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機動車尾氣顆粒數量（PN）分析儀的法規技術要求與全系列產品解決方案
1. 機動車尾氣PN分析儀的法規技術要求
與粗顆粒（PM10）和細顆粒（PM2.5）相比，超細顆粒（PM0.1；動力學粒徑<0.1μm）在肺部的沉積分數更高、穿透程度更深、滯留率更高，因此越來越受到公共衛生界的關注。機動車發動機尾氣已被確認為環境超細顆粒排放的主要來源。機動車發動機尾氣排放中超細顆粒的質量占比太小，顆粒質量濃度難以體現超細顆粒排放水平，因而數量濃度是更好的量化指標（如圖1所示）。
圖1 柴油發動機尾氣排放中顆粒數量濃度（藍色）和顆粒質量濃度（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年將顆粒計數法納入到了新生產機動車排放法規體系（Euro 5b輕型車排放標準）。隨后，顆粒計數法在歐盟新生產機動車排放法規體系中得到了全面和深入的發展，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 日發布的Euro 7標準中還將PN計數的粒徑范圍從＞23nm升級為＞10nm。為了同步管控機動車在用周期內的超細顆粒排放，歐盟委員會2023年3月20日發布了《裝備壓燃式發動機的車輛定期技術檢驗中顆粒數量測量的建議》，用于協調整個歐盟范圍內有關在用柴油車尾氣排放顆粒數量檢測的相關要求。
標準類別 | 試驗方法 | PN計數分析儀類型 | 機動車類別 | 標準名稱（PN排放限值） | |
歐盟 | 中國 | ||||
新生產機動車排放標準 | 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） | |||
在用機動車排放標準 | 怠速工況 | PTI-PN | 柴油車 | EU 2023/688（2.5*105#/cm3） | 暫無 |
備注：Euro 7標準中PN計數的粒徑范圍為＞10nm，其它標準中PN計數的粒徑范圍為＞23nm | |||||
表1 歐盟和中國現行機動車尾氣排放標準的分類及PN限值
表1提供了歐盟現行機動車尾氣排放標準的分類及PN限值，在新生產機動車排放標準的臺架典型工況和實際道路行駛以及在用機動車排放標準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。根據標準中的技術要求，三種類型PN分析儀的系統結構是相似的（圖2），主要由采樣裝置、預處理單元和顆粒計數器串聯組成；主要技術指標項目也具有相似性，對揮發性顆粒物去除效率、計數效率和線性度均有相應要求（表2）?；趹眯枨蟮牟町悾O備小型化等級順序為PTI-PN＞PEMS-PN＞PMP-PN，設備精度等級順序為PMP-PN＞PEMS-PN＞PTI-PN。
圖2 PMP-PN、PEMS-PN和PTI-PN分析儀的系統結構（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：≥10 工作溫度：150~400°C | - | - |
揮發性顆粒物去除裝置 | 蒸發管+催化汽提塔 | - | - |
二級稀釋 | 稀釋系數：10~15 | - | - |
預處理系統的粒子濃度衰減系數（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的校準誤差：≤±10% | - | - |
揮發性顆粒物去除效率 | >0.999 | >0.99 | >0.95 |
測量原理 | 全流型凝結核粒子計數器法 | - | - |
計數效率 | 檢查對象為顆粒計數器 10nm：0.65±0.15 15nm：>0.90 | 檢查對象為整體系統 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 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器 斜率：0.90~1.10 判定系數：> 0.97 線性誤差：≤±5% | 檢查對象為整體系統 截距：≤5%最大值 斜率：0.85~1.15 標準誤：≤10%最大值 判定系數：≥0.95 線性誤差：≤±15% | 檢查對象為整體系統 線性誤差：≤±25%或25000#/cm3 |
2.
表2 PMP-PN、PEMS-PN和PTI-PN分析儀的主要技術要求
2.機動車尾氣PN分析儀的國內市場需求與痛點
我國是全球機動車產銷第一大國，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，顆粒計數法已經被全面引入到我國的新生產機動車排放法規體系（表1）。此外，將顆粒計數法引入到我國在用機動車排放法規體系也亟需盡快推行。
在排放標準指引下，我國眾多機動車制造企業以及環保檢測機構都需要使用與符合排放標準技術要求的排放測試設備來開展排放檢測試驗。由于在機動車排放法規體系中顆粒計數法正處于快速發展階段，當前對機動車尾氣PN分析儀的市場需求量較大且呈現上升趨勢。然而，機動車尾氣PN分析儀為精密儀器，研制難度較大，國內研發較為滯后，國內市場正在被進口品牌產品全面占據。進口品牌PN分析儀是無法滿足國內廣大用戶應用需求的，主要體現在：1）PN分析儀作為機動車排放測試中的關鍵精密儀器，急需突破全面依賴進口的“卡脖子"難題；2）進口設備采購及使用成本較高，大多數國內用戶難以承擔；3）PN分析儀的校準程序十分復雜，往往需要返回原廠進行維護維修及定期校準，進口設備返廠需要耗費較長時間，從而會嚴重降低設備有效利用率。因此，加強國內研發投入，盡快開發出符合法規技術要求的國產PN分析儀是解決當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機動車尾氣排放檢測核心傳感技術及系統裝備，成功推出了一系列的排放檢測設備系統解決方案，廣泛應用于在用車及新生產車法規排放測試，主要用戶包括科研機構、環保檢測機構及輕型車、重型車、非道路移動機械、摩托車和發動機制造企業等。
為了響應機動車排放標準中的顆粒計數測量需求，四方儀器依托氣體傳感技術研發平臺基礎優勢，專項重點投入研發資源，成功自主研制了凝結核粒子計數器法（CPC）和擴散荷電法（DC）顆粒計數傳感器模組，并在此基礎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分析儀與相關設備配套形成了分別應對新生產機動車排放標準臺架典型工況和實際道路行駛及在用機動車排放標準怠速工況三種試驗方法的三套專用系統解決方案：
（1）PMP-PN分析儀（產品名稱為顆粒數量分析系統）與發動機排放測試系統、激光光譜排放分析系統和全流稀釋定容采樣系統等組合形成新一代實驗室排放測試系統解決方案，適用標準包括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主機系統組合形成新一代實際道路行駛排放測試解決方案，適用標準包括Euro 7、國6/VI以及未來國七等。
（3）PTI-PN分析儀（產品名稱為便攜式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檢查解決方案，適用標準包括EU 2023/688及未來的中國PTI-PN標準。
