基于VMAS四川省在用点燃式轻型车尾气污染削减预测

吴雪梅

(四川省机动车排污监控中心，成都 610091)

1 前言

机动车尾气排放是大气环境的主要污染源之一。其排放的有害污染物不但破坏自然界的生态环境，而且严重的危害着人类的健康，增加人体的发病率和死亡率［1～3］。据统计数据表明，大气中38.5%的一氧化碳 (CO)、21.7%的碳氢化合物(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%的颗粒物 (PM)来源于汽车尾气［4］。近年来，随着汽车工业的快速发展，汽车的生产量和保有量急剧增加，由汽车尾气所造成的环境污染问题日益突出，加强对汽车尾气排放控制、减少汽车尾气对环境污染的贡献度已成为当今的重要课题之一［5］。

汽车尾气排放控制主要包括新生产车辆和在用车辆两方面。在新生产车辆排放控制方面，世界各国均制订了较为严格的排放法规，加强新生产车辆排气污染物的控制。在我国，预计于2018年在全国范围内将实施轻型汽车国五标准，进一步加强对新生产车辆排气污染物的监管力度。有关在用车辆，欧美等发达国家均已制订了较为完善的法规和制度控制在用车的污染物排放。然而，在我国有关法规和制度尚存不足，排放限值相对也较为宽泛。在GB18285-2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法 (双怠速法及简易工况法)》标准中，仅明确规定了双怠速法的CO和HC排放限值，而对简易工况法排放限值并未规定。在环境保护行业标准HJ/T240-2005《确定点燃式发动机在用汽车简易工况法排气污染物排放限值的基本原则和方法》也仅是提供了推荐限值，缺少强制性的约束力。并且，对于在用车而言，随着车辆使用年限和行驶里程的增加，车辆的劣化程度逐渐恶化，排放水平也随之降低，对大气环境的污染贡献度将逐步上升［6，7］。因此，针对在用车辆尾气排放污染开展相关研究工作、探索降低在用车辆排气污染物的有效控制措施将对大气环境的治理工作具有重大意义。

为了深入了解四川省在用车辆的排放特征，探索有效控制措施减少机动车尾气排放对环境的污染，改善四川省大气环境质量。本文针对四川省在用车辆排气污染情况开展了调查研究，并探讨了控制在用车辆尾气排放污染的检测方法，同时还依据简易瞬态工况法对在用车辆排气污染物进行了削减预测。

2 四川省在用车辆尾气污染状况

随着四川省经济的快速发展，机动车保有量逐年增加，由机动车所带来的环境污染问题也日益严重。2012年四川省机动车排放的4种主要污染物总计为154.68万吨，比2011年增加了2.04%，各类机动车尾气污染物排放情况如下图所示。由图可见，四川省机动车排放的一氧化碳 (CO)总量为117.97万吨。其中，汽车排放 84.11万吨，占71.3%;低速载货汽车排放0.12万吨，占0.1%;摩托车排放33.74万吨，占28.6%。四川省机动车排放的碳氢化合物 (HC)总量为14.14万吨。其中，汽车排放9.7万吨，占68.6%;低速载货汽车排放0.08万吨，占0.6%;摩托车排放4.36万吨，占30.8%。四川省机动车排放的氮氧化物(NOx)总量为21万吨。其中，汽车排放20万吨，占95.3%;低速载货汽车排放 0.24万吨，占1.1%;摩托车排放0.76万吨，占3.6%。四川省机动车排放的颗粒物 (PM)总量为1.57万吨。其中，汽车排放1.56万吨，占99.2%;低速载货汽车排放0.01万吨，占0.8%。

通过以上分析可知，汽车排放的一氧化碳(CO)和碳氢化合物 (HC)均已高于四川省机动车污染物排放的68%，氮氧化物 (NOx)和总颗粒物 (PM)均已高于四川省机动车污染物排放的95%。因此，选择合理的检测方法对在用车排气污染物进行严格控制将是减少四川省机动车污染物排放以及改善四川省大气环境质量的重要措施。

图 2012年四川省各类机动车污染物排放Fig.Emission from all sorts of motor vehicles of Sichuan Province in 2012

3 在用车尾气排放检测方法的选择

目前，在用车尾气排放检测方法主要有双怠速法和简易瞬态工况法。双怠速法是世界各国在用车排气检测应用较为广泛的方法之一，它是指采用尾气分析仪直接测量在用车辆怠速和高怠速运转条件下CO和CH的排放浓度。该方法操作简便、仪器设备成本低、易于维护，但也存在一系列的问题。

(1)只能检测怠速状态下空负荷时在用车辆的排放情况，不能真实反映车辆实际运行过程中的污染物排放情况。易于造成人为的对发动机怠速进行调整以通过排放检测，使在用车辆对大气环境造成更加严重的危害。

(2)发动机在空负荷下运转时，NOx生成量很小，不能真实的反映车辆在实际道路运行过程中的NOx排放情况，缺少对NOx排放污染物的控制。

(3)催化转化器在经过老化后，在排气流量较小时 (如怠速)会表现出较高的转化效率，因此，仅在怠速条件下进行排气检测会掩盖发动机在高速或高负荷条件下运转时催化转化器转化效率降低的问题。

因此，采用双怠速法对在用车辆进行排放检测不能真实、可靠、准确地反映出车辆实际运行过程中的排放情况，会加重在用车辆对大气环境的污染，特别是在一些污染较为严重的大中城市和地区。而简易瞬态工况法可以采用简化程序模拟车辆的实际运行状态，克服双怠速法的不足与弊端。

简易瞬态工况法是由美国sensors公司开发的，由于采用汽车总量分析系统 (vehicle mass analysis system)进行车辆尾气排放的检测，也被称为VMAS测试方法。它采用与瞬态工况法 (IM240)相同的测试循环，使用与稳态工况法 (ASM)相同的测试设备和废气分析仪，并采用气体流量计测量车辆运行工况的排气流量，并通过积分手段得出车辆的排放因子 (g/km)。简易瞬态工况法吸取了瞬态工况法 (IM240)和稳态工况法 (ASM)的优点，具有较高的精度和一致性。为了评估简易瞬态工况法的精确度，美国相关研究机构对简易瞬态工况法与目前检测精度最高的IM240检测方法进行了对比试验，其结果如表1所示［8］。由表1可见，简易瞬态工况法与IM240检测方法之间具有较好的相关性，其相关系数 (R2)分别达到了由此可见简易瞬态工况法具有较高的检测精度，能够满足对在用车尾气排放的精确精测，反映在用车辆实际运行过程中的污染物排放水平。

表1 VMAS与IM240方法测试精度对比Tab.1 Comparison of test precision between VMAS and IM240 method

此外，简易瞬态工况法还具有如下优点:(1)简易瞬态工况法测试循环包括了车辆的加速、减速、等速和怠速等不同工况下的运行情况，接近车辆的实际运行状况，对车辆实际的尾气排放情况反映的更加真实，能够有效地起到对车辆排放情况监控的作用。(2)简易瞬态工况法采用的仪器设备与稳态工况法 (ASM)相同，成本与维护费用都相对较低，操作也较为简单。(3)简易瞬态工况法与新车型式认证测试循环具有较高相关性，还能够获得CO、HC和NOx等污染物的排放因子(g/km)，有助于进一步对城市机动车尾气排放总量计算和排放削减预测。因此，简易瞬态工况法是一种非常有效的城市机动车尾气排放控制手段，有利于大气环境污染治理和监管工作。目前，北京市、上海市、浙江省、辽宁省、山东省、广东省、福建省和江西省等省市均已率先采用简易瞬态工况法对在用车尾气排放进行了控制。

4 四川省在用车尾气排放预测分析

为了阐明采用简易瞬态工况法对四川省在用车辆污染物排放的影响情况，笔者依据简易瞬态工况法对四川省2000年7月1日起生产的第一类轻型汽车和2001年10月1日起生产的第二类轻型汽车进行了抽样调查，抽样车辆信息如表2所示。同时，根据简易瞬态工况法获得的在用车排放数据以及简易瞬态工况法排放标准限值，通过计算得到了合格车辆和不合格车辆的平均排放因子 (A和B)，如表3和表4所示。

表2 抽样车辆信息表Tab.2 The information of sampling vehicles

表3 合格车辆平均排放因子ATab.3 Average emission factor A of qualified vehicle

表4 不合格车辆平均排放因子BTab.4 Average emission factor B of unqualified vehicle

在获得上述数据之后，便可通过数学计算的方式对四川省在用车辆尾气排放状况进行预测分析，获得采用简易瞬态工况法以及简易瞬态工况法排放标准之后在用车辆尾气污染物排放的年削减率。

在用车辆尾气污染物排放的年削减率计算方法如下:

(1)合格车辆年排放量M:

(2)不合格车量年排放量Mn:

(3)不合格车辆维修到标准限值的年排放量MK:

(4)年排放削减量Mn-K:

(5)年排放削减率η:

式中:

M—合格车辆年排放量 (吨/年);

Mn—不合格车辆年排放量 (吨/年);

MK—不合格车辆维修到本标准限值的年排放量 (吨/年);

Mn-K—年排放削减量 (吨/年);

L—车辆年平均行驶里程 (公里/年);

N—合格车辆数量 (辆);

n—不合格车辆数量 (辆);

A—合格车辆平均排放因子 (克/公里);

B—不合格车辆平均排放因子 (克/公里);

K—不合格车辆维修到本标准限值的平均排放因子 (克/公里);

η—年排放削减率 (%);

λ—车辆检测不合格率 (%)。

将抽样检测所获得的A、B、K、λ等数据带入年削减率计算公式，便可获得四川省2000年7月1日起生产的第一类轻型汽车和2001年10月1日起生产的第二类轻型汽车尾气污染物排放的年削减率，如表5所示。由表5可知，在采用简易瞬态工况法以及简易瞬态工况法排放标准后，四川省机动车尾气排放的CO将削减28.76% ～50.48%，HC+NOx将削减1.53% ～23.24%。

表5 四川省在用车排气污染物年削减率Tab.5 The annual reduction rate of in-use vehicle exhaust pollutants in Sichuan Province (%)

5 结论

(1)四川省机动车尾气污染物中71.3%的CO、68.6% 的HC、95.3%的NOx和99.2%的 PM来自于汽车尾气排放。

(2)简易瞬态工况法具有精度高、成本低、操作方便等特点，是一种有效的机动车尾气排放控制手段，有利于大气环境污染治理和监管工作。

(3)通过在用车尾气排放预测分析可知，采用简易瞬态工况法以及简易瞬态工况法排放标准后可使四川省机动车排放的CO削减约28.76% ～50.48%，HC+NOx 削减约1.53% ～23.24%。

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