机动车尾气检测

机动车尾气检测技术

机动车尾气检测是评估车辆污染物排放水平、控制大气污染、保障在用车辆符合环保要求的关键技术手段。其核心目标在于量化测定尾气中主要有害成分的浓度或质量，为环境管理、车辆维护与认证提供科学依据。

1. 检测项目、方法及其原理

机动车尾气中的主要检测项目包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）以及二氧化碳（CO2）和氧气（O2）。检测方法根据原理不同，主要分为以下几种：

1.1 不分光红外线吸收法（NDIR）

• 原理： 利用CO、CO2等气体对特定波长红外线的选择性吸收特性。红外光源发出的红外光穿过充满待测气体的样品室，气体分子吸收特定波长的红外光能，导致探测器接收到的光强减弱，其减弱程度与气体浓度成正比（遵循朗伯-比尔定律）。

• 应用： 主要用于测量CO和CO2的浓度。该方法成熟、稳定，是稳态工况检测中的标准方法。

1.2 氢火焰离子化法（FID）

• 原理： 待测尾气中的碳氢化合物在氢火焰中燃烧，产生带电离子。在火焰两侧施加电场，离子定向移动形成微弱电流。该电流信号与单位时间内进入火焰的碳原子数（即HC质量流量）成正比。

• 应用： 是测量HC浓度的基准方法，精度高、响应快，广泛用于工况法和简易瞬态工况法检测。为测量柴油车中的HC，通常需要对样气进行加热以防止高沸点HC凝结。

1.3 化学发光法（CLD）

• 原理： 用于测量NOx。尾气中的一氧化氮（NO）与臭氧（O3）反应，生成激发态的二氧化氮（NO2*），当其退激至基态时会发射特定波长的光，发光强度与NO浓度成正比。通过钼转化器将二氧化氮（NO2）催化还原为NO后，可测得NOx总量。

• 应用： 是测量NO和NOx的基准方法，灵敏度极高，线性范围宽，是工况法检测NOx的核心技术。

1.4 不透光烟度法 / 光吸收法

• 原理： 主要用于柴油车可见污染物的测量。一束光穿过一定长度的排烟，烟尘对光进行吸收和散射，导致透射光强衰减。通过测量透射光与入射光的比率（不透光度N，单位%）或单位光程的吸收系数（光吸收系数K，单位m⁻¹）来评价烟度。

• 应用： 是柴油车自由加速烟度和加载减速烟度检测的标准方法。其变体——后散射法，可用于车载道路测量。

1.5 颗粒物质量浓度与数量浓度测量

• 质量浓度测量： 通常采用滤纸称重法。将一定体积的稀释尾气通过特定滤纸，捕集颗粒物，根据滤纸采样前后的质量差和采样体积计算质量浓度（如mg/m³）。这是法规认证的基准方法。

• 数量浓度测量： 主要用于针对超细颗粒的监管（如满足更高级别排放标准）。采用颗粒物数量计数器（如凝结核粒子计数器），通过使颗粒凝结增大后再进行光学计数，测量单位体积内的颗粒物数量（个/km或个/cm³）。

1.6 氧气（O2）传感器

• 原理： 通常采用锆氧传感器。基于氧化锆电解质在高温下两侧氧气浓度不同时产生电动势的原理（浓差电池），通过测量电动势计算氧浓度。

• 应用： 用于监测尾气中氧含量，是计算过量空气系数、辅助判断发动机燃烧状况以及在某些方法中进行稀释修正的重要参数。

2. 检测范围与应用领域

机动车尾气检测技术根据应用目标和场景，主要服务于以下领域：

2.1 型式核准与生产一致性检查

• 需求： 在新车型上市前或车辆生产过程中，验证其是否满足国家或地区强制性排放法规（如国六、欧六标准）。这是最严格、最全面的检测。

• 检测特点： 在实验室底盘测功机上，按照法定的驾驶工况（如WLTC、CLTC、FTP-75），使用高精度分析设备对气态污染物、颗粒物质量/数量进行全流程测量。

2.2 在用车辆定期检验（I/M制度）

• 需求： 对已登记注册的在用车辆进行强制性定期检测，确保其在整个使用寿命内排放可控。

• 检测特点：

  • 汽油车： 多采用简易瞬态工况法（VMAS） 或稳态工况法（如ASM）。将车辆置于底盘测功机上模拟实际行驶负荷，用气体分析仪测量CO、HC、NOx的排放质量（g/km）。

  • 柴油车： 主要进行自由加速烟度法或更严格的加载减速法（Lug-down） 检测，测量不透光烟度值。

2.3 路检路查与遥感监测

• 需求： 对道路行驶车辆进行快速筛查，识别高排放车辆。

• 检测特点：

  • 遥感检测： 在路侧架设红外/紫外光源和探测器，利用差分吸收光谱原理，对驶过车辆的尾气进行瞬时非接触测量，可快速获取CO、HC、NO等的浓度及车速、车牌信息。

  • 便携式设备路检： 使用便携式尾气分析仪（PEMS的一种简易形式）对路边随机抽检车辆进行短时怠速或简易工况检测。

2.4 车载实际行驶排放测试（RDE）

• 需求： 弥补实验室测试与实际道路驾驶的差距，确保车辆在真实道路复杂工况下排放合规。

• 检测特点： 使用便携式排放测试系统（PEMS），将轻量化的气体分析仪、颗粒物计数器、流量计、GPS等集成于车内，跟随车辆在实际道路行驶中连续测量污染物排放，评估是否符合RDE法规限值。

2.5 诊断与维修

• 需求： 车辆故障诊断、维修后效果验证及技术评估。

• 检测特点： 使用四气或五气分析仪，结合车载诊断系统（OBD）读数和怠速、双怠速工况检测，分析发动机燃烧效率及后处理装置（如三元催化器、氧传感器）的工作状态。

3. 检测标准与规范

机动车尾气检测活动严格遵循各级标准与规范，确保检测结果的科学性、准确性和可比性。

3.1 国际主要标准

• 联合国欧洲经济委员会（UNECE）法规： 如R83、R49、R24等，是欧盟及许多国家和地区型式核准的基础。

• 美国环保署（EPA）法规： 40 CFR Part 86, Part 1065等，规定了美国新车认证和在用车的测试规程与技术要求。

• 世界统一轻型车辆测试规程（WLTP）： 全球统一的轻型车实验室测试规程。

3.2 中国主要标准

• 型式核准与生产一致性标准：

  • 轻型汽车：GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，引用了WLTC和RDE测试要求。

  • 重型柴油车：GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》。

• 在用车排放检验标准：

  • GB 18285-2018《汽油车污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》。

  • GB 3847-2018《柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速法及加载减速法）》。

• 检测设备与计量规程：

  • JJG 688-2017《汽车排放气体测试仪检定规程》。

  • JJG 976-2010《透射式烟度计检定规程》。

  • HJ 1014-2020《非道路柴油移动机械排气烟度测量方法》等相关环保行业标准。

4. 检测仪器与设备

完整的机动车尾气检测系统通常由以下几部分核心仪器设备构成：

4.1 底盘测功机

• 功能： 模拟车辆在道路上行驶所受的阻力（滚动阻力、空气阻力），为车辆提供可重复、可控的加载负荷，是工况法检测的基础设备。分为单滚筒和双滚筒式，配备惯性模拟和功率吸收装置。

4.2 气体分析系统

• 核心组成：

  • 采样系统： 包括颗粒物过滤器、冷凝水去除装置、采样泵、流量控制器。对于稀释采样，还包括全流或分流式稀释通道。

  • 分析单元： 集成NDIR分析仪（测CO、CO2）、FID分析仪（测HC）、CLD分析仪（测NOx）和氧传感器。各分析仪需具备量程自动切换、零/跨点自动校准功能。

  • 数据采集与处理系统： 实时采集分析仪信号、测功机参数、环境参数等，按照标准规程计算最终排放结果。

4.3 颗粒物测量设备

• 全流稀释通道与部分流稀释通道： 用于将高温湿态的原始尾气用洁净空气按比例稀释、冷却，模拟大气扩散条件，然后进行采样。

• 颗粒物采样滤纸与称重系统： 用于采集稀释排气中的PM，并在严格控制温湿度的天平室进行精密称重。

• 颗粒物数量计数器（PNC）： 用于法规要求的颗粒物数量测量。

4.4 烟度计

• 不透光式烟度计： 用于柴油车烟度测量，分为全流式和取样式。具备自动清零、光路校准功能，直接显示不透光度N和光吸收系数K。

4.5 便携式排放测试系统（PEMS）

• 功能： 集成了微型化的气体分析模块（通常采用基于NDIR、NDUV、电化学等原理的传感器）、排气流量计（如EFM）、气象站、GPS和数据处理单元，可安装在车辆上进行实际道路排放测试。

4.6 辅助设备

• 环境监测仪： 测量实验室内环境的温度、湿度和大气压力，用于排放数据的修正。

• 校准气体： 含有已知浓度的CO、C3H8（或C2H6）、NO、CO2等标准气体，以及零气（纯氮或清洁空气），用于分析仪的日常校准和验证。

机动车尾气检测技术是一个多学科交叉、法规驱动的综合性领域。随着全球排放法规的日益严格和“双碳”目标的推进，检测技术正朝着更精准（如PN测量）、更实时（如PEMS、遥感）、更智能（与大数据、物联网结合）的方向持续发展，以应对新能源汽车、混合动力汽车等新动力系统带来的检测挑战，为持续改善空气质量提供坚实的技术支撑。