催化型颗粒物捕集器实际道路工况适配性研究

白振宇，洪晓飞，方熙宇，王计广，谢振凯

(1.唐山市环境监控中心，河北唐山 063000；2.石家庄市机动车排污管理中心，河北石家庄 050000；3.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

北京、天津、上海等地大气细颗粒物(PM 2.5)源解析工作结果显示：机动车污染物排放已成为城市大气细颗粒物的主要来源之一，其中柴油车颗粒物排放总量超过机动车排放总量的90%，对柴油车颗粒物排放进行治理成为社会日益关注的焦点[1-3]。

颗粒物捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)可有效捕集过滤柴油车尾气中的颗粒物，是当前减少柴油车颗粒物排放最有效的技术。但随着捕集的进行，DPF内捕集的颗粒物越来越多，必须要采取一定的再生措施清除DPF中积累的碳颗粒[4-7]。

DPF再生技术按照有无辅助热源分为主动再生技术路线和被动再生技术路线两种。其中由氧化催化转化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)和催化型颗粒物捕集器(Catalyzed Diesel Particulate Filter，CDPF)组成的被动再生系统的再生过程无需辅助热源，无二次污染物生成，对发动机经济性影响也较小，相比于其余的再生技术路线具有明显的优势[8-12]。

然而，我国道路交通、车辆排放水平、燃油品质存在一定独特性，导致在国外应用良好的DOC+CDPF技术路线在我国应用时存在大量需要解决的问题。目前国内针对DOC+CDPF适配性问题开展了大量研究工作，对比分析了不同负荷、不同燃油品质等条件对系统过滤效率、再生效率等关键性能参数的影响，其结果表明：DOC+CDPF系统在中等负荷、低硫柴油环境下再生能力最强，燃油添加剂会影响系统的再生能力。但当前的研究均是基于发动机试验台架开展的，针对该类系统在我国实际运行车辆上适配应用的研究尚不完善[13-14]。

本文作者通过车载排放测试技术(PEMS)和车载远程监测技术，研究了DOC+CDPF技术路线产品在实际道路工况条件下的过滤效率、再生特性和耐久性等性能，为该类型产品在国内大规模应用提供了示范案例，也为该系统的本土化优化开发提供了技术指导。

1 试验系统及方法

1.1 试验设备

文中采用的车载尾气检测设备(Portable Emission Measurement System，PEMS)见图1。PEMS测试设备主要包括两部分：OBS-2200和电子低压撞击器(Electrical Low Pressure Impactor,ELPI)。OBS-2200主要用于测试气态污染物的瞬时浓度及车辆行驶中的排气流量，ELPI用来测试车辆排放颗粒物的瞬时浓度。

图1 PEMS测试设备

图2为CDPF运行状态监测系统的原理图。

图2 CDPF运行状态监测系统原理图

如图2所示，试验用CDPF系统前、后端均安装有测量压力和温度的传感器，安装时，压差传感器探头需深入到排气管内部3 cm左右，温度传感器探头需深入到排气管内部5 cm左右，以确保采集的压力值和温度值能达到工况状态下的真实数值。当柴油机开始工作时，压力传感器和温度传感器采集尾气数据后经过转化处理，分别通过压力软管和线束传到远程监测终端。

在远程监测终端中，实时采集的经纬度等车辆地理位置信息、车速等车辆行驶状态信息、发动机转速等发动机工作状态信息，以及CDPF系统前、后端压差等CDPF系统运行状态信息最终会转化为可进行无线通信传输的网络信号，该信号通过GPRS网络上报到远程监测数据库，可以使用Web服务器实现对远程监测数据库的调用和计算分析。

1.2 试验车辆信息

文中选择的试验车辆发动机型号及排量信息见表1。

表1 试验车辆及柴油机信息

文中参照天津市各类重型柴油车的保有量，选择了最典型的三类车辆作为试验对象，这三类车辆运行时间长且多在人口密集区运行，是需要重点治理的对象，所有车辆均为5年内生产的未安装任何后处理装置，且符合国三排放标准的重型柴油车。

1.3 试验方法

该项目选用同一厂家的CDPF系统，对所有试验柴油车开展加装CDPF系统排放治理改造试验，该试验使用的DOC和CDPF贵金属涂覆率、孔隙率等结构和理化参数均相同，仅依据车辆排气流量差异适当调整CDPF尺寸。

所有加装CDPF系统的试验车辆在治理改造完成、运行满5 000 km和运行满20 000 km时，均需要进行一轮PEMS测试。为反映重型车辆在道路上运行时的颗粒物排放情况，车辆仍按日常运营路线正常行驶，不规定某一固定工况，试验流程按照北京市地方标准DB11/965-2013《重型汽车排气污染物排放限值及测量方法(车载法)》进行。

在车辆启动运行时，车载远程监测终端会实时上报车辆的地理位置参数、车辆及发动机工作状态参数和 CDPF系统运行状态参数到远程监测平台数据库。通过Web服务器可调用数据库内采集存储的参数，分析不同环境温度下DOC+CDPF的再生性能。

2 试验结果与分析

2.1 不同车型CDPF适配效果

2.1.1 CDPF系统初始过滤效率

CDPF系统瞬时颗粒物过滤效率与发动机工况相关，并不为恒定值。因此文中在筛选过滤明显异常数据后，逐秒统计分析了PEMS试验过程中CDPF系统过滤效率的最高值、均值和最低值，以全面评价适配不同类型测量CDPF系统的过滤效率。

图3给出了6辆试验重型柴油车初次加装CDPF系统后，在实际道路运行条件下，各CDPF系统PEMS测试的颗粒物过滤效率。由图3(a)可知，6辆试验车辆加装CDPF系统后，尾气中的颗粒物排放量大幅下降，所有车辆的平均过滤效率均在90%以上，通过加装CDPF系统可以有效降低国三排放水平在重型柴油车的颗粒物排放。

图3 改造初始各CDPF系统过滤效率

由图3(b)和图3(c)可知，不同类型车辆加装同类CDPF系统后，其最高过滤效率基本一致，均接近99%，但系统颗粒物最低过滤效率差异较大：运行工况相对稳定的商务巴士车和邮政物流车，其CDPF系统颗粒物过滤效率相对稳定，综合颗粒物过滤效率较好；而运行工况相对复杂、频繁启停装卸垃圾的环卫车辆，其CDPF系统在部分大负荷加减速工况下的颗粒物过滤效率未达到85%，综合颗粒物过滤效率相对较差。

2.1.2 CDPF系统匹配效果

耐久性是评价CDPF性能优劣的关键指标之一。文中持续追踪了6辆改造车辆CDPF系统的工作状态，图4表示6辆试验重型柴油车运行满5 000 km和20 000 km时，在实际道路运行条件下，各CDPF系统PEMS测试的颗粒物平均过滤效率。

图4 不同时期各CDPF系统过滤效率比对

由图4可知，CDPF系统的颗粒物过滤效率随里程的增加而波动。

试验车辆运行满5 000 km时，各CDPF系统的颗粒物平均过滤效率相比于初始时刻均出现不同幅度的增加。主要是因为CDPF内沉积的未再生颗粒物和无法再生的灰分在孔道内形成了滤饼层，而初期的滤饼层可以有效提升CDPF的拦截捕集效率。

试验车辆运行满20 000 km后，各CDPF系统的平均颗粒物过滤效率呈现较大差异，长期往返于天津和北京两地的商务巴士车1、2和邮政物流车4的颗粒物过滤效率波动不大，仍保持在95%左右。而主要在天津市市区和城郊内运行的邮政物流车3和环卫车5、6的颗粒物过滤效率出现了明显下降，环卫车6的颗粒物过滤效率仅为61.8%，远低于环保行业标准HJ451-2008《环境保护产品技术要求柴油车排气后处理装置》中对壁流式DPF过滤效率应高于85%的要求。

各试验车辆使用的CDPF系统技术路线和技术要求均相同，试验车辆1、2、4安装的CDPF系统工作正常， 故因产品质量问题导致过滤效率明显下降的可能性较低。

图5表示远程监测终端上报的6辆试验车辆在一个月内，CDPF系统前端的排气温度特征。

图5 各试验车辆排气温度特征

由图5可知，试验车辆1、2、4的排气温度整体水平较高，且排气温度超过280 ℃的时间占总运行时间的比重超过25%。而试验车辆3、5、6的整体排气温度水平较低，且排气温度超过280 ℃的时间占比不超过10%。而试验所选用的CDPF系统正常工作时的平衡点温度为280 ℃。即当通过CDPF系统的排气温度超过280 ℃时，CDPF系统内颗粒物被动再生速率高于捕集速率，CDPF内的碳载量不断下降，直至再生完全。

试验车辆1、2、4排气温度超过280 ℃时间占总运行时间的比重较大，可以满足CDPF系统被动再生的需求。而试验车辆3、5、6的排气温度无法满足CDPF系统长期正常工作的需求。CDPF系统的碳载量易超过正常限定值，影响车辆的正常工作，同时为保证车辆正常运行，车辆3、5、6所安装的CDPF需要频繁维护，主动清除内部沉积的颗粒物和灰分，而维护时使用的热再生法和反吹法均会影响CDPF系统的颗粒物捕集性能，导致CDPF系统的颗粒物过滤效率异常下降。故CDPF系统工作需求温度和车型排气温度不适配是导致试验车辆3、5、6加装CDPF系统颗粒物过滤效率异常下降的主要原因。

2.2 不同环境温度CDPF适配效果

温度是影响CDPF系统再生性能的关键性因素。图6表示平均温度35 ℃的夏季和平均温度-15 ℃的冬季，两辆商务巴士车1和2加装的CDPF系统在冬季和夏季的颗粒物过滤效率特征。

图6 夏季和冬季CDPF系统过滤效率比对

由图6可知，试验车辆1和2加装的CDPF系统冬季和夏季的最高过滤效率、平均过滤效率和最低过滤效率基本稳定。在文中试验所选取的环境温度区间内，CDPF系统的过滤效率不因环境温度的变化而出现大幅波动。

图7表示平均温度35 ℃的夏季和平均温度-15 ℃的冬季，两辆商务巴士车1和2加装的CDPF系统温度和压差特征。

图7 夏季和冬季CDPF系统温度和压差比对

由图7(a)可知，商务巴士车1加装的CDPF系统冬季的最大压差较夏季升高0.9 kPa，增幅约14%。商务巴士车2加装的CDPF系统冬季的最大压差较夏季升高1.0 kPa，增幅约16%。

当CDPF系统碳载量不超过6 g/L时，其前后端的压差与碳载量成正比，故可以用CDPF系统前后端压差判定CDPF系统的碳载量。而CDPF系统孔道内沉积的碳载量为颗粒物捕集量和颗粒物再生量的差值，在相似工况下，同一CDPF系统颗粒物捕集总量基本相同，其孔道内沉积的碳载量取决于该段时间内的颗粒物再生总量，CDPF系统再生性能越强，孔道内沉积的颗粒物越少。故可认为在相似工况下，同一CDPF系统前后端压差越高，CDPF系统的碳载量越高，CDPF系统再生性能越弱。而由图7(a)可知，CDPF系统冬季的最大压差高于夏季，表明冬季CDPF系统内的最大碳载量高于夏季，环境温度削弱了CDPF系统的被动再生能力。但冬季CDPF系统压差较夏季的增幅在15%左右，增幅较小，表明文中试验所选择的环境温度对CDPF系统的再生能力影响较小。

由图7(b)可知，商务巴士车1加装的CDPF系统冬季的平均温度较夏季低12 ℃，280 ℃以上的温度占比较夏季低3.1%，为25.2%。商务巴士车2加装的CDPF系统冬季的平均温度较夏季低16 ℃，280 ℃以上的温度占比较夏季低3.9%，为24.8%。

在文中试验所选择的环境温度区间内(-15～35 ℃)，商务巴士车冬季的平均排气温度较夏季下降明显，但280 ℃以上的再生关键温度占总时间的比重仍处于较高水平，保持在25%左右，可以满足CDPF系统长期被动再生的需求。

故在实际道路工况下，环境温度会影响CDPF的性能，但对于适配性良好的车辆，CDPF系统仍能较好满足柴油车颗粒物排放治理的需求。

3 结论

(1)重型柴油车加装DOC+CDPF系统后，尾气中的颗粒物排放量大幅下降，平均颗粒物过滤效率达到90%以上，但加减速工况下的颗粒物过滤效率较差。

(2)以商务巴士车和长途邮政物流车为代表的重型柴油车，运行工况相对稳定，排气温度相对较高，与CDPF系统的适配性较好。而以环卫车为代表的市区营运车辆，运行工况相对复杂，启停频繁，平均排气温度较低，不适合加装CDPF系统控制颗粒物排放。

(3) CDPF系统的再生性能受环境温度影响，但即使在-15 ℃的冬季，车型适配性良好的CDPF系统仍具有较好的被动再生能力，可以满足柴油车颗粒物排放治理的需求。