重型柴油車車載顆粒物煙度傳感器檢測移動源污染特征
2020-06-09 09:56:10
劉國瓊
按照《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》規(guī)定,自2020年7月1日起,全國范圍實施輕型汽車國六排放標準,禁止生產(chǎn)國五排放標準輕型汽車,進口輕型汽車應符合國六排放標準。
國六標準加強車輛環(huán)保排放要求以及環(huán)保監(jiān)測水平要求，其中涉及車輛OBD 的加裝與升級。OBD全稱車載診斷系統(tǒng)，屬于污染控制裝置，用于監(jiān)測車輛排放系統(tǒng)工作狀況，并診斷、提示故障。國六環(huán)保及安全標準提升，給車載信息終端帶來增量需求。國六OBD在線排放產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)標的：艾可藍（系統(tǒng)集成）、速銳得（在線檢測終端）、奧福環(huán)保（載體）、萬潤股份（沸石）、國瓷材料（載體）等。
最新國六OBD在線排放檢測重型柴油車車載顆粒物煙度傳感器終端大部分來自這些鏈條的企業(yè)。機動車顆粒物由“排氣管”到“道路”階段表現(xiàn)為進入冷稀釋空氣，碳氫和硫酸等在冷卻條件下發(fā)生凝結(jié)、成核等氣溶膠動力學作用，一方面半揮發(fā)性和低揮發(fā)性有機組分碳氫以及硫酸在碳煙在聚團表面吸附凝結(jié)，導致碳煙聚團結(jié)構(gòu)形態(tài)和化學組分發(fā)生變化，另一方面半揮發(fā)性和低揮發(fā)性有機組分碳氫和硫酸等氣體自發(fā)生成成核作用產(chǎn)生揮發(fā)性納米顆粒，因此該階段顆粒的化學構(gòu)成和結(jié)構(gòu)形態(tài)會發(fā)生顯著變化。
實驗觀測柴油機“排氣管”到“道路”階段的研究，也可以通過稀釋通道模擬實際道路環(huán)境污染特征，兩者結(jié)合有助于更深入深入認識機動車顆粒物污染特性，道路測試通常在道路兩側(cè)布置采集點，采樣口距地面1.5米左右，道路測試與車流、風速、環(huán)境溫度、濕度以及街道配置等因素有關(guān)，比較難于控制測試條件，但能夠反映真實道路環(huán)境條件下國六柴油車動力顆粒物的污染特征。
實驗室稀釋通道實驗可以模擬實際道路環(huán)境的污染特征，且容易控制稀釋溫度、濕度、稀釋比和混合時間等參數(shù)，同時實驗在發(fā)動機臺架和機動車轉(zhuǎn)轂試驗臺上完成，可實現(xiàn)發(fā)動機運行工況的靈活控制。
機動車排氣經(jīng)過環(huán)境空氣稀釋后，在大氣湍流的作用下繼續(xù)向環(huán)境背景傳輸擴散。在此階段常伴隨光化學作用發(fā)生，導致二氧化硫、碳氫化合物和二氧化氮等氣體在一次顆粒表面發(fā)生非均相表面反應，同時氮氧化物和VOC氣體在光化學作用下也會發(fā)生成核作用，行成大量新的二次顆粒。
通過對接動車排氣顆粒從道路到環(huán)境階段的研究能夠了解機動車大氣環(huán)境效應，及通過H6GB類的國六OBD在線監(jiān)測終端及顆粒物傳感器對排氣及污染物的檢測，通過分析數(shù)據(jù)，采樣化學組分，獲得污染來源。在城市中，街道峽谷是典型配置，由于通風差、污染不易擴散，往往形成高濃度的空氣污染，因此國六排放從城市包圍農(nóng)村，也符合污染物傳輸擴散的模型。
采集柴油車排放污染物的技術(shù)及測試，有助于建立描述街道峽谷內(nèi)污染物傳輸擴散的數(shù)值模型，一般采用高斯公式或回歸方法得到污染物的分布函數(shù)，并通過實驗對公式中的參數(shù)進行計算或者修正，計算機動車排氣在街道峽谷內(nèi)的擴散，模型需要輸入機動車流量、地面粗糙度、風速方向、街道配置等參數(shù)。
真實大氣環(huán)境下，大顆粒物除來自機動車排放外，還來自工業(yè)和電廠鍋爐，工業(yè)工藝過程，揚塵、餐飲、秸稈燃燒等本地污染源以及外源性輸入污染物等，區(qū)分不同排放源對大氣懸浮顆粒也是研究大氣顆粒物污染測試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
測試發(fā)動機排放部分，我們采用YD-100顆粒物傳感器，這是速銳得開發(fā)用于計算機動車產(chǎn)生不同粒徑顆粒濃度分布的顆粒物煙度傳感器，采用光透射法的激光光纖傳感，對重型柴油車尾氣中的顆粒物濃度進行檢測。當汽車尾氣通過探測探頭時，激光會被阻擋，光電或光線探頭會將此記錄記錄下來，通過實時在線監(jiān)控終端的4G網(wǎng)絡傳輸?shù)街付ōh(huán)保排放系統(tǒng)平臺。
其原理是通過光纖將光線信號傳輸至分析模塊，分析數(shù)據(jù)的模塊將光線信號轉(zhuǎn)換成電信號，并實時計算出尾氣的顆粒物濃度，提供檢測范圍內(nèi)的顆粒物濃度、光吸收系數(shù)、不透光度等信息。
這款顆粒物傳感器符合GB17691-2018重型柴油車污染物排放限值測量方法、JT/T506交通行業(yè)透射式煙度計標準、國家計量檢定規(guī)程JJT976-2010相關(guān)標準，具備國家CNAS認證。
相關(guān)技術(shù)參數(shù)為：
重型柴油車車載煙度計 | |
工作原理 | 激光透射 |
檢測內(nèi)容 | 不透光度、顆粒物濃度、光吸收系數(shù) |
分辨率 | 顆粒物濃度：0.01mg/m3 不透光度：0.1% 光吸收系數(shù)：0.01m-1 |
響應時間 | 1s |
供電電壓 | 9~36V |
工作電流 | <300mA |
工作溫度 | 傳感模塊：-40℃~580℃ 數(shù)據(jù)處理模塊：-40℃~70℃ |
儲存溫度和濕度 | -30℃~65℃，0~95%RH |
輸出接口 | CAN |
輸出協(xié)議 | J1939 |
工作時間 | 20000小時 |
通訊協(xié)議：
YD-100車載煙度計與OBD采用CAN總線連接，我們將從OBD到Y(jié)D-100車載煙度計的傳輸方向定義數(shù)據(jù)傳輸下行方向; 將從YD-100車載煙度計到OBD的傳輸方向, 定位為數(shù)據(jù)傳輸上行方向。
YD-100車載煙度計遵從SAE J1939協(xié)議,默認傳輸速率為250kbps。
下行指令：
CAN ID: 0X18F1005D
PGN : 0X00F100
下行指令采用統(tǒng)一的協(xié)議格式，指令長度固定為8個字節(jié)，，最后一個字節(jié)為CRC校驗碼。
測量與較準指令：
字節(jié)位置 | 內(nèi)容 | 字節(jié)數(shù) | 描述 |
0 | 幀頭 | 2 | 固定為0xa5 0x5a |
2 | 指令字 | 1 | 標定指令:0x01，設置PM與不透光度的斜率 濾波參數(shù):0x02，數(shù)值越大數(shù)據(jù)越平緩 開始校準:0x03，發(fā)動機停轉(zhuǎn)時校準 停止校準:0x04，發(fā)動機啟動時停止校準 不透光度校準:0x05，校準空氣中的不透光度 設置L值:0x06 注：0x01,0x02,0x05,0x06為出廠時設置 |
3 | 參數(shù) | 2 | 分辨率為0.001 |
5 | 填充碼 | 2 | 無意義 |
7 | 校驗碼 | 1 | CRC校驗結(jié)果 |
開始校準指令如下(HEX):
A5 5A 03 00 00 00 00 50
停止校準指令如下(HEX):
上行指令
CAN ID : 0X18f10155
PGN : 0X00F101
上行指令即傳感器通過CAN總線對外發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，采用如下統(tǒng)一的協(xié)議格式，指令長度固定為8個字節(jié)，指令最后一個字節(jié)為CRC校驗碼。
字節(jié)位置 | 內(nèi)容 | 字節(jié)數(shù) | 描述 |
0 | 傳感器狀態(tài) | Bit:0~1 | 10：測量中 11：校準中 |
傳感器故障信息 | Bit: 4~5 | 00：無故障 01：信號弱 10：噪聲異常 11：標定異常 | |
1 | PM濃度 | 2 | 分辨率：0.001； 單位：mg/m3； 比如1,2字節(jié)對應的數(shù)據(jù)為：0A 0B。 則真實的PM濃度應該為：2826 * 0.001 = 2.826 其中2826是0B 0A轉(zhuǎn)為十進制的值（小端模式） |
3 | k值 | 2 | 分辨率：0.001； 單位：m-1 比如5,6字節(jié)對應的數(shù)據(jù)為：0A 0C。 則真實的光吸收系數(shù)k應該為：3082 * 0.001 = 3.082 其中3082是0C 0A轉(zhuǎn)為十進制的值（小端模式） |
5 | 不透光度 | 2 | 分辨率：0.1%； 比如3,4字節(jié)對應的數(shù)據(jù)為：0A 01。校驗碼=01+0A=0B 則真實的不透光度應該為：266 * 0.001 = 26.6% 其中266是01 0A轉(zhuǎn)為十進制的值（小端模式） |
7 | 校驗碼 | 1 | 采用CRC8算法，多項式0xD5,初始值0x00,位方向MSB，異或值0x00。 CRC校驗碼，對0~6字節(jié)進行CRC校驗。 |
實例：12 0A 0B 0A 0C 0A 01 C9
表示如下：
數(shù)據(jù)(HEX) | 描述 |
12 | 傳感器狀態(tài) 10：測量中 |
PM傳感器故障信息 01：開路 | |
0A | PM濃度應該為：2826 * 0.001 = 2.826 |
0B | |
0A | 真實的k值應該為：3082 * 0.001 = 3.082 |
0C | |
0A | 不透光度應該為：266 * 0.001 = 26.6% |
01 | |
C9 | CRC校驗碼，C9 |
CRC算法 ：CRC8
多項式(HEX) ：0xD5
初始值(HEX) ：0x00
數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn) ：MSB First
異或值(HEX) ：0x00
汽車在帶給人們工作和生活便利的同時，也產(chǎn)生了嚴峻的能源與環(huán)境問題，其中汽車尾氣排放已經(jīng)成為大氣環(huán)境中最大污染源之一。大量研究數(shù)據(jù)表明，一些地區(qū)頻繁發(fā)生的灰霾、酸雨以及光學化學煙霧嚴重的區(qū)域性大氣污染問題與汽車尾氣排放所產(chǎn)生的復合型污染物密切相關(guān)。
汽車尾氣排放直接影響到人們的健康，汽車尾氣污染治理成為城市大氣污染最突出、最緊迫的問題之一，因此國家對汽車排放提出了越來越嚴厲的要求和限制，制定并不斷提高汽車尾氣排放標準，新國六和未來的國七，都將是不斷提高對汽車制造、用車運營、環(huán)保監(jiān)管的要求，全球其他國家和地區(qū)也將向我國看齊，頒布更新的關(guān)于汽車排放限值的法規(guī)及在線檢測系統(tǒng)要求。
