WLTC工况下轻型车制动与轮胎磨损颗粒物排放的实验室测量与排放因子研究

《Science of The Total Environment》：Measurements of brake and tire wear particulate emissions from light-duty vehicles under WLTC driving conditions

本文针对非尾气颗粒物排放日益突出的问题，开发了在底盘测功机上同步测量轻型车制动与轮胎磨损颗粒物的实验方法。研究人员对三款具有代表性的欧洲车队车辆（包括混合动力车）进行了测试，量化了其在WLTC工况下的PM10、PM2.5、总颗粒物（TPM）及颗粒数量（PN）排放。结果揭示了车辆质量、制动策略（尤其是再生制动）和驾驶条件对排放水平的显著影响，为完善非尾气颗粒物排放清单和未来法规制定提供了关键数据。

　　

随着尾气排放法规日益严格以及电动汽车的普及，道路交通颗粒物污染的“主角”正在悄然转变。非尾气颗粒物（Non-Exhaust Particulate Emissions, NEP），特别是源自制动器和轮胎磨损的颗粒物，其相对贡献正急剧上升，预计到2050年将占道路交通颗粒物排放总量的90%。这些微米乃至纳米级别的颗粒物不仅对空气质量构成威胁，更因其可吸入性及含有的重金属、微塑料等有害成分，对公众健康和生态系统带来显著风险。欧洲委员会已意识到这一问题，在即将实施的欧7（Euro 7）法规中首次纳入了对制动磨损颗粒物（PM₁₀）的限值。然而，与尾气排放相比，对非尾气颗粒物，尤其是轮胎磨损颗粒物的测量与认知仍存在大量空白，缺乏统一、可靠的测量方法是当前面临的核心挑战。

为了更准确、可重复地量化现代轻型车的非尾气颗粒物排放，一项发表在《Science of The Total Environment》上的研究摒弃了单一的台架或复杂的道路测试，选择在实验室环境中采用底盘测功机这一折中方案。研究人员选取了三款代表欧洲车队的车辆：一辆欧5轻型商用车（LCV）和两辆欧6混合动力乘用车（一辆轻度混合动力小型乘用车PC small，一辆全混合动力中型乘用车PC medium），在全球统一轻型车测试循环（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle, WLTC）下进行了测试。这种全车辆方法能够整合制动策略、传动行为、混合动力水平、悬架几何结构以及轮胎-道路相互作用等所有子系统，从而在接近真实驾驶条件下进行测量。

研究的关键创新在于设计并应用了两种专用的颗粒物收集系统。针对制动磨损，为每个车辆的前右制动组件量身定制了一个密封制动腔室；针对轮胎磨损，则设计了一个半封闭的腔室来包围轮胎。这两个系统可交替连接到同一套采样线上，从而能够分别测量制动和轮胎产生的颗粒物质量（TPM、PM₁₀、PM_2.5）和颗粒数量（PN）及其粒径分布，有效实现了污染源的分离并最大限度地减少了交叉污染。

主要关键技术方法概述

研究人员在底盘测功机实验室进行测试，通过动态再现车辆在车轮-滚筒接触点处的道路载荷来模拟真实驾驶。为分离测量制动与轮胎磨损颗粒，他们为车辆前右轮制动器安装了定制化的密封收集腔室，并为轮胎配备了半封闭式收集腔室。采样系统连接至集成测量线，可同步测量PM₁₀、PM_2.5、TPM以及PN和粒径分布。颗粒物质量排放因子通过滤膜采集计算，颗粒数浓度则使用电气低压冲击器（ELPI）等仪器测量。测试严格遵循WLTC驾驶循环，并监测了制动盘温度等关键参数。

研究结果

4.1. 制动磨损颗粒物排放

4.1.1. 颗粒物质量排放

制动磨损颗粒物排放测量结果显示，不同车辆和技术之间存在显著差异。平均而言，对于单个制动器，小型乘用车（PC small）在整个WLTC循环中的总颗粒物（TPM）排放因子为0.77 mg/km，PM₁₀为0.57 mg/km，PM_2.5为0.36 mg/km。而中型乘用车（PC medium）的排放则低得多，TPM、PM₁₀和PM_2.5分别为0.18 mg/km、0.19 mg/km和0.11 mg/km。这种差异主要归因于混合动力技术和制动策略的不同。中型乘用车作为全混合动力车，其先进的动力分配混合动力系统和无级变速器（e-CVT）能够优化使用再生制动，导致传统摩擦制动器的使用频率和强度大大降低，从而排放极低。相比之下，小型乘用车（轻度混合动力）的再生制动能力有限，在城市驾驶阶段（WLTC_low/medium）制动使用更多，导致其颗粒物排放明显高于高速阶段（WLTC_high/extra-high）。制动盘温度监测结果（图6）直观地反映了这一现象：中型乘用车的温度曲线平稳，仅有微小峰值；而小型乘用车的曲线则显示出多个明显的温度峰值，对应着积极的制动事件。此外，中型乘用车使用的陶瓷刹车片相较于小型乘用车和轻型商用车使用的低金属刹车片，本身也具有更低的排放趋势。

4.1.2. 颗粒数量排放

颗粒数量（PN）的排放趋势与质量排放相似。轻型商用车（LCV）的PN排放最高，整个WLTC循环中大于7纳米的颗粒数排放因子达7.4x10¹⁰#/km。小型乘用车和中型乘用车的PN排放因子分别为4.6x10¹⁰#/km和1.8x10⁹#/km。所有车辆的PN排放均表现出明显的双峰粒径分布（图16），峰值出现在约70纳米和1微米附近。研究还发现，小于28纳米的纳米颗粒的测量变异性（Coefficient of Variation, CoV）远大于大于28纳米的颗粒，表明超细颗粒的生成和测量具有更高的不确定性。

4.2. 轮胎磨损颗粒物排放

4.2.1. 颗粒物质量排放

轮胎磨损颗粒物的排放同样受到车辆类型和驾驶条件的显著影响。轻型商用车（LCV）是轮胎磨损颗粒物的最大排放源，其TPM排放因子平均为1.31 mg/km，远高于两款乘用车（小型PC：0.50 mg/km；中型PC：0.33 mg/km）。与制动磨损类似，轮胎的PM排放也在WLTC循环的低中速阶段（城市驾驶）更高，这反映了加速、制动和转弯等操作对轮胎磨损的主导作用。一个有趣的发现是，尽管中型乘用车质量更大，但其轮胎磨损排放却低于小型乘用车。这被归因于其自动变速器带来的更平顺的驾驶风格，以及可能更优化的轮胎-车辆匹配。相比之下，配备手动变速器的小型乘用车在驾驶中会产生更高的加速度（图12），导致更频繁的轮胎磨损颗粒物排放峰值。

4.2.2. 颗粒数量排放

轮胎磨损的PN排放也非常可观。轻型商用车的排放最高，达到1.33x10¹¹#/km（大于7纳米）。小型和中型乘用车的PN排放因子分别为1.20x10¹⁰#/km和1.8x10⁹#/km。轮胎磨损PN的粒径分布同样呈双峰型。通过重量法测量的轮胎总质量损失表明，可吸入的PM₁₀和PM_2.5仅占轮胎总磨损质量的一小部分（小型PC分别为7.1%和6.2%；中型PC分别为3.8%和2.4%），大部分磨损产物以粗颗粒形式残留于路面。

研究结论与意义

本研究成功开发并验证了一种在底盘测功机上对整车进行制动和轮胎磨损颗粒物排放测量的可控实验室方法。研究结果清晰地表明，车辆技术（特别是混合动力程度和再生制动策略）、车辆质量以及驾驶动态（如加速度大小）是影响非尾气颗粒物排放的关键因素。先进的再生制动系统能显著降低制动磨损排放；而驾驶风格则显著影响轮胎磨损排放。

本研究提供的排放因子数据为完善现有的非尾气排放清单（如EMEP、MOVES）提供了宝贵的实验依据，结果显示实测值普遍低于库存估算值，凸显了采用标准化方法获取实际数据的重要性。研究强调，未来的车辆设计和排放法规不应只关注尾气，必须综合考虑非尾气排放。鼓励采用高效的再生制动、优化制动片和轮胎材料，以及培养平顺的驾驶习惯，是减少道路交通颗粒物污染的有效途径。此外，本研究揭示的超细颗粒物（特别是轮胎磨损产生的纳米颗粒）的显著排放及其高变异性，指出了未来研究需要重点关注的方向，这对于全面评估非尾气排放对空气质量和健康的影响至关重要。随着电动汽车的普及，制动磨损可能会减少，但轮胎磨损因其与车重和驾驶行为相关仍将持续，因此持续监测和研究非尾气排放具有长远的意义。