樓狄明,趙可心,譚丕強,胡志遠

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不同后處理裝置對柴油車排放特性的影響——基于行駛里程的后處理裝置對柴油公交車氣態(tài)物排放特性的影響

樓狄明,趙可心*,譚丕強,胡志遠

(同濟大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)

三輛柴油公交車分別安裝柴油機氧化催化器(DOC),催化型顆粒捕集器(CDPF)與DOC+CDPF三種后處理裝置,采用便攜式排放測試系統(tǒng)PEMS進行測試,研究整車THC,CO與NO等氣態(tài)物排放性能隨行駛里程的變化規(guī)律.研究結(jié)果表明:對于加裝了DOC的公交車,行駛里程達到8萬km時DOC性能劣化,應(yīng)進行保養(yǎng),此前CO,THC與NO的平均轉(zhuǎn)化效率分別為78%,43%和27%;CDPF有效工作時間短,需要定期進行高溫保養(yǎng),周期應(yīng)為1萬km左右,加裝CDPF的公交車CO,THC與NO平均轉(zhuǎn)化效率分別為74%,16%與15%;DOC+CDPF在行駛里程達12萬km時才出現(xiàn)性能劣化現(xiàn)象,此前加裝該后處理裝置后的公交車CO,THC與NO平均轉(zhuǎn)化效率分別為87%,76%與21%.DOC+CDPF的連續(xù)再生效果可有效延長后處理裝置的工作壽命.

DOC；CDPF；柴油公交車；行駛里程；性能劣化

DOC作為一項目前較為成熟的后處理技術(shù),能通過催化氧化反應(yīng)明顯降低柴油機HC, CO等排放[4-6],尾氣溫度較低時,其凈化能力即可達50%左右,而尾氣溫度超過240℃后,能夠凈化超過80%的HC與全部CO[7].通過減少可溶性有機組分(SOF)等方式,DOC亦可間接減少顆粒物排放[8].

DPF可有效凈化排氣中的顆粒物,為避免捕集器堵死而功能劣化,其關(guān)鍵技術(shù)在于再生.其中,被動再生為顆粒無控制器干預(yù)情況下持續(xù)燃燒[9],DOC+DPF即屬于被動再生,即在DPF前置DOC,DOC將排氣中的NO氧化為具有強氧化性的NO2,與DPF中的顆粒物反應(yīng)生成CO2和N2,并提高排氣溫度,實現(xiàn)DPF的連續(xù)再生.CDPF的載體表面則涂有催化劑,促使顆粒物在排氣溫度下燃燒,因此, DOC+CDPF再生能力更強,對顆粒物中的有機成分凈化能力也更強,亦提高了對HC與CO的轉(zhuǎn)化效果.研究表明,兩者結(jié)合使用后,僅需200~300℃的排氣溫度即可達到DPF再生,且對柴油含硫量要求較低[10-13]. DOC與CDPF組合使用,可有效延長后處理裝置的工作壽命.

國內(nèi)外現(xiàn)階段進行的相關(guān)研究,大部分基于發(fā)動機臺架試驗.而本文則采用便攜式排放測試系統(tǒng)PEMS進行整車實際道路排放檢測,研究DOC,CDPF與DOC+CDPF三種后處理裝置對氣態(tài)污染物CO,THC和NO排放的凈化效果,以及隨著行駛里程增加,氣態(tài)物排放特性的變化.

1 試驗設(shè)備及方案

1.1 試驗燃料與樣車

試驗樣車燃用-10號國V柴油[18],理化特性見表1.

表1 國V柴油主要理化特性 Table 1 Physical and Chemical Properties of National 5Diesel

試驗采用了三輛柴油公交車作為樣車,分別加裝DOC,CDPF和DOC+CDPF后處理裝置進行試驗.樣車發(fā)動機型號為道依茨D7E240,采用自動變速器,排量為7.1L,功率為177/2300[kW/ (r/min)],轉(zhuǎn)矩為920/1200-1700[N×m/(r/min)],且原車為國III排放標(biāo)準[19].

1.2 試驗用后處理裝置

試驗中所用的DOC與CDPF具體參數(shù)如表2所示,DOC+CDPF即為兩者組合.

魏晉南北朝時期是中華民族發(fā)展的重要階段，北方各少數(shù)民族與漢族在生存方式、生活習(xí)慣上不斷融合發(fā)展，“無論政治制度，經(jīng)濟生活，禮儀風(fēng)俗，學(xué)術(shù)思想等，都不是漢族單一類型的，而是以漢族文化為主，對國內(nèi)各少數(shù)民族文化和外來文化兼收并蓄，包羅宏富?！盵5]樂府詩歌正是當(dāng)時社會生活的鮮明體現(xiàn)。各民族之間長時間的雜處，生活習(xí)俗逐漸相互滲透與融合。氐族的人民“其俗、語不與中國同。及羌雜胡同，各自有姓，姓如中國之姓矣……多知中國語，由與中國錯居故也?！盵6]反映出氐族的人民已經(jīng)開始使用中原傳統(tǒng)文化中的姓來區(qū)別人，并且熟知中原語言。

表2 DOC與CDPF具體參數(shù) Table 2 Parameters of DOC and CDPF

1.3 試驗儀器

采用便攜式排放測試系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System,簡稱PEMS),車載氣態(tài)物排放測試儀日本HORIBA公司OBS2200可測實際道路尾氣排放中CO,CO2,THC和NO四種氣態(tài)排放物,分析儀的檢測數(shù)據(jù)和傳感器的數(shù)據(jù)通過控制軟件儲存在控制計算機中,根據(jù)GPS傳感器測量的車速和經(jīng)緯度信號繪制出車輛的行駛路線,通過氣態(tài)排放物的體積排放濃度和流量計算出污染物的質(zhì)量排放和燃油消耗量,結(jié)合車速數(shù)據(jù)進一步得到車輛各氣態(tài)污染物的單位里程排放量.

1.4 試驗方案

實際道路試驗受到較多不可控因素的影響(如天氣,空調(diào),路況,各駕駛員不同的駕駛習(xí)慣等),為盡量減少對試驗結(jié)果的影響,試驗期間空調(diào)關(guān)閉,測試路段皆為上海市較空曠,路口少的路段;試驗工況為穩(wěn)態(tài)工況,如圖1所示,即車輛于規(guī)定車速(怠速,5,10,15,20,30,40,50,60km/h)各勻速行駛60s.

各樣車試驗進行的總體實際情況如表3所示, 因CDPF本身單獨使用時的再生問題,為維持其性能,需進行24h高溫保養(yǎng)處理.試驗行駛里程的具體設(shè)計依據(jù)于2.1節(jié)中具體討論.

本次試驗通過計算各排放物的全里程綜合排放因子,并將三輛樣車加裝后處理裝置后的排放因子分別與其對應(yīng)的原車排放因子進行計算,得到相應(yīng)的氣態(tài)物轉(zhuǎn)化效率.公交車綜合排放因子采用基于美國EPA MOVES的綜合因子計算方法.

表3 樣車行駛里程統(tǒng)計 Table 3 Driving Distance of Buses

2 結(jié)果分析

2.1 進出口壓差

背壓是判斷后處理裝置工作狀態(tài)的重要標(biāo)志之一.本文通過測試樣車進出口壓力,計算壓差,初步判斷后處理裝置的使用壽命,并以此為據(jù)安排試驗計劃.圖2為3輛樣車平均進出口壓差隨行駛里程的變化.

由該圖可見,DOC樣車的壓差呈先下降后上升的趨勢,然而在行駛里程到達4′104km之前,測試的最大值與最小值分別為0.043kPa與0.008kPa,壓差的變化幅度不大且皆保持在較低水平,DOC工作狀態(tài)良好.而當(dāng)行駛里程到達7′104km時,壓差大幅升高至0.162kPa,相較前3次測試的平均水平升高了7倍有余,DOC明顯劣化,判斷其應(yīng)進行保養(yǎng)以維持減排性能.

CDPF樣車在1.5′104km處進行了第一次24h高溫保養(yǎng)處理,清除堵塞CDPF的顆粒,并于保養(yǎng)前后進行了測試.如圖所示,初裝時其壓差為0.025kPa,與之相比,第1次保養(yǎng)前壓差上升至0.086kPa,保養(yǎng)后下降至0.058kPa,可見高溫保養(yǎng)雖能一定程度降低CDPF背壓,但效果不明顯,不足以使之恢復(fù)到初裝時的狀態(tài).當(dāng)行駛里程進一步累積至3′104km時,進行了第2次高溫保養(yǎng),保養(yǎng)前測得壓差數(shù)據(jù)為0.073kPa,較之前上升了25.86%,至此,CDPF壓差隨行駛里程的累積升幅較小.行駛里程到達4′104km時,壓差明顯上升,達到0.201kPa,CDPF性能顯著劣化,至此不再進行后續(xù)試驗.

DOC+CDPF的壓差隨行駛里程的累積整體呈上升趨勢,在行駛里程超過8′104km之前,其最高值為0.146kPa,最低值為初裝時的0.026kPa,雖有所波動,但始終維持在0.15kPa以下,可認為DOC+CDPF尚無劣化現(xiàn)象.而當(dāng)行駛里程達到12′104km時,壓差明顯升高至0.246kPa,后處理裝置有所劣化,判斷其應(yīng)進行保養(yǎng)以維持減排性能.

2.2 CO排放

不同后處理裝置對CO轉(zhuǎn)化效率隨行駛里程的變化如圖3所示.

DOC樣車的CO轉(zhuǎn)化效率呈先上升后下降的趨勢.初裝時的轉(zhuǎn)化效率為70.6%,3′104km時上升至最高值88.0%, 4′104km時下降至74.8%,變化幅度在20%以內(nèi)且維持在70%以上,可認為DOC工作狀態(tài)良好.當(dāng)行駛里程累積至7′104km時,CO轉(zhuǎn)化效率大幅下降至54.1%,DOC性能明顯劣化.引起DOC性能劣化的因素之一為化學(xué)中毒, DOC在高硫柴油作用下[15-17]催化氧化能力會大大減弱,加快老化.本試驗采用超低硫柴油(硫含量僅為1.4mg/kg),從這一方面較好保證了其使用壽命;高溫導(dǎo)致的熱老化亦可使DOC劣化,熱老化主要為催化器長期處于650℃的工作環(huán)境中導(dǎo)致貴金屬燒結(jié).本試驗DOC樣車的平均排氣溫度與最高排氣溫度如圖4所示,可見其最高排氣溫度皆保持在300℃以下,無熱老化情況.而排氣溫度本身對DOC工作效率也有很重要的影響,其高效區(qū)域在200~350℃,亦與本試驗條件較相近,溫度高于350℃會產(chǎn)生大量硫酸鹽,反而導(dǎo)致顆粒物排放升高.排除這兩方面因素,可認為DOC性能劣化主要為結(jié)焦,堵塞導(dǎo)致催化劑與尾氣接觸面變小等原因所致.

CDPF樣車的CO轉(zhuǎn)化效率呈先下降后上升并逐漸穩(wěn)定的趨勢,初裝時為最高值93.5%,行駛1.5′104km后下降至72.2%,之后進行了第一次高溫保養(yǎng),然而保養(yǎng)后的數(shù)據(jù)進一步下降至59.82%,可能是由于保養(yǎng)時CDPF中顆粒物燃燒不完全,導(dǎo)致捕集器小孔后端的氣流含氧量不足從而產(chǎn)生CO[7].行駛里程進一步達到3′104km與4′104km時,CO轉(zhuǎn)化效率回升至69.6%與73.9%.

安裝DOC+CDPF的樣車在0~8′104km里程段, CO轉(zhuǎn)化效率始終維持在較高水平且變化幅度在6%之內(nèi),最低與最高值分別為3′104km處的84.0%與8′104km處的89.9%.隨著行駛里程增加到12′104km, CO的轉(zhuǎn)化效率驟降至19.3%,可見當(dāng)行駛里程超過上述范圍后,DOC+CDPF的CO凈化性能劣化明顯.

三者相比較而言,DOC在劣化前的CO轉(zhuǎn)化效率可保持在70%以上;單獨使用CDPF雖無明顯劣化現(xiàn)象,但工作穩(wěn)定性差,CO轉(zhuǎn)化效率低,而高溫保養(yǎng)在維持其CO減排性能方面亦無良好效果,顆粒物燃燒不徹底可能反而使CO排放增加而導(dǎo)致二次污染;DOC+CDPF聯(lián)合使用工作最為穩(wěn)定,DOC與CDPF各僅有一次轉(zhuǎn)化效率高于DOC+CDPF,整體而言DOC+CDPF的CO轉(zhuǎn)化效率更高,但當(dāng)行駛里程長達12′104km后其性能明顯下降.

2.3 THC排放

不同后處理裝置的THC轉(zhuǎn)化效率隨行駛里程的變化如圖5所示.

DOC樣車的THC轉(zhuǎn)化效率整體呈下降趨勢.初裝與3′104km測試時其數(shù)據(jù)分別為54.4%與46.3%,降幅較小.當(dāng)行駛里程達到4′104km時降至28.1%,降幅較大, 而于7′104km處THC轉(zhuǎn)化效率略微回升至32.6%,即DOC的THC轉(zhuǎn)化能力在超過4′104km后略有劣化,然而劣化程度不明顯,且隨著里程的進一步增加并無進一步劣化現(xiàn)象,其轉(zhuǎn)化效率維持在30%上下.

CDPF樣車THC轉(zhuǎn)化效率整體較低.初裝時為最高值32.0%,1.5′104km進行第一次高溫保養(yǎng)之前THC轉(zhuǎn)化效率大幅下降至7.4%,從其工作機理考慮,新鮮與保養(yǎng)后的捕集器靠壁面與壁面小孔進行補集,此為深床補集階段,而隨著顆粒物在壁面上累積并形成致密的餅層,為餅層補集階段,此時顆粒物粘附在壁面上導(dǎo)致催化劑與氣流接觸面積變小,會導(dǎo)致CDPF的THC凈化能力變差.保養(yǎng)燒去顆粒物后轉(zhuǎn)化效率有一定的回升,為15.8%,雖凈化能力有所恢復(fù),但可能由于顆粒物燃燒不完全,CDPF仍達不到其全新時的狀態(tài),轉(zhuǎn)化效率僅為初裝時的1/2.當(dāng)行駛里程再次增加1.5′104km,達到3′104km時,第二次保養(yǎng)前測得THC轉(zhuǎn)化效率僅為4.9%.當(dāng)行駛里程達到4′104km時,此時距離上次CDPF高溫保養(yǎng)里程差為1′104km,其轉(zhuǎn)化效率為17.4%,與保養(yǎng)后的CDPF狀態(tài)相近,轉(zhuǎn)化效率可觀.可見,當(dāng)CDPF自全新或保養(yǎng)后的狀態(tài)起,在行駛里程超過1′104km之前, CDPF能夠保持較為高效的工作狀態(tài),超過1′104km后,其性能才出現(xiàn)明顯劣化.因此,從維持THC凈化效率的角度而言,CDPF車的保養(yǎng)周期應(yīng)縮短至1′104km.

DOC+CDPF樣車的THC轉(zhuǎn)化效率呈逐步下降的趨勢.初裝時THC轉(zhuǎn)化效率為72.1%,1.5′104km,3′104km與4′104km時,THC轉(zhuǎn)化效率分別為84.0%,82.3%與79.9%,變化幅度在5%以內(nèi)且整體水平維持在80%上下.此后,隨著行駛里程增加,其轉(zhuǎn)化效率有所下降,在7′104km與8′104km處分別為66.7%與71.4%,至此劣化程度尚不明顯.當(dāng)行駛里程進一步增加后,12′104km處數(shù)據(jù)下降至27.7%,降幅超過50%,可認為, DOC+CDPF在行駛到達12′104km時,THC減排性能已明顯劣化.

三者比較而言,單獨使用CDPF的THC減排效果比DOC差,且CDPF劣勢還在于壽命短,需要定期進行高溫保養(yǎng),若單次保養(yǎng)后行駛超過1′104km還不進行保養(yǎng),其THC轉(zhuǎn)化能力會顯著惡化;DOC+CDPF的THC減排性能明顯優(yōu)于其他兩者且工作穩(wěn)定,與單獨使用DOC相比較, DOC+CDPF的THC的凈化能力幾乎可達DOC的兩倍,即在DOC的基礎(chǔ)上加裝CDPF,可有效強化其對THC的減排效果,因DOC發(fā)生氧化反應(yīng)會導(dǎo)致排氣溫度上升,從而提高之后CDPF催化劑的活性.然而這也會導(dǎo)致DOC與CDPF工作環(huán)境溫度更高,因此DOC+CDPF長期工作后的劣化程度較DOC也更明顯,到達12′104km時劣化顯著,轉(zhuǎn)化效率低于30%.此外,DOC老化后起燃溫度會有所升高,使再生窗口變窄[7],亦會進一步影響DOC+CDPF連續(xù)再生的效果,導(dǎo)致其性能劣化.

2.4 NOx排放

不同后處理裝置的NO轉(zhuǎn)化效率隨行駛里程的變化如圖6所示.

DOC樣車的NO轉(zhuǎn)化效率呈先下降后上升的趨勢,初裝,3′104km與4′104km處NO轉(zhuǎn)化效率逐步下降,分別為45.5%,24.5%與13.0%,隨行駛里程的增加凈化性能不斷變差.7′104km處的轉(zhuǎn)化效率為17.0%,可見當(dāng)樣車行駛里程超過4′104km后,DOC的NO凈化性能漸漸穩(wěn)定,不再進一步劣化.

CDPF樣車初裝時NO轉(zhuǎn)化效率為28.6%, 1.5′104km處第一次保養(yǎng)前,該數(shù)據(jù)大幅下降至13.1%,保養(yǎng)后進一步下降至8.2%,可見CDPF保養(yǎng)與否對其NO凈化效果并無直接影響.此后, 3′104km與4′104km的數(shù)據(jù)分別為17.0%與10.4%.而進一步綜合其保養(yǎng)情況考慮,自初裝到1.5′104kmCDPF的NO轉(zhuǎn)化效率有所下降后,其整體NO排放并無明顯規(guī)律,且轉(zhuǎn)化效率始終在20%以下,對NO無明顯凈化作用.

DOC+CDPF樣車的NO轉(zhuǎn)化效率整體呈先上升后下降趨勢,初裝,1.5′104km與3′104km時該數(shù)據(jù)緩緩上升,分別為22.4%,23.6%與27.0%,升幅在5%以內(nèi).此后NO轉(zhuǎn)化效率有較為明顯的下降,在4′104km,7′104km與8′104km分別為20.5%,15.9%與17.2%,可見DOC+CDPF的NO凈化性能在3~7′104km階段開始劣化,在7~8萬km階段則有所穩(wěn)定.當(dāng)行駛里程進一步累積至12′104km時, NO轉(zhuǎn)化效率大幅下降至0.3%,此時該后處理裝置幾乎沒有NO轉(zhuǎn)化效果,DOC+ CDPF嚴重劣化.

綜合比較三者NO轉(zhuǎn)化效率,可見DOC與DOC+CDPF的NO凈化效果較好,能力相當(dāng),而在行駛里程超過8′104km之前,兩者工作狀態(tài)與劣化情況亦相當(dāng),當(dāng)行駛里程到達12′104km時,DOC+CDPF嚴重劣化,對NO再無凈化效果.查閱文獻可知,DOC雖對NO排放總量影響不顯著,但可將大量NO轉(zhuǎn)化為NO2,氧化反應(yīng)放熱后可提高排氣溫度,進而提高CDPF催化劑的活性.新鮮CDPF的NO轉(zhuǎn)化效率與前兩者相近,然而劣化較快,高效工作期短,保養(yǎng)亦無法有效恢復(fù)其能力,整體而言,減少NO排放效果較差.

3 結(jié)論

3.1 通過對后處理裝置的背壓與減排性能分析,可見不同后處理裝置需要保養(yǎng)的周期不同.DOC樣車行駛里程達到8′104km時DOC性能劣化,應(yīng)進行保養(yǎng);CDPF有效工作時間短,需要定期進行高溫保養(yǎng),周期應(yīng)為1′104km左右;DOC+ CDPF聯(lián)合使用時,在行駛里程達12′104km時才出現(xiàn)性能劣化現(xiàn)象,DOC+CDPF的連續(xù)再生效果可有效延長后處理裝置的工作壽命.

3.2 DOC性能劣化前,CO,THC與NO的平均轉(zhuǎn)化效率分別為78%,43%和27%,其中,在DOC基礎(chǔ)上加裝CDPF可有效提高THC減排效果;CDPF的CO,THC與NO平均轉(zhuǎn)化效率分別為74%,16%與15%,工作穩(wěn)定性差,性能劣化快,保養(yǎng)亦無法使其完全恢復(fù)到全新狀態(tài);DOC+ CDPF樣車的CO,THC與NO平均轉(zhuǎn)化效率分別為87%,76%與21%,其中,DOC在凈化CO與THC方面起主要作用,兩者聯(lián)合使用工作穩(wěn)定且效果最優(yōu),但當(dāng)行駛里程到達12′104km后性能顯著劣化.

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* 責(zé)任作者, 趙可心, zhaokexin525@163.com

Gaseous emission characteristics of diesel bus equipped with different after-treatments based on driving distance

LOU Di-ming, ZHAO Ke-xin*, TAN Pi-qiang, HU Zhi-yuan

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)., 2016,36(8)：2282~2288

In the long-term test, gaseous emission characteristics of 3diesel-buses equipped with DOC, CDPF and DOC+CDPF were periodically tested with PEMS to analyze the performance deterioration of different after-treatments while the driving distance increases. Results showed that the operating lifetime of DOC was around 80,000km. Its average reduction rates of CO, THC and NOwere respectively 78%, 43% and 27% before performance deterioration. The operating lifetime of CDPF was comparatively short, so periodic maintenance with high temperature was necessary, and the maintenance period should be around 10,000km. Its average reduction rates of CO, THC and NOwere respectively 74%, 16% and 15% before performance deterioration. The operating lifetime of DOC+CDPF was around 120000km. Its average reduction rates of CO, THC and NOwere respectively 87%, 76% and 21% before performance deterioration. The lifetime of after-treatment can be extended effectively by the the continuous regeneration of DOC+CDPF.

diesel oxidation catalyst；catalyzed diesel particulate filter；diesel-bus；driving-distance；performance deterioration

X511,X734.2,TK421+0.5

A

1000-6923(2016)08-2282-07

樓狄明(1963-),男,浙江東陽,教授,博士,主要研究方向為汽車發(fā)動機替代燃料技術(shù)和發(fā)動機排放控制后處理技術(shù).發(fā)表論文160余篇.

2016-01-11

上海科委課題(15DZ1205503)