汽車發動機排氣顆粒物測量技術進展

趙 亮，蘇牛旺，吳春玲*,2，景曉軍，劉衛林

（1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300；2.天津大學，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，是大氣環境污染的主要貢獻者。顆粒物是汽車發動機排放中的重要污染物，不僅會對大氣產生嚴重污染，也會吸附其它有害物質產生致癌作用[1]。國內機動車污染排放標準的制定始于1983年，雖然起步較晚，但升級速度快，目前我國已經實施的國六階段排放標準是世界上最嚴格的排放標準之一。隨著我國對機動車排放污染防治力度的加強，對發動機排氣顆粒物測量技術的要求也在不斷提高，因此，顆粒物的準確測量對有效監管具有重要意義。

1 顆粒物產生的原因和條件

發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，構成顆粒物的核心單元[3]。另外，燃料在低溫燃燒時極易產生氣態或液態的碳氫化合物（Hydrocarbon, HC），氣態HC最終凝結成液滴或凝結于顆粒表面。顆粒物的形成是一個動態過程，發動機尾氣在排出氣缸后隨著溫度降低，顆粒會發生碰撞和凝聚，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，Fa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，由光源發出的入射光經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果一般用光吸收系數k表示，單位：m-1。

圖2 不透光煙度計的測量原理

依據朗伯-比爾定律（Lambert-Beer law），光吸收系數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

隨著排放法規的逐步加嚴，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運而生。如圖3所示，激光發射器發出的808 nm波長的激光束被機械斬光器進行強度調制，變成具有4 000 Hz頻率的斬波激光束，讓煙氣暴露在調制光下，煙氣在受到激光束周期性的加熱和冷卻時會導致測量腔內的氣體膨脹與收縮，產生一個同步的聲頻率波，該聲波可用麥克風測量到并轉為電信號，信號經鎖定放大器放大分析就可以獲得碳煙的質量濃度。

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缺點，應用場景也不盡相同。

表1 不同煙度計的優缺點和應用場景

3 顆粒物質量的測量

排放法規中對顆粒物質量的測量方式主要是基于稱重法，即流經濾紙的稀釋排氣應滿足溫度在315 K（42 ℃）到325 K（52 ℃） 且通過濾紙的迎面速度應為0.90 m/s～1.00 m/s，測試循環結束后稱重由濾紙收集所有排氣成分質量[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（Constant Volume Sampling,CVS）和部分流稀釋系統（Partial Flow Sampling System, PFSS）兩種，如圖4所示。

3.1 全流定容稀釋采樣系統

全流定容稀釋采樣系統（CVS）是指發動機排出的全部排氣都排入稀釋通道中，用結果過濾的環境空氣稀釋，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，通常稀釋系統由多個CFV組成，可實現多種不同的流量控制組合，便于系統控制稀釋后的混合氣總流量恒定。排放法規要求初級稀釋比不小于4，二級稀釋應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。試驗中經過一、二級稀釋后的混合氣流經濾紙，盡管不同工況時發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量，再結合采樣比計算出發動機在整個循環中排放的顆粒比排放結果[9]。CVS模擬了發動機排出的尾氣進入大氣被稀釋后擴散的狀態，與排氣污染實際發生時的條件最為接近，是汽車排放法規中測量瞬態循環下顆粒物排放的基準方法，在各國排放檢測機構廣泛使用。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（CVS）和部分流稀釋系統（PFSS）

3.2 部分流顆粒物采集系統

部分流稀釋系統（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置為一個固定值輸入系統，試驗中系統根據采樣比和發動機實時排氣流量計算出實時采樣流量，從發動機排氣按計算出的采樣流量取樣送入稀釋通道，通過質量流量控制閥控制稀釋空氣流量，稀釋比的大小應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是否能夠在發動機動態排氣條件下，精確按照采樣比完成實時采樣。因此，PFSS對系統響應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，部分流系統具有體積小、成本低、可測量流量范圍廣的特點，在發動機開發階段的顆粒物排放測量應用較多。

4 粒子數量PN的測量

隨著渦輪增壓、缸內直噴、顆粒捕集等技術的應用，微小粒徑排氣顆粒物排放到大氣當中，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要求對粒徑在23 nm～2.5 μm 之間的粒子進行測量計數。目前粒子數量（Particle Number, PN）測量主要分為靜電法和凝結粒子計數法。

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成正比[12-13]。

圖5 靜電低壓撞擊器（ELPI）的基本結構

帶電顆粒連續沉積產生電荷量，顆粒數量濃度通過下式計算[14]：

式中，N為顆粒數量濃度；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；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具有測量顆粒物濃度上限高，響應速度快的特點，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，所以無法應用于排放標準法規監管場景[15]。

4.2 凝結核粒子計數器（CPC）

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

圖6 凝結核粒子計數器結構圖

CPC的計數過程是先對顆粒物完成凝結增長，再利用光散射法進行單粒子計數。被測量的超細顆粒物經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，然后混合氣流經冷凝器，正丁醇蒸汽在每一個顆粒物上凝結，完成凝結核增長[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腔，激光束正好聚焦在噴嘴上方的點上，當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測出顆粒物的數量[18]。

圖7 光散射法單粒子計數過程

雖然現階段主流的PN檢測標準是對23 nm及以上的顆粒物計數，但隨著對顆粒物排放的深入研究，發現粒徑小于23 nm的顆粒物造成的污染愈加嚴重。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之前需要將發動機排放氣體中的可揮發性顆粒（Volatile Particle, VP）去除，僅測定固體顆粒數。目前最新的10 nm顆粒計數器在揮發性顆粒去除器（Volatile Particle Remover, VPR）中新增加了一個催化器（Catalytic Stripper, CS），加強了對碳氫化合物的氧化蒸發并存儲硫化物。10 nm顆粒計數器的另一個改進就是升級了CPC的計數效率。圖8為23 nm和10 nm顆粒計數器臨界值曲線的對比。23 nm設備的測量區間為41 nm顆粒計數效率＞90%，且23 nm顆粒計數效率在50%±12%范圍內；新的10 nm設備的測量區間為15 nm顆粒計數效率＞90%，且10 nm顆粒計數効率在65%±15%范圍內。

綜上所述，基于凝結核增長的粒子測量技術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顆粒計數器為研究排氣污染物中細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升級對于顆粒物測量的要求。

圖8 23 nm和10 nm顆粒計數器臨界值曲線的對比

5 顆粒物測量技術的展望

汽車發動機排氣顆粒物是主要的空氣污染源。歷經數十年的發展，煙度、質量、顆粒物計數濃度以及粒徑譜的測量技術已經日趨成熟，這對顆粒物排放的準確測量和監管，汽車尾氣排放的污染防治有重要的意義。如今，汽車發動機排氣顆粒物排放已經受到嚴格的監管，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，提出相關限值要求。目前，歐七提案中對M1、N1類車輛的制動產生的PM10顆粒物排放提出限值要求，限值分兩階段執行，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準測量方法成了未來一段時間內的新挑戰。