不同影響因素下汽車污染排放研究進展及思考

吳 亮

（廣東工貿職業(yè)技術學院 實訓中心，廣東 廣州 510510）

引言

2016年，全國機動車排放污染物為4472.5萬噸，汽車是主要貢獻者，汽車排放的CO和HC量占比超過80%，NO x和PM超過90%[1]。影響汽車污染物排放的因素較多，行駛工況是導致汽車污染物排放的主要因素，工況法一直以來在定型車鑒定、科研測試以及生產車抽檢等過程中常被用于汽車行駛排放的測定。除了工況以外，城市道路設計建設、交通信號及流量、自然地理條件，甚至風速、溫度、濕度、行駛里程、燃油、海拔等都對汽車污染排放有一定的影響。我國的技術專家和科研人員圍繞汽車污染排放問題從不同視角出發(fā)開展了廣泛的模擬、試驗和比較研究，其成果值得很好的梳理和借鑒。對于探索和構建適合我國具體道路特征的汽車污染測定方法，降低汽車排放，減輕環(huán)境污染，指導生產、科研具有重要的指導意義。

1 國內主要研究進展

1.1 不同行駛工況下汽車污染排放研究

通過行駛工況來測定汽車在不同工作狀況下的污染排放是目前我國最常見也是最穩(wěn)定的技術方法，目前采用這種研究方法的專家學者比較多。通過文獻梳理總結得出，基本一致認為汽車在低速行駛和加速行駛工況下的污染物排放最多，主要的代表研究有：李捷輝和唐敏（2010）[2]、馬冬等（2010）[3]、宋真玉等（2013）[4]、姚志良等（2011）[5]。其余還有一些研究不同行駛工況下污染排放，代表有：俞明等（2002）通過研究發(fā)現(xiàn)，HC、CO和NO x等主要污染物的產生是在汽車行駛3檔的減速、加速和穩(wěn)速等工況[6]；邱兆文等（2006）通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)車速為 95km/h總污染物排放因子最低[7]；黃文偉等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，車輛的各種排放因子隨速度的降低而增加，車速低于 10km/h時，污染物排放量急劇增加[8]；訾琨等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，在行駛速度較低時，CO和HC的排放量較大而NO x的排放較小，行駛速度較高時，CO和HC的排放量較小而NO x的排放較大[9]；胡志遠等（2016）研究發(fā)現(xiàn)我國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類行駛工況中，低速的固態(tài)PM2.5數(shù)量排放因子最高，約是整個循環(huán)的2倍，在其余4種行駛速度中，加速產生的固態(tài)PM2.5單位時間排放量最高[10]。

1.2 不同道路條件下汽車污染排放研究

盡管汽車行駛工況也會受到道路情況的影響，但是專門從道路的角度來研究汽車污染排放主要基于自然地理特征、道路設計、交通設計等對汽車污染排放的影響。例如山區(qū)道路與平原道路、市區(qū)道路與快速主干路、國道與高速公路之間由于車流、坡度、信號燈等多種因素影響汽車行駛工況，進而污染排放也有較大差別。吳亮（2014）研究了香港九龍沙田區(qū)繁忙市區(qū)汽車行駛工況的污染排放，發(fā)現(xiàn)香港繁忙市區(qū)汽車的NO x和HC排放都低于歐IV標準，而CO單位距離排放略高于歐 IV標準[11]。許楨賢等（2014）對比了國道和鄉(xiāng)村道路上汽車行駛工況的污染排放情況，結果發(fā)現(xiàn)在鄉(xiāng)村道上行駛產生的CO、HC和PM排放均高于國道，鄉(xiāng)村道上排放的粗粒子模態(tài)顆粒數(shù)量濃度和NO x排放速率高于國道[12]。吳亮（2015）研究了汽車在香港港島典型山區(qū)道路行駛工況的污染排放情況，得出香港港島典型山區(qū)道路汽車的NO x和HC排放都低于歐IV標準，由于山區(qū)道路坡度較大、坡路多，因而CO單位距離排放高出歐IV標準的2倍[13]。

1.3 不同時段汽車行駛污染排放研究

汽車行駛在高峰時段由于交通車流較大，汽車行駛速度會受到影響，頻繁的啟動、剎車、加速導致油耗升高，污染排放必然也會隨之上升。陳龍飛等（2011）研究了北京市汽車高峰期和非高峰期油耗與排放，結果表明汽車在高峰期車速下降約 31%，CO排放量升高 12.4%～94.4%、HC升高50%～84%、NO x升高9.5%～30%[14]。盧云鶴等（2013）研究高峰擁堵時段汽車排放情況，認為高峰時段的擁堵會導致CO和HC排放因子分別增加25%和79%[15]。原佩琪（2015）研究發(fā)現(xiàn)，澳門工作日CO2排放時段分擔率在早8點到晚18點之間持續(xù)偏高，與中國其他城市（如北京）不同沒有較明顯的早晚雙高峰規(guī)律[16]。

1.4 不同燃料汽車的污染排放差異研究

根據(jù)燃料類型，目前道路上常見的汽車分為燃油車、純電動車和混合動力車三大類型，具體可以分為汽油車、柴油車、液化石油氣汽車，也包括普通混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式混合動力汽車和純電動汽車等幾種，從已有文獻梳理來看分為四大類。一是以石油為原料的燃油車之間的污染排放比較。姚志良等（2011）研究了液化石油轎車和汽油轎車污染物排放情況，實測和基于IVE模型方法模擬NEDC工況下的結果均表明，測試LPG轎車與汽油轎車相比其CO2、CO和HC排放因子均較低，而NO x排放因子較高[17]。相關部門發(fā)布的報告顯示，2016年，全國柴油車排放的NO x接近汽車排放總量的70%，PM超過90%；而汽油車CO和HC排放量則較高，其中CO超過汽車排放總量的80%，HC超過70%[18]。朱慶功等（2017）研究實際道路條件下汽油車和柴油車排放，得出汽油車CO和柴油車NO x排放嚴重超過標準限值，部分汽油車在WLTC工況的超高速段中出現(xiàn)了很高的CO排放，柴油車的PN排放小于標準限值[19]。二是純電動汽車與燃油汽車污染排放比較，代表有寧艷紅等（2012）對比分析了城市道路運行工況純電動汽車和傳統(tǒng)燃油汽車的污染物排放，結果表明純電動汽車百公里排放物分別是 SO2為 6.936（g）、爐渣 891.86（g）、NOX為 9.9645（g），燃油汽車百公里排放物分別是CO為16.45（g）、NOX為14.36（g）和HC為1.86（g）[20]。三是純燃油車與混合動力車的污染排放比較。強明明（2016）研究發(fā)現(xiàn)混合動力轎車的CO、HC和NOX平均排放因子有明顯的優(yōu)勢，HC最為明顯，是傳統(tǒng)汽油車的2.92%，CO也只占3.70%，由于有渦輪增壓的作用，NOX的排放稍高，但也只占傳統(tǒng)汽油車的28.01%[21]。四是混合動力汽車污染排放，代表有聶彥鑫等（2013）對2012年款插電式普銳斯對混合動力汽車能量維持模式下的排放進行了測試，結果表明在市郊工況下發(fā)動機工作在高負荷點，因燃料燃燒不充分而導致CO排放偏高，而HC及NO x的排放主要發(fā)生在市區(qū)工況[22]。

1.5 行駛里程與汽車排放關系的研究

汽車行駛里程對發(fā)動機和三元催化器工作性能有直接影響，進而影響能耗和污染排放，也有一部分學者從行駛里程這個角度對汽車污染排放進行研究。黃孝慈等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，當汽車正常行駛10萬km以后CO排放量增幅較大，汽車正常行駛至8萬km時NOx排放開始迅速提升，到13～14萬km時達到最高標準限值，但車輛行駛里程與HC排放量之間關系不大[23]。張春化等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，汽車行駛里程與排放污染物之間呈二次曲線關系，行駛里程超過 30×104km后，各種污染物排放量均顯著增加，相對于10×104km、70×104km的CO、HC、NOx排放的平均值分別增加了23.13倍、30.94倍和18.79倍[24]。黃文偉等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，高怠速條件下隨行駛里程的增加CO排放值而升高，HC隨行駛里程的增加升高，里程數(shù)量對NO x的排放量的影響不大[25]。

1.6 其他影響汽車污染排放因素的研究

研究表明，汽車污染排放還受到燃油品質、自然環(huán)境、地貌等條件的影響，例如溫度、濕度、風速、海拔等。主要代表有：鐘東階等（2001）研究了燃油品質與汽車排放之間的關系，認為車用汽油存在的主要問題是烯烴含量高，油品中含有鉛、硫以及錳、鐵、銅等金屬，尤其是硫含量高、十六烷值低、氧化安定性差[26]。齊鵬等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，溫度、濕度、風速等條件對汽車污染排放也有較大影響，溫度越低PM2.5排放值越高，濕度越低PM2.5排放值越高，風速越低PM2.5排放影響越大[27]。馬志成（2017）研究了海拔與污染排放之間的關系，研究發(fā)現(xiàn)海拔高度在0-3000m之間隨著海拔高度增加，CO和 PN排放呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在海拔2400m時達到最大值，NOx排放出現(xiàn)先降低后增加的趨勢，在海拔2400m時達到最小值[28]。

2 目前已有研究的評論

2.1 文獻研究的結論

2.1.1 涉及內容、采用方法技術逐步完善

汽車污染排放已經從之前單一和單向學科變成了一個綜合性交叉學科，研究學者來自機械與自動化、環(huán)境科學、環(huán)境工程、公路交通、信息控制等多個學科。研究內容從之前的怠速、加速、減速、勻速等行駛工況，不同時段和不同道路特征排放情況，擴展到汽車載重、燃料類型、行駛里程，甚至是溫度、濕度、風速、海拔等領域，進一步挖掘了汽車污染排放的影響因素。采用的測試技術方法從車載延伸到遙感測試等，該技術方法利用不同氣體對不同波長的紫外線和可見光具有吸引作用，利用人工光源發(fā)射的光線透過機動車尾氣，測量透過光的波長和強度并由此計算污染物的濃度，進一步轉換為排放因子。

2.1.2 緊跟國際發(fā)展趨勢，開辟新的研究領域

近年來，我國汽車污染排放的研究緊隨國際潮流，研究方法、技術、設備等都在不斷更新，尤其是在新能源汽車等領域開展了一些探索性的研究。圍繞混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式混合動力汽車和純電動汽車等新能源汽車的研究近幾年呈現(xiàn)較快發(fā)展趨勢，與當前國家治理空氣污染治理要求相適應，也為節(jié)能減排提供了新的思路。

2.2 已有研究存在的不足

2.2.1 模擬研究占相當比重，研究范式過于僵化

通過文獻的梳理，發(fā)現(xiàn)在實際道路上，采用非專用車輛在實際行駛工況下進行的研究所占比重不到一半。相當一部分成果是在實驗室或者模擬的道路上按照設定的行駛速度和專用測試車輛完成的。這種模擬狀況下測試得出的結論與實際情況存在一定的誤差性。大多數(shù)文獻采用“介紹方法技術——展示測試過程——得出研究結論”的固定研究范式，而方法選擇闡釋、相關結果的比較、結論的分析、原因的闡述、對策建議等內容相對較為缺乏，甚至是篇幅較大、自成體系的學位論文也缺少方法比較、原因分析、結論闡述等內容。研究內容與國家政策、行業(yè)標準之間的聯(lián)系也不夠緊密，具體指導實踐和成果轉化意義不大。

2.2.2 研究采用的方法、測試內容比較傳統(tǒng)

機動車排放的測試方法可分為實驗室測試和實際道路測試，前者包括臺架測試，后者包括隧道測試、道路遙感測試和道路車載測試。目前，我國對汽車污染排放的測試主要是實驗室測試和實際道路測試兩種方法，實驗室測試主要是臺架測試，實際道路測試包括隧道測試、道路遙感測試和道路車載測試，但是遙感測試技術由于成本較高需要技術支撐較強因此使用的并不多，還有對隧道進行污染排放測試的研究也較少。采用同一種方法對同一個內容在不同城市開展的重復性測試和研究較多，沒有形成一套既有權威性、又能夠通用的標準和體系。各種測試方法涉及到的內容基本都圍繞CO、HC、NOX等三種污染物，也有少量研究涉及到顆粒物，近兩年的研究又將PM值納入，研究內容主要是從國外借鑒得來。但是一些尚未發(fā)現(xiàn)的潛在對環(huán)境直接有污染的汽車尾氣成分或者與空氣中一些成分發(fā)生物理化學反應后對環(huán)境有間接污染的成分測試和研究還未有涉及。

3 未來研究思考

3.1 構建適合我國國情的汽車污染排放標準體系

2001年開始，我國實施第一階段機動車排放標準，經過15年的發(fā)展，目前全國已經步入第五階段排放標準。前五個標準，我國都是參照歐美標準，但是我國的道路設計標準、交通流量、城市管理、燃油品質等都與歐美國家存在一定的差異，因此歐美國家污染排放標準也不完全適應我國的國情。因此，我國應當以目前歐美國家機動車排放標準為基礎，結合我國實際開展創(chuàng)新，制定既能符合我國實際又能引領世界的新標準體系。

3.2 以供給側結構性改革為契機，加大車企的自主創(chuàng)新

汽車產業(yè)是我國實施供給側結構性改革的重點領域，對標工業(yè)4.0時代的要求，在自動化、智能化基礎上進一步淘汰汽車產能過剩。編制負面清單，將一些自主創(chuàng)新能力不強，沒有核心技術的自主品牌逐步淘汰。鼓勵政府資助為企業(yè)設立污染排放實驗室，改革政產學研合作機制，加快掌握電動、混合燃料汽車的核心技術。加大車企污染排放社會責任，嚴加汽車排放標準管制，減少汽車排放對環(huán)境空氣質量影響。兼并、重組等形式壯大一批車企，在高新技術開發(fā)區(qū)或高新技術產業(yè)園構建汽車產業(yè)鏈，通過創(chuàng)新來引領車企的產業(yè)轉型升級。

3.3 優(yōu)化城市道路設計和管理，減少汽車行駛工況污染排放

從文獻梳理來看，汽車不同行駛工況對污染排放有著重要的直接影響，而行駛工況除了車輛自身因素以外，主要受到道路設計、交通管制的影響。進一步優(yōu)化城市道路的設計和管理水平，通過優(yōu)化坡度、彎度設計，增加橋梁、隧道、人車分流等形式，提高快速路比重和智慧城市建設等手段，及時疏導交通流量，增強汽車行駛穩(wěn)定性，減少擁堵、紅綠燈等待時間，進而減少因怠速、急加速和急減速帶來的瞬時污染排放。

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