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機動車尾氣顆粒數(shù)量（PN）分析儀的法規(guī)技術(shù)要求與全系列產(chǎn)品解決方案
1. 機動車尾氣PN分析儀的法規(guī)技術(shù)要求
與粗顆粒（PM10）和細顆粒（PM2.5）相比，超細顆粒（PM0.1；動力學(xué)粒徑<0.1μm）在肺部的沉積分數(shù)更高、穿透程度更深、滯留率更高，因此越來越受到公共衛(wèi)生界的關(guān)注。機動車發(fā)動機尾氣已被確認為環(huán)境超細顆粒排放的主要來源。機動車發(fā)動機尾氣排放中超細顆粒的質(zhì)量占比太小，顆粒質(zhì)量濃度難以體現(xiàn)超細顆粒排放水平，因而數(shù)量濃度是更好的量化指標(biāo)（如圖1所示）。
圖1 柴油發(fā)動機尾氣排放中顆粒數(shù)量濃度（藍色）和顆粒質(zhì)量濃度（紅色）的粒徑分布曲線（Zhang et al 2014）
為了控制機動車尾氣的超細顆粒排放，歐盟于2011年將顆粒計數(shù)法納入到了新生產(chǎn)機動車排放法規(guī)體系（Euro 5b輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)）。隨后，顆粒計數(shù)法在歐盟新生產(chǎn)機動車排放法規(guī)體系中得到了全面和深入的發(fā)展，適用范圍覆蓋了輕型車和重型車，試驗方法擴展為臺架典型工況和實際道路行駛，2024 年 5 月 8 日發(fā)布的Euro 7標(biāo)準(zhǔn)中還將PN計數(shù)的粒徑范圍從＞23nm升級為＞10nm。為了同步管控機動車在用周期內(nèi)的超細顆粒排放，歐盟委員會2023年3月20日發(fā)布了《裝備壓燃式發(fā)動機的車輛定期技術(shù)檢驗中顆粒數(shù)量測量的建議》，用于協(xié)調(diào)整個歐盟范圍內(nèi)有關(guān)在用柴油車尾氣排放顆粒數(shù)量檢測的相關(guān)要求。
標(biāo)準(zhǔn)類別 | 試驗方法 | PN計數(shù)分析儀類型 | 機動車類別 | 標(biāo)準(zhǔn)名稱（PN排放限值） | |
歐盟 | 中國 | ||||
新生產(chǎn)機動車排放標(biāo)準(zhǔn) | 臺架典型工況 | PMP-PN | 輕型車 | Euro 6（6*1011 #/km） Euro 7（6*1011 #/km） | 國6（6*1011 #/km） |
重型車 | Euro VI（6*1011#/kWh） Euro 7（6*1011#/kWh） | 國VI（6*1011#/kWh） | |||
實際道路行駛 | PEMS-PN | 輕型車 | Euro 6（8.04*1011 #/km） Euro 7（6*1011 #/km） | 國6（1.26*1012 #/km） | |
重型車 | Euro VI（9.8*1011#/kWh） Euro 7（9*1011#/kWh） | 國VI（1.2*1012#/kWh） | |||
在用機動車排放標(biāo)準(zhǔn) | 怠速工況 | PTI-PN | 柴油車 | EU 2023/688（2.5*105#/cm3） | 暫無 |
備注：Euro 7標(biāo)準(zhǔn)中PN計數(shù)的粒徑范圍為＞10nm，其它標(biāo)準(zhǔn)中PN計數(shù)的粒徑范圍為＞23nm | |||||
表1 歐盟和中國現(xiàn)行機動車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的分類及PN限值
表1提供了歐盟現(xiàn)行機動車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的分類及PN限值，在新生產(chǎn)機動車排放標(biāo)準(zhǔn)的臺架典型工況和實際道路行駛以及在用機動車排放標(biāo)準(zhǔn)的怠速工況三種試驗方法中需要使用不同類型的PN分析儀，分別為PMP-PN分析儀、PEMS-PN分析儀和PTI-PN分析儀。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求，三種類型PN分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是相似的（圖2），主要由采樣裝置、預(yù)處理單元和顆粒計數(shù)器串聯(lián)組成；主要技術(shù)指標(biāo)項目也具有相似性，對揮發(fā)性顆粒物去除效率、計數(shù)效率和線性度均有相應(yīng)要求（表2）。基于應(yīng)用需求的差異，設(shè)備小型化等級順序為PTI-PN＞PEMS-PN＞PMP-PN，設(shè)備精度等級順序為PMP-PN＞PEMS-PN＞PTI-PN。
圖2 PMP-PN、PEMS-PN和PTI-PN分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（虛線或虛線框指示可選部件；紅色指示加熱部件）
| PMP-PN（Euro 7） | PEMS-PN（Euro 7） | PTI-PN（EU 2023/688） |
一級稀釋 | 稀釋系數(shù)：≥10 工作溫度：150~400°C | - | - |
揮發(fā)性顆粒物去除裝置 | 蒸發(fā)管+催化汽提塔 | - | - |
二級稀釋 | 稀釋系數(shù)：10~15 | - | - |
預(yù)處理系統(tǒng)的粒子濃度衰減系數(shù)（fr） | 0.95≤fr (50nm)/fr (100nm)≤1.2 0.95≤fr (30nm)/fr (100nm)≤1.3 0.95≤fr (15nm)/fr (100nm)≤2.0 平均fr的校準(zhǔn)誤差：≤±10% | - | - |
揮發(fā)性顆粒物去除效率 | >0.999 | >0.99 | >0.95 |
測量原理 | 全流型凝結(jié)核粒子計數(shù)器法 | - | - |
計數(shù)效率 | 檢查對象為顆粒計數(shù)器 10nm：0.65±0.15 15nm：>0.90 | 檢查對象為整體系統(tǒng) 10nm：0.10–0.50 15nm：0.30–0.70 30nm：0.75–1.05 50nm：0.85–1.15 70nm：0.85–1.15 100nm：0.80–1.20 200nm：0.80–2.00 | 檢查對象為整體系統(tǒng) 23nm：0.20–0.60 50nm：0.60–1.30 70或80nm：0.70–1.30 |
線性檢查 | 檢查對象為顆粒計數(shù)器 斜率：0.90~1.10 判定系數(shù)：> 0.97 線性誤差：≤±5% | 檢查對象為整體系統(tǒng) 截距：≤5%最大值 斜率：0.85~1.15 標(biāo)準(zhǔn)誤：≤10%最大值 判定系數(shù)：≥0.95 線性誤差：≤±15% | 檢查對象為整體系統(tǒng) 線性誤差：≤±25%或25000#/cm3 |
2.
表2 PMP-PN、PEMS-PN和PTI-PN分析儀的主要技術(shù)要求
2.機動車尾氣PN分析儀的國內(nèi)市場需求與痛點
我國是全球機動車產(chǎn)銷第一大國，移動源污染已成為空氣污染的重要來源，是造成我國大中城市顆粒物污染的重要原因。為了控制機動車尾氣超細顆粒排放，顆粒計數(shù)法已經(jīng)被全面引入到我國的新生產(chǎn)機動車排放法規(guī)體系（表1）。此外，將顆粒計數(shù)法引入到我國在用機動車排放法規(guī)體系也亟需盡快推行。
在排放標(biāo)準(zhǔn)指引下，我國眾多機動車制造企業(yè)以及環(huán)保檢測機構(gòu)都需要使用與符合排放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求的排放測試設(shè)備來開展排放檢測試驗。由于在機動車排放法規(guī)體系中顆粒計數(shù)法正處于快速發(fā)展階段，當(dāng)前對機動車尾氣PN分析儀的市場需求量較大且呈現(xiàn)上升趨勢。然而，機動車尾氣PN分析儀為精密儀器，研制難度較大，國內(nèi)研發(fā)較為滯后，國內(nèi)市場正在被進口品牌產(chǎn)品全面占據(jù)。進口品牌PN分析儀是無法滿足國內(nèi)廣大用戶應(yīng)用需求的，主要體現(xiàn)在：1）PN分析儀作為機動車排放測試中的關(guān)鍵精密儀器，急需突破全面依賴進口的“卡脖子"難題；2）進口設(shè)備采購及使用成本較高，大多數(shù)國內(nèi)用戶難以承擔(dān)；3）PN分析儀的校準(zhǔn)程序十分復(fù)雜，往往需要返回原廠進行維護維修及定期校準(zhǔn)，進口設(shè)備返廠需要耗費較長時間，從而會嚴重降低設(shè)備有效利用率。因此，加強國內(nèi)研發(fā)投入，盡快開發(fā)出符合法規(guī)技術(shù)要求的國產(chǎn)PN分析儀是解決當(dāng)前供需矛盾的重要途徑。
四方光電（武漢）儀器有限公司（以下簡稱“四方儀器“）近二十年來長期致力于研發(fā)機動車尾氣排放檢測核心傳感技術(shù)及系統(tǒng)裝備，成功推出了一系列的排放檢測設(shè)備系統(tǒng)解決方案，廣泛應(yīng)用于在用車及新生產(chǎn)車法規(guī)排放測試，主要用戶包括科研機構(gòu)、環(huán)保檢測機構(gòu)及輕型車、重型車、非道路移動機械、摩托車和發(fā)動機制造企業(yè)等。
為了響應(yīng)機動車排放標(biāo)準(zhǔn)中的顆粒計數(shù)測量需求，四方儀器依托氣體傳感技術(shù)研發(fā)平臺基礎(chǔ)優(yōu)勢，專項重點投入研發(fā)資源，成功自主研制了凝結(jié)核粒子計數(shù)器法（CPC）和擴散荷電法（DC）顆粒計數(shù)傳感器模組，并在此基礎(chǔ)上全面推出了機動車尾氣PMP-PN、PEMS-PN和PTI-PN分析儀。
四方儀器的機動車尾氣PMP-PN、PEMS-PN和PTI-PN分析儀與相關(guān)設(shè)備配套形成了分別應(yīng)對新生產(chǎn)機動車排放標(biāo)準(zhǔn)臺架典型工況和實際道路行駛及在用機動車排放標(biāo)準(zhǔn)怠速工況三種試驗方法的三套專用系統(tǒng)解決方案：
（1）PMP-PN分析儀（產(chǎn)品名稱為顆粒數(shù)量分析系統(tǒng)）與發(fā)動機排放測試系統(tǒng)、激光光譜排放分析系統(tǒng)和全流稀釋定容采樣系統(tǒng)等組合形成新一代實驗室排放測試系統(tǒng)解決方案，適用標(biāo)準(zhǔn)包括Euro 7、國6/VI以及未來國七等。
（2）PEMS-PN分析儀與PEMS-THC/CH4分析儀、PEMS-NH3/N2O分析儀和PEMS主機系統(tǒng)組合形成新一代實際道路行駛排放測試解決方案，適用標(biāo)準(zhǔn)包括Euro 7、國6/VI以及未來國七等。
（3）PTI-PN分析儀（產(chǎn)品名稱為便攜式PN分析儀）與PTI-NOx分析儀組合形成新一代在用柴油車尾氣排放定期技術(shù)檢查解決方案，適用標(biāo)準(zhǔn)包括EU 2023/688及未來的中國PTI-PN標(biāo)準(zhǔn)。
