环境科学学报  2019, Vol. 39 Issue (1): 35-43
引用本文
李娟, 王新锋, 薛丽坤, 等. 2019. 济南市典型机动车的尾气颗粒物污染特征与影响因素研究[J]. 环境科学学报, 39(1): 35-43.
Li J, Wang X F, Xue L K, et al. 2019. Study on pollution characteristics and the influencing factors of exhaust particles from typical vehicles in Jinan[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 39(1): 35-43.
济南市典型机动车的尾气颗粒物污染特征与影响因素研究    [PDF全文]
李娟1 , 王新锋1 , 薛丽坤1 , 高晓梅2 , 孙雷1 , 王文兴1     
1. 山东大学, 环境研究院, 青岛 266237;
2. 济南大学, 水利与环境学院, 济南 250022
收稿日期: 2018-06-25; 修回日期: 2018-08-01; 录用日期: 2018-08-01
基金项目: 国家重点研发计划（No.2016YFC0200500）；国家自然科学基金（No.41775118）
作者简介: 李娟(1994-), 女, E-mail:lijuan_sdu@163.com
通讯作者（责任作者）: 王新锋(1985-), 男, 副教授(博士生导师), 主要研究方向为大气颗粒物与含氮化合物的化学组成、污染特征、来源、排放、传输、转化、环境影响等, 在国内外核心学术期刊上发表论文70余篇, 其中SCI收录60余篇, E-mail:xinfengwang@sdu.edu.cn
摘要: 采用便携式仪器，借鉴双怠速尾气检测法，利用自行设计的尾气采样装置，选择济南市区道路上10辆不同类型的机动车，现场测量尾气颗粒物的质量浓度和数浓度.基于实验数据，分析了机动车尾气颗粒物污染特征，深入探索了影响尾气颗粒物浓度的主要因素，提出了相应的对策建议.结果表明：①怠速工况下机动车尾气中PM2.5和PM10质量浓度、PM0.01~1数浓度较低，平均分别为0.035~1.434和0.049~3.669 mg·m-3、（0.95~21.69）×104 cm-3；高怠速工况下颗粒物质量浓度和数浓度较高，PM2.5质量浓度为0.350~5.132 mg·m-3，最大值来自大型柴油货车8.394 mg·m-3；PM10质量浓度高达1.708~7.862 mg·m-3，最大值来自大型柴油客车8.672 mg·m-3；PM0.01~1数浓度为（6.78~40.68）×104 cm-3.②随着发动机转速和车型增大、排放标准降低，机动车尾气中颗粒物质量浓度和数浓度明显升高.与怠速工况相比，高怠速工况下的PM2.5质量浓度升高3~44倍，PM0.01~1数浓度升高2~33倍.与小型车相比，中、大型车的PM2.5质量浓度升高约5倍，PM0.01~1数浓度升高约2倍.使用92号汽油排放的颗粒物质量浓度与数浓度约为95号汽油车的2倍，柴油车排放的颗粒物浓度高于汽油车.国Ⅲ标准的汽油车尾气颗粒物的质量浓度与数浓度约是国Ⅳ和国Ⅴ标准的2~4倍. ③提高机动车排放标准和燃油品质，减少在实际道路行驶中突然加速或启动等高怠速工况的瞬态变化，加强对中、大型车尤其是大型柴油车的监管，能够一定程度上减轻机动车尾气颗粒物污染.
关键词: 机动车尾气     颗粒物     污染特征     影响因素     双怠速法    
Study on pollution characteristics and the influencing factors of exhaust particles from typical vehicles in Jinan
LI Juan1, WANG Xinfeng1 , XUE Likun1, GAO Xiaomei2, SUN Lei1, WANG Wenxing1    
1. Shandong University, Environment Research Institute, Qingdao 266237;
2. Jinan University, School of Water Resources and Environment, Jinan 250022
Received 25 June 2018; received in revised from 1 August 2018; accepted 1 August 2018
Abstract: Mass concentration and number concentration of exhaust particles from 10 different vehicles on the roads in urban Jinan were measured in situ by using portable instruments coupled with self-designed exhaust sampling device with double idle speed exhaust detection method as a reference. Based on the experimental data, the pollution characteristics, main factors influencing the emission of vehicle exhaust particles were analyzed deeply followed by corresponding suggestions. The results show that: ① Under idling mode, the PM2.5 and PM10 mass concentrations and PM0.01~1 number concentration of vehicle exhaust were relatively low, with the average concentration of 0.035~1.434 and 0.049~3.669 mg·m-3, (0.95~21.69)×104 cm-3, respectively. By contrast, the mass and number concentrations under high idling mode were very high. The average PM2.5 mass concentration was 0.350~5.132 mg·m-3, with the maximum value of 8.394 mg·m-3 from large diesel van. The average PM10 mass concentration was 1.708~7.862 mg·m-3, with the maximum value of 8.672 mg·m-3 from large diesel passenger bus. The average PM0.01~1 number concentration was (6.78~40.68)×104 cm-3. ② With the rising engine speed, increasing vehicle size and constricting emission standard, the mass and number concentrations of exhaust particles increased significantly. When compared with idling mode, PM2.5 mass concentration in high idling mode increased by a factor of 3~44 and PM0.01~1 number concentration increases by a factor of 2~33. Compared with small vehicles, the PM2.5 and PM0.01~1 concentrations of medium and large vehicles increased by a factor of about 5 and 2, respectively. The mass and number concentrations of particles emitted from vehicles with 92# gasoline were about twice those with 95# gasoline, and the particle concentrations from diesel vehicles were higher than those from gasoline vehicles. The mass and number concentration of exhaust particles from vehicles of National Ⅲ Standard increased by a factor of 2~4 when compared with the vehicles of National Ⅳ and Ⅴ Standards. ③The corresponding suggestions to the influencing factors can to a certain degree mitigate the particle pollution from vehicle exhausts, including constricting the vehicle emission standards, improving fuel quality, reducing the transient changes at high idling mode in the condition of sudden acceleration or starting, and strengthening the regulation of medium and large vehicles, especially the large diesel vehicles.
Keywords: vehicle exhaust     particulate matter     pollution characteristics     influence factors     double idle method    
1 引言(Introduction)

我国中东部城市大气颗粒物污染严重, 区域性霾污染频发(Yang et al., 2012; Wang et al., 2014).机动车尾气是我国大气颗粒物尤其是细颗粒物(PM2.5)的主要来源之一(孔少飞等, 2013), 机动车尾气不仅排放NOx、VOCs等气态污染物进而转化成二次颗粒物, 而且还直接排放大量的一次颗粒物.根据济南市大气细颗粒物的正定矩阵因子分析(PMF)源解析结果, 当二次生成作为一个单独源时, 机动车尾气对PM2.5的直接贡献率达到17.5% (孙友敏等, 2017), 而在像北京、天津等大城市的PMF源解析结果中, 其直接贡献率超过25% (Gao et al., 2016; Liu et al., 2017).机动车尾气的新鲜烟羽中含有大量亚微米级颗粒物(Uhrner et al., 2011; Wang et al., 2012), 对人体健康和大气环境的影响不容忽视.与粗颗粒物相比, 亚微米颗粒物具有更大的比表面积, 可吸附更多有毒有害的重金属等物质, 被吸入人体后会引起免疫反应和心肺系统疾病(Pope, 2003; Guo et al., 2017), 还可能诱发细胞癌变.此外, 机动车尾气中的细颗粒物可通过光散射作用降低大气能见度(Watson et al., 2002), 其中的黑炭成分会强烈吸收太阳辐射、影响区域气候(陈莉荣等, 2018).

机动车尾气排放的颗粒物的污染特征非常复杂, 不同车辆、不同行驶条件之间差异显著.前人利用台架和底盘测功机等对发动机或机动车排放的颗粒物进行研究, 发现尾气中颗粒物的浓度受发动机类型、运行工况、行驶速度、燃油、车龄、环境温度等诸多因素的影响. 屠晓栋等(2007)利用台架实验对比了多种类型发动机不同负荷条件下超细颗粒物的排放特性, 发现发动机负荷越大, 尾气中颗粒物的数浓度和质量浓度越大. 刘双喜等(2009a)通过底盘测功机研究了一辆欧Ⅱ标准轻型汽油车的颗粒物排放特性, 发现汽油车颗粒物的排放主要发生在加速过程和冷启动过程, 特别是在突然加速过程中易出现浓度峰值, 数浓度高达1×108 cm-3; 而在稳定工况下, 颗粒物数浓度显著降低, 数量级保持在105 cm-3. 高俊华等(2010)借助底盘测功机对4辆新生产的汽车进行NEDC循环测试, 发现汽油车排放的颗粒物数浓度在106 cm-3数量级, 热启动条件下排放的颗粒物浓度比冷启动低40%. 樊筱筱等(2016)在底盘测功机上对4辆汽油车进行整车转鼓试验, 发现缸内直喷汽车排放的颗粒物数浓度比进气道喷射汽车高一个数量级.然而, 现有的研究多针对新车进行测试, 难以反映城市道路实际行驶车辆的颗粒物排放特征, 而且所测试的机动车数量较少, 缺乏不同类型机动车排放特征之间的对比.因此, 很有必要选择道路上行驶的各类机动车, 利用相对一致的测试方法, 分析不同类型机动车的颗粒物排放特征, 比较它们之间的差异和主要影响因素.

双怠速法是我国机动车尾气污染物检测的主要方法之一, 其怠速和高怠速工况可近似模拟机动车在实际道路行驶中所出现的两种基本运行工况, 被广泛应用于机动车年检时尾气中气态污染物(如CO、HC、CO2、O2、NOx)的检测, 也被应用于机动车尾气气态污染物排放特征的研究.例如, 江宇红等(2003)采用双怠速法测定了液化气和汽油双燃料汽车尾气的污染特征, 发现与燃烧汽油相比, 怠速工况下出租轿车燃烧液化气排放的CO和HC浓度均有升高, 而高怠速工况下排放的CO浓度则有所降低. 万霞等(2015)通过双怠速法测试了两款试验车尾气中CO、HC和NOx的浓度, 发现单缸不点火故障时3种气态污染物的浓度均高于正常情况.采用双怠速法检测时, 发动机无负荷、与机动车实际道路行驶的运行工况有一定差异; 但由于其操作条件和运行工况比较固定, 因此, 适合用于分析两种基本工况下所排放的颗粒物浓度的变化, 对比不同类型机动车尾气颗粒物污染特征.

近年来, 济南市机动车保有量呈现高速增长态势(朱振明等, 2008), 2008—2017年济南市机动车保有量从100万辆增长到200万辆(山东统计年鉴, 2017).机动车尾气颗粒物的大量排放(宋少洁等, 2012; 李佳琦, 2014; 何立强等, 2015), 对城市大气污染特别是对细颗粒物的贡献明显增大(Song et al., 2007; 中华人民共和国环境保护部, 2014).为比较不同类型机动车的尾气颗粒物排放特征, 本研究选择济南市区道路上行驶的常见机动车, 采用操作条件和运行工况固定的双怠速尾气检测法, 利用自行设计的尾气采样装置, 使用便携式仪器对机动车不同运行工况下尾气烟羽颗粒物的质量浓度和数浓度进行现场直接测量, 分析了机动车尾气烟羽颗粒物污染特征, 探索了机动车尾气颗粒物排放的主要影响因素.

2 实验方法(Experimental methods) 2.1 实验车辆

实验测试的车辆选取济南市区道路上常见的燃烧汽油、柴油的流动车辆, 包括各种型号的私家车(轿车、SUV、面包车)和大型柴油车(箱式货车和载客大巴).车型是车辆固有属性, 主要取决于车长, 本研究的车型分类中, 将紧凑型归类为小型车, 车长为4.0~4.5 m, 将SUV型和面包车归类为中型车, 车长为4.6~4.9 m, 大型车整备质量超过3500 kg.测试车辆相关参数详见表 1.

表 1 测试车辆关键参数 Table 1 Key parameters of tested vehicles
2.2 实验仪器与装置

机动车尾气中的颗粒物浓度使用便携式仪器设备进行测量, 利用自行设计的机动车尾气采样装置将测量仪器连接到机动车排气管上, 实验装置如图 1所示.

图 1 机动车尾气颗粒物测量实验装置 Fig. 1 Experimental devices for measurements of particles from vehicle exhausts

测量颗粒物浓度所采用的便携式仪器设备：美国TSI公司的SIDEPAK AM510防爆型数字粉尘仪和3007凝聚核颗粒物计数器, 分别用来实时测量并保存PM2.5和PM10质量浓度、PM0.01~1数浓度. AM510防爆智能数字粉尘仪基于颗粒群光散射原理测量粉尘质量浓度, 粒径范围是0.1~10 μm, 浓度范围为0.001~20 mg · m-3, 内置可拆卸式切割头, 可根据需要选用PM1.0、PM2.5或PM10切割头. 3007凝聚核颗粒物计数器通过颗粒吸附异丙醇蒸汽增大体积利用激光测量亚微米颗粒物的数浓度, 粒径范围是0.01~1.0 μm, 浓度范围为0~1.0×106 cm-3.便携式仪器使用之前进行调零校准, 测量结束后及时下载数据.测量仪器的时间分辨率为1 s (即每秒钟获取1个数据).仪器设备内部安装有抽气泵, 机动车尾气通过自行设计的尾气采样装置进入仪器腔室进行实时测量.

机动车尾气采样装置由采样管、采样管固定装置和排气管固定装置3个部分组成.前端采样管为硬质铜管, 内径约6 mm, 长度为600 mm, 可耐受高温, 并对机动车尾气进行冷却.当机动车尾气湿度较高时, 铜质采样管与测量仪器之间连接一个中空的变色硅胶干燥管, 尾气干燥之后经过导电硅胶软管进入仪器设备进行测量.采样管固定装置包括前后两处固定点, 后端安装一个可旋紧的固定扣, 通过旋拧来夹紧铜质采样管; 前端是一个环形金属片, 其孔径略大于铜管的外径, 铜质采样管从中间穿过, 伸入排气管约50 mm处.排气管固定装置由3条片状金属腿、橡胶皮套、可变径喉箍组成. 3条金属腿中间适度弯曲, 以确保与排气管外壁平整贴合; 为防止金属腿的边棱划伤排气管且防滑, 金属腿前端加有3段可更换的橡胶皮套; 金属腿末端套有一个可变径喉箍, 以满足不同直径排气管的安装需求.采样装置安装到排气管之后, 可变径喉箍用螺丝刀旋紧, 金属腿与排气管紧密贴合并固定.

2.3 测量方法

本研究借鉴双怠速法, 对机动车尾气中的颗粒物质量浓度和数浓度进行现场测量.双怠速法是当前机动车尾气检测的常用方法, 指当机动车处于空挡时通过踩油门踏板使发动机转速达到低速或者高速状态时对排放的污染物浓度进行检测的方法.怠速工况指离合器处于接合位置、变速器处于空档位置、油门踏板处于完全松开条件下发动机无负载时空转的运转状态, 机动车在发动机启动后的稳定、暖机时以及在十字路口车辆遇红灯和交通堵塞时等待的工况均为怠速工况.高怠速工况指离合器处于接合位置、变速器处于空档位置, 用油门踏板将发动机转速稳定在50%的额定转速或生产商技术文件中规定的高怠速转速下的状态, 机动车在实际道路上加速和高速行驶时转速达到50%额定转速的工况均为高怠速工况.不同车型的怠速和高怠速下的发动机转速不同, 根据GB18285-2005的规定, 轻型汽车的高怠速转速为(2500±100) r · min-1, 重型车的高怠速转速为(1800±100) r · min-1, 本研究中将小型车和中型车归为轻型车(最大总质量小于3500 kg), 将大型柴油车归为重型车(最大总质量大于3500 kg).双怠速法操作简单, 检测快速、准确(樊瑞军和任春玲, 2009; 刘杰, 2013).与台架测试法相比, 双怠速法的测试对象为机动车整车而非发动机, 能更好地代表城市道路上行驶的机动车尾气颗粒物排放情况.另外, 双怠速法的操作条件和运行工况较为固定, 适合不同类型机动车颗粒物排放特征的比较.然而, 与底盘测功机测试法和实际道路行驶测试法相比, 双怠速法仅能测试发动机无负荷时两种基本工况下机动车尾气的颗粒物排放特征, 无法模拟、测试其他复杂运行工况下机动车排放颗粒物的情况.

当便携式仪器设备通过尾气采样装置连接到机动车排气管之后, 启动机动车的发动机并热车, 然后分别在怠速和高怠速条件下测量尾气中颗粒物的质量浓度与数浓度, 测试程序如图 2所示.小型车和中型车:机动车启动, 热车(额定转速的70%, 3500 r · min-1) 60 s, 高怠速工况(额定转速的50%, 2500 r · min-1)持续45 s, 怠速工况(空档、油门完全松开), 持续45 s; 重型车:机动车启动, 热车(额定转速的70%, 2500 r · min-1) 60 s, 高怠速工况(额定转速的50%, 1800 r · min-1)持续45 s, 怠速工况(空档、油门完全松开), 持续45 s.

图 2 机动车尾气的测试程序 Fig. 2 Testing procedure for vehicle exhaust
3 结果与分析(Results and analyses) 3.1 济南市典型机动车尾气颗粒物污染特征

通过测试10辆不同机动车在怠速工况和高怠速工况下的尾气颗粒物浓度, 发现机动车尾气排放的细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)质量浓度、亚微米颗粒物(PM0.01~1)数浓度随时间的变化趋势基本一致. 表 2和表 3分别列出了各个车辆在怠速和高怠速工况下尾气颗粒物浓度的统计结果, 其中高怠速工况下缺少奔驰C200的测量数据, PM10质量浓度因仪器故障部分数据缺失.

表 2 测试车辆怠速工况下PM2.5和PM10质量浓度、PM0.01~1数浓度 Table 2 PM2.5 and PM10 mass concentrations and PM0.01~1 number concentration of tested vehicles under idling mode

表 3 测试车辆高怠速工况下PM2.5和PM10质量浓度、PM0.01~1数浓度 Table 3 PM2.5 and PM10 mass concentrations and PM0.01~1 number concentration of tested vehicles under high idling mode

总体上, 怠速工况下机动车尾气颗粒物质量浓度和数浓度较低.平均PM2.5质量浓度的范围为0.035 (±0.006) ~1.434 (±0.916) mg · m-3, 最大值来自大型柴油货车福田箱货, 为3.380 mg · m-3; 平均PM10质量浓度的范围为0.049 (±0.007) ~3.669 (±0.452) mg · m-3, 最大值来自车龄较高(5年)、排放标准较低(国Ⅲ)的汽油车五菱面包, 为4.908 mg · m-3; 平均PM0.01~1数浓度介于0.95 (±0.17)×104~ 21.69 (±6.28)×104 cm-3之间, 最大值来自大型柴油客车宇通大巴, 为2.6×105 cm-3.高怠速工况下机动车尾气颗粒物浓度很高, 平均PM2.5质量浓度达到0.350 (±0.271) ~5.132 (±2.378) mg · m-3, 最大值来自大型柴油货车福田箱货, 为8.394 mg · m-3; PM10质量浓度高达1.708 (± 1.842) ~7.862 (±0.323) mg · m-3, 最大值来自大型柴油客车宇通大巴, 为8.672 mg · m-3; PM0.01~1数浓度范围为6.78 (±5.99)×104~40.68 (±4.96)× 104 cm-3, 最大值来自车龄较高、排放标准较低的汽油车五菱面包, 为5.2×105 cm-3.

图 3对比了怠速工况与高怠速工况下PM2.5、PM10质量浓度和PM0.01~1数浓度分布频率.可以看出, 在怠速工况下, PM2.5质量浓度主要分布在0.3 mg · m-3附近, PM10质量浓度多分布在0.3和3.3 mg · m-3附近两个区域, PM0.01~1数浓度多分布于2.0× 104 cm-3附近.在高怠速工况下, PM2.5质量浓度集中分布在0.3和7.2 mg · m-3附近, PM10质量浓度集中于4.5和7.8 mg · m-3附近, PM0.01~1数浓度则有多个峰值且最高的峰值出现在2.8×105 cm-3附近.

图 3 机动车尾气PM2.5和PM10质量浓度、PM0.01~1数浓度的分布频率 Fig. 3 Distribution frequency of PM2.5 and PM10 mass concentrations and PM0.01~1 number concentrations of vehicle exhausts

综上, 高怠速工况下机动车尾气直接排放的颗粒物质量浓度和数浓度很高, 颗粒物质量浓度呈双峰或多峰分布, 表明实际道路上行驶的机动车尾气颗粒物排放特征非常复杂, 受多种因素影响.怠速工况下汽车档位为空挡且发动机处于空转状态, 而高怠速工况是在踩油门踏板将发动机转速稳定在50%额定转速的情况下, 更接近于实际道路中机动车的行驶状况.因此, 本文基于高怠速工况下尾气细颗粒物质量浓度与数浓度的测量结果, 从运行工况、车型、燃油、排放标准4个方面深入分析这些因素对机动车尾气颗粒物浓度的影响.

3.2 运行工况对机动车尾气颗粒物排放的影响

图 4对比了怠速与高怠速工况下不同机动车尾气中PM2.5质量浓度和PM0.01~1数浓度, 发现高怠速工况下机动车尾气细颗粒物浓度显著高于怠速工况下的浓度, 升高倍数随车型的不同而呈明显差异.如图 4所示, 高怠速条件下的机动车尾气PM2.5质量浓度约为怠速工况的3~44倍, 其中汽油车高怠速工况下PM2.5质量浓度急剧上升(升高的倍数约为6~44), 且中型汽油车升高的倍数最大(高达30~44), 而大型柴油车PM2.5质量浓度上升的幅度相对较小(仅为3~5倍). PM0.01~1数浓度的变化情况与PM2.5质量浓度类似, 高怠速工况为怠速工况的2~33倍, 同样是汽油车升高的倍数很大(其中中型汽油车升高的倍数最大), 而大型柴油车升高的幅度相对较小.

图 4 不同工况下不同机动车尾气中的PM2.5质量浓度与PM0.01~1数浓度 Fig. 4 PM2.5 mass concentrations and PM0.01~1 number concentrations of vehicle exhausts under different working conditions

上述结果表明当机动车发动机的转速升高到高怠速工况时, 尾气中的颗粒物质量浓度和数浓度大幅升高, 这是因为机动车瞬态排放的尾气颗粒物主要产生于冷启动和加速过程中.在冷启动过程中, 发动机温度较低, 不利于燃油蒸发, 导致燃气混合不均匀且浓度过高, 部分燃气不完全氧化产生大量颗粒物.而在加速时, 发动机高速运转, 负荷和喷油量增加, 混合气不均匀的程度进一步加大, 不完全燃烧造成大量颗粒物排放(Zielinska et al., 2004).陈长虹等(2005)和高继东等(2007)的研究也发现汽车启动和频繁加速是机动车尾气颗粒物污染的重要原因, 这与本研究中高怠速工况下颗粒物质量浓度和数浓度高的结果一致.

结合机动车道路行驶的实际情况, 由于路况因素机动车车速发生瞬时变化, 突然加速或突然启动等过程造成机动车尾气颗粒物排放浓度与排放量大幅增加, 影响道路附近和城市环境空气质量.因此, 需要采取有效措施降低机动车在高怠速工况下的颗粒物排放, 例如实行动态交通规则等, 减少机动车在实际道路行驶中突然加速或突然启动等工况的瞬态变化.

3.3 车型对机动车尾气颗粒物排放的影响

图 5对比了3种车型(小型车、中型车、大型车)的机动车高怠速工况下尾气中颗粒物的平均浓度, 图中柱子上方的数字代表测试的机动车数量, 每辆机动车高怠速工况下的有效数据为45个数左右.其中, 小型车中福特福克斯PM2.5质量浓度数据缺失.由图可知, 不同车型的尾气颗粒物质量和数浓度有显著差异, 车型越大的车所排放的颗粒物浓度越高.高怠速条件下, 小型车尾气中颗粒物质量浓度和数浓度相对较低, 平均PM2.5质量浓度为0.9 mg · m-3, 平均PM0.01~1数浓度为1.5×105 cm-3.中型车尾气中的颗粒物质量浓度和数浓度明显高于小型车, 平均PM2.5质量浓度为4.2 mg · m-3, 约为小型车的5倍, 平均PM0.01~1数浓度为2.7×105 cm-3, 约为小型车的2倍.大型车尾气中的PM2.5质量浓度与PM0.01~1数浓度与中型车基本相当.

图 5 不同车型的机动车高怠速工况下尾气中的PM2.5质量浓度与PM0.01~1数浓度(柱子上方的数字代表机动车数量) Fig. 5 PM2.5 mass concentrations and PM0.01~1 number concentrations of exhausts for different size of vehicles under high idling mode (The number above the column represents the number of vehicles)

不同车型的尾气所排放的颗粒物浓度的高低与机动车发动机的类型及气缸容积等因素有关.小型车和中型车多用点燃式汽油发动机, 其中中型汽油车的发动机气缸容积更大, 汽油与空气混合程度较差.大型车大多用压燃式柴油发动机, 其特殊的边喷边燃烧的扩散燃烧特性决定了柴油与空气混合不完全, 而且柴油发动机机的燃烧室内始终存在富余空气, 使得柴油车尾气排放的颗粒物较多(徐伟嘉等, 2014).因此, 在满足客运和货运的基本前提下, 可采取措施鼓励人们使用小型车、低能耗汽车, 减少中、大型机动车的道路行驶数量, 有利于减轻交通源颗粒物污染.

3.4 燃油类型对机动车尾气颗粒物排放的影响

图 6对比了使用3种不同燃油(95#汽油、92#汽油、柴油)的机动车在高怠速工况下尾气中颗粒物的平均浓度, 其中95#汽油小型车福特福克斯的PM2.5质量浓度数据缺失.可以看出, 机动车尾气中的颗粒物浓度随燃油类型和品质不同而呈现显著差异, 柴油车的颗粒物浓度高于汽油车, 使用92#汽油的机动车的颗粒物浓度明显高于使用95#汽油的机动车.高怠速工况下, 95#汽油车的PM2.5质量浓度和PM0.01~1数浓度平均值分别约为0.9 mg · m-3和1.2×105 cm-3, 92#汽油车分别为3.1 mg · m-3和2.1×105 cm-3, 而柴油车分别为4.3 mg · m-3和2.8×105 cm-3.某些中型汽油车直接排放的颗粒物浓度堪比大型柴油车, 如国Ⅲ标准的汽油车帕萨特B5, 主要原因可能是本研究选用的帕萨特B5的车龄很大(6年), 其尾气中高浓度的颗粒物与发动机性能下降、尾气净化装置老化有关.

图 6 不同燃油种类的机动车高怠速工况下尾气中的PM2.5质量浓度与PM0.01~1数浓度 Fig. 6 PM2.5 mass concentrations and PM0.01~1 number concentrations of vehicle exhausts with different fuel types under high idling mode

柴油车尾气颗粒物的单车排放因子很高(Zielinska et al., 2004; 贺泓等, 2007; 吴银山等, 2008; 刘明月等, 2017), 而柴油中硫含量的增加会导致柴油车颗粒物排放量的增加(申现宝, 2015).对于汽油发动机, 当汽油品质由95#降低到92#时, 发动机油耗增加2%~8%不等(孙国兵等, 2017), 导致尾气颗粒物排放量增加; 在本研究中, 92#汽油车的尾气颗粒物浓度约为95#汽油车2倍或以上.因此, 逐步提高车用柴油和汽油的品质, 有利于减少机动车尾气颗粒物的排放.

3.5 不同排放标准的机动车尾气中颗粒物浓度的差异

机动车的排放标准可以一定程度上反映整车的(即经过尾气净化装置处理后的)尾气污染物的排放情况. 图 7对比了不同排放标准(国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ)的汽油机动车在高怠速工况下尾气中颗粒物的平均浓度, 其中国Ⅳ小型车福特福克斯的PM2.5质量浓度数据缺失.由图可知, 整体上机动车尾气中的PM2.5质量浓度和PM0.01~1数浓度随机动车排放标准的提高而降低.国Ⅲ标准的汽油车尾气中PM2.5质量浓度和PM0.01~1数浓度平均值分别为3.5 mg · m-3和2.9×105 cm-3, 国Ⅳ标准的汽油车分别为1.4 mg · m-3和1.2×105 cm-3, 而国Ⅴ标准的汽油车分别为0.9 mg · m-3和1.7×105 cm-3, 国Ⅲ标准汽油车的颗粒物质量浓度与数浓度约是国Ⅳ和国Ⅴ标准汽油车的2~4倍.需要说明, 国Ⅴ标准汽油车的颗粒物数平均浓度略高于国Ⅳ标准汽油车, 可能是由于国Ⅴ标准的机动车中凯迪拉克SRX整备质量大、排量大、油耗大, 因此排放的颗粒物浓度较高.

图 7 不同排放标准的机动车高怠速工况下尾气中的PM2.5质量浓度与PM0.01~1数浓度 Fig. 7 PM2.5 mass concentrations and PM0.01~1 number concentrations of vehicle exhausts with different emission standards under high idling mode
4 结论(Conclusions)

1) 怠速工况下, 济南市区常见机动车尾气中的颗粒物质量浓度和数浓度较低, 不同车辆的平均PM2.5和PM10质量浓度、PM0.01~1数浓度的范围分别为0.035~1.434和0.049~3.669 mg · m-3、0.95~21.69×104 cm-3; 高怠速工况下颗粒物质量浓度和数浓度较高, 平均PM2.5和PM10质量浓度、PM0.01~1数浓度分别为0.350~5.132和1.708~7.862 mg · m-3、6.78~40.68×104 cm-3, 最大值均来自于大型柴油车.

2) 随着发动机转速提高、车型变大、排放标准降低, 机动车尾气中的颗粒物质量浓度和数浓度明显升高.与怠速工况相比, 高怠速工况下的PM2.5质量浓度升高3~44倍, PM0.01~1数浓度升高2~33倍.与小型车相比, 中、大型车的PM2.5质量浓度升高约5倍, PM0.01~1数浓度升高约2倍.使用92#汽油的颗粒物质量浓度与数浓度约为95#汽油车的2倍, 而柴油车排放的颗粒物浓度高于汽油车.国Ⅲ标准的汽油车尾气颗粒物的质量浓度与数浓度约是国Ⅳ和国Ⅴ标准汽油车的2~4倍.

3) 结果表明, 提高机动车排放标准, 提高燃油品质, 减少机动车在实际道路行驶中突然加速或启动等高怠速工况的瞬态变化, 加强对中、大型车尤其是大型柴油车的监管, 鼓励使用低耗能小型汽车等, 能够一定程度上减轻机动车尾气带来的颗粒物污染.

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