排气分析仪、种类和准确度

汽车排气分析仪是检测点燃式发动机和装用点燃式发动机车辆排气成分含量的仪器。

按能测量的排气成分种类的不同，可将排气分析仪分为两组分（CO、HC）、四组分（CO、HC、CO₂、O₂）和五组分（CO、HC、CO₂、O₂、NO）三种；按测量准确度的不同，可将排气分析仪分为0级、Ⅰ级和Ⅱ级三种。

我国规定采用不分光红外线原理检测汽油车排气中CO、HC、CO₂的含量，采用电化学原理检测汽油车排气中O₂和NO的含量。

1.不分光红外线（NDIR）汽车排气分析仪

（1）测量的基本原理 汽车排气中的CO、HC、NO和CO₂等气体都具有能吸收一定波长范围红外线的性质，而且红外线被吸收的程度与排气含量之间有一定的关系，如图1-6所示。不分光红外线分析法是根据单原子、双原子（惰性气体）单质气体不吸收红外线，而CO、HC、NO和CO₂在吸收一定波长范围的红外线后发生能量变化的原理来测量排气中各种成分含量的。在各种气体混合在一起的情况下，这种测量方法具有测量值不受影响的特点。

图1-6 不同气体吸收红外线情况

（2）两组分汽车排气分析仪的组成 根据上述原理制成的不分光红外线CO和HC排气分析仪如图1-7所示。这种仪器由排气取样装置、排气分析装置、排气含量指示装置和校准装置等组成。它从汽车排气管中采集气样，并对其中所含CO和HC的含量进行连续测量。

1）排气取样装置：排气取样装置由取样头、滤清器、导管、水分离器和泵等组成。使用时先用取样头、导管和泵从汽车的排气管里采集排气，再用滤清器和水分离器把排气中的炭渣、灰尘和水分除掉，只将纯静的排气送入分析装置。所采集的排气在分析仪内的流动路线如图1-8所示。

图1-7 不分光红外线CO和HC排气分析仪

1—导管 2—滤清器 3—低含量取样探头 4—高含量取样探头 5—CO指示仪表 6—HC指示仪表 7—标准HC气样瓶 8—标准CO气样瓶

图1-8 排气在分析仪内的流动路线

2）排气分析装置：排气分析装置由红外线光源、气样室、旋转扇轮和传感器等组成。该装置按照不分光红外线分析法，从来自取样装置的混有多种成分的排气中测量出CO和HC的含量，并以电信号形式输送给含量指示装置。

不分光红外线气体分析仪结构原理简图如图1-9所示。从两个红外线光源发出的红外线分别通过标准气样室和测量气样室，然后到达测量室。在标准气样室里充有不吸收红外线的N₂气体；在测量气样室里充有被测量的排气。测量室由两个分室构成，在两个分室中间装有金属膜式电容微音器作为传感器。为了能够从排气中选出要测量的成分，在测量室的两个分室内分别充入与被测气体相同的气体（在测量CO的分析装置内充入CO气体；在测量HC的分析装置内充入正己烷气体）。

当红外线通过旋转的扇轮断续地到达测量室时，由于通过测量气样室的红外线被所测气体按其含量大小吸收掉了一部分，而通过标准气样室的红外线没有被吸收，这样，在测量室的两个分室内因红外线的能量差别而出现的温度差会使两个分室产生压力差，从而使金属膜片弯曲变形并产生振动，其振动频率与旋转扇轮叶片的转动频率相同。排气中被测气体含量越大（两个分室红外线的能量差越大），金属膜片的弯曲变形程度就会越大。膜片的弯曲变形使电容发生改变，电容的改变又引起电容微音器两端电压的改变，该交变电压信号经放大器放大后被输送到含量指示装置。

图1-9不分光红外线气体分析仪 结构原理简图

1—主放大器 2—指示仪表 3—排气入口 4—测量气样室 5—排气口 6、7—红外线光源 8—标准气样室 9—旋转扇轮 10—测量室 11—电容微音器12—前置放大器

图1-10 不分光红外线CO和HC气体分析仪面板

l-HC标准调整旋钮 2-HC零点调整旋钮 3-HC读数挡位转换开父 4-C0读数挡位转换开关 5-简易校准开父 6-C0标准调整旋钮 7-C0零点调整旋钮 8-电源开关 9-泵开关 10-流量计 11-电源指示灯 12-标准气样注入U 13-CO指示仪表 14-HC指示仪表

3）排气含量指示装置：排气含量指示装置主要由CO指示装置和HC指示装置组成，如图1-10所示。依据排气分析装置送来的电压信号，在CO指示仪表上显示出以体积百分数（%）为单位的CO含量；在HC指示仪表上显示出以正己烷当量体积百万分数（10^-6）为单位的HC含量。仪表的指示可利用零点调整旋钮、标准调整旋钮和读数挡位转换开关等进行控制。此外，还可以通过气流通道一端设置的流量计得知排气通道是否有滤清器脏污等异常情况。

4）校准装置：校准装置是保持分析仪的指示精度，使其显示正确指示值的一种装置。在分析仪上通常设有加入标准气样进行校准的装置和机械的简易校准装置。

①标准气样校准装置是把标准气样从分析仪单设的一个专用注入口（见图1-10中的12）直接送到排气分析装置，再将标准气样含量与仪表指示值相对比的方法进行校准的装置。

②简易校准装置是用遮光板把排气分析装置中通过测量气样室的红外线挡住一部分，用减少一定量红外线的方法进行简单校准的装置。(www.xing528.com)

2.汽油车排气污染物的测量方法

国家标准《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）》（GB18285—2005）规定采用双怠速法或简易工况法进行汽车排气污染物的测量。双怠速法排放限值及测量方法作为标准规定的基本方法在全国范围内强制执行。

国家标准《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB18352.3—2005）规定了装用点燃式发动机的轻型汽车在常温和低温下排气污染物、曲轴箱蒸发污染物的排放限值及测量方法，装用压燃式发动机的轻型汽车在常温下排气污染物的排放限值及测量方法。其对排放限值的要求更加严格。

（1）双怠速法双怠速排放标准是指在两种空转转速下进行污染物排放测量的排放标准。这两种空转转速，一种是普通怠速转速，即车辆使用说明书上规定的怠速转速，另一种是高怠速转速。对于高怠速转速，GB18285—2005规定为50%额定功率转速或制造厂文件中规定的高怠速转速时的工况，并把轻型汽车的高怠速转速规定为（2500±100）r/min，重型汽车为（1800±100）r/min。对于装配三元催化转化器和氧传感器的电喷车辆，要检测排气中的HC、CO含量和过量空气系数（λ）（由测量排气中的O₂含量给出）。当要求发动机转速为高怠速转速时，λ值为1.00±0.03（或制造厂规定的范围）。

双怠速法对汽车排气分析仪的要求为：CO、HC和CO₂的含量采用不分光红外法（NDIR）测量，O₂的含量采用电化学法测量。排放结果以体积分数表示。

（2）简易工况法简易工况法包括稳态工况法、瞬态工况法和简易瞬态工况法三种。这三种方法都需要在底盘测功机上按照各自的测试运转循环进行测试，同时用仪器测出排放结果。

稳态工况法由ASM5025和ASM2540两个工况组成。检测时，经预热的车辆加速至25km/h，测功机将车辆速度为25km/h、加速度为1.475m/s²时的输出功率的50%作为设定功率对车辆进行加载。在ASM5025工况检测结束后，车辆立即加速至40km/h，测功机将车辆速度为40km/h、加速度为1.475m/s²时的输出功率的25%作为设定功率对车辆进行加载。

下面仅以双怠速法为例介绍汽油车排气污染物的测量过程。

1）仪器准备

①按仪器使用说明书的要求对仪器进行各项检查，特别是对排气取样系统进行泄漏检查。

②接通电源，使分析仪预热15min（0级、Ⅰ级）或30min（Ⅱ级）以上，达到稳定状态。在5min内不经任何调整，零位及HC、CO、CO₂、O₂的量距读数应稳定在精度要求范围内。

③在每次试验前2min内，分析仪器应完成自动调零、环境空气测定和HC残留量的检查。

2）汽车准备

①进气系统应装有空气滤清器，排气系统应装有排气消声器，且不得泄漏。

②应在发动机上安装转速仪、点火正时仪、冷却液和润滑油温度计等测量仪器。

③应保证取样探头插入排气管的深度不小于400mm，并能将其固定于排气管上。当车辆排气管长度小于测量深度时，应使用排气加长管。

④预热发动机，使其冷却液和润滑油温度达到80℃或达到汽车说明书中规定的热车状态。

⑤按车辆维修手册的规定调整好发动机的怠速和点火正时。

3）测量方法

①发动机由怠速工况加速至0.7倍的额定转速，维持60s后降至高怠速状态（即0.5倍的额定转速）。

②把指示仪表的读数挡位转换开关置于最高量程挡位。

③在发动机于高怠速状态维持运转15s后开始读数，读取30s内的最高值和最低值，取其平均值作为高怠速污染物测量结果。对于使用闭环控制电子燃油喷射系统和三效催化转化器技术的汽车，还应同时读取过量空气系数（λ）的数值。

④在发动机从高怠速降至怠速状态15s后，读取30s内的最高值和最低值，取其平均值作为怠速污染物测量结果。

⑤若为多排气管，则分别取各排气管高怠速和怠速排放测量结果的算术平均值作为测量结果。

⑥在检测工作结束后，把取样探头从排气管里取出来，继续使排气分析仪工作5min，以吸入新鲜空气，待仪器指针回到零位后再关闭电源。