制动排放法规进展及制动排放影响因素研究

作者：危红媛 

汽车非尾气颗粒物主要来源于制动磨损、轮胎磨损、路面磨损和道路再悬浮尘（非直接来源）等。随着汽车排放法规的不断加严，汽车尾气颗粒物排放在得到削减的同时也使得其非尾气颗粒物的排放问题日益凸显。欧盟委员会的研究表明，汽车尾气源和非尾气源的PM10排放在交通相关PM10排放总量中的占比几乎相等，且随着尾气排放控制的日益严格，非尾气源对交通相关排放的相对贡献将越来越大。有研究表明，摩擦制动过程排放的颗粒物贡献了16%-55%的城市非尾气PM10排放以及39%-63%的城市非尾气PM2.5排放。因此，制动磨损颗粒物排放已成为国内外下阶段排放标准的监管方向之一。

图1 机动车排放颗粒物来源

一、国内外汽车制动排放法规进展

联合国全球统一汽车技术法规（UN GTR）的PMP工作组自2014年起就已经启动了基于制动测功机的汽车制动排放测试方法的研究工作，目前已经出台了轻型车制动排放测试规程（ECE/TRANS/WP.29/GRPE/2023/4）。

2024年5月欧盟发布的欧七法规（Euro 7，European Union Stage VII Emission Standards）中已明确提出对M1、N1类车辆的制动磨损颗粒物排放的测试方法（采用UN GTR方法）和限值等要求, 标准将于2026年11月29日实施。此外，PMP工作组也计划于2025年6月完成重型车制动排放测试方法标准第一版草案，当前其正在开展基于制动测功机的排放测试方法研究工作。中国环境科学研究院也正在组织开展我国轻型车下阶段排放标准中制动排放测试方法的研究工作；中汽研汽车检验中心（天津）有限公司（简称“天津检验中心”）也牵头制定了汽车制动排放测试方法的4项系列团体标准，当前已完成标准审查工作。

表1 欧七制动排放限值及实施日期

注：

• N1类车：最大设计总质量不超过3500 kg的载货车辆；

• N2类车：最大设计总质量超过3500 kg,但不超过12000 kg的载货车辆；

• N3类车：大设计总质量超过12000 kg的载货车辆；

• M1类车：包括驾驶员座位在内，座位数不超过九座的载客车辆；

• M2类车：包括驾驶员座位在内座位数超过九个,且最大设计总质量不超过5000 kg载客车辆；

• M3类车：包括驾驶员座位在内座位数超过九个,且最大设计总质量超过5000 kg的载客车辆；

• N1 I类车：运行质量≤1280 kg的N1类车；

• N1 II类车：1280 kg＜运行质量≤1735 kg的N1类车；

• N1 III类车：运行质量＜1735 kg的N1类车。

 二、制动排放影响因素研究

为了应对欧七及未来国七的制动排放标准，制动行业纷纷开展了低排放制动器技术的研究工作，包括碳陶盘、制动盘激光熔覆及制动衬片配方优化等，而掌握制动排放的影响因素对低排放制动器的研发至关重要。天津检验中心基于制动排放测试系统开展的制动排放影响因素研究工作取得了下述初步成果。

（1）制动器类型的影响：由于鼓刹磨损产生的部分颗粒物无法排出鼓刹外，故其颗粒物排放明显低于盘刹，然而这并不意味着鼓刹的制动排放一定可以满足法规限值要求。天津检验中心的试验研究结果显示，WLTP-Brake循环下的制动鼓（制动蹄材料为NAO）PM2.5排放因子可达1.67 mg/km/wheel，因试验制动鼓的轴荷分配比为50%，因此可简单将该值乘以4（4个轮子/辆车）即可得到每辆车的PM2.5排放因子，即为6.68 mg/km/vehicle。当前欧七法规中对纯电动以外的轻型车的制动PM10排放限值为7 mg/km/vehicle。虽然制动鼓磨损排放的颗粒物主要集中在小粒径范围，但如果加上试验制动鼓在2.5μm-10μm粒径段之间的PM排放，那么该制动鼓则很有可能无法满足欧七提案的限值要求。因此，鼓刹制动排放控制与盘刹一样需要引起我们的重视。

图2 盘刹和鼓刹在WLTP-Brake循环下的PM2.5排放因子

（2）制动衬片材料的影响：有研究表明对于铸铁制动盘而言，不同材料制动衬片的制动排放排序为：低金属＞半金属＞NAO。天津检验中心研究了低金属和半金属制动衬片的PM、PN排放情况，发现低金属衬片的PN排放明显高于半金属，但二者PM排放的差异则不那么明显。此外，半金属、低金属制动衬片的PN排放多集中在1μm以下、PN峰值粒径均在100nm以下。

注：

• CHTC-B：中国城市客车行驶工况

• CHTC-C：中国普通客车行驶工况

• CHTC-HT：中国货车（最大设计总质量＞5500kg）行驶工况

• C-WTVC：以世界重型商用车辆瞬态循环(WTVC, World Transient Vehicle Cycle)为基础，调整加速度和减速度形成的驾驶循环。 

图3 不同制动衬片材料的PN、PM排放因子

（3）车辆载荷的影响：车辆载荷决定了制动排放试验中制动器的试验惯量，对于装载量大的重型车而言其车辆质量在满载和空载的情况下差异较大。天津检验中心的研究显示试验制动器在车辆满载（试验惯量为1189 kg·m2）时的PN10排放因子甚至可比车辆空载（试验惯量为721 kg·m2）时高51%。因此，在开展重型车制动排放测试方法研究时需充分考虑车辆载荷变化因素，例如可根据车辆实际运行情况下的载荷分布占比对其不同载荷下的排放进行加权处理等方式进行总排放量计算。

图4 不同车辆载荷下的制动盘PN10排放因子

制动颗粒物主要由制动器磨损直接产生，或因制动器磨损过程中较高的制动温度导致制动衬片等材料的分解、冷凝产生，故任何可影响制动颗粒物形成过程的因素都有可能影响其排放。因此，除了上述因素之外，制动盘材质及其加工工艺、制动排放测试工况及冷却空气参数等均会对制动排放产生一定的影响。由于当前制动排放研究尚处于初期阶段，故制动行业还没有形成一致认可的低排放制动器技术路线，因此，仍需对制动排放影响因素、制动排放特征及制动颗粒物组分等方面开展深入的试验及模拟研究工作。