高原山地环境对柴油车氮氧化物排放的影响＊

陈剑杰 宋国富 顾伟 王艳艳 何超

（1.西南林业大学，昆明 650224；2.昆明云内动力股份有限公司，昆明 650224）

1 前言

随着国民经济的快速发展，公路交通利用率不断加大。我国高原十分广阔，海拔高度在1000m以上的地区占国土面积的58%以上，海拔高度在2000m以上的地区占国土面积的33%以上[1～3]。海拔高度及道路坡度是影响汽车排放量的重要参数，在不同海拔和道路坡度情况下，汽车污染物的排放差别很大[4]。柴油车排放的氮氧化物（NOx）对人体健康有很大损害，并会导致严重的环境问题[5，6]。为此，利用车载排放测试系统（PortableEmissionMeasurementSystem，PEMS），针对云南实际道路开展了柴油车在高原环境下排放特性的研究，分析了海拔高度及道路坡度对柴油车NOx排放的影响。

2 试验设备及方法

2.1 试验设备

试验采用的车辆为福田轻卡（图1），其满载为3.5t，传动比见表1。试验车辆安装的发动机为昆明云内动力股份有限公司生产的YN38CR1柴油机，其主要参数如表2所列。

图1 试验车辆（白马雪山垭口）

表1 试验车辆传动比

表2 试验车辆用发动机的主要参数

试验设备采用美国Sensor公司的SEMTECH-ECOSTAR车载气体排放测量系统，此设备包括排气流量测量模块、排放测量模块和数据采集模块等，如图2所示。

图2 试验系统示意

排气流量测试模块主要包括连接车辆排气管的耐热软管和尾气加热流量管。尾气加热流量管采用平均皮托管原理，最高采样频率达500Hz，含有4个不同量程的压力传感器。

排放测量模块主要包括燃油经济性分析仪和氮氧化物分析仪，燃油经济性分析仪采用非分散红外分析法测量CO和NO2含量，采用氢火焰离子检测器测量总碳氢化合物含量；氮氧化物分析仪采用非分散紫外分析法测量NO和NO2含量，采用电化学法测量O2含量。

数据采集模块收集排放测量模块、排气流量测试模块、气象站（WeatherStation）、发动机电子控制单元（ElectronicControlUnit，ECU）和全球定位系统（Global PositioningSystem，GPS）发出的信号。数据采集模块自带数据存储功能，并可通过USB接口和RJ45接口（网线接口）与计算机连接。

2.2 试验方法

在试验车辆不做任何改动的情况下，在不同海拔高度和道路坡度的路段上利用PEMS对试验车辆进行特定车速车载排放试验。试验路段选在云南高原山区白马雪山垭口-德钦段（海拔3300～4300m）、香格里拉-丽大高速-楚雄段（海拔550～4000m）、昆明-玉溪-元江段（海拔450～2500m）3段路上进行。

根据GPS测得的实时海拔高度、经纬度，每间隔11s计算出一个道路坡度值，其计算式如下：

式中，h(t)为道路坡度值；为海拔高度差值；为经度差值；Δφ(t)为纬度差值；t为时间。

为研究道路坡度及车速对NOx排放的影响，选取海拔高度为1500m，车速分别为30km/h、50km/h、70km/h和90km/h，道路坡度范围为-2%～8%，间隔为1%的试验数据进行分析。因控制车速和道路坡度不发生变化可以更明确海拔高度对NOx排放的影响，故选取海拔高度范围为500～4000m、间隔为250m、车速为50km/h、道路坡度为3%的数据来分析海拔高度对NOx排放的影响。

3 试验结果及分析

3.1 不同道路坡度及车速对NOx的影响

在海拔为1500m时，道路坡度和车速对NO排放的影响如图3所示。由图3可看出，在道路坡度为-2%～8%范围内，相同车速下，NO比排放随道路坡度的增加而增加；在道路坡度大于2%的路段，车辆的NO比排放增加速度随道路坡度的增加逐渐变缓，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%时，随道路坡度的减小，NO比排放逐渐趋近于0，道路坡度每减少1%，NO比排放减少25.2%～59.3%。在车速为30～90km/h范围内，NO比排放随车速的增加而减少；在道路坡度小于2%的路段，NO比排放变化量随道路坡度的减小而减小，车速每增加20km/h，NO比排放减少9.2%～187.7%；道路坡度大于2%时，NO比排放变化量随道路坡度的增加而变大，车速每增加20km/h，NO比排放增加16.2%～33.2%。

图3 海拔1500m时NO比排放与道路坡度的关系曲线

图4为在海拔为1500m时道路坡度和车速对NO2排放的影响。由图4可看出，当道路坡度大于2%时，道路坡度每增加1%，NO2比排放增加6.00%～45.8%，车速每减小20km/h，NO2比排放增加17.7%～43.0%；在道路坡度小于2%时，道路坡度每减少1%，NO2比排放减少31.2%～90.2%，车速每减小20km/h，NO2比排放增加29.9%～222.1%。

图4 海拔1500m时NO2比排放与道路坡度的关系曲线

由图3和图4看出，NOx的比排放随道路坡度的增加而增加，这是因为随道路坡度的增加车辆所受到的负载也增加[7]，发动机需要提供更大的动力，相当于负荷增加，所以NOx排放增加。在车速为30～90km/h时，车速越低NOx排放越高，可能是由于缸内压力和燃烧温度较高，柴油机过量空气系数减小[8]。

图5为海拔为1500m时，NOx中NO2含量与道路坡度的关系曲线。由图5可看出，随道路坡度的增加，NOx中NO2所占比例提高，在道路坡度为-2%～2%时增长较快，在道路坡度为2%～8%时增长变缓，且车速越低NO2所占的比例越高。这是由于道路坡度越小发动机所受的负荷越低，前期研究高压共轨柴油机燃烧与二氧化氮排放特性时发现，低负荷时NO2/NOx增加明显[9]，这与本研究道路坡度对NO2/NOx的影响相符。另外前期在高压共轨柴油机二氧化氮排放特性研究中得到在低速、高扭矩运行工况中NO2的产生量最高[10]，这与本研究中低车速时NO2比排放高于高车速时相符。

图5 海拔1500m时NOx中NO2含量与道路坡度的关系曲线

3.2 海拔高度对NOx的影响

图6 为车速为50km/h、道路坡度为3%时，NO比排放与海拔高度的关系曲线。由图6可看出，在海拔高度为500～3250m时，NO的比排放随海拔的升高而增加，海拔高度每升高500m，NO比排放增加10.7%～19.6%；在海拔高度为3250～3500m时，NO比排放急剧增加，增幅达78.7%，而在海拔高度为3500～4000m时，NO比排放降低44.7%。NO的排放随海拔高度变化趋势为先缓慢增加，在3250m时突然急剧增加，在3500m时达到最高值，然后急剧降低，这是高原山地环境对柴油车NOx排放的综合影响导致的。北京理工大学WangXin等人[11]在研究海拔高度对排放的影响时也得到相似的结果，在海拔1000～2400m时NOx排放量增加，当海拔到达3200m时降低。

图6 车速为50km/h、道路坡度为3%时NO比排放与海拔高度的关系曲线

NO2的排放随海拔高度的变化如图7所示。由图7可看出，在海拔高度为500～3250m时，海拔每升高500m，NO2比排放增加5.6%～14.7%；在海拔高度为3250～3500m时，NO2比排放急剧增加，增幅达74.8%；在3500～4000m时，NO2比排放减少47.6%。

由图6和图7可看出，在海拔高度为500～3250m范围内，随海拔高度的升高，NOx排放不断增加，这是因为随海拔的升高大气压力减小，导致发动机进气量减小、功率下降、燃油消耗率升高[12]。在海拔高度为3250～3500m时，随海拔继续升高，柴油机过量空气系数减小，导致柴油机燃烧过程恶化，滞燃期延长，后燃现象加重[13]，从而造成NOx的产生率升高，NOx的排放浓度增大。在海拔高度为3500～5000m时，NOx排放减少可能是由于严重的氧不足，在海拔高度为3200m处空气密度约只有海平面的70%，氧气的严重缺乏阻碍了缸内燃烧并使得缸内温度降低，这阻碍了NOx的形成[14]。

图7 在车速为50km/h、道路坡度为3%时NO2比排放与海拔高度的关系曲线

图8为海拔高度为1500m时NOx中NO2含量与道路坡度及车速的关系曲线。由图8可看出，随海拔高度的升高，NOx中NO2所占比例不断减少。其原因为，随海拔的升高空气变得稀薄，含氧量减少，导致在NOx中NO2占比不断减少。

图8 海拔为1500m时NOx中NO2含量与道路坡度及车速的关系曲线

4 结束语

柴油车在高原环境的排放受到海拔高度及道路坡度的影响较大，本文采用PEMS对其进行了研究，结果表明：

a. 不同海拔高度下，NOx排放随海拔升高呈先增高再降低的特点，在海拔为3500m时NOx排放达到最高值，随海拔的升高NOx中NO2所占的比例不断减少。

b. 在不同道路坡度下，柴油车NOx排放随道路坡度的增加不断增加，道路坡度小于0%时随道路坡度的减小NOx排放趋近于0。随道路坡度的增加，NOx中NO2占比先急剧增加，达到一定值后缓慢增加。

c. 在车速为30～90km/h时，随车辆速度的增加NOx排放减小，NOx中NO2所占的比例也不断减少。

[1]2015年及“十二五”期间云南交通运输概况.http://www.ynjtt.com/Item.aspx?id=39809.

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