高原山地環(huán)境對柴油車氮氧化物排放的影響＊

陳劍杰 宋國富 顧偉 王艷艷 何超

（1.西南林業(yè)大學(xué)，昆明 650224；2.昆明云內(nèi)動力股份有限公司，昆明 650224）

1 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路交通利用率不斷加大。我國高原十分廣闊，海拔高度在1000m以上的地區(qū)占國土面積的58%以上，海拔高度在2000m以上的地區(qū)占國土面積的33%以上[1～3]。海拔高度及道路坡度是影響汽車排放量的重要參數(shù)，在不同海拔和道路坡度情況下，汽車污染物的排放差別很大[4]。柴油車排放的氮氧化物（NOx）對人體健康有很大損害，并會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題[5，6]。為此，利用車載排放測試系統(tǒng)（PortableEmissionMeasurementSystem，PEMS），針對云南實(shí)際道路開展了柴油車在高原環(huán)境下排放特性的研究，分析了海拔高度及道路坡度對柴油車NOx排放的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的車輛為福田輕卡（圖1），其滿載為3.5t，傳動比見表1。試驗(yàn)車輛安裝的發(fā)動機(jī)為昆明云內(nèi)動力股份有限公司生產(chǎn)的YN38CR1柴油機(jī)，其主要參數(shù)如表2所列。

圖1 試驗(yàn)車輛（白馬雪山埡口）

表1 試驗(yàn)車輛傳動比

表2 試驗(yàn)車輛用發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備采用美國Sensor公司的SEMTECH-ECOSTAR車載氣體排放測量系統(tǒng)，此設(shè)備包括排氣流量測量模塊、排放測量模塊和數(shù)據(jù)采集模塊等，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意

排氣流量測試模塊主要包括連接車輛排氣管的耐熱軟管和尾氣加熱流量管。尾氣加熱流量管采用平均皮托管原理，最高采樣頻率達(dá)500Hz，含有4個(gè)不同量程的壓力傳感器。

排放測量模塊主要包括燃油經(jīng)濟(jì)性分析儀和氮氧化物分析儀，燃油經(jīng)濟(jì)性分析儀采用非分散紅外分析法測量CO和NO2含量，采用氫火焰離子檢測器測量總碳?xì)浠衔锖浚坏趸锓治鰞x采用非分散紫外分析法測量NO和NO2含量，采用電化學(xué)法測量O2含量。

數(shù)據(jù)采集模塊收集排放測量模塊、排氣流量測試模塊、氣象站（WeatherStation）、發(fā)動機(jī)電子控制單元（ElectronicControlUnit，ECU）和全球定位系統(tǒng)（Global PositioningSystem，GPS）發(fā)出的信號。數(shù)據(jù)采集模塊自帶數(shù)據(jù)存儲功能，并可通過USB接口和RJ45接口（網(wǎng)線接口）與計(jì)算機(jī)連接。

2.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)車輛不做任何改動的情況下，在不同海拔高度和道路坡度的路段上利用PEMS對試驗(yàn)車輛進(jìn)行特定車速車載排放試驗(yàn)。試驗(yàn)路段選在云南高原山區(qū)白馬雪山埡口-德欽段（海拔3300～4300m）、香格里拉-麗大高速-楚雄段（海拔550～4000m）、昆明-玉溪-元江段（海拔450～2500m）3段路上進(jìn)行。

根據(jù)GPS測得的實(shí)時(shí)海拔高度、經(jīng)緯度，每間隔11s計(jì)算出一個(gè)道路坡度值，其計(jì)算式如下：

式中，h(t)為道路坡度值；為海拔高度差值；為經(jīng)度差值；Δφ(t)為緯度差值；t為時(shí)間。

為研究道路坡度及車速對NOx排放的影響，選取海拔高度為1500m，車速分別為30km/h、50km/h、70km/h和90km/h，道路坡度范圍為-2%～8%，間隔為1%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因控制車速和道路坡度不發(fā)生變化可以更明確海拔高度對NOx排放的影響，故選取海拔高度范圍為500～4000m、間隔為250m、車速為50km/h、道路坡度為3%的數(shù)據(jù)來分析海拔高度對NOx排放的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同道路坡度及車速對NOx的影響

在海拔為1500m時(shí)，道路坡度和車速對NO排放的影響如圖3所示。由圖3可看出，在道路坡度為-2%～8%范圍內(nèi)，相同車速下，NO比排放隨道路坡度的增加而增加；在道路坡度大于2%的路段，車輛的NO比排放增加速度隨道路坡度的增加逐漸變緩，道路坡度每增加1%，NO比排放增加5.1%～39.3%；在道路坡度小于2%時(shí)，隨道路坡度的減小，NO比排放逐漸趨近于0，道路坡度每減少1%，NO比排放減少25.2%～59.3%。在車速為30～90km/h范圍內(nèi)，NO比排放隨車速的增加而減少；在道路坡度小于2%的路段，NO比排放變化量隨道路坡度的減小而減小，車速每增加20km/h，NO比排放減少9.2%～187.7%；道路坡度大于2%時(shí)，NO比排放變化量隨道路坡度的增加而變大，車速每增加20km/h，NO比排放增加16.2%～33.2%。

圖3 海拔1500m時(shí)NO比排放與道路坡度的關(guān)系曲線

圖4為在海拔為1500m時(shí)道路坡度和車速對NO2排放的影響。由圖4可看出，當(dāng)?shù)缆菲露却笥?%時(shí)，道路坡度每增加1%，NO2比排放增加6.00%～45.8%，車速每減小20km/h，NO2比排放增加17.7%～43.0%；在道路坡度小于2%時(shí)，道路坡度每減少1%，NO2比排放減少31.2%～90.2%，車速每減小20km/h，NO2比排放增加29.9%～222.1%。

圖4 海拔1500m時(shí)NO2比排放與道路坡度的關(guān)系曲線

由圖3和圖4看出，NOx的比排放隨道路坡度的增加而增加，這是因?yàn)殡S道路坡度的增加車輛所受到的負(fù)載也增加[7]，發(fā)動機(jī)需要提供更大的動力，相當(dāng)于負(fù)荷增加，所以NOx排放增加。在車速為30～90km/h時(shí)，車速越低NOx排放越高，可能是由于缸內(nèi)壓力和燃燒溫度較高，柴油機(jī)過量空氣系數(shù)減小[8]。

圖5為海拔為1500m時(shí)，NOx中NO2含量與道路坡度的關(guān)系曲線。由圖5可看出，隨道路坡度的增加，NOx中NO2所占比例提高，在道路坡度為-2%～2%時(shí)增長較快，在道路坡度為2%～8%時(shí)增長變緩，且車速越低NO2所占的比例越高。這是由于道路坡度越小發(fā)動機(jī)所受的負(fù)荷越低，前期研究高壓共軌柴油機(jī)燃燒與二氧化氮排放特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，低負(fù)荷時(shí)NO2/NOx增加明顯[9]，這與本研究道路坡度對NO2/NOx的影響相符。另外前期在高壓共軌柴油機(jī)二氧化氮排放特性研究中得到在低速、高扭矩運(yùn)行工況中NO2的產(chǎn)生量最高[10]，這與本研究中低車速時(shí)NO2比排放高于高車速時(shí)相符。

圖5 海拔1500m時(shí)NOx中NO2含量與道路坡度的關(guān)系曲線

3.2 海拔高度對NOx的影響

圖6 為車速為50km/h、道路坡度為3%時(shí)，NO比排放與海拔高度的關(guān)系曲線。由圖6可看出，在海拔高度為500～3250m時(shí)，NO的比排放隨海拔的升高而增加，海拔高度每升高500m，NO比排放增加10.7%～19.6%；在海拔高度為3250～3500m時(shí)，NO比排放急劇增加，增幅達(dá)78.7%，而在海拔高度為3500～4000m時(shí)，NO比排放降低44.7%。NO的排放隨海拔高度變化趨勢為先緩慢增加，在3250m時(shí)突然急劇增加，在3500m時(shí)達(dá)到最高值，然后急劇降低，這是高原山地環(huán)境對柴油車NOx排放的綜合影響導(dǎo)致的。北京理工大學(xué)WangXin等人[11]在研究海拔高度對排放的影響時(shí)也得到相似的結(jié)果，在海拔1000～2400m時(shí)NOx排放量增加，當(dāng)海拔到達(dá)3200m時(shí)降低。

圖6 車速為50km/h、道路坡度為3%時(shí)NO比排放與海拔高度的關(guān)系曲線

NO2的排放隨海拔高度的變化如圖7所示。由圖7可看出，在海拔高度為500～3250m時(shí)，海拔每升高500m，NO2比排放增加5.6%～14.7%；在海拔高度為3250～3500m時(shí)，NO2比排放急劇增加，增幅達(dá)74.8%；在3500～4000m時(shí)，NO2比排放減少47.6%。

由圖6和圖7可看出，在海拔高度為500～3250m范圍內(nèi)，隨海拔高度的升高，NOx排放不斷增加，這是因?yàn)殡S海拔的升高大氣壓力減小，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量減小、功率下降、燃油消耗率升高[12]。在海拔高度為3250～3500m時(shí)，隨海拔繼續(xù)升高，柴油機(jī)過量空氣系數(shù)減小，導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒過程惡化，滯燃期延長，后燃現(xiàn)象加重[13]，從而造成NOx的產(chǎn)生率升高，NOx的排放濃度增大。在海拔高度為3500～5000m時(shí)，NOx排放減少可能是由于嚴(yán)重的氧不足，在海拔高度為3200m處空氣密度約只有海平面的70%，氧氣的嚴(yán)重缺乏阻礙了缸內(nèi)燃燒并使得缸內(nèi)溫度降低，這阻礙了NOx的形成[14]。

圖7 在車速為50km/h、道路坡度為3%時(shí)NO2比排放與海拔高度的關(guān)系曲線

圖8為海拔高度為1500m時(shí)NOx中NO2含量與道路坡度及車速的關(guān)系曲線。由圖8可看出，隨海拔高度的升高，NOx中NO2所占比例不斷減少。其原因?yàn)椋S海拔的升高空氣變得稀薄，含氧量減少，導(dǎo)致在NOx中NO2占比不斷減少。

圖8 海拔為1500m時(shí)NOx中NO2含量與道路坡度及車速的關(guān)系曲線

4 結(jié)束語

柴油車在高原環(huán)境的排放受到海拔高度及道路坡度的影響較大，本文采用PEMS對其進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

a. 不同海拔高度下，NOx排放隨海拔升高呈先增高再降低的特點(diǎn)，在海拔為3500m時(shí)NOx排放達(dá)到最高值，隨海拔的升高NOx中NO2所占的比例不斷減少。

b. 在不同道路坡度下，柴油車NOx排放隨道路坡度的增加不斷增加，道路坡度小于0%時(shí)隨道路坡度的減小NOx排放趨近于0。隨道路坡度的增加，NOx中NO2占比先急劇增加，達(dá)到一定值后緩慢增加。

c. 在車速為30～90km/h時(shí)，隨車輛速度的增加NOx排放減小，NOx中NO2所占的比例也不斷減少。

[1]2015年及“十二五”期間云南交通運(yùn)輸概況.http://www.ynjtt.com/Item.aspx?id=39809.

[2]云南統(tǒng)計(jì)局.云南省2015年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[B].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2015.

[3]施青團(tuán).云南山區(qū)長下坡道路安全評價(jià)和工程措施研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2005.

[4] Dou B， Lv G， Wang C， et al. Cerium doped copper/ZSM-5catalysts used for the selective catalytic reduction of nitrogenoxide with ammonia[J]. Chem Eng， 2015， 270(2)：549-556.

[5]益康.不要輕視氮氧化物對人體的危害[J].污染防治技術(shù)，2016(2):92-92.

[6]何息忠.等.氮氧化物危害及其防治措施初探[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，1996(2):38-40.

[7] Zhang W D， et al. Moving towards Sustainability: RoadGrades and On-Road Emissions of Heavy-Duty Vehicles-ACase Study[J]. Sustainability: 2015， 7(9): 12644-12671.

[8]萬霞，黃文偉，高謀榮.等.基于PEMS的柴油乘用車氣態(tài)污染物道路排放測試分析[J].車用發(fā)動機(jī)，2013，(5)：74-83.

[9]何超，汪勇，李加強(qiáng)，等.高壓共軌柴油機(jī)燃燒與二氧化氮排放特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2013，34(1):13-17.

[10]王增養(yǎng).高壓共軌柴油機(jī)二氧化氮排放特性研究[D].昆明：西南林業(yè)大學(xué)，2013.

[11] X Wang，H Yin，Y Ge， et a1.On-vehicle emission measurementof a light-duty diesel van at various speeds at high altitude[J]. Atmospheric Environment， 2013， 81(2):263-269.

[12]姜澤浩，張付軍，董長龍.等.渦輪增壓柴油機(jī)高原性能試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2014，(6)：59-63.

[13]申立中，沈穎剛，畢玉華.等.不同海拔高度下自然吸氣和增壓柴油機(jī)的燃燒過程[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002，20(3)：49-52.

[14] Yin Hang， Ge Yunshan， Wang Xin， Yu Linxiao， et al. Idleemission characteristics of a light-duty diesel van at variousaltitudes [J]. Atmospheric Environment， 2013， 70: 117-122.