DOC+CDPF对生物柴油公交车排放特性的影响

楼狄明,张 静,张允华,胡志远,谭丕强



DOC+CDPF对生物柴油公交车排放特性的影响

楼狄明*,张 静,张允华,胡志远,谭丕强

(同济大学汽车学院,上海 201804)

采用便携式排放测试系统PEMS,研究某加装催化型连续再生颗粒捕集器(DOC+CDPF)的柴油公交车长期燃用生物柴油混合燃料B5时,整车常规气态物和颗粒物排放性能随行驶里程的变化规律.结果表明:随行驶里程的增加,一氧化碳(CO),总碳氢化合物(THC),颗粒物质量(PM)减排率均呈先增后减的趋势,THC减排率在行驶里程达到2.5×104km之前呈上升趋势,之后呈降低趋势,至8×104km时THC减排率较DOC+CDPF初装时减少41.05%,CO和PM减排率在行驶里程到达3.5×104km之前均呈上升趋势,之后呈降低趋势,至8×104km时CO和PM减排率较DOC+CDPF初装时分别减少20.24%和11.74%;氮氧化物(NO)和颗粒物数量(PN)减排率整体上均呈降低趋势,在行驶里程8×104km处,NO和PN减排率较DOC+CDPF初装时分别降低33.83%和10.35%.B5生物柴油公交车在行驶里程到达8×104km左右时,污染物的减排率明显降低,需对DOC+CDPF后处理装置进行保养,以延长其工作寿命.

柴油公交车；B5生物柴油；催化型连续再生颗粒捕集器；行驶里程；排放物

近年来,作为我国城市公共交通主要载体的公交车保有量持续增长,城市居民公交车出行分担率逐步提高,但城市公交车具有工作强度大,运行时间长,排量大,油耗高,且数量庞大等特点,因此清洁替代燃料以及高效稳定的后处理技术对降低公交车排放具有十分重要的意义[1-3].

采用氧化型催化转化器(Diesel Oxidation Catalytic Converter, DOC)和催化型颗粒捕集器(Catalyzed Diesel Particulate Filter, CDPF)耦合技术开发的催化型连续再生颗粒捕集器DOC+ CDPF能有效降低常规气态污染物和颗粒物排放,是近年来备受关注的发动机后处理技术[1-6].而生物柴油具有十六烷值高,润滑性好,可降解,可再生性等优点,当生物柴油低比例(£5%)使用时,对动力性无明显影响,可以不对柴油机进行任何改动,能够在一定程度上缓解能源危机,具有十分广阔的应用前景[7-8].

国内外现阶段的相关研究,大部分基于发动机台架及转毂试验,不能完全代表实际道路后处理性能变化,而实际道路试验不可控因素多,操作复杂,跟踪试验难度大,基于道路试验的相关研究较少.Jeuland等[9-10]研究了轻型柴油车DPF性能的耐久性,发现8万km时DPF仍能达到欧3甚至欧4水平.Kumar等[11]研究了主动再生DPF耐久性能,发现使用高硫柴油时再生温度极高,需优化再生策略.徐正飞等[12]研究了轻型柴油车DOC+DPF耐久试验,发现DPF过滤效率随行驶里程没有下降,原因是灰分累积减小了过滤体滤壁的缝隙,而DOC老化严重.楼狄明等[13-17]研究了DOC和CDPF小样老化试验以及柴油公交车不同后处理装置耐久性试验,发现后处理器的老化对不同气态物减排效率有不同的影响,且DOC老化速度更快.而针对长期燃用生物柴油的公交车进行道路跟踪试验,研究DOC+CDPF后处理装置对常规气态物和颗粒物排放特性随行驶里程变化规律的研究未见报道,本文采用便携式排放测试系统PEMS,对长期燃用B5生物柴油的公交车进行实际道路排放检测,研究DOC+CDPF后处理装置对CO,THC,NO和颗粒物的减排率随行驶里程的变化规律.

1 试验设备及方案

1.1 试验样车及燃料

试验样车选用一辆申沃SWB6100V5柴油公交车,性能良好稳定,基本参数见表1.

表1 试验样车的基本参数

本试验将DOC+CDPF集成组合取代消音器并对原排气系统进行改造.

试验燃料为废弃油脂制生物柴油按5%体积比混合的柴油-生物柴油混合燃料(B5),B5生物柴油的主要理化指标如表2所示.

表2 试验燃料的主要理化特性

1.2 试验用后处理装置

本试验采用的后处理装置由氧化型催化转化器(DOC)和催化型颗粒捕集器(CDPF)串联耦合而成,主要技术参数如表3所示.

表3 DOC和CDPF的具体参数

1.3 试验方案

试验工况为稳态工况(||<0.1),在7个稳态目标速度点(怠速,10,20,30,40,50,60km/h)有效采集排放物60s,采集频率统一为1Hz,共测3个循环约1260s,一次完整测试速度图谱如图1所示.为保障试验的一致性和通用性,跟踪试验均选择在非高峰时间段;每次试验均严格按照预先设计的试验循环进行,且重复测试3次;测试路段均选取上海市国权北路自松行路路口到河家湾路路口,较为开阔且车流稀少,长约2.2km,红绿灯3处,最长一段无灯距离为890m,适合高速稳态工况测试;测试时公交车上仅有驾驶员,测试人员,测试设备和电池,总重约占样车整备质量的15%.

图1 测试循环车速图谱

安装后处理装置后,样车实际试验的行驶里程统计依次为:0, 15093.3, 24909.3, 35063.1, 55027.5, 79963.4km.

主要检测装置为HORIBA公司OBS-2200可实时采集尾气中CO、THC、NO等常规气态物及颗粒物浓度,以及排气压力、温度、流量、环境压力、温度、湿度等数据,TSI公司的EEPS3090颗粒粒径谱仪组,可时测量尾气中颗粒数量,颗粒质量以及粒径分布,测量范围为5.6~ 560nm.数据采集完毕后,基于美国EPA MOVES综合因子计算方法[14],根据OBS和EEPS测得的排放数据和GPS测得的车速数据,划分不同速度区间,进一步计算气态物,颗粒物数量和质量的综合排放因子,计算流程见图2.试验测试系统如图3所示.

图2 综合排放因子计算流程

以未加装后处理装置的公交车的排放因子为基准,排放物的减排率计算公式见式(1):

式中:η指排放物减排率;EFwithout指原车排放物排放因子;EFwith指加装后处理装置后的排放物排放因子.

2 结果与讨论

2.1 CO排放

图4中,随行驶里程的增加,CO减排率呈先增后减的变化趋势.

图4 CO排放因子及减排率随行驶里程变化

在行驶里程3.5×104km之前,CO减排率逐渐增加,DOC+CDPF初装时减排率为67.57%,累计行驶至3.5×104km时,减排率上升至88.54%,提高了31.03%,这说明新鲜DOC+CDPF不具备最优转化性能.一方面,CDPF中颗粒物的燃烧温度一般在500~800℃[16,19-20],催化过程中碳氢化合物燃烧产生的水以及流经载体表面的高温气流会使Pt金属颗粒粒径增大,Pt金属小颗粒物易被氧化,形成Pt-O化学键[21],抑制了CO在活性位的吸附,而一定尺寸范围内的大金属颗粒物包含更多紧凑的Pt(111)相,紧凑的Pt(111)相不易被氧化[22],从而有更多的活性位来催化氧化CO,减排率升高.另一方面,随着捕集颗粒物的堆积,CDPF在使用过程中会发生被动再生现象,尾气中的NO被DOC载体表面的催化剂氧化成NO2,NO2在高温环境下氧化CDPF捕集到的碳烟颗粒物,碳烟颗粒物达到自燃温度燃烧清除,从而实现CDPF捕集能力的再生,颗粒物燃烧时的高温会促使载体表面贵金属分散度提高[23],比表面积增大,暴露的活性位增多,CO的减排率随之升高.

在行驶里程3.5×104km之后,CO排放因子增加,减排率逐渐降低.当试验样车行驶里程到达8×104km时,CO排放因子增加至1.43g/km,减排率比DOC+CDPF初装时减少20.24%,比3.5×104km时减少39.13%.减排率降低的可能原因有3个:一是碳氢化合物燃烧产生的水以及流经载体表面的高温气流会使Pt金属颗粒粒径继续长大[21],贵金属颗粒在载体表面容易发生重叠和烧结团聚现象[13],结晶度增加,分散度降低,抑制载体表面活性氧的流动性.二是本试验用燃料为含硫量7.1mg/kg的B5生物柴油,虽然含硫量不高,但随着使用里程的增加,燃油中的S氧化生成的SO2以及经催化氧化生成的SO3,在催化剂表面与催化剂活性成分发生化学反应生成的硫酸盐累积附着在催化剂活性位上[15,24-25],降低了反应气体的吸附量,而高温脱硫实现催化剂活性恢复的高温条件在公交车正常运行过程中又很难达到[26-27],因此会发生硫中毒导致催化剂活性下降,楼狄明等[13]研究了燃用超低硫柴油的不同后处理装置随行驶里程的劣化规律,发现在12万km处后处理装置减排性能明显降低,而本次试验在8万km处就有明显降低,也说明了硫中毒是引起劣化的一个原因.三是CDPF虽能再生,但不能恢复到初始状态,燃油和添加剂中的灰分以及没有完全燃烧的颗粒物会减小过滤壁面气体流通缝隙,阻塞通道[12,28],使通道后部氧流动性减弱,这对CO的增加也有一定的贡献度.

2.2 THC排放

由图5可以看出,THC减排率变化规律和CO大致相同,呈先升高后下降的趋势.DOC+ CDPF初装时THC减排率为60.44%,累积行驶至2.5×104km时减排率上升至81.20%,THC减排率出现此规律的原因与CO基本一致,是由于催化剂贵金属颗粒在持续使用过程中被激活,颗粒物长大,暴露的THC活性位增多,催化减排率提高,以及CDPF再生时的高温环境使贵金属再分散,THC吸附位增加,减排率提高.但THC减排率下降始点较CO提前且下降速度快,THC的减排率在3.5×104km时已下降11.95%,5.5×104km时降幅达18.93%,而CO减排率在3.5×104km时达到最高值,5.5×104km时降幅仅为11.50%.这主要是因为CO与THC在催化剂活性位的吸附存在竞争关系,CO具有更高的氧化动力,CO存在时Pt对THC的催化活性明显降低,Pd对THC的催化活性也会在一定程度上受到抑制[29],THC可吸附活性位减少,且在活性位减少时,竞争吸附现象更加明显.

累计行驶至8×104km时THC排放因子增加至71.58mg/km,减排率降低至35.63%,减排率比初装时减少41.05%,比2.5×104km时减少56.12%.后处理装置对THC的减排性能减弱,其可能原因与CO基本一致,贵金属颗粒重叠和烧结团聚,载体表面贵金属分散度降低以及硫中毒等导致THC活性位大量减少,以及灰分和颗粒阻塞通道导致CDPF后部氧流动性减弱.

图5 THC排放因子及减排率随行驶里程变化

2.3 NOx排放

图6中,NO减排率整体上呈降低趋势,DOC+CDPF初装时NO减排率为9.99%,在行驶里程8×104km处,减排率降至6.61%,比初装时减少33.83%.

NO排放主要包括NO和NO2,尾气中的NO在DOC中被氧化成NO2,NO2在CDPF中氧化颗粒物同时被还原为NO,NO实现循环利用,因此理论上NO总量应基本保持不变.NO平均减排率约为8.91%,这主要是因为,一方面多孔的催化剂涂层会吸附一部分NO[1,30],另一方面,一部分氧化产物NO2会进一步形成硝酸盐类物种在催化剂表面吸附,从而使排出的NO减少[1,15-16,30].在行驶里程8×104km前NO平均排放因子为10.90g/km,在行驶里程8×104km时NO排放因子增加至11.23g/km,升高了3.03%,这是因为贵金属颗粒的重叠以及烧结团聚使NO可吸附的孔隙位置变少[16].

图6 NOx排放因子及减排率随行驶里程变化

2.4 颗粒物排放

图7中,减排率整体上呈先增后减的趋势. DOC+CDPF初装时PM减排率为94.22%,1.5,2.5, 3.5×104km时,减排率逐渐升高,依次为97.80%, 97.99%,98.73%.这与CDPF过滤壁面的微观结构有直接关系,燃油和添加剂中的灰分累积会造成过滤体内孔道的阻塞,使过滤壁面气体流经的缝隙变小[12,28],从而对PM的过滤效率增高,颗粒质量排放减少.5.5×104km和8×104km处,PM减排率分别为92.76%和83.15%,相比初装时减排率分别降低1.55%和11.74%.8×104km处减排率下降幅度较大,一方面因为催化剂对NO的氧化能力下降,进而用于氧化颗粒物的NO2减少,另一方面,CDPF再生时的局部高温会引起贵金属烧结,还可能进一步引起载体结构的塌陷和贵金属的包埋,导致PM减排率下降.

图8中,PN减排率整体呈下降趋势.在行驶里程5.5×104km之前,PN减排率均在90%以上,最高减排率在1.5×104km时达99.29%,8×104km时,PN减排率为88.89%,比初装时降低10.35%,降低速度明显大于PM,可认为相较于聚集态颗粒物,DOC+CDPF对核态颗粒物的捕集能力下降更明显.

图7 PM排放因子及减排率随行驶里程变化

图8 PN排放因子及减排率随行驶里程变化

3 结论

3.1 随行驶里程的增加,CO,THC和PM减排率均呈先增后减的趋势.在行驶里程达到2.5× 104km之前,THC减排率呈上升趋势,至2.5× 104km时减排率较DOC+CDPF初装时提高了34.36%,之后减排率呈降低趋势,至8×104km时减排率较初装时减少41.05%.CO和PM减排率在行驶里程到达3.5×104km之前均呈上升趋势,至3.5×104km时CO和PM减排率较DOC+ CDPF初装时分别提高了31.03%和4.79%,之后减排率呈降低趋势,至8×104km时CO和PM减排率较初装时分别减少20.24%和11.74%.

3.2 随行驶里程的增加,NO和PN减排率整体上均呈降低趋势.在行驶里程8×104km处,NO和PN减排率较DOC+CDPF初装时分别降低33.83%和10.35%.

3.3 B5生物柴油公交车在行驶里程到达8×104km左右时,CO,THC,NO,PM和PN的减排率明显降低,需对DOC+CDPF后处理装置进行保养,以延长其工作寿命.

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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

楼狄明(1963-),男,浙江东阳人,教授,博士,主要研究方向为发动机排放控制后处理技术.发表论文200余篇.

2017-04-25

上海市科学技术委员会科研计划项目(16DZ1206700)

* 责任作者, 教授, loudiming@tongji.edu.cn