硕士论文——DOC DOC+CDPF老化对柴油公交车排放特性的影响

硕士学位论文DOC/DOC+CDPF 老化对柴油公交车排放特性的影响 姓名： 学号： 所在院系：汽车学院学科门类：工学学科专业：动力机械及工程指导教师： 二XX年X月 Effect of DOC/DOC+CDPF Aging onEmission Characteristics ofan In-used Diesel Engine Bus Candidate: Student Number: School/Department: School of Automotive StudiesDiscipline: EngineeringMajor: Power Machinery and EngineeringSupervisor: 同济大学 硕士学位论文 摘要摘要近年来，随着汽车产业的飞速发展，其衍生的环境问题也愈加严重。国内外车辆排放法规的日趋严格，使得柴油机须从机内净化和机外后处理技术两方面来实现相应限值。目前国内外常用氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst, 简称DOC）、颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter, 简称 DPF）及两者耦合装置-催化型连续再生颗粒捕集器（DOC+ Catalyzed DPF, DOC+CDPF）等机外后处理装置来净化柴油车排放。柴油公交车作为城市交通的一部分，主要运行在人口密集区。在公交车上安装后处理装置可以促进公交车行业的减排，从而改善城市生活环境。但目前后处理技术在国内柴油公交车上还未进行规模推广应用，且在催化剂组分及整车耐久后催化性能的劣化特征方面缺乏系统的研究。本文设计了后处理装置老化方案，制备了新鲜和老化 CDPF 小样品，搭建了柴油车整车底盘测功机排放测试平台，研究了三种不同贵金属含量的 CDPF 样品的催化活性和抗劣化性能，进行了柴油公交车安装新鲜 DOC、老化 DOC、新鲜 DOC+CDPF 和老化 DOC+CDPF 四种后处理装置的整车底盘测功机气态物和颗粒物排放性能的试验研究。研究内容和结果如下：（1）设计了后处理装置的老化方案并搭建整车底盘测功机排放测试平台。设计 4 种后处理装置方案，CDPF 催化剂的贵金属含量分别为 15g/ft3、25g/ft3 和 35g/ft3 三种 DOC+CDPF 装置和一种 DOC 装置；将 4 种后处理装置安装于柴油公交车上进行 5 万公里的耐久试验，得到 4 种老化后处理装置；基于重型底盘测功机在线测试系统，采用 SEMTECH-D 气体分析仪和 Dekati-ELPI 电子低压冲击仪组成排放测试平台来进行整车测试。（2）研究了涂覆三种不同贵金属含量的新鲜和老化 CDPF 样品的催化活性和抗劣化性能。随反应温度的升高，新鲜和老化 CDPF 样品对 CO、C3H8 的转化效率均呈增加趋势，对 NO2 的产率基本呈先增加后减少之后再增加的趋势。对新鲜样品，随贵金属含量增加，CO、NO2 的催化活性均呈降低趋势，对 C3H8 的催化活性先升高再降低；对老化样品，随贵金属含量增加，CO 和 NO2 的活性具有较强的抗劣化性能，而涂覆中等贵金属含量（25g/ft3）的 CDPF 样品对 C3H8 具有较好的活性和抗劣化性能。（3）研究了柴油公交车安装新鲜 DOC、老化 DOC、新鲜 DOC+CDPF 和老化 DOC+CDPF 的整车底盘测功机的气态物排放特性。CCBC 循环下试验用柴油公交车的发动机转速分布在 7001200r/min 区间内；新鲜 DOC 对 CO 转化效率I同济大学 硕士学位论文 摘要优于老化 DOC，但老化 DOC+CDPF 对 CO 转化效率优于新鲜 DOC+CDPF；新鲜 DOC 和 DOC+CDPF 对 HC 转化效率分别优于老化 DOC 和 DOC+CDPF；新鲜 DOC 和 DOC+CDPF 对 NO 的减小幅度和对 NO2 的增加幅度均高于老化 DOC 和 DOC+CDPF，对 NOX 总量基本无影响，但会影响 NO/NO2 比例。（4）研究了柴油公交车安装新鲜 DOC、老化 DOC、新鲜 DOC+CDPF 和老化 DOC+CDPF 的整车底盘测功机的颗粒物排放特性。新鲜 DOC 和 DOC+CDPF 均对颗粒数量PN 和颗粒质量PM 的转化效率分别优于老化DOC 和DOC+CDPF，其中新鲜和老化 DOC+CDPF 对 PN、PM 的转化效率均高于 90%；对颗粒数量粒径分布，试验车无后处理装置的颗粒数量粒径分布呈现两峰分布，安装后处理装置后的颗粒数量粒径分布呈单峰分布。关键词：柴油公交车，DOC，CDPF，催化活性，老化，排放IITongji University Master of Engineering AbstractABSTRACTIn recent years, with the rapid development of the automobile industry, its derived environmental problems are becoming more and more serious. Domestic and international vehicle emission regulations increasingly stringent, makes the diesel engine need the machine purification and post-processing technology to achieve the emission corresponding limit. Combined with the research and application at domestic and overseas, DOC, DPF and the coupling devices (DOC + CDPF) are installed in the diesel vehicle to purify diesel emission. As a part of urban transport, diesel bus is mainly working in the densely populated areas. The installation of external processing equipment on the bus can promote the emission reduction of the bus industry, thereby improving the urban living environment. However, the post-processing technology has not been widely applied in diesel vehicles. And there is a lack of systematic study on catalyst components, degradation resistance after vehicle application of the post-processing devices.In this paper, it was studied on the design program of the aged post-processing devices and the preparation of fresh and aged CDPF samples. Combined with the vehicle emission test platform, it was studied on catalytic activity of CDPF samples with three different noble metal contents, then the gaseous and particulate matter emission performance of the diesel bus using the vehicle chassis dynamometer with four kinds of reprocessing devices were carried out, which were fresh DOC, aged DOC, fresh DOC+CDPF and aged DOC+CDPF. The main contents and conclusions are as following:(1) The program of the aged post-processing devices was designed and the emission test platform of the vehicle chassis dynamometer was builded. There were one DOC device and three kinds of DOC+CDPF devices, the noble metal contents ofwhich in CDPF are 15g/ft3, 25g/ft3and 35g/ft3. The four devices were installed on the four diesel buses with the basicly same parameters to carry out the durability test of 50,000 kilometers. Then four kinds of aged post-processing devices were obtained. The dynamometer online test system includes SEMTECH-D gas analyzer and Dekati-ELPI for vehicle emission testing.(2) The effects of different contents of precious metal catalyst on catalyticIIITongji University Master of Engineering Abstractactivity and degradation resistance of CDPF fresh and aging samples were studied. With the increase of reaction temperature, the conversion efficiency of CO and C3H8 of CDPF fresh and aging samples is increasing, and NO2 productivity shows the trend of decrease after increase then increase. For the fresh samples, as precious metal content increase, the conversion efficiency of CO and NO2 presents the decrease trend and shows increasing first and then decreasing oxidation activity of C3H8. For the aging samples, while the increasing of precious metal content, the CDPF samples have stronger degradation resistance performance on CO and NO2. The CDPF coated medium precious metals content (25g/ft3) had better activity and degradation resistance performance of C3H8.(3) It was studied on the gaseous emission performance of the diesel bus using the vehicle chassis dynamometer with four kinds of post-processing devices, which were fresh DOC, aged DOC, fresh DOC+CDPF and aged DOC+CDPF. The conversion efficiency of CO using fresh DOC in diesel bus is better than that of using aged DOC, but the conversion efficiency of CO using aged DOC+CDPF in diesel bus is better than that of using fresh DOC+CDPF. The conversion efficiency of HC using fresh DOC and DOC+CDPF in diesel bus is better than that of using aged DOC and DOC+CDPF. The diesel bus using fresh DOC and DOC+CDPF had a high rate of NO decreasing percentages and NO2 increasing percentages than the bus using aged DOC and DOC+CDPF. The bus using these devices dont basically affect the NOX emission, but they can influence the NO / NO2 ratio.(4) It was studied on the particulate matter emission performance of the diesel bus using the vehicle chassis dynamometer with four kinds of post-processing devices, which were fresh DOC, aged DOC, fresh DOC+CDPF and aged DOC+CDPF. The conversion efficiency of PN and PM using fresh DOC and DOC+CDPF in diesel bus is apparently better than that of aged DOC and DOC+CDPF, of which the conversion efficiency of PN and PM fresh and aged DOC+CDPF in diesel bus is both exceeding 90%. For particle size distribution of particulate number, the diesel bus without the post-procession device presents two peak, but the diesel bus with the four post-procession devices all present one peak.Key Words: diesel bus, DOC, CDPF, catalytic activity, aging, emissionIV同济大学 硕士学位论文 目录目录第 1 章 绪论.11.1研究背景 .11.2柴油机排放 .31.2.1柴油机气态排放物.31.2.2柴油机颗粒排放物.41.3柴油机/车污染物研究方法 .61.3.1发动机台架试验研究.61.3.2车载排放试验研究.71.3.3底盘测功机试验研究.81.4柴油机/车污染物控制技术 .91.4.1柴油机/车污染物控制技术研究现状 .91.4.2 DOC 控制技术研究现状 .91.4.3 DPF 控制技术研究现状 .121.4.4 DOC+CDPF 控制技术研究现状 .141.5本文研究内容 .16第 2 章 后处理装置老化方案和整车排放测试平台搭建.172.1后处理装置老化方案及样品制备 .172.1.1后处理装置老化方案.172.1.2 CDPF 新鲜和老化小样品制备.182.2小样品催化活性评价系统设计 .182.3后处理装置的整车排放测试平台搭建 .212.3.1重型底盘测功机及试验循环.212.3.2试验车辆及油品参数.232.3.3试验用后处理装置 DOC/DOC+CDPF .252.3.4气态物排放测试仪器.252.3.5颗粒物排放测试仪器.262.4本章小结 .27第 3 章 三种不同贵金属含量的 CDPF 小样品催化性能研究.293.1 CO 转化效率 .293.1.1贵金属含量为 15g/ft3 的 CDPF 小样品的转化效率 .293.1.2贵金属含量为 25g/ft3 的 CDPF 小样品的转化效率 .303.1.3贵金属含量为 35g/ft3 的 CDPF 小样品的转化效率 .313.1.4不同贵金属含量对 CDPF 小样品的转化效率.32V同济大学 硕士学位论文 目录3.2 C3H8 转化效率333.2.1 贵金属含量为 15g/ft3 的 CDPF 小样品的转化效率333.2.2 贵金属含量为 25g/ft3 的 CDPF 小样品的转化效率343.2.3 贵金属含量为 35g/ft3 的 CDPF 小样品的转化效率353.2.4 不同贵金属含量对 CDPF 小样品的转化效率353.3 NO2 产率373.3.1 贵金属含量为 15g/ft3 的 CDPF 小样品的产率373.3.2 贵金属含量为 25g/ft3 的 CDPF 小样品的产率383.3.3 贵金属含量为 35g/ft3 的 CDPF 小样品的产率393.3.4 不同贵金属含量对 CDPF 小样品的产率403.4 CDPF 样品在不同温度时 CO、C3H8 和 NO2 的转化效率/产率413.4.1 样品对 CO、C3H8 和 NO2 的转化效率/产率（150）413.4.2 样品对 CO、C3H8 和 NO2 的转化效率/产率（300）423.4.3 样品对 CO、C3H8 和 NO2 的转化效率/产率（450）433.5 本章小结44第 4 章 后处理装置老化对柴油公交车气态物排放特性影响454.1 试验循环工况特性454.1.1 CCBC 循环下发动机工况特征454.1.2 CCBC 循环工况特性464.2 DOC 老化对气态物排放的影响474.2.1 DOC 老化对气态物排放因子的影响474.2.2 DOC 老化对气态物平均排放率的影响524.3 DOC+CDPF 老化对气态物排放的影响564.3.1 DOC+CDPF 老化对气态物排放因子的影响564.3.2 DOC+CDPF 老化对气态物平均排放率的影响604.4 后处理装置老化对气态物排放的影响644.4.1 后处理装置老化对气态物排放因子的影响644.4.2 后处理装置老化对气态物平均排放率的影响674.5 本章小结69第 5 章 后处理装置老化对柴油公交车颗粒物排放特性影响715.1 DOC 老化对颗粒物排放的影响715.1.1 DOC 老化对颗粒物排放因子的影响715.1.2 DOC 老化对颗粒物平均排放率的影响735.1.3 DOC 老化对颗粒数量粒径分布的影响745.2 DOC+CDPF 老化对颗粒物排放的影响755.2.1 DOC+CDPF 老化对颗粒物排放因子的影响755.2.2 DOC+CDPF 老化对颗粒物平均排放率的影响775.2.3 DOC+CDPF 老化对颗粒物数量粒径分布的影响79VI同济大学 硕士学位论文 目录5.3后处理装置老化对颗粒物排放的影响 .805.3.1后处理装置老化对颗粒物排放因子的影响.805.3.2后处理装置老化对颗粒物平均排放率的影响.825.3.3后处理装置老化对颗粒数量物粒径分布的影响.835.4本章小结 .84第 6 章 全文总结及展望.856.1全文总结 .856.2研究展望 .87致谢.89参考文献.90个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果.98VII同济大学 硕士学位论文 目录VIII第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 研究背景内燃机因具有热效率高、使用范围广等优点，成为内燃机产业的主导动力设备，且被广泛应用于交通运输、国防装备及工程机械等领域1。以内燃机为主导动力设备的汽车，随着经济的发展及人民生活水平的提高，成为一种数量最多、范围活动最广泛、运输量最大的一种交通工具2，整个汽车行业也处于迅速发展阶段，与此同时，汽车产量也在逐年攀升。据国家统计局的国民经济和社会发展统计公报显示，截止 2016 年底我国汽车全年产量为 2811.9 万辆，比 2015 年增长 14.8%。与此同时，汽车保有量呈快速增长趋势，截止 2016 年底全国民用汽车保有量达到 19440 万辆，比 2015 年增长 12.8%3。据交通运输部发布的报告预测，我国汽车保有量到 2020 年将超过 2 亿辆。汽车行业迅猛发展的同时，也衍生出日益严重的环境问题。例如随着我国经济的迅速发展及能源消费的不断增长，发达国家工业化百年来出现的大气污染、水污染等“发达型环境问题”也在我国近二三十年的发展中集中出现4。尤其是近年来，我国各地出现频繁的灰霾天气，也体现了其爆发由地方典型个例，发展成为区域性、全国性甚至国际性的环境问题。2010 年，中国气象局发布的报告中定义“霾”为：均匀地浮游在空中的大量极细微的干尘粒等，使空气混沌且水平能见度小于 10km 的现象。霾会使远处的光亮物体微带黄、红色，且使黑暗物体微带蓝色5。霾在严重影响城镇居民的日常出行的同时，可引起肺部功能减弱、肺炎等急慢性呼吸道疾病，并存在诱发肺癌的可能6-10。根据环境空气质量标准检测的 338 个城市中，空气质量达标的城市占 24.9%，而未达标城市占75.1%11。大量数据表明，灰霾、酸雨及光化学烟雾频繁发生在一些地区，而这些区域性大气污染问题与汽车尾气排放的污染物存在密切关系12-15。据 2016 年公布的中国机动车防止污染年报，2010 至 2015 年全国汽车四项污染物（CO、HC、NOX 和 PM）排放总量基本呈持续增长趋势，从 3587.6 万吨增至 3960.2 万吨，年平均增长 2.0%16。全国汽车污染物排放量变化趋势见图 1.1。这一项项惊人的数据表明汽车排放污染对我国环境的影响巨大。作为大气污染的一部分，汽车排放问题是最突出、且急需解决问题之一。为此，各国均对汽车排放提出相应的要求和限值，制定标准以减少大气污染17-18。1同济大学 硕士学位论文 DOC/DOC+CDPF 老化对柴油公交车排放特性的影响现在全球汽车排放法规主要形成了欧洲、美国、日本三大体系，其他国家或地区一般参照这三大体系的排放限值和试验方法建立了适应自己国家和社会的排放法规体系。对于重型车，欧美日三个体系分别以 3500kg、3855kg 和 2500kg 划定重型车界限，重型车又以重型柴油车为主，且三个体系的排放标准如表 1.119-23。由表中数值可见，各国对重型车排放限值愈加严格，对中重型车的各类污染物，尤其是颗粒物和 NOX，都做出了明确的要求。35003000)万吨25002000(排放量15001000500020102011201220132014201520000150001000050000汽车保有量(万辆)COHCNOxPM保有量图 1.1 全国汽车污染物排放量变化趋势表 1.1 欧美日重型柴油车排放标准及测试循环对比等级实施时间测试循环CONMHCNOXPMPN烟度g/kWh1/kWh欧洲欧 IV2005.10ETC4.00.553.50.03-ESC1.50.463.50.02-0.5欧 V2008.10ETC4.00.552.00.03-ESC1.50.462.00.02-0.5欧 VI2013.01WHTC4.00.160.460.016.01011-WHSC00.018.01011-美国US 20042004FTP50.119-US 20072007FTP90.013-US 20102010FTP60.013-日本JP20052005JE 052.220.1720.027-25JP 20092009JE 00.01-25注：欧洲标准烟度单位为 1/m，日本标准烟度单位为%；ETC/ESC(European Transient/ Stationary Cycle)，欧洲瞬态/稳态循环；WHTC/WHSC(World Harmonized Transient/Steady Cycle)，全球统一重型瞬态/稳态循环。2第 1 章 绪论考虑到道路交通情况等，我国对中重型车的排放法规基本参照欧洲法规进行制定。各阶段法规限值与欧洲标准基本保持一致，但实施上有一定滞后。2008年北京实施了国 IV 排放标准，而其他地区也在 2013 年 7 月 1 日实施了国 IV 标准22。北京于 2013 年 2 月 1 日对新增公交、环卫用途的重型柴油车实施国 V 排放标准，自 2015 年 6 月 1 日起对所有重型柴油车实施国 V 排放标准，上海也在 2014 年 4 月 30 日对使用的公交、环卫、邮政行业重型柴油车实行国V 排放标准。环保部和工信部在 2016 年 1 月 15 日联合发布公告，表明 2017 年 7 月 1 日对所有重型柴油车实施国 V 排放标准24。在提高标准限值的同时，也在逐步降低所售燃油的含硫量。环保部 2011 年 2 月 14 日发布的标准中规定国 IV 和国 V 阶段柴油硫含量分别不高于 50mg/kg 和 10mg/kg25。上海市自 2013 年 11 月所售柴油也满足国 V 燃油标准（含硫量为 10mg/kg）。综上所述，汽车的节能减排是解决当前环境污染问题和愈加严格的排放法规的必经之路，也已成为政府、汽车企业和学术界共同关注的热点问题。净化汽车尾气降低污染和开发新能源成为当今内燃机领域兹待解决的重中之重。1.2 柴油机排放柴油机将柴油燃料通过高压喷入，与燃烧室内已压缩的温度很高的空气迅速混合自燃。因柴油的蒸发性和流动性比汽油差，燃烧过程中的油气混合并不是非常均匀，会出现部分燃料不能完全燃烧而生成颗粒。氮氧化物 NOX 的大量生成是因为燃烧过程中油气混合的不均匀会出现局部高温，同时燃烧室内有足量空气所致。一般而言，柴油机较大的过量空气系数，会使一氧化碳 CO 和碳氢化合物 HC 的排放量相比汽油机低，但其颗粒排放量会比汽油机大几十倍或者更多。因而对于柴油机排放，重在考虑降低 NOX 和颗粒排放26-27。1.2.1 柴油机气态排放物如上所述，柴油机气态物排放主要包括 CO、HC 和 NOX 等，这些气态物会对人们的健康造成直接伤害，同时对大气中颗粒物浓度和雾霾污染有着重要贡献作用28-30。柴油机燃烧一般处于高温富氧状态，其气态物排放整体呈现低 CO、HC，高 NOX 现象。（一）一氧化碳 COCO 是烃类燃料燃烧的中间产物，主要在柴油机运行时，气缸内混合气不均匀，导致局部缺氧时产生31。此外在低温状态下，如汽车负重过大、低速或空3同济大学 硕士学位论文 DOC/DOC+CDPF 老化对柴油公交车排放特性的影响挡运行时，燃料不能充分燃烧，CO 的生成也会明显增加32。CO 是一种无色无味窒息性的有毒气体，易与血液中的血红蛋白结合产生碳氧血红蛋白，导致其不能与氧气结合，引起机体组织出现缺氧，产生恶心、头晕等缺氧症状，严重时会窒息死亡33-35。排放的 CO 等污染物经光化学反应过程可引发光化学烟雾污染等，危害人体健康和大气环境36。（二）碳氢化合物 HCHC 是未燃的燃料、不完全燃烧或裂解反应的碳氧化合物及少量的氧化反应的中间产物，其成分复杂，主要含烷烃、烯烃、醛、酮类等。柴油机中的未燃 HC 完全是燃烧过程产生。柴油机中喷出的燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短，因而受到壁面激冷效应、缝隙效应、油膜和沉积物吸附作用很小，故而其 HC 排放量较汽油机低26。HC 是一种可以破坏造血机能刺激性气体，造成贫血、神经衰弱，降低肺对传染病的抵抗力。在太阳紫外线的作用下，HC 会形成直接刺激人的眼睛和上呼吸道粘膜的复杂化合物，对人体危害较大33。（三）氮氧化物 NOXNOX 的生成条件是高温富氧，再加上足够的反应时间，柴油机的工作环境满足其生成的条件。柴油机中 NOX 主要成分为 NO 和 NO2，其中 NO 占 90%以上。研究发现，NOX 的生成与空燃比、点火提前角、燃料组分等有关34。NO 是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成 NO2，后者为褐色带刺激性的气体，被吸入体内，可伤害心、肝、肾等器官，引发呼吸道等疾病。同时 NO2 易与光化学反应形成臭氧和醛等，损害人体健康，危害大气环境。1.2.2 柴油机颗粒排放物柴油机颗粒是一种混合物，其成分可变且复杂。它包括了燃烧过程中产生的颗粒以及在从排气管进入大气的过程中，尤其是后处理设备内发生反应产生的颗粒。柴油机颗粒主要包括以碳元素为主的碳烟、有机成分、硝酸盐、硫酸盐和灰烬等五部分37，其组分构成如图 1.2。可吸附在碳颗粒表面，可被有机溶剂溶解、萃取的高沸点碳氢化合物，也称为可溶性有机物SOF（Soluble Organic Fraction），是由燃料和润滑油未燃或未完全燃烧成分组成。燃油中的硫燃烧后形成硫酸盐，其所占比例也较少。不同粒径的颗粒对人体的危害也各不相同，越细的颗粒越易被人体吸入，危害也就越大38-39。4第 1 章 绪论灰烬及其他物质13%碳烟硫酸盐和水分41%14%未燃燃料7%未燃机油25%图 1.2 一台重型柴油机排放的颗粒物成分37机动车排放的颗粒粒径大多处于 20500nm 的区间