硕士论文范文——催化型连续再生颗粒捕集器对生物柴油公交车排放的影响研究.docx

1、 学术型硕士 硕士学位论文 催化型 连续再生颗粒捕集器对生物柴油 公交车排放的影响研究 姓 名： 学 号： 所在院系：汽车学院 学科门类：工学 学科专业：动力机械及工程 指导教师： 年 月 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 柴油机在燃油经济性、动力性 和 可靠性 等 方面的优势使其越来越多地被运用在城市公交车上，然而柴油公交车 主要行驶 在城市人口密集区域 ， 其 尾气 排放 严重影响了 人们的健康与安全 ，因而 柴油机 尾气 污染物排放 限制了 柴油公交车 的推广与使用 ，寻找 清洁 的 替代燃料 和 可靠的后处理技术迫在眉睫。 一方面， 以 餐厨废弃油脂为来源的生物柴油燃料既可以避免

2、废弃油脂重回餐桌 ， 又可以直接在柴油机 上使用且具有降低 颗粒 排放的优势 ，成为了 清洁 替代燃料领域的研究重点 。另一方面 ， 催化型 连续再生颗粒捕集器 可实现连续可靠的再生 而 被公认为 最有前景的后处理技术 ，是后处理技术领域的研究热点 。 本文选取一 辆 上海市 在用的 国 III 柴油公交车为试验样车 ， 开展了基于重型底盘测功机测试 技术的 整车 排放试验，对比分析 公交车原车 燃用 纯 柴油 B0（原车 +B0） 、 原车燃用 生物柴油 B10（原车 +B10）和 安装 DOC+CDPF 后 燃用 生物 柴油 B10（ DOC+CDPF+B10）时 运行在中国典型城市公交车

3、循环（ CCBC）下时 其尾气污染物 的排放特性，重点研究了 DOC+CDPF 对 燃用 生物柴油 B10 的 公交车尾气 气态物 （ CO、 THC、 NO、 NO2、 NOX） 排放 、 颗粒 数量与质量 排放 和 颗粒组分（碳质组分、离子组分、有机组分）排放 的影响 ，此外还从单颗粒层面上研究了 公交车 尾气 颗粒 的 质谱图与 粒径 。得到的主要结论如下： （ 1） 研究了 DOC+CDPF 对生物柴油公交车 气态物 排放的影响 。试验结果表明： 与 燃用 纯柴油 B0 相比， 燃用 生物柴油 B10 时 公交车 尾气 中 CO 和 NO2排放 上升明显， CCBC 循环下 CO 和

4、NO2 排放 分别 上升 12.5%和 18.9%， THC 排放下降 3.6%， 公交车 尾气中 NOX排放 特性主要取决于 NO 的 排放 水平， CCBC循环 下 NO 和 NOX排放 有 小幅上升 。 燃用 生物柴油 B10 公交车 安装 DOC+CDPF后 ， 其 尾气 气态物 CO 和 THC 分别 降低 18.0%和 33.9%， DOC+CDPF 对 NO2 减排 效果显著， 降幅 高达 58.1%， 但 安装 DOC+CDPF 后 引起排 气背压 与排 气 温度升高， 造成 NO 排放上升 2.7%， 使得 CCBC 循环下 NOX排 放也 增加 1.3%。 （ 2） 研究了

5、 DOC+CDPF 对生物柴油公交车尾气 颗粒 数量 、 质量 排放 的影响 。试验结果表明： 与 燃用 纯柴油 B0 相比， 公交车 燃用 生物 柴油 B10 时 其 CCBC循环下 核态 颗粒 数量 与质量 排放 分别 降低 35.5%和 40.2%； 聚集态 颗粒 数量排放增加 44.1%， 聚集态 颗粒 质量排放水平为燃用 纯柴油 B0 时 的 4.9 倍； 总 颗粒 数量排放降低 22.8%，总 颗粒 质 量排放 水平 为燃用 纯柴油 B0 时 的 4.8 倍 。 公交车燃用 生物 柴油 B10 时， CCBC 循环下 DOC+CDPF 对 核态颗粒数量 和 质量排放的捕集效率分别为

6、 99.5%和 98.9%；对聚集态颗粒数量 和 质量排放的捕集效率分别同济大学 硕士学位论文 摘要 II 为 99.4%和 98.7%；对总颗粒数量 和 质量排放的捕集效率分别为 99.5%和 99.7%。 （ 3） 研究了 DOC+CDPF 对生物柴油公交车尾气 颗粒 组分排放 的影响 。试验结果表明： 公交车原车 燃用纯柴油 B0、 原车 燃用生物柴油 B10 和 安装DOC+CDPF 后 燃用生物柴油 B10 运行 在 CCBC 循环下时 ， 其 尾气 颗粒 碳质组分EC 与 OC 的浓度均依次降低 。 公交车燃用 生物 柴油 B10 时 ，相比于燃用纯柴油B0， 其 尾气 颗粒离子

7、组分 Cl-、 NO3-、 SO42-、 C2O42-、 Na+和 Ca2+排放浓度降低，NH4+排放浓度 有所 上升。 安装 DOC+CDPF 后， 燃用 生物柴油 B10 公交车尾气中Cl-与 SO42-排放 减小 ， 但 NO3-、 C2O42-、 Na+、 NH4+和 Ca2+的 排放 浓度变大 。DOC+CDPF 对 燃用生物 柴油 B10 公交车 尾气中 颗粒 有机组分烷烃、 脂肪酸 和PAHs 的捕集率分别为 67.2%、 56.8%和 89.9%。 公交车原车 燃用纯柴油 B0、 原车 燃用生物柴油 B10 和 安装 DOC+CDPF 后 燃用生物柴油 B10 运行 在 CCB

8、C 循环下时 ， EPA 规定的 PAHs 分别占到 PAHs 总排放的 90.7%、 90.0%和 89.4%，此外 尾气 颗粒 PAHs的 毒性 当量 依次降低，分别为 0.0225、 0.0215和 0.0034 ng/cm2。 （ 4） 基于 SPAMS 分析研究了 各方案 公交车尾气 颗粒 的 质谱图 与 粒径 。试验结果表明： 公交车原车 燃用纯柴油 B0、 原车 燃用生物柴油 B10 和 安装DOC+CDPF 后 燃用生物柴油 B10 运行 在 CCBC 循环下时 ， 其 尾气 颗粒 的 单颗粒平均粒径分别为 0.85、 0.99 和 0.88 m。 公交车燃用 纯 柴油 B0

9、时 ， 其 尾气 颗粒主要 由 NaKCa_Nitrate、 EC、 PAHs_OC_S-N、 EC_S-N、 OC_Nitrate、 K_S-N 和PAHs_Nitrate 组成 。 燃用 生物 柴油 B10 时主要 由 EC_S-N、 Ca_EC_P-N、 OC_P-N、EC、 NaK_Nitrate、 Fe_Nitrate、 PAHs_OC_S-N 和 OC_S-N 组成 。 DOC+CDPF 能有效 氧化 颗粒 表面的有机成分 ，对 颗粒的 捕集 效果突出 。 与安装前相比 ， 燃用 生物 柴油 B10 公交车 安装 DOC+CDPF 后 尾气 中没有发现新类别的 颗粒 ， 主要 由E

10、C_S-N、 OC_P-N、 NaK_Nitrate、 Ca_EC_P-N、 Fe_Nitrate 和 PAHs_OC_S-N 组成。 关键词 ： 柴油公交车，生物柴油，催化型连续再生颗粒捕集器，排放特性 Tongji University Master of Engineering Abstract III ABSTRACT With its superior characteristics of fuel consumption, power performance and high reliability, diesel engines are increasingly used in

11、city diesel buses. However, diesel buses mainly work in the densely populated districts of city, and the exhaust pollutants threaten peoples health and safety. As a result, exhaust emission has become the biggest obstruction when promoting the application of diesel engines, and it is of great import

12、ance to find clean alternative fuel and reliable after treatment technology. On the one hand, the biodiesel made from waste oil can avoid food waste oil returning to the table and be used in diesel bus without any changes, which makes it become a research emphasis in the field of alternative fuel re

13、search. On the other hand, DOC+CDPF is known as one kind of after treatment with the optimal prospects and has gained extensive attention in after treatment technology field. An in-use Shanghai China Three diesel bus was selected as test bus to conduct vehicle emissions study by the heavy-duty chass

14、is dynamometer. The emission characteristics of the test bus when it burned diesel B0, biodiesel B10 and biodiesel B10 with a DOC+CDPF were investigated when the bus worked under the CCBC condition. Effects of DOC+CDPF on the gaseous and particulate pollutants of diesel bus fueled with biodiesel B10

15、 were the key research parts, meanwhile the particle mass spectrum and size were studied by SPAMS. The main conclusions are as follows: (1) Effects of DOC+CDPF on gaseous pollutants emission of diesel bus fueled with biodiesel B10 were investigated. Compared with burning diesel B0, CO and NO2 obviou

16、sly increased 12.5% and 18.9% when the diesel bus was fueled with biodiesel B10 under the CCBC condition, and THC has been decreased by 3.6%. The NO emission level decided the NOX emission characteristic of the diesel bus, and biodiesel B10 caused a light increase of both NO and NOX. When the biodie

17、sel bus was equipped with a DOC+CDPF, DOC+CDPF could decrease the CO and THC emission by 18.0% and 33.9%, and DOC+CDPF had a superior performance by decreasing the NO2 emission by 58.1%. Meanwhile, the exhaust pressure and temperature increased when DOC+CDPF was adopted, which caused the NO and NOX

18、increased 2.7% and 1.3%. (2) Effects of DOC+CDPF on particulate number and quality emission of diesel Tongji University Master of Engineering Abstract IV bus fueled with biodiesel B10 were investigated. Compared with burning diesel B0, when the diesel bus was fueled with diesel B0 under the CCBC con

19、dition, the nucleate grain number and quality decreased by 35.5% and 40.2%, the aggregated particles number increased 44.0% and the emission of aggregated particles quality increased to 4.9 times, the total particle number emission dropped 22.8% and its quality emission increased to 4.7 times. When

20、the biodiesel bus worked under CCBC condition, DOC+CDPF could reduce the nucleate grain number and quality emission by 99.5% and 98.9%, dropped the aggregated particles number and quality emission by 99.4% and 98.7%, and trapped the total particles number and quality emission by 99.5% and 99.7%. (3)

21、 Effects of DOC+CDPF on particulate component emission were researched. Both the biodiesel B10 and the DOC+CDPF after treatment could help reduce the emission of OC and EC. Compared with diesel B0, biodiesel B10 could decreased the emission of Cl-, NO3-, SO42-, C2O42-, Na+ and Ca2+, but also increas

22、ed the emission of NH4+. Besides, DOC+CDPF could reduce the emission of Cl- and SO42-, but increased the emission of NO3-, C2O42-, Na+, NH4+ and Ca2+. When the diesel bus was fueled with biodiesel B10, DOC+CDPF could trap the alkane, fatty acid and PAHs components by 67.2%, 56.8% and 89.9%. The PAHs

23、 obtained by EPA of the test bus when it burned diesel B0, biodiesel B10 and biodiesel B10 with a DOC+CDPF occupied the total PAHs emission by 90.7%, 90.0% and 89.4%, and the BEQ were 0.0225, 0.0215 and 0.0034 ng/cm2. (4) Particle mass spectrum and size were studied by SPAMS. The average single part

24、icle size of the bus when it burned diesel B0, biodiesel B10 and biodiesel B10 with a DOC+CDPF were 0.85, 0.99 and 0.88 m. When diesel bus was fueled with diesel B0, the exhaust particles mainly consist of NaKCa_Nitrate, EC, PAHs_OC_S-N, EC_S-N, OC_Nitrate, K_S-N and PAHs_Nitrate. When the bus burne

25、d biodiesel B10, its exhaust particles were EC_S-N, Ca_EC_P-N, OC_P-N, EC, NaK_Nitrate, Fe_Nitrate, PAHs_OC_S-N and OC_S-N. DOC+CDPF could oxidize the organic components in the particles and reduced the particle species when the bus burned biodiesel B10. As a result the exhaust particles of the test

26、 bus when it buren biodiesel B10 with a DOC+CDPF were composed by EC_S-N, OC_P-N, NaK_Nitrate, Ca_EC_P-N, PAHs_OC_S-N and Fe_Nitrate. Key Words: diesel bus, biodiesel, catalyzed continuously regeneration trap, emission Tongji University Master of Engineering Abstract V characteristics 同济大学 硕士学位论文 目录

27、 V 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 柴油车尾气污染物 . 3 1.2.1 气态污染物 . 3 1.2.2 颗粒污染物 . 3 1.3 生物柴油 . 7 1.4 颗粒捕集器 . 9 1.4.1 颗粒捕集器工作原理 . 9 1.4.2 颗粒捕集器关键技术研究 . 11 1.4.3 催化型连续再生颗粒捕集器 . 13 1.5 DOC+CDPF 对生物柴油车排放的影响研究现状 . 14 1.6 本文主要研究内容 . 15 第 2 章 试验系统布置与方案设计 . 17 2.1 概述 . 17 2.2 试验设计 . 17 2.2.1 试验车辆 . 17 2.2.2 试验燃料

28、 . 18 2.2.3 后处理装置 . 19 2.2.4 试验方案 . 20 2.3 重型底盘测功机试验系统 . 21 2.3.1 重型底盘测功 机 . 21 2.3.2 试验循环及有效性判定 . 22 2.3.3 试验循环工况分析 . 23 2.4 尾气污染物排放测试系统 . 25 2.4.1 气态物测试系统 . 25 2.4.2 颗粒测试系统 . 26 2.5 本章小结 . 31 第 3 章 DOC+CDPF 对生物柴油公交车 气态物排放的影响 . 33 3.1 排气 温度 . 33 3.2 一氧化碳 CO 排放特性 . 34 3.3 总碳氢 THC 排放特性 . 35 3.4 氮氧化物

29、NOX排放特性 . 37 3.5 本章小结 . 43 第 4 章 DOC+CDPF 对生物柴油公交车 颗粒排放的影响 . 45 同济大学 硕士学位论文 目录 VI 4.1 颗粒数量排放特性 . 45 4.1.1 不同行驶路段下的颗粒数量排放特性 . 45 4.1.2 不同行驶工况下的颗粒数量排放特性 . 49 4.2 颗粒质量排放特性 . 53 4.2.1 不同行驶路段下的颗粒质量排放特性 . 53 4.2.2 不同行驶工况下的颗粒质量排放特性 . 58 4.3 颗粒组分排放特性 . 61 4.3.1 碳质组分与离子组分排放特性 . 61 4.3.2 有机组分排放特性 . 63 4.4 本章小

30、结 . 69 第 5 章 基于 SPAMS 的尾气颗粒质谱图与 粒径分析 . 73 5.1 基于 ART-2a 的颗粒 分类方法 . 73 5.2 各方案颗粒组成分布 . 75 5.3 各方案颗粒质谱图 . 76 5.4 各方案颗粒粒径分析 . 84 5.5 各粒径段颗粒组成 . 86 5.6 本章总结 . 90 第 6 章 全文总结与展望 . 93 6.1 全文总结 . 93 6.2 展望 . 95 致谢 . 97 参考文献 . 98 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 . 104 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 进入 21 世纪后 ， 社会经济快速发展，我国对

31、能源的需求量不断上升，面临着资源短缺、环境污染、生态破坏等严峻形势 1。能源是关乎国土安全和民生质量的最基本、最重要的战略物资，我国的能源结构有 着“ 富煤、贫油、少气 ” 的特点，而工业的快速发展离不开石油的支撑，因而我国石油对外依存度正逐年上升，如图 1.1 可知 近年来我国石油对外依存度一直居高不下，成为了维护我国国土安全的重大隐患之一。 图 1.1 我国石油消耗情况 目前 世界上每年近一半的石油能源 是 由机动车消耗掉的， 环境污染也与机动车尾气排放密切相关。柴油机 具备 动力性 好 、燃油 消耗 低 和 可 靠性 强等 优势，被越来越多地运用在机动车上 。 然而 柴油车 排放的尾气颗

32、粒是雾霾天气的主要元凶，且大气中的氮氧化物也主要来源于柴油车尾气排放 2。柴油公交车主要 运行在城市人口密集 区域，其尾气排 放严重威胁着人们的正常生活与大气环境，治理柴油公交车尾气污染对 推广公 交车 出行 、 实现节约能源和治理大气环境污染意义重大。 为 有效控制柴油车尾气污染物排放 ， 各国都在积极制定 并 实施日趋严格的排放法规 ， 无 论是日本、美国还是欧洲，未来法规的发展趋势都是实现零排放 3。我国当前制定排放法规 及 选用测试循环时 ， 主要参照欧洲 制定的 相关排放法规标0 20 40 60 80 0 1 2 3 4 5 6 7 2006 2007 2008 2009 2010

33、 2011 2012 2013 2014 2015 进口依存度/(%) 消费量与净进口量/(亿吨) 消费量 净进口量 进口依存度 同济大学 硕士学位论文 催化型 连续再生颗粒捕集器对生物柴油公交车排放的影响研究 2 准，表 1.1所示为欧洲重型柴油机 排放 法规中 各阶段 各项 污染物 相应的排放 限值 。 表 1.1 欧洲 重型柴油机排放法规 排放阶段 CO （ g/kWh） HC （ g/kWh） NOX （ g/kWh） 实施日期 Euro I 4.5 4.5 1.1 1.1 8 8 1992, 85 kW Euro II 4 4 1.1 1.1 7 7 1996.1 1998.1 Euro III 1.5 2.1 0.25 0.66 2 5 1999.1 EEVs 2000.1 Euro IV 1.5 0.46 3.5 2005.1 Euro V 1.5 0.46 2 2008.1 Euro VI 1.5 0.13 0.4 2013.1 生物柴油作