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

(同濟大學，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, 低碳節能是其發展的一個必然趨勢。重型柴油機憑借其高功率、高熱轉換效率的優勢, 在大功率車輛的配套應用中不斷擴大[1]。但重型柴油車排放的大量污染物如HC、CO、NOx、顆粒物對環境有很大的危害。隨著污染影響范圍逐漸擴大、污染程度逐漸加劇，環境問題引起了社會各界的廣泛關注[2-3]。因此，優化重型柴油機排放的問題迫在眉睫。

目前在重型柴油機上應用最廣的方案是加裝DOC+CDPF 耦合裝置。國內外學者根據臺架和轉轂試驗對DOC+CDPF進行了大量的研究。張允華等[4]基于重型轉轂試驗平臺，研究了重型柴油車加裝DOC+CDPF 前后，在不同工況下的氣態物及顆粒物排放因子變化規律。黃德軍等[5]研究了燃用高硫燃油對DOC的影響，發現選用高硫燃油會使DOC催化劑暫時中毒, 會降低催化劑的轉換效率。賀南等[6]基于重型底盤測功機，研究新鮮及老化DOC/CCRT對柴油機氣態物排放特性的影響。王軍方、王小臣、葛蘊珊、Han M等[7-14]研究柴油機加裝DOC前后氣態物及顆粒物的排放特性。溫雅、馮謙等[15-17]基于發動機臺架試驗，研究了柴油機加裝DOC+CDPF對其排放的影響。樓狄明等[18]研究了DOC+CDPF對生物柴油公交車排放特性的影響，研究發現相對于純柴油公交車，DOC+CDPF對生物柴油公交車CO、THC的減排效果更好。雖基于臺架和轉轂試驗對DOC+CDPF的研究已經很多，但比起臺架及轉轂試驗，車載排放試驗可對行駛在實際道路上的車輛進行實時測量，其真實性和可靠性更高。

因此，本研究基于PEMS車載排放測試系統，對一輛安裝DOC+CDPF的重型柴油貨運車進行了3次不同行駛里程下的道路跟蹤排放測試。測試在不同行駛里程、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 試驗裝置與方案

1.1 試驗裝置

利用PEMS測試系統，對一輛安裝DOC+CDPF的重型柴油貨運車進行了3次不同行駛里程下的道路跟蹤排放測試。圖1示出道路試驗設備布置。試驗車輛為陜汽重卡，其具體參數如表1所示。本次試驗用的后處理裝置為DOC+CDPF耦合裝置，其詳細參數見表2。本次試驗的排氣氣態物檢測設備為HORIBA OBS-2200氣態物排放檢測儀，可對CO、THC、NOx進行測量。顆粒物檢測設備則采用TSI EEPS-3090粒徑譜儀，可實時測量出排氣中的PM、PN及顆粒物粒徑分布。

圖1 試驗系統機構

表1 試驗車輛參數

表2 DOC和CDPF技術參數

1.2 試驗方案

利用PEMS測試系統測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，并計算出其減排率。每次道路試驗先后測量原車及DOC+CDPF后的排氣特性。道路跟蹤試驗一共進行了3次：第1次道路試驗時初次安裝DOC+CDPF，車輛里程表計數為217 091 km；第2次道路試驗時車輛安裝后處理裝置后累計行駛了53 915 km，車輛里程表計數為271 006 km；第3次道路試驗時車輛安裝后處理裝置后累計行駛了78 004 km，車輛里程表計數為295 095 km。

本次試驗工況分為模擬準穩態工況以及自由行駛工況。模擬穩態工況是車輛在0～60 km/h內穩定行駛，每間隔10 km/h取一測點，并保持勻速行駛1 min進行采樣；自由行駛工況是駕駛員根據實際道路車流量情況駕駛車輛。在處理數據時，把0～60 km/h的整個行駛過程劃分為減速、低速、中速、高速、加速5個區間。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時達到峰值，其中第1次試驗時排氣溫度最高，達到201 ℃。圖3示出3次試驗的平均排氣溫度，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行時，發動機負荷較小，此時缸內溫度很低，油滴霧化質量差，附著在缸壁上的油膜蒸發速度慢，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，導致機內柴油燃燒不充分，進而促使CO排放增加。隨著車速的提高，柴油機負荷增大，缸內工作溫度升高，油滴的霧化質量好，這使得缸內燃燒更加充分，因此，CO排放會逐漸降低。再加上在高速工況下，車輛單位時間內行駛的距離最大，綜合兩點考慮，在高速工況下，CO的排放因子最低。而在加速工況下，雖然缸內溫度較高，但發動機會加大噴油量，導致燃油和空氣混合不均勻，這也會加劇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。總的來說，在加裝了DOC+CDPF過后，CO排放顯著降低。這是因為在DOC中的催化劑鉑(Pt)、鈀(Pd)和CDPF的催化涂層的作用下，CO的化學反應活化能降低，CO可以在低溫下被氧化成CO2，進而起到降低CO排放的作用[13]。對于不同的行駛工況，一般來說，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減排率也會提高。這是因為在后處理裝置中，催化劑的活性與排氣溫度是成正比的關系，且催化劑的活性越強，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會達到峰值。

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。造成上述現象的原因有三點：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長期在高溫下工作，導致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生成硫酸鹽，硫酸鹽積累吸附在DOC催化劑上會降低催化劑的活性，從而使催化劑的轉化效率降低，導致CO的氧化效果惡化[17]；CDPF的老化是指過多的顆粒物吸附在CDPF的壁面上，阻塞通道，減小氣流通過量。雖然CDPF具有主、被動再生功能，但是再生效率并不能達到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。造成上述現象的原因是，車輛在低速工況運行時，柴油機負荷小，噴油量較少，缸內溫度較低。當火焰傳播到缸壁時，由于壁面溫度低，導致火焰淬熄，THC增多；附著在壁面的油滴蒸發速度慢，燃油與空氣混合較差，由于混合氣過稀或局部溫度過低，導致燃燒不充分，這也會使THC排放增多。從低速工況到高速工況，柴油機負荷增大，缸內溫度壓力升高，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

通過比較原車排放和經過DOC+CDPF后的THC排放因子可以發現，DOC+CDPF可以顯著降低THC排放。這是因為DOC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，THC的減排率最高。這是因為催化劑的活性隨排氣溫度的升高而增大，且催化劑的活性越強，THC的轉化效率就越高。而在高速工況時，發動機的排氣溫度也最高。因此在高速工況時，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次試驗的THC綜合排放因子最高，為0.6 g/km，第2次試驗的THC綜合排放因子最低，為0.39 g/km；第2次試驗的THC綜合減排率最高，為53.5%；第1次試驗的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，原因是在多次的持續使用過程中，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，造成催化結構的坍塌和貴金屬的包埋[6]，導致對THC的催化效率下降，以致THC的減排率下降。同時，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。造成這種現象的原因是由于NOx的生成機理是高溫富氧，而柴油機大部分工況下過量空氣系數都是大于1的，即溫度是影響柴油機NOx排放的主要因素。從低速工況到高速工況，發動機負荷增大，缸內溫度逐漸升高，因此NOx排放因子也逐漸增大。另一方面，縱觀整個DOC+CDPF裝置，在DOC中，NOx中的NO首先會被氧化成NO2，被氧化后的NO2流經CDPF時會充當氧化劑來氧化顆粒物，同時本身再次被還原為NO，整個過程實現氮的循環，因此理論上DOC+CDPF對NOx排放影響不大，在實際測試中DOC+CDPF在對NOx的減排作用上表現不佳[6,18-21]。所以針對DOC+CDPF在不同工況，不同行駛里程下對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。可以看出，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。造成這種現象的原因是：車輛在低速工況運行時，柴油機負荷較小，缸內溫度較低，燃燒不充分，這種環境有利于聚集態顆粒的生成。車輛由低速工況逐漸過渡到高速工況，由于負荷加大致使缸內溫度升高，改善了缸內燃燒狀況，這時的顆粒物則以核模態顆粒物為主[4]。綜上，PN排放因子與車速呈正相關關系。對于加速工況，由于噴油量增多，油氣混合不均勻，缸內存在局部過濃區域，燃燒惡化，也會導致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可以對顆粒物中的SOF進行氧化[14]，另一方面是因為CDPF除了可以捕集顆粒物以外，還可以結合由DOC氧化生成的NO2，可以進一步對顆粒物進行氧化，從而降低PN排放。圖12示出不同行駛工況下PN的減排率。總的來說，PN減排率隨速度增大而升高，在高速工況下減排率達到最大。這是因為排氣溫度越高，催化劑活性越強，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先增大后降低的趨勢。初裝DOC+CDPF時，其轉化效率并不高，待車輛行駛到一定里程數時，轉化效率開始增大。車輛繼續行駛到一定里程時，一方面由于再生不徹底造成CDPF堵塞，另一方面由于CDPF長期在高溫下工作，造成催化結構的坍塌和貴金屬的包埋。兩方面的原因使得DOC+CDPF對PN的轉化效率下降。

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。可以看出，車輛在低速工況下PM排放最高，高速工況下排放較低。這是因為低速工況運行下，柴油機負荷較小，缸內溫度較低，油滴霧化質量差，燃燒不充分導致PM排放高。高速工況時，缸內溫度高，改善了燃燒狀況，大顆粒物較少，從而導致PM排放減少。對于加速工況，同PN類似，由于噴油量增多，油氣混合不均勻，缸內存在局部過濃區域，燃燒惡化，也會導致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，是因為CDPF對顆粒物有高效的捕集能力，而且其表面催化涂層可以促進顆粒物氧化，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。可以看出，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PM的轉化效率。

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。可以看出，

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次試驗時減排率達到87.3%。在車輛繼續運行過程中，由于顆粒物積累在壁面，導致CDPF老化，PM減排率開始下降，到第3次試驗時減排率降低到了74.4%。

3 結論

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

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

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