排放測量學(xué)習(xí)課件

排放測量第一頁，共四十七頁。一、內(nèi)燃機(jī)排氣污染物的取樣系統(tǒng)（一）定容取樣系統(tǒng)（CVS：ConstantVolumeSampling）

我國現(xiàn)行排放法規(guī)規(guī)定的測試方法：汽車--輕型汽車測試方法（用底盤測功機(jī)控制）重型汽車受測功機(jī)的影響，采用內(nèi)燃機(jī)排放測試方法

排放法規(guī)規(guī)定使用定容采樣的原因：

※排氣污染物測試循環(huán)的需要

※袋式采樣取均值的方法，污染物會發(fā)生物理、化學(xué)變化，影響精度。采用模擬汽車排氣進(jìn)入大氣擴(kuò)散的CVS稀釋采樣。內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)測試法方法（9-工況法）壓燃式內(nèi)燃機(jī)測試法方法（13-工況法）第二頁，共四十七頁。我國點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的9-工況試驗(yàn)循環(huán)循環(huán)號工況序號模擬工況名負(fù)荷百分?jǐn)?shù)工況時(shí)間，S加權(quán)系數(shù)Wf轉(zhuǎn)速，r／min

Ⅰ1怠速-600.232廠標(biāo)2等速25600.07720003加速55600.14720004等速25600.07720005減速10600.05720006等速25600.07720007高負(fù)荷90600.11320008等速25600.07720009掛檔滑行-600.1432000

Ⅱ10等速25600.077200011加速55600.147200012等速25600.077200013減速10600.057200014等速25600.077200015高負(fù)荷90600.113200016等速25600.077200017掛檔滑行-600.143200018怠速-600.232廠標(biāo)第三頁，共四十七頁。美國的輕型車試驗(yàn)循環(huán)第四頁，共四十七頁。歐Ⅲ法規(guī)的輕型汽車測試循環(huán)市區(qū)循環(huán)郊區(qū)循環(huán)第五頁，共四十七頁。日本的輕型汽車15-工況測試循環(huán)第六頁，共四十七頁。壓燃式內(nèi)燃機(jī)的測試循環(huán)第七頁，共四十七頁。1、CVS的結(jié)構(gòu)和工作原理

CVS采樣系統(tǒng)微粒測量系統(tǒng)DAF-稀釋空氣過濾器F-過濾器S1～S4取樣探頭SP-取樣泵FC-流量控制器FL-流量計(jì)QV-快速作用閥QF-快接管接頭HE-換熱器CS-旋風(fēng)分離器CF-積累流量計(jì)CFV-臨界流文丘里管DEP-稀釋排氣抽氣泵TS-溫度傳感器HF-加熱過濾器第八頁，共四十七頁。2、CVS采樣系統(tǒng)中的幾個重要因素：

稀釋空氣溫度為20～30℃。

稀釋排氣泵流量為內(nèi)燃機(jī)最大排氣流量的2倍，或者稀釋排氣中的CO2濃度小于3%。對于大多數(shù)輕型車來講，用10～30m3/min的風(fēng)機(jī)可以滿足要求。

環(huán)境中的HC濃度小于15×10-6。

內(nèi)燃機(jī)的排氣管與采樣系統(tǒng)之間的連接管一般為3～4m,如采用絕熱管，長度可以達(dá)到6m。

連接前后排氣管中的靜壓偏差小于±1.2kPa。

CVS中的稀釋排氣流動滿足Re＞4000，保證稀釋混合均勻。

柴油機(jī)排氣中的HC多為高分子烴，凝結(jié)溫度比較高，不能用取樣袋，用加熱型取樣管，保持溫度為190±10℃，并使用加熱型氫火焰離子化檢測器HFID進(jìn)行連續(xù)測量。第九頁，共四十七頁。

微粒取樣探頭距離排氣管進(jìn)口至少10倍稀釋通道直徑，保證良好混合。

微粒測量樣氣溫度不低于52℃。

微粒采樣濾紙為涂敷聚氟乙烯的玻璃纖維濾紙，且采用兩極過濾，兩濾紙之間的距離不大于100mm。

濾紙直徑為47mm、70mm、90mm、110mm幾種,有效直徑相應(yīng)小10mm。

濾紙尺寸的選擇原則：單位面積的微粒沉積量不小于0.05mg/cm2。

第十頁，共四十七頁。

如果和

分別為一、二級濾紙的微粒采集量，為柴油機(jī)微粒排放量，規(guī)定：

如果，則

如果，則

如果，則試驗(yàn)結(jié)果無效

3、污染物排放量計(jì)算

（1）點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)式中：----污染物i的排放量（g/km）；

----標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的稀釋排氣體積（L）；第十一頁，共四十七頁。----標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下污染物i的密度（g/L）；

----用于計(jì)算NOx的排放量濕度修正系數(shù)；

----稀釋排氣中污染物i的體積分?jǐn)?shù)；

----車輛在測試循環(huán)中實(shí)際的行駛距離（km）;取樣袋中污染物i的校正體積分?jǐn)?shù)為：式中：----稀釋排氣中實(shí)測污染物i的體積分?jǐn)?shù)；

----稀釋空氣中實(shí)測污染物i的體積分?jǐn)?shù)；

----測試用稀釋風(fēng)道稀釋比。第十二頁，共四十七頁。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下各種污染物的密度污染物COHCNO2常規(guī)燃料LPGCNG密度（g/L）1.250.6190.6490.7142.05NOx的濕度校正系數(shù)為：式中：----環(huán)境空氣絕對濕度[g（水）/kg（干空氣）]----環(huán)境空氣的相對濕度（%）

----環(huán)境溫度下的飽和蒸汽壓（kPa）

----環(huán)境大氣壓力（kPa）第十三頁，共四十七頁。（2）壓燃式內(nèi)燃機(jī)壓燃式內(nèi)燃機(jī)的HC排放不能用取樣袋收集，用加熱型的氫火焰離子化檢測器HFID直接測量。式中：-----HFID紀(jì)錄曲線；

-----稀釋排氣中測得的平均HC量；第十四頁，共四十七頁。（二）適合ICE穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)要求的氣體污染物直接采樣系統(tǒng)

目前我國的內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)中，火花點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)采用9-工況穩(wěn)態(tài)循環(huán)，柴油機(jī)采用13-工況穩(wěn)態(tài)循環(huán)。在穩(wěn)態(tài)循環(huán)時(shí)，一般采用直接采樣測量內(nèi)燃機(jī)的氣體污染物排放量。內(nèi)燃機(jī)在臺架上穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，分析樣氣直接從排氣管抽取。污染物濃度高，測量精度也比較高。

THC的測量：用保持180～200℃的加熱型氫火焰離子化檢測器HFID檢測。

NOx測量：用溫度保持95～200℃的加熱型化學(xué)發(fā)光分析儀HCLA測量。

CO和CO2脫水處理后，用不分光紅外分析NDIR。第十五頁，共四十七頁。PF-加熱型粗濾器HF-加熱型過濾器P-取樣泵SL-取樣管TS-溫度計(jì)PG-壓力表ZG-調(diào)零氣體PR-壓力調(diào)節(jié)閥QV-快速作用閥FM-流量計(jì)B-冷凝脫水槽HSL-加熱型取樣管HO-恒溫加熱爐C-NO2-NO轉(zhuǎn)化器NV-調(diào)節(jié)針閥直接采樣系統(tǒng)CO分析NOx分析THC分析第十六頁，共四十七頁。污染物比排放計(jì)算污染物的質(zhì)量流量：式中：-----污染物i的質(zhì)量流量（g/h）;-----內(nèi)燃機(jī)排氣濕基體積流量（L/h）;

-----進(jìn)氣濕基體積流量（L/h）;-----燃油的質(zhì)量流量（g/h）。

------標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下污染物i的濃度；

------NOx濕度修正系數(shù)；

------排氣中污染物i的濕基體積分?jǐn)?shù)。第十七頁，共四十七頁。

用HFID測量HC，不除水，HC測得的是濕基；用NDIR測量CO，除水，測得的CO為干基。干濕基換算基準(zhǔn)：NOx濕度修正系數(shù)：式中：H-----進(jìn)氣絕對濕度；

T-----進(jìn)氣溫度（K）;------干空氣的進(jìn)氣質(zhì)量流量（g/h）。比排放量計(jì)算公式：第十八頁，共四十七頁。（三）稀釋采樣系統(tǒng)

美國的排放法規(guī)和歐Ⅲ排放法規(guī)，均加入了瞬態(tài)工況。在此種情況下，不能采用直接采樣，法規(guī)要求使用稀釋采樣系統(tǒng)。

THC、NOx、CO的體積分?jǐn)?shù)，在稀釋風(fēng)道中連續(xù)測量，測試循環(huán)中的平均體積分?jǐn)?shù)，用分析儀信號的積分確定。稀釋采樣系統(tǒng)包括全硫稀釋采樣系統(tǒng)（FFDSS，F(xiàn)ullFlowDilutionSamplingSystem）和分流稀釋采樣系統(tǒng)（PartialFlowDilutionSamplingSystem）。1、全流稀釋采樣系統(tǒng)第十九頁，共四十七頁。DAF-稀釋空氣過濾器；DP-稀釋空氣泵；FM-流量計(jì)；SDT-次級稀釋風(fēng)道；FH-濾紙保持器；BV-快速作用閥；PSP-部分采樣管；PDT-初級稀釋風(fēng)道；TC-溫度控制器；PTT-微粒傳輸管；PSS-微粒采樣系統(tǒng)；PDP-容積泵；SB-采樣風(fēng)機(jī)。全流稀釋采樣系統(tǒng)初級稀釋系統(tǒng)次級稀釋系統(tǒng)第二十頁，共四十七頁。微粒比排放量計(jì)算：測試循環(huán)的微粒總排放量：式中：-----測試循環(huán)的微粒中排放量（g）;-----采樣濾紙收集到的微粒質(zhì)量（g）;-----稀釋排氣的質(zhì)量流量（kg/h）;-----微粒樣氣的質(zhì)量流量（kg/h）。柴油機(jī)微粒比排放量為：

------工況點(diǎn)j的有效功率（kW）；

------工況點(diǎn)j的持續(xù)時(shí)間（h）。第二十一頁，共四十七頁。

歐洲的十三工況測量時(shí)，可用十三張濾紙分別測量，計(jì)算微粒比排放量：2、分流稀釋采樣系統(tǒng)全流稀釋采樣系統(tǒng)的缺點(diǎn)：設(shè)備龐大、笨重、占地面積大、測試功耗大。法規(guī)規(guī)定，可以只用體積小、價(jià)格低的分流稀釋采樣系統(tǒng)。按照對稀釋排氣的采樣，可分為全采樣和部分采樣系統(tǒng)。采樣系統(tǒng)不同，相應(yīng)的微粒計(jì)算有一定差距。第二十二頁，共四十七頁。分流稀釋系統(tǒng)DAF----稀釋空氣過濾器

FC-----流量控制器

PSS----微粒采樣系統(tǒng)

FM-----流量計(jì)

GFM----排氣流量計(jì)

PSP----微粒采樣管

DO-----孔板式流量計(jì)

DT-----稀釋風(fēng)道

PTT----微粒傳輸管

EP-----排氣管

BV-----快速作用閥

VN-----文丘里管

EGA----廢氣分析儀

DP-----稀釋空氣泵第二十三頁，共四十七頁。二、氣體污染物的測量三種氣體分別采用不同的測量方法：CO和CO2分析采用不分光紅外分析儀NDIR（NodispersiveInfraredAnalyzer）THC分析采用氫火焰離子化分析儀FID（FlameIonizationDetector）NOx分析采用化學(xué)發(fā)光法CLA（ChemiluminescentAnalyzer當(dāng)從THC中分離CH4時(shí)，采用氣相色譜GC（GasChromatograph）測量排氣中氧濃度，采用順磁分析儀PMA（ParamagneticAnalyzer）第二十四頁，共四十七頁。（一）不分光紅外線吸收型分析儀NDIR原理123457896入口

出口

NDIR的工作原理：不同氣體具有不同的吸收紅外線峰值波長。Beer-Lambert定律：式中：、－透射前后輻射通量；

—吸收系數(shù)；

—被測成分濃度；

—輻射通過的氣體長度。1－紅外光源2－截光盤3－樣氣室4－參比室5－檢測室6－電容器薄膜7－信號輸出8、9－濾波室第二十五頁，共四十七頁。（二）化學(xué)發(fā)光法(CLA)化學(xué)發(fā)光法原理反應(yīng)室出口轉(zhuǎn)換開關(guān)通道A通道BNO2NO轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換開關(guān)樣氣入口反應(yīng)室臭氧發(fā)生器氧入口濾光片光電倍增管監(jiān)測器信號放大器第二十六頁，共四十七頁。化學(xué)發(fā)光法CLD原理：樣氣中的NO與過量臭氧在反應(yīng)室中發(fā)生反應(yīng)，生成NO2，其中大約有10%處于電子激態(tài)（用NO2*表示）

NO+O3

NO2*

+O2

當(dāng)NO2*分子衰減到基態(tài)NO2時(shí)，發(fā)射出波長為0.6～3μm的光子。

NO2*

+O2NO2+hν

其中：h—普朗克常數(shù)；

ν—光子的頻率?；瘜W(xué)發(fā)光強(qiáng)度與NO和O3的濃度乘積成正比，O3濃度保持恒定，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度與NO濃度成正比。第二十七頁，共四十七頁。（三）氫火焰離子化分析(FID)氫火焰離子化分析儀原理離子收集極板燃燒嘴助燃空氣入口氫和待測樣氣入口空氣分配柵信號放大器信號輸出

原理：碳?xì)浠衔镒?000℃的高溫火焰中燃燒時(shí)可離子化為電子和自由離子。離子數(shù)與碳原子數(shù)成正比。第二十八頁，共四十七頁。（四）氣相色譜儀(GC)氣相色譜儀原理樣氣入口載入氣體色譜柱檢測器氣體出口色譜圖記錄儀溫控槽第二十九頁，共四十七頁。順磁分析儀原理樣氣中的氧環(huán)形室樣氣加熱絲永久磁鐵玻璃管

原理：利用氧的強(qiáng)順磁性。（大多數(shù)氣體具有逆磁性特征）樣氣中的氧在磁力作用下進(jìn)入玻璃管，被加熱后，順磁性急劇下降，磁鐵對其吸引力遠(yuǎn)小于冷態(tài)的氧。冷態(tài)氧由于磁力作用，進(jìn)入玻璃管，把熱態(tài)氧擠走，在玻璃管內(nèi)形成了氧的流動。濃度越高，流速越大。（五）順磁分析儀第三十頁，共四十七頁。三、微粒的測量和分析

（一）微粒排放質(zhì)量的測量

EPA對微粒的定義：從溫度低于52℃的稀釋排氣中采集的沉積在用聚四氟乙烯處理過的玻璃纖維濾紙上的所有物質(zhì)。測量過程：把空白濾紙放置在20～30℃（變化小于±6℃

），相對濕度在35%～55%之間的凈室內(nèi)，采樣前至少放置2小時(shí)，用電子天平稱量空白濾紙質(zhì)量。采樣后的濾紙，在凈室內(nèi)至少放置2小時(shí)（但不超過36小時(shí)），稱量濾紙質(zhì)量，兩個質(zhì)量之差，即為微粒質(zhì)量。為消除環(huán)境因素對微粒質(zhì)量的影響，測量過程中，加入?yún)⒈葹V紙，把環(huán)境因素修正到濾紙質(zhì)量之中。第三十一頁，共四十七頁。

（二）微粒粒度分析鑒于小于0.05μm的微粒對人體的極大傷害，研究微粒粒徑分布，是微粒研究中的一個重要方面。

1、串聯(lián)沖擊器原理：不同質(zhì)量的微粒慣性力不同。使微粒氣溶膠通過不同直徑的小孔，產(chǎn)生不同的流動速度，氣溶膠沖向沖擊板，并90℃變向，質(zhì)量大的微粒在慣性力的作用下，沖向沖擊板，并停留其上。選用不同的孔徑的小孔，可得到不同的氣溶膠流動速率，則沖擊板上就存留下不同粒徑的微粒。第三十二頁，共四十七頁。

2、擴(kuò)散分選器原理：微粒的布朗運(yùn)動。

當(dāng)氣溶膠氣流在很細(xì)的管道內(nèi)流動時(shí)，小微粒會粘結(jié)在管壁上。在管壁上的沉積微粒尺寸與氣溶膠流速有關(guān)。在氣溶膠流程內(nèi)，設(shè)置不同的管徑，可以得到不同的流速，則在管壁上沉積不同粒徑的微粒。3、電淌度分析儀（EAA：ElectricalAerosolMobilityAnalyzer）

原理：微粒帶正電后，粒徑越大，電淌度（單位電場強(qiáng)度的微粒遷移速度）越小。第三十三頁，共四十七頁。EAA原理第三十四頁，共四十七頁。

4、光子相關(guān)粒譜儀原理：氣溶膠微粒散射光強(qiáng)脈動。一束激光通過稀釋風(fēng)道中的柴油機(jī)排氣氣溶膠，利用微粒散射光強(qiáng)脈動的自相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，得出微粒直徑。微粒數(shù)目可根據(jù)在很短測量時(shí)間內(nèi)散射的總光強(qiáng)得到。（三）微粒成分分析目的：分離微粒中的DS（DrySoot）和SOF（SolubleOrganicFraction）。

1、熱解質(zhì)量分析TG（Thermogravimetry）原理：物質(zhì)在升溫時(shí)，會發(fā)生脫水、揮發(fā)、升華、分解、氧化和還原等物理、化學(xué)變化。

第三十五頁，共四十七頁。

試樣在惰性氣氛中（N2包圍）：可得到SOF隨溫度升高速率或者隨時(shí)間的變化關(guān)系，并得到總的SOF含量。試樣在氧化氣氛中（O2包圍）：SOF和碳粒全部氧化，余下的可認(rèn)為是硫酸鹽。

TG的優(yōu)點(diǎn)：可粗略研究SOF的組分以及硫酸鹽含量。

TG的缺點(diǎn)：每次試驗(yàn)，只能研究一個試樣，效率非常低；硫酸鹽分析精度不夠高，SOF中包含了可揮發(fā)的硫酸鹽成分。

TG價(jià)格比較高。第三十六頁，共四十七頁。TG原理N2N2溫度傳感器加熱爐試樣器皿電子秤控制器記錄顯示器第三十七頁，共四十七頁。

2、真空升華法（VV：VacuumVolatilization）所用設(shè)備：具有定時(shí)功能和真空度指示的真空干燥箱、真空泵、托架、電子天平。試驗(yàn)條件：200℃、95kPa真空度，連續(xù)處理6小時(shí)。結(jié)果：SOF脫出，余下的是DS。誤差：DS中包含不可揮發(fā)的硫酸鹽成分，SOF中包含可揮發(fā)的硫酸鹽成分。

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備價(jià)格低，且一次可以處理幾十，甚至上百個樣品，效率高。

缺點(diǎn)：無法收集SOF。第三十八頁，共四十七頁。

所用設(shè)備：脂肪提取器，萃取液為CH4Cl2。脂肪提取器

溫度計(jì)

冷凝管

室外

樣品室

樣品

燒瓶

虹吸管

浴缸

電爐

出水

進(jìn)水

試驗(yàn)條件：60℃恒溫水浴，處理8小時(shí)。優(yōu)點(diǎn)：可以收集SOF，設(shè)備價(jià)格低。缺點(diǎn)：處理效率不高，對濾紙質(zhì)量要求高，萃取液對環(huán)境有害。

3、萃取法（SE：SolventExtraction）第三十九頁，共四十七頁。四、排氣可見污染物測量

（一）濾紙式煙度計(jì)結(jié)構(gòu)組成：定容取樣泵和檢測儀。原理：一定量的煙氣穿過濾紙，濾紙變黑，測量黑度。單位：BSU（BoshSmokeUnit）

FSN（FilterSmokeNumber）范圍：0～10

對濾紙要求：反射系數(shù)0.92±0.03，當(dāng)量孔徑45μm，在壓差2～4kPa下的透氣度3l/（cm3·min）第四十頁，共四十七頁。BOSH煙度計(jì)取樣系統(tǒng)第四十一頁，共四十七頁。BOSH煙度計(jì)光電檢測器電線燈泡光電元件光電元件光源濾紙燈室濾紙結(jié)合面電源指示器第四十二頁，共四十七頁。

（二）消光式煙度計(jì)工作原理：讓排氣進(jìn)入由光源和接收器構(gòu)成的通道，用接收器接收的光強(qiáng)度的衰減程度表示排氣煙度。式中：Φ—