DOC+CDPF對生物柴油公交車排放特性的影響

樓狄明,張 靜,張允華,胡志遠,譚丕強

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DOC+CDPF對生物柴油公交車排放特性的影響

樓狄明*,張 靜,張允華,胡志遠,譚丕強

(同濟大學汽車學院,上海 201804)

采用便攜式排放測試系統PEMS,研究某加裝催化型連續再生顆粒捕集器(DOC+CDPF)的柴油公交車長期燃用生物柴油混合燃料B5時,整車常規氣態物和顆粒物排放性能隨行駛里程的變化規律.結果表明:隨行駛里程的增加,一氧化碳(CO),總碳氫化合物(THC),顆粒物質量(PM)減排率均呈先增后減的趨勢,THC減排率在行駛里程達到2.5×104km之前呈上升趨勢,之后呈降低趨勢,至8×104km時THC減排率較DOC+CDPF初裝時減少41.05%,CO和PM減排率在行駛里程到達3.5×104km之前均呈上升趨勢,之后呈降低趨勢,至8×104km時CO和PM減排率較DOC+CDPF初裝時分別減少20.24%和11.74%;氮氧化物(NO)和顆粒物數量(PN)減排率整體上均呈降低趨勢,在行駛里程8×104km處,NO和PN減排率較DOC+CDPF初裝時分別降低33.83%和10.35%.B5生物柴油公交車在行駛里程到達8×104km左右時,污染物的減排率明顯降低,需對DOC+CDPF后處理裝置進行保養,以延長其工作壽命.

柴油公交車；B5生物柴油；催化型連續再生顆粒捕集器；行駛里程；排放物

近年來,作為我國城市公共交通主要載體的公交車保有量持續增長,城市居民公交車出行分擔率逐步提高,但城市公交車具有工作強度大,運行時間長,排量大,油耗高,且數量龐大等特點,因此清潔替代燃料以及高效穩定的后處理技術對降低公交車排放具有十分重要的意義[1-3].

采用氧化型催化轉化器(Diesel Oxidation Catalytic Converter, DOC)和催化型顆粒捕集器(Catalyzed Diesel Particulate Filter, CDPF)耦合技術開發的催化型連續再生顆粒捕集器DOC+ CDPF能有效降低常規氣態污染物和顆粒物排放,是近年來備受關注的發動機后處理技術[1-6].而生物柴油具有十六烷值高,潤滑性好,可降解,可再生性等優點,當生物柴油低比例(￡5%)使用時,對動力性無明顯影響,可以不對柴油機進行任何改動,能夠在一定程度上緩解能源危機,具有十分廣闊的應用前景[7-8].

國內外現階段的相關研究,大部分基于發動機臺架及轉轂試驗,不能完全代表實際道路后處理性能變化,而實際道路試驗不可控因素多,操作復雜,跟蹤試驗難度大,基于道路試驗的相關研究較少.Jeuland等[9-10]研究了輕型柴油車DPF性能的耐久性,發現8萬km時DPF仍能達到歐3甚至歐4水平.Kumar等[11]研究了主動再生DPF耐久性能,發現使用高硫柴油時再生溫度極高,需優化再生策略.徐正飛等[12]研究了輕型柴油車DOC+DPF耐久試驗,發現DPF過濾效率隨行駛里程沒有下降,原因是灰分累積減小了過濾體濾壁的縫隙,而DOC老化嚴重.樓狄明等[13-17]研究了DOC和CDPF小樣老化試驗以及柴油公交車不同后處理裝置耐久性試驗,發現后處理器的老化對不同氣態物減排效率有不同的影響,且DOC老化速度更快.而針對長期燃用生物柴油的公交車進行道路跟蹤試驗,研究DOC+CDPF后處理裝置對常規氣態物和顆粒物排放特性隨行駛里程變化規律的研究未見報道,本文采用便攜式排放測試系統PEMS,對長期燃用B5生物柴油的公交車進行實際道路排放檢測,研究DOC+CDPF后處理裝置對CO,THC,NO和顆粒物的減排率隨行駛里程的變化規律.

1 試驗設備及方案

1.1 試驗樣車及燃料

試驗樣車選用一輛申沃SWB6100V5柴油公交車,性能良好穩定,基本參數見表1.

表1 試驗樣車的基本參數

本試驗將DOC+CDPF集成組合取代消音器并對原排氣系統進行改造.

試驗燃料為廢棄油脂制生物柴油按5%體積比混合的柴油-生物柴油混合燃料(B5),B5生物柴油的主要理化指標如表2所示.

表2 試驗燃料的主要理化特性

1.2 試驗用后處理裝置

本試驗采用的后處理裝置由氧化型催化轉化器(DOC)和催化型顆粒捕集器(CDPF)串聯耦合而成,主要技術參數如表3所示.

表3 DOC和CDPF的具體參數

1.3 試驗方案

試驗工況為穩態工況(||<0.1),在7個穩態目標速度點(怠速,10,20,30,40,50,60km/h)有效采集排放物60s,采集頻率統一為1Hz,共測3個循環約1260s,一次完整測試速度圖譜如圖1所示.為保障試驗的一致性和通用性,跟蹤試驗均選擇在非高峰時間段;每次試驗均嚴格按照預先設計的試驗循環進行,且重復測試3次;測試路段均選取上海市國權北路自松行路路口到河家灣路路口,較為開闊且車流稀少,長約2.2km,紅綠燈3處,最長一段無燈距離為890m,適合高速穩態工況測試;測試時公交車上僅有駕駛員,測試人員,測試設備和電池,總重約占樣車整備質量的15%.

圖1 測試循環車速圖譜

安裝后處理裝置后,樣車實際試驗的行駛里程統計依次為:0, 15093.3, 24909.3, 35063.1, 55027.5, 79963.4km.

主要檢測裝置為HORIBA公司OBS-2200可實時采集尾氣中CO、THC、NO等常規氣態物及顆粒物濃度,以及排氣壓力、溫度、流量、環境壓力、溫度、濕度等數據,TSI公司的EEPS3090顆粒粒徑譜儀組,可時測量尾氣中顆粒數量,顆粒質量以及粒徑分布,測量范圍為5.6~ 560nm.數據采集完畢后,基于美國EPA MOVES綜合因子計算方法[14],根據OBS和EEPS測得的排放數據和GPS測得的車速數據,劃分不同速度區間,進一步計算氣態物,顆粒物數量和質量的綜合排放因子,計算流程見圖2.試驗測試系統如圖3所示.

圖2 綜合排放因子計算流程

以未加裝后處理裝置的公交車的排放因子為基準,排放物的減排率計算公式見式(1):

式中:η指排放物減排率;EFwithout指原車排放物排放因子;EFwith指加裝后處理裝置后的排放物排放因子.

2 結果與討論

2.1 CO排放

圖4中,隨行駛里程的增加,CO減排率呈先增后減的變化趨勢.

圖4 CO排放因子及減排率隨行駛里程變化

在行駛里程3.5×104km之前,CO減排率逐漸增加,DOC+CDPF初裝時減排率為67.57%,累計行駛至3.5×104km時,減排率上升至88.54%,提高了31.03%,這說明新鮮DOC+CDPF不具備最優轉化性能.一方面,CDPF中顆粒物的燃燒溫度一般在500~800℃[16,19-20],催化過程中碳氫化合物燃燒產生的水以及流經載體表面的高溫氣流會使Pt金屬顆粒粒徑增大,Pt金屬小顆粒物易被氧化,形成Pt-O化學鍵[21],抑制了CO在活性位的吸附,而一定尺寸范圍內的大金屬顆粒物包含更多緊湊的Pt(111)相,緊湊的Pt(111)相不易被氧化[22],從而有更多的活性位來催化氧化CO,減排率升高.另一方面,隨著捕集顆粒物的堆積,CDPF在使用過程中會發生被動再生現象,尾氣中的NO被DOC載體表面的催化劑氧化成NO2,NO2在高溫環境下氧化CDPF捕集到的碳煙顆粒物,碳煙顆粒物達到自燃溫度燃燒清除,從而實現CDPF捕集能力的再生,顆粒物燃燒時的高溫會促使載體表面貴金屬分散度提高[23],比表面積增大,暴露的活性位增多,CO的減排率隨之升高.

在行駛里程3.5×104km之后,CO排放因子增加,減排率逐漸降低.當試驗樣車行駛里程到達8×104km時,CO排放因子增加至1.43g/km,減排率比DOC+CDPF初裝時減少20.24%,比3.5×104km時減少39.13%.減排率降低的可能原因有3個:一是碳氫化合物燃燒產生的水以及流經載體表面的高溫氣流會使Pt金屬顆粒粒徑繼續長大[21],貴金屬顆粒在載體表面容易發生重疊和燒結團聚現象[13],結晶度增加,分散度降低,抑制載體表面活性氧的流動性.二是本試驗用燃料為含硫量7.1mg/kg的B5生物柴油,雖然含硫量不高,但隨著使用里程的增加,燃油中的S氧化生成的SO2以及經催化氧化生成的SO3,在催化劑表面與催化劑活性成分發生化學反應生成的硫酸鹽累積附著在催化劑活性位上[15,24-25],降低了反應氣體的吸附量,而高溫脫硫實現催化劑活性恢復的高溫條件在公交車正常運行過程中又很難達到[26-27],因此會發生硫中毒導致催化劑活性下降,樓狄明等[13]研究了燃用超低硫柴油的不同后處理裝置隨行駛里程的劣化規律,發現在12萬km處后處理裝置減排性能明顯降低,而本次試驗在8萬km處就有明顯降低,也說明了硫中毒是引起劣化的一個原因.三是CDPF雖能再生,但不能恢復到初始狀態,燃油和添加劑中的灰分以及沒有完全燃燒的顆粒物會減小過濾壁面氣體流通縫隙,阻塞通道[12,28],使通道后部氧流動性減弱,這對CO的增加也有一定的貢獻度.

2.2 THC排放

由圖5可以看出,THC減排率變化規律和CO大致相同,呈先升高后下降的趨勢.DOC+ CDPF初裝時THC減排率為60.44%,累積行駛至2.5×104km時減排率上升至81.20%,THC減排率出現此規律的原因與CO基本一致,是由于催化劑貴金屬顆粒在持續使用過程中被激活,顆粒物長大,暴露的THC活性位增多,催化減排率提高,以及CDPF再生時的高溫環境使貴金屬再分散,THC吸附位增加,減排率提高.但THC減排率下降始點較CO提前且下降速度快,THC的減排率在3.5×104km時已下降11.95%,5.5×104km時降幅達18.93%,而CO減排率在3.5×104km時達到最高值,5.5×104km時降幅僅為11.50%.這主要是因為CO與THC在催化劑活性位的吸附存在競爭關系,CO具有更高的氧化動力,CO存在時Pt對THC的催化活性明顯降低,Pd對THC的催化活性也會在一定程度上受到抑制[29],THC可吸附活性位減少,且在活性位減少時,競爭吸附現象更加明顯.

累計行駛至8×104km時THC排放因子增加至71.58mg/km,減排率降低至35.63%,減排率比初裝時減少41.05%,比2.5×104km時減少56.12%.后處理裝置對THC的減排性能減弱,其可能原因與CO基本一致,貴金屬顆粒重疊和燒結團聚,載體表面貴金屬分散度降低以及硫中毒等導致THC活性位大量減少,以及灰分和顆粒阻塞通道導致CDPF后部氧流動性減弱.

圖5 THC排放因子及減排率隨行駛里程變化

2.3 NOx排放

圖6中,NO減排率整體上呈降低趨勢,DOC+CDPF初裝時NO減排率為9.99%,在行駛里程8×104km處,減排率降至6.61%,比初裝時減少33.83%.

NO排放主要包括NO和NO2,尾氣中的NO在DOC中被氧化成NO2,NO2在CDPF中氧化顆粒物同時被還原為NO,NO實現循環利用,因此理論上NO總量應基本保持不變.NO平均減排率約為8.91%,這主要是因為,一方面多孔的催化劑涂層會吸附一部分NO[1,30],另一方面,一部分氧化產物NO2會進一步形成硝酸鹽類物種在催化劑表面吸附,從而使排出的NO減少[1,15-16,30].在行駛里程8×104km前NO平均排放因子為10.90g/km,在行駛里程8×104km時NO排放因子增加至11.23g/km,升高了3.03%,這是因為貴金屬顆粒的重疊以及燒結團聚使NO可吸附的孔隙位置變少[16].

圖6 NOx排放因子及減排率隨行駛里程變化

2.4 顆粒物排放

圖7中,減排率整體上呈先增后減的趨勢. DOC+CDPF初裝時PM減排率為94.22%,1.5,2.5, 3.5×104km時,減排率逐漸升高,依次為97.80%, 97.99%,98.73%.這與CDPF過濾壁面的微觀結構有直接關系,燃油和添加劑中的灰分累積會造成過濾體內孔道的阻塞,使過濾壁面氣體流經的縫隙變小[12,28],從而對PM的過濾效率增高,顆粒質量排放減少.5.5×104km和8×104km處,PM減排率分別為92.76%和83.15%,相比初裝時減排率分別降低1.55%和11.74%.8×104km處減排率下降幅度較大,一方面因為催化劑對NO的氧化能力下降,進而用于氧化顆粒物的NO2減少,另一方面,CDPF再生時的局部高溫會引起貴金屬燒結,還可能進一步引起載體結構的塌陷和貴金屬的包埋,導致PM減排率下降.

圖8中,PN減排率整體呈下降趨勢.在行駛里程5.5×104km之前,PN減排率均在90%以上,最高減排率在1.5×104km時達99.29%,8×104km時,PN減排率為88.89%,比初裝時降低10.35%,降低速度明顯大于PM,可認為相較于聚集態顆粒物,DOC+CDPF對核態顆粒物的捕集能力下降更明顯.

圖7 PM排放因子及減排率隨行駛里程變化

圖8 PN排放因子及減排率隨行駛里程變化

3 結論

3.1 隨行駛里程的增加,CO,THC和PM減排率均呈先增后減的趨勢.在行駛里程達到2.5× 104km之前,THC減排率呈上升趨勢,至2.5× 104km時減排率較DOC+CDPF初裝時提高了34.36%,之后減排率呈降低趨勢,至8×104km時減排率較初裝時減少41.05%.CO和PM減排率在行駛里程到達3.5×104km之前均呈上升趨勢,至3.5×104km時CO和PM減排率較DOC+ CDPF初裝時分別提高了31.03%和4.79%,之后減排率呈降低趨勢,至8×104km時CO和PM減排率較初裝時分別減少20.24%和11.74%.

3.2 隨行駛里程的增加,NO和PN減排率整體上均呈降低趨勢.在行駛里程8×104km處,NO和PN減排率較DOC+CDPF初裝時分別降低33.83%和10.35%.

3.3 B5生物柴油公交車在行駛里程到達8×104km左右時,CO,THC,NO,PM和PN的減排率明顯降低,需對DOC+CDPF后處理裝置進行保養,以延長其工作壽命.

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Effects of DOC+CDPF on emission characteristics of a city bus fueled with biodiesel.

LOU Di-ming*, ZHANG Jing, ZHANG Yun-hua, HU Zhi-yuan, TAN Pi-qiang

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)., 2017,37(11)：4103~4109

To assess the gaseous and particle emission characteristics of a city bus equipped with DOC+CDPF after-treatment fueled with diesel and biodiesel with 5% blend ratio while the driving distance increases, a study has been performed using portable emission measurement．The results show that the decreasing amplitudes of CO, THC, and PM increased first and then decreased with the increase of mileage. The degraded amplitude of THC continuously enhanced before 25000km, and then decreased. It became lowest at 80000km, which was 41.05% lower than the first test. The decreasing amplitudes of both CO and PM continuously increased before 35000km, and then decreased. The degraded amplitudes of CO and PM were respectively 20.24% and 11.74% at 80000km. The reduction of NOand PN both showed the downward trend with the increase of mileage. The reduction amplitudes of NOand PN both became lowest at 80000km, which were respectively 33.83% and 10.35% lower than the first test. The gaseous and particle emissions emitted from the city bus fueled with B5equipped with DOC and CDPF increased obviously at around 80000km, and the decreasing amplitudes were sharply down, so the DOC+CDPF after-treatment should be maintained to extend life cycle and reduce emissions.

diesel bus；biodiesel B5；DOC+CDPF；driving-distance；emissions

X511,X734.2,TK421+0.5

A

1000-6923(2017)11-4103-07

樓狄明(1963-),男,浙江東陽人,教授,博士,主要研究方向為發動機排放控制后處理技術.發表論文200余篇.

2017-04-25

上海市科學技術委員會科研計劃項目(16DZ1206700)

* 責任作者, 教授, loudiming@tongji.edu.cn