DOC/DOC+CDPF对重型柴油车气态物排放的影响*

楼狄明　刘影　谭丕强　胡志远

（同济大学，上海 201804）

DOC/DOC+CDPF对重型柴油车气态物排放的影响*

楼狄明刘影谭丕强胡志远

（同济大学，上海 201804）

为研究后处理装置对重型柴油车气态物排放特性的影响，在重型底盘测功机上对一辆柴油公交车分别安装DOC、DOC+CDPF后气态物的排放特性进行试验研究。结果表明，DOC和DOC+CDPF均能降低排气中CO和THC的量，其中DOC在怠速和中低速工况下对CO的氧化率较低，高速下对THC的氧化率较低；DOC+CDPF的减排效果优于DOC，且在不同工况下表现更加稳定；2者均能降低NO的量，同时增加NO2的量，但对NOx总量的影响较小。

主题词：重型柴油车DOCCDPF 气态排放物

1　前言

随着排放法规的日益严格，通过后处理装置进行机外净化已成为控制柴油车污染物排放的重要手段［1～2］。氧化型催化转化器（DOC）用于氧化排气中的CO、THC及PM中一部分有机可溶物SOF。催化型颗粒捕集器（CDPF）在颗粒捕集器（DPF）上涂覆催化剂以促进再生，是降低颗粒物排放的有效途径。两者耦合工作，通过前端DOC将排气中的NO氧化为NO2，生成的NO2与CDPF中捕集的碳烟反应，实现CDPF的连续再生。王军方等人［3］的研究表明，DOC对于低转速下不同粒径范围的颗粒物有一定降低作用，而对高转速下粒径大于120 nm的颗粒物降低不明显。楼狄明等人［4～5］的台架试验研究表明，DOC耦合CDPF对于聚集态颗粒物的捕集效果优于核态颗粒物。马荣、冯谦等人［6～8］通过催化剂小样测试及台架试验研究了DOC及DOC耦合CDPF对于柴油机气态物排放的影响。此外，也有学者就DOC和DPF对颗粒微观特性、柴油机燃油经济性、排气背压等方面的影响进行了研究［9～11］。

目前研究人员多关注于后处理装置对于颗粒物排放的影响，较少有对气态物排放特性的研究；另外，研究多采用仿真或发动机台架试验的方式［10～14］。而底盘测功机能在可控的试验条件下对实车排放水平进行测量，有更好的可重复性和可比性，逐渐成为重要的整车排放评价手段［15］。

本文通过重型车底盘测功机排放测试系统，对一辆柴油公交车分别安装DOC、DOC+CDPF前后气态物的排放特性进行研究，探寻两种后处理装置对柴油机气态物排放的影响。

2　试验

2.1试验设备

试验所用的主要设备包括重型车底盘测功机和SEMTECH ECOSTAR车载尾气分析系统。SEMTECH ECOSTAR车载尾气分析系统由一系列具有独立功能的模块组成，包括排气流量管与加热采样系统、燃油经济性分析仪、氮氧化物分析仪、总碳氢分析仪等，可对发动机和整车的CO、CO2、THC、NO、NO2等多种气态物排放进行实时检测分析，具有较高的精度。试验系统布置如图1所示。

2.2试验车辆

试验车辆为一辆满足国Ⅲ排放标准的柴油公交车。该车配有一台排量为7.146 L的柴油发动机，额定功率为177 kW，最大扭矩为920 N·m。

试验燃料为国Ⅴ标准的0号柴油。

2.3试验用后处理装置

本文分别采用一套DOC与一套封装的DOC+CDPF装置进行试验。两组装置中，DOC的载体参数与催化剂组分均相同。所用DOC与CDPF的具体参数如表1所列。

表1　DOC与CDPF参数

2.4试验方案

试验分为3组进行：

a.对试验车辆未安装后处理装置（即原车）时的气态物排放进行监测；

b.试验车辆安装一套DOC装置后，对其气态物排放进行监测；

c.试验车辆安装一套封装好的DOC耦合CDPF装置后，对其气态物排放进行监测。

试验循环均采用中国典型城市公交循环（CCBC）。通过底盘测功机系统对车辆行驶工况，包括速度、加速度等因素进行控制。将整个循环工况点划分为减速工况、怠速工况、低速工况、中速工况和高速工况。其中，加速度a≤-0.1 m/s2为减速工况；-0.1 m/s2≤a≤0.1 m/s2，且速度v≤0.5 m/s为怠速工况；a＞-0.1 m/s2，且0.5 m/s≤v＜20 m/s为低速工况；a＞-0.1 m/s2，且20 m/s≤v＜40 m/s为中速工况；a＞-0.1 m/s2，且40 m/s≤v＜60 m/s为高速工况。

3　试验结果及分析

3.1CO排放

试验车辆安装不同后处理装置前后，测试不同工况下的CO排放对比如图2所示。

由图2可知，在各个工况下，原车、安装DOC及安装DOC+CDPF后CO的排放率依次减小。其中，在怠速和中低速工况下，DOC对CO的氧化率较低，约为10%；在减速和高速工况下，DOC对CO的氧化率分别为35%和32%。整个循环的CO综合排放率在安装DOC后降低了17%；而不同工况下DOC+CDPF对CO均有较高的氧化率，平均为34%。这是因为低负荷时排气温度较低，未能达到DOC对CO的起燃温度，对CO的氧化效果较差［16］；随着负荷的提升，排气温度升高，对CO的氧化效果也随之变好。而对于DOC+CDPF，由于CDPF中亦涂覆有催化剂涂层，为CO提供了更多活性位，且前端DOC氧化反应会放出热量，提高排气温度，从而有利于CO的氧化反应。因此，安装DOC+CDPF后对CO排放的降低效果优于单独安装DOC时的效果。

3.2THC排放

试验车辆安装不同后处理装置前后，测试循环不同工况下THC的排放如图3所示。由图3可知，不同工况下，两种后处理装置对THC排放均有一定降低作用。DOC在低速和中速工况下对于THC的氧化效果较好，氧化率分别为43.0%和35.5%。由于负荷较低时尾气中相对氧含量较高，从而有利于THC的氧化。而各工况下DOC+CDPF对于THC拥有更好的氧化效果，氧化效率为70%～87%。从整个循环的综合排放率看，DOC对THC的氧化率为31.5%，而DOC+CDPF为80.0%，后者效果优于前者。

后处理装置对于THC的氧化效果受到多种因素的影响。不同催化剂对于THC氧化反应的催化有一定选择性，Pt对于饱和碳氢化合物有较高的催化活性，而Pd对于不饱和碳氢化合物的活性较高［17～18］。另外，由于CO和THC在催化剂活性位存在竞争吸附，在CO存在时，Pt对于THC的氧化催化活性明显降低，Pd的催化活性也受到一定抑制，而Rh对于芳香烃类的催化活性则会有一定上升［19］。由于CDPF中Pd的百分比较高，且含有一定的Rh，有利于排气中不饱和碳氢化合物和芳香烃类的催化氧化；另一方面前端DOC的氧化反应提升了排气温度，从而有利于THC的氧化，因此DOC+CDPF比单独使用DOC对THC的氧化效率更高。

3.3NOx排放

柴油车的NOx排放以NO与NO2为主，其安装不同后处理装置前后的排放特性分别如图4和图5所示。

由图4可知，各个工况下两种后处理装置对于NO排放均略有降低作用，其中安装DOC后NO的减排率平均为3%，安装DOC+CDPF后则为6%，后者效果略优于前者。NO在DOC和CDPF内主要被氧化生成NO2，该氧化反应受到许多因素的影响。首先，NO具有较低的氧化动力，在排气中有CO和THC存在的情况下，其氧化反应将被延迟进行，因此只有当排气中CO和THC浓度较低时，NO才能得到较为有效的氧化。同时，NO的氧化速率在低温时受反应动力约束，高温时受到热力约束，其转化率有一定限制。此外，该氧化反应对于催化剂中毒也较为敏感，当催化剂涂层受到硫、磷等影响时，NO的氧化转化率将明显降低［20］。

由图5可知，DOC和DOC+CDPF在不同工况下均能一定程度增加NO2的排放。安装DOC后NO2的排放是原车的1.3～1.7倍，安装DOC+CDPF后NO2的排放是原车的1.7～2.8倍。由于CDPF内催化剂作用，排气中的NO得到了更好的氧化效果，因此比仅安装DOC，安装DOC+CDPF后生成的NO2更多。反应生成的NO2是颗粒捕集器再生的重要因素。相比O2，NO2具有更强的氧化能力，在250℃即可在催化剂作用下与DPF内的微粒发生氧化反应［21～22］，从而在正常排气温度范围内无需其它加热源即可实现DPF的被动再生。

使用不同后处理装置前后，车辆总的NOx排放特性如图6所示。可知，在不同工况下DOC和DOC+CDPF均能略微减少NOx的排放。这是由于在NO的氧化反应中，生成的NO2更易在催化剂载体表面吸附并形成硝酸盐或亚硝酸盐，而部分未被吸附的NO2则释放到气相中［23～24］；在高负荷、富燃的情况下，储存的一部分硝酸盐和亚硝酸盐会发生分解，释放NO2到气相中。因此NOx的减少主要是由于其在催化剂上的吸附并形成盐类。

DOC与DOC+CDPF后NO2占NOx总量的比例会有一定升高，如图7所示。

安装DOC或CDPF后，排气中NO2/NOx受到多种因素的影响，其中影响最大的是排气温度，当排气温度达到350℃时，NO2/NOx达到峰值，之后随着温度的上升该比例反而下降；在一定的排气温度下，排气中的O2含量、PM/NOx以及后处理装置的几何尺寸也会对NO2/NOx造成影响；此外，CO的氧化率也是造成这一比例变化的因素之一［12］。文献［12］中提到的CDPF后NO2/NOx较高，可达15%～50%，而本文试验结果中该比例仅不足8%。造成这一现象的原因是试验中后处理装置进口处的排气温度较低，对于CO、THC和NO的氧化造成了不利影响，由于NO在竞争吸附中存在劣势，尾气中较高的CO和THC含量抑制了NO的氧化，从而使得NO2的生成率较低。

另外，由图7可知，随着车速增加，NO2占NOx比例有先上升再下降的趋势。这是因为随着车速增加，在高浓度的NO环境中，Pt表面会产生饱和现象，使得NO与O-产生活性位竞争，而O-在此竞争中存在优势，会抑制NO在Pt上的吸附［8］，从而降低NO的反应率。此外，排气流量升高使得各成分接触时间减少，也会对NO的氧化产生不利影响。

4　结束语

a.DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排气中CO的量。其中，DOC在怠速和中低速工况下对CO的氧化效果较差，随着车速增加氧化作用逐渐增强；而DOC+CDPF在各个工况下对CO均有较好的氧化效果。DOC+CDPF的效果优于单独使用DOC。

b.DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排气中THC的量。其中，在低速和中速工况下，两种后处理装置对THC的氧化效果较好，而在高速工况下有所减弱。在各个工况下DOC+CDPF对THC的氧化作用比较稳定，效果优于单独使用DOC。

c.DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排气中NO的量，增加NO2的量，但对NOx总量几乎无影响。各个工况下，这种作用效果相差不大。此外DOC和DOC+CDPF均能使得排气中NO2占总氮氧化物的比例有所上升，且DOC+CDPF效果更为明显。

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（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年4月1日。

The Influences of DOC and DOC+CDPF on Gaseous Emissions of Heavy-Duty Diesel Vehicle

Lou Diming，Liu Ying，Tan Piqiang，Hu Zhiyuan
（Tongji University，Shanghai 201804）

To study the effects of after-treatment devices on the gaseous emission characteristic of heavy-duty diesel vehicles，the gaseous emission characteristics of a diesel transit bus equipped with DOC，DOC+CDPF is tested on the heavy chassis dynamometer.The results demonstrate that，both DOC and DOC+CDPF can reduce CO and THC emissions in the exhausts，in which the oxidation effect of DOC on CO in idling and low speed is relatively low，while that on THC is relatively low in high speed.DOC+CDPF has better emission reduction effect than DOC，and performs more steadily in different driving conditions.Both DOC and DOC+CDPF can reduce NO emission and increase NO2in the exhausts.However，they have only slight influences on the total amount of NOx.

Heavy-duty diesel vehicle，DOC，CDPF，Gaseous emission

U473.9

A

1000-3703（2016）10-0022-04

上海市科学技术委员会科研计划项目（15DZ1205503）。