劉篤優(yōu)，馬 堯，門正宇，張 靜

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 汽車試驗(yàn)研究所，天津 300300；2.南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 城市交通污染防治研究中心，天津 300071；3.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)結(jié)構(gòu)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，環(huán)境污染治理技術(shù)不斷發(fā)展，各種環(huán)境污染治理措施得以實(shí)施，大氣污染加劇的態(tài)勢(shì)逐漸得到遏制，SO2、NOx、PM2.5和PM10等大氣污染物質(zhì)的年均值濃度呈逐年下降趨勢(shì)，環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的城市比例也逐步上升。但是，相較于大部分歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，目前我國(guó)大氣污染程度仍較為嚴(yán)重，尤其是PM2.5和PM10濃度嚴(yán)重超標(biāo)。根據(jù)《2018年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》[1]，2018年全國(guó)338個(gè)地級(jí)及以上城市中，217個(gè)城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)，發(fā)生重度污染1899天次，嚴(yán)重污染822天次，其中以PM2.5和PM10為首要污染物的天數(shù)分別占重度及以上污染天數(shù)的60.0%和37.2%。PM2.5和PM10濃度分別為39 μg/m3和71 μg/m3，超標(biāo)天數(shù)比例分別為9.4%、6.0%。

應(yīng)環(huán)保部的要求，全國(guó)各地陸續(xù)開展PM2.5排放源的解析研究，結(jié)果顯示，機(jī)動(dòng)車排放污染已成為繼燃煤和工業(yè)污染之后的又一大污染源。其中，機(jī)動(dòng)車排放是北京、上海、杭州、廣州和沈陽(yáng)等大型城市PM2.5的最大貢獻(xiàn)源。一直以來(lái)，科研工作者們普遍將機(jī)動(dòng)車尾氣排放作為其研究的重要領(lǐng)域，相較之下忽視了對(duì)于機(jī)動(dòng)車非尾氣排放的研究。隨著更為嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，新能源汽車的大力推廣和優(yōu)先發(fā)展公共交通系統(tǒng)等一系列措施的落實(shí)，機(jī)動(dòng)車尾氣排放得到較為良好的控制，這就更加凸顯了控制汽車非尾氣排放的重要性。REXIES 等[2]利用Network Emission Model（NEMO）對(duì)奧地利機(jī)動(dòng)車污染物排放情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，基于未來(lái)15年內(nèi)非尾氣排放水平不會(huì)改變的前提下，非尾氣排放顆粒物占機(jī)動(dòng)車排放顆粒物總量的比例將由2000年的50%上升至2020年的80%～90%。J?R?等[3]將污染物排放源的活動(dòng)率與排放系數(shù)相結(jié)合，對(duì)德國(guó)污染物排放情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果顯示機(jī)動(dòng)車磨損排放對(duì)機(jī)動(dòng)車排放PM2.5的貢獻(xiàn)率將由2000年的25%上升至2020年的70%，PM10的貢獻(xiàn)率將由2000年的40%上升至2020年的80%，總體粉塵排放的貢獻(xiàn)率將由2000年的50%上升至2020年 的87%。DENIER VAN DER GON等[4]總結(jié)了眾多學(xué)者的研究成果，在非尾氣排放顆粒物將成為機(jī)動(dòng)車顆粒物排放主要污染源研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，提出亟需對(duì)非尾氣排放物的組成及其對(duì)人體健康的危害性進(jìn)行深入研究，以呼吁立法機(jī)構(gòu)盡快建立標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，控制機(jī)動(dòng)車非尾氣排放。

在機(jī)動(dòng)車非尾氣排放中，制動(dòng)磨損是重要的顆粒物貢獻(xiàn)源。HARRISON等[5]對(duì)英國(guó)某地區(qū)的機(jī)動(dòng)車非尾氣排放顆粒物來(lái)源進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明制動(dòng)粉塵對(duì)非尾氣排放顆粒物的貢獻(xiàn)率約為55.3%。BUKOWIECKI等[6-7]對(duì)瑞士某些典型地區(qū)展開機(jī)動(dòng)車排放顆粒物研究，指出制動(dòng)磨損顆粒對(duì)交通相關(guān)PM10排放（包括尾氣和非尾氣）的質(zhì)量貢獻(xiàn)率在15%～21%，而在制動(dòng)較少的高速公路上這個(gè)比例會(huì)明顯減小。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)制動(dòng)磨損顆粒物的排放特征研究較少，相關(guān)的參考數(shù)據(jù)缺乏，也沒(méi)有相關(guān)的法律法規(guī)來(lái)控制制動(dòng)磨損顆粒物的排放。

本研究選取汽車市場(chǎng)上常見(jiàn)的幾款車型的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，分析其磨損過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒物數(shù)量與質(zhì)量的濃度特征，以期初步了解機(jī)動(dòng)車在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生顆粒物的排放情況，為進(jìn)一步研究制動(dòng)磨損顆粒物的排放提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

汽車制動(dòng)襯片材料對(duì)制動(dòng)磨損排放顆粒物有很大影響，為了便于分析，本研究通過(guò)調(diào)研選取5種國(guó)內(nèi)保有量較大的A級(jí)轎車（包括國(guó)產(chǎn)品牌和進(jìn)口品牌），購(gòu)置了5套原裝配套右前制動(dòng)總成進(jìn)行測(cè)試。各樣品的品牌所屬地、制動(dòng)襯片外觀及制動(dòng)襯片面積見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

制動(dòng)襯片磨損試驗(yàn)是利用TS102B汽車制動(dòng)器慣性試驗(yàn)臺(tái)架（制動(dòng)臺(tái)架）對(duì)車輛多種制動(dòng)模式進(jìn)行模擬。該制動(dòng)臺(tái)架可以準(zhǔn)確控制制動(dòng)初速度、制動(dòng)減速度，并控制監(jiān)測(cè)制動(dòng)盤溫度，從而可以準(zhǔn)確控制每一個(gè)測(cè)試工況。

圖1 制動(dòng)磨損試驗(yàn)裝置

為了減少外界環(huán)境空氣中顆粒物對(duì)試驗(yàn)的影響，借鑒IIJIMA等[8]的方法，在制動(dòng)器（包括制動(dòng)襯片、制動(dòng)盤和卡鉗）外加一個(gè)密封有機(jī)玻璃艙（500 mm×600 mm×1000 mm，W×D×H），并在進(jìn)風(fēng)口裝高效空氣過(guò)濾器（HEPA），如圖1所示。抽氣泵（配恒流速控制器）與密封艙連接，氣流經(jīng)HEPA過(guò)濾進(jìn)入密封艙，攜帶制動(dòng)襯片磨損所排放的顆粒物（Filtered air with dust）進(jìn)入管路（Tunnel），同時(shí)連接在管路上的監(jiān)測(cè)儀器與采樣儀器對(duì)氣流中的顆粒物進(jìn)行測(cè)試和采集。根據(jù)HAGINO等[9]的研究，氣體流量在0.5～5 m3/min之間時(shí)，流量大小對(duì)制動(dòng)磨損排放顆粒物的排放速率無(wú)明顯影響，因此，本研究將恒流抽氣泵的風(fēng)速設(shè)為6 m/s。

監(jiān)測(cè)儀器使用芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的荷電低壓沖擊器（Electrical Low Pressure Impactor Plus，ELPI+），它基于慣性撞擊分離的原理，實(shí)時(shí)測(cè)量空氣中顆粒物粒徑譜的分布和質(zhì)量濃度。ELPI+的撞擊器將6 nm～10 μm顆粒物分為14級(jí)，前13級(jí)測(cè)量17 nm～10 μm顆粒物，最后一級(jí)為過(guò)濾段，收集6～17 nm的顆粒物。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

制動(dòng)磨損試驗(yàn)工況是通過(guò)組合制動(dòng)初速度（V，km/h）、制動(dòng)減速度（D，m/s2）和制動(dòng)初溫（T，℃）（制動(dòng)開始時(shí)制動(dòng)盤的溫度）來(lái)確定的。城市道路常見(jiàn)限速為40 km/h和60 km/h，快速路一般限速80 km/h，高速公路限速120 km/h。為了全面了解各種工況條件下制動(dòng)排放顆粒物的情況，本研究選擇了5個(gè)制動(dòng)初速度（V=40、60、80、100和120 km/h），5個(gè)減速度（D=1、2、3、5和7 m/s2）和5個(gè)制動(dòng)初溫（T=100、150、200、250和300 ℃）進(jìn)行組合試驗(yàn)，共29個(gè)工況，每個(gè)工況重復(fù)測(cè)試4次。工況編號(hào)（No.）所對(duì)應(yīng)的V、D和T值見(jiàn)表2。

表2 制動(dòng)磨損試驗(yàn)工況

2 結(jié)果與討論

2.1 制動(dòng)磨損顆粒物的粒徑分布

圖2為制動(dòng)磨損過(guò)程中密封艙內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度隨工況變化情況的示例（PM，Particulate Mass，表示顆粒物質(zhì)量；PN，Particulate Number，表示顆粒物數(shù)量）。由圖可知，每個(gè)工況結(jié)束密封艙內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度均出現(xiàn)2個(gè)尖峰，即在整個(gè)過(guò)程中有兩次顆粒物排放過(guò)程。其中，第1個(gè)峰的出現(xiàn)是由制動(dòng)盤與制動(dòng)襯片之間的碰撞與摩擦造成，第2個(gè)峰是由于磨損顆粒與制動(dòng)襯片表面分離而產(chǎn)生，該現(xiàn)象與其它研究成果相似[10]。一個(gè)制動(dòng)過(guò)程結(jié)束后密封艙內(nèi)顆粒物濃度在一定時(shí)間內(nèi)回到背景值濃度，說(shuō)明抽風(fēng)機(jī)可將艙內(nèi)大部分顆粒物排出，使密封艙內(nèi)空氣保持潔凈。每個(gè)工況磨損產(chǎn)生的PM2.5和PM2.5-10的濃度峰值和數(shù)量峰值之間存在較大的差異，這說(shuō)明每個(gè)工況排放顆粒物的量存在差異。

圖2 制動(dòng)磨損過(guò)程中密封艙內(nèi)顆粒物濃度隨工況變化情況

由圖可知，整個(gè)制動(dòng)過(guò)程所排放顆粒物的量（Q，mg/braking/wheel）為整個(gè)排放過(guò)程的累積，即艙內(nèi)顆粒物濃度開始上升（t0）至顆粒物濃度回到背景濃度水平（t1）時(shí)間段內(nèi)的累積，計(jì)算方法定義如式（1）所示[11]：

式中：V'為管路風(fēng)速，6 m/s；S為管路橫截面積，0.011 31 m2；Ct為每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的濃度，μg/m3。

2.1.1 粒徑的質(zhì)量分布

5個(gè)樣品磨損排放顆粒物的質(zhì)量均主要以粒徑較大的顆粒物為主導(dǎo)（圖3）。粒徑小于0.5 μm的顆粒物占總顆粒物質(zhì)量的0.1%～0.7%，平均占0.38%；粒徑在0.5～3.0 μm的顆粒物占總顆粒物質(zhì)量的33.11%～60.11%，平均占49.09%；粒徑在3.0～8.11 μm的顆粒物占總顆粒物質(zhì)量的39.54%～66.80%，平均占49.72%；粒徑0.5～8.11 μm的顆粒物累積占總顆粒物質(zhì)量的99%以上。

GARG等[12]對(duì)不同的制動(dòng)襯片進(jìn)行制動(dòng)磨損顆粒物排放試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磨損排放的顆粒物中PM2.5的質(zhì)量占總顆粒物的63%，PM10占總顆粒物的86%，且有33%的顆粒物的粒徑小于0.1 μm。SANDERS等[11]的研究結(jié)果與之相似，其結(jié)果標(biāo)明PM10的質(zhì)量占總顆粒物的70%～90%。IIJIMA等[10]的研究中PM2.5占總制動(dòng)磨損顆粒物質(zhì)量的12%～36%，接近城市路況的制動(dòng)條件下該比例偏高。EMEP/CORINAIR排放清單指南中指出制動(dòng)磨損產(chǎn)生的顆粒物中，PM2.5所占比例為39%，而PM10占比98%[13]，這與本研究結(jié)果較為相近。ABU-ALLABAN等[14]進(jìn)行的機(jī)動(dòng)車排放顆粒物采集試驗(yàn)結(jié)果顯示制動(dòng)磨損對(duì)于PM10排放的貢獻(xiàn)率較高，且明顯高于制動(dòng)磨損對(duì)PM2.5排放的貢獻(xiàn)率。

圖3 各粒徑段顆粒物的質(zhì)量占比

2.1.2 粒徑的數(shù)量分布

由于制動(dòng)磨損產(chǎn)生的顆粒物中有很大一部分分布在較小的粒徑范圍內(nèi)，所以制動(dòng)磨損排放顆粒的數(shù)量粒徑分布也是非常重要的。各種工況下顆粒物的數(shù)量粒徑分布趨勢(shì)較為相似，圖4為部分工況下制動(dòng)磨損排放顆粒物的數(shù)量粒徑分布圖。由圖可知，對(duì)于各樣品和工況，在ELPI+的測(cè)量范圍內(nèi)，顆粒物的粒徑為0.01 μm（10 nm）時(shí)顆粒物數(shù)量最大，粒徑在0.01～0.2 μm范圍內(nèi)，顆粒物數(shù)量呈下降趨勢(shì)，粒徑在0.2～1.0 μm范圍內(nèi)，顆粒物數(shù)量呈上升趨勢(shì)，在1 μm左右處達(dá)到另一個(gè)峰值。本研究中，制動(dòng)磨損顆粒物的數(shù)量成雙峰分布，一個(gè)位于成核模態(tài)（Dp＜10 nm），另一個(gè)在積聚模態(tài)，峰值粒徑分別為＜10 nm和1 μm。

由以上分析可知，制動(dòng)磨損排放顆粒物的數(shù)量主要以超細(xì)顆粒物（Dp＜0.1 μm）為主（圖5）。

其中，成核模態(tài)顆粒物數(shù)量占PM10總數(shù)量的46.52%～73.50%，平 均 占60.11%；粒 徑 在10 nm～0.1 μm的顆粒物數(shù)量占12.21%～39.79%，平均占22.04%；粒徑在0.1～1.0 μm的顆粒物數(shù)量占1.23%～29.58%，平均占14.04%；粒徑在1.0～8.11 μm的顆粒物數(shù)量占0.45%～9.27%，平均占3.81%。超細(xì)顆粒物的數(shù)量占PM10總數(shù)量的61.12%～98.31%，平均占82.15%。

圖4 制動(dòng)磨損排放顆粒物數(shù)量分布

圖5 各粒徑段顆粒物的數(shù)量占比

2.2 制動(dòng)磨損顆粒物排放的影響因素分析

2.2.1 制動(dòng)初速度對(duì)顆粒物排放量的影響

圖6 PM2.5排放速率與制動(dòng)初速度的擬合結(jié)果

圖7 PM10排放速率與制動(dòng)初速度的擬合結(jié)果

在制動(dòng)減速度和制動(dòng)初溫（T=100 ℃）一定時(shí)，對(duì)制動(dòng)初速度（V）與PM2.5和PM10的排放速率之間的關(guān)系進(jìn)行了擬合，結(jié)果如圖6和圖7所示（對(duì)No.1試驗(yàn)組，排放速率對(duì)應(yīng)右側(cè)縱坐標(biāo)軸，其它試驗(yàn)組排放速率對(duì)應(yīng)左側(cè)縱坐標(biāo)軸）。由圖可知，在減速度一定時(shí)，隨著制動(dòng)初速度的增大，PM2.5和PM10的排放速率也隨之增大。除No.2制動(dòng)條件外，其它樣品的制動(dòng)初速度與PM2.5排放速率之間具有較好的線性關(guān)系（R2＞0.91，P＜0.05）。對(duì)于PM10，除No.4在減速度為3 m/s2和5 m/s2時(shí)擬合效果較差外，其它樣品的制動(dòng)初速度與PM10排放速率成二次函數(shù)關(guān)系（R2＞0.94，P＜0.05）。

制動(dòng)初速度V與PM2.5和PM10的排放速率之間的關(guān)系可由式（2）表示，單次制動(dòng)排放量PE由式（3）表示。

式中：ER表示排放速率，mg/s；a和b為系數(shù)，當(dāng)PM2.5與V為線性關(guān)系時(shí)，b均為0；Vt為末速度，km/h，本研究中末速度均為0；D為平均減速度，m/s2；C為常數(shù)項(xiàng)。

2.2.2 減速度對(duì)顆粒物排放速率的影響

在制動(dòng)初速度（V，km/h）和制動(dòng)初溫（T=100℃）一定時(shí)，對(duì)制動(dòng)減速度與PM2.5和PM10的排放速率之間的關(guān)系進(jìn)行了擬合，結(jié)果如圖8和圖9所示。樣品No.1在初速度為80 km/h時(shí)PM2.5的排放速率與制動(dòng)初速度的擬合度R2為-0.876，擬合效果較差，其它工況的R2均在0.815以上；No.1樣品在初速度為60 km/h和80 km/h時(shí)PM10排放速率與減速度的擬合度R2分別為0.359和-0.588，擬合效果較差，其它工況R2均在0.895以上。由此可認(rèn)為，減速度與PM2.5和PM10的排放速率之間有較好的二次函數(shù)關(guān)系，排放速率和PE可由式（4）和（5）表示。

所以，當(dāng)制動(dòng)初速度和制動(dòng)初溫一定時(shí)，不同品牌的樣品在試驗(yàn)過(guò)程中顆粒物的排放速率與減速度符合二次函數(shù)關(guān)系。

2.2.3 制動(dòng)初溫對(duì)顆粒物排放量的影響

圖10為制動(dòng)初速度和減速度一定的情況下，制動(dòng)初溫（T）與PM2.5和PM10的PE之間的函數(shù)擬合圖和相關(guān)參數(shù)。除了No.4樣品的PE與制動(dòng)初溫的擬合度R2較低之外，其余3個(gè)樣品的擬合度R2均在0.960以上。由此可認(rèn)為，樣品No.3、No.1和No.5的制動(dòng)初溫與PM2.5和PM10的排放之間有較好的二次函數(shù)關(guān)系。

圖8 PM2.5排放速率與減速度的擬合結(jié)果

圖9 PM10排放速率與減速度的擬合結(jié)果

圖10 PM2.5和PM10單次制動(dòng)排放量與制動(dòng)初溫的擬合結(jié)果

3 結(jié)論

本研究對(duì)不同制動(dòng)初速度、制動(dòng)減速度、制動(dòng)初溫條件下，制動(dòng)磨損排放顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從而獲得了各制動(dòng)襯片樣品的質(zhì)量和數(shù)量粒徑分布。利用各工況條件下顆粒物的排放量，建立了制動(dòng)初速度、減速度和制動(dòng)初溫與PM2.5和PM10的多元線性關(guān)系，并對(duì)各影響因素單獨(dú)作用對(duì)顆粒物排放的影響進(jìn)行了分析。

（1）制動(dòng)磨損顆粒物的質(zhì)量在0.01～8.11 μm范圍內(nèi)成單峰分布，峰值粒徑在2～5 μm或＞8.11 μm處，0.5～3.0 μm的顆粒物平均占總顆粒物質(zhì)量的49.09%；粒徑在3.0～8.11 μm的顆粒物平均占總顆粒物質(zhì)量的49.72%。

（2）磨損排放顆粒物的數(shù)量成雙峰分布，一個(gè)位于成核模態(tài)，另一個(gè)在積聚模態(tài)，峰值粒徑分別為＜10 nm和1μm；成核模態(tài)顆粒平均占PM10總數(shù)量的60.11%，超細(xì)顆粒物平均占82.15%。

（3）制動(dòng)初速度對(duì)制動(dòng)磨損顆粒物質(zhì)量影響最大，而減速度與制動(dòng)初溫對(duì)不同制動(dòng)襯片樣品的影響卻不盡相同。制動(dòng)初速度和減速度與顆粒物排放速率呈二次函數(shù)關(guān)系，而制動(dòng)初溫與顆粒物單次制動(dòng)排放量呈二次函數(shù)關(guān)系。