不同影响因素下汽车污染排放研究进展及思考

2018-12-06吴亮

汽车实用技术 2018年9期

吴亮

（广东工贸职业技术学院实训中心，广东广州 510510）

引言

2016年，全国机动车排放污染物为4472.5万吨，汽车是主要贡献者，汽车排放的CO和HC量占比超过80%，NO x和PM超过90%[1]。影响汽车污染物排放的因素较多，行驶工况是导致汽车污染物排放的主要因素，工况法一直以来在定型车鉴定、科研测试以及生产车抽检等过程中常被用于汽车行驶排放的测定。除了工况以外，城市道路设计建设、交通信号及流量、自然地理条件，甚至风速、温度、湿度、行驶里程、燃油、海拔等都对汽车污染排放有一定的影响。我国的技术专家和科研人员围绕汽车污染排放问题从不同视角出发开展了广泛的模拟、试验和比较研究，其成果值得很好的梳理和借鉴。对于探索和构建适合我国具体道路特征的汽车污染测定方法，降低汽车排放，减轻环境污染，指导生产、科研具有重要的指导意义。

1 国内主要研究进展

1.1 不同行驶工况下汽车污染排放研究

通过行驶工况来测定汽车在不同工作状况下的污染排放是目前我国最常见也是最稳定的技术方法，目前采用这种研究方法的专家学者比较多。通过文献梳理总结得出，基本一致认为汽车在低速行驶和加速行驶工况下的污染物排放最多，主要的代表研究有：李捷辉和唐敏（2010）[2]、马冬等（2010）[3]、宋真玉等（2013）[4]、姚志良等（2011）[5]。其余还有一些研究不同行驶工况下污染排放，代表有：俞明等（2002）通过研究发现，HC、CO和NO x等主要污染物的产生是在汽车行驶3档的减速、加速和稳速等工况[6]；邱兆文等（2006）通过模拟实验发现车速为 95km/h总污染物排放因子最低[7]；黄文伟等（2012）研究发现，车辆的各种排放因子随速度的降低而增加，车速低于 10km/h时，污染物排放量急剧增加[8]；訾琨等（2012）研究发现，在行驶速度较低时，CO和HC的排放量较大而NO x的排放较小，行驶速度较高时，CO和HC的排放量较小而NO x的排放较大[9]；胡志远等（2016）研究发现我国典型城市公交在低速(0～21.8km/h)、中低速(0～37.5km/h)、中高速(0～51.7km/h)和高速(0～60.0km/h)等4类行驶工况中，低速的固态PM2.5数量排放因子最高，约是整个循环的2倍，在其余4种行驶速度中，加速产生的固态PM2.5单位时间排放量最高[10]。

1.2 不同道路条件下汽车污染排放研究

尽管汽车行驶工况也会受到道路情况的影响，但是专门从道路的角度来研究汽车污染排放主要基于自然地理特征、道路设计、交通设计等对汽车污染排放的影响。例如山区道路与平原道路、市区道路与快速主干路、国道与高速公路之间由于车流、坡度、信号灯等多种因素影响汽车行驶工况，进而污染排放也有较大差别。吴亮（2014）研究了香港九龙沙田区繁忙市区汽车行驶工况的污染排放，发现香港繁忙市区汽车的NO x和HC排放都低于欧IV标准，而CO单位距离排放略高于欧 IV标准[11]。许桢贤等（2014）对比了国道和乡村道路上汽车行驶工况的污染排放情况，结果发现在乡村道上行驶产生的CO、HC和PM排放均高于国道，乡村道上排放的粗粒子模态颗粒数量浓度和NO x排放速率高于国道[12]。吴亮（2015）研究了汽车在香港港岛典型山区道路行驶工况的污染排放情况，得出香港港岛典型山区道路汽车的NO x和HC排放都低于欧IV标准，由于山区道路坡度较大、坡路多，因而CO单位距离排放高出欧IV标准的2倍[13]。

1.3 不同时段汽车行驶污染排放研究

汽车行驶在高峰时段由于交通车流较大，汽车行驶速度会受到影响，频繁的启动、刹车、加速导致油耗升高，污染排放必然也会随之上升。陈龙飞等（2011）研究了北京市汽车高峰期和非高峰期油耗与排放，结果表明汽车在高峰期车速下降约 31%，CO排放量升高 12.4%～94.4%、HC升高50%～84%、NO x升高9.5%～30%[14]。卢云鹤等（2013）研究高峰拥堵时段汽车排放情况，认为高峰时段的拥堵会导致CO和HC排放因子分别增加25%和79%[15]。原佩琪（2015）研究发现，澳门工作日CO2排放时段分担率在早8点到晚18点之间持续偏高，与中国其他城市（如北京）不同没有较明显的早晚双高峰规律[16]。

1.4 不同燃料汽车的污染排放差异研究

根据燃料类型，目前道路上常见的汽车分为燃油车、纯电动车和混合动力车三大类型，具体可以分为汽油车、柴油车、液化石油气汽车，也包括普通混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式混合动力汽车和纯电动汽车等几种，从已有文献梳理来看分为四大类。一是以石油为原料的燃油车之间的污染排放比较。姚志良等（2011）研究了液化石油轿车和汽油轿车污染物排放情况，实测和基于IVE模型方法模拟NEDC工况下的结果均表明，测试LPG轿车与汽油轿车相比其CO2、CO和HC排放因子均较低，而NO x排放因子较高[17]。相关部门发布的报告显示，2016年，全国柴油车排放的NO x接近汽车排放总量的70%，PM超过90%；而汽油车CO和HC排放量则较高，其中CO超过汽车排放总量的80%，HC超过70%[18]。朱庆功等（2017）研究实际道路条件下汽油车和柴油车排放，得出汽油车CO和柴油车NO x排放严重超过标准限值，部分汽油车在WLTC工况的超高速段中出现了很高的CO排放，柴油车的PN排放小于标准限值[19]。二是纯电动汽车与燃油汽车污染排放比较，代表有宁艳红等（2012）对比分析了城市道路运行工况纯电动汽车和传统燃油汽车的污染物排放，结果表明纯电动汽车百公里排放物分别是 SO2为 6.936（g）、炉渣 891.86（g）、NOX为 9.9645（g），燃油汽车百公里排放物分别是CO为16.45（g）、NOX为14.36（g）和HC为1.86（g）[20]。三是纯燃油车与混合动力车的污染排放比较。强明明（2016）研究发现混合动力轿车的CO、HC和NOX平均排放因子有明显的优势，HC最为明显，是传统汽油车的2.92%，CO也只占3.70%，由于有涡轮增压的作用，NOX的排放稍高，但也只占传统汽油车的28.01%[21]。四是混合动力汽车污染排放，代表有聂彦鑫等（2013）对2012年款插电式普锐斯对混合动力汽车能量维持模式下的排放进行了测试，结果表明在市郊工况下发动机工作在高负荷点，因燃料燃烧不充分而导致CO排放偏高，而HC及NO x的排放主要发生在市区工况[22]。

1.5 行驶里程与汽车排放关系的研究

汽车行驶里程对发动机和三元催化器工作性能有直接影响，进而影响能耗和污染排放，也有一部分学者从行驶里程这个角度对汽车污染排放进行研究。黄孝慈等(2009)研究发现，当汽车正常行驶10万km以后CO排放量增幅较大，汽车正常行驶至8万km时NOx排放开始迅速提升，到13～14万km时达到最高标准限值，但车辆行驶里程与HC排放量之间关系不大[23]。张春化等（2009）研究发现，汽车行驶里程与排放污染物之间呈二次曲线关系，行驶里程超过 30×104km后，各种污染物排放量均显著增加，相对于10×104km、70×104km的CO、HC、NOx排放的平均值分别增加了23.13倍、30.94倍和18.79倍[24]。黄文伟等（2012）研究发现，高怠速条件下随行驶里程的增加CO排放值而升高，HC随行驶里程的增加升高，里程数量对NO x的排放量的影响不大[25]。

1.6 其他影响汽车污染排放因素的研究

研究表明，汽车污染排放还受到燃油品质、自然环境、地貌等条件的影响，例如温度、湿度、风速、海拔等。主要代表有：钟东阶等（2001）研究了燃油品质与汽车排放之间的关系，认为车用汽油存在的主要问题是烯烃含量高，油品中含有铅、硫以及锰、铁、铜等金属，尤其是硫含量高、十六烷值低、氧化安定性差[26]。齐鹏等（2014）研究发现，温度、湿度、风速等条件对汽车污染排放也有较大影响，温度越低PM2.5排放值越高，湿度越低PM2.5排放值越高，风速越低PM2.5排放影响越大[27]。马志成（2017）研究了海拔与污染排放之间的关系，研究发现海拔高度在0-3000m之间随着海拔高度增加，CO和 PN排放呈现出先增加后降低的趋势，在海拔2400m时达到最大值，NOx排放出现先降低后增加的趋势，在海拔2400m时达到最小值[28]。

2 目前已有研究的评论

2.1 文献研究的结论

2.1.1 涉及内容、采用方法技术逐步完善

汽车污染排放已经从之前单一和单向学科变成了一个综合性交叉学科，研究学者来自机械与自动化、环境科学、环境工程、公路交通、信息控制等多个学科。研究内容从之前的怠速、加速、减速、匀速等行驶工况，不同时段和不同道路特征排放情况，扩展到汽车载重、燃料类型、行驶里程，甚至是温度、湿度、风速、海拔等领域，进一步挖掘了汽车污染排放的影响因素。采用的测试技术方法从车载延伸到遥感测试等，该技术方法利用不同气体对不同波长的紫外线和可见光具有吸引作用，利用人工光源发射的光线透过机动车尾气，测量透过光的波长和强度并由此计算污染物的浓度，进一步转换为排放因子。

2.1.2 紧跟国际发展趋势，开辟新的研究领域

近年来，我国汽车污染排放的研究紧随国际潮流，研究方法、技术、设备等都在不断更新，尤其是在新能源汽车等领域开展了一些探索性的研究。围绕混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式混合动力汽车和纯电动汽车等新能源汽车的研究近几年呈现较快发展趋势，与当前国家治理空气污染治理要求相适应，也为节能减排提供了新的思路。

2.2 已有研究存在的不足

2.2.1 模拟研究占相当比重，研究范式过于僵化

通过文献的梳理，发现在实际道路上，采用非专用车辆在实际行驶工况下进行的研究所占比重不到一半。相当一部分成果是在实验室或者模拟的道路上按照设定的行驶速度和专用测试车辆完成的。这种模拟状况下测试得出的结论与实际情况存在一定的误差性。大多数文献采用“介绍方法技术——展示测试过程——得出研究结论”的固定研究范式，而方法选择阐释、相关结果的比较、结论的分析、原因的阐述、对策建议等内容相对较为缺乏，甚至是篇幅较大、自成体系的学位论文也缺少方法比较、原因分析、结论阐述等内容。研究内容与国家政策、行业标准之间的联系也不够紧密，具体指导实践和成果转化意义不大。

2.2.2 研究采用的方法、测试内容比较传统

机动车排放的测试方法可分为实验室测试和实际道路测试，前者包括台架测试，后者包括隧道测试、道路遥感测试和道路车载测试。目前，我国对汽车污染排放的测试主要是实验室测试和实际道路测试两种方法，实验室测试主要是台架测试，实际道路测试包括隧道测试、道路遥感测试和道路车载测试，但是遥感测试技术由于成本较高需要技术支撑较强因此使用的并不多，还有对隧道进行污染排放测试的研究也较少。采用同一种方法对同一个内容在不同城市开展的重复性测试和研究较多，没有形成一套既有权威性、又能够通用的标准和体系。各种测试方法涉及到的内容基本都围绕CO、HC、NOX等三种污染物，也有少量研究涉及到颗粒物，近两年的研究又将PM值纳入，研究内容主要是从国外借鉴得来。但是一些尚未发现的潜在对环境直接有污染的汽车尾气成分或者与空气中一些成分发生物理化学反应后对环境有间接污染的成分测试和研究还未有涉及。

3 未来研究思考

3.1 构建适合我国国情的汽车污染排放标准体系

2001年开始，我国实施第一阶段机动车排放标准，经过15年的发展，目前全国已经步入第五阶段排放标准。前五个标准，我国都是参照欧美标准，但是我国的道路设计标准、交通流量、城市管理、燃油品质等都与欧美国家存在一定的差异，因此欧美国家污染排放标准也不完全适应我国的国情。因此，我国应当以目前欧美国家机动车排放标准为基础，结合我国实际开展创新，制定既能符合我国实际又能引领世界的新标准体系。

3.2 以供给侧结构性改革为契机，加大车企的自主创新

汽车产业是我国实施供给侧结构性改革的重点领域，对标工业4.0时代的要求，在自动化、智能化基础上进一步淘汰汽车产能过剩。编制负面清单，将一些自主创新能力不强，没有核心技术的自主品牌逐步淘汰。鼓励政府资助为企业设立污染排放实验室，改革政产学研合作机制，加快掌握电动、混合燃料汽车的核心技术。加大车企污染排放社会责任，严加汽车排放标准管制，减少汽车排放对环境空气质量影响。兼并、重组等形式壮大一批车企，在高新技术开发区或高新技术产业园构建汽车产业链，通过创新来引领车企的产业转型升级。

3.3 优化城市道路设计和管理，减少汽车行驶工况污染排放

从文献梳理来看，汽车不同行驶工况对污染排放有着重要的直接影响，而行驶工况除了车辆自身因素以外，主要受到道路设计、交通管制的影响。进一步优化城市道路的设计和管理水平，通过优化坡度、弯度设计，增加桥梁、隧道、人车分流等形式，提高快速路比重和智慧城市建设等手段，及时疏导交通流量，增强汽车行驶稳定性，减少拥堵、红绿灯等待时间，进而减少因怠速、急加速和急减速带来的瞬时污染排放。

参考文献

[1] 中华人民共和国环境保护部.机动车污染已成中国空气污染的重要来源[J].摩托车技术,2017(6):27.

[2] 李捷辉,唐敏.NEDC循环工况法轻型汽车排放特性模拟计算[J].小型内燃机与摩托车,2010,39(4):49-52.

[3] 马冬,赵阳,梁宾.不同行驶工况下轻型汽车排放特性研究[J].北京汽车,2010(4):9-11+16.

[4] 宋真玉,李南,马亚乾.城市道路汽车行驶工况及排放污染物的测试和分析研究[J].交通节能与环保,2013(2):38-44.

[5] 姚志良,申现宝,张英志,等.低速汽车实际道路气态污染物排放特征[J].科技导报,2011,29(25):65-70.

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[7] 邱兆文,魏朗,王生昌.稳态工况下汽车污染物排放特性的试验研究[J].汽车技术,2006(2):28-30.

[8] 黄文伟,张欣,孙龙林,等.道路工况对汽车排放性能影响的试验研究[J].公路交通科技,2012(2):223-226+232.

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[11] 吴亮.香港市区汽车行驶工况污染物排放研究[J].交通节能与环保,2014(3):32-36.