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(huán)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(huán)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(qū)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(guī)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(guī)的機動車法規(guī)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(tǒng)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(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(huán)境和機動車顆粒物的法規(guī)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(huán)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(huán)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(guī)范定義了顆粒物預分級系統(tǒng)：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(guī)允許采用顆粒物采樣探頭替代預分級系統(tǒng)（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(guī)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(guī)范對比。

表1 大氣PM2.5和機動車顆粒物質量法測量規(guī)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(guī)范要求，但在取樣粒徑、測試環(huán)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(huán)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(huán)境是大氣環(huán)境，未做特殊要求，而機動車顆粒物采集是在試驗室環(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(huán)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(tǒng)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(tǒng)，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(guī)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(tǒng)，選取5臺GDI樣車開展比對試驗，對比基于常規(guī)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(guī)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(tǒng)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。