（环境工程专业论文）柴油车尾气排放颗粒物成分谱研究.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图j 拈馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式诱份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 王羞 2 0 1 0年0 6 月0 1日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目柴油车尾气排放颗粒物成分谱研究 姓名王芳学号 0 3 2 3 6 7 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 9 日 论文类别博七口学历硕十一硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所环境科学与上程学院专业环境工程 联系电话 13 7 0 2 0 4 0 3 0 2e m a i l w a n g f a n g m a i l n a n k a i e d u c n 通信地址( 邮编) ：南开大学环境科学与工程学院 备注：是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：王羞2 0 1 0 年0 6 月 0 1 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目柴油车尾气颗粒物成分谱研究 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 41 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 中文摘要 中文摘要 柴油车尾气颗粒物对人体健康损害以及空气污染、能见度降低和全球气候 变化等都有不良影响。针对我国目前柴油车尾气颗粒物成分谱较少，采样方式 以及运行工况不全面等问题，开展了柴油车尾气颗粒物成分谱的研究。采用台 架测试( 包括发动机台架和整车台架) 方法，对型号为y c 6 j 2 0 0 3 0 的柴油发动 机和南京依维柯柴油车尾气颗粒物进行测试分析，建立了相应的柴油车尾气颗 粒物成分谱。采用车载测试方法对柴油公交车尾气颗粒物成分谱进行初步探索 性的研究。 主要研究结果如下：( 1 ) 对台架测试方法建立的柴油车尾气颗粒物成分谱 进行分析，碳含量最高，发动机台架测试结果为8 9 7 0 。发动机台架和整车台 架测试元素含量和分别为7 6 8 、1 7 8 5 ，其中c a 元素含量较高，分别为2 7 0 、 4 0 1 ；s 0 4 2 、n 0 3 。2 种离子含量和分别为2 2 2 、5 5 5 。多环芳烃以低碳为 主，菲、荧蒽含量较高。正烷烃最大碳数值分布在c 2 0 ，呈现双峰分布的趋势。 ( 2 ) 结合国内已有柴油车台架测试尾气颗粒物成分谱，与美国台架测试成分谱 数据进行比较研究，结果发现，国内研究中有机碳含量较高，美国研究中元素 碳和有机碳含量有高有低。s 0 4 2 - 离子和n 0 3 离子含量中国相比美国稍高。元素 含量和与美国九十年代水平相近，比美国较新的柴油车排放高。( 3 ) 柴油车尾 气排放颗粒物粒子数目浓度与质量浓度在粒径分布上不一致，粒子数目集中在 小粒径，而质量则较为集中在大粒径。通过对e l p i 不同粒径颗粒物碳组分的分 析，柴油车尾气颗粒物粒径在o 2 6h a l 一0 6 5u n l 的粒子有机碳相比元素碳排放高， 不同级的颗粒物碳排放不尽相同，但总的比例仍相对较高。 关键词：柴油车；颗粒物；成分谱；台架测试；车载测试 a b s t r a c t ab s t r a c t d i e s e lv e h i c l e se x h a u s te m i s s i o np a r t i c u l a t em a t t e r ( p m ) i n f l u e n c e sh u m a nb o d y s h e a l t h , a i rp o l l u t i o n , v i s i b i l i t yr e d u c t i o na n dg l o b a lc l i m a t ec h a n g i n g t h i sp a p e r m a i n l yf o c u s e so nd i e s e lv e h i c l e se x h a u s te m i s s i o np mp r o f i l e s ，f o rs o m eq u e s t i o n s i nt h ef e w e rp r o f i l e si nt h en a t i o n a lr e s e a r c h e ss u r v i v e s u c ha sn o ta 1 1 a r o u n di nt h e s a m p l i n gm e t h o d sa n do p e r a t i n gm o d e t h i sp a p e ru s e sd y n a m o m e t e rt e s tm e t h o d s i n c l u d i n ge n g i n ed y n a m o m e t e ra n dc h a s s i sd y n a m o m e t e rt oa n a l y z ep mc h e m i c a l c o m p o n e n t so fo n ed i e s e le n g i n eo ft y p ey c 6 j 2 0 0 - 3 0a n dn a n j i n gi v e c od i e s e l v e h i c l e ，a n de s t a b l i s h e sd i e s e lv e h i c l e sp mp r o f i l e s b e s i d e s ，t h i sp a p e ru s e so n b o a r d m e a s u r e m e n tm e t h o dt og oo np i l o ts t u d yf o rd i e s e lb u se x h a u s te m i s s i o np m p r o f i l e t h e r ea r et h r e ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w ：( 1 ) f o rd i e s e lv e h i c l e se x h a u s te m i s s i o np m p r o f i l e su s i n gd y n a m o m e t e rt e s tm e t h o d s ，t o t a lc a r b o ni st h ep r e d o m i n a n te l e m e n t - - t h ea m o u n ti s8 9 7 0 t h es u mo fe l e m e n t sc o n t e n tf o re n g i n ed y n a m o m e t e ra n d c h a s s i sd y n a m o m e t e rt e s ti s7 6 8 ，17 8 5 r e s p e c t i v e l y c ap e r c e n t a g ei s2 7 0 a n d 4 0 1 i nt h ep m ，r e s p e c t i v e l y t h es u mo f8 0 4 小、n 0 3 i o n sp e r c e n t a g ei s2 2 2 ， 5 5 5 a p a r t p a h sa r em a i n l yc o m p o s e do fl o w r i n g s ，o fw h i c hi n c l u d i n g p h e n a n t h r e n e ，f l u o r a n t h e n em a i n l y t h en - a l k a n e sm a x i m u mc a r b o nn u m b e ri sa tc 2 0 a n de x h i b i t sab i m o d a lc a r b o nn u m b e rd i s t r i b u t i o n ( 2 ) c o m b i n e dw i t ho t h e r d y n a m o m e t e rt e s ts t u d i e so nd i e s e lv e h i c l e se x h a u s te m i s s i o np mp r o f i l e s ，m y r e s e a r c hi sc o m p a r e dw i t i la m e r i c a nd y n a m o m e t e rt e s tp r o f i l e s t h er e s u l t se x h i b i t t h a to ci sh i g h e rt h a ne ci nt h en a t i o n a ls t u d i e s ，b u to ca n de ca r en o tt h es a m e t r e n di na m e r i c a nr e s e a r c h e s s 0 4 2 。a n dn 0 3 。c o n t e n t sa r e h i g h e ri nt h en a t i o n a l s t u d i e st h a na m e r i c a nr e s e a r c h e s e cc o n t e n ti sf e w e ri nt h ea m e r i c a nr e s e a r c h e s t h es u mo f e l e m e n t sc o n t e n ti nt h en a t i o n a ls t u d i e si sc l o s et ow h i c hi nt h ea m e r i c a n 19 9 0 sr e s e a r c h e sa n dh i g h e rt h a nt h a ti nt h ea m e r i c a n2 0 0 0 s ( 3 ) d i e s e lv e h i c l e s e x h a n s te m i s s i o np mn u m b e rc o n c e n t r a t i o ni sn o tc o n s i s t e n tw i t hm a s sc o n c e n t r a t i o n i nt h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n p a r t i c l en u m b e ri sg a t h e r e di nt h es m a l lp a r t i c l es i z e ， i i a j l dp a n l c l em a s si sa c c u m u l a t e d i nt h eb i gp a r t i c l es i z e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f p mc a r b o ni nt h ed i f f e r e n te l p i ( e l e c t r i c a ll o w p r e s s u r ei m p a c t o r ) p a r t i c l es i z e ，t h e d i e s e lv e h i c l e se x h a u s tp m p a r t i c l es i z eo cc o n t e n ti sh i g h e rt h a ne cb e t 、e e n0 2 6 啪a n d0 6 5u n l d i f f e r e n tp mc a r b o ne m i s s i o ni s n o tt h es 锄e ，b u tt h et o t a l p e r c e n t a g ei sh i g h ! e 翌。婴：。d i e s e l v e h i c l e s ，p a r t i c u l a t em a t t e r ，s o u r c ep r o f i l e ，d y n a m o m e t e rt e s t ， i i i 目录 目录 第一章引言1 第一节研究背景1 i 1 1 城市机动车的保有状况分析1 1 1 2 机动车尾气颗粒物对环境及人体健康的影响2 1 1 3 机动车尾气颗粒物成分谱的关注4 第二节国内外研究现状4 l2 1 机动车尾气颗粒物成分谱的测试采样方法4 1 2 2 尾气颗粒物成分谱研究7 第三节研究目的和意义1 2 1 3 1 研究目的和意义1 2 1 3 2 主要研究内容1 2 1 3 3 技术路线图1 3 第二章台架测试法对柴油车尾气颗粒物成分谱的研究1 5 第一节台架测试系统的设计和建立1 5 2 1 1 发动机台架测试系统1 5 2 1 2 整车台架测试系统1 6 2 1 - 3 质量控制1 6 第二节实验设计1 6 2 2 1 实验用发动机与整车1 6 2 2 2 实验工况1 8 第三节样品分析1 9 2 3 1 滤膜样品处理1 9 2 3 2 样品成分分析及数据处理2 0 第四节实验结果及分析2 5 2 4 1 实验结果2 5 2 4 2 分析与讨论2 8 i v 目录 第三章车载测试法对柴油车尾气颗粒物成分谱的初步研究3 2 第一节车载实验系统的设计和建立3 2 3 1 1 车载测试系统3 2 3 1 2 尾气颗粒物分析采样系统3 3 3 1 3 工况记录系统3 7 3 1 4 其它设备和材料3 8 3 1 5 质量保证3 8 第二节样品分析实验3 9 3 2 1 滤膜样品的处理程序3 9 3 2 2 样品成分分析3 9 第三节实验设计4 0 3 3 1 实验车辆4 0 3 3 2 实验工况4 1 3 3 3 实验场地：4 1 第四节实验结果及分析4 2 3 4 1e l p i 颗粒物多级颗粒物称重测试结果4 2 3 4 2 车载测试颗粒物成分谱测试结果4 4 3 4 3 小结4 5 第四章结论及建议4 7 4 1 结论4 7 4 2 建议4 8 4 3 创新点4 9 参考文献5 0 致谢5 3 个人简历5 4 v 第一章引言 第一章引言 第一节研究背景 1 1 1 城市机动车的保有状况分析 机动车保有量是影响城市机动车污染的重要因素。近年来，随着我国经济 的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国机动车保有量呈现较快的增长趋 势。2 0 多年来中国机动车保有量的平均增长率为8 7 ，汽车保有量从1 9 8 5 年 的3 2 1 万辆增长到2 0 0 8 年的5 1 0 0 万辆【l 】。而典型城市的机动车保有量增长更为 迅速，以北京市为例，1 9 9 0 以来的机动车保有量平均年增长率达到1 4 4 ，2 0 0 8 年底达到3 1 8 万辆【2 】，2 0 0 9 年已突破4 0 0 万辆。天津市机动车保有量从2 0 世纪 9 0 年代初的2 0 万辆发展到2 0 0 8 年底已达到1 3 4 万辆l j j 。 同其它国家相比，我国机动车分车型保有状况具有以下特剧4 j ： ( 1 ) 轻型车，特别是轿车增长速度最快，近年来平均增长速度已经超过3 0 。 但与发达国家相比，我国轿车的比例仍然相对较低，仅占总保有量的1 0 1 5 ， 这反映了我国轿车还有很大发展潜力。 ( 2 ) 柴油车比例较低，但绝大部分为重型车，重型柴油车约占重型车总量 的5 0 ，且比重还在逐年增加，而轻型柴油车比例要低很多。 ( 3 ) 重型车发展平缓，保有量比例在逐渐下降。 ( 4 ) 出租车在城市机动车中占有一定份额。调查表明，2 0 0 8 年北京市出租 车6 6 6 万辆，占机动车保有量的2 1 1 2 1 。由于这部分车辆行驶里程较大，排放 相对严重，应给予充分的重视。 影响机动车保有量变化的因素很多，涉及人口增长、经济发展、国家产业 政策等多个方面。在中国汽车工业长远发展规划中，今后十几年内汽车产量年 均增长将达到1 1 ，汽车的发展方向将倾向于轿车。根据中国目前的经济发展 状况和国家产业政策的要求，并借鉴国外机动车发展的历史，科研人员1 5 j 对2 0 1 0 年全国不同车型机动车保有量进行预测，其结果见表1 1 。 第一章引言 表1 1 的数据表明了我国的机动车总体发展趋势，并可以推断其对环境可能 产生的影响。 ( 1 ) 机动车保有量将在一定时期内将保持高速增长。 ( 2 ) 轻型车特别是轿车的比例将进一步提高。 ( 3 ) 柴油车的保有量明显增加。因此，柴油车排放的主要污染物如颗粒物、 n o x 等也会相应增加。 与机动车保有量的增长相适应，城市交通将进一步发展。机动车污染物的 排放将分布于更广的环境范围，从而使得更多的人口处于交通污染的环境中， 从而对环境和人体健康带来更多不利影响。 1 1 2 机动车尾气颗粒物对环境及人体健康的影响 城市机动车保有量迅速增加，其排放污染正成为影响空气质量的主要原因 之一。机动车排放的空气污染物包括c o 、n o x 、h c 和颗粒物等，其中颗粒物 所占比例虽然较少，但对环境和人体健康都有不利影响。柴油车尾气颗粒物作 为机动车尾气颗粒物的一部分，对环境污染和人体健康损害都有不利影响。 1 1 2 1 机动车尾气颗粒物对环境的影响 国内外研究结果表明，机动车尾气排放颗粒物已经成为环境空气颗粒物污 染的主要来源之一。美国研究人员j u d i t hc c h o w 和j o h ngw a t s o n l 6 对多个城市 的源解析结果进行分析后发现，化石燃料燃烧对p m 2 5 和p m l o 浓度贡献最大， 其中大多数一次颗粒物主要由柴油车和汽油车排放。国内多个城市的源解析研 究结果表明f 7 d 4 】，机动车尾气排放颗粒物对我国环境空气p m l o 总质量浓度贡献 了8 一1 5 。杨圣杰等【l5 j 对北京市大气细粒子p m 2 5 的来源分析发现，机动车尾 气排放是最主要的污染源，贡献为总p m 2 5 质量的3 0 3 6 2 9 。 研究表明，随着年份的增长，机动车尾气颗粒物对环境空气颗粒物的贡献 呈明显上升趋势。天津市1 9 9 5 年机动车尾气颗粒物对大气颗粒物贡献值为 6 2 9 9 m 3 ，分担率为2 ；2 0 0 2 年其贡献值为3 4 7 r t g m 3 ，分担率为1 3 1 9 , 1 6 1 。 机动车尾气排放颗粒物较大部分来自于柴油车尤其是重型柴油车。相较汽 油车，柴油车保有量低，但颗粒物排放因子高，其颗粒物排放总量高。郝吉明 2 第一章引言 等【1 7 】的研究结果发现，重型柴油车尾气排放颗粒物的排放因子是轻型汽油车的 2 0 4 0 倍，是中型和重型汽油车的5 7 倍；重型柴油车尾气排放颗粒物的排放量 占总机动车尾气颗粒物排放量的3 6 5 1 。1 9 9 9 年机动车尾气排放的p m l o 中 5 0 以上来自于重型柴油车【l 引。 机动车尾气排放颗粒物进入大气环境后，与其他污染物一起，造成了大气 能见度的降低和全球气候变化等环境问题。它通过元素碳的直接光吸收和光散 射作用对降低能见度有很大作用【1 9 捌l ，而碳黑组分对光的强吸收效应，使其在 温室效应中的贡献显著。机动车尾气排放颗粒物和其它污染物一起不仅造成了 城市局地的环境问题，还可能通过远距离传输和生成二次颗粒物，影响到其他 地区。 以上分析说明，我国大气污染类型正从传统的煤烟型污染向煤烟型、机动 车尾气型、开放源复合型污染转型2 2 。 1 1 2 2 机动车尾气颗粒物对人体健康的影响 尾气颗粒物是机动车污染中产生气味和可见脏污的主要原因，由于其粒径 很小，可以通过呼吸沉积到人的肺部，从而加重呼吸系统的疾病。美国e p a 公 布的报告表明，污染源排放的大气有毒有害物质中，柴油车排气( 指颗粒物和 气态污染物) 是其中一种【2 3 1 ，汽油车排气( 指颗粒物和气态污染物) 对人体健 康也有危害【2 4 1 。e p a 报告【2 3 】中指出，在职业和环境暴露水平下，通过人体的吸 入作用，柴油车排气是一种可能使人体得肺癌的致癌物。e p a 对2 2 项柴油车排 气对人群的暴露风险评价研究结果进行评估发现，其中1 6 项报导显示肺癌风险 明显增加，从2 0 增加到1 6 7 。柴油车排气还可能引起人体物理上的反应症状 比如发炎和过敏，还有对免疫方面的反应如哮喘。汽油车尾气颗粒物对人体会 引起生物诱变性和细胞毒素作用。报告中指出【2 引，假定p m 2 5 中占较大比例的颗 粒物是由汽油车和柴油车尾气颗粒物组成，那么大气颗粒物p m 2 5 致使人体产生 肺癌的机率和死亡率都会增加。 机动车尾气颗粒物进入大气环境后，成为大气颗粒物的一部分，对人体健 康产生不利影响。颗粒物的表面能吸附空气中的其他有毒有害污染物，通过呼 吸系统进入人体的呼吸道，如多环芳烃( p a h s ) 等致癌物都可附着在颗粒物上 面，造成各种危害。粒径越小，颗粒物的表面积越大，在相同质量下，细颗粒 物吸附的有害物质要远远高于粗颗粒物。几乎所有的研究结果均显示颗粒物吸 入会导致肺炎、气喘、肺功能下降等呼吸系统疾病、生活在大气颗粒物浓度较 第一章引言 高地区的人群，死亡率明显增加【2 m7 。 1 1 3 机动车尾气颗粒物成分谱的关注 在对大气颗粒物的污染来源解析研究中，按照技术途径的不同可分为源模 型和受体模型。采用扩散模型的一般思路是先要对污染源进行详细调查，建立 排放清单后再结合气象条件和一些特性参数，利用扩散模型计算出不同源的污 染物浓度；而受体模型通常是对源和受体上所测量的污染物的物理化学特性进 行模型分析，从而确定对受体有贡献的源类和其贡献值。两种方法各有利弊， 一般而言，扩散模型的计算简单，但所涉及参数波动范围较大，准确性不如受 体模型。 二十世纪七十年代初以来出现了多种受体模型，其中以化学质量平衡 ( c h e m i c a lm a s sb a l a n c e ，简称c m b ) 模型应用最为广泛，它是美国e p a 和我国 环保部门推荐的源解析模型。该模型是在获得各种排放源的颗粒物成分谱的基 础上，将颗粒物的环境受体成分谱分解为一组由各种源贡献的组合，通过模型 解析出各源对颗粒物的浓度贡献。 源成分谱【2 8 】是指颗粒物中各种化学组分的含量及该含量的变化范围，用于 表征各类源排放颗粒物的化学组分特征，是运用c m b 模型解析颗粒物环境浓度 极为重要的前提条件。颗粒物源成分谱除可以作为c m b 模型的基础输入数据外， 还可用于获得某些源模型中特定组分的排放清单，评估某些有毒有害污染物的 排放。 机动车尾气颗粒物成分谱表征了机动车尾气排放颗粒物的化学组成情况， 国外针对机动车尾气颗粒物源成分谱已有不少研究，建立了较为完善的成分谱 数据库，而目前国内针对应用于c m b 模型的一些机动车尾气排放颗粒物成分谱 包括柴油车尾气颗粒物成分谱的研究开展的较少，或是借用国外的源成分谱， 或是通过隧道或路边采样的方法获得机动车尾气排放的不完整信息，尚缺乏有 效的机动车排放颗粒物源成分谱。柴油车尾气颗粒物成分谱由于工况、采样方 式等问题也有待进一步研究。 第二节国内外研究现状 1 2 1 机动车尾气颗粒物成分谱的测试采样方法 机动车尾气颗粒物成分谱是通过颗粒物测试采样、化学组分分析、数据整 4 第一章引言 理等过程建立起来的。测试采样方法主要有四种：台架测试、车载测试、路边 采样、隧道采样。 1 2 1 1 台架测试 台架测试是将发动机( 或整车) 固定在发动机台架( 或底盘测功机) 上， 根据测试规程模拟实际行驶条件，对排气颗粒物进行取样和测试分析。测试规 程模拟机动车在道路上的典型运行工况，在机动车尾气颗粒物成分谱已有的研 究报导中，最常见的标准测试规程包括：美国联邦测试规程( f t p f e d e r a lt e s t p r o c e d u r e ) 和简易工况循环i m 2 4 0 、欧洲的新欧洲驾驶循环( n e d c 一- n e w e u r o p e a nd r i v i n gc y c l e ) 等。我国标准测试规程包括g b18 3 5 2 3 2 0 0 5 对最大总 质量不超过3 5 0 0 k g 的车辆迸行整车测试的十五工况法，以及g b17 6 9 1 2 0 0 5 对 发动机进行测试的稳态十三工况循环e s c ( e u r o p e a ns t e a d yc y c l e ) 以及瞬态工 况循环e t c ( e u r o p e a nt r a n s i e n tc y c l e ) 。除了上述的标准测试规程外，有的研 究采用了非标准测试循环，如王英等【2 9 】采用了已有研究成果的北京市道路行驶 工况进行轻型车排放测试采样，该行驶工况与我国标准十五工况法相比，怠速 和等速比例明显偏低，而加速和减速比例明显偏高；张鹏飞【3 0 j 在对天津市公交 车日常行驶工况调研的基础上，选择了公交车最常见的4 种发动机转速和2 种 负荷进行采样分析，选取的转速和负荷与我国标准十三工况循环中规定的转速 和负荷不相同。由于不同城市具有不同的道路特征、地理特征、交通流量分布 等，这些因素都会影响车辆的行驶速度，从而影响到车辆的能耗和排放，因此， 车辆标准测试工况有时难以反映不同城市实际行驶状况下的排放特征。如果能 掌握该城市的机动车实际行驶工况，那么依照实际行驶工况对机动车进行颗粒 物采样测试，结果更接近实际情况。标准测试规程是在对大量车辆进行实际调 研的基础上形成的，反映了机动车的总体行驶状况。 台架测试可近似模拟车辆的实际行驶状况，获得的颗粒物不受其它源影响， 可表征机动车尾气排放颗粒物的特征，是目前国内外认可的机动车尾气排放测 试实验方法。但也存在一些问题：台架测试设备昂贵且试验成本较高，使得其 应用普及程度受到限制；测试采样一般在标准规程下进行，标准规程与实际行 驶工况有一定的差异，直接采用标准规程采集尾气颗粒物，将产生一定的偏差。 1 2 1 2 车载测试 第一章引言 车载测试是一种新兴的尾气颗粒物采样测试方法，它利用车载的尾气排放 采样测试仪器得到现实路面行驶的机动车动态的颗粒物排放状况与对应的工 况，它的优点在于能够得到实际行驶条件下的颗粒物排放状况，为实际道路机 动车尾气排放颗粒物特征的分析提供可靠的数据支持。目前这种尾气颗粒物采 样测试方法还在发展当中。美国环保局【3 1 1 提出从2 0 0 7 年开始对重型车实行排放 车载测试，以保证车辆在使用过程中也能达到实验室台架测试时的排放标准。 法令中特别提到，已有的研究表明机动车在实际道路上运行时，可能出现实验 室工况法模拟中不能获得的排放，即“驾驶循环外排放( o f f - c y c l ee m i s s i o n s ) 。 目前，法规中已经确定采用便携式排放测试系统( p o r t a b l ee m i s s i o nm e a s u r e m e n t s y s t e m ，p e m s ) 进行重型车排放车载测试，包括常规气态污染物的检测方法； 但尾气颗粒物的排放车载测试方法尚未最终确定。国内外采用此方法进行的尾 气排放污染研究中，对气态污染物的报导较为多见，用于机动车尾气颗粒物化 学组分特征研究的极为少见。现有报导中仅见美国c e c e r t ( c a l i f o r n i aa t r i v e r s i d e sc o l l e g eo fe n g i n e e r i n gc e n t e rf o re n v i r o n m e n t a lr e s e a r c ha n d t e c h n o l o g y ) 的研究人员【3 2 3 3 】采用自行研制的“移动实验室( m o b i l el a b o r a t o r y ) 对重型卡车进行了p m 、o c 和e c 、n a l k a n e s 、p a h s 的4 工况c a r bh h d d t 循环排放率和成分谱特征的研究。 1 2 1 3 路边采样 路边采样通常选择在机动车排放影响最为显著的道路边进行大气环境颗粒 物的采集。由于这种采样方式是在开放式环境条件下进行，易受到其它源类( 如 地壳物质) 和背景值的干扰，因此，这种方式直接采集的颗粒物并不能完全代 表机动车尾气排放的颗粒物，一般在数据处理中需要扣除背景值和其他源的干 扰。如w a t s o n 等人【3 4 】在科罗拉多和b i gb e n d 地区用路边采样方式采集环境颗粒 物样品，用c m b 模型扣除道路尘、植物燃烧源的干扰和背景值( 如二次气溶胶 硝酸盐和硫酸盐) ，得到机动车尾气排放颗粒物成分谱。不过g i l l i e s 等人1 3 5 j 认为， 路边采样获得的结果与台架测试结果有一定差异，如台架测试m g 、a i 等1 2 种 元素含量和为总元素含量和的8 4 9 7 ，而路边采样的含量和在总元素含量和 的6 5 左右，其原因可能还是在于未能充分考虑其它源的影响。 1 2 1 4 隧道采样 6 第一章引言 隧道采样是指在车流量较大且足够长的隧道中进行颗粒物采样，由于机动 车尾气排放颗粒物是隧道内细颗粒物的最大来源，所采集的样品具有较好的代 表性，不过依然受到其他源类的干扰。f r a s e r 等人【3 6 】对休斯顿某隧道的p m 2 5 解 析结果显示，机动车排放在两个采样时段的贡献率分别为8 2 0 和9 4 4 ，显示 隧道采样代表性较好。由于这种方法并不完全表征机动车尾气颗粒物，因此， 采用此方法获得机动车尾气颗粒物成分谱进行源解析研究时，也应当扣除背景 值和其他源类的影响。l i n g y a nh e 等1 3 对珠江隧道内p m 2 5 进行分析后，认为隧 道内有机物相对于元素而言，更适用于颗粒物的源解析。 以上综述可知，台架测试和车载测试这两种采样方法可以表征机动车尾气 排放颗粒物的性质，而路边采样和隧道采样这两种方式都受到其他源的干扰， 不能完全表征机动车排放，若采用这两种方法需要扣除其他源的影响。 1 2 2 尾气颗粒物成分谱研究 1 2 2 1 尾气颗粒物成分谱的化学成分组成 机动车尾气排放的颗粒物一般由高度凝聚的固态含碳物质、灰分、硫化物、 挥发性有机物( v o c ) 等组成。其中固态炭在局部富燃区域中产生，大部分被 氧化成气态c o 或者c 0 2 ，剩余没有被氧化的残渣以颗粒物的形式随尾气排出。 燃料、润滑油和发动机缸内壁磨损的金属成分则成为颗粒物中一小部分无机灰 份。燃料中的硫在燃烧过程中，大部分硫被氧化为s 0 2 ，有一小部分硫被氧化成 s 0 3 ，进而转化为硫酸和硫酸盐。挥发的燃料和润滑油在尾气颗粒物所占比例也 很大，通常称为可溶性有机部分( s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ，s o f ) ，主要包括一 些多环芳烃，正烷烃等。图1 1 给出了用美国重型车瞬时测试法测得的一台普通 柴油机排放颗粒物的典型组成【3 引。 7 第一章引言 l 打嚏冀粕lf u 7 1 4 a s h 鑫伽o 懈 1 3 图1 1瞬态循环中重型柴油机的典型化学组成 机动车尾气排放颗粒物由上述固态含碳物质、灰分等部分组成，在颗粒物 成分谱中，表征机动车尾气颗粒物的化学组分通常包括： ( 1 ) 碳组分可分为t c 、o c 和e c ，更进一步可细分为o c l 、o c 2 、o c 3 、 o c 4 、o p 、e c l 、e c 2 、e c 3 ： ( 2 ) 元素如n a 、m g 、a l 、s i 、s 、c a 、f e 、c r 、c u 、z n 、a s 、p b 等； ( 3 ) 离子如s 0 4 厶、n 0 3 。、n h 4 十等。 除以上三类化学组分外，机动车尾气排放颗粒物上载带的有机化合物种类 繁多，目前已分析识别出的有机物包括多环芳烃、烷烃、脂肪酸等，但这些已 经识别出来的有机物占有机物总量的份额不足2 0 0 3 9 , 4 0 j 。颗粒物上载带的有机 物有助于区分机动车源与其它排放源，如藿烷和茁烷是一类存在于原油和煤中 的化石燃料标识物，其化学性质很稳定。不同车辆的藿烷和苗烷系列的百分含 量相似，但与其他源的燃烧排放存在巨大差异。在s c h a u e r 等人的源解析研究中， 采用了藿烷、茁烷作为机动车颗粒物排放源的标识物【4 l ，4 2 。 有机物不仅有助于区分机动车尾气排放和其他源类，而且有助于区分汽油 车和柴油车颗粒物排放，这两类机动车排放颗粒物载带的有机物性质并不完全 相同。f r a s e r 等人的研究中采用有机物和其它无机元素作为参与源解析的化学组 分，以区分汽油车和柴油车对环境颗粒物的贡献i 刈。 机动车尾气排放颗粒物上载带的有机化合物的研究，以美国f r a s e d j 和 s c h a u e r 4 0 】等人为代表，与其他研究相比，涉及到的有机物种类最多，数量也最 大。前者采用隧道采样方式对加州v a n n u y s 隧道中的有机物进行了分析，后者 采用实验室台架试验方法对中型柴油车排放有机物进行了分析，共计约9 类有 8 第一章引言 机物，分别为多环芳烃、取代多环芳烃、正烷烃、直链烷烃、饱和环烷烃、藿 烷、茁烷、芳香酸、其他酸如脂肪酸等。国内已有研究中北京大学【3 7 , 4 3 j 、中国环 科院枷、天津市内燃所【4 5 l 、南开大学【3 0 l 等对机动车排放颗粒物上有机物进行了 分析。北京大学l i n g y a nh e 3 7 , 4 3 1 等人对梧桐山隧道和珠江隧道内p m 2 5 的化学组 分特征进行了研究，分析的有机组分包括多环芳烃、烷烃、藿烷和脂肪酸4 类， 天津市内燃所张延峰【4 5 等人虽然分析了芳烃等不同类别有机物的含量份额，但 并未对具体有机物进行分析。国内其他研究人员仅对某一类组分进行了研究， 关注最多的属p a h s 。与国外研究相比，国内在机动车排放颗粒物有机物研究方 面，除p a h s 研究较多外，其它有机物种类涉及的少，可用于表征机动车尾气排 放的有机物更少。 1 2 2 2 尾气排放颗粒物成分谱影响因素研究 国内外研究表明，多种因素对机动车尾气排放的颗粒物成分谱有影响。 ( 1 ) 燃料。目前用作机动车动力的燃料有汽油、柴油、混合燃料以及其它 清洁燃料等，但目前应用广泛且尾气排放颗粒物较多的是汽油、柴油以及混合 燃料。 ( 2 ) 燃油品质。燃油品质可由多个参数表征，如燃料中的s 含量、十六烷 值、痕量化学组分的含量等。目前已有的文献报导中，燃料中s 含量对柴油机 排放p m 和p a h s 的影响尚存在争议。v a a r a s l a t i 等人 4 6 1 认为柴油中的s 含量水 平显著影响h 2 s 0 4 、p m 和p a h s 的形成，s 含量越高，h 2 s 0 4 、p m 和p a h s 排 放越高。l i m 等人【4 7 】认为降低燃料中的s 含量则降低了p a h s 排放。b a g l e y 等 人【4 8 】认为燃料中更低的s 含量对p m 的控制有限。w a l la n dh o e k m a n 等人【4 9 】认 为燃料中更低的s 含量对p a h s 的控制有限。燃料中的s 含量除对p m 和p a h s 有影响外，对元素排放也有一定影响，l i m 等人 s 0 1 认为柴油中s 含量增加，c a 、 f e 等元素的排放也会相应增加。 ( 3 ) 行驶工况。机动车不同行驶工况对尾气颗粒物化学组分的影响是研究 人员关注的热点。g i l l i e s 等人【3 5 】对d e n v o r 配备催化氧化剂的车辆进行f t p 测 功机的测试结果发现，冷瞬态循环和冷稳态循环的o c t c 值差异明显，分别为 o 3 9 和0 8 1 ，说明o c 在瞬态工况下排放较少，而在稳态工况下排放较多。s h a h 等人【3 2 】采用c a r bh h d d t4 工况循环，对重型柴油卡车进行了实际道路运行测 试，不同工况下o c p m 、e c p m 值差别明显，见表1 2 ，说明o c 在低速下排 9 第一章引言 放较多，而e c 在高速下排放较多。对不同工况p a h s 和n a l k a n e s 成分谱的方 差分析结果表明3 3 1 ，不同工况下这两类有机物的成分谱在9 9 的置信区间内没 有显著性差异，说明不同工况下p a h s 和n a l k a n e s 成分谱保持稳定。 表1 2 不同t 况下o c 、e c 在p m 中的含量 ( 4 ) 碳分析方法。s c h a u e r t 5 1 j 认为，目前两种常用碳分析方法i m p r o v e 和 n i o s h ，两者t c 测量值显示出极好的一致性，但是i m p r o v e 方法e c 测量值 高于n i o s h 方法，对1 0 个机动车排气颗粒物样品进行两种方法的分析结果， e c ( i m p r o v e ) e c ( n i o s h ) = 1 3 - - 3 3 。 除了以上分析的四种因素外，还有其他如发动机类型、车龄等对机动车排 放颗粒物化学组分也有影响。s h a h 等人1 3 3 j 对不同车龄的代表不同发动机类型 h h d d t 排放p a h s 和n a l k a n e s 成分谱差异明显，比工况的影响更为显著。 1 2 2 3 国内外尾气颗粒物成分谱研究进展 ( 1 ) 国外尾气颗粒物成分谱研究 美国在机动