潘朋 楊正軍 溫溢

（中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176）

輕型車顆粒物質(zhì)量測試影響因素試驗研究

潘朋 楊正軍 溫溢

（中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176）

為提高輕型車顆粒物質(zhì)量測試精度，通過試驗對比分析了稱重環(huán)境、濾紙預(yù)處理時間、背景顆粒物質(zhì)量和空氣浮力等因素對顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果的影響。試驗結(jié)果表明，稱重室內(nèi)相對濕度越靠近45%，顆粒物質(zhì)量測量的偏差越小，結(jié)果越穩(wěn)定；在6～10 h的預(yù)處理時間段對濾紙進(jìn)行稱量，既能節(jié)約時間成本，又能保證測量精度；適當(dāng)增加日常背景顆粒物測量頻率，并繪制背景顆粒物質(zhì)量變化圖，能及時修正背景顆粒物的影響；空氣浮力對顆粒物質(zhì)量的影響主要是由大氣壓力的波動造成的，應(yīng)及時對試驗前、后濾紙質(zhì)量進(jìn)行浮力修正。

1 前言

2013年9月發(fā)布的GB18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（中國第五階段）排放法規(guī)中新增了對直噴汽油車顆粒物質(zhì)量測試的要求，同時所有輕型車顆粒物質(zhì)量排放限值統(tǒng)一降低至4.5 mg/km。新增的顆粒物測試要求和極低的顆粒物排放限值對我國各大汽車檢測機(jī)構(gòu)對顆粒物質(zhì)量的測試提出了更高要求，一方面需要提高測試設(shè)備的精度，另一方面還需要深入研究影響顆粒物質(zhì)量測量精度的各種因素。目前，國內(nèi)外對顆粒物測量設(shè)備本身的測量誤差研究較多，但對顆粒物測量時外界影響因素研究較少，尤其是針對汽車顆粒物質(zhì)量測量影響因素的系統(tǒng)研究則更少。為此，本文針對顆粒物采樣濾紙稱重環(huán)境、濾紙預(yù)處理時間、背景空氣中顆粒物質(zhì)量和空氣浮力等影響顆粒物質(zhì)量測量的因素進(jìn)行了對比試驗，提出了避免各因素對顆粒物質(zhì)量測量影響的建議。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗車輛

經(jīng)過多次摸底試驗，篩選出了一輛試驗狀態(tài)穩(wěn)定的某型輕型直噴汽油車進(jìn)行顆粒物質(zhì)量測試試驗，試驗樣車參數(shù)見表1。

2.2 試驗設(shè)備

主要試驗設(shè)備如表2所列，包括滿足國V試驗標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境倉、底盤測功機(jī)、排放分析系統(tǒng)、稱重室、電子天平、溫濕度及大氣壓力記錄儀、采樣濾紙等。

表1 試驗樣車參數(shù)

表2 主要試驗設(shè)備

2.3 試驗方案

按照法規(guī)GB18352.5—2013的相關(guān)試驗要求對試驗樣車進(jìn)行排放試驗，采用47 mm玻璃纖維采樣濾紙收集樣車顆粒物排放質(zhì)量，并對采樣濾紙進(jìn)行了稱重環(huán)境、預(yù)處理時間、背景空氣中顆粒物質(zhì)、空氣浮力等影響因素的驗證試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 稱重環(huán)境對顆粒物質(zhì)量測試的影響

法規(guī)GB18352.5—2013中要求，在對濾紙進(jìn)行預(yù)處理和稱重期間，稱重室應(yīng)滿足下列條件：溫度保持在22±3℃，露點溫度保持在9.5±3℃，相對濕度保持在45%±8%[1]。其中露點溫度與相對濕度可以相互轉(zhuǎn)換。

根據(jù)法規(guī)要求，將稱重室溫度分別設(shè)置為19℃、22℃和25℃，露點溫度分別設(shè)置為6.5℃、9.5℃和12.5℃，經(jīng)對不同環(huán)境條件組合時對顆粒物質(zhì)量測量的影響研究發(fā)現(xiàn)，有6組環(huán)境條件組合滿足排放法規(guī)對相對濕度的要求（見表3），其余環(huán)境條件組合不符合法規(guī)要求，因此，本文僅對表3中的6組環(huán)境條件組合進(jìn)行汽車顆粒物排放對比試驗[2]。

在進(jìn)行排放試驗前，對1張未采樣濾紙分別在6組環(huán)境條件下進(jìn)行10 h的預(yù)處理后進(jìn)行稱重并記錄結(jié)果，每組環(huán)境條件下重復(fù)測量3次，并取平均值作為該組環(huán)境條件下未采樣濾紙質(zhì)量。排放試驗時，使用預(yù)處理后的采樣濾紙收集顆粒物，將收集了顆粒物的采樣濾紙重復(fù)在各環(huán)境條件組合下的預(yù)處理過程，并測量、記錄采樣后的濾紙質(zhì)量平均值。通過計算濾紙采樣前、后的質(zhì)量差值得出在不同環(huán)境條件組合下的顆粒物質(zhì)量，試驗結(jié)果見表4及圖1。

表3 符合法規(guī)要求的6組環(huán)境條件組合

表4 6組環(huán)境條件組合下顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果

圖1 顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果與相對濕度關(guān)系

由表4和圖1可知，不同的稱重環(huán)境條件對顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果有一定影響。在溫度保持一定的情況下，隨著露點溫度的升高，相對濕度變大，顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果逐漸增大；在露點溫度保持一定的情況下，隨著溫度的升高，相對濕度變小，顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果逐漸減小。由圖1還可看出，顆粒物質(zhì)量的測量結(jié)果與相對濕度呈一定的線性關(guān)系，相對濕度越靠近邊界，即越接近37%和53%，顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果越離散，平均偏差在1.5%～4.1%之間，相對濕度越靠近45%，顆粒物質(zhì)量測量的平均偏差越小，在0.3%～1.7%之間。

上述分析表明，環(huán)境條件對顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果有一定影響，根據(jù)試驗結(jié)果可知，在實際預(yù)處理和稱重中，建議將環(huán)境條件組合設(shè)置為溫度為22±1℃、露點溫度為9.5±1℃、相對濕度為45%±1%的組合可確保顆粒物質(zhì)量測試結(jié)果的穩(wěn)定性。

3.2 濾紙預(yù)處理時間對顆粒物質(zhì)量測試的影響

法規(guī)GB18352.5—2013中規(guī)定：試驗前、后所用濾紙應(yīng)至少進(jìn)行2 h但不超過80 h的預(yù)處理，然后再進(jìn)行稱重[1]。上述法規(guī)規(guī)定的濾紙預(yù)處理時間跨度較長，在實際試驗操作中，需要找到一個既能控制試驗時間成本，又能保證顆粒物質(zhì)量測量精度的最佳濾紙預(yù)置時間。本文在稱重室環(huán)境條件保持一定的情況下，將試驗前、后的濾紙置于微克天平秤盤上進(jìn)行預(yù)處理，同時通過天平應(yīng)用程序?qū)V紙進(jìn)行每1 min自動稱量1次的連續(xù)測量，直至80 h，連續(xù)記錄試驗前、后濾紙及顆粒物質(zhì)量在預(yù)處理期間的質(zhì)量變化情況，10 h及80 h預(yù)處理階段的試驗結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 10 h預(yù)處理階段試驗前、后濾紙及顆粒物質(zhì)量變化曲線

圖3 80 h預(yù)處理階段試驗前、后濾紙及顆粒物質(zhì)量變化曲線

從圖2和圖3可看出，在0～6 h預(yù)處理階段，試驗前、后濾紙及顆粒物質(zhì)量變化幅度較大；在6～80 h階段，質(zhì)量變化逐漸減小，結(jié)果趨于平穩(wěn)。通過研究0～10 h試驗前、后濾紙及顆粒物質(zhì)量變化情況（見圖2）可知，0～2 h預(yù)處理階段，試驗前、后濾紙及顆粒物質(zhì)量變化幅度最大，最大平均偏差為48.9%；在2～6 h預(yù)處理階段，試驗前、后濾紙及顆粒物質(zhì)量變化幅度逐漸減小，最大平均偏差為8.5%；在6～10 h預(yù)處理階段，質(zhì)量變化幅度進(jìn)一步減小，最大平均偏差僅為0.9%。結(jié)合圖2和圖3的試驗結(jié)果可知，在10～80 h預(yù)處理階段的濾紙及顆粒物質(zhì)量變化幅度與6～10 h階段時基本一致。

由上述分析可知，濾紙預(yù)處理時間對顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果有一定影響。如果將0～2 h預(yù)處理階段的某一測量結(jié)果作為顆粒物最終結(jié)果，可能會產(chǎn)生較大的測量誤差，因此，可選擇顆粒物質(zhì)量測量偏差變化較小的6～10 h預(yù)處理階段對試驗前、后的濾紙質(zhì)量進(jìn)行測量，這樣既可節(jié)約試驗時間成本，又能保證顆粒物質(zhì)量測量精度。

3.3 背景顆粒物質(zhì)量對顆粒物質(zhì)量測試的影響

法規(guī)GB18352.5—2013中規(guī)定：濾紙采集經(jīng)過濾后的稀釋空氣用于確定背景顆粒物質(zhì)量水平。背景顆粒物的測量可在試驗前或試驗后進(jìn)行。顆粒物質(zhì)量測量可通過減去稀釋系統(tǒng)背景顆粒物的貢獻(xiàn)來修正。首先按照法規(guī)GB18352.5—2013的技術(shù)要求在試驗前對背景顆粒物進(jìn)行采集和測量，然后對試驗樣車進(jìn)行排放試驗并采集顆粒物質(zhì)量，以確定背景顆粒物質(zhì)量對顆粒物質(zhì)量測量的影響，試驗結(jié)果見表5。

表5 背景顆粒物修正前、后顆粒物質(zhì)量變化

由表5可知，經(jīng)背景顆粒物修正后的顆粒物質(zhì)量比修正前減少了0.004 1 mg，其對應(yīng)的顆粒物質(zhì)量平均排放量比修正前減少了0.11 mg/km，占修正后測量結(jié)果的8.1%。由此可知，在進(jìn)行汽車顆粒物質(zhì)量測量時，背景顆粒物質(zhì)量修正與否對最終顆粒物質(zhì)量測量的精度有一定的影響。

為了進(jìn)一步研究試驗期間背景顆粒物質(zhì)量變化規(guī)律，對背景顆粒物質(zhì)量進(jìn)行了3個完整工作日的連續(xù)監(jiān)測。每個工作日每隔1 h對背景顆粒物質(zhì)量進(jìn)行1次測量，共進(jìn)行8次，試驗結(jié)果見圖4。

圖4 3個完整工作日內(nèi)背景顆粒物質(zhì)量變化曲線

由圖4可看出，第1天和第2天的背景顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果都是由低（約0.003 0 mg）逐漸升高而后達(dá)到穩(wěn)定（約0.005 3 mg）的過程。第3天背景顆粒物質(zhì)量的第4次測量結(jié)果突然升高，比第3次測量結(jié)果升高了21.4%，然后逐漸降低重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于在試驗期間，背景空氣取氣處出現(xiàn)某種污染源導(dǎo)致背景顆粒物濃度迅速升高。

由上述分析結(jié)果可知，背景顆粒物質(zhì)量對顆粒物質(zhì)量的測量有一定的影響。為了準(zhǔn)確確定每次試驗期間背景顆粒物的狀況，應(yīng)適當(dāng)增加背景顆粒物質(zhì)量測量的頻率，建議每個工作日至少進(jìn)行3次背景顆粒物測量，并繪出當(dāng)日背景顆粒物質(zhì)量變化曲線，以便對每次顆粒物質(zhì)量的試驗測試結(jié)果進(jìn)行及時修正。

3.4 空氣浮力對顆粒物質(zhì)量測試的影響

因顆粒物采樣濾紙是放置在一種介質(zhì)（空氣）內(nèi)進(jìn)行稱量，其所受到的空氣浮力和重力是相反的，因此采樣濾紙測出的質(zhì)量會減少，減少量等于排開的空氣質(zhì)量[2]，因此法規(guī)GB18352.5—2013中要求所有濾紙的質(zhì)量均應(yīng)進(jìn)行浮力修正。首先對試驗前、后的采樣濾紙進(jìn)行稱量，同時記錄稱量時的溫度、濕度以及大氣壓力等環(huán)境條件，然后通過浮力修正公式（1）及空氣密度計算公式（2）[3]計算出浮力修正后的試驗前采樣濾紙的質(zhì)量和試驗后采樣濾紙的質(zhì)量，最終得到浮力修正后的顆粒物質(zhì)量，試驗結(jié)果見表6和表7。

浮力修正公式為：

式中，mf為修正后的濾紙質(zhì)量，mg；muncorr為修正前的濾紙質(zhì)量，mg；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；ρw=8 000 kg/m3為天平砝碼密度；ρf=2 300 kg/m3為顆粒物采樣濾紙密度。

空氣密度計算式為：

式中，pb為大氣壓力，kPa；Ta為天平所在環(huán)境大氣溫度，K；Mmix=28.836 g/mol為天平周圍空氣的摩爾質(zhì)量；R=8.314 4 J/（mol·K）為摩爾氣體常數(shù)。

表6 空氣浮力修正前、后濾紙質(zhì)量對比

表7 空氣浮力修正前、后顆粒物質(zhì)量對比

由式（1）、式（2）及表6、表7可知，試驗前、后采樣濾紙稱重時的溫度和濕度等環(huán)境條件保持不變，而大氣壓力升高了1.01 kPa。通過浮力修正公式計算得出，經(jīng)浮力修正后的試驗前的濾紙質(zhì)量和試驗后的濾紙質(zhì)量比修正前分別增加了0.031 5 mg和0.031 9 mg，進(jìn)而得出空氣浮力修正前、后的顆粒物質(zhì)量偏差為0.000 4 mg，占修正后結(jié)果的1.68%，因此，空氣浮力對顆粒物質(zhì)量的測量結(jié)果有一定的影響。

通過進(jìn)一步分析可知，試驗前、后采樣濾紙稱重時的溫度、濕度等環(huán)境條件能夠通過設(shè)備控制保持穩(wěn)定，而砝碼、濾紙密度以及天平周圍空氣的摩爾質(zhì)量、摩爾常數(shù)均為常數(shù)項，因此，采樣濾紙及顆粒物質(zhì)量受到的空氣浮力影響主要是由大氣壓力變化造成的[4]。

為了進(jìn)一步研究采樣濾紙及顆粒物質(zhì)量與大氣壓力變化的關(guān)系，在稱重環(huán)境條件（溫度22℃，露點溫度9.5℃，相對濕度45%）保持一定的情況下，對試驗前、后的采樣濾紙進(jìn)行了連續(xù)80 h的濾紙質(zhì)量和大氣壓力數(shù)據(jù)采集，試驗結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 浮力修正前、后濾紙質(zhì)量差值與大氣壓力的變化曲線

圖6 浮力修正前、后顆粒物質(zhì)量偏差與采樣前、后大氣壓偏差曲線

從圖5可看出，經(jīng)浮力修正后的濾紙質(zhì)量與大氣壓力有關(guān)。浮力修正前、后濾紙質(zhì)量的差值隨著大氣壓力的變化而變化，其變化范圍在0.031 1～0.031 7 mg之間。

從圖6可看出，浮力修正前、后顆粒物質(zhì)量偏差與濾紙采樣前、后測量時的大氣壓力差值有關(guān)，當(dāng)采樣前、后大氣壓力差值小于0.35 kPa時，浮力修正前、后顆粒物質(zhì)量的差值趨近于零，即空氣浮力修正前、后的顆粒物質(zhì)量近乎相等。當(dāng)采樣前、后大氣壓力差值在0.35～2.10 kPa之間變化時，浮力修正前、后顆粒物質(zhì)量的偏差隨采樣前、后大氣壓力差值的變化而變化，其變化范圍在0.000 1～0.000 6 mg之間。

由上述分析結(jié)果可知，空氣浮力對顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果有一定的影響，而采樣濾紙及顆粒物質(zhì)量受到的空氣浮力影響主要是由大氣壓力變化造成的。濾紙試驗前、后稱重時的大氣壓力差值越大，浮力修正前、后顆粒物質(zhì)量偏差就越大，當(dāng)大氣壓力差值小于0.35 kPa時，空氣浮力修正前、后的顆粒物質(zhì)量趨于相等。因此，在對濾紙進(jìn)行稱量時，所有濾紙的質(zhì)量均應(yīng)進(jìn)行浮力修正，以消除空氣浮力對顆粒物質(zhì)量測量造成的影響。

4 結(jié)束語

通過對稱重環(huán)境、濾紙預(yù)處理時間、背景顆粒物質(zhì)量和空氣浮力修正等影響顆粒物質(zhì)量測量的因素進(jìn)行系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論。

a.顆粒物質(zhì)量的測量結(jié)果與相對濕度呈線性關(guān)系，相對濕度越接近45%，顆粒物質(zhì)量測量的平均偏差越小，試驗結(jié)果越穩(wěn)定。因此，在濾紙預(yù)處理和稱重中，建議將環(huán)境條件設(shè)置為溫度為22±1℃、露點溫度為9.5±1℃、相對濕度為45±1%，此組合能夠進(jìn)一步確保顆粒物質(zhì)量測試結(jié)果的穩(wěn)定性。

b.在6～10 h的預(yù)處理階段對濾紙進(jìn)行稱量，顆粒物質(zhì)量測量結(jié)果趨于穩(wěn)定。因此，建議在此預(yù)處理時間內(nèi)對試驗前、后的濾紙進(jìn)行稱量，以節(jié)約試驗時間成本，保證顆粒物質(zhì)量測量精度。

c.背景顆粒物質(zhì)量對顆粒物質(zhì)量的測量結(jié)果有一定的影響。因此，日常試驗時應(yīng)適當(dāng)增加背景顆粒物質(zhì)量測量的頻率，建議每個工作日對背景顆粒物至少進(jìn)行3次測量，并對每次顆粒物質(zhì)量測試結(jié)果進(jìn)行及時修正。

d.顆粒物質(zhì)量測量時受到的空氣浮力影響主要是由大氣壓力變化造成的，因此，在對濾紙進(jìn)行稱量時，所有濾紙的質(zhì)量均應(yīng)進(jìn)行浮力修正。

1 G.P.薩金特，王正業(yè).從干球和濕球溫度表算水汽壓露點和相對濕度.氣象科技，1981（4）：53～57.

2 賽多利斯公司培訓(xùn)資料，高精度濾紙稱量中的空氣浮力校正（測量柴油機(jī)動車顆粒物排放的最大精度），2004.

3 王肖磊，張躍.空氣密度計算公式CIPM-2007與CIPM-81/ 91的比較.計量技術(shù)，2011（6）：6～9.

4 劉巍，張文閣，等.空氣浮力修正對PM2.5重量法測量準(zhǔn)確度的影響.計量技術(shù)，2015（5）：7～9.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年8月12日。

Experimental Research on the Effect Factors of the Light-Duty Vehicle Particulate Matter Mass Test

Panpeng,Yang Zhengjun,Wenyi
（China Automotive Technology and Research Center,Beijing 100176）

In order to improve the particulate matter mass testing precision of light duty vehicle,the influence of factors including weighing environment,filter paper pretreatment time,background particulate mass,air buoyancy,etc.,on the measuring accuracy of particulate mass was analyzed through test.The test results indicate that,the closer to 45%of the relative humidity in weighing chamber,the less deviation of the particle mass measurement will be,and the more stable the results will be.Weighing filter paper during the pretreatment period of 6 to 10 hours not only shortens time,but also ensures measuring accuracy.Appropriately increasing the routine background particulate measurement frequency and drawing the background particulate mass change chart can time correct the impact of background particulate.The influence of air buoyancy on the particulate mass is mainly caused by fluctuations of atmospheric pressure,therefore buoyancy of the filter paper mass shall be corrected on time before and after the test.

Light-duty vehicle,Particulate matter mass,Effect factors

輕型車 顆粒物質(zhì)量 影響因素

U467.4+8

A

1000-3703（2017）02-0025-05