道路坡度對輕型車和重型車尾氣排放的影響研究

許 磅 邢瑩瑩 陸 鍵

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

0 引 言

機動車尾氣是城市中空氣污染物的重要來源之一.據(jù)統(tǒng)計，2018年機動車排放污染物占CO、HC排放總量的80%以上，NOx、PM排放總量的90%以上[1].為了減少機動車尾氣排放和控制空氣污染，中國從2017年1月開始實施國五標準，其相當于歐盟的歐V排放標準.與國四標準相比，國五標準下的汽油車可以減少25%的氮氧化物排放量，柴油車減少43%的NOx排放量[2].

柴油車和汽油車相比，相同功率的柴油發(fā)動機比汽油發(fā)動機排放更少的CO2，具有轉矩大、熱效率高的優(yōu)點.但是，與同等功率的汽油車相比柴油車排放的PM(顆粒物)和NOx的總量遠大于汽油車.根據(jù)中國汽車環(huán)境管理年度報告(2018),柴油車的NOx排放量占汽車排放總量的近70%，PM的占比超過90%.NOx在紫外線的照射下會產(chǎn)生化學反應，生成化學煙霧[3-4].

現(xiàn)有的研究表明：駕駛行為[5]、道路基礎設施[6]、道路線形[7]、道路坡度，以及交通條件等都是影響車輛尾氣排放的重要因素.然而在實際的測算中，往往會忽略這些條件.在傳統(tǒng)的車輛能耗模型中，車輛的消耗與車輛的加減速直接相關，忽略了道路坡度等其他影響因素，認為這些因素所消耗的額外能量可以通過車輛的加減速反映出來.如車輛比功率(VSP)是一種綜合考慮道路坡度對運動學貢獻的方法.美國環(huán)境保護署的機動車排放模擬器(MOVES)，就是基于車輛VSP來計算行駛時的尾氣排放,MOVES以大量的數(shù)據(jù)為基礎，是目前相對成熟的綜合性排放模型.但是這種模型的簡化往往導致官方和實際測量的尾氣排放相差較大.如對道路坡度的忽略，就會使得測量結果產(chǎn)生比較大的差異.文獻[8]發(fā)現(xiàn)這種差異可以達到30%～40%.Wen等[9]通過整合VSP-based發(fā)射率模型和交通仿真模型探討了道路坡度(0%～4%)和重型車輛排放之間的關系.結果表明，重型車輛CO、HC及NOx的排放與道路坡度高度相關,其中CO排放的對于坡度的變化最敏感，HC敏感度最低.孫文圃等[10]的研究中，基于MOVES模型得到我國高速公路機動車碳排放文件，其研究表明累計碳排放在坡度區(qū)間3%到6%的這一范圍最為敏感.

此外，許多研究通過使用便攜式排放測量系統(tǒng)(PEMS)進行的車輛實測實驗.王云鵬等[11]通過PEMS采集大量的車輛數(shù)據(jù)，然后通過回歸法得到吉林省長春市不同工況下車輛的排放速率.王岐東等[12-13]則利用實測數(shù)據(jù)，然后結合VSP等概念，通過車輛的工況來預測車輛的尾氣排放.國外的很多研究證實了道路坡度對油耗和排放的影響.Kim等[14-16]的實驗結果表明，與坡度小于0%的路段相比輕型車在坡度大于5%的路段上CO2的排量會增加40%～90%.Boriboonsomsin等[17]測得與平坦路面相比汽油車在山路上行駛的油耗會增加15%～20%.Frey等[18]的另一項研究表明，如果忽略上坡的影響，汽車的燃料使用和排放會被低估16%～22%.相反，忽略下坡的影響，汽車的燃料使用和排放會被高估22%～24%.Wyatt等[19]發(fā)現(xiàn)，對于客車而言道路坡度對NOx等的影響要大于對CO2的影響.Prati等[20]使用符合歐V排放標準的輕型柴油車進行實驗，結果表明：上坡分別導致CO2和NOx的排放增加85%和33%,而下坡會分別導致CO2和NOx的排放減少45%和60%.Gallus等[21]研究了駕駛風格和道路坡度對客車尾氣排放的影響.實驗結果表明坡度從0%～5%的這一范圍導致CO2增加65%～81%，NOx增加85%～115%.Costagliola等[22]研究了坡度對兩輛歐V柴油車尾氣排放的影響，結果表明：在坡度范圍-4%～5%的范圍內，CO2的排放量與坡度存在線性關系.

文中采用便攜式排放測量系統(tǒng)PEMS-OBEAS-3000對兩種不同類型車輛的排放進行了測試.所有實驗車輛均符合國五標準，本次研究的重點是NOx和CO2排放，其中CO2可以反映車輛的油耗，而NOx是汽油車和柴油車尾氣排放的重大區(qū)別.通過分析坡度對不同車型的影響，有助于完善城市郊區(qū)的車輛管理措施和道路的幾何設計，從而減少車輛的尾氣排放.

1 實驗方法

1.1 實驗設計

本研究的測試線路位于上海市，包括曹安公路、安虹路、博園路、嘉松北路、寶安公路、滬宜公路、寶錢公路7條公路，測試路線的往返里程約74.32 km，道路信息見表1.在2019年1月15日—2月15日為期1個月的測試期間，同1名司機駕駛車輛在該路線上進行了測試.實驗期間的天氣狀況包括晴天、雨天和陰天，每次實驗的時間為08:30—17:30，一共進行了10次實驗(每輛車測試5次).

表1 測試道路信息

1.2 測試車輛

本實驗使用一輛輕型汽油車和一輛柴油車，兩輛車均符合國五標準.具體參數(shù)見表2.

表2 測試車輛的基本信息

1.3 測試設備

尾氣測量設備采用廈門某公司OBEAS-3000便攜式排放測試儀，包括e-box PC氣體分析儀、車輛參數(shù)OBD診斷儀器、全球衛(wèi)星定位(GPS)、筆記本電腦系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng).其中e-box PC氣體分析儀可以連續(xù)檢測出駕駛車輛排放CO2和NOx的質量.同時，發(fā)動機掃描儀連接到車輛的車載診斷(OBD)，在車輛運行期間記錄發(fā)動機和車輛數(shù)據(jù).GPS可以獲取車輛的位置和速度信息，用于提高速度和加速度的精度.OBEAS-3000系統(tǒng)采樣精度高，其采樣頻率為10 Hz.

1.4 道路坡度估計

所有PEMS行程均采集GPS定位數(shù)據(jù)，其中GPS高程數(shù)據(jù)精確到0.1 m.GPS信號總是由至少8個衛(wèi)星提供，測試階段GPS衛(wèi)星沒有明顯的信號損失.此外，利用地形圖的高程數(shù)據(jù)來驗證GPS的高度.

Boroujeni和Frey(2014)應用分段法計算道路坡度.該方法將整個行程劃分為等長段，每段路段的路面坡度通過收集的所有海拔數(shù)據(jù)進行線性回歸計算.因此，可以在同一路線上合并若干次行程，以便統(tǒng)計上增加每段計算的道路坡度的準確性.本研究共對測試路線進行了10次實驗，為估計坡度提供了10次數(shù)據(jù).在此基礎上，采用80 m的線段長度作為每個線段的GPS軌跡點數(shù)與最大線段長度之間的最佳權衡.

根據(jù)實際測試過程中所記錄的GPS信息，估算出測試路線的道路坡度.最后，將道路坡度劃分為10個區(qū)間(間隔為1%)，道路坡度范圍為-5%～5%.

2 實驗結果分析

2.1 坡度對于CO2和NOx排放的影響

采用PEMS車輛瞬時排放統(tǒng)計方法測量車輛每公里的排放量，探討道路坡度對兩種車型CO2和NOx排放的影響.本研究采用多項式回歸線擬合排放與道路坡度，見圖1～2.結果表明：兩種車型CO2和NOx的排放量與道路坡度的擬合度R2均大于0.85，說明CO2和NOx排放與道路坡度的相關性擬合良好.兩種車型的NOx排放量差異較大.輕型車約為100 mg/km，重型車約為10 000 mg/km，這也是引言中提到的柴油車排放占比高的原因.

圖1 輕型車坡度與排放的關系曲線

圖2 重型車坡度與排放的關系曲線

兩種車型的CO2和NOx排放量均隨路面坡度的增大呈現(xiàn)上升趨勢.而在上坡階段，特別是當路面坡度大于1%時，兩種氣體的排放量幾乎隨路面坡度線性增加.接下來以坡度0%為基準，分別分析道路坡度變化對兩種車型排放的影響.

對于輕型車，當路面坡度為負時,CO2排放基本穩(wěn)定，當路面坡度大于0%時，隨著路面坡度的增大，CO2排放開始顯著增加.道路坡度由0%增加到5%時，CO2排放量增加48.02%.重型車排放的變化規(guī)律略有不同，當坡度在-1%～4%增長時CO2排放量增長緩慢.當坡度大于4%或坡度在-5%～-2%之間增長時，排放隨著坡度的增加顯著增加.與平坦路線相比4%～5%區(qū)間路段的CO2排放量增加了18.46%，而-5%～-4%區(qū)間路段的CO2排放量減少11.45%.

輕型車NOx的排放在-5%～5%的范圍內表現(xiàn)出持續(xù)上升趨勢.與平坦路面相比，車輛在道路坡度4%～5%區(qū)間的路段NOx排放增長了50.97%；而坡度在-5%～-4%區(qū)間的路段NOx排放量較基準降低了15.34%.重型車NOx的排放在-2%～3%時增速較緩.當?shù)缆菲露仍?%上升到5%時，NOx排放增加了14.76%，而-5%～-4%時的NOx排放較基準降低了10.34%.

通過比較，可以得出道路坡度對輕型和重型車輛CO2和NOx的排放均有顯著影響.輕型車的CO2和NOx排放對道路坡度的敏感度大于重型車，其中重型車的CO2和NOx排放變化百分比小于20%.但是，重型車的尾氣排放量大，以NOx為例，重型車在坡度在0%～5%的變化范圍內氮氧化合物的變化量達到2 000 mg/km，遠大于輕型車的30 mg/km的變化量.因此，在道路設計階段，道路上的車輛比例也是一項重要的參考指標.對于重型車比例較高的路段，將路面坡度控制在2%以內可以顯著減少車輛尾氣排放的絕對值.

2.2 不同車速下坡度對于CO2和NOx瞬時排放的影響

在研究道路坡度對于兩種車尾氣排放影響的過程中，發(fā)現(xiàn)速度變化會對尾氣排放產(chǎn)生重大的影響，兩種車型的CO2和NOx排放量會隨著車輛速度的增加而同步增長.分別截取了兩種車型的測試片段，見圖3～4.

圖3 CO2排放與車輛速度的關系曲線

圖4 NOx排放與車輛速度的關系曲線

為了排除速度變化對于車輛尾氣排放的影響，對速度進行區(qū)間劃分，從而得出了不同速度區(qū)間下坡度對于車輛尾氣的瞬時排放速率.

不同速度區(qū)間下，各個道路坡度對應的不同車輛尾氣中CO2和NOx的排放速率見圖5～6.由圖5～6可知，汽車尾氣中的CO2和NOx兩種氣體的瞬時排放速率在下坡路段變化并不明顯，而在車輛的上坡路段車輛尾氣排放隨著道路坡度的增長而表現(xiàn)出了較為明顯的增長，且車輛在高速狀態(tài)爬坡對于汽車尾氣排放的影響更加顯著，尤其是對NOx排放的影響.由圖5b)可知，在速度區(qū)間[60，70]，隨著坡度上升，輕型車的NOx排放的增長率顯著高于其他速度區(qū)間.

圖5 輕型車不同速度區(qū)間下排放和坡度的關系圖

圖6 重型車不同速度區(qū)間下排放和坡度的關系圖

表3為與平坡路段相比(坡度為0)，在坡度為5%的上坡路段不同速度區(qū)間的車輛排放增長率.對于輕型車，在速度區(qū)間[0，10]，當?shù)缆菲露葹?%時，相較于平坡路段(坡度為0)，CO2的排放量增加了4.90%，在速度區(qū)間[30，40]，CO2的排放增加了7.00%，而在速度區(qū)間[60，70]，CO2的排放增加了15.35%.且輕型車NOx的排放在高速爬坡狀態(tài)下的增長更加顯著，在速度區(qū)間[0，10]，與平坡路段相比，坡度為5%的路段的NOx排放量增加了22.18%，在速度區(qū)間[30，40]，NOx的排放量增加了25.92%，而在速度區(qū)間[60，70]，NOx的排放量增長顯著，接近平坡路段的1.5倍，對于重型車也可以觀測到類似的規(guī)律.由此可見，對于不同車型，均是NOx的排放量受坡度的影響更為顯著.

表3 坡度為5%時不同速度區(qū)間的排放增長率 (基準：坡度為0) 單位：%

2.3 基于VSP的車輛瞬時排放率分析

車輛比功率(VSP)是車輛單位質量的瞬時功率.發(fā)動機產(chǎn)生的瞬時功率用來克服滾動阻力和空氣阻力，增加車輛的動能和勢能.它是直接可測量的，可以很好的預測車輛排放.VSP方程的一般形式為

VSP=v·(a(1+εi)+(g·grade)+(g·CR))+

(0.5ρa((CD·A)/m)(v+vw)2·v)

(1)

式中：VSP為車輛比功率，kW/t；v為車速，m/s；a為車輛加速度，m/s2；εi為質量因子；g為重力加速度，9.81 m/s2；grade為道路坡度；CR為滾動阻力系數(shù)；ρa為環(huán)境空氣密度，kg/m3；CD為阻力系數(shù)；A為車輛的橫截面積，m2；m為車輛的質量,kg；vw為機動車迎面風速,m/s.

本研究采用典型輕型車輛簡化VSP方程，具體計算公式為

VSP=v×(1.1a+g×grade+0.132)+

0.000 302v3

(2)

我國重型車輛VSP公式為

VSP=v×(a+g×grade+0.186 333)+

(3)

試驗路線包括城市道路和公路，因此本實驗獲得了較為全面的車輛運行狀態(tài)，包括高速、低速、加減速過程.根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)計算出車輛的VSP，得到每個VSP區(qū)間對應的瞬時車輛排放率以及不同區(qū)間坡度對于VSP的占比.

為了分析道路坡度的貢獻,計算出每個坡度區(qū)間的坡度占比,見圖7.分析的結果是下坡階段的坡度占比大于上坡階段的坡度占比.當VSP值低于-4 W/kg時，路面坡度占車輛動力需求的20%以上，但在上坡路段，道路坡度份額均小于20%.

圖7 兩種車型在不同VSP區(qū)間的坡度占比

表4為兩種車型在忽略坡度時的排放率與考慮坡度時排放率的比較.對于輕型車，如果不考慮道路坡度，兩種污染物在下坡路段的排放率被高估9.03%和15.48%相反，對于上坡路段，其排放率被低估了9.24%和20.12%.然而，如果忽略整個研究路線的坡度，CO2的排放量也被低估了2.18%，而NOx的排放量則被低估了10.49%.

表4 不同路段兩種氣體排放率百分比差異 單位：%

對于重型車，CO2和NOx的排放率誤差稍有下降，但上坡階段兩種氣體仍分別被高估5.51%和2.63%，下坡階段分別被低估6.55%和6.92%.如果忽略整條研究路段的坡度，兩種氣體的排放率也被低估了1%以上.總體而言，兩種污染物的排放在上坡路段被高估，在下坡路段被低估，輕型車輛的排放對道路坡度更為敏感.

3 結 論

1) 坡度對輕型車和重型車的CO2和NOx的排放均有顯著的影響，且車輛在高速狀態(tài)下爬坡對于汽車尾氣排放的影響更加顯著.

2) 輕型車輛的排放對路面坡度改變更為敏感，同樣的坡度變化范圍內有害氣體排放量增加的百分比大于重型車輛，但是重型車輛尾氣排放的絕對增量遠大于輕型車輛.

因此，不同類型車輛在路線選擇過程中可以綜合考慮運輸效率以及車輛能耗和排放，規(guī)劃最優(yōu)路徑；其次，在爬坡過程中要保持穩(wěn)定的速度，提前對坡度的大小，長短做出適當估計，提前加速，充分利用車輛的慣性沖坡，以減少車輛能耗和尾氣排放.