陳劍杰 宋國(guó)富 顧偉 王艷艷 何超

（1.西南林業(yè)大學(xué)，昆明 650224；2.昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司，昆明 650224）

1 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路交通利用率不斷加大。我國(guó)高原十分廣闊，海拔高度在1000m以上的地區(qū)占國(guó)土面積的58%以上，海拔高度在2000m以上的地區(qū)占國(guó)土面積的33%以上[1～3]。海拔高度及道路坡度是影響汽車(chē)排放量的重要參數(shù)，在不同海拔和道路坡度情況下，汽車(chē)污染物的排放差別很大[4]。柴油車(chē)排放的氮氧化物（NOx）對(duì)人體健康有很大損害，并會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[5，6]。為此，利用車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)（PortableEmissionMeasurementSystem，PEMS），針對(duì)云南實(shí)際道路開(kāi)展了柴油車(chē)在高原環(huán)境下排放特性的研究，分析了海拔高度及道路坡度對(duì)柴油車(chē)NOx排放的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的車(chē)輛為福田輕卡（圖1），其滿(mǎn)載為3.5t，傳動(dòng)比見(jiàn)表1。試驗(yàn)車(chē)輛安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)為昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司生產(chǎn)的YN38CR1柴油機(jī)，其主要參數(shù)如表2所列。

圖1 試驗(yàn)車(chē)輛（白馬雪山埡口）

表1 試驗(yàn)車(chē)輛傳動(dòng)比

表2 試驗(yàn)車(chē)輛用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備采用美國(guó)Sensor公司的SEMTECH-ECOSTAR車(chē)載氣體排放測(cè)量系統(tǒng)，此設(shè)備包括排氣流量測(cè)量模塊、排放測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)采集模塊等，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意

排氣流量測(cè)試模塊主要包括連接車(chē)輛排氣管的耐熱軟管和尾氣加熱流量管。尾氣加熱流量管采用平均皮托管原理，最高采樣頻率達(dá)500Hz，含有4個(gè)不同量程的壓力傳感器。

排放測(cè)量模塊主要包括燃油經(jīng)濟(jì)性分析儀和氮氧化物分析儀，燃油經(jīng)濟(jì)性分析儀采用非分散紅外分析法測(cè)量CO和NO2含量，采用氫火焰離子檢測(cè)器測(cè)量總碳?xì)浠衔锖?；氮氧化物分析儀采用非分散紫外分析法測(cè)量NO和NO2含量，采用電化學(xué)法測(cè)量O2含量。

數(shù)據(jù)采集模塊收集排放測(cè)量模塊、排氣流量測(cè)試模塊、氣象站（WeatherStation）、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（ElectronicControlUnit，ECU）和全球定位系統(tǒng)（Global PositioningSystem，GPS）發(fā)出的信號(hào)。數(shù)據(jù)采集模塊自帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，并可通過(guò)USB接口和RJ45接口（網(wǎng)線(xiàn)接口）與計(jì)算機(jī)連接。

2.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)車(chē)輛不做任何改動(dòng)的情況下，在不同海拔高度和道路坡度的路段上利用PEMS對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行特定車(chē)速車(chē)載排放試驗(yàn)。試驗(yàn)路段選在云南高原山區(qū)白馬雪山埡口-德欽段（海拔3300～4300m）、香格里拉-麗大高速-楚雄段（海拔550～4000m）、昆明-玉溪-元江段（海拔450～2500m）3段路上進(jìn)行。

根據(jù)GPS測(cè)得的實(shí)時(shí)海拔高度、經(jīng)緯度，每間隔11s計(jì)算出一個(gè)道路坡度值，其計(jì)算式如下：

式中，h(t)為道路坡度值；為海拔高度差值；為經(jīng)度差值；Δφ(t)為緯度差值；t為時(shí)間。

為研究道路坡度及車(chē)速對(duì)NOx排放的影響，選取海拔高度為1500m，車(chē)速分別為30km/h、50km/h、70km/h和90km/h，道路坡度范圍為-2%～8%，間隔為1%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因控制車(chē)速和道路坡度不發(fā)生變化可以更明確海拔高度對(duì)NOx排放的影響，故選取海拔高度范圍為500～4000m、間隔為250m、車(chē)速為50km/h、道路坡度為3%的數(shù)據(jù)來(lái)分析海拔高度對(duì)NOx排放的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同道路坡度及車(chē)速對(duì)NOx的影響

在海拔為1500m時(shí)，道路坡度和車(chē)速對(duì)NO排放的影響如圖3所示。由圖3可看出，在道路坡度為-2%～8%范圍內(nèi)，相同車(chē)速下，NO比排放隨道路坡度的增加而增加；在道路坡度大于2%的路段，車(chē)輛的NO比排放增加速度隨道路坡度的增加逐漸變緩，道路坡度每增加1%，NO比排放增加5.1%～39.3%；在道路坡度小于2%時(shí)，隨道路坡度的減小，NO比排放逐漸趨近于0，道路坡度每減少1%，NO比排放減少25.2%～59.3%。在車(chē)速為30～90km/h范圍內(nèi)，NO比排放隨車(chē)速的增加而減少；在道路坡度小于2%的路段，NO比排放變化量隨道路坡度的減小而減小，車(chē)速每增加20km/h，NO比排放減少9.2%～187.7%；道路坡度大于2%時(shí)，NO比排放變化量隨道路坡度的增加而變大，車(chē)速每增加20km/h，NO比排放增加16.2%～33.2%。

圖3 海拔1500m時(shí)NO比排放與道路坡度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖4為在海拔為1500m時(shí)道路坡度和車(chē)速對(duì)NO2排放的影響。由圖4可看出，當(dāng)?shù)缆菲露却笥?%時(shí)，道路坡度每增加1%，NO2比排放增加6.00%～45.8%，車(chē)速每減小20km/h，NO2比排放增加17.7%～43.0%；在道路坡度小于2%時(shí)，道路坡度每減少1%，NO2比排放減少31.2%～90.2%，車(chē)速每減小20km/h，NO2比排放增加29.9%～222.1%。

圖4 海拔1500m時(shí)NO2比排放與道路坡度的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖3和圖4看出，NOx的比排放隨道路坡度的增加而增加，這是因?yàn)殡S道路坡度的增加車(chē)輛所受到的負(fù)載也增加[7]，發(fā)動(dòng)機(jī)需要提供更大的動(dòng)力，相當(dāng)于負(fù)荷增加，所以NOx排放增加。在車(chē)速為30～90km/h時(shí)，車(chē)速越低NOx排放越高，可能是由于缸內(nèi)壓力和燃燒溫度較高，柴油機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)減小[8]。

圖5為海拔為1500m時(shí)，NOx中NO2含量與道路坡度的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖5可看出，隨道路坡度的增加，NOx中NO2所占比例提高，在道路坡度為-2%～2%時(shí)增長(zhǎng)較快，在道路坡度為2%～8%時(shí)增長(zhǎng)變緩，且車(chē)速越低NO2所占的比例越高。這是由于道路坡度越小發(fā)動(dòng)機(jī)所受的負(fù)荷越低，前期研究高壓共軌柴油機(jī)燃燒與二氧化氮排放特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，低負(fù)荷時(shí)NO2/NOx增加明顯[9]，這與本研究道路坡度對(duì)NO2/NOx的影響相符。另外前期在高壓共軌柴油機(jī)二氧化氮排放特性研究中得到在低速、高扭矩運(yùn)行工況中NO2的產(chǎn)生量最高[10]，這與本研究中低車(chē)速時(shí)NO2比排放高于高車(chē)速時(shí)相符。

圖5 海拔1500m時(shí)NOx中NO2含量與道路坡度的關(guān)系曲線(xiàn)

3.2 海拔高度對(duì)NOx的影響

圖6 為車(chē)速為50km/h、道路坡度為3%時(shí)，NO比排放與海拔高度的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖6可看出，在海拔高度為500～3250m時(shí)，NO的比排放隨海拔的升高而增加，海拔高度每升高500m，NO比排放增加10.7%～19.6%；在海拔高度為3250～3500m時(shí)，NO比排放急劇增加，增幅達(dá)78.7%，而在海拔高度為3500～4000m時(shí)，NO比排放降低44.7%。NO的排放隨海拔高度變化趨勢(shì)為先緩慢增加，在3250m時(shí)突然急劇增加，在3500m時(shí)達(dá)到最高值，然后急劇降低，這是高原山地環(huán)境對(duì)柴油車(chē)NOx排放的綜合影響導(dǎo)致的。北京理工大學(xué)WangXin等人[11]在研究海拔高度對(duì)排放的影響時(shí)也得到相似的結(jié)果，在海拔1000～2400m時(shí)NOx排放量增加，當(dāng)海拔到達(dá)3200m時(shí)降低。

圖6 車(chē)速為50km/h、道路坡度為3%時(shí)NO比排放與海拔高度的關(guān)系曲線(xiàn)

NO2的排放隨海拔高度的變化如圖7所示。由圖7可看出，在海拔高度為500～3250m時(shí)，海拔每升高500m，NO2比排放增加5.6%～14.7%；在海拔高度為3250～3500m時(shí)，NO2比排放急劇增加，增幅達(dá)74.8%；在3500～4000m時(shí)，NO2比排放減少47.6%。

由圖6和圖7可看出，在海拔高度為500～3250m范圍內(nèi)，隨海拔高度的升高，NOx排放不斷增加，這是因?yàn)殡S海拔的升高大氣壓力減小，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減小、功率下降、燃油消耗率升高[12]。在海拔高度為3250～3500m時(shí)，隨海拔繼續(xù)升高，柴油機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)減小，導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒過(guò)程惡化，滯燃期延長(zhǎng)，后燃現(xiàn)象加重[13]，從而造成NOx的產(chǎn)生率升高，NOx的排放濃度增大。在海拔高度為3500～5000m時(shí)，NOx排放減少可能是由于嚴(yán)重的氧不足，在海拔高度為3200m處空氣密度約只有海平面的70%，氧氣的嚴(yán)重缺乏阻礙了缸內(nèi)燃燒并使得缸內(nèi)溫度降低，這阻礙了NOx的形成[14]。

圖7 在車(chē)速為50km/h、道路坡度為3%時(shí)NO2比排放與海拔高度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖8為海拔高度為1500m時(shí)NOx中NO2含量與道路坡度及車(chē)速的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖8可看出，隨海拔高度的升高，NOx中NO2所占比例不斷減少。其原因?yàn)?，隨海拔的升高空氣變得稀薄，含氧量減少，導(dǎo)致在NOx中NO2占比不斷減少。

圖8 海拔為1500m時(shí)NOx中NO2含量與道路坡度及車(chē)速的關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

柴油車(chē)在高原環(huán)境的排放受到海拔高度及道路坡度的影響較大，本文采用PEMS對(duì)其進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

a. 不同海拔高度下，NOx排放隨海拔升高呈先增高再降低的特點(diǎn)，在海拔為3500m時(shí)NOx排放達(dá)到最高值，隨海拔的升高NOx中NO2所占的比例不斷減少。

b. 在不同道路坡度下，柴油車(chē)NOx排放隨道路坡度的增加不斷增加，道路坡度小于0%時(shí)隨道路坡度的減小NOx排放趨近于0。隨道路坡度的增加，NOx中NO2占比先急劇增加，達(dá)到一定值后緩慢增加。

c. 在車(chē)速為30～90km/h時(shí)，隨車(chē)輛速度的增加NOx排放減小，NOx中NO2所占的比例也不斷減少。

[1]2015年及“十二五”期間云南交通運(yùn)輸概況.http://www.ynjtt.com/Item.aspx?id=39809.

[2]云南統(tǒng)計(jì)局.云南省2015年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[B].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2015.

[3]施青團(tuán).云南山區(qū)長(zhǎng)下坡道路安全評(píng)價(jià)和工程措施研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2005.

[4] Dou B， Lv G， Wang C， et al. Cerium doped copper/ZSM-5catalysts used for the selective catalytic reduction of nitrogenoxide with ammonia[J]. Chem Eng， 2015， 270(2)：549-556.

[5]益康.不要輕視氮氧化物對(duì)人體的危害[J].污染防治技術(shù)，2016(2):92-92.

[6]何息忠.等.氮氧化物危害及其防治措施初探[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，1996(2):38-40.

[7] Zhang W D， et al. Moving towards Sustainability: RoadGrades and On-Road Emissions of Heavy-Duty Vehicles-ACase Study[J]. Sustainability: 2015， 7(9): 12644-12671.

[8]萬(wàn)霞，黃文偉，高謀榮.等.基于PEMS的柴油乘用車(chē)氣態(tài)污染物道路排放測(cè)試分析[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2013，(5)：74-83.

[9]何超，汪勇，李加強(qiáng)，等.高壓共軌柴油機(jī)燃燒與二氧化氮排放特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2013，34(1):13-17.

[10]王增養(yǎng).高壓共軌柴油機(jī)二氧化氮排放特性研究[D].昆明：西南林業(yè)大學(xué)，2013.

[11] X Wang，H Yin，Y Ge， et a1.On-vehicle emission measurementof a light-duty diesel van at various speeds at high altitude[J]. Atmospheric Environment， 2013， 81(2):263-269.

[12]姜澤浩，張付軍，董長(zhǎng)龍.等.渦輪增壓柴油機(jī)高原性能試驗(yàn)研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014，(6)：59-63.

[13]申立中，沈穎剛，畢玉華.等.不同海拔高度下自然吸氣和增壓柴油機(jī)的燃燒過(guò)程[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002，20(3)：49-52.

[14] Yin Hang， Ge Yunshan， Wang Xin， Yu Linxiao， et al. Idleemission characteristics of a light-duty diesel van at variousaltitudes [J]. Atmospheric Environment， 2013， 70: 117-122.