摘要：零公里排放水平与劣化系数是评价机动车排放控制水平的两个指标。两个指标的变化往往伴随着采用更先进的排放控制技术和更严厉的法规。本文基于2000 年～2002 年间我国22 个厂家70 余辆轻型汽车的8 万公里耐久性试验数据，进行统计和分析，研究了我国轻型汽车排放控制水平现状。并依据结果，对我国排放法规趋势进行了预测。
关键词：轻型汽车 排放因子 零公里排放水平 劣化系数 V型试验
1 引言
由于城市机动车保有量的迅速增加，汽车排放已经成为最主要的空气污染来源。我国汽车工业生产技术相对落后、维修服务体系不完善(无车辆I/M 制度)、机动车运行的工况条件较差，造成了车辆对城市的污染物。由于单车污染物排放因子高，使得我国大型城市机动车污染物排放总量已经超过发达国家同等规模的城市，机动车污染物排放密度和造成的污染浓度则比发达国家搞出几倍，见表1[1]。为改善这种状况，必须提高车辆排放控制水平。表1 中国在用汽车基本排放状况
 反映机动车的排放控制水平有两个指标——零公里排放水平(Zero Mile Level，或简称ZML)和劣化系数(Deterioration Factors,或简称DEF)。ZML 是反映新车的污染物排放水平；DEF 则反映车辆使用过程排放水平降低、排放增加的速率。
与汽车工业发达国家相比，我国机动车排放污染物控制起步较晚，1999 年开始实行GWPB1--1999，随后被GB18352.2‐2001[2]取代，后者成为车辆排放唯一法规。I 型试验中车辆零公里排放水平乘上规定的劣化系数后的排放值不超过规定的限值，新车必须达到这个标准才能生产。车辆开始采用满足法规的新技术(电喷+三元催化转化器)，从根本上提高了我国车辆的排放水平。车辆在使用过程中，由于车辆可靠性、检查和维护、燃油质量以及环境条件等诸多因素的影响,法规中DEF 未必反映实际。2000 年少量车型进行[2]中的V 型试验，通过8 万公里耐久性试验检验污染控制装置，通过实际的劣化系数评价车辆排放控制水平的。2001 年国家出台减免税收政策，我国绝大多数轻型车型都进行了V 型试验。国家又开始起草新的排放法规，车辆要达到相当于欧洲3 号标准(EUⅢ)。我国汽车产品的排放水平现状如何？我们基于大量轻型车辆耐久性试验数据，针对机动车辆排放控制水平的两个指标——ZML和DEF，分类统计和分析了排放测试的结果，研究排放水平及其相关技术。本文介绍了研究结果。
2 试验描述
2.1 试验方法
试验规范遵从GB18352.2001《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》中《冷起动后排气污染物排放试验(I 型试验)》(简I 型试验)和——《污染物控制装置耐久性试验(V型试验)》(简称V型试验)。
所有试验车辆磨合3000 km 里程左右做I 型试验，试验结果为零公里排放水平ZML；V 型试验过程中，每隔10000 km(±400 km)做一次Ⅰ型试验，以固定的间隔直到80000 km。排放试验数据按最小二乘法拟合，插值计算劣化系数DEF。
V 型试验中车辆维护和调整按制造厂的要求进行，包括更换机油及机油滤清器、汽油滤清器、空气滤芯以及火花塞。
2.2 试验设备和试验场地
I 型实验采用ECE15 工况全套试验设备，包括定容取样系统、多点设定测功机和实验室级排放分析仪，试验在天津中国汽车技术研究中心(CATARC)排放试验室进行；V 型试验中工况复现采用速度跟踪提示系统，在交通部通县试验场高速环道上进行。
2.3 试验车辆
从2000 年至2002 年底，国内已有22 个厂家70 多辆新车型通过了8 万公里耐久性试验，达到GB18352.2 标准，进行测试均为轻型车辆。我们选择的车辆包括： 轿车有35 种车型共48 辆，客车有15 种车型共22 辆。这些车辆基本覆盖了我国当前时市场上所有轻型车型，也代表了我国当前汽车水平，可以代表我国轻型汽车排放控制的总体情况。
3 试验数据处理和解析
基于工况法测试结果的试验数据库，我们按轿车、客车进行归类。由于GB1835.2001将HC+NOx作为总体评价，我们将CO指标作为图形的横坐标，HC+NOx 视做一个指标作为图形的纵坐标，这样下列各散点图的一个点代表一个测试车辆的排放数据。
3000km 左右的I 型试验数据作为车辆ZML，一个数据点代表一个车辆，所有车辆的ZML 排放数据见图1(轿车、客车)。为了便于更直观地分析耐久性试验效果，将V型试验8 万km 间隔的排放数据结果布置在图1 中。
图1 轻型车辆的ZML和8 万公里后排放数据
试验完成后，车辆不同里程间隔的排放数据采用最小二乘法进行最佳拟合直线，插值计算出6400km
污染物排放量，然后将各里程间隔的数据与6400km 数据相除，得到车辆不同里程间隔的排放因子( CO、HC+NOx)的劣化系数；8 万km 间隔的DEF 作为I 型试验的DEF。横坐标为CO 的DEF，纵坐标为HC+NOx的DEF，不同的里程分成不同的系列，一个数据点对应一个车辆在相应里程的DEF。图2a 和图2b 列示了车辆劣化系数分布图。 
图2a 车辆劣化系数分布图 图2b 车辆劣化系数分布图
耐久性排放试验数据又按不同的里程作为不同的系列，所有车辆的劣化进程的排放水平数据分别见图3a V 型试验不同进程排放水平数据(轿车)、图3b V型试验不同进程排放水平数据(客车),一个数据点对应一个车辆在相应里程的排放水平。
图3a V 型试验不同进程排放水平数据(轿车) 图3b V 型试验不同进程排放水平数据(客车)
4 试验结果分析
GB18352.2001 规定了车辆排放水平限值，我国正在起草的欧洲3 号排放法规(EU-Ⅲ/Ⅳ，等效于欧盟指令98/69/EC)，各阶段试验排放限值(第一类车)比较见表2。表2 I型试验排放限值比较 (单位：g/km)
注：DEF：1.2 4.1 排放水平
按照表2 中限值范围在图1 中划分了四个区域。粗实线覆盖了EU I 限值范围，双划线框A 覆盖了EUⅡ，点划线框B 覆盖了EUⅢ，和短划线框C 覆盖了EUⅣ。可以清楚看出，2000~2002 年度轻型车辆V型试验后排放水平已经完全且大大超过EUI 水平、几乎全部达到EUⅡ，且绝大部分都处于限值下限。
假设不考虑EUⅢ的冷起动后前40S 的采样，车辆几乎都能满足EUⅢ的CO 限值，HC+NOx 限值(为便于比较，EU-Ⅲ/Ⅳ车辆排放物HC 和NOx 限值权宜合并考虑)则不能完全达到。考虑到图1 结果尚未包含冷起动后前40S 排气，而冷起动会使CO 增加特别是HC 的增量增加40%左右[3，4]。图4 是在图1中ZML 基础上乘以[2]中劣化系数1.2 后再乘以[3，4]中增量1.4 系数后的排放水平预测结果，采用推荐的DEF 也显示相似的结果：总体上接近34%的车辆不能达到EUⅢ，失败的原因在于HC+NOx 主要是HC 的排放控制水平不足；大部分轿车和一半的客车可以达到EUⅢ。实行新的法规已具有相当的基础，通过更严厉的法规(如EUⅢ)如可以推进HC+NOx 排放控制技术的采用，全面提升轻型车辆排放控制水平。
采纳分析EU-Ⅲ的假设，已有少数车辆ZML 达到EUⅣ，考虑劣化系数，差距则很大(图4 短划线)，而且是全方位的，采用EUⅢ的排放控制技术不能够实现EUⅣ，不具备EUⅣ基础。汽车制造商必须选择全新的排放控制技术，控制CO、HC 和NOx 的排放。
图4 I 型试验排放水平EUⅢ预测 图5 车型之间排放水平关系
4.2 劣化系数(DEF)
用点化线按排放因子CO 和HC+NOx 的劣化系数1 分割图2 和图3，区域第三象限和第四象限，表明车辆的污染物排放量不仅未升高，而且得到降低；这种现象在各个不同进程的比例不同，在前4 万km内比例较高，后前4 万km 内比例很少。进一步观察发现，在前1~2 万km 内，CO 排放DEF 较多小于1；而3~4 万km 内HC+NOx 排放DEF 较多小于1。我们分析认为，车辆在试验初期，车辆性能较好；燃油质量、气候温度的等因素都会造成DEF 的这种波动。
从图2 中我们还发现，V 试验的劣化系数都比较高，随着行驶里程的增加而增大。在整个耐久进程中，个别特例出现了高达10 左右。大部分的排放因子CO 的DEF 超过1.2，处于1.2~5 之间，而排放因子HC+NOx 的DEF 达到5,大部分处于1.2~3 之间。客车和轿车比较，CO的劣化系数要小很多，但HC+NOx的劣化系数则大一些。GB18352.2 中可选的劣化系数1.2(图2 中粗实线方框内)的覆盖区域车辆很少，但是我们对照图1 明显可以看到，总的排放水平并没有因此而出现对应的超标现象。我们细致地分析发现，是由于这种较高的劣化系数往往对应着较低的ZML。虽然客车的DEF 要低于轿车，但是其超标的比例要高于后者(失败车辆3/1)。
我们还可以欧美国家普遍实行的检查/维护(I/M)来理解DEF 的波动和劣化系数显著加大。在4.1中，我们从ZML 上已知道许多车辆采用了先进的排放控制技术(EUⅢ技术)，其对行驶工况、气候温度和燃油质量等因素影响很敏感，污染控制装置性能波动和降低；在试验过程中，又禁止对车辆的排放控制装置进行调整和维护。国外的研究证明，如新车的ZML 较低，若I/M 未起作用，则车辆随行驶里程的增加劣化明显[4]。所以在车辆的生命周期内，对于车辆的排放水平的劣化系数的控制，需要采取正确的I/M。
4.3 车型之间排放水平关系
图3a 和图3b 列示了排放水平随里程变化情况，离散程度轿车大于客车，呈开放结构，车型之间比较散乱，差异大；客车则呈线性增加，车型之间差异较小。我们进一步地以每里程的车辆排放水平为对象按里程线性回归[5]，分别求出决定系数R2 并列示于图5。结果清楚地显示了总体上轿车耐久性排放水平差异很大，客车车型之间排放水平足够接近。
4.4 排放因子与行驶里程的回归分析
为了验证试验数据的科学型，我们对所有测试车辆的两种排放因子(CO、HC+NOx)的总体均值按行驶里程进行线性回归，见图5a 和图5b。图中直线的斜率表示的就是劣化率；这些点代表对应里程的平均排放因子。从车型上看，轿车的排放因子CO 和HC+NOx 的R2 分别高达0.9518 和0.9724；客车排放因子CO 和HC+NOx 的R2 则分别为0.9264 和0.8726，都与行驶里程具有很好的相关性；轿车比客车的排放因子要低些。从排放因子方面看，CO 与里程的相关性好于HC+NOx 的；在HC+NOx 的劣化率方面客车要高于轿车，这与前面的分析结果相吻合。由于ZML 和DEF 与行驶里程的良好相关性，可以作为评价和修正在用轻型车辆排放因子的基准。 
图3 排放因子CO 与行驶里程的回归 图2 排放因子HC+NOx与行驶里程的回归
5 结论
基于以上的分析，我们认为：
1) 轻型车辆排放水平已经完全且大大超过EUI 水平、几乎全部达到EUⅡ，且绝大部分都处于限值下限。以某种系数推算排放水平的预测结果，总体上接近66%的车辆能达到EUⅢ，失败车辆的原因在于HC+NOx 的排放控制水平不够。实行进一步严厉的法规(如EUⅢ)已具有相当的基础，但不具备EUⅣ基础。
2)由于在试验过程中，禁止对车辆的排放控制装置进行调整和维护。劣化系数波动较大，劣化系数都比较高，大部分的排放因子DEF超过GB18352.2 中可选的1.2 值，由于ZML 较低，并未导致对应的排放水平超标。对于ZML 较低的车型在车辆的生命周期内，需要采取正确的I/M 控制车辆排放水平的劣化系数的。
3)车型之间排放水平随里程的劣化，轿车车型之间排放水平差异很大，客车排放水平足够接近。
4)两种排放因子(CO、HC+NOx)的总体均值按行驶里程的线性回归有很好的决定性，可以作为评价和修正在用轻型车辆排放因子的基准。轿车的排放因子比客车要低。排放因子CO 的劣化率轿车和客车相当；HC+NOx 的劣化率客车要高于轿车。
参考文献
1 郝吉明，傅立新，贺克斌，吴烨等. 城市机动车排放污染物控制—国际经验分析与中国的研究成果. 北京：中国环境出版社。2001，1，P131~134
2 国家环保局. 国家质量监督检验局. GB18352.2-2001. 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(Ⅱ). 中国环境科学出版社，2001
3 Dipl.-Ing, etc. “Design and optimization of a close-coupled catalyst concept for audi 4-cylinder engines” SAE Paper 980417
4 Joon-Ho Yoo, Joseph V. Bonadies, Eric Detwiler, Mitch Ober and Dennis Reed, “A Study of a Fast Light-Off Planar Oxygen Sensor Application for Exhaust Emissions Reduction.” SAE Paper 2000-01-0888.
5 范金城，梅长林. 数据分析. 北京：科学出版社, 2002，7, 94~106(end)
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