环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (10): 1607-1612  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.92

引用本文  

刘嘉, 尹航, 葛蕴珊, 等. 遥感法用于车辆实际道路行驶污染状况评估[J]. 环境科学研究, 2017, 30(10): 1607-1612.
LIU Jia, YIN Hang, GE Yunshan, et al. Evaluation of Real-World Driving Emissions from In-Use Vehicles Using Remote Sensing Detection[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(10): 1607-1612.

基金项目

国家重点研发计划大气污染成因与控制技术研究专项(2016YFC0208005);青海省科技项目(2013-J-A4)

责任作者

尹航(1973-), 男, 河北井陉人, 副研究员, 博士, 主要从事机动车污染与排放控制、机动车排放标准制订及政策研究, yinhang@vecc-mep.org.cn

作者简介

刘嘉(1981-), 男, 北京人, 工程师, 博士, 主要从事机动车污染与排放控制研究, liujia@vecc-mep.org.cn

文章历史

收稿日期:2016-11-15
修订日期:2017-07-11
遥感法用于车辆实际道路行驶污染状况评估
刘嘉1,2,3 , 尹航3 , 葛蕴珊1,2 , 王欣1,2 , 黄英1,2     
1. 北京理工大学机械与车辆学院, 北京 100081;
2. 北京电动车辆协同创新中心, 北京 100081;
3. 中国环境科学研究院, 北京 100012
摘要:为了评估满足不同排放标准的在用车在实际道路行驶条件下的污染状况,以2013年3-11月间在北京市朝阳区收集的16.5×104组在用汽油车排放遥感测试大数据为基础,对北京市的在用车实际道路排放水平进行分析和评价.结果表明:新车排放标准升级明显降低了在用车的CO、HC和NO平均排放浓度.从国Ⅰ/国Ⅱ到国Ⅲ以及从国Ⅲ到国Ⅳ/国Ⅴ,每次标准升级使得在用车的CO排放浓度平均降低12%~15%,HC和NO排放浓度分别降低13%和40%左右.与2003年相比,北京市2013年机动车CO、HC和NO排放的平均浓度分别下降了52.1%、82.1%和65.3%,排放标准升级带来的减排效果十分明显.未来排放标准升级过程中应当强化对在用车实际驾驶过程排放的监管,同时积极引导老旧车辆的淘汰更新,加大对排放造假行为的执法和处罚力度.
关键词遥感检测    在用车    机动车排放    实际道路    
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
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    

随着城市的发展,北京市机动车保有量不断增加,截止到2016年底已超过580×104辆,机动车排放污染已成为影响空气质量的主要来源.研究[1]表明,北京市机动车排放的CO、HC、NOx分别占全市污染物总量的86%、32%和56%,PM2.5 (细颗粒物)来源中机动车占本地排放源的31.1%,其中机动车排放的HC和NOx在大气中转化形成的二次颗粒物的贡献尤为突出.

为了控制机动车排放污染,北京市从1999年起不断推动新车排放标准升级.与此同时,北京市还采取了一系列监管措施,强化对在用车的排放管理,逐步形成了“以定期排放检验为主、道路抽查为辅”的在用车检测监管体系.北京市于2002年引进遥感排放检测技术,到2008年,遥感排放检测已经逐步成为路检执法的重要手段[2-5]. 2014年5月,公安部与国家质量监督检验检疫总局联合宣布7座以下小客车新车6年内免检.此项改革无形中加大了在用车排放监管工作的难度,但也凸显了遥感排放测试作为一种非接触式测量方法,在当前的机动车排放监管工作中的重要性和先进性.目前,常态化开展机动车遥感排放测试已经成为北京市各区县环保工作的内容之一,北京市已经形成一套较为完善的以遥感排放测试为依托的新型在用车排放监管模式.

遥感排放检测是一种非接触式的光学测量手段,可在车辆行驶中直接测量尾气排放中的各项污染物浓度,在0.7 s的时间内就可以获得通过遥感检测地点的机动车排放数据,同时记录获得被测车辆的车速、加速度和车牌照信息[6-9].遥感测试可用于单车排放和车队排放分布情况的获取,进而对不同类型车辆排放分担率进行计算,或评价排放标准升级的实际效果等.欧美国家已经借助遥感测试,从上述几个方面对道路行驶机动车的排放状况开展了大量研究[9-19].相比之下,我国的遥感排放测试研究尚处于起步阶段,开展遥感排放测试的目的仍以高排放车筛查为主,针对城市车队在实际道路行驶工况下的排放特征和排放趋势的研究还十分缺乏[20-21].

该研究以2013年3—11月间在北京市朝阳区开展的在用车遥感排放测试大数据为基础,通过对源数据进行筛选和分析,对北京市的在用车排放水平进行评价,并将评价结果分别与北京市2003年和美国洛杉矶市2000年开展的机动车遥感监测研究结果进行对比,以发现当前在用车排放监管工作中存在的差距和不足,以期为在用车排放标准修订及相关政策制订提供参考.

1 研究方法 1.1 机动车遥感排放测试原理及设备

遥感排放测试是一种光学检测方法,机动车尾气中的各主要污染物(CO、HC、NO)对具有特定波长的光谱有较强的吸收作用,这使得基于光强的浓度检测成为可能.如图 1所示,机动车遥感排放测试系统通常由分析系统、行驶状况检测系统、车牌信息记录系统、数据处理与显示系统等四部分组成[22-23].工作时,由光源发射的测试光束穿过机动车排气形成的烟羽,经布置与道路对面的反射镜反射后被分析系统中的接收模块接收.分析模块通过比较发射及吸收光谱,可以计算出CO/CO2、HC/CO2、NO/CO2三组相对值.借助机动车排气中主要产物的燃烧方程,计算得到CO、HC和NO实际排放浓度[24-25].

图 1 机动车遥感测试示意 Figure 1 Schematic diagram of vehicle remote sensing test

行驶状况检测主要是通过三点测量时间法计算车辆通过测试点时的速度和加速度,用于计算车辆的VSP(vehicle specific power,比功率),以判断车辆通过时的状态是否适合进行排放达标判定.车牌信息记录系统使用摄像机对被测车辆信息进行采集和图像识别,数据处理与显示系统则将采集到的信息进行处理、存储并实时显示[26-28].

该研究使用的遥感排放测试系统有两种,分别是安徽宝龙生产的BDH-1型和美国ESP生产的RSD-4600型,按规定使用标准气体对设备进行标定.

1.2 数据采集

基础数据来源于2013年3—11月间在朝阳区进行的164 688组测试数据,共获取121 682组原始数据.依据DB 11/318—2005《装用点燃式发动机汽车排气污染物限值及测量方法(遥测法)》中给出的3~22 kW/t的车辆VSP有效性范围对原始数据进行筛选,共提取有效数据66 849组.为体现各种因素影响,测试工作被安排在不同路面和环境下开展,以尽可能全面地反映北京市典型道路行驶状况.

获取的原始/有效数据中,国Ⅰ/国Ⅱ机动车共38 128/21 179组,国Ⅲ机动车共46 096/25 353组,国Ⅳ/国Ⅴ机动车共37 458/20 317组. 2013年3—11月测试车辆原始数据和有效数据的采样时间分布如表 1所示.

表 1 2013年3—11月测试车辆原始数据和有效数据的采样时间分布 Table 1 The distribution of original data and effective data according to sampling time from March to November, 2013
2 结果与分析 2.1 遥测结果平均值分析

1.2节中筛选后的有效数据按照车辆满足的排放标准划分为国Ⅰ/国Ⅱ、国Ⅲ和国Ⅳ/国Ⅴ3个类别,并对各类在用汽油车的CO、HC和NO排放情况进行统计(见表 2).

表 2 满足不同排放标准车辆的遥测排放浓度平均值 Table 2 Average concentrations of remote sensing detection of vehicles certificated with different standards

表 2可见,随着新车排放标准的不断升级,通过遥感测试得到的三种常规污染物排放浓度的平均值均呈持续下降趋势.同满足国Ⅰ/国Ⅱ标准的车辆相比,满足国Ⅲ排放标准车辆的CO、HC和NO排放平均浓度分别降低了15.2%、13.0%和37.5%.而在国Ⅲ标准的基础上,满足国Ⅳ/国Ⅴ标准车辆的三种污染物的平均浓度进一步降低了12.4%、13.4%和40.0%.这一结果表明,升级新车排放标准对削减在用汽油车排气污染有直接的推动作用,并且效果十分明显.然而值得注意的是,表 2中反映的三种污染物的实际减排幅度均不同程度地低于新车排放标准升级过程中法规限值的收紧程度(见表 3),说明当前排放法规(GB 18352.5—2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》)测试方法与机动车实际驾驶状况存在一定的差距,当前法规体系对于车辆的实际驾驶排放约束不足,使得排放标准升级的预期效果在实际驾驶过程中难以完整地体现.未来排放法规应从测试循环和排放测试方法等方面加以改进,更加直接地对车辆的实际驾驶排放进行管理. 2016年12月正式颁布的GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[29]中就引入了实际驾驶排放(RDE)的要求.

表 3 国Ⅰ~国Ⅴ标准Ⅰ型排放试验法规限值 Table 3 Limit values for type Ⅰ test of China-Ⅰ to China-Ⅴ emission standards
2.2 累积排放率分析

分别满足国Ⅰ/国Ⅱ、国Ⅲ和国Ⅳ/国Ⅴ排放标准车辆CO、HC和NO排放的50%和90%累积排放率及其对应的污染物浓度如表 4所示.其中,50%累积排放率所对应的污染物浓度被认为是能够反映满足某一排放标准车辆平均排放水平的关键指标,而90%累积排放率所对应的污染物浓度反映的则是满足某一标准车辆所排放污染物的浓度上限参考值[30].

表 4 满足不同排放标准车辆CO、HC和NO累积排放率(CER)对比 Table 4 Comparison of cumulative emission rates of CO, HC and NO emissions form vehicles certificated with different standards

表 4可见,随着新车排放标准的升级,满足国Ⅳ/国Ⅴ标准在用汽油车的各项污染物排放浓度均在国Ⅰ/国Ⅱ和国Ⅲ车辆的基础上有不同程度的减少.特别是NO排放,满足国Ⅳ/国Ⅴ排放标准车辆的50%累积排放率对应的污染物浓度较国Ⅰ/国Ⅱ和国Ⅲ标准车辆分别降低了81.3%和56.3%,标准升级所带来的减排效果十分显著.然而,观察CO和HC排放90%累积排放率所对应的污染物浓度可以发现,排放标准升级对于部分高排放车辆的限制力度有限.同国Ⅰ/国Ⅱ标准车辆相比,满足国Ⅳ/国Ⅴ标准车辆90%累积排放率所对应的污染物浓度仅降低了20.0%和10.0%. NO的控制效果相对较好,但90%累积排放率对应的排放浓度降幅也仅为69.5%,低于50%累积排放率81.3%的降低幅度.

值得注意的是,表 4中,无论是满足国Ⅰ/国Ⅱ、国Ⅲ还是国Ⅳ/国Ⅴ排放标准的车辆,90%累积排放率所对应的污染物浓度值均高出50%累积排放率所对应的浓度值的10倍有余(对于国Ⅰ/国Ⅱ的CO排放,该倍数为8.1),考虑到正常工作的三元催化器对污染物的转化效率一般高于90%[31-32],对比结果表明,在用汽油车中的高排放问题主要是由于三元催化器失效引起的.

2.3 遥感排放测试结果对比

北京市2002年9月—2003年3月、2013年3—11月和美国洛杉矶市2000年5月30—6月6日间机动车遥感排放测试的结果对比如表 5所示.对比北京市2003年和2013年的遥测数据可以看出,在新车排放标准升级和在用车管理制度完善的促动下,2013年北京市在用汽油车CO、HC和NO排放平均浓度分别在2003年的基础上下降了52.1%、82.1%和65.3%.对比表 23 5中的数据不难发现,只有表 5中CO和HC排放的削减水平接近或超越了NO排放,这主要是由于,2003年北京市在用汽油车构成仍以化油器和国Ⅰ标准车辆为主,行驶过程中的CO和HC排放速率较高;而到了2013年,满足国Ⅲ及以上标准的车辆已经成为北京市在用汽油车的主体,绝大多数老旧化油器车型都被淘汰,因而大幅削减了在用车的CO和HC排放.

表 5 北京及洛杉矶遥感排放测试结果对比 Table 5 Remote sensing detection results of Beijing City and Los Angeles

与美国洛杉矶市2000年采集的遥感测试结果相比,北京市2013年在用汽油车的CO排放控制水平仍与之存在着较大的差距(约是其1.86倍),但是北京市2013年的HC和NO平均排放浓度分别较洛杉矶市2000年低41.7%和42.9%.导致北京市2013年在用汽油车CO排放高于洛杉矶市2000年水平的原因可能有以下几方面:① 北京市清洁排放车辆在总体中的占比仍不及洛杉矶市;② 北京市的遥测点主要布置在交通较为拥堵的市区道路,并且道路往往带有较大坡度,频繁加减速和发动机大负荷运转使车辆的CO排放增加;③ 北京市的年均气温较洛杉矶低5~10 ℃,更长时间的低温运行导致车辆的CO排放偏高.

除此之外,表 5中还给出了北京市2003年、2013年测试及洛杉矶市2000年测试中前10%高排放车辆对总体排放贡献率的数据.前10%高排放车贡献率是指全部受检车辆中排放最为恶劣的10%车辆的排放在总体排放中所占的比例,10%高排放车贡献率越大,表明该地区在用机动车的排放控制水平越高,反之,则说明该地区车队整体排放水平越差.对比北京市和洛杉矶市的数据不难发现,除了2013年遥测中的NO排放外,北京市前10%高排放车贡献率均较大程度地低于洛杉矶市2000年的水平,说明北京市对在用汽油车的CO和HC排放的管理仍有很大的提升空间.

这一现象也值得进行反思,在2003—2013年的10年间,北京市将汽油车新车标准从国Ⅱ提升至国Ⅴ,是全球范围内标准进步最快的地区;北京市的在用汽油车结构也从以化油器为主转变为以国Ⅲ、国Ⅳ车辆为主,新车的排放控制水平已经达到了较好的程度.然而,这些措施并未使得前10%高排放车贡献率大幅提升,在用车总体的排放水平仍然较差.这从另一个侧面暗示,在快速提升新车标准的同时,我国需要大幅度加强对在用车排放的监管,使之与新车标准升级的步伐相称.只有这样,才能更好地发挥新车标准升级的作用,削减机动车排放,减少重污染天气发生的频率.

3 结论

a) 随着新车排放标准的升级,在用车实际排放污染物的浓度呈持续降低的趋势.新车排放标准的每次升级,在用车CO排放浓度的降幅为12%~15%,HC排放浓度的降幅在13%左右,NO排放浓度的降幅近40%.但在用车污染物实际浓度的降幅与新车标准排放限值的降幅不匹配,从另一个侧面表明当前的新车排放法规尚未直接反映机动车的实际驾驶排放,进一步证明了在新车排放标准中引入实际驾驶排放要求的迫切性.

b) 无论在哪一阶段,新车排放标准升级对高排放车群体的监管效果都十分有限.导致车辆产生高排放的主要原因是排气后处理装置失效,或者出厂时就没有使用合格的三效催化剂,相关监管部门应当进一步加大遥感测试和路检的力度,引导老旧机动车更新换代,或者更新三元催化剂,严厉处罚机动车排放造假的企业和个人.

c) 2013年北京市实际道路机动车CO、HC和NO排放平均浓度分别较2003年降低了52.1%、82.1%和65.3%,排放标准升级的效果十分显著.但是和美国洛杉矶市2000年的水平相比,北京市前10%高排放车的贡献率仍然偏低,说明北京市在用汽油车CO和HC排放的管理仍有待进一步强化和细化.

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