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目前，我国已连续11年成为机动车产销第一大国，随之也带来了一定的大气污染问题。据统计，2020年全国汽车保有量2.81×108 辆，占总机动车保有量(3.72×108 辆)的76%，对污染物排放总量的贡献率超过90%[1]，对城市大气中PM2.5和O3等二次污染的贡献也十分突出[2,3]，而且汽车还是CO2、CH4等温室气体排放的主要来源[4]。为此，我国环保部门相继出台了一系列排放标准以控制汽车尾气排放。
汽车尾气排放与汽车劣化密切相关，汽车劣化近年越来越引起人们的关注，劣化不仅反映汽车在使用过程中排放增加的速率也反映着车辆排放水平的下降[5]。目前，国内外诸多学者对汽车排放劣化系数的影响因素进行了不同程度的分析研究。行驶里程的增加是排放劣化的最主要原因[6]。很多研究发现，汽车的行驶里程和使用年限呈线性关系，且污染物排放因子随着使用年限和行驶里程的增加呈现不断增加的趋势[7-9]。ZHAN等[10]研究发现，汽车排放劣化与车龄之间是否存在明显的线性关系，取决于汽车的排放标准和污染物种类。陈永钊等[11]对ASM5025工况下不同车型汽油车随行驶里程劣化的规律进行了总结，结果表明，排放浓度随行驶里程的增加呈现出先缓慢增长，随后线性快速增长，最后震荡缓慢增长趋势，且轻型客货车的排放劣化速度高于轿车。CHIANG等[12]应用FTP-75测试程序研究了新车、在用车和高排放汽油车的污染物排放规律，发现：排放随着冷启动、热启动、稳定模式的顺序降低，高排放车辆的污染物排放因子比新车和在用车高。BORKEN-KLEEFELD和CHEN[13]通过对瑞士苏黎世13年间收集到的排放遥感记录分析发现，欧3和欧4标准的汽油车的劣化速度要高于欧1和欧2标准的汽油车。温溢等[14]和HE等[15]分别对不同地区高里程出租车更换新的催化转化器前后的污染物排放特性进行了测试，结果显示，更换催化转化器后污染物的排放由超标数倍降低到国家标准限值以内，排放量分别减少了95%和70%以上，这说明催化器的老化是出租车排放增加的原因。马杰等[16]通过耐久性道路实验发现我国实测劣化系数与欧洲标准推荐劣化系数之间存在较大差异，其主要原因是我国使用的油品质量较低。ZHANG等[17]和范菊旺[18]的研究表明，轻型机动车的检查/维护制度可减缓机动车污染物排放劣化。
目前，国外的研究主要基于长年累积的道路尾气排放遥感测试数据来评估尾气排放的劣化情况，但是遥感测试是对某一固定位置尾气排放的监测，仅能反映机动车在不同行驶里程下排放的平均水平[19-20]。国内的研究则主要采用底盘测功机对机动车进行双怠速法、稳态加载模拟工况(ASM)、简易瞬态工况(VMAS)等简单实验，缺乏GB18352.5-2013[21]规定的I型实验下的测试数据。因此，为了更加准确地了解机动车的排放特征，本研究以轻型汽油车为研究对象，利用底盘测功机对汽油车进行I型实验，收集相关测试数据以分析国五轻型汽油车气态污染物NOx、THC和CO的排放随行驶里程的劣化规律，并应用线性拟合方法计算出各种污染物的劣化系数。这对于准确估计机动车的尾气排放，制订相关减排措施具有重要意义。
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为全面反映轻型汽油车的排放劣化特征，根据汽车品牌和汽车档次，以及我国汽油车保有量和品牌市场份额占比，从市场选取12辆不同车型且满足国五排放标准的典型在用轻型汽油车作为测试车辆，包括进气道喷射(PFI)和缸内直接喷射(GDI)2种不同技术以及自然吸气和增压中冷2种不同进气方式，涉及国内不同厂家生产的欧系、日系、美系等汽车品牌。为保障数据的准确性和可靠性，测试车辆均性能稳定、运行良好。测试车辆所涉及的详细信息如表1所示。
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实验应用整车台架测试系统，12辆汽油车排放耐久性测试均在底盘测功机上进行。主要设备包括：耐久道路实验记录仪、底盘测功机、CVS-7400定容稀释取样系统和AMA4000排气分析系统、S7520/30高低温环境仓、气态污染物采集测试系统。
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本研究采用底盘测功机测试法，按照《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》(GB18352.5-2013)[21]规定的常温冷启动排放测试(Ⅰ型实验)对12辆在用车的尾气污染物进行测定，车辆实验前需进行3 000 km左右的磨合工况。测试时将汽油车驱动轮放置在底盘测功机上，启动车辆完成1个标准工况的全循环过程，测得车辆的NOx、THC和CO的排放因子。每辆车在每行驶(10 000±400) km时进行1次数据收集，共行驶10×104 km左右。汽油车尾气直接进入全流式排气稀释系统(CVS)通道，与经过高效过滤系统(HEPA)净化的背景稀释气充分混合，利用排气分析仪对尾气中NOx、THC和CO进行采样。分别采用非扩散紫外线谐振吸收(NDUVR)型、氢火焰离子化(FID)型、不分光红外线吸收型(NDIR)型分析仪进行分析。测试前需对底盘测功机和测试车辆等进行检查并预热。测试过程中，保证实验室内温度在20~30 ℃，注意监测机动车的油温水温以及排气流量。每台车检测结束后使用清洁空气对采样系统进行清洗[21]。12辆汽油车共测得125组行驶里程数据，删除部分参数丢失的数据，经过数据筛选，保留得到119组有效数据。
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劣化系数可以反映轻型汽油车随行驶里程的劣化情况[22]。国家标准规定，应对国五车辆实施160 000 km的耐久性实验(Ⅴ型实验)[21]。耐久性实验所要求的行驶里程对应的排放量如式(1)所示。
式中：Mi表示污染物行驶里程对应的污染物排放量，g·km−1；Xi表示行驶里程，km；a和b分别是拟合线性方程的斜率和截距。劣化系数DF(deterioration factors)[21]的计算如式(2)所示。
式中：DF表示劣化系数，Mi1和Mi2分别表示行驶里程为6 400和16×104 km时污染物i的排放量，g·km−1。
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对12辆国五排放水平轻型汽油车排放数据进行统计，按照排量大小进行编号，行驶10×104 km时NOx、THC和CO的排放结果和污染物排放限值如图1所示。以排量2.0 L为界，编号1~3的汽油车排量小于2.0 L，编号5~8的汽油车排量为2.0 L，编号9~12的汽油车排量大于2.0 L。对不同排量范围的汽油车排放因子进行分析发现，NOx的排放因子表现出随排量增加而降低的趋势，3个排量范围的排放因子分别为0.041、0.017、0.016 g·km−1，其中，排量小于2.0 L的汽油车NOx排放因子远高于大排量汽油车。THC的排放因子随排量变化的趋势和NOx相同，排放因子分别为0.052、0.042、0.037 g·km−1。3个CO排量范围的排放因子分别为0.385、0.489、0.332 g·km−1，排量2.0 L的汽油车排放因子最高。从整体上看，排量大于2.0 L的大排量汽油车3种污染物的排放因子均是最小的，这与徐俊芳等[23]的研究结果类似。经分析可知，污染物排放量很大程度上受排放控制技术的影响，随着排量的增加，在追求动力性及燃油经济性的同时，车辆采用了更高效的排放控制技术，污染物排放量就越低。排量为2.0 L的5~8号汽油车NOx和THC的排放因子车辆差异性较大，其中6号车辆(YQZ7204AE5)THC和CO的排放因子均低于同排量的其他车辆，这可能是由于它的出厂年份最新，采用的三元催化器和排放控制系统在高里程时仍旧保持较好效果。
根据国五阶段轻型汽油车Ⅰ型实验排放限值(第一类车)，NOx、THC和CO排放限值分别是0.06、0.1、1.0 g·km−1。将排放因子与排放限值进行对比可知，12辆样车的排放因子均远低于国Ⅴ阶段排放要求。计算12辆车行驶10×104 km的NOx、THC和CO的平均排放因子，分别为0.025、0.044、0.402 g·km−1，为国五排放限值的41.6%、44.0%、40.2%，这说明，下一阶段排放限值的制定仍具有进一步加严的空间。
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本研究以l×104 km为单位，将12辆汽油车测得的119组数据根据进气方式分为增压中冷和自然吸气2类，然后按行驶里程分组对组内污染物排放量求平均，得到了如图2所示的不同进气方式下NOx、THC和CO的排放因子随行驶里程的变化规律。3种污染物的排放因子在2种不同的进气方式下，均随行驶里程的增加而增加，对测试数据进行线性拟合，R2均在0.48~0.7。这表明，在汽油车可能因型号不同而导致排放控制技术等参数不同的情况下，污染物排放量和行驶里程具有线性关系。
具体区分2种不同的进气方式，自然吸气技术是利用大气压将空气压入燃烧室，而增压中冷技术是利用废气能量驱动涡轮带动压气机工作，提升进气压力和充气量，大幅提升汽油机的动力性，同时通过中段冷却器冷却的技术手段来抑制爆震现象的发生[24]。增压中冷技术下，污染物的排放因子有较为明显的波动，线性拟合较差，R2在0.5左右；自然吸气方式下，6×104 km前3种污染物的排放劣化速度较慢且较为稳定，可能与发动机等老化程度较低有关；6×104 km后排放因子出现较为明显的波动式上升趋势，尤其是NOx。经分析发现，这是由于随着行驶里程的增加，三元催化器和发动机逐渐老化磨损导致排放增加[25]。对比2种进气方式下污染物排放劣化情况，增压中冷技术下的NOx和CO排放因子整体高于自然吸气技术下的NOx和CO排放因子。这主要是因为，涡轮增压发动机消耗了更多的燃料(导致更多的CO)和缸内温度升高(导致了更多的NOx)[26]。而2种不同进气方式下的THC排放因子在3×104 km前较为接近，而在8×104 km后增压中冷技术下的排放因子较高。此外，增压中冷技术下3种污染物的劣化速度均高于自然吸气技术下的劣化速度。3种污染物中，污染物CO的排放劣化速度最大，THC和NOx的排放劣化速度较为接近，增压中冷技术下NOx排放劣化速度最小，自然吸气技术下THC的排放劣化速度最小。然而随着行驶里程的增加，涡轮增压器长时间处于高温高压的情况下，老化速度很快，寿命较短[27]。因此，带来了较高的污染物排放劣化速度，高里程时也更容易产生较高的排放。
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根据1.4的计算方法求得12辆测试车辆不同污染物的劣化系数，如图3所示。12辆车不同车型劣化系数差别较大，这可能与车辆本身特性和排放控制系统的运行情况有关。由轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)可知NOx、THC和CO推荐的劣化系数值分别为1.6、1.3和1.5[21]。污染物NOx、THC和CO的劣化系数超标情况较为严重，小于标准推荐值的样本车辆所占比例较小，分别占总样本的25%、25%和33%。其中，NOx超出标准推荐值50%以内的车辆占比为50%，超标最多的车辆大约超标2.6倍。而THC和CO超出标准推荐值50%以内的车辆占比均为33%，超标最多的车辆分别超标4.4倍和5.9倍。通过计算得到NOx、THC和CO污染物劣化系数的平均值分别为2.0、2.1和2.6，分别超出标准推荐值25%、61%和73%。这是因为，污染物CO和THC对三元催化器和发动机老化的敏感性相较于NOx更强烈，使得劣化较大，需要对汽油车CO和THC的排放劣化加强重视。
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车辆的使用程度对其污染物排放的劣化程度具有重要的影响[28]。本研究基于国五车型在10×104 km时Ⅰ型实验排放量远低于ZHANG等[9]所研究的欧4车型8×104 km内平均排放量。这表明，排放标准的提高可有效控制车辆污染物排放。马杰等[17]基于国Ⅲ车辆进行8×104 km耐久性实验，计算得出各个车型NOx、THC和CO的劣化系数分别为1.95、1.59和1.78，比本研究利用线性拟合插值160 000 km计算的劣化系数略小。这进一步说明污染物排放劣化随着行驶里程的增加而增加。CORVALAN等[29]根据从底盘测功机采集的测试数据计算了轻型汽油车的劣化系数，NOx、THC和CO的劣化系数分别为3.04、3.23和1.72，CO的劣化系数比本研究略小，THC和NOx的劣化系数分别是本研究的1.24倍和1.52倍。可见，排放标准的加严和尾气后处理技术的提高可以有效的降低汽油车尾气排放的劣化程度。
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1)使用底盘测功机对12辆国五排放水平的汽油车进行了整车实验，研究了汽车劣化对气态常规污染物(NOx、THC和CO)排放的影响，实验车辆排放因子平均值为0.025、0.044、0.402 g·km−1。
2)车辆污染物排放因子和行驶里程之间存在显著的线性关系，NOx、THC和CO等污染物的增长趋势随着里程的增加而显著增加。不同进气方式也会影响污染物的排放，增压中冷技术下污染物排放因子值具有较大离散性，且污染物劣化速度大于自然吸气技术下的车辆。
3) NOx、THC和CO污染物劣化系数的平均值分别为2.0、2.1和2.6，劣化系数的快速增大与三元催化器和发动机老化有关。因此，对高里程车辆需要加强检查和维护，延缓车辆劣化趋势。
国五轻型汽油车气态污染物排放劣化分析
Study on emission deterioration of gaseous pollutants from China Ⅴ light gasoline vehicles
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摘要: 为了解机动车行驶里程增加时气态污染物的排放劣化特性，以12辆满足国五排放水平标准的轻型汽油车为研究对象，应用底盘测功机通过台架测试方法进行整车实验并收集数据，研究了10×104 km累积里程对轻型汽油车污染物(NOx、THC和CO)排放因子的影响和不同车型的排放量随行驶里程劣化规律。结果表明，轻型汽油车NOx、THC和CO的排放因子与累积里程之间存在线性关系。增压中冷进气方式下3种污染物的劣化速度均高于自然吸气下的劣化速度。通过计算获得实验车辆污染物NOx、THC和CO的平均劣化系数分别为2.0、2.1和2.6(标准推荐值分别为1.6、1.3和1.5)。本研究结果可为机动车污染物变化趋势的预测和标准劣化系数的修订提供数据参考。Abstract: To understand the deterioration characteristics of gaseous pollutants emissions with increasing vehicle mileage, 12 light-duty gasoline vehicles that met the China V emission standard were selected to carry out the whole vehicle bench test experiment using the chassis dynamometer. The effect of the accumulated mileage of 100,000 kilometers on emission factors of NOx, THC and CO for light gasoline vehicles and the deterioration rules of different models with mileage were investigated. The results showed that there was a significant linear relationship between emission factors of NOx, THC, CO of light gasoline vehicles and accumulated mileage (correlation coefficient R2 was between 0.48 and 0.75). The deterioration rate of three pollutants under turbocharged technology was higher than that under inhale naturally technology. The average deterioration factors of NOx,THC and CO of vehicles were 2.0, 2.1 and 2.6, respectively (standard recommended values were 1.6, 1.3 and 1.5, respectively). This study can provide a reference for the prediction of pollutant change trends and the revision of standard deterioration factors.
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图 1 12辆汽油车10×104 km排放测试结果
Figure 1. Results of emission tests for 12 gasoline vehicles of 100 000 km
图 2 不同进气方式下污染物排放随车辆行驶里程变化
Figure 2. Variation of pollutant emissions with vehicle mileage under different air intake mode
图 3 测试车辆排放劣化系数分布图
Figure 3. Distribution of emission deterioration factors of test vehicles
表 1 测试车辆基本信息
Table 1. Basic information for testing vehicles
编号 生产日期 喷油方式 进气方式 排量/L 1 2015-03 多点电喷 自然吸气 1.0 2 2012-11 多点电喷 增压中冷 1.4 3 2013-08 多点电喷 自然吸气 1.5 4 2015-08 多点电喷 自然吸气 1.5 5 2012-08 缸内直喷 增压中冷 2.0 6 2014-08 多点电喷 自然吸气 2.0 7 2013-08 多点电喷 自然吸气 2.0 8 2013-03 缸内直喷 增压中冷 2.0 9 2015-08 缸内直喷 自然吸气 2.4 10 2013-05 多点电喷 自然吸气 2.4 11 2013-08 多点电喷 自然吸气 2.5 12 2014-06 多点电喷 自然吸气 3.5 
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