赵 亮，苏牛旺，吴春玲*,2，景晓军，刘卫林

（1.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300；2.天津大学，天津 300072）

2021年，全国汽车保有量达3.02亿辆，其排放的颗粒物（Particulate Matter, PM）达6.9万吨，是大气环境污染的主要贡献者。颗粒物是汽车发动机排放中的重要污染物，不仅会对大气产生严重污染，也会吸附其它有害物质产生致癌作用[1]。国内机动车污染排放标准的制定始于1983年，虽然起步较晚，但升级速度快，目前我国已经实施的国六阶段排放标准是世界上最严格的排放标准之一。随着我国对机动车排放污染防治力度的加强，对发动机排气颗粒物测量技术的要求也在不断提高，因此，颗粒物的准确测量对有效监管具有重要意义。

1 颗粒物产生的原因和条件

发动机排气中颗粒物的主要成分为干碳烟、可溶性有机组分和硝酸盐[2]，是由燃料分子脱氢分解或火焰最初的多个燃料分子聚合而形成。液态燃料的大分子在燃烧过程中会热裂解为小分子，其中的碳、氮、硫等元素被析出氧化，少量的碳燃烧不充分聚合成直径为0.01 μm的球体，构成颗粒物的核心单元[3]。另外，燃料在低温燃烧时极易产生气态或液态的碳氢化合物（Hydrocarbon, HC），气态HC最终凝结成液滴或凝结于颗粒表面。颗粒物的形成是一个动态过程，发动机尾气在排出气缸后随着温度降低，颗粒会发生碰撞和凝聚，最后形成团状或链状大颗粒物。

2 烟度的测量

在早期研究中，一般用烟度来指示颗粒物的排放，而烟度计是测量发动机排气中碳颗粒的主要仪器。按照测量原理，烟度计分为滤纸式、透射式和目视法。

2.1 滤纸式烟度计的测量原理

使一定体积的烟气通过洁净滤纸，积累在滤纸上的碳黑颗粒在射灯照射下产生不同强度的反射光，通过光反射率来指示碳黑颗粒的排放量[4]。为了减小不同取样管长度及取样管残余排气对测量结果的影响，如图1所示，通过滤纸的有效长度LVeff计算公式如下：

式中，VS表示采样体积，VL表示泄漏体积，VD表示死体积，Fa表示滤纸面积。

烟度计光电测量头会检测烟尘通过后的滤纸并以滤纸式烟度单位（FSN）（按ISO 10054定义）给出结果。

图1 滤纸式烟度计的测量示意图

2.2 不透光式烟度计测量原理

如图2所示，由光源发出的入射光经过一定长度充满烟气的光通道，到达光接收器的光束强度与入射光强度的比例为该烟气的不透光度[5]。不透光烟度计的光源所提供的入射光的光谱带宽应尽可能的小，要尽可能的接近单色光。不透光式烟度计测量的排气烟度结果一般用光吸收系数k表示，单位：m-1。

图2 不透光烟度计的测量原理

依据朗伯-比尔定律（Lambert-Beer law），光吸收系数k可通过不透光度和光通道有效长度计算得

式中，N为不透光度；LA为光通道有效长度。

2.3 林格曼烟度计测量原理

以法国科学家林格曼命名，利用比色原理，通过林格曼烟气黑度图法来测定排放烟气黑度。将烟气黑度划分为六级，对应林格曼浓度图有六种，0级为全白，1级黑度20%，2级40%，3级60%，4级为80%，5级为全黑。把林格曼浓度图放置在一定位置，通过目测被测物体与相应级别的林格曼浓度图颜色的一致性，以确定排气烟度[6]。

2.4 声光法微烟度计测量原理

随着排放法规的逐步加严，排气中的碳烟浓度大幅下降，对测量精度的要求也不断提高，因此声光法微烟度计应运而生。如图3所示，激光发射器发出的808 nm波长的激光束被机械斩光器进行强度调制，变成具有4 000 Hz频率的斩波激光束，让烟气暴露在调制光下，烟气在受到激光束周期性的加热和冷却时会导致测量腔内的气体膨胀与收缩，产生一个同步的声频率波，该声波可用麦克风测量到并转为电信号，信号经锁定放大器放大分析就可以获得碳烟的质量浓度。

图3 声光法微烟度计测量原理

如表1所示，不同烟度计各自有不同的优缺点，应用场景也不尽相同。

表1 不同烟度计的优缺点和应用场景

3 颗粒物质量的测量

排放法规中对颗粒物质量的测量方式主要是基于称重法，即流经滤纸的稀释排气应满足温度在315 K（42 ℃）到325 K（52 ℃） 且通过滤纸的迎面速度应为0.90 m/s～1.00 m/s，测试循环结束后称重由滤纸收集所有排气成分质量[7]。在滤纸收集颗粒的过程中，可选用的采样方法主要有全流定容稀释采样系统（Constant Volume Sampling,CVS）和部分流稀释系统（Partial Flow Sampling System, PFSS）两种，如图4所示。

3.1 全流定容稀释采样系统

全流定容稀释采样系统（CVS）是指发动机排出的全部排气都排入稀释通道中，用结果过滤的环境空气稀释，并使稀释排气的总体积流量保持恒定[8]。测量稀释排气流量可使用容积泵（Positive Displacement Pump, PDP）、临界流量文丘里管（Critical Flow Venturi, CFV）或亚音速文丘里管（Subsonic Venturi, SSV）。以CFV为例，通常稀释系统由多个CFV组成，可实现多种不同的流量控制组合，便于系统控制稀释后的混合气总流量恒定。排放法规要求初级稀释比不小于4，二级稀释应使滤纸前的排气温度低于52 ℃同时满足滤纸对迎面速度的要求。试验中经过一、二级稀释后的混合气流经滤纸，尽管不同工况时发动机的排气流量不同，但是由于CFV控制稀释后的总稀释排气流量一定，可以计算出流经滤纸的样气占总稀释排气的采样比，测试前后对滤纸称重得出取样排气中的颗粒物质量，再结合采样比计算出发动机在整个循环中排放的颗粒比排放结果[9]。CVS模拟了发动机排出的尾气进入大气被稀释后扩散的状态，与排气污染实际发生时的条件最为接近，是汽车排放法规中测量瞬态循环下颗粒物排放的基准方法，在各国排放检测机构广泛使用。但CVS占地面积大，造价高，维护和使用成本也较高。

图4 全流定容稀释采样系统（CVS）和部分流稀释系统（PFSS）

3.2 部分流颗粒物采集系统

部分流稀释系统（PFSS）只稀释了总排气流量的一小部分。PFSS从排气管中抽取一定比例的原始排气输送到稀释通道，由流量控制器控制稀释空气流量，将排气质量流量作为指令信号，来控制采样比。具体过程为试验前将采样比设置为一个固定值输入系统，试验中系统根据采样比和发动机实时排气流量计算出实时采样流量，从发动机排气按计算出的采样流量取样送入稀释通道，通过质量流量控制阀控制稀释空气流量，稀释比的大小应满足通过滤纸的排气温度小于52 ℃和迎面速度0.90 m/s～1.00 m/s的要求。PFSS的测试精度取决于系统是否能够在发动机动态排气条件下，精确按照采样比完成实时采样。因此，PFSS对系统响应时间和实时排气流量的测量精度要求较高。相对于全流稀释系统，部分流系统具有体积小、成本低、可测量流量范围广的特点，在发动机开发阶段的颗粒物排放测量应用较多。

4 粒子数量PN的测量

随着涡轮增压、缸内直喷、颗粒捕集等技术的应用，微小粒径排气颗粒物排放到大气当中，加剧了对人类健康的危害[10-11]，我国最新实施的国六排放法规要求对粒径在23 nm～2.5 μm 之间的粒子进行测量计数。目前粒子数量（Particle Number, PN）测量主要分为静电法和凝结粒子计数法。

4.1 静电低压撞击器（ELPI）

静电低压撞击器（Electrical Low Pressure Impactor, ELPI）是一种基于扩散荷电法的实时测量颗粒物粒径分布、质量浓度的在线仪器。ELPI的具体工作过程分为荷电、低压冲击、电荷测量三个部分，原理如图5所示。待测样气首先在充电室完成充电，带电的颗粒物通过低压串级撞击器内部安装的多组喷射盘与收集盘，颗粒物在惯性作用下被分级收集。串联撞击器间绝缘，并各自连接灵敏静电计，实时测量颗粒物所带的电荷量，再由测得的电荷信号计算出颗粒物的粒径分布。每一级电流值与颗粒物粒子数成正比[12-13]。

图5 静电低压撞击器（ELPI）的基本结构

带电颗粒连续沉积产生电荷量，颗粒数量浓度通过下式计算[14]：

式中，N为颗粒数量浓度；I为校正电流；P为颗粒通过电晕的比率；n为颗粒的基本电荷数；e为基本电荷电量；Q为颗粒物流量。

基于扩散荷电法的测量技术具有测量颗粒物浓度上限高，响应速度快的特点，适合高浓度颗粒物排放场景的原位采样，但由于自身噪声影响，会存在精度不足的问题，所以无法应用于排放标准法规监管场景[15]。

4.2 凝结核粒子计数器（CPC）

由于传统光学方法无法直接测量粒径小于100 nm的颗粒物，需要通过凝结增长使小粒径颗粒物增长至微米量级后再用光学方法来检测，凝结核粒子计数器（Condensation Particle Counter,CPC）能够实现每一个颗粒物单独计数且分辨率极高[16]。CPC的基本结构如图6所示，主要构成分为三部分：由正丁醇罐、加热饱和器、冷凝器、蠕动泵等构成的颗粒物凝结增长部分；由真空泵、高效滤芯、压差传感器、孔口、阀等构成的样气流量控制部分和光学腔内的激光检测部分。

图6 凝结核粒子计数器结构图

CPC的计数过程是先对颗粒物完成凝结增长，再利用光散射法进行单粒子计数。被测量的超细颗粒物经过稀释以恒定流速通过样气入口进入，在加热饱和器中与加热汽化的正丁醇混合，然后混合气流经冷凝器，正丁醇蒸汽在每一个颗粒物上凝结，完成凝结核增长[17]。如图7所示，增长后的正丁醇凝聚颗粒通过喷嘴进入光学腔，激光束正好聚焦在喷嘴上方的点上，当颗粒通过喷嘴进入时，激光被散射，散射的光被收集透镜捕获并聚焦在光电探测器上，通过探测器接收到的脉冲进行计数测出颗粒物的数量[18]。

图7 光散射法单粒子计数过程

虽然现阶段主流的PN检测标准是对23 nm及以上的颗粒物计数，但随着对颗粒物排放的深入研究，发现粒径小于23 nm的颗粒物造成的污染愈加严重。2022年11月10日，欧盟委员会公布了最新的欧七提案，如表2所示，包括轻型车、重型车和实际道路的颗粒物排放监测范围由23 nm以上扩展到10 nm以上[19]。

表2 欧七提案与欧六PN限值比较

通常在颗粒物进入CPC之前需要将发动机排放气体中的可挥发性颗粒（Volatile Particle, VP）去除，仅测定固体颗粒数。目前最新的10 nm颗粒计数器在挥发性颗粒去除器（Volatile Particle Remover, VPR）中新增加了一个催化器（Catalytic Stripper, CS），加强了对碳氢化合物的氧化蒸发并存储硫化物。10 nm颗粒计数器的另一个改进就是升级了CPC的计数效率。图8为23 nm和10 nm颗粒计数器临界值曲线的对比。23 nm设备的测量区间为41 nm颗粒计数效率＞90%，且23 nm颗粒计数效率在50%±12%范围内；新的10 nm设备的测量区间为15 nm颗粒计数效率＞90%，且10 nm颗粒计数効率在65%±15%范围内。

综上所述，基于凝结核增长的粒子测量技术因其测量精度较高但测量上限较低，更适合对稀释后的低浓度颗粒物进行精确测量，特别是10 nm颗粒计数器为研究排气污染物中细小颗粒物的排放特性提供了帮助，可以满足下一阶段我国和欧洲排放法规升级对于颗粒物测量的要求。

图8 23 nm和10 nm颗粒计数器临界值曲线的对比

5 颗粒物测量技术的展望

汽车发动机排气颗粒物是主要的空气污染源。历经数十年的发展，烟度、质量、颗粒物计数浓度以及粒径谱的测量技术已经日趋成熟，这对颗粒物排放的准确测量和监管，汽车尾气排放的污染防治有重要的意义。如今，汽车发动机排气颗粒物排放已经受到严格的监管，而非尾气的颗粒物在道路交通总颗粒物排放中的占比越来越高，由制动磨损、轮胎与路面磨损、路面扬尘等产生的非尾气颗粒物污染防治越来越受到重视[20]，最新的欧七提案中首次将制动颗粒物排放和轮胎磨损量纳入管控，提出相关限值要求。目前，欧七提案中对M1、N1类车辆的制动产生的PM10颗粒物排放提出限值要求，限值分两阶段执行，第一阶段为7 mg/km（2034年12月31日前），第二阶段为3 mg/km（2035年1月1日后）。然而，由于颗粒物的生成机理和颗粒物成分的显著差异，对非尾气颗粒物的测量还存在一定的争论，故欧七提案中针对轮胎磨损量仅给出了不同类型/级别轮胎的分类规则，暂未提出具体限值要求。因此，建立和完善非尾气颗粒物的标准测量方法成了未来一段时间内的新挑战。