摘 要

实际上，污染物排放法规能否有效的起到降低排放的作用主要取决于在执法过程中对污染物检测水平的高低。因此，在执行法规的过程中，NO_X浓度测量的准确性显得尤为重要。

本文通过三种不同原理的测量设备同时去测取某一已知型号的柴油机在进行台架试验时所产生的NO_X排放量，并对所得数据进行差异性分析，得到了如下结论：从工况一到工况四的过程中，随着负荷的下降，Testo350测量的NO_X排放量与PEMS测量的NO_X排放量的相对误差逐渐增大，从工况一时的1.78%增大到了工况四时的8.69%，这表明Testo350测取的数据的准确性随着负荷的下降而降低了。与之相反，NO_X传感器测量的NO_X排放量与PEMS测量的NO_X排放量的相对误差基本稳定在2.5%内，这表明NO_X传感器测取的数据的准确性受负荷变化的影响不大。本文所得的结论对处在不同工况下时如何选取合适的测量设备去测取尾气中的NO_X排放量有一定的借鉴意义。

关键词：便携式排放测量系统；德图350；NO_X传感器；NO_X排放量

Abstract

In fact, whether the pollutant emission regulations can effectively reduce emissions mainly depends on the level of pollutant detection in the enforcement process. Therefore，in the process of enforcing regulations ，the accuracy of NO_X concentration measurement is very important.

In this title, three different measuring equipment are used to the measure the NO_X emissions of a known type diesel engine which are during the test at the same time. Through analyze the differences between the acquired data ,the writer got the conclusion as follows： from working condition one to four，as the load down, the relative error of the NO_X emissions which are measured by Testo350 and PEMS gradually increased. It increased from 1.78% at one working condition to 8.69% at four working conditions. The result suggests that Testo350 accuracy of data acquisition will decrease with the load decreased. On the contrary，the relative error of the NO_X emissions which are measured by NO_X sensor and PEMS is basically stable within 2.5%. The result indicates that the accuracy of data which is measured by NO_X sensor is not greatly affected by the change of load. The conclusions obtained in this title have certain reference significance for how to select appropriate measuring equipment to measure NO_X emission from exhaust gas under different working conditions.

Key Words：AVL PEMS；Testo350；NO_X sensor；NO_X emissions

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及现状 1

1.11 研究背景 1

1.12 研究现状 1

1.2 柴油机尾气NO_X浓度测量设备简介 2

1.2.1 CAI600氮氧化物分析仪 2

1.2.2 HORIBA NO_X监测仪APNA-370 3

1.2.3 便携式排放测量系统（AVL PEMS） 4

1.2.4 Testo350 5

1.2.5 NO_X传感器 6

1.3 研究目的 7

第2章 三种设备测量柴油机尾气NO_X的原理 8

2.1 AVL PEMS 8

2.1.1 AVL PEMS测量原理 8

2.1.2 AVL PEMS测试流程 9

2.1.3 AVL PEMS技术参数 10

2.2 Testo350 11

2.2.1 Testo350测量原理 11

2.2.2 Testo350测试流程 11

2.2.3 Testo350技术参数 11

2.3 NO_X传感器 14

2.3.1 NO_X传感器测量原理 14

2.3.2 NO_X传感器测试流程 14

2.3.3 NO_X传感器技术参数 15

第3章 试验数据来源 16

3.1 试验对象 16

3.2 试验条件 17

3.3 测点位置 17

3.4 试验数据 18

第4章 NO_X浓度的差异性 22

4.1 差异性评价 22

4.2 差异原因分析 24

第5章 总结与展望 26

5.1 总结 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景及现状

1.11 研究背景

近几十年来，随着人类社会的不断发展，工业水平的不断提高，与之相对应的环境问题也日益严重，其中氮氧化物(NO_X)作为主要的工业废气污染物之一，是引起酸雨和光化学烟雾的主要原因，对人类生存的大气环境有很大影响。为了减少NO_X污染排放，我国对此提出并实施了一系列的污染排放总量控制法规^[1、2]，而实际上，立法能否真正的起到减排的作用主要取决于在执法过程中对污染物检测水平的高低。因此，在执行法规的过程中，NO_X浓度测量的准确性显得尤为重要，其测量结果的可靠性和准确性直接影响到执法效果和反映环境质量的真实性。在这种背景之下，我们有必要对市场常见的NO_X测量仪器设备就其输出结果进行对比分析。

1.12 研究现状

目前，适用于柴油机尾气环境的NO_X测量技术呈现出多样性。其中主流的测量原理有：化学发光法（CLD）^[3-5]、不分光紫外分析仪法（NDUV)^[6、7]以及电化学法^[8、9]等。例如，美国CAI公司生产的CAI600氮氧化物分析仪、日本HORIBA公司生产的NO_X监测仪APNA-370等均采用化学发光法测量NO_X浓度，奥地利AVL公司生产的AVL GAS PEMS采用不分光紫外分析仪法测量柴油机尾气中NO_X，而德国德图公司生产的Testo350则是采用电化学法测量柴油机尾气中NO_X，除此之外，普遍安装在商用车上的NO_X传感器采用了间接的测量方法来测取柴油机尾气中的NO_X（详见测量原理）。

王海军、何超、贾德文等人分析了目前柴油机尾气中NO₂测量方法及排放特性的现状，并在一台高压共轨增压中冷柴油机上进行了NO₂排放试验。试验结果表明化学发光分析仪(CLD)和紫外分析仪(NDUV)均可用于柴油机NO₂排放的测量,连续再生捕集器(CRT)的使用增加了柴油机的NO₂排放以及NO₂占NO_X百分比^[10]。

刘沂玲、张新、谌永华等人通过化学分光法对汽车尾气、火炬燃烧气体以及烟道气体中的氮氧化物进行测量，并对测定值进行分析，从实验的角度分析了几种共存物质，如C0、CO₂、HC等对氮氧化物测量的定量影响程度，并从原理上分析了不同混合气体中氮氧化物测定偏差的原因和改进措施^[11]。

彭冉、刘文清、方武等人提出了一种基于非色散紫外(NDUV)算法，利用光电二极管阵列(PDA)探测器和光谱仪检测一氧化氮气体的分析方法。通过对比分

析不同积分次数下一氧化氮吸收谱和元吸收谱内不同波长宽度的总光强， 引入光源影响因子F和吸收谱因子B，得到吸光度与浓度的拟合方程及搁关系数。结果表明，采用合适的拟合阶数、拟合波长宽度和分析方法，吸光度与浓度的二阶拟合相关系数可达0.9999以上，通过拟合方程所获得的待测气体浓度与标准值浓度的误差在3％以内^[12]。

徐雨鉴于传统光学探测设备成本高昂、体积庞大监测点灵活性差、受有线数传方式束缚的困扰，开展了以低成本电化学传感技术对NO₂的探测研究，研制了用于城市大气测量的无线便携式大气NO₂高灵敏电化学传感系统。研究结果表明，本系统可为城市大气NO₂高灵敏监测在光学仪器之外，提供一种低成本便携、可量产的举措，未来搭载无线传感网络可助力区域性NO₂分布特征及时空演变规律的归纳，为NO₂污染预报预警、治理控制与环保部门制定政策标准提供科技支撑^[13]。

除了上述三种主流技术外，国内的研究人员一直在尝试用其他方法对NO_X浓度进行测量。吴方垄、刘全、王跃思等人选择了3种不同原理的市售氮氧化物分析仪在广东和北京进行比对观测实验，从而比较其各自的优缺点及适用性。结果表明，钼转化法(MC)测得的NO_X比光转化法(LC)及液相化学发光法(LPC)所测得的值都明显偏高，可近似认为是NO_y。LPC检测NO₂时受到PAN等含有一个NO₂生色基团的干扰，结果比LC略高。LC测得的NO_X值与实际大气最为接近。MC测定的NO_X比实际值高，但能满足空气质量指标监测的需求；LC能够准确测定大气中的NO_X，但造价太高，仅适用于大气化学机理研究；而LPC原理的仪器适合于短时间的航测、高塔和系留艇进行垂直梯度观测^[14]。

国外Tanfeng Cao、Robert L.Russell、Thomas D.Durbin等人基于便携式排放测量系统（PEMS）来评估电动混合动力挖掘机的排放和燃料消耗影响。研究了三种混合动力和四种传统挖掘机的现实活动模式和尾气排放。通过发动机控制模块（ECM）和全球定位系统（GPS）记录的来获得活动数据。使用PEMS在该测试循环中收集排放数据。结果表明，与传统挖掘机相比，HB215混合动力挖掘机的二氧化碳（CO₂）排放显著降低，但柴油颗粒物质（PM）增加了^[15]。

Marina Kousoulidou、Georgios Fontaras、Leonidas Ntziachristos等人使用便携式排放测量系统（PEMS）在车辆尾气管上测量废气流量和浓度。并将在道路上测量的排放因子与相应的COPERT平均速度排放因子进行了比较，得出对于具有不同发动机容量的符合欧4标准的柴油车辆，特别是在涉及柴油车辆的NO_X排放时，有必要测量出足够的数据^[16]。

1.2 柴油机尾气NO_X浓度测量设备简介

1.2.1 CAI600氮氧化物分析仪

图1-1 CAI600氮氧化物分析仪实物图

CAI600氮氧化物分析仪实物图如图1-1所示，该分析仪在测量样品气体的NO或NO_X浓度时采用的是化学发光法。在纯NO模式下，会发生下列化学发光反应：NO O₃→NO₂ O₂。这个反应产生的光强与进入反应气室的NO₂的质量流量率成线性比例关系。且光强的大小可以通过光电二极管及相关电子放大电路测出。在NO_X模式下，NO NO₂首先转化成纯NO模式。样气先通过分析仪内部的NO₂→NO转化器，使得NO₂转化成NO，转化完成后的气体再进入反应室进行浓度测量。这样一来,仪器测得的便是NO与NO₂的总和NO_X的浓度。为使NO₂能全部转化成NO,催化转化器中的温度必须在650℃以上,同时在NO浓度较高的排放测量中,必须将取样系统加热到冷凝点以上。在仪器的使用中要经常检查NO₂→NO转化器的转化效率,以保证测量仪器有足够高的转化效率(90%以上,最好为大于95%)。

CAI600氮氧化物分析仪的应用领域主要有连续性排放监测(CEMS)、除尘效率研发、燃烧效率研究、汽轮机/发电机反馈控制、过程气体分析车辆排放、发动机测试等几个方面。

1.2.2 HORIBA NO_X监测仪APNA-370

图1-2 NO_X监测仪APNA-370实物图

日本HORIBA公司生产的NO_X监测仪APNA-370实物图如图1-2所示，其测量NO_X浓度的原理与CAI600一样，皆为化学发光法。它有如下几个特点：

（1）采用了双向交替流动调制型化学发光测量原理和相关计算法的组合，这使单检测器法有了极大的改进和提高，从而能对NO、NO₂和NO_X进行连续监测。这种完美的设计也确保了极好的稳定性和极高的灵敏度。

（2）该仪器的标准配置中包括了一个具有自动循环功能的干燥单元，为臭氧发生器提供干燥空气，这使得长期连续监测成为可能。

（3）由于检测器采用半导体材料作为传感器，使得APNA-370具有小巧的体积和长期的工作寿命。

（4）APNA-370体积小巧，集中了所有必须的元部件，包括参比气体发生器、臭氧发生器源器干燥单元、臭氧分解单元和取样泵等等，不需要任何辅助气体。

1.2.3 便携式排放测量系统（AVL PEMS）

图1-3 AVL GAS PEMS实物图

AVL GAS PEMS的实物图如图1-3所示，其工作原理在后文会有详细介绍，该设备通过AVL MOVE控制系统进行控制，AVL MOVE控制系统的功能类似于中央数据记录器，可以计算在线质量排放，并提供访问接口，如ECU/CAN数据以及其他相关的传感器。AVL GAS PEMS有以下一些特点：

（1）工作温度范围广：该设备的内部温度调节系统是专门为移动操作而设计的，在-30 ℃至 45 ℃的工作温度范围内，无需任何额外的外部加热或冷却装置便能够保证设备的可靠运行。而在较高的温度条件下，可以将外部冷却设备或软管连接到高温条件下的工作客舱内。此外，所有的分析仪都安装在温控外壳内，以确保即使在环境条件发生变化时也能保持较高的测量精度。

（2）设计坚固耐用：该设备有外部阻尼选项，如带有减振器的安装框架和坚固的外壳(非道路机械测试必须使用)，能够提供额外的保护，确保安全安装。除此之外，该设备还拥有一个专用的加热电路用来保护关键的电子部件和分析仪，当AVL GAS PEMS在低温下启动时，首先打开加热器/风扇。一旦达到一定的温度，其他部件就会通电。

（3）该设备有一种特殊的休眠模式，可以降低电力需求，使它有可能保持内部温度在一个特定的值过夜，以尽量减少早上的热身时间。通过将AVL GAS PEMS切换到hibernate模式，还可以通过计时器在可自由定义的时间自动启动。

（4）该设备使用24V直流，或使用电池组或电压转换器。

（5）服务窗口使访问易耗品(如过滤器)变得非常容易。优化的组件延长了服务间隔，减少了维护工作。

1.2.4 Testo350

图1-4 Testo350实物图

Testo350便携式烟气分析仪的实物图如图1-4所示，该设备由两个部件组成：手操器和分析箱。手操器用于执行，操作并控制整部仪器并显示测量值。配备结构清晰的彩色显示屏，操作极其简便。内置4种预设测量应用菜单可供选择，分别是：燃烧器，涡轮机，发动机以及自定义。菜单导航将引导使用者安全简便的进行烟气测量任务，省时省力。当分析箱被固定于测试现场时，手操器可对其进行远程操控。尤其在进行大型系统测量时，可以采用这种应用方式。分析箱通常会标配O₂传感器，包含差压传感器， K型和S型温度探头插口，Testo数据总线接口，可充电电池，内置环温传感器 (NTC)，脉冲输入，数据存储模块以及USB接口。最多可同时使用6个传感器(包括 CO，COlow，NO，NOlow，NO₂，SO₂，CO₂,，C_XH_Y，H₂S)。Testo350应用的范围较为广泛，比较有代表性的几种应用场合如下：

（1）工业发动机的维护测量：烟气体分析仪Testo350是可用于调整燃气或柴油工业发动机以达到最佳工况的重要工具。Testo350能被应用在如下过程，例如调试过程、定期维护维修过程、解决故障过程等。对于调整发动机运行参数达到理想值并符合国家标准规定的排放限值的过程，测量废气浓度是非常必要的，整个调整过程常常会花费数个小时，另外，发动机的排放气体中常含有高浓度且波动的NO₂，那么获得真正的、高精度的NOx值是非常必要的，上述描述意味着需使用性能优良的便携式烟气分析仪并单独测量NO和NO₂的浓度。Testo350可胜任各种复杂工况，同时能分别测量NO和NO₂浓度，除此之外，内置的气体预处理模块以及带有采样软管的工业发动机专用废气采样探针，能有效防止NO₂和SO₂吸附，进而保证了不同日期和不同环境条件的测量值也可以比较。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：