劉 嘉, 尹 航, 葛蘊珊, 王 欣, 黃 英

1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院， 北京 100081 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100081 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 北京 100012

遙感法用于車輛實際道路行駛污染狀況評估

劉 嘉1,2,3, 尹 航3*, 葛蘊珊1,2, 王 欣1,2, 黃 英1,2

1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院， 北京 100081 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100081 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 北京 100012

為了評估滿足不同排放標準的在用車在實際道路行駛條件下的污染狀況，以2013年3—11月間在北京市朝陽區(qū)收集的16.5×104組在用汽油車排放遙感測試大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對北京市的在用車實際道路排放水平進行分析和評價. 結(jié)果表明：新車排放標準升級明顯降低了在用車的CO、HC和NO平均排放濃度. 從國Ⅰ國Ⅱ到國Ⅲ以及從國Ⅲ到國Ⅳ國Ⅴ，每次標準升級使得在用車的CO排放濃度平均降低12%～15%，HC和NO排放濃度分別降低13%和40%左右. 與2003年相比，北京市2013年機動車CO、HC和NO排放的平均濃度分別下降了52.1%、82.1%和65.3%，排放標準升級帶來的減排效果十分明顯. 未來排放標準升級過程中應(yīng)當(dāng)強化對在用車實際駕駛過程排放的監(jiān)管，同時積極引導(dǎo)老舊車輛的淘汰更新，加大對排放造假行為的執(zhí)法和處罰力度.

遙感檢測； 在用車； 機動車排放； 實際道路

Abstract： In order to evaluate real-world driving emissions from in-use vehicles that meet various emission standards, real-world driving emissions from vehicles operating in Beijing were analyzed and assessed based on 165,000 sets of remote sensing data collected within Chaoyang District, Beijing from March to November 2013. The results indicated that, thanks to the introduction of new vehicle emission standards, the average exhaust concentrations of CO, HC and NO of in-use vehicles were reduced markedly. When the emission standard shifted from China I/II to China III, and from China III to China IV/V, the implementation of a stricter emission standard resulted in a reduction of 12%- 15% in the average exhaust concentration of CO of in-use vehicles, while the average concentrations of HC and NO emissions decreased by 13% and 40% respectively. Compared to those in 2003, the average exhaust concentrations of CO, HC and NO of in-use vehicles in Beijing in 2013 decreased by 52.1%, 82.1% and 65.3% respectively, which justified the upgrading of standards as an effective emission purification method. It is recommended that future standards should strengthen the supervision of real-world driving emissions from in-use vehicles, encourage the phasing out and renewal of old models, and intensify the enforcement efforts and punishment of emission cheating behaviors.

Keywords： remote sensing detection; in-use vehicle; vehicle emission; real-world driving

隨著城市的發(fā)展，北京市機動車保有量不斷增加，截止到2016年底已超過580×104輛，機動車排放污染已成為影響空氣質(zhì)量的主要來源. 研究[1]表明，北京市機動車排放的CO、HC、NOx分別占全市污染物總量的86%、32%和56%，PM2.5(細顆粒物)來源中機動車占本地排放源的31.1%，其中機動車排放的HC和NOx在大氣中轉(zhuǎn)化形成的二次顆粒物的貢獻尤為突出.

為了控制機動車排放污染，北京市從1999年起不斷推動新車排放標準升級. 與此同時，北京市還采取了一系列監(jiān)管措施，強化對在用車的排放管理，逐步形成了“以定期排放檢驗為主、道路抽查為輔”的在用車檢測監(jiān)管體系. 北京市于2002年引進遙感排放檢測技術(shù)，到2008年，遙感排放檢測已經(jīng)逐步成為路檢執(zhí)法的重要手段[2- 5]. 2014年5月，公安部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合宣布7座以下小客車新車6年內(nèi)免檢. 此項改革無形中加大了在用車排放監(jiān)管工作的難度，但也凸顯了遙感排放測試作為一種非接觸式測量方法，在當(dāng)前的機動車排放監(jiān)管工作中的重要性和先進性. 目前，常態(tài)化開展機動車遙感排放測試已經(jīng)成為北京市各區(qū)縣環(huán)保工作的內(nèi)容之一，北京市已經(jīng)形成一套較為完善的以遙感排放測試為依托的新型在用車排放監(jiān)管模式.

遙感排放檢測是一種非接觸式的光學(xué)測量手段，可在車輛行駛中直接測量尾氣排放中的各項污染物濃度，在0.7 s的時間內(nèi)就可以獲得通過遙感檢測地點的機動車排放數(shù)據(jù)，同時記錄獲得被測車輛的車速、加速度和車牌照信息[6- 9]. 遙感測試可用于單車排放和車隊排放分布情況的獲取，進而對不同類型車輛排放分擔(dān)率進行計算，或評價排放標準升級的實際效果等. 歐美國家已經(jīng)借助遙感測試，從上述幾個方面對道路行駛機動車的排放狀況開展了大量研究[9- 19]. 相比之下，我國的遙感排放測試研究尚處于起步階段，開展遙感排放測試的目的仍以高排放車篩查為主，針對城市車隊在實際道路行駛工況下的排放特征和排放趨勢的研究還十分缺乏[20- 21].

該研究以2013年3—11月間在北京市朝陽區(qū)開展的在用車遙感排放測試大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對源數(shù)據(jù)進行篩選和分析，對北京市的在用車排放水平進行評價，并將評價結(jié)果分別與北京市2003年和美國洛杉磯市2000年開展的機動車遙感監(jiān)測研究結(jié)果進行對比，以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前在用車排放監(jiān)管工作中存在的差距和不足，以期為在用車排放標準修訂及相關(guān)政策制訂提供參考.

1 研究方法

1.1 機動車遙感排放測試原理及設(shè)備

遙感排放測試是一種光學(xué)檢測方法，機動車尾氣中的各主要污染物(CO、HC、NO)對具有特定波長的光譜有較強的吸收作用，這使得基于光強的濃度檢測成為可能. 如圖1所示，機動車遙感排放測試系統(tǒng)通常由分析系統(tǒng)、行駛狀況檢測系統(tǒng)、車牌信息記錄系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)等四部分組成[22- 23]. 工作時，由光源發(fā)射的測試光束穿過機動車排氣形成的煙羽，經(jīng)布置與道路對面的反射鏡反射后被分析系統(tǒng)中的接收模塊接收. 分析模塊通過比較發(fā)射及吸收光譜，可以計算出CO/CO2、HC/CO2、NO/CO2三組相對值. 借助機動車排氣中主要產(chǎn)物的燃燒方程，計算得到CO、HC和NO實際排放濃度[24- 25].

圖1 機動車遙感測試示意Fig.1 Schematic diagram of vehicle remote sensing test

行駛狀況檢測主要是通過三點測量時間法計算車輛通過測試點時的速度和加速度，用于計算車輛的VSP(vehicle specific power，比功率)，以判斷車輛通過時的狀態(tài)是否適合進行排放達標判定. 車牌信息記錄系統(tǒng)使用攝像機對被測車輛信息進行采集和圖像識別，數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)則將采集到的信息進行處理、存儲并實時顯示[26- 28].

該研究使用的遙感排放測試系統(tǒng)有兩種，分別是安徽寶龍生產(chǎn)的BDH- 1型和美國ESP生產(chǎn)的RSD- 4600型，按規(guī)定使用標準氣體對設(shè)備進行標定.

1.2 數(shù)據(jù)采集

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2013年3—11月間在朝陽區(qū)進行的164 688組測試數(shù)據(jù)，共獲取 121 682 組原始數(shù)據(jù). 依據(jù)DB 11/318—2005《裝用點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物限值及測量方法(遙測法)》中給出的3～22 kW/t的車輛VSP有效性范圍對原始數(shù)據(jù)進行篩選，共提取有效數(shù)據(jù)66 849組. 為體現(xiàn)各種因素影響，測試工作被安排在不同路面和環(huán)境下開展，以盡可能全面地反映北京市典型道路行駛狀況.

獲取的原始/有效數(shù)據(jù)中，國Ⅰ/國Ⅱ機動車共 38 128/21 179 組，國Ⅲ機動車共 46 096/25 353 組，國Ⅳ/國Ⅴ機動車共 37 458/20 317 組. 2013年3—11月測試車輛原始數(shù)據(jù)和有效數(shù)據(jù)的采樣時間分布如表1所示.

表1 2013年3—11月測試車輛原始數(shù)據(jù)和有效數(shù)據(jù)的采樣時間分布

2 結(jié)果與分析

2.1 遙測結(jié)果平均值分析

將1.2節(jié)中篩選后的有效數(shù)據(jù)按照車輛滿足的排放標準劃分為國Ⅰ/國Ⅱ、國Ⅲ和國Ⅳ/國Ⅴ 3個類別，并對各類在用汽油車的CO、HC和NO排放情況進行統(tǒng)計(見表2).

表2 滿足不同排放標準車輛的遙測排放濃度平均值

由表2可見，隨著新車排放標準的不斷升級，通過遙感測試得到的三種常規(guī)污染物排放濃度的平均值均呈持續(xù)下降趨勢. 同滿足國Ⅰ/國Ⅱ標準的車輛相比，滿足國Ⅲ排放標準車輛的CO、HC和NO排放平均濃度分別降低了15.2%、13.0%和37.5%. 而在國Ⅲ標準的基礎(chǔ)上，滿足國Ⅳ/國Ⅴ標準車輛的三種污染物的平均濃度進一步降低了12.4%、13.4%和40.0%. 這一結(jié)果表明，升級新車排放標準對削減在用汽油車排氣污染有直接的推動作用，并且效果十分明顯. 然而值得注意的是，表2中反映的三種污染物的實際減排幅度均不同程度地低于新車排放標準升級過程中法規(guī)限值的收緊程度(見表3)，說明當(dāng)前排放法規(guī)(GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》)測試方法與機動車實際駕駛狀況存在一定的差距，當(dāng)前法規(guī)體系對于車輛的實際駕駛排放約束不足，使得排放標準升級的預(yù)期效果在實際駕駛過程中難以完整地體現(xiàn). 未來排放法規(guī)應(yīng)從測試循環(huán)和排放測試方法等方面加以改進，更加直接地對車輛的實際駕駛排放進行管理. 2016年12月正式頒布的GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[29]中就引入了實際駕駛排放(RDE)的要求.

表3 國Ⅰ～國Ⅴ標準Ⅰ型排放試驗法規(guī)限值

Table 3 Limit values for type Ⅰ test of China-Ⅰ to China-Ⅴ emission standards gkm

表3 國Ⅰ～國Ⅴ標準Ⅰ型排放試驗法規(guī)限值

排放標準COTHC1)NOxTHC+NOx國Ⅰ2.72NA2)NA0.97國Ⅱ2.2NANA0.50國Ⅲ2.30.20.15NA國Ⅳ1.00.10.08NA國Ⅴ1.00.10.060NA

注：1)THC是total hydro carbons的簡稱，指排放的氣體中含有碳氫化合物的總量; 2)NA表示不適用.

2.2 累積排放率分析

分別滿足國Ⅰ/國Ⅱ、國Ⅲ和國Ⅳ/國Ⅴ排放標準車輛CO、HC和NO排放的50%和90%累積排放率及其對應(yīng)的污染物濃度如表4所示. 其中，50%累積排放率所對應(yīng)的污染物濃度被認為是能夠反映滿足某一排放標準車輛平均排放水平的關(guān)鍵指標，而90%累積排放率所對應(yīng)的污染物濃度反映的則是滿足某一標準車輛所排放污染物的濃度上限參考值[30].

表4 滿足不同排放標準車輛CO、HC和NO累積排放率(CER)對比

由表4可見，隨著新車排放標準的升級，滿足國Ⅳ/國Ⅴ標準在用汽油車的各項污染物排放濃度均在國Ⅰ/國Ⅱ和國Ⅲ車輛的基礎(chǔ)上有不同程度的減少. 特別是NO排放，滿足國Ⅳ/國Ⅴ排放標準車輛的50%累積排放率對應(yīng)的污染物濃度較國Ⅰ/國Ⅱ和國Ⅲ標準車輛分別降低了81.3%和56.3%，標準升級所帶來的減排效果十分顯著. 然而，觀察CO和HC排放90%累積排放率所對應(yīng)的污染物濃度可以發(fā)現(xiàn)，排放標準升級對于部分高排放車輛的限制力度有限. 同國Ⅰ/國Ⅱ標準車輛相比，滿足國Ⅳ/國Ⅴ標準車輛90%累積排放率所對應(yīng)的污染物濃度僅降低了20.0%和10.0%. NO的控制效果相對較好，但90%累積排放率對應(yīng)的排放濃度降幅也僅為69.5%，低于50%累積排放率81.3%的降低幅度.

值得注意的是，表4中，無論是滿足國Ⅰ/國Ⅱ、國Ⅲ還是國Ⅳ/國Ⅴ排放標準的車輛，90%累積排放率所對應(yīng)的污染物濃度值均高出50%累積排放率所對應(yīng)的濃度值的10倍有余(對于國Ⅰ/國Ⅱ的CO排放，該倍數(shù)為8.1)，考慮到正常工作的三元催化器對污染物的轉(zhuǎn)化效率一般高于90%[31- 32]，對比結(jié)果表明，在用汽油車中的高排放問題主要是由于三元催化器失效引起的.

2.3 遙感排放測試結(jié)果對比

北京市2002年9月—2003年3月、2013年3—11月和美國洛杉磯市2000年5月30—6月6日間機動車遙感排放測試的結(jié)果對比如表5所示. 對比北京市2003年和2013年的遙測數(shù)據(jù)可以看出，在新車排放標準升級和在用車管理制度完善的促動下，2013年北京市在用汽油車CO、HC和NO排放平均濃度分別在2003年的基礎(chǔ)上下降了52.1%、82.1%和65.3%. 對比表2、3、5中的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，只有表5中CO和HC排放的削減水平接近或超越了NO排放，這主要是由于，2003年北京市在用汽油車構(gòu)成仍以化油器和國Ⅰ標準車輛為主，行駛過程中的CO和HC排放速率較高；而到了2013年，滿足國Ⅲ及以上標準的車輛已經(jīng)成為北京市在用汽油車的主體，絕大多數(shù)老舊化油器車型都被淘汰，因而大幅削減了在用車的CO和HC排放.

表5 北京及洛杉磯遙感排放測試結(jié)果對比

與美國洛杉磯市2000年采集的遙感測試結(jié)果相比，北京市2013年在用汽油車的CO排放控制水平仍與之存在著較大的差距(約是其1.86倍)，但是北京市2013年的HC和NO平均排放濃度分別較洛杉磯市2000年低41.7%和42.9%. 導(dǎo)致北京市2013年在用汽油車CO排放高于洛杉磯市2000年水平的原因可能有以下幾方面：①北京市清潔排放車輛在總體中的占比仍不及洛杉磯市；②北京市的遙測點主要布置在交通較為擁堵的市區(qū)道路，并且道路往往帶有較大坡度，頻繁加減速和發(fā)動機大負荷運轉(zhuǎn)使車輛的CO排放增加；③北京市的年均氣溫較洛杉磯低5～10 ℃，更長時間的低溫運行導(dǎo)致車輛的CO排放偏高.

除此之外，表5中還給出了北京市2003年、2013年測試及洛杉磯市2000年測試中前10%高排放車輛對總體排放貢獻率的數(shù)據(jù). 前10%高排放車貢獻率是指全部受檢車輛中排放最為惡劣的10%車輛的排放在總體排放中所占的比例，10%高排放車貢獻率越大，表明該地區(qū)在用機動車的排放控制水平越高，反之，則說明該地區(qū)車隊整體排放水平越差. 對比北京市和洛杉磯市的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，除了2013年遙測中的NO排放外，北京市前10%高排放車貢獻率均較大程度地低于洛杉磯市2000年的水平，說明北京市對在用汽油車的CO和HC排放的管理仍有很大的提升空間.

這一現(xiàn)象也值得進行反思，在2003—2013年的10年間，北京市將汽油車新車標準從國Ⅱ提升至國Ⅴ，是全球范圍內(nèi)標準進步最快的地區(qū)；北京市的在用汽油車結(jié)構(gòu)也從以化油器為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐試?、國Ⅳ車輛為主，新車的排放控制水平已經(jīng)達到了較好的程度. 然而，這些措施并未使得前10%高排放車貢獻率大幅提升，在用車總體的排放水平仍然較差. 這從另一個側(cè)面暗示，在快速提升新車標準的同時，我國需要大幅度加強對在用車排放的監(jiān)管，使之與新車標準升級的步伐相稱. 只有這樣，才能更好地發(fā)揮新車標準升級的作用，削減機動車排放，減少重污染天氣發(fā)生的頻率.

3 結(jié)論

a) 隨著新車排放標準的升級，在用車實際排放污染物的濃度呈持續(xù)降低的趨勢. 新車排放標準的每次升級，在用車CO排放濃度的降幅為12%～15%，HC排放濃度的降幅在13%左右，NO排放濃度的降幅近40%. 但在用車污染物實際濃度的降幅與新車標準排放限值的降幅不匹配，從另一個側(cè)面表明當(dāng)前的新車排放法規(guī)尚未直接反映機動車的實際駕駛排放，進一步證明了在新車排放標準中引入實際駕駛排放要求的迫切性.

b) 無論在哪一階段，新車排放標準升級對高排放車群體的監(jiān)管效果都十分有限. 導(dǎo)致車輛產(chǎn)生高排放的主要原因是排氣后處理裝置失效，或者出廠時就沒有使用合格的三效催化劑，相關(guān)監(jiān)管部門應(yīng)當(dāng)進一步加大遙感測試和路檢的力度，引導(dǎo)老舊機動車更新?lián)Q代，或者更新三元催化劑，嚴厲處罰機動車排放造假的企業(yè)和個人.

c) 2013年北京市實際道路機動車CO、HC和NO排放平均濃度分別較2003年降低了52.1%、82.1%和65.3%，排放標準升級的效果十分顯著. 但是和美國洛杉磯市2000年的水平相比，北京市前10%高排放車的貢獻率仍然偏低，說明北京市在用汽油車CO和HC排放的管理仍有待進一步強化和細化.

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[33] 周昱,傅立新,楊萬順,等.北京市機動車排放遙感監(jiān)測分析[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2005,6(10):91- 94.

Evaluation of Real-World Driving Emissions from In-Use Vehicles Using Remote Sensing Detection

LIU Jia1,2,3, YIN Hang3*, GE Yunshan1,2, WANG Xin1,2, HUANG Ying1,2

1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China 2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing 100081, China 3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

X87

1001- 6929(2017)10- 1607- 06

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.92

2016-11-15

2017-07-11

國家重點研發(fā)計劃大氣污染成因與控制技術(shù)研究專項(2016YFC0208005)；青海省科技項目(2013-J-A4)

劉嘉(1981-)，男，北京人，工程師，博士，主要從事機動車污染與排放控制研究，liujia@vecc-mep.org.cn.

*責(zé)任作者，尹航(1973-)，男，河北井陘人，副研究員，博士，主要從事機動車污染與排放控制、機動車排放標準制訂及政策研究，yinhang@vecc-mep.org.cn

劉嘉,尹航，葛蘊珊,等.遙感法用于車輛實際道路行駛污染狀況評估[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(10):1607- 1612.

LIU Jia,YIN Hang,GE Yunshan,etal.Evaluation of real-world driving emissions from in-use vehicles using remote sensing detection[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(10):1607- 1612.