-+CDPF對重型柴油車氣態(tài)物的影響

1、DOC/DOC+CDPF對重型柴油車氣態(tài)物排放的影響樓狄明，劉影，譚丕強，胡志遠(yuǎn)(同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804)【摘要】為研究后處理裝置對重型柴油車氣態(tài)物排放特性的影響，對一輛柴油公交車安裝氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、氧化催化轉(zhuǎn)化器耦合催化型顆粒捕集器(DOC+CDPF)后的氣態(tài)物，包括一氧化碳(CO)、總碳?xì)浠衔?THC)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO0及總氮氧化物(NOg)的排放特性，采用重型底盤測功機進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明：DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排氣中CO和THC的量，其中DOC在不同工況下作用效果波動較大，怠速和中低速工況下對CO的氧化率較低，高速下對T

2、HC的氧化率較低；DOC+CDPF的減排效果優(yōu)于單獨使用DOC,且在不同工況下表現(xiàn)更加穩(wěn)定；DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排氣中NO的量，同時增加NO馬的量，但對于NOx總量的影響較小，從而使得排氣中NO2占總氮氧化物的比例有所上升。關(guān)鍵詞：重型柴油車；氧化催化轉(zhuǎn)化器；催化型顆粒捕集器；氣態(tài)排放物TheInfluencesofDOCandDOC+CDPFonGaseousEmissionsofHeavy-DutyDieselVehicleLOUDi-ming,LIUYing,TANPi-qiang,HUZhi-yuan(SchoolofAutomotiveStudies,Tongj

3、iUniversity,Shanghai,201804)Abstract:Theinfluencesofdieselorganiccatalyst(DOC)anddieselorganiccatalystcombinedwithcatalyzeddieselparticulatefilter(DOC+CDPF)ongaseousemissions,suchascarbonmonoxide(CO),totalhydrocarbons(THC),nitricoxide(NO),nitrogendioxide(NO2)andnitrogenoxides(NOx)onadieselbuswerestu

4、diedthroughexperimentsontheheavychassisdynamometer,forthepurposetodiscusstheeffectsoftheseaftertreatmentdevicesontheemissionsofheavy-dutydieselvehicles.Theresultsdemonstratethefactsthat:bothDOCandDOC+CDPFcanreduceCOandTHCemissionsintheexhaustsinvaryingdegrees.TheeffectofDOCfluctuatesalittleindiffere

5、ntsituationstheoxidationrateofCOisrelativelylowinidlingandlowspeedcircumstances,whilethatofTHCisrelativelylowinhighspeedcircumstance.TheapplicationofDOC+CDPFonthebusismoreeffectivecomparedtothatofDOC,andperformsmoresteadilyindifferentdrivingconditions.BothDOCandDOC+CDPFcanreducetheemissionofNOandinc

6、reaseNOintheexhausts.However,theyhaveonlyslightinfluencesonthetotalamountofNOx,whichleadstotheincreaseofthepercentofNO2inNOx.Keywords:heavy-dutydieselvehicle;dieselorganiccatalyst;catalyzeddieselparticulatefilter;gaseousemission基金項目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目(15DZ1205503)作者及項目負(fù)責(zé)人簡介：樓狄明(1963-),男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方

7、向為發(fā)動機代用燃料及排放控制技術(shù),E-mail:loudiming引言作為傳統(tǒng)的動力源之一，柴油機以其良好的燃油經(jīng)濟性、動力性等特點廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，其污染物排放也日益受到關(guān)注。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，通過后處理裝置進(jìn)行機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(DieselOrganicCatalyst,DOC)用于氧化排氣中的CO、THC及PM中一部分有機可溶物SOF。催化型顆粒捕集器(CatalyzedDieselParticulateFilter,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

8、將排氣中的NO氧化為NO2,生成的NO?與CDPF中捕集的碳煙反應(yīng)，實現(xiàn)CDPF的連續(xù)再生。目前，相關(guān)研究多集中于安裝后處理裝置后顆粒物的排放特性。王軍方等人3的研究表明，DOC對于低轉(zhuǎn)速下不同粒徑范圍的顆粒物有一定降低作用，而對高轉(zhuǎn)速下粒徑大于120nm的顆粒物降低不明顯。樓狄明等人4-5的臺架試驗研究表明DOC耦合CDPF對于聚集態(tài)顆粒物的捕集效果優(yōu)于核態(tài)顆粒物；之后的實車道路試驗則表明在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下該裝置均有較好的顆粒減排效果，且對于顆粒粒徑分布規(guī)律有一定影響。在氣態(tài)物排放方面，馬榮等人6進(jìn)行了CDPF對于氮氧化物排放的數(shù)值模擬研究；馮謙等人通過催化劑小樣測試及臺架試驗研究了7-8D

9、OC及DOC耦合CDPF對于柴油機氣態(tài)物排放的影響。此外，也有學(xué)者就DOC和DPF對顆粒微觀特性、柴油機燃油經(jīng)濟性、排氣背壓等方面的影響進(jìn)行了研究9-11。由此可見，目前研究人員多關(guān)注于后處理裝置對于顆粒物排放的影響，較少有對氣態(tài)物排放特性的研究；另外，研究多采用仿真或發(fā)動機臺架試驗的方式10-14。臺架試驗中發(fā)動機的運行工況與車輛實際工況有一定差別，使得車輛實際的排放水平與臺架試驗結(jié)果有一定差異；而實車道路測試易受環(huán)境等多種因素影響。與兩者相比，底盤測功機能在可控的試驗條件下對實車排放水平進(jìn)行測量，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價手段15。本文通過重型車底盤測功機排放測試

10、系統(tǒng)，對一輛柴油公交車安裝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柴油機氣態(tài)物排放的影響。1試驗方案1.1 試驗設(shè)備試驗所用的主要設(shè)備包括重型車底盤測功機和SEMTECHECOSTAR車載尾氣分析系統(tǒng)。SEMTECHECOSTAR車載尾氣分析系統(tǒng)由一系列具有獨立功能的模塊組成，包括排氣流量管與加熱采樣系統(tǒng)、燃油經(jīng)濟性分析儀、氮氧化物分析儀、總碳?xì)浞治鰞x等，可對發(fā)動機和整車的CO,CO2,THC,NO,NO2等多種氣態(tài)物排放進(jìn)行實時檢測分析，擁有較高的精度。試驗系統(tǒng)布置如圖1所示。1.2 試驗車輛試驗車輛為一輛滿足國III排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油公交車。該車配有一臺排量為

11、7.146L的柴油發(fā)動機，額定功率為177kW,最大轉(zhuǎn)矩為920Nm。試驗燃料為國V標(biāo)準(zhǔn)的0#柴油。1.3 試驗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。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所示。表1DOC與CDPF參數(shù)參數(shù)DOCCDPF載體孔密度/cpsi400200載體過濾層壁厚/mm0.060.35載體孔隙率/%一55載體平均孔徑/mm1.211.45載體主要材料FeCrAl堇青石貴金屬種類Pt/Pd/RhPt/Pd/Rh貴金屬負(fù)載量55g/ft3,15g/ft3,10:1:010:2:1涂層rAl2O3A

12、l2O3+TQ21.4 試驗方案試驗分為三組進(jìn)行：A.對試驗車輛未安裝后處理裝置（即原車）時的氣態(tài)物排放進(jìn)行監(jiān)測；B.試驗車輛安裝一套DOC裝置后，對其氣態(tài)物排放進(jìn)行監(jiān)測；C.試驗車輛安裝一套封裝好的DOC耦合CDPF裝置（后面簡稱為DOC+CDPF）后，對其氣態(tài)物排放進(jìn)行監(jiān)測。試驗循環(huán)均采用中國典型城市公交循環(huán)（CCBC。通過底盤測功機系統(tǒng)對車輛行駛工況，包括速度、加速度等因素進(jìn)行控制。為方便討論，將整個循環(huán)工況點劃分為減速工況、怠速工況、低速工況、中速工況和高速工況，其中：加速度a<-0.1m/s2為減速工況；加速度-0.1m/s2<a<0.1m/s2,且速度vW0.5m

13、/s為怠速工況；加速度a>-0.1m/s2,且速度20.5m/swvv20m/s為低速工況;加速度a>-0.1m/s,且速度20m/s<v<40m/s為中速工況；加速度a>-0.1m/s2,且速度40m/s<v<60m/s為高速工況。2試驗結(jié)果及分析1sp放排碳化氧一2.1 CO排放試驗車輛安裝不同后處理裝置前后，在測試循環(huán)不同工況下的CO排放對比如圖3所示。0.030.0250.020.0150.010.0050口原車qDOC口DOC+CDPFi減速怠速低速中速高速全循環(huán)圖3不同工況下一氧化碳排放特性由圖3可得，在各個工況下，原車、安裝DOC及安裝D

14、OC+CDPF后CO的排放率（g/s）依次減小。其中，在怠速和中低速工況下，DOC對CO的氧化率較低，約為10%;在減速和高速工況下，DOC對CO的氧化率分別為35%和32%;整個循環(huán)的CO綜合排放率在安裝DOC后，降低了約17%。而不同工況下DOC+CDPF對CO均有較高的氧化率，平均為34%。這是因為低負(fù)荷時排氣溫度較低，未能達(dá)到DOC對CO的起燃溫度，對CO的氧化效果較差16;隨著負(fù)荷的提升，排氣溫度升高，對CO的氧化效果也隨之變好。而對于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)會放出熱量，提高排氣溫度，從而有利于CO的氧化反應(yīng)。因

15、此安裝DOC+CDPF后對CO排放的降低效果優(yōu)于單獨安裝DOC時的效果。2.2 THC排放試驗車輛安裝不同后處理裝置前后，在測試循環(huán)不同工況下總碳?xì)銽HC的排放如圖4所示。由圖4可知，不同工況下，兩種后處理裝置對THC排放均有一定降低作用。DOC在低速和中速工況下對于THC的氧化效果較好，氧化率分別為43%和35.5%o可能是由于負(fù)荷較低時尾氣中相對氧含量較高，從而有利于THC的氧化。而各工況下DOC+CDPF對于THC擁有更好的氧化效果，氧化效率為70%-87%。從整個循環(huán)的綜合排放率（mg/s）看，DOC對THC的氧化率為31.5%,而DOC+CDPF為80%,后者效果優(yōu)于前者。,5Q,5

16、Q,5Q221100sgm/放排物合化氫碳總速背速中圖4不同工況下總碳?xì)浠衔锱欧盘匦院筇幚硌b置對于THC的氧化效果受到多種因素的影響。不同催化劑對于THC氧化反應(yīng)的催化有一定選擇性，Pt對于飽和碳?xì)浠衔镉休^高的催化活性，而Pd對于不飽和碳?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爭吸附，M.J.Patterson等人的研究19表明在CO存在時，Pt對于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對于芳香煌類的催化活性則會有一定上升。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惖拇呋趸?；另一方面?/p>

17、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比單獨使用DOC對THC的氧化效率更高。2.3 氮氧化物排放柴油車的氮氧化物排放以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5和圖6所示。由圖5可知，各個工況下兩種后處理裝置對于NO排放均略有降低作用，其中安裝DOC后NO的減排率平均約為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，N

18、O才能得到較為有效的氧化。同時，NO的氧化速率在低溫時受反應(yīng)動力約束，高溫時受到熱力約束，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，NO的氧化轉(zhuǎn)化率將明顯降低20。由圖6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和DOC+CDPF均能略微減少NOx的排放。這是由1S9放排氮化氧一5251602oJoQooO口原車qDOC口DOC+CDPF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W勺N

19、O2則釋放到氣相中23-24；在高負(fù)荷、富燃的情況下，儲存的一部分硝酸鹽和亞硝酸鹽會發(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。由于NO的降低與NO2的升高，DOC與DOC+CDPF后NO2占氮氧化物總量的比例會有一定升高，如圖8所示。圖5不同工況下一氧化氮排放特性1_S9放排氮化氧二0.0120.010.0080.0060.0040.0020口原車BDOCg例比XO必oz中氣排10%8%6%4%2%0%減速怠速低速中速高速圖8不同工況下NO2/NOx排放比例減速怠速低速中速高速全循環(huán)圖6不同工況下二氧化氮排放特性1.sg放排物化氧氮原車QDOC口DO

20、C+CDPF-0減速怠速低速中速高速全循環(huán)圖7不同工況下總氮氧化物排放特性的排放是原車的1.7-2.8倍。NO2的主要來源為NO的催化氧化。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。因此比起僅安裝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。2,NO?具有更強的氧化能力，在250c左右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)無需其他加熱源即可實現(xiàn)DPF的被動再生。使用不同后處理裝置前后，車輛總的NOx排放特性如圖7所示。由圖7可知，在不同工況下DOC文獻(xiàn)12中對這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究，結(jié)

21、果表明，安裝DOC或CDPF后，排氣中NO2/NOx比例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350c左右時，NO2/NOX比例達(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比例以及后處理裝置的幾何尺寸也會對NO2/NOx比例造成影響；此外，CO的氧化率也是造成這一比例變化的因素之一。不過，上述文獻(xiàn)中提到的CDPF后NO2/NOX比例較高，可達(dá)15%50%,而本文試驗結(jié)果中該比仞僅不足8%。造成這一現(xiàn)象的原因可能是試驗中后處理裝置進(jìn)口處的排氣溫度較低，對于CO、THC和NO的氧化造成了不利影響，由于NO在競爭吸附中存在劣勢，

22、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8可知，隨著車速增加，NO2占總氮氧化物比例有先上升再下降的趨勢。這是因為隨著車速增加，在高濃度的NO環(huán)境中，Pt表面會產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使得NO與O-產(chǎn)生活性位競爭，而O-在此競爭中存在優(yōu)勢，會抑制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間減少，也會對NO的氧化產(chǎn)生不利影響。3.結(jié)論本文對一輛柴油公交車安裝氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、氧化催化轉(zhuǎn)化器耦合催化型顆粒捕集器(DOC+CDPF)及未安裝后處理裝置時氣態(tài)物的排放特性進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果如下(1) DOC和DOC+CDPF

23、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CO的氧化效果較差，隨著車速增加氧化作用逐漸增強；而DOC+CDPF在各個工況下對CO均有較好的氧化效果。DOC+CDPF的效果優(yōu)于單獨使用DOC。(2) 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THC的氧化效果較好，而在高速工況下有所減弱。在各個工況下DOC+CDPF對THC的氧化作用比較穩(wěn)定，效果優(yōu)于單獨使用DOC。(3) 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NOX總量幾乎無影響。各個工況下，這種作用效果相差不大。此外D

24、OC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。參考文獻(xiàn)1賀泓，翁端，資新運.柴油車尾氣排放污染控制技術(shù)綜述J.2007,28(6):1169-1177.2 帥石金，唐韜，趙彥光，華倫.柴油車排放法規(guī)及后處理技術(shù)的現(xiàn)與展望J.汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2012,3(3):200-217.3 王軍方，丁焰，尹航，葛蘊珊，王小臣，譚建偉，何超.DOC技術(shù)對柴油機排放顆粒物數(shù)濃度的影響J.環(huán)境科學(xué)研究，2011,24(7):711-715.4 樓狄明，溫雅，譚丕強，紀(jì)麗偉.連續(xù)再生顆粒捕集器對柴油機顆粒排放的影響J.同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014,

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26、特性影響的研究D.河南科技大學(xué)，2014.10胡俊，孫平，梅德清，張敏.顆粒捕集器捕集效率及對柴油機性能影響的研究J.機械設(shè)計與制造，2013(6):134-136.11龔金科，龍罡，蔡皓，吳鋼,余明果.催化型微粒捕集器的再生與壓降數(shù)值研究J.環(huán)境工程學(xué)報，2011,5(12):2820-2824.12 HeC,LiJ,MaZ,TanJ,ZhaoL.HighNO2/NOXemissionsdownstreamofthecatalyticdieselparticulatefilter:AninfluencingfactorstudyJ.JournalofEnvironmentalSciences

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