机动车尾气排放检测

机动车尾气排放检测技术综述

机动车尾气排放是城市空气污染的主要来源之一，其主要污染物包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）。为有效控制机动车污染，建立科学、准确的尾气排放检测体系至关重要。

一、 检测项目与方法原理

机动车尾气检测主要分为对气态污染物、颗粒物以及烟度的测量。其方法根据原理不同，可分为以下几种：

1. 非分散红外吸收法（NDIR）

   • 检测项目：一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）。

   • 原理：利用CO和CO2对特定波长的红外线具有选择性吸收的特性。传感器发射广谱红外光，穿过待测气体后，通过检测特定波长红外光的衰减程度，根据朗伯-比尔定律计算出气体浓度。该方法技术成熟，是测量CO和CO2的标准方法。

2. 氢火焰离子化法（FID）

   • 检测项目：碳氢化合物（HC）。

   • 原理：待测尾气被引入氢火焰中燃烧，其中的有机碳在高温氢火焰中会电离产生自由离子。在火焰两侧施加电场，离子定向移动形成微电流。该电流强度与单位时间内进入火焰的碳原子数成正比，从而精确测量HC的总浓度。FID对HC响应灵敏，线性范围宽，是测量HC的基准方法。

3. 化学发光法（CLD）

   • 检测项目：氮氧化物（NOx）。

   • 原理：尾气中的氮氧化物首先经过转换器，将二氧化氮（NO2）催化还原为一氧化氮（NO）。随后，NO与臭氧（O3）发生化学反应，生成激发态的NO2*，当其退激至基态时，会发射出特定波长的光。光电倍增管检测此光强，其大小与NO的浓度成正比，从而测得NOx总量。CLD具有灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强的特点，是测量NOx的方法。

4. 不透光烟度法

   • 检测项目：压燃式发动机（柴油机）排放的烟度。

   • 原理：让一束恒定光通量的光穿过一定长度的烟道，烟气中的颗粒物会对光进行吸收和散射，导致透射光强减弱。通过测量透射光与入射光强度的比值（即不透光度），来表征烟气的浓度。该方法是柴油车烟度检测的核心手段。

5. 重量法

   • 检测项目：颗粒物（PM）质量浓度。

   • 原理：这是测量PM质量的直接基准方法。尾气通过特定的滤膜，颗粒物被收集在滤膜上。测量采样前后滤膜的质量差，即可得到采集的颗粒物总质量，再除以采样体积，计算出质量浓度。此法精度高，但过程繁琐耗时，通常用于实验室研究和法规认证。

二、 检测范围与应用领域

尾气检测技术的应用覆盖了多个领域，不同领域的检测需求和技术侧重点各异。

1. 在用车定期检验（I/M制度）

   • 需求：快速、低成本地筛查高排放车辆。主要针对汽油车的CO、HC和NOx，以及柴油车的烟度。

   • 方法：多采用简易工况法，如双怠速法、自由加速烟度法，以及更先进的加载减速法（Lug-down）和瞬态工况法（如ASM），在检测线上进行。

2. 新车型式核准与生产一致性检查

   • 需求：评估新设计车型的排放水平，确保其满足法规限值。要求数据精确、可追溯。

   • 方法：在实验室环境下，使用底盘测功机模拟车辆在实际道路行驶的工况，结合定容采样系统（CVS）和精密分析仪，按照法定的测试循环（如WLTC、CLTC、FTP-75）进行测试，测量所有法规规定的污染物。

3. 科研与开发

   • 需求：深入分析发动机燃烧过程、后处理系统效率及新型污染物的生成机理。

   • 方法：除常规污染物外，还涉及非常规气体（如NH3、N2O）和颗粒物的物理化学特性（如PN数量、粒径分布、组分分析），需要使用更高级的仪器，如颗粒物数量计数器（PNC）、气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）等。

4. 环境监测与遥感筛查

   • 需求：在道路上对行驶中的车辆进行快速、大通量的排放水平筛查，识别超标车辆。

   • 方法：采用遥感检测技术，通过道路两侧安装的红外/紫外光束，实时测量穿过车辆尾气羽流的光谱吸收变化，从而反算出CO、CO2、HC和NO的浓度。该方法效率极高，适用于宏观监管。

三、 检测标准与规范

范围内已建立起一套严密的机动车排放标准体系。

1. 国内标准

   • 轻型汽车：强制性标准《GB 18352.6-2016 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》全面对标先进水平，引入了统一轻型车测试循环（WLTC）和实际行驶排放（RDE）测试要求。

   • 重型汽车：《GB 17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》对柴油车的NOx和PM提出了更严格的限值，并强化了PN控制。

   • 在用车检测：《GB 18285-2018 汽油车污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》和《GB 3847-2018 柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速法及加载减速法）》规定了在用车的定期检验方法和限值。

2. 标准

   • 欧洲：欧6标准（Euro 6）为欧盟现行标准，对汽油车和柴油车的PN排放均有严格规定。

   • 美国：美国环保署（EPA）的Tier 3标准以及加州空气资源委员会（CARB）的LEV III标准是严格的法规体系之一。

   • 测试规程：世界轻型车测试循环（WLTP）和实际驾驶排放（RDE）测试已逐渐成为主流的测试方法。

四、 检测仪器与设备

一套完整的尾气排放检测系统通常由以下核心设备构成：

1. 排气分析仪

   • 功能：核心测量单元，集成了NDIR（测CO、CO2）、FID（测HC）和CLD（测NOx）等模块，可同时对多种气态污染物进行高精度、实时测量。

   • 特点：具备自动校准、量程切换、数据记录与输出等功能。

2. 底盘测功机

   • 功能：模拟车辆在道路行驶时所受的各种阻力（滚动阻力、空气阻力、坡度阻力），为车辆在实验室内的测试提供可复现的负载条件。

   • 特点：可根据测试循环精确控制滚筒的转速和扭矩。

3. 定容采样系统（CVS）

   • 功能：用于稀释和采集整车测试过程中的全部排气。它用经过处理的洁净空气对尾气进行恒量稀释，并持续采集部分稀释样气于采样袋中。后，通过分析采样袋中污染物的平均浓度和CVS系统的总流量，计算出整个测试循环的污染物总质量排放量。

   • 特点：是法规认证试验中测量污染物质量排放的基准方法。

4. 颗粒物采样与分析设备

   • 功能：包括颗粒物采样探头、稀释通道、滤膜夹持器等。用于收集排气中的颗粒物，以便进行重量法分析或后续的物化特性研究。

   • 衍生设备：颗粒物数量计数器（PNC），用于直接测量单位体积排气中固态颗粒物的数量，满足对PN排放的法规要求。

5. 烟度计

   • 功能：专门用于测量柴油车排气烟度。分为不透光式烟度计和滤纸式烟度计，其中不透光烟度计应用更为广泛。

随着对环境保护要求的日益提高，机动车尾气排放检测技术正朝着更、更快速、更全面的方向发展，特别是对实际行驶排放和超细颗粒物等新型污染物的监测，将成为未来技术演进的重点。