2025, Vol. 42扩展功能
文章信息
- 姜壁刚, 何超, 王艳艳, 李加强, 刘学渊.
- JIANG Bigang, HE Chao, WANG Yanyan, LI Jiaqiang, LIU Xueyuan
- 道路坡度对轻型柴油车二氧化碳排放的影响
- Influence of road gradient on CO2 emission from light-duty diesel vehicles
- 公路交通科技, 2025, 42(2): 207-214
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2025, 42(2): 207-214
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2025.02.022
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文章历史
- 收稿日期: 2021-06-21
, 2. 云南省高校高原山区机动车环保与安全重点实验室, 云南 昆明 650224;
3. 中汽研汽车检验中心(昆明)有限公司, 云南 昆明 651700
2. Key Laboratory of Motor Vehicle Environmental Protection and Safety in Plateau Mountainous Areas of Yunnan Province, Kunming, Yunnan 650224, China;
3. CNR Automobile Inspection Center (Kunming) Co., Ltd., Kunming, Yunnan 651700, China
2020年9月22日，中国在联合国大会上提出“CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。交通碳排放约占全球碳排放的14%，是第4大碳排放源[1]。随着城镇化和工业化发展，交通需求仍将处于稳定增长阶段，将对交通减碳工作形成持续压力[2]。云南地处云贵高原，属于山岭重丘地区，全省山地面积约占94%。高原山区道路具有海拔落差大和道路坡度变化明显等特点，机动车在坡道上行驶，需要克服坡度阻力，从而造成更多的CO2排放。为减少云南高原山区交通领域碳排放，有必要分析道路坡度对CO2排放的影响。
由于坡度较难获取，在一些研究和排放估算模型时往往被忽略[3-4]。但相关研究表明坡度对排放有较大影响，Wang等[5]对21辆轻型汽车在海拔26.7~ 2 264.7 m的6个不同的城市进行实际行驶排放(Real Drive Emission, RDE)测试，结果表明：道路条件对CO2排放影响可能比海拔更大。Liu等[6]发现，坡度影响速度-加速度分布情况，同时忽略坡度会对排放模型结果造成较大偏差。Zhang等[7]发现在同一车速时，坡度对VSP和排放有显著的影响，结果表明建立山区排放模型时，需要对坡度和地形进行分类。Boriboonsomsin[8]分析了坡度对油耗和CO2排放的影响，发现平坦道路的油耗比丘陵道路油耗节约15%~20%。Costagliola等[9]对两辆欧5柴油车进行RDE试验，结果表明：在坡度― 4%~+5%时，CO2排放速率与坡度变化呈线性相关；坡度+5%和― 4%时的CO2排放速率比平路增加了100%和― 70%。张小奇等[10]分析了丘陵道路坡度对轻型汽油车排放的影响，发现CO2与道路坡度呈现显著的线性关系，坡度每增加1%，CO2排放因子平均增加22.4%。张运[11]分析道路坡度对轻型汽油车排放影响时，发现车辆在市区、市郊和高速路段CO2排放因子与道路坡度呈现线性关系，且车辆爬坡时CO2排放约为下坡的2倍。彭美春等[12]在山区道路对柴油车进行试验，结果表明坡度从0%增加到+8%时，NOx排放浓度升高一倍左右，PN排放浓度升高20%~60%。Sentoff等[13]分析坡度对车辆排放影响，并用MOVES进行验证，在模型验证过程中发现忽略坡度计算VSP值，导致MOVES模型的OPmode正确分布只有33%~35%。
现有关于坡度对CO2排放的影响研究，多是基于车速一定的前提分析车辆上坡时的排放特征，而较少关注坡度对车速的影响，对上下坡CO2排放特征缺乏综合考虑，并且关于高原地区环境下道路坡度对CO2排放特性的影响研究也较少。因此本研究选取云南高原山区作为试验区域，采用车载排放测试系统(Portable Emission Measurement System, PEMS)进行实际道路排放测试；利用GIS计算坡度，得到逐秒的道路坡度、车辆比功率(VSP)和CO2排放数据，以深入分析坡度对VSP和CO2排放的影响规律，以及VSP与CO2排放的相关性；最后结合MOVES模型进行验证，以期为高原山区车辆排放测算和管控提供理论依据和数据支撑。
1 试验设备和方法 1.1 试验设备试验车辆采用福田轻卡，其安装的发动机是昆明云内动力的柴油机。试验车辆车况良好，其主要参数如表 1所示。
| 性能 | 参数 |
| 型式 | 四冲程、压燃式 |
| 压缩比 | 16.8∶1 |
| 排量/L | 3.76 |
| 缸径×行程/mm | 102×115 |
| 额定功率(转速3 000 r/min)/kW | 95 |
| 最大扭矩(转速1 600 r/min)/N·m | 365 |
| 怠速转速/(r·min―1) | 800±30 |
| 燃料供给系统型式 | 高压共轨 |
车辆实际道路排放测试采用便携式排放测试系统SEMTECH-ECOSTAR。数据采集模块收集排放流量、GPS和气象站发出的信号。各模块在测试车辆上的安装如图 1所示。
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| 图 1 试验设备的安装与连接 Fig. 1 Installation and connection of test equipments |
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1.2 试验路线
试验路段选取具有代表性的云南高原山区昆明至元江段、楚雄至香格里拉段和白马雪山垭口至德钦段3段路，海拔从450 m至4 300 m，总里程达600余千米，收集数据7万条。
1.3 坡度计算Liu等[14]通过数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)来获取高精度道路坡度，用GIS来解析道路坡度。首先通过GPS收集实际行驶数据，将GPS采集的地理位置信息，导入GIS软件，生成点图层，此时显示图层仅为实际位置图层。再使用DEM连接到点图层并为每个点添加高程，清除错误的高程数据，进行格栅化，最后用统计工具提取点的坡度。汪旭明[15]分析了基于GPS测量道路坡度的方法，试验结果表明基于GPS方法测得的道路坡度与标准坡道测量值误差在5%范围内，可以满足实际需求。提取坡度流程图如图 2所示。
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| 图 2 坡度提取流程图 Fig. 2 Flow chart of gradient extraction |
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2 VSP与CO2之间的关系
坡度阻力直接对车辆动力学产生影响，不同坡度对车辆速度和加速度影响不一致，且坡度、速度和加速度均影响发动机功率[16]，从而对CO2排放造成影响。车辆动力传动系统在克服向前运动阻力的同时达到所需速度和加速度所需的功率称为车辆比功率(VSP)。VSP计算公式如下：
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(1) |
式中，VSP为车辆比功率；v为机动车行驶速度；a为机动车行驶瞬时加速度；s为坡度。
VSP可以很好地联系道路坡度与车辆运动状态，因此基于VSP分析坡度对CO2排放的影响。
2.1 坡度对VSP的影响在实际行驶过程中，随坡度的变化，车速也产生变化[17]。按照不同坡度对车速和VSP进行划分。选取同一坡度车速和VSP的中位数代表在该坡度的实际运行速度(以下简称实际车速)和实际VSP(以下简称VSPs)。坡度一定时，根据车速划分VSP区间，再选取VSP中位数代表该坡度的定速VSP(以下简称VSPd)。在描述坡度时，正号表示上坡，负号表示下坡，不带符号为坡度的绝对值。图 3为坡度对车速、VSPd和VSPs的影响图。如图 3所示，随坡度绝对值逐渐增加，车速逐渐减小；在平路时车速达到最大值；车速整体随坡度变化呈抛物线形。坡度从― 6%~ ― 3%，坡度增加1%，车速减少5.63 kW/h；坡度从― 3%~ ― 0%，车速变化不明显；坡度从+1%~+6%，坡度增加1%，车速减少5.42 km·h―1。
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| 图 3 坡度对车速、VSPd和VSPs的影响 Fig. 3 Influence of gradient on vehicle speed, VSPd and VSPs |
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从图 3可以看出，当坡度从― 6%~+4%时，VSPs随着坡度增加而逐渐增加；当坡度超过+4%后，VSPs无明显增加。坡度从― 6%~ ― 4%，车速越小，VSPd越大；坡度大于― 3%时，车速越大，VSPd越大，且在大坡度时更为明显。坡度与VSP值有较强相关性，且与VSPd的线性关系更为明显。坡度从0%~+6%，平均坡度每增加1%，40，60 km/h和80 km/h的 VSPd分别增加0.42，1.49 kW/t和1.36 kW/t，中高车速时增加更为明显。可见，实际道路驾驶情况下，车速随坡度变化有较大起伏，因此坡度对VSPs和VSPd具有不同的影响规律，在分析坡度对CO2排放的影响时需要考虑车速的变化及其引起的VSP变化。
图 4为坡度与VSP的变化关系，图 4可见，坡度从― 6%~+6%，VSP在― 10~10 kW/t间整体趋势呈抛物线。坡度+4%时，出现VSP最大值，坡度进一步增加，VSP整体趋势在缓慢减小。
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| 图 4 VSP随坡度变化的趋势图 Fig. 4 Trend graph of VSP varying with gradient |
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2.2 VSP与CO2之间的关系
表 2为VSP Bin区间与CO2排放速率的分布关系，从表 2中可以看出，Bin5和6，占VSP的分布频率较高。随着VSP区间编号的增加，CO2排放速率逐渐增加，有较强的正相关。Bin区间3，4和5的分布频率的和占总体VSP的31.4%，相邻Bin区间CO2排放速率增加了69%。表 2中Bin区间4和5，CO2排放速率增加最为明显，结合图 5发现，此时VSP值在0，2 kW/t和4 kW/t附近，对应坡度分别为― 3%，― 2%和+1%，此时坡度由负变正，导致VSP值和CO2排放增加明显。
| 区间编号 | VSP区间范围/(kW·t―1) | VSP分布频率/% | CO2/(g·s―1) |
| 1 | [―∞, ―3] | 7.4 | 0.97 |
| 2 | (―3, ―1] | 6.3 | 1.11 |
| 3 | (―1, 1] | 7.9 | 1.70 |
| 4 | (1, 3] | 8.6 | 2.86 |
| 5 | (3, 5] | 10.2 | 4.54 |
| 6 | (5, 7] | 12.6 | 6.23 |
| 7 | (7, 8] | 7.1 | 7.41 |
| 8 | (8, 9] | 7.8 | 8.00 |
| 9 | (9, 10] | 8.1 | 8.74 |
| 10 | (10.11] | 7.2 | 9.28 |
| 11 | (11, 13] | 9.8 | 9.70 |
| 12 | (13, +∞] | 7.0 | 10.00 |
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| 图 5 不同运动状态下的VSP与CO2排放的关系 Fig. 5 Relation between VSP and CO2 emissions at different motion states |
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图 5为不同运动状态下的VSP与CO2排放速率的关系，观察图 5发现VSP在5~12 kW/t之间时，CO2排放速率较为集中。CO2排放速率值一定时，以每个运动状态集中部分的中间为参考点，加速、匀速和减速运动状态的VSP依次相差5 kW/t左右。CO2排放速率与VSP值呈明显的正相关，以匀速时分析，VSP值每增加1 kW/t，CO2的排放增加1.13 g/s，加速度对CO2排放速率有较大影响。
3 坡度对CO2排放的影响美国环保署开发的移动源排放模型MOVES与COPERT、MOBILE模型、IVE模型等机动车排放模型相比，该模型将瞬时加速度与瞬时速度结合起来反映车辆运行状态，更准确地反映车辆在实际操作中的排放特征。MOVES模型将排放与时间表征相结合，以秒为单位进行模块化计算排放速率，能够准确反映不同坡度条件下的CO2排放量[17]。故本研究选择MOVES模型进行不同坡度对CO2排放的验证。
3.1 定速条件坡度对CO2排放的影响图 6和图 7是通过试验数据和MOVES模拟数据得到的不同坡度对CO2排放速率影响图。由图 6可见，试验值中，坡度每增加1%，40，60 km/h和80 km/h的CO2排放速率分别增加0.58，0.63 g/s和0.66 g/s。同一坡度条件下，60 km/h和80 km/h的CO2排放速率比40 km/h分别高0.7 g/s和1.6 g/s。试验值和MOVES模拟值均表明，坡度在― 6%~ ― 4%时，车速对CO2排放速率影响较小；在坡度从+4%~+6%，车速对CO2排放速率影响较大。对比图 6、7，发现MOVES模拟值与试验值趋势一致，随着车速增加CO2排放速率明显增加，坡度与CO2排放速率有良好的线性关系[18]。文献[9]中，坡度在― 4%~+5% 时与CO2排放速率呈线性关系，但拟合曲线的斜率和截距分别为0.197和0.93，存在一定差异，这是由于发动机性能和被测车辆质量不同造成的。Gallus[19]对两辆柴油车在乡村、城市和高速道路进行测试，结果表明：在3种道路上坡度与CO2排放速率的斜率一致且均有较强的正相关；坡度从0%~5%时，CO2排放速率增加了65%~81%，本研究车速80 km/h的试验值和MOVES模拟值均在此范围内，而本研究车速40 km/h和60 km/h的CO2排放速率仅增加了59%~63%，认为该文献没有对车速进行限制。
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| 图 6 试验数据下不同坡度对CO2排放速率的影响 Fig. 6 Influence of different gradients on CO2 emission rate with test data |
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| 图 7 MOVES模拟下不同坡度对CO2排放速率的影响 Fig. 7 Influence of different gradients on CO2 emission rate with MOVES simulation |
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图 8和图 9分别是试验和MOVES模拟得到的不同坡度对CO2排放因子影响图。试验数据和MOVES模拟结果均表明，车速80 km/h的CO2排放因子最低，车速40 km/h的CO2排放因子最高，车速60 km/h和80 km/h的排放因子整体比较接近。El-Shawarby等[20]在坡度+3%~+6% 的道路上进行试验，结果表明：车速在60~90 km/h，排放因子最佳。试验结果与文献结果一致。试验结果中，坡度越大，3种速度下排放因子差值逐渐增加。在车速60 km/h时，坡度平均每增加1%，试验和模拟的CO2排放因子分别增加37.7 g/km和44.2 g/km，两者相差17%，认为是由实际试验中行驶状态更为复杂造成的。
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| 图 8 试验数据下不同坡度对CO2排放因子的影响 Fig. 8 Influence of different gradients on CO2 emission factors with test data |
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| 图 9 MOVES模拟定速下不同坡度对CO2排放因子的影响 Fig. 9 Influence of different gradients on CO2 emission factors with MOVES simulated speed |
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对坡度绝对值相同的坡道，将上坡和下坡的CO2排放因子求和再取平均值(简称综合CO2排放因子)与平路CO2排放因子进行比较。图 10是不同坡度对综合CO2排放因子的影响图，图中实线和虚线分别是试验值和MOVES模拟值的平路CO2排放因子值。坡度从3%到4%时，综合CO2排放因子开始明显增加，且比平路CO2排放因子高，结合图 10和图 11发现，是因为在中高坡度时，只有发动机怠速消耗燃油，CO2排放因子值较小且接近，但上坡CO2排放因子出现大幅增加，造成上坡增加的CO2排放因子超过下坡所减少的CO2排放因子，所以综合CO2排放因子比平路高[21]。
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| 图 10 不同坡度对综合CO2排放因子的影响 Fig. 10 Influence of different gradients on comprehensive CO2 emission factors |
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| 图 11 实际车速下的坡度对CO2排放因子和综合CO2排放因子的影响 Fig. 11 Influence of gradient at actual vehicle speed on CO2 emission factors and comprehensive CO2 emission factors |
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3.2 实际车速下坡度对对CO2排放的影响
图 11(b)为实际车速下不同坡度对CO2排放因子的影响图。如图 11所示，坡度从― 6%~0%，试验值和MOVES模拟值差距较小。坡度从0%~+6%，坡度平均每增加1%，试验值和MOVES模拟的CO2排放因子分别增加50.1 g·km―1和57.3 g·km―1，两者相差14.3%。试验值和MOVES模拟CO2排放因子差异较小。
图 11(a)为实际车速下不同坡度对综合CO2排放因子的影响。实际车速下试验值的综合CO2排放因子与图 11中定速条件下整体趋势一致，坡度从0~3%，综合CO2排放因子变化不明显，实际车速时小坡度对CO2排放因子影响较小。坡度大于4%时，综合CO2排放因子开始显著增加。在坡度4%时，试验值和MOVES模拟值的综合CO2排放因子比平路，分别多6.0%和6.3%，此时综合CO2排放因子增加明显，结合图 4发现，坡度4%时VSP达到峰值，认为当坡度超过4%后，发动机功率增加明显，导致综合CO2排放因子显著增加。同时结合图 3分析，坡度3%时，通行车速的中位数是73 km/h，此时车辆有较高的车速同时综合CO2排放因子也较低；当坡度4%时，车速显著降低和CO2排放明显恶化。坡度大于3%时，坡度对车速和综合CO2排放因子较大。综合考虑车辆通行速度和综合CO2排放因子，建议坡度小于等于4%。
4 结论道路坡度对柴油车CO2排放的影响较大，因此在高原山区对柴油车进行实际道路试验，结果表明。
(1) 坡度从― 6%~6%，VSP在― 10~10 kW/t之间呈抛物线状；坡度4%时，VSP值达到峰值。
(2) 在加速、匀速和减速3种运动状态下，VSP与CO2排放速率均呈良好的线性关系。
(3) CO2排放速率和排放因子均与坡度有良好的线性关系。坡度一定时，CO2排放速率随车速增加而增加，但CO2排放因子在车速40 km/h最高，车速80 km/h时最低。
(4) 定速条件下综合CO2排放因子随着车速的增加而减少。当坡度超过4%后，实际车速与定速下的综合CO2排放因子均显著增加，增幅达6%，综合分析建议道路坡度设计小于4%。
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