雖然目前世界上通過政府認(rèn)證的PEMS還不多，而且很多國家都沒有頒布對PEMS的認(rèn)證制度。由于底盤測功機(jī)應(yīng)用的局限性，使得人們開始考慮使用更為先進(jìn)的汽車排放污染物測試途徑——便攜式排放測量系統(tǒng)（PEMS， PortableEmission Measure System）。但是從全球范圍內(nèi)廣泛使用通過美國和歐洲認(rèn)證的PEMS的效果來看，這些便攜式排放測量系統(tǒng)還是能夠真實(shí)反映車輛排放情況，設(shè)備的精確性和可靠性還是能夠滿足我們進(jìn)行道路排放測試的需要的。由于這些便攜式排放測量系統(tǒng)主要是通過直接在車輛上進(jìn)行安裝、測試，所以也被稱為車載排放測量系統(tǒng)。
一、車載排放測試技術(shù)簡介
車載排放測試技術(shù)是近些年才日益快速發(fā)展的新技術(shù)。對于其研究是始于20世紀(jì)80年代。車載排放測試技術(shù)的發(fā)展是伴隨著科技和工業(yè)水平的進(jìn)步，以涌現(xiàn)的更新，更全，更精確，更強(qiáng)大的測試設(shè)備的出現(xiàn)為標(biāo)志的。
便攜式排放測量系統(tǒng)通過將排氣尾管直接連接到車載氣體污染物和微粒測量裝置上，對車輛尾氣進(jìn)行直采，實(shí)時(shí)測量整車排放的體積濃度和質(zhì)量流量排量，得到氣體污染物的質(zhì)量排放量和微粒排放量。雖然PEMS采用的是直接采樣的取樣方法，但是在取樣過程中沒有對取樣氣進(jìn)行冷卻，這樣就排除了由于冷凝而對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響。通過對測量的瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)以及GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果，形成對被測車輛排放水平的評估。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅可以保證測試的精確度和可靠性，而且可以節(jié)約大量的測試時(shí)間和測試成本。特別是由于這套系統(tǒng)具有重量輕、體積小的特點(diǎn)，能夠放在被測車輛上，可以在實(shí)際道路運(yùn)行條件下對車輛排放進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。這樣就能夠反映外界環(huán)境條件的變化對車輛排放的影響。
雖然各個(gè)公司的PEMS產(chǎn)品各有不同，但其采樣、數(shù)據(jù)處理的流程基本是一樣的。作為一個(gè)整體，PEMS按照圖1所示的PEMS結(jié)構(gòu)圖，將各測量儀器集中到一起，利用PITOT管直采的方法，對尾氣進(jìn)行直接取樣，分析各污染物的瞬時(shí)排放濃度。車輛排放的氣體，在PEMS的各個(gè)分析儀內(nèi)經(jīng)過分析之后，和環(huán)境參數(shù)、GPS參數(shù)一起進(jìn)入數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，之后輸入到記錄和存儲數(shù)據(jù)的PC中。
安裝PEMS也是相當(dāng)容易的。對于乘用車和卡車，可以將系統(tǒng)安裝在被測車輛的副駕座位上，這樣就使監(jiān)視屏幕和控制器面向駕駛員，并且所有的連接器面向副駕一側(cè)的車門。系統(tǒng)也能安裝在小轎車的后座上，小型廂式車的地板上，掀背式轎車或者皮卡的貨箱里，或者車上其他任何安全、方便的地方。將該系統(tǒng)放置在座位上時(shí)，最好在座位上鋪上保護(hù)墊或者油布，這樣是為了防止對座位的損壞。當(dāng)測試重型車輛時(shí)，可以將設(shè)備放置在對車輛運(yùn)行和用戶使用來說認(rèn)為安全的地方。
二、各污染物分析原理及分析儀
（一）CO與CO2測量儀器
非透視紅外線分析儀（NDIR，Nondispersive Infrared Analyzer）是目前用來試驗(yàn)和評價(jià)內(nèi)燃機(jī)排氣中有害排放物的一種廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器，這種儀器主要用來測定CO和CO2濃度。對于在紅外線領(lǐng)域中具有吸收帶的非對稱氣體分子，如HC，原則上也能進(jìn)行測量。
非擴(kuò)散紅外分析儀是通過測定試樣中對象成分的紅外光的吸收能，來測定它的成分濃度。它的基本構(gòu)造如圖2所示。它由兩個(gè)相同的紅外光源、試樣室、比較室、檢測室、截光室，以及信號放大器和記錄儀器等部分組成。
在圖2中，比較室中充滿了惰性氣體（通常為N2），這種氣體不吸收待測氣體波長的紅外線能，不會影響測量結(jié)果。兩個(gè)紅外光源輻射出的紅外線分別是經(jīng)過試樣室和比較室進(jìn)入由彈性膜片隔開的檢測室的上下兩個(gè)腔內(nèi)，在檢測室的兩個(gè)腔內(nèi)充入等量的純待測氣體，彈性膜片與金屬電極共同組成可變電容器，其電量的大小與其間距離成正比變化。當(dāng)紅外線同時(shí)通過試樣室和比較室時(shí)，由于試樣室的氣體吸收紅外光能，而比較室的氣體不吸收紅外光能，結(jié)果使檢測室的兩個(gè)腔所受的紅外能不同，由此造成兩個(gè)腔內(nèi)溫度變化的不同，使左右兩個(gè)腔內(nèi)壓力不等而使膜片發(fā)生位移，于是電容電量發(fā)生變化。根據(jù)電容量的變化即可確定待測氣體的濃度。
試樣室中吸收的紅外光能與被測氣體濃度的關(guān)系可以按式1表示：
式中：Ea—所吸收的能量
Ei—入射能量
k—光能吸收系數(shù)
c—被測氣體濃度
L—試樣管長度
當(dāng)濃度變化越大時(shí)，轉(zhuǎn)換成檢測室電容量變化越大，得到的電輸出信號越大。NDIR就是根據(jù)輸出電信號的大小得出樣氣中CO和CO2的濃度。
（二）HC測量儀器
雖然NDIR原則上可以測量HC，但是NDIR對烯烴和芳香族的敏感度很低，所以需要更為合適的測量儀器對尾氣中HC濃度進(jìn)行測量，主要用作測量碳?xì)浠衔锟偭浚?/SPAN>THC）。目前，在CVS采樣中普遍使用氫火焰離子化分析儀測量車輛尾氣中的HC濃度。
氫火焰離子化分析儀（FID，Flame Ionization Detector）是用來測定內(nèi)燃機(jī)排氣中未燃碳?xì)浠衔餄舛鹊膬x器之一。由于氫氣與空氣燃燒離子化作用非常小，但如果將有機(jī)碳?xì)浠衔飳?dǎo)入氫火焰中，在氫火焰的高溫（2000℃）作用下，部分分子和原子就會離子化生成大量的自由離子，離子化的程度與碳?xì)浠衔锓肿又刑荚訑?shù)成正比關(guān)系。FID就是通過以上現(xiàn)象，外加適當(dāng)電場，使自由離子形成離子電流并產(chǎn)生微電流信號，那么通過測量離子電流的大小即可確定試樣氣中碳?xì)浠衔镆蕴荚佑?jì)量的濃度。圖3所示的就是FID結(jié)構(gòu)示意圖。
雖然FID對水蒸氣的靈敏度很低，但是由于碳?xì)浠衔镏懈鹘M分的沸點(diǎn)不同，高沸點(diǎn)的碳?xì)浠衔镌谥苯硬蓸舆^程中會產(chǎn)生吸附和凝聚，因此預(yù)防試樣系統(tǒng)中HC的凝縮損失及水凝聚以避免毛細(xì)管堵塞仍然是很重要的?；谝陨系脑?，在使用FID之前，要對燃燒裝置和采樣管進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)整個(gè)測試系統(tǒng)的溫度保持在150℃～200℃以上時(shí)，排放樣氣中的HC一般不會出現(xiàn)凝聚和吸附的現(xiàn)象。
（三）NOx測量儀器
對于氮氧化物的測量，雖然能夠使用NDIR測量NO，用非擴(kuò)散紫外分析儀（NDUV）測量NO2，然后作為NOx值。但是現(xiàn)在這兩種方法都存在輸出特性呈非線形關(guān)系及干擾組分影響大的缺點(diǎn)。而化學(xué)發(fā)光分析儀（CLD，Chemi luminescent Detector）具有線形范圍寬（在10000ppm范圍內(nèi)輸出特性呈線形關(guān)系）、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、能夠連續(xù)測量等優(yōu)點(diǎn)。所以現(xiàn)在主要使用CLD測量汽車排放中的NOx。
CLD測量的基本原理是讓含有NO的被測樣氣和臭氧在反應(yīng)室中相遇時(shí)，發(fā)生如式2和式3所示的化學(xué)反應(yīng)，通過化學(xué)光測量NOx。即將O2送入臭氧發(fā)生器，轉(zhuǎn)換成O3，使O3與NO產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生NO2分子，在NO2分子由激發(fā)態(tài)衰減到基態(tài)的過程中時(shí)，會發(fā)出波長為0.6～3μm的光。由于發(fā)光強(qiáng)度與進(jìn)入反應(yīng)室的NO質(zhì)量成正比，所以將光信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)信號放大器輸出，這樣就測量到NO的濃度；對于NO2，通過NO2→NO轉(zhuǎn)換器將NO2還原為NO后進(jìn)入反應(yīng)室，再按上述方法進(jìn)行測量，求得NO和NOx之和，這樣就測到被測樣氣中氮氧化物的總和NOx。
式中，NO2為激發(fā)態(tài)NO2；h為普朗克常量；v為光量子頻率。
（四）柴油機(jī)排氣微粒測量系統(tǒng)
對于柴油機(jī)排放微粒的采集系統(tǒng)，現(xiàn)可分為兩種，即全流式稀釋風(fēng)道采樣系統(tǒng)和分流式稀釋風(fēng)道采樣系統(tǒng)。前者將全部排氣引入稀釋風(fēng)道里，測量精度高，但體積較大，價(jià)格昂貴；后者僅將部分排氣引入稀釋風(fēng)道里，因而體積小。美國的輕、重型車用柴油機(jī)排放法規(guī)以及歐洲輕型車排放法規(guī)中，規(guī)定要用全流式稀釋風(fēng)道測量柴油機(jī)微粒排放;歐洲重型車用柴油機(jī)排放法規(guī)及我國2000年后的新排放法規(guī)中，對于以上兩種系統(tǒng)都允許使用。在對微粒成分的分析中主要采用熱解質(zhì)量分析法（TGA）和萃取法采集SOF的SE萃取法。
在稀釋風(fēng)道測量系統(tǒng)中，全部排放氣被引入稀釋風(fēng)道里。用于稀釋排放氣的空氣通過抽氣泵先經(jīng)過空氣濾清器?？諝鉃V清器由粗、細(xì)灰塵過濾器和活性炭過濾器組成，以過濾空氣中的灰塵和不純氣體成分。經(jīng)過空氣濾清器過濾后的空氣和排放樣氣在稀釋風(fēng)道里進(jìn)行混合，形成稀釋樣氣。在稀釋風(fēng)道上距離排氣入口10倍于稀釋風(fēng)道直徑的地方，稀釋后的排放氣樣分別被2個(gè)微粒取樣泵引向直徑大于47mm的微粒取樣濾紙，這2個(gè)氣流的體積可以通過流量測量計(jì)算出來。
三、車載測試設(shè)備的開發(fā)和使用
（一）OEM-2100車載排放測量系統(tǒng)
OEM2100由美國清潔空氣技術(shù)公司（CATI）開發(fā)，是用于實(shí)際道路排放監(jiān)控的最先進(jìn)和最新版的PEMS。該設(shè)備可以提供針對汽油車的HC、CO、CO2、NOx和O2的讀數(shù)以及針對柴油車的NOx、CO、CO2、O2、PM（輕微擴(kuò)散）的讀數(shù)。該設(shè)備帶有的GPS系統(tǒng)可以記錄道路車輛測試過程中的經(jīng)緯度信息，可以描繪車輛行駛路線。
OEM-2100系統(tǒng)是通過使用車輛和發(fā)動機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)和來自排氣管的尾氣樣本里的污染物濃度，以測量在實(shí)際道路駕駛條件下車輛質(zhì)量尾氣排放。它安置在乘客座椅或者車輛底板上，并且提供逐秒測量的排放、油耗、車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度、節(jié)氣門位置以及其他參數(shù)。使用一列分析傳感器可以直接讀出發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)。對于有輔助的發(fā)動機(jī)電腦診斷端口的車輛來說，使用這個(gè)端口就能獲取發(fā)動機(jī)和車輛的數(shù)據(jù)。
OEM-2100單元由5個(gè)主要的子系統(tǒng)構(gòu)成：電腦、輕型車掃描器、重型車掃描器、微粒物監(jiān)控器及雙重氣體分析儀。此外，還有幾個(gè)可選擇的設(shè)備，包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、預(yù)先催化取樣器、加熱取樣管、重型發(fā)動機(jī)掃描儀和通用傳感器列，這些設(shè)備根據(jù)測試需要，進(jìn)行選擇性的安裝。圖4所示的是OEM-2100系統(tǒng)安裝和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D。
（二）SEMTECH系列車載排放測量系統(tǒng)
SEMTECH系列車載排放測量系統(tǒng)是由Sensors公司開發(fā)出來的PEMS產(chǎn)品。其中SEMTECH-D是以柴油機(jī)為測試對象，而SEMTECH-G則是針對汽油機(jī)排放測試而開發(fā)的。SEMTECH-D/G兩種產(chǎn)品的主要區(qū)別在于SEMTECH-D增加了對NO2的標(biāo)定和測量，對其他污染物測量的原理和方式是相同的。儀器由1個(gè)帶有非透視紅外線（NDIR）和非分散紫外線（NDUV）的火焰離子化探測器（FID）的組合體構(gòu)成。SEMTECH-D和-G也可以安裝允許的其他附件和GPS模塊。數(shù)據(jù)能夠通過手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)線分別以無線和有線的方式傳輸?shù)搅硗獾墓P記本電腦上，以方便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和儲存。
1．SEMTECH-D
早期在美國環(huán)保局（EPA）Ann Arbor實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的相關(guān)測試證明SEMTECH-D儀器和FTP系統(tǒng)等效（數(shù)據(jù)在要求上是可以利用的）。它可以測試所有級別的柴油車在實(shí)際運(yùn)行條件下的排放。表1所示的是SEMTECH-D針對不同污染物的測量參數(shù)。
2．SEMTECH-G
Sensors公司針對所有級別的汽油車和實(shí)際運(yùn)行條件開發(fā)出SEMTECH-G。SEMTECH-G也能夠在車輛運(yùn)行的同時(shí)測量并且記錄排氣管排放和車輛的車載電控系統(tǒng)的輸出。排放污染物NOx，CO，CO2和THC按照g/km為單位進(jìn)行輸出。可以發(fā)現(xiàn)，SEMTECH-D/G的應(yīng)用范圍和設(shè)備特征基本上是相近的?？蛇x的附件和GPS模塊在兩套設(shè)備上是可以通用的。表2所示的是SEMTECH-G針對不同污染物的測量參數(shù)。
（三）OBS系列車載排放測量系統(tǒng)
OBS（On-Board Emission Measurement System）系列車載排放測量系統(tǒng)是由日本HORIBA公司開發(fā)的。由防振型排放測量單元、主控筆記本電腦以及相關(guān)軟件、傳感器和帶有PITOT流量計(jì)的采樣接頭等組成?，F(xiàn)在普遍使用的OBS系列包括OBS-1000和OBS-2000兩種系列型號。這兩種型號主要差異在于對不同排放因子的分析單元上的不同，但是測試流程和制造理念還是相同的。表3列出的是OBS的兩種產(chǎn)品在對排放因子分析時(shí)各自使用的分析儀。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，OBS-2000系列對OBS-1000系列進(jìn)行了改進(jìn)。分析方式的改進(jìn)增大了儀器分析的靈敏度，而且減小了整套儀器的體積和重量。
OBS和其他PEMS系統(tǒng)一樣，可以很方便地安放在被測車輛上。圖5所示的是OBS系統(tǒng)在被測車輛上的布置示意圖。表4列出的是OBS各組件及其功能（表4中的序號對應(yīng)圖5）。
在OBS中，主控筆記本電腦主要功能是對GPS數(shù)據(jù)及其他外部信號、排氣濃度及相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)、排氣組分及油耗的實(shí)時(shí)質(zhì)量值和積分質(zhì)量值等進(jìn)行采集存儲。通過控制軟件，在主控電腦上可以對測試流程和分析儀進(jìn)行控制，同時(shí)采集并顯示污染物濃度、排氣流量/溫度/壓力、環(huán)境溫度/壓力/濕度、GPS信號和車速以及其他外部輸入信號，通過輸入的信號計(jì)算出排放質(zhì)量、油耗、行駛里程、空燃比等。
OBS的附屬傳感器包括排氣溫度傳感器、排氣壓力傳感器、環(huán)境溫度和濕度傳感器、環(huán)境壓力傳感器、GPS、電池電壓監(jiān)控器等。
四、結(jié)論
基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試的局限性，開辟了一種新的測試在用車輛排放水平的途徑——PEMS測試方法。這種測試方法可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室測試的局限性，具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。本文著重介紹了目前各大公司開發(fā)的PEMS設(shè)備，講述了它們的結(jié)構(gòu)、組成、安裝以及使用原理等問題。隨著車輛排放標(biāo)準(zhǔn)的越來越嚴(yán)，這種測量方法必將會在不久的將來應(yīng)用到各種類型的車輛排放測試上，這些測試設(shè)備也會被廣泛地使用。
（轉(zhuǎn)載）
