（动力机械及工程专业论文）在用柴油车上颗粒物后处理装置应用研究.pdf

摘要 本文分别在3 辆国3 和l 辆国4 轻型柴油车上安装了w f d p f ，并在1 辆 国4 轻型柴油车上安装了p o c ，研究不同后处理装置对柴油车颗粒物( 特别是 p m 2 5 ) 的减排效果。每辆试验车辆在北京、天津两地，完成了约2 万公里里程 的道路运行。车辆在前1 万公里内使用含硫量为5 0 p p m 的柴油运行，后1 万公 里内使用含硫量为3 5 0 p p m 的柴油。本文提出了对颗粒物后处理装置性能的测 试评价方法，即质量分析法和瞬时浓度法。车辆每完成5 0 0 0 k m 运行后，使用 这两种方法对颗粒物排放因子和p m 2 5 的浓度进行了测试。 通过对安装后处理装置前后车辆颗粒物排放因子的分析，评价后处理装置 对颗粒物质量排放的削减效果，以及柴油硫含量对后处理装置性能的影响。结 果表明，车辆使用含硫量5 0 p p m 的国4 柴油运行时，d p f 对颗粒物排放因子的 削减效率接近8 0 ，p o c 对颗粒物排放因子的削减效率接近3 0 。而车辆使 用含硫量3 5 0 p p m 的国3 柴油时，颗粒物排放增加约5 0 左右，只有部分d p f 会有不到2 0 的过滤效率。因此，为保证后处理装置具有较高的转化效率，柴 油硫含量应该保证在5 0 p p m 以下。 本文对比了后处理装置前后端p m 2 5 瞬时数目浓度和质量浓度的差异，分 析装置对排气管中细颗粒物p m 2 5 形态的影响。后处理装置前端，国3 车辆颗 粒物数目浓度数值范围约为4 0 x 1 0 6 7 0 1 0 6 个c m 3 ，国4 车辆颗粒物数目浓 度均值约为1 0 8 x 1 0 7 个c m 3 ；各国3 车辆之间p m 2 5 质量浓度均值相差较大， 总体上高于国4 车辆，国4 车辆质量浓度均值约为1 1 0 m g m 3 。d p f 后端，颗粒 物数目浓度下降了2 3 个数量级，部分车辆p m 2 5 的质量浓度已经达到试验室 环境空气中的水平，d p f 对颗粒物数目和质量浓度的削减都能达到9 0 以上。 p o c 对颗粒物的过滤效率最大约为5 0 ，且对于粒径为0 5 9 m 的颗粒物具有最 大过滤效率。对装有后处理装置的低排放柴油车颗粒物进行测量时，应尽量引 入对颗粒物数目的测量。 本文还将排放测试循环，按照不同的速度和加速度分为若干连续工况区间， 通过对比不同区间上p m 2 5 浓度曲线的变化，深入的研究了车辆运行工况对颗 粒物后处理装置过滤特性的影响。在中等车速和加速度时，p m 2 5 的数目浓度和 质量浓度变化平缓。当车辆处于高速和急减速时，p m 2 5 浓度会突增，此时d p f 未能捕获的颗粒物增多，不同车辆这种现象明显程度不一，这依d p f 的工艺及 其与车辆的匹配优化差异而定。工况对p o c 的过滤效率影响较大，当车速较低 或车辆急减速、急加速时，p o c 对颗粒物的过滤效率最差。 关键词：颗粒捕集器( d p f ) ，柴油车，排放因子，数目浓度，质量浓度 a b s t r a c t t l l i sp a p e rd r a wo nt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo ft h ed i e s e le m i s s i o nc o n t r o l p r o j e c t t h ed i f f e r e n ta f t e r - t r e a t m e n td e v i c e sw e r ei n s t a l l e di n5l i g h t - d u t yd i e s e l v e h i c l e i no r d e rt oa s s e s st h ea d a p t a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ed e v i c e s ，t h ea c t u a l o p e r a t i o np r o g r a mo ft h ev e h i c l e s w a sd r e wu p 1 1 1 eg r a v i m e t r i cm e t h o da n d i n s t a n t a n e o u sc o n c e n t r a t i o nm e t h o dw e r ep u tf o r w a r dt ot e s ta n da n a l y s et h e p e r f o r m a n c eo ft h ea f t e r - t r e a t m e n td e v i c e s i no r d e rt os t u d yt h er e d u c t i o ne f f e c to fd i f f e r e n ta f t e r - t r e a t m e n td e v i c e st ot h e d i e s e lp m ( p a r t i c u l a t em a t t e r ) e m i s s i o n s ，t h es u i t a b l ed i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ( d p f ) w e r ei n s t a l l e do nt h r e ec h i n e s e3a n do n en a t i o n a l4l i g h t d u t yd i e s e lv e h i c l e sw h i l e ap o c ( p a r t i c l eo x i d a t i o nc a t a l y s t ) w a si n s t a l l e do n an a t i o n a l4v e h i c l e e a c h v e h i c l e s c o m p l e t e da p p r o x i m a t e l y 2 0 0 0 0 k m m i l e a g e r o a d r u n n i n g a t t h e l0 0 0 0 k m ，t h ev e h i c l e su s et h e5 0 p p ms u l f u rc o n t e n tf u e l ，t h e nu s et h e3 5 0 p p ms u l f u r c o n t e n tf u e la tt h er e s to ft h er o a dh a u l t h ee m i s s i o nf a c t o ra n dt h ec o n c e n t r a t i o no f p m 2 5w e r et e s t e dw h e nt h ev e h i c l e sf i n i s h e d5 0 0 0 k mr o a dh a u l n l ee m i s s i o nf a c t o r ( e f ) o ft h ed i e s e lv e h i c l eb e f o r ea n da f t e rt h ei n s t a l l a t i o no f t h ea f t e r - t r e a t m e n td e v i c e sb yt h ee x i s t i n gr e g u l a t i o nt e s t 。砀er e s u l ts h o w s 坊a w h e nt h ev e h i c l e su s i n g5 0 p p ms u l f u rc o n t e n tf u e lt h ed p ff i l t e re f f i c i e n c i e sc a n o v e r8 0 f o rp m ，b u tt h ep o cf i l t e re f f i c i e n c i e sc a no n l yg e tt o3 0 b u tw h e nt h e v e h i c l e su s et h e3 5 0 p p ms u l f u rc o n t e n tf u e l ，t h ep mw i l li n c r e a s e5 0 i n s t e a do f b e i n gr e d u c e d , j u s to n l yt h ef i l t e re f f i c i e n c i e so fs o m ed p fc a nr e a c ht o2 0 b yt h e i n s t a n t a n e o u sc o n c e n t r a t i o nm e t h o d ，b o t hn u m b e rc o n c e n t r a t i o na n dm a s s c o n c e n t r a t i o no ft h ep ma r et e s t e d t h er e s u l ts h o w st h a t , t h ed p ff i l t e re 伍c i e n c i e s c a nr e a c ht o9 0 t h r o u g ht h ea b o v er e s e a r c h , w ec a ng e tt h a tt h el o ws u l f u rc o n t e n t o i li sn e c e s s a r yi nt h er e t r o f i t t i n gt ot h ep me m i s s i o no fd i e s e lv e h i c l e s t h en u m b e r o ft h ep ms h o u l db et e s tw h e nt e s t i n gt h ep me m i s s i o no fd i e s e lv e h i c l e s 、析mt h e a f t e r - t r e a t m e n td e v i c e s t h ef i l t r a t i o ne f f i c i e n c i e sf o rt h ep ma r er e s e a r c h e da f t e rc o m p a r i n gt h es i z e d i s t r i b u t i o no fb o t hn u m b e rc o n c e n t r a t i o na n dm a s sc o n c e n t r a t i o no ft h ep m 2 5 i i i b e f o r ea n da f t e rt h ed e v i c e s b e f o r et h ed e v i c e s ，t h er a n g eo ft h ep mn u m b e r c o n c e n t r a t i o no fn a t i o n a l3v e h i c l e si sa b o u t4 0 10 6t o7 0 10 6p e rc u b i c c e n t i m e t e r , a n dt h ev a l u eo fn a t i o n a l4v e h i c l ei sa b o u t1 0 10 7 c m 3 n ep m 2 m a s sc o n c e n t r a t i o nh a v eal a r g ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec h i n e s e3v e h i c l e s a n di ti s l a r g e rt h a nt h ev a l u eo fn a t i o n a l4v e h i c l e sw h i c hi sa b o u tllo m g r r d a f t e rt h e d p f , t h en u m b e rc o n c e n t r a t i o no fp mi sd e c r e a s e db y2t o3o r d e r so fm a g n i t u d e ，a n d t h em a s sc o n c e n t r a t i o no ft h ep m 2 5o fs o m ev e h i c l e si sc l o s et ot h el e v e li nt h e a m b i e n ta i ro ft h el a b o r a t o r y t h ed p ff i l t e re f f i c i e n c i e sc a nr e a c ht o9 0 a n dt h e f i l t e re f f i c i e n c i e so fp o cw i l ln o tm o r et h a n5 0 t h en u m b e ro ft h ep m s h o u l db e t e s tw h e nt e s t i n gt h ep me m i s s i o no fd i e s e lv e h i c l e sw i t ht h ea f t e r - t r e a t m e n t d e v i c e s i nt h i sp a p e r , t h et e s tc y c l ew a sd i v i d e di nt os e v e r a li n t e r v a l sa c c o r d i n gt ot h e s p e e da n dt h ea c c e l e r a t i o no ft h ev e h i c l e s t h e nt h ep m 2 5c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e e f f e c to fd r i v i n gc o n d i t i o n st ot h ef l i t e r se f f i c i e n c i e sa r er e s e a r c h e d u n d e rt h e m e d i u ms p e e da n d 也em e d i u ma c c e l e r a t i o n , t h ef l u c t u a t i o no ft h ec o n c e n t r a t i o no f p mi ss m a l l o t h e r w i s e ，t h en u m b e ro ft h ep mw i l li n c r e a s es i g n i f i c a n t l yu n d e rt h e l l i 曲s p e e da n dt h ea b r u p td e c e l e r a t i o n md r i v i n gc o n d i t i o n sh a v eas i g n i f i c a n t i m p a c tt ot h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fp o c ，w h i c hi sv e r yl o wu n d e rt h el o ws p e e d a n dt h ea b r u p td e c e l e r a t i o n k e y w o r d s ：d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ( d p f ) ，d i e s e lv e h i c l e ，e m i s s i o nf a c t o r , n u m b e r c o n c e n t r a t i o n , m a s sc o n c e n t r a t i o n i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着我国经济的持续高速增长和城市化进程加快，城市居民的交通需求迅 速增长，机动车保有量大幅增加。2 0 0 2 年至2 0 1 5 年，我国机动车保有量的年 均增长率约为1 0 ，其中汽车增长率为1 6 ，轻型汽车增长率超过2 0 。预计 2 0 1 5 年底，全国机动车保有量将达到3 1 亿辆，比2 0 1 0 年增长1 7 倍【l 】。柴油 机因其可靠性、耐久性、燃油经济性强，h c 、c o 、c 0 2 排放低等优点被广泛 使用。以北京市情况为例，截至2 0 0 6 年，其在用柴油车已达到1 7 万辆，占机 动车总量的7 2 。 尽管采取了很多切实有效的机动车污染控制措施，但是机动车保有量的猛 增还是造成了巨大的环境压力，尤以重型车排放为甚。一些城市空气质量监测 数据显示，氮氧化物和可吸入颗粒物已成为影响空气首要污染物，机动车排放 的颗粒物( p m l o ) 和n o x 在大气中的浓度分担率分别为2 3 和6 4 ，机动车 排放对具有更大危害的p m 2 5 的贡献率更大，以北京市为例，该市机动车尾气 p m l o 排放中约8 0 是p m 2 5 机动车尾气排放是大气p m 2 5 中元素碳组分的主 要来源【2 】。而约占机动车保有量6 左右的重型柴油车，颗粒物排放量占到全市 机动车排放的6 3 。另外，在用柴油车由于使用年限长，不容易报废，监控手 段缺乏等原因，正持续以高污染的流动污染源对环境造成严重危害，目前甚至 还存在使用了3 0 年以上的老旧车辆。 研究结果显示，柴油机排出的气体影响人们的健康，并且造成了酸雨、臭 氧层的破坏等。相关研究还表明柴油机排出的气体会引起肺部和呼吸道疾病，。 尾气中的超细颗粒物p m 2 5 对人体具有比p m i o 更大的危害，它可以直接通过支 气管和肺泡，进入到人体血液中，p m 2 5 上携带有大量有害气体和贵金属等致癌 物质，会导致人体癌症发病率的上升。相关研究表明，空气中p m l o 和p m 2 5 的 年均质量浓度每上升1 0 1 t g m 3 ，人e l 死亡率会分别上升1 0 和1 4 1 2 1 。另外， 柴油车排放出的颗粒物也会对大气环境造成污染，颗粒物吸收太阳辐射导致大 气升温，改变云层的厚度和性质，对气候间接产生着影响。黑碳及含有黑碳的 颗粒物对光的吸收效应最大，会造成环境能见度降低，更会影响我国城市的对 武汉理工大学硕士学位论文 外形象。柴油车尾气中最主要的颗粒物是p m 2 5 ，由于其粒径小在空气中的滞 留时间长，对大气环境造成恶劣影响，特别是在车辆繁忙的交通路段，使能见 度更低，是城市灰霾天气形成的重要因素【3 - 5 】。据统计，2 0 11 年中国部分城市 灰霾天气达到全年的一半，空气细颗粒物污染已很严重。 在本世纪之前，柴油机的排放控制，特别是在用柴油车的排放控制，是一 个难题。控制策略主要局限于定期维护保养、清洁替代燃料、更新满足新排放 法规的发动机、替换使车辆排放恶化的部件等方面，在产品上，主要是使用氧 化型柴油催化转换器【6 j 。 随着新的更严格的柴油机排放标准研究的开发成功，更多先进、有效的柴 油机排放控制技术被应用到在用车柴油车排放控制上，形成了一种新的技术形 式排放改造治理【7 1 。柴油车排放改造治理就是在车辆排气系统中加装尾气 后处理装置来有效减少排放，可使颗粒物减少9 0 t 8 - 9 1 。近年来，由于该种技 术具有优越的成本效益，在欧洲、美国和亚洲得到了广泛的应用。在过去的 2 0 年里，全世界有超过7 5 0 ，0 0 0 辆道路和非道路车辆上装有柴油氧化催化器 ( d o c ) ，超过2 0 0 ，0 0 0 辆车装有颗粒物过滤器( d p f ) 。近年来，它们的应用 增长趋势越来越大。 1 2 研究目的和意义 从世界各国实施柴油机改造的成功范例来看，项目成功与否取决于政策( 削 减率目标) 、产品技术及其匹配( 车辆、发动机和后处理装置) 、运行条件( 如 工况、燃油中硫含量水平( 低硫或超低硫) ) 、监测管理和经济政策。对排放污 染物削减率的要求决定了需要采用的加装后处理装置类型。对于不同应用情况、 不同排放标准、不同技术类型、不同新旧程度的车辆，应确定不同的、适合削 减率，以最大限度的在经济成本和排放削减率之间寻找平衡。不同的地域有各 自的情况差异，如车辆工况、燃油品质、人员素质等等。 本项研究广泛调查研究了国内外后处理装置技术有关在用车改造技术应用 建议、有关认证规格标准和试验方法。选取一些典型的满足国3 4 5 排放要求 的不同技术装置，进行为期一定行驶里程的装车运行，并测量评估它们在天津、 北京市等特定运行区域的减排效果及其技术适应性、可靠性和耐久性，以验证 不同产品装置匹配不同应用情况、不同排放标准、不同技术类型、不同新旧程 2 武汉理工大学硕士学位论文 度的车辆的实际应用效果。 近年来，国内外汽车发动机厂家和污染控制装置生产厂科技攻关项目取得 了丰硕成果，为降低柴油车污染物排放开发了一些适合我国国情的先进技术和 装置，使柴油发动机的排放满足更严格排放标准的要求。由于我国一些实际情 况，不同地区车辆运行工况和燃油品质存在较大差异，那些技术和产品还必须 在真实运行条件下对其进行技术验证，探明实际的环保节能效益，同时积累运 行经验并探索最优的商业化运行方案。因此开展实际运行条件下清洁柴油车辆 的验证运行项目势在必行，这是其步入产业化、商业化阶段的必然要求。 1 3 国内外在用柴油车颗粒物后处理装置应用现状 1 3 1 国外颗粒物后处理装置应用情况 1 3 1 1 美国应用情况介绍 美国的汽车排放法规体系，是世界三大汽车排放法规体系之一，是世界上 汽车排放控制指标种类最多，排放标准最严格的国家l i 1 1 。其汽车产品的市场 准入和在用运行，不仅受到美国环境保护署( e p a ) 的排放法规管理，也受到 美国各州制定的排放法规的监督。特别是美国加利福尼亚州空气资源局 ( c 越m ) 自2 0 世纪5 0 年代开始制定革新的汽车废气排放法规更为严格，除 在美国加州执行以外，还被世界许多国家引用。加州对道路和非道路机动车的 排放质量目标是，到2 0 2 0 年，柴油机车颗粒物排放减少8 5 ，计划每年为在 用车辆排放改造和更换发动机提供6 5 0 0 万美元补贴。 美国在2 0 多个州使用超低硫柴油u l s d ( 硫含量为5 0 p p m 或1 5 p p m ) ，且 认证了多种后处理控制技术，又有联邦和各州的鼓励措施，为进行在用柴油车 颗粒物排放治理提供了有利条件。早在2 0 0 3 年，美国环保署e p a 启动了公立 校车改造计划项目，在哈特福德、波士顿、新港等城市的1 3 5 1 辆校车上，安装 了经过其认证的后处理装置，所采用的技术路线为d o c 和d p f ，改造效果显 著，p m 、h c 和c o 降低了6 0 至9 0 。马萨诸塞州运输车与客运车辆改造项 目，在波士顿，为2 8 0 辆重型建筑机械和6 8 5 辆客车安装了d p f ，均使用超低 硫柴油，使这些车辆每年排放的c o 减少3 6 吨，h c 减少1 2 吨，p m 减少3 吨。 另外，华盛顿还计划在2 0 0 9 年之前，由政府出资在8 5 0 0 辆校车、1 0 0 0 运输车 辆和4 8 5 辆重型卡车上安装d p f 。这些柴油车排放治理项目的进行，得益于国 3 武汉理工大学硕士学位论文 家和地方政府提供的各种经济激励手段，以及超低硫柴油和生物柴油的广泛使 用【1 2 - 1 3 1 。 1 3 1 2 欧洲和日本应用情况介绍 欧洲的排放法规虽然没有美国严格，但是在在用柴油车排放改造方面也做 了大量工作。在欧洲，d p f 已经成功安装于轿车、客车货车以及各种工程机械 车辆上。欧洲在用车排放治理的目标是，到2 0 2 0 年，将在包括工程机械在内的 欧洲所有的柴油机车上安装微粒捕集器。2 0 0 2 年至2 0 0 5 年之间，瑞士在9 5 0 0 辆城市公交车及新车上安装了d p f ；2 0 0 4 年，智利圣地亚哥市在1 0 0 0 辆重型 车辆安装了d o c 和d p f 。这些改造中，车辆均使用超低硫柴油u l s d 。 日本是汽车生产大国，人口众多，而国土面积小，因此其对汽车排气污染 控制尤为重视。其不仅制定了严格的汽车排放法规，而且建立了汽车尾气后处 理装置的型式认证制度。日本的机动车尾气排放标准体系现由1 9 8 7 年1 9 8 9 年 标准、短期( 1 9 9 4 年) 、长期( 1 9 9 8 年) 、新短期( 2 0 0 3 年) 、新长期( 2 0 0 5 年) 等几个阶段构成。在指标要求上与欧洲标准虽然有差异但基本上都会严于 欧洲标准，特别是对n o x 的指标要求。同时在对在用车限制方面出台了首都圈 地域颗粒物( p m ) 排放不达标柴油车禁行条例，明确了没有装载有东京都或相 关县知事批准的颗粒物过滤装置( 氧化催化器等) 的柴油车不得在首都圈范围 内行驶。2 0 0 2 年至2 0 0 4 年间，日本完成了东京都柴油车改造项目，为进入日 本东京都和周围八县的几乎所有柴油车安装了颗粒物后处理装置，其中8 0 的 车辆安装了d p f 和d o c 。 1 3 2 国内颗粒物后处理装置应用情况 1 3 2 1 香港应用情况介绍 香港也实施了一系列以柴油车颗粒物减排为目标的举措，由政府出资进行 了大量柴油车排放治理项目和尾气后处理装置的试验，选择适合的后处理技术 进行推广。在排放治理项目实施过程中，政府承担了全部的费用以保证车主的 最大利益，获得了企业和车主的支持。香港对参与排放治理的后处理产品有严 格的要求即：可在硫含量为2 0 0 0 p p m 柴油下使用的后处理装置对p m 的过滤效 率应该大于2 5 ；对于只能在含硫量为5 0 p p m 柴油下使用的后处理装置，其对 p m 的过滤效率应该不低于3 5 。以上产品的可靠性应该保证在使用2 5 万公里 4 武汉理工大学硕士学位论文 后，过滤效率不低于其初始最低限值。 香港环境保护署( e p d ) 最早与世界上最大的汽车尾气后处理催化器生产 商e n g e l h a r d 合作，首先在2 0 0 0 辆公交车上安装了d o c 等多种后处理装置作 为试点，并随后在3 0 0 0 0 辆卡车上安装了颗粒物后处理装置，并且于2 0 0 0 年全 面引入了u l s d ，为随后更先进颗粒物后处理装置的应用创造了条件。 2 0 0 2 年，香港与美国康宁公司合作，开始为在香港境内运行的欧i 前( 1 9 9 5 年前) 柴油车加装颗粒物后处理装置，在1 8 个月内对约3 0 0 0 0 辆在用柴油车进 行了改造。2 0 0 3 年7 月，双方又开始为需要经常进出香港的跨境车辆安装颗粒 物后处理装置，在1 8 个月内为8 0 0 0 辆欧i 前柴油车安装了装颗粒物后处理装 普0 4 q 6 1 l = l o 1 3 2 2 北京应用情况介绍 北京是中国内地机动车排放管理最为严格的城市，北京、上海等城市历次 新机动车排放标准和燃油标准的实施都会提前于全国。北京对柴油车的限制尤 为严格，至今柴油车仍不能在北京上牌照，但柴油车具有良好的燃油经济性， 动力性，耐久性等优点，在北京开展柴油车的排放治理很有必要。而且2 0 1 0 年1 月1 日起，北京市已经供应硫含量不超过5 0 p p m 的车用燃油，这也为对燃 油品质要求较高的先进后处理装置的应用创造了条件。 2 0 0 5 年1 1 月，由美国环保局( e p a ) 资助，美国西南研究院( s w r i ) 承 担实施了“北京公交车颗粒物排放治理示范研究”项目。治理项目由e p a 招标， 选择了三类技术后处理装置：氧化性催化转化器( d o c ) 、部分流式颗粒捕集 器( p d p f ) 和壁流式颗粒捕集器( w f d p f ) ，这些产品都通过了e p a 和c a r b 的认证。该项目通过采用美国环保局在柴油车污染控制方面的经验，对2 5 辆原 始排放达国i 或国i i 阶段要求的公交车辆进行了排放改造治理，并且通过发动 机台架试验和车载排放测试对后处理装置的效率进行了检测。 2 0 0 6 年，由北京环保局立项，北京汽车研究所承担实施了“北京市柴油车 颗粒物排放治理可行性研究 。改造技术包括d o c 、p d p f 、w f d p f ( 主动再 生和被动再生) 三类，以及一种电晕净化产品。试验车辆包括邮政车、环卫车 和公务车，涵盖了北京市在用柴油车的主要车型，排量范围包括2 8 升至9 7 升。这些柴油车原车排放水平包括国i 阶段前、国i 阶段和国i i 阶段车辆，运 行时使用含硫量为3 5 0 p p m 柴油。通过台架性能测试、加载减速烟度测试和车 武汉理工大学硕士学位论文 载颗粒物治理浓度测试，考察了各后处理装置对颗粒物的过滤性能。 2 0 0 7 年，由北京市政府出资，对1 0 0 辆在用柴油车进行了颗粒物排放治理 示范性研究。该研究通过政府招标，采购了1 0 0 套在国际上得到认证或进行过 可行性研究的后处理产品，包括w f d p f 和p d p f 。试验车辆包括公交车、邮 政车、环卫车和商务车，这些车辆原车排放分别达到国i 、国i i 和国i i i 排放法 规的要求，公交车使用低硫柴油( 含硫量5 0 p p m ) 运行，其他车辆则使用含硫 量为3 5 0 p p m 的市售柴油运行【l 卜博j 。 1 3 3 后处理装置应用经验总结 通过对以上国内外在用柴油车排放改造中，颗粒物后处理装置应用经验的 总结来看，排放改造的成功与削减目标的制定、后处理产品与车辆及发动机的 良好匹配、车辆行驶工况、燃油中的硫含量高低、监督管理状况以及经济激励 政策有着密切的关系。 对排放污染物削减率的要求决定了需要采用的加装后处理装置的类型。对 于不同应用情况、不同排放标准、不同技术类型、不同新旧程度的车辆，应确 定不同的、适合削减率，以最大限度的在经济成本和排放削减率之间寻找平衡。 另外，对车辆和系统应做好维护和保养，确保车辆和后处理装置的正常工作。 从国内柴油车排放改造的成功案例来看，在中国采用后处理装置来削减柴油车 颗粒物排放是切实可行的，安装部分颗粒物后处理装置后车辆可以实现排放达 标的提升。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 研究内容 本文研究内容主要包括： 调研国内钋在用柴油车排放改造中，颗粒物后处理装置应用的成功案例。 为5 辆国i i i 和国阶段中轻型柴油车进行排放改造，安装颗粒物后处理装置 ( w f d p f 和p o c ) ，在北京、天津两地交替使用含硫量5 0 p p m 和3 5 0 p p m 的 柴油进行运行考核，对后处理产品的技术适应性、可靠性和耐久性进行评估， 并设计后处理装置性能测试考核方法。 通过重量分析法，考核后处理装置对柴油车颗粒物排放因子的过滤效果， 分析柴油硫含量对装置过滤效率的影响，评价装置对柴油车排放达标的提丹能 力。 通过浓度分析法，重点考核后处理装置对柴油车颗粒物p m 2 5 的粒数削减 能力，并分析装置对尾气中颗粒物粒径分布的影响，研究车辆运行工况对柴油 车颗粒物排放特性和后处理装置过滤特性的影响。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章柴油车颗粒物排放及治理措施 2 1 柴油车颗粒物排放特征 机动车尾气中的污染物主要包括：h c 、c o 、n o x 和颗粒物( p m ) ，相对 于汽油车，柴油车对前三种气态污染物的贡献都不大，但是柴油车的颗粒物排 放比汽油车高几十倍。美国加州曾对其境内各类机动车对h c 、n o x 和p m 排 放的相对贡献量做过调查，发现各类柴油机车对颗粒物排放的贡献量达到了 7 5 以上1 3 1 0 2 1 1 柴油车颗粒物的生成 柴油车颗粒物排放高是由柴油机的燃烧机理决定的，柴油在喷入气缸后， 进行边混合边燃烧的扩散燃烧，导致柴油机工作时不可避免的产生大量的颗粒 物。另外，少量的机油燃烧也会产生一定量的颗粒物1 1 引。 柴油机排放的颗粒物主要包含高度凝结的固态碳烟( d r ys o o t , d s ) 、挥发 性有机物( v o c s ) 、硫酸盐和一部分无机物灰分。柴油机中，碳烟是在部分富 燃区域产生的，柴油与空气的混合过程比燃烧扩散的速率慢，导致部分区域缺 氧，形成有利于d s 生成的高温缺氧条件【2 0 j 。碳烟就是在高温缺氧条件下，各 种烃分子部分氧化或热裂解形成的。碳烟主要是粒径在l p m 以下的聚集体，在 其生成过程中，大部分碳烟会在7 0 0 以上的高温下发生氧化，生成c o 或c 0 2 。 柴油车尾气中包含大量可溶性有机物( s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ，s o f ) ，s o f 主 要由未燃的柴油或燃烧中间有机产物以及挥发的机油组成，当排气温度较低时， s o f 会冷凝覆盖到碳烟上，成为柴油车颗粒物排放的组成部分。柴油中硫含量 的多少，是燃油品质的主要标志，柴油机内燃油中的硫主要被氧化成s 0 2 ，但 是也会产生少量s 0 3 ，特别是当柴油车装有带金属催化剂的尾气后处理装置时， 尾气中的s 0 2 还会转化成s 0 3 ，并进一步转化为硫酸盐【2 1 - 2 3 1 。 柴油车颗粒物的产生取决于发动机的性能和运行工况，研究表明，随着发 动机技术的进步( 如燃油喷射压力的提升) 和柴油车尾气后处理技术的应用， 颗粒物总的质量排放大大降低，但是p m 2 5 的粒数占柴油车颗粒物比重却在增 加。当发动机在高负荷运转时，燃烧室内很容易形成高温缺氧区域，有利于碳 8 武汉理工大学硕士学位论文 烟( d s ) 的生产，而且较高的排气温度不利于s o f 和其他挥发性有机物的冷 凝，尾气中主要以d s 为主。当发动机处于低负荷运转时，未燃h c 和可溶性 有机物增加，s o f 也更容易冷凝在d s 表面【2 4 之5 1 。图2 1 是柴油机颗粒物排放 的典型组份【2 6 1 。 紫水一 挥发的润滑油，托劈：j 掀+ 图2 1 柴油机颗粒物排放组份 2 1 2 柴油机颗粒物形态特征 随着柴油车排放法规的日趋严格以及柴油车排放控制技术的进步，柴油车 颗粒物排放水平也确实得到了很大改善，以往传统的对柴油车颗粒物质量排放 的监测，已经不能满足新技术条件下对颗粒物的控制要求，人们也开始从更微 观的角度关注柴油车颗粒物，因此了解柴油车颗粒物形态特征很有必要。 柴油车尾气中，颗粒物主要有三种存在形态，即：成核态、积聚态和粗粒 态。 成核态颗粒物是粒径在5 5 0 r i m 的纳米粒子，它占柴油车排放的颗粒物粒 数的9 0 以上。主要是在尾气排出和稀释过程中，挥发性有机物和硫酸盐冷却 凝聚而成的固体或液体小颗粒。这部分颗粒物的形成，主要受尾气状态改变的 影响，当尾气冷却时，挥发性物质在气体中的分压达到饱和蒸汽压而凝聚成核。 因此，在试验中测试颗粒物排放时，都需要通过加热稀释来减小这部分颗粒物 的生成。 积聚态颗粒物主要是前文中提到的，柴油燃烧中生成的碳烟聚合物，粒径 9 武汉理工大学硕士学位论文 范围是1 0 0 3 0 0 n m 。这部分颗粒物在进入排气管后，质量浓度可能会由于吸附 v o c 而发生一些改变，但是颗粒物数目比较稳定，在试验中会表现出很好的重 复性。 粗粒态颗粒物是粒径大于l g m 的粗颗粒物，这部分颗粒物属于二次颗粒。 车辆运行过程中，一部分固态颗粒物会吸附在排气管壁面或气缸内壁上，并且 随着工作时间的增加，颗粒物会增大增多。当车辆工况改变时，特别是某些极 端工况( 如急减速时) ，这些大颗粒物会被尾气冲击脱落，并随着尾气排出。这 种大粒径颗粒物的排放数量很不稳定，受排气管壁上积累的颗粒物数量和工况 影响较大。而且这种颗粒物虽然数目少但是质量较大，会影响柴油车颗粒物质 量排放测量结果，特别是对安装有颗粒物后处理装置等低排放柴油车的颗粒物 质量排放测量影响更大。 通过对柴油车颗粒物形态分布的分析，将有助于对颗粒物数目浓度和质量 浓度的研究，对于分析颗粒物粒径分布的变化很有帮助。 k i t t e l s o n 等人研究发现，理想状态下，柴油车尾气中颗粒物主要是冷凝成 核作用形成的纳米级颗粒物，这部分颗粒物占所有颗粒物的9 0 以上，这些颗 粒物可以通过加热去除掉。我们在研究中发现，如图2 2 所示，在粒径范围 0 0 4 - - 1 9 m 内，柴油车颗粒物还存在一个粒数的单峰，从数目浓度的形态分布上 看，颗粒物粒数成正态分布。这部分颗粒物主要为积聚态颗粒物，在排气和稀 释采样过程中比较稳定，有利于测试结果的准确性。 r e 皇 = a a 皇 弓 芝 冒 图2 2 柴油车颗粒物粒数的粒径分布 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 柴油车颗粒物的危害 我国机动车增长迅速，截止2 0 1 1 年8 月底，全国机动车保有量达到2 1 9 亿辆，机动车颗粒物排放早已成为空气中悬浮颗粒物的主要来源之一。机动车 排放的颗粒物p m l o 在大气中的分担率达到2 3 ，而且机动车尾气排放对具有 更大危害的p m 2 5 的贡献更大。以北京为例，机动车尾气排放的p m l o 中约有8 0 是p m 2 5 ，机动车排放的尾气对环境空气中超细颗粒物p m 2 5 的贡献率是 1 0 之0 ，机动车尾气排放成为了空气中1 8 2 5 元素碳组分的主要来源。 图2 2 给出了空气中超细颗粒物数目浓度与车流量之间的关系。从图中可 以看到，二者之间呈现出正相关的关系，这正说明柴油车超细颗粒物排放已经 成为空气中p m 2 5 的主要来源，柴油车颗粒物特别是超细颗粒物已经分担了很 大一部分环境空气中p m 2 5 对健康和环境的危害。 午 逞 g 2 型 蓉 籁 黧 雾 黧 匿 蒙 靼 图2 3 空气中超细颗粒物与车流辆关系 2 2 1 柴油车颗粒物对健康的危害 柴油车排放的颗粒物均为粒径小于l o g m 的可吸入颗粒物( p m l o ) ，这些颗 粒物可以直接通过口腔和鼻腔被人体吸入，并在人体下呼吸道( 气管、支气管 和肺泡) 中沉积，干扰肺部的气体交换导致哮喘、支气管炎等疾病的发病率上 升。 武汉理工大学硕士学位论文 在前面对柴油车颗粒物粒径形态特征的研究中发现，对于处于较高排放阶 段或采用后处理装置的低排放柴油车，其尾气中的颗粒物主要为粒径小于l g m 的超细颗粒物，即可入肺颗粒物p m 2 5 0p m 2 5 不仅与粗颗粒物在形成和排放过 程中存在差异，对于人体健康的影响也存在不同。很多超细颗粒物在进入人体 下呼吸道后，没有沉积下来，而是通过肺泡进入血液循环系统当中，从而到达 人体各脏器。超细颗粒物p m 2 5 通常除了携带大量具有致癌作用的多环芳烃 ( 即m ) ，还吸附有有害气体和重金属等物质。这些超细颗粒物与人体细胞核亚 细胞作用，会诱发心、脑血管疾病，甚至干扰人体细胞的功能，导致细胞癌变 的发生率上升。 虽然人们还没有完全了解颗粒物对健康的影响，但是大量关于空气中不同 来源颗粒物与人体潜在致病风险相关性的研究表明，空气中颗粒物的浓度不仅 与支气管疾病发病率存在正相关关系，也会导致癌症的发病率上升。空气中含 有多种对人体存在致癌风险的物质，而研究发现，柴油车排放的颗粒物对潜在 致癌风险的贡献率最大，达到了7 0 ，如图2 4 所示【l 引。 一一 麦 等 * 薹警 蔓 g 藤- 卜骧 ” 1 要莨 有毒空气污染物 图2 4 空气中有毒污染物对潜在致癌风险的贡献 2 2 2 柴油车颗粒物对环境的危害 空气中的颗粒物对生态气候和环境能见度都产生较大影响，而且研究1 2 1 发 现，细颗粒物对气候和能见度的影响更大，作为主要产生l g m 以下超细颗粒物 的柴油车排放，其对环境的危害可想而知也是非常大的。 1 2 帆嘛帆帆嘶嘛帆帆帆 武汉理工大学硕士学位论文 柴油车排放的颗粒物对生态气候的危害，主要体现在对太阳辐射和云层性 质的影响。因为，细颗粒物对太阳辐射的散射和吸收能力最强，这会导致穿透 大气层到达地面的太阳光的减少，影响农作物的产量。细颗粒物在空气中悬浮 时间长，难以沉积，会作为云层的一部分直接影响气候，而且其也会改变云层 的性质间接的影响气候。 环境能见度是指空气对可见光的通透度和对物体颜色细节的保真度，空气 中的悬浮颗粒对可见光的散射和吸收作用，会导致能见度的降低。研究表明， 颗粒物的粒径大小决定了其消光作用的大小，颗粒物粒径越小消光作用越强， 空气中粒径小于1 9 m 的积聚态颗粒物的消光作用最强。 环境能见度的降低，最显著的表现就是城市灰霾天气的增加，据统计，2 0 1 1 年中国部分大城市灰霾天气达到全年的一半，而细颗粒物p m 2 5 已经被认为是 这种天气的罪魁祸首。而前面也提到，柴油车排放的颗粒物主要是粒径小于l g m 的超细颗粒物，可见柴油车颗粒物排放对环境可见度的影响贡献率占很大比例。 2 3 柴油车颗粒物排放治理措施 随着柴油车保有量的增加，柴油车污染物排放问题也日益严重。近年来， 由于柴油机技术的提升，虽然柴油车已经很少会出现冒黑烟这种恶劣的现象， 但是随着柴油车排放法规的提升和人们环保意识的增强，柴油车污染物排放( 特 别是氮氧化合物和细颗粒物的排放) 已经成为机动车排污控制的重点。 国家“十二五”减排目标中，将n o x 比2 0 1 0 年减排1 0 作为约束性指标 之一。并且在大气污染联防联控重点区域，增加颗粒物( p m ) 和挥发性有机物 ( v o c s ) 的减排约束性指标，而且对空气质量的监测要求中加入了对p m 2 5 和臭氧的要求。今年，在国务院同意发布的新修订的环