DOC/DOC+CDPF對(duì)重型柴油車氣態(tài)物排放的影響*

樓狄明　劉影　譚丕強(qiáng)　胡志遠(yuǎn)

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

DOC/DOC+CDPF對(duì)重型柴油車氣態(tài)物排放的影響*

樓狄明劉影譚丕強(qiáng)胡志遠(yuǎn)

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

為研究后處理裝置對(duì)重型柴油車氣態(tài)物排放特性的影響，在重型底盤測(cè)功機(jī)上對(duì)一輛柴油公交車分別安裝DOC、DOC+CDPF后氣態(tài)物的排放特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，DOC和DOC+CDPF均能降低排氣中CO和THC的量，其中DOC在怠速和中低速工況下對(duì)CO的氧化率較低，高速下對(duì)THC的氧化率較低；DOC+CDPF的減排效果優(yōu)于DOC，且在不同工況下表現(xiàn)更加穩(wěn)定；2者均能降低NO的量，同時(shí)增加NO2的量，但對(duì)NOx總量的影響較小。

主題詞：重型柴油車DOCCDPF 氣態(tài)排放物

1　前言

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，通過后處理裝置進(jìn)行機(jī)外凈化已成為控制柴油車污染物排放的重要手段［1～2］。氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）用于氧化排氣中的CO、THC及PM中一部分有機(jī)可溶物SOF。催化型顆粒捕集器（CDPF）在顆粒捕集器（DPF）上涂覆催化劑以促進(jìn)再生，是降低顆粒物排放的有效途徑。兩者耦合工作，通過前端DOC將排氣中的NO氧化為NO2，生成的NO2與CDPF中捕集的碳煙反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)CDPF的連續(xù)再生。王軍方等人［3］的研究表明，DOC對(duì)于低轉(zhuǎn)速下不同粒徑范圍的顆粒物有一定降低作用，而對(duì)高轉(zhuǎn)速下粒徑大于120 nm的顆粒物降低不明顯。樓狄明等人［4～5］的臺(tái)架試驗(yàn)研究表明，DOC耦合CDPF對(duì)于聚集態(tài)顆粒物的捕集效果優(yōu)于核態(tài)顆粒物。馬榮、馮謙等人［6～8］通過催化劑小樣測(cè)試及臺(tái)架試驗(yàn)研究了DOC及DOC耦合CDPF對(duì)于柴油機(jī)氣態(tài)物排放的影響。此外，也有學(xué)者就DOC和DPF對(duì)顆粒微觀特性、柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、排氣背壓等方面的影響進(jìn)行了研究［9～11］。

目前研究人員多關(guān)注于后處理裝置對(duì)于顆粒物排放的影響，較少有對(duì)氣態(tài)物排放特性的研究；另外，研究多采用仿真或發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的方式［10～14］。而底盤測(cè)功機(jī)能在可控的試驗(yàn)條件下對(duì)實(shí)車排放水平進(jìn)行測(cè)量，有更好的可重復(fù)性和可比性，逐漸成為重要的整車排放評(píng)價(jià)手段［15］。

本文通過重型車底盤測(cè)功機(jī)排放測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)一輛柴油公交車分別安裝DOC、DOC+CDPF前后氣態(tài)物的排放特性進(jìn)行研究，探尋兩種后處理裝置對(duì)柴油機(jī)氣態(tài)物排放的影響。

2　試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的主要設(shè)備包括重型車底盤測(cè)功機(jī)和SEMTECH ECOSTAR車載尾氣分析系統(tǒng)。SEMTECH ECOSTAR車載尾氣分析系統(tǒng)由一系列具有獨(dú)立功能的模塊組成，包括排氣流量管與加熱采樣系統(tǒng)、燃油經(jīng)濟(jì)性分析儀、氮氧化物分析儀、總碳?xì)浞治鰞x等，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的CO、CO2、THC、NO、NO2等多種氣態(tài)物排放進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)分析，具有較高的精度。試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示。

2.2試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)車輛為一輛滿足國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油公交車。該車配有一臺(tái)排量為7.146 L的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率為177 kW，最大扭矩為920 N·m。

試驗(yàn)燃料為國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的0號(hào)柴油。

2.3試驗(yàn)用后處理裝置

本文分別采用一套DOC與一套封裝的DOC+CDPF裝置進(jìn)行試驗(yàn)。兩組裝置中，DOC的載體參數(shù)與催化劑組分均相同。所用DOC與CDPF的具體參數(shù)如表1所列。

表1　DOC與CDPF參數(shù)

2.4試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為3組進(jìn)行：

a.對(duì)試驗(yàn)車輛未安裝后處理裝置（即原車）時(shí)的氣態(tài)物排放進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

b.試驗(yàn)車輛安裝一套DOC裝置后，對(duì)其氣態(tài)物排放進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

c.試驗(yàn)車輛安裝一套封裝好的DOC耦合CDPF裝置后，對(duì)其氣態(tài)物排放進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)循環(huán)均采用中國典型城市公交循環(huán)（CCBC）。通過底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)對(duì)車輛行駛工況，包括速度、加速度等因素進(jìn)行控制。將整個(gè)循環(huán)工況點(diǎn)劃分為減速工況、怠速工況、低速工況、中速工況和高速工況。其中，加速度a≤-0.1 m/s2為減速工況；-0.1 m/s2≤a≤0.1 m/s2，且速度v≤0.5 m/s為怠速工況；a＞-0.1 m/s2，且0.5 m/s≤v＜20 m/s為低速工況；a＞-0.1 m/s2，且20 m/s≤v＜40 m/s為中速工況；a＞-0.1 m/s2，且40 m/s≤v＜60 m/s為高速工況。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1CO排放

試驗(yàn)車輛安裝不同后處理裝置前后，測(cè)試不同工況下的CO排放對(duì)比如圖2所示。

由圖2可知，在各個(gè)工況下，原車、安裝DOC及安裝DOC+CDPF后CO的排放率依次減小。其中，在怠速和中低速工況下，DOC對(duì)CO的氧化率較低，約為10%；在減速和高速工況下，DOC對(duì)CO的氧化率分別為35%和32%。整個(gè)循環(huán)的CO綜合排放率在安裝DOC后降低了17%；而不同工況下DOC+CDPF對(duì)CO均有較高的氧化率，平均為34%。這是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí)排氣溫度較低，未能達(dá)到DOC對(duì)CO的起燃溫度，對(duì)CO的氧化效果較差［16］；隨著負(fù)荷的提升，排氣溫度升高，對(duì)CO的氧化效果也隨之變好。而對(duì)于DOC+CDPF，由于CDPF中亦涂覆有催化劑涂層，為CO提供了更多活性位，且前端DOC氧化反應(yīng)會(huì)放出熱量，提高排氣溫度，從而有利于CO的氧化反應(yīng)。因此，安裝DOC+CDPF后對(duì)CO排放的降低效果優(yōu)于單獨(dú)安裝DOC時(shí)的效果。

3.2THC排放

試驗(yàn)車輛安裝不同后處理裝置前后，測(cè)試循環(huán)不同工況下THC的排放如圖3所示。由圖3可知，不同工況下，兩種后處理裝置對(duì)THC排放均有一定降低作用。DOC在低速和中速工況下對(duì)于THC的氧化效果較好，氧化率分別為43.0%和35.5%。由于負(fù)荷較低時(shí)尾氣中相對(duì)氧含量較高，從而有利于THC的氧化。而各工況下DOC+CDPF對(duì)于THC擁有更好的氧化效果，氧化效率為70%～87%。從整個(gè)循環(huán)的綜合排放率看，DOC對(duì)THC的氧化率為31.5%，而DOC+CDPF為80.0%，后者效果優(yōu)于前者。

后處理裝置對(duì)于THC的氧化效果受到多種因素的影響。不同催化劑對(duì)于THC氧化反應(yīng)的催化有一定選擇性，Pt對(duì)于飽和碳?xì)浠衔镉休^高的催化活性，而Pd對(duì)于不飽和碳?xì)浠衔锏幕钚暂^高［17～18］。另外，由于CO和THC在催化劑活性位存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，在CO存在時(shí)，Pt對(duì)于THC的氧化催化活性明顯降低，Pd的催化活性也受到一定抑制，而Rh對(duì)于芳香烴類的催化活性則會(huì)有一定上升［19］。由于CDPF中Pd的百分比較高，且含有一定的Rh，有利于排氣中不飽和碳?xì)浠衔锖头枷銦N類的催化氧化；另一方面前端DOC的氧化反應(yīng)提升了排氣溫度，從而有利于THC的氧化，因此DOC+CDPF比單獨(dú)使用DOC對(duì)THC的氧化效率更高。

3.3NOx排放

柴油車的NOx排放以NO與NO2為主，其安裝不同后處理裝置前后的排放特性分別如圖4和圖5所示。

由圖4可知，各個(gè)工況下兩種后處理裝置對(duì)于NO排放均略有降低作用，其中安裝DOC后NO的減排率平均為3%，安裝DOC+CDPF后則為6%，后者效果略優(yōu)于前者。NO在DOC和CDPF內(nèi)主要被氧化生成NO2，該氧化反應(yīng)受到許多因素的影響。首先，NO具有較低的氧化動(dòng)力，在排氣中有CO和THC存在的情況下，其氧化反應(yīng)將被延遲進(jìn)行，因此只有當(dāng)排氣中CO和THC濃度較低時(shí)，NO才能得到較為有效的氧化。同時(shí)，NO的氧化速率在低溫時(shí)受反應(yīng)動(dòng)力約束，高溫時(shí)受到熱力約束，其轉(zhuǎn)化率有一定限制。此外，該氧化反應(yīng)對(duì)于催化劑中毒也較為敏感，當(dāng)催化劑涂層受到硫、磷等影響時(shí)，NO的氧化轉(zhuǎn)化率將明顯降低［20］。

由圖5可知，DOC和DOC+CDPF在不同工況下均能一定程度增加NO2的排放。安裝DOC后NO2的排放是原車的1.3～1.7倍，安裝DOC+CDPF后NO2的排放是原車的1.7～2.8倍。由于CDPF內(nèi)催化劑作用，排氣中的NO得到了更好的氧化效果，因此比僅安裝DOC，安裝DOC+CDPF后生成的NO2更多。反應(yīng)生成的NO2是顆粒捕集器再生的重要因素。相比O2，NO2具有更強(qiáng)的氧化能力，在250℃即可在催化劑作用下與DPF內(nèi)的微粒發(fā)生氧化反應(yīng)［21～22］，從而在正常排氣溫度范圍內(nèi)無需其它加熱源即可實(shí)現(xiàn)DPF的被動(dòng)再生。

使用不同后處理裝置前后，車輛總的NOx排放特性如圖6所示?？芍?，在不同工況下DOC和DOC+CDPF均能略微減少NOx的排放。這是由于在NO的氧化反應(yīng)中，生成的NO2更易在催化劑載體表面吸附并形成硝酸鹽或亞硝酸鹽，而部分未被吸附的NO2則釋放到氣相中［23～24］；在高負(fù)荷、富燃的情況下，儲(chǔ)存的一部分硝酸鹽和亞硝酸鹽會(huì)發(fā)生分解，釋放NO2到氣相中。因此NOx的減少主要是由于其在催化劑上的吸附并形成鹽類。

DOC與DOC+CDPF后NO2占NOx總量的比例會(huì)有一定升高，如圖7所示。

安裝DOC或CDPF后，排氣中NO2/NOx受到多種因素的影響，其中影響最大的是排氣溫度，當(dāng)排氣溫度達(dá)到350℃時(shí)，NO2/NOx達(dá)到峰值，之后隨著溫度的上升該比例反而下降；在一定的排氣溫度下，排氣中的O2含量、PM/NOx以及后處理裝置的幾何尺寸也會(huì)對(duì)NO2/NOx造成影響；此外，CO的氧化率也是造成這一比例變化的因素之一［12］。文獻(xiàn)［12］中提到的CDPF后NO2/NOx較高，可達(dá)15%～50%，而本文試驗(yàn)結(jié)果中該比例僅不足8%。造成這一現(xiàn)象的原因是試驗(yàn)中后處理裝置進(jìn)口處的排氣溫度較低，對(duì)于CO、THC和NO的氧化造成了不利影響，由于NO在競(jìng)爭(zhēng)吸附中存在劣勢(shì)，尾氣中較高的CO和THC含量抑制了NO的氧化，從而使得NO2的生成率較低。

另外，由圖7可知，隨著車速增加，NO2占NOx比例有先上升再下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著車速增加，在高濃度的NO環(huán)境中，Pt表面會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使得NO與O-產(chǎn)生活性位競(jìng)爭(zhēng)，而O-在此競(jìng)爭(zhēng)中存在優(yōu)勢(shì)，會(huì)抑制NO在Pt上的吸附［8］，從而降低NO的反應(yīng)率。此外，排氣流量升高使得各成分接觸時(shí)間減少，也會(huì)對(duì)NO的氧化產(chǎn)生不利影響。

4　結(jié)束語

a.DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排氣中CO的量。其中，DOC在怠速和中低速工況下對(duì)CO的氧化效果較差，隨著車速增加氧化作用逐漸增強(qiáng)；而DOC+CDPF在各個(gè)工況下對(duì)CO均有較好的氧化效果。DOC+CDPF的效果優(yōu)于單獨(dú)使用DOC。

b.DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排氣中THC的量。其中，在低速和中速工況下，兩種后處理裝置對(duì)THC的氧化效果較好，而在高速工況下有所減弱。在各個(gè)工況下DOC+CDPF對(duì)THC的氧化作用比較穩(wěn)定，效果優(yōu)于單獨(dú)使用DOC。

c.DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排氣中NO的量，增加NO2的量，但對(duì)NOx總量幾乎無影響。各個(gè)工況下，這種作用效果相差不大。此外DOC和DOC+CDPF均能使得排氣中NO2占總氮氧化物的比例有所上升，且DOC+CDPF效果更為明顯。

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（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為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

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（15DZ1205503）。