使用微型光声传感器集成到智能排放测量系统中的摩托车黑碳排放道路测量

《Atmospheric Environment》：On-road measurement of motorcycle Black Carbon emissions using a miniaturized optoacoustic sensor integrated into a Smart Emission Measurement System

　　

减少黑碳（BC）排放可以立即带来减缓气候变化的效益并改善空气质量。尽管交通运输部门在降低烟尘排放方面取得了显著进展，但摩托车的监管仍相对不足，尽管其相对于尺寸的排放贡献不成比例地高，部分原因是缺乏合适的测量仪器。本研究展示了一种新型光声（optA）BC传感器在摩托车上的应用，该传感器能够以高时间分辨率捕捉瞬态尾气排放。该光声传感器集成到一个智能排放测量系统（SEMS）中，该系统还测量CO₂、CO和NO。该系统在底盘测功机上与商业仪器进行了验证，并在真实驾驶循环（RDC）中显示所有污染物均具有强相关性（R² ≥ 0.75）。其紧凑的设计使其能够安装在L类车辆上进行道路测试。研究人员首次展示了摩托车在真实驾驶条件下黑碳的真实驾驶排放（RDE）结果。分析了瞬态运行工况的排放模式，强调了快速响应和宽动态范围在BC测量中的重要性。最后，研究人员得出了测试的Euro 5摩托车的指示性道路排放因子。本案例研究建立了一个测量框架，有助于改进排放清单，并强调需要更广泛的车队特征描述。

**论文解读：摩托车黑碳排放的道路测量研究——基于微型光声传感器的智能排放测量系统**

**研究背景与问题**

黑碳（BC）作为大气细颗粒物的重要组成部分，对气候变暖和人体健康具有显著影响。交通运输领域虽在减少烟尘排放方面取得进展，但摩托车因其单位体积排放量大、监管力度不足，成为城市空气污染的重要来源，尤其在瞬态驾驶条件下（如加速、减速）表现突出。传统实验室底盘测功机测试虽能保证重复性，但难以捕捉真实世界驾驶中的动态排放特征。商用便携式排放测量系统（PEMS）虽精确，但体积庞大、质量重、成本高，无法适配L类车辆（摩托车、轻便摩托车等）有限的空间和载荷。因此，开发适用于摩托车道路排放测量的微型化、高时间分辨率仪器成为迫切需求。该研究旨在通过集成新型光声（optA）BC传感器与低成本气体传感器，构建一套智能排放测量系统（SEMS），实现摩托车在真实世界驾驶条件下BC及气态污染物的首次同步测量。

**研究与意义**

研究人员将SEMS系统应用于Euro 5摩托车，在实验室和道路上进行了验证与测试，揭示了BC排放的瞬态特性与冷启动效应，并首次给出了道路排放因子。该研究发表在《Atmospheric Environment》。重要意义在于：1）突破了摩托车BC道路测量的仪器瓶颈，为改进排放清单提供直接数据；2）验证了微型光声传感器在瞬态排放测量中的可靠性；3）强调了真实世界驾驶动力学对BC排放的支配性影响，为未来法规制定和区域污染防控提供了科学依据。

**主要关键技术方法**

1. **光声传感器与SEMS系统**：采用基于光声原理的微型BC传感器，通过调制激光激发颗粒物产生声波，由石英音叉（QTF）检测；集成NDIR传感器（测量CO₂）和电化学传感器（测量CO、NO）；采样系统配备加热管线（70°C）和稀释单元（稀释比10:1），使用质量流量控制器（MFC）稳定气流。
2. **实验室验证**：在底盘测功机上运行自设计的真实驾驶循环（RDC），将SEMS与参考仪器（PEMS用于气体，AVL MSS用于BC）对比，通过线性回归评估相关系数。
3. **道路实验**：在希腊塞萨洛尼基设计包含城市、乡村和高速公路段的RDE路线，测试4辆Euro 5摩托车（发动机排量49–278 cc，行驶里程3780–33500 km）。使用OBD数据和公式法（基于进气歧管压力和容积效率）计算排气流量，推导距离排放因子（EF）。
4. **校准与数据处理**：使用AVL气溶胶颗粒发生器（APG）产生的稳定BC气溶胶（miniCAST燃烧器）进行传感器转换因子标定；以5分钟为冷启动判据；采用微行程法量化测试内变异性。

**研究结果**

**3.1 实验室验证**
通过底盘测功机上的RDC测试，SEMS与参考仪器在CO₂、CO、NO上均显示出强线性关系（R² > 0.9），BC传感器与AVL MSS的相关系数R² = 0.75。BC排放表现为短时、强烈的峰值事件叠加在低基线浓度上，瞬态响应的快速性（<1秒）使两者能同步捕捉。CO和NO传感器因较长响应时间（t₉₀约10–20秒）在快速瞬态中仅能定性追踪，产生滞后环。验证确认SEMS可适用于研究和筛选目的。

**3.2 瞬态工况下的BC排放**
通过速度与加速度的三维映射分析，发现BC峰值事件主要发生在正加速度（加速启动或变速）期间，且集中在低速加速段，部分也在减速段出现。高速公路减速后的发动机反拖状态下也观测到BC粒子，与颗粒数（PN）传感器同步检测，推测为润滑油残余燃烧产物。瞬态燃油加浓（λ < 1）导致局部缺氧促进碳核生成，以及高负荷下润滑油燃烧加剧是两类可能的机理。BC峰值事件的频率和幅度显著受驾驶行为与交通条件影响。

**3.3 RDE测量**
完整的RDE测试显示冷启动主导BC排放，并显著贡献CO和NO。乡村和高速公路段因高负荷出现富燃工况，BC峰值更密集；正海拔区间（上坡）加剧BC、CO和NO排放。10%的最高排放1秒间隔贡献了73.5–90.1%的总BC质量，而其余90%间隔仅贡献9.9–26.5%，表明BC排放由少数高强事件控制。这意味着在拥堵城市环境中，行人、骑行者将承受不成比例的高暴露风险，基于平均排放因子的清单会低估实际暴露水平。

**3.4 冷启动效应**
冷启动阶段（前5分钟或冷却液温度低于70°C）的BC排放贡献占总循环的20–60%。由于测试在4–9月（环境温度18–28°C）进行，结果代表温暖地中海条件，冬季冷启动贡献预计显著增大。热稳定工况排放因子（0.028–0.12 mg/km）与冷启动过量排放（0.45–2.06 mg/行程）的分离，证实冷启动是BC质量预算的关键组成部分。

**3.5 排放因子**
首次给出L类车辆道路BC排放因子：四辆Euro 5摩托车为0.05–0.20 mg/km，落在现行EMEP/EEA清单范围（0.04–0.33 mg/km）内，但低于早期技术（Euro 1、2）的实验室值（0.35–1.6 mg/km）。气态污染物CO和NO的排放因子分别为0.5–3.5 g/km和0.03–0.19 g/km，与全球其他真实世界研究（印度、伊朗等）相比处于较低端，反映了测试车辆低里程、最新技术的特征。测试内变异系数（21–68%）反映了BC排放在微行程间的瞬态波动。该结果直接改进了气候强迫评估中L类车辆BC排放因子不充分的现状。

**讨论与结论**

讨论部分指出：由于仅进行单次RDE测试，无法评估重复性，但微行程法量化了测试内变异性。光声BC测量依赖固定质量吸收截面（MAC）转换因子，真实世界颗粒形态变化会引入不确定性。当前数据集仅代表最佳情景（Euro 5、四冲程、低里程、温暖季节），未来需扩大样本（含老技术、高里程、维护不良车辆）及不同气候与交通条件。

**结论翻译**：本研究首次展示了使用紧凑型光声传感器集成到SEMS中进行摩托车黑碳（BC）的道路测量。系统将BC检测与气态污染物测量结合为轻量、坚固的配置，适用于L类车辆，克服了长期限制摩托车BC真实世界评估的仪器障碍。实验室底盘测功机验证确认了便携式系统与先进仪器之间的强一致性，气体污染物R² > 0.9，BC也具良好相关性。道路RDE测试显示BC排放主要为与瞬态操作相关的短时、强烈峰值事件，冷启动贡献20–60%。测试Euro 5摩托车的BC排放因子为0.05–0.20 mg/km，为首次道路实测值。结果表明摩托车仍是城市BC排放的相关贡献者，尤其在高拥堵或瞬态工况下。SEMS平台为筛选高排放车辆、改进BC和颗粒物排放清单提供了实用工具。进一步扩大样本测量是实现车队代表性排放因子、改善清单并指导针对性减排策略的必要下一步。