第九章 气体成分分析仪表

2、测试项目和要求
（1）当对柴油机族的母型机进行测量时，首先要进行环境条 件检验，只有当环境参数在给定的范围之内时，才允许进行试 验； （2）对测试时所用的燃油进行分析和化验，并确定其组分和 各组分的质量份额(主要包括燃油的含碳量、含氢量、含硫量、 含水量、含氧量等)，以便计算单位质量燃油完全燃烧时所需的 干空气质量；
（3）利用氮氧化物测试仪器对柴油机废气中的氮氧化物容 积份额进行测量，确定其体积百分含量ppm值； （4）对废气的气体状态进行测量，确定废气的压力、温度 等参数； （5）测量柴油机的有效功率，且该功率必须按公约规定进 行校核； （6）对燃油消耗率进行测量及其它柴油机性能参数的测试； （7）对柴油机排气的二氧化碳、一氧化碳、未完全燃烧的 碳氢化合物以及含氧量进行测量。
1）滤纸式烟度计 波许式烟度计是典型的滤纸式烟度计。它的构造见下图，它是由取烟管、 吸气泵、滤吸气纸反射率检测器组成。吸气泵从排放的气体中吸取固定体 积的气样，气样通过装在夹具上的滤纸，这样碳烟就留在滤纸上成为试样。 然后，将试样放在滤纸反射率检测器中进行测定。由于抽取气样的数量 （容积）恒定，故滤纸被染黑的程度就能够反映气样中所含的碳烟的的浓 度。 检测器是由光源、光电元件、电源、指示表等部件组成，如图所示。测 定时将测量传感器（由光源和光电池组成）紧压在已被排气污染的试样上， 随着试样纸染黑程度的不同，光源投射到纸面上时，一部分光线被滤纸吸 收，另一部分反射给环形光电池从而产生相应的电流强度，并由电流表指 示出来。结果由滤纸烟度值（BSU或FSN）表示，测量的范围为0—10，“0” 表示白色滤纸（全白），“10”则表示滤纸完全被污染成黑色（全黑）。 波许烟度计的特点是结构简单、调整方便、价格便宜、测量可靠。这种 仪器主要适用于发动机的台架试验。适合于作稳定工况的测定，但它不能 作连续测量，不能测量蓝烟和白烟，并且滤纸的材料对测量的结果有一定 的影响。
4、船用柴油机NOx排放的计算分析
船用柴油机NOx的质量流量因为测量原理和其它如柴油机本身固有 的体积大、排气流量大且测量等困难使得排气中NOx的质量流量不能直接 测取，只能通过测量NOx的体积浓度并确定排气质量流量或体积流量，才 能计算出NOx的质量流量。 船用柴油机废气质量流量或体积流量可通过三种方法确定：排气流量 直接测量法、空气和燃料测量方法、推算法。由于前两种方法中废气和空 气流量的直接测量是一项相当困难的任务，要准确地测量出气体的流量应 采取相应的预防措施避免人为的误差，因此在实际测量中，前两种方法不 常使用。 推算法是通过测量耗油率、排气中各组分的浓度、然后计算出排气流 量。由于采用推算法，测量操作相对简单，误差较小，因此在实际测量中， 一般采用该方法。 推算法可分为两种：方法1（碳平衡法），方法2（通用法或称为碳/ 氧平衡法）。两方法均须得到试验用燃油的各组分及其质量百分含量。
顺磁分析仪
气体受不均匀磁场的作用时也受到力的作用， 如果气体是顺磁性的，此力指向磁场增强的方向； 如果气体是逆磁性的，此力指向磁场减弱的方向。 大多数体是逆磁性的，只有少数气体是高度顺磁 性的。氧是一种强顺磁性气体，NO的顺磁性为氧 的44％。因为内燃机排气中，氧的浓度要比NO高 得多，所以可以用顺磁分析仪来测量排气中的氧。 如图，为一种氧顺磁分析仪的原理。 气样3中的氧2在永久磁铁6造成的磁场吸引下自左 向右充入水平玻璃管5中。在磁场强度最大的地方， 气体被电热丝加热。加热后的氧顺磁性下降，磁铁 对它的吸力小于冷态的氧。这样。冷的气样被吸到 磁极中心，挤走热的气样。冷的气样在这里又被加 热、挤走。这样，在玻璃管里就形成了气体流动， 也称磁风，其速度与气样中的氧浓度成正比。测定 磁风速度，从而得出气样中的氧浓度。
为防止其它气体对被测气体测量的干扰，可在光路上设置 滤波室3、8，滤掉干扰气体能吸收的波段。如分析CO的NDIR， 在滤波室中充CO2、CH4等，在分析时就不受排气中CO2、CH4 成分的干扰。同样，分析CO2的NDIR，要在滤光室中充以CO、 CH4。另外，排气中水（H2O）的存在也影响着测量结果的准 确性，所以比较好的方法是样气在进入NDIR分析仪前应尽量清 除掉其中的水蒸气的含量。
1、船用柴油机NOx排放测试
根据MARPOL公约通则规定，为避免对每台发动机进行发证测试以证 明其符合NOx的排放极限，可采纳两种认可的概念之一，即发动机族或发 动机组的概念。 （1）发动机族概念用于任何系列化生产的发动机，该发动机作为产品使 用，其设计证明具有相似的NOx排放性能，并能在装船过程中无需进行对 NOx的排放造成不利影响的任何调整或改造； （2）发动机组概念用于具有相似用途的小系列生产的发动机，该发动机 在船上安装或使用过程中需要作轻微调整和改造，这些发动机通常是用于 主推进的大功率发动机； （3）发动机制造厂最初可根据自己的决定确定发动机是否属于发动机族 或发动机组的概念，通常适用类型应基于试验台试验后，柴油机是否将进 行改造以及改造到什么程度。 公约中规定了发动机族和组的运用原则，依照这一原则，生产厂家在 试验前应确定发动机族和组所包括的机型，并确定具有代表性的母型机， 若选定的母型机NOx排放合乎规则限值，则其包括的其它机型也确定满足 排放规定要求。
化学发光分析仪（ 化学发光分析仪（CLD） ）
测量的原理基于它和臭氧的反应： NO+O3=NO2*＋O2 NO2*=NO2+ｈｖ 当NO与O3反应生成NO2时，大约有10%处于激态（以NO2*表示），这种激态 NO2*返回基态NO2时发射出波长0.59~3微米的光，其强度与NO量成正比。为避免 其他气体成分对测量的干扰，检测器通过滤光片只记录波长0.6~0.65µm的光。CLD 原理如下图所示。气样可以根据需要由通道A或B进入反应室1。通道A直接通向反应 室，在那里气样中的NO和臭氧发生器2中产生O3进行反应，发出的光经滤光片由光 电倍增管检测器4接收，并通过信号放大器6转换成测量信号。这个通道只能测量气样 4 6 中的NO的浓度。 气样通过通道B时，气样中的NO2将在催化转化器3中按反应式：2NO2＝2NO＋O2 转化成NO，然后进入反应室。这样，仪器测得的是NO与NO2的总和NOx。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NO2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。CLD使用中要经常检查NO2→NO 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％）。
图9-1 加利福尼亚欧洲轿车的排放法规发展
图9-2 欧洲轿车的排放法规的发展
前
言
针对柴油机的废气排放污染问题，世界各国都制定了较 为严格的排放控制法规。对车用柴油机，我国GB17691— —2001《车用压燃式发动机排放污染物排放限值及测量方 法》对其排放物污染作出了较为严格的限制，在此之前其它 国家也较早出台了相关的限制措施，而且随着柴油机技术的 进步和环境保护的要求，其限值也日趋严格。 对船舶柴油机而言，由于其在海上的营运活动具有流动 性强、扩散性大、持续时间长的特点，为防止、减少和控制 船舶造成大气污染，国际海事组织（IMO）近年来加紧有关 法规的制定，现已制定“防止船舶造成大气污染规则”，作 为《MARPOL73/78公约》附则Ⅵ，于1997年9月25日获 得缔约国大会通过，并于2000年1月1日生效。
第九章 气体成分分析 仪表
排放法规的发展过程
早在1964年，加利福尼亚率先 提出将内燃机内的曲轴箱的废气减 到0和提出了空气质量的《清洁空气 法 》。1967年又颁布了第一部限制 CO和HC的法规。要求汽车在转鼓试 验台上按规定的工况行使一定的距 离后使CO和HC排放量不超过一定的 限值。随后世界各国及地区先后颁 布了各种各样的排放法规。这些排 放法规，先是控制CO和HC排放，后 来扩大到NOX；先管制车用汽油机， 后覆盖柴油机，把烟度和微粒排放 也包括进来；先是管制汽油机的怠 速排放，后来扩大到实际使用工况 下的排放。随着技术的进步，这些 排放限值越来越严格。如今，已经 形成了以美国、欧盟(EU)、日本为 代表的世界三大汽车排放法规。图 9-1和9-2分别是加利福尼亚和欧洲 的轿车废气排放限值的变化。
测量仪器的校准
依据MARPOL公约附则Ⅵ中对于仪器校准的过程，对所用测试仪器各 测试分析单元进行校准，并对结果进行计算分析。仪器校准的系统图。 具体结果制定表格输出。
仪器校准系统图
碳烟的测量仪器
对柴油机微粒浓度的测量，使用的仪器是烟度计。目前各国公认的 采用的测定烟度的仪器大体上可分为三类：一类是滤纸式烟度计，通过 滤纸吸收一定量的排气试样，以滤纸上留下的碳微粒重量或以滤纸表面 熏黑程度即表面的光反射率来比较测定的；第二类是透光式烟度计，它 是让光线透过排气流，利用排气流的吸光特性来测量排气烟度的；第三 类是重量式烟度计，它是测定排烟中烟粒的重量，用单位体积排烟中所 含烟粒重量来表示烟度。
5、发动机废气排放物测量原理
从世界各国制定的排放法规规定也可以看出，对于柴 油机排放物各组分的测试，基本原理相同。 CO和CO2：不分光红外分析仪（NDIR）测量； NOx： 化学发光分析仪（CLD）测量； HC： 氢火焰离子化分析（FID）测量；
氧（O2）：常用顺磁分析仪测量。
不分光红外分析仪（ 不分光红外分析仪（NDIR） ）
图5-9 波许式烟度计的构造
图5-10 波许式烟度计的原理图
2）透光式烟度计
透光式烟度计是一种利用透光衰减率来测定排气烟度的仪器。按采样 的方式不同，有全流透光式烟度计和取样式透光式烟度计两种类型 全流式透光烟度计 全流式消光烟度计测量全部排气的透光衰减率。测量原理如图所示。 光源和光电池装在距排气管出口处的排气两侧。由光源射出的光线透过 排气烟柱送到光电池，转换成电压使指示表的指针移动。由于排气烟对 光的吸收作用，光透过烟柱的衰减率将随排烟浓度的增加而加大，仪器 的表头可用0—100%不透过率表示。该仪器对排烟浓度及有效光路长度 （排气烟柱直径）很敏感。对于透光式烟度计的测量原理，可以用比尔---兰伯特（Beer-Lamber）定律来描述。