Real driving NOx emission characteristics of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicles at different altitudes
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摘要:
为了解不同海拔下国Ⅵ重型柴油车的NOx排放特性，利用便携式排放测试系统（PEMS）在4个不同海拔城市（襄阳、昆明、丽江和香格里拉）对国Ⅵ重型柴油车进行实际道路排放测试。结果表明：随着海拔高度的升高，NOx排放呈现增加趋势，高海拔下的平均NOx排放速率是平原的4.65~20.58倍，NOx综合排放因子是平原的2.80~13.75倍；不同载荷条件下香格里拉的NOx 综合排放因子是襄阳、昆明和丽江的1.27~13.75 倍；市区路的NOx排放因子是市郊路和高速路的1.05~6.49倍，且香格里拉市区路的排放因子超过400 mg/km；在Bin 11~Bin 14和Bin 21~Bin 28区间，随着机动车比功率（VSP）的升高，NOx排放速率表现出先增大后减小的趋势；不同海拔下车辆从市区路到市郊路、市郊路到高速路行驶时，NOx瞬时排放速率出现峰值；NOx高排放区域集中在高转速、高扭矩区间；海拔与平均NOx排放因子的决定系数为0.86，表现出较强的正相关关系。
Abstract:To understand the NOx emission characteristics of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicles at different altitudes, a portable emission measurement system (PEMS) was used to conduct real driving emission tests on China Ⅵ heavy-duty diesel vehicles in four cities with different altitudes (including Xiangyang, Kunming, Lijiang and Shangri-la). This study showed that with the increase of altitude, NOx emission showed an increasing trend, and the average NOx emission rate under high altitude was 4.65-20.58 times that of the plain, and NOx emission factor was 2.80-13.75 times that of the plain. NOx emission factors of Shangri-la were 1.27-13.75 times higher than those of Xiangyang, Kunming and Lijiang under different load conditions. NOx emission factors of urban road were 1.05-6.49 times higher than those of suburban road and freeway, and the emission factors of urban road in Shangri-la exceeded 400 mg/km. In the interval of Bin 11-Bin 14 and Bin 21-Bin 28, NOx emission rates showed a trend of increases followed by decreases with the increase of VSP. NOx instantaneous emission rate peaked when the vehicles drove from urban road to suburban road and suburban road to freeway at different altitudes. The high NOx emission area was concentrated in the high speed and high torque range. The coefficient of determination between altitude and the average NOx emission factor was 0.86, which showed a fair positive correlation.
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机动车污染排放已成为我国空气污染的重要来源，《中国移动源环境管理年报》（2022年）显示，柴油车氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放量分别超过汽油车排放总量的80%和90%[1]。NOx主要包括NO和NO2，其会形成光化学烟雾和酸雨，使大气能见度降低[2-4]。此外，NOx对人体呼吸道系统影响较大，加重哮喘和慢性阻塞性肺疾病等呼吸道疾病的症状[5-6]。因此，降低重型柴油车的NOx排放对大气污染防治工作有重要意义。
余林啸等[7]对不同海拔下重型柴油机的排放特性进行研究，结果表明，随着海拔的升高，CO排放增加，NOx排放没有明显变化。Fang等[8]研究了不同海拔下柴油机的排放特性，结果表明，随着海拔的升高，柴油机的气态污染物和颗粒物排放增加。Ceballos等[9]研究了不同海拔下的环境条件（大气温度、压力和相对湿度）对自然吸气柴油机排放的影响，结果表明，在高温环境下，气态污染物的排放增加。毕玉华等[10]对不同海拔下国Ⅴ柴油机的排放进行测试，结果表明，随着海拔的升高，CO和碳氢化合物（HC）排放增加，然而，NOx排放降低。上述学者研究了海拔对柴油机排放的影响，然而，实验室测试工况不能真实反映重型车实际道路排放[11]。近年来，便携式排放测试系统（portable emission measurement system，PEMS）被广泛应用于重型车实际道路排放测试[12]。Fu等[13]比较了不同道路类型下欧4柴油公交车的NOx排放，发现高速路的NOx排放因子低于市区路和市郊路。Grigoratos等[14]分析了欧6重型柴油车的实际排放性能，结果表明，低速工况下CO、THC、NOx和颗粒物数量（particle number，PN）排放相对较高。Ko等[15]测试了欧5和欧6重型柴油车实际行驶条件下的NOx排放，发现2种类型车辆的NOx排放随着平均速度的降低而增加。吕立群等[16]利用PEMS对6辆国Ⅵ重型柴油车进行实际道路排放测试，结果表明，CO和PN排放较低，市区工况下，NOx排放较高。Su等[17]测试了5辆重型柴油车的实际道路排放，发现冷起动排放占NOx排放总量的40.82%±11.22%。宋东等[18]研究了不同载荷下国Ⅵ重型柴油车实际道路排放特性，结果表明，CO和NOx排放因子不会随载荷增加而增大。综上所述，国内外学者分析了道路类型、速度和载荷对重型柴油车排放的影响，然而，对国Ⅵ重型柴油车不同海拔下的排放关注较少。
笔者对国Ⅵ重型柴油车实际道路排放进行测试，研究不同海拔下NOx瞬时排放特性，对比不同海拔下NOx排放因子，分析海拔对重型柴油车NOx排放的影响，探究不同道路类型下NOx排放特征，以期为降低高海拔条件下重型柴油车NOx排放提供参考。
1. 材料与方法
1.1 测试车辆
测试车辆为N3类国Ⅵ b重型柴油车，排量为6.7 L，进气方式为增压中冷，采用氧化催化转化器（diesel oxidation catalyst，DOC）+柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）+选择性催化还原系统（selective catalytic reduction，SCR）+氨逃逸催化器（ammonia slip catalyst，ASC）的后处理技术。
1.2 测试设备
测试设备采用PEMS设备（AVL M.O.V.E is+），使用全球定位系统（GPS）测量车辆的实时速度、海拔高度，使用排气流量计测量排气流量和排气温度，采用不分光紫外法（non-dispersive ultraviolet，NDUV）测定NO和NO2浓度。为保障试验数据的可靠性，在正式试验前，对PEMS设备进行泄漏检查和标零及标定，试验后进行漂移检查。
1.3 试验路线及测试工况
在襄阳、昆明、丽江和香格里拉4个不同海拔的城市进行重型柴油车实际道路排放测试，4条试验路线的平均海拔分布在（104.46±1.77）~（3 293.42±1.90）m，平均环境温度为（10.35±4.83）~（32.87±2.73）℃（表1）。此外，在每个海拔下分别测试车辆配重10%、50%和100%载荷条件下的排放情况。按照国Ⅵ重型车排放标准，试验路线的行驶工况包括市区路、市郊路和高速路，N3类重型柴油车各工况的速度范围分别为15~30、45~70和>70 km/h，时间占比分别为20%±5%、25%±5%和55%±5%[19]。
表 1 重型柴油车在不同测试路线下的信息Table 1. Information on heavy-duty diesel vehicle under different test routes测试城市 试验路线
平均海拔/m测试路段
长度/km平均环境
温度/℃平均相对
湿度/%襄阳 104.46±1.77 127.62±5.18 32.87±2.73 54.17±14.15 昆明 1 961.06±4.02 136.23±0.46 28.37±2.52 52.21±9.15 丽江 2 371.30±20.56 147.53±5.43 15.07±1.36 93.50±5.22 香格里拉 3 293.42±1.90 149.59±2.65 10.35±4.83 77.53±20.44 1.4 数据处理
NOx瞬时排放速率可由下式计算：
$$ m=0.001\;587\times c\times q $$ (1) 式中：m为NOx瞬时排放速率，g/s；c为NOx体积分数，10−6；q为瞬时排气质量流量，kg/s。
基于里程的排放因子可由下式计算：
$$ \text{EF}=\sum_{ }^{ }E\Big/\sum_{ }^{ }D $$ (2) 式中：EF为基于里程的排放因子，mg/km；E为污染物排放量，mg；D为测试车辆的行驶里程，km。
研究表明，机动车比功率可以很好地表征行驶工况与排放的关系[20]，计算公式为：
$$ {\text{VSP}} = \frac{{{A}}}{{{M}}}v + \frac{{{B}}}{{{M}}}{v^2} + \frac{{{C}}}{{{M}}}{v^3} + av $$ (3) 式中：VSP为机动车比功率，kW/t；A为滚动阻力系数，kW·s/m；B为旋转阻力系数，kW·s2/m2；C为气动阻力系数，kW·s3/m3；M为测试车辆质量，t；v为测试车辆的瞬时速度，m/s；a为测试车辆的瞬时加速度，m/s2。本研究中A/M、B/M和C/M分别为0.085 7、0和0.000 331[21]。根据美国国家环境保护局（US EPA）发布的MOVES模型中重型车VSP的划分方法并结合重型车实际道路行驶数据[22]，将VSP划分为18个区间（Bin）（表2）。
表 2 基于速度、加速度和VSP的工况区间划分Table 2. Definition of driving condition bins based on velocity, acceleration and VSPVSP/（kW/t） 加速度/（m/s2） 车速/（km/h） <−0.9 <1.6 1.6~40 40~80 ≥80 Bin 0（减速/
制动工况）Bin 1
（怠速工况）<0 Bin 11 Bin 21 0~3 Bin 12 Bin 22 3~6 Bin 13 Bin 23 6~9 Bin 14 Bin 24 9~12 Bin 25 12~18 Bin 27 Bin 37 18~24 Bin 28 Bin 38 24~30 Bin 39 <6 Bin 33 6~12 Bin 35 2. 结果与讨论
2.1 不同海拔下国Ⅵ重型柴油车的NOx瞬时排放特征
有研究表明，排气温度会影响SCR系统NOx转化效率[10]。50%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车不同海拔下的排气温度如图1所示。从图1可以看出，在襄阳和丽江时，车辆的排气温度变化较为平缓，而在昆明和香格里拉时车辆的排气温度波动较大，尤其是高速路。重型车在襄阳和丽江的高速路行驶时，其瞬时排气温度较低，而昆明和香格里拉的瞬时排气温度较高。对整个测试工况排气温度求平均值，襄阳、昆明、丽江和香格里拉的平均排气温度分别为（244.58±11.33）、（230.63±15.39）、（226.64±15.26）和（240.67±18.46）℃，发现随着海拔的升高，平均排气温度呈现先减小后增大的趋势，这与已有的研究结论[10,23]有所不同。
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图 1 50%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车不同海拔下的排气温度Figure 1. Exhaust temperature of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicle at different altitudes under 50% load condition50%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车不同海拔下的NOx瞬时排放速率如图2所示。在4个不同海拔城市进行重型柴油车排放测试时，平均速度没有明显差异，在56.39~62.40 km/h。此外，市区路、市郊路和高速路的平均速度分别集中在24.23~27.41、48.76~53.84和71.33~79.10 km/h。由图2可以看出，4个不同海拔城市的平均NOx排放速率表现为襄阳<昆明<丽江<香格里拉，平均NOx排放速率随着海拔的升高而增加，香格里拉的平均NOx排放速率是襄阳、昆明和丽江的2.59~21.58倍。车辆从市区路到市郊路、市郊路到高速路行驶时，NOx瞬时排放速率出现峰值。此时车辆速度升高，发动机负荷增大，缸内燃烧温度升高，NOx排放迅速增加。对于市区路，车辆在4个不同海拔城市的NOx排放主要集中在初始阶段，其他时间段较低。对于襄阳的高速路，NOx瞬时排放速率较高。车辆在香格里拉的高速路行驶时，NOx瞬时排放速率较市区路和市郊路低，这是由于发动机排气温度较高（图1），NOx转化效率升高，导致NOx排放降低。
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图 2 50%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车不同海拔下的NOx瞬时排放速率Figure 2. Instantaneous NOx emission rates of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicle at different altitudes under 50% load condition图3为100%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车不同工况下的平均NOx排放速率。在香格里拉测试时，车辆怠速工况下的平均NOx排放速率明显高于襄阳、昆明和丽江。车辆在襄阳、丽江和香格里拉测试时，Bin 11~Bin 14（1.6≤v<40 km/h）和Bin 21~Bin 28（40≤v<80 km/h），随着VSP的升高，NOx排放速率表现出先增加后减小的趋势；Bin 33~Bin 39（v≥80 km/h），NOx排放速率随着VSP的升高而升高，这与Wu等[22]的研究结论相似。这是由于车辆在高速路行驶时，驾驶工况比较激烈，缸内燃烧温度较高，促进NOx的生成。车辆在昆明测试时，Bin 11~Bin 14和Bin 21~Bin 28，随着VSP的升高，NOx排放速率呈现上升趋势。此外，车辆在襄阳测试时，整个工况下NOx排放速率较低。Bin 11~Bin 14，随着海拔的升高，NOx排放速率呈现增加趋势。这说明低速工况（1.6≤v<40 km/h）下，海拔对重型柴油车的NOx排放影响较大。
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图 3 100%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车不同工况下的平均NOx排放速率Figure 3. Average NOx emission rates of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicle under different operating modes with100% load condition图4为100%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车在丽江的NOx瞬时排放速率。由图4可见，市区路、市郊路和高速路的NOx排放主要集中在转速分别为1 400~1 600、1 700~2 100和1 800~2 000 r/min，扭矩分别为800~1 000、600~900和800~950 N·m的高转速、高扭矩范围内。
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图 4 100%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车在丽江的NOx瞬时排放速率Figure 4. Instantaneous NOx emission rates of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicle at Lijiang under 100% load condition2.2 不同海拔下国Ⅵ重型柴油车的NOx排放因子
图5为不同海拔下国Ⅵ重型柴油车的NOx排放因子。由图5可以看出，3种载荷条件下（10%、50%和100%载荷），重型柴油车不同海拔下的NOx综合排放因子表现为香格里拉>丽江>昆明>襄阳。随着海拔高度的上升，缸内燃烧温度升高，从而使NOx排放增加。重型柴油车在香格里拉测试时，不同载荷条件下的NOx综合排放因子是襄阳、昆明和丽江的1.27~13.75倍。在襄阳和昆明测试时，3种载荷条件下，重型柴油车的NOx综合排放因子相近。而在丽江和香格里拉测试时，重型柴油车的NOx综合排放因子有明显差异。车辆配重50%和100%载荷时，丽江和香格里拉的NOx综合排放因子高于10%载荷。
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图 5 不同海拔下国Ⅵ重型柴油车的NOx排放因子Figure 5. NOx emission factors of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicle at different altitudes在10%和50%载荷条件下，市区路、市郊路和高速路的NOx排放因子呈现出香格里拉>丽江>昆明>襄阳。在100%载荷条件下，市区路和市郊路的NOx排放因子则为香格里拉>丽江>昆明>襄阳；在高速路随着海拔高度的上升，NOx排放因子呈现先增大后减小的趋势。3种载荷条件下，市区路的NOx排放因子高于市郊路和高速路，这与高忠明[24]的研究结论相似。这是因为车辆在市区路行驶时，速度较低，发动机负荷较低，导致排气温度下降，降低了SCR系统NOx转化效率，从而使得NOx排放增加。车辆在香格里拉市区路行驶时，3种载荷条件下的NOx排放因子均超过400 mg/km，是襄阳、昆明和丽江的3.33~30.05倍。说明在高海拔地区，车辆在城市工况下的排放情况十分恶劣，未来应更加关注高海拔城市的重型柴油车NOx排放。
图6为海拔与NOx排放因子的拟合关系。由图6可以看出，随着海拔高度的升高，重型柴油车的NOx排放因子呈现增大趋势，二者的决定系数（R2）为0.860 2，相关性较强。
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图 6 平均海拔与平均NOx排放因子的关系Figure 6. Relationship between average altitude and average NOx emission factor2.3 与其他研究结果的对比
表3为本研究国Ⅵ重型柴油车的NOx排放因子与其他研究结果的比较。由表3可以看出，不同海拔下重型车的NOx排放有明显差异，海拔会对氧含量、缸内燃烧温度及排气温度产生影响，氧含量和缸内燃烧温度影响NOx的生成，排气温度影响SCR系统对NOx的转化效率。对比相近海拔下的重型车NOx排放，发现本研究中的NOx排放因子分别比高忠明[24]和马帅等[25]的研究低50.00%~90.91%和91.67%，这可能是后处理技术及排放标准不同所致。
表 3 本研究测试车辆的平均NOx排放因子与其他研究结果比较Table 3. Comparison of the average NOx emission factor of the vehicles tested in this study with the results of other studies测试城市（县） 测试平均
海拔/m后处理技术 排放
标准NOx排放因
子/（g/km）数据
来源襄阳 104.46±1.77 DOC+DPF+
SCR+ASC国Ⅵ 0.01 本研究 昆明 1 961.06±4.02 0.04 丽江 2 371.30±20.56 0.07 香格里拉 3 293.42±1.90 0.12 天津 0 DOC+DPF+
SCR欧Ⅵ 0.11 文献[24] 太原 765 0.07 建水 1 344 0.15 昆明 1 914 0.09 丽江/西宁 2 322/2 334 0.14 海晏 3 050 0.09 厦门/北京 DOC+DPF+
SCR国Ⅵ 0.12 文献[25] 赤峰 DOC+SCR 国Ⅵ 0.11 文献[26] 晋中 DOC+SCR+
ASC国Ⅵ 0.18 文献[27] 注：DOC为氧化催化转化器，DPF为柴油机颗粒捕集器，SCR为选择性催化还原系统，ASC为氨逃逸催化器。 3. 结论
（1）国Ⅵ重型柴油车的平均NOx排放速率随着海拔的升高而增加，香格里拉的平均NOx排放速率是襄阳、昆明和丽江的2.59~21.58倍。车辆从市区路到市郊路、市郊路到高速路行驶时，NOx瞬时排放速率出现峰值。
（2）随着海拔高度的升高，国Ⅵ重型柴油车的NOx排放因子呈现增大趋势。不同载荷条件下香格里拉的NOx综合排放因子是襄阳、昆明和丽江的1.27~13.75倍。
（3）3种载荷条件下，市区路的NOx排放因子高于市郊路和高速路。国Ⅵ重型柴油车在香格里拉市区路行驶时，不同载荷条件下的NOx排放因子是襄阳、昆明和丽江的3.33~30.05倍。
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图 1 50%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车不同海拔下的排气温度
Figure 1. Exhaust temperature of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicle at different altitudes under 50% load condition
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图 2 50%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车不同海拔下的NOx瞬时排放速率
Figure 2. Instantaneous NOx emission rates of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicle at different altitudes under 50% load condition
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图 3 100%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车不同工况下的平均NOx排放速率
Figure 3. Average NOx emission rates of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicle under different operating modes with100% load condition
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图 4 100%载荷条件下国Ⅵ重型柴油车在丽江的NOx瞬时排放速率
Figure 4. Instantaneous NOx emission rates of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicle at Lijiang under 100% load condition
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图 5 不同海拔下国Ⅵ重型柴油车的NOx排放因子
Figure 5. NOx emission factors of China Ⅵ heavy-duty diesel vehicle at different altitudes
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图 6 平均海拔与平均NOx排放因子的关系
Figure 6. Relationship between average altitude and average NOx emission factor
表 1 重型柴油车在不同测试路线下的信息
Table 1 Information on heavy-duty diesel vehicle under different test routes
测试城市 试验路线
平均海拔/m测试路段
长度/km平均环境
温度/℃平均相对
湿度/%襄阳 104.46±1.77 127.62±5.18 32.87±2.73 54.17±14.15 昆明 1 961.06±4.02 136.23±0.46 28.37±2.52 52.21±9.15 丽江 2 371.30±20.56 147.53±5.43 15.07±1.36 93.50±5.22 香格里拉 3 293.42±1.90 149.59±2.65 10.35±4.83 77.53±20.44 
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表 2 基于速度、加速度和VSP的工况区间划分
Table 2 Definition of driving condition bins based on velocity, acceleration and VSP
VSP/（kW/t） 加速度/（m/s2） 车速/（km/h） <−0.9 <1.6 1.6~40 40~80 ≥80 Bin 0（减速/
制动工况）Bin 1
（怠速工况）<0 Bin 11 Bin 21 0~3 Bin 12 Bin 22 3~6 Bin 13 Bin 23 6~9 Bin 14 Bin 24 9~12 Bin 25 12~18 Bin 27 Bin 37 18~24 Bin 28 Bin 38 24~30 Bin 39 <6 Bin 33 6~12 Bin 35
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表 3 本研究测试车辆的平均NOx排放因子与其他研究结果比较
Table 3 Comparison of the average NOx emission factor of the vehicles tested in this study with the results of other studies
测试城市（县） 测试平均
海拔/m后处理技术 排放
标准NOx排放因
子/（g/km）数据
来源襄阳 104.46±1.77 DOC+DPF+
SCR+ASC国Ⅵ 0.01 本研究 昆明 1 961.06±4.02 0.04 丽江 2 371.30±20.56 0.07 香格里拉 3 293.42±1.90 0.12 天津 0 DOC+DPF+
SCR欧Ⅵ 0.11 文献[24] 太原 765 0.07 建水 1 344 0.15 昆明 1 914 0.09 丽江/西宁 2 322/2 334 0.14 海晏 3 050 0.09 厦门/北京 DOC+DPF+
SCR国Ⅵ 0.12 文献[25] 赤峰 DOC+SCR 国Ⅵ 0.11 文献[26] 晋中 DOC+SCR+
ASC国Ⅵ 0.18 文献[27] 注：DOC为氧化催化转化器，DPF为柴油机颗粒捕集器，SCR为选择性催化还原系统，ASC为氨逃逸催化器。
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