白振宇，洪曉飛，方熙宇，王計(jì)廣，謝振凱

(1.唐山市環(huán)境監(jiān)控中心，河北唐山 063000；2.石家莊市機(jī)動(dòng)車排污管理中心，河北石家莊 050000；3.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

北京、天津、上海等地大氣細(xì)顆粒物(PM 2.5)源解析工作結(jié)果顯示：機(jī)動(dòng)車污染物排放已成為城市大氣細(xì)顆粒物的主要來(lái)源之一，其中柴油車顆粒物排放總量超過機(jī)動(dòng)車排放總量的90%，對(duì)柴油車顆粒物排放進(jìn)行治理成為社會(huì)日益關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。

顆粒物捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)可有效捕集過濾柴油車尾氣中的顆粒物，是當(dāng)前減少柴油車顆粒物排放最有效的技術(shù)。但隨著捕集的進(jìn)行，DPF內(nèi)捕集的顆粒物越來(lái)越多，必須要采取一定的再生措施清除DPF中積累的碳顆粒[4-7]。

DPF再生技術(shù)按照有無(wú)輔助熱源分為主動(dòng)再生技術(shù)路線和被動(dòng)再生技術(shù)路線兩種。其中由氧化催化轉(zhuǎn)化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)和催化型顆粒物捕集器(Catalyzed Diesel Particulate Filter，CDPF)組成的被動(dòng)再生系統(tǒng)的再生過程無(wú)需輔助熱源，無(wú)二次污染物生成，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響也較小，相比于其余的再生技術(shù)路線具有明顯的優(yōu)勢(shì)[8-12]。

然而，我國(guó)道路交通、車輛排放水平、燃油品質(zhì)存在一定獨(dú)特性，導(dǎo)致在國(guó)外應(yīng)用良好的DOC+CDPF技術(shù)路線在我國(guó)應(yīng)用時(shí)存在大量需要解決的問題。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)DOC+CDPF適配性問題開展了大量研究工作，對(duì)比分析了不同負(fù)荷、不同燃油品質(zhì)等條件對(duì)系統(tǒng)過濾效率、再生效率等關(guān)鍵性能參數(shù)的影響，其結(jié)果表明：DOC+CDPF系統(tǒng)在中等負(fù)荷、低硫柴油環(huán)境下再生能力最強(qiáng)，燃油添加劑會(huì)影響系統(tǒng)的再生能力。但當(dāng)前的研究均是基于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架開展的，針對(duì)該類系統(tǒng)在我國(guó)實(shí)際運(yùn)行車輛上適配應(yīng)用的研究尚不完善[13-14]。

本文作者通過車載排放測(cè)試技術(shù)(PEMS)和車載遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究了DOC+CDPF技術(shù)路線產(chǎn)品在實(shí)際道路工況條件下的過濾效率、再生特性和耐久性等性能，為該類型產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用提供了示范案例，也為該系統(tǒng)的本土化優(yōu)化開發(fā)提供了技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

文中采用的車載尾氣檢測(cè)設(shè)備(Portable Emission Measurement System，PEMS)見圖1。PEMS測(cè)試設(shè)備主要包括兩部分：OBS-2200和電子低壓撞擊器(Electrical Low Pressure Impactor,ELPI)。OBS-2200主要用于測(cè)試氣態(tài)污染物的瞬時(shí)濃度及車輛行駛中的排氣流量，ELPI用來(lái)測(cè)試車輛排放顆粒物的瞬時(shí)濃度。

圖1 PEMS測(cè)試設(shè)備

圖2為CDPF運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理圖。

圖2 CDPF運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

如圖2所示，試驗(yàn)用CDPF系統(tǒng)前、后端均安裝有測(cè)量壓力和溫度的傳感器，安裝時(shí)，壓差傳感器探頭需深入到排氣管內(nèi)部3 cm左右，溫度傳感器探頭需深入到排氣管內(nèi)部5 cm左右，以確保采集的壓力值和溫度值能達(dá)到工況狀態(tài)下的真實(shí)數(shù)值。當(dāng)柴油機(jī)開始工作時(shí)，壓力傳感器和溫度傳感器采集尾氣數(shù)據(jù)后經(jīng)過轉(zhuǎn)化處理，分別通過壓力軟管和線束傳到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端。

在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端中，實(shí)時(shí)采集的經(jīng)緯度等車輛地理位置信息、車速等車輛行駛狀態(tài)信息、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)信息，以及CDPF系統(tǒng)前、后端壓差等CDPF系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息最終會(huì)轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行無(wú)線通信傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)信號(hào)，該信號(hào)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上報(bào)到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以使用Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用和計(jì)算分析。

1.2 試驗(yàn)車輛信息

文中選擇的試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)及排量信息見表1。

表1 試驗(yàn)車輛及柴油機(jī)信息

文中參照天津市各類重型柴油車的保有量，選擇了最典型的三類車輛作為試驗(yàn)對(duì)象，這三類車輛運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)且多在人口密集區(qū)運(yùn)行，是需要重點(diǎn)治理的對(duì)象，所有車輛均為5年內(nèi)生產(chǎn)的未安裝任何后處理裝置，且符合國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油車。

1.3 試驗(yàn)方法

該項(xiàng)目選用同一廠家的CDPF系統(tǒng)，對(duì)所有試驗(yàn)柴油車開展加裝CDPF系統(tǒng)排放治理改造試驗(yàn)，該試驗(yàn)使用的DOC和CDPF貴金屬涂覆率、孔隙率等結(jié)構(gòu)和理化參數(shù)均相同，僅依據(jù)車輛排氣流量差異適當(dāng)調(diào)整CDPF尺寸。

所有加裝CDPF系統(tǒng)的試驗(yàn)車輛在治理改造完成、運(yùn)行滿5 000 km和運(yùn)行滿20 000 km時(shí)，均需要進(jìn)行一輪PEMS測(cè)試。為反映重型車輛在道路上運(yùn)行時(shí)的顆粒物排放情況，車輛仍按日常運(yùn)營(yíng)路線正常行駛，不規(guī)定某一固定工況，試驗(yàn)流程按照北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/965-2013《重型汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(車載法)》進(jìn)行。

在車輛啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，車載遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端會(huì)實(shí)時(shí)上報(bào)車輛的地理位置參數(shù)、車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)和 CDPF系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過Web服務(wù)器可調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)采集存儲(chǔ)的參數(shù)，分析不同環(huán)境溫度下DOC+CDPF的再生性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同車型CDPF適配效果

2.1.1 CDPF系統(tǒng)初始過濾效率

CDPF系統(tǒng)瞬時(shí)顆粒物過濾效率與發(fā)動(dòng)機(jī)工況相關(guān)，并不為恒定值。因此文中在篩選過濾明顯異常數(shù)據(jù)后，逐秒統(tǒng)計(jì)分析了PEMS試驗(yàn)過程中CDPF系統(tǒng)過濾效率的最高值、均值和最低值，以全面評(píng)價(jià)適配不同類型測(cè)量CDPF系統(tǒng)的過濾效率。

圖3給出了6輛試驗(yàn)重型柴油車初次加裝CDPF系統(tǒng)后，在實(shí)際道路運(yùn)行條件下，各CDPF系統(tǒng)PEMS測(cè)試的顆粒物過濾效率。由圖3(a)可知，6輛試驗(yàn)車輛加裝CDPF系統(tǒng)后，尾氣中的顆粒物排放量大幅下降，所有車輛的平均過濾效率均在90%以上，通過加裝CDPF系統(tǒng)可以有效降低國(guó)三排放水平在重型柴油車的顆粒物排放。

圖3 改造初始各CDPF系統(tǒng)過濾效率

由圖3(b)和圖3(c)可知，不同類型車輛加裝同類CDPF系統(tǒng)后，其最高過濾效率基本一致，均接近99%，但系統(tǒng)顆粒物最低過濾效率差異較大：運(yùn)行工況相對(duì)穩(wěn)定的商務(wù)巴士車和郵政物流車，其CDPF系統(tǒng)顆粒物過濾效率相對(duì)穩(wěn)定，綜合顆粒物過濾效率較好；而運(yùn)行工況相對(duì)復(fù)雜、頻繁啟停裝卸垃圾的環(huán)衛(wèi)車輛，其CDPF系統(tǒng)在部分大負(fù)荷加減速工況下的顆粒物過濾效率未達(dá)到85%，綜合顆粒物過濾效率相對(duì)較差。

2.1.2 CDPF系統(tǒng)匹配效果

耐久性是評(píng)價(jià)CDPF性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)之一。文中持續(xù)追蹤了6輛改造車輛CDPF系統(tǒng)的工作狀態(tài)，圖4表示6輛試驗(yàn)重型柴油車運(yùn)行滿5 000 km和20 000 km時(shí)，在實(shí)際道路運(yùn)行條件下，各CDPF系統(tǒng)PEMS測(cè)試的顆粒物平均過濾效率。

圖4 不同時(shí)期各CDPF系統(tǒng)過濾效率比對(duì)

由圖4可知，CDPF系統(tǒng)的顆粒物過濾效率隨里程的增加而波動(dòng)。

試驗(yàn)車輛運(yùn)行滿5 000 km時(shí)，各CDPF系統(tǒng)的顆粒物平均過濾效率相比于初始時(shí)刻均出現(xiàn)不同幅度的增加。主要是因?yàn)镃DPF內(nèi)沉積的未再生顆粒物和無(wú)法再生的灰分在孔道內(nèi)形成了濾餅層，而初期的濾餅層可以有效提升CDPF的攔截捕集效率。

試驗(yàn)車輛運(yùn)行滿20 000 km后，各CDPF系統(tǒng)的平均顆粒物過濾效率呈現(xiàn)較大差異，長(zhǎng)期往返于天津和北京兩地的商務(wù)巴士車1、2和郵政物流車4的顆粒物過濾效率波動(dòng)不大，仍保持在95%左右。而主要在天津市市區(qū)和城郊內(nèi)運(yùn)行的郵政物流車3和環(huán)衛(wèi)車5、6的顆粒物過濾效率出現(xiàn)了明顯下降，環(huán)衛(wèi)車6的顆粒物過濾效率僅為61.8%，遠(yuǎn)低于環(huán)保行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ451-2008《環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求柴油車排氣后處理裝置》中對(duì)壁流式DPF過濾效率應(yīng)高于85%的要求。

各試驗(yàn)車輛使用的CDPF系統(tǒng)技術(shù)路線和技術(shù)要求均相同，試驗(yàn)車輛1、2、4安裝的CDPF系統(tǒng)工作正常， 故因產(chǎn)品質(zhì)量問題導(dǎo)致過濾效率明顯下降的可能性較低。

圖5表示遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端上報(bào)的6輛試驗(yàn)車輛在一個(gè)月內(nèi)，CDPF系統(tǒng)前端的排氣溫度特征。

圖5 各試驗(yàn)車輛排氣溫度特征

由圖5可知，試驗(yàn)車輛1、2、4的排氣溫度整體水平較高，且排氣溫度超過280 ℃的時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的比重超過25%。而試驗(yàn)車輛3、5、6的整體排氣溫度水平較低，且排氣溫度超過280 ℃的時(shí)間占比不超過10%。而試驗(yàn)所選用的CDPF系統(tǒng)正常工作時(shí)的平衡點(diǎn)溫度為280 ℃。即當(dāng)通過CDPF系統(tǒng)的排氣溫度超過280 ℃時(shí)，CDPF系統(tǒng)內(nèi)顆粒物被動(dòng)再生速率高于捕集速率，CDPF內(nèi)的碳載量不斷下降，直至再生完全。

試驗(yàn)車輛1、2、4排氣溫度超過280 ℃時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的比重較大，可以滿足CDPF系統(tǒng)被動(dòng)再生的需求。而試驗(yàn)車輛3、5、6的排氣溫度無(wú)法滿足CDPF系統(tǒng)長(zhǎng)期正常工作的需求。CDPF系統(tǒng)的碳載量易超過正常限定值，影響車輛的正常工作，同時(shí)為保證車輛正常運(yùn)行，車輛3、5、6所安裝的CDPF需要頻繁維護(hù)，主動(dòng)清除內(nèi)部沉積的顆粒物和灰分，而維護(hù)時(shí)使用的熱再生法和反吹法均會(huì)影響CDPF系統(tǒng)的顆粒物捕集性能，導(dǎo)致CDPF系統(tǒng)的顆粒物過濾效率異常下降。故CDPF系統(tǒng)工作需求溫度和車型排氣溫度不適配是導(dǎo)致試驗(yàn)車輛3、5、6加裝CDPF系統(tǒng)顆粒物過濾效率異常下降的主要原因。

2.2 不同環(huán)境溫度CDPF適配效果

溫度是影響CDPF系統(tǒng)再生性能的關(guān)鍵性因素。圖6表示平均溫度35 ℃的夏季和平均溫度-15 ℃的冬季，兩輛商務(wù)巴士車1和2加裝的CDPF系統(tǒng)在冬季和夏季的顆粒物過濾效率特征。

圖6 夏季和冬季CDPF系統(tǒng)過濾效率比對(duì)

由圖6可知，試驗(yàn)車輛1和2加裝的CDPF系統(tǒng)冬季和夏季的最高過濾效率、平均過濾效率和最低過濾效率基本穩(wěn)定。在文中試驗(yàn)所選取的環(huán)境溫度區(qū)間內(nèi)，CDPF系統(tǒng)的過濾效率不因環(huán)境溫度的變化而出現(xiàn)大幅波動(dòng)。

圖7表示平均溫度35 ℃的夏季和平均溫度-15 ℃的冬季，兩輛商務(wù)巴士車1和2加裝的CDPF系統(tǒng)溫度和壓差特征。

圖7 夏季和冬季CDPF系統(tǒng)溫度和壓差比對(duì)

由圖7(a)可知，商務(wù)巴士車1加裝的CDPF系統(tǒng)冬季的最大壓差較夏季升高0.9 kPa，增幅約14%。商務(wù)巴士車2加裝的CDPF系統(tǒng)冬季的最大壓差較夏季升高1.0 kPa，增幅約16%。

當(dāng)CDPF系統(tǒng)碳載量不超過6 g/L時(shí)，其前后端的壓差與碳載量成正比，故可以用CDPF系統(tǒng)前后端壓差判定CDPF系統(tǒng)的碳載量。而CDPF系統(tǒng)孔道內(nèi)沉積的碳載量為顆粒物捕集量和顆粒物再生量的差值，在相似工況下，同一CDPF系統(tǒng)顆粒物捕集總量基本相同，其孔道內(nèi)沉積的碳載量取決于該段時(shí)間內(nèi)的顆粒物再生總量，CDPF系統(tǒng)再生性能越強(qiáng)，孔道內(nèi)沉積的顆粒物越少。故可認(rèn)為在相似工況下，同一CDPF系統(tǒng)前后端壓差越高，CDPF系統(tǒng)的碳載量越高，CDPF系統(tǒng)再生性能越弱。而由圖7(a)可知，CDPF系統(tǒng)冬季的最大壓差高于夏季，表明冬季CDPF系統(tǒng)內(nèi)的最大碳載量高于夏季，環(huán)境溫度削弱了CDPF系統(tǒng)的被動(dòng)再生能力。但冬季CDPF系統(tǒng)壓差較夏季的增幅在15%左右，增幅較小，表明文中試驗(yàn)所選擇的環(huán)境溫度對(duì)CDPF系統(tǒng)的再生能力影響較小。

由圖7(b)可知，商務(wù)巴士車1加裝的CDPF系統(tǒng)冬季的平均溫度較夏季低12 ℃，280 ℃以上的溫度占比較夏季低3.1%，為25.2%。商務(wù)巴士車2加裝的CDPF系統(tǒng)冬季的平均溫度較夏季低16 ℃，280 ℃以上的溫度占比較夏季低3.9%，為24.8%。

在文中試驗(yàn)所選擇的環(huán)境溫度區(qū)間內(nèi)(-15～35 ℃)，商務(wù)巴士車冬季的平均排氣溫度較夏季下降明顯，但280 ℃以上的再生關(guān)鍵溫度占總時(shí)間的比重仍處于較高水平，保持在25%左右，可以滿足CDPF系統(tǒng)長(zhǎng)期被動(dòng)再生的需求。

故在實(shí)際道路工況下，環(huán)境溫度會(huì)影響CDPF的性能，但對(duì)于適配性良好的車輛，CDPF系統(tǒng)仍能較好滿足柴油車顆粒物排放治理的需求。

3 結(jié)論

(1)重型柴油車加裝DOC+CDPF系統(tǒng)后，尾氣中的顆粒物排放量大幅下降，平均顆粒物過濾效率達(dá)到90%以上，但加減速工況下的顆粒物過濾效率較差。

(2)以商務(wù)巴士車和長(zhǎng)途郵政物流車為代表的重型柴油車，運(yùn)行工況相對(duì)穩(wěn)定，排氣溫度相對(duì)較高，與CDPF系統(tǒng)的適配性較好。而以環(huán)衛(wèi)車為代表的市區(qū)營(yíng)運(yùn)車輛，運(yùn)行工況相對(duì)復(fù)雜，啟停頻繁，平均排氣溫度較低，不適合加裝CDPF系統(tǒng)控制顆粒物排放。

(3) CDPF系統(tǒng)的再生性能受環(huán)境溫度影響，但即使在-15 ℃的冬季，車型適配性良好的CDPF系統(tǒng)仍具有較好的被動(dòng)再生能力，可以滿足柴油車顆粒物排放治理的需求。