基于PEMS的重型柴油車道路排放特性研究

樓狄明，王博，李澤宣

(同濟(jì)大學(xué)，上海 201804)

在能源日益緊缺的今天, 作為真正高耗能的重卡行業(yè), 低碳節(jié)能是其發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。重型柴油機(jī)憑借其高功率、高熱轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì), 在大功率車輛的配套應(yīng)用中不斷擴(kuò)大[1]。但重型柴油車排放的大量污染物如HC、CO、NOx、顆粒物對(duì)環(huán)境有很大的危害。隨著污染影響范圍逐漸擴(kuò)大、污染程度逐漸加劇，環(huán)境問(wèn)題引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[2-3]。因此，優(yōu)化重型柴油機(jī)排放的問(wèn)題迫在眉睫。

目前在重型柴油機(jī)上應(yīng)用最廣的方案是加裝DOC+CDPF 耦合裝置。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)臺(tái)架和轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)對(duì)DOC+CDPF進(jìn)行了大量的研究。張?jiān)嗜A等[4]基于重型轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)平臺(tái)，研究了重型柴油車加裝DOC+CDPF 前后，在不同工況下的氣態(tài)物及顆粒物排放因子變化規(guī)律。黃德軍等[5]研究了燃用高硫燃油對(duì)DOC的影響，發(fā)現(xiàn)選用高硫燃油會(huì)使DOC催化劑暫時(shí)中毒, 會(huì)降低催化劑的轉(zhuǎn)換效率。賀南等[6]基于重型底盤測(cè)功機(jī)，研究新鮮及老化DOC/CCRT對(duì)柴油機(jī)氣態(tài)物排放特性的影響。王軍方、王小臣、葛蘊(yùn)珊、Han M等[7-14]研究柴油機(jī)加裝DOC前后氣態(tài)物及顆粒物的排放特性。溫雅、馮謙等[15-17]基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，研究了柴油機(jī)加裝DOC+CDPF對(duì)其排放的影響。樓狄明等[18]研究了DOC+CDPF對(duì)生物柴油公交車排放特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)于純柴油公交車，DOC+CDPF對(duì)生物柴油公交車CO、THC的減排效果更好。雖基于臺(tái)架和轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)對(duì)DOC+CDPF的研究已經(jīng)很多，但比起臺(tái)架及轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)，車載排放試驗(yàn)可對(duì)行駛在實(shí)際道路上的車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，其真實(shí)性和可靠性更高。

因此，本研究基于PEMS車載排放測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)一輛安裝DOC+CDPF的重型柴油貨運(yùn)車進(jìn)行了3次不同行駛里程下的道路跟蹤排放測(cè)試。測(cè)試在不同行駛里程、不同行駛工況下，重型柴油車原車排放以及安裝DOC+CDPF后的CO、THC、NOx、PN、PM的排放特性。

1 試驗(yàn)裝置與方案

1.1 試驗(yàn)裝置

利用PEMS測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)一輛安裝DOC+CDPF的重型柴油貨運(yùn)車進(jìn)行了3次不同行駛里程下的道路跟蹤排放測(cè)試。圖1示出道路試驗(yàn)設(shè)備布置。試驗(yàn)車輛為陜汽重卡，其具體參數(shù)如表1所示。本次試驗(yàn)用的后處理裝置為DOC+CDPF耦合裝置，其詳細(xì)參數(shù)見表2。本次試驗(yàn)的排氣氣態(tài)物檢測(cè)設(shè)備為HORIBA OBS-2200氣態(tài)物排放檢測(cè)儀，可對(duì)CO、THC、NOx進(jìn)行測(cè)量。顆粒物檢測(cè)設(shè)備則采用TSI EEPS-3090粒徑譜儀，可實(shí)時(shí)測(cè)量出排氣中的PM、PN及顆粒物粒徑分布。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

表1 試驗(yàn)車輛參數(shù)

表2 DOC和CDPF技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

利用PEMS測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試在不同行駛里程下，重型柴油車的原車排放以及安裝DOC+CDPF后CO、THC、NOx、PN、PM的排放特性，并計(jì)算出其減排率。每次道路試驗(yàn)先后測(cè)量原車及DOC+CDPF后的排氣特性。道路跟蹤試驗(yàn)一共進(jìn)行了3次：第1次道路試驗(yàn)時(shí)初次安裝DOC+CDPF，車輛里程表計(jì)數(shù)為217 091 km；第2次道路試驗(yàn)時(shí)車輛安裝后處理裝置后累計(jì)行駛了53 915 km，車輛里程表計(jì)數(shù)為271 006 km；第3次道路試驗(yàn)時(shí)車輛安裝后處理裝置后累計(jì)行駛了78 004 km，車輛里程表計(jì)數(shù)為295 095 km。

本次試驗(yàn)工況分為模擬準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況以及自由行駛工況。模擬穩(wěn)態(tài)工況是車輛在0～60 km/h內(nèi)穩(wěn)定行駛，每間隔10 km/h取一測(cè)點(diǎn)，并保持勻速行駛1 min進(jìn)行采樣；自由行駛工況是駕駛員根據(jù)實(shí)際道路車流量情況駕駛車輛。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，把0～60 km/h的整個(gè)行駛過(guò)程劃分為減速、低速、中速、高速、加速5個(gè)區(qū)間。低速工況：0.5 km/h≤v<20 km/h，|a|<0.1 m/s2(v為速度，a為加速度)；中速工況：20 km/h≤v<40 km/h，|a|<0.1 m/s2；高速工況：40 km/h≤v<60 km/h，|a|<0.1 m/s2；加速工況：a>0.1 m/s2；減速工況：a<-0.1 m/s2。

2 結(jié)果與分析

2.1 排氣溫度分析

如圖2所示，排氣溫度隨車速的變化較明顯，且隨著車速的增大而逐漸升高，在60 km/h時(shí)達(dá)到峰值，其中第1次試驗(yàn)時(shí)排氣溫度最高，達(dá)到201 ℃。圖3示出3次試驗(yàn)的平均排氣溫度，從圖中可以看出，高速工況下，由于車輛平均速度最大，因此高速工況的平均排氣溫度最高，其值比低速工況下的平均排氣溫度高出接近40 ℃。

圖2 不同車速下的排氣溫度

圖3 不同行駛工況下的平均排氣溫度

2.2 CO排放分析

2.2.1不同行駛工況下CO排放分析

圖4示出在不同行駛工況下，原車及加裝DOC+CDPF后的CO排放因子。從圖中可以看出，CO排放因子在低速工況下最大，而在高速工況下最低，隨著車速的增加，CO排放因子逐漸降低。在加、減速工況下CO排放居中。究其原因，汽車在低速工況下運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較小，此時(shí)缸內(nèi)溫度很低，油滴霧化質(zhì)量差，附著在缸壁上的油膜蒸發(fā)速度慢，燃油和空氣混合不均勻，燃燒空間中存在局部缺氧和低溫的地方，導(dǎo)致機(jī)內(nèi)柴油燃燒不充分，進(jìn)而促使CO排放增加。隨著車速的提高，柴油機(jī)負(fù)荷增大，缸內(nèi)工作溫度升高，油滴的霧化質(zhì)量好，這使得缸內(nèi)燃燒更加充分，因此，CO排放會(huì)逐漸降低。再加上在高速工況下，車輛單位時(shí)間內(nèi)行駛的距離最大，綜合兩點(diǎn)考慮，在高速工況下，CO的排放因子最低。而在加速工況下，雖然缸內(nèi)溫度較高，但發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)加大噴油量，導(dǎo)致燃油和空氣混合不均勻，這也會(huì)加劇CO的排放。

圖4 不同行駛工況下原車及加裝DOC+CDPF后CO排放因子

圖5示出不同行駛工況下的CO減排率?？偟膩?lái)說(shuō)，在加裝了DOC+CDPF過(guò)后，CO排放顯著降低。這是因?yàn)樵贒OC中的催化劑鉑(Pt)、鈀(Pd)和CDPF的催化涂層的作用下，CO的化學(xué)反應(yīng)活化能降低，CO可以在低溫下被氧化成CO2，進(jìn)而起到降低CO排放的作用[13]。對(duì)于不同的行駛工況，一般來(lái)說(shuō)，低速工況下CO減排率最低，高速工況下CO減排率最高，隨著車速的增加，CO減排率也會(huì)提高。這是因?yàn)樵诤筇幚硌b置中，催化劑的活性與排氣溫度是成正比的關(guān)系，且催化劑的活性越強(qiáng)，CO就被氧化得越徹底。排氣溫度在高速工況下最高，因此，CO的減排率在高速工況時(shí)會(huì)達(dá)到峰值。

圖5 不同行駛工況下CO減排率

2.2.2不同行駛里程下CO排放分析

圖6示出不同行駛里程下原車及DOC+CDPF后CO的綜合排放因子及綜合減排率。從圖中可以看出，第1次試驗(yàn)的CO綜合排放因子和綜合減排率最高，分別為2.02 g/km，59.8%；第3次試驗(yàn)的CO綜合排放因子和綜合減排率最低，分別為1.7 g/km，48.9%。即隨著行駛里程的增加，CO的綜合減排率逐漸減小。造成上述現(xiàn)象的原因有三點(diǎn)：一是DOC的熱老化；二是DOC催化劑硫中毒；三是CDPF的老化。DOC的熱老化是指DOC長(zhǎng)期在高溫下工作，導(dǎo)致CO起燃溫度提高[6]，以致氧化效果下降；所謂DOC催化劑的硫中毒[5]，是指柴油中的硫在高溫下會(huì)生成硫酸鹽，硫酸鹽積累吸附在DOC催化劑上會(huì)降低催化劑的活性，從而使催化劑的轉(zhuǎn)化效率降低，導(dǎo)致CO的氧化效果惡化[17]；CDPF的老化是指過(guò)多的顆粒物吸附在CDPF的壁面上，阻塞通道，減小氣流通過(guò)量。雖然CDPF具有主、被動(dòng)再生功能，但是再生效率并不能達(dá)到100%。隨著車輛行駛里程的增加，顆粒物逐漸積累在壁面上，這使得CO與催化涂層的接觸面積降低，從而導(dǎo)致CO排放增加。

圖6 不同行駛里程下原車及加裝DOC+CDPF后CO綜合排放因子及綜合減排率

2.3 THC排放分析

2.3.1不同行駛工況下THC排放分析

圖7示出在不同行駛里程和不同工況下，原車及加裝DOC+CDPF后的THC排放因子。從圖中可以看出，跟CO排放因子相似，THC排放因子在低速工況下最大，而在高速工況下最低，隨著車速的增加，THC排放因子逐漸降低。在加、減速工況下THC排放則處于中間位置。造成上述現(xiàn)象的原因是，車輛在低速工況運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)負(fù)荷小，噴油量較少，缸內(nèi)溫度較低。當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ礁妆跁r(shí)，由于壁面溫度低，導(dǎo)致火焰淬熄，THC增多；附著在壁面的油滴蒸發(fā)速度慢，燃油與空氣混合較差，由于混合氣過(guò)稀或局部溫度過(guò)低，導(dǎo)致燃燒不充分，這也會(huì)使THC排放增多。從低速工況到高速工況，柴油機(jī)負(fù)荷增大，缸內(nèi)溫度壓力升高，燃燒更充分，THC排放隨之降低。

圖7 不同行駛工況下原車及加裝DOC+CDPF后THC排放因子

通過(guò)比較原車排放和經(jīng)過(guò)DOC+CDPF后的THC排放因子可以發(fā)現(xiàn)，DOC+CDPF可以顯著降低THC排放。這是因?yàn)镈OC的催化劑以及CDPF的催化涂層中均含有鉑和鈀，在鉑和鈀的催化作用下，THC在較低溫度下就能被O2氧化成CO2和水，從而起到降低THC排放的作用。圖8所示為不同行駛工況下THC的減排率。從圖中可以看出，在不同工況下，DOC+CDPF對(duì)THC的減排作用并不相同，整體上隨著行駛速度的增加，THC減排率逐漸提高。且在高速工況時(shí)，THC的減排率最高。這是因?yàn)榇呋瘎┑幕钚噪S排氣溫度的升高而增大，且催化劑的活性越強(qiáng)，THC的轉(zhuǎn)化效率就越高。而在高速工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度也最高。因此在高速工況時(shí)，THC的減排率最大。

圖8 不同行駛工況下THC減排率

2.3.2不同行駛里程下THC排放分析

圖9示出不同行駛里程下原車及DOC+CDPF后THC的綜合排放因子及綜合減排率。從圖中可以看出，第1次試驗(yàn)的THC綜合排放因子最高，為0.6 g/km，第2次試驗(yàn)的THC綜合排放因子最低，為0.39 g/km；第2次試驗(yàn)的THC綜合減排率最高，為53.5%；第1次試驗(yàn)的THC綜合減排率最低，為42.1%。隨著行駛里程的增加，THC的綜合減排率呈先增大后減小的趨勢(shì)，原因是在多次的持續(xù)使用過(guò)程中，DOC催化劑中的貴金屬顆粒物被激活，暴露的THC活性位增多，從而使減排率提高。當(dāng)減排率增大到一定值后，由于催化劑比表面積損失，造成催化結(jié)構(gòu)的坍塌和貴金屬的包埋[6]，導(dǎo)致對(duì)THC的催化效率下降，以致THC的減排率下降。同時(shí)，DOC催化劑的熱老化、硫中毒以及CDPF的老化同樣也是造成THC減排率下降的重要原因。

圖9 不同行駛里程下原車及加裝DOC+CDPF后THC綜合排放因子及綜合減排率

2.4 NOx排放分析

圖10示出在不同行駛工況下，原車的NOx排放因子。從圖中可以看出, NOx排放因子在低速工況下最低，而在高速工況下最高，隨著車速的增加，NOx排放因子逐漸升高。造成這種現(xiàn)象的原因是由于NOx的生成機(jī)理是高溫富氧，而柴油機(jī)大部分工況下過(guò)量空氣系數(shù)都是大于1的，即溫度是影響柴油機(jī)NOx排放的主要因素。從低速工況到高速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，缸內(nèi)溫度逐漸升高，因此NOx排放因子也逐漸增大。另一方面，縱觀整個(gè)DOC+CDPF裝置，在DOC中，NOx中的NO首先會(huì)被氧化成NO2，被氧化后的NO2流經(jīng)CDPF時(shí)會(huì)充當(dāng)氧化劑來(lái)氧化顆粒物，同時(shí)本身再次被還原為NO，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)氮的循環(huán)，因此理論上DOC+CDPF對(duì)NOx排放影響不大，在實(shí)際測(cè)試中DOC+CDPF在對(duì)NOx的減排作用上表現(xiàn)不佳[6,18-21]。所以針對(duì)DOC+CDPF在不同工況，不同行駛里程下對(duì)NOx的減排作用不做討論。

圖10 不同行駛工況下原車NOx排放因子

2.5 PN排放分析

2.5.1不同行駛工況下PN排放分析

圖11示出在不同行駛里程和不同工況下，原車及加裝DOC+CDPF后的PN排放因子?？梢钥闯?，PN排放因子在低速工況下最小，而在高速工況下最大，隨著車速的增加，PN排放因子逐漸升高。在加、減速工況下PN排放居中。造成這種現(xiàn)象的原因是：車輛在低速工況運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)負(fù)荷較小，缸內(nèi)溫度較低，燃燒不充分，這種環(huán)境有利于聚集態(tài)顆粒的生成。車輛由低速工況逐漸過(guò)渡到高速工況，由于負(fù)荷加大致使缸內(nèi)溫度升高，改善了缸內(nèi)燃燒狀況，這時(shí)的顆粒物則以核模態(tài)顆粒物為主[4]。綜上，PN排放因子與車速呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于加速工況，由于噴油量增多，油氣混合不均勻，缸內(nèi)存在局部過(guò)濃區(qū)域，燃燒惡化，也會(huì)導(dǎo)致PN排放增加。

圖11 不同行駛工況下原車及加裝DOC+CDPF后PN排放因子

車輛加裝DOC+CDPF后，PN顯著降低。究其原因，一方面是由于DOC可以對(duì)顆粒物中的SOF進(jìn)行氧化[14]，另一方面是因?yàn)镃DPF除了可以捕集顆粒物以外，還可以結(jié)合由DOC氧化生成的NO2，可以進(jìn)一步對(duì)顆粒物進(jìn)行氧化，從而降低PN排放。圖12示出不同行駛工況下PN的減排率。總的來(lái)說(shuō)，PN減排率隨速度增大而升高，在高速工況下減排率達(dá)到最大。這是因?yàn)榕艢鉁囟仍礁撸呋瘎┗钚栽綇?qiáng)，從而可以加劇顆粒物的氧化。由于在高速工況下排氣溫度最高，因此，PN減排率在高速工況下達(dá)到峰值。

圖12 不同行駛工況下PN減排率

2.5.2不同行駛里程下PN排放分析

圖13示出不同行駛里程下原車及DOC+CDPF后PN的綜合排放因子及綜合減排率。從圖中可以看出，3次試驗(yàn)的PN減排率分別為56.5%，99%，95.1%，PN減排率隨行駛里程的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。初裝DOC+CDPF時(shí)，其轉(zhuǎn)化效率并不高，待車輛行駛到一定里程數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)化效率開始增大。車輛繼續(xù)行駛到一定里程時(shí)，一方面由于再生不徹底造成CDPF堵塞，另一方面由于CDPF長(zhǎng)期在高溫下工作，造成催化結(jié)構(gòu)的坍塌和貴金屬的包埋。兩方面的原因使得DOC+CDPF對(duì)PN的轉(zhuǎn)化效率下降。

圖13 不同行駛里程下原車及加裝DOC+CDPF后PN綜合排放因子及綜合減排率

2.6 PM排放分析

2.6.1不同行駛工況下PM排放分析

圖14示出在不同行駛里程和不同工況下，原車及加裝DOC+CDPF后的PM排放因子?？梢钥闯觯囕v在低速工況下PM排放最高，高速工況下排放較低。這是因?yàn)榈退俟r運(yùn)行下，柴油機(jī)負(fù)荷較小，缸內(nèi)溫度較低，油滴霧化質(zhì)量差，燃燒不充分導(dǎo)致PM排放高。高速工況時(shí)，缸內(nèi)溫度高，改善了燃燒狀況，大顆粒物較少，從而導(dǎo)致PM排放減少。對(duì)于加速工況，同PN類似，由于噴油量增多，油氣混合不均勻，缸內(nèi)存在局部過(guò)濃區(qū)域，燃燒惡化，也會(huì)導(dǎo)致PM排放增加。

圖14 不同行駛里程不同工況下原車及加裝DOC+CDPF后PM排放因子

DOC+CDPF之所以能有效降低PM排放，是因?yàn)镃DPF對(duì)顆粒物有高效的捕集能力，而且其表面催化涂層可以促進(jìn)顆粒物氧化，從而降低排放。圖15示出不同行駛里程，不同工況下PM的減排率?？梢钥闯?，仍然是在高速工況下減排率最高，同PN類似，是由于排氣溫度促進(jìn)PM的轉(zhuǎn)化效率。

圖15 不同行駛工況下PM減排率

2.6.2不同行駛里程下PM排放分析

圖16示出不同行駛里程下原車及DOC+CDPF后PM綜合排放因子及綜合減排率?？梢钥闯觯?/p>

圖16 不同行駛里程下原車及加裝DOC+CDPF后PM綜合排放因子及綜合減排率

第1次試驗(yàn)的減排率為43.2%，隨著行駛里程的增加，PM減排率開始增大，在第2次試驗(yàn)時(shí)減排率達(dá)到87.3%。在車輛繼續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，由于顆粒物積累在壁面，導(dǎo)致CDPF老化，PM減排率開始下降，到第3次試驗(yàn)時(shí)減排率降低到了74.4%。

3 結(jié)論

a)隨著車速的增加，CO、THC、PM原車排放因子呈下降的趨勢(shì)，NOx、PN則呈上升的趨勢(shì)；

b)隨著車速的增加，排氣溫度逐漸升高，DOC+CDPF對(duì)CO、THC、PM、PN的減排性能逐漸增強(qiáng)，而DOC+CDPF對(duì)NOx排放影響不大；

c)隨著行駛里程的增加，DOC+CDPF對(duì)CO、NOx的減排性能逐漸惡化，而DOC+CDPF對(duì)THC、PN、PM的減排性能則呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。