汽车排气的检测和方法

随着汽车工业的发展和汽车保有量急剧增加，汽车排放的污染物是一致公认的城市大气主要污染公害之一，已成为严重的社会问题。因此，检测并控制汽车排气污染物的浓度，已成为汽车检测中重要的检测项目。
一、汽车排气污染物的主要成分及其危害 
(一)汽车排气污染物的主要成分
    汽车排气的污染物，主要是一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、硫化物(主要是SO2)、碳烟及其他—些有害物质。如果燃用含铅汽油，排气中的污染物还包含铅化合物。汽车排气污染物中，CO、HC、NOx和碳烟主要来源于汽车尾气的排放，少部分来自曲轴箱窜气，其中，部分HC还来自于油箱和整个供油系的蒸发与滴漏。
    在相同工况下，汽油机排放的CO、HC和NOx排放量比柴油机大，因此，目前的排放法规对汽油机主要限制CO、HC和NOx的排放量。柴油机对大气的污染较汽油机轻得多，主要是产生碳烟污染，因此排放法规主要限制柴油机排气的烟度。
(二)汽车排气污染物的危害
    汽车排出的各种物质中，对人类形成危害的有CO、HC、NOx、碳烟和硫化物等。
    1、CO是燃料不完全燃烧的产物，是汽车尾气中浓度最大的有害成分，是一种无色无味的有毒气体，它进入人体后极易与血液中担负输运氧气的血红蛋白结合，妨碍血红蛋白的输氧能力，造成人体各部分缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等中毒症状，严重时甚至死亡。
    2、HC是发动机未燃尽的燃料分解出来的产物。当HC浓度较高时，使人出现头晕、恶心等中毒症状。而且，HC和NOx在强烈的太阳光作用下，能反应生成一种有害的光化学烟雾，这种光化学烟雾滞留在大气中，造成大气严重污染，对人的眼睛、呼吸道及皮肤均有强烈的刺激性。
    3、NOx是汽油机和柴油机排放的主要污染物，是发动机大负荷工作时进气中的N2与O2在高温高压条件下反应而生成的。NOx主要是NO和NO2。NO与血液中血红蛋白的亲合力比CO还强，通过呼吸道及肺进入血液，使其失去输氧能力，产生与CO相似的中毒后果。NO2侵入肺脏深处的肺毛细血管，引起肺水肿，同时还能刺激眼、鼻粘膜，麻痹嗅觉。
    4、碳烟以柴油机排放量为最多，它是柴油机燃烧不完全的产物，其内含有大量的黑色碳颗粒。碳烟能影响道路的能见度，并因含有少量的带有特殊臭味的乙醛，往往引起人们恶心和头晕。
    5、硫化物主要为SO2，燃料中含有的硫与氧反应而生成。SO2有强烈的气味，可刺激人的咽喉与眼睛，甚至会使人中毒。若大气中含SO2过多，还会形成“酸雨”，损害生物，使土壤与水源酸化，影响自然界的生态平衡。
二、汽油车排气污染物的标准及检测 
(一)汽油车排气污染物的检验标准
    我国于1979年颁布了环境保护法，1984年实施了汽车污染物排放标准和测量方法的国家标准。其后，又相继制定了几项国家排放标准，并于1993年对上述排放标准进行了修订，从严规范了诊断参数限值和测量方法。
    GB14761-1999《汽车排放污染物限值及测试方法》等效采用了联合国欧洲经济委员会(ECE)1995年7月2日生效的ECER83／02《按发动机对燃料的要求类别就污染排放物对车辆认证的规则》的全部技术内容，采用了国际通用的试验方法，在控制力度上达到了欧洲20世纪90年代初的水平。
    GBl8285-2000《在用汽车排气污染物限值及测试方法》，是我国在用汽车排气污染物限值及测试方法的最新国家标准。该国家标准中的加速模拟工况试验限值及试验方法，是参照美国国家环保局标准EPA-AA-RSPD-IM-96-2《加速模拟工况试验规程、排放标准、质量控制要求及设备技术要求技术导则》(1996年7月)制定的，使我国治理在用汽车排气污染走上了更为严格的道路。
    GBl8285-2000《在用汽车排气污染物限值及测试方法》中规定，装配点燃式发动机的车辆，在检测中要进行怠速试验、双怠速试验和加速模拟工况(ASM)试验。又规定，按GB14761-1999《汽车排放污染物限值及测试方法》通过B类认证(燃用优质无铅汽油的车辆)、设计乘员数不超过6人且最大总质量不超过2500kg的M1类车辆和按该标准通过B类认证、设计乘员数超过6人，或最大总质量超过2500kg但不超过3500kg的M类车辆和N1类车辆，进行双怠速试验或加速模拟工况(ASM)试验；除上述规定以外的其他M、N类装配点燃式发动机的车辆进行怠速试验。
    GBl8285-2000《在用汽车排气污染物限值及测试方法》中规定，怠速试验按GB／T3845-1993《汽油车排气污染物的测量怠速法》的规定进行，双怠速试验按GB／T3845-1993《汽油车排气污染物的测量怠速法》附录C的规定进行。
    按照GB18285-2000《在用汽车排气污染物限值及测试方法》的规定，对于装配点燃式四冲程发动机，最大总质量大于或等于400kg，最大设计车速大于或等于50km／h的在用汽车，排放污染物限值如下：
    1、装配点燃式发动机的车辆进行双怠速试验排气污染物限值见表4-7所示。从表中可以看出，高怠速排放测量值应低于怠速排放测量值。

表4-7 装配点燃式发动机的车辆双怠速试验排气污染物限值

    ①HC容积浓度按正己烷当量。
    ②Ml指车辆设计乘员数(含驾驶员)不超过6人，且车辆的最大总质量不超过2500kg。
    ③N1还包括设计乘员数(含驾驶员)超过6人，或车辆的最大总质量超过2500kg但不超过3500kgM车。
    2、装配点燃式发动机的车辆怠速试验排气污染物限值见表4-8所示。
表4-8 装配点燃式发动机的车辆怠速试验排气污染物限值

    ①HC容积浓度按正己烷当量。
(二)汽油车排气污染物的检测
    GB／T3845-1993《汽油车排气污染物的测量怠速法》规定汽油车排气污染物检测时，应采用不分光红外线分析仪(NDIR)，并对检测工况和检测程序进行了具体规定。
1、基本检测原理
    汽车排气中的CO、HC、NO和CO2等气体，对红外线分别具有吸收一定波长的性质，而且红外线被吸收的程度与废气浓度之间有一定的关系，如图4-17所示。不分光红外线分析法就是根据这一原理，即废气吸收一定波长红外线能量的变化，来检测废气中各种污染物的含量。在各种气体混在一起的情况下，这种检测方法具有测量值不受影响的特点。
    利用不分光红外线分析法制成的分析仪，既可以制成单独检测CO或HC含量的单项分析仪，也可以制成能测量这两种气体含量的综合分析仪。排气中CO的浓度是直接测量的，而排气中HC的成分非常复杂，因此要把各种HC成分的浓度换算成正己烷(n-C6H14)的浓度后再作为HC浓度的测量值。

图4-17 四种气体吸收红外线的情况

2、不分光红外线气体分析仪的结构与工作原理
    不分光红外线气体分析仪，是一种能够从汽车排气管中采集气样，并对其中所含CO和HC的浓度进行连续测量的仪器。图4-18为分析仪的外形图。它由废气取样装置、废气分析装置、废气浓度指示装置和校准装置等组成。

4-18 不分光红外线气体分析仪
1-导管；2-滤清器；3-低浓度取样探头；4-高浓度取样探头；5-CO指示仪表；6-HC指示仪表；7-标准HC气样瓶；8-标准CO气样瓶

    (1)废气取样装置
    废气取样装置由取样探头、滤清器、导管、水分离器和泵等组成。它通过取样探头、导管和泵从车辆排气管里采集废气，再用滤清器和水分离器把废气中的碳渣、灰尘和水分等除掉，只把废气送入分析装置。
    (2)废气分析装置
    按传感器形式不同，废气分析装置可分为电容微音器式和半导体式等不同形式。废气分析装置由红外线光源、气样室、旋转扇轮(截光器)、测量室和传感器等组成。该装置按照不分光红外线分析法，从来自取样装置的混有多种成分的废气中，测量出CO和HC的浓度，并以电信号形式输送给废气浓度指示装置。
    (3)浓度指示装置
    综合式气体分析仪的浓度指示装置，主要由CO指示装置和HC指示装置组成，有指针式仪表和数字式显示器两种类型。从废气分析装置送来的电信号，在CO指示仪表上CO的浓度以体积百分数(％)表示；在HC指示仪表上HC浓度以正己烷当量体积的百万分数(10-6)表示。
    指针式气体分析仪如图4-19，可利用零点调整旋钮、标准调整旋钮和读数档位转换开关等进行控制。此外，还可以通过气流通道一端设计的流量计，得知废气通道滤清器是否脏污等异常情况。

4-19 不分光红外线气体分析仪面板图
1-HC标准调整旋钮；2-HC零点调整旋钮；3-HC读数转换开关；4-CO读数转换开关；5-简易校准开关；6-CO标准调整开关；7-CO零点调整开关；8-电源开关；9-泵开关；10-流量计；11-电源指示灯；12-标准气样注入口；13-CO指示仪表；14-HC指示仪表

    (4)校准装置
    校准装置是一种为了保持分析仪的指示精度，使之能准确指示测量值的装置。在此装置中，往往既设有用加入标准气样进行校准的装置，也设有用机械方式简易校准的装置。
    标准气样校准装置是把分析仪生产厂附带来的供校准用的标准气样(CO和HC)，从分析仪上专设的标准气样注入口直接送到废气分析装置，再通过比较标准气样浓度值和仪表指示值的方法来进行校准的一种装置。
    简易校准装置通常是用遮光板把废气分析装置中通过测量气样室的红外线遮挡住一部分，用减少一定量红外线能量的方法进行简单校准的装置。
3、汽油车污染物的检测方法
    按照GB／T3845-1993《汽油车排气污染物的测量怠速法》的规定，汽油车怠速污染物的检测应在怠速工况下，采用不分光红外线气体分析仪，按规定程序检测CO和HC的浓度值。双怠速试验按GB／T3845—1993《汽油车排气污染物的测量怠速法》附录C的规定进行。
    怠速工况是指发动机运转；离合器处于接合位置；油门踏板与手油门处于松开位置；变速器处于空档位置；采用化油器的供油系统，其阻风门处于全开位置。
    (1)仪器准备
    ①按仪器使用说明书的要求做好各项检查工作。
    ②接通电源，对气体分析仪预热30min以上。
    ③用标准气样校准仪器，先让气体分析仪吸入清洁空气，用零点调整旋钮把仪表指针调整到零点，然后把标准气样从标准气样注入口注入，再用标准调整旋钮把仪表指针调到标准指示值。注意：在灌注标准气样时，要关掉气体分析仪上的泵开关。
    CO校准的标准值就是标准气样瓶上标明的CO浓度值；HC校准的标准值，由于是用丙烷作为标准气样，因而要按下式求出正己烷的换算值作为校准的标准值：校准的标准值(即正己烷换算值) = 标准气样(丙烷)浓度×换算系数式中，标准气样(丙烷)浓度即标准气样瓶上标明的浓度值；换算系数是气体分析仪的给出值，一般为0.472～0.578。
    用简易装置校准仪器，先接通简易校准开关，对于有校准位置刻度线的仪器，可用标准调整旋钮将仪表指针调整到正对标准刻度线位置。对于没有标准刻度线的仪器，要在标准气样校准后立即进行简易校准，使仪表指针与标准气样校准后的指示值重合。
    ④把取样探头和取样导管安装到气体分析仪上，此时如果仪表指针超过零点，则表明导管内壁吸附有较多的HC，需要用压缩空气或布条等清洁取样探头和导管。
    (2)受检车辆或发动机的准备
    ①进气系统应装有空气滤清器，排气系统应装有排气消声器，并不得有泄漏。
    ②汽油应符合国家标准的规定。
    ③测量时发动机冷却水和润滑油温度应达到汽车使用说明书所规定的热状态。
    (3)怠速测量程序
    ①必要时在发动机上安装转速计、点火定时仪、冷却水和润滑油测温计等测试仪器。
    ②发动机由怠速工况加速至0.7额定转速，维持60s后降至怠速状态。
    ③发动机降至怠速状态后，将取样探头插入排气管中，深度等于400mm，并固定于排气管上。
    ④先把指示仪表的读数转换开关打到最高量程档位，再一边观看指示仪表，一边用读数转换开关选择适于排气含量的量程档位。发动机在怠速状态维持15s后开始读数，读取30s内的最高值和最低值，其平均值即为测量结果。
    ⑤若为多排气管时，取各排气管测量结果的算术平均值。
    ⑥测量工作结束后，把取样探头从排气管里抽出来，让它吸入新鲜空气5min，待仪器指针回到零点后再关闭电源。
    (4)双怠速测量程序
    ①必要时在发动机上安装转速计、点火定时仪、冷却水和润滑油测温计等测试仪器。
    ②发动机由怠速工况加速至0.7额定转速，维持60s后降至高怠速(即0.5额定转速)。
    ③发动机降至高怠速状态后，将取样探头插入排气管中，深度等于400mm，并固定于排气管上。
    ④先把指示仪表的读数转换开关打到最高量程档位，再一边观看指示仪表，一边用读数转换开关选择适于排气含量的量程档位。发动机在高怠速状态维持15s后开始读数，读取30s内的最高值和最低值，取平均值即为高怠速排放测量结果。
    ⑤发动机从高怠速状态降至怠速状态，在怠速状态维持15s后开始读数，读取30s内的最高值和最低值，其平均值即为怠速排放测量结果。
    ⑥若为多排气管时，分别取各排气管高怠速排放测量结果的算术平均值和怠速排放测量结果的算术平均值。
    ⑦测量工作结束后，把取样探头从排气管里抽出来，让它吸入新鲜空气5min，待仪器指针回到零点后再关闭电源。
三、柴油车排气污染物的标准及检测 
(一)柴油车排气污染物的检验标准
    柴油车排出的烟色有黑烟、蓝烟和白烟三种。其中，以柴油机在全负荷和加速工况时排出的黑色碳烟最为常见。黑烟的发暗程度用排气烟度表示，排气烟度用烟度计检测。烟度计可分为滤纸式、透光式、重量式等多种形式。
    根据GB18285-2000《在用汽车排气污染物限值及测试方法》的规定，对于装配压燃式发动机的车辆，按照GBl4761-1999《汽车排放污染物限值及测试方法》通过C类认证的车辆进行自由加速排气可见污染物试验，除通过C类认证以外的其他装配压燃式发动机的车辆进行自由加速烟度试验。标准中又规定，自由加速排气可见污染物试验按GBl8285-2000《在用汽车排气污染物限值及测试方法》附录B进行，自由加速烟度试验按GB／T3846-1993《柴油车自由加速烟度的测量滤纸烟度法》规定进行。
    GB18285-2000《在用汽车排气污染物限值及测试方法》规定，对于装配压燃式发动机，最大总质量大于或等于400kg，最大设计车速大于或等于50km／h的在用汽车，自由加速试验烟度排放限值如表4-9所示。

表4-9 装配压燃式发动机的车辆自由加速试验烟度排放限值

(二)柴油车排气污染物的检测
    GB／T3846-1993《柴油车自由加速烟度的测量滤纸烟度法》规定柴油车排气烟度检测时，应采用滤纸式烟度计，并对检测工况和测量程序进行了具体规定。
1、基本检测原理
    滤纸式烟度计的测量原理是，用一个活塞式抽气泵，从柴油机排气管中抽取一定容积的废气，使它通过一张一定面积的白色滤纸，废气中的碳烟存留在滤纸上，使其染黑。用检测装置测定滤纸的染黑度，再由指示装置指示出来。该染黑度即代表柴油车的排气烟度。
2、滤纸式烟度计的结构与工作原理
    滤纸式烟度计是应用最广的烟度计之一，有手动、半自动和全自动三种形式。其结构都是由废气取样装置、染黑度检测与指示装置和控制装置等组成，如图4-20所示。

图4-20 滤纸式烟度计结构简图
1-脚踏开关；2-电磁阀；3-抽气泵；4-滤纸卷；5-取样探头；6-排气管；7-进给机构 8-染黑的滤纸；9-光电传感器；10-指示仪表

    (1)废气取样装置
    废气取样装置由取样探头、活塞式抽气泵和取样软管等组成。
    取样探头分台架试验用和整车试验用两种形式。整车试验用取样探头带有散热片，其上装有夹具以便固定在排气管上。取样探头在活塞式抽气泵的作用下抽取废气，其结构形状应能保证在取样时不受排气动压的影响。
    活塞式抽气泵由活塞泵、手柄、回位弹簧、锁止装置、电磁阀和滤纸夹持机构等组成。取样前，手动或自动压下抽气泵手柄，直至克服回位弹簧的张力使活塞到达最下端，并由锁止机构锁紧。当需要取样时，踩下脚踏开关或按下“手动抽气”按钮，可操纵电磁阀使压缩空气解除锁止机构对活塞的锁紧作用，活塞在回位弹簧张力作用下上升到顶端，完成取样过程。
    滤纸夹持机构在取样时实现对滤纸的夹紧和密封，使取样过程中的排气经滤纸进入泵筒内，碳烟存留在滤纸上并将其染黑，并能保证滤纸的有效工作面直径为φ32mm。取样完成后，滤纸夹持机构松开，染黑的滤纸由进给机构送至染黑度检测装置。
    取样软管把取样探头和活塞式抽气泵连接在一起，由于泵的抽气量与软管的容积有关，国标规定，取样软管长度为5.0m，内径为φ5-0.2mm，取样系统局部内径不得小于φ4mm。
    (2)染黑度检测与指示装置
    由光电传感器、指示仪表或数字式显示器、滤纸和标准烟样等组成。光电传感器由光源(白炽灯泡)、光电元件(环形硒光电池)等组成。其工作原理如图4-21所示。电源接通后白炽灯泡发亮，其光亮通过带有中心孔的环形硒光电池照射到滤纸上，当滤纸的染黑度不同时，反射给环形硒光电池感光面的光线强度也不同，因而环形硒光电池产生的光电流强度也就不同。

图4-21 污染度指示装置原理图
1-光电元件；2-电灯泡；3-滤纸

    指示电表是一块微安表，是滤纸染黑度亦即排气烟度的指示装置。当环形硒光电池送来的光电流强度不同时，指示仪表指针的位置也不同。指示表头以Rb0～Rb10表示。其中，0是全白滤纸的Rb单位，10是全黑滤纸的Rb单位，从0～10均匀分布。
    检测装置一般都备有供标定或校准用的标准烟样和符合规定的滤纸。标准烟样也称为烟度卡，应在烟度计上标定，精确度为0.5%。当标准烟样用于标定烟度计时，按量程均匀分布不得少于6张；当用于校准烟度计时，每台烟度计3张，标定值选在Rb5左右。当烟度计指示仪表需要校准时，只要把标准烟样放在光电传感器下，用调节旋钮把指示电表的指针调整到标准烟样所代表的染黑度数值即可达到目的。这可使指示仪表保持指示精度，以得出准确的测量结果。烟度计必须定期标定，要求在有效期内使用。
    滤纸有带状和圆片状两种。带状滤纸在进给机构的作用下能实现连续传送，适用于半自动式和全自动式烟度计。圆片状滤纸，仅适用于手动式烟度计。
    (3)控制装置
    控制装置包括用脚操纵的抽气泵电磁脚踏开关、滤纸进给机构和压缩空气清洗机构等。压缩空气清洗机构能在废气取样前，用压缩空气清洗取样头和取样软管内的残留废气碳粒。
3、柴油车自由加速烟度的检测方法
    GB／T3846-1993《柴油车自由加速烟度的测量滤纸烟度法》规定，柴油车自由加速烟度的检测应在自由加速工况下，采用滤纸式烟度计，按测量规程进行。
    自由加速工况是指，柴油发动机于怠速工况(发动机运转，离合器处于接合位置，油门踏板与手油门处于松开位置，变速器处于空档位置，具有排气制动装置的发动机，蹀形阀处于全开位置)，将油门踏板迅速踏到底，维持4s后松开。
    (1)仪器准备
    ①通电前，检查指示仪表指针是否在机械零点上，否则用零点调整螺钉使指针与“10”的刻度重合。
    ②接通电源，仪器进行预热。打开测量开关，在检测装置上垫10张全白滤纸，调节粗调及微调电位器，使表头指针与“0”的刻度重合。
    ③在10张全白滤纸上放上标准烟样，并对准检测装置，仪表指针应指在标准烟样的染黑度数值上，否则应进行调节。
    ④检查取样装置和控制装置中各部机件的工作情况，特别要检查脚踏开关与活塞抽气泵动作是否同步。
    ⑤检查控制用压缩空气和清洗用压缩空气的压力是否符合要求。
⑥检查滤纸进给机构的工作情况是否正常。检查滤纸是否合格，应洁白无污。
    (2)受检车辆准备
    ①进气系统应装有空气滤清器，排气系统应装有消声器并且不得有泄漏。
    ②柴油应符合国家规定，不得使用燃油添加剂。
    ③测量时发动机的冷却水和润滑油温度应达到汽车使用说明书所规定的热状态。
    ④自1975年7月1日起新生产柴油车用的柴油机，应保证起动加浓装置在非起动工况不再起作用。
    (3)测量程序
    ①用压力为0.3～0.4MPa的压缩空气清洗取样管路。
    ②把抽气泵置于待抽气位置，将洁白的滤纸置于待取样位置，将滤纸夹紧。
    ③将取样探头固定于排气管内，插入深度等于300mm，并使其轴线与排气管轴线平行。
    ④将脚踏开关引入汽车驾驶室内，但暂不固定在油门踏板上。
    ⑤按照自由加速工况的规定加速3次，以清除排气系统中的积存物。然后，把脚踏开关固定在油门踏板上，进行实测。
    ⑥测量取样，按照自由加速工况的规定和图4-22所示自由加速烟度测量规程，将油门踏板与脚踏开关一并迅速踩到底，持续4s后立刻松开，维持怠速运转，循环测量4次，取后3个循环烟度读数的算术平均值作为所测烟度值。
    ⑦当汽车发动机出现黑烟冒出排气管的时间与抽气泵开始抽气的时间不同步现象时，应取最大烟度值作为所测烟度值。
    ⑧在被染黑的滤纸上记下试验序号、试验工况和试验日期等，以便保存。
    ⑨检测结束，及时关闭电源和气源。

图4-22 自由加速烟度测量规程