基于尾气碳排放仿真的公路关键指标研究

摘要：为从尾气排放角度探究公路的低排放率纵坡指标，本研究基于某高速公路工程项目，利用尾气碳排放仿真软件，建立纵坡路段车辆CO、NOx尾气排放计算模型，将车辆状态（车型、折旧），运行工况（速度、时间）、道路环境（线形指标、天气）作为输入值，计算不同坡度下车辆尾气排放率，并分析其与坡度之间的关系。研究结果表明：车辆的尾气排放率与坡度呈正相关；坡度影响排放率的临界值为2.5%；当公路主线、匝道需要采用大纵坡设计时，主线设计采用2.5%~4.5%，匝道设计采用大纵坡接低于2%的缓坡，能够有效地控制车辆的尾气排放。关键词：尾气；碳排放；坡度；仿真模型0引言车辆作为尾气碳排放的重要来源，合理地控制车辆尾气排放有利于我国碳中和目标的实现。由于道路纵坡与车辆排放率有显著的相关关系，研究公路低碳纵坡指标值有重要的意义。道路最大纵坡的确定主要考虑车辆的动力性能、道路等级、自然条件及运营经济性等因素。对于隧道路段，还应考虑纵坡对车辆尾气排放及通风的影响，研究表明，隧道纵坡与汽车排放的尾气量有关，当坡度大于3%时，汽车排放的尾气量将急剧增加，因而我国现行规范中对于隧道内最大纵坡的规定均以车辆尾气排放量作为控制性指标。关于隧道内纵坡坡度对汽车尾气排放的影响，通过发动机台架试验和柴油车道路排放测试，研究了隧道内坡度变化对车辆烟雾排放的影响。研究结果发现，坡度每升高1°，烟雾排放量增加40%~125%，而路面坡度升高3%将导致烟雾排放急剧上升225%~650%。通过对隧道内最大纵坡控制因素的理论分析，发现了CO的排放主要由汽油车造成，而烟雾的排放主要由柴油车造成，且烟雾排放量随纵坡的增加变化很大，基于此，提出了考虑烟雾排放的中短隧道的最大纵坡指标及长隧道增大纵坡的措施，为隧道内纵坡坡度设计提供了理论依据。随着车辆发动机性能不断提升以及机动车排放标准的不断严格，机动车辆污染物的排放量逐渐下降，实测发现，隧道内CO、NO等污染物的浓度水平已远低于规范中的限值，因而，目前大部分研究集中于污染物扩散及污染物排放因子等方面，而鲜有针对纵坡坡度对尾气排放的影响。近年来，以尾气碳排放仿真模型为基础，通过应用符合我国实际情况的参数信息，分别制定了不同线形条件下对应运行工况的模拟方案，结合尾气碳排放仿真模型模拟研究，得出了道路线形指标对尾气排放的影响规律，为隧道内坡度研究提供了新的思路。基于上述论述，本研究拟采用尾气碳排放仿真模拟的方法，分别模拟不同车型在隧道内以不同的速度行驶时的运行工况，研究不同坡度条件对客车及货车尾气排放的影响规律，并以此提出高速公路隧道内互通区域主线及匝道的纵坡坡度设计指标，为高速公路隧道互通、高速公路坡度设计及安全性评价提供理论依据。1尾气碳排放模型1.1参数设置及模拟方案1.1.1基本参数设置（1）年月指标年指标：在尾气碳排放模型中，研究人员通过仿真，测定车辆的微观排放，“年指标”与“车辆燃油等级”指标高度关联。不同的年份代表道路上采用的不同标准的燃油。将不同年份美国的燃油标准与中国国内的燃油标准进行比较后，确定进行小车实验时，年份应为2021年，进行大车实验时，年份应为2010年。月指标：月指标主要对温度与湿度指标产生较大的影响。基于相关研究，大多数的模拟仿真都选择春季作为仿真的时间，所以在月份指标确认中，可以将4月作为实验月份，最后比较实验结果。（2）地理位置指标深圳位于北纬22°27′~22°52′，属于亚热带向热带过渡性海洋性气候，夏季漫长、温暖而潮湿，冬季通常气温温和，降水丰富。在模拟时需选择尾气碳排放模型中与其地理气候相近的地理区域进行信息匹配。（3）车龄依照深圳2019年的统计年鉴，以及相关文献，深圳市小型私家车的车龄一般为5~6年，大型车的车龄一般为6~7年。（4）温度与湿度根据中国天气网的历史天气数据，深圳市历史平均温度一般是28.6℃，历史平均湿度一般是77%。（5）燃油信息燃油是影响机动车尾气排放的一个重要影响因素，尾气碳排放模型Mysql数据库提供了6种不同类型的燃油和能源，分别为：汽油、柴油、压缩天然气（CNG）、液化石油气（LPG）、乙醇和电力，然而目前尾气碳排放只考虑汽油和柴油的燃料性质。汽油的燃油性质主要包括雷氏蒸汽压（RVP）、硫含量、乙醇比、甲基叔丁基醚等17个参数，而柴油则主要规定了硫含量。尾气碳排放模型规定在导入燃油相关数据时需要同时提供燃油类型和燃油性质。最后确定的基本参数如表1所示。表1尾气碳排放仿真输入参数表Tab.1Inputparametersofexhaustcarbonemissionsimulation1.1.2运行工况分布基本参数设置完成后，要输入对表征道路线形特征最为重要的描述车辆运行工况的linkactivity，因本文中需要反映车辆在不同的道路线形上行驶时逐秒的运行状况，在此我们表达为link的瞬时工况。车辆运行时的瞬时工况有三种不同的描述方式，依次为：运行工况分布（operatingmodedistribution）、行驶记录（driveschedule）、平均速度。其中，运行工况分布的优先级别最高，当用户同时输入多种瞬时工况的表述形式时，尾气碳排放模型会优先处理运行工况分布的数据，与其他数据有不符之处，也以运行工况分布数据为准。选择运行工况分布这一参数输入方式时，用户需输入每一种运行工况bin占总体数据的百分比，即在数据库中调入operatingmodedistribution文件来定义车龄的运行工况分布。文件中运行工况bin是尾气碳排放模型将机动车比功率（vehicle-specific-power，VSP）与车辆的运行速度相结合得到的参数，用来考量车辆的运行工况。对于典型轻型车，机动车比功率的计算可采用下式：式中，v为车辆的运行速度，m/s；a为车辆的加速度值，m/s2。若用户在进行参数输入时选择行驶记录这一方式，需输入车辆逐秒的运行速度，在数据库中调入LinkDriveSchedules文件定义车辆的运行工况。尾气碳排放模型可将其转化为bin分布，再进行尾气排放和燃油消耗量的模拟。当用户选择平均速度这一方式进行参数输入时，可选择两种输入方式中的一种，加速度设为0m/s2，只定义车辆的平均速度即可。尾气碳排放模型同样会将其转化为bin分布，然后再进行尾气排放和燃油消耗的模拟，此方式模拟精度较低。在本文中将以运行工况分布和行驶记录两种参数输入方式为主，精确定义道路线形指标变化对车辆运行工况的影响，从而得到比较准确的道路线形指标与车辆的尾气排放之间的关系。根据现有的文献研究，以及我国《公路隧道通风设计细则》（JTG/TD70/2-02—2014）要求，文章在研究尾气排放与线形指标关系时，将重点研究尾气排放污染物中的CO和NOx。本文在进行隧道路段尾气排放的模拟时，根据小型客车和载重汽车在不同道路线形上的运行工况和尾气排放情况，只进行尾气排放物中的主要成分CO和NOx的模拟，对模拟数据进行分析，得出道路线形指标对CO和NOx尾气排放物的影响规律。1.1.3模拟方案根据项目资料，基于《公路项目安全评价规范》（JTGB05—2015）中的纵坡路段车辆运行速度折算模型表（见表2），分别在9种速度工况（40~120km/h）条件下，计算小型车、大型车在隧道纵坡路段坡度为0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%，坡长为1km的逐秒运行速度。表2运行速度折算表Tab.2Conversiontableofoperatingspeed关于纵坡对尾气排放的影响目前来说研究资料相对较多，相关研究成果表明坡度对尾气的影响较大，其次为坡长。但在实际的道路线形设计中仅对最大坡长做出了相关规定。若要研究坡长和坡度对尾气排放和燃油消耗的影响，其组合形式可以说是无限的，考虑到沿江高速公路是一个海底隧道工程，其纵坡的坡长相比于公路隧道较短，所以根据实际的情况，本实验将坡长设置为1km，在兼顾到凸显车辆在纵坡上逐渐减速换取足够动力行驶的过程的同时，能够结合项目实际情况，得到更为精确的尾气排放值。纵坡路段的模拟方案只是以80km/h作为示例，在模拟时应以10km/h为间隔进行40~120km/h共9种速度值的模拟。每个速度值有0~6%，以0.5%为间隔共13种坡度变化，也就是说要设置9×13共117种不同的link进行模拟。在车辆的实际行驶过程中往往采用动力上坡，路线设计时也规定了各等级公路的最大纵坡值（见表3），但研究时仍进行大坡度高速度的模拟只是为了对车辆在较大坡度上运行时尾气排放量的变化做全面掌握。表3公路最大纵坡表Tab.3Tableofmaximumlongitudinalslopeofhighway基于输入参数和运行状态下的详细输入参数（见图1）进行车辆排放进行仿真模拟。图1实验使用的仿真参数输入图Fig.1Inputdiagramofsimulationparametersusedintheexperiment2纵坡指标对尾气排放的影响规律2.1总体排放特征规律模拟车辆以40~120km/h的速度在不同的坡度上行驶所产生的尾气排放率，并对模拟数据进行处理与分析，小型车与大型车CO、NOx排放率与速度和坡度之间的关系如图2~图5所示。图2小型车CO排放率与速度、坡度关系图Fig.2RelationshipbetweenCOemissionrateofsmallvehiclesandspeedandslope图3大型车CO排放率与速度、坡度关系图Fig.3RelationshipbetweenCOemissionrateoflargevehiclesandspeedandslope图4小型车NOx排放率与速度、坡度关系图Fig.4RelationshipbetweenNOxemissionrateofsmallvehiclesandspeedandslope图5大型车NOx排放率与速度、坡度关系图Fig.5RelationshipbetweenNOxemissionrateoflargevehiclesandspeedandslope从图中可看出，由于在仿真模型中，大车的输入燃料为柴油，小车的输入燃料为汽油。大车尾气中主要污染物为NOx，小车尾气中主要污染物为CO，两者差异较大。对同一坡度不同速度的排放率取平均值，可以得到速度与排放率之间的关系，具体如图6、图7所示：图6小型车CO（a）、NOx（b）排放率与速度关系图Fig.6RelationshipbetweenCO（a）andNOx（b）emissionrateandspeedofsmallvehicle图7大型车CO（a）、NOx（b）排放率与速度关系图Fig.7RelationshipbetweenCO（a）andNOx（b）emissionrateandspeedoflargevehicle对于小车，CO与NOx排放率总体呈现为平稳-上升-回落的趋势，在中低速区间（60km/h），小车的排放率处于一个平稳状态；当车速处于60~100km/h的中高速区间时，车辆的排放率显著上升；当车辆处于100~120km/h的高速区间，车辆的行驶有较强的惯性作用，行驶的挡位也为车辆的最高挡位，此时为小车燃油效率最高的区间段，所以其排放率有一个小幅度的回落过程。然而对于大车，CO与NOx排放率总体上与小车显著不同，如果排除100~120km/h的高速区间，大车排放率最大的区间位于40~60km/h的中低速区间，此时大车处于慢速爬坡的过程，车辆挡位高，爬坡速度慢，发动机功率高所以排放值较高，随着车辆的速度提升，大车行驶的惯性增大，大车的排放率缓慢地下降或处于一个平稳分布的过程。2.2坡度对排放的影响规律对车辆进入纵坡后逐渐减速行驶的过程进行尾气排放的模拟，之后根据仿真得出CO与NOx排放率，计算其在不同坡度的变化率RCO、RNOx：式中，CO0

是车辆在

i=0上行驶的CO排放率；COx

是车辆在i=x

上行驶的CO排放率，x

为坡度段的坡度值，单位为%，取值范围[0，6]；NOx0

是车辆在

i=0上行驶的NOx排放率；NOxx

是车辆在

i=x上行驶的NOx排放率，x

为坡度段的坡度值，单位为%，取值范围[0，6]。为了综合性地分析坡度对排放的影响，将仿真结果的速度工况分为三类：中低速区间，中高速区间，高速区间。分别计算总体和三个速度区间下，不同坡度对应的排放率变化率的均值，具体的数值结果如表4所示。表4不同坡度CO、NOx排放率变化率表Tab.4ChangerateofCOandNOxemissionratesatdifferentslopes从总体的排放率变化率均值进行分析，随着纵坡的坡度变大，车辆的尾气排放率变化率相应地增大，其中2.5%是一个重要的分界点，当纵坡坡度小于2.5%时，随着坡度的增大，尾气排放率变化率缓慢增加；当纵坡坡度大于2.5%后，随着坡度的增大，尾气的排放率变化率显著增大。其中CO与NOx尾气排放率变化率与坡度的关系存在一定的差异，具体情况如图8所示。图8车辆CO（a）、NOx（b）排放率变化率与坡度总体关系图Fig.8OverallrelationshipbetweenchangerateofvehicleCO（a）andNOx（b）emissionrateandslope从图8可看出：①由于小车的主要排放物为CO，大车的主要排放物为NOx，所以当坡度大于2.5%时，小车CO的排放率变化率高于大车，大车的NOx的排放率变化率高于小车。同时车辆次要排放物的变化率的增长幅度低于主要排放物。这说明车辆在大于2.5%的坡度临界值后，其主要排放物的排放率增加显著，次要排放物的排放率增加幅度相对低于主要排放物。②对于大车，4.5%的纵坡是其排放率变化率的第二个临界点，车辆在坡度为2.5%~3.5%排放率变化率显著上升之后，在3.5%~4.5%处于缓慢增长的态势，但当坡度大于4.5%时，其主要排放物NOx的排放率变化率再次进入显著增长的区间。这说明在大于4.5%的大纵坡线形条件下，大车为克服重力作用，车辆挡位降低，发动机功率上升，尾气排放也显著增加。将排放率变化率拆分为中低速区间（40~60km/h），中高速区间（70~90km/h），高速区间（100~120km/h）之后，对三个区间的排放率变化率分别进行分析，具体情况如图9~11所示。图9中低速区间下车辆CO（a）、NOx（b）排放率变化率与坡度关系图Fig.9RelationshipbetweenchangerateofvehicleCO（a）andNOx（b）emissionrateandslopeinmediumandlowspeedsection图10中高速区间下车辆CO（a）、NOx（b）排放率变化率与坡度关系图Fig.10RelationshipbetweenchangerateofvehicleCO（a）andNOx（b）emissionrateandslopeinmediumandhighspeedsection图11高速区间下车辆CO（a）、NOx（b）排放率变化率与坡度关系图Fig.11RelationshipbetweenchangerateofvehicleCO（a）andNOx（b）emissionrateandslopeinhighspeedsection在中低速区间内：①对于小车的主要排放物，在2%的纵坡坡度之下，大车与小车的CO排放率变化率接近，处于平稳状态；当纵坡坡度大于2%时，小车的排放率变化率显著增加，增长速度较快，此状态一直保持至6%的坡度值，而大车的增长率较慢，排放率变化率仅从0增长至0.5。②对于大车的主要排放物，在2.5%的纵坡坡度下，大车与小车的NOx排放率变化率均处于平稳增长的过程，小车略高于大车。但当纵坡坡度大于2.5%时，小车的排放率变化率显著增加，且增长速度较快，此状态一直保持至6%的坡度值，大车的排放率变化率也显著增加，但增长速度在大于4.5%之后趋近于平缓，此后的排放率变化率低于小车。在中高速区间，CO的排放率变化率与坡度的关系变化趋势与中低速区间类似，但小车在2%~3%坡度条件下的变化率增长速度高于中低速区间，但从终值来看，中高速区间的小车CO排放率变化率增长总值低于中低速区间，由此可以看出，由于速度的提升，坡度增大对于小车的排放率变化率的影响将减弱。对于NOx排放率变化率与坡度的关系，大车在2.5%纵坡坡度下变化率的增长幅度较小，2.5%~3.5%显著增长，3.5%~4.5%增长平稳，4.5%之后继续显著增长，但增长的速度低于2.5%~3.5%区间，大车的排放率变化率的增长总值高于小车，小车在1.5%~3.5%区间平稳增长，之后缓慢增长。在高速区间，由于车辆速度的增大，坡度对车辆CO、NOx排放率变化率影响进一步缩小，其中对小车的影响将弱于对大车的影响。纵坡坡度从0~6%，小车的CO排放率变化率整体处于平稳缓慢上升的过程，上升幅度只有4%。大车的变化率大于小车，0~1.5%显著增大，1.5%~3.5%保持平稳，3.5%~5%再次显著增大，5%之后出现一定回落。但是总体上升幅度较小，其中最大上升幅度约为13%。NOx排放率变化率与坡度的关系与CO类似，随着坡度加大，小车的NOx排放率变化率缓慢增长，最大涨幅为3.5%。大车在0~2.5%变化率显著增大，在2.5%~4.5%保持平稳，4.5%~6%再次显著增大，且增长的速度大于0~2.5%区间。3结合工程项目实际分析某高速公路项目，其主线以及匝道，均涉及隧道工程，根据JTG/TD70/2-02—2014，项目需要按规范要求的CO与NO2

设计浓度指标进行设计。高速公路项目主线的设计速度为100km/h，匝道的设计速度为40km/h。根据上文的速度划分，车辆在主线行驶时常位于中高速、高速区间，车辆在匝道行驶时常位于中低速区间。由于小车与大车的燃料不同，在行驶过程中它们的主要污染物也不同，小车的主要污染物为CO，次要污染物为NOx；大车则相反。所以在探究坡度对CO排放的影响时应重点关注小车的排放，探究坡度对NOx排放的影响时应重点关注大车的排放。3.1主线纵坡设计主线的设计速度为100km/h，属于仿真模拟的中高速与高速区间。在中高速区间，CO排放率变化率的坡度临界值为2%，NOx排放率变化率的坡度临界值为2.5%。在高速区间，坡度对CO排放率变化率影响较低，对于NOx排放率变化率，其坡度临界值为2.5%，车辆在坡度处于2.5%~4.5%时，变化率保持稳定。所以对于主线设计，其设计坡度低于2.5%，将有利于降低车辆尾气的排放。此外由于高速公路包含隧道项目，隧道的出入口坡度设计值通常较大，根据仿真实验结果，出入口的设计纵坡值选在2.5%~4.5%范围内，既能够满足出入口大纵坡的需要，又能够有效地控制车辆在该路段的尾气排放。3.2匝道纵坡设计匝道的设计速度为40km/h