汽車發(fā)動機排氣顆粒物測量技術(shù)進展

趙 亮，蘇牛旺，吳春玲*,2，景曉軍，劉衛(wèi)林

（1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300；2.天津大學(xué)，天津 300072）

2021年，全國汽車保有量達3.02億輛，其排放的顆粒物（Particulate Matter, PM）達6.9萬噸，是大氣環(huán)境污染的主要貢獻者。顆粒物是汽車發(fā)動機排放中的重要污染物，不僅會對大氣產(chǎn)生嚴(yán)重污染，也會吸附其它有害物質(zhì)產(chǎn)生致癌作用[1]。國內(nèi)機動車污染排放標(biāo)準(zhǔn)的制定始于1983年，雖然起步較晚，但升級速度快，目前我國已經(jīng)實施的國六階段排放標(biāo)準(zhǔn)是世界上最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)之一。隨著我國對機動車排放污染防治力度的加強，對發(fā)動機排氣顆粒物測量技術(shù)的要求也在不斷提高，因此，顆粒物的準(zhǔn)確測量對有效監(jiān)管具有重要意義。

1 顆粒物產(chǎn)生的原因和條件

發(fā)動機排氣中顆粒物的主要成分為干碳煙、可溶性有機組分和硝酸鹽[2]，是由燃料分子脫氫分解或火焰最初的多個燃料分子聚合而形成。液態(tài)燃料的大分子在燃燒過程中會熱裂解為小分子，其中的碳、氮、硫等元素被析出氧化，少量的碳燃燒不充分聚合成直徑為0.01 μm的球體，構(gòu)成顆粒物的核心單元[3]。另外，燃料在低溫燃燒時極易產(chǎn)生氣態(tài)或液態(tài)的碳?xì)浠衔铮℉ydrocarbon, HC），氣態(tài)HC最終凝結(jié)成液滴或凝結(jié)于顆粒表面。顆粒物的形成是一個動態(tài)過程，發(fā)動機尾氣在排出氣缸后隨著溫度降低，顆粒會發(fā)生碰撞和凝聚，最后形成團狀或鏈狀大顆粒物。

2 煙度的測量

在早期研究中，一般用煙度來指示顆粒物的排放，而煙度計是測量發(fā)動機排氣中碳顆粒的主要儀器。按照測量原理，煙度計分為濾紙式、透射式和目視法。

2.1 濾紙式煙度計的測量原理

使一定體積的煙氣通過潔凈濾紙，積累在濾紙上的碳黑顆粒在射燈照射下產(chǎn)生不同強度的反射光，通過光反射率來指示碳黑顆粒的排放量[4]。為了減小不同取樣管長度及取樣管殘余排氣對測量結(jié)果的影響，如圖1所示，通過濾紙的有效長度LVeff計算公式如下：

式中，VS表示采樣體積，VL表示泄漏體積，VD表示死體積，F(xiàn)a表示濾紙面積。

煙度計光電測量頭會檢測煙塵通過后的濾紙并以濾紙式煙度單位（FSN）（按ISO 10054定義）給出結(jié)果。

圖1 濾紙式煙度計的測量示意圖

2.2 不透光式煙度計測量原理

如圖2所示，由光源發(fā)出的入射光經(jīng)過一定長度充滿煙氣的光通道，到達光接收器的光束強度與入射光強度的比例為該煙氣的不透光度[5]。不透光煙度計的光源所提供的入射光的光譜帶寬應(yīng)盡可能的小，要盡可能的接近單色光。不透光式煙度計測量的排氣煙度結(jié)果一般用光吸收系數(shù)k表示，單位：m-1。

圖2 不透光煙度計的測量原理

依據(jù)朗伯-比爾定律（Lambert-Beer law），光吸收系數(shù)k可通過不透光度和光通道有效長度計算得

式中，N為不透光度；LA為光通道有效長度。

2.3 林格曼煙度計測量原理

以法國科學(xué)家林格曼命名，利用比色原理，通過林格曼煙氣黑度圖法來測定排放煙氣黑度。將煙氣黑度劃分為六級，對應(yīng)林格曼濃度圖有六種，0級為全白，1級黑度20%，2級40%，3級60%，4級為80%，5級為全黑。把林格曼濃度圖放置在一定位置，通過目測被測物體與相應(yīng)級別的林格曼濃度圖顏色的一致性，以確定排氣煙度[6]。

2.4 聲光法微煙度計測量原理

隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán)，排氣中的碳煙濃度大幅下降，對測量精度的要求也不斷提高，因此聲光法微煙度計應(yīng)運而生。如圖3所示，激光發(fā)射器發(fā)出的808 nm波長的激光束被機械斬光器進行強度調(diào)制，變成具有4 000 Hz頻率的斬波激光束，讓煙氣暴露在調(diào)制光下，煙氣在受到激光束周期性的加熱和冷卻時會導(dǎo)致測量腔內(nèi)的氣體膨脹與收縮，產(chǎn)生一個同步的聲頻率波，該聲波可用麥克風(fēng)測量到并轉(zhuǎn)為電信號，信號經(jīng)鎖定放大器放大分析就可以獲得碳煙的質(zhì)量濃度。

圖3 聲光法微煙度計測量原理

如表1所示，不同煙度計各自有不同的優(yōu)缺點，應(yīng)用場景也不盡相同。

表1 不同煙度計的優(yōu)缺點和應(yīng)用場景

3 顆粒物質(zhì)量的測量

排放法規(guī)中對顆粒物質(zhì)量的測量方式主要是基于稱重法，即流經(jīng)濾紙的稀釋排氣應(yīng)滿足溫度在315 K（42 ℃）到325 K（52 ℃） 且通過濾紙的迎面速度應(yīng)為0.90 m/s～1.00 m/s，測試循環(huán)結(jié)束后稱重由濾紙收集所有排氣成分質(zhì)量[7]。在濾紙收集顆粒的過程中，可選用的采樣方法主要有全流定容稀釋采樣系統(tǒng)（Constant Volume Sampling,CVS）和部分流稀釋系統(tǒng)（Partial Flow Sampling System, PFSS）兩種，如圖4所示。

3.1 全流定容稀釋采樣系統(tǒng)

全流定容稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）是指發(fā)動機排出的全部排氣都排入稀釋通道中，用結(jié)果過濾的環(huán)境空氣稀釋，并使稀釋排氣的總體積流量保持恒定[8]。測量稀釋排氣流量可使用容積泵（Positive Displacement Pump, PDP）、臨界流量文丘里管（Critical Flow Venturi, CFV）或亞音速文丘里管（Subsonic Venturi, SSV）。以CFV為例，通常稀釋系統(tǒng)由多個CFV組成，可實現(xiàn)多種不同的流量控制組合，便于系統(tǒng)控制稀釋后的混合氣總流量恒定。排放法規(guī)要求初級稀釋比不小于4，二級稀釋應(yīng)使濾紙前的排氣溫度低于52 ℃同時滿足濾紙對迎面速度的要求。試驗中經(jīng)過一、二級稀釋后的混合氣流經(jīng)濾紙，盡管不同工況時發(fā)動機的排氣流量不同，但是由于CFV控制稀釋后的總稀釋排氣流量一定，可以計算出流經(jīng)濾紙的樣氣占總稀釋排氣的采樣比，測試前后對濾紙稱重得出取樣排氣中的顆粒物質(zhì)量，再結(jié)合采樣比計算出發(fā)動機在整個循環(huán)中排放的顆粒比排放結(jié)果[9]。CVS模擬了發(fā)動機排出的尾氣進入大氣被稀釋后擴散的狀態(tài)，與排氣污染實際發(fā)生時的條件最為接近，是汽車排放法規(guī)中測量瞬態(tài)循環(huán)下顆粒物排放的基準(zhǔn)方法，在各國排放檢測機構(gòu)廣泛使用。但CVS占地面積大，造價高，維護和使用成本也較高。

圖4 全流定容稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）和部分流稀釋系統(tǒng)（PFSS）

3.2 部分流顆粒物采集系統(tǒng)

部分流稀釋系統(tǒng)（PFSS）只稀釋了總排氣流量的一小部分。PFSS從排氣管中抽取一定比例的原始排氣輸送到稀釋通道，由流量控制器控制稀釋空氣流量，將排氣質(zhì)量流量作為指令信號，來控制采樣比。具體過程為試驗前將采樣比設(shè)置為一個固定值輸入系統(tǒng)，試驗中系統(tǒng)根據(jù)采樣比和發(fā)動機實時排氣流量計算出實時采樣流量，從發(fā)動機排氣按計算出的采樣流量取樣送入稀釋通道，通過質(zhì)量流量控制閥控制稀釋空氣流量，稀釋比的大小應(yīng)滿足通過濾紙的排氣溫度小于52 ℃和迎面速度0.90 m/s～1.00 m/s的要求。PFSS的測試精度取決于系統(tǒng)是否能夠在發(fā)動機動態(tài)排氣條件下，精確按照采樣比完成實時采樣。因此，PFSS對系統(tǒng)響應(yīng)時間和實時排氣流量的測量精度要求較高。相對于全流稀釋系統(tǒng)，部分流系統(tǒng)具有體積小、成本低、可測量流量范圍廣的特點，在發(fā)動機開發(fā)階段的顆粒物排放測量應(yīng)用較多。

4 粒子數(shù)量PN的測量

隨著渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、顆粒捕集等技術(shù)的應(yīng)用，微小粒徑排氣顆粒物排放到大氣當(dāng)中，加劇了對人類健康的危害[10-11]，我國最新實施的國六排放法規(guī)要求對粒徑在23 nm～2.5 μm 之間的粒子進行測量計數(shù)。目前粒子數(shù)量（Particle Number, PN）測量主要分為靜電法和凝結(jié)粒子計數(shù)法。

4.1 靜電低壓撞擊器（ELPI）

靜電低壓撞擊器（Electrical Low Pressure Impactor, ELPI）是一種基于擴散荷電法的實時測量顆粒物粒徑分布、質(zhì)量濃度的在線儀器。ELPI的具體工作過程分為荷電、低壓沖擊、電荷測量三個部分，原理如圖5所示。待測樣氣首先在充電室完成充電，帶電的顆粒物通過低壓串級撞擊器內(nèi)部安裝的多組噴射盤與收集盤，顆粒物在慣性作用下被分級收集。串聯(lián)撞擊器間絕緣，并各自連接靈敏靜電計，實時測量顆粒物所帶的電荷量，再由測得的電荷信號計算出顆粒物的粒徑分布。每一級電流值與顆粒物粒子數(shù)成正比[12-13]。

圖5 靜電低壓撞擊器（ELPI）的基本結(jié)構(gòu)

帶電顆粒連續(xù)沉積產(chǎn)生電荷量，顆粒數(shù)量濃度通過下式計算[14]：

式中，N為顆粒數(shù)量濃度；I為校正電流；P為顆粒通過電暈的比率；n為顆粒的基本電荷數(shù)；e為基本電荷電量；Q為顆粒物流量。

基于擴散荷電法的測量技術(shù)具有測量顆粒物濃度上限高，響應(yīng)速度快的特點，適合高濃度顆粒物排放場景的原位采樣，但由于自身噪聲影響，會存在精度不足的問題，所以無法應(yīng)用于排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)監(jiān)管場景[15]。

4.2 凝結(jié)核粒子計數(shù)器（CPC）

由于傳統(tǒng)光學(xué)方法無法直接測量粒徑小于100 nm的顆粒物，需要通過凝結(jié)增長使小粒徑顆粒物增長至微米量級后再用光學(xué)方法來檢測，凝結(jié)核粒子計數(shù)器（Condensation Particle Counter,CPC）能夠?qū)崿F(xiàn)每一個顆粒物單獨計數(shù)且分辨率極高[16]。CPC的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要構(gòu)成分為三部分：由正丁醇罐、加熱飽和器、冷凝器、蠕動泵等構(gòu)成的顆粒物凝結(jié)增長部分；由真空泵、高效濾芯、壓差傳感器、孔口、閥等構(gòu)成的樣氣流量控制部分和光學(xué)腔內(nèi)的激光檢測部分。

圖6 凝結(jié)核粒子計數(shù)器結(jié)構(gòu)圖

CPC的計數(shù)過程是先對顆粒物完成凝結(jié)增長，再利用光散射法進行單粒子計數(shù)。被測量的超細(xì)顆粒物經(jīng)過稀釋以恒定流速通過樣氣入口進入，在加熱飽和器中與加熱汽化的正丁醇混合，然后混合氣流經(jīng)冷凝器，正丁醇蒸汽在每一個顆粒物上凝結(jié)，完成凝結(jié)核增長[17]。如圖7所示，增長后的正丁醇凝聚顆粒通過噴嘴進入光學(xué)腔，激光束正好聚焦在噴嘴上方的點上，當(dāng)顆粒通過噴嘴進入時，激光被散射，散射的光被收集透鏡捕獲并聚焦在光電探測器上，通過探測器接收到的脈沖進行計數(shù)測出顆粒物的數(shù)量[18]。

圖7 光散射法單粒子計數(shù)過程

雖然現(xiàn)階段主流的PN檢測標(biāo)準(zhǔn)是對23 nm及以上的顆粒物計數(shù)，但隨著對顆粒物排放的深入研究，發(fā)現(xiàn)粒徑小于23 nm的顆粒物造成的污染愈加嚴(yán)重。2022年11月10日，歐盟委員會公布了最新的歐七提案，如表2所示，包括輕型車、重型車和實際道路的顆粒物排放監(jiān)測范圍由23 nm以上擴展到10 nm以上[19]。

表2 歐七提案與歐六PN限值比較

通常在顆粒物進入CPC之前需要將發(fā)動機排放氣體中的可揮發(fā)性顆粒（Volatile Particle, VP）去除，僅測定固體顆粒數(shù)。目前最新的10 nm顆粒計數(shù)器在揮發(fā)性顆粒去除器（Volatile Particle Remover, VPR）中新增加了一個催化器（Catalytic Stripper, CS），加強了對碳?xì)浠衔锏难趸舭l(fā)并存儲硫化物。10 nm顆粒計數(shù)器的另一個改進就是升級了CPC的計數(shù)效率。圖8為23 nm和10 nm顆粒計數(shù)器臨界值曲線的對比。23 nm設(shè)備的測量區(qū)間為41 nm顆粒計數(shù)效率＞90%，且23 nm顆粒計數(shù)效率在50%±12%范圍內(nèi)；新的10 nm設(shè)備的測量區(qū)間為15 nm顆粒計數(shù)效率＞90%，且10 nm顆粒計數(shù)効率在65%±15%范圍內(nèi)。

綜上所述，基于凝結(jié)核增長的粒子測量技術(shù)因其測量精度較高但測量上限較低，更適合對稀釋后的低濃度顆粒物進行精確測量，特別是10 nm顆粒計數(shù)器為研究排氣污染物中細(xì)小顆粒物的排放特性提供了幫助，可以滿足下一階段我國和歐洲排放法規(guī)升級對于顆粒物測量的要求。

圖8 23 nm和10 nm顆粒計數(shù)器臨界值曲線的對比

5 顆粒物測量技術(shù)的展望

汽車發(fā)動機排氣顆粒物是主要的空氣污染源。歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，煙度、質(zhì)量、顆粒物計數(shù)濃度以及粒徑譜的測量技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，這對顆粒物排放的準(zhǔn)確測量和監(jiān)管，汽車尾氣排放的污染防治有重要的意義。如今，汽車發(fā)動機排氣顆粒物排放已經(jīng)受到嚴(yán)格的監(jiān)管，而非尾氣的顆粒物在道路交通總顆粒物排放中的占比越來越高，由制動磨損、輪胎與路面磨損、路面揚塵等產(chǎn)生的非尾氣顆粒物污染防治越來越受到重視[20]，最新的歐七提案中首次將制動顆粒物排放和輪胎磨損量納入管控，提出相關(guān)限值要求。目前，歐七提案中對M1、N1類車輛的制動產(chǎn)生的PM10顆粒物排放提出限值要求，限值分兩階段執(zhí)行，第一階段為7 mg/km（2034年12月31日前），第二階段為3 mg/km（2035年1月1日后）。然而，由于顆粒物的生成機理和顆粒物成分的顯著差異，對非尾氣顆粒物的測量還存在一定的爭論，故歐七提案中針對輪胎磨損量僅給出了不同類型/級別輪胎的分類規(guī)則，暫未提出具體限值要求。因此，建立和完善非尾氣顆粒物的標(biāo)準(zhǔn)測量方法成了未來一段時間內(nèi)的新挑戰(zhàn)。