NDIR方法应用于汽油车NO排气检测的试验研究

彭美春, 赵玉晓, 李嘉如, 欧继祖，陈勇

(1.广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006； 2.广东省中寰环保技术推广所，广东 广州 510635)



NDIR方法应用于汽油车NO排气检测的试验研究

彭美春1, 赵玉晓1, 李嘉如1, 欧继祖1，陈勇2

(1.广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006； 2.广东省中寰环保技术推广所，广东 广州 510635)

为改善在用点燃式轻型汽车简易工况NO排气检测准确性，将NDIR检测法应用于NO的排放检测。采用比对测试方法，在184辆在用轻型汽油车的ASM排放检测中，同时采用NDIR方法与通用的电化学法进行排气NO浓度测试。测试结果表明，对于NO检测，NDIR方法与工况的跟随性较电化学方法好，电化学方法测试响应时间较NDIR方法滞后7～8 s。采用有限差分法对两种检测方法的检测灵敏度进行分析，得出NDIR法的灵敏度为11.87，电化学法为6.97。分析NDIR法、电化学法两种检测方法下NO测试浓度值的相关性，发现两者高度线性相关，相关系数为0.98。研究结果表明NDIR方法完全适用于ASM 工况NO排气浓度检测，其检测准确率较电化学方法高。

轻型汽油车； 一氧化氮； 排放测量； 非分光红外法； 电化学法； 灵敏度； 相关性

自GB 18285—2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)》标准颁布以来，在北京、上海、广东、山东、辽宁等地轻型点燃式在用汽车尾气排放检测已基本推广使用ASM或VMAS两类简易工况法。GB 18285—2005规定ASM与VMAS检测NO排气浓度采用电化学方法或其他等效方法，目前普遍采用电化学方法[1-2]。电化学方法存在一明显不足，就是作为阳极的电解质中离子数量随时间衰减，检测滞后时间逐步增大，一般一年左右检测模块会自动失效，设备维护、更新不及时容易造成检测数据偏小等现象[3-5]。寻找经济可行、准确率高的NO检测技术，以替代电化学方法，是当前提高简易工况检测中NO排气检测准确性与有效性的当务之急。本研究导入非分光红外法(NDIR)进行ASM排气NO浓度检测，采用试验对比方法，研究NDIR方法的适用性，比较NDIR方法与通用的电化学方法的检测特点，分析两种检测方法下NO检测结果的相关性等，研究NDIR方法测试NO与电化学方法的等效性，并通过灵敏度分析比较两者的准确性。研究成果将为NDIR方法在ASM与VMAS简易工况NO排放检测中的应用提供参考。

1 试验方案

本研究在佛山一在用汽车ASM简易工况排放检测线上进行，按照广东省地方标准DB 44/592—2009《在用点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法(稳态工况法)》，进行在用轻型汽油车的ASM排放检测，其测试系统见图1。同一辆轻型汽车排气管中插入两条废气采样管，分别连接用于NO测试专用的NDIR分析仪NHA-503与带电化学分析模块的五气分析仪NHA-502，在保持测试工况等其他条件相同的前提下，同时采用电化学与NDIR两种方法检测排气中NO的浓度。

1.1 试验设备

ASM检测设备含底盘测功机系统(NHC-03)、检测系统(NHASM-1)、采样与控制系统及辅助设施设备。设备符合DB 44/592—2009《在用点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法(稳态工况法)》要求。底盘测试设备主要参数见表1。

表1 底盘测功机参数

NDIR测试仪NHA-503、电化学法分析仪NHA-502及相应的冷却器、控制系统与显示屏组成比对测试集成模块。电化学测试模块与NDIR测试仪的主要参数见表2。

表2 NO检测电化学法和NDIR法测试仪主要参数

1.2 试验车辆

共测试了184辆在用轻型汽油车，测试车辆车龄涵盖0～21年,累计行驶里程为50～330 000 km。样本车辆品牌数量见表3。

表3 测试车辆品牌信息统计

1.3 测试工况与测试流程

图2示出了ASM试验运转循环。ASM排放测试有2个匀速工况段，即ASM5025工况和ASM2540工况。先进行ASM5025的检测，再进行ASM2540的检测。DB 44/592—2009中对测量结果的判定有快速判定和正常判定两种方法。ASM5025与ASM2540均有一快速检测工况，规定如果快速检查工况10 s内的排放平均值经修正后等于或低于限值的50%，则测试合格。在检测过程中如任意连续10 s内的任何一种污染物10 次排放值经修正后均高于限值的50%，则测试不合格。未达到快速判定标准、进行正常工况检测的车辆，在每个测试工况时间内如果任何一种污染物连续10 s的平均值均低于或等于规定的限值，则判定为该工况测试合格；如任何一种污染物连续10 s的平均值超过规定的限值，则测试不合格。ASM5025工况检测合格的车辆还需进行ASM2540检测。ASM5025与ASM2540检测均合格才判定车辆检测合格。ASM5025+ASM2540称为全工况测试。

通过NHASM-1检测系统主控显示器上车速信息判断车辆是否进入ASM5025或ASM2540工况，操作人员通过点击NHA-502与NHA-503集成检测显示器上的“on”与“off”标记工况的界限。NHA-502与NHA-503集成检测模块的控制系统能保证两种NO测试仪器测试的同步性，能自动记录、保存受检车辆在两种检测方法下的NO排放值。

用于NO排放比对测试的集成模块检测时间与正常ASM检测系统(NHASM-1)检测时间对应。

2 试验结果及分析

2.1 测试平均值分析

NO的排放浓度分别采用电化学法和NDIR方法进行测量获取，排放污染物测试结果为相对体积分数，以10-6计及。184辆试验车辆中164辆有完整的快速检测或者单个工况过程检测数据，故统计分析基于该164辆车辆检测结果进行。

表4给出了164辆测试车辆的测试结果平均值。由表4可知，快速检测工况下的NO排放测试平均值均低于正常的全工况值，这符合快速判断原则。两种测试技术下ASM5025正常工况测试平均值均高于ASM2540正常工况，快速工况则相反。这与限值、测试工况及顺序、检测结果判断原则相关。ASM5025工况下的NO限值大于ASM2540工况，ASM5025检测在先，ASM2540检测在后，只有ASM5025正常检测合格的车辆才能进入ASM2540工况检测。因此ASM5025正常工况检测值高于ASM2540正常工况检测值是合理的。ASM5025快速检测又位于ASM5025正常检测之前，排放值若在正常工况限值的50%以下，则直接判断检测合格。进行ASM2540快速检测的车辆一定是ASM5025快速检测不能通过，但是能通过ASM5025正常工况检测的车辆。因此ASM5025快速检测平均值低于ASM2540快速检测平均值合理。

除ASM2540快速工况外，其他三种工况下由NDIR方法得到的NO排放平均值均大于电化学法。

表4 两种测试方法下NO排放平均值统计

2.2 过程测试结果分析

图3示出9辆通过ASM5025+ASM2540全工况测试的车辆(均为绿标电控车辆)，同时以电化学方法、NDIR方法测得的NO排放过程检测数据平均值曲线。

从图3可以看出，0～60 s车辆从怠速升至ASM5025工况的加载过程中NO排放呈增大趋势。随测试时间的延长，ASM5025工况测得的NO排气浓度变低。分析原因：一是加载过程刚进入5025工况时发动机状态不稳定，导致开始时NO浓度高；二是检测员操作车辆时，习惯将车速先调到高出25 km/h约1 km/h，再降下来，故测得的NO排放呈先高后低；三是可能与排气催化净化器热状态有关，随检测时间的延长催化净化器温度升高，排气催化净化效率更高。ASM2540工况过程中NO排放基本趋于稳定，原因是排气催化净化器热状态较稳定，催化净化效率稳定，故NO排放检测值较稳定。

比较ASM5025与ASM2540工况下的NO排放值，发现ASM5025工况测试值高于ASM2540工况。分析原因：一是ASM5025测试在先，只有ASM5025检测合格的车辆才能进入ASM2540工况检测，因此一些高排放车辆在ASM5025工况下就被剔除了；二是与负载相关，ASM2540工况负载率为25%，不及ASM5025工况的50%。

无论电化学方法还是NDIR方法，NO检测值随车辆运行工况变化均有一定的滞后，其中NDIR方法滞后1～2 s，电化学方法滞后8～10 s，电化学方法较NDIR方法滞后7～8 s，但两者均在DB 44/592—2009规定的12 s响应时间内。电化学方法采用的阳极电解质中离子数量随时间衰减，滞后时间随着仪器使用时间增长而增大，甚至超过12 s[6]。比较两种测试方法，显然NDIR方法与测试工况的跟随性好于电化学方法。

从图3中还看到，ASM5025工况下NDIR方法测得的NO排放过程值较电化学法稍高，原因主要与电化学方法的滞后性有关，也与测试系统的灵敏度有一定关系。ASM2540工况下两种测试方法得到的NO排放值基本相当。总体来看，整个测试过程中NDIR方法测试结果随时间波动较电化学方法大，表明NDIR方法更敏感。

图4示出30辆通过ASM5025正常工况检测的车辆在两种检测方法下NO排放过程测试数据的平均值比较。由于通过ASM5025正常工况检测的车辆数量大于进行ASM5025+ASM2540全工况检测的车辆数量，导致图4中NO检测值波动率小于图3中ASM5025工况的波动率。

图5示出106辆通过ASM5025快速工况检测的车辆在两种检测方法下NO排放过程测试数据的平均值比较。其总体变化趋势与图4类似，但在排放值下降时，电化学法高于NDIR法，原因与电化学方法测试结果滞后有关。

图6示出了19辆通过ASM5025正常工况+ASM2540快速工况检测的车辆在两种检测方法下NO排放过程测试数据的平均值比较。可以看出，

在ASM2540快速工况下NDIR方法测试值波动较大；在NO排放下降时，NDIR方法测试值低于电化学法，这与表4中ASM2540快速工况下NDIR法NO排放均值小于电化学法相吻合。

从图3至图6均看出，NDIR法下NO检测值与车速工况的跟随性、敏感性均好于电化学法。

2.3 两种测试结果相关性分析

对164辆ASM检测车辆分别采用NDIR方法与电化学法方法获取的NO排放数据绘制散点图，结果见图7。进行回归分析，得出两者回归关系式为

y=0.920 7x-7.701 5。

(1)

两种测试方法下NO测试值线性相关，NDIR方法测试结果平均较电化学方法要大。相关系数R2=0.976 5，非常接近1，说明由两种测量技术获得的NO排放测试结果高度相关，两者等效性较好。

2.4 灵敏度分析

灵敏度分析方法有局部灵敏度分析方法和全局灵敏度分析方法两种[7]，本研究采用局部灵敏度分析方法中的有限差分法进行检测灵敏度分析。

ASM排放测试合格的结果分为4种情形，即ASM5025快速工况通过、ASM5025全工况通过、ASM2540快速工况通过和ASM2540全工况通过。分别统计4种情形下的NO排放检测灵敏程度S，结果见表5。从表5中可知，每种工况下NDIR方法灵敏度值均高于电化学方法，两者均值相差近1倍，说明NDIR方法的NO测试灵敏度高于电化学法。

表5 NO测试灵敏度统计

3 结论

a) NDIR方法与测试工况的跟随性好于电化学方法，电化学法的响应时间较NDIR方法慢7～8 s；

b) NDIR方法测试NO排放的灵敏度值为11.87，电化学法灵敏度值为6.97，NDIR方法灵敏度明显高于电化学法；

c) NDIR法与电化学法测得的NO排放值呈线性关系，相关系数达0.976 5，具有较好的等效性；

d) NDIR方法完全适用于ASM NO排放检测。

[1] 广东省环境保护局，广东省质量技术监督局.DB 44/592—2009 在用点燃式发动机汽车排放污染物排放限值及测量方法(稳态工况法)[S].2008-11-28.

[2] 广东省环境保护局，广东省质量技术监督局.DB 44/632—2009 在用点燃式发动机轻型汽车排气污染物排放限值(简易瞬态工况法)[S].2009-06-04.

[3] 刘俊女,冯玉桥,刘宪，等.在用柴油车NOx排放的定期检测技术分析[J].车辆与动力技术,2012(4):20-23.

[4] 王振国.汽车尾气分析仪的分类及应用概况[J].汽车维修与保养,2005(2)：45-47.

[5] 牛会明.我国排放标准对汽油车排气分析仪的要求[J].汽车维修与保养,2007(3)：62-63.

[6] 徐鲁华,吴晓东,翁端.机动车尾气中氮氧化物的分析检测技术[J].环境污染治理技术与设备,2003,4(11):64-67.

[7] 韩林山,李向阳,严大考.浅析灵敏度分析的几种数学方法[J].中国水运,2008,8(4):177-178.

[编辑：潘丽丽]

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年广东省环保专项资金项目(粤环[2012]64号)

彭美春(1963—)，女，教授，工学博士，从事汽车节能与排放研究；dfyxdf@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.018

TK411.5

B

1001-2222(2015)02-0088-05