汽车尾气排放遥感检测技术

汽車尾氣排放遙感檢測技術

Thomas Cross

美國環境保護系統公司（ESP）

摘要

本文介紹汽車尾氣遙感檢測技術，如何使用此系統測量駕駛中車輛的尾氣排放及如何在現實環境中利用車輛牌照系統來明確辨認個別車輛的尾氣排放情況。

本文亦會探討此系統在美國如何與傳統的尾氣排放測試計劃一并應用，以：

∙通過對尾氣的統計分析評估尾氣排放檢測計劃

∙辨認清潔車輛，免除它們必須到“集中僅進行測試檢測中心”或“非集中測試與維修尾氣檢測中心”

接受尾氣排放測試的需要

∙在下一個年檢之前辨認那些已出現排氣排放淨化裝置問題的車輛

∙將遙感檢測融入尾氣排放檢測與維修計劃 (I/M) 中

∙本文的結論是在整個辨認、維修、再檢測車輛的過程中，遙感檢測技術是重要，不可或缺的一環，也是一個監測尾氣排放情況的有效方法。

1.前言

在全世界為了減低移動污染源所造成的空氣污染工作中，利用遙控感應技術探測汽車尾氣排放是一個重要元素。祇有配合其它減少汽車尾氣的工作（如定時在固定設施進行汽車尾氣測試），遙感檢測才能成

功。一個完整的汽車尾氣減低計劃需包括：

∙將污染問題定量化：通過監測空氣中的污染成份或遙感檢測

∙辨認污染物質：通過遙感檢測或在固定設施定時進行檢測

∙證實：通過對同一輛車至少2次的遙感檢測或在固定設施的尾氣排放測量

∙校正：在獨立維修設施進行尾氣排放有關的修理

∙核實：在固定檢測設施進行再檢測，證實維修工作已將問題矯正

∙確定計劃的有效性：利用遙感檢測來測量大批車輛的尾氣排放量，計算整體平均數及不同車輛類別與年齡的平均數。計劃的有效性是以長時間監測平均尾氣排放的減少而確定的。在辨認移動污染源的污染狀況與監測空氣中的污染成份兩者之間，較有效的方法是前者，因後者並不能分辨汽車的尾氣排放或固定性污染源的排放。因此遙感檢測的有效性是肯定的。

2.遙感檢測技術

2.1 利用非分散性紅外線測量碳氫化合物，一氧化碳與二氧化碳

雖然有不同種類的遙感檢測技術在使用和研究當中，現時最多的系統都使用備受證實及肯定的非分散性紅外線（NDIR）技術。美國的固定設施內數以千計的尾氣排放分析儀均採用已有20多年歷史的NDIR 技術，每年進行超過3千萬次尾氣排放測試。美國聯邦試驗規程（FTP）中所使用的新車認證程序中，NDIR也被用來測量一氧化碳（CO）及二氧化碳（CO2），在固定與遙感檢測NDIR系統中，當一道紅外光線（IR）穿過汽車尾氣時，尾氣中的碳氫化合物（HC），CO與 CO2成份將一部份IR以不同波長（在3-5微米範圍內）吸收。波長範圍內的吸收足夠產生一個明顯、可測量的零點（周圍空氣）吸收及穿過汽車尾氣時的分別。一超出這些波長時，吸收力就會很低，不容易得到正確結果。紅外線由一組探測器（通常是鉛硒），由探測器前的光纖濾波器“集中”於每一個不同的波長。現代的系統，包括遙感檢測在內的做法是利用一個裝有“割切”濾波器的探測器，配合電子“割切”來分隔HC，CO與CO2的不同訊號（吸收）強度。

固定設施內的尾氣排放分析儀的HC，CO與CO2結果是以百分比或百萬分率計算的。不在IR範圍之內的NO X則是以電子化學發光或化學元件測量出來的。遙感檢測設備的應用中，NDIR的測量是以CO ／CO2與HC／CO2比率計算，再以化學計算法乾汽油燃燒化學轉換成濃度，再以道路坡度，車速與加速度調整出車輛的發動機功率狀況。因此能正確的測量出車輛的速度與加速度是非常重要的。

總結是，不論是固定分析儀或遙感檢測儀的應用，NDIR是一種已被證實，能有效測量HC，CO與CO2的方法。在固定分析儀內，尾氣被捕捉進一個小管道，這管道將紅外光由一個低電源傳送到光纖濾光探測器。遙感檢測必須征服其它因素，比如長距離、開放式道路而需要較高的電源，及天氣的影響。這一點會在稍後作詳細探討。

2.2 利用IR可調校性激光測量HC、CO、CO2

近程IR，低電源可調校性激光的操作是在一個較低的波長，雖然在這種波長內的CO與CO2的吸收程度較前一段所描述的中程IR低，但仍是可接受的。但是近程IR可調校性激光的吸收範圍祇能吸收微量的HC與NO，因此這個技術的實用性祇適用於遙感檢測CO與CO2。

中程IR激光在遙感檢測能覆蓋較大範圍的波長，包括CO2，CO，HC與H2O。但它成本高昂，儀器的性質本身亦需要費時照料，而且需要液態氮冷卻，這種液態氮用在遙感檢測設備上是既昂貴又困難的。

總結來說，可調校性激光可以，並已用於遙感檢測用途。但是對於測量CO與CO2以外的尾氣成份就可能會牽涉龐大成本及執行上的困難。

2.3 利用紫外光測量HC，水蒸氣及氮氧化物（NO X）

在遙感檢測的應用當中，測量HC與NO X波長的方法是以紫外光分光學來測量較大的頻譜。這樣做能得到更高的准確率，因為相對於祇測量一個單一、過濾的波長，它是以一整個波長範圍來進行測量。

與NDIR一樣，這是一個已被證實及實用的技術，並在過去7年的遙感檢測應用中廣被使用及改善。

2.4 技術總結

在加利弗尼亞汽車維修局（BAR）剛進行過的遙感檢測測試當中，NDIR與UV技術再度被證實能夠准確、穩定及方便的用於道路測試。雖然一些新的激光技術有可能在未來會有一些優勢，他們主要是基於航空與防衛技術，其成本與安全性不及達到功能要求重要。現階段，這些技術可能較適用於研究用途多過本文所強調的遙感檢測的實用性。

3.利用遙感檢測

前文所提及的內容較為廣範，並適用于不同的系統。以下將探討美國環境系統公司（ESP）的豐富遙感檢測經驗及ESP的設備。

3.1背景與經驗

基於NDIR與UV技術的遙感檢測系統早在8年前已開始實際運用。科羅拉多州丹佛大學的Donald Stedman博士則在這之前已研制出基本的技術。自1993／1994年，遙感檢測主要用於美國、加拿大、墨西哥、台灣、澳洲、凶牙利、韓國、瑞典、瑞士和泰國最受污染的地區。它的應用包括：

∙記錄尾氣排放總量

∙監測車輛以確定定期尾氣排放檢測需要

∙找出高排放與低排放汽車的特徵

∙辨認骯髒車輛

∙同時執行“清潔篩選”與固定檢測設施檢測

∙交通模式化，以辨認一日內某些時間的污染“熱點”

∙滿足美國環保署(US EPA)評估固定設施尾氣排放檢測計劃有效性的要求

∙車輛退化研究