2017, Vol. 38
重型柴油车凭借其功率大、热效率高、可靠性好的特点在交通运输领域有着广泛的应用，然而其排量大、污染重的特点却不容忽视，排放污染物中的CO、THC、NOx、CO2以及PM给人体健康和大气环境带来了极大的危害[1~4].因此，对重型柴油车排放物的治理一直以来是许多学者和工程人员共同研究的课题.尽管重型柴油车先进技术不断向前发展，但单纯的机内净化技术仍很难满足日益严格的排放法规要求，因此，需要借助更为有效的机外净化技术来实现重型柴油车的排放控制[5].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重型柴油车的尾气净化带来新的途径，采用DOC/CDPF耦合技术开发的催化型连续再生颗粒捕集器可显著降低重型柴油车的排放水平[6].国内外学者基于台架试验开展了大量关于DOC+CDPF对重型柴油机排放特性的影响的研究[7~20]，但涉及重型转毂的DOC+CDPF整车排放性能研究却鲜见报道.
本文基于重型转毂试验平台，采用中国重型商用车瞬态循环 (C-WTVC) 对一辆国Ⅲ重型柴油车加装DOC+CDPF前后的气态物及颗粒物排放因子进行检测，以此分析DOC+CDPF对该重型柴油车污染物的减排效果，以期为DOC+CDPF在重型柴油车的推广应用提供有效借鉴.
1 材料与方法 1.1 试验装置及燃料试验车辆为国Ⅲ重型集卡车，其基本技术参数如表 1所示.试验过程基于MAHA-AIP公司的重型底盘测功机进行，排放测试系统如图 1所示，采样系统由日本HORIBA公司的OBS-2200车载排放测试仪和美国TSI公司的EEPS 3090颗粒粒径谱仪组成，前者对尾气中的CO、CO2、THC和NOx进行检测和记录，后者对尾气中颗粒数量、颗粒质量以及粒径分布进行实时测量，粒径检测范围为5.6~560 nm，同时配合使用Dekati DI-1000二级稀释器，二级为固定稀释比8.23，一级稀释比需根据每次采样的环境压力和排气压力进行插值修正，两级总的理论稀释比为64，实际稀释比根据排气压力的不同在66~69范围内波动.试验用后处理装置为DOC与CDPF耦合设备，其具体参数见表 2.
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表 1 试验车辆技术参数 Table 1 Specifications of test vehicle |
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表 2 DOC与CDPF参数 Table 2 Specifications of DOC and CDPF |
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图 1 重型柴油车排放测试系统 Fig. 1 Test system of the emissions from the heavy-duty vehicle |
试验所用燃料为市售国V标准-10号柴油，经采样化验，硫含量为1.4 ng·L-1.
1.2 试验方案试验分别检测重型柴油车加装DOC+CDPF前后的气态物及颗粒物排放，所采用的循环为中国重型商用车瞬态循环 (C-WTVC)，该循环是基于世界重型商用车瞬态循环 (WTVC)，并按照中国商用车特点调整了加速度形成的整车底盘测功机测试循环.为消除驾驶员操作随机性因素影响，试验时对C-WTVC循环重复进行3次取平均值，以此分析重型柴油车的排放特性.
2 结果与讨论 2.1 工况分析图 2所示为试验用C-WTVC循环，该循环共计1 800 s，分为3个阶段，分别为市区循环工况 (0~900 s)、公路循环工况 (900~1 368 s) 和高速循环工况 (1 368~1 800 s).
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图 2 试验循环 Fig. 2 Test cycle |
可以看出，C-WTVC循环工况覆盖范围更广，更能充分反映重型柴油车的运行特点.试验中，重型柴油车实际运行状态应尽量与C-WTVC循环一致，其速度偏差不应超过±3 km·h-1，每次超过速度偏差的时间不应超过2 s，累计不应超过10 s.图 2显示原车循环和DOC+CDPF循环与C-WTVC理论循环具有较好的一致性.图 3所示为各循环工况的平均速度，其中市区循环的平均速度为22.92 km·h-1，公路循环的平均速度为43.75 km·h-1，高速循环的平均速度为75.77 km·h-1.
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图 3 各循环平均速度 Fig. 3 Average speed of each cycle |
图 4所示为各循环工况的排气温度范围.其中，试验车辆在市区循环工况下的排气温度范围为110.9~305.6℃，平均排气温度为201.5℃；公路循环工况下的排气温度范围为186.1~291.2℃，平均排气温度为222.3℃；高速循环工况下的排气温度范围为196.9~319.0℃，平均排气温度为269.9℃.
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图 4 各循环工况排气温度范围 Fig. 4 Exhaust temperature of each cycle |
图 5所示为不同循环下CO排放因子及使用DOC+CDFP后的对应减排率，可以看出，不同运行工况下，CO的排放因子差异性较大，其中，市区循环的CO排放因子最大，公路循环次之，高速循环最小.加装DOC+CDPF后，CO排放因子显著下降，并且降幅从市区循环、公路循环到高速循环依次增大，分别为53.36%、65.68%、80.49%.从整个循环来看，DOC+CDPF的使用可使CO排放因子下降70.36%.究其原因，公路循环平均速度最低 (如图 3)，且发动机处于低负荷状态运行，该阶段发动机工作温度低，喷油速率慢，喷雾质量差，燃烧不完全，因此，CO排放因子较高，而高速循环阶段，发动机负荷率较大，缸内温度高，有利于燃料的充分燃烧，加之单位时间行驶里程大，所以，CO排放因子最低.而DOC+CDPF之所以能够显著降低CO排放因子是因为前端的DOC在贵金属铂 (Pt)、钯 (Pd) 的催化作用下能够对CO起到了很好的氧化作用，另一方面，涂敷了贵金属Pt、Pd的CDPF也具备了对CO催化反应的活性位，能够进一步起到氧化作用[21]，而高速循环阶段，排气温度高，催化剂的活性最强，对CO氧化更完全，因此，CO排放因子降幅最大.
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图 5 CO排放因子及减排率 Fig. 5 CO emission factor and its decreasing amplitude |
图 6所示为不同循环下THC排放因子及使用DOC+CDPF后的对应减排率.可以看出，THC排放因子从市区循环、公路循环到高速循环依次减小，主要是因为市区循环发动机负荷低，循环供油量减少，空燃比增大，混合气过稀且缸内局部温度过低，造成燃烧恶化，THC排放因子较高，而公路循环和高速循环，发动机负荷逐步增大，缸内温度逐步升高，燃料燃烧更为完全，THC排放因子逐步降低.加装DOC+CDPF后，THC排放因子显著下降，并且降幅会因运行工况的不同有所差异，市区循环时THC排放因子下降49.33%，公路循环时THC排放因子下降70.95%，高速循环时THC排放因子下降75.41%，从整个循环来看，DOC+CDPF的使用可使THC排放因子下降72.73%.主要原因是DOC和CDPF均涂敷了贵金属Pt、Pd，其中Pt对饱和碳氢化合物的氧化活性较高，Pd对不饱和碳氢化合物的氧化活性较高，因此，在Pt、Pd催化作用下，THC排放因子显著下降[22]，而从市区循环到公路循环，再到高速循环，发动机负荷逐步增大，排气温度逐步升高，Pt、Pd的催化活性逐步增强，更多的THC被氧化成CO2和H2O，因此，THC排放因子的降幅逐步增大.
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图 6 THC排放因子及减排率 Fig. 6 THC emission factor and its decreasing amplitude |
图 7所示为不同循环下CO2排放因子及使用DOC+CDPF后的对应减排率.可见，柴油车的CO2排放因子从市区循环、公路循环到高速循环依次降低，这主要与各阶段的车速相关，市区循环虽然负荷低、发动机喷油量少，但车速低，单位时间行驶里程少，造成CO2排放因子高，而高速循环阶段，虽然CO2排放率会因燃油喷射量增多而升高，但由于车速增大的幅度更大，反而导致单位里程内的CO2排放减少，即CO2排放因子下降.加装DOC+CDPF后，CO2排放因子有所下降，降幅在市区循环、公路循环和高速循环阶段分别为8.26%、18.23%、22.71%，从整个循环来看，CO2排放因子下降约17.00%.这可能是因为长时间的运行 (>13万km) 使该重型柴油车的消音器积碳严重，从而引起排气背压的上升，而加装DOC+CDPF后，原有的消声器会被替换掉，从而使排气背压下降，在一定程度会带来油耗的降低，CO2排放因子随之降低.
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图 7 CO2排放因子及减排率 Fig. 7 CO2 emission factor and its decreasing amplitude |
图 8所示为不同循环下NOx排放因子及使用DOC+CDPF后的对应减排率，可以看出，从市区循环、公路循环到高速循环，NOx排放因子依次升高，主要是因为随着发动机负荷的增大，缸内工作温度不断升高，而高温会促进NOx的生成.加装DOC+CDPF后，NOx排放因子会有所下降，降幅在市区循环、公路循环、高速循环分别为5.41%、7.96%、9.31%，从全循环来看，DOC+CDPF的使用可使NOx的排放因子减小7.76%.究其原因，柴油机NOx排放主要以NO和NO2为主，其中，NO占比超过90%，而经过DOC后，NO会被氧化使得NO2比例升高，NO2流经CDPF时，在贵金属催化剂作用下分子键发生断裂，产生的O与CDPF捕集到的碳颗粒发生氧化反应生成CO2，而自身被还原[23]；另一方面，一部分NOx被催化剂吸附并储存为硝酸盐或亚硝酸盐.整体上会带来NOx一定量的减少.而随着车速和负荷的增大，发动机排气温度升高，以上作用会有所加强，NOx的降幅会有所增大.
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图 8 NOx排放因子及减排率 Fig. 8 NOxemission factor and its decreasing amplitude |
图 9所示为不同循环下颗粒质量PM排放因子及使用DOC+CDPF后对应减排率.可以看出，从市区循环到公路循环再到高速循环，该重型柴油车的PM排放因子依次减小，加装DOC+CDPF后，PM排放因子降幅依次增大，分别为92.89%、93.95%、94.28%，从整个循环来看，PM排放因子下降93.77%.主要是因为市区循环发动机处于低负荷工况较多，缸内温度和排气温度整体偏低，有利于挥发性物质的凝结，同时，低温条件限制了颗粒物的氧化过程，因此，PM排放因子较大.而随着循环速度的增大，发动机负荷增大，缸内温度升高，有利于颗粒物的氧化，较容易产生相对细小的颗粒，大颗粒排放较少，因此PM排放因子较小.而CDPF壁流式结构能够高效捕集颗粒排放，并在Pt、Pd催化作用下对其进行氧化，且速度越大，排气温度越高，Pt、Pd的催化活性越强[24]，对颗粒的氧化作用越显著，PM排放因子降幅越大.
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图 9 PM排放因子及减排率 Fig. 9 PM emission factor and its decreasing amplitude |
图 10所示为不同循环下颗粒质量PN排放因子及使用DOC+CDPF后的对应减排率.可以看出，从市区循环、公路循环再到高速循环，该重型柴油车的PN排放因子依次增大，主要是因为市区循环发动机低负荷工况较多，缸内温度低，燃烧恶化，聚集态颗粒排放增多，而随着循环速度的增大，缸内温度升高，燃烧状况明显改善，排放则以核模态颗粒为主，因此，PN排放因子增大.加装DOC+CDPF后，PN排放因子显著下降，市区循环、公路循环及高速循环分别下降98.42%、98.82%、99.00%，整个循环，PN排放因子下降98.91%，主要是因为前端的DOC氧化了颗粒物中的可溶性有机成分 (SOF)，后端的CDPF进一步捕集并氧化排气中的颗粒物[25]，并且排气温度越高，对颗粒物的氧化作用越显著，PN降幅越大.
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图 10 PN排放因子及减排率 Fig. 10 PN emission factor and its decreasing amplitude |
图 11所示为不同循环条件下颗粒数量浓度粒径分布，可以看出，原车的颗粒数量浓度随粒径呈双峰分布，分别为粒径在10 nm左右的核模态颗粒物峰值和粒径在90 nm左右的聚集态颗粒物峰值，并且聚集态峰值大于核模态峰值.从核模态峰值来看，高速循环时最大，市区循环时最小，而从聚集态峰值来看，趋势正好相反，高速循环时最小，市区循环时最大.主要是因为市区循环时发动机的平均工作温度低于公路循环和高速循环，而缸内温度越低，燃烧状况越差，排放中聚集态颗粒越多，核模态颗粒越少.加装DOC+CDPF后，颗粒数量浓度随粒径仍呈双峰分布，分别是10 nm左右的核模态颗粒物峰值和60 nm左右的聚集态颗粒物峰值，并且聚集态颗粒物峰值显著下降，已低于核模态颗粒物峰值.究其原因，主要是因为CDPF对聚集态颗粒物的捕集和氧化作用更为显著，另一方面，液体颗粒形成了一种非常重要的柴油机颗粒，造成柴油机的PM数量排放，如果液体颗粒 (包括硫酸盐和SOF) 并不是在CDPF之前，而是在颗粒捕集器下游，甚至颗粒采样器附近形成，将使得DPF对这种纳米级颗粒和颗粒数量的降低功能降低.而且这些碳烟颗粒将在采样系统中冷凝成具有海绵吸附功能的物质，因此，CDPF通常会由于上述颗粒物形成晶核而使得核模态颗粒数量多于聚集态颗粒数量.
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图 11 颗粒数量浓度粒径分布 Fig. 11 PN concentration distributions versus particle size |
(1) 从市区循环、公路循环到高速循环，该重型柴油车的CO、THC、CO2、PM排放因子依次减小，NOx和PN排放因子依次增大.颗粒数量浓度随粒径呈双峰分布，分别是10 nm左右的核模态峰值和90 nm左右的聚集态峰值，并且聚集态峰值大于核模态峰值.
(2) 加装DOC+CDPF后，该重型柴油车的气态物及颗粒物排放因子均有所减小，降幅从市区循环到公路循环再到高速循环依次增大.颗粒数量浓度随粒径仍呈双峰分布，但核模态峰值大于聚集态峰值，并且聚集态峰值对应粒径前移至60 nm附近.
(3) 从整个C-WTVC循环来看，CO、THC、PM以及PN排放因子显著下降，降幅分别达70.36%，72.73%，93.77%，98.91%；CO2和NOx排放因子略有下降，降幅分别为17.00%和7.76%.
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