張紅玉，王華

（32392部隊(duì)，昆明 650222）

世界各國(guó)對(duì)重型車(chē)的質(zhì)量限值不盡相同，主要分為歐美體系、歐洲體系和日本體系，其中美國(guó)以3855 kg、歐洲等國(guó)和日本以3500 kg劃定重型車(chē)界限[1-2]。柴油機(jī)由于在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面有著汽油機(jī)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，是重型車(chē)的主要?jiǎng)恿υ碵3]。伴隨長(zhǎng)距離運(yùn)輸、采礦、石油勘探、航空航天和新型武器裝備的更新發(fā)展，大噸位（30～60 t）、大功率（221～ 441 kW）、多軸型（3～8軸及以上）適合于專(zhuān)業(yè)化運(yùn)輸?shù)闹匦筒裼蛙?chē)將成為我國(guó)重型柴油車(chē)發(fā)展的主要方向[4]。其中，重型多軸特種運(yùn)輸車(chē)是為了滿(mǎn)足運(yùn)輸單體超長(zhǎng)超重貨物和越野特殊要求而開(kāi)發(fā)的車(chē)輛，通常運(yùn)輸質(zhì)量大于80 t，車(chē)輛軸數(shù)大于6。在軍用領(lǐng)域，主要用于運(yùn)輸和發(fā)射戰(zhàn)略導(dǎo)彈，在民用領(lǐng)域可用于運(yùn)輸超寬、超重貨物或改裝為吊車(chē)、消防云梯車(chē)、泵車(chē)、油田修井車(chē)等[5-8]。特殊領(lǐng)域的重型特種運(yùn)輸車(chē)不僅用于室外運(yùn)輸，還有可能在工程內(nèi)部發(fā)動(dòng)運(yùn)行。因此，有必要探究大功率大噸位級(jí)重型柴油車(chē)污染物排放量和稀釋污染物所需通風(fēng)量的合理計(jì)算方法，為類(lèi)似工程項(xiàng)目建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 重型柴油車(chē)污染物排放特點(diǎn)

機(jī)動(dòng)車(chē)所排的主要污染物包括HC、CO、NOx和顆粒狀物（PM），由于柴油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度高、燃燒均勻性差、控制技術(shù)落后，導(dǎo)致大部分NOx和顆粒狀物（PM）來(lái)源于柴油車(chē)[9-11]。大功率大噸位級(jí)柴油運(yùn)載車(chē)輛，燃燒進(jìn)氣量及排煙量大。這類(lèi)車(chē)輛在工程內(nèi)部發(fā)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，除與人員爭(zhēng)氧外，還將產(chǎn)生大量含CO、NOx、HC及顆粒狀物（PM）的有毒尾氣，若不完全燃燒，還可能產(chǎn)生含油蒸汽等易爆易燃物質(zhì)。特別是在高海拔地區(qū)，大氣含氧量大大低于內(nèi)地，燃燒不充分的情況尤為突出，人員缺氧窒息的可能性更高，以上這些情況在過(guò)去的工程建設(shè)中少有遇見(jiàn)。

2 重型柴油車(chē)污染物排放量計(jì)算方法

2.1 JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[12]計(jì)算方法

交通部2014年發(fā)布的《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》未把NOx列入隧道內(nèi)空氣污染的控制因素，只考慮CO和煙塵排放量。煙塵、CO排放量表達(dá)式為：

式中：QVI為煙塵排放量，m2/s；QCO為CO排放量，m3/s；qVI為設(shè)計(jì)目標(biāo)年份的煙塵基準(zhǔn)排放量，m2/（veh·km）；qCO為設(shè)計(jì)目標(biāo)年份的CO基準(zhǔn)排放量，m3/（veh·km）；fa(VI)、fa分別為煙塵、CO的車(chē)況系數(shù)；fd為車(chē)密度系數(shù)；fh(VI)、fh分別為煙塵、CO的海拔高度系數(shù)；fiv(VI)、fiv分別為煙塵、CO的縱坡-車(chē)速系數(shù)；L為隧道長(zhǎng)度，m；fm(VI)、fm分別為煙塵、CO的車(chē)型系數(shù)；nD為柴油車(chē)類(lèi)別數(shù)；n為車(chē)型類(lèi)別數(shù)；Nm為相應(yīng)車(chē)型的交通量，veh/h。

文中以單輛32 t重型柴油車(chē)為例計(jì)算污染物排放量，即nD=1、n=1、Nm=1，上述表達(dá)式可簡(jiǎn)化為：

稀釋煙塵所需風(fēng)量表達(dá)式為：

式中：Qreq(VI)為稀釋煙塵的需風(fēng)量，m3/s；K為煙塵設(shè)計(jì)濃度，m–1。

稀釋CO所需風(fēng)量表達(dá)式為：

式中：Qreq(CO)為稀釋CO的需風(fēng)量，m3/s；δ為CO設(shè)計(jì)體積濃度，cm3/m3；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101.325 kN/m2；p為計(jì)算地點(diǎn)大氣壓，kN/m2；T0為標(biāo)準(zhǔn)氣溫，取273 K；T為計(jì)算地點(diǎn)氣溫，K。

2.2 世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）2012年技術(shù)報(bào)告[13]計(jì)算方法

PIARC 2012年技術(shù)報(bào)告將CO、NOx、煙塵和非尾氣排放顆粒物均列入隧道內(nèi)空氣污染的控制因素。煙塵、CO、NOx排放量表達(dá)式為：

式中：Q為CO、NOx的排放量，g/（h·veh）和煙塵的排放量，m2/（h·veh）；qex(v,i)為CO、NOx的基準(zhǔn)排放量，g/（h·veh）和煙塵的基準(zhǔn)排放量，m2/（h·veh）；qne(v)為非尾氣排放因子，m2/（h·veh）；fh為海拔高度修正系數(shù)；ft為計(jì)算年修正系數(shù)；fe為排放標(biāo)準(zhǔn)修正系數(shù)；fm為質(zhì)量修正系數(shù)。

稀釋煙塵、CO、NOx所需風(fēng)量表達(dá)式為：

式中：V為稀釋污染物的需風(fēng)量，m3/s；nveh為隧道內(nèi)車(chē)輛數(shù)量；Cadm–Camb為污染物設(shè)計(jì)濃度限值，g/m3（煙塵的濃度限值以Kadm代替，m–1）。

文中以單輛32 t重型柴油車(chē)為例，計(jì)算污染物排放量，即nveh=1，式（8）可簡(jiǎn)化為：

3 重型柴油車(chē)污染物排放量和通風(fēng)量計(jì)算

3.1 根據(jù)JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算

根據(jù)JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》，選取海拔高度為400、2000、3000、4500 m時(shí)，車(chē)速為10 km/h的國(guó)產(chǎn)柴油車(chē)，在長(zhǎng)600 m、坡度0%的道路上行駛，車(chē)輛的尾氣污染物排放量和稀釋尾氣污染物所需空氣量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》中，污染物基準(zhǔn)排放量以2000年為起點(diǎn)，其他年份按2%的遞減率計(jì)算，表1計(jì)算目標(biāo)年份為2020年。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如果不考慮NOx的空氣污染，柴油車(chē)的煙塵排放量為通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)。由于不考慮質(zhì)量修正，不同質(zhì)量的同類(lèi)型柴油車(chē)煙塵排放量?jī)H與海拔高度有關(guān)，表1計(jì)算按拖掛車(chē)、集裝箱進(jìn)行車(chē)型系數(shù)修正。在400、2000、3000、4500 m海拔高度下，拖掛車(chē)、集裝箱柴油車(chē)的煙塵排放量分別為11.2、16.6、20.0、25.1 m3/h，稀釋污染物排放量所需最大空氣量分別為3749、5549、6674、8361 m3/h。

表1 根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算的車(chē)輛污染物排放量和稀釋污染物所需空氣量 Tab.1 Exhaust pollutant emissions of diesel vehicles and the amount of air required to dilute exhaust pollutants calculated according to “Guidelines for Design of Ventilation of Highway Tunnels”

3.2 根據(jù)世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）2012年技術(shù)報(bào)告計(jì)算

世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）2012年技術(shù)報(bào)告已完全取代2004年的版本，該報(bào)告中分別給出歐洲、中國(guó)和其他國(guó)家產(chǎn)小轎車(chē)、輕型車(chē)（總質(zhì)量小于3.5 t）和重型柴油車(chē)的污染物基準(zhǔn)排放量。因缺乏國(guó)產(chǎn)柴油車(chē)高海拔地區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，未給出海拔高度2000 m以上的污染物排放量修正系數(shù)。

在海拔0～2000 m的地區(qū)，車(chē)速為10 km/h的歐洲產(chǎn)32 t柴油車(chē)在坡度為0%的道路上行駛時(shí)，車(chē)輛的尾氣污染物排放量和稀釋尾氣污染物所需空氣量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 根據(jù)世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）2012年技術(shù)報(bào)告計(jì)算的歐洲產(chǎn)32 t柴油車(chē)污染物排放量和稀釋污染物所需空氣量 Tab.2 Emissions of exhaust pollutants and the amount of air required to dilute exhaust pollutants from 32 t diesel vehicles in Europe according to the report provided by PIARC

在海拔0～2000 m的地區(qū)，車(chē)速為10 km/h的國(guó)產(chǎn)32 t柴油車(chē)在坡度為0%的道路上行駛時(shí)，車(chē)輛的尾氣污染物排放量和稀釋尾氣污染物所需空氣量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 根據(jù)世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）2012年技術(shù)報(bào)告計(jì)算的國(guó)產(chǎn)32 t柴油車(chē)污染物排放量和稀釋污染物所需空氣量 Tab.3 Exhaust emissions of domestic 32 t diesel vehicles and the amount of air required to dilute exhaust pollutants according to the report provided by PIARC

PIARC 2012年技術(shù)報(bào)告中污染物基準(zhǔn)排放量以2010年為起點(diǎn)，表2和表3計(jì)算目標(biāo)年份為2020年。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可得，同等條件下，國(guó)產(chǎn)重型柴油車(chē)的污染物基準(zhǔn)排放量大于歐產(chǎn)車(chē)，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)車(chē)污染物排放量和稀釋污染物所需通風(fēng)量遠(yuǎn)高于歐產(chǎn)車(chē)，國(guó)產(chǎn)車(chē)的煙塵排放量甚至達(dá)到歐產(chǎn)車(chē)的5倍。在0～2000 m海拔高度下，32 t國(guó)產(chǎn)柴油車(chē)的CO、NOx和煙塵排放量分別為88.6、166.0 m3/(h·veh)和84.2 m2/(h·veh)，NOx為通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)，稀釋NOx所需空氣量為33 206 m3/h。

4 計(jì)算方法比較分析

4.1 污染物排放量計(jì)算

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》的污染物基準(zhǔn)排放量為單車(chē)行駛1 km的排放濃度，污染物排放量計(jì)算公式中，考慮了隧道長(zhǎng)度L和車(chē)密度系數(shù)fd，不同車(chē)速和道路坡度考慮縱坡-車(chē)速系數(shù)修正。因此，按《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算的污染物排放量為某長(zhǎng)度隧道內(nèi)全部通行車(chē)輛尾氣污染物的排放總量。PIARC 2012年技術(shù)報(bào)告污染物基準(zhǔn)排放量為單車(chē)排放量，按小轎車(chē)、輕型車(chē)（總質(zhì)量小于3.5 t）和重型柴油車(chē)分類(lèi)考慮，其數(shù)值與車(chē)速和道路坡度有關(guān)。對(duì)于特定工程項(xiàng)目，工程內(nèi)部發(fā)動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛數(shù)與公路隧道不同，并不取決于隧道長(zhǎng)度和車(chē)行速度，因此按PIARC 2012年技術(shù)報(bào)告計(jì)算單輛車(chē)的污染物排放量更具實(shí)用性。另外，PIARC 2012年技術(shù)報(bào)告將CO、NOx、煙塵和非尾氣排放顆粒物均列入隧道內(nèi)空氣污染的控制因素，對(duì)于保障工程內(nèi)部工作人員的身體健康極為重要，應(yīng)予以考慮。

4.2 污染物排放量修正

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算柴油車(chē)CO排放量時(shí)，未考慮車(chē)型修正主要是與當(dāng)時(shí)PIARC技術(shù)報(bào)告及日本現(xiàn)行規(guī)范（1985版）一致[14]。煙塵基準(zhǔn)排放量按車(chē)型修正，而不是按質(zhì)量修正，將滿(mǎn)載重9.5 t的中型柴油貨車(chē)車(chē)型系數(shù)定為1.0，重型貨車(chē)、大型客車(chē)的車(chē)型系數(shù)為1.5，拖掛車(chē)、集裝箱車(chē)的車(chē)型系數(shù)最大為3。PIARC 2012年技術(shù)報(bào)告指出，柴油車(chē)的污染物排放量與其總質(zhì)量幾乎成正比例關(guān)系，報(bào)告中給出的重型柴油車(chē)（HGV）基準(zhǔn)污染物排放量測(cè)試車(chē)型為平均質(zhì)量23 t的柴油車(chē)，對(duì)其他質(zhì)量的柴油車(chē)給出了相應(yīng)修正系數(shù)，見(jiàn)表4。即同等條件下，按PIARC 2012年技術(shù)報(bào)告計(jì)算質(zhì)量為32 t的柴油車(chē)煙塵排放量約為15 t柴油車(chē)的2.7倍，而按《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算32 t和15 t的柴油車(chē)煙塵排放量相同。因此大功率大噸位級(jí)的柴油車(chē)污染物排放量按PIARC 2012年技術(shù)報(bào)告進(jìn)行計(jì)算更加合理，同時(shí)建議《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》對(duì)柴油車(chē)的車(chē)型系數(shù)修正予以質(zhì)量限制。

表4 柴油車(chē)質(zhì)量修正[12] Tab.4 Vehicle type factor for diesel vehicle[12]

4.3 海拔高度修正

PIARC 2012年技術(shù)報(bào)告指出，對(duì)于達(dá)到A級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)輛，在0～2000 m海拔高度范圍內(nèi)，尾氣污染物排放量不需要進(jìn)行海拔高度修正。該報(bào)告由于缺乏國(guó)產(chǎn)柴油車(chē)高海拔地區(qū)檢測(cè)數(shù)據(jù)，未給出國(guó)產(chǎn)柴油車(chē)2000 m以上的海拔高度系數(shù)。《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》給出的CO、煙塵海拔高度系數(shù)的高度限值分別為2200 m和2400 m，取值超過(guò)限值時(shí)，系數(shù)按圖作線(xiàn)性延伸。已有相關(guān)研究表明[15-18]，柴油機(jī)的CO和煙塵排放量會(huì)隨著海拔高度的增加而明顯增加，海拔高度系數(shù)按規(guī)范線(xiàn)性延伸取值與實(shí)測(cè)結(jié)果存在較大差距，不能真實(shí)反映有害氣體的排放情況。因此建議按《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》給出的海拔高度系數(shù)圖作定性分析，而不應(yīng)作為定量計(jì)算的依據(jù)。

4.4 通風(fēng)量計(jì)算

車(chē)輛污染物排放量是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，由表1和表3計(jì)算結(jié)果和上述分析可知，按照《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算的國(guó)產(chǎn)柴油車(chē)煙塵排放量遠(yuǎn)小于按照2012年P(guān)IARC技術(shù)報(bào)告的計(jì)算值。此外，《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》的污染物設(shè)計(jì)濃度限值參考了2004年P(guān)IARC的技術(shù)報(bào)告，而2012年P(guān)IARC的技術(shù)報(bào)告對(duì)CO的濃度限值已由30 cm3/m3調(diào)整為20 cm3/m3（隧道內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)作業(yè)時(shí)），因此按《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算的稀釋污染物所需的通風(fēng)量更小。

綜上分析，對(duì)于大功率大噸位柴油車(chē)的污染物排放量計(jì)算應(yīng)考慮車(chē)輛的總質(zhì)量，污染物排放量和通風(fēng)量計(jì)算方法建議采用世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）2012年技術(shù)報(bào)告。以國(guó)產(chǎn)32 t柴油車(chē)為例，在0～2000 m低海拔地區(qū)，CO、NOx和煙塵排放量分別為88.6、166.0 m3/(h·veh)和84.2 m2/(h·veh)。如果考慮NOx的空氣污染，稀釋單輛32 t柴油車(chē)排放污染物所需空氣量約為33 000 m3/h；如果不考慮NOx的空氣污染，所需空氣量約為28 000 m3/h。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》和世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）2012年技術(shù)報(bào)告，對(duì)32 t重型柴油車(chē)的污染物排放量和稀釋污染物所需空氣量進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果相差較大。對(duì)比分析兩種計(jì)算方法，并結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，得出采用世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）2012年技術(shù)報(bào)告的計(jì)算方法更合理。

因重型柴油車(chē)的質(zhì)量對(duì)污染物排放量影響較大，建議《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》對(duì)柴油車(chē)的車(chē)型系數(shù)修正予以質(zhì)量限制。另外，對(duì)于高海拔地區(qū)重型柴油車(chē)的污染物排放量計(jì)算建議按《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》給出的海拔高度系數(shù)圖作定性分析，而不應(yīng)作為定量計(jì)算的依據(jù)。

現(xiàn)階段有關(guān)柴油車(chē)在高海拔地區(qū)污染物排放量的測(cè)試多為小型載重貨車(chē)[16-20]。為滿(mǎn)足實(shí)際需求，有必要加快進(jìn)行高海拔地區(qū)大功率大噸位級(jí)柴油車(chē)的尾氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展柴油機(jī)內(nèi)凈化與尾氣后處理技術(shù)與特殊領(lǐng)域重型柴油機(jī)應(yīng)用相結(jié)合的研發(fā)工作，為大功率大噸位級(jí)特種重型運(yùn)輸車(chē)的應(yīng)用和相關(guān)工程項(xiàng)目建設(shè)提供技術(shù)支撐。