碳達峰目標下的汽車顆粒物排放及控制

李新

（武昌首義學院機電與自動化學院，湖北武漢 430064）

引言

在大氣PM2.5來源解析中，汽車顆粒物排放占據(jù)著重要地位；從近年研究數(shù)據(jù)來看，受工業(yè)化水平及地域條件等影響，PM2.5貢獻率基本在10%～27%的水平[1-5]。汽車排放顆粒物可分為兩類：一類是傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動機工作過程中由燃燒產(chǎn)生的尾氣顆粒物（Exhaust Emission，EE），另一類是汽車在運行過程中由制動器磨損、輪胎與路面磨損以及路面揚塵等帶來的非尾氣顆粒物（Non-Exhaust Emission，NEE）。隨著汽車產(chǎn)業(yè)碳達峰目標的提出[6]（中國于2028 年左右達到峰值），汽車產(chǎn)品結(jié)構的變化將給汽車顆粒物控制帶來新的挑戰(zhàn)。

汽車碳排放涵蓋汽車生產(chǎn)、使用、報廢整個生命周期過程，其中使用階段由汽柴油等化石燃料燃燒所產(chǎn)生的碳排放占到了90%以上[7]。因此，碳達峰路徑中首要的就是降低燃油汽車保有量占比，大力發(fā)展以純電動汽車為代表的新能源汽車。其次，要持續(xù)降低汽車油耗水平。再次，要從合理優(yōu)化配置交通資源、強化交通管理的角度降低汽車碳排放。

上述碳達峰路徑措施使汽車顆粒物排放呈現(xiàn)三個新的特征：一是電動汽車的發(fā)展強化了對非尾氣顆粒物排放的重視；二是油耗的降低改變了顆粒物排放特征，如燃油發(fā)動機先進技術的應用改變了尾氣顆粒物性質(zhì)，汽車小型化、輕量化降低了整體顆粒物排放等；三是交通運輸管理的提升改變了顆粒物排放的時空分布及排放量。結(jié)合當前新能源汽車保有量占比較低這一現(xiàn)狀，以及傳統(tǒng)燃油汽車退出時間——中國預計在2050 年才能實現(xiàn)傳統(tǒng)燃油車的全面退出[8]，碳達峰目標下的汽車顆粒物排放問題仍需從尾氣與非尾氣兩個方面加以解決。針對新特征，突出和加快非尾氣顆粒物排放的控制，從政策法規(guī)、工程技術、交通管理三個方面強化重點區(qū)域、重點時段、重點領域的綜合治理。

1 顆粒物排放標準

為減少尾氣顆粒物排放對大氣的污染，許多國家和地區(qū)都以立法的形式加強控制（圖1）。

圖1 輕型汽車尾氣顆粒物排放法規(guī)的發(fā)展[10,11]

法規(guī)的發(fā)展有效降低了單車尾氣顆粒物排放量。就輕型車而言，尾氣顆粒物排放限值從10 年前的25 mg/km（國4 第一類車）下降到了現(xiàn)在的4.5 mg/km（國6a 第一類車），降幅達82%。為滿足法規(guī)要求，各大汽車廠商持續(xù)加大研發(fā)力度，不斷從發(fā)動機技術、尾氣后處理技術等多角度入手，降低顆粒物排放。雖然近10 年來，我國汽車保有量持續(xù)增長，由2009 年的6209.4 萬輛，增長到了2020 年28 100 萬輛，但顆粒物排放一直處于相對穩(wěn)定水平。同時，法規(guī)的發(fā)展實施引起整個市場的結(jié)構性調(diào)整，沖擊行業(yè)產(chǎn)出，影響市場需求，從降低汽車保有量、減少汽車實際行駛里程兩個方面有效降低顆粒物排放[9]。

與尾氣顆粒物排放不同，非尾氣顆粒物排放在成分的界定、測試方法的確定以及顆粒物的收集上都存在一定難度，給法規(guī)的制定帶來很大困難，造成了相關標準的缺失。隨著全球汽車電動化趨勢的加快，各國對于非尾氣顆粒物排放問題的關注越來越高，相關法規(guī)的制定步伐正在逐步加快。美國早在1983 年就開始研究評估制動磨損顆粒物，福特、通用等汽車公司在制動磨損顆粒物測試等方面已展開深入研究與開發(fā)；歐盟在2018 年發(fā)布了制動測試循環(huán)（WLTCnovel），旨在建立一種通用的制動器磨損顆粒的取樣和測量方法，預計明年發(fā)布相關標準；日本已經(jīng)發(fā)布了乘用車制動磨損PM 法規(guī)JASO C470—2020，并開發(fā)了乘用車輪胎粉塵排放測量方法[12-15]。

2 尾氣顆粒物排放及其控制

汽車碳達峰的過程也是產(chǎn)品結(jié)構升級的過程。雖然新能源汽車發(fā)展迅猛，但從保有量來看（圖2），2020 年占比僅1.75%。中國汽車工程學會2020 年10月發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》提出要到2035 年，節(jié)能汽車與新能源汽車年銷售量各占50%。因此，大量汽/柴油車產(chǎn)生的尾氣顆粒物排放問題依然需要引起足夠重視。

圖2 我國新能源汽車保有量占比[21]

從近幾年不同車型顆粒物排放分擔率來看，國3、國4 車型是當前顆粒物排放的主力軍，顆粒物排放分擔率2017 年分別達到68.6%、17.2%[16]，2018 年分別達到68.7%、18.4%[17]，2019 年分別達到61.7%、20.6%[18]。一方面，隨著滿足更高排放標準汽車比例的增加，低排放標準汽車的退出，汽車尾氣顆粒物總體排放量會有所改觀。另一方面，汽車保有量不斷增加，而且隨著車輛里程數(shù)的增加，單車尾氣顆粒物排放因子會逐步增大[19,20]，這就削弱了高排放標準汽車的減排作用。

傳統(tǒng)燃油車尾氣顆粒物排放水平與燃油、潤滑油、發(fā)動機運行工況、汽車行駛環(huán)境、排氣后處理裝置的應用相關聯(lián)，其成分基本由硫酸鹽、硝酸鹽、有機組分、碳組分和灰分5 部分組成（圖3）。在碳組分即碳顆粒的表面上附著有金屬及一些毒性物質(zhì)，如多環(huán)芳烴類，能夠引發(fā)癌癥，導致基因突變。

圖3 汽車尾氣顆粒物成分[27]

隨著渦輪增壓、缸內(nèi)直噴等先進發(fā)動機技術的應用，排氣中顆粒物的粒徑顯著下降，其成分與形態(tài)等都發(fā)生了較大變化。粒徑的變小及成分的變化加劇了對人類健康的危害。崔亮[22]等的研究表明，國6 汽車的顆粒物排放水平與國5 汽車相比，雖然從（8.81±2.92）mg/km 下降到了（1.51±0.35）mg/km，但其毒性卻要高于國5 汽車。

除了排氣管中直接排入大氣中的顆粒物（一次顆粒物）外，發(fā)動機工作過程中產(chǎn)生的SO2、NOx、可揮發(fā)性有機物（VOCs）等氣態(tài)物質(zhì)還會在大氣中經(jīng)稀釋冷凝或與其他物質(zhì)發(fā)生物理化學反應生成二次顆粒物[23]。這些顆粒物一方面通過呼吸系統(tǒng)進入人體危害人類健康，另一方面還會通過降水淋洗或降水溶解等作用進入水環(huán)境中，危害水生生物[22]。

2.1 柴油車顆粒物排放及控制

各類車型中，柴油車保有量占比雖然不高，2017年、2018 年、2019 年分別為10%、9%、9%，卻分擔了近99%的顆粒物排放量[16-18]，并且顆粒物排放數(shù)量也遠超汽油車。在柴油車集中的商用車領域，我國2020 年商用車銷量中，新能源汽車占比僅為2.36%，純電動汽車占比僅為2.26%。因此，碳達峰過程中應加強商用車領域的電動化，加速對柴油車的替代。

碳煙是柴油機排氣顆粒物的主要組成部分，質(zhì)量占比一般在50%～80%[24]。在油氣混合不均勻的情況下，燃油在高溫缺氧環(huán)境中裂解生成不飽和碳氫化合物、聚合物和多環(huán)芳烴等前驅(qū)物，然后再經(jīng)成核、表面生長、團聚等過程形成碳煙顆粒[25,26]。通過提高燃油噴射壓力促進形成更為均勻的混合氣、優(yōu)化燃燒室結(jié)構改善缸內(nèi)氣流運動促進充分燃燒，以及采用新型燃燒方式（HCCI、PCCI、LTC）等可以有效減少碳煙的產(chǎn)生。但單靠機內(nèi)凈化技術已不能達到法規(guī)要求，必須將燃油技術、機內(nèi)凈化技術與尾氣后處理技術三個方面有機結(jié)合起來。

在排放法規(guī)不同實施階段，綜合考慮NOx等各項污染物整體排放以及各地區(qū)之間的差異，與之對應的顆粒物處理技術路線也有所不同。進入國6 標準實施階段后，由于排放限值的進一步降低，尾氣后處理裝置的地位得到了進一步強化，氧化催化器（DOC）+顆粒物捕集器（DPF）+選擇催化還原（SCR）成為主流技術路線，DPF 則是控制顆粒物排放的關鍵因素。

DPF 在結(jié)構形式上一般采用相間堵孔的壁流式蜂窩結(jié)構，材料基本選用堇青石、SiC 和鈦酸鋁。DPF對顆粒物的去除效果較好，捕集效率能達到90%以上，但捕集后顆粒物的去除——DPF 再生是實際運行過程中面臨的最大挑戰(zhàn)。DPF 再生可分為主動再生和被動再生兩類。主動再生是指通過燃燒或逆向噴氣等方式去除掉DPF 中捕集到的顆粒物；被動再生是指在DPF 上涂覆催化劑（CDPF）或在燃油中添加催化劑（FBC），降低顆粒物起燃溫度，利用發(fā)動機排氣自身條件氧化去除捕集到的顆粒物。相較于被動再生，主動再生對燃油的要求較低，再生效率高，應用較多；通常采取噴油助燃的形式來實現(xiàn)，即在DPF 前布置一段DOC，通過在DOC 前噴射柴油，經(jīng)DOC 氧化升溫后，加熱排氣溫度到顆粒物起燃溫度（600℃左右）來再生DPF。DPF 再生過程中，還有一部分顆粒物是不能夠通過燃燒方式去除的，稱為灰分，目前只能通過下線反吹形式加以去除?；曳种饕怯砂l(fā)動機潤滑油產(chǎn)生，其成分大部分為含鈣、鎂、鋅的硫酸鹽、磷酸鹽及氧化物等物質(zhì)[27]。為加大DPF 儲灰能力，提高系統(tǒng)耐久性，非對稱結(jié)構的DPF—ACT 是目前研究的熱點（圖4）。通過擴大DPF 尾氣進口通道面積來提高灰分的存儲量，降低灰分對排氣阻力的影響，提高DPF 使用壽命。

圖4 非對稱孔道DPF

2.2 汽油車尾氣顆粒物排放及控制

由于排放量較低，汽油車尾氣顆粒物直到國5 階段才有質(zhì)量排放限值，國6 階段對汽油車尾氣顆粒物排放限值也做出了明確規(guī)定（6.0×1011個/km）。隨著缸內(nèi)直噴技術（Gasoline Direct Injection，GDI）的廣泛應用，汽油車尾氣顆粒物排放問題越來越受到重視。GDI 汽車燃油直接噴入氣缸，導致油氣混合不均勻和燃油濕壁現(xiàn)象；缸內(nèi)局部濃區(qū)的燃燒和附壁油膜的池火燃燒是碳煙產(chǎn)生的主要原因[28]。

馬超[29]等對一輛國5 GDI 汽車的尾氣顆粒物排放數(shù)量進行了研究，發(fā)現(xiàn)其平均排放因子為2.098×1013～2.619×1013個/km，而測試中另一輛國4 進氣道噴射（Port Fuel Injection，PFI）汽車的平均排放因子為7.486×1011～3.174×1012個/km。與柴油車類似，雖然通過優(yōu)化燃油噴射策略與改善混合氣組織方式等機內(nèi)凈化措施可以降低GDI 汽車顆粒物排放，但要滿足排放需求，燃油技術與后處理技術的協(xié)同十分必要。因此，機動車環(huán)保信息公開的國6 車型中加裝顆粒物捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）的汽油車占到了27%（截至2020 年5 月）[30]。

3 非尾氣顆粒物排放及其控制

汽車顆粒物排放中有一半以上來自非尾氣排放[31-34]，制動器磨損、輪胎和路面磨損，以及車輛行駛再懸浮道路揚塵是其主要來源。隨著汽車保有量的增加，由非尾氣排放產(chǎn)生的顆粒物逐年增多。Zhang[33]等估計中國每年由路面揚塵、輪胎與制動磨損產(chǎn)生的PM2.5分別在8.1 Gg、2.5Gg、0.8Gg。經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）2020 年預測，2030 年全球道路運輸產(chǎn)生的非尾氣PM2.5排放量將比2017 年增加約1.5 倍[35]。新能源汽車占比的增加并不能解決非尾氣顆粒物排放問題，因此碳達峰過程中必須強化這一部分顆粒物控制。

與尾氣單一位置排放不同，非尾氣顆粒物排放來源較為廣泛，排放水平受車輛狀況、行駛速度、路面狀況、地域特征、氣象條件等多方面影響，實際計量難度較大。目前的研究主要集中在來源解析、成分分析、特性分析、擴散機理等方面。

3.1 制動磨損顆粒物

與尾氣排放的顆粒物相比，制動磨損產(chǎn)生的顆粒物已經(jīng)超過了國6b 中I 型試驗顆粒物排放限值[10]。城市環(huán)境中，由于車流密度大、制動頻繁，制動過程中產(chǎn)生的PM10質(zhì)量占比在非尾氣顆粒物排放中能達到55%以上[36]；綜合高速公路等其他路況，非尾氣顆粒物排放中，由制動磨損產(chǎn)生的顆粒物要高于輪胎磨損產(chǎn)生的顆粒物[37-39]。

從質(zhì)量分布上來看，制動磨損顆粒物中，PM2.5占比近50%，PM10占比近90%[40-42]；從數(shù)量分布上來看，大部分顆粒物都處在較小粒徑范圍內(nèi)，但根據(jù)制動工況的不同，粒徑數(shù)量分布有所差異[40,43]。

汽車制動器制動過程是一個動能轉(zhuǎn)化為熱能的過程，受應力、摩擦、溫度等多方面影響。制動盤與制動片摩擦過程中伴隨著磨屑——制動顆粒物的產(chǎn)生，并經(jīng)歷循環(huán)變形、壓碎、斷裂、剝落等過程[31]。磨損和顆粒形成通過撕裂摩擦元件摩擦層上宏觀和微觀不規(guī)則性的凸起而發(fā)生；顆粒物的產(chǎn)生主要來自黏著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等形式[44]。不同摩擦副材料之間形成的顆粒物在大小、成分及機理上有所不同。對制動顆粒物的控制主要包括兩個方面：一是采用新材料或新工藝減少顆粒物的產(chǎn)生，如通過等離子電解鍍鋁（Plasma Electrolytic Aluminating，PEA）工藝處理盤片表面，提高制動盤摩擦系數(shù)，降低制動片磨損率等[31,45]。二是采用環(huán)境友好型摩擦材料，降低磨損顆粒物對環(huán)境的影響。制動片在20 世紀80 年代初期基本采用石棉型，但由于制動過程中產(chǎn)生的石棉纖維釋放到大氣中后，能長時間懸浮在大氣當中，引發(fā)肺癌等疾病，因此從20 世紀80 年代中期開始，已經(jīng)被世界各國逐步禁用。各類混雜纖維增強的無石棉摩擦材料開始逐步涌現(xiàn)，目前應用較多的主要有非石棉有機型（Non Asbestos Organic，NAO），低金屬型（Low Metallic，LM）和半金屬型（Semi-Metallic，SM）三類。因此，制動產(chǎn)生的顆粒物當中含有大量的Cu、Zn、Fe 等金屬元素，擴散至大氣及水土當中后，嚴重威脅人類健康。綜合來看，無銅陶瓷有機摩擦材料是當前各國研究的熱點，可有效減少制動產(chǎn)生的顆粒物[46,47]。

制動摩擦產(chǎn)生的顆粒物成分不僅與摩擦材料緊密關聯(lián)，同時還與汽車重量、行駛速度、環(huán)境溫度、駕駛風格等因素有關。汽車越重、制動初速度越大、環(huán)境溫度越高，產(chǎn)生的顆粒物也越多。

3.2 輪胎與路面磨損顆粒物

汽車行駛中，輪胎與路面的摩擦會產(chǎn)生大量顆粒物，二者所占比重相當[13]。這些顆粒物一方面懸浮在大氣當中，直接危害人類健康；另一方面沉降于路面后，經(jīng)雨水徑流遷移，進入土壤、河流，最終匯入海洋。目前全球輪胎磨損顆粒的釋放量在590 萬t/a 左右，約占海洋微塑料總量的15%[48]。

輪胎主要以橡膠為基底，以碳黑與二氧化硅作為填料，加入工藝油、金屬編織網(wǎng)、硫化劑等添加劑制成，其表面主要元素為C 與O，同時還有Si、Zn、Fe、Ca 等其他元素[43,48]；與路面接觸摩擦產(chǎn)生的顆粒物成分復雜，理化特性與分布規(guī)律等與輪胎特性、路面狀況、氣候特征、車輛特性、行駛狀態(tài)密切關聯(lián)。輪胎載荷越大、滾動速度越低，產(chǎn)生的顆粒物越多[49,50]。劉金朋[51]等的研究結(jié)果表明，輪胎磨損顆粒物的粒度和數(shù)量類似正態(tài)分布，粒度主要集中在100～300 μm，與文獻[13]所述較為吻合。

輪胎與路面磨損顆粒物以及制動磨損顆粒物都由摩擦副材料產(chǎn)生，可以通過改進材料降低部分顆粒物的產(chǎn)生。但對于輪胎而言，需要綜合考慮耐磨性、抗?jié)窕浴L動阻力等，而制動摩擦材料也需要綜合考慮耐高溫、低噪聲、輕量化等因素，所以在平衡各因素的基礎之上，還必須從其他方面入手加以控制。一方面，可以通過技術手段降低顆粒物在大氣中擴散范圍，有效保護過往行人。輪胎與路面磨損顆粒物和制動顆粒物的產(chǎn)生集中在輪胎區(qū)域，在大氣中的擴散特性有很多相似之處。寧波大學黃海波[52-54]等對輪胎顆粒物在大氣中的運動軌跡進行了相關研究，根據(jù)輪胎—輪罩結(jié)構，在輪胎正后方對應覆蓋件上設計了顆粒物捕集進出口，從而降低顆粒物在大氣中的擴散。另一方面，考慮顆粒物在路面與土壤的沉降以及徑流遷移，可以通過路面清潔、吸附過濾等措施來削減顆粒物對環(huán)境的污染。

3.3 汽車行駛再懸浮道路揚塵

汽車行駛過程中會產(chǎn)生大量的道路揚塵。王凱[55]等對2017 年北京市延慶區(qū)不同等級道路揚塵研究表明，總懸浮顆物（TSP）、PM10和PM2.5的平均排放因子分別為16.95g/（km·輛）、3.25g/（km·輛）和0.78 g/（km·輛）。

再懸浮揚塵顆粒物來源廣泛，成分復雜，既有來自周圍環(huán)境的顆粒物，又有車輛本身因尾氣排放、制動與輪胎磨損等產(chǎn)生的顆粒物，同時還與氣象條件等密切相關。因此，對于直接磨損排放與行駛再懸浮排放的區(qū)分難以界定；同時由于采樣與分析方法的不同，再懸浮顆粒物在成分分析與粒徑分布等方面會有所差異[56]。

道路積塵負荷、車速、車流量、車重等是影響再懸浮揚塵顆粒物的主要因素[57,58]。郭碩等的研究發(fā)現(xiàn)車輛行駛再懸浮PM2.5濃度與車速變化不大，而PM10起伏較大；因此，再懸浮顆粒物中較小粒徑顆粒物的貢獻率相比較大粒徑顆粒物要低一些[59]。良好的行駛路面、較低的路面積塵負荷（通過清掃沖洗）、較低的車流量與較輕的車重都有利于減少行駛再懸浮顆粒物。

3.4 電動汽車與汽/柴油車的比較

雖然電池的存在使得電動汽車的重量較傳統(tǒng)燃油車相比增加了25%左右[60]，由此加劇了輪胎的磨損，使電動汽車輪胎磨損顆粒物排放量較傳統(tǒng)汽/柴油車增加了10%；但在另一方面，電動汽車制動系統(tǒng)能量回收裝置卻有效降低了制動磨損顆粒物的產(chǎn)生，與燃油車相比，降幅能達到40%[61]。由于制動磨損顆粒物排放因子要高于輪胎及路面磨損顆粒物排放因子，綜合上面兩個方面因素，電動汽車在降低非尾氣顆粒物排放方面同樣具有積極的作用。

隨著電動汽車續(xù)航里程的增加，在電池技術未取得一定進展的情況下，勢必會引起電池重量的增加，從而加劇非尾氣顆粒物排放。因此，電動汽車輕量化對于將來汽車顆粒物排放將起到重要作用。

4 顆粒物排放交通管理

Hicks[62]等對英國倫敦馬里波恩路新冠肺炎疫情管控前后的交通量進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)管控期間32%的交通量減少帶來了49%的PM10減少量、76%的PM2.5減少量和39%的制動顆粒物減少量。因此，從人、車、路多角度入手，加強交通管理是顆粒物控制的重要環(huán)節(jié)，主要包括以下三個途徑：

一是優(yōu)化交通結(jié)構。公路運輸在我國交通運輸結(jié)構中占主導地位，承擔了約70%的旅客和貨物運輸[63]。降低中長途公路汽車運輸比例，增加短途公路運輸中電動汽車的比例，將深入推進顆粒物減排工作。

二是降低交通擁堵。降低道路交通流量與擁堵是減少汽車顆粒物排放最為直接有效的方式。對于車流密集區(qū)域，如交通信號燈路口，車輛集中、車速緩慢、制動頻繁、尾氣排放嚴重，顆粒物集中涌現(xiàn)，可通過運用智能交通系統(tǒng)，分散汽車流量，降低擁堵程度，減輕這些重點區(qū)域及時段顆粒物排放。

三是鼓勵綠色交通。各個國家和地區(qū)依舊致力于發(fā)展公共交通、倡導綠色出行。2019 年底，我國城市公交車電動化比例已接近60%；又如英國倫敦在2019年4 月設立了“超低排放區(qū)”，并在2021 年10 月擴大了這一區(qū)域。

5 總結(jié)與展望

碳達峰過程中汽車顆粒物排放的新特征強化了尾氣顆粒物排放后處理技術的應用，同時也彰顯了非尾氣顆粒物排放控制的地位。從汽車生產(chǎn)制造，到使用管理，下一階段顆粒物排放控制應著重加強以下幾個方面的關注：

（1）法規(guī)層面。借鑒尾氣顆粒物排放標準的制修訂，從顆粒物收集、處理、分析等方面加快非尾氣顆粒物排放標準的制訂工作。

（2）技術層面。尾氣顆粒物排放控制領域需要進一步加強對DPF 與GPF 再生過程的控制，提高可靠性、耐久性與經(jīng)濟性；非尾氣顆粒物排放控制領域則應從摩擦材料研發(fā)、車身輕量化、能量回收等多方面出發(fā)共同應對。

（3）管理層面。加速通信、網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)等先進技術在智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)的融合，促進交通管理新提升。城市道路信號交叉路口生態(tài)進入和離開、路徑引導、巡航控制等新技術的應用，定制公交、共享出行等新理念的發(fā)展，都能有效緩解交通擁堵，降低顆粒物排放量，平衡區(qū)域與時段之間的差異。