道路坡度對(duì)重型柴油車實(shí)際道路排放的影響

張佑源 陳雪梅 玉達(dá)泳 汪曉偉 李利斌 李騰騰 高濤 霍永占

摘要：對(duì)某最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量為24.5 t的自卸車，采用發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)試驗(yàn)方法，構(gòu)建整車模型、帶坡度的道路模型和駕駛員模型，研究有、無坡度條件下空載和滿載車輛的功率和CO2、NOx、粒子數(shù)量、CO、THC的排放特性。結(jié)果表明：有坡度運(yùn)行時(shí)，車輛功率和總排放物增加，但氣態(tài)污染物排放增加幅度小于功率增加幅度，車輛的氣體污染物比排放較低、顆粒物比排放較高；坡度變化影響排溫和NO排放，空載時(shí)長(zhǎng)坡工況易導(dǎo)致NOx排放增加；坡度影響車輛比功率分布，與無坡度相比，有坡度運(yùn)行車輛的比功率分布更加分散，污染物排放的集中度較低。

關(guān)鍵詞：重型柴油車；發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)測(cè)試；道路坡度；氣體污染物；顆粒物；CO2排放；功率

中圖分類號(hào)：U467.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）01-0023-08

引用格式：張佑源，陳雪梅，玉達(dá)泳，等.道路坡度對(duì)重型柴油車實(shí)際道路排放的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（1）：23-30.

ZHANG Youyuan，CHEN Xuemei，YU Dayong， et al.Effects of road slope on real driving emission characteristics for a heavyduty diesel vehicle［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（1）：23-30.

0引言

中國(guó)貨車排放的CO、HC、NOx、顆粒物（particulate matter，PM）和CO2分別占汽車相對(duì)應(yīng)各污染物排放總量的 298%、26.6%、84.3%、90.9%和61.5%[1]，文獻(xiàn)[2]規(guī)定了各污染物的排放限值。影響污染物排放和碳排放的因素較多，包括駕駛行為、交通流狀況、道路情況、環(huán)境條件、車輛載荷等[3-6]，但道路坡度的影響容易被忽略。目前的油耗和排放標(biāo)準(zhǔn)中，整車轉(zhuǎn)轂測(cè)試均沒有考慮道路坡度的影響。道路坡度的變化影響坡度阻力，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)做功和車輛碳排放變化。道路坡度對(duì)排放的影響比較復(fù)雜。Zhang等[7] 研究了道路坡度小于4%時(shí)的重型車輛排放，發(fā)現(xiàn)重型車輛CO排放對(duì)坡度的變化較敏感；許磅等[8]研究了輕型車和重型車的實(shí)際道路排放，研究表明，道路坡度為-5%～5%，2種車型的CO2和NOx排放均隨坡度的增大而增大。關(guān)于道路坡度影響方面的研究都是基于實(shí)際道路測(cè)試開展的，但基于實(shí)際道路的測(cè)試受交通條件、環(huán)境條件和駕駛行為等因素影響較大，很難保證試驗(yàn)的重復(fù)性和一致性，不適合開展單一變量如坡度等對(duì)排放的影響研究；而且這些研究?jī)H考慮了氣體污染物排放，沒有考慮PM排放；車輛的坡度阻力除受道路坡度的影響，和車輛載質(zhì)量息息相關(guān)，以上研究均沒有涉及載荷。因此需要進(jìn)一步研究坡度變化對(duì)排放的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)測(cè)試是能夠很好地開展單參數(shù)對(duì)排放影響研究的方法。發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)是將發(fā)動(dòng)機(jī)作為實(shí)際物理硬件，將整車及駕駛員作為虛擬子系統(tǒng)的一種特殊的硬件在環(huán)方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)對(duì)整車性能開發(fā)優(yōu)化。由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制精度高，行駛道路和駕駛行為均為模型設(shè)置，可以保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性，排除來自于駕駛、交通狀況、環(huán)境條件的干擾，可以用來研究載荷變化對(duì)同一實(shí)際道路排放的影響[9-11]。

本文中選取一輛最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量為24.5 t的自卸車，采用發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)的方式，在同一條道路上，研究實(shí)際坡度和無坡度、滿載和空載條件下的排放差異，分析坡度對(duì)車輛的功率和CO2、NOx、粒子數(shù)量（particle number，PN）、CO、THC排放的影響。

1試驗(yàn)設(shè)置

1.1測(cè)試方法和設(shè)備

構(gòu)建的發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)測(cè)試平臺(tái)如圖1所示，其中整車及駕駛員模型通過AVL VSMTM實(shí)時(shí)系統(tǒng)來構(gòu)建，實(shí)時(shí)系統(tǒng)通過輸入的駕駛工況，結(jié)合整車模型和駕駛員模型，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，發(fā)送給臺(tái)架控制系統(tǒng)；臺(tái)架控制系統(tǒng)控制測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度，同時(shí)臺(tái)架的傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，實(shí)時(shí)傳回系統(tǒng)，作為整車模型的輸入?yún)?shù)，參與下一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)的整車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制[12]。主要測(cè)試設(shè)備和軟件信息如表1所示。

1.2試驗(yàn)車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)樣機(jī)為采用廢氣再循環(huán)氧化型催化器顆粒捕集器選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）氨過濾器排放控制技術(shù)路線、滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)，對(duì)應(yīng)的整車模型為一輛N3非城市自卸車。選擇空載和滿載2種車輛狀態(tài)，滑行因數(shù)均按照文獻(xiàn)[13]的要求在試車場(chǎng)道路實(shí)際滑行得到。發(fā)動(dòng)機(jī)和整車主要技術(shù)參數(shù)如表2、3所示。

1.3測(cè)試路線

所選取的路譜為對(duì)應(yīng)的N3類非城市車輛的一條便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS）測(cè)試路線，該道路位于云南省建水縣境內(nèi)，單程最高海拔高度變化超過200 m，路線總長(zhǎng)度約為120 km，沿著一條單程約30 km的路段來回運(yùn)行2次。

車速和海拔以及坡度隨運(yùn)行距離的變化情況如圖2所示，總的運(yùn)行距離為3158 km，平均車速為3336 km/h，最大車速為7553 km/h。

坡度計(jì)算采用AVL VSM自帶的道路建模軟件，構(gòu)建基于GPS數(shù)據(jù)地形的表面模型。選取4種測(cè)試工況，分別為滿載有坡度Test1、滿載無坡度Test2、空載有坡度Test3、空載無坡度Test4，其中無坡度是在道路模型中將坡度設(shè)置為0。將采集的實(shí)際道路路譜信息輸入臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)，每種測(cè)試工況的整車模型和駕駛策略均相同，按照文獻(xiàn)[2]中方法計(jì)算NOx、PN、CO、THC和CO2排放。

2結(jié)果及分析

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、功率、污染物和CO2比排放

4種測(cè)試工況下整個(gè)路程的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、功率和CO2、NOx、PN、CO、THC比排放如表4所示。

由表4可知：滿載工況下即Test1、Test2，車輛有坡度和無坡度運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)在同一路段功率分別為47.85、29.82 kW，有坡度運(yùn)行的功率比無坡度運(yùn)行的功率增加了60%，燃油消耗增加了50%，但有坡度運(yùn)行車輛的CO2比排放比無坡度降低了6%；有坡度運(yùn)行的CO、THC和NOx比排放比無坡度運(yùn)行分別低80%、63%和73%；有坡度運(yùn)行車輛的PN比排放比無坡度運(yùn)行高63%；空載條件下即Test3、Test4，也呈現(xiàn)相似的規(guī)律，有坡度運(yùn)行的功率比無坡度運(yùn)行增加了39%，燃油消耗增加了21%，但有坡度運(yùn)行的CO2比排放比無坡度降低了13%；有坡度運(yùn)行的CO、THC和NOx比排放比無坡度運(yùn)行分別低88%、67%和79%；有坡度運(yùn)行車輛的PN比排放比無坡度運(yùn)行高65%。上述結(jié)果表明坡度導(dǎo)致的氣態(tài)污染物排放增加幅度小于功率增加幅度，因此有坡度運(yùn)行的氣態(tài)污染物比排放較低，坡度對(duì)顆粒物排放的影響大于對(duì)功率的影響。

此外，有坡度工況下，即Test1、Test3，滿載時(shí)的功率、CO和PN比排放比空載時(shí)分別高107%、41%、68%，滿載時(shí)的CO2、THC和NOx比排放比空載時(shí)分別低16%、82%、65%。無坡度工況即Test2、Test4也存在相似的結(jié)果，滿載時(shí)的功率、CO和PN比排放比空載時(shí)分別高80%、25%、71%，滿載時(shí)的CO2、THC、NOx比排放比空載時(shí)分別低22%、89%、72%。

2.2污染物和CO2瞬態(tài)排放

由于柴油機(jī)的THC和CO排放很低，因此不再對(duì)這2種排放物進(jìn)行分析，僅分析NOx、PN和CO2的瞬態(tài)排放。車速和道路坡度如圖3所示。

滿載時(shí)（Test1、Test2工況），有、無坡度的CO2、PN、NOx累積排放和排氣溫度如圖4所示。

由圖4a）b）c）可知：有、無坡度工況下PN和CO2排放規(guī)律較一致，PN和CO2排放在A、B、C區(qū)域明顯增加，這是因?yàn)檫@3個(gè)位置為車輛加速階段，噴油量增加；NOx排放在D、E、F區(qū)域明顯增加，其中D、E區(qū)域的車速較低，排溫較低，F(xiàn)區(qū)域是車輛加速和爬坡階段，因此NOx排放較高；從瞬態(tài)排放特征來看，道路坡度的影響小于車輛加速的影響。主要原因可能是此時(shí)車輛滿載，車輛加速所需的功率更大，需要噴射更多的燃油實(shí)現(xiàn)車輛加速，導(dǎo)致PN和CO2排放增加。

由圖4d）可知：坡度對(duì)排溫的影響較大；無坡度時(shí)，排溫相對(duì)穩(wěn)定，車輛減速和怠速時(shí)，排溫有所下降，車輛加速時(shí)，排溫增加；有坡度時(shí)，坡度變化導(dǎo)致排溫變化，尤其是在長(zhǎng)下坡工況下，排溫降幅較大，可能影響SCR的轉(zhuǎn)化效率；在滿載工況下，由于排溫較高，排溫降幅對(duì)SCR轉(zhuǎn)化效率的影響不顯著。

空載時(shí)（Test3、Test4工況），有、無坡度的CO2、PN、NOx累積排放和排氣溫度如圖5所示。由圖5可知：相比無坡度工況， CO2和PN排放增速較為明顯區(qū)域和滿載時(shí)一致，如A、B、C區(qū)域；NOx排放除在排溫較低的區(qū)域增加外，一個(gè)較為顯著的特征是在坡度下降、車速增加時(shí)增速較大。這是由于排溫降低，NOx排放增加，如圖中F區(qū)域。

2.3機(jī)動(dòng)車比功率分析

機(jī)動(dòng)車比功率PVSP是車輛單位質(zhì)量的瞬時(shí)功率，采用典型的簡(jiǎn)化重型車輛比功率方程[8]：

式中：v為車速，m/s；a為車輛加速度，m/s2；g為自由落體加速度，g=9.81 m/s2；i為道路坡度；CR為滾動(dòng)阻力因數(shù)，CR=0.186 333；CD為風(fēng)阻因數(shù)，CD=3.702 456；m為車輛質(zhì)量，kg。

滿載時(shí)機(jī)動(dòng)車比功率的時(shí)間分布如圖6所示。由圖6可知：與無坡度運(yùn)行車輛相比，有坡度的機(jī)動(dòng)車比功率分布更加分散；有坡度的機(jī)動(dòng)車比功率在[-2，2] kW/t的時(shí)間占比為476%，無坡度的時(shí)間占比為630%；無坡度運(yùn)行車輛的機(jī)動(dòng)車比功率大于0的時(shí)間占比為922%，有坡度的機(jī)動(dòng)車比功率大于0的時(shí)間占比僅為795%。

空載時(shí)機(jī)動(dòng)車比功率的時(shí)間分布如圖7所示。由圖7可知：空載時(shí)機(jī)動(dòng)車比功率分布規(guī)律與滿載時(shí)基本一致，與無坡度時(shí)相比，有坡度機(jī)動(dòng)車比功率的分布更加分散；有坡度的機(jī)動(dòng)車比功率在[-2，2]kW/t的時(shí)間占比為45.7%，無坡度的時(shí)間占比為59.3%；無坡度的機(jī)動(dòng)車比功率大于0的時(shí)間占比為93.6%，而有坡度的機(jī)動(dòng)車比功率大于0的時(shí)間占比僅為81.8%。這說明道路坡度對(duì)機(jī)動(dòng)車比功率的分布影響較大，主要原因是坡度影響實(shí)際行駛時(shí)車輛的坡度阻力，導(dǎo)致車輛行駛時(shí)的比功率發(fā)生變化。

滿載時(shí)（Test1、Test2工況），基于機(jī)動(dòng)車比功率的排放占比分布如表5、6所示。由表5、6可知：有坡度時(shí)，NOx的排放分布主要集中在[0，2]kW/t，占比為63.3%；無坡度時(shí)，此區(qū)間的NOx占比僅為485%；PVSP >0，有坡度時(shí)的NOx、PN、CO2的排放占比分別為962%、862%、915%，無坡度時(shí)，NOx、PN、CO2的排放占比分別為981%、935%和950%。這說明道路坡度分散了污染物的排放集中度。

空載時(shí)（Test3、Test4工況），基于機(jī)動(dòng)車比功率的排放占比分布如表7、8所示。由表7、8可知：有坡度時(shí)，NOx的排放分布主要集中在[0，2]kW/t，占比為535%；無坡度時(shí)，此區(qū)間的NOx排放占比為63.4%；PVSP>0，帶坡度時(shí)NOx、PN、CO2的排放占比分別為981%、873%、941%；無坡度時(shí)，NOx、PN、CO2的排放占比分別為98.0%、922%、958%。這說明道路坡度分散了污染物的排放集中度，尤其是PN和CO2排放的集中度。

3結(jié)論

基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)研究了在不同載荷下道路坡度對(duì)重型車實(shí)際道路NOx、PN、CO、THC污染物排放和CO2排放的影響。

1）在相同的起始點(diǎn)，有坡度運(yùn)行導(dǎo)致功率和總排放物增加，但氣態(tài)污染物排放增加幅度小于功率增加幅度，有坡度運(yùn)行的氣態(tài)污染物比排放較低，但顆粒物比排放高于無坡度工況。

2）坡度變化影響排溫，從而影響NOx排放；空載時(shí)，長(zhǎng)下坡工況導(dǎo)致NOx排放增加。

3）坡度變化影響機(jī)動(dòng)車比功率分布，與無坡度時(shí)相比，有坡度的機(jī)動(dòng)車功率分布更加分散，污染物的排放集中度較低。

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