汽车排放污染物的检测

第一节 汽车排放污染物的检测

一、汽车汽车排放污染物及其危害

1．汽车排放污染物的主要成分

汽车的排气中包含许多成分，其中基本成分是二氧化碳、水蒸气、过剩的氧气以及存留下的氮气。它们是燃料和空气完全燃烧后的产物，从毒物学的观点看排气中的这些成分是无害的。除上述成分外，汽车排气中还含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOX)、二氧化硫(SO2)、固体颗粒(炭烟)及醛类等。这些成分的质量总和在汽车排气中所占的比例不大，例如汽油车中只占5％，柴油车中还不到1％，但它们中大部分是有害的，或有强烈刺激性的臭味，有的还有致癌作用。因此被列为有害排放物。

在相同工况下，汽油车的CO、HC和NOX排放量比柴油车大，因此目前的排放法规对汽油车主要是CO、HC和NOX的排放量。柴油车对大气的污染较汽车轻很多。柴油机燃烧时混合气形成的时间短，在空气不足或混合气不均匀的情况下，主要是产生炭烟污染，因此排放法规主要是柴油车的炭烟排放。

2，汽车排放物的主要来源

汽车排放物主要有三个来源；

①发动机排气管排出的废气(尾气)。汽车排放的有害污染物中约有55％的HC和绝大部分的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOX)、二氧化硫(SO2)、固体颗粒(炭烟)排放等都是由排气管排出的。

②曲轴箱窜气。曲轴箱窜气的丰要成分是HC(占HC总徘放量的20％—25％)，其余还行C0、N0X、SO2等成分。

③汽油蒸气，主要是由于汽油车的燃油系统的汽油蒸气敌人到大气中。主要成分为HC，约占总排出量的20％。

3．汽车排放物的危害

(1)一氧化碳

汽车排放中的CO是燃料不完全燃烧的产物。当发动机混合气过浓或燃烧质量不好时，易生成。CO是一种无色无味的有毒气体。它进入人体后极易与血液中的血红蛋白结合。CO与血红蛋白的亲和力是氧的300倍。因此，CO可使血液携带氧的能力降低而引起缺氧。CO被人体大量吸入后会使人感觉恶心、头晕及疲劳，重时会使人窒息死亡。

(2)碳氢化台物(HC)

汽车废气中的HC是多种碳氢化台物的总称，是发动机未燃尽的燃料分解或供油系统中燃料的蒸发所产生的气体。单独的HC只有在浓度相当高的情况下才会对人体产生影响，一般情况下作用不大。但HC能引起光化学反应生成光化学氧化剂，且生成甲醛，形成烟雾，对人的眼、鼻和咽喉酞膜有较强的刺激作用，严重时可致癌。

(3)氮氧化物

排放中的氮氧化物主要是NO2和NO，通常可概括表示为NOX。主要是高温燃烧过程中空气中的氧和氮化合而成，燃料中的含氮化合物也会部分形成氮氧化物排放。汽车尾气中直接排出的氮氧化物基本上都是NO。汽油车排出的氮氧化合物中，NO占99％，而柴油车排出的氮氧化合物中NO2的比例较大。NO从发动机刚排出时，其毒性较小，但排出后NO在大气中被氧化成剧毒的NO2，这一过程一般需要几个小时。若空气中有强氧化剂如臭氧，则氧化过程变得很迅速。NO2是一种刺激性很强的污染物。它能刺激眼、麻醉嗅觉，甚至引起肺气肿。

(4)二氧化硫

汽车排气中SO2的含量与燃料中的含硫量有关。一般来说，柴油机比汽油机的SO2至多些。SO2对发动机使用催化净化装置有破坏作用，即使少量的SO2堆积在催化剂的表面，也会降低催化剂的使用寿命。同时SO2是生成柴油机排放微粒的原因之一。但总的来说，与其他发生源(如燃煤)相比，汽车排放的SO2所占的比例很小。从大气污染角度看，不是汽车排放的主要问题。

(5)微粒

所谓微粒是指排气中的铅化物、炭烟和油雾的总称。

①铅化物

在车用汽油中，为了改善汽油的品质，曾采用添加各种铅的化合物．例如添加四乙铅，来提高汽油的辛烷值和抗爆性。在高压缩比、高性能的汽油机上，大都使用添加四乙铅的高辛烷值汽油。可是这种含铅的高辛烷值汽油燃烧所生成的铅化物从发动机排出后，成为污染大气的有害物质。如果人们吸入这种气体时，铅将在人体内逐渐积累造成危害。另外，汽油中添加的铅还会使催化剂中毒，影响催化反应器的转化效率和使用寿命。为了防止铅污染，近年来许多国家开始采用无铅汽油。

②炭烟

炭烟是燃料不完全燃烧的产物。发动机的炭烟土要是直径为0．1~10微米的多孔性炭粒构成。燃烧中各种各样的不完全燃烧产物，可以以多种形式附着在多孔的活性很强的炭粒表面。这些附着在炭粒表而的物质种类繁多，其中有些是致癌物质。

(6)臭味

臭味是多种成分引起的，除了O3和N02以外，燃料的不完全燃烧产物，如甲醛、丙烯醛等，也有臭味。臭味不仅使人感觉难受，它还刺激人的眼睛等。

二、检测标准

为汽车排气污染物的排放量，世界上许多国家都制定了汽车排放的法规。美、日等国对汽车排放最为严格。我国在吸收发达国家的成功经验后，制定了一条适合我国国情的汽车排放标准技术路线：对汽油车先实行“怠速法”控制，再实施“强制装置法”，即对曲轴箱排放和燃油蒸发排放进行控制，最后实行工况法控制；对柴油车则是先“实行自由加速法”及“全负荷法”控制烟度，然后再与汽油车同步实施工况法，第三步制定柴油车颗粒物排放标准。

我国于1982年颁布了大气质量标准，从1983年开始陆续制定并颁布了汽车排放标准。1984年实施了汽油车怠速排放、柴油车自由加速烟度、汽车柴油机全负荷烟度等6项排放限值和测量方法标准。19年颁布了轻型车排放限值和测量方法标准。1990年实施了汽车曲轴箱排放限值标准。1993年对过去发布的部分标准进行了修订，并新颁布了车用汽油机排放、汽油车蒸发排放和摩托车排放限值及测量方法标准。1999年我国开始了新一轮的排放标准修订工作，并颁布了对新型车辆的型式认证和产品一致性试验排放限值国家标准。2000年12月颁布了《在用汽车排气污染物限位及测量方法》，2001年4月16日，国家环境保护总局与国家质量监督检验检疫总局联合发和了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(I)》(GBl8352．1—2001)、《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(II)》(GBl8352．2—2001)和《车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》(GBl7691一2001)最新的国家标准，并取代了原有的多项重叠的机动车污染物排放标准和测量方法标准。

排放标准可分为型式认证试验标准、产品一致性试验标准和在用车检测标准。其中，型式认证试验标准适用于对新设计车型的认证试验；产品一致性试验标准适用于从成批生产的车辆中任意抽取一辆或若干辆进行的抽样试验；在用车检测标准适用于对在用车的年检及抽样检测。

一般而言，型式认证试验标准严于产品一致性试验标准，但这种排放标准有合二为一的趋势；而在用车的排放检测标准通常与该车型生产时所达到的新车排放标准相对应。

在用车排放污染控制是汽车排故污染控制的重要环节，因此对在用车的排放检测尤为重要。从200l年7月1日起，实施国家新标准《在用汽车排气污染物限值及测量方法》(GBl8285—2001)。该标准是一种强制性标准。它适用于装配点燃式四冲程发动机及压燃式发动机，最大总质量≥400kg，最大设计车速≥50Km/h的在用汽车。在用汽车排放新标准主要有以下内容：

1．装配点燃式发动机的车辆诽气污染物限值

装配点燃式发动机的车辆，其排气污染物是指CO、HC和NOX。其中HC以正己烷当量表示，而NOX以NO表示。汽车进行怠速、双怠速和加速模拟工况检测。

2．装配压燃式发动机的车辆诽气污染物限值

装配压燃式发动机的车辆，其排气污染物是指排气管排出的可见污染物。其自由加速试验排气可见污染物限值见表

三、汽车排气污染物的检测方法

1．怠速法

根据哪GB18285-2000《在用汽车排气污染物限值及测量方法》的规定，按照GBl4761—1999通过B类认证的M1、M和N1类车辆，对排气污染物的检测应采用双怠法或者ASM试验，而对其他的在用汽油车，则采用怠速法。

(1)怠速测量法

这种方法对汽油车在怠速运行时排气中的CO和HC浓度进行检测。其测量步骤如下：

①使发动机运转到规定的热状态，将发动机怠速转速和点火正时调整至规定值，并确保排气系统无泄漏。

②发动机空转，离合器处于结合状态，变速器置于空挡位置，加速踏板松开，采用化油器的供油系统应使阻风门全开。

③发动机由怠速工况加速到70%倍的额定转速，维持60s后降至高怠速（50%倍的额定转速）。

④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400㎜．并固定于排气管上。

⑤发动机在怠速状态维持15S后开始读数，读取30 s内的最高值和最低值。其平均值即为测量结果。

⑥若为多排气管时，取各排气管测量的结果的算术平均值。

怠速测量法采用的检测仪器可采用不分光红外气体分析仪，其检测的CO、HC浓度符合排放标准的要求，否则为不合格。

(2)双怠速测量法

我国采用的双怠速测量法是参照国际标准化组织ISO3929中制定的双总速排放测量程序进行的。其测量步骤如下：

①必要时在发动机上安装转速仪、点火正时仪、发动机冷却液和机油测温计等测试仪器。

②发动机由怠速工况加速到70%的额定转速．维持60s后降至高怠速(即o．5倍的额定转速)。

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400㎜，并固定于排气管上。

④发动机在高怠速状态维持15s后开始读数，读取30 s内的最高值和最低值。其平均值即为高怠速排放测量结果。

⑤发动机从高怠速降至怠速状态后，在怠速状态维持15s后开始读数，读取30 s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，分别取各诽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。

2．工况法

工况法是将汽车若干常用工况和排放污染较重的工况结合在一起测量排放污染物的方法。工况法是当今世界最为科学并得以广泛使用的汽车排放试验方法，是汽车排故检测的必然发展趋势。我国《汽车排放污染物限值及测量方法》规定，在车辆型式认证和产品一致性检查过程中，对冷启动后排气污染物进行排放试验(I型试验)时，应采用图所示的工况循环。

3．烟度法

烟度法是指对柴油车排烟浓度进行检测的方法。它可分为稳态和非稳态两种。

(1)稳态烟度测量

柴油车冒黑烟在全负荷时较为严重。因此稳态烟度测量通常是在柴油车全负荷稳定运转时进行。我国自行制定的柴油机全负荷烟度测量方法规定：由最低转速至额定转速之间选取6—7个转速对车用柴油机进行全负荷烟度测量，其中包括最大扭矩转速和最大功率转速。最低转速是指45％额定转速或l000r／min中较高的一个。每一转速的烟度测量必须在柴油机稳定运转后进行，任何一次测量结果都不得超过限值。

稳态烟度测量适用于在台架上进行，较难在汽车上测定。

(2)非稳态烟度测量

目前非稳态烟度测量有自由加速法和控制加速法两种。我国使用的是自由加速法。自由加速法是指柴油机从怠速状态突然加速至高速空载转速过程中进行烟度测量的一种方法。由于自由加速不需要对柴油机加载，因此该方法适应于检测站对在用车的年检以及环保部门对柴油车的监测。

检测通常在汽车上进行，其检测步骤如下：

①将取样探头固定在排气管内，插入深度为300㎜，并使探头中心线与排气管中心线平行。

②使发动机在怠速工况(离合器处于结合位置，加速踏板与手油门处于松开位置，变速特处于空挡位置，具有排气装置的发动机的蝶形阀处于全开位置)下运转。

③将加速踏板急速踏到底，维持4s后松开，如此重复三次，以吹净排气系统的沉积物。

④取样测量。将加速踏板急速踏到底，维持4s后松开，并按照图所示的规定循环测量四次，取后三次读数的算术平均值作为所侧得的烟度值。

⑤当汽车黑烟冒出排气管的时间和抽气泵开始抽气的时间不同步时，应取最大烟度值作为所测得的烟度值。

用滤纸烟度计所测量的烟度值不得超过标准中的限值，否则为不合格。

4．可见污染物测量法

可见污染物测量法是指利用不透光度汁对柴油车排气中的可见污染物进行测量的方法。柴油机排放中的黑烟、蓝烟、白烟和油雾均为可见污染物。

我国对于2001年1月1日以后上牌照的在用柴油车，使用不远光度计，采用自由加速法检测柴油车排出的可见污染物。其检测方法是：车辆处于规定的热状态，排气系统装有消产器并且不得有泄漏。在发动机怠速时，按规定的要求插入不透光度计的取样探头，迅速但不猛烈地踏下加速踏板，使喷油泵供给最大油量。在发动机达到调速器允许的最大转速前，保持其位置，一旦达到最大转速．立即松开加速踏板，使发动机恢复至怠速，不透光度计恢复到相应的状态。重复测量6次．记录不透光度计的最大数值，如读数值连续四次均在0．25㎜－1的带宽内，并且没有连续下降趋势．则记录值有效。其中4次测量结果的算术平均值即为该车的力敝结果。

四、汽车排气污染物的检测仪器

1．非分散型红外线气体分析仪

非分散型红外线气体分析仪可以用来检测汽抽车怠速工况下排放废气中的CO和HC的含量。

(1)基本检测原理

非分散型红外线废气分析建立在惰性气体不吸收红外线能量，而异原子组成的气体如汽车废气中的CO、HC、CO2等均能吸收一定波长的红外线能量的基础上。其吸收能量的红外线波长称为特征波长，吸收强度用吸收系数反映。当红外线通过气体时，由于气体对红外线波段中特征波长红外线能量的吸收，红外线的能量将减少，其减少量△E与气体浓度C、气体层厚度L和吸收强度K有关：

             △E=E0 – E =E0 （1 – C- K .L ）

式中   E0 —— 入射红外线能量：

       E—— 出射红外线能量。

(2)非分散型红外线气体分析仪的结构和工作原理

非分散型红外线气体分析仪由废气取样装置、废气分析装置、浓度指示装置和校准装置构成。可从其次排气管内收集取出汽车所排放的废气，并对废气中所含CO和HC的浓度进行连续测定。下图为废气在分析仪中的流动路线示意图：

    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。通过取样探头、导管和泵从车辆排气管中收集取出废气，经滤清器和水分离器除去废气中的碳渣、灰尘和水分后，送入气体分析装置。根据上述原理制成的红外线气体分析装置如图所示：

    两个红外线光源发出两束红外线，当红外线通过旋转的具有两翼的遮光片时，两束红外线被同时遮断，随后又同时导通，从而形成红外线脉冲。红外线脉冲经滤清器、气样室进入测量。气样由两个腔构成，其一为对比室，内充不吸收红外线能量的氮气；其二为试样室，其中连续流过被测汽车所排放的废气，某种废气成分（如CO或HC）的含量越高，吸收通过试样室的相应特征波长的红外线能量越多，这样两束红外线所具有的能量便产生了差异。检测室由容积相等的两室构成，中间由金属膜片隔开，两室充有相同浓度的被测气体，如测废气中CO含量时，两室都充有CO，而测HC时，充入C6H14气体。由于通过对比室到达检测室的红外线能量未被吸收，因此对比室下方检测室到达检测室的红外线已被所测气体吸收了一部分能量，因此试样室下方检测室中的被测气体只能吸收较少能量。这样，检测室两腔中的气体便产生了温差并使两腔压力产生差异，压力差使作为电容一个极的金属膜片产生弯曲振动，其振动频率取决于旋转遮光片的转速，振幅取决于所测气体的浓度。膜片的弯曲振动使电容的电容值交替变化，电容值的交替变化产生了交变电压，交变电压经放大整流后，转换为直流信号输送给指示装置。

(3)汽油车怠速污染物检测方法

按照规定，汽油车怠速侮辱内务的检测应在怠速工况下，采用非分散型红外线气体分析仪，按规定程序测量CO和HC的浓度值。

一）准备工作  准备工作包括仪器的准备和被测车辆的准备。

（1）仪器的准备  按使用说明书要求做好各项检查工作，校准仪器。

1）用标准气样校准

a)接通电源，仪器预热30分钟

b)按标准气体的浓度把量程切换开关置于要矫正的量程。

c)取下水分离器，导入新鲜空气。

d)指针稳定后，旋转零位旋钮将指针调零。

e)关掉分析仪上的泵开关。

f)将标准气瓶嘴插入标准气入口并压紧，直到指针稳定。

g)旋转量具旋钮，使CO分析仪指针与标准气瓶所标明的浓度相符；使

HC分析仪指针与换算出的正已烷浓度相符（标准气样为丙烷），换算方法如下：正已烷换算浓度 = 标准气样（丙烷）浓度 * 换算系数。

换算系数是分析仪的给出值，其标在分析仪右侧，一般为 0.472——0.578。

每台分析仪的换算系数各不相同。

2）简易校准  接通简易校正开关，对于有标准刻度线的仪器，可用标准调整旋钮把仪表指针调到正对刻度线位置；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。

3）清洁取样探头和取样导管  把取样探头和取样导管安装到分析仪上，检查取样探头和导管内是否残留有HC气体。若管内壁吸附残留HC气体很多，仪表指针大大超过零点以上时，要用压缩空气或布条清洁取样探头和导管。

（2）车辆的准备

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，并不得有泄露。

2）取样探头插入排气管深度应不小于400毫米，否则排气管应接管加长，但须保证接口处不露气。

3）发动机冷却水和润滑油温度应达到规定热状态。

4）按规定调整怠速和点火正时。

二）检测方法

1）由怠速工况加速至0.7额定转速，维持60秒后降至怠速状态并使转稳

定。检测时，发动机必须在规定转速下稳定运转，转速提高使，CO和HC排放量明显降低。

2）把量程转换开关调到最高量程档位。

3）取样探头插入排气管内，深度等于400毫米，并固定于气管上。

4）发动机表读数并用量程转换开关选择适于废气浓度的量程档位。

5）在怠速状态，维持15秒后开始读数，读取30秒内的最高值和最低值，检测结果取平均值。

6）若发动机为多排气管，检测结果取各排气管检测结果的平均值。

7）检测工作结束后，从排气管中取出取样探头，吸入新鲜空气约5分钟，

仪器指针回零后关掉电源。

三）注意事项

7）测试结束后，应立即从排气管中取出取样探头。

8）探头导管不能弯曲，不要把探头放在地上，探头不用时应垂直吊放。

9）连续测试时，从排气管取出探头，仪表指针回零后，才能进行下一部的

测试。

测试时，应注意检测场所的通风换气情况。

2.柴油车自由加速烟度检测

根据排放标准，柴油车应在规定的自由加速烟度测量规程下对烟度进行检测，按规定烟度测量应采用滤纸式烟度计。

（1）基本检测原理

用滤纸式烟度计测试自由加速工况下柴油机烟度时，需从排气管抽取规定容积的废气，并使之通过规定面积的标准洁白滤纸，其滤纸被染黑的程度称之为烟度。烟度用符号SF表示，烟度单位是无量纲的量，用符号FSN表示。滤纸染黑的程度不同，则对照射到滤纸表面光线的反射能力不同。即，烟度SF表示为

       SF=10 （1 – Rd/RC）

式中，Rd 、 Rc 分别为污染滤纸的反射因数，Rd/Rc的值由0到100‰，分别对应于全黑滤纸表面光线的反射和洁白标准滤纸的反射。

    当污染滤纸为全黑时，烟度值为10；滤纸没有受到污染时，烟度值为0。

（2）滤纸式烟度计的结构和工作原理

   滤纸式烟度计由废气取样装置、烟度测量装置、走纸机构和控制机构构成，如图： 

（3）柴油车自由加速烟度检测的步骤

根据相关规定，柴油车应在自由加速工况下，采用滤纸式烟度计，按规定的程序和要求测量发动机排放废气的烟度值。自由加速工况是指，柴油发动机处于怠速工况（发动机运转，离合器处于接合位置，油门踏板与油门处于松开位置，变速器位于空挡位置，具有排气制动装置的发动机的蝶形阀处于全开位置），将油门踏板迅速踏到底，维持4秒后松开。

一）准备工作   准备工作包括仪器的准备和被测车辆的准备。

（1）仪器的准备

1）接通电源，仪器发热5分钟。

2）打开测量开关，在测量装置的滤纸接触面上垫10张滤纸，调节粗调及

微调电位器，使仪器指针指零。

3）把校正用标准滤纸放在洁白滤纸之上，并对准检测装置，仪器指针应指

在校正留念制的烟度值上，否则应调节。

4）检查烟度计各部分的工作情况。特别应检测脚踏开关与抽气筒的动作是否同步，走纸机构工作是否正常。

10）用压力为300~400千帕的压缩空气清洗取样管路，抽气泵置于待抽气位

置，将洁白的滤纸置于待取样位置并把滤纸夹紧。

二）车辆的准备

（1）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露。

（2）测时，发动机 的冷却水和润滑油应达到汽车使用说明书所规定的热状

态。

（3）1995年7月1日起新生产的柴油机所装用的柴油机，应保证起动加浓

装置在非启动工况不再起作用。

（4）加速踏板上安装好踏板开关。

三）检测方法

1）安装取样探头，把取样探头固定于排气管内，插深等于300毫米，并使

其中心线与排气管轴线平行。

2）吹除积陈物，按照自由加速工况的规定加速3次，并吹净派气管和消尘

器中的烟尘。

3）测量取样，按照自由加速工况的规定和相关规定循环测量四次，取后三

次读数的算术平均值即为所测烟度值。

4）当汽车发动机出现黑烟冒出排气管的时间和抽气泵抽气的时间不同步

现象时，应取最大烟度值。

四）注意事项

1）踏板开关必须 可靠地安装在加速踏板上。

2）检测装置应与留念制紧密接触。

3）取样管的内径和长度对检测结果有影响，不得随意用其他管代替，测量

时尽量不使软管弯折。

4）探头导管不不能弯曲，探头不用时应垂直吊放。

5）测试时应注意检测场所的通风换气。