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      基于NDIR法和HCLD法的氣體分析儀不同海拔下的線性特性研究

      2023-06-11 08:07:50劉爽陳秋伶唐興貴
      時(shí)代汽車 2023年10期
      關(guān)鍵詞:海拔

      劉爽 陳秋伶 唐興貴

      摘 要:研究氣體分析儀在不同海拔下的線性特性對(duì)確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性具有重要意義。本研究在不同海拔下分別利用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體、氣體分割器等設(shè)備對(duì)市面上主流的便攜式排放測試分析儀進(jìn)行線性化檢查,得到基于NDIR法和HCLD法的氣體分析儀在不同海拔下的線性特性。通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理分析得出推薦線性系數(shù),在進(jìn)入其他不同海拔地區(qū)試驗(yàn)時(shí)使用此線性系數(shù)可消除海拔對(duì)分析儀準(zhǔn)確性的影響從而保證實(shí)際行駛排放試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。該研究對(duì)整車企業(yè)及檢測機(jī)構(gòu)確保不同海拔下實(shí)際行駛排放試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性具有實(shí)際參考價(jià)值。

      關(guān)鍵詞:海拔 線性化檢查 線性系數(shù) 實(shí)際行駛排放試驗(yàn)

      1 前言

      我國現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》、GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》中均增加了整車實(shí)際道路排放測試試驗(yàn),要求對(duì)實(shí)際行駛過程中對(duì)的NOx和CO等污染物進(jìn)行監(jiān)測。其中環(huán)境條件里的海拔條件要求海拔高度不高于2400m[1-2]。上述要求則帶來了在不同海拔條件下進(jìn)行實(shí)際行駛排放試驗(yàn)的需求。

      實(shí)際行駛排放試驗(yàn)需要用到便攜式排放測試分析儀(PEMS),法規(guī)中對(duì)PEMS設(shè)備進(jìn)行了一系列的要求,其中包括至少每三個(gè)月檢查一次線性檢查(對(duì)分析儀系統(tǒng)進(jìn)行維修后,或?qū)Ψ治鰞x所做的更改可能影響到校準(zhǔn)時(shí)也應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn))。目前市場上主流的PEMS氣體分析儀主要為HORIBA和AVL兩家公司的。日本HORIBA公司的PEMS(OBS-ONE)原理為如下:NO&NOx:HCLD(加熱型化學(xué)發(fā)光檢測器);CO&CO2:NDIR(不分光紅外)。AVL公司PEMS(M.O.V.E)原理如下:NO&NO2:NDUV(不分光紫外);CO&CO2:NDIR。

      截止2022年12月先后有鄧蛟、唐為義、李樹宇、宋東[3-5]等分別提出海拔、環(huán)境溫度、載荷等條件對(duì)實(shí)際行駛污染物排放試驗(yàn)結(jié)果的影響,但是并未提出這類條件對(duì)PEMS氣體分析儀的影響。先后有有高德成、董利昆、何南翎[6-8]等對(duì)汽車尾氣分析儀的日常檢查與線性調(diào)整方法原理、溯源等進(jìn)行了研究,但未進(jìn)行不同海拔條件下氣體分析儀線性化特性的研究。

      綜上,為了解決目前無相關(guān)研究的空白。本文重點(diǎn)進(jìn)行基于NDIR法和HCLD法的氣體分析儀不同海拔下的線性特性,以獲得線性系數(shù)來消除海拔對(duì)分析儀準(zhǔn)確性的影響,從而提高實(shí)際道路排放測試試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,詳見正文內(nèi)容。其他原理氣體分析儀可參照此方法進(jìn)行驗(yàn)證從而消除海拔的影響。

      2 測試設(shè)備及測試方法

      2.1 物料

      所需物料主要為各濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體及氣體分割器(GDC)等,詳細(xì)信息如表1所示:

      2.2 測試設(shè)備

      2.2.1 HORIBA OBS-ONE型便攜式排放測試系統(tǒng)

      該設(shè)備主要由FA模塊(測量THC濃度)、GA模塊(測量CO、CO2、NOx濃度)、CC模塊(中央控制單元,接收外部信號(hào)(GPS,氣象站,OBD信息等)、PE模塊(切換電源、用于市電和電瓶之間電源切換)及PN模塊(測量顆粒數(shù))組成。

      2.2.2 AVL M.O.V.E型便攜式排放測試系統(tǒng)

      該設(shè)備主要由Charger模塊(設(shè)備充電器)、Accus模塊(移動(dòng)電源)、E-Box模塊(電源分配、擴(kuò)充網(wǎng)口)、Gas PEMS iS/iS+模塊(測量CO、CO2、NO、NO2、N2O濃度)、PN PEMS iS模塊(測量顆粒數(shù))、System Control模塊(中央控制單元、接收外部信號(hào)(GPS、氣象站、OBD信息等))及EFM模塊(測量體積流量)組成。

      2.3 測量原理介紹

      HORIBA公司的PEMS(OBS-ONE)氣體分析儀原理為:NO&NOx:HCLD;CO&CO2:NDIR。

      AVL公司PEMS(M.O.V.E)分析儀原理為:NO&NO2:NDUV;CO&CO2:NDIR。

      NDIR分析儀對(duì)壓力變化較為敏感,隨海拔升高,讀數(shù)逐漸降低,由于受大氣壓影響,氣壓下降,泵效率降低(2400m,降低15%以上)、取樣流量下降-分析儀可用分析氣體量少于高壓地區(qū),響應(yīng)時(shí)間變長,分析儀穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性下降。針對(duì)高原,設(shè)備需要加大旁通流量,泵壓需在不同海拔下進(jìn)行標(biāo)定,流量計(jì)需在不同海拔下進(jìn)行全量程標(biāo)定。

      2.4 PEMS設(shè)備不同海拔下線性檢查和使用方法及注意事項(xiàng)

      2.4.1 標(biāo)定流程

      將系統(tǒng)調(diào)整到stand-by狀態(tài)。設(shè)置標(biāo)氣濃度,點(diǎn)擊Gas模塊各分析單元右側(cè)向下小三角箭頭,點(diǎn)擊Span Gas,出現(xiàn)Component Span Gas對(duì)話窗,根據(jù)標(biāo)氣濃度設(shè)置各組分濃度。將空氣和標(biāo)氣氣瓶連接到Gas模塊,并打開氣瓶閥門,將壓力設(shè)置為100Kpa,單擊Gas操作界面下Cal進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)束后,系統(tǒng)返回原始狀態(tài),確認(rèn)無報(bào)警。關(guān)閉氣瓶閥門并斷開氣體管路連接。

      便攜式排放測試分析儀和GDC連接通訊后經(jīng)1-2小時(shí)的熱機(jī),Stand by狀態(tài)下穩(wěn)定后,在20℃、45%RH濕度左右環(huán)境下進(jìn)行分析儀的線性檢查、響應(yīng)時(shí)間檢查。在低溫環(huán)境下,需要給設(shè)備外殼包保溫棉為分析儀保溫。

      當(dāng)完成了各個(gè)海拔下線性檢查和調(diào)整后,需要進(jìn)行線性度校驗(yàn)和分析儀重復(fù)性和噪聲精度檢查,全部通過后再使用SPAN氣體標(biāo)定數(shù)次,方可進(jìn)行該海拔下的正式試驗(yàn)。待設(shè)備轉(zhuǎn)到另一海拔時(shí),需重新進(jìn)行線性檢查或直接使用之前同海拔下的線性數(shù)據(jù)替代,完成后需要進(jìn)行精度檢查和標(biāo)定確認(rèn)。

      3 各海拔條件下分析單元線性檢查

      3.1 法規(guī)要求

      GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》中規(guī)定如下:

      普通海拔條件:海拔高度不高于700m。

      擴(kuò)展海拔條件:海拔高度高于700m,不高于1300m。

      進(jìn)一步擴(kuò)展的海拔條件:海拔高度高于或等于1300m,但不高于2400m。

      試驗(yàn)環(huán)境條件應(yīng)該滿足上述規(guī)定,如果環(huán)境溫度和海拔高度條件中至少有一個(gè)被擴(kuò)展,環(huán)境條件就成為“擴(kuò)展環(huán)境條件”。

      3.2 海拔點(diǎn)選擇及準(zhǔn)備工作

      選取以下幾個(gè)海拔點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定:平原、海拔1300m、海拔1900m、海拔2400m。

      帶上標(biāo)準(zhǔn)氣體和GDC氣體分割器設(shè)備,到達(dá)目的地海拔城市后對(duì)PEMS設(shè)備進(jìn)行組裝、連接、熱機(jī)并進(jìn)行檢查確認(rèn)。

      3.3 AVL公司PEMS(M.O.V.E)設(shè)備線性檢查步驟

      (1)開機(jī)熱機(jī)后,新建試驗(yàn),點(diǎn)擊mantance checks,點(diǎn)擊linearity checks。跳出3個(gè)線性檢查界面:GDC狀態(tài)界面、GDC和氣體設(shè)置界面、GDC信號(hào)和氣體參數(shù)界面;

      (2)設(shè)置參數(shù)前需要點(diǎn)擊停止測試(目前軟件界面默認(rèn)線性10個(gè)點(diǎn),滿足法規(guī)要求);

      (3)如先做NO線性檢查,將NO標(biāo)氣的濃度輸入到對(duì)應(yīng)表中,將NO前的√點(diǎn)亮;

      (4)選擇檢查程序,有5個(gè)步驟,選前三個(gè);

      (5)進(jìn)入GDC stats界面GDC和開始的界面控制都在下方的11個(gè)深色控制條上;

      (6)先點(diǎn)擊GAS divider control 中的gas divider reset/standby控制GDC進(jìn)入Standby狀態(tài),一般GDC會(huì)有動(dòng)作響應(yīng)(聲音變化);

      (7)點(diǎn)擊Purge all lines反吹GDC,此時(shí)GDC有一陣聲音響起,等待聲響結(jié)束;

      (8)點(diǎn)擊gas pems gdcontrol中的avl gas pems standby,將GAS分析儀進(jìn)入到Standby狀態(tài);

      (9)進(jìn)行零氣和span氣的測試;

      (10)標(biāo)氣連接好后點(diǎn)擊GDC sequence control 中的GD sequence start 開始進(jìn)行線性檢查;

      (11)輸入檢查名稱等信息;

      (12)開始后提示氣體的正確連接-點(diǎn)OK;

      (13)提示GDC的正確連接--點(diǎn)OK;

      (14)開始進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整,自動(dòng)進(jìn)行SPAN點(diǎn)的調(diào)整,等待零點(diǎn)和SPAN點(diǎn)的穩(wěn)定和讀數(shù);

      (15)開始進(jìn)行正式線性檢查,從第一個(gè)點(diǎn)到第11個(gè)點(diǎn),等待自動(dòng)線性檢查,一般需要20分鐘左右。如其中一個(gè)點(diǎn)不合格,超過線性限值,會(huì)自動(dòng)停止測試(也可以不勾選自動(dòng)停止);

      (16)全部測試點(diǎn)完成后,系統(tǒng)自動(dòng)保存數(shù)據(jù)。

      4 線性化結(jié)果總結(jié)分析

      外出時(shí)帶上標(biāo)準(zhǔn)氣體和GDC氣體分割器設(shè)備,到達(dá)目的地海拔城市后對(duì)PEMS設(shè)備進(jìn)行組裝、連接、熱機(jī)、標(biāo)定、線性化和線性度檢查調(diào)整、線性化參數(shù)調(diào)整后的標(biāo)定檢查確認(rèn)。下圖為CO分析儀在平原和1900m海拔下的線性系數(shù)和曲線差異圖片。

      通過上述對(duì)比分析,總結(jié)線性系數(shù)如下表所示:

      其他分析儀及海拔點(diǎn)的對(duì)比圖片不再進(jìn)行說明,可類似總結(jié)。

      5 結(jié)論

      平原和1900m海拔下CO/CO2的NDIR分析儀差異最大,表明其受大氣壓影響大,NO/NOX的HCLD分析儀變化小,受氣壓影響??;

      海拔差在600m內(nèi)時(shí)對(duì)分析儀影響也??;

      在以后進(jìn)行其他不同海拔試驗(yàn)時(shí)只需使用第3條中線性系數(shù)更新替代就可消除海拔對(duì)分析儀的準(zhǔn)確性影響。

      通過上述論點(diǎn),從降低海拔對(duì)分析儀準(zhǔn)確性的影響出發(fā),為整車企業(yè)在不同海拔進(jìn)行RDE/PEMS試驗(yàn)時(shí)結(jié)果準(zhǔn)確性提供支撐。

      參考文獻(xiàn):

      [1]中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.GB 18352.6-2016, 輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)[S].北京:中國環(huán)境出版社,2016.

      [2]中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部.GB 17691-2018, 重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)[S].

      [3]鄧蛟,武鑫.環(huán)境溫度對(duì)輕型車實(shí)際道路排放試驗(yàn)結(jié)果的影響[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2022,51(04):56-59.

      [4]唐為義,李樹宇,李權(quán).不同海拔下輕型汽油車PN排放特性RDE測試研究[J].內(nèi)燃機(jī),2022,38(03):11-15.

      [5]宋東,鄭永明,劉爽,梁大平. 重型柴油車不同載荷下實(shí)際道路行駛排放特性[C]//.2020中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集(3).,2020:102.DOI:10.26914/c.cnkihy.2020.023444.

      [6]高德成,吳九牛,何銀霞,宋雨謙.汽車尾氣分析儀的日常檢查與線性調(diào)整[J].中國計(jì)量,2022,No.317(04):127-129.DOI:10.16569/j.cnki.cn11-3720/t.2022.04.028.

      [7]董利昆,馮占闖,王剛.工況排放分析儀線性化校準(zhǔn)方法及原理探討[J].汽車零部件,2017(01):73-74.DOI:10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.019.

      [8]何南翎.關(guān)于工況排放測試系統(tǒng)線性化校準(zhǔn)與量值溯源[J].中國計(jì)量,2009,No.163(06):80-81.DOI:10.16569/j.cnki.cn11-3720/t.2009.06.025.

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