汽车排放PM2.5检测方法及结果分析

齐 鹏，储江伟，王伊安，王珊珊

(1.东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040; 2.东北农业大学 资源与环境管理学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 前言

近几年雾霾已经成为全国各大城市频发常见天气，对人群的出行及社会安全造成了极大的影响，成为热门课题。伴随社会发展，人均生活水平逐渐提高，汽车已经成为生活的必须品，选择自驾或搭乘汽车已成为主要的出行交通方式，随之而来的汽车排放污染，尤其是汽车排放PM2.5对雾霾的影响引发社会的全面关注。［1－2］

1 PM2.5的危害及汽车排放防控的意义

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5 μm的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小、污染面积大、活性强，易附带有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。被吸入人体后会进入支气管和肺腔，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。这些细颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的可溶性物质、有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大［3－4］。部分研究结果显示，PM2.5导致人们的平均寿命减少8.6个月，并且PM2.5还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病的传播推波助澜。

伴随汽车数量大幅增加对环境的影响日趋严重。汽车尾气排放所导致的PM2.5的产生，已经成为大气中PM2.5来源之一。因此，针对汽车尾气排放中PM2.5的防控意义重大。

2 国内外PM2.5排放标准与污染等级

国内外对PM2.5的合格标准:中国现在气象行业内通行的PM2.5合格标准为75 μg/m3。香港地区待批准的新标准与大陆地区标准一样，也为75 μg/m3。印度的标准为60 μg/m3，加拿大的标准为30 μg/m3，新西兰、澳大利亚等国的标准为25 μg/ m3。而美国由于联邦制原因，各个州之间的标准存在差异，部分州采用65 μg/m3作为标准，而另一些州则采用25 μg/m3或35 μg/m3作为标准。

空气质量评估标准:空气中的各种污染物都有自己的污染指数，人们把它们称为分指数。目前中国重点城市参加统计空气污染指数的空气质量监测项目有3项，统一规定为二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)和总空中悬浮物(TSP)，并用0～500之间的数字来表示空气污染指数的数值。在0～500之间，0～50、51～100、101～200、201～300和大于300分别对应于中国空气质量标准中日均值的一级、二级、三级、四级和五级标准的污染物浓度限定数值，浓度单位为μg/m3［6－9］。国家标准见表1。

表1 国家标准

2 汽车排放PM2.5检测方法

由汽车尾气排放所导致的PM2.5污染成为日益严重的问题，通过对搭载汽油发动机的汽车尾气排放进行初步收集、检测分析，观察多种工况下，不同环境下汽车尾气中 PM2.5的浓度变化规律［10－12］。

2.1 PM2.5检测仪器工作原理

PM2.5实时监测仪通过光散射法进行检测，光散射法是利用光射线发生源产生光射线透过采集有灰尘的滤膜，以PM2.5颗粒物对光射线的吸收程度来测定颗粒物的浓度。这种测定方法假定仪器校准使用的标准膜片的材质与所采集颗粒物的成分相同，测量时根据透光程度换算出最终数据。但是由于在实际测量过程中，由于标准膜片与实际情况往往并不相同，其测量的准确性不仅与采样流量有关，还受颗粒物成分的影响。这种方法可实现自动连续监测，且测量结果略高于微量振荡天平法。

2.2 汽车排放PM2.5的收集装置设计原理

主要是在定时条件下，设定容积的计算［13］: (1)确定汽车尾气收集设备容积，依据公式计算

式中 M——为气体分子量/mg·m－3;

a——测定的体积浓度值/ppm;

T——温度/℃;

p——压力/Pa。

(2)确定汽车尾气收集设备设定单位时间，依据公式计算

尾气排放量

式中 Q——尾气排放通过流量/L;

v——汽车排量/L;

n——发动机转速/r·min－1;

t——收集尾气时间/s。

(3)汽车尾气收集装置的制作，收集装置中用塑料薄膜确保箱体的密封性，内置(空气流量计、空气干燥装置、气泵、气压表、滤膜装置、稳压电源、风扇等装置);

2.3 通过PM2.5测试仪监测汽车尾气排放

(1)利用汽车尾气收集装置，设定时间30 s、60 s、3 min、5 min，分别在起动工况、怠速工况等条件下收集汽车尾气，对同排量汽车检测，获取检测数据。

(2)在不同气象条件下(晴天、阴天)、分路段(主要街道、二环桥)、分时段(白天、夜晚)对相应路段的汽车尾气排放对环境影响进行检测，并与利用装置检测的数据进行对比，分析其相关性，及分担率。

研究方法主要采用实验与理论分析相结合的方法。在理论分析与计算的基础上，确定采样容积和时间，并通过实验来验证采集装置及方法的合理性和准确性。

2.4 汽车排放检测方法

将汽车排放尾气通过引流管导入尾气收集箱内，为确保汽车排放PM2.5不受压力影响，尾气收集箱为流通式收集采样。通过PM2.5检测仪、湿度计，红外温度测试仪对尾气中PM2.5进行检测。调整PM2.5检测仪器安装位置，通过实验记录数据判定检测区域［14］，如图1～图3所示。

图1 检测仪器顶置

图2 检测仪器中置

3 汽车排放PM2.5检测结果分析

本文以反复实验获得数据为依据对汽车排放PM2.5进行检测对比予以分析。

图3 检测仪器底置

3.1 汽车排放PM2.5检测基本要求

下面两项内容的技术要求:

增加比对监测时，参比采样器与颗粒物监测仪的直线距离的要求，具体指标主要是参考美国EPA标准《环境空气质量监测》、《Part 58—AMBIENT AIR QUALITY SURVEILLANCE》，并根据实际情况制定。使用高真空大流量采样装置进行比对监测，其采样口与监测仪采样口的直线距离应大于3 m;这个指标的制定是参考美国EPA对于BAM－1020 PM2.5颗粒物自动监测仪的标准操作规程，并考虑到高真空大流量采样器的工作原理，其流量比较大，与监测仪采样口的直线距离太小的话会干扰样品的采集。同时如果距离太大，超过等浓度场范围(10 m×10 m)会产生较大的测量误差，故比对监测所有采样口应设置在面积为100 m2的范围内;

文本中，PM10和PM2.5自动监测仪采样口与道路之间最小间隔距离主要是参考美国EPA标准《环境空气质量监测》《Part 58－AMBIENT AIR QUALITY SURVEILLANCE》，其中规定PM10自动监测仪与PM2.5自动监测仪的采样口与道路之间最小间隔距离的要求是一致的。

而按照《环境空气质量监测规范(试行)》，PM10自动监测仪采样口与道路之间最小间隔距离，如表2［15］。

表2 采样口与交通道路之间最小间隔距离

但是上述表格中没有PM2.5自动监测仪的要求。通过比较EPA表E－1和表1，发现两者的数据不一致，但考虑到中国国情，本标准中此条的制定应该依据《环境空气质量监测规范(试行)》的附件三的要求，结合EPA标准的思路，即PM10自动监测仪与PM2.5自动监测仪的采样口与道路之间最小间隔距离的要求是一致的，最终制定而成。

3.2 环境检测

将PM2.5测试仪、温湿表放置在实验室环境内与室外，观察并记录变化数据。用于汽车排放采集数据相对比，如图4、图5所示。

图4 室内环境检测

图5 室外环境检测

通过仪器测试并完整记录监测数据，通过软件予以线性分析，可直观体现检测环境的差别。室外环境检测数值与气象发布数值基本一致，可证实实验测试仪器比较准确。

3.3 气流流动变化原理

汽车怠速排放温度通过实验测试数据分析的结果在30℃左右，如图6。根据气流变化基本特征，冷空气沉降，热空气上升原理。结合北方高寒地区及四季分明的特点，以冬春和夏秋交替时，温差相对比较接近分为两组，由实验测试数据经软件分析归纳出怠速排放时尾气气流的变化，如图7。

3.4 检测方式选择原则

根据三种检测设置获得纪录数据相比较，如图8～图11所示。

图6 尾气排放温度测试

图7 怠速排放气流变化

表3

图8 验表

图9 单测试仪顶置

图10 单测试仪中置

图11 单测试仪底置

通过实验数据导入MATLAB软件予以线性变化分析。从线性分析图变化趋势可直观体现测试点与仪器安装位置的必然关系。当测试仪器安放在尾气收集箱顶部时，PM2.5数值有阶段性波动，但相对变化不明显不能完整、连续监测PM2.5的实时浓度与均值变化。当环境温度在20℃左右时测试仪器安放在尾气收集箱箱中部，可以直观测试排放中PM2.5的实时浓度与均值变化。当环境温度在0℃左右时测试仪器安放在尾气收集箱箱底部，可以直观测试排放中PM2.5的实时浓度与均值变化，依据实验结果获得有效检测方式。

4 总结

由于PM2.5对人体健康有很大的影响，其研究已经逐渐成为环境研究的热点。本文通过对单车排放进行检测，通过实验证实汽油机汽车排放存在PM2.5，汽油机汽车冷启动时瞬时排放PM2.5数值较高，实时排放浓度可达到150 μg/m3至500 μg/m3之间达到严重污染，当汽车发动机恢复正常怠速工作状态，实时排放浓度可达到1 μg/m3至100 μg/m3之间，所排放颗粒物极为微小对人无影响。同时环境的温度、湿度、气流对汽车排放PM2.5产生明显影响因素，温度越低排放值越高，湿度越低排放值越高，风速越低排放影响越大。

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