坡度对机动车气态排放物的影响

姜壁刚　何超

摘 要：利用车载排放测试系统对轻型柴油车进行实际道路实验，研究瞬态条件下的不同坡度对车辆气态排放物的影响。结果表明随坡度增加CO2、NOx的排放速率均增加，在坡度3度时上升剧烈;高车速时CO2排放速率显著增加，NOx排放速率增加较缓慢。在-5坡度到4度时CO2排放速率与坡度成线性关系。在海拔4000米时NOx排放速率显著增长。

关键词：坡度 柴油车 气态排放物

1 前言

随着我国经济飞速发展，汽车产业也在蓬勃发展。2019年全国机动车保有量达到3.48亿辆，新能源车辆381万辆。在现阶段中，机动车排放已经成为大气污染主要来源[1-2]。传统车辆保有量持续增长带来了严重的环境问题，例如光化学污染、温室效应、雾霆等。虽在发展新能源车辆，但现阶段还未进行大量普及;另一方面是针对传统燃油车，发展排放控制技术，制定排放法规，来引导汽车生产商制造低排放车辆。

为了更加符合实际道路行驶动态特征，2015年欧盟采用全球统一轻型车辆测试循环WLTC （World Harmonized Light-duty Vehicle Test Cycle），WLTC测试循环是典型的瞬态工况，WLTC循环测试包含，低速、中速、高速与超高速四个部分，与此对应不同的持续时间，同时还考虑了，车重、档位和滚动阻力等因素，多因素融入了测试，WLTC标准更接近真实路况的行驶特征。为了尽可能的接近实际道路行驶排放，2017年9月欧洲将RDE（Real Drive Emission）纳入欧6标准中[3-4]。在高原山区，道路坡度变化较大，且在坡道行车增加了车辆坡度阻力，造成发动机功率上升和排放恶化[5-6]。彭春美等人在山路进行试验，分析了道路坡度、车辆载荷和输出功率对排放影响，结果发现坡度从0度增加到8度，NOx排放浓度升高1倍，PN排放浓度增加20%-60%;坡度进一步增大，NOx与PN排放浓度上升变缓，继而下降[7]。

2 实验设备及方法

2.1 实验车辆

实验采用福田轻卡，实验车辆车况良好，发动机为云内动力柴油机。主要参数如表1：

2.2 实验设备与路线

PEMS采用美国Sensors公司的SEMTECH-ECOSTAR，对汽车尾气进行实时数据采集。数据收集的频率为1s。

利用PEMS在高原山区进行车载实验，用来分析不同坡度对气态排放物的影响。实验路段選择具有代表性的高原山区昆明—元江段。

3 实验结果分析

3.1 不同坡度和车速对NOx和CO2的影响

在海拔1500米时，道路坡度和车速对CO2排放速率如图1所示。由图可见：当车速一定的条件下，在坡度-2度至12度之间，40km/h时坡度增加1度CO2排放速率平均增加0.5g/s。在坡度3度左右CO2排放速率上升比较剧烈。道路坡度一定时，车速越大CO2的排放速率也随之增加，在80km/h的CO2排放速率高于40km/h，当坡度为3度时80km/h的CO2排放速率是40km/h的2.1倍是60km/h的1.6倍，因为车速越高，发动机负荷越高燃油消耗较高导致CO2排放速率较高，而60km/h与40km/h时CO2排放速率较为接近，是因为中低速时负荷较小过量空气系数大。

海拔1500米时，道路坡度和车速对NOx排放速率如图2所示，由图可见：当车速一定时，在坡度-2度至12度之间，NOx排放速率随坡度增加而增加，40km/h时坡度增加1度NOx排放速率增加0.01g/s。当坡度3度左右NOx排放速率上升比较剧烈。在道路坡度一定时，车速越大NOx排放速率也随之增加，在坡度-2度至6度之间，车速平均每增加20km/h时NOx排放速率增加0.02g/s。在坡度在7度左右时，速度对NOx排放速率影响较小，因为当坡度达到7度时，发动机负荷已在峰值附近，速度再加大对NOx排放速率增加影响较小。

对数据进行分组删减法处理在进行拟合。观察图3发现，NOx排放速率与坡度之间呈现立方次关系，文献[12]对两种测试车辆氮氧化物分析，没有得到一般性规律但均是2次方关系，提出NOx排放速率和道路坡度之间的相关性取决于车辆本身，本文拟合出现立方关系，认为是高原环境缺氧导致NOx排放速率比平原地区同坡度的排放更敏感。

由图4发现，在-5度和至4度范围内，发现了线性、对称的相关性，CO2排放速率随坡度为斜率为1的线性关系。CO2排放速率与坡度关系与文献[7]中一致，但总体相关性更好，斜率更大，坡度对CO2排放速率影响更大，认为是高原环境造成。对比发现坡度增加对NOx排放速率影响比CO2排放速率更敏感。

3.2 不同海拔对NOx的影响

车速在50km/h时，道路坡度和海拔对NOx排放率如图5所示，由图5曲线趋势可见：在海拔一定的条件下，在坡度-2%-9%之间，NOx排放率随坡度增加而增加，坡度每增加1度NOx排放率增加3%-11%。在同一车速下海拔1000米到2000米时的NOx排放差值较稳定，是因为俩处低海拔条件下发动机负荷较小，都可以良好的随坡度线性增长。在同坡度时海拔2000米和3000米在低坡度条件下NOx排放率较为接近，在低坡度条件下，中高海拔条件下，满足发动机低负荷的需氧量，导致在中高海拔低坡度条件下NOx排放接近。从6度开始3000米比2000米的NOx排放率多8%-16%。在大坡度条件下发动机负荷进一步增加，柴油机过量空气系数减小，导致柴油机燃烧过程恶化，滞燃期延长，后燃现象加重从而造成NOx排放升高。

在道路坡度一定时，海拔越高NOx排放也随之增加。在中低坡度时，2000米和3000米的NOx排放率比1000米处最少多11%和15%。在中高坡度2000米和3000米的NOx排放率比1000米处至少多15%和25%。4000海拔条件下的NOx排放明显高于3000，认为是含氧量过少导致燃烧恶化。

4 结论

柴油车在高原山地条件下的排放和VSP受到海拔高度及道路坡度的影响较大，本文采用PEMS对其进行了研究，结果表明：

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

b.海拔增加NOx的排放率也逐渐增加，海拔4000米时增加最显著。

云南省高层次人才项目（YNWR-QNBJ

-2018-066， YNQR-CYRC-2019-001）。

参考文献：

[1]上海市交通路边空气污染特征研究. 段玉森. 环境监测管理与技术 . 2019参考文献按GB/T 7714-2005《文后参考文献著录规则》的要求著录.

[2]  2020年中国移动源环境管理年报——第Ⅰ部分机动车排放情况[J].环境保护，2020，48（16）：47-50.

[3]马志成. 轻型汽车实际行驶排放（RDE）特征研究[D].吉林大学，2017.

[4]朱庆功，杨正军，温溢等.轻型汽车实际道路行驶与实验室工况污染物排放对比研究[J].汽车工程，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，王海龙，叶伟斌.山路行驶的柴油车污染物排放特性试验[J].汽车安全与节能学报，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.