道路坡度对重型柴油车实际道路排放的影响

张佑源 陈雪梅 玉达泳 汪晓伟 李利斌 李腾腾 高涛 霍永占

摘要：对某最大设计总质量为24.5 t的自卸车，采用发动机在环试验方法，构建整车模型、带坡度的道路模型和驾驶员模型，研究有、无坡度条件下空载和满载车辆的功率和CO2、NOx、粒子数量、CO、THC的排放特性。结果表明：有坡度运行时，车辆功率和总排放物增加，但气态污染物排放增加幅度小于功率增加幅度，车辆的气体污染物比排放较低、颗粒物比排放较高；坡度变化影响排温和NO排放，空载时长坡工况易导致NOx排放增加；坡度影响车辆比功率分布，与无坡度相比，有坡度运行车辆的比功率分布更加分散，污染物排放的集中度较低。

关键词：重型柴油车；发动机在环测试；道路坡度；气体污染物；颗粒物；CO2排放；功率

中图分类号：U467.1文献标志码：A文章编号：1673-6397（2023）01-0023-08

引用格式：张佑源，陈雪梅，玉达泳，等.道路坡度对重型柴油车实际道路排放的影响［J］.内燃机与动力装置，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

中国货车排放的CO、HC、NOx、颗粒物（particulate matter，PM）和CO2分别占汽车相对应各污染物排放总量的 298%、26.6%、84.3%、90.9%和61.5%[1]，文献[2]规定了各污染物的排放限值。影响污染物排放和碳排放的因素较多，包括驾驶行为、交通流状况、道路情况、环境条件、车辆载荷等[3-6]，但道路坡度的影响容易被忽略。目前的油耗和排放标准中，整车转毂测试均没有考虑道路坡度的影响。道路坡度的变化影响坡度阻力，从而引起发动机做功和车辆碳排放变化。道路坡度对排放的影响比较复杂。Zhang等[7] 研究了道路坡度小于4%时的重型车辆排放，发现重型车辆CO排放对坡度的变化较敏感；许磅等[8]研究了轻型车和重型车的实际道路排放，研究表明，道路坡度为-5%～5%，2种车型的CO2和NOx排放均随坡度的增大而增大。关于道路坡度影响方面的研究都是基于实际道路测试开展的，但基于实际道路的测试受交通条件、环境条件和驾驶行为等因素影响较大，很难保证试验的重复性和一致性，不适合开展单一变量如坡度等对排放的影响研究；而且这些研究仅考虑了气体污染物排放，没有考虑PM排放；车辆的坡度阻力除受道路坡度的影响，和车辆载质量息息相关，以上研究均没有涉及载荷。因此需要进一步研究坡度变化对排放的影响。

发动机在环测试是能够很好地开展单参数对排放影响研究的方法。发动机在环是将发动机作为实际物理硬件，將整车及驾驶员作为虚拟子系统的一种特殊的硬件在环方式，在发动机台架上实现对整车性能开发优化。由于实验室环境控制精度高，行驶道路和驾驶行为均为模型设置，可以保证试验结果的一致性，排除来自于驾驶、交通状况、环境条件的干扰，可以用来研究载荷变化对同一实际道路排放的影响[9-11]。

本文中选取一辆最大设计总质量为24.5 t的自卸车，采用发动机在环的方式，在同一条道路上，研究实际坡度和无坡度、满载和空载条件下的排放差异，分析坡度对车辆的功率和CO2、NOx、粒子数量（particle number，PN）、CO、THC排放的影响。

1试验设置

1.1测试方法和设备

构建的发动机在环测试平台如图1所示，其中整车及驾驶员模型通过AVL VSMTM实时系统来构建，实时系统通过输入的驾驶工况，结合整车模型和驾驶员模型，计算发动机所需的转速和转矩，发送给台架控制系统；台架控制系统控制测功机转速和发动机油门开度，同时台架的传感器采集发动机参数，实时传回系统，作为整车模型的输入参数，参与下一个计算步长的整车动力学模型计算，实现发动机转速和转矩的闭环控制[12]。主要测试设备和软件信息如表1所示。

1.2试验车辆及发动机

试验样机为采用废气再循环氧化型催化器颗粒捕集器选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）氨过滤器排放控制技术路线、满足国六排放标准的柴油机，对应的整车模型为一辆N3非城市自卸车。选择空载和满载2种车辆状态，滑行因数均按照文献[13]的要求在试车场道路实际滑行得到。发动机和整车主要技术参数如表2、3所示。

1.3测试路线

所选取的路谱为对应的N3类非城市车辆的一条便携式排放测试系统（portable emission measurement system，PEMS）测试路线，该道路位于云南省建水县境内，单程最高海拔高度变化超过200 m，路线总长度约为120 km，沿着一条单程约30 km的路段来回运行2次。

车速和海拔以及坡度随运行距离的变化情况如图2所示，总的运行距离为3158 km，平均车速为3336 km/h，最大车速为7553 km/h。

坡度计算采用AVL VSM自带的道路建模软件，构建基于GPS数据地形的表面模型。选取4种测试工况，分别为满载有坡度Test1、满载无坡度Test2、空载有坡度Test3、空载无坡度Test4，其中无坡度是在道路模型中将坡度设置为0。将采集的实际道路路谱信息输入台架试验系统，每种测试工况的整车模型和驾驶策略均相同，按照文献[2]中方法计算NOx、PN、CO、THC和CO2排放。

2结果及分析

2.1发动机油耗、功率、污染物和CO2比排放

4种测试工况下整个路程的发动机油耗、功率和CO2、NOx、PN、CO、THC比排放如表4所示。

由表4可知：满载工况下即Test1、Test2，车辆有坡度和无坡度运行，发动机在同一路段功率分别为47.85、29.82 kW，有坡度运行的功率比无坡度运行的功率增加了60%，燃油消耗增加了50%，但有坡度运行车辆的CO2比排放比无坡度降低了6%；有坡度运行的CO、THC和NOx比排放比无坡度运行分别低80%、63%和73%；有坡度运行车辆的PN比排放比无坡度运行高63%；空载条件下即Test3、Test4，也呈现相似的规律，有坡度运行的功率比无坡度运行增加了39%，燃油消耗增加了21%，但有坡度运行的CO2比排放比无坡度降低了13%；有坡度运行的CO、THC和NOx比排放比无坡度运行分别低88%、67%和79%；有坡度运行车辆的PN比排放比无坡度运行高65%。上述结果表明坡度导致的气态污染物排放增加幅度小于功率增加幅度，因此有坡度运行的气态污染物比排放较低，坡度对颗粒物排放的影响大于对功率的影响。

此外，有坡度工况下，即Test1、Test3，满载时的功率、CO和PN比排放比空载时分别高107%、41%、68%，满载时的CO2、THC和NOx比排放比空载时分别低16%、82%、65%。无坡度工况即Test2、Test4也存在相似的结果，满载时的功率、CO和PN比排放比空载时分别高80%、25%、71%，满载时的CO2、THC、NOx比排放比空载时分别低22%、89%、72%。

2.2污染物和CO2瞬态排放

由于柴油机的THC和CO排放很低，因此不再对这2种排放物进行分析，仅分析NOx、PN和CO2的瞬态排放。车速和道路坡度如图3所示。

满载时（Test1、Test2工况），有、无坡度的CO2、PN、NOx累积排放和排气温度如图4所示。

由图4a）b）c）可知：有、无坡度工况下PN和CO2排放规律较一致，PN和CO2排放在A、B、C區域明显增加，这是因为这3个位置为车辆加速阶段，喷油量增加；NOx排放在D、E、F区域明显增加，其中D、E区域的车速较低，排温较低，F区域是车辆加速和爬坡阶段，因此NOx排放较高；从瞬态排放特征来看，道路坡度的影响小于车辆加速的影响。主要原因可能是此时车辆满载，车辆加速所需的功率更大，需要喷射更多的燃油实现车辆加速，导致PN和CO2排放增加。

由图4d）可知：坡度对排温的影响较大；无坡度时，排温相对稳定，车辆减速和怠速时，排温有所下降，车辆加速时，排温增加；有坡度时，坡度变化导致排温变化，尤其是在长下坡工况下，排温降幅较大，可能影响SCR的转化效率；在满载工况下，由于排温较高，排温降幅对SCR转化效率的影响不显著。

空载时（Test3、Test4工况），有、无坡度的CO2、PN、NOx累积排放和排气温度如图5所示。由图5可知：相比无坡度工况， CO2和PN排放增速较为明显区域和满载时一致，如A、B、C区域；NOx排放除在排温较低的区域增加外，一个较为显著的特征是在坡度下降、车速增加时增速较大。这是由于排温降低，NOx排放增加，如图中F区域。

2.3机动车比功率分析

机动车比功率PVSP是车辆单位质量的瞬时功率，采用典型的简化重型车辆比功率方程[8]：

式中：v为车速，m/s；a为车辆加速度，m/s2；g为自由落体加速度，g=9.81 m/s2；i为道路坡度；CR为滚动阻力因数，CR=0.186 333；CD为风阻因数，CD=3.702 456；m为车辆质量，kg。

满载时机动车比功率的时间分布如图6所示。由图6可知：与无坡度运行车辆相比，有坡度的机动车比功率分布更加分散；有坡度的机动车比功率在[-2，2] kW/t的时间占比为476%，无坡度的时间占比为630%；无坡度运行车辆的机动车比功率大于0的时间占比为922%，有坡度的机动车比功率大于0的时间占比仅为795%。

空载时机动车比功率的时间分布如图7所示。由图7可知：空载时机动车比功率分布规律与满载时基本一致，与无坡度时相比，有坡度机动车比功率的分布更加分散；有坡度的机动车比功率在[-2，2]kW/t的时间占比为45.7%，无坡度的时间占比为59.3%；无坡度的机动车比功率大于0的时间占比为93.6%，而有坡度的机动车比功率大于0的时间占比仅为81.8%。这说明道路坡度对机动车比功率的分布影响较大，主要原因是坡度影响实际行驶时车辆的坡度阻力，导致车辆行驶时的比功率发生变化。

满载时（Test1、Test2工况），基于机动车比功率的排放占比分布如表5、6所示。由表5、6可知：有坡度时，NOx的排放分布主要集中在[0，2]kW/t，占比为63.3%；无坡度时，此区间的NOx占比仅为485%；PVSP >0，有坡度时的NOx、PN、CO2的排放占比分别为962%、862%、915%，无坡度时，NOx、PN、CO2的排放占比分别为981%、935%和950%。这说明道路坡度分散了污染物的排放集中度。

空载时（Test3、Test4工况），基于机动车比功率的排放占比分布如表7、8所示。由表7、8可知：有坡度时，NOx的排放分布主要集中在[0，2]kW/t，占比为535%；无坡度时，此区间的NOx排放占比为63.4%；PVSP>0，带坡度时NOx、PN、CO2的排放占比分别为981%、873%、941%；无坡度时，NOx、PN、CO2的排放占比分别为98.0%、922%、958%。这说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结论

基于发动机在环研究了在不同载荷下道路坡度对重型车实际道路NOx、PN、CO、THC污染物排放和CO2排放的影响。

1）在相同的起始点，有坡度运行导致功率和总排放物增加，但气态污染物排放增加幅度小于功率增加幅度，有坡度运行的气态污染物比排放较低，但颗粒物比排放高于无坡度工况。

2）坡度变化影响排温，从而影响NOx排放；空载时，长下坡工况导致NOx排放增加。

3）坡度变化影响机动车比功率分布，与无坡度时相比，有坡度的机动车功率分布更加分散，污染物的排放集中度较低。

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