基于VMAS四川省在用點(diǎn)燃式輕型車尾氣污染削減預(yù)測(cè)

吳雪梅

(四川省機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心，成都 610091)

1 前言

機(jī)動(dòng)車尾氣排放是大氣環(huán)境的主要污染源之一。其排放的有害污染物不但破壞自然界的生態(tài)環(huán)境，而且嚴(yán)重的危害著人類的健康，增加人體的發(fā)病率和死亡率［1～3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，大氣中38.5%的一氧化碳 (CO)、21.7%的碳?xì)浠衔?HC)、87.6%的氮氧化合物 (NOx)、11.7%的二氧化碳 (CO2)、6.2%的二氧化硫 (SO2)和32%的顆粒物 (PM)來源于汽車尾氣［4］。近年來，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車的生產(chǎn)量和保有量急劇增加，由汽車尾氣所造成的環(huán)境污染問題日益突出，加強(qiáng)對(duì)汽車尾氣排放控制、減少汽車尾氣對(duì)環(huán)境污染的貢獻(xiàn)度已成為當(dāng)今的重要課題之一［5］。

汽車尾氣排放控制主要包括新生產(chǎn)車輛和在用車輛兩方面。在新生產(chǎn)車輛排放控制方面，世界各國(guó)均制訂了較為嚴(yán)格的排放法規(guī)，加強(qiáng)新生產(chǎn)車輛排氣污染物的控制。在我國(guó)，預(yù)計(jì)于2018年在全國(guó)范圍內(nèi)將實(shí)施輕型汽車國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)新生產(chǎn)車輛排氣污染物的監(jiān)管力度。有關(guān)在用車輛，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家均已制訂了較為完善的法規(guī)和制度控制在用車的污染物排放。然而，在我國(guó)有關(guān)法規(guī)和制度尚存不足，排放限值相對(duì)也較為寬泛。在GB18285-2005《點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法 (雙怠速法及簡(jiǎn)易工況法)》標(biāo)準(zhǔn)中，僅明確規(guī)定了雙怠速法的CO和HC排放限值，而對(duì)簡(jiǎn)易工況法排放限值并未規(guī)定。在環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T240-2005《確定點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)在用汽車簡(jiǎn)易工況法排氣污染物排放限值的基本原則和方法》也僅是提供了推薦限值，缺少?gòu)?qiáng)制性的約束力。并且，對(duì)于在用車而言，隨著車輛使用年限和行駛里程的增加，車輛的劣化程度逐漸惡化，排放水平也隨之降低，對(duì)大氣環(huán)境的污染貢獻(xiàn)度將逐步上升［6，7］。因此，針對(duì)在用車輛尾氣排放污染開展相關(guān)研究工作、探索降低在用車輛排氣污染物的有效控制措施將對(duì)大氣環(huán)境的治理工作具有重大意義。

為了深入了解四川省在用車輛的排放特征，探索有效控制措施減少機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染，改善四川省大氣環(huán)境質(zhì)量。本文針對(duì)四川省在用車輛排氣污染情況開展了調(diào)查研究，并探討了控制在用車輛尾氣排放污染的檢測(cè)方法，同時(shí)還依據(jù)簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法對(duì)在用車輛排氣污染物進(jìn)行了削減預(yù)測(cè)。

2 四川省在用車輛尾氣污染狀況

隨著四川省經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量逐年增加，由機(jī)動(dòng)車所帶來的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重。2012年四川省機(jī)動(dòng)車排放的4種主要污染物總計(jì)為154.68萬噸，比2011年增加了2.04%，各類機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放情況如下圖所示。由圖可見，四川省機(jī)動(dòng)車排放的一氧化碳 (CO)總量為117.97萬噸。其中，汽車排放 84.11萬噸，占71.3%;低速載貨汽車排放0.12萬噸，占0.1%;摩托車排放33.74萬噸，占28.6%。四川省機(jī)動(dòng)車排放的碳?xì)浠衔?(HC)總量為14.14萬噸。其中，汽車排放9.7萬噸，占68.6%;低速載貨汽車排放0.08萬噸，占0.6%;摩托車排放4.36萬噸，占30.8%。四川省機(jī)動(dòng)車排放的氮氧化物(NOx)總量為21萬噸。其中，汽車排放20萬噸，占95.3%;低速載貨汽車排放 0.24萬噸，占1.1%;摩托車排放0.76萬噸，占3.6%。四川省機(jī)動(dòng)車排放的顆粒物 (PM)總量為1.57萬噸。其中，汽車排放1.56萬噸，占99.2%;低速載貨汽車排放0.01萬噸，占0.8%。

通過以上分析可知，汽車排放的一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔?(HC)均已高于四川省機(jī)動(dòng)車污染物排放的68%，氮氧化物 (NOx)和總顆粒物 (PM)均已高于四川省機(jī)動(dòng)車污染物排放的95%。因此，選擇合理的檢測(cè)方法對(duì)在用車排氣污染物進(jìn)行嚴(yán)格控制將是減少四川省機(jī)動(dòng)車污染物排放以及改善四川省大氣環(huán)境質(zhì)量的重要措施。

圖 2012年四川省各類機(jī)動(dòng)車污染物排放Fig.Emission from all sorts of motor vehicles of Sichuan Province in 2012

3 在用車尾氣排放檢測(cè)方法的選擇

目前，在用車尾氣排放檢測(cè)方法主要有雙怠速法和簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法。雙怠速法是世界各國(guó)在用車排氣檢測(cè)應(yīng)用較為廣泛的方法之一，它是指采用尾氣分析儀直接測(cè)量在用車輛怠速和高怠速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下CO和CH的排放濃度。該方法操作簡(jiǎn)便、儀器設(shè)備成本低、易于維護(hù)，但也存在一系列的問題。

(1)只能檢測(cè)怠速狀態(tài)下空負(fù)荷時(shí)在用車輛的排放情況，不能真實(shí)反映車輛實(shí)際運(yùn)行過程中的污染物排放情況。易于造成人為的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速進(jìn)行調(diào)整以通過排放檢測(cè)，使在用車輛對(duì)大氣環(huán)境造成更加嚴(yán)重的危害。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)在空負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，NOx生成量很小，不能真實(shí)的反映車輛在實(shí)際道路運(yùn)行過程中的NOx排放情況，缺少對(duì)NOx排放污染物的控制。

(3)催化轉(zhuǎn)化器在經(jīng)過老化后，在排氣流量較小時(shí) (如怠速)會(huì)表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)化效率，因此，僅在怠速條件下進(jìn)行排氣檢測(cè)會(huì)掩蓋發(fā)動(dòng)機(jī)在高速或高負(fù)荷條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率降低的問題。

因此，采用雙怠速法對(duì)在用車輛進(jìn)行排放檢測(cè)不能真實(shí)、可靠、準(zhǔn)確地反映出車輛實(shí)際運(yùn)行過程中的排放情況，會(huì)加重在用車輛對(duì)大氣環(huán)境的污染，特別是在一些污染較為嚴(yán)重的大中城市和地區(qū)。而簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法可以采用簡(jiǎn)化程序模擬車輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，克服雙怠速法的不足與弊端。

簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法是由美國(guó)sensors公司開發(fā)的，由于采用汽車總量分析系統(tǒng) (vehicle mass analysis system)進(jìn)行車輛尾氣排放的檢測(cè)，也被稱為VMAS測(cè)試方法。它采用與瞬態(tài)工況法 (IM240)相同的測(cè)試循環(huán)，使用與穩(wěn)態(tài)工況法 (ASM)相同的測(cè)試設(shè)備和廢氣分析儀，并采用氣體流量計(jì)測(cè)量車輛運(yùn)行工況的排氣流量，并通過積分手段得出車輛的排放因子 (g/km)。簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法吸取了瞬態(tài)工況法 (IM240)和穩(wěn)態(tài)工況法 (ASM)的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的精度和一致性。為了評(píng)估簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法的精確度，美國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法與目前檢測(cè)精度最高的IM240檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示［8］。由表1可見，簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法與IM240檢測(cè)方法之間具有較好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù) (R2)分別達(dá)到了由此可見簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法具有較高的檢測(cè)精度，能夠滿足對(duì)在用車尾氣排放的精確精測(cè)，反映在用車輛實(shí)際運(yùn)行過程中的污染物排放水平。

表1 VMAS與IM240方法測(cè)試精度對(duì)比Tab.1 Comparison of test precision between VMAS and IM240 method

此外，簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法還具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法測(cè)試循環(huán)包括了車輛的加速、減速、等速和怠速等不同工況下的運(yùn)行情況，接近車輛的實(shí)際運(yùn)行狀況，對(duì)車輛實(shí)際的尾氣排放情況反映的更加真實(shí)，能夠有效地起到對(duì)車輛排放情況監(jiān)控的作用。(2)簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法采用的儀器設(shè)備與穩(wěn)態(tài)工況法 (ASM)相同，成本與維護(hù)費(fèi)用都相對(duì)較低，操作也較為簡(jiǎn)單。(3)簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法與新車型式認(rèn)證測(cè)試循環(huán)具有較高相關(guān)性，還能夠獲得CO、HC和NOx等污染物的排放因子(g/km)，有助于進(jìn)一步對(duì)城市機(jī)動(dòng)車尾氣排放總量計(jì)算和排放削減預(yù)測(cè)。因此，簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法是一種非常有效的城市機(jī)動(dòng)車尾氣排放控制手段，有利于大氣環(huán)境污染治理和監(jiān)管工作。目前，北京市、上海市、浙江省、遼寧省、山東省、廣東省、福建省和江西省等省市均已率先采用簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法對(duì)在用車尾氣排放進(jìn)行了控制。

4 四川省在用車尾氣排放預(yù)測(cè)分析

為了闡明采用簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法對(duì)四川省在用車輛污染物排放的影響情況，筆者依據(jù)簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法對(duì)四川省2000年7月1日起生產(chǎn)的第一類輕型汽車和2001年10月1日起生產(chǎn)的第二類輕型汽車進(jìn)行了抽樣調(diào)查，抽樣車輛信息如表2所示。同時(shí)，根據(jù)簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法獲得的在用車排放數(shù)據(jù)以及簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法排放標(biāo)準(zhǔn)限值，通過計(jì)算得到了合格車輛和不合格車輛的平均排放因子 (A和B)，如表3和表4所示。

表2 抽樣車輛信息表Tab.2 The information of sampling vehicles

表3 合格車輛平均排放因子ATab.3 Average emission factor A of qualified vehicle

表4 不合格車輛平均排放因子BTab.4 Average emission factor B of unqualified vehicle

在獲得上述數(shù)據(jù)之后，便可通過數(shù)學(xué)計(jì)算的方式對(duì)四川省在用車輛尾氣排放狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，獲得采用簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法以及簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法排放標(biāo)準(zhǔn)之后在用車輛尾氣污染物排放的年削減率。

在用車輛尾氣污染物排放的年削減率計(jì)算方法如下:

(1)合格車輛年排放量M:

(2)不合格車量年排放量Mn:

(3)不合格車輛維修到標(biāo)準(zhǔn)限值的年排放量MK:

(4)年排放削減量Mn-K:

(5)年排放削減率η:

式中:

M—合格車輛年排放量 (噸/年);

Mn—不合格車輛年排放量 (噸/年);

MK—不合格車輛維修到本標(biāo)準(zhǔn)限值的年排放量 (噸/年);

Mn-K—年排放削減量 (噸/年);

L—車輛年平均行駛里程 (公里/年);

N—合格車輛數(shù)量 (輛);

n—不合格車輛數(shù)量 (輛);

A—合格車輛平均排放因子 (克/公里);

B—不合格車輛平均排放因子 (克/公里);

K—不合格車輛維修到本標(biāo)準(zhǔn)限值的平均排放因子 (克/公里);

η—年排放削減率 (%);

λ—車輛檢測(cè)不合格率 (%)。

將抽樣檢測(cè)所獲得的A、B、K、λ等數(shù)據(jù)帶入年削減率計(jì)算公式，便可獲得四川省2000年7月1日起生產(chǎn)的第一類輕型汽車和2001年10月1日起生產(chǎn)的第二類輕型汽車尾氣污染物排放的年削減率，如表5所示。由表5可知，在采用簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法以及簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法排放標(biāo)準(zhǔn)后，四川省機(jī)動(dòng)車尾氣排放的CO將削減28.76% ～50.48%，HC+NOx將削減1.53% ～23.24%。

表5 四川省在用車排氣污染物年削減率Tab.5 The annual reduction rate of in-use vehicle exhaust pollutants in Sichuan Province (%)

5 結(jié)論

(1)四川省機(jī)動(dòng)車尾氣污染物中71.3%的CO、68.6% 的HC、95.3%的NOx和99.2%的 PM來自于汽車尾氣排放。

(2)簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法具有精度高、成本低、操作方便等特點(diǎn)，是一種有效的機(jī)動(dòng)車尾氣排放控制手段，有利于大氣環(huán)境污染治理和監(jiān)管工作。

(3)通過在用車尾氣排放預(yù)測(cè)分析可知，采用簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法以及簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況法排放標(biāo)準(zhǔn)后可使四川省機(jī)動(dòng)車排放的CO削減約28.76% ～50.48%，HC+NOx 削減約1.53% ～23.24%。

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