机动车排放污染物检测方法分析
摘要：本文对几种机动车排放污染物的检测方法进行比较研究，分析其各自的优缺点，探讨适宜的方法，并结合实际，提出自己的看法。
主题词：国标，机动车，排放，污染物，方法，对比
厦门市计量测试所江涛
一、背景资料
随着经济的迅速发展，我国居民收入水平提高，车辆价格下滑，中国公路运输设施和城市基础设施建设投资的迅速增加，以及政府鼓励汽车消费的政策的逐步实施，全国机动车保有量越来越大，而机动车排放气逐渐成为大气污染物的主要来源之一。
目前机动车排放气体检测机构所执行的标准主要是GA468-2004《机动车安全检验项目和方法》和GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》，GA468-2004《机动车安全检验项目和方法》6.2.2条款明确规定了排气污染物测量的测量方法。GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》中14.1的条款规定：机动车排气污染物排放应符合相关标准的规定。
为治理大气污染，国家质检总局、环保总局联合颁布了GB GB14621-2002《摩托车和轻便摩托车排气污染物排放限值及测量方法（怠速法）》，GB 19758-2005《摩托车和轻便摩托车排气烟度排放限值及测量方法》，GB3847-2005《车用压燃式发动机及压燃式汽车排放烟度排放限值及测量方法》和GB18285-2005《点燃式发动机汽
车排放污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》等强制性国家标准。其中压燃式发动机汽车就是俗称的柴油车，点燃式发动机汽车就是俗称的汽油车。
二、简单对比
国标中明确规定摩托车和轻便摩托车采用怠速法测量尾气排放，柴油车一般采用自由加速法或加载减速工况法检测烟气排放，汽油车采用双怠速法或简易工况法检测尾气排放。下面就柴油车和汽油车的不同检测方法做简单的比较和分析。
上述汽油车排放气体测量方法适用于无铅汽油，压缩天然气，液化石油气。
以下主要就简易工况法检测过程简介：将车辆置于底盘测功机上，车辆按规定车速在底盘测功机上“行驶”。驱动轮带动滚筒转动，滚筒并非处于自身无阻力可旋转状态，底盘测功机会按照检测标准事先设定的程序值向滚筒、最终向驱动轮施加一定的负荷，来模拟汽车道路行驶阻力。车辆按一定的速度、克服一定的阻力，走完试验工况，同时测量汽车排气中的污染物含量。有载荷检测法与新车试验相比较，设备、仪器做了简化，试验时间也缩短很多，故称为“简易工况
法”。简易工况法主要有：
A）汽油车简易稳态工况法（ASM）
B）汽油车简易瞬态工况法（VMAS）
C）柴油车加载减速法（LUGDOWN）
三、工况法简介
1、稳态工况法（ASM）
稳态工况在美国称为加速模拟工况（Acceleration Simulation Mode ，简称ASM），该方法只有稳定的匀速过程，加载保持固定值。ASM工况法在底盘测功机上的测试运转循环由ASM5025和ASM2540两个工况组成，其过程如图1所示：
上图运转循环可以看出，稳态工况法是在稳定工况下测量出的汽油车尾气污染物含量。该方法只有稳定的匀速过程，加载保持固定值。ASM有两个等速工况段：一是ASM5025工况，车速为25公里／小时，按车辆加速度为1.47米／秒2时负荷的50％对该工况进行加载，故称为ASM5025工况。二是ASM2540工况，车速为40公里／小时，
按车辆加速度为1.47米／秒2（实际为1.1米／秒2左右）时负荷的25％对该工况进行加载，故称为ASM2540工况。ASM工况法需要五气分析仪和底盘测功机等设备。ASM工况法污染物分析仪器采用下列原理：CO、HC、NO和CO2采用不分光红外法（NDIR），O2采用电化学法。排放结果以浓度百分数表示。
图2 ASM稳态工况法系统构成图
2、瞬态工况法（IM240）
汽油车瞬态工况污染物排放检测系统由可以模拟加速惯量和道路行驶阻力的底盘测功机、专用五气分析仪和气体流量分析仪组成的采样分析系统、计算机控制系统组成。检测结果单位为g／km，可测出汽油车尾气中氮氧化物含量，可实时分析车辆在道路负荷工况下排气污染物的排放质量，对于全面评价车辆的排放状况、估算机动车污染物排放总量及制定切实可行的机动车污染控制规划具有重要意义。然而瞬态工况法全部运转测试时间太长（约为1180秒），由于检测技术复杂，检测时间太长，设备昂贵。
IM240工况法采用了美国联邦新车型式认证的测试规程（FTP）
曲线的前333秒的两个峰，经修改缩短为240秒。测试设备的工作原理同新车试验的基本要求一致。底盘测功机因车辆要变负荷变车速运行，故应配备多点载荷设定的功率吸收装置和惯性飞轮组，以模拟道路行驶阻力和车辆加速惯量。采样装置与分析仪器与新车试验一致。采样系统为定容稀释取样（CVS）。一氧化碳用非分散型红外分析仪（NDIR），碳氢化合物用氢火焰离子分析仪（FID），氮氧化物用化学发光分析仪（CLD）。最后的测试结果以克／公里表示。IM240的特点是测试结果与新车型式认证的测试规程（FTP）结果有很好的相关性。3种污染物的相关因子可达到：一氧化碳为91.8％；碳氢化合物为94.7％；氮氧化物为84.3％。同时，IM240对3种污染物的测试结果相对于FTP结果的离散性很小，所以IM240的错判率很低。但IM240工况法设备费用比较昂贵，日常运行维护比较复杂，单车检测时间较长，而且对检测人员也有较高的技术要求。
图 3 IM240测试循环
3、简易瞬态工况法（VMAS）
为了克服ASM与FTP相关性差、IM240虽与FTP相关性好但费
用太高、不利于推广的困难，一种被称作VMAS的检测方法几年前在美国出现。美国EPA2001年认可了纽约州使用的VMAS检测方法（VehicleMassAnalysisSystem），其在底盘测功机上测试运转循环如图
图 4 VMAS工况运转循环图
上图运转循环中包含了车辆的加档，减档，加速，减速，怠速的全过程，是一种动态地模拟车辆在道路上行驶的过程，测试期间平均车速19km/h，有效检测时间195s，循环理论行驶距离1.013km，简易瞬态工况法需要的主要检测设备有五组分尾气分析仪，底盘测功机和流量分析仪。流量分析仪可以即时地测量排放气体的流量，计算出每一秒的排放体积，然后根据排放体积和五气分析仪测量出的排放浓度，来计算机动车每一种排放污染物的总质量，单位为g/km。
图5 Vmas 检测原理图
当VMAS采用与IM240相同的工况时，两者测试结果的相关性非常好。1998年美国EPA在纽约对VMAS的性能发起了一个与IM240对比的试验（Gordon－Darby试验），试验对846辆随机选取的车做了VMAS／IM240同步测试。数据的相关性计算表明，一氧化碳的R2＝0.993；碳氢化合物的R2＝0.93；氮氧化合物的R2＝0.992。表现出极好的相关性。
4、加载减速法LUGDOWN
该方法来自香港。香港环保署于2000年6月颁布了修订后的柴油车加载减速排放限值和测量方法，对柴油车分为5.5t以下级和5.5t 以上级两个级别进行检测。
该方法在3个加载工况点测试烟度。3个测量点分别是最大功率点，最大功率对应转速的90％转速点和最大功率对应转速的80％转速点。
测试方法采样探头插入机动车排气管中，插入深度不得低于
400mm。接好不透光烟度仪。测试数据包括轮边功率、发动机转速和排气烟度。只有轮边最大功率、发动机转速范围和3个工况点测得的光吸收系数k或烟度值均满足标准限值，排放测试才判定为合格。
测试设备主要包括底盘测功机、不透光烟度计和发动机转速计，由计算机控制系统集中控制。底盘测功机主要由滚筒、功率吸收单元（PAU）、惯量模拟装置等组成。不透光烟度计采用分流式内置不透光测量的原理。
5、双怠速法
双怠速检测方法相比较怠速检测法增加了一个高怠速点的排放检测，其检测程序是：“发动机由怠速工况加速至0.7的额定转速，维持60秒后降至高怠速（即0.5的额定转速），将尾气分析仪的取样探头插入并固定在排气管中（深度为40cm）。发动机在高怠速状态维持15秒后开始读数，读取30秒内的最高与最低值，取平均值为怠速排放测量结果。然后发动机从高怠速状态降至怠速状态，在怠速状态维持15秒后开始读数，读取30秒内的最高值与最低值，其平均值为怠速排放测量结果。若发动机有多个排气管，分别取各排气管高怠速和怠速排放测量结果的平均值”。增加了高怠速点检测的双怠速试验虽然是一个过渡性的检测方法，但它的存在完全有其必性的：一是增加了高怠速点的检测后，对普通化油器式的车辆，扩大了污染物排放的控制范围。用双怠速试验法进行尾气检测更能够有效地发现化油器混合气供给系统中故障（如怠速油量孔是否磨损，空气量孔是否堵塞，主供油孔是否磨损等等，同理更能在检测时帮助发现人为作弊现象），
从而督促人们进一步检查、维护与修理，彻底恢复发动机良好工作状态。二是对于装有电喷和三元催化装置的车辆，用高怠速点测得的CO、HC排放量和过量空气系数λ值来综合分析与判断车辆的电控系统和催化装置是否工作正常，及时发现污染物排放控制部件的问题，以彻底排除故障。
汽油车怠速检测法的弊端
a)怠速法难以全面真实反映出汽车的排放状况。例如：一些排放达
到欧Ⅰ或欧Ⅱ的车辆行驶了仅两万多公里，在有负载的工况法检测时表明其排放已超标，但怠速检测的CO和HC结果却仍然很低，完全可以达标。甚至一些新车做排放匹配试验时，也出现过怠速排放很好，工况法检测却达不到欧Ⅰ或欧Ⅱ标准的现象。化油器车也有类似情况：工况法检测CO很高，超出了新车标准，但怠速检测结果却正常。
b)由于怠速法检测时，车辆基本是处于无负荷状态，而Nox是汽车
高温高负荷情况下的产物，因此怠速法检测时不能真实反映Nox 的排放。
用怠速法检测车辆排放时，对于化油器车（车主）易留下作弊可能。实践证明：一些车主与司机在进行车辆检测前自己将化油器怠速螺钉、节气门螺钉向混合气偏稀调整，偏离正常的怠速浓混合气设计状态，混过年检。
6、自由加速法
我国现行的在用柴油车的排放标准为GB3847－2005《车用压燃
式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》，该标准中规定了自由加速的两种方法，其分别是“滤纸式烟度法”、“不透光烟度法”。
柴油车自由加速烟度检验程序
6.1、滤纸式烟度法：
滤纸式烟度计由取样系统和测量系统组成。抽气泵将一定容量的柴油车排气吸入，排气的污染颗粒被阻隔在滤纸上，形成污斑。将一束光照射在滤纸上，上方放置硒光电池。污斑越黑，照射光的反射越少，光电池光电压较小，仪表根据该电压值计算并显示烟度值。
6.2、不透光烟度法
不透光烟度法采用透射式烟度计（有称不透光度仪、不透光度计、不透光烟度计、透光式烟度计等）作为检测设备，它的测量原理是使一定光通量的入射光透过一段特定长度的被测烟柱，用光接收器上所接收到的透射光的强弱来评定排放可见污染物的程度。
自由加速烟度测试特点该方法具有检测操作简便易行、测试仪器价格便宜和便于携带、以及检测时间短等优点，广泛应用于柴油车的年检、路检。随着车辆自身技术水平的不断改进与提升，以及国家
环境监测部门对车辆排放控制要求的逐步严格，传统的在用柴油车自由加速烟度法显示出以下弊端问题。
a)自由加速法在操作时，由于“将油门踏板迅速踏到底”的速度与
力度的掌握不同，“维持4s后松开”中时间长短的掌握差异，使
得测量的不确定性较大，重复性差；
b)自由加速不带负荷，不是汽车行驶的真实工况，也不是汽车短
时间停驶维持怠速的工况。
c)有时会出现冒黑烟和抽气泵开始抽气的时间不同步的现象，这
时测不到最大烟度值。因此近年来，各级车辆技术管理部门
也在积极探索/实践更为科学的方法开展在用车的排放检测。
四、几种检测方法适用性比较
由于怠速法是一种静态的检测，非实际工作状况的检测方法，很容易作弊，例如将车辆的怠速调得很低，这样检测时很容易达标，但是在这种怠速情况下，车辆是无法正常行驶的，所以车辆会在检测后重新调整到较高的怠速，其排放污染物较大，但是却无法检测出来。而且凭肉眼可见，很多车辆在不加速的情况下，也就是不踩油门的情况下，其排气的污染是很小的，但是一旦车辆起步加速开始行驶的时候，污染会非常严重，这种状态怠速法却视而不见。因此2005年汽油车和柴油车新的排放限值和检测方法的强制性国家标准出台时，已明令禁止使用怠速法。
中国环保总局首先引入欧洲汽车排放标准，随之制定了国Ⅱ国Ⅲ的排放标准，该标准中汽油车尾气排放单位参照了欧洲标准——
g/km，这种方法比较科学，其描述了汽油车每行驶一公里所产生的污染物总和。而双怠速法和ASM工况法采用的排放单位是%，其描述的是汽车尾气中各种污染物占排气总量的百分数。
采用百分数作为排放指标有很大的缺陷：比如一辆1.6升排气量的小车和一辆6升的大排量汽车，前者污染物浓度为2%，后者污染物浓度为0.8%，到底哪一辆车对大气污染的贡献更大呢？显然后者的污染更大，但是纯粹从双怠速法和ASM工况法指标上考核，前者的排气质量是比较差的。这样的结果与国家鼓励小排放车辆，节约能源，减少大气污染的宗旨是背道而驰的。
VMAS工况法采用g/km为单位，检测汽油车每行驶一公里所产生的污染物总和，和国家环保总局颁布实施的《中华人民共和国大气污染防治法》相符合，鼓励小排放车辆，可以节约能源，减少大气污染。但是VMAS工况法也存在不足，由于排放气体分析仪五种气体传感器的响应时间各不相同，再加上流量分析仪流量传感器和锆氧传感器，以及底盘测功机各参数的响应时间不同，所以采用VMAS工况法检测汽车尾气时，五气分析仪无法和其余设备同时响应出实时排放污染物的量值，造成污染物排放较小的车辆，检测数值重复性较差，而污染物排放较大的车辆，检测数值重复性较好。
根据GB18285-2005《点燃式发动机汽车排放污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》D2.3.3.2.9分析仪响应时间规定：当采样头浓度上升，分析仪对该变化值的响应从0%上升到90%时，HC，CO，CO2响应时间应少于8秒，对于NO应少于12秒，对于
O2应少于15秒。当采样头浓度衰减至原值的10%时，分析仪对该变化值的响应时间应少于5秒，对于NO可少于6秒，由此可见，尾气
检测出的数值不是“实时的
．．．”，造成低浓度检测重复性较差，而高浓度时，各种气体检测器的响应时间影响较小，所以检测重复性误差也较小。
双怠速法检测汽车尾气时，由于检测时间是在发动机转速稳定15秒之后才开始检测，取其后30秒的平均值，因此检测的重复性较好，准确度较高。
五、相关性对比
ASM检测结果与美国联邦实验程序FTP结果相关性较差，3种污染物的相关因子分别为：一氧化碳为43.5％；碳氢化合物为49.2％；氮氧化物为71.4％。这主要是由于ASM是等速等负荷的稳态行驶工况，IM240与FTP是变速变负荷的瞬态行驶工况，显然对排放有不同影响。另外，尾气污染物分析原理也不相同。ASM与新车试验的相关性较差，使得ASM方法误判率偏高，尤其是对电喷＋三元催化器的车，误判率最高可达35％左右，准确率最差时可低到65％（根据美国资料，以IM240的准确率为100％）。ASM的另一不足之处是该方法基于污染物排放浓度而不是排放质量。发动机排量小的车辆排放质量少，排量大的车辆排放质量多，但其排放浓度却有可能相同。因而ASM对不同发动机排量的车辆是欠公允的。
当VMAS采用与IM240相同的工况时，两者测试结果的相关性非常好。1998年美国EPA在纽约对VMAS的性能发起了一个与IM240
对比的试验（Gordon－Darby试验），试验对846辆随机选取的车做了VMAS／IM240同步测试。数据的相关性计算表明，一氧化碳的R2＝0.993；碳氢化合物的R2＝0.93；氮氧化合物的R2＝0.992。表现出极好的相关性。
六、国内外现状
据了解，目前美国50个州有49个州采用ASM工况法，1个州采用VMAS工况法，1996年美国EPA认可了ASM，规定了试验方法、设备要求等。由于ASM工况法采用百分数作为检测单位，其结果是：大排量高档车辆大量使用，能源消耗严重，在过去几年中，美国也是世界汽车污染物排放量最大的国家之一。
目前欧共体各国新车出厂采用VMAS工况法，在用车检测采用双怠速法，其结果是小排放车辆在欧洲被广泛使用，节约能源，汽车污染物排放总量很小，大气环境污染很小。出厂时严格把关，而在用车检测采用双怠速法只是用于日常监管，配合车载诊断系统OBD2和OBD3的使用，随时监测车辆尾气排放情况，一旦OBD报警，车主主动开去修理厂检修调整。
在国内，2005年国家环保总局要求在辽宁、山东、深圳试点采用I/M制度法治理汽车排放污染物。IM制度是指检测维护管理制度，包含机动车尾气的检测，日常监管，车辆的检修维护等一系列制度。目前国内各地采用的尾气检测方法如下表：
在国标GB18285-2005《点燃式发动机汽车排放污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》的第8条中指出：自标准实施之日其，全国点燃式发动机在用汽车（即在用汽油车）排放监控，采用该标准规定的双怠速法排气污染物排放限值及测量方法；在机动车保有量大、污染严重的地区，也可按照规定采用简易工况法。各省级环境保护行政主管部门可根据当地实际情况，确定在用车排放监控方法，选择双怠速法或简易工况法中的一种方法作为在用汽车排气污染物排放检测方法。对于同一车型的在用汽车实施排放控制，环保定期检测时不得采用二种或二种以上的排气污染物排放检测方法。
VMAS简易工况法推出之前，必须在本地区利用抽样的方法对各种车型（汽油，柴油，轻型，重型，大排量，小排量，各种使用年限）进行试验，将试验数据按照检测结果进行排序，以确定VMAS的限值，从而决定车辆淘汰的比例。
目前国内很多城市和地区开始采用环保合格标志的方法，限值排放不合格的车辆在某些城市道路禁止行驶，这是一种很好的办法，可以让哪些尾气排放检测不合格的车辆销售到其他车辆保有量比较小
的地区，尽量避免车主的经济损失，不至于造成车主的巨大损失，与政府提倡的“和谐社会”的精神相符。
参考文献：
《中华人民共和国大气污染防治法》
GA468-2004《机动车安全检验项目和方法》
GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》
GB14621-2002《摩托车和轻便摩托车排气污染物排放限值及测量方法（怠速法）》GB 19758-2005《摩托车和轻便摩托车排气烟度排放限值及测量方法》
GB3847-2005《车用压燃式发动机及压燃式汽车排放烟度排放限值及测量方法》
GB18285-2005《点燃式发动机汽车排放污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》
《城市机动车排放污染控制》
《中国机动车排放污染与控制》
作者：江涛
单位：厦门市计量测试所
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