NDIR方法應(yīng)用于汽油車NO排氣檢測(cè)的試驗(yàn)研究

彭美春, 趙玉曉, 李嘉如, 歐繼祖，陳勇

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006； 2.廣東省中寰環(huán)保技術(shù)推廣所，廣東 廣州 510635)

?

NDIR方法應(yīng)用于汽油車NO排氣檢測(cè)的試驗(yàn)研究

彭美春1, 趙玉曉1, 李嘉如1, 歐繼祖1，陳勇2

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006； 2.廣東省中寰環(huán)保技術(shù)推廣所，廣東 廣州 510635)

為改善在用點(diǎn)燃式輕型汽車簡(jiǎn)易工況NO排氣檢測(cè)準(zhǔn)確性，將NDIR檢測(cè)法應(yīng)用于NO的排放檢測(cè)。采用比對(duì)測(cè)試方法，在184輛在用輕型汽油車的ASM排放檢測(cè)中，同時(shí)采用NDIR方法與通用的電化學(xué)法進(jìn)行排氣NO濃度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于NO檢測(cè)，NDIR方法與工況的跟隨性較電化學(xué)方法好，電化學(xué)方法測(cè)試響應(yīng)時(shí)間較NDIR方法滯后7～8 s。采用有限差分法對(duì)兩種檢測(cè)方法的檢測(cè)靈敏度進(jìn)行分析，得出NDIR法的靈敏度為11.87，電化學(xué)法為6.97。分析NDIR法、電化學(xué)法兩種檢測(cè)方法下NO測(cè)試濃度值的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)兩者高度線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.98。研究結(jié)果表明NDIR方法完全適用于ASM 工況NO排氣濃度檢測(cè)，其檢測(cè)準(zhǔn)確率較電化學(xué)方法高。

輕型汽油車； 一氧化氮； 排放測(cè)量； 非分光紅外法； 電化學(xué)法； 靈敏度； 相關(guān)性

自GB 18285—2005《點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(雙怠速法及簡(jiǎn)易工況法)》標(biāo)準(zhǔn)頒布以來(lái)，在北京、上海、廣東、山東、遼寧等地輕型點(diǎn)燃式在用汽車尾氣排放檢測(cè)已基本推廣使用ASM或VMAS兩類簡(jiǎn)易工況法。GB 18285—2005規(guī)定ASM與VMAS檢測(cè)NO排氣濃度采用電化學(xué)方法或其他等效方法，目前普遍采用電化學(xué)方法[1-2]。電化學(xué)方法存在一明顯不足，就是作為陽(yáng)極的電解質(zhì)中離子數(shù)量隨時(shí)間衰減，檢測(cè)滯后時(shí)間逐步增大，一般一年左右檢測(cè)模塊會(huì)自動(dòng)失效，設(shè)備維護(hù)、更新不及時(shí)容易造成檢測(cè)數(shù)據(jù)偏小等現(xiàn)象[3-5]。尋找經(jīng)濟(jì)可行、準(zhǔn)確率高的NO檢測(cè)技術(shù)，以替代電化學(xué)方法，是當(dāng)前提高簡(jiǎn)易工況檢測(cè)中NO排氣檢測(cè)準(zhǔn)確性與有效性的當(dāng)務(wù)之急。本研究導(dǎo)入非分光紅外法(NDIR)進(jìn)行ASM排氣NO濃度檢測(cè)，采用試驗(yàn)對(duì)比方法，研究NDIR方法的適用性，比較NDIR方法與通用的電化學(xué)方法的檢測(cè)特點(diǎn)，分析兩種檢測(cè)方法下NO檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)性等，研究NDIR方法測(cè)試NO與電化學(xué)方法的等效性，并通過(guò)靈敏度分析比較兩者的準(zhǔn)確性。研究成果將為NDIR方法在ASM與VMAS簡(jiǎn)易工況NO排放檢測(cè)中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案

本研究在佛山一在用汽車ASM簡(jiǎn)易工況排放檢測(cè)線上進(jìn)行，按照廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 44/592—2009《在用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(穩(wěn)態(tài)工況法)》，進(jìn)行在用輕型汽油車的ASM排放檢測(cè)，其測(cè)試系統(tǒng)見圖1。同一輛輕型汽車排氣管中插入兩條廢氣采樣管，分別連接用于NO測(cè)試專用的NDIR分析儀NHA-503與帶電化學(xué)分析模塊的五氣分析儀NHA-502，在保持測(cè)試工況等其他條件相同的前提下，同時(shí)采用電化學(xué)與NDIR兩種方法檢測(cè)排氣中NO的濃度。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

ASM檢測(cè)設(shè)備含底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)(NHC-03)、檢測(cè)系統(tǒng)(NHASM-1)、采樣與控制系統(tǒng)及輔助設(shè)施設(shè)備。設(shè)備符合DB 44/592—2009《在用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(穩(wěn)態(tài)工況法)》要求。底盤測(cè)試設(shè)備主要參數(shù)見表1。

表1 底盤測(cè)功機(jī)參數(shù)

NDIR測(cè)試儀NHA-503、電化學(xué)法分析儀NHA-502及相應(yīng)的冷卻器、控制系統(tǒng)與顯示屏組成比對(duì)測(cè)試集成模塊。電化學(xué)測(cè)試模塊與NDIR測(cè)試儀的主要參數(shù)見表2。

表2 NO檢測(cè)電化學(xué)法和NDIR法測(cè)試儀主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)車輛

共測(cè)試了184輛在用輕型汽油車，測(cè)試車輛車齡涵蓋0～21年,累計(jì)行駛里程為50～330 000 km。樣本車輛品牌數(shù)量見表3。

表3 測(cè)試車輛品牌信息統(tǒng)計(jì)

1.3 測(cè)試工況與測(cè)試流程

圖2示出了ASM試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)。ASM排放測(cè)試有2個(gè)勻速工況段，即ASM5025工況和ASM2540工況。先進(jìn)行ASM5025的檢測(cè)，再進(jìn)行ASM2540的檢測(cè)。DB 44/592—2009中對(duì)測(cè)量結(jié)果的判定有快速判定和正常判定兩種方法。ASM5025與ASM2540均有一快速檢測(cè)工況，規(guī)定如果快速檢查工況10 s內(nèi)的排放平均值經(jīng)修正后等于或低于限值的50%，則測(cè)試合格。在檢測(cè)過(guò)程中如任意連續(xù)10 s內(nèi)的任何一種污染物10 次排放值經(jīng)修正后均高于限值的50%，則測(cè)試不合格。未達(dá)到快速判定標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)行正常工況檢測(cè)的車輛，在每個(gè)測(cè)試工況時(shí)間內(nèi)如果任何一種污染物連續(xù)10 s的平均值均低于或等于規(guī)定的限值，則判定為該工況測(cè)試合格；如任何一種污染物連續(xù)10 s的平均值超過(guò)規(guī)定的限值，則測(cè)試不合格。ASM5025工況檢測(cè)合格的車輛還需進(jìn)行ASM2540檢測(cè)。ASM5025與ASM2540檢測(cè)均合格才判定車輛檢測(cè)合格。ASM5025+ASM2540稱為全工況測(cè)試。

通過(guò)NHASM-1檢測(cè)系統(tǒng)主控顯示器上車速信息判斷車輛是否進(jìn)入ASM5025或ASM2540工況，操作人員通過(guò)點(diǎn)擊NHA-502與NHA-503集成檢測(cè)顯示器上的“on”與“off”標(biāo)記工況的界限。NHA-502與NHA-503集成檢測(cè)模塊的控制系統(tǒng)能保證兩種NO測(cè)試儀器測(cè)試的同步性，能自動(dòng)記錄、保存受檢車輛在兩種檢測(cè)方法下的NO排放值。

用于NO排放比對(duì)測(cè)試的集成模塊檢測(cè)時(shí)間與正常ASM檢測(cè)系統(tǒng)(NHASM-1)檢測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 測(cè)試平均值分析

NO的排放濃度分別采用電化學(xué)法和NDIR方法進(jìn)行測(cè)量獲取，排放污染物測(cè)試結(jié)果為相對(duì)體積分?jǐn)?shù)，以10-6計(jì)及。184輛試驗(yàn)車輛中164輛有完整的快速檢測(cè)或者單個(gè)工況過(guò)程檢測(cè)數(shù)據(jù)，故統(tǒng)計(jì)分析基于該164輛車輛檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行。

表4給出了164輛測(cè)試車輛的測(cè)試結(jié)果平均值。由表4可知，快速檢測(cè)工況下的NO排放測(cè)試平均值均低于正常的全工況值，這符合快速判斷原則。兩種測(cè)試技術(shù)下ASM5025正常工況測(cè)試平均值均高于ASM2540正常工況，快速工況則相反。這與限值、測(cè)試工況及順序、檢測(cè)結(jié)果判斷原則相關(guān)。ASM5025工況下的NO限值大于ASM2540工況，ASM5025檢測(cè)在先，ASM2540檢測(cè)在后，只有ASM5025正常檢測(cè)合格的車輛才能進(jìn)入ASM2540工況檢測(cè)。因此ASM5025正常工況檢測(cè)值高于ASM2540正常工況檢測(cè)值是合理的。ASM5025快速檢測(cè)又位于ASM5025正常檢測(cè)之前，排放值若在正常工況限值的50%以下，則直接判斷檢測(cè)合格。進(jìn)行ASM2540快速檢測(cè)的車輛一定是ASM5025快速檢測(cè)不能通過(guò)，但是能通過(guò)ASM5025正常工況檢測(cè)的車輛。因此ASM5025快速檢測(cè)平均值低于ASM2540快速檢測(cè)平均值合理。

除ASM2540快速工況外，其他三種工況下由NDIR方法得到的NO排放平均值均大于電化學(xué)法。

表4 兩種測(cè)試方法下NO排放平均值統(tǒng)計(jì)

2.2 過(guò)程測(cè)試結(jié)果分析

圖3示出9輛通過(guò)ASM5025+ASM2540全工況測(cè)試的車輛(均為綠標(biāo)電控車輛)，同時(shí)以電化學(xué)方法、NDIR方法測(cè)得的NO排放過(guò)程檢測(cè)數(shù)據(jù)平均值曲線。

從圖3可以看出，0～60 s車輛從怠速升至ASM5025工況的加載過(guò)程中NO排放呈增大趨勢(shì)。隨測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，ASM5025工況測(cè)得的NO排氣濃度變低。分析原因：一是加載過(guò)程剛進(jìn)入5025工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致開始時(shí)NO濃度高；二是檢測(cè)員操作車輛時(shí)，習(xí)慣將車速先調(diào)到高出25 km/h約1 km/h，再降下來(lái)，故測(cè)得的NO排放呈先高后低；三是可能與排氣催化凈化器熱狀態(tài)有關(guān)，隨檢測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)催化凈化器溫度升高，排氣催化凈化效率更高。ASM2540工況過(guò)程中NO排放基本趨于穩(wěn)定，原因是排氣催化凈化器熱狀態(tài)較穩(wěn)定，催化凈化效率穩(wěn)定，故NO排放檢測(cè)值較穩(wěn)定。

比較ASM5025與ASM2540工況下的NO排放值，發(fā)現(xiàn)ASM5025工況測(cè)試值高于ASM2540工況。分析原因：一是ASM5025測(cè)試在先，只有ASM5025檢測(cè)合格的車輛才能進(jìn)入ASM2540工況檢測(cè)，因此一些高排放車輛在ASM5025工況下就被剔除了；二是與負(fù)載相關(guān)，ASM2540工況負(fù)載率為25%，不及ASM5025工況的50%。

無(wú)論電化學(xué)方法還是NDIR方法，NO檢測(cè)值隨車輛運(yùn)行工況變化均有一定的滯后，其中NDIR方法滯后1～2 s，電化學(xué)方法滯后8～10 s，電化學(xué)方法較NDIR方法滯后7～8 s，但兩者均在DB 44/592—2009規(guī)定的12 s響應(yīng)時(shí)間內(nèi)。電化學(xué)方法采用的陽(yáng)極電解質(zhì)中離子數(shù)量隨時(shí)間衰減，滯后時(shí)間隨著儀器使用時(shí)間增長(zhǎng)而增大，甚至超過(guò)12 s[6]。比較兩種測(cè)試方法，顯然NDIR方法與測(cè)試工況的跟隨性好于電化學(xué)方法。

從圖3中還看到，ASM5025工況下NDIR方法測(cè)得的NO排放過(guò)程值較電化學(xué)法稍高，原因主要與電化學(xué)方法的滯后性有關(guān)，也與測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度有一定關(guān)系。ASM2540工況下兩種測(cè)試方法得到的NO排放值基本相當(dāng)?？傮w來(lái)看，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中NDIR方法測(cè)試結(jié)果隨時(shí)間波動(dòng)較電化學(xué)方法大，表明NDIR方法更敏感。

圖4示出30輛通過(guò)ASM5025正常工況檢測(cè)的車輛在兩種檢測(cè)方法下NO排放過(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值比較。由于通過(guò)ASM5025正常工況檢測(cè)的車輛數(shù)量大于進(jìn)行ASM5025+ASM2540全工況檢測(cè)的車輛數(shù)量，導(dǎo)致圖4中NO檢測(cè)值波動(dòng)率小于圖3中ASM5025工況的波動(dòng)率。

圖5示出106輛通過(guò)ASM5025快速工況檢測(cè)的車輛在兩種檢測(cè)方法下NO排放過(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值比較。其總體變化趨勢(shì)與圖4類似，但在排放值下降時(shí)，電化學(xué)法高于NDIR法，原因與電化學(xué)方法測(cè)試結(jié)果滯后有關(guān)。

圖6示出了19輛通過(guò)ASM5025正常工況+ASM2540快速工況檢測(cè)的車輛在兩種檢測(cè)方法下NO排放過(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值比較?？梢钥闯?，

在ASM2540快速工況下NDIR方法測(cè)試值波動(dòng)較大；在NO排放下降時(shí)，NDIR方法測(cè)試值低于電化學(xué)法，這與表4中ASM2540快速工況下NDIR法NO排放均值小于電化學(xué)法相吻合。

從圖3至圖6均看出，NDIR法下NO檢測(cè)值與車速工況的跟隨性、敏感性均好于電化學(xué)法。

2.3 兩種測(cè)試結(jié)果相關(guān)性分析

對(duì)164輛ASM檢測(cè)車輛分別采用NDIR方法與電化學(xué)法方法獲取的NO排放數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，結(jié)果見圖7。進(jìn)行回歸分析，得出兩者回歸關(guān)系式為

y=0.920 7x-7.701 5。

(1)

兩種測(cè)試方法下NO測(cè)試值線性相關(guān)，NDIR方法測(cè)試結(jié)果平均較電化學(xué)方法要大。相關(guān)系數(shù)R2=0.976 5，非常接近1，說(shuō)明由兩種測(cè)量技術(shù)獲得的NO排放測(cè)試結(jié)果高度相關(guān)，兩者等效性較好。

2.4 靈敏度分析

靈敏度分析方法有局部靈敏度分析方法和全局靈敏度分析方法兩種[7]，本研究采用局部靈敏度分析方法中的有限差分法進(jìn)行檢測(cè)靈敏度分析。

ASM排放測(cè)試合格的結(jié)果分為4種情形，即ASM5025快速工況通過(guò)、ASM5025全工況通過(guò)、ASM2540快速工況通過(guò)和ASM2540全工況通過(guò)。分別統(tǒng)計(jì)4種情形下的NO排放檢測(cè)靈敏程度S，結(jié)果見表5。從表5中可知，每種工況下NDIR方法靈敏度值均高于電化學(xué)方法，兩者均值相差近1倍，說(shuō)明NDIR方法的NO測(cè)試靈敏度高于電化學(xué)法。

表5 NO測(cè)試靈敏度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

a) NDIR方法與測(cè)試工況的跟隨性好于電化學(xué)方法，電化學(xué)法的響應(yīng)時(shí)間較NDIR方法慢7～8 s；

b) NDIR方法測(cè)試NO排放的靈敏度值為11.87，電化學(xué)法靈敏度值為6.97，NDIR方法靈敏度明顯高于電化學(xué)法；

c) NDIR法與電化學(xué)法測(cè)得的NO排放值呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.976 5，具有較好的等效性；

d) NDIR方法完全適用于ASM NO排放檢測(cè)。

[1] 廣東省環(huán)境保護(hù)局，廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB 44/592—2009 在用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排放污染物排放限值及測(cè)量方法(穩(wěn)態(tài)工況法)[S].2008-11-28.

[2] 廣東省環(huán)境保護(hù)局，廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB 44/632—2009 在用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)輕型汽車排氣污染物排放限值(簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法)[S].2009-06-04.

[3] 劉俊女,馮玉橋,劉憲，等.在用柴油車NOx排放的定期檢測(cè)技術(shù)分析[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2012(4):20-23.

[4] 王振國(guó).汽車尾氣分析儀的分類及應(yīng)用概況[J].汽車維修與保養(yǎng),2005(2)：45-47.

[5] 牛會(huì)明.我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽油車排氣分析儀的要求[J].汽車維修與保養(yǎng),2007(3)：62-63.

[6] 徐魯華,吳曉東,翁端.機(jī)動(dòng)車尾氣中氮氧化物的分析檢測(cè)技術(shù)[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4(11):64-67.

[7] 韓林山,李向陽(yáng),嚴(yán)大考.淺析靈敏度分析的幾種數(shù)學(xué)方法[J].中國(guó)水運(yùn),2008,8(4):177-178.

[編輯：潘麗麗]

Application of NDIR on NO Measurement for Gasoline Car

PENG Mei-chun1, ZHAO Yu-xiao1, LI Jia-ru1, OU Ji-zu1, CHEN Yong2

(1.Electro-mechanical Engineering Faculty, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006，China;2.Guangdong Zhonghuan Environmental Technology Promotion Institute, Guangzhou 510635，China)

The NDIR measurement method was applied to improve the NO measurement accuracy of light-duty gasoline car under simple operating mode.NO emissions of 184 light-duty gasoline cars were measured with NDIR and electrochemical method respectively according to ASM standard.The results show that the NDIR method has better following behavior for operating conditions, that is 7～8 s faster than the electrochemical method.The measurement sensitivity analysis of finite difference method shows that the sensitivity of electrochemical method and NDIR method is 6.9 and 11.87 respectively.It is further found that the correlation coefficient between measured NO emissions with NDIR and electrochemical method is as high as 0.98, which proves that the NDIR method is appropriate for NO measurement of ASM conditions and can improve the measurement accuracy.

light-duty gasoline vehicle (LDGV); nitrogen oxide; non-dispersive infra-red (NDIR); electrochemical method; sensitivity; correlation

2014-08-12；

2014-11-24

2012年廣東省環(huán)保專項(xiàng)資金項(xiàng)目(粵環(huán)[2012]64號(hào))

彭美春(1963—)，女，教授，工學(xué)博士，從事汽車節(jié)能與排放研究；dfyxdf@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.018

TK411.5

B

1001-2222(2015)02-0088-05