催化型顆粒物捕集器實際道路工況適配性研究

白振宇，洪曉飛，方熙宇，王計廣，謝振凱

(1.唐山市環境監控中心，河北唐山 063000；2.石家莊市機動車排污管理中心，河北石家莊 050000；3.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

北京、天津、上海等地大氣細顆粒物(PM 2.5)源解析工作結果顯示：機動車污染物排放已成為城市大氣細顆粒物的主要來源之一，其中柴油車顆粒物排放總量超過機動車排放總量的90%，對柴油車顆粒物排放進行治理成為社會日益關注的焦點[1-3]。

顆粒物捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)可有效捕集過濾柴油車尾氣中的顆粒物，是當前減少柴油車顆粒物排放最有效的技術。但隨著捕集的進行，DPF內捕集的顆粒物越來越多，必須要采取一定的再生措施清除DPF中積累的碳顆粒[4-7]。

DPF再生技術按照有無輔助熱源分為主動再生技術路線和被動再生技術路線兩種。其中由氧化催化轉化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)和催化型顆粒物捕集器(Catalyzed Diesel Particulate Filter，CDPF)組成的被動再生系統的再生過程無需輔助熱源，無二次污染物生成，對發動機經濟性影響也較小，相比于其余的再生技術路線具有明顯的優勢[8-12]。

然而，我國道路交通、車輛排放水平、燃油品質存在一定獨特性，導致在國外應用良好的DOC+CDPF技術路線在我國應用時存在大量需要解決的問題。目前國內針對DOC+CDPF適配性問題開展了大量研究工作，對比分析了不同負荷、不同燃油品質等條件對系統過濾效率、再生效率等關鍵性能參數的影響，其結果表明：DOC+CDPF系統在中等負荷、低硫柴油環境下再生能力最強，燃油添加劑會影響系統的再生能力。但當前的研究均是基于發動機試驗臺架開展的，針對該類系統在我國實際運行車輛上適配應用的研究尚不完善[13-14]。

本文作者通過車載排放測試技術(PEMS)和車載遠程監測技術，研究了DOC+CDPF技術路線產品在實際道路工況條件下的過濾效率、再生特性和耐久性等性能，為該類型產品在國內大規模應用提供了示范案例，也為該系統的本土化優化開發提供了技術指導。

1 試驗系統及方法

1.1 試驗設備

文中采用的車載尾氣檢測設備(Portable Emission Measurement System，PEMS)見圖1。PEMS測試設備主要包括兩部分：OBS-2200和電子低壓撞擊器(Electrical Low Pressure Impactor,ELPI)。OBS-2200主要用于測試氣態污染物的瞬時濃度及車輛行駛中的排氣流量，ELPI用來測試車輛排放顆粒物的瞬時濃度。

圖1 PEMS測試設備

圖2為CDPF運行狀態監測系統的原理圖。

圖2 CDPF運行狀態監測系統原理圖

如圖2所示，試驗用CDPF系統前、后端均安裝有測量壓力和溫度的傳感器，安裝時，壓差傳感器探頭需深入到排氣管內部3 cm左右，溫度傳感器探頭需深入到排氣管內部5 cm左右，以確保采集的壓力值和溫度值能達到工況狀態下的真實數值。當柴油機開始工作時，壓力傳感器和溫度傳感器采集尾氣數據后經過轉化處理，分別通過壓力軟管和線束傳到遠程監測終端。

在遠程監測終端中，實時采集的經緯度等車輛地理位置信息、車速等車輛行駛狀態信息、發動機轉速等發動機工作狀態信息，以及CDPF系統前、后端壓差等CDPF系統運行狀態信息最終會轉化為可進行無線通信傳輸的網絡信號，該信號通過GPRS網絡上報到遠程監測數據庫，可以使用Web服務器實現對遠程監測數據庫的調用和計算分析。

1.2 試驗車輛信息

文中選擇的試驗車輛發動機型號及排量信息見表1。

表1 試驗車輛及柴油機信息

文中參照天津市各類重型柴油車的保有量，選擇了最典型的三類車輛作為試驗對象，這三類車輛運行時間長且多在人口密集區運行，是需要重點治理的對象，所有車輛均為5年內生產的未安裝任何后處理裝置，且符合國三排放標準的重型柴油車。

1.3 試驗方法

該項目選用同一廠家的CDPF系統，對所有試驗柴油車開展加裝CDPF系統排放治理改造試驗，該試驗使用的DOC和CDPF貴金屬涂覆率、孔隙率等結構和理化參數均相同，僅依據車輛排氣流量差異適當調整CDPF尺寸。

所有加裝CDPF系統的試驗車輛在治理改造完成、運行滿5 000 km和運行滿20 000 km時，均需要進行一輪PEMS測試。為反映重型車輛在道路上運行時的顆粒物排放情況，車輛仍按日常運營路線正常行駛，不規定某一固定工況，試驗流程按照北京市地方標準DB11/965-2013《重型汽車排氣污染物排放限值及測量方法(車載法)》進行。

在車輛啟動運行時，車載遠程監測終端會實時上報車輛的地理位置參數、車輛及發動機工作狀態參數和 CDPF系統運行狀態參數到遠程監測平臺數據庫。通過Web服務器可調用數據庫內采集存儲的參數，分析不同環境溫度下DOC+CDPF的再生性能。

2 試驗結果與分析

2.1 不同車型CDPF適配效果

2.1.1 CDPF系統初始過濾效率

CDPF系統瞬時顆粒物過濾效率與發動機工況相關，并不為恒定值。因此文中在篩選過濾明顯異常數據后，逐秒統計分析了PEMS試驗過程中CDPF系統過濾效率的最高值、均值和最低值，以全面評價適配不同類型測量CDPF系統的過濾效率。

圖3給出了6輛試驗重型柴油車初次加裝CDPF系統后，在實際道路運行條件下，各CDPF系統PEMS測試的顆粒物過濾效率。由圖3(a)可知，6輛試驗車輛加裝CDPF系統后，尾氣中的顆粒物排放量大幅下降，所有車輛的平均過濾效率均在90%以上，通過加裝CDPF系統可以有效降低國三排放水平在重型柴油車的顆粒物排放。

圖3 改造初始各CDPF系統過濾效率

由圖3(b)和圖3(c)可知，不同類型車輛加裝同類CDPF系統后，其最高過濾效率基本一致，均接近99%，但系統顆粒物最低過濾效率差異較大：運行工況相對穩定的商務巴士車和郵政物流車，其CDPF系統顆粒物過濾效率相對穩定，綜合顆粒物過濾效率較好；而運行工況相對復雜、頻繁啟停裝卸垃圾的環衛車輛，其CDPF系統在部分大負荷加減速工況下的顆粒物過濾效率未達到85%，綜合顆粒物過濾效率相對較差。

2.1.2 CDPF系統匹配效果

耐久性是評價CDPF性能優劣的關鍵指標之一。文中持續追蹤了6輛改造車輛CDPF系統的工作狀態，圖4表示6輛試驗重型柴油車運行滿5 000 km和20 000 km時，在實際道路運行條件下，各CDPF系統PEMS測試的顆粒物平均過濾效率。

圖4 不同時期各CDPF系統過濾效率比對

由圖4可知，CDPF系統的顆粒物過濾效率隨里程的增加而波動。

試驗車輛運行滿5 000 km時，各CDPF系統的顆粒物平均過濾效率相比于初始時刻均出現不同幅度的增加。主要是因為CDPF內沉積的未再生顆粒物和無法再生的灰分在孔道內形成了濾餅層，而初期的濾餅層可以有效提升CDPF的攔截捕集效率。

試驗車輛運行滿20 000 km后，各CDPF系統的平均顆粒物過濾效率呈現較大差異，長期往返于天津和北京兩地的商務巴士車1、2和郵政物流車4的顆粒物過濾效率波動不大，仍保持在95%左右。而主要在天津市市區和城郊內運行的郵政物流車3和環衛車5、6的顆粒物過濾效率出現了明顯下降，環衛車6的顆粒物過濾效率僅為61.8%，遠低于環保行業標準HJ451-2008《環境保護產品技術要求柴油車排氣后處理裝置》中對壁流式DPF過濾效率應高于85%的要求。

各試驗車輛使用的CDPF系統技術路線和技術要求均相同，試驗車輛1、2、4安裝的CDPF系統工作正常， 故因產品質量問題導致過濾效率明顯下降的可能性較低。

圖5表示遠程監測終端上報的6輛試驗車輛在一個月內，CDPF系統前端的排氣溫度特征。

圖5 各試驗車輛排氣溫度特征

由圖5可知，試驗車輛1、2、4的排氣溫度整體水平較高，且排氣溫度超過280 ℃的時間占總運行時間的比重超過25%。而試驗車輛3、5、6的整體排氣溫度水平較低，且排氣溫度超過280 ℃的時間占比不超過10%。而試驗所選用的CDPF系統正常工作時的平衡點溫度為280 ℃。即當通過CDPF系統的排氣溫度超過280 ℃時，CDPF系統內顆粒物被動再生速率高于捕集速率，CDPF內的碳載量不斷下降，直至再生完全。

試驗車輛1、2、4排氣溫度超過280 ℃時間占總運行時間的比重較大，可以滿足CDPF系統被動再生的需求。而試驗車輛3、5、6的排氣溫度無法滿足CDPF系統長期正常工作的需求。CDPF系統的碳載量易超過正常限定值，影響車輛的正常工作，同時為保證車輛正常運行，車輛3、5、6所安裝的CDPF需要頻繁維護，主動清除內部沉積的顆粒物和灰分，而維護時使用的熱再生法和反吹法均會影響CDPF系統的顆粒物捕集性能，導致CDPF系統的顆粒物過濾效率異常下降。故CDPF系統工作需求溫度和車型排氣溫度不適配是導致試驗車輛3、5、6加裝CDPF系統顆粒物過濾效率異常下降的主要原因。

2.2 不同環境溫度CDPF適配效果

溫度是影響CDPF系統再生性能的關鍵性因素。圖6表示平均溫度35 ℃的夏季和平均溫度-15 ℃的冬季，兩輛商務巴士車1和2加裝的CDPF系統在冬季和夏季的顆粒物過濾效率特征。

圖6 夏季和冬季CDPF系統過濾效率比對

由圖6可知，試驗車輛1和2加裝的CDPF系統冬季和夏季的最高過濾效率、平均過濾效率和最低過濾效率基本穩定。在文中試驗所選取的環境溫度區間內，CDPF系統的過濾效率不因環境溫度的變化而出現大幅波動。

圖7表示平均溫度35 ℃的夏季和平均溫度-15 ℃的冬季，兩輛商務巴士車1和2加裝的CDPF系統溫度和壓差特征。

圖7 夏季和冬季CDPF系統溫度和壓差比對

由圖7(a)可知，商務巴士車1加裝的CDPF系統冬季的最大壓差較夏季升高0.9 kPa，增幅約14%。商務巴士車2加裝的CDPF系統冬季的最大壓差較夏季升高1.0 kPa，增幅約16%。

當CDPF系統碳載量不超過6 g/L時，其前后端的壓差與碳載量成正比，故可以用CDPF系統前后端壓差判定CDPF系統的碳載量。而CDPF系統孔道內沉積的碳載量為顆粒物捕集量和顆粒物再生量的差值，在相似工況下，同一CDPF系統顆粒物捕集總量基本相同，其孔道內沉積的碳載量取決于該段時間內的顆粒物再生總量，CDPF系統再生性能越強，孔道內沉積的顆粒物越少。故可認為在相似工況下，同一CDPF系統前后端壓差越高，CDPF系統的碳載量越高，CDPF系統再生性能越弱。而由圖7(a)可知，CDPF系統冬季的最大壓差高于夏季，表明冬季CDPF系統內的最大碳載量高于夏季，環境溫度削弱了CDPF系統的被動再生能力。但冬季CDPF系統壓差較夏季的增幅在15%左右，增幅較小，表明文中試驗所選擇的環境溫度對CDPF系統的再生能力影響較小。

由圖7(b)可知，商務巴士車1加裝的CDPF系統冬季的平均溫度較夏季低12 ℃，280 ℃以上的溫度占比較夏季低3.1%，為25.2%。商務巴士車2加裝的CDPF系統冬季的平均溫度較夏季低16 ℃，280 ℃以上的溫度占比較夏季低3.9%，為24.8%。

在文中試驗所選擇的環境溫度區間內(-15～35 ℃)，商務巴士車冬季的平均排氣溫度較夏季下降明顯，但280 ℃以上的再生關鍵溫度占總時間的比重仍處于較高水平，保持在25%左右，可以滿足CDPF系統長期被動再生的需求。

故在實際道路工況下，環境溫度會影響CDPF的性能，但對于適配性良好的車輛，CDPF系統仍能較好滿足柴油車顆粒物排放治理的需求。

3 結論

(1)重型柴油車加裝DOC+CDPF系統后，尾氣中的顆粒物排放量大幅下降，平均顆粒物過濾效率達到90%以上，但加減速工況下的顆粒物過濾效率較差。

(2)以商務巴士車和長途郵政物流車為代表的重型柴油車，運行工況相對穩定，排氣溫度相對較高，與CDPF系統的適配性較好。而以環衛車為代表的市區營運車輛，運行工況相對復雜，啟停頻繁，平均排氣溫度較低，不適合加裝CDPF系統控制顆粒物排放。

(3) CDPF系統的再生性能受環境溫度影響，但即使在-15 ℃的冬季，車型適配性良好的CDPF系統仍具有較好的被動再生能力，可以滿足柴油車顆粒物排放治理的需求。