内燃机排放动态测量技术新进展

作者：同济大学 熊可嘉 张万平

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 汽车尾气是大气污染物的一个重要来源，对汽车污染物排放浓度的测量显得非常重要。目前汽车尾气有许多测量方法，如：化学发光分析仪（CLD）、氢火焰离子化分析仪（FID）、不分光红外线吸收分析仪（ND IR）等等。但这些方法主要用于发动机的稳态测量，只能满足浓度变化微小的工况。对于变化剧烈的动态工况，其测量值对时间积分后的结果是准确的，但在各时间点的测量值与实际值有较大差距。 测量内燃机在不同工况运行和某工况下按不同速率变化的动态排放特性，对于了解废气的成因和有针对性地采取措施以改善内燃机的排放有很大意义。世界各国对内燃机动态排放测量技术的研究都投入了很大精力，本文介绍了近期国外在这方面的一些进展。 1 可移动的四极质谱仪 William P.Partridge提出一种用新型质谱仪（MMS，MobileMass Spectrometer）测量汽车尾气的方法（见图1）。与其它质谱仪相比，该仪器轻巧结实、移动方便，能测量多种气体，并有较快的响应速度。 （1）MMS的组成 MMS包括毛细取样管、标准残余气体分析仪、涡轮泵、电控单元及一台笔记本电脑。取样管为图1可移动质谱仪毛细管，对被测流场的影响非常小。风冷涡轮泵用于将尾气吸入MMS。电控单元可以调节电离室内电场的电势差，从而根据需要选择性地电离气体，增加可测量气体的种类。笔记本电脑用来遥控整个系统，其最大遥控距离可达15m。 （2）MMS的标定 MMS使用Horiba SGD-710标准并按其指定的标准程序进行标定。标定过程中，将稀释气体（N2）与混合在输送气体（N2）中的标定气体逐步混合。稀释气体与输送气体为同种气体，避免了二者的粘度差异，可以大大降低混合气体对测量系统造成的不稳定性。MMS同时对多组分气体的标定目前还没有合适方法。 （3）适用的气体种类 一种气体离子化后，产生的离子如与其它种类气体离子的质荷比（m/z）相同或相近时，会发生相互干扰。有些气体如O2、C3H6不受此影响。但有些气体，如NO与CH2O（m/z=30）、H2O与NH3（m/z=18、17）对这样的干扰比较敏感。对于这些气体，如果在浓度上有明显差异，MMS仍可以把它们区分开来，比如NO的浓度大于CH2O的浓度100倍以上；CO2的浓度大于N2O的浓度1000倍以上。通过调节气体离子化时电场的电势差，根据气体种类的不同有选择性地电离分子，可以减轻质荷比相同或相近带来的干扰。 N2O和NO2很容易分解，分解后易与CH2O、C2H6相互干扰（m/z=30）。但是由于NO2的浓度大大高于其他3种成分，且分解后的NO2的电离能与其它3种成分显著不同（见表1），因而可以通过调节电场的电势差来选择性地电离气体，从而将NO2与CH2O、C2H6、N2O区分开。 MMS还可以测量NOX的总浓度（与NO和NO2相比，N2O的浓度很低，因此NOX的浓度值忽略了N2O）。因为NO和分解后的NO2的质荷比相同，而且MMS对它们各自的响应时间差别很小，因而NOX的测量结果不会因废气中NO和NO2比例不同而有显著变化，故MMS可以很方便地测量NOX的总浓度（m/z=30）。 如发动机采用了选择性催化还原技术，尾气中会含有NH3。但MMS很难测出NH3（m/z=17）含量，因为H2O（m/z=18）会产生干扰，尽管二者的电离能明显不同，但当N2含量为0.7%（v/v）时，NH3的测量下限为2000ppm，所以，在排气中测量NH3非常困难。 受N2（m/z=18）的影响，MMS不能测量CO（m/z=18）。但用激光或化学方式电离气体的质谱仪（MS），可以进行选择性电离，测量CO的浓度。 MMS不能测量HC浓度值。因为HC的成分变化非常大，且各种成分在MMS中的响应时间不同，故用MMS测量HC浓度后无法标定。 （4）稳态响应特性 对于质荷比为30的NO来说，MMS响应的线性度和准确度都非常好（图2）。其测量范围很宽，达5000ppm以上；标定因子的误差在15%左右。 (5)动态响应特性 用半高全宽(FWHM，Full Width at Half Maximum)为400ms的气体脉冲分别测试MMS和传统CLD做对比实验。MMS结果显示为410 ms，而CLD为1300 ms。MMS的动态响应特性好于CLD。 虽然CLD的动态响应并不好，但其对时间积分后的结果却是正确的，这也正是CLD在稳态测量中得到应用的原因。因此用CLD来检验MMS对时间的积分，结果表明，二者非常一致。MMS对时间积分的结果和其对脉冲FWHM测量的精度证实了MMS动态响应的准确性。 MMS有很好的动态响应特性和宽广的测量范围，并且对被测流场影响很小。由于电场的电势差可调，因而能够测量包括NOx在内的更多种类气体。MMS长宽高分别为61cm、18cm、38cm，重量为12kg，坚固可靠，价格便宜，可以比较方便地移动。 2 新型NDIR设备 Cambustion公司采用一种新型NDIR技术来测量CO2，该分析仪的时间响应在5ms左右。 红外线经过气体一定程度的吸收后，照射到检测探头的光敏元件上，造成光敏元件的表面电阻下降，通过测量表面电阻的变化，可以知道红外线被吸收的程度，从而测出CO2的浓度。 该分析仪的探头被称为f CO2探头(如图3)，它与一根受加热的取样管连接。探头中的样品室大小约0.5 cm3，里面的压力受到控制，并低于汽车排气管的压力。红外光源的背面有一面凹镜，用来形成平行光束。光束穿过样品室和一面滤镜后照射到光路另一端的红外线检测器上。探头中还有一个冷却器，以保证红外线检测器在－10℃左右工作。 f CO2探头的几个关键点如下： 连续运行。传统的NDIR有一个高速转动的截光盘，使红外线间断地照射样气，因为这样可以将NDIR的漂移特性控制在一定范围之内。然而为了得到响应时间低于5 ms的快速反应，测量元件应尽量靠近发动机，或者直接放进取样头。如果采用类似截光盘的断续设备，会使取样头结构复杂，且外型很大。因此f CO2探头取消了间断设备，采用连续运行模式。当漂移超出可接受的范围，则要重新标定。f CO2有良好的温控措施，重新标定的时间间隔可达10min以上。 ●带水蒸气运行。为了满足快速响应的需要，凝结的水蒸气会使烟气中的部分成分溶解，但如果像传统NDIR那样使烟气干燥，会使f CO2的响应延迟。所以分析仪采用加热取样管的方法，使烟气温度高于水蒸气的饱和温度，从而避免烟气成分的溶解。为了使红外线检测器的工作温度保持在－10℃左右，f CO2采用了更好的隔热措施和冷却措施。 烟气中的水蒸气还会吸收红外线，影响CO2的测量。但CO2主要吸收波长为4.2～4.4μm的红外线，而H2O对此部分吸收很少，所以f CO2用一面滤镜对红外线进行滤光。 ●样品室尺寸。样品室尺寸越大，红外线在样品室中的光程就越长，检测器对浓度的变化就越敏感。但f CO2的样品室尺寸受到许多因素限制，不能太大。 ●样品室压力。样品室压力越高，取样尾气的分子浓度就越高，对红外线吸收的变化就越剧烈，检测器就越敏感。样品室压力越低，与取样点处的压力差就越大，取样尾气的质量流率就越高，检测器就越敏感。综合考虑两方面因素，样品室的压力越低越好。 汽车排气中含有颗粒物，所以f CO2的光学部件应少受沾污的影响。实践表明，f CO2在连续使用8h后仍不会有问题。 在f CO2的基础上，Tim Hands和Mark Peckham等人对其感应元件作了修改，更换了其中的滤镜，使红外线的透射波长变成可为CO吸收的4.57～4.77μm，修改后分析仪的响应时间为7ms。 3 改进的FID T．K．Jensen和J．Schramm采用了一种快速响应FID来测量UBHC(Unburned Hydro-Carbon)，其结构如图4所示。FID中待测取样尾气的压力对其测量精度有很大影响。为了避免发动机取样点处废气压力的变化对FID内取样尾气压力的影响，传统FID用一根很长的毛细管来稳定FID内取样尾气的压力，这就使得传统FID的响应速度很慢。新型FID采用稳压室稳压，消除了静压的波动。燃烧室内的取样尾气导管与稳压室内的供气导管相互垂直，消除了取样尾气动压的影响。由于取样尾采集后立即送入FID，使响应速度大幅提高。新型FID的响应速度取决于取样尾气在取样管内和燃烧火焰中的扩散速度。 4 用于测量颗粒物的DMS Kingsley Reavell，Tim Hands采用了一种新设备DMS来测量排放物中颗粒物的数量和粒径分布。它利用了静电分类技术，测量范围为5～1000nm，响应速度达到200ms。 此前，在颗粒物粒径的测量过程中，最常用的设备是DMA(Differential MobilityAnalyzer)。DMA首先使颗粒物带电，然后根据颗粒物的电子活性(在某一电场下颗粒物运动的快慢程度)进行分类。由于改变电子活性电场的电压逐渐增加，因而区分电子活性的过程比较慢，DMA的响应也就比较慢(完成一个完整的粒径分布约需100 s)。另一种可以测量颗粒物粒径的设备是ELPI(Electrostatic Low Pressure Impactor)，它是一种可以实时测量的串级冲击器。ELPI首先使汽车尾气中的颗粒物带电，然后使气流冲击多级冲击器，冲击器捕捉相应粒径的颗粒物，由于颗粒物带电，冲击器上会产生相应的电量信号，利用与每级冲击器相连的静电计测出这些电量信号后就可以知道粒径的分布。ELPI的检测范围为10～32μm，其测量下限过高，对于人体健康有较大危害的微小颗粒不能测量。这主要是由于ELPI采用惯性分离的原理。为解决这一问题，可以在末级冲击器增加一块过滤片。 DMA和ELPI都需要使颗粒物带电，但其过程各有不同。DMS(如图5)实际上是DMA和ELPI的结合。它和DMA一样根据电子活性对颗粒物分类，也像ELPI一样采用电晕放电，并尽量提高颗粒物带电程度和避免微小粒子的损失，然后根据电量计的结果计算粒径分布。 DMS的问题是，当颗粒物的粒径大于气体的平均自由行程时，它们的电子活性会变得很接近，从而使颗粒物测量的上限受到限制。将分类室内的压力减小到25 kPa，可以提高气体的平均自由行程，使颗粒物测量的上限达到1μm。DMS有非常快的响应速度，并可测量很细小的颗粒，已经在柴油机颗粒物的测量中得到应用。 5 结论 内燃机排放物的动态测量已经有了发展，但仍然存在一些问题，如MMS不能完全排除多气体成分之间的相互干扰； f CO2探头的灵敏度受到样品室内压力的影响等等。对动态排放测量设备除要求精度高、响应快以外，还应当价格便宜、移动方便，这也是今后发展的一个方向。我国在发动机尾气的动态测量方面还有待进一步的研究。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/20/2007)