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1、第10章 发动机排放测试本章主要内容：介绍了CO、HC、NOX和微粒等排放污染物的测试仪器的工作原理和测试方法，叙述了曲轴箱排放物和蒸发排放物的测试要点。汽车排放污染物的测试，是废气净化研究的重要方面。正确测试汽车有害排放物的含量是研究汽车有害排放物的形成及其控制技术和装置的重要前提。随着各国汽车排放标准的日趋严格，其排放测试技术也不断地完善。汽车排放污染物的浓度一般都低，在排气过程中排气成分因相互影响而不稳定，采样测量时样气在进入测试仪器前的管路中，有凝聚和吸附现象等。因此，为得到正确的测量结果，就必须要有合理的采集排气样气的取样系统，以及具有良好的抗干扰性能和高灵敏度的测试仪器。10.1
2、汽车排放污染物取样系统取样是汽车排放测试的第一环，在不同条件下，需要不同的取样技术。取样方法不同，取样系统也有所不同。取样系统的功能在于使样气经过预处理，以便按一定要求送入分析系统。取样的正确与否对测量结果的正确性关系极大。一般说来，汽车在不变工况工作时污染物的排放量可通过排气成分分析仪器测量该成分在排气中的浓度，然后根据汽车的排气总流量来计算求得。当汽车在变工况工作时，虽说在理论上可先测出成分浓度和排气流量随时间的变化曲线然后再对时间积分计算总量，但实际上由于排气管压力随工况变化而变化，取样系统和测量仪器动态响应滞后不同，以及在输送过程中各工况的样气部分混合，使得浓度曲线不能再现汽车排放的时
3、间特性，造成很大的误差。于是采用通过测量排放平均值的方法来确定总排放量，如把一个标准测试循环中的所有排气收集到气袋里，然后测量浓度和气量，从而算出该循环的总排放量。这种方法需要用很大的气袋来收集排气，很不方便。同时样气在收集过程中可能发生物理和化学变化，导致测量结果的失真。按取样方法分，目前常采用的取样系统有直接取样系统、稀释取样系统和定容取样系统。下面针对每种取样方法并结合取样系统分析它们的特点。10.1.1 直接取样系统直接取样法，是将取样探头插入发动机的排气管中，用取样泵连续抽取一定量气体不经稀释直接送入分析系统进行分析。由于直接取样法设备简单，操作方便，被广泛用于许多国家和地区的各种用
4、途发动机的排放测量中。 为简化排放测量程序，提高测量精度，总质量大于3500kg的重型车辆排放气态污染物一般均在稳定工况下测量。图10-1为适用于重型车辆气态排放物的直接取样分析系统流程图。图10-1 直接取样分析系统流程图发动机在测功机台架上稳定运行，分析用样气直接从发动机的排气管抽取。因为未经稀释的排气污染物浓度较高，保证了较高的测量精度。采样泵P把排气经加热取样管HSL1（保温453473K）输送到氢火焰离子型检测器HFID分析HC，经加热取样管HSL2（保温368473K）输送到加热型化学发光分析仪HCLA分析，另外排气经取样管SL输送到不分光红外线吸收型分析仪NDIR分析CO和CO2
5、。为了排除水蒸气对NDIR工作的干扰，用温度保持273277K的槽型冷却器B来冷却和凝结排气样气中的水分。取样探头一般为一端封闭、多孔、平直的不锈钢探头，垂直插入排气管内，插入长度不少于排气管内径的80%。探头处的排气温度不应低于343K，进行NG（Natural Gas）发动机测试时，取样探头应安装在距排气歧管或增压器法兰盘出口1.52.5米的位置。10.1.2 稀释取样系统测量重型车柴油机的微粒排放测试时，用稀释取样系统取样，既可用全流稀释取样系统FFDSS（Full Flow Dilution Sampling System），也可用分流稀释取样系统PFDSS(Partial Flow
6、Dilution Sampling System)。1. 全流稀释取样系统图10-2为稀释柴油机全部排气的全流稀释微粒取样系统，它可由初级稀释风道PDT和微粒取样系统PSS等构成的单级稀释取样SDS（Single Dilution Sampling）系统；也可是由初级稀释风道PDT和次级稀释取样系统SDT组成的双级稀释取样DDS(Double Dilution Sampling)系统。图10-2 全流稀释系统EP-排气管；PDP-容积式泵；CFV-临界流量文杜里管；HE-热交换器；PDT-初级稀释通道；SDS-单级稀释系统；DDS-双级稀释系统；PSP-颗粒物取样探头；PTT-颗粒物传输管；S
7、DT-次级稀释通道；DAF-稀释用空气过滤器；FH-滤纸保持架；SP-颗粒物取样泵；DP-稀释用空气泵；GF-气体计量仪或流量测定仪一般说来，排气管EP从发动机排气歧管或涡轮增压器出口，到稀释通道的排气管长度不得超过10m。如果排气管长超过4m，那么管子超过4m的部分都应隔热。隔热材料的径向厚度至少为25mm，其导热率在温度为673K时，不得大于0.1W/(mK)。初级稀释风道PDT中应有足够的湍流强度和足够的混合长度，保证取样前柴油机排气管EP排出的排气民经稀释空气滤清器DAF净化的稀释空气混合均匀。单级稀释系统的直径至少为460mm，双级稀释系统的直径至少为200mm。发动机的排气应顺气流
8、引入初级稀释通道，并充分混合。对仅用于SDS的颗粒物取样探头PSP和仅用于DDS的颗粒物传输管PTT，两者必须逆气流安装在稀释用空气和排气混合均匀的地方（即在稀释通道的中心线上、在排气进入稀释通道点的下游约10倍管径的地方），内径均至少为12mm，不得加热。从PSP探头前端到滤纸保持架的距离不得超过1020mm；从PTT传输管入口平面到出口平面不得超过910mm，颗粒物样气的出口必须位于次级稀释通道的中心线上，并朝向下游。2. 分流稀释系统由于全流稀释取样系统设备笨重，占地面积大，测试功耗也大，所以对重型车用柴油机进行稳态测量微粒排放时，可把一部分柴油机排气输入稀释风道的分流稀释取样系统。图1
9、0-3为测量重型车用柴油机稳态微粒排放用的分流稀释取样系统。图10-3 分流稀释取样系统EP-排气管；PR-取样探头；ISP-等动态取样探头；EGA-排气分析仪；TT-颗粒物取样传输管；SC-压力控制装置；DPT-差压传感器；FC1-流量控制器；GF1-气体计量仪或流量测定仪；SB-抽风机；PB-压力机；DAF-稀释用空气过滤器；DT-稀释通道；PSS-颗粒物取样系统；PSP-颗粒物取样探头；PTT-颗粒物传输管；FH-滤纸保持架；SP-颗粒物取样泵；FC2-流量控制器；GF2-气体计量仪或流量测定仪；BV-球阀柴油机排气管EP中的排气通过颗粒物取样探头ISP或PR和颗粒物取样传输管TT输送到
10、稀释通道DT。通过DT的稀释排气流量用颗粒物取样系统PSS中的流量控制器FC2 和颗粒物取样泵SP控制，稀释空气流量用流量控制器FC1控制。10.1.3 定容取样系统现在，世界各国的排放法规大多规定对汽车的排气先用干净空气进行稀释，然后用定容取样CVS（Constant Volume Sampling）系统取样。除取样袋收集的气体外，大部分排气被排出取样器，由测量器测量排出气体的总流量。测量总流量的常用方法有：一是用容积泵PDP（Positive Displacement Pump）；二是用临界流量文杜里管CFV（Critical Flow Venturi）。1. 带容积泵的定容取样系统带容积
11、泵的定容取样系统如图10-4所示。容积泵PDP每转的抽气体积是一定的，只要转数不变，总流量就不变。PDP系统可使流量无级变化，但结构庞大，且流量受温度影响大。 图10-4 带容积泵的定容取样（PDP-CVS）系统D-稀释空气滤清器；M-混合室；H-热交换器；TC-温度控制系统；PDP-容积泵；T1-温度传感器；G1、G2-压力表；S1-收集稀释空气定量样气的取样口；S2-收集稀释排气定量样气的取样口；F-滤清器；P-取样泵；N-流量控制器；FL-流量计；V-快速动作阀；Q-快速接头；BA-稀释空气取样袋；BE-稀释排气取样袋；C-容积泵转数计数器；虚线部分-压燃式发动机车辆分析HC时的附加设备
12、；Fh-加热滤清器；S3-取样口；Vh-加热式多通阀；HFID-加热式氢火焰离子型分析仪；R及I-记录积分瞬时HC浓度设备；Lh-加热取样管2. 采用临界流量文杜里管的定容取样系统采用临界流量文杜里管的定容取样系统如图10-5所示。其总流量由一临界文杜里管CFV来确定，只要文杜里管一定，总流量就不变。该系统受温度影响较小，结构相对简单，但只可通过切换文杜里管来改变流量，且只能有级地改变。图10-5采用临界流量文杜里管的定容取样（CFV-CVS）系统AB-稀释空气取样袋；CF-积累流量计；CFV-临界流量文杜里管；CS-旋风分离器；DAF-稀释空气滤清器；DEP-稀释排气抽气泵；DT-稀释风道；
13、F-过滤器；FC-流量控制器；FL-流量计；HE-换热；HF-加热过滤器；PG-压力表；QF-快接管接头；QV-快作用阀；S1S4-取样探头；SB-衡释排气取样袋；SF-测量微粒排放质量的取样过滤器；SP-取样泵；TC-温度控制器TS-温度传感器从图10-4或图10-5分析可知，发动机的排气经排气管排入混合室M或稀释风道DT，用经过稀释空气滤清器D或DAF过滤的环境空气稀释，形成恒定体积流量的稀释排气。排气污染物与稀释空气充分混合后，经取样口S2或取样探头S2送到稀释取样袋BE或SB。在测试循环结束后，通过测量取样袋中各污染物的浓度，然后结合CVS系统中流过的稀释排气总量，就可获得发动机在测试
14、循环中各污染物的总排放量。为了保证CVS系统的取样精度，流经系统的稀释排气质量流量必须保持恒定。流量控制器N，用于保证在试验过程中，从取样探头处采集的样气流量稳定（约10L/min），气体样气流量应保证在试验结束时，样气足以够供分析用。流量计FL，用于在试验期间调节和监控气体样气的流量稳定。测试柴油机时，因较重的HC可能在样气袋中冷凝，需对HC进行连续分析，因此，稀释排气用加热到463K的管路输送到分析器，并用积分器测试循环时间内的累计排放量。柴油机包括微粒排放量的测量，还需一个由流量控制器、微粒过滤取样器、取样泵和积累流量计组成的微粒取样系统。为保证排气与稀释空气均匀混合，CVS系统中稀释排
15、气流动必须满足雷诺数Re4000。10.2 排气成分分析仪目前，汽车排气中的CO和CO2用不分光红外线气体分析仪测量，NOX用化学发光分析仪测量，HC用氢火焰离子型分析仪测量。当需从总碳氢化合物中分离出非甲烷碳氢化合物时，一般用气相色谱仪测量甲烷。发动机排气中的氧多用顺磁分析仪测量。10.2.1 不分光红外线气体分析仪（NDIR）不分光红外线气体分析仪NDIR（Non-Dispersive Infra-Red Analyser）是根据不同气体对红外线的选择性吸收原理提出的。红外线是波长为0.8600m的电磁波，多数气体具有吸收特定波长的红外线的能力。如CO能吸收4.55m的红外线， CO2能吸
16、收44.5m 的红外线，CH4能吸收2.3m、3.4m、7.6m的红外线， NO能吸收5.3m的红外线，不分光红外线气体分析仪根据其特定的吸收来鉴别气体分子的种类。不分光红外线气体分析仪工作原理如图10-6所示。红外线光源1射出的红外线经过旋转的截光盘2交替地投向气样室7和装有不吸收红外线的气体（如氮）的参比室4，透过两室的气体后进入检测器5。检测器有两个接收气室，当样气室中的被测样气浓度变化时，两个接受气室接受的红外线辐射能的差别也发生变化，导致分隔两气室的薄膜6两侧压变化。由截光盘调制的周期性变化引起电容器电容量周期变化，该信号经放大成为分析仪的输出信号。 为防止其它气体成分对被测成分测量
17、的干扰，在光路上设置了滤波室3和8，滤掉干扰气体能吸收的波段。如分析CO，在滤波室中充以CO2和CH4等，分析时就不会受排气中的CO2和CH4 成分的干扰；分析CO2时，则应充入 CO、CH4等。不分光红外线气体分析仪采用直接取样系统时，水蒸气对CO和NO的测定有干扰，在取样流程中应串联有冷却器或除湿器，以尽量除去水分。不分光红外线气体分析仪测量NO时，由于输出信号非线性且易受干扰，其测量精度低；测量HC时，只能检测某一波长段的HC，如检测器接收室内充填正己烷，则测量仪器对非甲烷饱和烃敏感，而对非饱和烃和芳香烃则不敏感，测量的结果主要是反应了饱和烃的含量而不代表各种HC的含量，所以总的精确度较
18、差。排放法规规定，CO和CO2用不分光红外线气体分析仪测量。图10-6 不分光红外线气体分析仪工作原理图1-红外光源；2-截光盘；3、8-滤波室；4-参比室；5-检测器；6-电容器薄膜；7-气样室10.2.2 化学发光分析仪（CLD）化学发光分析仪CLD（Chemical Luminescence Detector）用来测量NOX浓度，其优点是感应度高，体积分数可达10-7，应答性好，在10-2浓度范围内输出特性呈线性关系，适用于连续分析，是测量NOX的标准方法。CLD只能直接测量NO，其原理基于NO与臭氧的反应：NO + O3 NO2* + O2 （10-1）NO2* NO2 + h （10
19、-2）式中：h普朗克常数； 光子的频率。当NO与O3反应生成NO2时，大约有10%处于激态（NO2*），这种激态NO2*衰减回基态NO2时，会发射出波长0.63m的光子h。化学发光的强度与NO和O3两反应物的浓度乘积成正比，还与反应室的压力、NO在反应室内的滞留时间以及样气中其它分子种类有关。在其它条件不变的情况下，而且一般O3浓度比NO高很多且几乎恒定，化学发光强度与NO成正比。化学发光分析仪工作原理如图10-7所示。样气根据需要由通道A或B进入反应室1。通道A直接通向反应室，这个通道只能测量样气中NO的浓度；样气通过通道B时，样气中的NO2将在催化转换器7中按下式转化成NO，再进入反应室：
20、 2NO2 2NO + O2 （10-3）这样仪器测量得到的是NO和NO2的总和NOX。利用测得的NOX与NO的差值，即可确定样气中NO2的浓度。使用滤光片4让光电倍增管检测器5只记录波长在0.600.65m之间的光，以避免其它气体成分对测量的干扰。检测器5的微弱信号经信号放大器6放大后输出。为使NO2尽可能完全地转化成为NO，催化转化器中的温度必须在920K以上。在实际测量中常会出现NO2测量值过低的问题。主要原因有二：一是催化转化器老化，NO2向NO的转化率下降；二是NO2可能冷凝在水中。因此，在NO2浓度较高的排放测量中（如直接取样测量柴油机排放时），必须将取样系统加热，并且在使用过程中
21、定期检查催化转化效率，当其低于90%时，应予以更新。图10-7 化学发光分析仪工作原理图1-反应室；2-臭氧发生器；3-氧入口；4-滤光片；5-光电倍增管检测器；6-信号放大器；7-催化转化器；8-样气入口；9-转换开关；10-反应室出口10.2.3 氢火焰离子型分析仪（FID）氢火焰离子型分析仪（FID）（Flame Ionization Detector）是目前测量汽车排放中HC的最有效手段。FID灵敏度高难度，可测到极小浓度的HC，且线性范围宽，对环境温度和压力也不敏感。FID的工作原理是利用HC在氢火焰燃烧时，2300K左右的高温氢火焰会使HC离子化成自由离子，离子数基本上与HC的浓度
22、成正比。如图10-8所示，待测气体与氢气混合后，由入口4进入燃烧器，由燃烧嘴2喷出，在空气的助燃下由通电的点火丝点燃。HC在缺氧的氢扩散火焰中分解出离子和电子。这些离子和电子在周围100300V的电压下在离子收集器1中形成按一定方向运动的离子流，通过对离子流电流的测量就可测得碳原子的浓度，从而反映出相应的HC的浓度。图10-8 氢火焰离子型分析仪工作原理图1-离子收集器；2-燃烧嘴；3-助燃空气入口；4-氢和待测气体入口；5-空气分配器；6-信号放大器FID不受样气中有无水蒸气的影响，但可能受其中氧的干扰。这种干扰可用两种措施来减小：一是用40%的H2+60%He的混合气代替纯H2；二是用含氧
23、量接近待测气体的零点气和量距气进行标定。不同的HC分子结构对FID的影响不同。FID显示的C原子数与实际的原子数之比，烷烃不低于0.95，环烷烃和烯烃一般不低于0.90，而对芳香烃特别是含氧有机物（如醇、醛、醚、酯等）响应的偏离较大。因高沸点的HC在取样过程中会凝结，为避免这点，应对采样管路加热。测量汽油机排气时应加热到400K左右，测量柴油机排出的HC要用加热管路和加热氢火焰离子型分析仪（HFID）。10.2.4 顺磁分析仪气体受不均匀磁场的作用时会受到力的作用，如果该气体是顺磁性的，此力指向磁场增强的方向；如果是反磁性的，则指向磁场减弱的方向。大多数气体是反磁性的，只有少数气体是高度顺磁性
24、的。氧是一种强顺磁性气体，氮氧化合物有较弱的顺磁性，NO和NO2的顺磁性分别为氧的44%和29%。因为汽车排放中，氧的浓度要比NOX高得多，所以可用顺磁分析仪测量排气中的氧浓度。图10-9 顺磁分析仪工作原理图1-环形室；2-样气中的氧；3-样气；4-加热丝；5-玻璃管；6-永久磁铁顺磁分析仪PMA（ Paramagnetic Analyser）的工作原理如图10-9所示。样气3中的氧2，在永久磁铁6产生的磁场吸引下自左向右充入水平玻璃管5中。在磁场强度最大的地方，样气被电热丝4加热。加热后的氧顺磁性下降，磁铁对它的吸引力小于冷态的氧。冷的样气被吸到磁极中心，挤走热的样气。冷的样气被加热后又被
25、挤走。这样在玻璃管5中就形成了气体流动，也称磁风，其速度与样气中的浓度成正比。如果加热丝4同时起热线风速仪的作用，就可以简单地测定磁风速度，从而测得样气中的氧浓度。10.2.5 气相色谱仪（GC）气相色谱仪（GC）（Gas Chromatography）是将混合物中各组分相互分离，以便对混合气的组成各成分浓度进行详细的分析。它灵敏度高，需要样气数量很少，一次可完成多种成分的分析，是应用极为广泛的通用微量分析设备。气相色谱仪工作原理如图10-10所示。用样气注射器把一定体积的样气从试样注入口1注入仪器，与从载气入口2进入仪器的氢、氦、氩等载气混合后流入装有填充剂的色谱柱3中。由于样气的不同组分对
26、色谱柱中的填充剂的亲和力（吸附或溶解性）不同，在载气的推动下被分离。亲和力弱的组分，很难被滞留在填充剂中，首先流出色谱柱；反之，亲和力强的组分流出较晚。图10-10 气相色谱仪工作原理图1-试样注入口；2-载气入口；3-色谱柱；4-温控槽；5-检测器；6-气体出口；7-色谱图记录仪色谱柱经分离后的各组分还需依次由载气送到出口处的检测器5进行检测，由检测器测定各组分的浓度。检测器除了氢火焰离子型检测器（FID）外，常用的还有用于测量CO和CO2等的热导率检测器TCD（Thermal Conductivity Detector），测量含卤和含氧成分的电子捕获型检测器ECD(Electron Cap
27、ture Detector)和测量含硫成分的焰光光度检测器FPD(Flame Photometric Detector) 。检测器可输出与被分离组分数量相对应的信号，在色谱记录仪7上以色谱峰点的形式记录下来。从注入试样开始到出现色谱峰点为止的时间，称为滞留时间或淘析时间，在测试条件相同时，试样中的每一组分的滞留时间是一个定值。所以可根据滞留时间来定性分析试样中所含的每一组分。而色谱峰的面积则与对应组分的含量成正比，可据此进行定量。10.3 微粒测量与分析排气微粒是指依据一定的取样方法，在最高温度为325K的稀释排气中，由过滤器收集到的固态或液态微粒。用符合要求的取样系统把排气微粒收集在过滤器上
28、，用微克级精密天平称得过滤器在收集微粒前后的质量差，就可获得微粒排放的质量。10.3.1 微粒质量测量用符合要求的取样系统把排气微粒收集在过滤器上，用微克级精密天平称得过滤器在收集微粒前后的质量差，就可获得微粒排放的质量。微粒测量过滤器通常采用滤纸。为了保证测量的精度，空白滤纸和有微粒滤纸的质量测量必须在调温调湿的洁净小室内进行。空白滤纸至少在取样前2h放入小室内的滤纸盒中，待稳定化后测量和记录质量，然后仍放在小室内直到使用。如果从小室取出后1h内没有使用，则在使用前必须重新测量质量。收集微粒后的滤纸放回小室内至少2h，但不得超过36h，然后测量总质量。微粒滤纸与空白滤纸的质量差就是微粒质量。
29、微粒质量测量的取样系统如图10-2和图10-3所示，可采用全流和分流稀释系统。排气微粒质量可用下式计算： 或 （10-4）式中：流经过滤器的流量，m3；流经通道的流量，m3； 排放微粒质量，g/km； 过滤器收集的微粒质量，g；与运转循环一致的距离，km。10.3.2 微粒成分分析微粒成分分析虽不是排放法规所要求的，但对微粒形成、氧化过程及微粒后处理技术研究等都具有重要意义。微粒中有机可溶成分SOF的分离及分析方法有：1. 热解质量分析法（TG）热解质量分析法TG（Thermo Gravimetry）是在惰性气体气氛（如N2）中，将微粒样品按规定加热速率加热到923K，保温5分钟。在这段时间内
30、，其中可挥发部分蒸发掉，用热天平测得的微粒质量减小量就代表其中可挥发部分VF（Volatile Fraction），用此法测得的主要是高沸点HC和硫酸盐，基本与SOF相吻合。然后将气氛换成空气，在相同温度下，样品进一步减少的质量对应被氧化的碳烟组分，残留的则是微量灰分。该方法的优点是能准确快捷地得出样品质量损失率变化的连续曲线，可据此定量分析VF中的不同馏分，可测量碳烟在各种条件下的氧化速率。缺点是热解质量分析仪昂贵，一次只能处理一个样品。值得注意的是，TG把微粒样品与取样滤纸一起加热，法规规定的涂四氯乙烯的滤纸，往往不能满足耐热性要求，所以要采用耐热的滤纸专门采样，如无涂层的玻璃纤维滤纸能基
31、本满足要求。此外，必须考虑取样滤纸的质量损失。2. 真空挥发法（VV）真空挥发法VV（Vacuum Volatilization）是将微粒样品置于真空干燥箱内，在真空度95Kpa以上，温度473K以上加热3h左右，其质量变化即为微粒中VF含量。此方法设备简单，操作方便，真空干燥箱具有较大的容积，一次可同时处理多个样品。但不能连续记录质量的变化，收集VF较困难。3. 索氏萃取法（SE）对微粒中的SOF可采用萃取法采集，常用的有索氏萃取法SE（Soxhlet Extraction），所用装置如图10-11所示。图10-11 索氏萃取装置简图1-温度计；2-电炉；3-浴缸；4-烧瓶；5-虹吸管；6-
32、样品；7-样品室；8-冷凝管盛有溶剂的烧瓶置于恒温浴缸中，用水加热使溶剂蒸发，上升到冷凝管中，冷凝物回到样品室中浸泡样品，进行萃取。萃取液达到一定体积时，经虹吸管流回烧瓶。这样，溶剂在萃取器中循环流动，不断将微粒中的SOF带到烧瓶中，直到萃取完全。萃取溶剂通常采用二氯甲烷，其沸点为315K，比样品中的SOF低得多。萃取一般连续8h小时就可完成，样品原始质量与残渣质量（在吸附的溶剂挥发完全后测量）之差就是SOF质量。该方法从原理上说，是测量柴油机排放微粒中SOF最准确的方法，且萃取液可多次使用，不足之处是耗时多，操作较复杂。汽车排放微粒中的SOF成分复杂，可通过气相色谱仪GC进一步分析，以弄清其
33、中各种HC的来源。一般低于C19的HC来自柴油，高于 C 28的则来自润滑油。如果色谱仪与质谱仪联用（色质联机分析GC-MS），则可对复杂有机物进行更细致的分析。 10.4 烟度测量与分析微粒质量的测量是目前汽车排放法规规定的微粒测量方法，这对控制微粒排放的研究、开发和评价其环境影响显然是合理的。但这种方法设备复杂，操作费时费力，且不能追踪微粒的瞬态排放特性。柴油机微粒的生成以碳烟为核心，在中等以上负荷碳烟的比例大，SOF较小，所以长期以排气烟度的测量来表征碳烟的多少。我国规定对柴油机的烟度进行测量。烟度的测量方法主要有两类：一类是滤纸法，先用滤纸收集一定的烟气，再通过比较滤纸表面对光反射率的
34、变化来测量烟度，所用的测量仪器为滤纸式烟度计；另一类是消光度法，是利用烟气对光的吸收作用，即通过光从烟气中的透过度来测量烟度，所用的测量仪表为消光式烟度计。10.4.1 滤纸式烟度计我国对柴油机、车用柴油机的烟度测量规定使用滤纸式烟度计，其技术参数和要求应符合HJ/T4-93的规定。滤纸式烟度计主要由定容采样泵和检测仪两部分组成。抽气泵从排气中抽取固定容积的气样，让气样通过装在夹具上的滤纸，使气样的碳烟沉积在滤纸上。由于抽取的气样数量恒定，故滤纸被染黑的程度能反映气样中所含碳烟的浓度。滤纸烟度计检测仪的结构和工作原理如图10-12所示。它由反射光检测器与指示器组成，由白炽电灯泡光源射向已取样滤
35、纸的光线，一部分被滤纸上的微粒吸收，一部分被反射给光电元件，从而产生相应的光电流，并由指示器指示输出。光电流的大小反映了滤纸反射率的大小，滤纸反射率取决于滤纸被染黑的程度。光电越小，滤纸的反射率越低，即滤纸的染黑程度越高，表明被测碳烟的浓度越高。滤纸的染黑度用010波许单位表示，规定白色滤纸的波许单位为0，全黑滤纸的波许单位为10，从010之间均匀分度。为保证滤纸式烟度计读数稳定，一要光源稳定，二要滤纸规格统一。烟度滤纸反射系数应为0.920.03，当量孔径为45m，在压差24KPa下的透气度为3L/（cm2min），厚度为0.180.20mm。滤纸式烟度计结构简单，使用方便，曾获得广泛的应用
36、。但由于柴油机微粒中各种成分对光线的吸收能力不同，不同柴油机在不同工况下测得的滤纸烟度值与微粒质量之间没有完全一一对应关系。这种烟度计不能测定由油雾造成的蓝烟与白烟，也不能对瞬态工况进行连续的测量。 a) 结构图 b)工作原理图图10-12 滤纸式烟度计检测仪1-电线；2-灯泡；3、7-光电元件；4-滤纸接合面；5-灯室；6-光源 ；8-滤纸10.4.2 消光式烟度计消光式烟度计的工作原理，是让部分或全部排气流过光源和接收器构成的光通道，接收器所接受的光强度的减弱（消光量）就代表排气的烟度。消光式烟度计已被国际标准化组织（ISO）所推荐，其基本技术要求已在我国国标GB压燃式发动机和装用压燃式发
37、动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法中规定。哈特里奇（Hartridge）烟度计是一种典型的消光式烟度计，其烟度的分度为0（无烟，通常用干净空气的透明度标定）100（全黑，透光度为0）。这种烟度计除烟度显示部分外，其检测部分主要由校正装置、光源与光电检测单元（光电池等）组成，基本结构如图10-13 所示 。图10-13 哈特里奇烟度计基本结构示意图1-光源；2-排气入口；3-排气测试管；4-光电池；5-转换手柄；6-空气校正器；7-鼓风机；8-排气出口测量前将转换手柄5转向校正位置（光源1和光电池4位于图中虚线位置），此时光源和光电检测单元分别位于校正管的两端，用鼓风机7将干净的空气引入校正
38、管，对烟度计进行零点校正，然后将手柄转向测量位置（光源和光电池位于图中实线位置），使光源和光电检测单元分别位于测量管两端，接通被测排放气体对光源发射光的消光度，通过显示记录仪表，可观察到排放烟度随时间的变化情况。消光式烟度计不仅可测黑烟，而且也可测蓝烟和白烟。它对低浓度的可见污染物有较高的分辨率，可以进行连续测量。它不仅可用来研究柴油机的瞬态碳烟和其它可见污染物的排放性能，而且可以方便地测量排放法规中所要求的自由加速烟度和有负荷加速烟度。10.5 汽油车非排气污染物的测量与分析10.5.1 曲轴箱排放物曲轴箱排放物是指从发动机曲轴箱排放到大气中的气体污染物，主要包括：1、从活塞和气缸之间的间隙
39、窜入曲轴箱的油气和已燃气体；2、曲轴箱内的润滑油蒸汽。我国国家标准GB18352.2-2001轻型汽车污染物排放限值及测量方法（）附录D曲轴箱气体排放试验（型试验）已对其实验方法作了详细规定。让发动机在怠速、对应车辆以502Km/h速度行驶的转速和负荷、以及同样转速但负荷加大70%这样三种工况下运转，在适当位置测量曲轴箱内的压力，如在机油标尺孔处使用倾斜式压力计进行测量。在上述各测量工况下，测得的曲轴箱内的压力均不得超过测量时的大气压力。10.5.2 蒸发排放物蒸发排放物是指除汽车排气管排放以外，从车辆的燃料（汽油）系统损失的碳氢化合物，主要包括：1、燃油箱呼吸损失（昼间换气损失）：由于燃油箱
40、内温度变化所排放的碳氢化合物。2、热浸损失：在车辆行驶一段时间后，静置车辆的燃料系统排放的碳氢化合物。我国国家标准GB18352.2-2001附录E装点燃式发动机车辆蒸发排放试验 密闭室法（型试验）已对其实验方法作了详细规定。蒸发排放测量用密闭室是一个气密性很好的矩形测量室，试验时可用来容纳车辆。车辆与密闭室内的各墙面应留有距离，封闭时应能达到气密性的相关要求，内表面不应渗透碳氢化合物。至少有一个墙内表面装有柔性的不渗透材料，以平衡由于温度的微小变化而引起的压力变化。墙的设计应有良好的散热性，在试验过程中墙上任何一点的温度不应低于293K。试验时应使用符合规定的基准燃料，车辆技术状况良好，试验
41、前已经进行至少3000km的走合行驶，装在车辆上的蒸发控制系统，在此期间工作正常，炭罐经过正常使用，未经异常吸附和脱附。密闭法的测试程序细节十分繁琐，其主要过程如下：首先把车辆的燃油箱加到标称容量的40%2%，在室内经60min2min把燃油温度从289K1K均匀加热温升14K0.5K，测量加热前后室内的HC浓度，确定昼间换气损失；然后把车辆从密闭室取出，在底盘测功机上进行1个市区运转循环（1部）和1个市郊运转循环（2部），再回到密闭室内（温度范围为296304K）进行热浸1h，测量热浸损失。由于运转蒸发损失很小，在试验过程中未测量。将昼间换气损失和热浸损失测定的碳氢化合物的排放质量相加，就作为蒸发排放物的试验结果。
