张红玉，王华

（32392部队，昆明 650222）

世界各国对重型车的质量限值不尽相同，主要分为欧美体系、欧洲体系和日本体系，其中美国以3855 kg、欧洲等国和日本以3500 kg划定重型车界限[1-2]。柴油机由于在动力性、经济性和可靠性方面有着汽油机不可比拟的优势，是重型车的主要动力源[3]。伴随长距离运输、采矿、石油勘探、航空航天和新型武器装备的更新发展，大吨位（30～60 t）、大功率（221～ 441 kW）、多轴型（3～8轴及以上）适合于专业化运输的重型柴油车将成为我国重型柴油车发展的主要方向[4]。其中，重型多轴特种运输车是为了满足运输单体超长超重货物和越野特殊要求而开发的车辆，通常运输质量大于80 t，车辆轴数大于6。在军用领域，主要用于运输和发射战略导弹，在民用领域可用于运输超宽、超重货物或改装为吊车、消防云梯车、泵车、油田修井车等[5-8]。特殊领域的重型特种运输车不仅用于室外运输，还有可能在工程内部发动运行。因此，有必要探究大功率大吨位级重型柴油车污染物排放量和稀释污染物所需通风量的合理计算方法，为类似工程项目建设提供理论依据。

1 重型柴油车污染物排放特点

机动车所排的主要污染物包括HC、CO、NOx和颗粒状物（PM），由于柴油车发动机燃烧温度高、燃烧均匀性差、控制技术落后，导致大部分NOx和颗粒状物（PM）来源于柴油车[9-11]。大功率大吨位级柴油运载车辆，燃烧进气量及排烟量大。这类车辆在工程内部发动运行时，除与人员争氧外，还将产生大量含CO、NOx、HC及颗粒状物（PM）的有毒尾气，若不完全燃烧，还可能产生含油蒸汽等易爆易燃物质。特别是在高海拔地区，大气含氧量大大低于内地，燃烧不充分的情况尤为突出，人员缺氧窒息的可能性更高，以上这些情况在过去的工程建设中少有遇见。

2 重型柴油车污染物排放量计算方法

2.1 JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》[12]计算方法

交通部2014年发布的《公路隧道通风设计细则》未把NOx列入隧道内空气污染的控制因素，只考虑CO和烟尘排放量。烟尘、CO排放量表达式为：

式中：QVI为烟尘排放量，m2/s；QCO为CO排放量，m3/s；qVI为设计目标年份的烟尘基准排放量，m2/（veh·km）；qCO为设计目标年份的CO基准排放量，m3/（veh·km）；fa(VI)、fa分别为烟尘、CO的车况系数；fd为车密度系数；fh(VI)、fh分别为烟尘、CO的海拔高度系数；fiv(VI)、fiv分别为烟尘、CO的纵坡-车速系数；L为隧道长度，m；fm(VI)、fm分别为烟尘、CO的车型系数；nD为柴油车类别数；n为车型类别数；Nm为相应车型的交通量，veh/h。

文中以单辆32 t重型柴油车为例计算污染物排放量，即nD=1、n=1、Nm=1，上述表达式可简化为：

稀释烟尘所需风量表达式为：

式中：Qreq(VI)为稀释烟尘的需风量，m3/s；K为烟尘设计浓度，m–1。

稀释CO所需风量表达式为：

式中：Qreq(CO)为稀释CO的需风量，m3/s；δ为CO设计体积浓度，cm3/m3；p0为标准大气压，取101.325 kN/m2；p为计算地点大气压，kN/m2；T0为标准气温，取273 K；T为计算地点气温，K。

2.2 世界道路协会（PIARC）2012年技术报告[13]计算方法

PIARC 2012年技术报告将CO、NOx、烟尘和非尾气排放颗粒物均列入隧道内空气污染的控制因素。烟尘、CO、NOx排放量表达式为：

式中：Q为CO、NOx的排放量，g/（h·veh）和烟尘的排放量，m2/（h·veh）；qex(v,i)为CO、NOx的基准排放量，g/（h·veh）和烟尘的基准排放量，m2/（h·veh）；qne(v)为非尾气排放因子，m2/（h·veh）；fh为海拔高度修正系数；ft为计算年修正系数；fe为排放标准修正系数；fm为质量修正系数。

稀释烟尘、CO、NOx所需风量表达式为：

式中：V为稀释污染物的需风量，m3/s；nveh为隧道内车辆数量；Cadm–Camb为污染物设计浓度限值，g/m3（烟尘的浓度限值以Kadm代替，m–1）。

文中以单辆32 t重型柴油车为例，计算污染物排放量，即nveh=1，式（8）可简化为：

3 重型柴油车污染物排放量和通风量计算

3.1 根据JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》计算

根据JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》，选取海拔高度为400、2000、3000、4500 m时，车速为10 km/h的国产柴油车，在长600 m、坡度0%的道路上行驶，车辆的尾气污染物排放量和稀释尾气污染物所需空气量的计算结果见表1。

《公路隧道通风设计细则》中，污染物基准排放量以2000年为起点，其他年份按2%的递减率计算，表1计算目标年份为2020年。根据计算结果，如果不考虑NOx的空气污染，柴油车的烟尘排放量为通风系统设计的控制指标。由于不考虑质量修正，不同质量的同类型柴油车烟尘排放量仅与海拔高度有关，表1计算按拖挂车、集装箱进行车型系数修正。在400、2000、3000、4500 m海拔高度下，拖挂车、集装箱柴油车的烟尘排放量分别为11.2、16.6、20.0、25.1 m3/h，稀释污染物排放量所需最大空气量分别为3749、5549、6674、8361 m3/h。

表1 根据《公路隧道通风设计细则》计算的车辆污染物排放量和稀释污染物所需空气量 Tab.1 Exhaust pollutant emissions of diesel vehicles and the amount of air required to dilute exhaust pollutants calculated according to “Guidelines for Design of Ventilation of Highway Tunnels”

3.2 根据世界道路协会（PIARC）2012年技术报告计算

世界道路协会（PIARC）2012年技术报告已完全取代2004年的版本，该报告中分别给出欧洲、中国和其他国家产小轿车、轻型车（总质量小于3.5 t）和重型柴油车的污染物基准排放量。因缺乏国产柴油车高海拔地区实验数据，未给出海拔高度2000 m以上的污染物排放量修正系数。

在海拔0～2000 m的地区，车速为10 km/h的欧洲产32 t柴油车在坡度为0%的道路上行驶时，车辆的尾气污染物排放量和稀释尾气污染物所需空气量计算结果见表2。

表2 根据世界道路协会（PIARC）2012年技术报告计算的欧洲产32 t柴油车污染物排放量和稀释污染物所需空气量 Tab.2 Emissions of exhaust pollutants and the amount of air required to dilute exhaust pollutants from 32 t diesel vehicles in Europe according to the report provided by PIARC

在海拔0～2000 m的地区，车速为10 km/h的国产32 t柴油车在坡度为0%的道路上行驶时，车辆的尾气污染物排放量和稀释尾气污染物所需空气量计算结果见表3。

表3 根据世界道路协会（PIARC）2012年技术报告计算的国产32 t柴油车污染物排放量和稀释污染物所需空气量 Tab.3 Exhaust emissions of domestic 32 t diesel vehicles and the amount of air required to dilute exhaust pollutants according to the report provided by PIARC

PIARC 2012年技术报告中污染物基准排放量以2010年为起点，表2和表3计算目标年份为2020年。根据计算数据可得，同等条件下，国产重型柴油车的污染物基准排放量大于欧产车，导致国产车污染物排放量和稀释污染物所需通风量远高于欧产车，国产车的烟尘排放量甚至达到欧产车的5倍。在0～2000 m海拔高度下，32 t国产柴油车的CO、NOx和烟尘排放量分别为88.6、166.0 m3/(h·veh)和84.2 m2/(h·veh)，NOx为通风系统设计的控制指标，稀释NOx所需空气量为33 206 m3/h。

4 计算方法比较分析

4.1 污染物排放量计算

《公路隧道通风设计细则》的污染物基准排放量为单车行驶1 km的排放浓度，污染物排放量计算公式中，考虑了隧道长度L和车密度系数fd，不同车速和道路坡度考虑纵坡-车速系数修正。因此，按《公路隧道通风设计细则》计算的污染物排放量为某长度隧道内全部通行车辆尾气污染物的排放总量。PIARC 2012年技术报告污染物基准排放量为单车排放量，按小轿车、轻型车（总质量小于3.5 t）和重型柴油车分类考虑，其数值与车速和道路坡度有关。对于特定工程项目，工程内部发动运行车辆数与公路隧道不同，并不取决于隧道长度和车行速度，因此按PIARC 2012年技术报告计算单辆车的污染物排放量更具实用性。另外，PIARC 2012年技术报告将CO、NOx、烟尘和非尾气排放颗粒物均列入隧道内空气污染的控制因素，对于保障工程内部工作人员的身体健康极为重要，应予以考虑。

4.2 污染物排放量修正

《公路隧道通风设计细则》计算柴油车CO排放量时，未考虑车型修正主要是与当时PIARC技术报告及日本现行规范（1985版）一致[14]。烟尘基准排放量按车型修正，而不是按质量修正，将满载重9.5 t的中型柴油货车车型系数定为1.0，重型货车、大型客车的车型系数为1.5，拖挂车、集装箱车的车型系数最大为3。PIARC 2012年技术报告指出，柴油车的污染物排放量与其总质量几乎成正比例关系，报告中给出的重型柴油车（HGV）基准污染物排放量测试车型为平均质量23 t的柴油车，对其他质量的柴油车给出了相应修正系数，见表4。即同等条件下，按PIARC 2012年技术报告计算质量为32 t的柴油车烟尘排放量约为15 t柴油车的2.7倍，而按《公路隧道通风设计细则》计算32 t和15 t的柴油车烟尘排放量相同。因此大功率大吨位级的柴油车污染物排放量按PIARC 2012年技术报告进行计算更加合理，同时建议《公路隧道通风设计细则》对柴油车的车型系数修正予以质量限制。

表4 柴油车质量修正[12] Tab.4 Vehicle type factor for diesel vehicle[12]

4.3 海拔高度修正

PIARC 2012年技术报告指出，对于达到A级技术标准的车辆，在0～2000 m海拔高度范围内，尾气污染物排放量不需要进行海拔高度修正。该报告由于缺乏国产柴油车高海拔地区检测数据，未给出国产柴油车2000 m以上的海拔高度系数。《公路隧道通风设计细则》给出的CO、烟尘海拔高度系数的高度限值分别为2200 m和2400 m，取值超过限值时，系数按图作线性延伸。已有相关研究表明[15-18]，柴油机的CO和烟尘排放量会随着海拔高度的增加而明显增加，海拔高度系数按规范线性延伸取值与实测结果存在较大差距，不能真实反映有害气体的排放情况。因此建议按《公路隧道通风设计细则》给出的海拔高度系数图作定性分析，而不应作为定量计算的依据。

4.4 通风量计算

车辆污染物排放量是通风系统设计的重要依据，由表1和表3计算结果和上述分析可知，按照《公路隧道通风设计细则》计算的国产柴油车烟尘排放量远小于按照2012年PIARC技术报告的计算值。此外，《公路隧道通风设计细则》的污染物设计浓度限值参考了2004年PIARC的技术报告，而2012年PIARC的技术报告对CO的浓度限值已由30 cm3/m3调整为20 cm3/m3（隧道内进行养护作业时），因此按《公路隧道通风设计细则》计算的稀释污染物所需的通风量更小。

综上分析，对于大功率大吨位柴油车的污染物排放量计算应考虑车辆的总质量，污染物排放量和通风量计算方法建议采用世界道路协会（PIARC）2012年技术报告。以国产32 t柴油车为例，在0～2000 m低海拔地区，CO、NOx和烟尘排放量分别为88.6、166.0 m3/(h·veh)和84.2 m2/(h·veh)。如果考虑NOx的空气污染，稀释单辆32 t柴油车排放污染物所需空气量约为33 000 m3/h；如果不考虑NOx的空气污染，所需空气量约为28 000 m3/h。

5 结语

根据《公路隧道通风设计细则》和世界道路协会（PIARC）2012年技术报告，对32 t重型柴油车的污染物排放量和稀释污染物所需空气量进行了计算，计算结果相差较大。对比分析两种计算方法，并结合工程应用实际，得出采用世界道路协会（PIARC）2012年技术报告的计算方法更合理。

因重型柴油车的质量对污染物排放量影响较大，建议《公路隧道通风设计细则》对柴油车的车型系数修正予以质量限制。另外，对于高海拔地区重型柴油车的污染物排放量计算建议按《公路隧道通风设计细则》给出的海拔高度系数图作定性分析，而不应作为定量计算的依据。

现阶段有关柴油车在高海拔地区污染物排放量的测试多为小型载重货车[16-20]。为满足实际需求，有必要加快进行高海拔地区大功率大吨位级柴油车的尾气检测实验，开展柴油机内净化与尾气后处理技术与特殊领域重型柴油机应用相结合的研发工作，为大功率大吨位级特种重型运输车的应用和相关工程项目建设提供技术支撑。