轻型车颗粒物质量测试影响因素试验研究

潘朋 杨正军 温溢

（中国汽车技术研究中心，北京 100176）

轻型车颗粒物质量测试影响因素试验研究

潘朋 杨正军 温溢

（中国汽车技术研究中心，北京 100176）

为提高轻型车颗粒物质量测试精度，通过试验对比分析了称重环境、滤纸预处理时间、背景颗粒物质量和空气浮力等因素对颗粒物质量测量结果的影响。试验结果表明，称重室内相对湿度越靠近45%，颗粒物质量测量的偏差越小，结果越稳定；在6～10 h的预处理时间段对滤纸进行称量，既能节约时间成本，又能保证测量精度；适当增加日常背景颗粒物测量频率，并绘制背景颗粒物质量变化图，能及时修正背景颗粒物的影响；空气浮力对颗粒物质量的影响主要是由大气压力的波动造成的，应及时对试验前、后滤纸质量进行浮力修正。

1 前言

2013年9月发布的GB18352.5—2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（中国第五阶段）排放法规中新增了对直喷汽油车颗粒物质量测试的要求，同时所有轻型车颗粒物质量排放限值统一降低至4.5 mg/km。新增的颗粒物测试要求和极低的颗粒物排放限值对我国各大汽车检测机构对颗粒物质量的测试提出了更高要求，一方面需要提高测试设备的精度，另一方面还需要深入研究影响颗粒物质量测量精度的各种因素。目前，国内外对颗粒物测量设备本身的测量误差研究较多，但对颗粒物测量时外界影响因素研究较少，尤其是针对汽车颗粒物质量测量影响因素的系统研究则更少。为此，本文针对颗粒物采样滤纸称重环境、滤纸预处理时间、背景空气中颗粒物质量和空气浮力等影响颗粒物质量测量的因素进行了对比试验，提出了避免各因素对颗粒物质量测量影响的建议。

2 试验设计

2.1 试验车辆

经过多次摸底试验，筛选出了一辆试验状态稳定的某型轻型直喷汽油车进行颗粒物质量测试试验，试验样车参数见表1。

2.2 试验设备

主要试验设备如表2所列，包括满足国V试验标准的环境仓、底盘测功机、排放分析系统、称重室、电子天平、温湿度及大气压力记录仪、采样滤纸等。

表1 试验样车参数

表2 主要试验设备

2.3 试验方案

按照法规GB18352.5—2013的相关试验要求对试验样车进行排放试验，采用47 mm玻璃纤维采样滤纸收集样车颗粒物排放质量，并对采样滤纸进行了称重环境、预处理时间、背景空气中颗粒物质、空气浮力等影响因素的验证试验。

3 试验结果及分析

3.1 称重环境对颗粒物质量测试的影响

法规GB18352.5—2013中要求，在对滤纸进行预处理和称重期间，称重室应满足下列条件：温度保持在22±3℃，露点温度保持在9.5±3℃，相对湿度保持在45%±8%[1]。其中露点温度与相对湿度可以相互转换。

根据法规要求，将称重室温度分别设置为19℃、22℃和25℃，露点温度分别设置为6.5℃、9.5℃和12.5℃，经对不同环境条件组合时对颗粒物质量测量的影响研究发现，有6组环境条件组合满足排放法规对相对湿度的要求（见表3），其余环境条件组合不符合法规要求，因此，本文仅对表3中的6组环境条件组合进行汽车颗粒物排放对比试验[2]。

在进行排放试验前，对1张未采样滤纸分别在6组环境条件下进行10 h的预处理后进行称重并记录结果，每组环境条件下重复测量3次，并取平均值作为该组环境条件下未采样滤纸质量。排放试验时，使用预处理后的采样滤纸收集颗粒物，将收集了颗粒物的采样滤纸重复在各环境条件组合下的预处理过程，并测量、记录采样后的滤纸质量平均值。通过计算滤纸采样前、后的质量差值得出在不同环境条件组合下的颗粒物质量，试验结果见表4及图1。

表3 符合法规要求的6组环境条件组合

表4 6组环境条件组合下颗粒物质量测量结果

图1 颗粒物质量测量结果与相对湿度关系

由表4和图1可知，不同的称重环境条件对颗粒物质量测量结果有一定影响。在温度保持一定的情况下，随着露点温度的升高，相对湿度变大，颗粒物质量测量结果逐渐增大；在露点温度保持一定的情况下，随着温度的升高，相对湿度变小，颗粒物质量测量结果逐渐减小。由图1还可看出，颗粒物质量的测量结果与相对湿度呈一定的线性关系，相对湿度越靠近边界，即越接近37%和53%，颗粒物质量测量结果越离散，平均偏差在1.5%～4.1%之间，相对湿度越靠近45%，颗粒物质量测量的平均偏差越小，在0.3%～1.7%之间。

上述分析表明，环境条件对颗粒物质量测量结果有一定影响，根据试验结果可知，在实际预处理和称重中，建议将环境条件组合设置为温度为22±1℃、露点温度为9.5±1℃、相对湿度为45%±1%的组合可确保颗粒物质量测试结果的稳定性。

3.2 滤纸预处理时间对颗粒物质量测试的影响

法规GB18352.5—2013中规定：试验前、后所用滤纸应至少进行2 h但不超过80 h的预处理，然后再进行称重[1]。上述法规规定的滤纸预处理时间跨度较长，在实际试验操作中，需要找到一个既能控制试验时间成本，又能保证颗粒物质量测量精度的最佳滤纸预置时间。本文在称重室环境条件保持一定的情况下，将试验前、后的滤纸置于微克天平秤盘上进行预处理，同时通过天平应用程序对滤纸进行每1 min自动称量1次的连续测量，直至80 h，连续记录试验前、后滤纸及颗粒物质量在预处理期间的质量变化情况，10 h及80 h预处理阶段的试验结果见图2和图3。

图2 10 h预处理阶段试验前、后滤纸及颗粒物质量变化曲线

图3 80 h预处理阶段试验前、后滤纸及颗粒物质量变化曲线

从图2和图3可看出，在0～6 h预处理阶段，试验前、后滤纸及颗粒物质量变化幅度较大；在6～80 h阶段，质量变化逐渐减小，结果趋于平稳。通过研究0～10 h试验前、后滤纸及颗粒物质量变化情况（见图2）可知，0～2 h预处理阶段，试验前、后滤纸及颗粒物质量变化幅度最大，最大平均偏差为48.9%；在2～6 h预处理阶段，试验前、后滤纸及颗粒物质量变化幅度逐渐减小，最大平均偏差为8.5%；在6～10 h预处理阶段，质量变化幅度进一步减小，最大平均偏差仅为0.9%。结合图2和图3的试验结果可知，在10～80 h预处理阶段的滤纸及颗粒物质量变化幅度与6～10 h阶段时基本一致。

由上述分析可知，滤纸预处理时间对颗粒物质量测量结果有一定影响。如果将0～2 h预处理阶段的某一测量结果作为颗粒物最终结果，可能会产生较大的测量误差，因此，可选择颗粒物质量测量偏差变化较小的6～10 h预处理阶段对试验前、后的滤纸质量进行测量，这样既可节约试验时间成本，又能保证颗粒物质量测量精度。

3.3 背景颗粒物质量对颗粒物质量测试的影响

法规GB18352.5—2013中规定：滤纸采集经过滤后的稀释空气用于确定背景颗粒物质量水平。背景颗粒物的测量可在试验前或试验后进行。颗粒物质量测量可通过减去稀释系统背景颗粒物的贡献来修正。首先按照法规GB18352.5—2013的技术要求在试验前对背景颗粒物进行采集和测量，然后对试验样车进行排放试验并采集颗粒物质量，以确定背景颗粒物质量对颗粒物质量测量的影响，试验结果见表5。

表5 背景颗粒物修正前、后颗粒物质量变化

由表5可知，经背景颗粒物修正后的颗粒物质量比修正前减少了0.004 1 mg，其对应的颗粒物质量平均排放量比修正前减少了0.11 mg/km，占修正后测量结果的8.1%。由此可知，在进行汽车颗粒物质量测量时，背景颗粒物质量修正与否对最终颗粒物质量测量的精度有一定的影响。

为了进一步研究试验期间背景颗粒物质量变化规律，对背景颗粒物质量进行了3个完整工作日的连续监测。每个工作日每隔1 h对背景颗粒物质量进行1次测量，共进行8次，试验结果见图4。

图4 3个完整工作日内背景颗粒物质量变化曲线

由图4可看出，第1天和第2天的背景颗粒物质量测量结果都是由低（约0.003 0 mg）逐渐升高而后达到稳定（约0.005 3 mg）的过程。第3天背景颗粒物质量的第4次测量结果突然升高，比第3次测量结果升高了21.4%，然后逐渐降低重新达到稳定状态，这是由于在试验期间，背景空气取气处出现某种污染源导致背景颗粒物浓度迅速升高。

由上述分析结果可知，背景颗粒物质量对颗粒物质量的测量有一定的影响。为了准确确定每次试验期间背景颗粒物的状况，应适当增加背景颗粒物质量测量的频率，建议每个工作日至少进行3次背景颗粒物测量，并绘出当日背景颗粒物质量变化曲线，以便对每次颗粒物质量的试验测试结果进行及时修正。

3.4 空气浮力对颗粒物质量测试的影响

因颗粒物采样滤纸是放置在一种介质（空气）内进行称量，其所受到的空气浮力和重力是相反的，因此采样滤纸测出的质量会减少，减少量等于排开的空气质量[2]，因此法规GB18352.5—2013中要求所有滤纸的质量均应进行浮力修正。首先对试验前、后的采样滤纸进行称量，同时记录称量时的温度、湿度以及大气压力等环境条件，然后通过浮力修正公式（1）及空气密度计算公式（2）[3]计算出浮力修正后的试验前采样滤纸的质量和试验后采样滤纸的质量，最终得到浮力修正后的颗粒物质量，试验结果见表6和表7。

浮力修正公式为：

式中，mf为修正后的滤纸质量，mg；muncorr为修正前的滤纸质量，mg；ρa为空气密度，kg/m3；ρw=8 000 kg/m3为天平砝码密度；ρf=2 300 kg/m3为颗粒物采样滤纸密度。

空气密度计算式为：

式中，pb为大气压力，kPa；Ta为天平所在环境大气温度，K；Mmix=28.836 g/mol为天平周围空气的摩尔质量；R=8.314 4 J/（mol·K）为摩尔气体常数。

表6 空气浮力修正前、后滤纸质量对比

表7 空气浮力修正前、后颗粒物质量对比

由式（1）、式（2）及表6、表7可知，试验前、后采样滤纸称重时的温度和湿度等环境条件保持不变，而大气压力升高了1.01 kPa。通过浮力修正公式计算得出，经浮力修正后的试验前的滤纸质量和试验后的滤纸质量比修正前分别增加了0.031 5 mg和0.031 9 mg，进而得出空气浮力修正前、后的颗粒物质量偏差为0.000 4 mg，占修正后结果的1.68%，因此，空气浮力对颗粒物质量的测量结果有一定的影响。

通过进一步分析可知，试验前、后采样滤纸称重时的温度、湿度等环境条件能够通过设备控制保持稳定，而砝码、滤纸密度以及天平周围空气的摩尔质量、摩尔常数均为常数项，因此，采样滤纸及颗粒物质量受到的空气浮力影响主要是由大气压力变化造成的[4]。

为了进一步研究采样滤纸及颗粒物质量与大气压力变化的关系，在称重环境条件（温度22℃，露点温度9.5℃，相对湿度45%）保持一定的情况下，对试验前、后的采样滤纸进行了连续80 h的滤纸质量和大气压力数据采集，试验结果见图5和图6。

图5 浮力修正前、后滤纸质量差值与大气压力的变化曲线

图6 浮力修正前、后颗粒物质量偏差与采样前、后大气压偏差曲线

从图5可看出，经浮力修正后的滤纸质量与大气压力有关。浮力修正前、后滤纸质量的差值随着大气压力的变化而变化，其变化范围在0.031 1～0.031 7 mg之间。

从图6可看出，浮力修正前、后颗粒物质量偏差与滤纸采样前、后测量时的大气压力差值有关，当采样前、后大气压力差值小于0.35 kPa时，浮力修正前、后颗粒物质量的差值趋近于零，即空气浮力修正前、后的颗粒物质量近乎相等。当采样前、后大气压力差值在0.35～2.10 kPa之间变化时，浮力修正前、后颗粒物质量的偏差随采样前、后大气压力差值的变化而变化，其变化范围在0.000 1～0.000 6 mg之间。

由上述分析结果可知，空气浮力对颗粒物质量测量结果有一定的影响，而采样滤纸及颗粒物质量受到的空气浮力影响主要是由大气压力变化造成的。滤纸试验前、后称重时的大气压力差值越大，浮力修正前、后颗粒物质量偏差就越大，当大气压力差值小于0.35 kPa时，空气浮力修正前、后的颗粒物质量趋于相等。因此，在对滤纸进行称量时，所有滤纸的质量均应进行浮力修正，以消除空气浮力对颗粒物质量测量造成的影响。

4 结束语

通过对称重环境、滤纸预处理时间、背景颗粒物质量和空气浮力修正等影响颗粒物质量测量的因素进行系统研究，得出以下结论。

a.颗粒物质量的测量结果与相对湿度呈线性关系，相对湿度越接近45%，颗粒物质量测量的平均偏差越小，试验结果越稳定。因此，在滤纸预处理和称重中，建议将环境条件设置为温度为22±1℃、露点温度为9.5±1℃、相对湿度为45±1%，此组合能够进一步确保颗粒物质量测试结果的稳定性。

b.在6～10 h的预处理阶段对滤纸进行称量，颗粒物质量测量结果趋于稳定。因此，建议在此预处理时间内对试验前、后的滤纸进行称量，以节约试验时间成本，保证颗粒物质量测量精度。

c.背景颗粒物质量对颗粒物质量的测量结果有一定的影响。因此，日常试验时应适当增加背景颗粒物质量测量的频率，建议每个工作日对背景颗粒物至少进行3次测量，并对每次颗粒物质量测试结果进行及时修正。

d.颗粒物质量测量时受到的空气浮力影响主要是由大气压力变化造成的，因此，在对滤纸进行称量时，所有滤纸的质量均应进行浮力修正。

1 G.P.萨金特，王正业.从干球和湿球温度表算水汽压露点和相对湿度.气象科技，1981（4）：53～57.

2 赛多利斯公司培训资料，高精度滤纸称量中的空气浮力校正（测量柴油机动车颗粒物排放的最大精度），2004.

3 王肖磊，张跃.空气密度计算公式CIPM-2007与CIPM-81/ 91的比较.计量技术，2011（6）：6～9.

4 刘巍，张文阁，等.空气浮力修正对PM2.5重量法测量准确度的影响.计量技术，2015（5）：7～9.

（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为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

轻型车 颗粒物质量 影响因素

U467.4+8

A

1000-3703（2017）02-0025-05