摘 要 对汽车排气中固态物质的测试主要包括对颗粒物、碳烟及烟度的测试。对颗粒物及碳烟浓度的测试虽然能够直接表征汽车排放的固态污染物的污染情况，但是测试方法比较复杂，并不适用推广使用。大量试验数据表明，较容易测试的烟度与颗粒物及碳烟浓度之间具备一定的相关性，可以经过统计分析，得出其相关计算式，从而用烟度来计算颗粒物或碳烟的浓度。
关键词 颗粒物 碳烟 烟度 测试
中图分类号：O643 文献标识码：A
0前言
近几年雾霾现象出现非常频繁，严重影响了人们的生活和健康；这引发了大众对空气环境中颗粒物浓度的关注。而车辆在运转时由于燃料的燃烧也会排出大量的颗粒物，根据相关研究，车辆尾气对城市颗粒物的贡献率能达到10%～50%，而且由于汽车排放出的颗粒物吸附了燃烧产生的一些具有致癌性的碳氢化合物，对人们健康产生了非常大的威胁，因此对于颗粒物的排放，无论从量还是质而言，汽车都是非常严重的污染源。因此世界各国对汽车的颗粒物排放也非常重视，均出台了相关标准，对其进行限制。
但如何测定汽车排气中的颗粒物含量依然是一个值得探讨的问题，虽然各国环境保护部门均规定了车辆颗粒物排放的测试方法 ——采样称重法对颗粒物排放进行测试。但这些标准方法大多需要繁多且体积庞大的试验设备和场地的支持，试验方法也较为复杂，并不易于推广应用，因此对大部分国家和地区而言，车辆颗粒物排放还只是作为车辆型式核准检测的一个指标，并不要求对在用车的测试。而且对于柴油车，已经存在简单易行的碳烟测试方法，而且根据相关研究，柴油机碳烟与颗粒物具有很强的相关性，因此从碳烟的测试着手进行研究，很有提供一种快速准确测试颗粒物排放的方法。
1 颗粒物测试方法
根据测试结果分类，目前对于汽车颗粒物排放的测试可分为颗粒物的质量浓度测试及数量浓度测试两种。常见的测试仪器包括称重法测试系统、粒子计数器及ELPI。
1.1 称重法
目前对汽车颗粒物排放的标准方法即为称重法。由于汽车排放物温度较高、浓度较大，称重法一般不采用直接采样的方法，而是首先通过部分流稀释系统（仅限ESC）或全流稀释系统（ETC必用）对排气进行稀释，其中会通过颗粒物切割器，对颗粒物按照粒径进行分离，采样取得的颗粒物会吸附到标准滤纸（带碳氟化合物涂层的玻璃纤维滤纸或碳氟化合物为基体的薄膜滤纸）上。随后使用精确天平（一般要求分辨率要达到1€%eg）对滤纸进行称量，以计算汽车排气中颗粒物的质量浓度。
1.2 粒子计数器
粒子计数器也是标准中推荐的方法，目前比较常见的是光散射式粒子计数器，其根据Mie散射理论设计而成。当采样气体经过计数器的气路系统时，气流中的尘埃粒子被光源照射，产生散射光，散射光波被光电接收器接收后，转换成电信号输出，电脉冲信号的峰值与散射光亮成一定的比例，经电路系统放大、比较，按照不同幅度分档计数，即可得到各粒径档的尘埃粒子数。这种方法在0.1～10€%em粒径范围内测量效果较好。
1.3 ELPI
标准的滤纸称重法仅能得到颗粒物的总质量，而对于颗粒物的尺寸分布却无能为力；目前部分实验室尝试使用静电低压撞击器（electrical low pressure impactor，ELPI）测试发动机的排放颗粒物质量和数量的尺寸分布，试验结果表明这种方法测试精度好，相应速度快，值得进一步的研究与推广。
ELPI主要由串级冲击式采样器、点管式几何电晕充电器和多通道静电计3部分组成。首先排气中的颗粒物进入ELIP中的荷电区，根据各自的空气动力学粒径均匀带电；随后带电的颗粒物进入串级冲击采样器中被收集，这时其会释放出微弱的电流，对这些电流进行放大计算，就可以得到一定粒径范围内颗粒物的实时数目浓度。
2 碳烟
碳烟（黑烟）通常在柴油机大负荷时产生，是高温缺氧的产物。最初对碳烟的测试是采用光学方法，通过测试排气对光的吸收或衰减程度作为考察其烟度大小的指标。随着测试技术水平的提高，目前也出现了一些可以直接测试碳烟浓度的测试手段。
2.1 滤纸式烟度计
滤纸式烟度计出现较早，目前普遍使用的是波许（Bosch）式烟度计。它首先通过采样泵从排气中抽取固定容积的气样，并使之通过夹装在泵上的一张圆片滤纸，随后气样中的碳粒沉积在滤纸上。通过滤纸反射率计检测滤纸被染黑的程度，便能确定排气中碳粒浓度有关。测试结果称为波许烟度（用FSN表示）。
2.2 不透光烟度计
目前对柴油机烟度测试的标准仪器是不透光式烟度计，其测量的结果为消光系数K（单位m-1）。这种仪器是根据柴油机排放污染物对可见光具有散射及吸收作用的原理而设计的。其主要部件包括发光管、气室、光接收器（硅光电池）、风扇、电磁阀等。仪器是根据烟气对光强具一定的散射及吸收作用设计的；烟气使光强衰减，衰减的程度与烟气的烟度大小密切相关，根据光强度变化的情况可以计算得知排气的烟度（消光系数）。
2.3 颗粒物中碳烟组分测试
烟度计所测试的波许烟度或消光系数能够反映排气中烟度的大小，但并不能直接得出排气中碳烟的实际浓度，而且这种测试方法只适用于柴油机某些工况，对于柴油机小负荷工况或汽油发动机机、天然气发动机等排气烟度较小的发动机而言都很难得出可靠的测试结果。
对于排气中的碳烟的浓度测试，较常规的方法是先使用颗粒物采样器收集排气中的颗粒物，然后通过热重分析仪将颗粒物中的碳粒与有机可溶物、水、硫化物等分离开后测试其质量，而后根据排气流量计算出其质量浓度。这种测试方法认为在进行热重分析时，500℃下的重量减少是HC成分的挥发所致，在500℃以上重量损失是由于在空气环境中碳粒的氧化。微粒中各组份经挥发和完全氧化之后，称盘内只剩下滤纸（在900℃以内不失重），重量不再减少。
2.4 燃烧过程中碳烟浓度测试
目前有多种数学模型可以模拟燃烧过程中碳烟的生成，这些模型也需要相关的试验验证，因此也需要采用一些手段测试燃烧过程中的碳烟浓度。
2.4.1照相法
对燃烧过程中碳烟浓度测试方法应用比较普遍的是照相法。这种方法认为油束燃烧时，火焰发出的光主要来源有两部分，一是燃烧中间基的化学发光（Chemiluminescence），二是燃烧过程中碳烟的炽光（Soot incandescence），而后者的强度远大于前者，因此可以认为直接照相时的亮光主要来自于碳烟的炽光。而碳烟炽光的强度又与碳烟的浓度有着密切的关系，因此可以用直接照相法获得的火焰图像定性地表征油束燃烧过程中的碳烟生成过程。
2.4.2双色法
另外一种光学测试方法是根据普朗克辐射定律设计的双色法，这种测试方法在温度处于1600～2600℃范围内，不仅可以获得火焰中碳烟的浓度，还能测试其温度分布。
2.4.3激光诱导发光法
浙江大学的王飞、严建华等人提出使用激光诱导发光法测量燃烧过程中碳烟浓度。这种方法最吸引人的特点是碳烟粒子经过激光加热后，产生的辐射远高于周围火焰的辐射，这样可以有效地剔除火焰自身的辐射对测量的影响。
3 烟度与颗粒物的关系
大量的研究表明，颗粒物中除少量的灰份和硫酸盐之外，绝大部分是黑色的碳粒，而且其在颗粒物中的比例范围比较稳定，占大约20%～40%。因此，颗粒物质量浓度与烟度之间理应有较好的相关性，目前已有多人根据大量试验结果，提出了烟度与颗粒物质量浓度之间的相关性计算公式。以下公式中，Cm表示排气中碳粒质量浓度（mg/m3）；PM表示排气中颗粒物质量浓度（mg/m3）；FSN表示排气的波许烟度；K表示排气的消光系数。
AVL公司，认为干碳烟占颗粒排放15%以上时，排气的波许烟度与碳粒的质量浓度的相关性符合式（1）：
Cm=1/0.405€？.95€譌SN€譭xp（0.38€譌SN） （1）
吉林工业大学刘忠长、刘巽俊等人对相关试验结果进行统计分析，得出关系式（2）、（3）：
Cm=6.86€？.17FSN （2）
PM=28€？.63FSN （3）
天津大学尧命发、许斯都等人则提出了关系式（4）；
Cm=20.8Rb+452.8€譡1n]2.042（4）
哈尔滨工业大学的张兆合、任丽娟等人提出了关系式（5）、（6）；
Cm=3.46+74.16-20.6FSN2+4.163FSN3 （5）
Cm=9.58+266.99-215.63K2+76.11K3 （6）
国外也有很多研究人员在研究中发现了排气烟度与碳烟或颗粒物浓度之间的相关性，并提出了相关性较好的经验公式，如式（7）、（8）、（9）；
Cm=581.4€譡1n]1.413 （7）
Cm=3.87€？0—2FSN51.47€？01FSN4+1.06€？0-1FSN3+12.6Rb2
+12.4FSN （8）
Cm=20.4FSN2.1 （9）
4结论
目前测试车辆排气中颗粒物、碳烟及烟度的测试手段和仪器种类繁多，总体而言，对颗粒物和碳烟浓度的测试较为复杂；对烟度测试较为简单，易于推广；根据烟度和颗粒物及碳烟之间存在的相关性，在某些场合根据其相关性，通过烟度来计算车辆颗粒物或碳烟的排放不失为一种简单有效的手段。
参考文献
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