基于稱重法的機動車PM2.5測試方法

鐘詳麟李偉白新宇

（1.中國汽車技術研究中心；2.天津大學；3.北京卡達克科技中心）

大氣環境PM2.5污染問題目前廣受社會公眾關注，國家對此也高度重視。最新頒布的GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中，對PM2.5提出了明確的濃度限值要求：二類區域年平均和日平均濃度限值分別為35，75 μg/m3[1]。相關研究表明，機動車 PM2.5排放是大氣PM2.5的一個重要來源，相較于PM10排放，其所占比重更高，因此，隨著新一階段（國Ⅴ）機動車排放法規的實施，對顆粒物（PM）排放提出了更低的限值要求（4.5 mg/km）。從機動車顆粒物采樣要求來看，并沒有特別限定PM2.5的取樣范圍，因此常規的機動車法規檢測對于顆粒物的質量排放檢測不足以描述機動車的PM2.5排放特性，文章基于傳統的稱重檢測方法，研究并實現了機動車PM2.5的稱重法檢測。

1 顆粒物測試方法對比分析

顆粒物分析主要包含收集和分析兩部分任務。因此，用于排放顆粒的測試儀器主要有2類，一類是采集排放顆粒樣品，用于質量及化學組分測定或者電鏡分析；另一類是分析瞬態排放或者接近瞬態排放的粒徑分布。粒徑分布是發生在顆粒物生成與采樣點之間的物理化學變化過程，包括稀釋、凝固、冷凝、均勻或異向成核等變化過程，這些過程共同影響著顆粒物粒徑分布，分析難度較大。因此目前對于大氣環境和機動車顆粒物的法規測試，均是采用對顆粒物采集進行稱重的質量分析法。

大氣環境PM10和PM2.5的手工測定采用濾紙采集稱重的方法，原理是：分別通過具有一定切割特性的采樣器，以恒速抽取定量體積空氣，使環境空氣中PM2.5和PM10被截留在已知質量的濾膜上，根據采樣前后濾膜的質量差和采樣體積，計算出PM2.5和PM10的質量濃度。從中可以看到，該方法需要通過顆粒物分離器來實現 PM2.5的采樣[2]。

在機動車排放測試領域，顆粒物的排放測試無論是基于質量法測試還是數量測試，均規范定義了顆粒物預分級系統：采用預分級裝置（旋風分離器等裝置）放置在濾紙架的上游，分級裝置的切割粒徑為2.5～10 μm。另外，法規允許采用顆粒物采樣探頭替代預分級系統（如旋風分離器）來實現預分級功能[3]，該探頭采用不銹鋼材料，壁厚1 mm，如圖1所示。目前機動車顆粒物稱重法測試多采用這種傘形探頭采樣形式，并未使用旋風分離器取樣，因此，其測試結果不能代表PM2.5的排放。如果想對機動車排放的PM2.5采樣，必須通過滿足法規要求的顆粒物分離裝置來實現顆粒物的分離收集。

表1示出大氣PM2.5和機動車顆粒物質量法測量規范對比。

表1 大氣PM2.5和機動車顆粒物質量法測量規范對比

從表1中可以看出，采用質量法二者雖具有類似的規范要求，但在取樣粒徑、測試環境及對稱重天平和濾膜等的要求方面仍有不同之處：

1）大氣環境測量的取樣粒徑分為 2.5，10 μm，而機動車顆粒物采集可以設定在2.5～10 μm；

2）大氣PM2.5測量的環境是大氣環境，未做特殊要求，而機動車顆粒物采集是在試驗室環境，有溫/濕度要求和采樣溫度要求；

3）大氣環境采樣針對的是大氣中的所有顆粒物，而機動車顆粒物采樣僅針對機動車燃燒尾氣中的顆粒物，二者顆粒物組成有很大不同；

4）大氣環境的顆粒物采集時間較長，能夠保證顆粒物的收集量，因此對于稱重天平的精度要求較低，而機動車顆粒物采集時間短，因此顆粒物收集量少，對天平的精度要求高。

2 機動車PM2.5測量方法

通過以上分析，采用現有機動車顆粒物質量測試方法，并用顆粒物分離器分離出顆粒中的PM2.5就可以實現機動車PM2.5的質量測試。PM2.5分離器可以采用旋風式分離器，圖2示出旋風分離器的粒徑分割特性。從圖2中可以看到，流量越大，對應的顆粒物分割直徑越小，當旋風分離器的工作流量在16.7 L/min時，對應的顆粒物分割范圍為2.5 μm，因此，可以設定分離器的取樣流量來實現PM2.5的采集。

圖3示出基于質量法的PM2.5采樣系統原理圖。根據以上采樣原理，基于現有的機動車顆粒物采集系統，引入旋風分離器，設定取樣流量，就可以實現PM2.5采集測試：機動車排氣與空氣混合氣通過稀釋通道，經過采樣管進入旋風分離器，利用旋風分離器的分割特性，分離出PM2.5顆粒，最后對采樣濾紙進行稱重，實現對機動車PM2.5的獲取。

3 PM2.5與常規機動車PM稱重測試結果對比

利用基于該原理的機動車PM2.5采樣系統，選取5臺GDI樣車開展比對試驗，對比基于常規傘形采樣頭的PM測試結果與基于旋風分離器的PM2.5測試結果，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稱重結果普遍低于常規的機動車PM稱重采樣結果。從PM2.5占比結果看，PM2.5所占比例與傳統PM稱重結果沒有相關性。

4 結論

通過對現有顆粒物測試方法進行對比分析，得出了機動車PM2.5的測量方法，即利用旋風分離器的分割特性，分離出PM2.5顆粒物，采用稱重法進行測量，該方法符合理論且具有可操作性。通過對比試驗得出，機動車的PM排放與PM2.5排放結果沒有相關性。