柴油发动机燃油经济性好及热效率高等特点，使其成为中、 重型汽车的主要动力^{[1, 2]}。但相对而言，柴油机的排放物，如NO_x及颗粒物排放等，也都高于汽油机。这些排放物对环境和人类健康都有着不可忽视的危害^[3~5]。为满足更为严格的排放法规，单纯地依靠机内净化技术已很难达到，必须与机外净化技术相结合^[6~8]。

目前应用于柴油机来解决颗粒物排放问题一般为氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC) 或催化型颗粒捕集器(catalyzed diesel particulate filter,CDPF)，以及两者耦合结合的催化型连续再生颗粒捕集器(catalyzed continuously regeneration trap,CCRT)等技术方案^[9~11]。国内外对这些后处理方案都进行了相关研究。Schaefer等^[12]对DOC-DPF-SCR和DOC-SCR-DPF两种构型方案的NO转化效率及DPF被动再生效果进行了试验对比。Liu等^[13]研究表明CCRT可以大幅降低HC及CO的排放，并且对颗粒数量浓度粒径分布峰值，核态和聚集态颗粒数量浓度有显著的降低效果。Herreros等^[14]发现在催化器中加入氢气有利于CO和HC的氧化，同时可以降低催化器的起燃温度，同时研究表明低温环境下，增加NO₂的生成速率及CO和HC的氧化速率有利于DOC后DPF的被动再生^{[15, 16]}。楼狄明等^[17]研究了采用DOC+CDPF后处理技术公交车实际道路颗粒物的排放特性。张俊等^[18]利用台架试验研究了DOC-CDPF-SCR-ASC(氨氧化催化器)和DOC-SCR-CDPF两种后处理系统构型方案在世界统一瞬态循环WHTC、 世界统一稳态循环WHSC、 欧洲瞬态循环ETC及欧洲稳态循环ESC等循环下NO_x、 颗粒物净化效果及CDPF被动再生效果。刘洋等^[19]研究表明DOC+PDC+SCR组合后处理系统可使两种污染物PM和NO_x排放满足国Ⅴ要求。

催化剂高温失活、 催化剂中毒、 结焦与堵塞及汽车振动等都会引起DOC老化，而高温烧熔、 热应力损坏、 不可燃物堵塞及汽车振动等是DPF老化的重要原因，即温度及化学中毒、 机械损害均对DOC/CCRT的老化有着重要的影响^[20~24]。目前国内对柴油机催化转化器的老化研究侧重对老化规范评价体系的建立^{[20, 23, 24]}，但有关新鲜老化DOC/CCRT对公交车排放影响研究仍为空白。

本文以满足国Ⅲ排放的在用柴油公交车为试验样车，在重型底盘测功机上研究该车采用新鲜老化DOC/CCRT后处理装置各一套，在CCBC循环的CO、 THC、 NO、 NO₂及NO_x等常规气态物的排放特性，以期为DOC及CCRT的应用及保养提供技术优化方案。

1 1 材料与方法 1.1 试验设备

试验在一辆满足国Ⅲ排放，发动机排量为7。1 L的柴油公交车上进行，其基本参数见表 1。试验燃料为纯柴油，其含硫量质量分数为0。002 2%，符合标准SH/T 0689-2000，为低硫柴油。

试验装置包括MAHA-AIP重型底盘测功机，美国Sensor公司生产的SEMTECH-D/G气体污染物系统，Pitot管流量计等辅助设备。重型车底盘测功机试验根据特定的驾驶循环，在特定的环境下对公交车进行排放性能试验，具有试验结果稳定性、 一致性和代表性好的特点，可同时避免发动机台架试验和车辆实际道路试验结果代表不强的缺点。美国Sensor公司SEMTECH-D/G气体污染物系统是用来测量在实际道路条件下柴油车和汽油车的真实尾气排放和车速、 油耗等相关参数的车载测试设备。此设备包括CO、 CO₂、 O₂的分析仪NDIR，NO、 NO₂分析仪NDUV及THC分析仪FID，其量程分别为8%、 18%、 25%，3 000×10^-6、 500×10^-6、 3 000×10^-6. Pitot管式流量计量程为0~20 m³ ·min^-1，流量精度±1.5%。

1.2 试验用后处理装置

本研究中将使用时间1 a，里程约50 000 km的DOC/CCRT定义为老化DOC/CCRT。新鲜DOC/CCRT指未经使用的DOC/CCRT。 为了分析老化DOC及CCRT对气态物的排放影响，分别选用新鲜老化DOC/CCRT后处理装置各一套进行试验，其中DOC及CDPF基本参数如表 2所示。

1.3 试验方案

该车在MAHA-AIP重型底盘测功机上，采用美国Sensor公司生产的SEMTECH-D/G气体污染物系统及其他辅助设施，对车辆尾气进行直采，将排气采样管通过Pitot管流量计直接连接到测量装置上，实时测量车辆排放的浓度和排气流量，从而得到气态物排放量^[25]。

试验循环采用GB/T 19754-2005推荐的中国典型城市公交车循环(CCBC)。CCBC循环是根据中国三大城市(北京、 上海和广州)公交车实际道路运行工况而建立的城市公交循环，其由怠速、 低速、 匀速、 中速和高速等14个工况构成，运行时间1 314 s，平均车速15。68 km。为消除驾驶员操作随机性因素，试验时循环重复进行5次。

本研究采用4种柴油排气后处理装置试验方案，分别简称为新鲜DOC、 老化DOC、 新鲜CCRT及老化CCRT。将柴油车无后处理装置的状态称为原车，如表 3所示。

2 2 结果与分析 2.1 气态物排放因子

车辆各排放污染物基于行驶里程的排放因子为某循环下的该污染物的排放总量与该循环的总行驶里程之比。表 4为CCBC循环下柴油公交车在不同后处理方案下的气态物排放因子。

综合分析，相较原车，安装4种后处理装置后CO、 THC排放均有降低； 对于氮氧化物排放，NO减少，NO₂增多，NO_x排放因子基本保持不变； CO₂排放基本不变。其中，对新鲜/老化DOC与新鲜/老化CCRT各自对比来说，新鲜DOC/CCRT对THC、 NO、 NO_x及CO₂降低幅度要明显大于老化DOC/CCRT，同时对NO₂的增加幅度也比老化DOC/CCRT大。但老化CCRT对CO的降低幅度要优于新鲜CCRT。可见，DOC及CCRT的老化对气态物排放有一定的影响。

2.2 不同工况下气态物排放

因车辆气态物排放与车辆行驶工况息息相关，CCBC循环工况特征参数如表 5所示，为了更好地了解气态物排放特性，有必要分析试验柴油公交车在一个CCBC循环中怠速(v=0且-0.1 m ·s^-2≤a≤0.1 m ·s^-2)、 加速(a>0.1 m ·s^-2)、 减速(a<0.1 m ·s^-2)和匀速(v≠0且-0.1 m ·s^-2≤a≤0.1 m ·s^-2)这4个工况下的气态物排放总量情况。

2.2.1 CO 排放图 1为柴油公交车采用不同后处理装置，在不同工况下的CO排放量。其中均标明最大的标准误差线。可以看出，在不同工况下，4种方案的后处理装置均可以不同程度地降低排放中CO浓度。这是因为DOC中催化剂能降低排放物中CO的化学反应活化能，从而使其能在较低的温度下与氧气发生氧化反应。在加速工况下其CO排放较高，是因为加速阶段喷油量增大，空燃比减小，这样单位时间内循环次数增多，此时燃烧状况恶化，从而其CO排放增加。新鲜DOC与老化DOC相比可知，不同工况下新鲜DOC比老化DOC对CO的氧化效率更好，其中新鲜DOC对CO的氧化效率为12.3%~26.0%，老化DOC对CO的氧化效率为3.1%~6.1%. 新鲜CCRT与老化CCRT相比可知，不同工况下，老化CCRT比新鲜CCRT对CO的氧化效率更好些，其中新鲜CCRT对CO的氧化效率为27.9%~44.4%，而老化CCRT对CO 的氧化效率为80.6%~86.8%.

老化DOC与新鲜DOC相比，CO的转化效率降低，原因可能为DOC长期处于高温下工作出现热老化现象，从而导致CO起燃温度升高^[21]，对CO的氧化效率降低. 老化CCRT与新鲜CCRT相比，CO的转化效率明显升高，可能原因有两个： 一是在温度未达到CO转化所必需温度时，老化DOC中CO可充当还原剂，将NO₂还原为NO，这样排气中的CO减少^[26]； 二是老化CCRT在使用过程中会发生再生现象，而再生时温度可能高达650℃^[27]，此时的高温促进了贵金属在载体表面的再分散^[28]，同时也会增加表面活性氧的浓度，由于CO较NO和THC有更好的竞争吸附能力，增加的活性氧促进了CO的氧化，使得老化CCRT较CO具有更好的氧化活性和选择性，CO的转化效率升高。

2.2.2 THC排放 图 2为柴油公交车采用不同后处理装置，在不同工况下的THC排放量. 可以看出，在不同工况下，4种方案的后处理装置均可以不同程度地降低排放中THC浓度。这是因为DOC中催化剂作用下，较低温度下便可使THC与氧气反应转化为CO₂和H₂O。新鲜DOC与老化DOC相比知，不同工况下新鲜DOC比老化DOC对THC的氧化效率更好，其中新鲜DOC对THC的氧化效率为21.8%~30.1%，老化DOC对THC的氧化效率为10.1%~15.8%. 新鲜CCRT与老化CCRT相比知，不同工况下，新鲜CCRT比老化CCRT对THC的氧化效率更好些，其中新鲜CCRT对THC的氧化效率为77.9%~80.3%，而老化CCRT对THC 的氧化效率为33.1%~40.5%.

由图 2可知，老化DOC/CCRT对THC氧化效率均较新鲜DOC/CCRT低。因DOC中催化剂作用是使得排气中THC减少的主要原因，而老化的DOC对THC的催化效率降低^[21]，可能是因为催化剂比表面积损失，引起催化结构的坍塌和贵金属的包埋，从而降低了贵金属的催化性能。其中，CCRT老化效果更为显著。在DOC后耦合CDPF提高THC的氧化效率，是因为DOC的氧化反应提高排气温度，从而提高了后端CDPF催化剂对THC的氧化活性。而排气温度的提高，会使得DOC及CDPF长期处于高温下工作，从而影响其对THC的转化效率，故而排放增加明显。

2.2.3 NO、 NO₂和NO_x排放 柴油机排气中NO占NO_x含量的90%以上。图 3和图 4为柴油公交车采用不同后处理装置，在不同工况下的NO和NO₂排放量。

由图 3可以看出，在不同工况下，4种方案的后处理装置均可以不同程度地降低排放中NO浓度。柴油机排放中的CO、 THC和NO在催化剂的活性位上存在竞争吸附关系，其中NO具有最低的氧化性^[9]，在柴油机排气中CO和THC被消耗后，可被氧化成NO₂。新鲜DOC与老化DOC相比知，不同工况下新鲜DOC比老化DOC对NO降低幅度明显，其中新鲜DOC对NO相比原车降低幅度为2.6%~5.1%，老化DOC对NO相比原车降低幅度为1.7%~2.2%. 新鲜CCRT与老化CCRT相比知，不同工况下新鲜CCRT比老化CCRT对NO的转化效率更好些，其中新鲜CCRT对NO相比原车降低幅度为3.5%~11.6%，而老化CCRT对NO相比原车降低幅度为2.9%~7.1%.

由图 4可以看出，在不同工况下，4种方案的后处理装置均可以不同程度地增加排放中NO₂浓度。NO的氧化作用生成的NO₂，一部分以硝酸盐形式储存起来，另一部分则被释放到尾气中，进而造成NO₂浓度增加。新鲜DOC与老化DOC相比知，不同工况下新鲜DOC作用后其NO₂增加较多，其中新鲜DOC对NO₂相比原车增加幅度为41.8%~61.8%，老化DOC 对NO₂相比原车增加幅度为40.5%~42.7%. 新鲜CCRT与老化CCRT相比知，不同工况下新鲜CCRT作用后其NO₂增加较多，其中在加速、 减速及匀速工况下新鲜CCRT 对NO₂相比原车增加幅度约80%，老化CCRT对NO₂相比原车增加幅度约60%，怠速工况下新鲜CCRT装置下对NO₂相比原车增加幅度约173%，老化CCRT装置下对NO₂相比原车增加幅度约137%。

新鲜DOC与老化DOC、 新鲜CCRT与老化CCRT均减少NO 排放且增加NO₂排放，但老化DOC/CCRT对其转化效率均少于新鲜DOC/CCRT，可能原因有两个： 一为老化DOC/CCRT中催化剂活性降低，不能为NO的氧化提供相应的氧化活性位； 二为DOC老化后在还原剂CO或THC存在时会将NO₂优先还原为NO^[26]。

图 5为柴油公交车采用不同后处理装置，在不同工况下的NO_x排放量。可见，不同工况下4种后处理装置下都会不同程度地降低NO_x排放，新鲜DOC对NO_x减少约2.5%，而老化DOC对NO_x较少不足1%，新鲜CCRT对NO_x减少为1.6%~5.7%，而老化CCRT对NO_x减少0.8%~3.7%. 从以上数据可见，虽可降低NO_x排放，但降低幅度均较小，其降低的数值与NO₂、 NO负净增量一致，其影响的是NO/NO₂排放比例。

3 结论

(1) 柴油公交车采用不同后处理装置，在CCBC循环下的气态物单位里程排放因子相较原车，4种后处理装置对CO、 THC排放均有降低； 对于氮氧化物排放，NO减少，NO₂增多，NO_x排放因子基本保持不变； CO₂排放稍有降低。其中，除老化CCRT对CO排放明显少于新鲜CCRT之外，新鲜DOC/CCRT装置对气态物排放影响均比老化DOC/CCRT装置的影响大。

(2) 柴油公交车采用不同后处理装置，在CCBC循环下不同工况下的CO和THC气态物排放： 对于CO排放，新鲜DOC对其氧化效率明显优于老化DOC； 而老化CCRT对CO氧化效率为明显优于新鲜CCRT。对于THC排放，新鲜DOC/CCRT比老化DOC/CCRT氧化效率好。

(3) 柴油公交车采用不同后处理装置，在CCBC循环下不同工况下的NO_x气态物排放： 对于NO_x排放，4种后处理装置对NO_x排放总量基本无影响，但会影响NO/NO₂比例，新鲜DOC/CCRT比老化DOC/CCRT对NO减少幅度高，对NO₂增加幅度高。