重型柴油車污染物排放量計算方法比較分析

張紅玉，王華

（32392部隊，昆明 650222）

世界各國對重型車的質量限值不盡相同，主要分為歐美體系、歐洲體系和日本體系，其中美國以3855 kg、歐洲等國和日本以3500 kg劃定重型車界限[1-2]。柴油機由于在動力性、經濟性和可靠性方面有著汽油機不可比擬的優勢，是重型車的主要動力源[3]。伴隨長距離運輸、采礦、石油勘探、航空航天和新型武器裝備的更新發展，大噸位（30～60 t）、大功率（221～ 441 kW）、多軸型（3～8軸及以上）適合于專業化運輸的重型柴油車將成為我國重型柴油車發展的主要方向[4]。其中，重型多軸特種運輸車是為了滿足運輸單體超長超重貨物和越野特殊要求而開發的車輛，通常運輸質量大于80 t，車輛軸數大于6。在軍用領域，主要用于運輸和發射戰略導彈，在民用領域可用于運輸超寬、超重貨物或改裝為吊車、消防云梯車、泵車、油田修井車等[5-8]。特殊領域的重型特種運輸車不僅用于室外運輸，還有可能在工程內部發動運行。因此，有必要探究大功率大噸位級重型柴油車污染物排放量和稀釋污染物所需通風量的合理計算方法，為類似工程項目建設提供理論依據。

1 重型柴油車污染物排放特點

機動車所排的主要污染物包括HC、CO、NOx和顆粒狀物（PM），由于柴油車發動機燃燒溫度高、燃燒均勻性差、控制技術落后，導致大部分NOx和顆粒狀物（PM）來源于柴油車[9-11]。大功率大噸位級柴油運載車輛，燃燒進氣量及排煙量大。這類車輛在工程內部發動運行時，除與人員爭氧外，還將產生大量含CO、NOx、HC及顆粒狀物（PM）的有毒尾氣，若不完全燃燒，還可能產生含油蒸汽等易爆易燃物質。特別是在高海拔地區，大氣含氧量大大低于內地，燃燒不充分的情況尤為突出，人員缺氧窒息的可能性更高，以上這些情況在過去的工程建設中少有遇見。

2 重型柴油車污染物排放量計算方法

2.1 JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[12]計算方法

交通部2014年發布的《公路隧道通風設計細則》未把NOx列入隧道內空氣污染的控制因素，只考慮CO和煙塵排放量。煙塵、CO排放量表達式為：

式中：QVI為煙塵排放量，m2/s；QCO為CO排放量，m3/s；qVI為設計目標年份的煙塵基準排放量，m2/（veh·km）；qCO為設計目標年份的CO基準排放量，m3/（veh·km）；fa(VI)、fa分別為煙塵、CO的車況系數；fd為車密度系數；fh(VI)、fh分別為煙塵、CO的海拔高度系數；fiv(VI)、fiv分別為煙塵、CO的縱坡-車速系數；L為隧道長度，m；fm(VI)、fm分別為煙塵、CO的車型系數；nD為柴油車類別數；n為車型類別數；Nm為相應車型的交通量，veh/h。

文中以單輛32 t重型柴油車為例計算污染物排放量，即nD=1、n=1、Nm=1，上述表達式可簡化為：

稀釋煙塵所需風量表達式為：

式中：Qreq(VI)為稀釋煙塵的需風量，m3/s；K為煙塵設計濃度，m–1。

稀釋CO所需風量表達式為：

式中：Qreq(CO)為稀釋CO的需風量，m3/s；δ為CO設計體積濃度，cm3/m3；p0為標準大氣壓，取101.325 kN/m2；p為計算地點大氣壓，kN/m2；T0為標準氣溫，取273 K；T為計算地點氣溫，K。

2.2 世界道路協會（PIARC）2012年技術報告[13]計算方法

PIARC 2012年技術報告將CO、NOx、煙塵和非尾氣排放顆粒物均列入隧道內空氣污染的控制因素。煙塵、CO、NOx排放量表達式為：

式中：Q為CO、NOx的排放量，g/（h·veh）和煙塵的排放量，m2/（h·veh）；qex(v,i)為CO、NOx的基準排放量，g/（h·veh）和煙塵的基準排放量，m2/（h·veh）；qne(v)為非尾氣排放因子，m2/（h·veh）；fh為海拔高度修正系數；ft為計算年修正系數；fe為排放標準修正系數；fm為質量修正系數。

稀釋煙塵、CO、NOx所需風量表達式為：

式中：V為稀釋污染物的需風量，m3/s；nveh為隧道內車輛數量；Cadm–Camb為污染物設計濃度限值，g/m3（煙塵的濃度限值以Kadm代替，m–1）。

文中以單輛32 t重型柴油車為例，計算污染物排放量，即nveh=1，式（8）可簡化為：

3 重型柴油車污染物排放量和通風量計算

3.1 根據JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》計算

根據JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》，選取海拔高度為400、2000、3000、4500 m時，車速為10 km/h的國產柴油車，在長600 m、坡度0%的道路上行駛，車輛的尾氣污染物排放量和稀釋尾氣污染物所需空氣量的計算結果見表1。

《公路隧道通風設計細則》中，污染物基準排放量以2000年為起點，其他年份按2%的遞減率計算，表1計算目標年份為2020年。根據計算結果，如果不考慮NOx的空氣污染，柴油車的煙塵排放量為通風系統設計的控制指標。由于不考慮質量修正，不同質量的同類型柴油車煙塵排放量僅與海拔高度有關，表1計算按拖掛車、集裝箱進行車型系數修正。在400、2000、3000、4500 m海拔高度下，拖掛車、集裝箱柴油車的煙塵排放量分別為11.2、16.6、20.0、25.1 m3/h，稀釋污染物排放量所需最大空氣量分別為3749、5549、6674、8361 m3/h。

表1 根據《公路隧道通風設計細則》計算的車輛污染物排放量和稀釋污染物所需空氣量 Tab.1 Exhaust pollutant emissions of diesel vehicles and the amount of air required to dilute exhaust pollutants calculated according to “Guidelines for Design of Ventilation of Highway Tunnels”

3.2 根據世界道路協會（PIARC）2012年技術報告計算

世界道路協會（PIARC）2012年技術報告已完全取代2004年的版本，該報告中分別給出歐洲、中國和其他國家產小轎車、輕型車（總質量小于3.5 t）和重型柴油車的污染物基準排放量。因缺乏國產柴油車高海拔地區實驗數據，未給出海拔高度2000 m以上的污染物排放量修正系數。

在海拔0～2000 m的地區，車速為10 km/h的歐洲產32 t柴油車在坡度為0%的道路上行駛時，車輛的尾氣污染物排放量和稀釋尾氣污染物所需空氣量計算結果見表2。

表2 根據世界道路協會（PIARC）2012年技術報告計算的歐洲產32 t柴油車污染物排放量和稀釋污染物所需空氣量 Tab.2 Emissions of exhaust pollutants and the amount of air required to dilute exhaust pollutants from 32 t diesel vehicles in Europe according to the report provided by PIARC

在海拔0～2000 m的地區，車速為10 km/h的國產32 t柴油車在坡度為0%的道路上行駛時，車輛的尾氣污染物排放量和稀釋尾氣污染物所需空氣量計算結果見表3。

表3 根據世界道路協會（PIARC）2012年技術報告計算的國產32 t柴油車污染物排放量和稀釋污染物所需空氣量 Tab.3 Exhaust emissions of domestic 32 t diesel vehicles and the amount of air required to dilute exhaust pollutants according to the report provided by PIARC

PIARC 2012年技術報告中污染物基準排放量以2010年為起點，表2和表3計算目標年份為2020年。根據計算數據可得，同等條件下，國產重型柴油車的污染物基準排放量大于歐產車，導致國產車污染物排放量和稀釋污染物所需通風量遠高于歐產車，國產車的煙塵排放量甚至達到歐產車的5倍。在0～2000 m海拔高度下，32 t國產柴油車的CO、NOx和煙塵排放量分別為88.6、166.0 m3/(h·veh)和84.2 m2/(h·veh)，NOx為通風系統設計的控制指標，稀釋NOx所需空氣量為33 206 m3/h。

4 計算方法比較分析

4.1 污染物排放量計算

《公路隧道通風設計細則》的污染物基準排放量為單車行駛1 km的排放濃度，污染物排放量計算公式中，考慮了隧道長度L和車密度系數fd，不同車速和道路坡度考慮縱坡-車速系數修正。因此，按《公路隧道通風設計細則》計算的污染物排放量為某長度隧道內全部通行車輛尾氣污染物的排放總量。PIARC 2012年技術報告污染物基準排放量為單車排放量，按小轎車、輕型車（總質量小于3.5 t）和重型柴油車分類考慮，其數值與車速和道路坡度有關。對于特定工程項目，工程內部發動運行車輛數與公路隧道不同，并不取決于隧道長度和車行速度，因此按PIARC 2012年技術報告計算單輛車的污染物排放量更具實用性。另外，PIARC 2012年技術報告將CO、NOx、煙塵和非尾氣排放顆粒物均列入隧道內空氣污染的控制因素，對于保障工程內部工作人員的身體健康極為重要，應予以考慮。

4.2 污染物排放量修正

《公路隧道通風設計細則》計算柴油車CO排放量時，未考慮車型修正主要是與當時PIARC技術報告及日本現行規范（1985版）一致[14]。煙塵基準排放量按車型修正，而不是按質量修正，將滿載重9.5 t的中型柴油貨車車型系數定為1.0，重型貨車、大型客車的車型系數為1.5，拖掛車、集裝箱車的車型系數最大為3。PIARC 2012年技術報告指出，柴油車的污染物排放量與其總質量幾乎成正比例關系，報告中給出的重型柴油車（HGV）基準污染物排放量測試車型為平均質量23 t的柴油車，對其他質量的柴油車給出了相應修正系數，見表4。即同等條件下，按PIARC 2012年技術報告計算質量為32 t的柴油車煙塵排放量約為15 t柴油車的2.7倍，而按《公路隧道通風設計細則》計算32 t和15 t的柴油車煙塵排放量相同。因此大功率大噸位級的柴油車污染物排放量按PIARC 2012年技術報告進行計算更加合理，同時建議《公路隧道通風設計細則》對柴油車的車型系數修正予以質量限制。

表4 柴油車質量修正[12] Tab.4 Vehicle type factor for diesel vehicle[12]

4.3 海拔高度修正

PIARC 2012年技術報告指出，對于達到A級技術標準的車輛，在0～2000 m海拔高度范圍內，尾氣污染物排放量不需要進行海拔高度修正。該報告由于缺乏國產柴油車高海拔地區檢測數據，未給出國產柴油車2000 m以上的海拔高度系數。《公路隧道通風設計細則》給出的CO、煙塵海拔高度系數的高度限值分別為2200 m和2400 m，取值超過限值時，系數按圖作線性延伸。已有相關研究表明[15-18]，柴油機的CO和煙塵排放量會隨著海拔高度的增加而明顯增加，海拔高度系數按規范線性延伸取值與實測結果存在較大差距，不能真實反映有害氣體的排放情況。因此建議按《公路隧道通風設計細則》給出的海拔高度系數圖作定性分析，而不應作為定量計算的依據。

4.4 通風量計算

車輛污染物排放量是通風系統設計的重要依據，由表1和表3計算結果和上述分析可知，按照《公路隧道通風設計細則》計算的國產柴油車煙塵排放量遠小于按照2012年PIARC技術報告的計算值。此外，《公路隧道通風設計細則》的污染物設計濃度限值參考了2004年PIARC的技術報告，而2012年PIARC的技術報告對CO的濃度限值已由30 cm3/m3調整為20 cm3/m3（隧道內進行養護作業時），因此按《公路隧道通風設計細則》計算的稀釋污染物所需的通風量更小。

綜上分析，對于大功率大噸位柴油車的污染物排放量計算應考慮車輛的總質量，污染物排放量和通風量計算方法建議采用世界道路協會（PIARC）2012年技術報告。以國產32 t柴油車為例，在0～2000 m低海拔地區，CO、NOx和煙塵排放量分別為88.6、166.0 m3/(h·veh)和84.2 m2/(h·veh)。如果考慮NOx的空氣污染，稀釋單輛32 t柴油車排放污染物所需空氣量約為33 000 m3/h；如果不考慮NOx的空氣污染，所需空氣量約為28 000 m3/h。

5 結語

根據《公路隧道通風設計細則》和世界道路協會（PIARC）2012年技術報告，對32 t重型柴油車的污染物排放量和稀釋污染物所需空氣量進行了計算，計算結果相差較大。對比分析兩種計算方法，并結合工程應用實際，得出采用世界道路協會（PIARC）2012年技術報告的計算方法更合理。

因重型柴油車的質量對污染物排放量影響較大，建議《公路隧道通風設計細則》對柴油車的車型系數修正予以質量限制。另外，對于高海拔地區重型柴油車的污染物排放量計算建議按《公路隧道通風設計細則》給出的海拔高度系數圖作定性分析，而不應作為定量計算的依據。

現階段有關柴油車在高海拔地區污染物排放量的測試多為小型載重貨車[16-20]。為滿足實際需求，有必要加快進行高海拔地區大功率大噸位級柴油車的尾氣檢測實驗，開展柴油機內凈化與尾氣后處理技術與特殊領域重型柴油機應用相結合的研發工作，為大功率大噸位級特種重型運輸車的應用和相關工程項目建設提供技術支撐。