不同后处理装置对柴油车排放特性的影响——基于行驶里程的后处理装置对柴油公交车气态物排放特性的影响

楼狄明,赵可心,谭丕强,胡志远



不同后处理装置对柴油车排放特性的影响——基于行驶里程的后处理装置对柴油公交车气态物排放特性的影响

楼狄明,赵可心*,谭丕强,胡志远

(同济大学汽车学院,上海 201804)

三辆柴油公交车分别安装柴油机氧化催化器(DOC),催化型颗粒捕集器(CDPF)与DOC+CDPF三种后处理装置,采用便携式排放测试系统PEMS进行测试,研究整车THC,CO与NO等气态物排放性能随行驶里程的变化规律.研究结果表明:对于加装了DOC的公交车,行驶里程达到8万km时DOC性能劣化,应进行保养,此前CO,THC与NO的平均转化效率分别为78%,43%和27%;CDPF有效工作时间短,需要定期进行高温保养,周期应为1万km左右,加装CDPF的公交车CO,THC与NO平均转化效率分别为74%,16%与15%;DOC+CDPF在行驶里程达12万km时才出现性能劣化现象,此前加装该后处理装置后的公交车CO,THC与NO平均转化效率分别为87%,76%与21%.DOC+CDPF的连续再生效果可有效延长后处理装置的工作寿命.

DOC；CDPF；柴油公交车；行驶里程；性能劣化

DOC作为一项目前较为成熟的后处理技术,能通过催化氧化反应明显降低柴油机HC, CO等排放[4-6],尾气温度较低时,其净化能力即可达50%左右,而尾气温度超过240℃后,能够净化超过80%的HC与全部CO[7].通过减少可溶性有机组分(SOF)等方式,DOC亦可间接减少颗粒物排放[8].

DPF可有效净化排气中的颗粒物,为避免捕集器堵死而功能劣化,其关键技术在于再生.其中,被动再生为颗粒无控制器干预情况下持续燃烧[9],DOC+DPF即属于被动再生,即在DPF前置DOC,DOC将排气中的NO氧化为具有强氧化性的NO2,与DPF中的颗粒物反应生成CO2和N2,并提高排气温度,实现DPF的连续再生.CDPF的载体表面则涂有催化剂,促使颗粒物在排气温度下燃烧,因此, DOC+CDPF再生能力更强,对颗粒物中的有机成分净化能力也更强,亦提高了对HC与CO的转化效果.研究表明,两者结合使用后,仅需200~300℃的排气温度即可达到DPF再生,且对柴油含硫量要求较低[10-13]. DOC与CDPF组合使用,可有效延长后处理装置的工作寿命.

国内外现阶段进行的相关研究,大部分基于发动机台架试验.而本文则采用便携式排放测试系统PEMS进行整车实际道路排放检测,研究DOC,CDPF与DOC+CDPF三种后处理装置对气态污染物CO,THC和NO排放的净化效果,以及随着行驶里程增加,气态物排放特性的变化.

1 试验设备及方案

1.1 试验燃料与样车

试验样车燃用-10号国V柴油[18],理化特性见表1.

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

试验采用了三辆柴油公交车作为样车,分别加装DOC,CDPF和DOC+CDPF后处理装置进行试验.样车发动机型号为道依茨D7E240,采用自动变速器,排量为7.1L,功率为177/2300[kW/ (r/min)],转矩为920/1200-1700[N×m/(r/min)],且原车为国III排放标准[19].

1.2 试验用后处理装置

试验中所用的DOC与CDPF具体参数如表2所示,DOC+CDPF即为两者组合.

魏晋南北朝时期是中华民族发展的重要阶段，北方各少数民族与汉族在生存方式、生活习惯上不断融合发展，“无论政治制度，经济生活，礼仪风俗，学术思想等，都不是汉族单一类型的，而是以汉族文化为主，对国内各少数民族文化和外来文化兼收并蓄，包罗宏富。”[5]乐府诗歌正是当时社会生活的鲜明体现。各民族之间长时间的杂处，生活习俗逐渐相互渗透与融合。氐族的人民“其俗、语不与中国同。及羌杂胡同，各自有姓，姓如中国之姓矣……多知中国语，由与中国错居故也。”[6]反映出氐族的人民已经开始使用中原传统文化中的姓来区别人，并且熟知中原语言。

表2 DOC与CDPF具体参数 Table 2 Parameters of DOC and CDPF

1.3 试验仪器

采用便携式排放测试系统(Portable Emission Measurement System,简称PEMS),车载气态物排放测试仪日本HORIBA公司OBS2200可测实际道路尾气排放中CO,CO2,THC和NO四种气态排放物,分析仪的检测数据和传感器的数据通过控制软件储存在控制计算机中,根据GPS传感器测量的车速和经纬度信号绘制出车辆的行驶路线,通过气态排放物的体积排放浓度和流量计算出污染物的质量排放和燃油消耗量,结合车速数据进一步得到车辆各气态污染物的单位里程排放量.

1.4 试验方案

实际道路试验受到较多不可控因素的影响(如天气,空调,路况,各驾驶员不同的驾驶习惯等),为尽量减少对试验结果的影响,试验期间空调关闭,测试路段皆为上海市较空旷,路口少的路段;试验工况为稳态工况,如图1所示,即车辆于规定车速(怠速,5,10,15,20,30,40,50,60km/h)各匀速行驶60s.

各样车试验进行的总体实际情况如表3所示, 因CDPF本身单独使用时的再生问题,为维持其性能,需进行24h高温保养处理.试验行驶里程的具体设计依据于2.1节中具体讨论.

本次试验通过计算各排放物的全里程综合排放因子,并将三辆样车加装后处理装置后的排放因子分别与其对应的原车排放因子进行计算,得到相应的气态物转化效率.公交车综合排放因子采用基于美国EPA MOVES的综合因子计算方法.

表3 样车行驶里程统计 Table 3 Driving Distance of Buses

2 结果分析

2.1 进出口压差

背压是判断后处理装置工作状态的重要标志之一.本文通过测试样车进出口压力,计算压差,初步判断后处理装置的使用寿命,并以此为据安排试验计划.图2为3辆样车平均进出口压差随行驶里程的变化.

由该图可见,DOC样车的压差呈先下降后上升的趋势,然而在行驶里程到达4´104km之前,测试的最大值与最小值分别为0.043kPa与0.008kPa,压差的变化幅度不大且皆保持在较低水平,DOC工作状态良好.而当行驶里程到达7´104km时,压差大幅升高至0.162kPa,相较前3次测试的平均水平升高了7倍有余,DOC明显劣化,判断其应进行保养以维持减排性能.

CDPF样车在1.5´104km处进行了第一次24h高温保养处理,清除堵塞CDPF的颗粒,并于保养前后进行了测试.如图所示,初装时其压差为0.025kPa,与之相比,第1次保养前压差上升至0.086kPa,保养后下降至0.058kPa,可见高温保养虽能一定程度降低CDPF背压,但效果不明显,不足以使之恢复到初装时的状态.当行驶里程进一步累积至3´104km时,进行了第2次高温保养,保养前测得压差数据为0.073kPa,较之前上升了25.86%,至此,CDPF压差随行驶里程的累积升幅较小.行驶里程到达4´104km时,压差明显上升,达到0.201kPa,CDPF性能显著劣化,至此不再进行后续试验.

DOC+CDPF的压差随行驶里程的累积整体呈上升趋势,在行驶里程超过8´104km之前,其最高值为0.146kPa,最低值为初装时的0.026kPa,虽有所波动,但始终维持在0.15kPa以下,可认为DOC+CDPF尚无劣化现象.而当行驶里程达到12´104km时,压差明显升高至0.246kPa,后处理装置有所劣化,判断其应进行保养以维持减排性能.

2.2 CO排放

不同后处理装置对CO转化效率随行驶里程的变化如图3所示.

DOC样车的CO转化效率呈先上升后下降的趋势.初装时的转化效率为70.6%,3´104km时上升至最高值88.0%, 4´104km时下降至74.8%,变化幅度在20%以内且维持在70%以上,可认为DOC工作状态良好.当行驶里程累积至7´104km时,CO转化效率大幅下降至54.1%,DOC性能明显劣化.引起DOC性能劣化的因素之一为化学中毒, DOC在高硫柴油作用下[15-17]催化氧化能力会大大减弱,加快老化.本试验采用超低硫柴油(硫含量仅为1.4mg/kg),从这一方面较好保证了其使用寿命;高温导致的热老化亦可使DOC劣化,热老化主要为催化器长期处于650℃的工作环境中导致贵金属烧结.本试验DOC样车的平均排气温度与最高排气温度如图4所示,可见其最高排气温度皆保持在300℃以下,无热老化情况.而排气温度本身对DOC工作效率也有很重要的影响,其高效区域在200~350℃,亦与本试验条件较相近,温度高于350℃会产生大量硫酸盐,反而导致颗粒物排放升高.排除这两方面因素,可认为DOC性能劣化主要为结焦,堵塞导致催化剂与尾气接触面变小等原因所致.

CDPF样车的CO转化效率呈先下降后上升并逐渐稳定的趋势,初装时为最高值93.5%,行驶1.5´104km后下降至72.2%,之后进行了第一次高温保养,然而保养后的数据进一步下降至59.82%,可能是由于保养时CDPF中颗粒物燃烧不完全,导致捕集器小孔后端的气流含氧量不足从而产生CO[7].行驶里程进一步达到3´104km与4´104km时,CO转化效率回升至69.6%与73.9%.

安装DOC+CDPF的样车在0~8´104km里程段, CO转化效率始终维持在较高水平且变化幅度在6%之内,最低与最高值分别为3´104km处的84.0%与8´104km处的89.9%.随着行驶里程增加到12´104km, CO的转化效率骤降至19.3%,可见当行驶里程超过上述范围后,DOC+CDPF的CO净化性能劣化明显.

三者相比较而言,DOC在劣化前的CO转化效率可保持在70%以上;单独使用CDPF虽无明显劣化现象,但工作稳定性差,CO转化效率低,而高温保养在维持其CO减排性能方面亦无良好效果,颗粒物燃烧不彻底可能反而使CO排放增加而导致二次污染;DOC+CDPF联合使用工作最为稳定,DOC与CDPF各仅有一次转化效率高于DOC+CDPF,整体而言DOC+CDPF的CO转化效率更高,但当行驶里程长达12´104km后其性能明显下降.

2.3 THC排放

不同后处理装置的THC转化效率随行驶里程的变化如图5所示.

DOC样车的THC转化效率整体呈下降趋势.初装与3´104km测试时其数据分别为54.4%与46.3%,降幅较小.当行驶里程达到4´104km时降至28.1%,降幅较大, 而于7´104km处THC转化效率略微回升至32.6%,即DOC的THC转化能力在超过4´104km后略有劣化,然而劣化程度不明显,且随着里程的进一步增加并无进一步劣化现象,其转化效率维持在30%上下.

CDPF样车THC转化效率整体较低.初装时为最高值32.0%,1.5´104km进行第一次高温保养之前THC转化效率大幅下降至7.4%,从其工作机理考虑,新鲜与保养后的捕集器靠壁面与壁面小孔进行补集,此为深床补集阶段,而随着颗粒物在壁面上累积并形成致密的饼层,为饼层补集阶段,此时颗粒物粘附在壁面上导致催化剂与气流接触面积变小,会导致CDPF的THC净化能力变差.保养烧去颗粒物后转化效率有一定的回升,为15.8%,虽净化能力有所恢复,但可能由于颗粒物燃烧不完全,CDPF仍达不到其全新时的状态,转化效率仅为初装时的1/2.当行驶里程再次增加1.5´104km,达到3´104km时,第二次保养前测得THC转化效率仅为4.9%.当行驶里程达到4´104km时,此时距离上次CDPF高温保养里程差为1´104km,其转化效率为17.4%,与保养后的CDPF状态相近,转化效率可观.可见,当CDPF自全新或保养后的状态起,在行驶里程超过1´104km之前, CDPF能够保持较为高效的工作状态,超过1´104km后,其性能才出现明显劣化.因此,从维持THC净化效率的角度而言,CDPF车的保养周期应缩短至1´104km.

DOC+CDPF样车的THC转化效率呈逐步下降的趋势.初装时THC转化效率为72.1%,1.5´104km,3´104km与4´104km时,THC转化效率分别为84.0%,82.3%与79.9%,变化幅度在5%以内且整体水平维持在80%上下.此后,随着行驶里程增加,其转化效率有所下降,在7´104km与8´104km处分别为66.7%与71.4%,至此劣化程度尚不明显.当行驶里程进一步增加后,12´104km处数据下降至27.7%,降幅超过50%,可认为, DOC+CDPF在行驶到达12´104km时,THC减排性能已明显劣化.

三者比较而言,单独使用CDPF的THC减排效果比DOC差,且CDPF劣势还在于寿命短,需要定期进行高温保养,若单次保养后行驶超过1´104km还不进行保养,其THC转化能力会显著恶化;DOC+CDPF的THC减排性能明显优于其他两者且工作稳定,与单独使用DOC相比较, DOC+CDPF的THC的净化能力几乎可达DOC的两倍,即在DOC的基础上加装CDPF,可有效强化其对THC的减排效果,因DOC发生氧化反应会导致排气温度上升,从而提高之后CDPF催化剂的活性.然而这也会导致DOC与CDPF工作环境温度更高,因此DOC+CDPF长期工作后的劣化程度较DOC也更明显,到达12´104km时劣化显著,转化效率低于30%.此外,DOC老化后起燃温度会有所升高,使再生窗口变窄[7],亦会进一步影响DOC+CDPF连续再生的效果,导致其性能劣化.

2.4 NOx排放

不同后处理装置的NO转化效率随行驶里程的变化如图6所示.

DOC样车的NO转化效率呈先下降后上升的趋势,初装,3´104km与4´104km处NO转化效率逐步下降,分别为45.5%,24.5%与13.0%,随行驶里程的增加净化性能不断变差.7´104km处的转化效率为17.0%,可见当样车行驶里程超过4´104km后,DOC的NO净化性能渐渐稳定,不再进一步劣化.

CDPF样车初装时NO转化效率为28.6%, 1.5´104km处第一次保养前,该数据大幅下降至13.1%,保养后进一步下降至8.2%,可见CDPF保养与否对其NO净化效果并无直接影响.此后, 3´104km与4´104km的数据分别为17.0%与10.4%.而进一步综合其保养情况考虑,自初装到1.5´104kmCDPF的NO转化效率有所下降后,其整体NO排放并无明显规律,且转化效率始终在20%以下,对NO无明显净化作用.

DOC+CDPF样车的NO转化效率整体呈先上升后下降趋势,初装,1.5´104km与3´104km时该数据缓缓上升,分别为22.4%,23.6%与27.0%,升幅在5%以内.此后NO转化效率有较为明显的下降,在4´104km,7´104km与8´104km分别为20.5%,15.9%与17.2%,可见DOC+CDPF的NO净化性能在3~7´104km阶段开始劣化,在7~8万km阶段则有所稳定.当行驶里程进一步累积至12´104km时, NO转化效率大幅下降至0.3%,此时该后处理装置几乎没有NO转化效果,DOC+ CDPF严重劣化.

综合比较三者NO转化效率,可见DOC与DOC+CDPF的NO净化效果较好,能力相当,而在行驶里程超过8´104km之前,两者工作状态与劣化情况亦相当,当行驶里程到达12´104km时,DOC+CDPF严重劣化,对NO再无净化效果.查阅文献可知,DOC虽对NO排放总量影响不显著,但可将大量NO转化为NO2,氧化反应放热后可提高排气温度,进而提高CDPF催化剂的活性.新鲜CDPF的NO转化效率与前两者相近,然而劣化较快,高效工作期短,保养亦无法有效恢复其能力,整体而言,减少NO排放效果较差.

3 结论

3.1 通过对后处理装置的背压与减排性能分析,可见不同后处理装置需要保养的周期不同.DOC样车行驶里程达到8´104km时DOC性能劣化,应进行保养;CDPF有效工作时间短,需要定期进行高温保养,周期应为1´104km左右;DOC+ CDPF联合使用时,在行驶里程达12´104km时才出现性能劣化现象,DOC+CDPF的连续再生效果可有效延长后处理装置的工作寿命.

3.2 DOC性能劣化前,CO,THC与NO的平均转化效率分别为78%,43%和27%,其中,在DOC基础上加装CDPF可有效提高THC减排效果;CDPF的CO,THC与NO平均转化效率分别为74%,16%与15%,工作稳定性差,性能劣化快,保养亦无法使其完全恢复到全新状态;DOC+ CDPF样车的CO,THC与NO平均转化效率分别为87%,76%与21%,其中,DOC在净化CO与THC方面起主要作用,两者联合使用工作稳定且效果最优,但当行驶里程到达12´104km后性能显著劣化.

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* 责任作者, 赵可心, 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

楼狄明(1963-),男,浙江东阳,教授,博士,主要研究方向为汽车发动机替代燃料技术和发动机排放控制后处理技术.发表论文160余篇.

2016-01-11

上海科委课题(15DZ1205503)