1. 引言
2019年全国汽油车一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)排放量分别为557.6万吨、132.8万吨、30.3万吨，占汽车排放总量的80.3%、77.5%、4.9% [1]。控制汽车排气污染物主要从两方面入手：一是制定更严格可行的新车排放法规，提升汽车排放污染控制技术，开发新能源汽车，降低新生产车辆的排放污染，从源头上做好汽车节能减排 [2]；二是对在用车辆严格执行在用车检测维护(I/M, Inspection and Maintenance Program)制度，通过对在用车进行定期和不定期的排放检测、监督抽测，并对不达标车辆进行强制维护，使车辆处于良好运行状态，从而减少污染物排放 [3]。
考虑到污染物超标原因及超标特征不明确的情况，会导致盲目治理和过渡维修，制约I/M制度的有效开展 [4]。故本文通过北京市在用汽油车排气污染物超标因素分析，提出对在用车维护的建议。
2. 在用汽油车排放检测方法简介
我国新车一直采用等同于欧盟法规的排放测试循环，沿用欧盟的排放体系，在用车排放检测方法基本沿用美国的排放体系。美国在用汽油车排放污染物检测方法主要有：瞬态工况法(IM240)、稳态工况法(ASM, Acceleration Simulation Mode Test)和简易瞬态工况法(VMAS, Vehicle Mass Analysis System)
IM240瞬态工况法从美国新车排放试验规程FTP曲线衍生而来，试验设备工作原理一致与FTP试验设备一致，设备费用昂贵，维护比较复杂，检测时间较长，对检测人员有较高的要求 [2]。
ASM工况法是指车辆预热到规定热状态，然后加速到规定速度 [5]，利用底盘测功机模拟道路行驶阻力 [6]，通过特点工况曲线，测得HC、NOx和CO的浓度。此方法的特点是仪器的成本和使用维护费用不太高，可用于识别NOx排放高的车辆 [7]。
故我国在用汽油车排气污染物检测主要采用稳态工况法和简易瞬态工况法。ASM和VAMS都是美国环保局认可的、可筛选出高排放车的在用车检测方法，两种方法的采样系统和分析原理基本一致，ASM设备及维护费用较低，如下表1所示。
GB18285-2018标准编制组统计分析了我国31个省、市、自治区共4317万次环保检测数据，发现不同检测方法的合格率如图1所示。可以看出双怠速法的合格率最高约91.5%，其次是VMAS法的合格率约89.8%，对高排放车辆的识别率为10.2%；ASM工况法的合格率最低为85.9%，对高排放车的识别率为14.1% [8] [9]。
Table 1. The comparison of VAMS and ASM
表1. 简易工况法和瞬态工况法对比
Figure 1. The qualification rate of different detection methods [8] [9]
图1. 不同检测方法的合格率 [8] [9]
简易工况法的主要目的是用来识别高排放在用车，无论采用哪种方法，对高污染车辆的识别率主要取决于所制定的排放限值 [10]，北京市在用汽油车排放污染物检测采用稳态工况法，通过严格的限值，能有效识别高排放车辆。
3. 轻型汽油车超标原因分析
课题组收集了北京市共14,371条轻型汽油车ASM工况排放检测数据，截止2019年初，北京市国五及以上排放阶段在用轻型汽油车已占汽油车保有量约51%，国三汽油车检测比例和数量较少。不同排放阶段检测数据量如表2所示，下文将分别从基准质量和排放污染物两个方面，分析污染物超标的原因及解决方案。
Table 2. The number of light-duty gasoline vehicles tested
表2. 轻型汽油车检测量
3.1. 不同基准质量对超标率的影响
对不同排放阶段不同基准质量车辆的超标率分析，如下图2所示，对国三、国四车辆，基准质量小于1305 kg的车辆超标率最高，随着基准质量的增加，超标率逐渐降低；对国五车辆，基准质量在1305~1760 kg之间的车辆，超标率最高，基准小于1305 kg的车辆超标率最低。
Figure 2. The exceeding standards rate of vehicles with different reference mass
图2. 不同基准质量车辆超标率
基准质量对国三、国四车辆的有明显的影响，随着基准质量的增加，超标率降低，呈负相关关系；但是对国五车辆，基准质量在1305~1760 kg之间的车辆超标率最高，超标率与基准质量不逞负相关。考虑国四、国五基准质量在1305~1760 kg之间的车辆检测量远多于其他两类车辆，故不能排除检测量对超标率的影响，需要数据量支持。
3.2. 不同污染物对超标率的影响
3.2.1. 单项污染物超标分析
筛选只有单项污染物超标的车辆，分析不同排放阶段车辆的超标原因，如图3所示，统计了不同排放阶段车辆，单项污染物超标比例。可以看出，不同排放阶段车辆，NOx超标导致排放不合格的比例最高，HC超标的比例最低，CO超标的比例介于两者之间，且随着排放阶段的升高，NOx和HC超标的比例呈降低趋势，CO的超标的比例呈升高的趋势。
初步分析原因CO的生成是燃烧过程中缺氧导致，HC生成是燃料未完全燃烧导致，NOx的生成机理是高温富氧，ASM工况下，发动机燃烧效率高，温度较高，同时为了提高燃油经济性，混合气浓度偏稀，氧含量较高，满足NOx生产条件 [4]，故NOx超标是轻型汽油车ASM工况下的主要超标污染物。要降低NOx排放，主要使用EGR技术，降低温度，同时通过经过三元催化器(TWC)作用进一步降低NOx。从图3中可以看出，随着车辆排放阶段的上升，车辆排放控制技术升级，NOx超标情况逐级降低。
Figure 3. The exceeding standards rate of different emissions
图3. 不同污染物的超标比例
3.2.2. 两项污染物超标分析
筛选出两种污染物超标的车辆，统计不同排放阶段车辆，两项污染物超标的数量，国三车辆均为单项污染物超标，故不在本次分析内。如下图4所示，可以看出，国四车辆CO + HC污染物组合超标车辆最多，其次是CO + NOx污染物组合，超标最少的污染物组合是HC + NO；国五车辆CO + NOx污染物组合超标车辆最多，其次是CO + HC污染物组合，超标最少的污染物组合是HC + NO。
Figure 4. The number of exceeding standards of different emissions
图4. 不同污染物的超标数量
HC + NOx同时超标可能原因是混合气浓度较稀，气缸积碳；CO + HC同时超标，可能因为是混合气浓度较浓，供氧不足，气缸磨损、缸压下降；CO + NOx超标同时超标可能是三元催化器(TWC)失效导致。
3.2.3. 三项污染物超标分析
三项污染物全超标的车数量如下图5所示，国三车0辆，国四车34辆，国五车58辆，且超标车辆基准质量均在1305~1760 kg之间。三项污染物都超标原因可能是三元催化器(TWC)和氧传感器失效，气缸磨损且存在积碳等。
Figure 5. The number of exceeding standards of different stages vehicles
图5. 不同排放阶段车辆的超标量
4. 重型汽油车超标数据分析
课题组收集了北京市共574条重型汽油车ASM工况排放检测数据，重型汽油车分为I类重型汽油车(2000.1.1以前登记注册)、II类重型汽油车(2000.1.1-2004.8.31登记注册)和III类重型汽油车(2004.9.1以后登记注册)共三类，不同类型重型汽油车检测数量见下表3，因北京市的排放标准升级较严格，重型汽油车检测数量较少。
Table 3. The number of heavy-duty gasoline vehicles tested
表3. 重型汽油车检测量
针对单项污染物，分析重型汽油车不同污染物的超标比例如下图6所示，I类重型汽油车全都是NOx超标；II类重型汽油车以NOx超标为主，其次是CO超标，没有HC超标的车辆；III类重型汽油车也全都是NOx超标。可以发现，重型汽油车的主要超标原因是NOx。由于重型汽油车检测数据较少，现有数据中没有出现两种或多种污染物同时超标的情况。
Figure 6. The exceeding standards rate of different emissions
图6. 不同污染物的超标比例
5. 结论
本文经对北京市14,371条轻型汽油车、574条重型汽油车ASM工况排放检测数据分析，得出如下结论：
1) 对轻型汽油车，国三、国四车辆随着基准质量的增加，超标率降低，呈负相关关系；国五车辆，基准质量在1305~1760 kg之间的车辆超标率最高，超标率与基准质量不逞负相关；
2) 对不同排放阶段轻型汽油车，单项污染物超标情况中，NOx超标导致排放不合格的比例最高，HC超标的比例最低，CO超标的比例介于两者之间，且随着排放阶段的升高，NOx和HC超标的比例呈降低趋势，CO的超标的比例呈升高的趋势。对不同类型重型汽油车污染物超标都以NOx超标为主。