使用便携式排放测量系统（PEMS）进行道路颗粒数量测量

Jens Gallus , Ulf Kirchner , Rainer Vogt , Christoph Borenseneuro; , Thorsten Benter

1. Ford-Werke GmbH, Research amp; Innovation Center Aachen, Suuml;sterfeldstr. 200, D-52072 Aachen, Germany

Bergische Universitateuro; Wuppertal, Department of Physical and Theoretical Chemistry, Gauss-Strasse 20, D-42097 Wuppertal, German

注意

PN PEMS与测试单元PMP设置和实际驾驶的相关性。

测量的PN与烟尘比率表明PN PEMS能够针对不同驾驶方式对PN排放的影响进行道路测量。试验在不同的环境温度以及有无冷启动的情况下进行PN道路测量。

参考文献

Article history:Received 9 March 2015 Received in revised form 3 November 2015 Accepted 5 November 2015

Available online 10 November 2015

关键词

PEMS，汽油直喷，颗粒物排放，PN与烟灰比，冷启动效应

摘要

在此研究中， 使用便携式排放测量系统（PEMS）来测量PN排放，研究了Euro-5直喷（DI）汽油客车的道路颗粒数（PN）排放性能。

PN PEMS与底盘测功机的测试结果相关性表明，PN PEMS与配置达到1 -10¹⁰＃/ km范围内的底盘动态测量仪检测的排放量相当吻合。光声烟灰传感器（PASS）在线烟尘测量作为独立的测量技术被广泛应用，表明PN-PEMS具有良好的实际性能。 PN与烟尘的比例为1.3 -10¹²＃/ mg，对于电池测量和道路测量来说都是非常合适的。

在行驶过程中，我们研究了不同的驾驶风格以及不同的道路类型。与世界上统一的轻型试验循环（WLTC）5.3和欧洲现场操作试验（euroFOT）数据的比较表明，PEMS行程代表正常行驶。 在不同的交通情况下驾驶情况似乎是导致PN排放情况不同的主要原因。随着驾驶方式更加剧烈，PN排放量呈增长趋势。冷启动对PN排放的影响非常明显，特别是在环境温度低至8°C的情况下。

copy; 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

一丶简介

缩写：APA，平均正向加速度; CO，一氧化碳; 二氧化碳; CSEE，冷启动额外排放; ET，蒸发管;PEMS，便携式排放测量系统; PM，微粒物质; PMP，粒子测量程序; PN，粒子号码; PND，Particle Number Diluter; RDE，真正的驾驶排放; RPA，相对正向加速度; SPCS，固体粒子计数系统; THC，总碳氢化合物; UFP，超细颗粒; VPR，挥发性颗粒去除剂; WLTC，世界轻型车测试周期。

作者通讯。 Ford-Werke GmbH，亚琛研究创新中心，Suuml;sterfeldstr。 200，D-52072德国亚琛。

电子邮件地址：jgallus@ford.com（J. Gallus）。

http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2015.11.012 1352-2310 /copy;2015 Elsevier Ltd.保留所有权利。

2011年，欧盟(EU)提出了柴油车固体颗粒（PN）排放限制为6·10¹¹＃/ km。 根据新的欧洲驾驶循环（NEDC）和Particle Measurement Protocol（PMP）进行测试。随着2014年9月推出的欧洲6号新法规（Euro-6b）的第一阶段，对直接喷射（DI）汽油车辆（欧盟，2011年）的PN限制为6·10¹²＃/ km，并且将会降低到2017年为6·10¹¹/公里，因为对于柴油车已经是强制性的。 对于计划于2017年投入使用的Euro-6c，欧盟委员会致力于制定和实施“真正驾驶排放”，其中包括对柴油机氮氧化物和PN进行后期监管，道路上的PN排放目前是主要的研究课题。在这方面，利用便携式排放测量系统（PEMS）是一种可行的方法。

在这项研究中，便携式移动装置测量装置测量的PN主要是lt;300nm的微粒。与欧洲立法规定的方法类似，PN PEMS采用热稀释级联（三级：10,100,300）和蒸发管（ET）来调节气溶胶。气溶胶由电晕充电器充电，并通过感应电流在两个阶段（扩散和过滤阶段）检测颗粒（Matter，2013）。

本文介绍了PN PEMS与已建立的监管测试单元设备的几种相关性测量。 通过与独立测量技术（光声烟灰传感器（PASS））进行比较来研究路上性能。 此外，在不同的环境和驾驶条件，也将研究欧洲5号汽油客车的道路测试。

仪器

所研究的PN PEMS是由Matter Aerosol AG（Testo公司，瑞士）制造的预系列仪器Nano-met3-PS。就对机箱动态压力计的PN，颗粒调节和检测参数而言，它的设计符合目前的PMP法规（R-83）。

图1表示出了与测试单元PMP系统相比的该设备的示意图。 表1比较了两种仪器的主要特点。

PN PEMS直接从尾管中抽取原始排气，而PMP系统从恒定体积采样器（CVS）中收集一定程度的颗粒（图1）。因此，与PMP结果相比，PN PEMS预计会有不同形状的粒子峰。

PN PEMS样品调节发生在由热稀释器和蒸发管（ET）组成的挥发性颗粒去除剂（VPR）中，与PMP R-83程序相当。 样品在旋转圆盘稀释器中通过热稀释，温度为150℃，稀释倍数为10,100或300，并在ET中加热至300℃。 在制造商后来的冷却区域内，由于稀释系数设定得足够高，以致样品不能通过其露点（Matter，2013），所以不会发生再凝聚。

PN PEMS中的粒子检测是基于气溶胶粒子的电晕充电。在颗粒探测器中，气溶胶通过单极电晕扩散充电器充电，并通过两个阶段测量得到的电流。带电气溶胶通过扩散阶段，其中通过扩散过程沉积颗粒，而剩余的颗粒被收集在过滤阶段中。 使用两个灵敏的电子计量器在两个阶段测量电流。基于两个静电计信号的比率，可以估计平均粒径，当然这不是本研究的主题。

PN PEMS利用扩散充电，与PMP系统的凝聚颗粒计数器（CPC）（表1）相比，它是完全不同的颗粒测量原理。在23纳米处，CPC具有50％的计数效率，对于大于100纳米的颗粒，其计数效率提高到100％。另一方面，扩散充电器显示指数大小依赖效率曲线（Fierz等，2008），因为较大的粒子可以携带更多的电荷导致更高的电流（Giechaskiel等，2014a）。本研究中的PN PEMS在工厂使用80 nm单分散烟灰颗粒进行校准（Matter，2013）。由于效率曲线与粒径（根据Fierz等人，2011年的指数1.1）对粒径不是线性相关，所以对于大于或小于80nm的粒子存在明显的偏差。

底盘测功机测试

PN PEMS的性能通过将实验数据与已建立的监管测试电池设备的结果进行关联来进行研究。由PN PEMS组成的热稀释器和蒸发管组成的预处理阶段与PMP设备类似，但测量位置和检测器原理不同（见第2章）。

底盘测功机测试是在亚琛的福特研究中心进行的。测试单元配备符合R-83的Horiba MEXA-2000SPCS。所有PN测量都是根据现行的型式认证立法程序进行的（EU，2011）。诸如NEDC，世界统一轻型测试循环（WLTC）5.3和代表道路驾驶的其他实验室循环的若干驾驶循环与产生PN排放的不同测试车辆（柴油和汽油运行）一起进行。

第二个PN（以＃/ s为单位）是通过乘以由PN PEMS提供的PN浓度与在CVS隧道处测得的排气体积。结果对浓度和排气量之间的时间对准非常敏感，在整个测试周期内，几秒钟的偏移可能导致高达50％的PN差异。与PN计数和测试单元提供的排气量相比，PN PEMS浓度具有不同的时间基准。因此，相对于测试电池的排气流，PN PEMS浓度迹线以秒为单位移动。在每个步骤中，通过将PN浓度与排气量相乘来计算结果，并且计算与PMP PN计数的平均二次偏差。然后通过最低偏差值给出PN PEMS和测试电池设备之间的最佳时间对准。这种最小二乘法不能确定浓度和排气量峰值之间的最佳相关性，因为排气量在发动机内瞬间检测到，而颗粒物需要一些时间以秒为单位传送到尾管。

图1.与测试单元PMP系统相比，PN PEMS在尾部排气管直接收集排气的示意图。

表1.PN PEMS的规格（Matter，2013）与PMP设置（EU，2011）对比。

3.1.PN PEMS和PMP设置的相关性

图2显示了两个PN时间曲线，可视化PN PEMS和测试单元中PMP设置结果的相关性。上面的图表显示了2.0升汽油Euro-5汽车在WLTC 5.3上的测量结果，PN发射在1012＃/ km范围内。 PN PEMS排放数据与PMP结果的偏差小于5％。 来自PN PEMS和测试细胞颗粒计数器的相应峰位于相同的位置，然而，它们的形状看起来不同。测试单元的峰值越来越低，这主要是由于采样位置所致。 每个单峰的积分在两种测量技术的实验误差范围内。由于热泳或凝结造成的粒子损失在PN PEMS的校准中考虑。

配备颗粒过滤器（DPF）的柴油车整体发出的PN排放量显著降低（见图2的底部图），在NEDC上的范围为109＃/ km。来自PN PEMS的结果与相应的测试单元值相差超过一个数量级，并且峰值相关性更差。在这种低排放水平下，PN PEMS达到其检测极限：该运行期间的平均传感器浓度约为500＃/ cm³，低于制造商给出的检测限（见表1）。考虑到在此排放水平下10的典型稀释度，系统中的平均浓度为5000＃/ cm³。这与意大利伊斯普拉联合研究中心（JRC）的一份报告一致，其中发现颗粒浓度低于10000＃/ cm³的测量不确定度较高（Giechaskiel等，2014a）。

图3提供了关于PN PEMS与底盘测功机相比性能的视图。以双对数比例绘制数据（图3中的上图），区域lt;1010＃/ km内的PMP数据点与1：1 PN PEMS相关线显着偏离。因此，PN PEMS的检测范围大约为1 -1010＃/ km，这比目前的NEDC Diesel PN排放限值低一个数量级以上。

图3中的线性比例图（下图）显示了数据点与确定系数R2的线性相关性为0.92。在这种计算中，所有lt;10

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