环境科学  2016, Vol. 37 Issue (12): 4545-4551   PDF    
基于DOC+CDPF技术的公交车燃用生物柴油气态物道路排放特性
楼狄明 , 张允华 , 谭丕强 , 胡志远     
同济大学汽车学院, 上海 201804
摘要: 基于OBS-2200车载排放检测系统,试验研究并分析了催化型连续再生颗粒捕集器(DOC+CDPF)及生物柴油混合燃料B20(生物柴油体积占比20%)对国Ⅲ柴油公交车瞬态工况和稳态工况下气态物道路排放特性的影响.结果表明相较于B0(纯柴油),B20的一氧化碳(CO)、总碳氢化合物(THC)平均排放率偏低,其中,稳态工况下降幅分别为26.43%、10.44%,瞬态工况下降幅分别为22.78%、4.95%;二氧化碳(CO2)和氮氧化物(NOx)平均排放率偏高,其中,稳态工况下分别上升8.41%和8.26%,瞬态工况下分别上升7.15%、9.13%.相较于B0,DOC+CDPF对B20的CO和THC净化效果更为显著,其中,稳态工况下降幅分别达60.58%和79.92%,瞬态工况下,降幅分别达63.67%和82.57%. DOC+CDPF使用后,CO2和NOx的排放率略微下降.
关键词: 柴油公交车      催化型连续再生颗粒捕集器      生物柴油      道路排放      气态排放物     
Emission Characteristics of Gaseous Pollutants from City Bus Fueled with Biodiesel Based on DOC+CDPF Technology in Real Road Conditions
LOU Di-ming , ZHANG Yun-hua , TAN Pi-qiang , HU Zhi-yuan     
School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China
Abstract: The gaseous emissions of stage Ⅲ standard City bus with and without DOC+CDPF after-treatment fueled with biodiesel blends on real road in steady-state and transient conditions were studied using OBS-2200 gaseous portable emission measurement. The results showed that B20 led to a decrease of CO and THC emission rates compared with those of B0. In steady-state condition, CO and THC average mass emission rates of B20 decreased by 26.43% and 10.44% respectively and in transient condition the decrease rates were 22.78% and 4.95%. Meanwhile, B20 eventuated in higher CO2 and NOx emission rates. In steady-state condition, CO2 and NOx average mass emission rates of B20 increased by 8.41% and 8.26% respectively and in transient condition the increase rates were 7.15% and 9.13%. DOC+CDPF caused a more obvious reduction of CO and THC emission rates of B20 compared with B0. In steady-state condition, CO and THC average emission rates decreased by 60.58% and 79.92%, while in transient condition they decreased by 63.67% and 82.57%. The influence of DOC+CDPF on emission reduction of CO2 and NOx was not obvious.
Key words: diesel bus      DOC+CDPF      biodiesel      on-road emission      gaseous emissions     

随着城市化进程的不断加深,公共交通的发展势必会越来越快,公交车作为城市公共交通的典型代表将会得到更广泛的应用.然而公交车具有排量大、油耗高、污染重的特点,因此在全球能源紧缺和环境保护的背景下,开发公交车清洁替代燃料及尾气后处理技术势在必行[1~3].

近年来氧化型催化转化器(diesel oxidation catalytic converter,DOC)和催化型颗粒捕集器(catalyzed diesel particulate filter,CDPF)技术的日趋成熟正在为公交车的尾气净化带来新的途径,而以油料作物、动物油脂以及餐饮垃圾为原料通过酯交换或热化学工艺制成的生物柴油具有十六烷值和闪点高、抗爆性好等优点,并且无需对柴油机改动便可直接使用,能够在一定程度上缓解石化燃料枯竭的危机,具有十分广阔的应用前景[4~8].针对生物柴油国内外学者开展了许多研究,Randazzo等[9]研究了乘用车燃用不同比例大豆制生物柴油气态物的排放特性,结果表明随生物柴油比例的升高,HC和CO排放小幅下降,NOx和CO2排放有所上升;Chauhan等[10]基于发动机台架试验研究了生物柴油对排放的影响,结果表明CO、CO2及HC较纯柴油均有不同程度的下降,NOx有所升高;Jaichandar等[11]研究了环形凹角燃烧室燃用B20生物柴油的排放特性,结果表明HC排放减少20.7%,CO排放减少44.5%,NOx排放增加约9.2%;楼狄明等[12]研究了共轨柴油机燃用生物柴油的排放性能,结果表明与纯柴油相比,燃用生物柴油混合燃料后,CO和HC排放下降,且下降幅度随生物柴油混合比例的增大而增大,NOx排放上升,升高幅度随生物柴油混合比例的增大而增大;谭丕强等[13]对公交车燃用生物柴油的排放性能进行了研究,结果表明生物柴油的CO和HC排放较纯柴油有所下降,NOx高于纯柴油;袁银南等[14]对柴油机燃用生物柴油的排放特性进行了研究,结果表明柴油机使用生物柴油比使用纯柴油在CO和HC方面分别降低了29.8%和24.98%,NOx排放变化不大.而柴油机尾气后处理技术方面,楼狄明等[15]基于台架试验平台研究了DOC+CDPF+SCR技术对国Ⅴ排放重型柴油机气态物排放特性的影响,研究结果表明DOC+CDPF+SCR能够有效降低柴油机的NOx、THC、CO及SO2的排放,转化效率分别达到91.8%、96.9%、99.9%和90.5%;葛蕴珊等[16]基于台架试验平台研究了DOC对柴油机排放特性的影响,结果表明DOC能大幅降低HC和CO的排放,NOx总量变化不大.以上研究主要是关于生物柴油对气态物排放特性的影响,以及后处理装置对燃用纯柴油气态物排放特性的影响,而关于后处理装置和生物柴油耦合使用对气态物排放特性影响的研究却鲜见报道.鉴于公交车实际运行工况与台架试验工况存在较大差异,很有必要对采用DOC+CDPF技术的公交车燃用生物柴油的气态物道路排放特性展开研究.基于以上分析,本文以上海市国Ⅲ柴油公交车为试验车辆,对比研究其加装DOC+CDPF前后燃用生物柴油的气态物道路排放特性,以期为公交车替代燃料的开发及尾气后处理技术的推广应用提供重要借鉴.

1 材料与方法 1.1 试验装置和燃料

试验样车为上海市日常运营的国Ⅲ柴油公交车,基本参数见表 1,试验过程中采用日本HORIBA公司的OBS-2200车载排放测试仪对尾气中的CO、CO2、THC和NOx进行检测和记录,该设备采用加热型不分光红外检测法NDIR测量CO和CO2排放,采用加热型的氢火焰离子检测法FID测量HC排放,采用加热型的化学发光法CLD测量NOx排放,该设备还装有GPS,能够获得车辆的实时位置信息,从而得到实时车速[17, 18].

表 1 试验公交车主要参数 Table 1 Specifications of the test bus

本试验过程中公交车安装的后处理设备为催化型连续再生颗粒捕集器,即DOC和CDPF耦合的封装设备,其具体参数如表 2所示.试验燃料分别为国Ⅴ纯柴油、体积掺混比为20%的生物柴油混合燃料,其中,生物柴油为餐厨废弃油脂制备而得.两种燃料分别记为B0、B20,其理化参数见表 3.

表 2 DOC和CDPF的具体参数 Table 2 Specifications of the DOC and CDPF

表 3 B0和B20燃料的理化特性 Table 3 Physical and chemical properties of B0 and B20

1.2 试验方案

试验基于未装DOC+CDPF国Ⅲ原车及加装DOC+CDPF的国Ⅲ公交车(同一辆公交车),在预先设计好的试验线路上用车载排放测试仪OBS-2200采集分别燃用国Ⅴ纯柴油B0及B20生物柴油混合燃料的气态排放物数据,在分析DOC+CDPF以及B20对气态物排放特性的影响的同时研究其耦合使用性能.测试过程中车辆在实际道路上运行工况分为稳态工况和瞬态工况,其中,稳态工况即公交车保持0、10、20、30、40、50和60 km·h-1恒定车速行驶,每种车速下对尾气排放进行采样,采样周期为60 s;瞬态工况即公交车自由行驶工况(限速60 km·h-1),对公交车尾气排放进行实时采样[19, 20].采样系统如图 1所示.

图 1 公交车气态排放物道路采样系统 Fig. 1 Test system of gaseous pollutants from bus

2 结果与讨论 2.1 稳态工况下气态物排放特性

稳态工况下将公交车速划分为6个区间,0~0.5 km·h-1区间记为0 km·h-1,0.5~15 km·h-1区间记为10 km·h-1,15~25 km·h-1区间记为20 km·h-1,依次类推,55~65 km·h-1区间记为60 km·h-1,根据实际道路气态物测试结果,将公交车在不同车速区间内稳态工况(加速度|a|≤0.1 m·s-2)的单位时间质量排放率进行平均计算,得到公交车在不同速度下的气态物单位时间质量排放率,以此分析稳态工况下CO、THC、CO2及NOx的排放特性.

图 2所示为稳态工况下CO质量排放率随速度的变化规律.可以看出,在中低速阶段(v≤30 km·h-1),CO排放率相对较低,随着车速的增大,CO排放率快速升高后趋于平稳,整个稳态工况,B20的CO平均排放率较B0低26.43%.中低速阶段,DOC+CDPF对B20及B0的CO减排效果一般,速度进一步增大时,对CO减排效果较为显著.整个速度区间,B0平均下降55.36%,B20平均下降60.58%.

图 2 CO稳态排放特性 Fig. 2 CO emission rate in steady operating condition

中低速阶段CO排放水平较低是因为此阶段发动机转速低,单位时间内循环次数少,CO燃烧较为充分,但此阶段发动机缸内温度相对较低,从而造成排气温度低,而排气温度又是影响DOC+CDPF性能的重要因素,因此,在中低速阶段DOC+CDPF对CO的转化效率一般.随着速度增大,单位时间内发动机的循环次数增加,单个循环的燃空混合与燃烧时间变短,导致CO不能充分燃烧,因此CO的排放率升高.速度进一步增大时,发动机缸内温度较高,有助于CO的燃烧,所以在高速阶段CO排放又趋于平稳.而由于中高速阶段发动机缸内温度高,从而造成排气温度升高,因此DOC+CDPF对CO的氧化效果较好,造成CO排放降幅明显[21~23]. B20的CO排放较B0偏低且使用DOC+CDPF后气态物减排效果更为显著,主要是因为生物柴油含有分子内氧,一方面更有利于CO的充分燃烧,另一方面更容易带来较高的排气温度.

图 3所示为稳态工况下公交车THC质量排放率随车速的变化.可以看出,随车速的增大,B20的THC排放率逐渐升高,但始终低于B0,平均低10.44%.加装DOC+CDPF后,THC排放率显著下降,并且车速越高,降幅越大,整个速度区间,B0的THC平均排放率下降71.95%,B20的THC平均排放率下降79.92%.究其原因,DOC+CDPF对THC的起燃温度低,虽然发动机在低速条件下的排气温度相对较低,但其对THC的转化效果也仍十分显著.而随着车速增大,发动机单个循环的燃空混合和燃烧时间变短,导致THC燃烧不充分,因此其排放率有所上升.但同时缸内温度升高,排气温度增加,DOC+CDPF催化剂性能激活加深,THC转化效率增高,因此THC的降幅更为显著[24~26].而由于生物柴油十六烷值高,可以改善着火延迟,提高缸内燃烧稳定性,加之生物柴油氧含量高,有利于缸内未燃THC的裂解,所以B20的THC排放率始终低于B0并且DOC+CDPF对B20的THC转化效率更高.

图 3 THC稳态排放特性 Fig. 3 THC emission rate in steady operating condition

图 4所示为稳态工况下CO2质量排放率随速度的变化,可以看出B20与B0的CO2排放率均随速度的增大逐渐升高,这是因为速度增大,发动机负荷增加,喷油量相应增多,油耗逐渐增多,因此,CO2排放逐渐增多.与B0相比,B20的CO2排放率略高,平均高8.41%,这主要是因为生物柴油含碳量低,其能量密度低,因此发动机达到同样的输出功率则需要喷射更多的燃油,从而造成CO2排放率升高.整个速度区间,DOC+CDPF的使用可略微降低CO2排放率,这可能是因为原有的消声系统经过长时间的使用积碳严重,造成排气背压大,而加装的DOC+CDPF会替换掉原有的消声系统,从而带来排气背压的降低,相应地,CO2排放率小幅下降.

图 4 CO2稳态排放特性 Fig. 4 CO2 emission rate in steady operating condition

图 5所示为稳态工况下NOx单位时间质量排放率随速度的变化规律,可以看出,随速度的增大,B20的NOx排放率逐渐升高并且平均较B0高8.26%,主要是因为速度升高,柴油机负荷增大,缸内温度升高,造成NOx排放升高,而生物柴油的富氧特性更有利于NOx的生成,因此B20的NOx排放高于B0.加装DOC+CDPF后,NOx排放率会有微小幅度的下降,主要是因为NOx经过DOC时,其中的NO会被氧化成NO2,NO2在贵金属的催化作用下会与DPF捕集的碳烟发生氧化还原反应[27~29],自身会被消耗;另一方面,催化剂涂层会吸附部分NOx,造成NOx排放率的略微下降.

图 5 NOx稳态排放特性 Fig. 5 NOx emission rate in steady operating condition

2.2 瞬态工况下气态物排放特性

由于城市道路车流量较多,公交车运行多集中在中低速阶段,这里选取0~30 km·h-1车速区间,研究公交车瞬态工况下的气态物道路排放特性,将加速度分为6个区间,其中[-1.75,-1.25](单位: m·s-2,下同)记为-1.5 m·s-2,[-1.25,-0.75]记为-1 m·s-2,依次类推,[1.25,1.75]记为1.5 m·s-2,再根据实际道路气态物测量结果将公交车在中低速时不同加速区间内的单位时间质量排放率进行平均计算,得到公交车在不同加速度下的气态物单位时间质量排放率,以此分析瞬态工况下公交车各气态物的排放特性.

图 6所示为瞬态工况下CO的排放率随加速度的变化规律,不难看出,减速阶段(加速度axy0 m·s-2),B20的CO排放率稍低于B0,DOC+CDPF对CO的减排不明显.加速阶段(加速度a>0 m·s-2),B20的CO排放率明显低于B0,并且在加速阶段,DOC+CDPF能够有效降低CO的排放.整个加速度区间,B20的CO平均排放率较B0低22.78%,DOC+CDPF使用后,B0的CO平均排放率下降52.24%,B20的CO平均排放率下降更为显著,达63.61%.这主要是因为在减速阶段,发动机停止了供油,所以CO排放很低,而此时相对较低的排气温度导致了DOC+CDPF的催化活性较低;加速阶段,喷油量加大,空燃比减小,单位时间内循环次数增多,燃烧状况恶化,从而导致了CO排放增加,而由于此阶段排气温度较高,DOC+CDPF中催化剂活性增强,提高了其对CO的转化能力[30].而B20的含氧特性不仅有助于降低CO排放率,而且更有利于发挥DOC+CDPF的催化氧化作用.

图 7所示为瞬态工况下THC的排放率随加速度的变化规律,可以看出,整个阶段,B20的THC排放随加速度的增大而升高,但始终低于B0,平均降幅为4.95%.加装DOC+CDPF后,B0的THC平均排放率下降74.86%,B20的THC平均排放率下降82.57%.主要原因是加速度增大,发动机供油量增多,空燃比减少,造成燃料燃烧不完全,所以THC排放率增大,而喷油量的增大使发动机缸内温度逐渐升高,排气温度也会相应逐渐升高,从而提高了DOC+CDPF对THC的转化能力,所以随加速度的增大,DOC+CDPF对THC减排作用增强[31, 32],而B20使用DOC+CDPF后其THC排放下降更为显著同样与生物柴油的含氧特性有关.

图 6 CO瞬态排放特性 Fig. 6 CO emission rate in transient operating condition

图 7 THC瞬态排放特性 Fig. 7 THC emission rate in transient operating condition

图 8所示为瞬态工况下公交车的CO2排放率随加速度的变化,可以看出,减速阶段,B20的CO2排放率很低,随着加速度的增大,CO2排放率逐渐升高后略微下降.整个阶段B20的CO2平均排放率较B0高7.15%,而DOC+CDPF并未对B20的CO2排放带来明显的减排效果.究其原因,减速阶段的大部分时间发动机停止供油,因此CO2排放较低,随着加速度增大,发动机供油量加大,油耗增加,导致了CO2排放增加.加速度继续增大时(a>1 m·s-2),CO2排放略微下降是因为此时车速较低,车辆行驶需求的功率稍有下降,相应的油耗也略微下降.而B20的CO2排放率略高于B0主要是因为生物柴油的含碳量较纯柴油低,导致其热值低于纯柴油,因此相同的输出功率下需要喷射更多的生物柴油,造成其CO2排放率高于纯柴油. DOC+CDPF使用后CO2排放率略微下降可能是因为原有的消声系统被替换掉,从而带来排气背压的下降,造成CO2排放率略微下降.

图 8 CO2瞬态排放特性 Fig. 8 CO2 emission rate in transient operating condition

图 9所示为瞬态工况下NOx的排放率随加速度的变化规律,可以看出,减速阶段,B20的NOx排放率相对较低,加速阶段,B20的NOx排放率升高后小幅下降.主要原因是减速阶段大部分时间发动机停止供油,缸内温度低,所以NOx排放较低;加速阶段,发动机供油量增大,燃烧温度升高,有利于NOx的生成,而较大加速度时NOx排放有所下降是因为较大的加速度往往是发生在低速阶段,此时发动机负荷并不大,燃烧温度不高,因此,NOx排放略有下降.整个瞬态过程,B20的NOx平均排放较B0高出9.13%,这是因为生物柴油的含氧特性在燃烧过程中更容易形成高温富氧环境,有利于NOx的生成. DOC+CDPF的使用可小幅降低B0及B20的NOx排放率,原因与稳态过程中相同[33, 34].

图 9 NOx瞬态排放特性 Fig. 9 NOx瞬态排放特性

3 结论

(1) 公交车燃用生物柴油混合燃料B20的CO、THC排放率较纯柴油B0偏低.稳态工况下其平均降幅分别为26.43%、10.44%;瞬态工况下其平均降幅分别为22.78%、4.95%. CO2和NOx排放率较纯柴油B0略有升高,稳态工况其平均升幅分别为8.41%和8.26%;瞬态工况下其平均升幅分别为7.15%和9.13%.

(2) DOC+CDPF后处理技术能有效降低公交车的CO和THC排放,相较于纯柴油,DOC+CDPF对生物柴油混合燃料B20的减排效果更为显著.其中,加装DOC+CDPF后,稳态工况下B20的CO和THC平均排放率降幅分别达60.58%和79.92%;瞬态工况下B20的CO和THC平均排放率降幅分别达63.61%和82.57%.稳态工况以及瞬态工况下,DOC+CDPF对CO2和NOx的减排效果均不显著.

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