基于称重法的机动车PM2.5测试方法

2015-09-04钟详麟李伟白新宇

汽车工程师 2015年5期

钟详麟李伟白新宇

（1.中国汽车技术研究中心；2.天津大学；3.北京卡达克科技中心）

大气环境PM2.5污染问题目前广受社会公众关注，国家对此也高度重视。最新颁布的GB 3095—2012《环境空气质量标准》中，对PM2.5提出了明确的浓度限值要求：二类区域年平均和日平均浓度限值分别为35，75 μg/m3[1]。相关研究表明，机动车 PM2.5排放是大气PM2.5的一个重要来源，相较于PM10排放，其所占比重更高，因此，随着新一阶段（国Ⅴ）机动车排放法规的实施，对颗粒物（PM）排放提出了更低的限值要求（4.5 mg/km）。从机动车颗粒物采样要求来看，并没有特别限定PM2.5的取样范围，因此常规的机动车法规检测对于颗粒物的质量排放检测不足以描述机动车的PM2.5排放特性，文章基于传统的称重检测方法，研究并实现了机动车PM2.5的称重法检测。

1 颗粒物测试方法对比分析

颗粒物分析主要包含收集和分析两部分任务。因此，用于排放颗粒的测试仪器主要有2类，一类是采集排放颗粒样品，用于质量及化学组分测定或者电镜分析；另一类是分析瞬态排放或者接近瞬态排放的粒径分布。粒径分布是发生在颗粒物生成与采样点之间的物理化学变化过程，包括稀释、凝固、冷凝、均匀或异向成核等变化过程，这些过程共同影响着颗粒物粒径分布，分析难度较大。因此目前对于大气环境和机动车颗粒物的法规测试，均是采用对颗粒物采集进行称重的质量分析法。

大气环境PM10和PM2.5的手工测定采用滤纸采集称重的方法，原理是：分别通过具有一定切割特性的采样器，以恒速抽取定量体积空气，使环境空气中PM2.5和PM10被截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算出PM2.5和PM10的质量浓度。从中可以看到，该方法需要通过颗粒物分离器来实现 PM2.5的采样[2]。

在机动车排放测试领域，颗粒物的排放测试无论是基于质量法测试还是数量测试，均规范定义了颗粒物预分级系统：采用预分级装置（旋风分离器等装置）放置在滤纸架的上游，分级装置的切割粒径为2.5～10 μm。另外，法规允许采用颗粒物采样探头替代预分级系统（如旋风分离器）来实现预分级功能[3]，该探头采用不锈钢材料，壁厚1 mm，如图1所示。目前机动车颗粒物称重法测试多采用这种伞形探头采样形式，并未使用旋风分离器取样，因此，其测试结果不能代表PM2.5的排放。如果想对机动车排放的PM2.5采样，必须通过满足法规要求的颗粒物分离装置来实现颗粒物的分离收集。

表1示出大气PM2.5和机动车颗粒物质量法测量规范对比。

表1 大气PM2.5和机动车颗粒物质量法测量规范对比

从表1中可以看出，采用质量法二者虽具有类似的规范要求，但在取样粒径、测试环境及对称重天平和滤膜等的要求方面仍有不同之处：

1）大气环境测量的取样粒径分为 2.5，10 μm，而机动车颗粒物采集可以设定在2.5～10 μm；

2）大气PM2.5测量的环境是大气环境，未做特殊要求，而机动车颗粒物采集是在试验室环境，有温/湿度要求和采样温度要求；

3）大气环境采样针对的是大气中的所有颗粒物，而机动车颗粒物采样仅针对机动车燃烧尾气中的颗粒物，二者颗粒物组成有很大不同；

4）大气环境的颗粒物采集时间较长，能够保证颗粒物的收集量，因此对于称重天平的精度要求较低，而机动车颗粒物采集时间短，因此颗粒物收集量少，对天平的精度要求高。

2 机动车PM2.5测量方法

通过以上分析，采用现有机动车颗粒物质量测试方法，并用颗粒物分离器分离出颗粒中的PM2.5就可以实现机动车PM2.5的质量测试。PM2.5分离器可以采用旋风式分离器，图2示出旋风分离器的粒径分割特性。从图2中可以看到，流量越大，对应的颗粒物分割直径越小，当旋风分离器的工作流量在16.7 L/min时，对应的颗粒物分割范围为2.5 μm，因此，可以设定分离器的取样流量来实现PM2.5的采集。

图3示出基于质量法的PM2.5采样系统原理图。根据以上采样原理，基于现有的机动车颗粒物采集系统，引入旋风分离器，设定取样流量，就可以实现PM2.5采集测试：机动车排气与空气混合气通过稀释通道，经过采样管进入旋风分离器，利用旋风分离器的分割特性，分离出PM2.5颗粒，最后对采样滤纸进行称重，实现对机动车PM2.5的获取。