柴油车尾气排放中氮氧化物的检测研究

2018-01-27山东省机动车排气污染监控中心王兴武康志强浙江浙大鸣泉科技有限公司

汽车维护与修理 2017年9期

山东省机动车排气污染监控中心王兴武，康志强浙江浙大鸣泉科技有限公司吴勇，康野

据公安部交管局统计，截至2017年3月底，全国机动车保有量首次突破3亿辆，其中汽车达2亿辆，机动车驾驶人超3.64亿人，其中汽车驾驶人3.2亿人。随着群众驾车出行需求不断提高，汽车市场潜力持续释放，汽车保有量保持快速增长，近5年年均增加1 400万辆机动车，与此同时汽车排放的污染物总量也不断攀升。当前，我国机动车污染防治形势十分严峻。一是机动车排放总量居高不下。目前，我国机动车排放各类大气污染物4 607万t，其中，氮氧化物（NOx）的排放量约占全国排放总量的1/3。二是新增排放压力巨大。据预测，未来5年我国机动车将新增1亿辆以上，新增污染物排放1 600万t。三是机动车污染危害凸显。机动车已成为我国大中城市的重要污染源。根据第1批大气PM2.5源解析结果显示，北京、上海等大城市及东部人口密集区，机动车对PM2.5浓度的贡献率达15.0%～52.1%。此外，2012年世界卫生组织将柴油车尾气由可疑致癌物提升为明确致癌物。因此，加强机动车尾气污染防治工作，尤其是强化机动车尾气排放监管工作，是防治大中城市以PM2.5和臭氧为特征的复合型污染的重要手段。

随着“十二五”规划约束性指标——2015年氮氧化物排放总量要比2010年削减10%的提出，机动车氮氧化物排放被列入“十二五”总量控制指标，成为电力、工业、机动车和生活等4项约束性指标之一。目前国内外针对在用车氮氧化物排放检测对象仅规定了汽油车，占机动车氮氧化物排放总量比例过半的柴油车仅在新车生产环节检测氮氧化物排放。道路上行驶的柴油车氮氧排放处于监管缺失的状态，一些尾气污染严重的车辆极大地恶化了环境，损害了人身健康。

本文介绍用于检测在用柴油车尾气中氮氧化物总量的检测仪器，从检测对象、仪器结构和仪器原理中几个关键点出发，对检测仪器进行描述。

1 柴油车氮氧化物检测仪器介绍

柴油车氮氧化物检测仪器（图1）由采样系统、气体预处理系统、气体分析与操作显示系统组成，并根据用户的需要，可集成原有的颗粒物浓度测量功能。该仪器具有高测量精度、高可靠性、高使用寿命和专业化设计的特点。

1.1 柴油车氮氧化物检测仪器的气路原理

如图2所示，柴油车氮氧化物检测仪器的气路原理大致为：尾气从被测车辆排气管排出，由采样系统采集尾气样气传输至气体预处理系统，气体预处理系统会将尾气中直径5 µm以上的颗粒物有效滤除，并将尾气中的二氧化氮气体转换成一氧化氮气体送入气体分析系统，分析系统通过光学分析得到一氧化氮气体的浓度。这个浓度包含了原始尾气中一氧化氮气体浓度和二氧化氮气体浓度，反映了氮氧化物总量。

图1 柴油车氮氧化物检测仪器外观

图2 柴油车氮氧化物检测仪器的气路原理

1.2 柴油车氮氧化物检测仪器的电气连接原理

仪器内部系统间主要实现传感器、气动元件、通信元件之间的协调互动，仪器对外与工控机实现数据传输和动作指令传输。仪器配合工控机或自身操作系统完成整个测量过程的动作控制和数据传递。

1.3 柴油车氮氧化物检测仪器的结构

柴油车氮氧化物检测仪器的结构如图3所示，气体预处理系统和气体分析系统均依照标准机柜内部尺寸设计成箱体结构，在现场使用过程将2个箱体中放入专用机柜中形成一套整体。机柜依照标准机柜尺寸设计，内置电源接口和布线工艺槽。机柜底部有轮，可以整体推动移动至某一位置后放下锁止装置固定在该位置长期使用。如图4所示，仪器通过主机模块和预处理模块共同完成气体样品的前处理和NOx的总量测定，同时完成内外数据传输。

2 关键技术研究

2.1 颗粒物过滤

柴油车尾气中通常含有大量颗粒物，这些颗粒物若不经处理会严重损坏仪器内部的气动元件和光学元件，造成仪器瘫痪。根据多年的前期试验数据，专门设计了用于过滤柴油车尾气颗粒物的滤芯和过滤器结构，能够有效过滤掉5 µm以上的颗粒物，保证仪器长年正常使用。滤芯采用进口纤维真空烧结而成，配合过滤器独有的原理结构最大程度发挥滤芯的过滤效果和承载量，确保有效过滤的同时保证滤芯的使用寿命满足至少500辆次连续检测。

2.2 氮氧转换器

柴油发动机缸内燃烧时处于高温、高压、富氧状态，容易产生氮氧化物。氮氧化物（NOx）主要由一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）两种气体组成。采用的光学分析方法，需要将二氧化氮转换成一氧化氮再进行浓度检测。整个转换过程是一个化学还原反应，需要适当的还原剂和反应温度。在结构设计上需要兼顾转换器内部高温需求和外部管路材料耐温可靠性需求。通过巧妙的螺旋形预加热系统使得热量有效集中在化学还原反应中，提高转换效率的同时保证了系统的可靠性。