基于PEMS的重型柴油车道路排放特性研究

2020-08-31楼狄明王博李泽宣

车用发动机 2020年4期

楼狄明，王博，李泽宣

(同济大学，上海 201804)

在能源日益紧缺的今天, 作为真正高耗能的重卡行业, 低碳节能是其发展的一个必然趋势。重型柴油机凭借其高功率、高热转换效率的优势, 在大功率车辆的配套应用中不断扩大[1]。但重型柴油车排放的大量污染物如HC、CO、NOx、颗粒物对环境有很大的危害。随着污染影响范围逐渐扩大、污染程度逐渐加剧，环境问题引起了社会各界的广泛关注[2-3]。因此，优化重型柴油机排放的问题迫在眉睫。

目前在重型柴油机上应用最广的方案是加装DOC+CDPF 耦合装置。国内外学者根据台架和转毂试验对DOC+CDPF进行了大量的研究。张允华等[4]基于重型转毂试验平台，研究了重型柴油车加装DOC+CDPF 前后，在不同工况下的气态物及颗粒物排放因子变化规律。黄德军等[5]研究了燃用高硫燃油对DOC的影响，发现选用高硫燃油会使DOC催化剂暂时中毒, 会降低催化剂的转换效率。贺南等[6]基于重型底盘测功机，研究新鲜及老化DOC/CCRT对柴油机气态物排放特性的影响。王军方、王小臣、葛蕴珊、Han M等[7-14]研究柴油机加装DOC前后气态物及颗粒物的排放特性。温雅、冯谦等[15-17]基于发动机台架试验，研究了柴油机加装DOC+CDPF对其排放的影响。楼狄明等[18]研究了DOC+CDPF对生物柴油公交车排放特性的影响，研究发现相对于纯柴油公交车，DOC+CDPF对生物柴油公交车CO、THC的减排效果更好。虽基于台架和转毂试验对DOC+CDPF的研究已经很多，但比起台架及转毂试验，车载排放试验可对行驶在实际道路上的车辆进行实时测量，其真实性和可靠性更高。

因此，本研究基于PEMS车载排放测试系统，对一辆安装DOC+CDPF的重型柴油货运车进行了3次不同行驶里程下的道路跟踪排放测试。测试在不同行驶里程、不同行驶工况下，重型柴油车原车排放以及安装DOC+CDPF后的CO、THC、NOx、PN、PM的排放特性。

1 试验装置与方案

1.1 试验装置

利用PEMS测试系统，对一辆安装DOC+CDPF的重型柴油货运车进行了3次不同行驶里程下的道路跟踪排放测试。图1示出道路试验设备布置。试验车辆为陕汽重卡，其具体参数如表1所示。本次试验用的后处理装置为DOC+CDPF耦合装置，其详细参数见表2。本次试验的排气气态物检测设备为HORIBA OBS-2200气态物排放检测仪，可对CO、THC、NOx进行测量。颗粒物检测设备则采用TSI EEPS-3090粒径谱仪，可实时测量出排气中的PM、PN及颗粒物粒径分布。

图1 试验系统机构

表1 试验车辆参数

表2 DOC和CDPF技术参数

1.2 试验方案

利用PEMS测试系统测试在不同行驶里程下，重型柴油车的原车排放以及安装DOC+CDPF后CO、THC、NOx、PN、PM的排放特性，并计算出其减排率。每次道路试验先后测量原车及DOC+CDPF后的排气特性。道路跟踪试验一共进行了3次：第1次道路试验时初次安装DOC+CDPF，车辆里程表计数为217 091 km；第2次道路试验时车辆安装后处理装置后累计行驶了53 915 km，车辆里程表计数为271 006 km；第3次道路试验时车辆安装后处理装置后累计行驶了78 004 km，车辆里程表计数为295 095 km。

本次试验工况分为模拟准稳态工况以及自由行驶工况。模拟稳态工况是车辆在0～60 km/h内稳定行驶，每间隔10 km/h取一测点，并保持匀速行驶1 min进行采样；自由行驶工况是驾驶员根据实际道路车流量情况驾驶车辆。在处理数据时，把0～60 km/h的整个行驶过程划分为减速、低速、中速、高速、加速5个区间。低速工况：0.5 km/h≤v<20 km/h，|a|<0.1 m/s2(v为速度，a为加速度)；中速工况：20 km/h≤v<40 km/h，|a|<0.1 m/s2；高速工况：40 km/h≤v<60 km/h，|a|<0.1 m/s2；加速工况：a>0.1 m/s2；减速工况：a<-0.1 m/s2。

2 结果与分析

2.1 排气温度分析

如图2所示，排气温度随车速的变化较明显，且随着车速的增大而逐渐升高，在60 km/h时达到峰值，其中第1次试验时排气温度最高，达到201 ℃。图3示出3次试验的平均排气温度，从图中可以看出，高速工况下，由于车辆平均速度最大，因此高速工况的平均排气温度最高，其值比低速工况下的平均排气温度高出接近40 ℃。

图2 不同车速下的排气温度

图3 不同行驶工况下的平均排气温度

2.2 CO排放分析

2.2.1不同行驶工况下CO排放分析

图4示出在不同行驶工况下，原车及加装DOC+CDPF后的CO排放因子。从图中可以看出，CO排放因子在低速工况下最大，而在高速工况下最低，随着车速的增加，CO排放因子逐渐降低。在加、减速工况下CO排放居中。究其原因，汽车在低速工况下运行时，发动机负荷较小，此时缸内温度很低，油滴雾化质量差，附着在缸壁上的油膜蒸发速度慢，燃油和空气混合不均匀，燃烧空间中存在局部缺氧和低温的地方，导致机内柴油燃烧不充分，进而促使CO排放增加。随着车速的提高，柴油机负荷增大，缸内工作温度升高，油滴的雾化质量好，这使得缸内燃烧更加充分，因此，CO排放会逐渐降低。再加上在高速工况下，车辆单位时间内行驶的距离最大，综合两点考虑，在高速工况下，CO的排放因子最低。而在加速工况下，虽然缸内温度较高，但发动机会加大喷油量，导致燃油和空气混合不均匀，这也会加剧CO的排放。

图4 不同行驶工况下原车及加装DOC+CDPF后CO排放因子

图5示出不同行驶工况下的CO减排率。总的来说，在加装了DOC+CDPF过后，CO排放显著降低。这是因为在DOC中的催化剂铂(Pt)、钯(Pd)和CDPF的催化涂层的作用下，CO的化学反应活化能降低，CO可以在低温下被氧化成CO2，进而起到降低CO排放的作用[13]。对于不同的行驶工况，一般来说，低速工况下CO减排率最低，高速工况下CO减排率最高，随着车速的增加，CO减排率也会提高。这是因为在后处理装置中，催化剂的活性与排气温度是成正比的关系，且催化剂的活性越强，CO就被氧化得越彻底。排气温度在高速工况下最高，因此，CO的减排率在高速工况时会达到峰值。

图5 不同行驶工况下CO减排率

2.2.2不同行驶里程下CO排放分析

图6示出不同行驶里程下原车及DOC+CDPF后CO的综合排放因子及综合减排率。从图中可以看出，第1次试验的CO综合排放因子和综合减排率最高，分别为2.02 g/km，59.8%；第3次试验的CO综合排放因子和综合减排率最低，分别为1.7 g/km，48.9%。即随着行驶里程的增加，CO的综合减排率逐渐减小。造成上述现象的原因有三点：一是DOC的热老化；二是DOC催化剂硫中毒；三是CDPF的老化。DOC的热老化是指DOC长期在高温下工作，导致CO起燃温度提高[6]，以致氧化效果下降；所谓DOC催化剂的硫中毒[5]，是指柴油中的硫在高温下会生成硫酸盐，硫酸盐积累吸附在DOC催化剂上会降低催化剂的活性，从而使催化剂的转化效率降低，导致CO的氧化效果恶化[17]；CDPF的老化是指过多的颗粒物吸附在CDPF的壁面上，阻塞通道，减小气流通过量。虽然CDPF具有主、被动再生功能，但是再生效率并不能达到100%。随着车辆行驶里程的增加，颗粒物逐渐积累在壁面上，这使得CO与催化涂层的接触面积降低，从而导致CO排放增加。

图6 不同行驶里程下原车及加装DOC+CDPF后CO综合排放因子及综合减排率

2.3 THC排放分析

2.3.1不同行驶工况下THC排放分析

图7示出在不同行驶里程和不同工况下，原车及加装DOC+CDPF后的THC排放因子。从图中可以看出，跟CO排放因子相似，THC排放因子在低速工况下最大，而在高速工况下最低，随着车速的增加，THC排放因子逐渐降低。在加、减速工况下THC排放则处于中间位置。造成上述现象的原因是，车辆在低速工况运行时，柴油机负荷小，喷油量较少，缸内温度较低。当火焰传播到缸壁时，由于壁面温度低，导致火焰淬熄，THC增多；附着在壁面的油滴蒸发速度慢，燃油与空气混合较差，由于混合气过稀或局部温度过低，导致燃烧不充分，这也会使THC排放增多。从低速工况到高速工况，柴油机负荷增大，缸内温度压力升高，燃烧更充分，THC排放随之降低。

图7 不同行驶工况下原车及加装DOC+CDPF后THC排放因子

通过比较原车排放和经过DOC+CDPF后的THC排放因子可以发现，DOC+CDPF可以显著降低THC排放。这是因为DOC的催化剂以及CDPF的催化涂层中均含有铂和钯，在铂和钯的催化作用下，THC在较低温度下就能被O2氧化成CO2和水，从而起到降低THC排放的作用。图8所示为不同行驶工况下THC的减排率。从图中可以看出，在不同工况下，DOC+CDPF对THC的减排作用并不相同，整体上随着行驶速度的增加，THC减排率逐渐提高。且在高速工况时，THC的减排率最高。这是因为催化剂的活性随排气温度的升高而增大，且催化剂的活性越强，THC的转化效率就越高。而在高速工况时，发动机的排气温度也最高。因此在高速工况时，THC的减排率最大。

图8 不同行驶工况下THC减排率

2.3.2不同行驶里程下THC排放分析

图9示出不同行驶里程下原车及DOC+CDPF后THC的综合排放因子及综合减排率。从图中可以看出，第1次试验的THC综合排放因子最高，为0.6 g/km，第2次试验的THC综合排放因子最低，为0.39 g/km；第2次试验的THC综合减排率最高，为53.5%；第1次试验的THC综合减排率最低，为42.1%。随着行驶里程的增加，THC的综合减排率呈先增大后减小的趋势，原因是在多次的持续使用过程中，DOC催化剂中的贵金属颗粒物被激活，暴露的THC活性位增多，从而使减排率提高。当减排率增大到一定值后，由于催化剂比表面积损失，造成催化结构的坍塌和贵金属的包埋[6]，导致对THC的催化效率下降，以致THC的减排率下降。同时，DOC催化剂的热老化、硫中毒以及CDPF的老化同样也是造成THC减排率下降的重要原因。

图9 不同行驶里程下原车及加装DOC+CDPF后THC综合排放因子及综合减排率

2.4 NOx排放分析

图10示出在不同行驶工况下，原车的NOx排放因子。从图中可以看出, NOx排放因子在低速工况下最低，而在高速工况下最高，随着车速的增加，NOx排放因子逐渐升高。造成这种现象的原因是由于NOx的生成机理是高温富氧，而柴油机大部分工况下过量空气系数都是大于1的，即温度是影响柴油机NOx排放的主要因素。从低速工况到高速工况，发动机负荷增大，缸内温度逐渐升高，因此NOx排放因子也逐渐增大。另一方面，纵观整个DOC+CDPF装置，在DOC中，NOx中的NO首先会被氧化成NO2，被氧化后的NO2流经CDPF时会充当氧化剂来氧化颗粒物，同时本身再次被还原为NO，整个过程实现氮的循环，因此理论上DOC+CDPF对NOx排放影响不大，在实际测试中DOC+CDPF在对NOx的减排作用上表现不佳[6,18-21]。所以针对DOC+CDPF在不同工况，不同行驶里程下对NOx的减排作用不做讨论。

图10 不同行驶工况下原车NOx排放因子

2.5 PN排放分析

2.5.1不同行驶工况下PN排放分析

图11示出在不同行驶里程和不同工况下，原车及加装DOC+CDPF后的PN排放因子。可以看出，PN排放因子在低速工况下最小，而在高速工况下最大，随着车速的增加，PN排放因子逐渐升高。在加、减速工况下PN排放居中。造成这种现象的原因是：车辆在低速工况运行时，柴油机负荷较小，缸内温度较低，燃烧不充分，这种环境有利于聚集态颗粒的生成。车辆由低速工况逐渐过渡到高速工况，由于负荷加大致使缸内温度升高，改善了缸内燃烧状况，这时的颗粒物则以核模态颗粒物为主[4]。综上，PN排放因子与车速呈正相关关系。对于加速工况，由于喷油量增多，油气混合不均匀，缸内存在局部过浓区域，燃烧恶化，也会导致PN排放增加。

图11 不同行驶工况下原车及加装DOC+CDPF后PN排放因子

车辆加装DOC+CDPF后，PN显著降低。究其原因，一方面是由于DOC可以对颗粒物中的SOF进行氧化[14]，另一方面是因为CDPF除了可以捕集颗粒物以外，还可以结合由DOC氧化生成的NO2，可以进一步对颗粒物进行氧化，从而降低PN排放。图12示出不同行驶工况下PN的减排率。总的来说，PN减排率随速度增大而升高，在高速工况下减排率达到最大。这是因为排气温度越高，催化剂活性越强，从而可以加剧颗粒物的氧化。由于在高速工况下排气温度最高，因此，PN减排率在高速工况下达到峰值。

图12 不同行驶工况下PN减排率

2.5.2不同行驶里程下PN排放分析

图13示出不同行驶里程下原车及DOC+CDPF后PN的综合排放因子及综合减排率。从图中可以看出，3次试验的PN减排率分别为56.5%，99%，95.1%，PN减排率随行驶里程的增加呈现先增大后降低的趋势。初装DOC+CDPF时，其转化效率并不高，待车辆行驶到一定里程数时，转化效率开始增大。车辆继续行驶到一定里程时，一方面由于再生不彻底造成CDPF堵塞，另一方面由于CDPF长期在高温下工作，造成催化结构的坍塌和贵金属的包埋。两方面的原因使得DOC+CDPF对PN的转化效率下降。

图13 不同行驶里程下原车及加装DOC+CDPF后PN综合排放因子及综合减排率

2.6 PM排放分析

2.6.1不同行驶工况下PM排放分析

图14示出在不同行驶里程和不同工况下，原车及加装DOC+CDPF后的PM排放因子。可以看出，车辆在低速工况下PM排放最高，高速工况下排放较低。这是因为低速工况运行下，柴油机负荷较小，缸内温度较低，油滴雾化质量差，燃烧不充分导致PM排放高。高速工况时，缸内温度高，改善了燃烧状况，大颗粒物较少，从而导致PM排放减少。对于加速工况，同PN类似，由于喷油量增多，油气混合不均匀，缸内存在局部过浓区域，燃烧恶化，也会导致PM排放增加。