道路坡度对轻型车和重型车尾气排放的影响研究

许 磅 邢莹莹 陆 键

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

0 引 言

机动车尾气是城市中空气污染物的重要来源之一.据统计，2018年机动车排放污染物占CO、HC排放总量的80%以上，NOx、PM排放总量的90%以上[1].为了减少机动车尾气排放和控制空气污染，中国从2017年1月开始实施国五标准，其相当于欧盟的欧V排放标准.与国四标准相比，国五标准下的汽油车可以减少25%的氮氧化物排放量，柴油车减少43%的NOx排放量[2].

柴油车和汽油车相比，相同功率的柴油发动机比汽油发动机排放更少的CO2，具有转矩大、热效率高的优点.但是，与同等功率的汽油车相比柴油车排放的PM(颗粒物)和NOx的总量远大于汽油车.根据中国汽车环境管理年度报告(2018),柴油车的NOx排放量占汽车排放总量的近70%，PM的占比超过90%.NOx在紫外线的照射下会产生化学反应，生成化学烟雾[3-4].

现有的研究表明：驾驶行为[5]、道路基础设施[6]、道路线形[7]、道路坡度，以及交通条件等都是影响车辆尾气排放的重要因素.然而在实际的测算中，往往会忽略这些条件.在传统的车辆能耗模型中，车辆的消耗与车辆的加减速直接相关，忽略了道路坡度等其他影响因素，认为这些因素所消耗的额外能量可以通过车辆的加减速反映出来.如车辆比功率(VSP)是一种综合考虑道路坡度对运动学贡献的方法.美国环境保护署的机动车排放模拟器(MOVES)，就是基于车辆VSP来计算行驶时的尾气排放,MOVES以大量的数据为基础，是目前相对成熟的综合性排放模型.但是这种模型的简化往往导致官方和实际测量的尾气排放相差较大.如对道路坡度的忽略，就会使得测量结果产生比较大的差异.文献[8]发现这种差异可以达到30%～40%.Wen等[9]通过整合VSP-based发射率模型和交通仿真模型探讨了道路坡度(0%～4%)和重型车辆排放之间的关系.结果表明，重型车辆CO、HC及NOx的排放与道路坡度高度相关,其中CO排放的对于坡度的变化最敏感，HC敏感度最低.孙文圃等[10]的研究中，基于MOVES模型得到我国高速公路机动车碳排放文件，其研究表明累计碳排放在坡度区间3%到6%的这一范围最为敏感.

此外，许多研究通过使用便携式排放测量系统(PEMS)进行的车辆实测实验.王云鹏等[11]通过PEMS采集大量的车辆数据，然后通过回归法得到吉林省长春市不同工况下车辆的排放速率.王岐东等[12-13]则利用实测数据，然后结合VSP等概念，通过车辆的工况来预测车辆的尾气排放.国外的很多研究证实了道路坡度对油耗和排放的影响.Kim等[14-16]的实验结果表明，与坡度小于0%的路段相比轻型车在坡度大于5%的路段上CO2的排量会增加40%～90%.Boriboonsomsin等[17]测得与平坦路面相比汽油车在山路上行驶的油耗会增加15%～20%.Frey等[18]的另一项研究表明，如果忽略上坡的影响，汽车的燃料使用和排放会被低估16%～22%.相反，忽略下坡的影响，汽车的燃料使用和排放会被高估22%～24%.Wyatt等[19]发现，对于客车而言道路坡度对NOx等的影响要大于对CO2的影响.Prati等[20]使用符合欧V排放标准的轻型柴油车进行实验，结果表明：上坡分别导致CO2和NOx的排放增加85%和33%,而下坡会分别导致CO2和NOx的排放减少45%和60%.Gallus等[21]研究了驾驶风格和道路坡度对客车尾气排放的影响.实验结果表明坡度从0%～5%的这一范围导致CO2增加65%～81%，NOx增加85%～115%.Costagliola等[22]研究了坡度对两辆欧V柴油车尾气排放的影响，结果表明：在坡度范围-4%～5%的范围内，CO2的排放量与坡度存在线性关系.

文中采用便携式排放测量系统PEMS-OBEAS-3000对两种不同类型车辆的排放进行了测试.所有实验车辆均符合国五标准，本次研究的重点是NOx和CO2排放，其中CO2可以反映车辆的油耗，而NOx是汽油车和柴油车尾气排放的重大区别.通过分析坡度对不同车型的影响，有助于完善城市郊区的车辆管理措施和道路的几何设计，从而减少车辆的尾气排放.

1 实验方法

1.1 实验设计

本研究的测试线路位于上海市，包括曹安公路、安虹路、博园路、嘉松北路、宝安公路、沪宜公路、宝钱公路7条公路，测试路线的往返里程约74.32 km，道路信息见表1.在2019年1月15日—2月15日为期1个月的测试期间，同1名司机驾驶车辆在该路线上进行了测试.实验期间的天气状况包括晴天、雨天和阴天，每次实验的时间为08:30—17:30，一共进行了10次实验(每辆车测试5次).

表1 测试道路信息

1.2 测试车辆

本实验使用一辆轻型汽油车和一辆柴油车，两辆车均符合国五标准.具体参数见表2.

表2 测试车辆的基本信息

1.3 测试设备

尾气测量设备采用厦门某公司OBEAS-3000便携式排放测试仪，包括e-box PC气体分析仪、车辆参数OBD诊断仪器、全球卫星定位(GPS)、笔记本电脑系统控制和数据记录系统.其中e-box PC气体分析仪可以连续检测出驾驶车辆排放CO2和NOx的质量.同时，发动机扫描仪连接到车辆的车载诊断(OBD)，在车辆运行期间记录发动机和车辆数据.GPS可以获取车辆的位置和速度信息，用于提高速度和加速度的精度.OBEAS-3000系统采样精度高，其采样频率为10 Hz.

1.4 道路坡度估计

所有PEMS行程均采集GPS定位数据，其中GPS高程数据精确到0.1 m.GPS信号总是由至少8个卫星提供，测试阶段GPS卫星没有明显的信号损失.此外，利用地形图的高程数据来验证GPS的高度.

Boroujeni和Frey(2014)应用分段法计算道路坡度.该方法将整个行程划分为等长段，每段路段的路面坡度通过收集的所有海拔数据进行线性回归计算.因此，可以在同一路线上合并若干次行程，以便统计上增加每段计算的道路坡度的准确性.本研究共对测试路线进行了10次实验，为估计坡度提供了10次数据.在此基础上，采用80 m的线段长度作为每个线段的GPS轨迹点数与最大线段长度之间的最佳权衡.

根据实际测试过程中所记录的GPS信息，估算出测试路线的道路坡度.最后，将道路坡度划分为10个区间(间隔为1%)，道路坡度范围为-5%～5%.

2 实验结果分析

2.1 坡度对于CO2和NOx排放的影响

采用PEMS车辆瞬时排放统计方法测量车辆每公里的排放量，探讨道路坡度对两种车型CO2和NOx排放的影响.本研究采用多项式回归线拟合排放与道路坡度，见图1～2.结果表明：两种车型CO2和NOx的排放量与道路坡度的拟合度R2均大于0.85，说明CO2和NOx排放与道路坡度的相关性拟合良好.两种车型的NOx排放量差异较大.轻型车约为100 mg/km，重型车约为10 000 mg/km，这也是引言中提到的柴油车排放占比高的原因.

图1 轻型车坡度与排放的关系曲线

图2 重型车坡度与排放的关系曲线

两种车型的CO2和NOx排放量均随路面坡度的增大呈现上升趋势.而在上坡阶段，特别是当路面坡度大于1%时，两种气体的排放量几乎随路面坡度线性增加.接下来以坡度0%为基准，分别分析道路坡度变化对两种车型排放的影响.

对于轻型车，当路面坡度为负时,CO2排放基本稳定，当路面坡度大于0%时，随着路面坡度的增大，CO2排放开始显著增加.道路坡度由0%增加到5%时，CO2排放量增加48.02%.重型车排放的变化规律略有不同，当坡度在-1%～4%增长时CO2排放量增长缓慢.当坡度大于4%或坡度在-5%～-2%之间增长时，排放随着坡度的增加显著增加.与平坦路线相比4%～5%区间路段的CO2排放量增加了18.46%，而-5%～-4%区间路段的CO2排放量减少11.45%.

轻型车NOx的排放在-5%～5%的范围内表现出持续上升趋势.与平坦路面相比，车辆在道路坡度4%～5%区间的路段NOx排放增长了50.97%；而坡度在-5%～-4%区间的路段NOx排放量较基准降低了15.34%.重型车NOx的排放在-2%～3%时增速较缓.当道路坡度在0%上升到5%时，NOx排放增加了14.76%，而-5%～-4%时的NOx排放较基准降低了10.34%.

通过比较，可以得出道路坡度对轻型和重型车辆CO2和NOx的排放均有显著影响.轻型车的CO2和NOx排放对道路坡度的敏感度大于重型车，其中重型车的CO2和NOx排放变化百分比小于20%.但是，重型车的尾气排放量大，以NOx为例，重型车在坡度在0%～5%的变化范围内氮氧化合物的变化量达到2 000 mg/km，远大于轻型车的30 mg/km的变化量.因此，在道路设计阶段，道路上的车辆比例也是一项重要的参考指标.对于重型车比例较高的路段，将路面坡度控制在2%以内可以显著减少车辆尾气排放的绝对值.

2.2 不同车速下坡度对于CO2和NOx瞬时排放的影响

在研究道路坡度对于两种车尾气排放影响的过程中，发现速度变化会对尾气排放产生重大的影响，两种车型的CO2和NOx排放量会随着车辆速度的增加而同步增长.分别截取了两种车型的测试片段，见图3～4.

图3 CO2排放与车辆速度的关系曲线

图4 NOx排放与车辆速度的关系曲线

为了排除速度变化对于车辆尾气排放的影响，对速度进行区间划分，从而得出了不同速度区间下坡度对于车辆尾气的瞬时排放速率.

不同速度区间下，各个道路坡度对应的不同车辆尾气中CO2和NOx的排放速率见图5～6.由图5～6可知，汽车尾气中的CO2和NOx两种气体的瞬时排放速率在下坡路段变化并不明显，而在车辆的上坡路段车辆尾气排放随着道路坡度的增长而表现出了较为明显的增长，且车辆在高速状态爬坡对于汽车尾气排放的影响更加显著，尤其是对NOx排放的影响.由图5b)可知，在速度区间[60，70]，随着坡度上升，轻型车的NOx排放的增长率显著高于其他速度区间.

图5 轻型车不同速度区间下排放和坡度的关系图

图6 重型车不同速度区间下排放和坡度的关系图

表3为与平坡路段相比(坡度为0)，在坡度为5%的上坡路段不同速度区间的车辆排放增长率.对于轻型车，在速度区间[0，10]，当道路坡度为5%时，相较于平坡路段(坡度为0)，CO2的排放量增加了4.90%，在速度区间[30，40]，CO2的排放增加了7.00%，而在速度区间[60，70]，CO2的排放增加了15.35%.且轻型车NOx的排放在高速爬坡状态下的增长更加显著，在速度区间[0，10]，与平坡路段相比，坡度为5%的路段的NOx排放量增加了22.18%，在速度区间[30，40]，NOx的排放量增加了25.92%，而在速度区间[60，70]，NOx的排放量增长显著，接近平坡路段的1.5倍，对于重型车也可以观测到类似的规律.由此可见，对于不同车型，均是NOx的排放量受坡度的影响更为显著.

表3 坡度为5%时不同速度区间的排放增长率 (基准：坡度为0) 单位：%

2.3 基于VSP的车辆瞬时排放率分析

车辆比功率(VSP)是车辆单位质量的瞬时功率.发动机产生的瞬时功率用来克服滚动阻力和空气阻力，增加车辆的动能和势能.它是直接可测量的，可以很好的预测车辆排放.VSP方程的一般形式为

VSP=v·(a(1+εi)+(g·grade)+(g·CR))+

(0.5ρa((CD·A)/m)(v+vw)2·v)

(1)

式中：VSP为车辆比功率，kW/t；v为车速，m/s；a为车辆加速度，m/s2；εi为质量因子；g为重力加速度，9.81 m/s2；grade为道路坡度；CR为滚动阻力系数；ρa为环境空气密度，kg/m3；CD为阻力系数；A为车辆的横截面积，m2；m为车辆的质量,kg；vw为机动车迎面风速,m/s.

本研究采用典型轻型车辆简化VSP方程，具体计算公式为

VSP=v×(1.1a+g×grade+0.132)+

0.000 302v3

(2)

我国重型车辆VSP公式为

VSP=v×(a+g×grade+0.186 333)+

(3)

试验路线包括城市道路和公路，因此本实验获得了较为全面的车辆运行状态，包括高速、低速、加减速过程.根据收集到的数据计算出车辆的VSP，得到每个VSP区间对应的瞬时车辆排放率以及不同区间坡度对于VSP的占比.

为了分析道路坡度的贡献,计算出每个坡度区间的坡度占比,见图7.分析的结果是下坡阶段的坡度占比大于上坡阶段的坡度占比.当VSP值低于-4 W/kg时，路面坡度占车辆动力需求的20%以上，但在上坡路段，道路坡度份额均小于20%.

图7 两种车型在不同VSP区间的坡度占比

表4为两种车型在忽略坡度时的排放率与考虑坡度时排放率的比较.对于轻型车，如果不考虑道路坡度，两种污染物在下坡路段的排放率被高估9.03%和15.48%相反，对于上坡路段，其排放率被低估了9.24%和20.12%.然而，如果忽略整个研究路线的坡度，CO2的排放量也被低估了2.18%，而NOx的排放量则被低估了10.49%.

表4 不同路段两种气体排放率百分比差异 单位：%

对于重型车，CO2和NOx的排放率误差稍有下降，但上坡阶段两种气体仍分别被高估5.51%和2.63%，下坡阶段分别被低估6.55%和6.92%.如果忽略整条研究路段的坡度，两种气体的排放率也被低估了1%以上.总体而言，两种污染物的排放在上坡路段被高估，在下坡路段被低估，轻型车辆的排放对道路坡度更为敏感.

3 结 论

1) 坡度对轻型车和重型车的CO2和NOx的排放均有显著的影响，且车辆在高速状态下爬坡对于汽车尾气排放的影响更加显著.

2) 轻型车辆的排放对路面坡度改变更为敏感，同样的坡度变化范围内有害气体排放量增加的百分比大于重型车辆，但是重型车辆尾气排放的绝对增量远大于轻型车辆.

因此，不同类型车辆在路线选择过程中可以综合考虑运输效率以及车辆能耗和排放，规划最优路径；其次，在爬坡过程中要保持稳定的速度，提前对坡度的大小，长短做出适当估计，提前加速，充分利用车辆的惯性冲坡，以减少车辆能耗和尾气排放.