢測平臺(tái)。詳見圖2，該平臺(tái)采用分流式設(shè)計(jì)，排放物進(jìn)入平臺(tái)的檢測管道后分流向兩邊，從A及B口流出。在此過程中，不透光度檢測平臺(tái)的光源發(fā)出的光束穿過檢測管道，并由于檢測管道內(nèi)氣態(tài)排放物的存在而發(fā)生折射、反射等現(xiàn)象而衰減。衰減后的光束被傳感器接收并轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸出去計(jì)算排放物的不透光度。而該不透光度檢測平臺(tái)的檢測管道集成了恒溫加熱模塊及氣體壓力檢測模塊，可以讓檢測環(huán)境保持相對穩(wěn)定，保證了數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。

另外在檢測過程中為避免左透鏡、右透鏡受到污染。回流支路排放物在進(jìn)入二次過濾器和節(jié)流器后，在節(jié)流器處再次分為兩路分別進(jìn)入C口及D口作為回流氣流與從檢測管道分流來的待檢氣態(tài)排放物交匯對沖（見圖2），然后從A、B口排出。在此過程中，因C、D兩進(jìn)氣口位于左透鏡、右透鏡之前，與A、B排氣口及檢測管道隔一段通道相對，故而C、D兩進(jìn)氣口進(jìn)入的回流氣流在流向A、B兩出氣口的過程中充塞了C-A、D-B段的通道，相當(dāng)于一種光軸軸向的對沖氣幕。這樣回流氣流就能阻隔從檢測管道分流來的排放物對左透鏡、右透鏡的污染。而該回流氣流是經(jīng)同一排放系統(tǒng)排出，回流速度可調(diào)整，流經(jīng)距離短，且經(jīng)過二次過濾，對待測氣態(tài)排放物檢測數(shù)據(jù)的影響經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明在誤差范圍內(nèi)。而且經(jīng)過對比試驗(yàn)，該方式對光通道長度的影響相對比較穩(wěn)定，可以通過調(diào)整檢測管道的長度或通過軟件換算解決。

2.2 過濾器及二次過濾器

排放物通過過濾器將排放物中的碳粒等固體顆粒物過濾掉，使之不影響下一步的氣體成分分析。同時(shí)又保護(hù)了后級的采樣泵及流量計(jì)等元件不被碳粉堵塞污染。而為了不污染待測氣體，二次過濾器對支路排放物要進(jìn)行精度更高的過濾，而且不但要過濾顆粒物，還要過濾油霧。

2.3 氣體緩沖罐-采樣泵-氣體緩沖罐

為了避免待測的排放物被泵污染，系統(tǒng)中的采樣泵采用了隔膜型真空泵。由于是往復(fù)式運(yùn)作，這種泵的壓力曲線存在一定的脈動(dòng)，所以要使用多泵頭并聯(lián)接管。同時(shí)要在采樣泵前級添加氣體緩沖罐穩(wěn)定不透光度檢測平臺(tái)的氣體壓力，在后級增加氣體緩沖罐為氣體成分分析裝置支路及回流支路提供穩(wěn)壓作用[3]。前級氣體緩沖罐的容積由實(shí)驗(yàn)確定。實(shí)驗(yàn)具體按GB3847-2018中“C.3.8.2對于光吸收系數(shù)為1.7m-1的氣體，被測氣體和清掃空氣的壓力波動(dòng)引起的光吸收系數(shù)的變化應(yīng)不大于0.05m-1”的標(biāo)準(zhǔn)來測定壓力波動(dòng)與緩沖罐容積的關(guān)系。為了成本考慮，后級氣體緩沖罐經(jīng)試驗(yàn)可以使用和前級氣體緩沖罐相同規(guī)格。

2.4 流量計(jì)及氣體成分分析裝置

流量計(jì)的作用是計(jì)量氣體成分分析裝置支路流過的氣體，為排放物檢測及節(jié)流器的調(diào)節(jié)提供參數(shù)。流量計(jì)安裝在后級正壓氣路，能避免前級負(fù)壓氣路因探頭安裝方式而導(dǎo)致的氣阻、氣壓環(huán)境改變而形成的計(jì)量誤差[4]。

氣體成分分析裝置進(jìn)行氣體成分的分析，氣體成分分析完畢后，剩余氣體被排放到外界。

3 運(yùn)行試驗(yàn)及改進(jìn)

3.1 運(yùn)行試驗(yàn)

該運(yùn)行試驗(yàn)的首要目的驗(yàn)證該檢測系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物污染的防護(hù)能力。故而使用了經(jīng)自由加速試驗(yàn)[5]后確定排放物不透光度峰值73%的重污染柴油車作為檢測對象。正對該柴油車管排氣管管口，用直管式無帽取樣探頭取樣進(jìn)行測試。第一次試驗(yàn)，調(diào)節(jié)節(jié)流器，使回流氣體流量占系統(tǒng)空載總流量的25%。

在重復(fù)進(jìn)行了5組自由加速試驗(yàn)后，該系統(tǒng)的不透光度檢測平臺(tái)的N值零位偏移18.2%。經(jīng)用放大鏡對左透鏡、右透鏡進(jìn)行觀察后，發(fā)現(xiàn)明顯的碳粒及水霧、油膜污染。經(jīng)清洗鏡頭后，試驗(yàn)繼續(xù)。全部試驗(yàn)記錄見表1。

3.2 試驗(yàn)結(jié)論及改進(jìn)

試驗(yàn)后經(jīng)儀器檢測，回流氣流在經(jīng)過較長的管道輸送后到達(dá)C、D入氣口時(shí)溫度已經(jīng)下降至約60攝氏度，到達(dá)鏡片位置時(shí)產(chǎn)生了冷凝現(xiàn)象。而在將回流氣流流量比例調(diào)節(jié)至50%時(shí)，基本只觀察到水霧和少許油膜的污染，受碳粒的污染比較輕微。

為解決水霧的問題，經(jīng)研究，我們在左、右透鏡后側(cè)貼上PTC加熱環(huán)，將透鏡表面加熱到60攝氏度，同時(shí)將氣路部分封閉在恒溫箱內(nèi)。之后再進(jìn)行測試，在進(jìn)行5組自由加速試驗(yàn)后N值偏移1.3%。在多次反復(fù)同樣實(shí)驗(yàn)后，確定偏移值范圍在1%-1.5%之間。在這種情況下只需要及時(shí)調(diào)零和隔一段時(shí)間拭擦一次透鏡就可以持續(xù)使用，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

最后我們使用了佛山市南華儀器股份有限公司的NHT-7不透光度計(jì)及NHA-509廢氣分析儀系列來驗(yàn)證該系統(tǒng)不透光度及氣體組分檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，均初步通過測試。

4 結(jié)語

該新型柴油機(jī)排放物檢測系統(tǒng)為近年新開發(fā)的產(chǎn)品，目前還處于樣機(jī)階段。還有諸如成本高、體積大、部分元器件不穩(wěn)定等問題需要克服。但展望未來，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物一體化檢測相對不透光度計(jì)搭配氣體分析儀的方案，具有軟硬件配套少、使用成本低的特點(diǎn)，在便利性和經(jīng)濟(jì)性上有一定優(yōu)勢，而且該系統(tǒng)尤其適合于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)等場合，同時(shí)也能兼顧路面檢測。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂田.壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放理化特性及其對大氣環(huán)境的影響[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

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[3] 王紹宇.壓空緩沖罐和真空緩沖罐容積的確定[J].上海：化工與醫(yī)藥工程，2015（1）：29-33.

[4] 曹玉鑫.四種類型氣體采樣器計(jì)量準(zhǔn)確度分析[J].天津：環(huán)境與健康雜志，1993，10（2）：35-36.

[5] 生態(tài)環(huán)境部，國家市場監(jiān)督管理總局.柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）：GB3847-2018發(fā)布稿[S/OL].北京：中國環(huán)境出版社，2018-09-27.