輕型車顆粒物質量測試影響因素試驗研究

潘朋 楊正軍 溫溢

（中國汽車技術研究中心，北京 100176）

輕型車顆粒物質量測試影響因素試驗研究

潘朋 楊正軍 溫溢

（中國汽車技術研究中心，北京 100176）

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

1 前言

2013年9月發布的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）排放法規中新增了對直噴汽油車顆粒物質量測試的要求，同時所有輕型車顆粒物質量排放限值統一降低至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構對顆粒物質量的測試提出了更高要求，一方面需要提高測試設備的精度，另一方面還需要深入研究影響顆粒物質量測量精度的各種因素。目前，國內外對顆粒物測量設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量測量影響因素的系統研究則更少。為此，本文針對顆粒物采樣濾紙稱重環境、濾紙預處理時間、背景空氣中顆粒物質量和空氣浮力等影響顆粒物質量測量的因素進行了對比試驗，提出了避免各因素對顆粒物質量測量影響的建議。

2 試驗設計

2.1 試驗車輛

經過多次摸底試驗，篩選出了一輛試驗狀態穩定的某型輕型直噴汽油車進行顆粒物質量測試試驗，試驗樣車參數見表1。

2.2 試驗設備

主要試驗設備如表2所列，包括滿足國V試驗標準的環境倉、底盤測功機、排放分析系統、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

表2 主要試驗設備

2.3 試驗方案

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

3 試驗結果及分析

3.1 稱重環境對顆粒物質量測試的影響

法規GB18352.5—2013中要求，在對濾紙進行預處理和稱重期間，稱重室應滿足下列條件：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換。

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

在進行排放試驗前，對1張未采樣濾紙分別在6組環境條件下進行10 h的預處理后進行稱重并記錄結果，每組環境條件下重復測量3次，并取平均值作為該組環境條件下未采樣濾紙質量。排放試驗時，使用預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在各環境條件組合下的預處理過程，并測量、記錄采樣后的濾紙質量平均值。通過計算濾紙采樣前、后的質量差值得出在不同環境條件組合下的顆粒物質量，試驗結果見表4及圖1。

表3 符合法規要求的6組環境條件組合

表4 6組環境條件組合下顆粒物質量測量結果

圖1 顆粒物質量測量結果與相對濕度關系

由表4和圖1可知，不同的稱重環境條件對顆粒物質量測量結果有一定影響。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，顆粒物質量測量結果逐漸增大；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，顆粒物質量測量結果逐漸減小。由圖1還可看出，顆粒物質量的測量結果與相對濕度呈一定的線性關系，相對濕度越靠近邊界，即越接近37%和53%，顆粒物質量測量結果越離散，平均偏差在1.5%～4.1%之間，相對濕度越靠近45%，顆粒物質量測量的平均偏差越小，在0.3%～1.7%之間。

上述分析表明，環境條件對顆粒物質量測量結果有一定影響，根據試驗結果可知，在實際預處理和稱重中，建議將環境條件組合設置為溫度為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量測試結果的穩定性。

3.2 濾紙預處理時間對顆粒物質量測試的影響

法規GB18352.5—2013中規定：試驗前、后所用濾紙應至少進行2 h但不超過80 h的預處理，然后再進行稱重[1]。上述法規規定的濾紙預處理時間跨度較長，在實際試驗操作中，需要找到一個既能控制試驗時間成本，又能保證顆粒物質量測量精度的最佳濾紙預置時間。本文在稱重室環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行預處理，同時通過天平應用程序對濾紙進行每1 min自動稱量1次的連續測量，直至80 h，連續記錄試驗前、后濾紙及顆粒物質量在預處理期間的質量變化情況，10 h及80 h預處理階段的試驗結果見圖2和圖3。

圖2 10 h預處理階段試驗前、后濾紙及顆粒物質量變化曲線

圖3 80 h預處理階段試驗前、后濾紙及顆粒物質量變化曲線

從圖2和圖3可看出，在0～6 h預處理階段，試驗前、后濾紙及顆粒物質量變化幅度較大；在6～80 h階段，質量變化逐漸減小，結果趨于平穩。通過研究0～10 h試驗前、后濾紙及顆粒物質量變化情況（見圖2）可知，0～2 h預處理階段，試驗前、后濾紙及顆粒物質量變化幅度最大，最大平均偏差為48.9%；在2～6 h預處理階段，試驗前、后濾紙及顆粒物質量變化幅度逐漸減小，最大平均偏差為8.5%；在6～10 h預處理階段，質量變化幅度進一步減小，最大平均偏差僅為0.9%。結合圖2和圖3的試驗結果可知，在10～80 h預處理階段的濾紙及顆粒物質量變化幅度與6～10 h階段時基本一致。

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

3.3 背景顆粒物質量對顆粒物質量測試的影響

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

表5 背景顆粒物修正前、后顆粒物質量變化

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

為了進一步研究試驗期間背景顆粒物質量變化規律，對背景顆粒物質量進行了3個完整工作日的連續監測。每個工作日每隔1 h對背景顆粒物質量進行1次測量，共進行8次，試驗結果見圖4。

圖4 3個完整工作日內背景顆粒物質量變化曲線

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

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

3.4 空氣浮力對顆粒物質量測試的影響

因顆粒物采樣濾紙是放置在一種介質（空氣）內進行稱量，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量會減少，減少量等于排開的空氣質量[2]，因此法規GB18352.5—2013中要求所有濾紙的質量均應進行浮力修正。首先對試驗前、后的采樣濾紙進行稱量，同時記錄稱量時的溫度、濕度以及大氣壓力等環境條件，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量和試驗后采樣濾紙的質量，最終得到浮力修正后的顆粒物質量，試驗結果見表6和表7。

浮力修正公式為：

式中，mf為修正后的濾紙質量，mg；muncorr為修正前的濾紙質量，mg；ρa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為天平所在環境大氣溫度，K；Mmix=28.836 g/mol為天平周圍空氣的摩爾質量；R=8.314 4 J/（mol·K）為摩爾氣體常數。

表6 空氣浮力修正前、后濾紙質量對比

表7 空氣浮力修正前、后顆粒物質量對比

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，經浮力修正后的試驗前的濾紙質量和試驗后的濾紙質量比修正前分別增加了0.031 5 mg和0.031 9 mg，進而得出空氣浮力修正前、后的顆粒物質量偏差為0.000 4 mg，占修正后結果的1.68%，因此，空氣浮力對顆粒物質量的測量結果有一定的影響。

通過進一步分析可知，試驗前、后采樣濾紙稱重時的溫度、濕度等環境條件能夠通過設備控制保持穩定，而砝碼、濾紙密度以及天平周圍空氣的摩爾質量、摩爾常數均為常數項，因此，采樣濾紙及顆粒物質量受到的空氣浮力影響主要是由大氣壓力變化造成的[4]。

為了進一步研究采樣濾紙及顆粒物質量與大氣壓力變化的關系，在稱重環境條件（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、后的采樣濾紙進行了連續80 h的濾紙質量和大氣壓力數據采集，試驗結果見圖5和圖6。

圖5 浮力修正前、后濾紙質量差值與大氣壓力的變化曲線

圖6 浮力修正前、后顆粒物質量偏差與采樣前、后大氣壓偏差曲線

從圖5可看出，經浮力修正后的濾紙質量與大氣壓力有關。浮力修正前、后濾紙質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、后顆粒物質量偏差與濾紙采樣前、后測量時的大氣壓力差值有關，當采樣前、后大氣壓力差值小于0.35 kPa時，浮力修正前、后顆粒物質量的差值趨近于零，即空氣浮力修正前、后的顆粒物質量近乎相等。當采樣前、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。

由上述分析結果可知，空氣浮力對顆粒物質量測量結果有一定的影響，而采樣濾紙及顆粒物質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、后顆粒物質量偏差就越大，當大氣壓力差值小于0.35 kPa時，空氣浮力修正前、后的顆粒物質量趨于相等。因此，在對濾紙進行稱量時，所有濾紙的質量均應進行浮力修正，以消除空氣浮力對顆粒物質量測量造成的影響。

4 結束語

通過對稱重環境、濾紙預處理時間、背景顆粒物質量和空氣浮力修正等影響顆粒物質量測量的因素進行系統研究，得出以下結論。

a.顆粒物質量的測量結果與相對濕度呈線性關系，相對濕度越接近45%，顆粒物質量測量的平均偏差越小，試驗結果越穩定。因此，在濾紙預處理和稱重中，建議將環境條件設置為溫度為22±1℃、露點溫度為9.5±1℃、相對濕度為45±1%，此組合能夠進一步確保顆粒物質量測試結果的穩定性。

b.在6～10 h的預處理階段對濾紙進行稱量，顆粒物質量測量結果趨于穩定。因此，建議在此預處理時間內對試驗前、后的濾紙進行稱量，以節約試驗時間成本，保證顆粒物質量測量精度。

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

d.顆粒物質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，在對濾紙進行稱量時，所有濾紙的質量均應進行浮力修正。

1 G.P.薩金特，王正業.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 賽多利斯公司培訓資料，高精度濾紙稱量中的空氣浮力校正（測量柴油機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，2011（6）：6～9.

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

（責任編輯 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 顆粒物質量 影響因素

U467.4+8

A

1000-3703（2017）02-0025-05