【摘要】：隨著國民經濟的飛速發展和人民生活水平的不斷提高,我國的機動車保有量已超過3.25億輛并持續增長,以機動車為代表的移動源對環境污染的貢獻日益凸顯,其中機動車排放顆粒物已成為PM2.5的重要來源之一。由于機動車排放顆粒物體積小、重量輕,僅監測顆粒物的質量濃度不足以反映其污染特征,因此我國機動車最新的排放標準還對數濃度的限值作了明確要求。本文開展了基于擴散荷電法的機動車排放顆粒物數濃度測量系統電子學設計與實驗研究,完成了微電流測量模塊和靜態法拉第杯氣溶膠靜電計的研制與性能評估測試,實現了集擴散荷電、帶電量測量及總體數濃度反演于一體的機動車排放顆粒物數濃度測量系統的集成,并開展了反演算法研究以及臺架比對測試實驗。主要成果如下:(1)基于微電流測量原理,設計了一種高精度寬動態范圍且無量程切換的fA級微弱電流測量模塊。采用阻抗法搭建1-V轉換電路,結合電平轉換與高精度AD轉換電路實現了fA級微電流的測量,并建立了對應的測量模型與溫度效應模型。通過對模型和噪聲影響因素的分析,給出了電路中關鍵器件的選取規則和電路板設計與處理方法。為了研究溫度、器件等因素對微電流測量電路性能的影響,搭建了三種不同量程不同靈敏度的微電流測量電路并分別進行了線性校準、零點漂移測試和噪聲測試;測試結果表明,線性度分別優于0.25%、0.85%、1.20%;零點漂移的峰峰值分別約為340 fA、45 fA、20 fA;噪聲的均方根值分別為3.31 fA、1.01 fA和0.31 fA;動態范圍分別為115.6 dB、105.9 dB和96.2 dB。(2)基于靜態法拉第杯原理,設計了一種高探測效率的靜態法拉第杯氣溶膠靜電計,建立了帶電量測量模型,分析了溫度和器件關鍵參數對測量誤差的影響。最后,對該模塊進行了流量校準、流量穩定性、零點漂移、探測效率以及比對測試。測試結果表明,當流量設置為2L/min時,采樣流量誤差小于±0.004L/min;零點漂移電流峰峰值為510 fA;顆粒物探測效率(粒徑5nm)優于96.6%;與TSI-3068B進行I小時以上的比對,統計相關性優于0.99,且在均方根噪聲(1 fA)相同時量程范圍是TSI-3068B的40倍。(3)設計了差分式測量方案,完成基于擴散荷電法的機動車排放顆粒物數濃度測量系統的研制,建立了數濃度反演算法,探索了勢阱電壓與采樣流量對數濃度反演的影響,基于實驗開展了算法驗證和測量系統標定工作,初步完成了整車臺架/PEMS(Portable Emission Measurement System)比對測試實驗。結果表明:在重型柴油車和輕型汽油車臺架實驗中,自研設備與HORBIA的MEXA-2000SPCS的統計相關性分別優于89.3%和73.7%;在輕型汽油車PEMS實驗中,自研設備與HORBIA的OBS-ONE和AVL的AVL M.O.V.E的統計相關性分別優于93.6%和90.1%。
【圖文】：

１．２機動車排放顆粒物特征與ＰＭＰ計劃逡逑機動車排放的顆粒物中，除了燃料燃燒產生的固體顆粒物外，還存在許多的逡逑半揮發性以及揮發性物質。這類物質隨著尾氣排出后溫度與壓力等的變化，凝結逡逑增長為固態或液態顆粒物。研究表明［＆１，不論是排放的固體顆粒物還是由半揮發逡逑性以及揮發性物質凝結增長形成的顆粒物，，大部分為超細顆粒物（粒徑＜１００ｎｍ）。逡逑超細顆粒物具有較大的比表面積，它們可吸附更多其他有毒污染物，沉積在呼吸逡逑系統的更深處，需要的清除時間更長，轉運到其他器官的概率也更高，具有很高逡逑的生物有效性和毒性因此對人體的危害性比大顆粒物更為嚴重。逡逑２逡逑

為了促進機動車生產商對技術的革新以降低顆粒物排放，歐洲和美國都制相關的機動車排放標準。我國的機動車排放法規起步較晚，于１９８３年頒布一批機動車尾氣污染控制排放標準［１＾。目前，我國的機動車排放標準主要歐洲標準體系。鑒于機動車排放顆粒物粒徑小、質量輕，占總體質量濃度比，但占數濃度的比重較大，僅僅測量機動車排放顆粒物的質量濃度己經不足映其對環境污染的影響程度，聯合國歐洲經濟委員會（ＵＮ－ＥＣＥ）的污染與工作組（ＧＲＰＥ）制訂了邋ＰＭＰＣＴｈｅ邋Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋Ｐｒｏｇｒａｍｍｅ）計劃ｍｕ】
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X831

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本文編號：2605943