坡度對機動車氣態排放物的影響

姜壁剛　何超

摘 要：利用車載排放測試系統對輕型柴油車進行實際道路實驗，研究瞬態條件下的不同坡度對車輛氣態排放物的影響。結果表明隨坡度增加CO2、NOx的排放速率均增加，在坡度3度時上升劇烈;高車速時CO2排放速率顯著增加，NOx排放速率增加較緩慢。在-5坡度到4度時CO2排放速率與坡度成線性關系。在海拔4000米時NOx排放速率顯著增長。

關鍵詞：坡度 柴油車 氣態排放物

1 前言

隨著我國經濟飛速發展，汽車產業也在蓬勃發展。2019年全國機動車保有量達到3.48億輛，新能源車輛381萬輛。在現階段中，機動車排放已經成為大氣污染主要來源[1-2]。傳統車輛保有量持續增長帶來了嚴重的環境問題，例如光化學污染、溫室效應、霧霆等。雖在發展新能源車輛，但現階段還未進行大量普及;另一方面是針對傳統燃油車，發展排放控制技術，制定排放法規，來引導汽車生產商制造低排放車輛。

為了更加符合實際道路行駛動態特征，2015年歐盟采用全球統一輕型車輛測試循環WLTC （World Harmonized Light-duty Vehicle Test Cycle），WLTC測試循環是典型的瞬態工況，WLTC循環測試包含，低速、中速、高速與超高速四個部分，與此對應不同的持續時間，同時還考慮了，車重、檔位和滾動阻力等因素，多因素融入了測試，WLTC標準更接近真實路況的行駛特征。為了盡可能的接近實際道路行駛排放，2017年9月歐洲將RDE（Real Drive Emission）納入歐6標準中[3-4]。在高原山區，道路坡度變化較大，且在坡道行車增加了車輛坡度阻力，造成發動機功率上升和排放惡化[5-6]。彭春美等人在山路進行試驗，分析了道路坡度、車輛載荷和輸出功率對排放影響，結果發現坡度從0度增加到8度，NOx排放濃度升高1倍，PN排放濃度增加20%-60%;坡度進一步增大，NOx與PN排放濃度上升變緩，繼而下降[7]。

2 實驗設備及方法

2.1 實驗車輛

實驗采用福田輕卡，實驗車輛車況良好，發動機為云內動力柴油機。主要參數如表1：

2.2 實驗設備與路線

PEMS采用美國Sensors公司的SEMTECH-ECOSTAR，對汽車尾氣進行實時數據采集。數據收集的頻率為1s。

利用PEMS在高原山區進行車載實驗，用來分析不同坡度對氣態排放物的影響。實驗路段選擇具有代表性的高原山區昆明—元江段。

3 實驗結果分析

3.1 不同坡度和車速對NOx和CO2的影響

在海拔1500米時，道路坡度和車速對CO2排放速率如圖1所示。由圖可見：當車速一定的條件下，在坡度-2度至12度之間，40km/h時坡度增加1度CO2排放速率平均增加0.5g/s。在坡度3度左右CO2排放速率上升比較劇烈。道路坡度一定時，車速越大CO2的排放速率也隨之增加，在80km/h的CO2排放速率高于40km/h，當坡度為3度時80km/h的CO2排放速率是40km/h的2.1倍是60km/h的1.6倍，因為車速越高，發動機負荷越高燃油消耗較高導致CO2排放速率較高，而60km/h與40km/h時CO2排放速率較為接近，是因為中低速時負荷較小過量空氣系數大。

海拔1500米時，道路坡度和車速對NOx排放速率如圖2所示，由圖可見：當車速一定時，在坡度-2度至12度之間，NOx排放速率隨坡度增加而增加，40km/h時坡度增加1度NOx排放速率增加0.01g/s。當坡度3度左右NOx排放速率上升比較劇烈。在道路坡度一定時，車速越大NOx排放速率也隨之增加，在坡度-2度至6度之間，車速平均每增加20km/h時NOx排放速率增加0.02g/s。在坡度在7度左右時，速度對NOx排放速率影響較小，因為當坡度達到7度時，發動機負荷已在峰值附近，速度再加大對NOx排放速率增加影響較小。

對數據進行分組刪減法處理在進行擬合。觀察圖3發現，NOx排放速率與坡度之間呈現立方次關系，文獻[12]對兩種測試車輛氮氧化物分析，沒有得到一般性規律但均是2次方關系，提出NOx排放速率和道路坡度之間的相關性取決于車輛本身，本文擬合出現立方關系，認為是高原環境缺氧導致NOx排放速率比平原地區同坡度的排放更敏感。

由圖4發現，在-5度和至4度范圍內，發現了線性、對稱的相關性，CO2排放速率隨坡度為斜率為1的線性關系。CO2排放速率與坡度關系與文獻[7]中一致，但總體相關性更好，斜率更大，坡度對CO2排放速率影響更大，認為是高原環境造成。對比發現坡度增加對NOx排放速率影響比CO2排放速率更敏感。

3.2 不同海拔對NOx的影響

車速在50km/h時，道路坡度和海拔對NOx排放率如圖5所示，由圖5曲線趨勢可見：在海拔一定的條件下，在坡度-2%-9%之間，NOx排放率隨坡度增加而增加，坡度每增加1度NOx排放率增加3%-11%。在同一車速下海拔1000米到2000米時的NOx排放差值較穩定，是因為倆處低海拔條件下發動機負荷較小，都可以良好的隨坡度線性增長。在同坡度時海拔2000米和3000米在低坡度條件下NOx排放率較為接近，在低坡度條件下，中高海拔條件下，滿足發動機低負荷的需氧量，導致在中高海拔低坡度條件下NOx排放接近。從6度開始3000米比2000米的NOx排放率多8%-16%。在大坡度條件下發動機負荷進一步增加，柴油機過量空氣系數減小，導致柴油機燃燒過程惡化，滯燃期延長，后燃現象加重從而造成NOx排放升高。

在道路坡度一定時，海拔越高NOx排放也隨之增加。在中低坡度時，2000米和3000米的NOx排放率比1000米處最少多11%和15%。在中高坡度2000米和3000米的NOx排放率比1000米處至少多15%和25%。4000海拔條件下的NOx排放明顯高于3000，認為是含氧量過少導致燃燒惡化。

4 結論

柴油車在高原山地條件下的排放和VSP受到海拔高度及道路坡度的影響較大，本文采用PEMS對其進行了研究，結果表明：

a.在海拔1500米車速40km/h時，坡度每增加1度，NOx和CO2的排放率分別增加了0.01g/s 和0.55g/s。

b.海拔增加NOx的排放率也逐漸增加，海拔4000米時增加最顯著。

云南省高層次人才項目（YNWR-QNBJ

-2018-066， YNQR-CYRC-2019-001）。

參考文獻：

[1]上海市交通路邊空氣污染特征研究. 段玉森. 環境監測管理與技術 . 2019參考文獻按GB/T 7714-2005《文后參考文獻著錄規則》的要求著錄.

[2]? 2020年中國移動源環境管理年報——第Ⅰ部分機動車排放情況[J].環境保護，2020，48（16）：47-50.

[3]馬志成. 輕型汽車實際行駛排放（RDE）特征研究[D].吉林大學，2017.

[4]朱慶功，楊正軍，溫溢等.輕型汽車實際道路行駛與實驗室工況污染物排放對比研究[J].汽車工程，2017，39（10）：1125-1129.

[5]Kwon S，Park Y，Park J，et al.Characteristics of on-road NOx emissions from Euro 6 light-duty diesel vehicles using a portable emissions measurement system.? Science of the Total Environment， 2017;576：70 -77.

[6][ Lujan J M， Bermudez V， Dolz V， et al.? An assessment of the real-world driving gaseous emissions from a Euro 6 light-duty diesel vehicle using a portable emissions measurement system （PEMS）. Atmospheric Environment，2018：74：112-121

[7]彭美春，廖清睿，王海龍，葉偉斌.山路行駛的柴油車污染物排放特性試驗[J].汽車安全與節能學報，2021，12（01）：100-105.

[8]David Llopis-Castelló，Ana María Pérez-Zuriaga，Francisco Javier Camacho-Torregrosa，Alfredo García. Impact of horizontal geometric design of two-lane rural roads on vehicle co 2 emissions[J]. Transportation Research Part D，2018，59.