基于稱(chēng)重法的機(jī)動(dòng)車(chē)PM2.5測(cè)試方法

鐘詳麟李偉白新宇

（1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心；2.天津大學(xué)；3.北京卡達(dá)克科技中心）

大氣環(huán)境PM2.5污染問(wèn)題目前廣受社會(huì)公眾關(guān)注，國(guó)家對(duì)此也高度重視。最新頒布的GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中，對(duì)PM2.5提出了明確的濃度限值要求：二類(lèi)區(qū)域年平均和日平均濃度限值分別為35，75 μg/m3[1]。相關(guān)研究表明，機(jī)動(dòng)車(chē) PM2.5排放是大氣PM2.5的一個(gè)重要來(lái)源，相較于PM10排放，其所占比重更高，因此，隨著新一階段（國(guó)Ⅴ）機(jī)動(dòng)車(chē)排放法規(guī)的實(shí)施，對(duì)顆粒物（PM）排放提出了更低的限值要求（4.5 mg/km）。從機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物采樣要求來(lái)看，并沒(méi)有特別限定PM2.5的取樣范圍，因此常規(guī)的機(jī)動(dòng)車(chē)法規(guī)檢測(cè)對(duì)于顆粒物的質(zhì)量排放檢測(cè)不足以描述機(jī)動(dòng)車(chē)的PM2.5排放特性，文章基于傳統(tǒng)的稱(chēng)重檢測(cè)方法，研究并實(shí)現(xiàn)了機(jī)動(dòng)車(chē)PM2.5的稱(chēng)重法檢測(cè)。

1 顆粒物測(cè)試方法對(duì)比分析

顆粒物分析主要包含收集和分析兩部分任務(wù)。因此，用于排放顆粒的測(cè)試儀器主要有2類(lèi)，一類(lèi)是采集排放顆粒樣品，用于質(zhì)量及化學(xué)組分測(cè)定或者電鏡分析；另一類(lèi)是分析瞬態(tài)排放或者接近瞬態(tài)排放的粒徑分布。粒徑分布是發(fā)生在顆粒物生成與采樣點(diǎn)之間的物理化學(xué)變化過(guò)程，包括稀釋、凝固、冷凝、均勻或異向成核等變化過(guò)程，這些過(guò)程共同影響著顆粒物粒徑分布，分析難度較大。因此目前對(duì)于大氣環(huán)境和機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物的法規(guī)測(cè)試，均是采用對(duì)顆粒物采集進(jìn)行稱(chēng)重的質(zhì)量分析法。

大氣環(huán)境PM10和PM2.5的手工測(cè)定采用濾紙采集稱(chēng)重的方法，原理是：分別通過(guò)具有一定切割特性的采樣器，以恒速抽取定量體積空氣，使環(huán)境空氣中PM2.5和PM10被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計(jì)算出PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度。從中可以看到，該方法需要通過(guò)顆粒物分離器來(lái)實(shí)現(xiàn) PM2.5的采樣[2]。

在機(jī)動(dòng)車(chē)排放測(cè)試領(lǐng)域，顆粒物的排放測(cè)試無(wú)論是基于質(zhì)量法測(cè)試還是數(shù)量測(cè)試，均規(guī)范定義了顆粒物預(yù)分級(jí)系統(tǒng)：采用預(yù)分級(jí)裝置（旋風(fēng)分離器等裝置）放置在濾紙架的上游，分級(jí)裝置的切割粒徑為2.5～10 μm。另外，法規(guī)允許采用顆粒物采樣探頭替代預(yù)分級(jí)系統(tǒng)（如旋風(fēng)分離器）來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)分級(jí)功能[3]，該探頭采用不銹鋼材料，壁厚1 mm，如圖1所示。目前機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物稱(chēng)重法測(cè)試多采用這種傘形探頭采樣形式，并未使用旋風(fēng)分離器取樣，因此，其測(cè)試結(jié)果不能代表PM2.5的排放。如果想對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)排放的PM2.5采樣，必須通過(guò)滿(mǎn)足法規(guī)要求的顆粒物分離裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒物的分離收集。

表1示出大氣PM2.5和機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物質(zhì)量法測(cè)量規(guī)范對(duì)比。

表1 大氣PM2.5和機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物質(zhì)量法測(cè)量規(guī)范對(duì)比

從表1中可以看出，采用質(zhì)量法二者雖具有類(lèi)似的規(guī)范要求，但在取樣粒徑、測(cè)試環(huán)境及對(duì)稱(chēng)重天平和濾膜等的要求方面仍有不同之處：

1）大氣環(huán)境測(cè)量的取樣粒徑分為 2.5，10 μm，而機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物采集可以設(shè)定在2.5～10 μm；

2）大氣PM2.5測(cè)量的環(huán)境是大氣環(huán)境，未做特殊要求，而機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物采集是在試驗(yàn)室環(huán)境，有溫/濕度要求和采樣溫度要求；

3）大氣環(huán)境采樣針對(duì)的是大氣中的所有顆粒物，而機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物采樣僅針對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)燃燒尾氣中的顆粒物，二者顆粒物組成有很大不同；

4）大氣環(huán)境的顆粒物采集時(shí)間較長(zhǎng)，能夠保證顆粒物的收集量，因此對(duì)于稱(chēng)重天平的精度要求較低，而機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物采集時(shí)間短，因此顆粒物收集量少，對(duì)天平的精度要求高。

2 機(jī)動(dòng)車(chē)PM2.5測(cè)量方法

通過(guò)以上分析，采用現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物質(zhì)量測(cè)試方法，并用顆粒物分離器分離出顆粒中的PM2.5就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車(chē)PM2.5的質(zhì)量測(cè)試。PM2.5分離器可以采用旋風(fēng)式分離器，圖2示出旋風(fēng)分離器的粒徑分割特性。從圖2中可以看到，流量越大，對(duì)應(yīng)的顆粒物分割直徑越小，當(dāng)旋風(fēng)分離器的工作流量在16.7 L/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的顆粒物分割范圍為2.5 μm，因此，可以設(shè)定分離器的取樣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)PM2.5的采集。

圖3示出基于質(zhì)量法的PM2.5采樣系統(tǒng)原理圖。根據(jù)以上采樣原理，基于現(xiàn)有的機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物采集系統(tǒng)，引入旋風(fēng)分離器，設(shè)定取樣流量，就可以實(shí)現(xiàn)PM2.5采集測(cè)試：機(jī)動(dòng)車(chē)排氣與空氣混合氣通過(guò)稀釋通道，經(jīng)過(guò)采樣管進(jìn)入旋風(fēng)分離器，利用旋風(fēng)分離器的分割特性，分離出PM2.5顆粒，最后對(duì)采樣濾紙進(jìn)行稱(chēng)重，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)PM2.5的獲取。

3 PM2.5與常規(guī)機(jī)動(dòng)車(chē)PM稱(chēng)重測(cè)試結(jié)果對(duì)比

利用基于該原理的機(jī)動(dòng)車(chē)PM2.5采樣系統(tǒng)，選取5臺(tái)GDI樣車(chē)開(kāi)展比對(duì)試驗(yàn)，對(duì)比基于常規(guī)傘形采樣頭的PM測(cè)試結(jié)果與基于旋風(fēng)分離器的PM2.5測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。

從圖4中可以看到，由于PM2.5分離器收集的粒徑范圍小于傘形取樣頭的取樣范圍，因此，PM2.5稱(chēng)重結(jié)果普遍低于常規(guī)的機(jī)動(dòng)車(chē)PM稱(chēng)重采樣結(jié)果。從PM2.5占比結(jié)果看，PM2.5所占比例與傳統(tǒng)PM稱(chēng)重結(jié)果沒(méi)有相關(guān)性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有顆粒物測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比分析，得出了機(jī)動(dòng)車(chē)PM2.5的測(cè)量方法，即利用旋風(fēng)分離器的分割特性，分離出PM2.5顆粒物，采用稱(chēng)重法進(jìn)行測(cè)量，該方法符合理論且具有可操作性。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得出，機(jī)動(dòng)車(chē)的PM排放與PM2.5排放結(jié)果沒(méi)有相關(guān)性。