重型柴油车车载颗粒物烟度传感器检测移动源污染特征
2020-06-09 09:56:10
刘国琼
按照《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》规定,自2020年7月1日起,全国范围实施轻型汽车国六排放标准,禁止生产国五排放标准轻型汽车,进口轻型汽车应符合国六排放标准。
国六标准加强车辆环保排放要求以及环保监测水平要求，其中涉及车辆OBD 的加装与升级。OBD全称车载诊断系统，属于污染控制装置，用于监测车辆排放系统工作状况，并诊断、提示故障。国六环保及安全标准提升，给车载信息终端带来增量需求。国六OBD在线排放产业链相关标的：艾可蓝（系统集成）、速锐得（在线检测终端）、奥福环保（载体）、万润股份（沸石）、国瓷材料（载体）等。
最新国六OBD在线排放检测重型柴油车车载颗粒物烟度传感器终端大部分来自这些链条的企业。机动车颗粒物由“排气管”到“道路”阶段表现为进入冷稀释空气，碳氢和硫酸等在冷却条件下发生凝结、成核等气溶胶动力学作用，一方面半挥发性和低挥发性有机组分碳氢以及硫酸在碳烟在聚团表面吸附凝结，导致碳烟聚团结构形态和化学组分发生变化，另一方面半挥发性和低挥发性有机组分碳氢和硫酸等气体自发生成成核作用产生挥发性纳米颗粒，因此该阶段颗粒的化学构成和结构形态会发生显著变化。
实验观测柴油机“排气管”到“道路”阶段的研究，也可以通过稀释通道模拟实际道路环境污染特征，两者结合有助于更深入深入认识机动车颗粒物污染特性，道路测试通常在道路两侧布置采集点，采样口距地面1.5米左右，道路测试与车流、风速、环境温度、湿度以及街道配置等因素有关，比较难于控制测试条件，但能够反映真实道路环境条件下国六柴油车动力颗粒物的污染特征。
实验室稀释通道实验可以模拟实际道路环境的污染特征，且容易控制稀释温度、湿度、稀释比和混合时间等参数，同时实验在发动机台架和机动车转毂试验台上完成，可实现发动机运行工况的灵活控制。
机动车排气经过环境空气稀释后，在大气湍流的作用下继续向环境背景传输扩散。在此阶段常伴随光化学作用发生，导致二氧化硫、碳氢化合物和二氧化氮等气体在一次颗粒表面发生非均相表面反应，同时氮氧化物和VOC气体在光化学作用下也会发生成核作用，行成大量新的二次颗粒。
通过对接动车排气颗粒从道路到环境阶段的研究能够了解机动车大气环境效应，及通过H6GB类的国六OBD在线监测终端及颗粒物传感器对排气及污染物的检测，通过分析数据，采样化学组分，获得污染来源。在城市中，街道峡谷是典型配置，由于通风差、污染不易扩散，往往形成高浓度的空气污染，因此国六排放从城市包围农村，也符合污染物传输扩散的模型。
采集柴油车排放污染物的技术及测试，有助于建立描述街道峡谷内污染物传输扩散的数值模型，一般采用高斯公式或回归方法得到污染物的分布函数，并通过实验对公式中的参数进行计算或者修正，计算机动车排气在街道峡谷内的扩散，模型需要输入机动车流量、地面粗糙度、风速方向、街道配置等参数。
真实大气环境下，大颗粒物除来自机动车排放外，还来自工业和电厂锅炉，工业工艺过程，扬尘、餐饮、秸秆燃烧等本地污染源以及外源性输入污染物等，区分不同排放源对大气悬浮颗粒也是研究大气颗粒物污染测试的关键环节。
测试发动机排放部分，我们采用YD-100颗粒物传感器，这是速锐得开发用于计算机动车产生不同粒径颗粒浓度分布的颗粒物烟度传感器，采用光透射法的激光光纤传感，对重型柴油车尾气中的颗粒物浓度进行检测。当汽车尾气通过探测探头时，激光会被阻挡，光电或光线探头会将此记录记录下来，通过实时在线监控终端的4G网络传输到指定环保排放系统平台。
其原理是通过光纤将光线信号传输至分析模块，分析数据的模块将光线信号转换成电信号，并实时计算出尾气的颗粒物浓度，提供检测范围内的颗粒物浓度、光吸收系数、不透光度等信息。
这款颗粒物传感器符合GB17691-2018重型柴油车污染物排放限值测量方法、JT/T506交通行业透射式烟度计标准、国家计量检定规程JJT976-2010相关标准，具备国家CNAS认证。
相关技术参数为：
重型柴油车车载烟度计 | |
工作原理 | 激光透射 |
检测内容 | 不透光度、颗粒物浓度、光吸收系数 |
分辨率 | 颗粒物浓度：0.01mg/m3 不透光度：0.1% 光吸收系数：0.01m-1 |
响应时间 | 1s |
供电电压 | 9~36V |
工作电流 | <300mA |
工作温度 | 传感模块：-40℃~580℃ 数据处理模块：-40℃~70℃ |
储存温度和湿度 | -30℃~65℃，0~95%RH |
输出接口 | CAN |
输出协议 | J1939 |
工作时间 | 20000小时 |
通讯协议：
YD-100车载烟度计与OBD采用CAN总线连接，我们将从OBD到YD-100车载烟度计的传输方向定义数据传输下行方向; 将从YD-100车载烟度计到OBD的传输方向, 定位为数据传输上行方向。
YD-100车载烟度计遵从SAE J1939协议,默认传输速率为250kbps。
下行指令：
CAN ID: 0X18F1005D
PGN : 0X00F100
下行指令采用统一的协议格式，指令长度固定为8个字节，，最后一个字节为CRC校验码。
测量与较准指令：
字节位置 | 内容 | 字节数 | 描述 |
0 | 帧头 | 2 | 固定为0xa5 0x5a |
2 | 指令字 | 1 | 标定指令:0x01，设置PM与不透光度的斜率 滤波参数:0x02，数值越大数据越平缓 开始校准:0x03，发动机停转时校准 停止校准:0x04，发动机启动时停止校准 不透光度校准:0x05，校准空气中的不透光度 设置L值:0x06 注：0x01,0x02,0x05,0x06为出厂时设置 |
3 | 参数 | 2 | 分辨率为0.001 |
5 | 填充码 | 2 | 无意义 |
7 | 校验码 | 1 | CRC校验结果 |
开始校准指令如下(HEX):
A5 5A 03 00 00 00 00 50
停止校准指令如下(HEX):
上行指令
CAN ID : 0X18f10155
PGN : 0X00F101
上行指令即传感器通过CAN总线对外发送传感器数据，采用如下统一的协议格式，指令长度固定为8个字节，指令最后一个字节为CRC校验码。
字节位置 | 内容 | 字节数 | 描述 |
0 | 传感器状态 | Bit:0~1 | 10：测量中 11：校准中 |
传感器故障信息 | Bit: 4~5 | 00：无故障 01：信号弱 10：噪声异常 11：标定异常 | |
1 | PM浓度 | 2 | 分辨率：0.001； 单位：mg/m3； 比如1,2字节对应的数据为：0A 0B。 则真实的PM浓度应该为：2826 * 0.001 = 2.826 其中2826是0B 0A转为十进制的值（小端模式） |
3 | k值 | 2 | 分辨率：0.001； 单位：m-1 比如5,6字节对应的数据为：0A 0C。 则真实的光吸收系数k应该为：3082 * 0.001 = 3.082 其中3082是0C 0A转为十进制的值（小端模式） |
5 | 不透光度 | 2 | 分辨率：0.1%； 比如3,4字节对应的数据为：0A 01。校验码=01+0A=0B 则真实的不透光度应该为：266 * 0.001 = 26.6% 其中266是01 0A转为十进制的值（小端模式） |
7 | 校验码 | 1 | 采用CRC8算法，多项式0xD5,初始值0x00,位方向MSB，异或值0x00。 CRC校验码，对0~6字节进行CRC校验。 |
实例：12 0A 0B 0A 0C 0A 01 C9
表示如下：
数据(HEX) | 描述 |
12 | 传感器状态 10：测量中 |
PM传感器故障信息 01：开路 | |
0A | PM浓度应该为：2826 * 0.001 = 2.826 |
0B | |
0A | 真实的k值应该为：3082 * 0.001 = 3.082 |
0C | |
0A | 不透光度应该为：266 * 0.001 = 26.6% |
01 | |
C9 | CRC校验码，C9 |
CRC算法 ：CRC8
多项式(HEX) ：0xD5
初始值(HEX) ：0x00
数据翻转 ：MSB First
异或值(HEX) ：0x00
汽车在带给人们工作和生活便利的同时，也产生了严峻的能源与环境问题，其中汽车尾气排放已经成为大气环境中最大污染源之一。大量研究数据表明，一些地区频繁发生的灰霾、酸雨以及光学化学烟雾严重的区域性大气污染问题与汽车尾气排放所产生的复合型污染物密切相关。
汽车尾气排放直接影响到人们的健康，汽车尾气污染治理成为城市大气污染最突出、最紧迫的问题之一，因此国家对汽车排放提出了越来越严厉的要求和限制，制定并不断提高汽车尾气排放标准，新国六和未来的国七，都将是不断提高对汽车制造、用车运营、环保监管的要求，全球其他国家和地区也将向我国看齐，颁布更新的关于汽车排放限值的法规及在线检测系统要求。