1. 引言
2025年中国移动源环境管理年报显示，2024年，全国汽车一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)排放量分别为626.5万吨、168.5万吨、406.2万吨、3.3万吨。其中柴油车PM排放量占汽车排放总量的90%以上[1]。柴油车颗粒物排放仍是监管的重点和难点。据研究，国五柴油车，若颗粒物捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)被异物撞击、人为损伤，或被移除，则单车的PN (Particulate Number)排放可攀升30倍[2]；同时，欧六柴油车尾气排放颗粒物的典型粒径峰值普遍集中在70~80 nm，而国内现行的GB3847-2018《柴油车污染排放限值及测量方法(自由加速法及加载减速法)》标准中规定的柴油车污染物排放检查为不透光烟度检查，其适用粒径范围为大于等于150 nm，现有不透光烟度计检查的检测方法和灵敏度已不足以应对国五及以上排放阶段柴油车超细颗粒物的排放监管。且欧盟自2018年开展了欧Ⅶ排放标准的制订[3]-[6]，该标准基本延续欧Ⅵ排放限值，但对PN提出了更高的要求，测量颗粒物粒径从原先23 nm修改为10 nm，进一步提升了排放控制的严格性[7]。为了加强对超细颗粒物排放的控制，美国、芬兰、日本、奥地利、德国、瑞士等多个国家的商业公司已开发了一系列PN检测仪，并已经初步形成较为完善的测量方法和技术体系[7]。因此国内生态环境监管部门也在研究引入针对在用机动车PN排放检测技术，以满足现有的排放升级的要求。而移动源PN排放快速检测替代传统的不透光烟度检测，将成为在用车排放监管的首选。
而国内尚未制定PN快速测量方法和技术体系，且欧洲提出的怠速工况是否适用也缺乏数据支持，本文通过对国内外PN检测方法和检测原理的调研研究，分别在实验室和年检站开展不同工况下的PN快速检测设备和基准设备的测试验证，为PN快速检测方法和技术体系的建立提供支持。
2. PN检测原理
2.1. 凝结核粒子计数器原理
凝结核粒子计数器(CPC)测量机动车PN主要有两步：第一步，样气从入口进入CPC后，依次经过加热饱和器和冷却冷凝器，完成凝结核增长的步骤，此时颗粒物可增长至能够被基于光散射原理的颗粒物测量的装置探测到；第二步，颗粒物进入光学腔，穿过具有一定能量的光束，部分光会被颗粒物散射，通过对粒子散射光的脉冲进行计数确定颗粒物的数量，结合采样流量的大小可以计算出待测样气中颗粒物的数浓度[8]。CPC原理是从1980年被首次开发后经过不断优化提升，目前已经发展出了不同种类、不同性能的商用仪器，如全流性CPC、不同工作液CPC、超低粒径CPC等[7]。
2.2. 扩散荷电原理
扩散荷电法原理是让颗粒物先带电，之后通过对颗粒物带电量的测量，以及最后检测到的电流值来反算颗粒物的数浓度。在该技术中，通过对颗粒的荷电量及对荷电颗粒电流的测量实现对颗粒数量浓度的测量。DC原理的PN检测设备相较于CPC原理的设备具有成本低、结构简单且紧凑、耐用等特点。按照其荷电及电流测量方式可分为稳态扩散荷电(Steady-State DC, SSDC)、调制扩散荷电(Modulated DC, MDC)、调制沉积扩散荷电(Modulated Precipitation DC, MPDC) 3种[7]，其中SSDC为传统的DC技术原理。为抑制或消除SSDC技术中电流零点漂移对结果的影响，提高设备的可靠性，在SSDC基础上发展形成MDC法，其通过脉冲式放电调节离子的生成过程，使连续流动中的颗粒依据脉冲频率周期性地被充电或保持电中性[7]。最后，为抑制或消除SSDC和MDC技术中颗粒荷电量、颗粒粒径分布对结果的影响，近年来发展出MPDC法[7]。
扩散荷电测量法与凝结核粒子计数法相比，无需工作液，具有更短的响应时间和更低的粒径检测下限，更加适合机动车排放超细颗粒物的快速、在线测量[8]。但是与CPC原理的仪器相比，扩散荷电法的测量准确性仍存在一定的差距， 颗粒荷电、颗粒粒径分布及形貌等参量对测量结果均会造成影响[7]。
3. PN检测方法调研
3.1. 国外PN快速检测方法
为了加强对机动车PN排放的控制，欧盟于2011年开始对柴油车PN进行监管。2012年开始，荷兰的一些组织机构一直致力于开发一种新的颗粒测试方法，以验证DPF是否正常工作[9]。比利时2022年在PTI中引入PN检查，荷兰、德国和瑞士于2023年1月在PTI检查中实施PN检查，其限值及检查适用范围如下表1所示。瑞士的检测方法中除了设置通过/不通过限值外，还提出设定快速通过选项和快速不通过选项，主要为了缩短测试时间。快速通过选项通常为PN限值的25%；快速不通过选项有助于快速完成判断[2]。
Table 1. PN detection limit [9] [10]
表1. 国外PN检测限值[9] [10]
国家 |
生效日期 |
PN限值 |
荷兰 |
2022.07延迟至2023.01 |
1,000,000 #/cm3 |
比利时 |
2022.07 |
1,000,000 #/cm3 |
德国 |
2023.01 |
250,000 #/cm3 |
瑞士 |
2023.01 |
(1) 简易程序(低怠速)通过：<100,000 #/cm3 |
(2) 正式程序(高怠速)通过：<250,000 #/cm3 |
荷兰、比利时、德国和瑞士采用的PN快速检测方法不全相同，如下图1所示。荷兰和比利时采用的PN快速检测方法一致，均为怠速法稳定15秒，再测量15秒，取15秒的平均值判定结果。瑞士的PN快速检测方法与荷兰、比利时的差异在于采用了15秒高怠速的准备工况阶段，后续测试5秒，暂停5秒，总共测量3个5秒的测试，最终15秒的平均值判定检查结果。德国的PN快速检测方法较为复杂，需要先让转速超过1000 r/min，以激活EGR，怠速稳定15秒后，测量30秒，若30秒的平均值低于5万#/cm3，则车辆快速合格；若首个30秒测试，结果高于5万#/cm3，则再次测量2个30秒，取90秒的平均值判定检查结果。
Figure 1. Rapid detection methods for PN abroad
图1. 国外PN快速检测方法
据研究，德国目前正研究讨论对PTI法规进一步修订，因DPF的效率高达97%，而GPF (Gasoline Particulate Filter)的效率只有90%，故德国也在考虑将汽油车的PN监管也纳入PTI-PN测试范畴，但怠速检测方法并不适用，因此需要建立新的检测方法。
3.2. 国内PN检测方法调研
2018 年6月22日发布的《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB 17691-2018)排放标准，规定了发动机标准循环下，压燃式发动机在稳态工况(WHSC)和瞬态工况(WHTC)下的PN限值分别为8.0 × 1011 #/kW·h、6.0 × 1011 #/kW·h，点燃式发动机在WHTC工况下PN限值是6.0 × 1011 #/kW·h，压燃式和双燃料重型柴油车整车排放PN限值为1.2 × 1012 #/kW·h，整车PN限值从国6 b开始实施[11]。2018年9月27日发布的《柴油车污染排放限值及测量方法(自由加速法及加载减速法)》GB3847-2018标准规定了柴油车污染物排放测量方法有自由加速法和加载减速法。
考虑到PN检测仪在汽车行业的广泛应用，但国内缺乏相应的计量标准，为了保证PN检测仪输出准确、可靠、有效的数据，并对PN检测仪主要性能的技术指标进行统一、合理、符合实际的规定，2025年3月27日国家市场监管总局发布《移动源排放颗粒物数量检测仪校准规范》(JJF2215-2025)，校准项目主要有以下几项：零点、流量示值误差、颗粒计数效率、颗粒计数线性、计数重复性、挥发性颗粒物的去除效率、颗粒浓度衰减系数等主要性能的校准方法和各项指标的要求、校准结果的判定等做了统一的规定，同时对校准条件、校准仪器设备等也做了统一的要求[12]。
4. 实验方案及结果
4.1. 实验方案
为了验证PN快速检测方法的适用性，上文对国内外现有的新车和在用车污染物排放检测方法进行了总结，考虑到现行标准的延续性、沿用性，本文拟依据GB17691和GB3847标准，分别在实验室和年检站场景下，对比CWTVC工况、等速工况、实际路谱工况、CHTC工况以及自由加速法和加载减速法工况下，PN快速检测设备的适应性，以及PN快速检测设备和实验室基准设备间的差异。
本次比对分别在两种测试场景下进行：一种测试场景为在台架上，采用一辆重型柴油牵引车作为颗粒物统一发射源，使用PEMS设备作为基准设备，测量原理为CPC。车辆在重型车底盘测功机上运行，发动机尾气管连接PEMS设备排气流量计，将参与比对的PN快速检测设备采样探针插入排气流量计，使其采样口与PEMS设备PN采样口保持位置一致，PN快速检测设备的原理为DC；另外一种测试场景为在机动车年检站，采用一辆重型柴油车作为颗粒物统一发射源，使用PEMS设备作为基准设备，测量原理为CPC。车辆分别在年检站转鼓和空地上运行，车辆排气管连接PEMS设备排气流量计，将参与比对的快速PN检测设备采样探针插入排气流量计，使其采样口与PEMS设备PN采样口保持位置一致，PN快速检测设备的原理为DC。如下表2所示，为PEMS设备与PN快速检测设备的技术参数比对。
Table 2. Technical specifications comparison
表2. PN检测设备技术参数对比
|
PEMS设备 |
PN快速检测设备 |
技术原理 |
CPC |
DC |
粒径范围 |
23~1000 nm |
23~25 um |
量程 |
0~5 × 107 #/cm3 |
0~5 × 108 #/cm3 |
稀释倍数 |
10:1 |
10:1 |
4.2. 台架实验流程及结果
4.2.1. 台架实验流程
待测车辆在测功机上运转，见下图2场地布置示意图，具体流程如下：
1) 正式检测开始前，启动发动机，变速器置空挡，逐渐加大油门踏板开度；使用前进挡驱动车辆，使油门踏板处于全开位置时，测功机指示的车速最接近70 km/h，但不能超过100 kmh。
2) 检测开始后，在试验过程中，实时监控发动机冷却液温度和机油压力，一旦冷却液温度超出了规定的温度范围，或者机油压力偏低，暂时停止检测。冷却液温度过高时，检测员应松开油门路板，将变速器置空挡，使车辆停止运转。
3) 检测过程中，时刻注意受检车辆或检测系统的工作情况。
4) 检测结束后，记录实验时间并保存数据。
Figure 2. Site layout diagram
图2. 场地布置示意图
5) 实验工况
实验工况如下图3所示，依次进行CWTVC工况、等速工况、实际路谱工况、CHTC工况。
CWTVC工况 等速工况
实际路谱工况 CHTC工况
Figure 3. Laboratory bench test conditions
图3. 实验室台架测试工况
4.2.2. 台架实验比对结果
台架实验室PN快速检测设备与PEMS设备测试验证比对结果如图4~7所示，同时计算不同工况下，PN快速检测设备与PEMS设备结果的平均值偏差如表3所示。
Figure 4. CWTVC comparison
图4. CWTVC工况比对
Figure 5. Constant speed comparison
图5. 等速工况比对
Figure 6. PEMS comparison
图6. 实际路谱工况比对
Figure 7. CHTC comparison
图7. CHTC工况比对
Table 3. Equipment concentration average deviation comparison
表3. 设备浓度平均值偏差比对
工况 |
CWTVC工况 |
等速工况 |
实际路谱工况 |
CHTC工况 |
PEMS设备 |
1.1E+04 |
1.2E+04 |
1.5E+04 |
1.1E+04 |
PN快速检测设备 |
8.9E+03 |
1.0E+04 |
4.3E+04 |
1.3E+04 |
平均偏差% |
−19.1 |
−17.9 |
191.0 |
18.2 |
可以发现，CWTVC工况下，PN快速检测设备与PEMS设备平均值偏差为−19.1%；等速工况下，PN快速检测设备与PEMS设备平均值偏差为−17.9%；在实际路谱工况下，PN快速检测设备与PEMS设备偏差为191.0%；CHTC工况下，浓度平均值偏差为18.2%。实际路谱工况下，PN快速检测设备瞬态响应与PEMS设备较一致，但是平均浓度偏差较大，PN快速检测设备可能需要针对此车型进行标定。
4.3. 年检站实验流程及结果
4.3.1. 年检站实验流程
依据GB3847-2018标准中自由加速法和加载减速法要求，开展PN快速检测设备与PEMS设备的比对测试，本次比对总共采样6辆柴油车，其中4辆柴油车(其中，国V车辆2辆，国VI车辆2辆)采用自由加速工况，另2辆国V柴油车采用加载减速工况检测。场地布置图如图2所示。
4.3.2. 年检站实验比对结果
车辆1 (国V) 车辆2 (国V)
车辆3 (国VI) 车辆4 (国VI)
Figure 8. Comparison of free acceleration cycle
图8. 自由加速工况比对
年检站PN快速检测设备与PEMS设备比对试验结果如下图8~10所示。可以看出，PN快速检测设备的结果值整体高于PEMS设备。自由加速工况下，国V车辆1和车辆2的PN检测结果在107 #/cm3数量级，PN快速检测结果与PEMS检测结果跟随性和数量级较一致；国VI车辆3的PN检测结果在104 #/cm3数量级，PN快速检测结果与PEMS检测结果跟随性有所变差，车辆4当PN结果103 #/cm3数量级时，检测结果间的跟随性进一步恶化。
在加载减速工况下，如图9和10可以看出，车辆5和车辆6的PN快速检测结果与PEMS检测结果没有明显的跟随趋势。
Figure 9. Comparison of vehicle 5 lugdown cycle
图9. 车辆5加载减速工况比对
Figure 10. Comparison of vehicle 6 lugdown cycle
图10. 车辆6加载减速工况比对
经过上述台架实验室和年检站的比对测试，发现：
(1) PN快速检测设备相较于PEMS设备，具有便携，预热速度快，功率小，快速机动的使用特性，适用于快速PN检测项目。
(2) 但是，PN快速检测设备也存在一定的问题：一是PN快速检测设备在车速较大的工况下存在数据精度下降的问题，可能是高速工况排气背压影响采样泵及分析仪工作导致；二是在PN结果值在103 #/cm3数量级时，PN快速检测设备的响应变差；三是PN快速检测设备实际使用过程中稳定性相对较差。
5. 结论
本文研究对比了国内外PN检测工况、技术原理及设备，分别在台架实验室和年检站场景下，对比CWTVC工况、等速工况、实际路谱工况、CHTC工况以及自由加速法和加载减速法工况下，PN快速检测设备的适应性，以及PN快速检测设备和基准设备间的差异，发现：
(1) PN检测工况的适应性方面：PN快速检测设备与PEMS设备检测结果在CWTVC工况CHTC工况以及自由加速法下具有良好的跟随性和一致性，在稳态工况、实际路谱工况、和加载减速法工况下，数据一致性较差。
(2) PN快速检测设备性能方面：PN快速检测设备在车速较大的工况下、PN结果值在103 #/cm3数量级时，会存在响应和精度变差的情况，且设备实际使用过程中稳定性相对较差。
但整体来说PN快速检测设备具有一定的工况适应性，待优化完善后，可以满足不同工况的检测需求以及监管需要。