制動磨損顆粒物排放影響因素及控制措施研究

摘要：隨著排放法規標準的不斷嚴化控制以及新能源汽車迅速發展，大氣污染中機動車尾氣排放占比逐漸減少，非尾氣所產生的排放污染貢獻加大，成為不可忽視的問題。機動車非尾氣排放污染物中制動磨損顆粒物占比最大。在此基礎上，綜述了制動磨損顆粒物排放影響因素和現有控制措施，重點分析了制動器結構類型、制動器構成材料、車輛行駛工況以及制動工況對顆粒物排放的影響。同時，從國內外政策導向、制動磨損顆粒物排放測試方法創新和低顆粒物排放制動器材料研制等方面探討了當前的控制措施，為后續制動磨損顆粒物減排及相關標準法規的制定提供了一定參考。

關鍵詞：制動磨損；非尾氣顆粒物排放；剎車排放；控制措施

中圖分類號：U463.1" 收稿日期：2024-11-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503016

1 前言

大氣污染中顆粒污染物是國內外城市面臨的主要環境問題之一，顆粒物不僅降低能見度、影響光照輻射對自然環境、農耕、海洋等產生影響，破壞生態環境，還會對人體健康造成嚴重危害，顆粒污染物吸入人體會損害人體呼吸道等機能，增大患呼吸系統、心血管疾病及癌癥風險[1]。道路交通中機動車尾氣排放作為大氣顆粒污染物生產大戶一直備受關注，隨著機動車排放標準不斷嚴苛控制和電動汽車的發展，尾氣中顆粒物排放量下降，非尾氣顆粒物排放占比增大，成為大氣顆粒物污染中的重要來源。

機動車非尾氣顆粒物排放中含有制動磨損、輪胎磨損、路面磨損以及道路揚塵等多個顆粒物排放來源，其中制動磨損所產生的顆粒物PM10的排放質量占總體的16%～55%。制動磨損顆粒物是由剎車片（或墊片）與剎車盤（鼓）在相對運動過程中磨損所產生的，大約有35%～55%的制動磨損顆粒物會直接釋放到大氣中，其余部分附著在制動器表面或者路面上，附著的部分會隨著其他機動車經過運動被重新釋放，懸浮在空氣中。有研究表明，在城市地區制動磨損顆粒物的PM25排放量占比高達39%～63%[2]。

綜上可知，控制機動車非尾氣中制動磨損顆粒物排放是減少大氣顆粒物污染至關重要的一環。為此，本文綜述了制動磨損顆粒物排放的影響因素和現有的控制措施，為下一步對制動磨損顆粒物的研究、排放控制技術發展以及相關政策標準制定提供基礎。

2 制動磨損顆粒物排放的影響因素

21 制動器結構類型

制動器是一種使運動中的部件動力下降從而減速或者停止的裝置總稱。機動車一般采用的是摩擦式制動器，通過制動件與運動件之間的摩擦將車輪的動力勢能轉化為熱能從而使車速下降。制動器類型多樣，有鼓式（塊式）、盤式、帶式、內脹式等，輕型車常用的為鼓式和盤式制動器[3-4]。

鼓式制動器是靠制動塊在制動輪上壓緊來實現剎車的，其制動塊位于制動輪內側，剎車時制動塊向外張開與制動輪內側摩擦從而使車速下降，達到減速或剎車的目的，如圖1所示。盤式制動器應用在制動盤（運動過程以端面工作的金屬圓盤作為旋轉元件）結構上，摩擦元件位于制動盤兩側，減速時摩擦元件從兩側夾緊制動盤使其減速，如圖2所示。將兩者組合到一起的固定元件具有多種類型的結構，總體分為鉗盤式和全盤式。由兩者結構特點可知，鼓式制動器剎車片和制動鼓的接觸面積大，產生的摩檫力也大，因此鼓式制動器的制動力強于盤式制動器。由于制動片和輪轂在高溫下易發生變形，鼓式制動器接觸面大，散熱性能較弱，長時間制動會導致熱量積攢從而使制動力下降，而盤式制動器摩擦接觸面小，散熱效果好，制動性能更穩定。

鼓式制動器和盤式制動器在摩擦制動過程中均會產生顆粒物[5]，由于兩者結構特點不同，使所產生的顆粒物排放有所差異。鼓式制動器顆粒物產生環境較為封閉，大部分顆粒物堆積在剎車蹄空隙中，影響制動摩擦效率，需定期拆解清理鼓內長時間使用所產生的顆粒物。盤式制動器剎車片暴露在環境中，摩擦所產生的顆粒物很難附著在制動盤或剎車片上，會隨著離心力的作用散發在大氣中，造成大氣中顆粒物排放量增加。

22 制動器構成材料

剎車盤與剎車片相互摩擦來使車輛減速達到制動效果，在兩者摩擦過程中剎車盤和剎車片的磨損而引起制動磨損顆粒物排放，產生的顆粒物數量及粒徑大小與兩者的材料、實際工況等因素有關。

剎車盤需滿足高強度、剛度和熱容量的條件，依據制動器技術工藝選用材料有灰鑄鐵、碳陶、碳纖維等，99%的乘用車采用灰鑄鐵，具有成本低、強度高、堅固耐用等優點，但易發生磨損[6]；部分高端車型會采用碳陶盤或碳纖維盤，抗熱衰減性能好、制動反應快、制動距離短、重量輕、磨損程度較小，但是未達到目標工作溫度時制動能力達不到最佳，價格昂貴。

剎車片所選用的材料種類較多，主要分為半金屬材質、低金屬材質、無石棉有機材質、陶瓷材質及復合材質。半金屬剎車片由金屬纖維、鋼、銅等金屬材料混合樹脂制成，耐磨，但是耐熱性差、壽命短、噪音大；低金屬剎車片的配方中含有少量金屬纖維，并加入摩擦材料例如石墨或有機材料，耐熱性高，但是不耐磨；碳纖維和陶瓷剎車片耐高溫、散熱性好，耐磨，但是價格昂貴，一般使用在高端車型中；復合材質剎車片由多種材質混合制成，性能依據所添加的材料特性而有所差異。因此使用不同材料的剎車盤和剎車片，會展現出不同的制動磨損顆粒物排放特性。

23 車輛行駛工況

常規輕型車排放測試過程中，出于不同測試目標要求會采用特定的排放測試循環進行具體內容研究，不同循環測試工況的車輛行駛時間、加速度、制動情況等有所差異，造成制動磨損顆粒物排放特性迥異（圖3）。

馬堯等[7]采用慣性試驗臺法在密閉艙內模擬制動過程測試NEDC、WLTC、CLTC-P和WLTP-Brake4種循環測試工況下制動磨損顆粒物排放特性，其中前3種循環測試工況為現有常規汽車能耗測試和排放測試工況，NEDC整個工況過程中速度較為穩定，制動次數較少，整個循環測試工況時長為1 180 s，WLTC和CLTP-P測試工況中加速度變化頻繁、制動情況類似，工況時間均為1 800 s，WLTP-Brake為針對制動磨損顆粒物排放特性研究而制定的測試工況，加速度變化頻繁，制動減速次數達303次，工況時長15 826 s。

最終測試結果表明，4種循環測試工況中，NEDC循環測試工況下的PM25和PM10顆粒物排放因子較低，但是細顆粒占比較高，WLTP-Brake工況下顆粒物排放因子較高，粒徑小于007 μm顆粒物數量占比超總排放顆粒物數量的98%，WLTP和CLTC-P兩種循環測試工況下排放因子類似。車輛行駛工況劇烈，制動情況復雜時顆粒物排放因子較高，顆粒物小粒徑數量占比較高，在后續優化和制定磨損顆粒物排放循環測試工況時需適當考慮到這一點。

24 制動工況

制動工況對磨損顆粒物排放也會產生一定影響，現研究中影響較為明顯的有臨界溫度、制動速度及制動載荷。當制動表面的溫度超過某個值時，顆粒物排放量顯著增加，該值稱之為臨界溫度。超過臨界溫度的顆粒物排放主要以小粒徑顆粒物為主，并且伴隨著揮發性物質的產生。臨界溫度主要受摩擦方式和摩擦結構材料特性的影響。制動速度和加速度大小會影響摩擦制動器摩擦表面，改變摩擦材料表面的摩擦機理和溫度，從而影響制動磨損顆粒物的產生量和排放方式。制動初速度對顆粒排放有較大影響，制動初速度顆粒物排放呈二次函數關系，制動初始溫度和顆粒物單次制動排放量呈二次函數數學關系。

制動載荷的大小會引起車輛運行狀態的變化[8]，制動摩擦接觸面的接觸狀態隨之發生變動，從而影響制動磨損顆粒物排放。隨著制動載荷的增加，制動摩擦接觸面及摩擦力度加大，制動磨損顆粒物排放增加，顆粒物形態呈多樣化，表面呈不規則形貌。同時制動載荷的增加會加快摩擦表面溫度升高速度。因此需控制好制動載荷大小，使其位于較好的摩擦狀態，減少制動磨損顆粒物排放。

3 制動磨損顆粒物排放控制措施

31 國內外政策導向

隨著新能源汽車的發展，預計未來汽車尾氣顆粒物排放量逐漸減少，但是電動汽車會產生非尾氣顆粒物排放，非尾氣顆粒物排放占道路運輸排放總顆粒物比例上升，為應對這一形式變化，在2024年5月8日歐盟正式發布的歐七排放標準中，首次對非尾氣顆粒物排放提出了管控要求，并分時間段設定了車輛制動系統顆粒物排放限值[9]，自標準生效日至2029年12月31日，M1及N1的Ⅰ、Ⅱ類電動汽車和其他動力系統汽車的制動系統顆粒物排放限值分別為3 mg/km和7 mg/km，N1的Ⅲ類電動汽車和其他動力系統汽車制動系統顆粒物排放限值分別為5 mg/km和11 mg/km，其他類型汽車暫無要求，最終目標是2035年1月1日以后M1及N1的Ⅰ、Ⅱ類所有動力型式汽車限值為3 mg/km。該項標準的制定與施行可推動相關設備廠家對剎車系統進行優化，從源頭控制制動磨損顆粒物排放。

我國雖未直接發布針對制動磨損顆粒物排放的標準法規，但是在汽車制動行業存在與控制制動磨損顆粒物排放相關的標準及行業監管，針對汽車用制動器襯片的標準有摩擦性能拖曳測試GB/T 34007—2017、摩擦性能小樣臺架測試GB/T 17469—2021、剪切強度測試GB/T 22309—2008等，同時對汽車用制動器襯片還有生產許可證、CCC強制性產品認證及產品質量監督抽查等形式的行業監管，從側面來提升汽車用制動襯片的質量，減少制動磨損顆粒物的排放。

國內各科研院所也紛紛展開制動磨損顆粒物排放相關研究，2022年由相關部門牽頭，共計31家行業整車企業、后處理企業、排放檢測機構及高校參與剎車排放國內外調研、磨損排放方法評估、磨損排放研究等工作，涉及制動器構成、制動磨損顆粒物排放檢測設備評價、制動磨損顆粒物排放特性研究、整車剎車制動過程顆粒物排放測試研究、非摩擦制動排放修正方法研究等課題，計劃于2025年12月完成各項課題研究，擬定剎車排放測試草案，將其納入國七排放標準中，監管制動磨損顆粒物排放。

32 制動磨損顆粒物排放測試方法創新

目前國內外較為成熟的制動磨損顆粒物測試方式有3種，分別是制動慣性試驗臺法、底盤測功機法、整車實際道路測試法。制動器慣性試驗臺是由制動測功儀改造而成的（圖4），制動測功儀可以通過設置不同的慣量和轉速模擬機動車在道路上行駛時的實際制動情況，其分為開放式和封閉式兩種[10]，其中開放式的結構簡單，制作成本較低，但是其采樣位置暴露在大氣環境中，無法排除測試環境中背景離子的影響，且制動磨損顆粒物有可能擴散到環境中。

應用在制動磨損顆粒測試中的制動測試儀采用的是封閉式結構，系統的采樣位置及樣氣傳輸通道封閉在一個密閉空腔內，整體由測功機系統、冷卻系統、采樣隧道、氣溶膠采樣系統和數據收集系統構成，經過調節空氣流量將該過程中所產生的顆粒物送到采樣通道，采樣通道中的采樣探針將收集到的樣氣輸送至PN和PM測量裝置，可以最大程度收集到由制動磨損所產生的顆粒物，并且減少其他來源顆粒物的影響，可以通過設置測功機模擬車輛真實制動情況，該試驗過程具有可重復性且最終結果可再現性程度高。

底盤測功機法適用于整車室內制動磨損顆粒物排放測試，機動車無需與制動系統分開，整車置于底盤測功機上進行制動磨損排放試驗，如圖5所示。Kwak等[11]采用開放式采樣系統測量車輛非尾氣排放顆粒物的排放特征，將采樣探頭分別安裝在制動摩擦面附近和汽車前端，可以同時分別收集到制動過程中所產生的顆粒物濃度和環境背景顆粒物濃度，將兩者相減可以獲得單獨由制動磨損所產生的顆粒物量。為進一步減少背景顆粒物的影響，可以在制動磨損顆粒采樣探頭附近加裝密閉裝置。

整車實際道路測試法是將采樣探頭安裝在輪胎附近，在車輛進行實際道路行駛過程中采集所產生的顆粒物，依據采樣系統的結構，分為開放式、半封閉式和全封閉式，如圖6所示。開放式系統結構簡單，易于安裝使用，但是最終結果受輪胎磨損顆粒物和路面漂浮顆粒物的影響。半封閉和封閉式采樣系統是在開放式系統結構上進行優化，不同程度地阻隔大氣顆粒物和輪胎磨損顆粒物排放所造成的影響，其中封閉式采樣系統可最大程度減少背景顆粒物的影響[12]，但是其采樣圍擋結構較為復雜，且環繞在制動器附近，影響制動的散熱效率和粒子運動軌跡，是否對制動器及磨損顆粒物排放產生影響還需進一步研究。綜上所述可知整車實際道路測試法可適于非尾氣排放顆粒物排放測試，在制動磨損顆粒物排放測試上還需繼續改進和優化測試設備。

33 低顆粒物排放制動器材料研制

降低制動磨損顆粒物排放的關鍵是降低剎車片和剎車盤在摩擦過程中所產生的磨損，制動器的材料作為最主要的影響因素成為了諸多車輛制動相關的零部件生產廠家的研究重點，主要集中在剎車盤噴射耐磨損涂層，研制高性能剎車盤復合材料和剎車片材料。博世研制的iDisc剎車盤[13]表面采用了碳化鎢涂層，在不影響制動性能的情況下可以顯著減少剎車摩擦所產生的顆粒物，磨損程度大幅降低，使用壽命長且耐腐蝕。李亞林等[14]綜述了多種鋁基復合材料汽車剎車盤的研究成果，并介紹了各種鋁基復合材料剎車盤摩擦磨損性能特性，為該種剎車盤的后續發展及量產提供參考。常慶輝等[15]提出了一種制動顆粒物排放量低的陶瓷剎車片及其制備方法，所制備出來的陶瓷剎車片熱穩定性好、摩擦系數穩定，強度高并且耐磨損，解決了現有陶瓷剎車片強度低、無法承受車輛在高負載或長時間制動下的高強度剎車問題。

4 結語

隨著新能源汽車的普及和尾氣排放法規的嚴加控制，非尾氣顆粒物排放在大氣顆粒物排放中占比增大，制動磨損成為其中不可忽視的污染源。制動器結構類型、制動器構成材料、行駛工況及制動工況對制動磨損顆粒物排放有顯著影響，制動器結構類型和構成材料會影響車輛在行駛過程中產生的磨損顆粒物排放至大氣中的含量及排放特性；車輛速度及加速度等車輛行駛工況變化越劇烈，顆粒物排放因子越高，顆粒物小粒徑數量占比增加；臨界溫度、制動速度及制動載荷等制動工況會影響制動器磨損程度，從而影響磨損顆粒物的粒徑及排放量。在制動磨損顆粒物排放控制措施方面，目前國內外制定并發布了相關標準法規加嚴對制動磨損顆粒物排放的控制，檢測機構及科研單位制定了多項制動磨損顆粒物采集方案，使制動磨損顆粒物排放檢測更加規范可靠，相關零部件廠家從制動盤涂層、剎車片及剎車盤材料研制方面來減少制動磨損顆粒物的產生。未來需進一步優化制動器設計、改進測試方法，并推動相關標準的制定與實施，以實現制動磨損顆粒物排放的有效控制。

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作者簡介：

姚燦，女，1998年生，助理工程師，研究方向為輕型車排放檢測檢驗。

基金項目：中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司科研項目“輕型車顆粒物排放特性研究”（202305）