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不同后处理装置对重型柴油车排放特性的影响研究

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不同 处理 装置 重型 柴油车 排放 特性 影响 研究
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内容简介：
DOC/DOC+CDPF对重型柴油车气态物排放的影响楼狄明，刘 影，谭丕强，胡志远（同济大学汽车学院，上海 201804）【摘要】为研究后处理装置对重型柴油车气态物排放特性的影响，对一辆柴油公交车安装氧化催化转化器(DOC)、氧化催化转化器耦合催化型颗粒捕集器(DOC+CDPF)后的气态物，包括一氧化碳(CO)、总碳氢化合物(THC)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)及总氮氧化物(NOX)的排放特性，采用重型底盘测功机进行了试验研究。结果表明：DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排气中CO和THC的量，其中DOC在不同工况下作用效果波动较大，怠速和中低速工况下对CO的氧化率较低，高速下对THC的氧化率较低； DOC+CDPF的减排效果优于单独使用DOC，且在不同工况下表现更加稳定；DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排气中NO的量，同时增加NO2的量，但对于NOX总量的影响较小，从而使得排气中NO2占总氮氧化物的比例有所上升。关键词：重型柴油车；氧化催化转化器；催化型颗粒捕集器；气态排放物The Influences of DOC and DOC+CDPF on Gaseous Emissions of Heavy-Duty Diesel VehicleLOU Di-ming, LIU Ying, TAN Pi-qiang, HU Zhi-yuan (School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai, 201804)Abstract: The influences of diesel organic catalyst (DOC) and diesel organic catalyst combined with catalyzed diesel particulate filter (DOC+CDPF) on gaseous emissions, such as carbon monoxide (CO), total hydrocarbons (THC), nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO2) and nitrogen oxides (NOX) on a diesel bus were studied through experiments on the heavy chassis dynamometer, for the purpose to discuss the effects of these aftertreatment devices on the emissions of heavy-duty diesel vehicles. The results demonstrate the facts that: both DOC and DOC+CDPF can reduce CO and THC emissions in the exhausts in varying degrees. The effect of DOC fluctuates a little in different situationsthe oxidation rate of CO is relatively low in idling and low speed circumstances, while that of THC is relatively low in high speed circumstance. The application of DOC+CDPF on the bus is more effective compared to that of DOC, and performs more steadily in different driving conditions. Both DOC and DOC+CDPF can reduce the emission of NO and increase NO2 in the exhausts. However, they have only slight influences on the total amount of NOX, which leads to the increase of the percent of NO2 in NOX.Key words: heavy-duty diesel vehicle; diesel organic catalyst; catalyzed diesel particulate filter; gaseous emission引言作为传统的动力源之一，柴油机以其良好的燃油经济性、动力性等特点广泛应用于汽车领域，其污染物排放也日益受到关注。随着排放法规的日益严格，通过后处理装置进行机外净化已成为控制柴油车污染物排放的重要手段1-2。基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目（15DZ1205503）作者及项目负责人简介：楼狄明（1963-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为发动机代用燃料及排放控制技术，E-mail: 氧化型催化转化器（Diesel Organic Catalyst，DOC）用于氧化排气中的CO、THC及PM中一部分有机可溶物SOF。催化型颗粒捕集器（Catalyzed Diesel Particulate Filter, CDPF）在颗粒捕集器（DPF）上涂覆催化剂以促进再生，是降低颗粒物排放的有效途径。两者耦合工作，通过前端DOC将排气中的NO氧化为NO2，生成的NO2与CDPF中捕集的碳烟反应，实现CDPF的连续再生。目前，相关研究多集中于安装后处理装置后颗粒物的排放特性。王军方等人3的研究表明，DOC对于低转速下不同粒径范围的颗粒物有一定降低作用，而对高转速下粒径大于120nm的颗粒物降低不明显。楼狄明等人4-5的台架试验研究表明DOC耦合CDPF对于聚集态颗粒物的捕集效果优于核态颗粒物；之后的实车道路试验则表明在稳态和瞬态工况下该装置均有较好的颗粒减排效果，且对于颗粒粒径分布规律有一定影响。在气态物排放方面，马荣等人6进行了CDPF对于氮氧化物排放的数值模拟研究；冯谦等人7-8通过催化剂小样测试及台架试验研究了DOC及DOC耦合CDPF对于柴油机气态物排放的影响。此外，也有学者就DOC和DPF对颗粒微观特性、柴油机燃油经济性、排气背压等方面的影响进行了研究9-11。由此可见，目前研究人员多关注于后处理装置对于颗粒物排放的影响，较少有对气态物排放特性的研究；另外，研究多采用仿真或发动机台架试验的方式10-14。台架试验中发动机的运行工况与车辆实际工况有一定差别，使得车辆实际的排放水平与台架试验结果有一定差异；而实车道路测试易受环境等多种因素影响。与两者相比，底盘测功机能在可控的试验条件下对实车排放水平进行测量，有更好的可重复性和可比性，逐渐成为重要的整车排放评价手段15。 本文通过重型车底盘测功机排放测试系统，对一辆柴油公交车安装DOC、DOC+CDPF前后气态物的排放特性进行研究，探寻两种后处理装置对柴油机气态物排放的影响。1 试验方案1.1 试验设备试验所用的主要设备包括重型车底盘测功机和SEMTECH ECOSTAR车载尾气分析系统。SEMTECH ECOSTAR车载尾气分析系统由一系列具有独立功能的模块组成，包括排气流量管与加热采样系统、燃油经济性分析仪、氮氧化物分析仪、总碳氢分析仪等，可对发动机和整车的CO，CO2，THC，NO，NO2等多种气态物排放进行实时检测分析，拥有较高的精度。试验系统布置如图1所示。图1 重型车底盘测功机测试系统1.2 试验车辆试验车辆为一辆满足国III排放标准的柴油公交车。该车配有一台排量为7.146L的柴油发动机，额定功率为177kW，最大转矩为920Nm。试验燃料为国V标准的0#柴油。1.3 试验用后处理装置本文分别采用一套DOC与一套封装的DOC+CDPF装置进行试验。两组装置中，DOC的载体参数与催化剂组分均相同。所用DOC与CDPF的具体参数如表1所示。表1 DOC与CDPF参数参数DOCCDPF载体孔密度/cpsi400200载体过滤层壁厚/mm0.060.35载体孔隙率/%55载体平均孔径/mm1.211.45载体主要材料FeCrAl堇青石贵金属种类Pt/Pd/RhPt/Pd/Rh贵金属负载量55g/ft3, 10:1:015g/ft3, 10:2:1涂层-Al2O3Al2O3+TiO21.4 试验方案试验分为三组进行：A. 对试验车辆未安装后处理装置（即原车）时的气态物排放进行监测；B. 试验车辆安装一套DOC装置后，对其气态物排放进行监测；C. 试验车辆安装一套封装好的DOC耦合CDPF装置（后面简称为DOC+CDPF）后，对其气态物排放进行监测。试验循环均采用中国典型城市公交循环（CCBC）。通过底盘测功机系统对车辆行驶工况，包括速度、加速度等因素进行控制。为方便讨论，将整个循环工况点划分为减速工况、怠速工况、低速工况、中速工况和高速工况，其中：加速度a-0.1m/s2为减速工况；加速度-0.1m/s2a0.1m/s2，且速度v0.5m/s为怠速工况；加速度a- 0.1m/s2，且速度0.5m/sv20 m/s为低速工况；加速度a- 0.1m/s2，且速度20m/sv40 m/s为中速工况；加速度a- 0.1m/s2，且速度40m/sv60 m/s为高速工况。2 试验结果及分析2.1 CO排放试验车辆安装不同后处理装置前后，在测试循环不同工况下的CO排放对比如图3所示。 图3 不同工况下一氧化碳排放特性由图3可得，在各个工况下，原车、安装DOC及安装DOC+CDPF后CO的排放率（g/s）依次减小。其中，在怠速和中低速工况下，DOC对CO的氧化率较低，约为10%；在减速和高速工况下，DOC对CO的氧化率分别为35%和32%；整个循环的CO综合排放率在安装DOC后，降低了约17%。而不同工况下DOC+CDPF对CO均有较高的氧化率，平均为34%。这是因为低负荷时排气温度较低，未能达到DOC对CO的起燃温度，对CO的氧化效果较差16；随着负荷的提升，排气温度升高，对CO的氧化效果也随之变好。而对于DOC+CDPF，由于CDPF中亦涂覆有催化剂涂层，为CO提供了更多活性位，且前端DOC氧化反应会放出热量，提高排气温度，从而有利于CO的氧化反应。因此安装DOC+CDPF后对CO排放的降低效果优于单独安装DOC时的效果。2.2 THC排放试验车辆安装不同后处理装置前后，在测试循环不同工况下总碳氢THC的排放如图4所示。由图4可知，不同工况下，两种后处理装置对THC排放均有一定降低作用。DOC在低速和中速工况下对于THC的氧化效果较好，氧化率分别为43%和35.5%。可能是由于负荷较低时尾气中相对氧含量较高，从而有利于THC的氧化。而各工况下DOC+CDPF对于THC拥有更好的氧化效果，氧化效率为70%-87%。从整个循环的综合排放率（mg/s）看，DOC对THC的氧化率为31.5%，而DOC+CDPF为80%，后者效果优于前者。图4 不同工况下总碳氢化合物排放特性 后处理装置对于THC的氧化效果受到多种因素的影响。不同催化剂对于THC氧化反应的催化有一定选择性，Pt对于饱和碳氢化合物有较高的催化活性，而Pd对于不饱和碳氢化合物的活性较高17-18。另外，由于CO和THC在催化剂活性位存在竞争吸附，M.J.Patterson等人的研究19表明在CO存在时，Pt对于THC的氧化催化活性明显降低，Pd的催化活性也受到一定抑制，而Rh对于芳香烃类的催化活性则会有一定上升。由于CDPF中Pd的百分比较高，且含有一定的Rh，有利于排气中不饱和碳氢化合物和芳香烃类的催化氧化；另一方面前端DOC的氧化反应提升了排气温度，从而有利于THC的氧化，因此DOC+CDPF比单独使用DOC对THC的氧化效率更高。2.3 氮氧化物排放柴油车的氮氧化物排放以NO与NO2为主，其安装不同后处理装置前后的排放特性分别如图5和图6所示。由图5可知，各个工况下两种后处理装置对于NO排放均略有降低作用，其中安装DOC后NO的减排率平均约为3%，安装DOC+CDPF后则为6%，后者效果略优于前者。NO在DOC和CDPF内主要被氧化生成NO2，该氧化反应受到许多因素的影响。首先，NO具有较低的氧化动力，在排气中有CO和THC存在的情况下，其氧化反应将被延迟进行，因此只有当排气中CO和THC浓度较低时，NO才能得到较为有效的氧化。同时，NO的氧化速率在低温时受反应动力约束，高温时受到热力约束，其转化率有一定限制。此外，该氧化反应对于催化剂中毒也较为敏感，当催化剂涂层受到硫、磷等影响时，NO的氧化转化率将明显降低20。由图6可知，DOC和DOC+CDPF在不同工况下均能一定程度增加NO2的排放。安装DOC后NO2的排放是原车的1.3-1.7倍，安装DOC+CDPF后NO2 图5 不同工况下一氧化氮排放特性图6 不同工况下二氧化氮排放特性图7 不同工况下总氮氧化物排放特性的排放是原车的1.7-2.8倍。NO2的主要来源为NO的催化氧化。由于CDPF内催化剂作用，排气中的NO得到了更好的氧化效果。因此比起仅安装DOC，安装DOC+CDPF后生成的NO2更多。反应生成的NO2是颗粒捕集器再生的重要因素。相比O2，NO2具有更强的氧化能力，在250左右即可在催化剂作用下与DPF内的微粒发生氧化反应21-22，从而在正常排气温度范围内无需其他加热源即可实现DPF的被动再生。使用不同后处理装置前后，车辆总的NOX排放特性如图7所示。由图7可知，在不同工况下DOC和DOC+CDPF均能略微减少NOX的排放。这是由于在NO的氧化反应中，生成的NO2更易在催化剂载体表面吸附并形成硝酸盐或亚硝酸盐，而部分未被吸附的NO2则释放到气相中23-24；在高负荷、富燃的情况下，储存的一部分硝酸盐和亚硝酸盐会发生分解，释放NO2到气相中。因此NOX的减少主要是由于其在催化剂上的吸附并形成盐类。由于NO的降低与NO2的升高，DOC与DOC+CDPF后NO2占氮氧化物总量的比例会有一定升高，如图8所示。图8 不同工况下NO2/NOx排放比例文献12中对这一现象进行了研究，结果表明，安装DOC或CDPF后，排气中NO2/NOX比例受到多种因素的影响，其中影响最大的是排气温度，当排气温度达到350左右时，NO2/NOX比例达到峰值，之后随着温度的上升该比例反而下降；在一定的排气温度下，排气中的O2含量、PM/NOx比例以及后处理装置的几何尺寸也会对NO2/NOX比例造成影响；此外，CO的氧化率也是造成这一比例变化的因素之一。不过，上述文献中提到的CDPF后NO2/NOX比例较高，可达15%50%，而本文试验结果中该比例仅不足8%。造成这一现象的原因可能是试验中后处理装置进口处的排气温度较低，对于CO、 THC和NO的氧化造成了不利影响，由于NO在竞争吸附中存在劣势，尾气中较高的CO和THC含量抑制了NO的氧化，从而使得NO2的生成率较低。另外，由图8可知，随着车速增加，NO2占总氮氧化物比例有先上升再下降的趋势。这是因为随着车速增加，在高浓度的NO环境中，Pt表面会产生饱和现象，使得NO与O-产生活性位竞争，而O-在此竞争中存在优势，会抑制NO在Pt上的吸附8，从而降低NO的反应率。此外，排气流量升高使得各成分接触时间减少，也会对NO的氧化产生不利影响。3. 结论本文对一辆柴油公交车安装氧化催化转化器（DOC）、氧化催化转化器耦合催化型颗粒捕集器（DOC+CDPF）及未安装后处理装置时气态物的排放特性进行了试验研究，结果如下（1）DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排气中CO的量。其中，DOC在怠速和中低速工况下对CO的氧化效果较差，随着车速增加氧化作用逐渐增强；而DOC+CDPF在各个工况下对CO均有较好的氧化效果。DOC+CDPF的效果优于单独使用DOC。（2）DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排气中THC的量。其中，在低速和中速工况下，两种后处理装置对THC的氧化效果较好，而在高速工况下有所减弱。在各个工况下DOC+CDPF对THC的氧化作用比较稳定，效果优于单独使用DOC。（3）DOC和DOC+CDPF均能不同程度地降低排气中NO的量，增加NO2的量，但对 NOX总量几乎无影响。各个工况下，这种作用效果相差不大。此外DOC和DOC+CDPF均能使得排气中 NO2占总氮氧化物的比例有所上升，且DOC+CDPF效果更为明显。参考文献1 贺泓, 翁端, 资新运. 柴油车尾气排放污染控制技术综述J. 2007, 28(6): 1169-1177.2 帅石金, 唐韬, 赵彦光, 华伦. 柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望J. 汽车安全与节能学报, 2012, 3(3): 200-217.3 王军方, 丁焰, 尹航, 葛蕴珊, 王小臣, 谭建伟, 何超. DOC 技术对柴油机排放颗粒物数浓度的影响J. 环境科学研究, 2011, 24(7): 711-715.4 楼狄明, 温雅, 谭丕强, 纪丽伟. 连续再生颗粒捕集器对柴油机颗粒排放的影响J. 同济大学学报: 自然科学版, 2014, 42(8): 1238-1244.5 楼狄明, 钱思莅, 冯谦, 谭丕强, 胡志远. 基于DOC+CDPF后处理技术的公交车实际道路颗粒物排放特性J. 环境工程, 2013(31): 348-353.6 马荣. 柴油机催化型颗粒捕集器氮氧化物排放模拟计算D. 西南林业大学, 2014.7 冯谦, 楼狄明, 谭丕强, 胡志远, 崔建光. 催化型 DPF 对车用柴油机气态污染物的影响研究J. 燃料化学学报, 2014, 42(12): 1513-1521.8 冯谦, 楼狄明, 计维斌, 谭丕强, 胡志远. DOC/DOC+ CDPF 对重型柴油机气态物排放特性的影响研究J. 内燃机工程, 2014, 35(4): 1-6.9 李磊. DOC 与 DPF 对柴油机排放颗粒微观特性影响的研究D. 河南科技大学, 2014.10 胡俊, 孙平, 梅德清, 张敏. 颗粒捕集器捕集效率及对柴油机性能影响的研究J. 机械设计与制造, 2013 (6): 134-136.11 龚金科, 龙罡, 蔡皓, 吴钢, 余明果. 催化型微粒捕集器的再生与压降数值研究J. 环境工程学报, 2011, 5(12): 2820-2824.12 He C, Li J, Ma Z, Tan J, Zhao L. High NO2/NOx emissions downstream of the catalytic diesel particulate filter: An influencing factor studyJ. Journal of Environmental Sciences, 2015, 35: 55-61. 13 Yamamoto K, Nakamura M, Yane H, Yamashita H. Simulation on catalytic reaction in diesel particulate filterJ. Catalysis Today, 2010, 153(3): 118-124.14 曹希存. 柴油机微粒捕集器内气粒两相流动特性研究D. 哈尔滨工业大学, 2010.15 高章. 基于底盘测功机的公交车整车排放和油耗测试研究D. 武汉理工大学, 2011.16 Sharma H, Mhadeshwar A. A detailed microkinetic model for diesel engine emissions oxidation on platinum based diesel oxidation catalysts (DOC)J. Applied Catalysis B: Environmental, 2012, 127: 190-204.17 Khosravi M, Abedi A, Hayes R E, Epling W S, Votsmeier M. Kinetic modelling of Pt and Pt:Pd diesel oxidation catalystsJ. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 154: 16-2618 赵航, 王务林, 杨建军, 王建强. 车用柴油机后处理技术M. 北京：中国科学技术出版社，2010:160-161.19 Patterson M J, Angove D E, Cant N W. The effect of carbon monoxide on the oxidation of four C6 to C8 hydrocarbons over platinum, palladium and rhodiumJ. Applied Catalysis B: Environmental, 2000, 26(1): 47-57.20 Katare S R, Patterson J E, Laing P M. Diesel aftertreatment modeling: A systems approach to NOx controlJ. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007, 46(8): 2445-2454.21 Kandylas I P, Haralampous O A, Koltsakis G C. Diesel soot oxidation with NO2: engine experiments and simulationsJ. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2002, 41(22): 5372-5384.22 任源. DOC 和 DPF 对柴油机排放性能影响的试验研究D. 河南科技大学, 2013.23 陈英, 何俊, 马玉刚, 陈小平, 王乐夫, 李雪辉. Pd/TiO2/-Al2O3的NOX储存性能和抗硫性能J. 分子催化, 2007, 21(5): 427-432.24 陈英, 何俊, 马玉刚, 陈小平, 王乐夫, 李雪辉. NOx 储存-还原催化剂 Pt-Pd/BaO/TiAlO 的制备及其抗硫性能J. 催化学报, 2007, 28(3): 257-263. 硕士学位论文 硕士学位论文 （专业学位） （专业学位） 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 姓 名：刘影 学 号：1434462 所在院系：汽车学院 专业领域：动力工程 指导教师：楼狄明 教授 二一七年一月 A dissertation submitted to Tongji University in conformity with the requirements for the degree of Master of Engineering January, 2017 Candidate: Liu Ying Student Number: 1434462 School/Department: School of Automotive Studies Discipline: Engineering Major: Power Engineering Supervisor: Prof. Lou Diming Study on the effects of different aftertreatment devices on the emission characteristics of a diesel bus 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要摘要机动车已成为城市大气污染的重要污染源。其中，满足国 III 标准的柴油车无论从数量还是污染物排放量都占据重要的部分， 对其进行减排改造具有很大的经济、环境和社会效益。后处理装置是控制机动车排放的有效途径。研究后处理装置对国 III 柴油车排放特性的具体影响，有助于分析后处理装置的作用效果，可以为城市及周边车辆污染物控制提供参考。 本文以一辆国 III 柴油公交车为试验对象，在底盘测功机上对其安装不同后处理装置前后的排放进行检测，研究试验车辆运行中国城市公交车循环时原车、安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后常规气态物、颗粒物、有机组分的排放变化， 分析不同工况下后处理装置的作用效果， 探究试验循环中 DOC 的温升特性、DOC 和 CDPF 的压降特性，并就不同工况参数、排气参数、排气组分与后处理装置作用的关联性进行了讨论，结论如下： （1）DOC 和 DOC+CDPF 均能降低试验车辆 CO 和 THC 的排放，其中对CO的减排率分别为22.46%和34.41%， 对THC 减排率分别为42.50%和78.29%；不同片段下随着平均车速的升高，DOC 对 CO 的减排率升高而对 THC 的减排率下降， DOC+CDPF对CO的减排率升高但对THC的减排率较为稳定， DOC+CDPF的效果优于 DOC；两种后处理装置在怠速工况下作用均劣于其他工况。DOC 和DOC+CDPF 对 NOx 的排放均无明显作用，但 DOC 后排气中 NO2/NOx 比例升高，而 DOC+CDPF 后该比例下降。DOC 和 DOC+CDPF 可以不同程度地降低尾气中 VOCs 的含量，并对其中各组分的碳数分布有一定影响。 （2）DOC 和 DOC+CDPF 均能降低试验车辆颗粒物数量和质量的排放，其中对颗粒物数量 PN 的减排率分别为 39.14%和 99.58%，对颗粒物质量 PM 的减排率分别为 5.27%和 98.74%；DOC 对核膜态颗粒物的作用明显优于其对聚集态颗粒物的作用，而 DOC+CDPF 对全粒径段的颗粒物均有良好的减排效果。DOC和 DOC+CDPF 对颗粒物中碳质组分 OC/EC 有一定影响，DOC+CDPF 后检测到的 EC 为零。安装两种后处理装置后颗粒中吸附的 PAHs 含量和毒性均有一定降低，其中 DOC+CDPF 的效果更为明显。 （3）由于内部氧化反应放热，DOC 入口和出口会出现排气温度差，入口温度和温度差曲线均与试验车辆速度有一定相关性， 而出口温度比速度存在一定延迟且曲线更为平缓，入口温度和出口温度对高速段的工况变化更为敏感。由于结构影响，DOC 和 DOC+CDPF 的 CDPF 出口处相比入口均存在一定压降，DOC的压降出现在少数急加速工况，而 CDPF 在各工况下均有明显压降。对车辆行驶同济大学 硕士学位论文 摘要 II 工况参数、排气参数、排气组分浓度与后处理装置作用效果的灰色关联性分析显示，排气温度、排气流量、排气中 THC 浓度是影响后处理装置减排效果和前后温度差、压力差的重要因素，除此外 DOC 前后温度差还与 DOC 对 THC 和 CO的减排率表现出较强的关联性，CDPF 压降也与 DOC+CDPF 对颗粒物的减排率关联度较高。 关键词 关键词：柴油公交车，排放特性，后处理装置，灰色关联分析 Tongji University Master of Engineering Abstract III ABSTRACT The motor vehicles have become one of the main pollution sources of the urban atmosphere, among which the diesel vehicles meeting the National Stage III play an important role. Measures to control the emissions from this part vehicles can bring much benefit to not only environment but also economy and society. The aftertreatment device is an efficient path to vehicles emission control. Research on the influences of afterreatment devices on the diesel vehicles meeting NS III can be helpful to the analysis of the afterreatment devices function and provide some advice to the reduction of emissions from automobiles in and around cities. In this thesis the emission test of an in-use diesel bus meeting NS III was conducted on the chassis dynamometer. The characteristics of gaseous, paticulates and organics emissions of the testing bus running CCBC with and without DOC or DOC+CDPF were studied and the effects of aftertreatment devices under different running conditions were discussed. Further more, the differences of the tail gass temperature and pressure between the entrance and exit of DOC and CDPF were investigated and a gray relational analysis was made to explore the relations among the running conditions, tail gas parameters, components and the work of aftertreatment devices. The main conclusions were as follows. First, the effects of DOC and DOC+CDPF on gaseous emissions were studied. Both DOC and DOC+CDPF can reduce the CO and THC in the end gas to a certain degree. Actrually the rates were 22.46% (with DOC) and 34.41% (with DOC+CDPF) for CO，and 42.50% (with DOC) and 78.29% (with DOC+CDPF). With the increase of average speed in different parts of CCBC, DOCs reduction rate on CO rose while it on THC descended, and DOC+CDPFs reduction rate on CO also rose while it on THC remained relatively stable. The DOC+CDPF worked better than DOC, but in idling condition both two devices functioned not so well as in other conditions. DOC and DOC+CDPF had slight influences on the emission of NOx, but a higher NO2/NOx downstream of DOC was observed while the NO2/NOx scale was lower after DOC+CDPF. DOC and DOC+CDPF could also reduce the VOCs emission and effected the distributions of components with different carbon numbers. Second, the effects of DOC and DOC+CDPF on particulate emissions were studied. Both DOC and DOC+CDPF can reduce PN and PM in the end gas to a certain Tongji University Master of Engineering Abstract IV degree, actrually by 39.14% (with DOC) and by 99.58% (with DOC+CDPF) for PN，and by 5.27% (with DOC) and by 98.74% (with DOC+CDPF). DOC worked better on nucleation mode particles than on accumulation mode particles, while DOC+CDPF make a high reduction of paticles in all diameter segments. DOC and DOC+CDPF had different influences on the elemental and organic carbon. Especially, EC was not found after DOC+CDPF. The two aftertreatment devices could also reduce the mass emited and toxicity of PAHs, and DOC+CDPF works better. The temperature was different between the entrance and exit of DOC because of the exothermic reations. The curves of inlet temperature and temperature difference were related to the vehicle speed.The curve of outlet temperature was gentle and had time delay compared with speed. Inlet and outlet temperature both were more sensitive to the change of running conditions at high speed. Pressure drop was observed both on DOC and CDPF, which appeared in minority of fast accelaration of the testing bus for DOC and all the CCBC for CDPF. The gray relational analysis of relations among the running conditions, tail gas parameters, components and the work of aftertreatment devices demostrated that the gas temperature, pressure and the concentration of THC all showed high correlation to the effects of aftertreatment devices. Besides, the temperature difference of DOC also had a relative high correlation with the reduction rate of THC and CO, and the pressure drop of CDPF had a relative high correlation with its reduction rates of paticulates. Key Words: diesel bus, emission characteristic, aftertreatment device, gray relational analysis 同济大学 硕士学位论文 目录 V 目录目录第 1 章 绪论 11.1 研究背景 11.2 柴油车污染控制技术 31.2.1 前处理及机内净化技术 31.2.2 氧化催化转化器 41.2.3 颗粒捕集器 81.2.4 催化型连续再生颗粒捕集系统 101.3 柴油车有机物排放 121.3.1 挥发性有机物 121.3.2 多环芳烃 131.4 本文主要研究内容 15第 2 章 柴油公交车排放试验方案设计 172.1 试验车辆 172.2 试验用后处理装置 192.3 底盘测功机系统 192.4 测试循环 202.5 车辆排放测试系统 232.5.1 在线排放检测系统 232.5.2 离线排放检测系统 262.6 本章小结 28第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 293.1 试验循环工况片段划分 293.2 不同后处理装置对 CO 排放的影响 303.2.1 CCBC 循环各片段 CO 排放 313.2.2 不同工况下 CO 排放分担率 333.3 不同后处理装置对 THC 排放的影响 353.3.1 CCBC 循环各片段 THC 排放 363.3.2 不同工况下 THC 排放分担率 383.4 不同后处理装置对 NOx 排放的影响 403.4.1 CCBC 循环各片段 NOx 排放 403.4.2 不同工况下 NOx 排放分担率 443.5 不同后处理装置对 VOCs 排放的影响 453.6 本章小结 47第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 494.1 不同后处理装置对颗粒物数量的影响 49 同济大学 硕士学位论文 目录 VI 4.1.1 CCBC 循环各片段颗粒物数量排放 494.1.2 不同工况下颗粒物数量排放分担率 524.1.3 颗粒物数量粒径分布特性 534.2 不同后处理装置对颗粒物质量的影响 574.2.1 CCBC 循环各片段颗粒物质量排放 574.2.2 不同工况下颗粒物质量排放分担率 594.2.3 颗粒物质量粒径分布特性 614.3 不同后处理装置对颗粒物 OC/EC 的影响 654.4 不同后处理装置对颗粒相 PAHs 的影响 674.4.1 不同后处理装置对 PAHs 排放量的影响 674.4.2 不同后处理装置后 PAHs 毒性对比 694.5 本章小结 70第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性 735.1 后处理装置对排气温度的影响 735.2 后处理装置前后压降 755.3 基于灰色理论的多因素关联分析 775.3.1 灰色理论与灰色关联度 775.3.2 多因素与后处理装置作用的关联性分析 805.4 本章小结 88第 6 章 总结与展望 916.1 全文总结 916.2 研究展望 93致谢 94参考文献 95个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 102 第 1 章 绪论 1 第第 1 章 绪论章 绪论 1.1 研究背景 近年来， 我国汽车工业发展迅速。 中国汽车工业协会数据显示， 2015 年我国累计生产汽车 2450.33 万辆，同比增长 3.3，销售汽车 2459.76 万辆，同比增长4.7，产销量保持世界第一。同时，全国汽车保有量也不断攀升。图 1.1 展示了自 2005 年至 2015 年全国民用汽车的保有量。截止 2015 年末，全国民用汽车的保有量达 1.72 亿辆，是 2005 年的近 4 倍，平均年增长率达 14.8%。 图 1.1 2005 年至 2014 年中汽车保有量 全国汽车保有量中，不同排放标准车辆所占比例如图 1.2 所示。由图可知，国 I 及国 I 前车辆共占汽车总保有量的 8.5%，国 II 车辆占 8.0%，国 III 车辆占51.6%，国 IV 车辆占 30.5%，国 V 及以上车辆占 1.4%。排放满足国 III 和国 IV标准的车辆为汽车总保有量的主要组成部分。 随着汽车工业的快速发展和汽车保有量的持续增长， 其排放的污染物造成的环境污染问题也越来越严重。第一批完成大气细颗粒物源解析的城市结果表明，北京、上海、杭州、广州、深圳等特大型城市的移动源排放已成为细颗粒物污染的首要来源，分别为 31.1%、29.2%、28.0%、21.7%和 52.1%。 4329 4985 5697 6467 7619 9086 10578 12089 13741 15447 17228 020004000600080001000012000140001600018000200002005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015汽车保有量（万辆）年份 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 2 图 1.2 按不同排放标准划分的汽车保有量构成 根据环保部2016 年中国机动车环境管理年报数据显示，2015 年我国全国汽车四项污染物排放总量为 3906.5 万吨，其中一氧化碳（CO）3009.1 万吨，碳氢化合物（HC）358.4 万吨，氮氧化物（NOx）539.1 万吨，颗粒物（PM）53.6万吨。其中，不同排放标准的汽车由于其保有量及污染物排放量不同，对污染物的排放分担率也有较大差别，如图 1.3 所示。由图可知，占汽车总量 8.5%的国 I及以下车辆排放的四项污染物占近 50%及以上；而占汽车总量 51.6%的国 III 车排放的四项污染物占 26%以上，其中 NOx 排放最高，占 42.3%。 图 1.3 不同排放标准车辆的排放分担率 在所有汽车中，汽油车的数量约占 86.2%，柴油汽车约占 12.6%，而燃气汽车约占 1.2%。 由于所用燃料及发动机结构差异， 其对污染物排放的贡献也不同。不同燃料类型汽车的污染物排放量分担率如图 1.4 所示。其中，全国柴油车 CO排放量为 406.0 万吨， HC 排放量为 90.2 万吨， NOx 排放量为 372.0 万吨， PM 排放量为 53.6 万吨，分别占汽车排放总量的 13.5%、25.2%、69.0%、99%以上。 国I前国I国II国III国IV国V及以上0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%COHCNOxPM排放分担率国I前国I国II国III国IV国V及以上 第 1 章 绪论 3 图 1.4 不同燃料类型汽车的污染物排放分担率 由于黄标车的排放贡献率相当大， 国务院政府报告中明确提出要将其进行淘汰。而占汽车保有量 51.6%的满足国 III 排放标准的车辆由于其目前的使用年限较短，强制淘汰成本极高，且影响范围较大。因此对国 III 车辆进行适当改造以降低其污染物排放相对而言成本可控，且见效较快，是一种综合效益较高的实施方案。同时由上述数据可知，柴油车在四项污染物中的具有较高的排放贡献率，尤其是 NOx 和 PM。因此，对国 III 标准的柴油车排放进行控制，有助于推进环保部“大气污染防治行动计划”的实施，具有一定的经济效益和社会效益。 1.2 柴油车污染控制技术 针对柴油机污染物排放的净化技术，概括起来主要分为以下三类：前处理技术、机内净化技术和后处理技术。 1.2.1 前处理及机内净化技术 前处理技术主要是对进入到发动机之前的燃料和空气进行前期预先处理， 主要指改善燃油品质。柴油成分中与颗粒排放有相关联系的主要有以下几个因素：柴油的密度、硫含量和十六烷值等1。邓元望等人2通过柴油改质的方法，建立柴油理化性质与发动机污染物排放量之间关系的模糊评估模型， 发现发动机使用硫和芳香族化合物含量低、密度较小、馏程较低、十六烷值较大的燃料时，可获得较好的排放性能。 柴油机的机内净化技术主要包括以下几个方面： 0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%COHCNOx排放分担率汽油汽车柴油汽车燃气汽车 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 4 （1）燃烧室结构优化。燃烧室作为由进气系统进入的空气和由燃油喷射系统喷入的燃油混合后进行燃烧的场所， 其几何形状和结构参数对柴油机的性能及排放具有重要影响。 （2）改善进气。通过合适的进气道类型及采用布局合理的多气门技术，可以有效增加进排气量，组织缸内气流运动，有利于缸内混合气的形成，从而改善燃烧和排放。 （3）燃油喷射系统优化。研究表明喷油压力对于柴油机性能有很大影响，提高喷油压力有助于提高混合气质量，从而降低颗粒排放。喷油规律是影响柴油机排放的重要因素。合理的喷油规律应为“初期缓慢，中期急速，后期快断”。采用预喷射和多次喷射有利于改善柴油机起动和怠速时的燃烧稳定性， 从而减少颗粒物、THC 和 NOx 的排放3。此外，喷油正时通过控制滞燃期可以间接影响到发动机的排放性能。 喷油过于提前， 会造成滞燃期增加， 从而使得 NOx 增加；而喷油过于滞后，则会使得燃烧过程推迟，燃烧不完善，PM 排放增加。使用先进的电控高压共轨系统可以有效地改善柴油机各项性能。 （4）增压技术。利用增压器将空气进行压缩再送入发动机气缸，使得每循环进入气缸的新鲜空气实际充气量增加，从而提高发动机功率，改善经济性和排放性能。增压器按能量来源不同主要分为两种：机械增压和废气涡轮增压。通过增压技术， 可以提高过量空气系数， 改善燃料的雾化和混合过程， 从而降低 CO、THC 和 PM 排放；同时，采用进气中冷技术来降低增压柴油机的进气温度，有利于控制 NOx 的生成。 （5）废气再循环（EGR）。废气再循环系统是将一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再次在气缸中燃烧。其对发动机性能的影响实质是对混合气成分及温度的影响。EGR 技术是控制 NOx 排放的重要手段，使用较大的EGR 率可以较为有效的降低柴油机 NOx 排放4。 柴油机排放的控制重点是 NOx 和颗粒物，但两者由于生成机理不同，在控制手段中存在一定矛盾之处。 降低颗粒物的排放需要改善柴油机混合气的形成和燃烧过程，但这往往会造成 NOx 的排放增加。因此如何在保持柴油机性能的情况下，同时减少两者排放，是当前面临的主要问题。 1.2.2 氧化催化转化器 为了满足越来越严格的排放法规要求， 仅靠改善燃油品质和机内净化技术已很难达到目的。因此后处理技术成为目前最被看好的污染物控制措施5-6。 氧化催化转化器（Diesel Organic Catalyst，DOC）是柴油车目前使用较广的后处理装置。DOC 的功能可以分成两类：一类的主要作用是对排气中的还原性 第 1 章 绪论 5 气体进行氧化，这既可以降低柴油机 HC 和 CO 排放，又可以提高排气温度为后面 DPF 的再生创造有利条件，甚至还可以氧化 LNT、HC-SCR 和 SCR 催化剂末端排出的有害气体，如 NH3等；另一类是把排气中的 NO 氧化成 NO2，提高尿素SCR 催化剂的低温活性和反应速率，促进 DPF 被动再生的效果。 DOC 主要由壳体、减震层、载体及催化剂涂层构成，其中催化剂是核心部分， 它决定着DOC的主要性能指标。 DOC内常用的催化剂活性组分包括铂 （Pt） 、钯（Pd）等贵金属，助催化剂为铈（Ce）、镧（La）等稀土元素以及铜（Cu）、铁（Fe）、铬（Cr）、锰（Mn）等过渡金属元素。铂（Pt）是催化剂的主要部分，对于 CO 和 HC 有着相当好的催化氧化作用，对 NO 也可以起到一定的氧化作用；钯（Pd）的催化活性略逊于铂，且易发生硫中毒，但其热稳定性好，在高温下也有着较好的催化活性；此外，在催化剂中加入钯（Pd），可以和铂（Pt）起到协同作用，提高催化剂的抗老化烧结能力，降低硫酸盐的生成7-8。Xavier Auvray 等人9的研究表明 HC 可以和硝酸盐在含 Pd 的催化剂表面在低温下发生反应，因此加入 Pd 有利于 HC 的氧化，从而减少 HC 对 NO 氧化的抑制作用。 国内外关于 DOC 的工作原理及实际应用进行了大量的研究，而 DOC 的性能也随着人们研究的深入而不断提高，主要体现在以下几方面：对排气污染物的转化效率升高、使用寿命延长、气体流动阻力减小等。使用的研究方法主要包括数值模拟仿真及试验。 （一）DOC 对气态物排放的影响 DOC 能有效降低 CO 及 HC 的排放，但对 NOx 排放的影响不大10。 Hom Sharma等人11建立了详细的Pt/Al2O3型DOC内五种气态排放物 （CO，NO， CH2O， NH3， HCN） 的反应动力学模型。 Khosravi12研究了在使用 Pt 和 Pt:Pd（4:1）两种催化剂配方下 DOC 内 CO、NO 和 C3H6氧化反应的的反应动力学模型， 结果表明加入 Pd 的催化剂具有更高的催化活性， 对 C3H6具有更高的转化效率。 何喜朝13等人在进行了大量的配方筛选和工艺试验的基础上， 研制出的柴油机氧化催化剂具有转化率高且低温活性较好的优点，其对于 CO 和 HC 的起燃温度低于 250，对其进行柴油机十三工况循环试验的结果表明该催化剂对于排气中 CO 和 HC 的减排效果均高于 80%，且具有良好的抗老化性能。 Karishma Irani 等人14研究了 DOC 中 HC 对于 NO 氧化反应的影响，结果表明：由于 NO2的氧化性更强，与 O2相比更易与 HC 发生反应，因此 DOC 中的HC 会抑制 NO 的氧化。Kevin Robinson 等人15研究了在冷启动和热启动时 DOC的温度变化，并测量试验时 DOC 前后气态物的排放浓度，结果表明 CO 的排放对于温度变化非常敏感，而 THC 的排放则相对稳定。 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 6 （二）DOC 对颗粒物排放的影响 DOC 可以通过对 SOF 进行氧化，从而间接减少颗粒物的排放，根据贵金属含量不同其颗粒物排放量可降低 3%25% 16。 Collura17的研究证实了 DOC 对可溶有机物 SOF 具有净化效果，并研究了其表面化学和结构特征。王军方等人18的研究表明，DOC 对于低转速下不同粒径范围的颗粒物有一定降低作用，而对高转速下粒径大于 120nm 的颗粒物降低不明显。Ruijun Zhu 等人19在燃用不同比例欧 V 柴油与 DEA（己二酸二乙酯）混合燃料的柴油机后连接 DOC，发现颗粒质量浓度和数量浓度都有所降低，且在中低负荷时随着 DEA 比例升高而降幅增大，但是颗粒物的几何平均粒径变大，说明 DOC 对细颗粒的过滤效果相对来说更加显著。 王小臣等20对一台柴油机安装DOC后所排放的颗粒物数量和无机盐组分进行了试验研究，结果表明：在 DOC 后尽管颗粒物数量有所降低， 但无机盐组分中多数的排放速率都在增加，随着负荷的升高其排放速率增大；尤其硫酸根离子在大多数工况下的排放速率和质量分数都有所增加，且随着转速的增加而增大。他还对柴油机安装 DOC 后排放颗粒物中的碳质组分的特征进行了研究，发现DOC 对 EC 的氧化转化效率较低21。 Topi Ronkko22对装有 DOC 的欧重型柴油车的颗粒物排放进行了研究， 结果表明低温和高湿度对 HC 成核有利，高温对硫化物成核有利，在低扭矩下 HC对核态颗粒的贡献最大，在高扭矩下则是硫化物对核态颗粒起主导作用。Scheer23的研究表明，未装备 DOC 的轻型柴油车燃用高硫含量柴油（350ppm）时排气颗粒物为聚集态单峰分布，装备 DOC 后则会出现由硫引起的核态峰值。 （三）结构因素对 DOC 工作特性的影响 DOC 载体的结构变化对其工作特性带来一定的影响，包括其内部的传热过程、气体流动特性、起燃特性等。 Cinzio Arroghetti 等人24建立了催化转化器的三维流体动力学模型，并结合化学反应计算，在此基础上讨论了正弦型、六边形、正方形等不同形状的孔道内部的传热传质特性。 帅石金等人25-28使用当量连续法建立了蜂窝载体的流体动力学模型， 在此基础上进行了稳态流的数值模拟，并对可能影响背压的结构参数进行了分析，结果表明载体直径、入口扩张角、扩张管形状对流场流速分布和阻力损失有着较为显著的影响。 Jeong 等人29建立了径向变孔密度的载体多维模型，研究了这种非均匀结构的参数对催化转化器起燃过程中流体动力和化学反应的影响， 结果表明这种结构 第 1 章 绪论 7 拥有较平衡的空间分布， 对催化剂涂层表面的利用率高， 可以有效减少压力损失，改善流动均匀性和起燃特性。More 等人30建立了单孔道二维和三维模型，就涂层的几何特征对 CO 在富氧条件下的起燃特性的影响进行了研究， 结果表明涂层的几何形状会对起燃特性曲线产生一定影响， 在空速较高和温度梯度较大的情况下该影响尤为明显，同时形状不均匀的涂层可以使得 CO 更快地被氧化。 （四）硫对 DOC 的影响 燃料中的硫含量对于 DOC 会产生一定影响31。燃料中所含的硫在燃烧后生成 SO2，部分被氧化为 SO3，SO3与水结合生成硫酸进而形成硫酸盐。催化剂也可以氧化SO2， 从而促进硫酸盐的生成。 由于SO2占据了催化剂活性的中心空位，且与 CO 竞争吸附氧原子，所以 DOC 对 CO 的转化率下降。同样的 SO2也会使DOC 对 HC 的转化率下降，但其影响程度受温度影响较大。Tanja Kolli 等人32对硫元素、钙元素和水对 Pt/Al2O3催化剂的影响进行了研究，将粉状 Pt/Al2O3催化剂在二氧化硫(S-)、二氧化硫-水(SW-)、钙-水(Ca-)、二氧化硫-钙-水(SCa-)和水(W-)中进行预处理，结果表明经过预处理的催化剂有效表面积会减少，催化剂表面可以检测出硫元素，但钙元素含量较少；经 S-和 SW-处理后的催化剂对于 CO和 C3H6的起燃温度会升高，而另外三种预处理后催化剂的起燃温度和原样本几乎一致，可能是由于硫酸盐的形成使得有效反应表面积减少。 贵金属的抗硫能力与贵金属的种类、贵金属负载量、催化剂的焙烧温度和时间以及助剂的使用都有关33。适当减少贵金属的负载量虽然会降低转化率但是也可以控制硫酸盐的生成。稀土元素的使用会提高贵金属的稳定性，一定程度上削弱其对 SO2的敏感程度34。 （五）氢气对 DOC 的影响 由于在低温环境下，尤其是 CO 和 HC 大量排放的冷起动期间，DOC 的性能表现不佳， 研究者们开始关注如何在较低的工作温度区间中提升 DOC 的性能。氢气对于 DOC 的影响逐渐进入人们的研究领域。 Katare 等人35的报告指出， 在催化器中加入逆向的氢气流有利于 CO、 HC 的氧化，同时也有利于 NO2的生成。一些研究者认为氢气的燃烧使得催化器温度上升，从而有利于 CO 的氧化36，然而 Salomons 等人37的研究显示，对于某种催化器，CO 的氧化在氢气氧化之前，因此并不能说明氢气的燃烧使得 DOC 对CO 的起燃温度降低。Rankovic 的研究38显示，氢气的存在可以促进一些含氢的氧化物（如 OH 原子团）的生成，从而使得 CO 的氧化速率增加。由上述可知，尽管很多文献中都提到了氢气的作用，然而它们并没有就这个问题达成一致：这 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 8 种现象究竟是源于氢气燃烧带来的温度上升， 还是源于氢气本身对于反应动力学的影响。 Herreros 等人39在这方面进行了试验研究。结果表明，在对于 Pt 基催化器和 Pt-Pd 基催化器，加入少量氢气均有利于 CO、HC 和 NO 的氧化，同时可以降低催化器的起燃温度；加入氢气后对 CO、HC 氧化能力的提升，主要是基于控制 CO 的解吸附速率和氧化、含氢氧化物的生成以及热力学影响的共同作用；而氢气对低温下 DOC 中 NO2生成的促进作用，是由于其反应放热，同时氢气可以增加 CO 和 HC 的氧化速率，使得 NO 更多地与活性成分接触，同时也降低了NO2被 HC 的还原速率。 通过上述研究可以看出，对于气态物，DOC 对 HC 及 CO 有较好的转化效率，对于 NOx 总量的影响不明显，但提高了 NO2/NOx 的比例；对于颗粒物，由于柴油机排放的颗粒物中核态颗粒以 SOF 及硫酸盐为主要成分，因此其对核态颗粒表现出较好的捕集效率。燃料中的硫会造成催化剂中毒，加入稀土元素助剂可以增加催化剂的抗硫性。此外，在 DOC 中加入少量氢气可以促进气态物的氧化反应，从而改善 DOC 在低温下的工作性能。 1.2.3 颗粒捕集器 颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）被公认为是净化排气中颗粒物的有效途径，目前已在国外广泛用于欧及以上排放水平柴油车的尾气净化。现代柴油机所装备的 DPF 载体通常是采用壁流式结构的蜂窝陶瓷，载体的内部有许多平行的通道，相邻的两个通道其中一个只有进口开放，另一个只有出口开放，排气从进口开放的通道流入，穿过载体的壁面至相邻的通道排出，在此过程中，颗粒物被滞留在通道内，对排气起到净化作用。 采用细孔或纤维结构的 DPF 对微粒进行捕集时，过滤机理主要三种：惯性碰撞、拦截和扩散。在实际的微粒捕集过程中，上述三种过滤机理并不完全独立作用。 对不同尺寸的颗粒物究竟以何种方式被捕集， 需要依据具体的过滤条件 （如过滤速度、过滤温度、过滤介质孔径等）来判断。而对于某个被捕集的颗粒，也可能同时满足多种过滤机理的条件。对于 DPF 过滤体材料的要求是：高捕集效率、低排气阻力、高机械强度和抗振动性能、良好的耐热冲击性和耐腐蚀性40。目前堇青石蜂窝陶瓷和 SiC 是最为常用的载体材料41-42。 随着颗粒物在捕集器内部沉积的逐渐增加，过滤体的压降逐渐增大，导致排气阻力增大，柴油机工作恶化，动力性、经济性降低。因此，当过滤体压降达到一定程度后，需要对过滤体进行再生，降低其压降，使其继续捕集工作。再生可分为主动再生与被动再生。主动再生是通过外加能量升高排气温度，使被捕集的 第 1 章 绪论 9 微粒燃烧，从而达到再生的目的。根据外加能量的方式，主动再生包括喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生、红外加热再生和反吹再生等。被动再生是利用柴油机排气自身的能量使微粒燃烧，从而达到再生的目的：一种是通过改变柴油机的运行工况，提高排气温度，从而达到微粒的起燃温度使微粒燃烧，如大负荷再生及排气节流再生；另一种是通过催化剂降低微粒氧化反应的反应活化能，使得微粒在正常的排气温度下即可被氧化。 国内外对 DPF 的研究主要集中于对其内部流场和压降特性、微粒捕集与碳烟分布、再生性能以及实际应用等方面。 （一）DPF 内流场及微粒捕集特性 Konstandopoulos A.G43-46在 2000-2005 年之间提出了多个关于 DPF 微粒捕集、催化被动再生、老化、材料微观特性等方面的数值模型及分析方法，这些模型在预测颗粒物捕集过程中 DPF 的压降特征改变、再生过程中 DPF 内部温度场的改变以及碳烟层的通透性变化等方面具有较好的效果。 Yong Yi47使用 Fluent 建立了 DPF 的三维宏观数值模型，结合碳烟沉积的分布和多孔介质模型的渗透率对 DPF 的压降进行了计算。William Wangard48建立了 DPF 的单孔道三维模型， 预测孔道内空间和孔道壁上碳烟加载、 温度变化、碳烟组分等的分布情况。Bensaid49通过数值模拟对碳烟沉积以及两种再生控制策略下碳烟的点燃进行了研究分析，并与试验数据进行了对比。 姚春德50对 DPF 内的气体流动和阻力进行了模拟计算，研究了流量和扩张角对 DPF 流阻特性和压力分布的影响。龚金科51-52将壁流式颗粒捕集器的过滤壁面假设为球状单元的集合，并在此基础上对结构参数、排气参数对 DPF 流阻特性的影响进行了分析， 后又采用新的再生机理建立了 CDPF 深床捕集微粒的氧化再生过程模型， 并对压降进行了计算和数值研究。 谭丕强等人53-55建立了 DPF过滤的数值模型， 并对过滤体结构参数对不同粒径段颗粒物的捕集作用影响进行了研究；后利用 GT-Power 建立了 DPF 的仿真模型，研究了 DPF 结构参数对颗粒物捕集效率和压降特性的影响，以及排气流量、颗粒物负载量对 DPF 再生平衡点温度的影响。曹希存56对柴油机微粒捕集器内气粒两相流动特性进行了研究，通过建立 DPF 的数学模型和结构模型，求解得到了排气流速和颗粒物浓度在 DPF 内的分布。 Preechar Karin 等人57通过微观可视化的方法对碳化硅壁流式 DPF 孔道中碳烟捕集特点进行了研究， 结果表明孔道表面的微孔对颗粒物捕集有着非常重要的影响；再生过程中，滤饼层再生完成后微孔内的颗粒物才能被氧化。Bensaid 等人58在试验中对比了两种通道内不同的碳烟沉积特性及其演变过程，并通过前后粒径分布的差异对 DPF 颗粒捕集效果进行了比较。Piscaglia 等人59以一台柴 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 10 油机的尾气排放为边界条件，建立了 DPF 孔道内的多孔介质模型，对介质表面的碳烟沉积和分布特性进行了计算分析。 （二）DPF 的再生特性 DPF 再生过程中的化学反应过程和温度场分布也是研究者的关注重点。Rasmus Cordtz 等60利用 BOOST 软件建立了 DPF 再生的一维模型，并与试验结合，研究温度对碳烟燃烧速率的影响。Schejbal61建立了 DPF 碳烟累积和再生的二维模型，研究了 O2和 NO2对碳烟再生的影响，并利用模型对过滤体捕集效率和碳烟分布进行了预测。 Yamamoto62等人建立了 NOx-Soot 两步反应的模型， 通过模拟 DPF 内流场研究了再生过程。 张文斐63等人建立了 DPF 的碳烟收集和再生化学反应模型，结果表明瞬态工况下碳烟前期的再生反应速率受DPF入口温度变化快慢的影响； 二次再生时，不同碳烟层的反应速率不同，滤饼层的碳烟量在反应初期下降迅速，而深层的碳烟量下降缓慢，再生结束后滤饼层积累较快，深层基本不变。 （三）DPF 的应用效果 Maik Bergmann 等人64通过试验研究表明，在 NEDC 循环下 DPF 对包括超细颗粒在内的各粒径颗粒均具有极高的捕集效率， 对颗粒数量浓度和颗粒物质量浓度的捕集率分别为 99.5%和 99.3%。Hiromu Sakuraia 等65对重型车 DPF 下游的核态颗粒物的成分分析表明， 其中 95%组成成分为可溶性有机物， 而硫化物只占 5%以下，进一步分析发现，排放颗粒中有机物大部分来源于润滑油。Canagaratna 等66对柴油公交车的试验表明，没有被 DPF 净化的颗粒物多来源于润滑油。 通过上述研究可知，对于 DPF 的模拟计算主要是在物理化学机理的基础上进行模型的建立和改良，从多个角度对 DPF 的工作特性进行分析。而试验研究的结果证明，DPF 对于颗粒物具有非常好的捕集效果，没有被 DPF 捕集的颗粒大多来自润滑油，DPF 后核态颗粒中主要成分为 SOF 以及硫酸盐。 1.2.4 催化型连续再生颗粒捕集系统 为了解决 DPF 再生的问题，美国 Johnson Matthey 开发了一种连续再生的颗粒捕集系统 CRT（Continuous Regeneration Trap）。CRT 是 DOC 和 DPF 的耦合装置。发动机的排气经过 DOC 时，CO 和 HC 被氧化为 CO2和 H2O，NO 被氧化为 NO2，从而提高了废气中的 NO2/NOx。由于 NO2氧化性比 O2高，能在更低的温度下对 PM 进行氧化。但该装置对再生条件的要求较高，发动机排放的尾气中 第 1 章 绪论 11 NOx/PM 大于 25，且温度超过 260。因此 CRT 需要与主动再生技术配合，最常见的方法就是在 DOC 上游喷入燃油燃烧以提高排气温度。但这种方法会增加燃油的消耗，产生的高温也会增加载体的热负荷。 催 化 型 连 续 再 生 颗 粒 捕 集 系 统 （ Catalyzed Continuous Regeneration Technology，CCRT）是在 CRT 的基础上开发的。在该系统中，后端的 DPF 载体上也涂覆有催化剂（成为 CDPF），使得 NO2氧化 PM 生成的 NO 会被再次氧化成 NO2， 从而提高了 NOx 的利用率。 该系统在 NOx/PM 大于 15， 温度 200300的情况下即可实现有效的再生，且在相同 NOx/PM 下，CCRT 再生速率更快。 国内外学者对于 CRT、CDPF 和 CCRT 系统也进行了一定的研究。 张德满67等人对 DOC 辅助 DPF 主动再生进行了仿真和试验分析，给出了需要再生时的排气背压范围及再生过程判断，提出了怠速再生这一特例，并研究了由于喷油造成的二次污染问题。李顶根68等人在 AMESim 中搭建了 DOC 和DPF 的尾气后处理系统， 并与 Matlab/Simulink 耦合， 建立了联合仿真平台,对 DPF和 DOC 的特性进行了仿真测试；根据 DPF 的再生特性，制订了 DOC 辅助 DPF再生的燃油喷射控制策略，并对燃油喷射规律进行了优化。 刘恒语69等研究了壁流式微粒捕集器的连续再生特性，建立了 DOC 催化反应的化学动力学模型和 DPF 中 NO2辅助再生的数学计算模型，并基于模型利用数值模拟与仿真方法探究了排气参数以及 DOC 结构参数、DPF 的过滤体结构参数分别对 DOC、DPF 工作性能的影响，对连续再生“平衡点”进行了分析。 尹超70对安装了 CRT 和 DOC+POC 的发动机在 ESC 试验下常规污染物和非常规污染物的排放水平进行了研究，结果表明 CRT 对常规污染物的减排效果优于 DOC+POC， 但会导致 NO2的排放升高； 两种后处理装置均能使 SO2的排放得到有效控制。 Chao He 等人71研究了 CDPF 后高 NO2/NOx 的影响因子，结果表明，安装DOC 或 CDPF 后，排气中 NO2/NOX比例受到多种因素的影响，其中影响最大的是排气温度，当排气温度达到 350左右时，NO2/NOx 比例达到峰值，之后随着温度的上升该比例反而下降；在一定的排气温度下，排气中的 O2含量、PM/NOx比例以及后处理装置的几何尺寸也会对 NO2/NOx 比例造成影响； 此外， CO 的氧化率也是造成这一比例变化的因素之一。 Thomas D. Durbin72的研究表明，CDPF 可减少柴油机颗粒物排放质量89%98%，减少 HC 排放质量 72%80%，对有机成分中的烯烃和炔烃具有显著净化作用， 对于烷烃、 醛类和芳烃也具有净化作用， 比燃用低硫柴油时的 DPF 的减排效果更突出。 Thalagavara 等73的研究表明， CDPF 可过滤净化排气中的固态颗粒物，对排气中的有机成分具有净化作用，使半挥发性有机物颗粒、气相或颗 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 12 粒态的 PAH 质量减少，但引起了核态颗粒数量的增多。Zhihua Liu 等74对两个不同载体结构参数的 CRDPF 对发动机常规气态物排放特性，粒径分布及颗粒质量的影响进行了研究，结果表明 CRDPF 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、不同粒径段颗粒数量浓度有显著的降低效果。但是对颗粒质量浓度的减排效果相对较低。 楼狄明等人34,75-78借助台架试验研究了 CDPF 对于柴油机排放特性的影响，并对安装 DOC+CDPF 后公交车在实际道路试验中颗粒物的排放特性进行了研究，结果表明安装 DOC+CDPF 后可有效降低公交车的颗粒物排放，且对于颗粒物粒径分布有一定影响，安装后处理装置前颗粒粒径呈单峰或双峰分布，而安装后呈三峰分布。 D.B.Kittelson 等79在实验室采用低硫燃油模拟了实际道路中运用 CRT和 CCRT 两种后处理方案对柴油机排放的影响。结果证明，采用低硫燃油的CRT/CCRT 系统均能有效的降低柴油机颗粒排放， 尤其是聚集态颗粒。 采用 CRT系统后，柴油机核态颗粒增多，其成分多为硫酸盐，同时排气温度升高。CCRT系统的载体能够储存硫酸盐，使核态的颗粒数减少。由于使用低硫燃油，这一存储过程将会延长。 从以上研究可以发现， 催化型连续再生颗粒物捕集装置对发动机尾气中 HC、CO 以及颗粒都有显著的祛除效果。对于颗粒来说其不仅对于固态颗粒捕集效果好，对半挥发性有机颗粒也有很好的净化效果。 1.3 柴油车有机物排放 1.3.1 挥发性有机物 挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是大气中普遍存在的一类化合物，其定义有好几种：美国环保局（USEPA）将其定义为“除 CO、CO2、H2CO3、金属碳化物、金属碳酸盐和碳酸铵外，任何参加大气光化学反应的碳化合物” ； 世界卫生组织将总挥发性有机物的定义为 “熔点低于室温且沸点在 50260之间的有机化合物的总称” ； 我国国标中对总挥发性有机化合物的定义为“在气象色谱分析中从正己烷（bp.69）峰到正十六烷（bp.287）峰之间的所有化合物”80。Atkinson81将对流层大气中的 VOCs 分为以下六类：烷烃和卤代烷烃、烯烃和卤代烯烃、芳香烃、含氧有机化合物、含氮有机化合物以及含硫有机化合物。 大气中 VOCs 含量虽不多，却对大气的氧化性、辐射平衡以及气溶胶形成具有非常重要的影响。VOCs 是臭氧和二次气溶胶的重要前体物，对光化学烟雾的 第 1 章 绪论 13 形成有极大的推动作用82-83。此外，VOCs 对人体健康也有不利影响。若人体长期在无任何安全保护措施的条件下接触或吸入 VOCs，呼吸系统、神经系统、循环系统及消化系统均可能产生病变80。 国内外对 VOCs 的研究主要包括 VOCs 的时空分布、来源分析、组分排放特征以及反应活性等几个方面。 蔡长杰84和罗达通85等人分别对上海市中心城区夏季和秋季挥发性有机物特征及来源进行了分析。结果表明，上海市夏季 VOCs 主要来源于机动车尾气排放、燃料挥发、溶剂使用、工业生产，其中，芳香烃主要来自溶剂、尾气排放、工业生产和燃料挥发，烯烃主要来自尾气排放和燃料挥发。上海市秋季非甲烷碳氢化合物占总 VOCs 排放量的 67.4%，烷烃、卤代烃、芳香烃是最主要的 VOCs成分，与其他城市相比上海市机动车尾气对大气中 VOCs 的影响更为明显。 Wang 等人86对南京市内道路附近的的大气 VOCs 进行了测量，得到了 11种化合物的浓度值及其空间分布， 结果显示车流量最大的路旁大气中 VOCs 浓度最高，且 1.5m35m 垂直范围内 VOCs 浓度随着高度的降低而升高。 Schauer 等人87-88在底盘测功机上对柴油卡车和汽油车尾气进行采集，结果表明 C1C13碳氢化合物占中型柴油卡车气相有机物质量分数的 60%；丙酮、乙烯、乙炔、甲苯、丙烷等组分排放因子较高。 Schmitz 等人89在底盘测功机上对柴油车、安装三元催化器的汽油车及未安装三元催化器的汽油车进行了试验， 结果表明冷起动对柴油车和未安装三元催化器的汽油车尾气中 VOCs 组分影响不大； 安装三元催化器的汽油车在冷起动时主要 VOCs 组分为芳香烃和烯烃，在热启动时主要为烷烃；尾气中 VOC 的臭氧生成潜势与车辆的平均速度有相关性。 叶宇等人90根据车载采样系统对北京和厦门市共 30 辆汽车实际道路行驶过程中排放的 VOCs 进行了定性与定量分析， 结果表明车辆 VOCs 排放以羰基化合物为主， 甲醛、 乙醛、 苯、 乙苯、 甲苯、 间/对二甲苯都是柴油车排放的主要 VOCs成分；重型柴油车的 VOCs 排放远高于中型和轻型柴油车；非高速工况下的排放远高于高速路工况下的排放；羰基化合物对 VOCs 大气化学活性贡献最大，对OFP 平均相对贡献达 73.05%。 乔月珍等人80,91对汽油车、柴油车、摩托车和 LPG 助动车的 VOCs 排放进行采样，并用气相色谱-质谱分析了各类机动车尾气 VOCs 浓度及组分。结果表明， 轻型汽车的 VOCs 排放以甲苯、 二甲苯等芳香烃类为主； 重型柴油车以丙烷、十二烷及十一烷等烷烃为主；摩托车和 LPG 助动车以乙炔为主。 1.3.2 多环芳烃 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 14 多环芳烃 PAHs 是由两个或两个以上的苯环以稠环形态相连接的有机化合物， 主要来自有机物的不完全燃烧。 它们广泛存在于人类的生活环境中， 如大气、水体、土壤、作物和食品等。 PAHs 是最早被认识、且至今为止所知种类最多的化学致癌物。由于其具有极强的生物毒性，美国环保署（USEPA）将 16 种 PAHs列入优先污染物名单，其中又以苯并a蒽（Benzaanthrancene）、苯并a芘（Benzoapyrene）、（Chryene）、苯并b荧蒽（Benzo(b)fluoranthene）、苯并k荧蒽（Benzokfluoranthene）、茚并1,2,3-cd芘（Indeno1,2,3 -cdpyrene）、二苯并a,h蒽（Dibenzoa,hanthracene）及苯并ghi 苝（Beznoghiperylene）等8 种 PAHs 的致癌性更强。我国的“中国环境优先监测黑名单”也含有其中的 7种 PAHs。 大气中的 PAHs 主要分布于气相与固相两种形态中。环数低的 PAHs 在气相中的相对含量高于在颗粒中吸附的含量， 三至四环的 PAHs 则在气相和固相均有分布，而环数高的 PAHs 则主要吸附于颗粒物上92。对于环境中 PAHs 的研究多集中于对某地区大气、土壤或水源中 PAHs 特征及来源分析。对于柴油车 PAHs的研究主要为不同发动机工况、燃油类别和燃油品质、后处理装置等对整车或发动机 PAHs 排放的影响。 张华伟等人93对柴油和正庚烷燃烧过程中 PAHs 的演变过程进行了研究， 发现总 PAHs 在燃烧过程中呈现先降低再上升然后再降低的趋势，二、三环 PAHs是总多环芳烃的主要组成部分；加入 EGR 后 PAHs 的生成量会降低，尤其低环数的 PAHs 对 EGR 率更为敏感。宋景景等人94构筑了包含 PAHs 生成过程的正庚烷燃烧动力学模型。 庞斌95构建了柴油多组分表征燃料在燃烧过程中 PAHs 生成的骨架模型， 并在此基础上建立了更具普适性的以 PAHs 为碳烟前驱组分的碳烟半经验模型。 胡俊超96根据不同车型的排放因子对上海市各类汽车的 PAHs 排放进行了估算，并对大气中多环芳烃的暴露浓度进行了分析。 陆凯波等人97分析了轻型国 IV 柴油机在欧洲稳态循环（ESC）和欧洲瞬态循环（ETC）台架测试中的多环芳烃组分，结果表明总量中三环 PAHs 占比重最大，PAHs 的分布和其物理化学特性以及柴油中的 PAHs 含量有关。高俊华等98对满足国三、国四排放标准的重型柴油机同样在 ESC 和 ETC 工况下的颗粒物进行 PHAs 分析，结果表明国四柴油机 PAHs 排放低于国三柴油机，不同技术路线相同排放水平的柴油机在相同工况下 PAHs 排放无明显差异，ETC 循环下的PHAs 排放总浓度是 ESC 的 23 倍。 楼狄明等人99研究了高压共轨柴油机燃用生物柴油混合燃料和使用不同后处理装置对 PAHs 排放特性和毒性的影响。结果表明，使用生物柴油混合燃料后 第 1 章 绪论 15 PAHs 排放量增加且颗粒物毒性增强，三种后处理装置均能使 PAHs 的排放和毒性降低，DPF 和 CDPF 可使颗粒物毒性降低 60%以上。 Moacir Tavares Jr 等100研究巴西某公交车柴油机尾气中多环芳烃，检测 10类多环芳烃（蒽，萘，二氢苊，苯并a葸芴，菲，芘，苊和荧葸），平均浓度范围为 1.40.3ng/m3。Sandro Brandenberger72等试验表明尾气有机物排放量中机油贡献率偏高，而且机油是多环芳烃 PAHs 的主要来源之一。 朱利中等人101对不同型号、油品、里程数的汽车排放尾气中的 14 种 PAHs进行了检测，将分析结果归一化后的到了其成分谱图。结果表明，除苯并a蒽和萘，柴油车主要排放苊、芴、苯并ghi苝和茚并芘，而汽油车主要排放苯并ghi苝、茚并芘、苯并k荧蒽；柴油车三环 PAHs 的排放量高于汽油车，而 56 环PAHs 的排放量低于汽油车； 当车辆的里程数逐渐增涨时， 多环芳烃(尤其是荧蒽、芘、苯并a芘、苯并ghi苝)的排放总量也随之增加。 胡伟等102对轻型汽车在底盘测功机上排放的颗粒态和气态 PAHs 进行了检测分析，结果表明尾气中苯并a芘(BaP)以外的多环芳烃其毒性约相当于1.037.41 倍 BaP 浓度；尾气中多环芳烃的总量和 BaP 含量间存在一定的线性关系。 综上所述，国内外目前对于柴油车 PAHs 的研究较多，主要基于数值模拟、发动机台架试验和实车排放采样，对 PAHs 的形成机理、组分排放、毒性特征等进行研究，其中对于重型柴油车基于底盘测功机的研究较少。 1.4 本文主要研究内容 本文以一辆满足国 III 标准的柴油公交车为试验车辆，采用底盘测功机试验与理论分析相结合的方法，对其安装不同后处理装置前后常规气态物、颗粒物、有机组分的排放特性进行研究，分析后处理装置对车辆污染物排放特性的影响。本文主要内容如下： （1）不同后处理装置对柴油公交车气态污染物排放的影响，主要包括：安装后处理装置前后，车辆常规气态污染物（CO、THC、NOx）基于整个 CCBC 循环及循环不同片段的排放因子对比； 不同工况下后处理装置对不同气态物的作用对比；原车及安装后处理装置后车辆 VOCs 排放特性变化。 （2）不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响，主要包括：安装不同后处理装置前后，车辆颗粒物数量、质量基于整个循环及不同片段下的排放因子对比；不同工况下后处理装置对颗粒物的作用效果对比；后处理装置对颗粒物粒径分布特性的影响；后处理装置对颗粒相 PAHs 各组分排放量及毒性的影响。 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 16 （3）排气参数与后处理装置的关联性分析，主要包括：DOC 前后温度变化特性；DOC 和 CDPF 压降特性；工况、排气参数和排气组分对不同后处理装置作用效果的影响，以及基于灰色理论的多种因素关联性分析。 第 2 章 柴油公交车排放试验方案设计 17 第第 2 章 柴油公交车排放试验方案设计章 柴油公交车排放试验方案设计 本文主要研究安装不同后处理装置后对柴油公交车气态污染物、 颗粒物排放的影响，分析后处理装置在不同工况下的作用效果及对车辆排放的影响规律。基于此研究目的，对一辆满足国 III 排放标准的柴油公交车开展底盘测功机试验，分别对其原车、安装 DOC 后及安装 DOC+CDPF 后的污染物排放进行检测和分析。本章将对研究所用的试验方法及相关测试系统进行介绍。 试验所用底盘测功机排放测试系统如图 2.1 所示。该试验系统主要由三部分组成，分别为底盘测功机系统、后处理装置以及污染物排放检测系统。试验过程中车辆的行驶工况由底盘测功机系统控制并读取， 排放的尾气经过后处理装置后，部分排气经过稀释后进入相关在线检测系统进行实时的污染物瞬态检测分析， 部分进入离线检测系统被收集作为采集的样本以备后续进行离线组分分析。 图 2.1 底盘测功机排放测试系统 2.1 试验车辆 试验车辆为一辆满足国 III 排放标准的柴油公交车，如图 2.2所示。表 2.1 中列出了车辆详细的参数信息。该车于 2009 年 9 月制造；试验时，车辆已行驶248893.1km，各方面性能正常。 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 18 图 2.2 试验公交车 表 2.1 试验公交车参数 车 型 申沃 SWB6100V5 柴油城市公交车 变速器 自动 发动机 道依茨 D7E240 排量(L) 7.1 功率(kW/r/min) 177/2300 转矩(N.m/r/min) 920/12001700 排气管形式 单排气管、单消音器 排放标准 国 试验燃油为 0#纯柴油，满足国家标准 GB 19147-2013车用柴油（V）的技术要求，其详细理化指标如表 2.2 所示。 表 2.2 试验用柴油理化指标 序号 项目 检验结果 检测方法 1 密度(20C) (kg/m3) 813.6 GB/T 1884-2000 2 运动粘度(20C) (mm/s) 3.591 GB/T 265-1988 3 凝点 () -22 GB/T 510-1983 4 闪点（闭口）() 62.5 GB/T 261-2008 5 十六烷值 50.8 GB/T 386-2010 6 50%回收温度 (C) 249.0 GB/T6536-2010 7 90%回收温度 (C) 327.6 8 95%回收温度 (C) 350.2 9 酸度 (mgKOH/100ml) 2.0 GB/T 258-1977 10 硫含量 (mg/kg) 1.4 SH/T 0689-2000 11 多环芳烃含量（质量分数） (%) 0.2 SH/T 0686-2008 第 2 章 柴油公交车排放试验方案设计 19 试验前，将车辆安置在底盘测功机上，前后均使用铁链固定。试验时，车辆的前轮不动，后驱动轮与滚筒保持垂直状态，同时车辆前端放置大型风机以保证对实际道路状态的模拟和确保发动机温度在正常范围。 2.2 试验用后处理装置 试验使用两套后处理装置，分别为一套氧化催化转化器（DOC）及一套催化型连续再生颗粒物捕集装置（DOC+CDPF）。DOC+CDPF 由一件氧化催化转化器（DOC）与一件催化型颗粒捕集器（CDPF）封装在一起组成。所用后处理装置的具体技术参数如表 2.3 所示。 由于两套后处理装置中， DOC 的参数均相同，因此仅列出一次。 表 2.3 试验用后处理装置参数 参数 DOC CDPF 载体孔密度/cpsi 400 200 载体过滤层壁厚/mm 0.06 0.35 载体孔隙率/% 55 载体平均孔径/mm 1.21 1.45 载体主要材料 FeCrAl 堇青石 贵金属种类 Pt/Pd/RhPt/Pd/Rh 贵金属负载量 55g/ft3, 10:1:0 25g/ft3, 10:2:1 涂层 -Al2O3 Al2O3+TiO2在进行安装有后处理装置的车辆排放试验时，将原车的消声器拆除，所用后处理装置安装在原消声器的位置。 2.3 底盘测功机系统 与其他测试方法相比， 使用底盘测功机对车辆的油耗和排放进行试验有许多优点。相对于发动机台架，底盘测功机测试将整车状态和实际道路行驶条件纳入影响因素的范围，可以较好地反应车辆实际排放特征，并为混合动力等新能源汽车的排放和油耗测试提供了新方法。相对于实车道路测试，底盘测功机尽管成本较高， 但却能提供更为可控的环境和试验条件， 排除了实际道路交通因素的影响，也为测试仪器提供了良好的使用条件，从而提高了试验测量的精确性、重复性及数据的一致性，有利于法规的认证对比103。由于底盘测功机在各方面具有综合 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 20 的优势，国内外研究机构越来越多的将其作为研究整车排放的重要手段，各国推荐性法规中也相继提出建议在底盘测功机上进行相关车辆的测试。 本试验中使用的底盘测功机为MAHA-AIP公司生产的ECDM 72H-2MOT型重型排放底盘测功机，由道路模拟系统、信号采集与控制系统、安全保障系统及引导系统等构成，相关技术参数如表 2.4 所示。该底盘测功机根据美国 EPA RFP C10081 T1 规范设计，用于研发中心或认证实验室等的排放、燃油消耗和 COP（制热能效比）测试。 表 2.4 重型底盘测功机技术参数 参数 参数值 滚筒直径（mm） 1829 最大车速（km/h） 120 最大功率（kW） 780 最大牵引力（N） 52000 可模拟车的质量范围（kg） 350050000 最大轴重（kg） 20000 环境温度（C） 045 底盘测功机的道路模拟系统由滚筒装置、 功率吸收装置和惯性模拟装置组成。试验时，以滚筒转动代替路面的移动，通过加载装置模拟汽车在行驶过程中遇到的各种阻力，使用惯性飞轮组的转动惯量来模拟汽车旋转和平移质量的惯量。信号采集与控制系统通过各项传感器采集试验车辆的运行信息， 并在控制台电脑上显示。安全保障系统包括左右挡轮、系留装置、车偃、冷却风机等，防止试验车辆在测试过程中车轮及车体的不利位移以及发动机和车轮过热等问题。 2.4 测试循环 国内外推荐性法规标准及各研究机构研究方法中提供了多种试验循环，如SAE J2711 中的 Manhattan 循环、UDDS 和 Orange 测试循环，日本的 JE05 测试循环， 世界统一的重型车瞬态循环 WTVC， 以及其他各种针对不同城市及车型的特点而特别制定的循环等。 我国于 2005 年制定了 GB/T 19754-2005 重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法 ， 其中规定了总质量超过 3.5t 的重型混合动力汽车在底盘测功机或道路上进行能量消耗量测量的试验方法， 推荐城市客车使用2 次重复的中国典型城市公交循环（CCBC）。CCBC 循环的详细行驶信息如图2.3 所示。 第 2 章 柴油公交车排放试验方案设计 21 图 2.3 中国典型城市公交循环（CCBC） 中国典型城市公交循环（CCBC）由 14 个短行程组成，总运行时间 1314s，平均车速为 16.16km/h，最高车速为 60km/h，行驶里程共 5.89km。其中，怠速、加速、减速、匀速行驶的时间比例分别为 28.08%，33.87%,，24.81%及 13.24%。CCBC 循环的速度及加速度工况点分布如图 2.4 所示。 图 2.4 CCBC 循环工况点分布 2015 年 5 月我国又发布了新的 GB/T 19754-2015重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法，用来代替 GB/T 19754-2005。新的推荐标准中要求，对于城市客车，可以采用上文中所述的中国典型城市公交循环，或在满载状态下采用GB/T 27840-2011 重型商用车辆燃料消耗量测量方法 中规定的C-WTVC循环，同时也可参考 QC/T 759-2006 汽车试验用城市运转循环中城市客车用循环（快速道路）。 01020304050607001002003004005006007008009001000 1100 1200 1300 1400时间(s)速度 (km/h)1.51.00.50.00.51.01.5010203040506070加速度 (m/s2)车速 (km/h) 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 22 C-WTVC 循环是在世界统一的重型商用车辆瞬态循环（World Transient Vehicle Cycle， WTVC） 的基础上根据中国实际的行驶状况通过调整加速度而来，如图 2.5 所示。C-WTVC 循环主要分为市区、公路和高速工况三部分，总运行时间为 1800s，平均车速 41.0km/h，行驶里程共 20.51km。 图 2.5 中国重型商用车瞬态循环（C-WTVC） 城市客车用循环（快速道路）是根据采集三个北京、上海、广州三个典型城市的实际道路行驶状况， 根据其城市客车在快速道路上行驶特点制定的试验循环。该循环共包括 12 个短行程，总运行时间 1791s，平均速度为 24.57km/h，行驶里程共 12.22km。 CCBC、C-WTVC 及城市客车（快速道路）循环的特征参数对比如表 2.5 所示。为了更好地说明循环特征，将 C-WTVC 市区工况片段单独列出。由表 2.5 可知，三种循环中，CCBC 循环的运行时间最短，怠速比例最高，最高车速和平均速度最低；同时由上文可知，CCBC 所含短行程的数量最多。因此，与其他两种测试循环相比，CCBC 更符合城市公交车加减速及起步频繁、平均车速低、匀速比例低的特征。 表 2.5 CCBC、C-WTVC 及城市客车（快速道路）循环的特征参数 循环 运行时间(s) 怠速时间(s) 运行距离(km)最高速度(km/h) 平均速度(km/h) 最大加速度(m/s2) 最大减速度(m/s2) CCBC 1314 381 5.90 60 16.156 1.153 -1.042 C-WTVC（市区） 900 150 5.73 66.2 22.895 0.917 -1.033 C-WTVC 1800 186 20.51 87.8 40.997 0.917 -1.033 快速道路 1791 425 12.22 74.52 24.57 0.83 -1.28 0102030405060708090020040060080010001200140016001800速度 (km/h)时间 (s) 第 2 章 柴油公交车排放试验方案设计 23 杜爱民等人104在大量的试验和数据分析的基础上，根据上海市公交车实际道路行驶数据，通过短行程划分、主成因分析和聚类分析，构建了上海市公交车的综合行驶工况循环。该循环由 13 个短行程组成，总运行时间 1302s，平均车速15.68km/h，最高车速 69.41km/h，总行驶里程为 5.67km；其怠速、加速、减速、匀速行驶的时间比例分别为 27.90%，28.40%,，23.30%及 20.30%。该综合工况循环特征与 CCBC 循环十分相近，说明 CCBC 循环可以较好地反应上海市公交车实际运行情况。因此，本次试验选择 CCBC 循环作为试验循环。 试验时，驾驶员按照提示面板上显示的试验循环控制车辆行驶速度，最大的偏离误差范围为3km/h；当工况改变时，允许车速的偏差大于规定值，但其超过速度偏差范围的时间不大于 1s。 试验分为三轮进行，分别对应原车、安装 DOC 后及安装 DOC+CDPF 后车辆的排放测试。为了尽可能消除驾驶员操作的随机误差带来的影响，保证试验的可重复性和数据的有效性， 每轮试验均由 5 次重复的中国典型城市公交车循环构成。 2.5 车辆排放测试系统 试验使用的车辆尾气排放测试仪器可分为两种：一种为在线排放检测仪器，可以对尾气排放中的污染物实现实时的测量；另一种为离线排放检测仪器，对污染物进行在线采集后，所得样品经过一定处理通过离线方式进行组分分析。下面分别对使用的两类测试仪器进行介绍。 2.5.1 在线排放检测系统 （一）气态物在线检测系统 本次试验使用美国SENSORS公司的SEMTECH ECOSTAR车载尾气分析系统进行常规气态物排放的实时在线检测分析，其检测单元与软件操作页面如图2.6 所示。该系统符合 USEPA CFR40 part 1065、UN-ECE R49 和 EU 582/2011 对实验室排放测试设备和车载排放测试设备的测量要求， 可以作为一套可靠的便携式排放分析仪（PEMS）对各种车辆进行燃油经济性评估和尾气排放测试。 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 24 (a) 监测模块 (b) 软件界面 图 2.6 SEMTECH ECOSTAR 车载尾气分析系统 SEMTECH ECOSTAR 车载尾气分析系统由一系列具有独立功能、即插即用的模块组成，可以根据试验的实际要求组合使用。这种模块化的设计不仅减小了设备的体积和重量，同时也增强了其在各种实际应用中的灵活性和操作性能。本次试验中使用的模块包括 HTF 排气流量管与采样加热系统、FEM 燃油经济性分析仪、NOx 氮氧化物分析仪、FID 总碳氢分析仪以及 PDM 电源分配器。 HTF 模块采用皮托管、 压力传感器等部件， 可通过试试气体密度数据计算排气的质量流量。 FEM 模块可通过非分散红外光 （Non- Dispersive Infrared， NDIR）技术测量 CO 和 CO2，通过电化学或顺磁技术测量 O2。NOx 模块可通过非分散紫外光（Non- Dispersive Ultraviolet，NDUV）技术测量 NO 和 NO2，并得到 NOx的值。 FID 模块可通过加热型氢火焰离子 （Heated Flame Ionization Detector， HFID）技术测量总碳氢，并可增加相应模块分别测试 CH4和 NMHC。SEMTECH ECOSTAR 各气态物检测模块的技术参数如表 2.6 所示。 表 2.6 SEMTECH ECOSTAR 气体模块技术参数 分析气体 CO CO2 NO NO2 THC 工作原理 NDIR NDUV HFID 范围 08%vol 020%vol 03000ppm0500ppm 090ppmC1 01000ppmC1010000ppmC1030000ppmC1精确度 2%读数或0.3%全量程，两者取较大值 分辨率 10ppm 0.01% 1ppm 240ppm 零点漂移 0.005% 0.1% 2ppm 1% 第 2 章 柴油公交车排放试验方案设计 25 （二）颗粒物在线检测系统 本次试验的颗粒物在线检测系统包括流量计、 FPS2000 单级稀释器以及颗粒物实时粒径谱分析仪（Engine Exhaust Particle Sizer Spectrometer, EEPS 3090）。 FPS2000 单级稀释器是由 Dekati 公司生产的细颗粒物稀释系统。其工作原理是基于喷出稀释的方式，高速的压缩空气通过稀释器喷嘴时产生负压，使得样气被吸入并在并在稀释腔内（Diluter body）与空气均匀混合。单级稀释器的稀释比为 8.21。 颗粒物实时粒径谱分析仪 （EEPS 3090） 是由 TSI 公司生产的颗粒检测系统，可对颗粒物数量及粒径分布进行在线的实时检测。EEPS 可以测量粒径范围为5.6560 nm 的颗粒数量浓度、体积浓度、质量浓度、表面积浓度的粒径分布，动态响应特性好， 采样频率 10Hz， 可在 0.1s 内构建一个完整的颗粒粒径分布图谱，并同步输出 32 个通道（16 通道每 10 倍粒径）的颗粒物数量。EEPS 拥有较宽的动态浓度范围，可以测量低至 200#/cm2的粒子，因此可以很好地对后处理装置后的排放进行测量。其输出浓度单位经过归一化变换（dN/dlogDp），便于同其他仪器的结果进行对比。EEPS 3090 的采样流量为 10L/min。 EEPS 3090 的工作原理如图 2.7 所示。样品气体进入送样口后，粒子被电晕荷电器荷以正电至可计算的水平。粒子带电后进入检测区，该区域中心有一个高压电极柱，一个正的电压被加载中心电极柱上，并产生电场是的带正电荷的粒子按照它们的电迁移性向外运动。带电粒子撞击每一个静电计并转移电荷，其中，电迁移性更高的粒子撞击更接近顶部的静电计， 而电迁移性更低的粒子则撞击更接近底部的静电计。 这样采用多个高灵敏经典检测器的阵列可以同时测量多通道的粒子浓度。 粒子撞击电极后产生电流， 经过信号处理后便可得到粒径分布数据。 图 2.7 EEPS 3090 工作原理示意图 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 26 2.5.2 离线排放检测系统 （一）VOCs 采样及分析方法 本次试验使用 SUMMA 罐对柴油公交车尾气中的 VOCs 进行采集。 SUMMA罐是特制的不锈钢采样罐，内部经过抛光和钝化处理，不易受样品渗透或腐蚀的影响，可以很好地保持样品的完整性105-106。SUMMA 罐在采样前被抽成真空，且内部无目标化合物；采样时只需打开采样阀，其采样速度和时间控制均通过调节采样阀流量来实现，当采样罐内外压力相等时采样结束，关闭采样阀即可。 试验共进行三轮，每轮使用一个容积为 6L 的 SUMMA 罐，对 5 次重复的中国典型城市公交车循环中前 3 次循环进行连续采样。试验时将 SUMMA 罐通过采样管与汽车排气管相连，调节采样阀以控制采样速度。3 次 CCBC 循环结束时完成采样。 搜集到的样品采用气相色谱/质谱联用法( GC/MS) 对 VOCs 进行分析，具体方法见文献80所述。 （二）颗粒物采样及分析方法 颗粒物在线采集选用 FPS-4000 两级射流稀释器。其中第一稀释阶段由多孔管技术完成，可以对其稀释率和稀释温度进行调节，采样汽车尾气进行稀释并被同步加热，本次试验中设置加热温度为 200，以避免挥发性成分在连接管中遇冷凝结。第二阶段的稀释采用喷射稀释器，其稀释率也可以控制和调整，排气进一步被常温的压缩空气稀释后通过取样管进入颗粒物测试设备。本次试验中 FPS-4000 的总稀释比控制在 12 左右。 颗粒物采样装置选用四通道颗粒物采样系统，如图 2.8（a）所示。该系统将稀释后的尾气分别导入四个通道中， 被各通道过滤器内所放置的滤膜吸收进行采样。四个过滤器中分别放置石英滤膜和特氟龙滤膜，如图 2.8（b）所示。其中石英滤膜用于对颗粒中碳质组分及 SOF 的检测分析，特氟龙滤膜用于无机离子和金属元素的分析，后者不在本文的研究范围内。每轮 5 个 CCBC 循环累计使用一套滤膜，过程中不更换。 试验使用的石英滤膜由超纯的石英纤维制成，直径 47mm。采样前后，均需先将滤膜放在温度 2122、 湿度 40%45%的恒温恒湿箱中进行 24 小时的平衡；完成采样和上述平衡后，用锡箔纸包裹放入冷冻室，用以后续对颗粒相关组分的检测。 第 2 章 柴油公交车排放试验方案设计 27 (a) 四通道采样系统 (b) 过滤器与滤膜 图 2.8 颗粒物采样系统 采样后的石英滤膜首先分别用于颗粒碳质组分有机碳 OC 和元素碳 EC 的分析。试验使用 DRI-2001A 型有机碳/元素碳（OC、EC）分析仪，其采用热光法测量原理，测量范围为 0.20750gC/cm2。 测量前， 使用专用裁膜器， 在膜中间位置打孔或裁取一定个数黑点。 检测时，样品在热光炉中通入 He 气流，首先被连续阶段式升温（分别为 140C、280C、480C 和 580C），对应得到 OC1、OC2、CO3 和 OC4，使样品中有机碳挥发；之后通入含 2%氧气的氦氧混合气体，持续升温 580C、740C、840C，分别对应EC1、EC2 和 EC3。其原理为含碳气体在二氧化锰催化剂的条件下被氧化成为CO2，之后 CO2在充填有 Ni 催化剂的还原炉中被还原为 CH4，并被火焰离子化检测器（FID）测定。其中，多数颗粒样品中未发现热解碳信号，因此有机碳 OC计算选择为 OC1+OC2+OC3+OC4，元素碳计算选择为 EC1+EC2+ EC3，而没有热解碳 OPC 的含量。 之后， 同样采用气相色谱/质谱联用法 （GC/MS） 对颗粒有机组分进行检测。首先进行样品的制备。将石英滤膜剪碎后放入棕色广口玻璃瓶，加入 D 代混标（含全氘代 C24 烷烃和 17 种全氘代 PAHs 和全氚代 C17 脂肪酸）于滤膜上，静置约 30min。 然后加入约 20mL 二氯甲烷 CH2Cl2浸没样品， 在室温下超声抽提三次。将抽提液旋转浓缩至约 1mL（70r/min，32C），用装有石英棉的滴管过滤、转移到2ml样品瓶中。 再用高纯氮气缓吹至近干， 使其重氮化， 浓缩定容至50L，加入六甲苯进样内标。 对 有 机 组 分 的 检 测 使 用 的 仪 器 为 Agilent 气 相 色 谱 - 质 谱 联 用 仪（7890GC/5975MSD） 。 仪器色谱采用 HP-5MS （30m0.25mm0.25m） 色谱柱，载气为高纯氦气，流速为 1.2mL/min，进样口温度为 300C，脉冲无分流进样，其进样量为 1L。其操作条件为：初始温度为 60C，保持 2min；然后以 5C/min的速率升至 300C，保持 10min；最后在 310C 下后运行 5min，保证色谱柱内的高沸点物质尽量流出。仪器质谱采用 EI 离子源，离子源温度为 230C，接口温度 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 28 为 290C，电子能量为 70eV。采用 NIST 质谱标准库，同时选择离子扫描方法（SIM）来检测 PAHs，然后同样采用内标法判定颗粒中 PAHs 的排放量。 2.6 本章小结 本章主要对整车底盘测功机排放试验的方案进行介绍，主要包括试验车辆、所用后处理装置、 底盘测功机系统、 测试循环及车辆排放测试系统等， 总结如下： （1）试验在底盘测功机上对柴油公交车安装后处理装置前后的排放进行检测，试验车辆为满足国 III 排放标准的柴油公交车，燃料为满足国 V 标准的 0#纯柴油，后处理装置为一套 DOC 及一套封装好的 DOC+CDPF。 （2）试验循环为中国典型城市公交循环（CCBC）；试验分为三轮进行，分别对应原车、 安装 DOC 及安装 DOC+CDPF， 每轮进行 5 次重复的 CCBC 循环。 （3）试验所用排放检测系统分为在线检测系统和离线检测系统；在线检测使用 SEMTECH ECOSTAR 车载尾气分析系统对车辆常规气态物排放进行实时测量，使用 EEPS 3090 对车辆颗粒物排放进行实时测量；离线检测系统使用SUMMA 罐对 VOCs 进行收集， 使用四通道颗粒采样系统和石英滤膜对颗粒物进行收集，并经过后续离线分析分别得到尾气中 VOCs 组分、颗粒碳质组分及有机物组分。 第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 29 第第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 机动车的四项主要污染物中，有三项存在于气相中，分别为一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物。这三类气态污染物均存在着不同的毒性，其中总碳氢化合物和氮氧化物还是影响光化学烟雾的重要因素。此外，大气中挥发性有机物 VOC是臭氧及二次气溶胶的关键前体物。 本节将对安装后处理装置前后车辆 CO、 THC、NOx 和 VOC 的排放特性进行研究，分析不同后处理装置对试验车辆气态污染物排放的影响。 3.1 试验循环工况片段划分 试验选用中国典型城市公交循环（CCBC）。该循环是在大量实际道路数据采集的基础上通过多方面分析而建立，总时长为 1314s，共包含 14 个短行程。为了更好地对车辆的排放特性进行分析，本文根据其循环参数特征，将各个短行程划分为三类行驶工况片段：I 类为低速片段（1119s 和 351450s），包含 4 个短行程；II 类为中速片段（120350s 和 7481227s），包含 7 个短行程；III 类为高速片段（451747s 和 12281314s），包含 3 个短行程。CCBC 循环的工况片段划分如图 3.1 所示。 图 3.1 CCBC 循环工况片段划分 对于三种工况片段以及整个 CCBC 循环，其工况特性可以通过一系列特征参数来进行表征，包括运行时间、行驶距离、平均车速、最高车速、最大加速度等，如表 3.1 所示。通过表 3.1 可以得出，低速、中速、高速片段的运行时间分0102030405060708001002003004005006007008009001000110012001300速度 (km/h)时间 (s)IIIIIIIIIIII 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 30 别占全部运行时间的 16.67%、54.11%和 29.22%，而其行驶距离分别占总距离的6.12%、51.64%和 42.20%；中速片段的平均车速为 15.42km/h，与整个循环平均车速 16.16km/h 最为接近；最高车速、最大加速度和最小加速度均出现在高速片段中。 表 3.1 各循环片段特征参数 片段 运行时间 (s) 行驶距离(km) 平均车速(km/h) 最高车速(km/h) 最大加速度 (m/s2) 最大减速度(m/s2) 低速 219 0.36 5.93 21.10 0.91 -0.54 中速 711 3.04 15.42 43.30 0.60 -0.87 高速 384 2.49 23.35 60.00 1.15 -1.04 全程 1314 5.90 16.16 60.00 1.15 -1.04 进一步，对各片段中怠速、加速、减速、匀速工况的运行时间进行统计，得到结果如表 3.2 所示。由表 3.2 中可以得出，低速片段具有最高的怠速比例，达42.92%， 而其加速工况比例则明显低于中速和高速片段； 中速片段各工况的比例与整个 CCBC 循环最为类似； 高速片段具有最高的匀速比例和最低的怠速比例，其加速和减速比例与中速片段相近。 表 3.2 各循环片段工况比例 片段 怠速时间(s) 怠速比例 加速时间(s) 加速比例 减速时间(s) 减速比例 匀速时间(s) 匀速比例 低速 94 42.92% 51 23.29%65 29.68%9 4.11%中速 192 27.00% 284 39.94%178 25.04%57 8.02%高速 83 21.61% 144 37.50%93 24.22%64 16.67%全程 369 28.08% 445 36.45%336 25.57%130 9.89%综合表 3.1 和表 3.2，CCBC 循环的三类循环片段均具有独特的工况特征，彼此间特征参数差异较为明显。以此为基础，对试验车辆安装不同后处理装置前后在不同片段下的排放特征进行分析， 有助于探究车辆排放特性的变化及其作用机理。 3.2 不同后处理装置对 CO 排放的影响 CO 是碳氢燃料在燃烧过程中的中间产物。其无色无味，但与氧相比更易于与血液中血红蛋白结合，从而削弱血液对人体的供氧能力造成中毒。影响内燃机CO 排放的主要因素为可燃混合气的过量空气系数。对于柴油机，其过量空气系数多数时候大于点燃型发动机，因此 CO 排放相对较少。当柴油机负荷很大时， 第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 31 由于燃烧室中局部缺氧的区域增加，CO 排放量会急剧上升；当柴油机负荷很小时，燃烧室内温度过低的区域可能增加，由此也可能导致 CO 排放的上升；因此柴油机的 CO 排放随着过量空气系数的增加呈先急剧下降再缓慢上升的趋势。 3.2.1 CCBC 循环各片段 CO 排放 试验车辆在安装不同后处理装置前后，在 CCBC 整个循环中及各循环片段下 CO 的排放率如图 3.2 所示。从整个循环来看，安装 DOC 后，CO 的排放率由6.35mg/s 变为 4.92mg/s，比原车降低了 22.46%；安装 DOC+CDPF 后，CO 的排放率为 4.17mg/s， 比原车降低了 34.41%。 考虑具体的工况片段， 在低速片段下，原车、安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后 CO 的排放率分别为 3.76mg/s，3.20mg/s 和 2.54mg/s；中速片段下，原车、安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后CO 的排放率分别为 4.93mg/s，4.02mg/s 和 3.26mg/s；高速片段下，原车、安装DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后 CO 的排放率分别为 10.12mg/s，7.58mg/s 和6.47mg/s； 与原车相比， 安装DOC后三种片段下CO的排放率分别降低了14.67%，18.41%和 25.13%， 安装 DOC+CDPF 后 CO 的排放率分别降低了 32.36%， 33.79%和 36.05%。 图 3.2 不同片段下 CO 排放率 对比不同循环片段可以发现，在低速、中速、高速片段下原车及安装两种后处理装置后的 CO 排放率均依次上升；高速片段下 CO 排放相比低速和中速片段均有较大幅度的增长，原车高速 CO 排放率分别是低速和中速的 2.69 倍、2.05倍， 安装 DOC 后分别为 2.36 倍和 1.88 倍， 安装 DOC+CDPF 后分别为 2.55 倍和1.98 倍。同时，低速、中速、高速片段下，两种后处理装置的减排率也均依次上升，在高速片段中表现最佳；其中，DOC 对 CO 的减排率随着平均车速的提升涨幅较大，而 DOC+CDPF 的效果则更加稳定，且优于单独使用 DOC。这可能是024681012低速中速高速全程CO排放率 (mg/s)原车DOCDOC+CDPF 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 32 由于车辆在速度较低时， 排气温度较低， 难以达到 DOC 对于 CO 的起燃温度11；随着车速的增加，负荷升高，排气温度也随之上升，从而使得 DOC 对 CO 有了更好的氧化效果；在催化剂涂层上，CO 和其他排放物也存在一定的竞争吸附，使得 DOC 对于 CO 的氧化效果受到了限制。而在 DOC+CDPF 中，由于 DOC 后端 CDPF 的载体上也涂覆有一定的催化剂， 为 CO 的氧化反应提供了更多的活性位，使得排气中的 CO 可以在 CDPF 中继续被氧化；同时，前端 DOC 的氧化反应会放出热量，提高了 CDPF 进口处的排气温度，为 CO 的氧化提供了有利条件。因此整体而言，DOC+CDPF 对于 CO 的效果优于 DOC，且不同工况下表现更为稳定。 由表3.1可知， 不同片段的行驶距离也有明显差别。 根据各片段的特征参数，通过计算得到原车和安装两种后处理装置后 CO 基于里程的排放因子如图 3.3 所示。由于低速片段中怠速比例高达 42.92%，且平均速度较低，其行驶距离远低于中速和高速片段，因此低速片段下 CO 基于里程的排放因子最高，其次为高速片段，中速片段下该排放因子最低。从减排效果上看，安装 DOC 和 DOC+CDPF后，不同片段中 CO 基于里程的排放因子（mg/km）降低比例与前文 CO 基于时间的排放率（mg/s）降低比例相似。 图 3.3 不同片段下 CO 基于里程的排放因子 通过计算各片段排放总量及整个循环的 CO 排放总量， 可以得到不同片段下CO 排放量的分担率，如图 3.4 所示。由图 3.4 可知，对于原车和两种后处理装置， 低速片段下 CO 的排放量占总排放量的分担率最低， 分别为 10.01%， 10.85%和 10.38%；其次为中速片段，三组试验的排放分担率分别为 42.67%，44.19%和43.28%； 高速片段下 CO 的排放分担率最大， 分别为 47.31%， 44.96%和 46.35%。与原车相比，安装 DOC 和 DOC+CDPF 后，低速和中速片段的排放分担率均有小幅度上升，而高速片段的分担率均略有降低，说明两种后处理装置在高速片段05001000150020002500低速中速高速全程CO里程排放因子 (mg/km)原车DOCDOC+CDPF 第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 33 下对于 CO 的转化效果较好， 这也与前文中减排率随着平均车速的上升而升高的结论相符。 图 3.4 不同片段下 CO 排放分担率 3.2.2 不同工况下 CO 排放分担率 在 3.1 节中列举了 CCBC 循环各片段下不同工况所占的时间比例，由表 3.2可知， 各个片段中不同的工况所占比例均有一定差别。 为了分析两种后处理装置：在不同工况下的作用情况，需要计算不同工况下排放量对于总排放量的分担率。对于所求的区间，其某种工况的分担率?的计算方法如式 3.1 所示。 (1)100%100%(1)iiiitotalatotalmk MmkM (3.1) 其中，为排放分担率， m 为排放量， k 为后处理装置相对原车的减排率 （当计算原车的排放分担率时? ? 0） ， M 为所求区间原车的排放量； 下标 i （? ? 1,2,3,4）表示四种不同的工况? ? 1时表示怠速， ? ? 2时表示加速， ? ? 3时表示减速，? ? 4时表示匀速；下标 total 表示所求区间的总和；下标?表示所求区间的平均值。 为了进一步分析车辆 CO 排放特性的变化，根据试验数据统计并由式 3.1 计算得到了原车及安装两种后处理装置后不同工况下 CO 排放量占该片段排放总量的分担率，如图 3.5 所示。 由图 3.5 可知，在低速片段中，怠速、加速和减速工况的排放分担率相近，均在 30%左右；与原车相比，安装 DOC 后怠速和加速下 CO 的排放分担率略有上升，而减速和匀速下分担率有所降低，说明 DOC 在低速片段中减速和匀速工况下的效果更为明显；与原车相比，安装 DOC+CDPF 后怠速和减速下 CO 排放分担率略有上升，而加速和匀速下有所降低，说明 DOC+CDPF 在低速片段中加速和匀速工况下效果更好。 0246810原车DOCDOC+CDPFCO排放量 (g)高速中速低速 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 34 (a) 低速 (b) 中速 (c) 高速 (d) 全程 图 3.5 不同工况下 CO 排放分担率 在中速片段中，加速工况下 CO 的排放分担率最大，约为 50%，其次为减速工况，怠速和匀速工况下排放分担比例相近；与原车相比，安装 DOC 后怠速的排放分担率有所上升，而其他三种工况下分担率略有下降，说明 DOC 在中速片段中怠速工况下效果相对较差；与原车相比，安装 DOC+CDPF 后加速和匀速的排放分担率有所下降，而减速下有所上升，说明 DOC+CDPF 在中速片段中加速和匀速工况效果较好。 在高速片段中，加速工况下 CO 的排放分担率达到约 70%，是 CO 排放的最主要部分；减速和匀速的分担率相近，约为 12%左右；而怠速的分担率最低，为5%左右；与原车相比，安装 DOC 后怠速的排放分担率有所上升，加速分担率略有下降，减速和匀速的分担率则无明显变化，说明 DOC 在高速片段中怠速工况下效果相对较差；与原车相比，DOC+CDPF 怠速和减速的分担率略有上升，加速分担率下降，而匀速的分担率无明显变化，说明 DOC+CDPF 在高速片段中加速工况效果较好。 总体而言，在整个 CCBC 循环中，加速工况下的 CO 排放占主要部分，其排放分担率可达近 60%，其次为减速工况，约占全部 CO 排放的 16%，再次为匀0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFCO排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFCO排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFCO排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFCO排放分担率匀速减速加速怠速 第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 35 速，约占全部 CO 排放的 14%，而怠速工况下排放量最少，约占 11%。与原车相比，安装 DOC 后，加速和减速工况下 CO 的排放分担率略有降低；安装DOC+CDPF 后，加速工况下排放分担率降低，怠速和减速工况的分担率略有升高。 由上述分析可知，不同片段下 DOC 在怠速工况下的效果对比其他三种工况较差；DOC+CDPF 对于加速和匀速工况的 CO 减排效果相对较好，而对于怠速和减速工况的效果相对较差； 各种工况下， DOC+CDPF的减排效果均优于DOC。 实际上， 由式 （3.1） 可知， 对于某种后处理装置， 其所求区间的总排放量 mtotal是确定的，此时不同工况下 DOC 或 DOC+CDPF 造成的排放分担率变化受到两方面的影响，一方面为后处理装置对于该工况的实际减排率?，另一方面为该工况下的原车的实际排放总量?。 若某工况的实际排放总量较小?， 即使该工况下后处理装置的减排率?较高，最终该工况的排放分担率可能波动并不明显；同样的， 若某工况实际排放总量?较高， 即使该工况下后处理装置的减排率与另一工况下相当，最终该工况的排放分担率相对另一工况而言可能变动量绝对值更大，变化更为明显。 若讨论某片段中同种工况下不同后处理间排放分担率的变化， 由式3.1可知，此时所求区间原车的总排放量 Mtotal和该工况下原车的排放量?是一定的，不同后处理间排放分担率的变化受到两个因素的影响， 一个仍为后处理装置对于该工况的减排率?，而另一个为后处理装置对于所求区间内总排放量 Mtotal的减排率?。由于在特定片段的特定工况中，多数情况下 DOC+CDPF 的?和?会同时高于（或低于）DOC，即 DOC+CDPF 对于该工况及该片段下排放的控制作用都是优于（或劣于）DOC 的，在此情况下讨论两种后处理装置间排放分担率的变化意义不大。 因此，此处及后文中讨论两种后处理装置所带来的排放分担率的变化时，均为关于某种后处理装置自身在不同工况下作用效果的纵向对比， 不涉及两种后处理装置的横向对比，其结果均为相对的。 3.3 不同后处理装置对 THC 排放的影响 THC 包括碳氢燃料及其不完全燃烧的产物、润滑油及其裂解和部分氧化的产物等，成分有数百种。部分 THC 可能对大气环境及人体健康产生直接或间接的不利影响，例如烯烃对于黏膜有刺激作用，经代谢转化会形成有毒的环氧衍生物，还具有很强的光化学活性，可与 NOx 一起在紫外线的作用下产生光化学烟雾。 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 36 柴油机的 THC 排放主要来自于燃油的燃烧过程。由于喷油后混合气形成时间短，混合很不均匀，喷注外围可能在未着火时就形成了过稀的混合气，燃料难以完全燃烧，从而成为未燃 THC 的排放源。尤其在冷起动时，由于喷油量较高以及燃烧室温度较低，未燃的 THC 难以在后续做功和排气行程中被氧化，从而造成较为严重的 THC 排放。 3.3.1 CCBC 循环各片段 THC 排放 试验车辆在安装不同后处理装置前后，在 CCBC 整个循环中及各循环片段下 THC 的排放率如图 3.6 所示。从整个循环来看，安装 DOC 后，THC 的排放率由 0.93mg/s 变为 0.54mg/s，比原车降低了 42.50%；安装 DOC+CDPF 后，THC的排放率为 0.20mg/s，比原车降低了 78.29%。考虑具体的工况片段，在低速片段下， 原车、 安装DOC后以及安装DOC+CDPF后THC的排放率分别为0.69mg/s，0.31mg/s 和 0.13mg/s；中速片段下，原车、安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后THC 的排放率分别为 0.92mg/s，0.53mg/s 和 0.21mg/s；高速片段下，原车、安装DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后 THC 的排放率分别为 1.09mg/s，0.68mg/s 和0.30mg/s； 与原车相比， 安装DOC后三种片段下THC的排放率分别降低了54.40%，42.97%和37.46%， 安装DOC+CDPF后THC的排放率分别降低了81.52%， 77.67%和 72.19%。 图 3.6 不同片段下 THC 排放率 由图 3.6 可知，低速、中速、高速片段下，原车及安装两种后处理装置后的THC 排放率均依次上升，但增速在逐渐放缓。与 CO 不同，在低速、中速、高速片段下， 两种后处理装置对于 THC 的减排效果随着片段平均车速的升高而降低，其中，DOC 的减排率降幅较大，而 DOC+CDPF 的减排率变化范围较小。各个片段下，DOC+CDPF 对于 THC 的氧化效果均明显高于 DOC。这是由于一方面，00.811.2低速中速高速全程THC排放率 (mg/s)原车DOCDOC+CDPF 第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 37 DOC+CDPF 中前端部分的 DOC 内发生化学反应使得排气温度上升， 有利于 THC的氧化反应进行；另一方面，不同贵金属催化剂对于 THC 的氧化反应也有一定的影响。不同催化剂对 THC 氧化反应的催化具有一定的选择性，其中，Pt 对于饱和碳氢化合物的催化活性较高；Pd 的催化活性略逊于 Pt，但对于不饱和碳氢化合物催化活性较好， 而且热稳定性好， 在高温和富氧条件下有较好的效果12,107；Rh 在低温下催化性能较好，但其活性窗口范围较窄。此外，THC 和 CO 在催化剂涂层的活性位吸附上存在一定的竞争关系，M.J.Patterson 等人8的研究表明当CO 存在时，Pt 对于 THC 的氧化催化活性明显降低，Pd 的催化活性也受到一定抑制，而 Rh 对于芳香烃类的催化活性则会有一定上升。这也说明了为何两种后处理装置对于 CO 的氧化性能随着平均车速升高而升高，而对于 THC 的氧化性能则随之降低。由于 DOC+CDPF 后端部分的 CDPF 所涂覆的催化剂中 Pd 的百分比相对高于 DOC，且含有一定的 Rh，同时其较长的载体尺寸及过滤层为排气中污染物的化学反应提供了较长的反应时间和接触面积。综上所述，与 DOC 相比，DOC+CDPF 对于 THC 的氧化提供了更为优越的反应条件，因此其效果明显优于 DOC。 同样可以通过计算得到原车和安装两种后处理装置后 THC 基于里程的排放因子，如图 3.7 所示。由图 3.7 可知，在低速、中速、高速片段下，THC 基于里程的排放因子随着平均车速的升高和怠速比例的降低而降低，低速片段下 THC基于里程的排放因子明显高于中速和高速片段。 这是因为柴油机怠速或小负荷时喷注外围燃料难以完全燃烧，又难以在后续过程中继续被氧化，因此其排放量大于大负荷工况。从减排效果上来看，安装 DOC 和 DOC+CDPF 后，不同片段中THC 基于里程的排放因子（mg/km）降低比例与前文 THC 基于时间的排放率（mg/s）降低比例相似。 图 3.7 不同片段下 THC 基于里程的排放因子 050100150200250300350400450低速中速高速全程THC里程排放因子 (mg/km)原车DOCDOC+CDPF 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 38 通过计算各片段排放总量及整个循环的 THC 排放总量，可以的到不同片段下 THC 排放量的分担率，如图 3.8 所示。由图 3.8 可知，对于原车和两种后处理装置， 低速片段下THC的排放量占总排放量的分担率最低， 分别为12.34%， 9.79%和 9.61%；其次为高速片段，三组试验的排放分担率分别为 34.22%，37.22%和40.11%； 中速片段下THC的排放分担率最大， 分别为53.44%， 53.00%和50.28%。与原车相比，安装 DOC 和 DOC+CDPF 后，低速和中速片段的排放分担率均有小幅度降低，而高速片段的分担率有一定上升，说明两种后处理装置在高速片段下对于 THC 的转化效果较好，这也与前文中减排率随着平均车速的上升而减小的结论相符。 图 3.8 不同片段下 THC 排放分担率 3.3.2 不同工况下 THC 排放分担率 为了进一步分析车辆 THC 排放特性的变化，根据试验数据统计由式 3.1 计算得到了原车及安装两种后处理装置后不同工况下 THC 排放量占该片段排放总量的分担率，如图 3.9 所示。 由图 3.9 可知，在低速片段下，怠速、加速、减速工况对于 THC 的排放分担率相近，约为 30%33%，而匀速工况下排放最少，约占 6%；与原车相比，安装DOC 后，怠速和加速工况的分担率有所上升，而减速工况的分担率下降，匀速工况基本不变， 说明 DOC 在低速片段中减速工况下对于 THC 的氧化效果较好，而怠速和加速工况较差；与原车相比，安装 DOC+CDPF 后，怠速工况的分担率有所上升， 减速工况下分担率下降， 加速和匀速工况基本不变， 说明 DOC+CDPF在低速片段中减速工况下对于 THC 的氧化效果较好，而怠速工况下效果较差。 00.811.21.4原车DOCDOC+CDPFTHC排放量 (g)高速中速低速 第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 39 （a）低速 （b）中速 （c）高速 （d）全程 图 3.9 不同工况下 THC 排放分担率 在中速片段下，加速工况的排放占比最高，约为 50%，其次为减速工况，约为 20%，匀速和怠速工况基本持平；与原车相比，安装 DOC 后，怠速工况的分担率略有上升，减速工况略有下降，加速和匀速工况基本不变，说明 DOC 在中速片段下对于减速工况作用较好而怠速工况较差； 与原车相比， 安装 DOC+CDPF后，加速工况下排放分担率有明显上升，怠速工况略有上升，减速工况下分担率明显下降，而匀速工况略有降低，说明 DOC+CDPF 在中速片段下减速工况时作用较好。 在高速片段下，加速工况的排放分担率进一步升高，约为 54%，减速工况和匀速工况下分担率持平，而怠速工况下排放量所占比例最低，约为 10%；与原车相比，安装 DOC 后，加速工况的排放分担率略有下降，而怠速和减速工况略有上升，说明 DOC 在高速片段下加速工况时效果相对较好；与原车相比，安装DOC+CDPF 后，加速工况下排放分担率明显上升，而减速工况下分担率明显下降，怠速和匀速基本不变，说明 DOC+CDPF 在高速片段下减速工况时作用相对较好，而加速工况相对较差。 总体而言， 在整个循环中， 加速工况时排放的 THC 量占主要部分， 约为 45%，而，其次为减速工况，约为 23%，怠速和匀速工况基本持平，约为 16%；与原车0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFTHC排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFTHC排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFTHC排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFTHC排放分担率匀速减速加速怠速 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 40 相比，安装 DOC 后，怠速工况下的排放分担率略有上升，加速、减速和匀速工况下分担率略有减少， 四种工况的分担率变化量均很小， 说明在整个循环中 DOC在各个工况下作用效果相差不大， 其中怠速工况下对 THC 的减排效果相对略弱；与原车相比，安装 DOC+CDPF 后，加速工况下排放分担率有明显上升，减速工况有明显下降，怠速工况下略有上升，而匀速工况基本不变，说明在整个循环中DOC+CDPF 对于怠速和加速工况的排放控制效果较差，而减速工况效果较好。 3.4 不同后处理装置对 NOx 排放的影响 氮氧化物 NOx 是地面附近形成光化学烟雾的主要因素之一。其中 NO2具有很强的刺激性，可以和水结合生成硝酸，对人体呼吸道系统产生损害。内燃机燃烧过程中 NOx 的生成需要三个条件：高温、富氧以及一定的反应时间。由于柴油机负荷上升时最高燃烧温度会相应提高，NOx 排放会随着负荷的升高而显著增加，但当负荷超过某一限度后，由于燃烧室中缺氧造成燃烧恶化，NOx 的生成速率反而下降。转速对 NOx 的排放也有一定影响，由于低转速下为 NOx 的生成提供了更多的反应时间，可能造成排放高于高转速。 3.4.1 CCBC 循环各片段 NOx 排放 试验车辆在安装不同后处理装置前后，在 CCBC 整个循环中及各循环片段下 NOx 的排放率如图 3.10 所示。从整个循环来看，安装 DOC 后，NOx 的排放率由 68.89mg/s 变为 66.89mg/s， 比原车降低了 2.91%； 安装 DOC+CDPF 后， NOx的排放率为 66.76/s， 比原车降低了 3.10%。 考虑具体的工况片段， 在低速片段下，原车、安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后 NOx 的排放率分别为 45.31mg/s，43.12mg/s 和 42.83mg/s；中速片段下，原车、安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF后 NOx 的排放率分别为 65.68mg/s ，63.87mg/s 和 63.75mg/s；高速片段下，原车、安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后 NOx 的排放率分别为 91.25mg/s，89.04mg/s 和 88.48mg/s；与原车相比，安装 DOC 后三种片段下 NOx 的排放率分别降低了 4.82%，2.86%和 2.43%，安装 DOC+CDPF 后 NOx 的排放率分别降低了 5.47%，2.94%和 3.04%。 第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 41 图 3.10 不同片段下 NOx 的排放率 由图 3.10 可知，低速、中速、高速片段下，原车及安装两种后处理装置后的NOx 排放率均依次上升；DOC 和 DOC+CDPF 在不同片段下均能极小幅度地减少排气中的 NOx，在低速片段中减排率略高于中速和高速片段。NO 在 DOC 和CDPF 中会被氧化，生成的 NO2在催化剂载体表面被吸附形成了硝酸盐，未被吸附的 NO2则释放到气相中随着尾气排出108， 因此排气中 NOx 含量小幅度下降的主要原因就是其在催化剂涂层表面的发生吸附并形成盐类。 NOx 基于里程的排放因子如图 3.11 所示。在低速、中速、高速片段下，NOx基于里程的排放因子随着平均车速的升高和怠速比例的降低而降低， 低速片段下NOx 基于里程的排放因子明显高于中速和高速片段。从减排效果上来看，安装DOC 和 DOC+CDPF 后，不同片段中 NOx 基于里程的排放因子（g/km）降低比例与前文 NOx 基于时间的排放率（mg/s）降低比例相似。 图 3.11 不同片段下 NOx 基于里程的排放因子 0102030405060708090100低速中速高速全程NOx排放率 (mg/s)原车DOCDOC+CDPF051015202530低速中速高速全程NOx里程排放因子 (g/km)原车DOCDOC+CDPF 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 42 通过计算各片段排放总量及整个循环的 NOx 排放总量，可以的到不同片段下 NOx 排放量的分担率，如图 3.12 所示。由图 3.12 可知，对于原车和两种后处理装置，低速片段下 NOx 的排放量占总排放量的分担率最低，分别为 10.82%，10.61%和 10.58%； 其次为高速片段， 三组试验的排放分担率分别为 38.23%， 38.40%和38.31%； 中速片段下NOx的排放分担率最大， 分别为50.95%， 51.00%和51.11%。与原车相比，安装 DOC 和 DOC+CDPF 后，各片段的排放分担率无明显变化，说明两种后处理装置对于总 NOx 排放的影响与不同片段间车辆行驶特性的差异无直接关系。 图 3.12 不同片段 NOx 排放分担率 进一步， 研究 NOx 中 NO2的排放特性变化。 排气中的 NO2对于 DOC+CDPF后端 CDPF 部分的被动再生具有重要意义。由于 NO2比 O2具有更强的氧化性，在 250左右即可与颗粒捕集器内捕集的微粒发生化学反应。捕集的微粒被氧化后，不致堵塞颗粒捕集器内的通道，从而使得颗粒捕集器在正常的排气温度范围内即可实现一定程度的再生。 排气中 NO2含量上升主要来自于 NO 的被氧化，该反应会受到多种因素的影响。首先，由于 NO 的氧化动力相对较低，当排气中存在 CO 和 THC 时，出于活性位竞争关系，NO 的氧化反应将被推迟，因此，当排气中 CO 和 THC 浓度较低时，NO 的氧化反应才能较为有效地进行。尤其在 NO 浓度较高的环境中，Pt 催化剂表面会产生饱和，使 NO 与 O-产生活性位竞争，而在此竞争中 O-存在优势，会抑制 NO 在 Pt 上的吸附，从而使得 NO 的反应率降低。NO 的氧化反应正向反应速率在高温时会受到热力约束， 而低温时会受到反应动力约束， 因此NO的转化率会受到一定的限制。 此外， 若催化剂中毒， 该反应也会受到较大的影响，当催化剂涂层受到硫、磷等物质的干扰时，NO 的氧化转化率会明显降低109。 排气中 NO2含量降低主要是由于其与其他还原性物质发生反应。Irani 等14的研究表明与 HC 发生反应时 NO2比 O2更为优先。在颗粒的氧化过程中 C-NO2020406080100120原车DOCDOC+CDPFNOx排放量 (g)高速中速低速 第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 43 反应与 C-O2反应相比具有更低的活化能，因此反应速率更快；C-NO2在吸附作用下于颗粒物表面生成 RNOx 和 ROx 等产物，其中 RNOx 的热稳定性较差，容易分解生成 NO，从而推动了 C-NO2反应的进行；ROx 易与氧发生反应，也促进了 C-NO2的反应110。 由于 NOx 和 NO2含量的变化，两种后处理装置后 NO2占总 NOx 的比例也会发生一定变化， 如图 3.13 所示。 由图可知原车 NO2/NOx 比例约为 5.5%6.5%；安装 DOC 后这一比例上升为 7.2%8.8%，说明排气中部分 NO 被氧化为 NO2从而提高了 NO2占总氮氧化物的比例；安装 DOC+CDPF 后 NO2/NOx 比例降低为3.3%3.8%。 不同片段下 NO2/NOx 比例呈先上升后下降的趋势， 这可能是因为一方面排气温度的上升对 NO 的氧化造成了一定影响， 另一方面排气流量的升高使得排气速度上升，气流与催化剂涂层的接触时间变短，不利于 NO 的氧化；此外正如前文所述，在 NO 浓度较高时，由于在活性位竞争中存在劣势，NO 的反应速率会受到抑制34。 图 3.13 不同工况下 NO2/NOx 比例 He C 等人71的研究表明，在安装 DOC 或 CDPF 后，排气中 NO2/NOx 比例变化的影响因素有很多，其中最主要的影响因素为排气温度，当排气温度在 350左右时，NO2/NOx 比例达到最大值，此后随着温度的上升反而下降；在一定的排气温度下，排气中的 O2含量、PM/NOx 比例以及后处理装置的几何尺寸也会对NO2/NOx比例造成影响； 此外， CO的氧化率也是造成这一比例变化的因素之一。在此研究及其他部分文献中，尾气中的 NO2含量在经过 CDPF 后会继续升高，NO2/NOx 比例也较高，可达 15%40%。而在本次试验中，DOC+CDPF 后尾气中的 NO2含量反而低于原车，NO2/NOx 比例也仅有不足 5%。这一现象的原因可能是后处理装置入口处的排气温度较低， 不利于氧化反应的进行， 尾气中较高的 CO含量也抑制了 NO 的氧化；在 DOC+CDPF 后端部分的 CDPF 中，由于 NO2的初0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%10%低速中速高速全程NO2/NOx比例原车DOCDOC+CDPF 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 44 始浓度很低，排气中原有的以及通过催化氧化生成的 NO2很快便参与其他物质的氧化反应而被还原，从而使得 NO2含量有所降低。 3.4.2 不同工况下 NOx 排放分担率 根据试验数据统计由式3.1计算得到了原车及安装两种后处理装置后不同工况下排放量占该片段排放总量的分担率，如图 3.14 所示。 由图 3.14 可知，各片段下加速工况的 NOx 排放均占主要部分，且其排放分担率随着平均车速的上升而上升， 在低、 中、 高速下分别约为 52%， 66%和 69%；减速和匀速工况在全程和低速片段下排放分担率相近， 而在中速和高速片段中减速工况的排放分担率低于匀速工况； 怠速工况下的分担率随着平均车速的上升和怠速比例的下降而下降，在整个 CCBC 循环中气分担率最低；由于 DOC 和DOC+CDPF 对于 NOx 排放的影响较小， 在各片段下安装两种后处理后其不同工况的排放分担率与原车相比无明显变动。 (a) 低速 (b) 中速 (c) 高速 (d) 全程 图 3.14 不同工况下 NOx 排放分担率 0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFNOx排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFNOx排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFNOx排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFNOx排放分担率匀速减速加速怠速 第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 45 3.5 不同后处理装置对 VOCs 排放的影响 大气挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）按来源可分为一次VOCs 和二次 VOCs，其中一次 VOCs 来自排放源的直接排放，二次 VOCs 是由直接排放的物质通过大气中的光化学反应生成。VOCs 具有低沸点、挥发性、渗透性和脂溶性等特点。大气中的 VOCs 含量虽不多，却对大气中的化学反应起着极为重要的作用，是对流层臭氧和二次有机气溶胶的关键前体物。此外，大多数VOCs 本身具有毒理特性，会对人体健康带来不利影响。快速的城市化和工业化使得城市大气中 VOCs 的组成越来越复杂， 而其中机动车尾气是城市大气中挥发性有机物的主要来源之一，在 VOCs 的总人为排放源中占 35%以上80。因此，研究车辆尾气的 VOCs 排放量及其组分对于改善大气环境有着重要意义。 本次试验使用容积为 6L 的 SUMMA 罐对排气中的 VOCs 样本进行采集。 每轮试验通过一个SUMMA罐对5次CCBC循环中连续3次循环的排放进行采集，并通过气相色谱/质谱联用法进行检验，从而得到试验车辆 VOCs 的组分和排放值。为方便讨论，将其换算为平均单个循环的 VOCs 浓度值。 SUMMA 罐收集的排气样本中共检测出 104 种 VOC，按其成分类别可以分为烷烃、烯烃、炔烃、卤代烃、含氧/硫化合物以及芳香烃及其衍生物，其中烷烃29 种，烯烃 12 种，炔烃仅乙炔 1 种，卤代烃 24 种，含氧/硫化合物 18 种，芳香烃及其衍生物 20 种。原车及安装不同后处理后六类 VOCs 的排放如图 3.15 所示。 图 3.15 单位循环 VOCs 排放体积分数 01020304050607080原车DOCDOC+CDPFVOC体积分数 (10-9)乙炔含氧/硫化合物芳香烃及其衍生物卤代烃烯烃烷烃 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 46 由图 3.15 可知，原车排放的 VOCs 总体积分数为 72.7710-9，其中以含氧/硫化合物、卤代烃和烷烃为主，其浓度分别为 24.0610-9、20.9010-9、12.8210-9，分别占总排放的 33.07%、28.73%和 17.62%；烯烃、芳香烃及其衍生物以及乙炔排放相对较低，其体积分数分别为 8.0310-9、5.7910-9、1.1610-9，占总排放的 11.04%、7.96%和 1.59%。烷烃排放中以正己烷为主，其体积分数为 5.4210-9，占烷烃总排放的 42.28%；烯烃中以乙烯和反-2-丁烯为主，其体积分数分别为 3.2810-9和 2.7110-9，占烯烃总排放的 40.85%和 33.75%；卤代烃排放中以二氯甲烷为主，其体积分数为 19.5010-9，占卤代烃总排放的 93.30%；芳香烃及其衍生物排放中以甲苯、乙基苯、苯、对/间二甲苯为主，其体积分数分别为1.3610-9、 1.0610-9、 0.8010-9和 0.7710-9， 共占芳香烃总排放的 49.69%；含氧硫化合物以丙酮为主，占其总排放的 63.69%。 安装 DOC 后，其 VOCs 总体积分数比原车略有下降，为 70.3110-9，含氧/硫化合物、卤代烃和烷烃依然是 VOCs 排放的主要组成部分，分别占总排放的37.53%、25.25%和 15.73%。与原车相比，在 DOC 后烷烃、卤代烃的体积分数分别下降至 11.0610-9和 17.7510-9，乙炔未被检测到，芳香烃及其衍生物排放基本不变，烯烃和含氧/硫化合物检测值略有升高，其体积分数分别为 9.3710-9和 26.3910-9。DOC 后烷烃中正己烷和十二烷为排放的主要组成，分别占烷烃总排放的 35.01%和 14.34%；烯烃中 1-己烯和丙烯为主要排放，分别占烯烃总浓排放的 28.46%和 25.30%；卤代烃中二氯甲烷依然是主要组分，占卤代烃总排放的 91.71%；芳香烃中苯为主要组成部分，占芳香烃总排放的 86.68%；含氧/硫化合物中依然以丙酮为主，占其总排放的 81.03%。 安装 DOC+CDPF 后，VOCs 排放的总浓度为 42.3210-9，比原车降低了41.84%；其中烷烃、烯烃和芳香烃及其衍生物占总 VOCs 排放的比例上升，而卤代烃和含氧/硫化合物的比例则有所降低。 DOC+CDPF 后卤代烃和含氧/硫化合物的体积分数分别为 1.4410-9和 11.7910-9，与原车相比分别降低了 93.11%和51.00%；乙炔、烷烃和芳香烃也分别降低了 37.96%、23.56%和 25.68%；而烯烃体积分数上升至 14.2810-9，是原车的 1.7 倍。DOC+CDPF 后烷烃排放以乙烷为主，占烷烃总排放的 49.32%；烯烃排放以乙烯和丙烯为主，分别占烯烃总排放的 66.36%和 26.64%；卤代烃排放中仍以二氯甲烷为主，占卤代烃总排放的53.24%；芳香烃中以乙基苯和苯为主，占芳香烃总排放的 25.56%和 20.91%；含氧/硫化合物中仍以丙酮为主，占其总排放的 78.60%。 综上所述，后处理装置可以不同程度地降低排气中 VOCs 的含量；其中，DOC 对烷烃和卤代烃的作用较为明显，DOC+CDPF 对除烯烃外的其余种类VOCs 均有较好的效果，对卤代烃的减排率最高；两种后处理装置都会使得排气 第 3 章 不同后处理装置对柴油公交车气态物排放的影响 47 中烯烃的含量上升。安装后处理装置后 VOCs 的主要成分也发生了一定变化：原车和 DOC 后 VOCs 不同类别组分中排放分担率从高至低依次为含氧/硫化合物、卤代烃、烷烃、烯烃、芳香烃及其衍生物、乙炔，但两者各类组分的分担率有所差别； 而 DOC+CDPF 后排放分担率由高到低依次为烯烃、 含氧/硫化合物、 烷烃、芳香烃及其衍生物、卤代烃、乙炔。 检测到的 VOCs 中各组分分子中含碳数均不同，分布在 112 间。原车及安装两种后处理装置后 VOCs 按碳数分布的排放量如图 3.16 所示。 由图可知原车、DOC 和 DOC+CDPF 后 VOCs 碳数分布有较大差别，但其 VOCs 排放量主要在C1C6，分别占总 VOCs 排放的 90.83%、91.23%和 86.54%；C7C12 的排放相对较少；。C1C10 中，安装 DOC 后 C3、C5 和 C6 高于原车，其他组分均低于原车，其减排率在 12.81%86.68%间，其中对 C8 减排率最高，而对 C7 减排率最低；C1C10 中，安装 DOC+CDPF 后除 C2 高于原车外，其他组分均低于原车，减排率在 25.54%95.43%之间，其中对 C1 的减排率最高，而对 C8 的减排率最低；安装两种后处理装置后 C10C12 排放均高于原车，其中 DOC 的排放更高。 图 3.16 VOCs 浓度碳数分布 3.6 本章小结 本章对试验所用 CCBC 循环进行了工况片段划分，在此基础上讨论了后处理装置在不同片段及工况下对主要气态污染物排放的影响，并对后处理装置后VOCs 的排放量和组分变化进行了分析，得到的主要结论如下： （1）试验车辆的 CO 排放率随着不同片段平均车速的升高而增长；DOC 和DOC+CDPF均可以降低试验车辆的CO排放， 其减排率分别为22.46%和34.41%；不同片段下，两种后处理装置对 CO 的减排率均随着平均车速的升高而升高；051015202530C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12组分浓度 (ppbv)原车DOCDOC+CDPF 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 48 DOC 在怠速工况下作用相对较差，DOC+CDPF 在怠速和减速工况下效果劣于加速和匀速工况，但各工况下 DOC+CDPF 对 CO 的氧化效果均优于 DOC。 （2）试验车辆在高速片段下 THC 排放率最高，而在中速片段下总排放量最高；DOC 和 DOC+CDPF 均可以降低试验车辆的 THC 排放，其减排率分别为42.50%和 78.29%；不同片段下，DOC 对 THC 的减排率随着平均车速的升高而降低，DOC+CDPF 的作用效果较为稳定；DOC 在怠速工况下效果略差于其余三种工况，DOC+CDPF 在减速工况下的效果较好而怠速和加速工况下相对较差，但各工况下 DOC+CDPF 对 THC 的氧化效果均优于 DOC。 （3）试验车辆在高速片段下 NOx 排放率最高，而在中速片段下总排放量最高； 加速阶段 NOx 的排放是总排放的主要组成部分； DOC 和 DOC+CDPF 对 NOx排放的影响很小，其减排率均在 5%内；DOC 后 NOx 中 NO2含量上升，而DOC+CDPF 后 NO2/NOx 比例与原车相比有所降低。 （4）后处理装置对车辆尾气中 VOCs 的排放量和组分均有一定影响；原车VOCs 排放以含氧/硫化合物、卤代烃、烯烃为主；DOC 后 VOCs 排放总量比原车略有降低，其中烷烃和卤代烃的含量下降，而烯烃和含氧/硫化合物的含量有一定增长； DOC+CDPF 后 VOCs 排放总量比原车降低了 41.84%， 其中含氧/硫化合物和卤代烃的含量比原车分别降低了 51.00%和 93.11%， 而烯烃含量明显上升。从碳数分布来看，VOCs 排放以 C1C6 为主；安装后处理装置前后 VOCs 在含碳数上的分布规律有较大差别，原车以 C1 和 C3 为主，安装 DOC 后以 C1、C3和 C6 为主，安装 DOC+CDPF 后以 C2 和 C3 为主；两种后处理装置后 C10C12均高于原车。 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 49 第第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 近年来随着雾霾频发，颗粒物也位列最受关注的污染物之中。颗粒物是柴油机排放的主要污染物之一。根据环保部统计，2015 年柴油车排放的颗粒物占全部机动车颗粒物排放的 90%以上。粒径较小的颗粒物可长期悬浮在大气中难以沉降，并进入人体引发疾病；此外，由于其比表面积高，细颗粒物表面还会吸附盐类及 PAHs 等， 具有不同程度的诱变和致癌作用， 给人体健康带来了严重威胁。为了减少颗粒物排放， 机内净化措施能达到的效果有限， 必须依靠机外净化装置。本次试验通过颗粒物在线采集系统和离线分析系统， 对试验公交车原车及安装两种后处理装置后的颗粒物排放进行检测，在 3.1 节循环工况片段划分的基础上，分析研究不同后处理装置对试验车辆颗粒物排放的影响。 4.1 不同后处理装置对颗粒物数量的影响 柴油机的颗粒物数量浓度一般呈单峰对数正态分布，其 90%数量的颗粒物集中在核膜态（5nmDp50nm）。 TSI 公司生产的颗粒物实时粒径谱分析仪（EEPS 3090）可以检测粒径范围在 5.6nm560nm 的颗粒物，覆盖了柴油机的颗粒物主要粒径分布区间。该分析仪利用颗粒不同的电迁移特性对颗粒进行分类，动态响应特性很好， 可快速测取柴油机的排气颗粒数量及粒径分布， 同步输出 32个粒径通道的颗粒物数量。本次试验使用 EEPS 3090 对试验车辆的颗粒物排放进行在线检测，选取 5 个测试循环中误差较小的 3 个循环，对其颗粒物排放数据进行分析，得到不同循环片段下的颗粒物数量排放特性、排放分担率以及粒径分布特性。 4.1.1 CCBC 循环各片段颗粒物数量排放 试验车辆在安装不同后处理装置前后，在 CCBC 整个循环中及各循环片段下颗粒物数量的排放率如图 4.1 所示。图 4.1 的纵轴采用对数坐标刻度。从整个循环来看， 安装 DOC 后， 颗粒物数量的排放率由 4.671011 #/s 变为 2.841011#/s，比原车降低了 39.14%；安装 DOC+CDPF 后，颗粒物数量的排放率为 1.96109 #/s，比原车降低了 99.58%。考虑具体的工况片段，在低速片段下，原车、安装DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后颗粒物数量的排放率分别为 1.481011 #/s，1.281011 #/s 和 1.47109 #/s；中速片段下，原车、安装 DOC 后以及安装 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 50 DOC+CDPF后颗粒物数量的排放率分别为1.871011 #/s， 1.391011 #/s和1.91109 #/s；高速片段下，原车、安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后颗粒物数量的排放率分别为 9.961011 #/s，4.941011#/s 和 2.09109 #/s；与原车相比，安装 DOC后三种片段下颗粒物数量的排放率分别降低了 13.47%，25.58%和 50.38%，安装DOC+CDPF 后颗粒物数量的排放率分别降低了 99.01%，98.98%和 99.79%。 图 4.1 不同片段下颗粒物数量排放率 对比不同循环片段，在低速、中速、高速片段下，原车及安装两种后处理装置后颗粒物数量的排放率均依次上升； 高速片段下颗粒物数量的排放相比低速和中速片段均有大幅度的增长，原车高速颗粒物数量排放率分别是低速和中速的6.74 倍、5.32 倍，安装 DOC 后分别为 3.86 倍和 3.54 倍，安装 DOC+CDPF 后分别为 1.43 倍和 1.10 倍。在低速、中速、高速片段下，DOC 对于颗粒物数量排放的减排率逐渐上升； 而DOC+CDPF则表现十分稳定， 减排率均可达99%及以上。理论上，DOC 对于颗粒物的作用主要体现在氧化一部分可溶性有机物（SOF），从而使得颗粒物排放降低； 但当燃油中含硫较多时， DOC 内可能会产生硫酸盐，反而增加了颗粒物排放。而 DPF 是目前公认的减少颗粒物排放的有效途径：对于直径较大的颗粒物，当气流进入微孔时流线发生弯曲，但微粒在其惯性作用下继续按照原方向运动，从而碰撞到过滤介质上而被捕集；直径较小的颗粒物，将随着气流流线绕捕集体流动， 当其微粒半径大于或等于过滤微孔孔径时被过滤体拦截；对于非常细小的颗粒物，气固两相流和过滤介质表面存在微粒的浓度差，使得微粒在扩散作用下进入过滤介质从而被捕集。试验结果也表明了DOC+CDPF 后颗粒物数量大幅降低，排放得到了有效控制。 根据各片段的特征参数， 通过计算得到原车和安装两种后处理装置后颗粒物数量基于里程的排放因子如图 4.2 所示。可以发现，原车和安装 DOC 后高速片段下颗粒物数量基于里程的排放因子在三种片段中最高，其次为低速片段，中速片段的排放因子最低；而安装 DOC+CDPF 后，颗粒物数量基于里程的排放因子1E+091E+101E+111E+121E+13低速中速高速全程颗粒物数量排放率 (#/s)原车DOCDOC+CDPF 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 51 在三种片段中随着平均车速的上升而下降， 在低速片段最高， 而在高速片段最低。从减排效果上看，安装 DOC 和 DOC+CDPF 后，不同片段中颗粒物数量基于里程的排放因子（#/km）降低比例与前文基于时间的排放率（#/s）降低比例相似。 图 4.2 不同片段下颗粒物数量基于里程的排放因子 通过统计不同片段下以及整个循环的颗粒物数量排放总量， 可以得到不同片段对其排放的贡献率，如图 4.3 所示。原车和安装 DOC 后在高速片段排放的颗粒物数量总量最大，分别占全部排放的 69.80%和 59.90%，其次为中速片段，而在低速片段排放的颗粒物数量最少；安装 DOC+CDPF 后，高速片段对总排放的贡献率急剧下降，仅有 32.4%，而中速片段的分担率上升，占总排放的 54.66%，低速片段排放的颗粒物数量同样是最少的。由此可知，DOC 在高速片段下对于颗粒物数量的减排作用优于其他片段，而 DOC+CDPF 对于高速片段下颗粒物数量的控制有非常好的效果。 图 4.3 不同片段颗粒物数量排放分担率 1E+101E+111E+121E+131E+141E+15低速中速高速全程颗粒物数量里程排放因子 (#/km)原车DOCDOC+CDPF1.E+111.E+121.E+131.E+141.E+15原车DOCDOC+CDPF颗粒物数量排放总量 (#)高速中速低速 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 52 4.1.2 不同工况下颗粒物数量排放分担率 与前文中气态物排放采用相同的方法， 根据试验数据统计及计算得到了原车及安装两种后处理装置后不同工况下颗粒物数量排放量占该片段排放总量的分担率，如图 4.4 所示。 (a) 低速 (b) 中速 (c) 高速 (d) 全程 图 4.4 不同工况颗粒物数量排放分担率 由图 4.4 可知，在低速片段中，怠速、加速、减速三种工况下颗粒物数量排放总量相差不多； 与原车相比， 安装 DOC 后加速、 匀速工况的排放分担率下降，而怠速、减速工况的排放分担率上升，说明 DOC 在低速片段中加速和匀速工况下对于颗粒物数量排放的控制作用较好；与原车相比，安装 DOC+CDPF 后，加速、 匀速工况的排放分担率下降， 减速工况的分担率上升， 而怠速工况基本不变，说明 DOC+CDPF 在低速片段中同样加速和匀速工况下作用较好。 在中速片段中，加速工况下颗粒物数量排放最高，原车和安装两种后处理装置后该工况的分担率分别为 54.2%，52.39%和 40.44%；与原车相比，安装 DOC后，加速工况的颗粒物数量排放分担率略有降低，怠速和减速工况略有升高，而匀速工况基本保持不变，说明 DOC 在中速片段中各工况下作用相差不多，相对而言加速工况下表现较好而怠速和减速工况下较差；安装 DOC+CDPF 后，加速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPF颗粒物数量排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPF颗粒物数量排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPF颗粒物数量排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPF颗粒物数量排放分担率匀速减速加速怠速 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 53 工况的颗粒物数量排放分担率明显下降，而怠速工况下分担率明显上升，减速工况略有升高，匀速工况略有降低，说明 DOC+CDPF 在中速片段下加速和匀速工况下作用较好，相对优于怠速和减速工况。 在高速片段中，原车和安装 DOC 后加速工况下的颗粒物数量排放是总排放的主体部分，安装 DOC+CDPF 后虽然加速工况的排放分担率同样为最高，但与前两者相比明显减少，仅为 44.96%；与原车相比，安装 DOC 后，加速工况的排放分担率明显减少，而其他三种工况的分担率均有所上升，说明 DOC 在高速片段中加速工况下的作用明显优于其他三种工况；与原车相比，安装 DOC+CDPF后，加速工况的颗粒物数量排放分担率大幅下降，其他三种工况的分担率均明显上升，说明 DOC+CDPF 在此片段中加速工况下的作用同样优于其他三种工况。 从整个循环来看，加速工况下排放的颗粒物数量占总排放的比例最高，但原车、安装 DOC 后与安装 DOC+CDPF 后其加速工况的排放分担率逐渐下降，减速和怠速工况下排放分担率逐渐上升， 匀速工况下安装后处理装置后其分担率与原车相比均有所上升，但安装 DOC 后上升幅度更大。说明 DOC 在加速工况下作用明显优于其他三种工况，而 DOC+CDPF 在加速和匀速工况下作用优于减速和怠速工况。 需要说明的是，实际上 DOC+CDPF 在整个循环及不同片段中对于四种工况下颗粒物数量排放的减排率均在 97.7%99.8%之间， 相对而言加速和匀速工况下减排率略高于减速和怠速工况。但如 3.2.2 节所述，安装后处理装置后各个工况对于总排放的贡献率变化还受到原车在该工况下排放总量的影响， 由于原车加速工况下排放分担率高于其他三种工况， 使得在四种工况减排率相差不多的情况下，加速工况的分担率变化对于减排率的差别更为敏感，因此与原车相比，安装DOC+CDPF 后加速工况对于总排放的贡献度发生了明显的下降，而其他三种工况则有一定上升。 4.1.3 颗粒物数量粒径分布特性 EPS 3090 可以检测的颗粒物粒径范围为 5.6nm560nm ，并通过 32 个通道同步输出颗粒物数量，各通道的颗粒物中位直径范围为 6.04nm523.3nm。通过对不同通道的颗粒物排放的对数浓度求均值， 可以得到不同片段下颗粒物数量的粒径分布特征，如图 4.5 所示。 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 54 （a）低速 （b）中速 （c）高速 （d）全程 图 4.5 不同片段颗粒物数量粒径分布特征 由图 4.5 可知， 试验车辆的颗粒物对数浓度 （dN/dlogDp） 呈对数双峰分布，第一个峰值出现在 10nm 处，波峰较为突出，所处的粒径范围较小；第二个峰值出现在 70nm80nm 处，波峰较为平缓，所处粒径范围较大。双峰形在低速和中速片段中较为明显，而在高速片段中，粒径小于 50nm 的颗粒物浓度上升，使得两峰值间无明显的谷值，第二个波峰只剩余粒径大于 80nm 的后半部分，整个分布曲线呈近单峰状。 由图 4.3 可知高速片段下颗粒物数量排放占总排放的比例相当高，因此整个 CCBC 循环的颗粒物数量粒径分布与高速片段更为相似。 安装 DOC 后，核膜态（5nmDp50nm）的颗粒物数量有一定降低，尤其是粒径范围在第一个峰值附近的颗粒。 在低速和中速片段， 其粒径分布与原车类似，粒径小于 9nm 的颗粒物减少较为明显。DOC 对于核膜态颗粒物数量的削减作用在高速片段中尤为突出，使得该粒径范围内粒径分布曲线变得相对平缓。从整个CCBC 循环来看，安装 DOC 后颗粒物数量的粒径分布仍然呈对数双峰分布，两峰间的波谷出现在 22.1nm25.5nm 处， 与低速和中速片段相同， 但其分布曲线更为平缓。 1.E+071.E+081.E+091.E+101.E+111.E+12550500颗粒物对数浓度 (#/s)粒径Dp (nm)原车DOCDOC+CDPF1.E+071.E+081.E+091.E+101.E+111.E+12550500颗粒物对数浓度 (#/s)粒径Dp (nm)原车DOCDOC+CDPF1.E+071.E+081.E+091.E+101.E+111.E+121.E+13550500颗粒物对数浓度 (#/s)粒径Dp (nm)原车DOCDOC+CDPF1.E+071.E+081.E+091.E+101.E+111.E+12550500颗粒物对数浓度 (#/s)粒径Dp (nm)原车DOCDOC+CDPF 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 55 安装 DOC+CDPF 后， 全粒径段的颗粒物数量都得到了有效控制.粒径分布曲线两个较为明显的峰值依然位于 10nm 处和 70nm80nm 处。但这两个峰值之间出现了一个微小的波峰，粒径范围为 14.3nm22.1nm，峰值位于 19.1nm 处，使得安装 DOC+CDPF 后颗粒物数量的粒径分布呈现近似三峰对数分布。 按照粒径范围，对核膜态和聚集态颗粒物分别进行统计，可以得到原车瞬态工况下两种粒径段的颗粒物排放对颗粒物总排放率的贡献度，如图 4.6 所示。其中，核膜态颗粒统计的粒径范围为 6.04nm52.3nm，包含 16 个通道；聚集态颗粒统计的粒径范围为 60.4nm523.3nm，也包含 16 个通道。由图 4.6 可知，对于多数工况点核膜态颗粒物的排放均高于聚集态颗粒物的排放； 加速和匀速过程中聚集态颗粒物数量分担率有所上升， 而减速和怠速阶段核膜态颗粒物数量分担率明显上升，在急减速初期尤为明显。在加速阶段，发动机喷油量增加，空燃比相对下降，使得混合气的浓度较大，在高温缺氧的条件下易于生成大量 soot；在最后一个短行程的加速阶段后期核膜态颗粒排放极高， 可能是由于随着发动机转速提升，燃烧时间缩短，使得未完全燃烧的 HC 排放增加，因此以 SOF 为主的核膜态颗粒数明显上升。在减速阶段，由于喷油量骤然减少造成混合气过稀，且缸内温度下降，不利于碳烟形成，因此聚集态颗粒物数量减少；同时，由于缸内温度低，增加了火焰淬熄的可能性，导致未完全燃烧的 HC 升高，因此核膜态颗粒物数量升高111。 图 4.6 原车瞬态工况下两种粒径段颗粒物数量的排放分担率 进一步可以得到原车及安装两种后处理装置后两种粒径段颗粒物数量在不同片段下的排放率，如图 4.7 所示。 0%20%40%60%80%100%010203040506070144871301732162593023453884314745175606036466897327758188619049479901033107611191162120512481291颗粒数量分担率车速 (km/h)时间 (s)核膜态聚集态车速 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 56 (a) 原车 (b) 安装 DOC (c) 安装 DOC+CDPF 图 4.7 不同粒径段颗粒物数量排放率 由图 4.7 可知，原车的核膜态颗粒数量在高速片段骤增，而聚集态颗粒数量则随着平均车速的增加稳步提升；安装 DOC 后，核膜态颗粒数在低速和中速下排放率几乎相等，在高速下大幅上升，而聚集态的数量排放率则持续上升，且增速逐渐放缓；安装 DOC+CDPF 后，核膜态和聚集态的数量排放率均稳步上升，且增速较为一致。 进一步可以得到两种粒径段颗粒物数量的排放率对颗粒物数量总排放率的贡献度，如图 4.8 所示。由图 4.8 可知，对于核膜态颗粒，低速片段中原车及两种后处理装置后的分担率几乎相等，约为 65.5%67%；随着平均车速的增加，原车和 DOC 后其分担率先降后升，二者有着类似的变化规律，但安装 DOC 后核膜态颗粒数的分担率低于原车；而安装 DOC+CDPF 后其分担率在各个片段下几乎保持不变，约为 65.50%。对于聚集态颗粒，其分担率变化规律与核膜态颗粒相反，原车和 DOC 后的分担率随着平均车速的增加先升后降，而安装DOC+CDPF 后不同片段下分担率依然保持不变。 0.E+002.E+114.E+116.E+118.E+111.E+12低速中速高速全程颗粒物数量排放率 (#/s)核膜态聚集态0.E+001.E+112.E+113.E+114.E+11低速中速高速全程颗粒物数量排放率 (#/s)核膜态聚集态0.0E+005.0E+081.0E+091.5E+092.0E+09低速中速高速全程颗粒物数量排放率 (#/s)核膜态聚集态 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 57 图 4.8 不同粒径段颗粒物数量排放分担率 综合上述颗粒物数量的粒径分布特征，可以发现，DOC 对于核膜态颗粒数量的减排效果优于其对聚集态颗粒数量的作用。 这可能是由于一方面核膜态颗粒中吸附了大量的 SOF 在 DOC 内被氧化； 另一方面超细颗粒由于扩散作用被吸附在 DOC 载体上，从而造成颗粒物数量的下降。而 DOC+CDPF 后核膜态颗粒和聚集态颗粒数量排放均大幅下降。 4.2 不同后处理装置对颗粒物质量的影响 柴油机颗粒物质量一般呈双峰或三峰对数分布，其峰值分别位于核模态（5nmDp50nm）、聚集态（100nmDp1m）。中小负荷范围内 PM 的质量排放浓度随负荷增加而缓慢上升， 当接近全负荷时由于可燃气混合不均该浓度急剧攀升； 随着发动机转速的提升颗粒物质量排放也会上升。由于不同粒径下颗粒物的质量不同， 后处理装置对颗粒物质量排放的影响规律也与其对颗粒物数量的影响规律有所差别。 本节将对试验车辆安装不同后处理前后颗粒物质量排放的变化进行探讨，得到不同循环片段下的颗粒物质量排放特性、排放分担率以及粒径分布特性。 4.2.1 CCBC 循环各片段颗粒物质量排放 试验车辆在安装不同后处理装置前后，在 CCBC 整个循环中及各循环片段下 PM 的排放率如图 4.9 所示。从整个循环来看，安装 DOC 后，PM 的排放率由0.089mg/s 变为 0.085mg/s，比原车降低了 5.27%；安装 DOC+CDPF 后，PM 的排0%20%40%60%80%100%低速中速高速全程颗粒物数量分担率原车核膜态DOC核膜态DOC+CDPF核膜态原车聚集态DOC聚集态DOC+CDPF聚集态 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 58 放率为 0.0011mg/s，比原车降低了 98.74%。考虑具体的工况片段，在低速片段下， 原车、 安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后 PM 的排放率分别为 0.063mg/s，0.059mg/s 和 0.0008mg/s； 中速片段下， 原车、 安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF后 PM 的排放率分别为 0.089mg/s， 0.085mg/s 和 0.0011mg/s； 高速片段下， 原车、安装 DOC 后以及安装 DOC+CDPF 后 PM 的排放率分别为 0.100mg/s， 0.093mg/s和 0.0012mg/s；与原车相比，安装 DOC 后三种片段下 PM 的排放率分别降低了5.22%，4.21%和 6.80%，安装 DOC+CDPF 后 PM 的排放率分别降低了 98.72%，98.81%和 98.76%。 图 4.9 不同片段下 PM 排放率 对比不同循环片段可以发现，在低速、中速、高速片段下原车及安装两种后处理装置后的 PM 排放率均依次上升， 但增速在放缓； 低速、 中速、 高速片段下，两种后处理装置的减排率有一定波动。其中，DOC 对 CO 的减排率随着平均车速的波动程度较大，而 DOC+CDPF 的效果则更加稳定，且明显优于 DOC。 根据各片段的特征参数， 通过计算得到原车和安装两种后处理装置后 PM 基于里程的排放因子如图 4.10 所示。由图可知，PM 基于里程的排放因子在三种片段下随着平均车速的升高而降低，低速片段下每千米的 PM 排放量最高，其次为中速，而高速片段下最少；原车及安装后处理装置后其变化规律相似。从减排效果上看，安装 DOC 和 DOC+CDPF 后，不同片段中 CO 基于里程的排放因子（mg/km）降低比例与前文 CO 基于时间的排放率（mg/s）降低比例相似。 00.020.040.060.080.10.12低速中速高速全程PM排放率 (mg/s)原车DOCDOC+CDPF 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 59 图 4.10 不同片段下 PM 基于里程的排放因子 通过统计不同片段下以及整个循环的颗粒物数量排放总量， 可以得到不同片段对其排放的贡献率， 如图 4.11 所示。 原车和安装两种后处理装置后， 各片段下PM 排放占总排放的比例相差不多；中速片段下的贡献最大，约占 PM 总排放量的 55%，其次为高速片段，约占 33%，低速片段下的排放量仅占约 12%；安装DOC 后，其中速片段下排放分担率比原车略高，而高速片段下比原车略低；安装 DOC+CDPF 后， 其低速和高速片段分担率下比原车略高， 而中速片段下略低。总体而言两种后处理装置对 PM 的减排作用随工况片段变化不大。 图 4.11 不同片段下 PM 排放分担率 4.2.2 不同工况下颗粒物质量排放分担率 同样可根据式 3.1 计算得到原车及安装两种后处理装置后不同工况下 PM 排放量占该片段排放总量的分担率，如图 4.12 所示。 0510152025303540低速中速高速全程PM里程排放因子 (mg/km)原车DOCDOC+CDPF020406080100120140原车DOCDOC+CDPFPM排放量 (mg)高速中速低速 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 60 (a) 低速 (b) 中速 (c) 高速 (d) 全程 图 4.12 不同工况下 PM 排放分担率 由图 4.12 可知，在低速片段下，原车及安装 DOC 后，加速工况下 PM 的排放分担率最大，约为 38%，怠速和减速工况下排放分担率相近，为 27%30%，匀速工况下排放量最少；安装 DOC+CDPF 后，怠速和加速工况下排放的分担率下降，而减速和匀速工况的分担率明显上升，其中减速工况的排放为四种工况中最高， 表示 DOC+CDPF 在此片段怠速和加速工况下对 PM 的捕集效果相对较好，而减速工况下作用相对较差。 在中速片段下，加速工况下 PM 排放成为总排放的主要组成部分，原车和安装 DOC 后其分担率为 64%66%，安装 DOC+CDPF 后其分担率降为 53.8%；安装 DOC 后各工况对于总排放的贡献与原车相近；而安装 DOC+CDPF 后，怠速和减速工况的分担率上升，加速工况的分担率下降，表明该片段中 DOC+CDPF在加速工况下作用较好。 在高速片段中，由于匀速工况的时间及速度均高于中速工况，使得其排放分担率高于中速工况， 而加速部分的分担率与中速工况差别不大； 安装 DOC+CDPF后，加速和匀速工况的分担率明显下降，而减速工况明显上升，怠速工况下分担率比原车略低， 说明 DOC+CDPF 在高速片段中加速和匀速工况下作用较为突出，而减速工况下相对较差。 0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFPM排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFPM排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFPM排放分担率匀速减速加速怠速0%20%40%60%80%100%原车DOCDOC+CDPFPM排放分担率匀速减速加速怠速 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 61 整个循环中，安装 DOC 后各工况对于总排放的贡献与原车几乎一致；而安装 DOC+CDPF 后与原车相比加速工况的分担率明显下降，匀速工况略有降低，减速工况明显上升，怠速工况几乎不变。由于 DOC 对于 PM 质量排放的影响较小， 与原车相比各个工况下排放分担率的变化范围多在 2%内。 而 DOC+CDPF 在加速工况下对 PM 的减排效果则相对优于减速工况。 4.2.3 颗粒物质量粒径分布特性 基于 EEPS 3090 所输出的 32 个通道的颗粒物数据，对不同通道的颗粒物对数质量浓度求平均值， 可以得到颗粒物质量的粒径分布特性， 如图 4.13 所示。 由于安装 DOC+CDPF 后 PM 排放量与原车和安装 DOC 相比过低，若放在同一坐标轴下其粒径分布曲线会呈近似直线，为了更好地表现安装 DOC+CDPF 后粒径分布规律，将其分布曲线放在副坐标轴上，单位与主坐标轴一致。 （a）低速 （b）中速 （c）高速 （d）全程 图 4.13 不同片段下颗粒物质量粒径分布特性 由图 4.13 可知，试验车辆不同片段下颗粒物对数质量浓度（dM/dlogDp）在对数坐标下呈单峰后上升趋势，峰值出现在粒径 165.5nm 处，谷值出现在粒径00.511.522.533.5020406080100120140550500PM对数质量浓度 (g/s)PM对数质量浓度 (g/s)粒径Dp（nm）原车DOCDOC+CDPF00.511.522.533.5020406080100120140550500PM对数质量浓度 (g/s)PM对数质量浓度 (g/s)粒径Dp（nm）原车DOCDOC+CDPF00.511.522.533.5020406080100120140550500PM对数质量浓度 (g/s)PM对数质量浓度 (g/s)粒径Dp（nm）原车DOCDOC+CDPF00.511.522.533.5020406080100120140550500PM对数质量浓度 (g/s)PM对数质量浓度 (g/s)粒径Dp（nm）原车DOCDOC+CDPF 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 62 339.8nm 处。粒径小于 50nm 的颗粒物其对数质量浓度非常低，曲线呈平缓上升状态；粒径大于 50nm 后颗粒物的对数质量浓度明显攀升，直至粒径 165.5nm 处的峰值， 随后下降至 339.8nm 处的谷值， 此后继续上升。 由此可知粒径大于 50nm的颗粒物是其颗粒物质量排放的主要组成部分。 原车在不同片段下颗粒物质量的粒径分布曲线形状相似，但高速下由于核膜态颗粒排放数量偏高，使得其高速片段中颗粒物质量的分布曲线在核膜态区域出现一个小的凸出部分。 安装 DOC 后，颗粒物质量的粒径分布曲线与原车相比无明显变化，部分粒径段的对数质量浓度略有降低。 在高速片段中， 由 4.1.3 节可知 DOC 对于核膜态的颗粒物数量有较为明显的削减， 从而使得该粒径段颗粒物质量浓度与原车相比有较为明显的降低。 安装 DOC+CDPF 后，粒径分布曲线的形状与原车相近，但存在一些变化的特征：第一个波峰与原车相比更为平缓，且峰值后移至粒径 191.1nm 处；波谷后颗粒物质量对数浓度以较快的幅度上升。这可能表示试验中 DOC+CDPF 对于波峰附近粒径段的颗粒物质量排放的控制效果要优于其后的粒径段。 同样按照 4.1.3 所述划分方法将颗粒物分为核膜态和聚集态两部分，得到原车瞬态工况下两种粒径段颗粒物的质量排放对总排放率的贡献， 如图4.14所示。可见除了极少数工况外，聚集态颗粒均为颗粒物质量排放的主要组成部分，占总排放的 95%以上。而 DOC 对于颗粒物中 soot 部分的作用远不如其对 SOF 的作用，因此整个循环中 DOC 对于颗粒物质量排放的影响很小。但是 DOC 可以使得颗粒物的微观结构发生改变。 李磊110等人的研究表明在颗粒微观结构上， DOC后原始颗粒具有较高的石墨化程度，外壳部分的碳层较长，微晶尺寸增大，层面间距减小，排列更加规整，颗粒呈多孔结构；热重试验显示 DOC 后的颗粒在后续的氧化过程中，颗粒内核部分先被氧化，形成中空的胶囊状，随后部分颗粒的碳层结构重新排列，相邻粒子的碳层连结在一起，基本粒子的边界无法区分，到氧化反应基本结束时，剩余物质呈现晶体结构；但由于颗粒物的氧化活性受到氧化模式、微观结构等多方面因素的影响，DOC 后其氧化活性的变化难以得到一个统一的规律。 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 63 图 4.14 原车瞬态工况下两种颗粒物质量的排放分担率 分别计算得到原车及安装后处理装置后两中颗粒物在不同片段下的质量排放率，如图 4.15 所示。 （a）原车 （b）安装 DOC （c）安装 DOC+CDPF 图 4.15 不同粒径段颗粒物质量排放率 由图 4.15 可知，两种粒径段的颗粒物在不同片段中的质量排放率均随着平均车速的升高而升高；聚集态颗粒物是颗粒物质量排放的主要组成部分，其排放0%20%40%60%80%100%010203040506070144871301732162593023453884314745175606036466897327758188619049479901033107611191162120512481291颗粒物质量分担率车速 (km/h)时间 (s)核膜态聚集态车速020406080100低速中速高速全程PM排放率 (g/s)核膜态聚集态020406080100低速中速高速全程PM排放率 (g/s)核膜态聚集态00.8低速中速高速全程PM排放率 (g/s)核膜态聚集态 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 64 率远高于核膜态颗粒物。 原车在高速片段下核膜态颗粒排放率明显高于低速和中速片段，安装后处理装置后高速片段的核膜态颗粒得到一定控制；安装DOC+CDPF 后，中速片段的聚集态颗粒质量与低速和高速片段相比相对减少更为明显，说明 DOC+CDPF 在中速片段下对聚集态颗粒物的作用要略好于低速和高速片段。 进一步计算得到不同片段下两种颗粒物的质量排放分担率， 如图4.16所示。由图4.16可以直观地看出， 在颗粒物质量排放中聚集态颗粒物的贡献率均在95%以上， 低速和中速片段下其贡献度达到了 98%以上。 原车及安装两种后处理装置后中速和低速片段下两种颗粒物的分担率几乎相同，差别主要体现在高速片段：原车、安装 DOC 和安装 DOC+CDPF 后，其核膜态颗粒物的贡献率依次下降，而聚集态颗粒物的贡献率依次上升。 这是由于原车在高速片段下核膜态颗粒物排放数量明显高于其他两个片段， 而安装两种后处理装置后这部分颗粒物的数量得到了有效削减，因此其质量排放分担率也随之降低。 图 4.16 不同粒径段颗粒物质量排放分担率 综合上述讨论，试验车辆在低速、中速、高速片段中颗粒物排放率随着平均车速的增加而上升；核膜态颗粒物在颗粒物数量排放中占主要部分，试验车辆在高速片段下核膜态颗粒物排放数量大幅上升，明显高于其他两个片段；聚集态颗粒物在颗粒物质量排放中占主要部分，远高于核膜态颗粒物对总排放的贡献；DOC 对于核膜态颗粒物的作用优于其对于聚集态颗粒物的作用，在高速片段中表现较为突出；DOC+CDPF 对全粒径段的颗粒物均有良好的减排作用。 90%92%94%96%98%100%0%2%4%6%8%10%低速中速高速全程聚集态颗粒物质量排放分担率核膜态颗粒物质量排放分担率原车核膜态DOC核膜态DOC+CDPF核膜态原车聚集态DOC聚集态DOC+CDPF聚集态 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 65 4.3 不同后处理装置对颗粒物碳质组分的影响 柴油机颗粒物的碳质气溶胶包含元素碳（Elemental Carbon，EC）和有机碳（Organic Carbon，OC）。元素碳 EC 主要为含碳燃料燃烧过程中产生的不定型碳质，其表面有很好的吸附性，可以捕获各种污染物，且对可见光有强烈的吸收作用；OC 包括直接排放的一次有机碳，也包括在大气中光化学反应产生的二次有机碳，它可以为大气中的化学反应提供氧化剂，且对光有散射作用。二者都是影响大气能见度的重要物质，也是大气污染物来源分析判断的重要依据。 本次试验采用四通道颗粒物采样系统中的石英滤膜采集尾气排放中的碳质组分， 并通过有机碳/元素碳 （OC、 EC） 分析仪检测其成分。 滤膜有效面积为 12cm2。每轮试验收集 5 次 CCBC 循环排放的颗粒物，检测结果为稀释后滤膜单位面积有机碳 OC 和元素碳 EC 浓度，将其换算为单位循环单位滤膜有机碳 OC 和元素碳 EC 采集量。由于滤膜上采集的是多次循环累积的颗粒物排放，在采集过程中尾气的瞬态排放流量一直处于变化中，难以将结果反向推算为排放因子，因此选用稀释后单位循环单位滤膜的排放量进行对比。 原车及安装不同后处理装置后颗粒中 OC 的排放如图 4.17 所示。 由于 OC 检测是在连续阶段式升温中逐步挥发， 因此图中给出的是升温至某温度下 OC 检测所得的总量。原车每循环每张滤膜采集的 OC 排放总量为 30.93g，其中 140时 OC 挥发量占总量的 56.33%；DOC 后 OC 排放量比原车降低了 6.16%，为29.02g，其中同样以 140时 OC 挥发量为主，占总量的 55.00%；DOC+CDPF后 OC 排放量降低了 49.15%，为 15.73g，其中以 140280间挥发量为主，占总量的 85.91%。 图 4.17 不同升温阶段 OC 检测量 05101520253035140280480580OC总排放量 (g)升温阶段 ()原车DOCDOC+CDPF 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 66 原车及安装不同后处理装置后颗粒中 EC 的排放如图 4.18 所示。图中同样为到达升温阶段时检测到的 EC 总量。原车的 EC 总排量为 49.39g，其中 580740内挥发的 EC 量最多，占 EC 总量的 93.04%；DOC 的 EC 总量为原车的79.66%，但其 580时检测到的 EC 量高于原车，580740内挥发的 EC 同样为全部 EC 排放的主要组成部分，占总量的 93.04%；DOC+CDPF 后滤膜中未测得 EC 成分，即 DOC+CDPF 后 EC 排放为 0. 图 4.18 不同升温阶段 EC 检测量 原车及安装后处理后，OC 和 EC 对 TC 的贡献如图 4.19 所示。原车 TC 排放共 80.32g，其中 OC 占 38.50%；安装 DOC 后 TC 排放共 68.37g，比原车降低了14.88%， 其中OC占TC的42.45%； 安装DOC+CDPF后TC排放共15.73g，比原车降低了80.42%， 其成分全部为OC。 计算可得原车OC/EC这一比例为0.63，安装 DOC 后为 0.74，这与何立强112（市郊和高速工况下 0.970.49）、石爱军113（0.78）、Geller114（瞬态 0.38，稳态 0.81）以及 Cheng115（0.73）等人的研究结果较为一致。 安装 DOC+CDPF 后由于未检测到 EC， 不对此比例进行讨论。研究认为大气中 OC/EC 比例可用于对颗粒物中的二次有机碳 （Secondary Organic Carbon, SOC）进行估算，其原理为污染源一次排放的颗粒物中 OC/EC 比例是一个相对稳定的特征值，仅与排放源有关，当大气中 OC/EC 超过此比值时可以认为有 SOC 生成116。 0102030405060580740840EC总排放量 (g)升温阶段 ()原车DOCDOC+CDPF 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 67 图 4.19 OC、EC 对 TC 的分担率 4.4 不同后处理装置对颗粒相 PAHs 的影响 多环芳烃 PAHs 是分子中含有两个及以上苯环的碳氢化合物， 主要来自化石燃料、木材、烟草、有机高分子化合物等有机物的不完全燃烧。PAHs 是极强的致癌物质， 在目前已知的 1000 余种化学致癌物中， 有三分之一与多环芳烃有关。介于其生物毒性极强，各国都将 PAHs 列入环境重点监测项目。柴油车排放的PAHs 包括气相和颗粒相，其中颗粒相 PAHs 主要以细颗粒物或吸附于颗粒物上存在。 实验同样采用四通道颗粒物采样系统中的石英滤膜采集尾气排放中的颗粒相多环芳烃 PAHs，并通过气相色谱质谱仪检测其成分。试验收集 4 组 CCBC 循环排放的颗粒相 PAHs 样本，检测结果为稀释后每组样本多环芳烃 PAHs 浓度，将其换算为单位循环单位滤膜 PAHs 采集量。 试验检测多环芳烃 PAHs 共 24 种，其中 16 种被列入美国环保部（USEPA）优 先 污 染 物 名 单 ， 分 别 为 萘 (Naphthalene) 、 苊 烯 (Acenaphthylene) 、 苊(Acenaphthene) 、 芴 (Fluorene) 、 菲 (Phenanthrene) 、 蒽 (Anthracene) 、 荧 蒽(Fluoranthene)、芘(Pyrene)、苯并a蒽(Benzaanthracene)、(Chrysene)、苯并b荧蒽(Benzobfluoranthene)、苯并k荧蒽(Benzokfluoranthene)、苯并a芘(Benzoapyrene) 、 茚 并 1,2,3-cd 芘 (Indeno123-cdpyrene) 、 苯 并 g,h,i 苝(Benzoghiperylene)、二苯并a,h蒽(Dibenzahanthracene)。 4.4.1 不同后处理装置对 PAHs 排放量的影响 原车及安装两种后处理装置后颗粒相 PAHs 的排放结果如表 4.1 所示。 其中，将苯并b荧蒽 （BbF） 和苯并k荧蒽 （BkF） 合并， 记为苯并b+k荧蒽 （Bb+kF） 。 0102030405060708090原车DOCDOC+CDPF碳质组分排放质量 (g)ECOC 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 68 表 4.1 颗粒相多环芳烃 PAHs 组分排放 PAHs 种类 符号 PAHs 排放质量（ng） 原车 DOC DOC+CDPF 萘 Nap 0.2191 0.1760 0.0524 苊烯 Acpy 0.0495 0.0627 0.0372 苊 Acp 0.0000 0.0000 0.0000 芴 Flu 0.1048 0.0894 0.0568 菲 Phe 2.3749 0.9821 0.2032 蒽 Ant 0.1076 0.0000 0.0000 荧蒽 Flua 2.3298 0.8548 0.0616 芘 Pyr 7.1638 4.6889 0.0619 苯并a蒽 BaA 0.1865 0.1766 0.0237 Chr 0.5050 0.5631 0.1133 苯并b+k荧蒽 B(b+k)F0.2589 0.2523 0.0138 苯并a芘 BaP 0.0540 0.0554 0.0025 茚并123-cd芘 IND 0.1508 0.1483 0.0116 苯并ghi苝 BghiP 0.2982 0.3244 0.0088 二苯并a,h蒽 DBA 0.0000 0.0691 0.0026 醋菲 Aph 0.4432 0.2272 0.0000 惹烯 Ret 0.0722 0.1552 0.0180 苯并ghi荧蒽 BghiF 0.4789 0.3601 0.0355 苯并a荧蒽 BaF 0.0000 0.0000 0.0014 苯并e芘 BeP 0.4016 0.5419 0.0061 二萘嵌苯 Per 0.0000 0.0000 0.0000 1,3,5-三苯基苯 DBA 0.0209 0.0254 0.0041 六苯并苯 COR 0.0000 0.1104 0.0276 总量 - 15.2197 9.8634 0.7420 原车及安装 DOC、安装 DOC+CDPF 后，其多环芳烃 PAHs 总排放质量分别为 15.22ng，9.86ng 和 0.74ng，安装两种后处理后其 PAHs 排放比原车分别下降了 29.94%和 95.12%。原车 PAHs 组分中芘（Pyr）、菲（Phe）、荧蒽（Flua）含量最高， 分别为7.16ng， 2.37ng以及2.33ng， 占PAHs总排放量的47.07%， 15.60%，15.31%。安装 DOC 后，PAHs 组分中芘（Pyr）、菲（Phe）、荧蒽（Flua）含量最高，分别为 4.69ng，0.98ng 以及 0.85ng，占 PAHs 总排放量的 47.54%，9.96%和 8.67%。安装 DOC+CDPF 后，PAHs 组分中菲（Phe）、（Chr）含量最高，分别为 0.20ng 以及 0.11ng，占 PAHs 总排放量的 27.38%，15.27%；其次为芘（Pyr）、荧蒽（Flua）、芴（Flu）、萘（Nap），其排放量为 0.05ng0.06ng，占PAHs 总排放量的 7%8.5%。由此可见在原车与不同后处理中，、芘、菲、荧蒽均为 PAHs 排放的主要组成部分；安装 DOC 后多环芳烃中的排放量及占 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 69 PAHs 总排放量的比例与原车相比明显上升，芘、菲和荧蒽的含量下降；安装DOC+CDPF 后，与原车相比菲和占 PAHs 总排放量的比例上升，芘和荧蒽的比例下降。DOC 对于多环芳烃 PAHs 排放质量的影响主要体现在其通过催化氧化反应使部分 PAHs 得到削减，而 DOC+CDPF 对于多环芳烃 PAHs 排放质量的影响则是通过催化氧化反应与颗粒物捕集相结合的方式，因此 DOC+CDPF 对于颗粒相 PAHs 的作用明显优于 DOC。 分别对美国环保署名单内及名单外的多环芳烃含量进行统计，得到 EPA 及非 EPA 的多环芳烃 PAHs 排放量及其分担率，如图 4.20 所示。由图可知 EPA 名单内的 PAHs 组分为 PAHs 排放的主要组成部分， 占多环芳烃排放总量的 84%及以上。原车 EPA 名单内的多环芳烃排放质量为 13.80ng，占据 PAHs 排放总量的90.69%，是非 EPA 规定的多环芳烃的 9.74 倍；安装 DOC 后，EPA 名单内的多环芳烃质量下降至 8.44ng，比原车降低了 39.14%，其占 PAHs 总量的比例也下降至85.60%； 安装DOC+CDPF后， EPA规定的多环芳烃质量进一步下降至0.65ng，比原车减少了 95.32%，其占 PAHs 总量的比例下降至 84.66%。原车、DOC 后及DOC+CDPF 后，EPA 及非 EPA 规定的多环芳烃 PAHs 排放量均依次下降；DOC和 DOC+CDPF 对于 EPA 规定的 PAHs 作用效果明显优于 EPA 名单外的 PAHs。 图 4.20 EPA 及非 EPA 规定的 PAHs 排放量 4.4.2 不同后处理装置后 PAHs 毒性对比 不同结构的多环芳烃 PAHs 其生物毒性也不同，目前对于 PAHs 毒性的研究中较多采用的是苯并a芘（Bap）等效毒性（Bap equivalent, BEQ）进行评价。由于苯并a芘（Bap）是 EPA 规定的多环芳烃中第一个被发现的化学致癌物，其毒性也最强， 以此为基准测得各 PAHs 对于苯并a芘的相对毒性作为其毒性当量因子，并根据不同种类 PAHs 的排放质量可计算得出 PAHs 总的毒性当量。 048121620原车DOCDOC+CDPFPAHs组分排放质量 (ng)非EPAEPA 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 70 EPA 名单内 16 种多环芳烃的毒性当量因子如表 4.2 所示，其中，苯并a芘和二苯并a,h蒽的毒性最强， 其次为苯并a蒽、 苯并b荧蒽、 苯并k荧蒽和茚并123-cd芘，再次为蒽和，其余 8 种 PAHs 的毒性均相对最弱。 表 4.2 颗粒相 PAHs 的毒性当量因子 PAHs 种类 毒性当量因子PAHs 种类 毒性当量因子 萘 0.001 蒽 0.01 苊烯 0.001 0.01 苊 0.001 苯并a蒽 0.1 芴 0.001 苯并b荧蒽 0.1 菲 0.001 苯并k荧蒽 0.1 荧蒽 0.001 茚并123-cd芘0.1 芘 0.001 苯并a芘 1 苯并ghi苝 0.001 二苯并a,h蒽1 计算得到原车及安装两种后处理装置后 EPA 名单内的 PAHs 毒性当量如图4.21 所示。由图可知，原车、DOC 后及 DOC+CDPF 后颗粒相 PAHs 的毒性当量分别为 0.20，0.19 和 0.01。安装 DOC 后毒性当量比原车降低了 4.06%，远小于前文中其对 EPA 名单内 PAHs 的质量减排率 39.14%；安装 DOC+CDPF 后颗粒相 PAHs 的毒性当量比原车降低了 94.27%，略小于前文中其对 EPA 名单内颗粒相 PAHs 排放质量的减排率 95.32%；由此可见 DOC 和 DOC+CDPF 对于毒性较强的 PAHs 作用较差。 图 4.21 EPA 名单内 PAHs 排放的毒性当量 4.5 本章小结 本章主要研究了试验车辆在 CCBC 循环下，使用不同后处理装置前后颗粒物数量、质量、碳质组分及颗粒相多环芳烃排放特性的变化，分析了试验车辆颗00.00.25原车DOCDOC+CDPFPAHs毒性当量 第 4 章 不同后处理装置对柴油公交车颗粒物排放的影响 71 粒物数量和质量排放因子、 后处理装置在不同工况下的作用特点以及颗粒粒径分布特征，并进一步探究了使用不同后处理装置对整个 CCBC 循环颗粒物碳质组分及多环芳烃排放的影响，得到的主要结论如下： （1）安装后处理装置后试验车辆颗粒物数量排放率明显下降， DOC 后整个循环颗粒物数量排放率降低了 39.14%， DOC+CDPF 后降低了 99.58%； 在不同片段中，DOC 对颗粒物数量的减排率随着平均车速的升高而升高，DOC+CDPF作用较为稳定；在不同工况下，两种后处理装置在加速工况的作用相对较好。试验车辆颗粒物对数数量浓度呈双峰对数分布， 其中核膜态颗粒物占颗粒物数量总排放的主要部分； 两种后处理装置对于核膜态颗粒物数量的作用整体优于其对聚集态颗粒物数量的作用。 （2）后处理装置对试验车辆颗粒物质量排放有一定影响，DOC 后整个循环颗粒物数量排放率降低了 5.27%， DOC+CDPF 后降低了 98.74%； 在不同片段中，DOC 和 DOC+CDPF 的效果均有一定波动，但 DOC 的变化范围相对更大；在不同工况下，DOC 的作用差别不明显，DOC+CDPF 对加速工况颗粒物质量的控制效果相对较好。试验车辆颗粒物对数质量浓度呈单峰后上升状，其中聚集态颗粒物占颗粒物总质量的 95%以上；两种后处理装置对于核膜态颗粒物质量的作用同样整体优于其对聚集态颗粒物质量的作用。 （3）后处理装置能降低车辆的碳质组分排放，安装 DOC 后其 OC 降低了6.16%，EC 降低了 20.33%，TC 降低了了 14.88%；安装 DOC+CDPF 后其 OC 降低了 49.15%，EC 排放量降为 0，TC 降低了 80.42%。原车 OC/EC 比例为 0.63，安装 DOC 后该比例为 0.74。 （4）原车及安装后处理装置后，其颗粒相 PAHs 排放中、芘、菲、荧蒽四种物质均占较大比例；安装 DOC 后 PAHs 排放总质量下降了 35.49%，安装DOC+CDPF 后下降了 95.15% ；在检测的成分中，EPA 名单内的 PAHs 组分是总 PAHs 排放的主要组成部分， DOC 和 DOC+CDPF 对于名单内 PAHs 的作用效果明显优于名单外的 PAHs。与原车相比，安装 DOC 后 PAHs 的毒性当量下降了 4.06%，而 DOC+CDPF 后其毒性当量下降了 94.27%。 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 72 第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性 73 第第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性章 排气参数和后处理装置的关联性 安装后处理装置后，不仅对车辆的污染物排放有一定的影响，同时也会影响到车辆的瞬态排气参数，如排气温度和排气背压等。试验过程中，通过在后处理装置前后安装温度和压力传感器， 可以测得后处理装置入口和出口处的排气温度以及压降。本章主要对安装后处理前后上述两项参数的变化进行探究，并在此基础上通过灰色理论对各个工况、 排气参数与后处理装置作用效果进行关联性分析，讨论可能影响后处理装置作用的主要因素。 5.1 后处理装置对排气温度的影响 由于尾气中部分污染物可以在 DOC 内发生催化氧化反应，反应放出的热使得排气温度上升，为气态物和颗粒物的进一步氧化提供了有利条件，从而推动了污染物的减排和 DPF 的再生。张辉117在对轿车 DPF 的研究中对 DOC 的温升特性进行了分析，结果表明在其他参数相同的情况下，DOC 出口温度随着入口 HC浓度的增加而增加，且与 HC 浓度变化相比存在一定的时间延迟；排气流量的增加使得 DOC 出口温度上升变快，温度幅值也略有增长。 本次试验在 DOC 入口和出口处安装了温度传感器，可以实时测得试验过程中 DOC 进出口的温度并计算出温差。由于每轮测试均为若干重复的 CCBC 循环连续运行组成，为了排除第一个循环冷起动对温度测量的干扰，下文中仅讨论每轮中非首循环的温度变化特性。 试验过程中非首循环过程中 DOC 进出口的温度变化如图 5.1 所示。可以看出，DOC 的入口温度与车辆的行驶速度有一定的关联性；当车速上升时入口温度也随之上升，车速达到所在短行程峰值时温度也相应达到峰值或接近峰值；而在峰值后的减速和匀速过程中，入口温度首先随车速的降低而急剧降低，随后降速放缓；在下一个短行程的初始怠速阶段，入口温度缓慢下降，直至怠速结束后的加速阶段即随着车速的提升而再次攀升； 高速片段中入口温度的峰值明显高于中速和低速片段。 受到内部催化反应和物理传热等因素的影响，DOC 出口温度与车速虽然也有一定的相关性，但同时也表现出一定时间上的滞后性，这与张辉等人的研究结论类似。DOC 出口温度开始上升的时刻晚于相应短行程中速度上升的时刻，且温度的上升较为缓慢；出口温度的峰值一般在速度和入口温度的峰值之后出现，分布于相邻两速度峰值之间； 高速片段中对应的出口温度峰值明显高于中速和低 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 74 速；整个出口温度曲线相对速度曲线和入口温度曲线均平缓许多，波峰、波谷处极少出现折点。出口温度对于不同速度段车速变化的敏感度也是不同的，当速度峰值小于 40km/h 时，其对应的出口温度波动幅度不大；当出现急加速且速度峰值超过 40km/h 时，DOC 出口温度出现了明显上涨。 图 5.1 DOC 入口及出口温度特性 0200400600800100012001400010203040506070020040060080010001200140012014016018020022024026002004006008001000120014001401601802002202402602800200400600800100012001400-80-60-40-2002040 速度 (km/h)时间 (s) 入口温度 ()时间 (s) 出口温度 ()时间 (s) 温度差 ()时间 (s) 第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性 75 由于测试循环是连续进行的且本节讨论的均为非首个循环， 受到上个循环最终高速片段中车辆急加速的影响，DOC 入口温度和出口温度曲线在该循环起始段均表现出与速度不符的高起点及相同速度下的偏高值； 该影响力随着时间的推进逐渐减缓，在第 34 个短行程时几乎消失。 由于入口温度和出口温度在温度值和时间序列上存在差别，DOC 前后的温度差（入口温度减去出口温度）随时间的变化特征也表现出一定的复杂性。由于入口温度变化更为剧烈，DOC 的温度差曲线与入口温度曲线的性质更为接近，也与车速表现出较为明显的相关性。由于催化氧化反应放热，多数工况下 DOC前后温度差为负值， 大约分布在-60-10间； 当车辆高速片段下急加速时， 由于入口温度急剧上升和出口温度的延迟性，温度差绝对值减小，甚至出现入口温度高于出口温度的工况点。若考虑入口温度和出口温度在时间轴上的“滑动”间隔，将两曲线放在不同的时间序列中使其峰值相对应，则曲线的时间滑动量约为30s， 即出口温度与入口温度相比响应延迟了约 30s； 波峰处的入口温度约比出口温度高 520，波谷处约高 3050。 DOC+CDPF 中 DOC 前后温度特性与单独 DOC 前后温度特性几乎一致，此处不再重复进行讨论。 5.2 后处理装置前后压降 对于后处理，由于载体结构因素及气体和微粒的运动沉积等影响，会给排气带来一定的流动阻力，使得后处理装置前后存在压力差。尤其对于 DPF，捕集效率和流阻性能是衡量其性能优劣的重要指标， 但两者之间通常存在着相互制约的关系51。对于后处理装置的流阻特性，国内外众多学者均进行了研究，主要从载体尺寸、 通道结构、 过滤阶段以及来流参数等方面对其进行影响因素分析和优化。 本次试验在 DOC 前后及 DOC+CDPF 中的 CDPF 前后安装了压力传感器，可以得到试验过程中后处理装置前后的压降。 单独使用 DOC 前后的压降如图 5.2所示。可以得知，多数工况下 DOC 前后气压一致，但在急加速和少数急减速工况下会产生瞬时的压降，其范围在 30 Pa 340Pa 间，不同短行程间压降幅值随着速度升高而升高。DOC 前后压降可能主要来自载体对于气流的干扰，主要影响因素可能为排气流量及排气温度：随着排气流量的上升，气体相对于载体入口的速度上升，流动阻力增加；排气温度上升，使得气体的运动粘度上升，同样使得气体的阻力损失增大。 马晗清118对DOC零维集总参数模型的建立中得出了DOC压降的计算公式，其中当 DOC 结构参数不变时，影响压降的两项参数分别为气体粘度和排气体积流量。 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 76 图 5.2 DOC 前后压降 DOC+CDPF 中 CDPF 前后的压降如图 5.3 所示。由图可知 CDPF 前后压降存在较为明显的变化，压降曲线波动剧烈，但其轮廓线与车速变化呈现出一定的相关性。CDPF 前后压差基本分布在 30Pa1200Pa 范围内，怠速片段下压降幅值相对较小，而加速片段下压降幅值相对较大。 图 5.3 CDPF 前后压降 影响 CDPF 气流阻力的因素很多，包括其入口结构、长径比、壁面厚度、孔道密度、孔道截面等结构参数，排气流量、排气温度等排气参数以及颗粒沉积量及其分布等。龚金科等人119的研究表明增大过滤体体积、减小过滤体长径比有利于减小流动阻力，而提高排气流量和排气温度会使得流动阻力增加，随着孔道宽度和孔密度的升高流动阻力呈现先减小后增大的趋势。秦岩120等人的仿真分析证明由壁面产生的压降是 DPF 压降的主要组成部分，在深床过滤阶段 DPF 压降迅速增大。李志军121对 DPF 孔道内的流场及微粒沉积特性进行了数值模拟，结果表明在滤饼过滤阶段，随着滤饼层厚度增加，气流速度对 DPF 压降的影响0501001502002503003500102030405060701438512716921125329533737942146350554758963167371575779984188392596710091051109311351177121912611303压降 (Pa)速度 (km/h)时间 (s)速度压降0200400600800100012000102030405060701438512716921125329533737942146350554758963167371575779984188392596710091051109311351177121912611303压降 (Pa)速度 (km/h)时间 (s)速度压降 第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性 77 也逐渐增加。李成元122的试验结果也表明 DPF 的压降随着碳烟加载量及排气温度的上升而上升。 对于试验使用的某结构参数确定的 CDPF，其流阻特性主要受到上述后面两方面因素的影响。随着车速的提升，排气流量增大，排气温度上升，使得排气相对过滤体的速度和运动粘度上升，从而增大了其通过过滤体时的阻力损失，从而造成后处理装置前后压差的升高，这也与上文中其他人的研究结果相符。由于本次试验采用的是未经使用的新 DOC+CDPF 装置，其在经过预处理后未进行道路或其他形式的运营或测试，因此试验前 CDPF 内几乎无微粒沉积。在试验的过程中，连续 5 个循环中 CDPF 前后压降最大值和平均值如表 5.1 所示。由表中数据可知，随着试验的进行，CDPF 入口及出口处最大压降和平均压降略有上升，但变化并不明显。 这可能是由于试验车辆在连续 5 个循环中行驶的总里程数远少于后处理装置保养要求的里程数， CDPF累计收集的微粒量较少； 且由于排气中NO2与微粒发生反应，促进了 CDPF 的被动再生，因此试验过程中使用的新DOC+CDPF 压降特性并未表现出随微粒沉积的明显变化。 表 5.1 各 CCBC 循环 CDPF 最高压降及平均压降 循环 1 循环 2 循环 3 循环 4 循环 5 最高压降（Pa） 1130 1130 1060 1180 1280 平均压降（Pa） 196.02 198.53 217.02 215.89 228.78 5.3 基于灰色理论的多因素关联分析 5.3.1 灰色理论与灰色关联度 根据研究系统内信息量的大小和信息是否明确，可以将系统分为三类：白色系统、黑色系统和灰色系统。其中，白色系统信息量大，且信息关系明确；黑色系统信息量小，且信息模糊；而灰色系统则介于两者之间，其内涵信息不完全，信息间的关系和相互作用原理不完全明确， 即部分信息已知而部分信息未知123。 灰色系统理论最早由我国学者邓聚龙于 1982 年提出，该理论认为任何随机过程都是在一定的幅值和一定时区内变化的灰色量， 从系统的角度去研究各信息间的关系，研究如何在已知信息的基础上对未知信息作出判断124。灰色系统理论包括灰色决策、灰色预测、灰色关联分析等。其中，灰色关联分析（Grey Relational Analysis）是系统分析中一种对于多因素的分析方法，其基本原理为，系统内各个因素观测值可以组成一系列序列曲线， 将这些曲线的几何形状进行比较，若几何形状越相似，则因素间灰色关联度越大，反之则越小124。与其他分 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 78 析方法相比，灰色关联分析不要求样本量很大，并且不需要样本遵循典型的分布规律，计算量小，且结果与定性分析结果较为吻合，是一种适用于小样本系统的不确定分析。由于灰色系统具有信息的不完全性和非唯一性，体现在灰色关联分析上即为关联度的大小本身并不重要，需要着重研究的是其关联序（即灰色关联度的顺序），因素的灰色关联序位置表示其在所有考察因素中与目标因素间关系的强弱及次序。 介于灰色关联分析对小样本系统的优势，许多研究人员将其应用在工程、社会、经济等领域的分析中，并与神经网络、模糊算法等相结合，以提高整体算法模型的适用性、稳定性和运算效率，进而对后续的预测或决策方案提供更为合理的参照基础集125-126。进一步，灰色关联分析的还可以运用矩阵、高维场数据，从而将研究对象从曲线拓展到曲面，进而到 n 维空间内的超曲面127。 在进行灰色关联分析时， 首先要选择系统的特征行为序列 Z0（或称作系统的参考序列）以及系统的相关因素行为序列 Xi（或称作系统的比较序列）。参考序列 Z0为间接表征系统行为特征的映射量，比较序列 Xi为所要探究的因素在相应序号上的观测值。 由于各因素序列的量纲不同，为了增强序列数据的可比性，要对序列中原始数据进行一定的归一化变换处理，使其无量纲化，从而能够基于灰色关联分析的原理将序列曲线放在同一个坐标系中进行比较。 常用的数据变换方法有以下几种： （1）初值化，对 X=(x(1)，x(2)，x(n)，有 ( (1), (2),., ( )Yyyy n 其中 ( )( )(1)x jy jx ，(1)0x ，j=1,2,n （5.1） （2）均值化，对 X=(x(1)，x(2)，x(n)，有 ( (1), (2),., ( )Yyyy n 其中 ( )( )x jy jx ，0x ，j=1,2,n （5.2） （3）极小化，对 X=(x(1)，x(2)，x(n)，有 ( (1), (2),., ( )Yyyy n 其中 max( )( )x jy jx ，max0x ，j=1,2,n （5.3） （4）极大化，对 X=(x(1)，x(2)，x(n)，有 ( (1), (2),., ( )Yyyy n 其中 min( )( )x jy jx ，min0x ，j=1,2,n （5.4） 第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性 79 （5）标准化，对 X=(x(1)，x(2)，x(n)，有 ( (1), (2),., ( )Yyyy n 其中 ( )( )x jxy j，为样本标准差，且0 ，j=1,2,n （5.5） （6）极差变换，对 X=(x(1)，x(2)，x(n)，有 ( (1), (2),., ( )Yyyy n 其中 minmaxmin( )( )x jxy jxx ，maxmin0xx ，j=1,2,n （5.6） 本文使用初值化变换，构建新的序列 Y，使其对应值为原始序列 X 中各观测值对序列内第一个观测值的比值，如式（5.1）。 如前文所述，灰色关联分析的原理是对序列曲线的相似性进行对比，这种相似性体现在不同序列间数量变化的相似性与发展趋势变化的相似性两方面， 即曲线间位移差和斜率差的相似性。 灰色关联分析需要以灰色关联度计算模型作为基础，目前常用的模型包括邓氏关联度、广义灰色关联度、B 型关联度、T 型关联度、C 型关联度、灰色斜率关联度等以及其在具体应用背景下的改进模型。各模型的主要差别在于其进行曲线相似性比较的方式和计算方法， 其适用的研究系统也不同。 本文主要采用邓氏关联度模型， 这是灰色理论中最早提出的关联度模型。 设系统参考序列为 0000(1),(2),.,( )Zzzz n 经过变换后的系统比较序列为 (1),(1),.,( )iiiiYyyy n 其中， n 为观测点个数， m 为系统相关因素 （比较序列） 的个数， i=1,2,m。 首先计算比较序列 Yi中各点与参考序列中对应点观测值的关联系数0i ： 00000minmin( )( )maxmax( )( )( )( )( )maxmax( )( )iiijijiiiijzjyjzjyjjzjyjzjyj （5.7） 其中，为分辨系数，客观上反应了所研究的各个比较因素对关联度的影响程度。文献128中证明了关联系数0i是的单调增函数，并阐释了的取值原则为既要能充分体现关联度的整体性又要有抗干扰作用，其具体取值规则如下： 记v 为灰色关联因子空间（Z0，Y）中所有差值绝对值的均值，即 0111( )( )mnviijzjyjm n （5.8） 记maxv ，则的取值范围为 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 80 （1）当max3v 时，1.5 ； （2）当max3v 时，1.52 。 基于以上规则及文献中的一般值，本文中取0.5。 则比较因素与参考因素的关联度为 00011(,)( )niiijZ Yjn （5.9） 由式（5.9）计算出各关联度后，可得到系统比较因素的关联度集 01020,.,m 通过对各个关联度0i的比较及排序，可得到各比较因素的关联序，即各比较因素与参考因素相关性大小的顺序， 从而辨别哪些因子与参考因素的相关性较高，以便进行后续分析讨论与计算。 5.3.2 多因素与后处理装置作用的关联性分析 基于灰色理论的分析原理，由于试验循环是基于时间序列的连续函数，为了对其进行各因素间关联性分析，需要首先对其进行离散化，选取适当的特征工况点及相关数据。本文使用机动车比功率（Vehicle Specific Power，VSP）作为工况点评价标准。VSP 的定义为“单位质量机动车的瞬时功率”，其数值与速度、加速度、道路坡度等各因素均有关，可以较好地反应机动车行驶工况和排放及油耗的关系129。本文采用的是 P.Andrei 提出的针对公交车的 VSP 计算方法130，其计算公式如下： 3(9.807 sin0.09199)0.000169VSPvav （5.10） 其中 v 为车速（m/s），a 为加速度（m/s2）；为道路坡度或弧度，本文中取0 。 标准 CCBC 循环中各工况点 VSP 的频率分布如图 5.4 所示。由图可知，循环中各点 VSP 的范围在-159 之间，其中多数工况点分布 VSP 分布在-36 间；VSP 在 03 范围内的工况点最多，其中包含了 VSP=0 的怠速工况点 369 个。 选择每个小频段内与其相应平均 VSP 相近的点作为关联性分析的特征工况点。其中，由于每个循环中 VSP 在-15-12 以及-12-9 间的工况点过少，为了防止其中出现奇异点而对整个参数变化规律及关联性分析产生不利影响， 不选用这两组范围内的工况点；将 VSP=0 的点的集合单独列出，与 0VSP3 的点集区分开来，以便分析怠速工况下的参数变化及可能的影响因素相关性。最终选择出工况点 AG 共 7 个，其对应 VSP 分别为-7、-4、-1、0、1、4、7。 第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性 81 图 5.4 CCBC 循环 VSP 频率分布直方图 选择的各工况点影响因素包括 VSP、速度、加速度等三种工况参数，排气流量、DOC 入口温度等两种排气参数，以及原车排气中 NOx、O2、CO、THC 浓度等四种排气组分参数，共 9 项。分别研究各参数对于后处理装置 CO、THC、颗粒物数量以及质量在各工况点减排率的关联性，以及上述参数对 DOC 前后温度差、CDPF 前后压降的影响。其中，以原车排气中四种组分的浓度作为排气中相应组分的初始浓度，以 DOC 前入口温度作为排气初始温度。通过计算得到各工况点及其相关比较序列参数的数值如表 5.2 所示。 表 5.2 工况点及其比较序列参数 工况点 A B C D E F G 1 VSP（kW/t） -7 -4 -1 0 1 4 7 2 速度（km/h） 33.10 25.11 18.27 0 12.12 32.54 45.36 3 加速度（m/s2） -0.93 -0.74 -0.35 -0.02 0.10 0.39 0.45 4 排气流量（m3/min） 3.06 2.08 2.55 1.86 2.59 3.93 4.82 5 排气温度（） 211.29 199.07 184.10 170.66 174.89 190.49 209.49 6 NOx 浓度（10-6） 255.60 252.46 448.92 538.92 700.59 1198.68 1676.587 O2浓度（vol%） 19.88 19.45 17.97 17.37 15.84 10.88 5.89 8 CO 浓度（vol%） 0.0051 0.0049 0.0074 0.0090 0.0100 0.0213 0.0547 9 THC 浓度（10-6） 30.77 30.11 31.97 34.54 33.80 33.72 45.26 -15-12-9-6-303690100200300400500600700800900（）VSPkW/ton工况点数（个） 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 82 各工况点及其参考序列参数的数值如表 5.3 所示。 表格中 “温度差” 均为 DOC前后温度差， “压降”为 DOC+CDPF 中 CDPF 前后压降。由于 DOC 对于 PM 质量排放率影响较小，因此参考因子中未将 DOC 对 PM 的减排率列入，仅选取其对颗粒物数量 PN 的减排率作为参考因子之一；由于 DOC 前后排气压差的试验数值特征不典型，因此参考因子也未将 DOC 的压降列入其中。 表 5.3 工况点的参考序列参数 工况点 A B C D E F G DOC CO 减排率（%） 21.33 20.8219.37 12.73 20.40 29.69 35.62 THC 减排率（%） 19.73 46.7040.45 34.36 36.83 37.15 44.68 PN 减排率（%） 29.13 25.2716.18 5.43 15.26 42.06 64.42 温度差（） -12.22 -25.42-35.34-52.67-44.68-26.37 -6.26 DOC + CDPF CO 减排率（%） 23.59 28.0838.11 26.18 36.49 35.86 39.56 THC 减排率（%） 78.67 80.7483.29 71.38 80.66 71.85 65.57 温度差（） -13.83 -22.21-34.83-44.42-43.25-18.69 -1.77 PN 减排率（%） 99.30 99.2298.99 98.77 99.15 99.36 99.97 PM 减排率（%） 97.38 97.1898.26 98.90 99.05 98.70 99.22 压降（Pa） 154.50 187.73194.48123.85184.66284.28 348.23将表 5.2 中各比较参数值按 5.3.1 节中式（5.1）进行初值变换，得到关于比较序列的变换矩阵 1234567891.000.570.1400.140.5711.000.760.5500.370.981.371.000.800.380.020.110.420.491.000.910.830.610.841.281.581.000.940.870.810.830.900.991.000.991.762.YYYYYYYYYY112.744.696.561.000.980.900.870.800.550.301.000.951.431.741.964.1510.641.000.981.001.47 第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性 83 其中，Yi的下标i(i=1,2,9)分别对应表5.2中各比较因子的序号。 在计算表5.2中各比较因子与表5.3中各参考因子关联度时，首先同样将研究的参考序列进行初值变换，再通过式（5.7）计算出对应各点的关联系数，最后通过式（5.9）得到各因子的灰色关联度。根据表5.3中参考因子顺序，列出比较序列与各参考序列的关联系数矩阵、关联度集以及关联序如下： （1）DOC的CO减排率 根据上述方法得到的比较序列各点关联系数矩阵如下： 1.000.920.850.880.800.690.631.000.950.930.880.880.920.941.000.960.890.880.810.710.671.000.990.980.990.980.980.981.000.990.990.960.970.900.971.001.000.840.750.720.580.481.001.001.000.940.960.840.761.001.000.890.800.820.620.331.001.000.970.890.970.940.96 得到的关联度集为 0.82,0.93,0.85,0.98,0.95,0.76,0.93,0.78,0.96 通过排序可知，与DOC的CO减排率关联度最高的三个因素分别为排气流量、排气中THC浓度以及排气温度。 （2）DOC的THC减排率 根据上述方法得到的比较序列各点关联系数矩阵如下： 1.000.920.680.710.670.630.561.000.980.740.710.740.820.821.000.990.710.710.680.640.601.000.980.770.790.800.870.861.000.980.780.820.800.810.771.000.970.930.920.830.600.501.000.970.780.830.800.760.681.000.980.871.000.980.650.331.000.970.810.870.840.840.84 得到的关联度集为 0.74,0.83,0.76,0.87,0.85,0.82,0.83,0.83,0.88 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 84 通过排序可知，除排气中THC浓度外，与DOC的THC减排率关联度最高的三个因素分别为排气流量、排气温度以及排气中O2浓度。 （3）DOC的PN减排率 根据上述方法得到的比较序列各点关联系数矩阵如下： 1.000.930.910.960.860.670.571.000.971.000.960.960.900.831.000.980.960.960.870.690.611.000.990.940.940.910.930.961.000.980.930.870.940.880.771.000.970.780.690.660.560.491.000.970.920.860.940.820.691.000.980.830.730.750.610.331.000.970.900.820.880.920.85 得到的关联度集为 0.84,0.95,0.87,0.94,0.91,0.74,0.89,0.75,0.91 通过排序可知，与DOC的PN减排率关联度最高的三个因素分别为车辆速度、排气流量以及排气温度。 （4）DOC的温度差 考虑到DOC对THC和CO的氧化放热，将DOC对THC和CO的减排率也列入比较因素， 其比较序列分别为Y10和Y11。 根据上述方法得到的比较序列各点关联系数矩阵如下： 1.000.770.650.540.570.650.771.000.790.680.540.610.810.851.000.800.670.540.570.660.841.000.810.710.580.640.850.831.000.820.710.590.640.800.911.000.820.820.700.850.660.461.000.820.720.600.640.760.961.000.820.780.660.750.720.331.000.820.730.610.660.830.841.000.710.820.610.680.870.811.000.800.860.660.740.950.74 得到的关联度集为 0.71,0.76,0.73,0.77,0.78,0.76,0.78,0.72,0.79,0.79,0.82 第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性 85 通过排序可知，与DOC前后温度差关联度最高的四个因素分别为DOC对THC和CO的减排率、排气中THC浓度以及排气温度。 （5）DOC+CDPF的CO减排率 根据上述方法得到的比较序列各点关联系数矩阵如下： 1.000.880.750.800.730.680.631.000.910.800.800.800.890.941.000.910.780.800.730.700.671.000.940.850.900.860.950.981.000.950.860.930.860.880.871.000.960.970.820.790.590.481.000.960.860.950.860.820.761.000.950.960.880.920.630.331.000.950.891.000.910.910.96 得到的关联度集为 0.78,0.88,0.80,0.93,0.91,0.80,0.89,0.81,0.95 通过排序可知，与DOC+CDPF的CO减排率关联度最高的三个因素分别为排气中THC浓度、排气流量以及排气温度。 （6）DOC+CDPF的THC减排率 根据上述方法得到的比较序列各点关联系数矩阵如下： 1.000.920.840.840.810.770.731.000.950.910.840.880.990.901.000.960.880.850.810.790.791.000.980.960.940.960.930.871.000.980.960.980.961.000.971.000.990.870.800.740.560.461.000.990.970.990.960.930.901.000.980.930.850.840.600.331.000.991.000.960.980.960.88 得到的关联度集为 0.84,0.92,0.87,0.95,0.98,0.78,0.96,0.79,0.97 通过排序可知，与DOC+CDPF的THC减排率关联度最高的四个因素分别为排气温度、排气中THC浓度、排气中O2浓度以及排气流量。 （7）DOC+CDPF中DOC的温度差 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 86 由于未能测得DOC+CDPF中DOC后THC和CO的排放率，此处无法将THC和CO的减排率也列入比较因素。依然基于表5.2中9项比较因素，根据上述方法得到的比较序列各点关联系数矩阵如下： 1.000.840.700.590.620.740.821.000.860.740.590.660.950.811.000.870.720.590.620.760.901.000.880.770.630.701.000.781.000.890.770.640.700.930.861.000.890.880.770.940.610.451.000.890.770.650.700.880.971.000.890.840.730.830.650.331.000.890.790.670.730.970.80 得到的关联度集为 0.76,0.80,0.79,0.82,0.83,0.79,0.84,0.75,0.83 通过排序可知，与DOC前后温度差关联度最高的四个因素分别为排气中THC和O2浓度、排气温度以及排气流量。 （8）DOC+CDPF的PN减排率 根据上述方法得到的比较序列各点关联系数矩阵如下： 1.000.920.850.830.810.750.711.000.950.920.830.881.000.931.000.960.890.830.810.770.761.000.980.970.930.970.940.891.000.990.970.960.960.981.001.001.000.860.810.730.570.461.001.000.980.980.960.910.871.000.990.920.870.830.600.331.001.000.990.970.980.980.91 得到的关联度集为 0.84,0.93,0.86,0.95,0.98,0.78,0.96,0.79,0.98 通过排序可知，与DOC+CDPF的PN减排率关联度最高的四个因素分别为排气中THC浓度、排气温度、排气中O2浓度以及排气流量。 （9）DOC+CDPF的PM减排率 根据上述方法得到的比较序列各点关联系数矩阵如下： 第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性 87 1.000.920.850.830.810.750.701.000.950.910.830.880.990.931.000.960.880.830.810.770.761.000.980.960.920.970.950.901.000.990.970.960.960.980.991.001.000.870.810.740.570.461.001.000.980.970.960.910.871.000.990.920.870.840.600.331.001.000.990.980.980.980.91 得到的关联度集为 0.84,0.93,0.86,0.95,0.98,0.78,0.95,0.79,0.98 通过排序可知，与DOC+CDPF的PM减排率关联度最高的四个因素同样分别为排气中THC浓度、排气温度、排气中O2浓度以及排气流量。 （10）DOC+CDPF中CDPF前后压降 考虑到5.2节中CDPF在试验过程中捕集颗粒物给其压降带来的可能影响，在对CDPF压降的关联性分析时，将DOC+CDPF对PN和PM的减排率纳入比较因素中， 其比较序列分别为Y10和Y11。 根据上述方法得到的比较序列各点关联系数矩阵如下： 1.000.870.790.840.760.630.561.000.900.860.840.830.830.831.000.910.830.840.760.650.601.000.930.910.960.920.880.861.000.940.911.000.920.810.771.000.950.890.760.730.600.491.000.950.920.980.910.760.681.000.940.960.820.850.640.331.000.950.950.930.980.850.841.000.950.940.960.960.830.771.000.950.940.950.960.840.77 得到的关联度集为 0.78,0.87,0.80,0.92,0.91,0.78,0.89,0.79,0.93,0.92,0.92 通过排序可知，与DOC+CDPF中的CDPF前后压降关联度最高的因素分别为排气中THC浓度、排气流量、DOC+CDPF对PN和PM的减排率以及排气温度。 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 88 由上述结果可知，后处理装置对CO和THC的减排率均与排气流量、排气温度、排气中THC初始浓度有着较高的相关性，其中后处理装置对THC的效果还受到排气中O2浓度的较大影响； 后处理装置对颗粒物的减排率均与排气流量、排气温度、 车速有着较高的相关性， 其中排气中THC和O2浓度也与DOC+CDPF对颗粒物的减排率呈现出较大的相关度；DOC前后温度差与DOC入口处排气温度、排气中THC和O2浓度、排气流量以及DOC对THC和CO的减排率存在较高的相关性；CDPF前后压降与排气中THC浓度、排气流量、DOC+CDPF对PN和PM的减排率以及排气温度相关度较高。 综合来看，排气温度、排气流量和排气中THC的初始浓度对于后处理的工作效果及其带来的温度压强变化均呈现出较高的关联性。这可能是由于THC的氧化放热一方面促进了排气中气态物和颗粒物中SOF的氧化反应，另一方面也造成了气流粘度的增加使得流动阻力增大。CO的氧化与DOC前后温差也有一定的相关性，其原理与THC相似。排气中O2浓度对后处理装置中氧化反应的进行有一定影响，可能间接影响了后处理装置的作用效果。而CDPF中捕集颗粒数的增加会给压降带来影响。当然，所选各比较因素之间也不是相对独立的，例如排气温度和流量、排气中组分浓度与车速均存在一定的跟随性，从而使得若干因素均可对参考因素带来相当的影响。另外，由于灰色系统的非唯一性，选择不同的工况点观测值来构建参数序列、使用不同的灰色关联度计算模型，都可能对本节的关联性结果造成影响。 5.4 本章小结 本节就后处理装置对排气温度和排气气压的影响进行了分析， 并在此基础上采用灰色理论对不同工况参数、排气参数、排气组分对后处理装置的作用效果及其带来的温度、气压变化的影响进行了讨论，结果如下： （1）DOC入口温度和出口温度与车速均有一定的相关性，其中入口温度与车速的相关性更强， 而出口温度变化响应存在一定时间上的延迟且曲线更为平缓；入口温度和出口温度在高速阶段变化较为剧烈，其幅值明显高于中低速阶段；DOC入口和出口的温度差也与速度呈现一定关联性， 且由于DOC内催化氧化反应放热，使得该温度差在大多数时间下为负值，即出口温度高于入口温度。 （2）DOC在少数急加速和高速工况点会出现小幅度的前后压降，其值分布在30Pa340Pa之间，而多数工况下压差为0；CDPF前后压降更为明显，其压降值分布在30Pa1200Pa之间， 且与车速存在一定的相关性， 在加速工况下压降值较高。 第 5 章 排气参数和后处理装置的关联性 89 （3）通过灰色关联度和邓氏计算模型对多种因素间的关联性进行了分析，结果表明排气温度、排气流量、排气中THC浓度与后处理装置的减排效果和造成的温度差、压差均存在着较高的关联度；车速、排气中O2浓度也对此有一定的影响；除上述因素外DOC前后温差同时也表现出与DOC对THC和CO的减排率的较高关联度；CDPF前后压降还与DOC+CDPF对颗粒物的减排率相关。 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 90 第 6 章 总结与展望 91 第第 6 章 总结与展望章 总结与展望 6.1 全文总结 本文以上海市科学技术委员会课题 “柴油机催化型连续再生后处理装置匹配试验研究”为依托，研究不同后处理装置对柴油公交车污染物排放特性的影响。以一辆满足国III标准的柴油公交车为研究对象，利用底盘测功机排放测试系统对其安装后处理装置前后运行中国城市公交车循环时的气态污染物和颗粒物排放进行了检测，分析了在整个试验循环及不同片段、不同工况下后处理装置的作用效果，并就多种因素与后处理装置作用效果的关联性进行了探讨，总结如下： 1. 研究了两种后处理装置对试验车辆气态污染物排放的影响，得到的主要结论如下： （1）试验车辆的CO排放率随着不同片段下平均车速的升高而增长；DOC和DOC+CDPF均可以降低试验车辆的CO排放，其减排率分别为22.46%和34.41%；不同片段下，两种后处理装置对CO的减排率也随着平均车速的升高而增加；DOC在怠速工况下作用相对较差，DOC+CDPF在怠速和减速工况下效果劣于加速和匀速工况，但各工况下DOC+CDPF对CO的氧化效果均优于DOC； （2）试验车辆在高速片段下THC排放率最高，而在中速片段下总排放量最高；DOC和DOC+CDPF均可以降低试验车辆的THC排放，其减排率分别为42.50%和78.29%；不同片段下，DOC对THC的减排率随着平均车速的升高而降低，DOC+CDPF的作用效果较为稳定；DOC在怠速工况下效果略差于其余三种工况，DOC+CDPF在减速工况下的效果较好而怠速和加速工况下相对较差，但各工况下DOC+CDPF对THC的氧化效果均优于DOC； （3）试验车辆在高速片段下NOx排放率最高，而在中速片段下总排放量最高； 加速阶段NOx的排放是总排放的主要组成部分；DOC和DOC+CDPF对NOx排放的影响很小，其减排率均在5%内；DOC后NOx中NO2含量上升，而DOC+CDPF后NO2/NOx比例与原车相比有所降低； （4）后处理装置对车辆尾气中VOCs的排放量和组分均有一定影响：原车VOCs排放以含氧/硫化合物、卤代烃、烯烃为主； DOC后VOCs排放总量比原车略有降低，其中烷烃和卤代烃的含量下降，而烯烃和含氧/硫化合物的含量有所上升；DOC+CDPF后VOCs排放总量比原车降低了41.84%， 其中含氧/硫化合物和卤代烃的含量比原车分别降低了51.00%和93.11%，而烯烃含量明显上升。从碳数分布来看，VOCs排放以C1C6为主；安装后处理装置前后VOCs在含 同济大学 硕士学位论文 不同后处理装置对柴油公交车排放特性的影响研究 92 碳数上的分布规律有较大差别，原车以C1和C3为主，安装DOC后以C1、C3和C6为主，安装DOC+CDPF后以C2和C3为主；两种后处理装置后C10C12均高于原车； 2. 研究了两种后处理装置对试验车辆颗粒物排放的影响，得到的主要结论如下： （1）安装后处理装置后试验车辆颗粒物数量排放率明显下降，DOC后整个循环颗粒物数量排放率降低了39.14%，DOC+CDPF后降低了99.58%； 在不同片段中，DOC对颗粒物数量的减排率随着平均车速的升高而升高，DOC+CDPF作用较为稳定；在不同工况下，两种后处理装置在加速工况的作用相对较好。试验车辆颗粒物对数数量浓度呈双峰对数分布， 其中核膜态颗粒物占颗粒物数量总排放的主要部分；DOC对于核膜态颗粒物数量的减排作用较好，DOC+CDPF对全粒径段的颗粒物数量排放均有良好的减排效果。 （2）后处理装置对试验车辆颗粒物质量排放有一定影响，DOC后整个循环颗粒物数量排放率降低了5.27%，DOC+CDPF后降低了98.74%； 在不同片段中，DOC和DOC+CDPF的效果均有一定波动，但DOC的变化范围相对更大；在不同工况下，DOC的作用差别不明显，DOC+CDPF对加速工况颗粒物质量的控制效果相对较好。试验车辆颗粒物对数质量浓度呈单峰后上升状，其中聚集态颗粒物占颗粒物总质量的95%以上； DOC+CDPF对全粒径段的颗粒物质量排放均有良好的减排效果。 （3）后处理装置能降低车辆的碳质组分排放，安装DOC后其OC降低了6.16%，EC降低了20.33%，TC降低了了14.88%；安装DOC+CDPF后其OC降低了49.15%，EC排放量降为0，TC降低了80.42%。原车OC/EC比例为0.63，安装DOC后该比例为0.74。 （4）原车及安装后处理装置后，其颗粒相PAHs排放中、芘、菲、荧蒽四种物质均占较大比例；安装DOC后PAHs排放总质量下降了35.49%，安装DOC+CDPF后下降了95.15% ；在检测的成分中，EPA名单内的PAHs组分是总PAHs排放的主要组成部分，DOC和DOC+CDPF对于名单内PAHs的作用效果明显优于名单外的PAHs。与原车相比，安装DOC后PAHs的毒性当量下降了4.06%，而DOC+CDPF后其毒性当量下降了94.27%。 3. 研究了工况、 排气参数和排气组分与后处理装置作用的关联性， 得到的主要结论如下： （1）DOC入口温度和出口温度与车速均有一定的相关性，其中入口温度与车速的相关性更强， 而出口温度变化响应存在一定时间上的延迟且曲线更为平缓；入口温度和出口温度在高速阶段变化较为剧烈，其幅值明显高于中低速阶段； 第 6 章 总结与展望 93 DOC入口和出口的温度差也与速度呈现一定关联性， 且由于DOC内催化氧化反应放热，该温度差在多数工况下为负值。 （2）DOC在少数急加速和高速工况点会出现小幅度的前后压降，其值分布在30Pa340Pa之间，而多数工况下压差为0；CDPF前后压降更为明显，其压降值分布在30Pa1200Pa之间， 且与车速存在一定的相关性， 在加速工况下压降值较高。 （3）通过灰色关联度和邓氏计算模型对多种因素间的关联性进行了分析，结果表明排气温度、排气流量、排气中THC浓度与后处理装置的减排效果和造成的温度差、压差均存在着较高的关联度；车速、排气中O2浓度也对此有一定的影响；除上述因素外DOC前后温差同时也表现出与DOC对THC和CO的减排率的较高关联度；CDPF前后压降还与DOC+CDPF对颗粒物的减排率相关。 6.2 研究展望 后处理装置是柴油机污染物控制的有效途径。 随着环境问题的突出和排放法规的日益严格，效果良好的后处理装置已成为机动车减排的必要举措。对满足国III排放标准的车辆进行后处理改造，既有利于环境污染的改善，同时也有较好的经济效益和社会效益。 本文在底盘测功机平台上对试验车辆安装两种后处理装置前后的排放变化进行了讨论，为车辆的污染控制提供了一定参照。但对于后处理装置，还有许多方面值得进一步研究： （1）本文使用的后处理装置其结构参数和催化剂组分均为确定的，而实际上这两方面因素对于后处理装置的效果都有重要的影响， 未来可就不同结构参数、催化剂组分及涂覆量等因素对后处理装置在实车应用中的效果进行研究； （2）本文选择中国典型城市公交车循环作为试验循环，该循环可以较好的反应上海市公交车的行驶状态，但由于其工况复杂多变，不利于后处理装置作用效果的对比， 后续可在稳态工况中通过变量控制对后处理装置的作用差别进行分析； （3）本文主要基于试验结果对后处理装置的作用进行讨论，未使用仿真软件进行建模分析，得到的结论可能受试验环境的影响，未来可结合仿真对后处理装置进行更加量化的分析； （4）本文在进行多因素关联性分析时选择的是经典的邓氏灰色关联度计算模型，并使用初值化方法对数据进行变换，未来可基于工况深入分析选择不同的样本观测点、数据变换方法及计算模型，进行更科学、多角度的关联分析，进一步挖掘影响后处理装置作用效果的因素。 同济大学 硕士学位论文 致谢 94 致谢致谢光阴似箭，岁月如梭，转眼间两年半的研究生生活即将步入尾声，加上本科的四年，不知不觉竟已在同济度过近七年时光。回首刚入学的兴奋与迷茫，细思在校园的拼搏与欢乐，一点一滴犹如画卷铺展开来，又在眼前辗转滑过。在校度过这大半青春里，有挫折，有收获，但更重要的是遇到了德高望重的老师，结识了优秀的同学， 正是在他们的关心、 帮助和支持下我才能克服种种困难坚持前行。今朝幸甚与君结师友，来日孤身也敢闯九州，即将告别青葱步入社会，在此心怀感激地为这份答卷画上一个句号。 首先我要感谢我的导师楼狄明教授。楼老师学识渊博、刻苦认真，既有前瞻视野又立足当下，既能顾全大局又不忘细节，他严谨的学术风格和忘我的工作精神都深深打动着我。他对我们要求严格，不仅在于学术知识的尽善尽美，而且强调工作的流程化与规范化，在他的影响下我逐渐养成了良好的学习工作习惯，这对我未来的工作和生活也大有裨益。在课题的进行和论文的撰写方面，楼老师也提供了很多宝贵意见，帮助我理清思路、查漏补缺，最终顺利完成了毕业设计。在此向楼老师致以最诚挚的感谢和祝福！ 其次也要感谢课题组的谭丕强教授和胡志远副教授。 两位老师治学严谨求实、平易近人，在会议上总能对我存在的问题提出很多关键意见。在课题的进行中，两位老师也给予了极大的帮助和支持，与他们交流过程中总能有所收获。两位老师的学术水平和人格魅力都深深地感染着每一个人。 同时还要感谢课题组的冯谦博士和张允华博士在日常试验和论文撰写中给我提供了很多建议与帮助， 引导我从不同的角度去分析问题。 感谢课题组的张烨、包松杰和谢亚飞三位学长，赵可心、苏芝叶、贺南、施利华、万鹏等各位同学，以及耿小雨、孙瑜泽、宋博等学弟学妹们，在团队工作以及数据的分析与解释等方面他们给了我很大支持，是我完成学业的重要助力。此外，我也要感谢与我一起写论文的同学们，他们在软件操作和论文排版方面给了我很大帮助，使我能够较为高效地将论文完成。他们丰富的学识、灵活的思考方法以及乐于助人的精神都让我获益匪浅。 最后，我要感谢我的父母，他们在整个学习阶段给了我最多的支持和鼓励。尤其在最后这一学期，他们既担心我找工作和毕业论文进展，又怕给我造成太大压力，电话中一直尽量以轻松的语气和我聊现状。他们无微不至的关心和包容是我不断前进的最大动力！ 2016年12月 同济大学 硕士学位论文 参考文献 95 参考文献参考文献1 Tamanouchi M, Morihisa H, Yamada S, et al. 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