許 磅 邢瑩瑩 陸 鍵

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

0 引 言

機(jī)動(dòng)車尾氣是城市中空氣污染物的重要來(lái)源之一.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年機(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)車尾氣排放和控制空氣污染，中國(guó)從2017年1月開始實(shí)施國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)，其相當(dāng)于歐盟的歐V排放標(biāo)準(zhǔn).與國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)相比，國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放更少的CO2，具有轉(zhuǎn)矩大、熱效率高的優(yōu)點(diǎn).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(yuǎn)大于汽油車.根據(jù)中國(guó)汽車環(huán)境管理年度報(bào)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(guò)90%.NOx在紫外線的照射下會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成化學(xué)煙霧[3-4].

現(xiàn)有的研究表明：駕駛行為[5]、道路基礎(chǔ)設(shè)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(shí)際的測(cè)算中，往往會(huì)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(guān)，忽略了道路坡度等其他影響因素，認(rèn)為這些因素所消耗的額外能量可以通過(guò)車輛的加減速反映出來(lái).如車輛比功率(VSP)是一種綜合考慮道路坡度對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)貢獻(xiàn)的方法.美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的機(jī)動(dòng)車排放模擬器(MOVES)，就是基于車輛VSP來(lái)計(jì)算行駛時(shí)的尾氣排放,MOVES以大量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，是目前相對(duì)成熟的綜合性排放模型.但是這種模型的簡(jiǎn)化往往導(dǎo)致官方和實(shí)際測(cè)量的尾氣排放相差較大.如對(duì)道路坡度的忽略，就會(huì)使得測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生比較大的差異.文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)這種差異可以達(dá)到30%～40%.Wen等[9]通過(guò)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(guān)系.結(jié)果表明，重型車輛CO、HC及NOx的排放與道路坡度高度相關(guān),其中CO排放的對(duì)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(guó)高速公路機(jī)動(dòng)車碳排放文件，其研究表明累計(jì)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(guò)使用便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)(PEMS)進(jìn)行的車輛實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn).王云鵬等[11]通過(guò)PEMS采集大量的車輛數(shù)據(jù)，然后通過(guò)回歸法得到吉林省長(zhǎng)春市不同工況下車輛的排放速率.王岐東等[12-13]則利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，然后結(jié)合VSP等概念，通過(guò)車輛的工況來(lái)預(yù)測(cè)車輛的尾氣排放.國(guó)外的很多研究證實(shí)了道路坡度對(duì)油耗和排放的影響.Kim等[14-16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huì)增加40%～90%.Boriboonsomsin等[17]測(cè)得與平坦路面相比汽油車在山路上行駛的油耗會(huì)增加15%～20%.Frey等[18]的另一項(xiàng)研究表明，如果忽略上坡的影響，汽車的燃料使用和排放會(huì)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(huì)被高估22%～24%.Wyatt等[19]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于客車而言道路坡度對(duì)NOx等的影響要大于對(duì)CO2的影響.Prati等[20]使用符合歐V排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型柴油車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：上坡分別導(dǎo)致CO2和NOx的排放增加85%和33%,而下坡會(huì)分別導(dǎo)致CO2和NOx的排放減少45%和60%.Gallus等[21]研究了駕駛風(fēng)格和道路坡度對(duì)客車尾氣排放的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明坡度從0%～5%的這一范圍導(dǎo)致CO2增加65%～81%，NOx增加85%～115%.Costagliola等[22]研究了坡度對(duì)兩輛歐V柴油車尾氣排放的影響，結(jié)果表明：在坡度范圍-4%～5%的范圍內(nèi)，CO2的排放量與坡度存在線性關(guān)系.

文中采用便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)PEMS-OBEAS-3000對(duì)兩種不同類型車輛的排放進(jìn)行了測(cè)試.所有實(shí)驗(yàn)車輛均符合國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)，本次研究的重點(diǎn)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(guò)分析坡度對(duì)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(shè)計(jì)，從而減少車輛的尾氣排放.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究的測(cè)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(cè)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(gè)月的測(cè)試期間，同1名司機(jī)駕駛車輛在該路線上進(jìn)行了測(cè)試.實(shí)驗(yàn)期間的天氣狀況包括晴天、雨天和陰天，每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為08:30—17:30，一共進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn)(每輛車測(cè)試5次).

表1 測(cè)試道路信息

1.2 測(cè)試車輛

本實(shí)驗(yàn)使用一輛輕型汽油車和一輛柴油車，兩輛車均符合國(guó)五標(biāo)準(zhǔn).具體參數(shù)見表2.

表2 測(cè)試車輛的基本信息

1.3 測(cè)試設(shè)備

尾氣測(cè)量設(shè)備采用廈門某公司OBEAS-3000便攜式排放測(cè)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(cè)出駕駛車輛排放CO2和NOx的質(zhì)量.同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)掃描儀連接到車輛的車載診斷(OBD)，在車輛運(yùn)行期間記錄發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)

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(hào)總是由至少8個(gè)衛(wèi)星提供，測(cè)試階段GPS衛(wèi)星沒有明顯的信號(hào)損失.此外，利用地形圖的高程數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證GPS的高度.

Boroujeni和Frey(2014)應(yīng)用分段法計(jì)算道路坡度.該方法將整個(gè)行程劃分為等長(zhǎng)段，每段路段的路面坡度通過(guò)收集的所有海拔數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸計(jì)算.因此，可以在同一路線上合并若干次行程，以便統(tǒng)計(jì)上增加每段計(jì)算的道路坡度的準(zhǔn)確性.本研究共對(duì)測(cè)試路線進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn)，為估計(jì)坡度提供了10次數(shù)據(jù).在此基礎(chǔ)上，采用80 m的線段長(zhǎng)度作為每個(gè)線段的GPS軌跡點(diǎn)數(shù)與最大線段長(zhǎng)度之間的最佳權(quán)衡.

根據(jù)實(shí)際測(cè)試過(guò)程中所記錄的GPS信息，估算出測(cè)試路線的道路坡度.最后，將道路坡度劃分為10個(gè)區(qū)間(間隔為1%)，道路坡度范圍為-5%～5%.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 坡度對(duì)于CO2和NOx排放的影響

采用PEMS車輛瞬時(shí)排放統(tǒng)計(jì)方法測(cè)量車輛每公里的排放量，探討道路坡度對(duì)兩種車型CO2和NOx排放的影響.本研究采用多項(xiàng)式回歸線擬合排放與道路坡度，見圖1～2.結(jié)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(shuō)明CO2和NOx排放與道路坡度的相關(guān)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(guān)系曲線

圖2 重型車坡度與排放的關(guān)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(shì).而在上坡階段，特別是當(dāng)路面坡度大于1%時(shí)，兩種氣體的排放量幾乎隨路面坡度線性增加.接下來(lái)以坡度0%為基準(zhǔn)，分別分析道路坡度變化對(duì)兩種車型排放的影響.

對(duì)于輕型車，當(dāng)路面坡度為負(fù)時(shí),CO2排放基本穩(wěn)定，當(dāng)路面坡度大于0%時(shí)，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(shí)，CO2排放量增加48.02%.重型車排放的變化規(guī)律略有不同，當(dāng)坡度在-1%～4%增長(zhǎng)時(shí)CO2排放量增長(zhǎng)緩慢.當(dāng)坡度大于4%或坡度在-5%～-2%之間增長(zhǎng)時(shí)，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(nèi)表現(xiàn)出持續(xù)上升趨勢(shì).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(zhǎng)了50.97%；而坡度在-5%～-4%區(qū)間的路段NOx排放量較基準(zhǔn)降低了15.34%.重型車NOx的排放在-2%～3%時(shí)增速較緩.當(dāng)?shù)缆菲露仍?%上升到5%時(shí)，NOx排放增加了14.76%，而-5%～-4%時(shí)的NOx排放較基準(zhǔn)降低了10.34%.

通過(guò)比較，可以得出道路坡度對(duì)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(duì)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(nèi)氮氧化合物的變化量達(dá)到2 000 mg/km，遠(yuǎn)大于輕型車的30 mg/km的變化量.因此，在道路設(shè)計(jì)階段，道路上的車輛比例也是一項(xiàng)重要的參考指標(biāo).對(duì)于重型車比例較高的路段，將路面坡度控制在2%以內(nèi)可以顯著減少車輛尾氣排放的絕對(duì)值.

2.2 不同車速下坡度對(duì)于CO2和NOx瞬時(shí)排放的影響

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

圖3 CO2排放與車輛速度的關(guān)系曲線

圖4 NOx排放與車輛速度的關(guān)系曲線

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

不同速度區(qū)間下，各個(gè)道路坡度對(duì)應(yīng)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(shí)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(zhǎng)而表現(xiàn)出了較為明顯的增長(zhǎng)，且車輛在高速狀態(tài)爬坡對(duì)于汽車尾氣排放的影響更加顯著，尤其是對(duì)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(zhǎng)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(guān)系圖

圖6 重型車不同速度區(qū)間下排放和坡度的關(guān)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(zhǎng)率.對(duì)于輕型車，在速度區(qū)間[0，10]，當(dāng)?shù)缆菲露葹?%時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)顯著，接近平坡路段的1.5倍，對(duì)于重型車也可以觀測(cè)到類似的規(guī)律.由此可見，對(duì)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(shí)不同速度區(qū)間的排放增長(zhǎng)率 (基準(zhǔn)：坡度為0) 單位：%

2.3 基于VSP的車輛瞬時(shí)排放率分析

車輛比功率(VSP)是車輛單位質(zhì)量的瞬時(shí)功率.發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的瞬時(shí)功率用來(lái)克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力，增加車輛的動(dòng)能和勢(shì)能.它是直接可測(cè)量的，可以很好的預(yù)測(cè)車輛排放.VSP方程的一般形式為

VSP=v·(a(1+εi)+(g·grade)+(g·CR))+

(0.5ρa(bǔ)((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(zhì)量因子；g為重力加速度，9.81 m/s2；grade為道路坡度；CR為滾動(dòng)阻力系數(shù)；ρa(bǔ)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(zhì)量,kg；vw為機(jī)動(dòng)車迎面風(fēng)速,m/s.

本研究采用典型輕型車輛簡(jiǎn)化VSP方程，具體計(jì)算公式為

VSP=v×(1.1a+g×grade+0.132)+

0.000 302v3

(2)

我國(guó)重型車輛VSP公式為

VSP=v×(a+g×grade+0.186 333)+

(3)

試驗(yàn)路線包括城市道路和公路，因此本實(shí)驗(yàn)獲得了較為全面的車輛運(yùn)行狀態(tài)，包括高速、低速、加減速過(guò)程.根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算出車輛的VSP，得到每個(gè)VSP區(qū)間對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)車輛排放率以及不同區(qū)間坡度對(duì)于VSP的占比.

為了分析道路坡度的貢獻(xiàn),計(jì)算出每個(gè)坡度區(qū)間的坡度占比,見圖7.分析的結(jié)果是下坡階段的坡度占比大于上坡階段的坡度占比.當(dāng)VSP值低于-4 W/kg時(shí)，路面坡度占車輛動(dòng)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(shí)的排放率與考慮坡度時(shí)排放率的比較.對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)道路坡度更為敏感.

3 結(jié) 論

1) 坡度對(duì)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(duì)于汽車尾氣排放的影響更加顯著.

2) 輕型車輛的排放對(duì)路面坡度改變更為敏感，同樣的坡度變化范圍內(nèi)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(duì)增量遠(yuǎn)大于輕型車輛.

因此，不同類型車輛在路線選擇過(guò)程中可以綜合考慮運(yùn)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(guò)程中要保持穩(wěn)定的速度，提前對(duì)坡度的大小，長(zhǎng)短做出適當(dāng)估計(jì)，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.