重型柴油車車載顆粒物煙度傳感器檢測(cè)移動(dòng)源污染特征
2020-06-09 09:56:10
劉國(guó)瓊
按照《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》規(guī)定,自2020年7月1日起,全國(guó)范圍實(shí)施輕型汽車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn),禁止生產(chǎn)國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)輕型汽車,進(jìn)口輕型汽車應(yīng)符合國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)。
國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)車輛環(huán)保排放要求以及環(huán)保監(jiān)測(cè)水平要求，其中涉及車輛OBD 的加裝與升級(jí)。OBD全稱車載診斷系統(tǒng)，屬于污染控制裝置，用于監(jiān)測(cè)車輛排放系統(tǒng)工作狀況，并診斷、提示故障。國(guó)六環(huán)保及安全標(biāo)準(zhǔn)提升，給車載信息終端帶來增量需求。國(guó)六OBD在線排放產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)標(biāo)的：艾可藍(lán)（系統(tǒng)集成）、速銳得（在線檢測(cè)終端）、奧福環(huán)保（載體）、萬潤(rùn)股份（沸石）、國(guó)瓷材料（載體）等。
最新國(guó)六OBD在線排放檢測(cè)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(jī)動(dòng)車顆粒物由“排氣管”到“道路”階段表現(xiàn)為進(jìn)入冷稀釋空氣，碳?xì)浜土蛩岬仍诶鋮s條件下發(fā)生凝結(jié)、成核等氣溶膠動(dòng)力學(xué)作用，一方面半揮發(fā)性和低揮發(fā)性有機(jī)組分碳?xì)湟约傲蛩嵩谔紵熢诰蹐F(tuán)表面吸附凝結(jié)，導(dǎo)致碳煙聚團(tuán)結(jié)構(gòu)形態(tài)和化學(xué)組分發(fā)生變化，另一方面半揮發(fā)性和低揮發(fā)性有機(jī)組分碳?xì)浜土蛩岬葰怏w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(xué)構(gòu)成和結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)發(fā)生顯著變化。
實(shí)驗(yàn)觀測(cè)柴油機(jī)“排氣管”到“道路”階段的研究，也可以通過稀釋通道模擬實(shí)際道路環(huán)境污染特征，兩者結(jié)合有助于更深入深入認(rèn)識(shí)機(jī)動(dòng)車顆粒物污染特性，道路測(cè)試通常在道路兩側(cè)布置采集點(diǎn)，采樣口距地面1.5米左右，道路測(cè)試與車流、風(fēng)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(cè)試條件，但能夠反映真實(shí)道路環(huán)境條件下國(guó)六柴油車動(dòng)力顆粒物的污染特征。
實(shí)驗(yàn)室稀釋通道實(shí)驗(yàn)可以模擬實(shí)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(shí)間等參數(shù)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上完成，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的靈活控制。
機(jī)動(dòng)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(kuò)散。在此階段常伴隨光化學(xué)作用發(fā)生，導(dǎo)致二氧化硫、碳?xì)浠衔锖投趸葰怏w在一次顆粒表面發(fā)生非均相表面反應(yīng)，同時(shí)氮氧化物和VOC氣體在光化學(xué)作用下也會(huì)發(fā)生成核作用，行成大量新的二次顆粒。
通過對(duì)接動(dòng)車排氣顆粒從道路到環(huán)境階段的研究能夠了解機(jī)動(dòng)車大氣環(huán)境效應(yīng)，及通過H6GB類的國(guó)六OBD在線監(jiān)測(cè)終端及顆粒物傳感器對(duì)排氣及污染物的檢測(cè)，通過分析數(shù)據(jù)，采樣化學(xué)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(fēng)差、污染不易擴(kuò)散，往往形成高濃度的空氣污染，因此國(guó)六排放從城市包圍農(nóng)村，也符合污染物傳輸擴(kuò)散的模型。
采集柴油車排放污染物的技術(shù)及測(cè)試，有助于建立描述街道峽谷內(nèi)污染物傳輸擴(kuò)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(shí)驗(yàn)對(duì)公式中的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算或者修正，計(jì)算機(jī)動(dòng)車排氣在街道峽谷內(nèi)的擴(kuò)散，模型需要輸入機(jī)動(dòng)車流量、地面粗糙度、風(fēng)速方向、街道配置等參數(shù)。
真實(shí)大氣環(huán)境下，大顆粒物除來自機(jī)動(dòng)車排放外，還來自工業(yè)和電廠鍋爐，工業(yè)工藝過程，揚(yáng)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(duì)大氣懸浮顆粒也是研究大氣顆粒物污染測(cè)試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)算機(jī)動(dòng)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(duì)重型柴油車尾氣中的顆粒物濃度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)汽車尾氣通過探測(cè)探頭時(shí)，激光會(huì)被阻擋，光電或光線探頭會(huì)將此記錄記錄下來，通過實(shí)時(shí)在線監(jiān)控終端的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ōh(huán)保排放系統(tǒng)平臺(tái)。
其原理是通過光纖將光線信號(hào)傳輸至分析模塊，分析數(shù)據(jù)的模塊將光線信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并實(shí)時(shí)計(jì)算出尾氣的顆粒物濃度，提供檢測(cè)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(cè)量方法、JT/T506交通行業(yè)透射式煙度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJT976-2010相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具備國(guó)家CNAS認(rèn)證。
相關(guān)技術(shù)參數(shù)為：
重型柴油車車載煙度計(jì) | |
工作原理 | 激光透射 |
檢測(cè)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(yīng)時(shí)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(chǔ)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(shí)間 | 20000小時(shí) |
通訊協(xié)議：
YD-100車載煙度計(jì)與OBD采用CAN總線連接，我們將從OBD到Y(jié)D-100車載煙度計(jì)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(jì)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(jì)遵從SAE J1939協(xié)議,默認(rèn)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(zhǎng)度固定為8個(gè)字節(jié)，，最后一個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)碼。
測(cè)量與較準(zhǔn)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(biāo)定指令:0x01，設(shè)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(zhǔn):0x03，發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)校準(zhǔn) 停止校準(zhǔn):0x04，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)停止校準(zhǔn) 不透光度校準(zhǔn):0x05，校準(zhǔn)空氣中的不透光度 設(shè)置L值:0x06 注：0x01,0x02,0x05,0x06為出廠時(shí)設(shè)置 |
3 | 參數(shù) | 2 | 分辨率為0.001 |
5 | 填充碼 | 2 | 無意義 |
7 | 校驗(yàn)碼 | 1 | CRC校驗(yàn)結(jié)果 |
開始校準(zhǔn)指令如下(HEX):
A5 5A 03 00 00 00 00 50
停止校準(zhǔn)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(duì)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(zhǎng)度固定為8個(gè)字節(jié)，指令最后一個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)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(cè)量中 11：校準(zhǔn)中 |
傳感器故障信息 | Bit: 4~5 | 00：無故障 01：信號(hào)弱 10：噪聲異常 11：標(biāo)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為：0A 0B。 則真實(shí)的PM濃度應(yīng)該為：2826 * 0.001 = 2.826 其中2826是0B 0A轉(zhuǎn)為十進(jìn)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為：0A 0C。 則真實(shí)的光吸收系數(shù)k應(yīng)該為：3082 * 0.001 = 3.082 其中3082是0C 0A轉(zhuǎn)為十進(jìn)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為：0A 01。校驗(yàn)碼=01+0A=0B 則真實(shí)的不透光度應(yīng)該為：266 * 0.001 = 26.6% 其中266是01 0A轉(zhuǎn)為十進(jìn)制的值（小端模式） |
7 | 校驗(yàn)碼 | 1 | 采用CRC8算法，多項(xiàng)式0xD5,初始值0x00,位方向MSB，異或值0x00。 CRC校驗(yàn)碼，對(duì)0~6字節(jié)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。 |
實(shí)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(cè)量中 |
PM傳感器故障信息 01：開路 | |
0A | PM濃度應(yīng)該為：2826 * 0.001 = 2.826 |
0B | |
0A | 真實(shí)的k值應(yīng)該為：3082 * 0.001 = 3.082 |
0C | |
0A | 不透光度應(yīng)該為：266 * 0.001 = 26.6% |
01 | |
C9 | CRC校驗(yàn)碼，C9 |
CRC算法 ：CRC8
多項(xiàng)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(shí)，也產(chǎn)生了嚴(yán)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(xué)化學(xué)煙霧嚴(yán)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(fù)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(guó)家對(duì)汽車排放提出了越來越嚴(yán)厲的要求和限制，制定并不斷提高汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，新國(guó)六和未來的國(guó)七，都將是不斷提高對(duì)汽車制造、用車運(yùn)營(yíng)、環(huán)保監(jiān)管的要求，全球其他國(guó)家和地區(qū)也將向我國(guó)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(cè)系統(tǒng)要求。
