排放测量自学内容.ppt

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1、排放测量,一、内燃机排气污染物的取样系统（一）定容取样系统（CVS：Constant Volume Sampling）我国现行排放法规规定的测试方法：汽车-轻型汽车测试方法（用底盘测功机控制）重型汽车受测功机的影响，采用内燃机排放测试方法 排放法规规定使用定容采样的原因：排气污染物测试循环的需要 袋式采样取均值的方法，污染物会发生物理、化学变化，影响精度。采用模拟汽车排气进入大气扩散的CVS稀释采样。,我国点燃式内燃机的9-工况试验循环,美国的FTP-75轻型车试验循环,欧法规的轻型汽车测试循环,日本的轻型汽车15-工况测试循环,压燃式内燃机的测试循环,1、CVS的结构和工作原理,CVS采样系

2、统,2、CVS采样系统中的几个重要因素：稀释空气温度为2030。稀释排气泵流量为内燃机最大排气流量的2倍，或者稀释排气中的CO2浓度小于3%。对于大多数轻型车来讲，用1030m3/min的风机可以满足要求。环境中的HC浓度小于1510-6。内燃机的排气管与采样系统之间的连接管一般为34m,如采用绝热管，长度可以达到6m。连接前后排气管中的静压偏差小于1.2kPa。CVS中的稀释排气流动满足Re4000，保证稀释混合均匀。柴油机排气中的HC多为高分子烃，凝结温度比较高，不能用取样袋，用加热型取样管，保持温度为190 10，并使用加热型氢火焰离子化检测器HFID进行连续测量。,微粒取样探头距离排气

3、管进口至少10倍稀释通道直径，保证良好混合。微粒测量样气温度不低于52。微粒采样滤纸为涂敷聚氟乙烯的玻璃纤维滤纸，且采用两极过滤，两滤纸之间的距离不大于100mm。滤纸直径为47mm、70mm、90mm、110mm几种,有效直径相应小10mm。滤纸尺寸的选择原则：单位面积的微粒沉积量不小于0.05mg/cm2。,如果 和 分别为一、二级滤纸的微粒采集量，为柴油机微粒排放量，规定：如果，则 如果，则 如果，则 试验结果无效 3、污染物排放量计算（1）点燃式内燃机,式中：-污染物i的排放量（g/km）；-标准状态下的稀释排气体积（L）；,-标准状态下污染物i的密度（g/L）；-用于计算NOx的排放

4、量湿度修正系数；-稀释排气中污染物i的体积分数；-车辆在测试循环中实际的行驶距离（km）;取样袋中污染物i的校正体积分数为：式中：-稀释排气中实测污染物i的体积分数；-稀释空气中实测污染物i的体积分数；-测试用稀释风道稀释比。,标准状态下各种污染物的密度,NOx的湿度校正系数为：式中：-环境空气绝对湿度g（水）/kg（干空气）-环境空气的相对湿度（%）-环境温度下的饱和蒸汽压（kPa）-环境大气压力（kPa）,（2）压燃式内燃机 压燃式内燃机的HC排放不能用取样袋收集，用加热型的氢火焰离子化检测器HFID直接测量。式中：-HFID纪录曲线；-稀释排气中测得的平均HC量；,（二）适合ICE稳态测

5、试循环要求的气体污染物直接采样系统 目前我国的内燃机排放法规中，火花点燃式内燃机采用9-工况稳态循环，柴油机采用13-工况稳态循环。在稳态循环时，一般采用直接采样测量内燃机的气体污染物排放量。内燃机在台架上稳态运行，分析样气直接从排气管抽取。污染物浓度高，测量精度也比较高。THC的测量：用保持180200的加热型氢火焰离子化检测器HFID检测。NOx测量：用温度保持95200的加热型化学发光分析仪HCLA测量。CO和CO2脱水处理后，用不分光红外分析NDIR。,PF-加热型粗滤器HF-加热型过滤器P-取样泵SL-取样管TS-温度计PG-压力表ZG-调零气体PR-压力调节阀QV-快速作用阀FM-

6、流量计B-冷凝脱水槽HSL-加热型取样管HO-恒温加热炉C-NO2-NO转化器NV-调节针阀,直接采样系统,污染物比排放计算污染物的质量流量：式中：-污染物i的质量流量（g/h）;-内燃机排气湿基体积流量（L/h）;-进气湿基体积流量（L/h）;-燃油的质量流量（g/h）。-标准状态下污染物i的浓度；-NOx湿度修正系数；-排气中污染物i的湿基体积分数。,用HFID测量HC，不除水，HC测得的是湿基；用NDIR测量CO，除水，测得的CO为干基。干湿基换算基准：NOx湿度修正系数：式中：H-进气绝对湿度；T-进气温度（K）;-干空气的进气质量流量（g/h）。比排放量计算公式：,（三）稀释采样系统

7、 美国的排放法规和欧排放法规，均加入了瞬态工况。在此种情况下，不能采用直接采样，法规要求使用稀释采样系统。THC、NOx、CO的体积分数，在稀释风道中连续测量，测试循环中的平均体积分数，用分析仪信号的积分确定。稀释采样系统包括全硫稀释采样系统（FFDSS，Full Flow Dilution Sampling System）和分流稀释采样系统（Partial Flow Dilution Sampling System）。1、全流稀释采样系统,微粒比排放量计算：测试循环的微粒总排放量：式中：-测试循环的微粒中排放量（g）;-采样滤纸收集到的微粒质量（g）;-稀释排气的质量流量（kg/h）;-微粒

8、样气的质量流量（kg/h）。柴油机微粒比排放量为：-工况点j的有效功率（kW）；-工况点j的持续时间（h）。,欧洲的十三工况测量时，可用十三张滤纸分别测量，计算微粒比排放量：,2、分流稀释采样系统 全流稀释采样系统的缺点：设备庞大、笨重、占地面积大、测试功耗大。法规规定，可以只用体积小、价格低的分流稀释采样系统。按照对稀释排气的采样，可分为全采样和部分采样系统。采样系统不同，相应的微粒计算有一定差距。,二、气体污染物的测量三种气体分别采用不同的测量方法：CO和CO2分析采用不分光红外分析仪NDIR（Nodispersive Infrared Analyzer）THC分析采用氢火焰离子化分析仪F

9、ID（Flame Ionization Detector）NOx分析采用化学发光法CLA（Chemiluminescent Analyzer 当从THC中分离CH4时，采用气相色谱GC（Gas Chromatograph）测量排气中氧浓度，采用顺磁分析仪PMA（Paramagnetic Analyzer）,（一）不分光红外线吸收型分析仪,NDIR原理,NDIR的工作原理：不同气体具有不同的吸收红外线峰值波长。Beer-Lambert定律：式中：、透射前后辐射通量；吸收系数；被测成分浓度；辐射通过的气体长度。,1红外光源2截光盘3样气室4参比室5检测室6电容器薄膜7信号输出8、9滤波室,（二）化

10、学发光法(CLA),化学发光法原理,反应室出口,转换开关,通道A,通道B,转换开关,样气入口,反应室,臭氧发生器,氧入口,滤光片,光电倍增管监测器,信号放大器,化学发光法CLD原理：样气中的NO与过量臭氧在反应室中发生反应，生成NO2，其中大约有10%处于电子激态（用NO2*表示）NO+O3 NO2*+O2 当NO2*分子衰减到基态NO2时，发射出波长为0.63m的光子。NO2*+O2 NO2+h 其中：h 普朗克常数；光子的频率。化学发光强度与NO和O3的浓度乘积成正比，O3浓度保持恒定，化学发光强度与NO浓度成正比。,（三）氢火焰离子化分析(FID),氢火焰离子化分析仪原理,离子收集极板,

11、燃烧嘴,助燃空气入口,氢和待测样气入口,空气分配栅,信号放大器,信号输出,原理：碳氢化合物自2000的高温火焰中燃烧时可离子化为电子和自由离子。离子数与碳原子数成正比。,（四）气相色谱仪(GC),气相色谱仪原理,样气入口,载入气体,色谱柱,检测器,气体出口,色谱图记录仪,温控槽,顺磁分析仪原理,样气中的氧,环形室,样气,加热丝,永久磁铁,玻璃管,原理：利用氧的强顺磁性。（大多数气体具有逆磁性特征）样气中的氧在磁力作用下进入玻璃管，被加热后，顺磁性急剧下降，磁铁对其吸引力远小于冷态的氧。冷态氧由于磁力作用，进入玻璃管，把热态氧挤走，在玻璃管内形成了氧的流动。浓度越高，流速越大。,（五）顺磁分析仪

12、,三、微粒的测量和分析,（一）微粒排放质量的测量 EPA对微粒的定义：从温度低于52的稀释排气中采集的沉积在用聚四氟乙烯处理过的玻璃纤维滤纸上的所有物质。测量过程：把空白滤纸放置在2030（变化小于6），相对湿度在35%55%之间的净室内，采样前至少放置2小时，用电子天平称量空白滤纸质量。采样后的滤纸，在净室内至少放置2小时（但不超过36小时），称量滤纸质量，两个质量之差，即为微粒质量。为消除环境因素对微粒质量的影响，测量过程中，加入参比滤纸，把环境因素修正到滤纸质量之中。,（二）微粒粒度分析 鉴于小于0.05m的微粒对人体的极大伤害，研究微粒粒径分布，是微粒研究中的一个重要方面。1、串联冲击

13、器 原理：不同质量的微粒惯性力不同。使微粒气溶胶通过不同直径的小孔，产生不同的流动速度，气溶胶冲向冲击板，并90变向，质量大的微粒在惯性力的作用下，冲向冲击板，并停留其上。选用不同的孔径的小孔，可得到不同的气溶胶流动速率，则冲击板上就存留下不同粒径的微粒。,2、扩散分选器 原理：微粒的布朗运动。当气溶胶气流在很细的管道内流动时，小微粒会粘结在管壁上。在管壁上的沉积微粒尺寸 与气溶胶流速有关。在气溶胶流程内，设置不同的管径，可以得到不同的流速，则在管壁上沉积不同粒径的微粒。3、电淌度分析仪（EAA：Electrical Aerosol Mobility Analyzer）原理：微粒带正电后，粒径

14、越大，电淌度（单位电场强度的微粒迁移速度）越小。,EAA原理,4、光子相关粒谱仪 原理：气溶胶微粒散射光强脉动。一束激光通过稀释风道中的柴油机排气气溶胶，利用微粒散射光强脉动的自相关统计分析，得出微粒直径。微粒数目可根据在很短测量时间内散射的总光强得到。（三）微粒成分分析 目的：分离微粒中的DS（Dry Soot）和SOF（Soluble Organic Fraction）。1、热解质量分析TG（Thermogravimetry）原理：物质在升温时，会发生脱水、挥发、升华、分解、氧化和还原等物理、化学变化。,试样在惰性气氛中（N2包围）：可得到SOF随温度升高速率或者随时间的变化关系，并得到总

15、的SOF含量。试样在氧化气氛中（O2包围）：SOF和碳粒全部氧化，余下的可认为是硫酸盐。TG的优点：可粗略研究SOF的组分以及硫酸盐含量。TG的缺点：每次试验，只能研究一个试样，效率非常低；硫酸盐分析精度不够高，SOF中包含了可挥发的硫酸盐成分。TG价格比较高。,TG原理,N2,N2,温度传感器,加热炉,试样器皿,电子秤,控制器,记录显示器,2、真空升华法（VV：Vacuum Volatilization）所用设备：具有定时功能和真空度指示的真空干燥箱、真空泵、托架、电子天平。试验条件：200、95kPa真空度，连续处理6小时。结果：SOF脱出，余下的是DS。误差：DS中包含不可挥发的硫酸盐成

16、分，SOF中包含可挥发的硫酸盐成分。优点：设备价格低，且一次可以处理几十，甚至上百个样品，效率高。缺点：无法收集SOF。,所用设备：脂肪提取器，萃取液为CH4Cl2。,脂肪提取器,温度计,冷凝管,室外,样品室,样品,烧瓶,虹吸管,浴缸,电炉,出水,进水,试验条件：60恒温水浴，处理8小时。优点：可以收集SOF，设备价格低。缺点：处理效率不高，对滤纸质量要求高，萃取液对环境有害。,3、萃取法（SE：Solvent Extraction）,四、排气可见污染物测量,（一）滤纸式烟度计 结构组成：定容取样泵和检测仪。原理：一定量的烟气穿过滤纸，滤纸变黑，测量黑度。单位：BSU（Bosh Smoke U

17、nit）FSN（Filter Smoke Number）范围：010 对滤纸要求：反射系数0.920.03，当量孔径45m，在压差24kPa下的透气度3l/（cm3min）,BOSH烟度计取样系统,BOSH烟度计光电检测器,电线,灯泡,光电元件,光电元件,光源,滤纸,灯室,滤纸结合面,电源,指示器,（二）消光式烟度计 工作原理：让排气进入由光源和接收器构成的通道，用接收器接收的光强度的衰减程度表示排气烟度。式中：光源光通量；0光源光通量；k烟气的消光系数；l光通道的有效长度（m）。烟气消光系数为:式中：N消光系数的线性分度，从0100。,消光式烟度计,光源,进气入口,消光度测试管,光电池,转换

18、手柄,空气校正管,排气出口,鼓风机,空气,五、曲轴箱排放物和蒸发排放物的测量,（一）曲轴箱排放物 测试方法：内燃机在怠速、对应车辆50km/h的转速和负荷、同等转速负荷70%三个工况点运行，检测曲轴箱内压力，不得超过大气压。如果超过大气压，需进行追加试验。用5升的不透气柔性袋与曲轴箱相接，每个工况下，观察袋子5min，袋子不得出现明显鼓胀。（二）蒸发排放物 检测汽油内燃机的燃料蒸发量。测试条件：4050m3的密闭室；,燃料箱内加装40%的燃料量；燃料箱有热源均匀加热，加热速度为：1小时使温度从16 升高到30。密闭室内安装1个或者多个风扇，容量为0.10.5m3/s。用FID测量密闭室内的HC浓度；车辆在底盘测功机上测试循环试验；试验完毕，车辆再次进入密闭室，按初始步骤再次测量HC浓度。,