随着汽车工业的发展，我国汽车保有量呈上升趋势，2005~2012年，我国汽车保有量增长率均在10%~20%左右，然而汽车排放尾气中的有害气体和颗粒物可对人体呼吸系统、 免疫功能、 生殖功能产生一定的危害，引发多种疾病^[1,2]，对环境也产生很大影响^[3]，如酸雨、 雾霾等的产生，严重影响空气品质. 有统计显示，长期PM_2.5污染暴露每立方米增加10 μg心脑血管引起的死亡风险增加76%^[4]. 超细微粒通常指空气动力学直径小于0.1 μm的气溶胶颗粒物，是形成PM_2.5的前体物质. 流行病学研究表明，死亡率与颗粒污染物有很大关系，尤其是超细颗粒^[5,6]. 刘希玲等^[7]对我国5个典型城市汽车行驶工况调查研究，汽车在怠速时其排污量比其他工况下要高. 城市交通道路在高峰期往往比较拥堵，上海车辆行驶过程中怠速时间比例高达31.61%.

目前对汽车排放颗粒特性的实验研究方法主要有采用车载排放测量系统实时测量法^[8,9]、 底盘测功机法^[10]和路侧测量法^[11]等. Franco等^[12]对采用不同测试方法如底盘测功机排放测试设备和便携式排放测量系统研究汽车排放因子进行了综述，且对研究设计超细微粒数浓度排放较少. 目前对汽油机排放污染的研究很多集中在NO、 CO和HC的排放情况^[13]，而在交通道路上研究汽车综合污染排放情况不能排除其他污染源的干扰，底盘测功机法大多采用排气稀释系统对排放气体进行研究^[14]，对汽车排放污染物的扩散特征过去主要采用数值模拟方法^[15,16]、 随机统计模型^[17]等模拟方法进行研究，但不能反映真实道路气体排放情况. 本文采用实验方法分析了汽车尾气在排气管附近的超细颗粒排放规律和浓度分布特性，以期为研究城市大气PM_2.5形成及控制提供依据.

1 材料与方法 1.1 测试条件与仪器

测试车辆选用上海大众帕萨特、 一汽奥迪和桑塔纳进行实验，燃料采用93号汽油，测试车辆均在发动机排气系统中加装催化转化器，采用三效催化剂减小有害气体的排放，相关参数如表 1所示. 对于GDI汽车(一汽奥迪A6L)采用了TFSI技术. 3种车辆行驶里程均为几十公里，测试场地在杭州职业技术学院汽车综合检测实训室，空间较宽阔为1032 m².

表 1(Table 1)

表 1 测试车辆相关参数Table 1 Parameters for the tested vehicles 车型 发动机型号 工作方式 供油方式 发动机排量/L 发动机额定功率/kW 制造时间(年-月) 燃料 上海大众帕萨特 CED 涡轮增压 多点电喷 1.8 120 2010-01 93号汽油 一汽奥迪A6L BPJ 涡轮增压 缸内直喷 2.0 125 2009-12 93号汽油 桑塔纳 AFE 自然吸气 多点电喷 1.8 70 2004-02 93号汽油

表 1 测试车辆相关参数Table 1 Parameters for the tested vehicles

采样分析仪器采用美国TSI公司生产的快速迁移率粒径谱仪(fast mobility particle sizer Spectrometer，FMPS)和空气品质检测仪(indoor air quality meter，TSI7545-IAQ-CALC)，FMPS是基于EAA(Electrical Aerosol Analyzer)和静电分离器原理的细微颗粒物粒径谱仪，粒径大于1 μm的颗粒经过旋风分离器去除，被测颗粒进入扩散电荷区由单极充电器使颗粒带上正电荷，电荷量由颗粒粒径所决定，使用多组、 低噪值的静电计来执行微粒侦测，颗粒物将所带电荷传递给敏感电极环，由此产生的电流由与电极环相连接的微控器收集、 读取，经仪器自带软件实时、 自动处理生成粒径谱. 并可在1 s 内达成微粒尺寸分布的分析，即1 s获得一个测量数据，而不是利用CPC(condensation particle counter)进行计数. FMPS分32个粒径测量通道涵盖了超细颗粒粒径范围，粒径计数范围为5.6~560 nm，数浓度范围为1~10⁷cm^-3，采样流量为10 L ·min^-1. 每次测量前采用HEAP进行清零标定. TSI7545-IAQ可测CO浓度，测量范围(0~500)×10^-6，测量精度±3%. 汽车尾气分析仪是由鸣泉科技生产的可分析在怠速工况法下汽车的尾气如HC、 NO等排放浓度的分析仪器. HC测量范围为(0~5000)×10^-6，测量精度为±5%，NO测量范围为(0~4000)×10^-6，测量精度为±4%. 1.2 测试方法

实验根据不同的发动机空载怠速转速进行测量，这有两方面意义：第一，怠速是我国车辆常见的行驶工况； 第二，在空载情况下，怠速转速与耗油量呈正比关系. 测试是在距离汽车尾气排气管0.2~1 m，与排气管同等高度的位置采用FMPS实时测量颗粒数浓度，TSI7545-IAQ测量尾气CO浓度. 将汽车尾气分析仪探头直接伸入尾气管测量HC、 NO等浓度. 在环境温度下首次启动发动机，预热待其温度达到90℃后控制车速在4种恒定空载转速下进行测量：800、 1500、 2000、 2500 r ·min^-1，其中800 r ·min^-1即为怠速工况. 加速实验在距离排气管轴向距离0.2 m处采用FMPS实时记录颗粒数浓度变化，在上一恒定转速下，通过油门加速至下一恒定转速，加速过程时间较短，变化非常迅速. 恒速实验采用油门控制发动机转速稳定在一定数值，每辆车测试2~3次，每个工况实验测量6 min，舍去由于加速过程数浓度升高段的数据，恒速阶段数浓度变化趋于稳定，选取数据趋势稳定段数据进行统计，平均每20 s数据为1组，数据样本取9组. 测试场地较宽阔，每组实验结束后开启卷闸门和窗加速自然对流，同时采用风扇吹半小时，加速颗粒扩散，由于汽车发动机排放的超细颗粒变化极不稳定，经过稀释扩散凝并等效应，迅速生长为较大颗粒，本实验研究的为超细颗粒，经过长时间后减小了上一组实验结果对下一组实验的影响. 2 结果与讨论 2.1 超细颗粒数浓度分布特性

表 2给出了空载不同转速工况下帕萨特、 一汽奥迪和桑塔纳3种车型在距离其排气管0.2 m处不同转速时的总数浓度分布情况，从中可以看出，在怠速800 r ·min^-1时颗粒数浓度最低，随着转速的增加颗粒数浓度呈增高趋势，这与文献^{[18, 19]}的研究结果一致. 在高转速2500 r ·min^-1时颗粒数浓度急剧升高，最高达3.75×10⁶ cm^-3. 空气燃料比是影响颗粒排放的重要因素^[20]，在高转速时，喷油量增加，可燃气体混合物增加，在燃烧室内混合不均匀，不充分燃烧会导致某些挥发性有机物和烟雾的排放^[21].

表 2(Table 2)

表 2 不同转速下颗粒总数浓度分布Table 2 Particle number concentration at different speeds 转速/r ·min-1 帕萨特数浓度×104/cm-3 一汽奥迪数浓度×104/cm-3 桑塔纳数浓度×104/cm-3 平均值 最大值 最小值 偏差 平均值 最大值 最小值 偏差 平均值 最大值 最小值 偏差 800 9.6 10.3 8.7 5.7 8.1 20.5 3.8 5.9 6.3 8.0 5.7 0.7 1500 11.9 27.3 6.8 6.1 3.6 7.5 2.0 2.1 10.8 16.9 6.5 4.1 2000 14.8 23.1 6.6 4.7 134.5 197.0 54.0 48.5 58.5 116.1 305.1 32.7 2500 41.8 108.0 12.5 35.5 187.0 290.5 98.95 69.0 204.1 284.2 157.7 45.0

表 2 不同转速下颗粒总数浓度分布Table 2 Particle number concentration at different speeds

根据颗粒物粒径可将其分为不同模态：核模态(粒径<20 nm)，爱根核模态(20 nm<粒径<100 nm)，积聚模态(0.1 μm<粒径<1 μm). 图 1为汽车排放颗粒不同模态数浓度分布情况，汽车发动机产生颗粒大部分粒径D_p小于50 nm^[22]，核模态颗粒主要由排气稀释和冷却时低挥发性成分成核作用，以及与挥发性HC反应增长形成. 颗粒由于扩散稀释等效应，主要以核模态和爱根核模态为主. 在怠速800 r ·min^-1时，核模态颗粒数浓度占总浓度19%~25%，爱根核模态占57%~67%. 随着转速的提高，核模态和爱根核模态颗粒增加趋势显著. 在高转速情况下发动机温度较高，燃料消耗较大，燃烧不充分，产生的细颗粒比较多. 在高转速2500r ·min^-1时，核模态颗粒数浓度占总浓度33%~75%，爱根核模态占23%~62%. 3种车型中一汽奥迪和桑塔纳排放颗粒较多，一汽奥迪采用缸内直喷方式供油，其油滴破碎得更快，更有利于更细密的混合气的形成^[9]，比多点电喷方式燃烧更充分，因此其生成核模态颗粒最多. 缸内直喷方式虽然燃油消耗降低，但其产生颗粒数浓度较高^[23]，需要进一步改进技术减少颗粒的排放.

图 1

Fig. 1

图 1 不同转速各模态颗粒数浓度分布Fig. 1 Particle number concentration at different speeds and modes

图 2给出了距离排气管轴向距离0.2 m不同怠速工况下帕萨特、 一汽奥迪和桑塔纳车型的数浓度粒径谱分布，在怠速工况下发动机产生粒子直径分布在20 nm以下，颗粒粒径谱主要呈单峰分布，峰值粒径略小于10 nm^[24]，从中可以看出，发动机排放颗粒经大气扩散稀释后颗粒物粒径谱主要呈现双峰分布，峰值粒径集中在10 nm和50 nm附近，与陈许东等采用车载测试系统研究的结果相近^[25]. 颗粒粒径谱演变中稀释和冷凝/蒸发为主导机制,而凝固和沉积的影响是次要的^[26]. 汽车排放颗粒物在10~100 nm粒径段颗粒数浓度较高，对人体暴露风险较大，需要引起人们的广泛重视.

图 2

Fig. 2

图 2 不同转速排放颗粒粒径谱分布Fig. 2 Emission particle size distribution at different speeds

选取一汽奥迪车型研究其加速过程排放颗粒粒径演变特征，如图 3所示为在距离排气管0.2 m处测得的颗粒浓度，从中可以看出，在加速过程有明显的数浓度急剧升高过程，这是由于在加速过程所需喷油量迅速增加，节气门快速开启对进气管中的混合气流动产生影响，气缸内混合气浓度不均匀，来不及完全燃烧产生很多细小颗粒，粒径集中在10~70 nm附近. 在车速稳定后，所需燃料减少，颗粒物浓度趋于稳定. 在低怠速情况，浓度峰值粒径集中在40~50 nm附近. 在高转速情况，颗粒浓度迅速升高，峰值粒径集中在10~20 nm附近，核模态颗粒在总数浓度中所占比例最大，达到高转速后，排放的大颗粒减少，10 nm左右的超细颗粒持续产生，高怠速引起排气系统持续高温，在排气稀释冷却过程中会促进挥发性颗粒的释放和超细颗粒的成核作用^[27]，总体浓度相对较高. 这种特征表明有新生粒子和成核事件的发生^[28].

图 3

Fig. 3

图 3 一汽奥迪汽车加速过程排放颗粒粒径演变Fig. 3 Audi vehicle emission particle size evolution during the acceleration process

图 4为距离汽车尾气排气管不同水平距离0.2~1 m时排放的颗粒数浓度，由于汽车尾气排放由油门控制车速，车速波动在一定范围内，且由于测量天气如温湿度不同，导致汽车尾气排放到大气中的稀释扩散效应也有所不同，从中明显可以看出尾气数浓度变化范围很大. 距离排气管较近的数浓度分布更接近排放尾气的原始特征，增加了不同距离则体现尾气在大气中的空间扩散情况. 由于汽车加速过程中会出现急剧升高的过程，可能会对背景环境造成一定影响，选取变化趋势稳定段数据进行统计. 在排气管尾部轴向距离0.4 m范围内颗粒稀释后数浓度衰减迅速，尾气管排放高温高浓度颗粒物经环境的冷却作用稀释凝并作用较明显，受大气对流、 温度梯度和物质运输等综合因素的影响^[29]，在0.4~1 m范围稀释不明显，均大于背景浓度2.4×10⁴ cm^-3. 明显可以看出，汽车尾气的排放是大气颗粒物的一个重要来源.

图 4

Fig. 4

图 4 离排气管不同水平距离排放颗粒数浓度Fig. 4 Particle number concentration at different horizontal distance from the exhaust pipe

表 3给出汽车排放尾气浓度，CO采用IAQ仪器进行测量，HC和NO采用尾气分析仪进行测量，结果显示，上海大众和一汽奥迪排放CO浓度较低，由于其发动机采用涡轮增压器后，进氧量增加，燃料燃烧更完全，汽缸压力增大，温度升高，即使有CO产生也会被氧化成CO₂，进而降低了CO的排放^[30]. 桑塔纳车型采用自然吸气燃烧不充分，同时尾气排放量跟车型的使用年限有关，桑塔纳使用年限最长，因此排放CO浓度较高. 在低转速下排放CO浓度较高，随着转速的升高，CO浓度降低，这与颗粒物数浓度排放趋势相反.

由表 3中得出空载情况下随着转速的增加，帕萨特和桑塔纳车型排放HC和NO浓度总体呈减少趋势，这与颗粒物浓度变化趋势相反，这是由于引起发动机微粒排放变化的主要原因是气态HC在微粒表面上的凝结或形成液态微粒,从而增加了微粒排放^[31]. 汽油机燃烧排放NO的主要来源是高温氮氧化物，跟温度、 氧气浓度和反应时间有关. 一汽奥迪采用缸内直喷技术在高转速情况下会使局部温度过高，使气缸内的氮气被氧化，产生过量氮氧化物，造成一定污染.

表 3(Table 3)

表 3 汽车排放尾气浓度 ×10-6Table 3 Concentration of automobile exhaust fumes×10-6 转速/r ·min-1 帕萨特 一汽奥迪 桑塔纳 CO HC NO CO HC NO CO HC NO 800 25.3 2.4 4.3 31.7 5.5 0.4 271.2 7.3 2.3 1500 9.8 1.6 1.3 18.3 6.5 1.3 194.7 14.4 0.8 2000 1.0 0 1.0 2.3 8.0 2 150.6 0 1.0 2500 1.7 0.8 0.2 0.1 8.8 56 30.3 4.0 1.0

表 3 汽车排放尾气浓度 ×10-6Table 3 Concentration of automobile exhaust fumes×10-6

(1)3种车型在怠速800 r ·min^-1时排放颗粒数浓度最低，随着空载转速的增加油耗增加，颗粒总数浓度呈增高趋势. 排放颗粒以核模态和爱根核模态为主，粒径谱主要呈双峰分布，峰值粒径集中在10 nm和50 nm附近.

(2)在排气管尾部轴向距离0.4 m范围内颗粒数浓度衰减迅速，颗粒物稀释作用较显著，在0.4~1 m范围浓度变化不明显，均大于背景浓度.

(3)汽车加速过程排放颗粒数浓度有明显的急剧升高过程，高转速汽车排放颗粒粒径较小. 在车速稳定后颗粒物浓度趋于稳定.

(4)空载情况随发动机转速增加，汽车排放尾气CO、 HC和NO浓度呈减少趋势，与颗粒物数浓度排放趋势相反. 上海大众和一汽奥迪采用涡轮增压方式明显改善CO排放污染.