1、同济大学硕士学位论文摘要 I 硕士学位论文 （专业学位） 同等学力硕士博士（打印时删除） 基于行驶里程的不同后处理装置 对柴油公交车排放特性的影响 姓 名： 学 号： 所在院系： 汽车学院 专业领域： 动力工程 指导教师： 年 月 同济大学硕士学位论文摘要 II 摘要 为了解决汽车工业发展所带来的环境问题，目前可采取的措施包括与国际接轨的排放标准的制定、引导汽车向小型化发展、商用车燃料清洁化、节能化等。由于柴油发动机动力性、燃油经济性与耐久性好、以及二氧化碳与碳氢排放量低的特点，使得柴油车的减排研究显得尤其重要。 本文采用便携式排放测试系统，选取同一车型的国 III 排放标 准柴油 公交 车，
2、共 7 辆，分别进行原车排放测试，之后分别将 DOC、 CDPF 与 DOC+ CDPF 安装在其中三辆车上，另 4 辆车上则分别安装 G 型、 K 型、 M 型、 N 型四种不同贵金属负载量的 CDPF 与 DOC 组成的 DOC+ CDPF，长期跟踪并进行定期排放测试，并进行对比。在此基础上，着重探讨分析上述不同后处理装置随着车辆行驶里程的累积，其减排性能的劣化情况。 得出的主要结论如下： （ 1） DOC、 CDPF、 DOC+CDPF 样车排放随着行驶里程的变化 CO 排放方面，在 DOC 性能劣化前，其 CO 转化效率可维持在 70%以上；单独安装 CDPF，其劣化趋势不明显，但是
3、CDPF 的整体 CO 转化效率较低、工作稳定性差；两者联合使用，整体转化效率较高、工作状态稳定，在 12 万公里以前皆保持着高效工作状态。 THC 排放方面， THC 净化效果最差的为单独 使用 CDPF 的情况；相较于单独使用 DOC，在其基础上加装 CDPF，可明显增强后处理装置的 THC 净化效果。但当行驶里程到达 12 万公里后，后处理装置劣化严重。 NOx 排放方面， DOC 和 DOC+CDPF 的 NOx 净化效果较为理想，可认为，DOC 在 NOx净化方面起到主导作用。行驶里程超过 12 万公里后， DOC+CDPF性能将严重劣化、完全失效。 PN 排放方面， DOC 的 P
4、N 转化 性能 会较早劣化 ，而 PM 转化 效率则明显 更低 且更早开始劣化 ； CDPF 的 PN 转化效率与 DOC+CDPF 相当，且可通过及时进行高温保养处理而保持其水平 ； DOC+CDPF 的颗粒物转化效率始终高于其他二者 。 （ 2）不同贵金属负载量的 CDPF 样车排放随着行驶里程的变化 CO 排放方面，贵金属负载量的变化只有在升高到一定程度（ G 型 CDPF）后才能较为明显的提高 CDPF 的 CO 转化率，且这一提高效果在行驶里程到达 5万公里后即有所劣化，转化效率将下降至其他贵金属负载量较低 CDPF 的同一水同济大学硕士学位论文摘要 III 平，整体优化程度并不明显
5、。 THC 排放方面， G 型 CDPF 的 THC 转化效率最高 且劣化程度最轻， 其他三者则水平相近 。当贵金属负载量加至 25 g/ft 后可有效提高 CDPF 的 THC 转化性能，低于此负 载量时，则贵金属的负载量对于 CDPF 的 THC 转化性能影响较小。 NOx 排放方面，在行驶里程到达 3 万公里之前，增加 CDPF 的贵金属负载量可有效提升 CDPF 的 NOx转化效率。 颗粒物排放方面， N 型 CDPF 的贵金属负载量即可使 CDPF 的 PN 与 PM 转化性能达到较高的水平 ，并保持稳定的工作状态， 进一步增加贵金属负载量对于CDPF 的颗粒物转化性能影响不大 。
6、关键词 ： 柴油车，后处理，行驶里程，贵金属负载量 Tongji University Master of Philosophy Abstract III ABSTRACT In order to solve the environmental problems caused by the development of the automobile industry, the measures that can be taken include the formulation of emission standards in line with international standards,
7、 the miniaturization of vehicles, the cleanliness of fuel for commercial vehicles, and energy conservation. Due to the characteristics of diesel engine power, fuel economy and durability, as well as low carbon dioxide and hydrocarbon emissions, diesel emission reduction researches are particularly i
8、mportant. In this paper, the portable emission measurement system is adopted to test the diesel emission vehicles with the emission standard of national III. In the first group, DOC, CDPF and DOC + CDPF are respectively installed in three vehicles. In the second group, the other four vehicles are in
9、stalled with DOC + CDPF with four kinds of CDPF respectively. Both group were tracked and tested on a regular basis and compared with each other. The paper analyzes the degradation of the emission reduction performance of the different after-treatment devices with the accumulation of vehicle mileage
10、. The main conclusions are as follows: (1) DOC, CDPF, DOC+CDPF vehicles emissions with the mileage change The CO conversion efficiency of CDPF was more than 70% before degradation, but the degradation of CDPF was not obvious. However, the overall CO conversion efficiency of CDPF was low and the stab
11、ility of the work was poor. As for DOC+CDPF, the overall conversion efficiency is higher, the working condition is stable, and before 12 million kilometers DOC+CDPF maintained efficient working condition. As for THC emissions, the THC purification effect is the worst when using CDPF alone.Comparing
12、with the situation of using DOC alone, installation of CDPF on the basis of DOC can significantly enhance the THC purification effect. However, when the mileage reaches 120,000 km, the device deteriorates severely. As for NOx emissions, purification effect of DOC and DOC+ DPF is ideal, and DOC plays
13、 a leading rolein NOx purification. After the mileage reaches 120,000 km, performance of DOC+CDPF will be seriously degraded. Tongji University Master/Doctor of Philosophy Abstract IV The PN conversion efficiency of CDPF is similar to that of DOC + CDPF and can be maintained by the timely high-tempe
14、rature maintenance. In addition, the PN conversion efficiency of CDPF is lower than that of DOC + CDPF, and the PN conversion performance of DOCdeteriorated earlier, while the PM conversion efficiency was significantly lower.The conversion efficiency of DOC+CDPF was always higher than that of the ot
15、her two. (2) Different CDPF vehicles emissions with the mileage As for CO emission, the change of noble metal loading can only increase the CO conversion rate of CDPF after increasing to a certain degree (G-CDPF), and this improvement effect will be degraded after the mileage reaches 50,000 km , The
16、 conversion efficiency will decrease to the same level as that of other noble metals, and the overall optimization degree is not obvious. As for THC emissions, the THC conversion efficiencyof G-CDPFis the highest and with lightest degree of degradation while the other three are similar levels. When
17、the loading amount of noble metal is 25 g/ft, the THC conversion performance of CDPF can be improved effectively. When the loading amount of noble metal is less than this, the loadinghas little effect on the THC conversion performance of CDPF. As for NOx emissions, increasing the noble metal loading
18、 can effectively improve the NOx conversion efficiency before the mileage reaches 30,000 km. As for particulate matters, the PN and PM conversion performance of CDPF can be maintained at a high level by the noble metal loading of N-type CDPF, and a stable working condition is maintained. Further inc
19、rease of the noble metal loading has little effect on the conversion of CDPF particles. Key Words:Dieselbus, after-treatment device, mileage, noble metal loading 同济大学硕士学位论文目录 V 目录 摘要 . II 第 1 章 引言 . 1 1.1 柴油车污染情况 . 1 1.2 柴油车后处理装置国内外研究现状 . 4 1.2.1 柴油机污染物排放 . 4 1.2.2 柴油机氧化催化器 DOC（ Diesel Oxidation Cat
20、alyst） . 6 1.2.3 催化型颗粒捕集器 DPF（ Diesel Particulate Filter） . 9 1.2.4 连续再生颗粒捕集器 DOC+CDPF . 11 1.2.5 催化剂 . 13 1.2.6 便携式排放测试系统 PEMS . 15 1.3 本文的主要研究内容和技术路线 . 16 第章 试验设备与方案 . 19 2.1 试验样车 . 19 2.2 试验燃油 . 20 2.3 试验设备 . 20 2.3.1 气态物检测设备 . 20 2.3.2 颗粒物检测设备 . 21 2.4 试验工况及路线 . 21 2.4.1 试验工况 . 21 2.4.2 试验路线 . 2
21、2 2.5 试验方案 . 23 2.5.1 DOC、 CDPF、 DOC+CDPF 样车组 . 23 2.5.2 G 型、 K 型、 M 型、 N 型 CDPF 样车组 . 24 2.6 数据处理 . 25 2.6.1 工况划分 . 25 2.6.2 时间轴对齐 . 25 2.6.3 异常值修正 . 26 2.7 本章小结 . 26 第 3 章 DOC， CDPF， DOC+CDPF 对柴油公交车排放的影响 . 27 3.1 后处理装置进出口压差随行驶里程累积的变化 . 27 3.2 柴 油公交车实际道路排放随车速的变化 . 28 3.3 DOC 对柴油公交车排放的影响 . 30 3.3.1
22、不同准稳态车速下排放物随行驶里程变化规律 . 30 同济大 学 硕士学位论文目录 VI 3.3.2 不同加速度下排放物随行驶里程变化规律 . 32 3.3.3 不同工况下排放物随行驶里程变化规律 . 35 3.4 CDPF 对柴油公交车排放的影响 . 41 3.4.1 不同准稳态车速下排放物随行驶里程变化规律 . 41 3.4.2 不同加速度下排放物随行驶里程变化规律 . 43 3.4.3 不同工况下排放物随行驶里程变化规律 . 46 3.5 DOC+CDPF 对柴油公交车排放的影响 . 51 3.5.1 不同准稳态车速下排放物随行驶里程变化规律 . 51 3.5.2 不同加速度下排放物随行驶
23、里程变化规律 . 53 3.5.3 不同工况下排放物随行驶里程变化规律 . 56 3.6 DOC， CDPF， DOC+CDPF 对柴油公交车排放影响的比较 . 61 3.6.1 气态物排放比较 . 61 3.6.2 颗粒物排放比较 . 65 3.7 本章小结 . 67 第 4 章 不同贵金属负载量的 CDPF 对柴油 公交车排放的影响 . 71 4.1 G 型 CDPF 对柴油公交车排放的影响 . 71 4.1.1 不同准稳态车速下排放物随行驶里程变化规律 . 71 4.1.2 不同加速度下排放物随行驶里程变化规律 . 73 4.2 K 型 CDPF 对柴油公交车排放的影响 . 75 4.2
24、.1 不同准稳态车速下排放物随行驶里程变化规律 . 75 4.2.2 不同加速度下排放物随行驶里程变化规律 . 77 4.3 M 型 CDPF 对柴油公交车排放的影响 . 80 4.3.1 不同准稳态车速下排放物随行驶里程变化规律 . 80 4.3.2 不同加速度下排放物随行驶里程变化规律 . 81 4.4 N 型 CDPF 对柴油公交车排放的影响 . 84 4.4.1 不同准稳态车速下排放物随行驶里程变化规律 . 84 4.4.2 不同加速度下排放物随行驶里程变化规律 . 86 4.5 不同贵金属负载量的 CDPF 对柴油公交车排放影响的比较 . 89 4.5.1 气态物排放比较 . 89
25、4.5.2 颗粒物排放比较 . 92 4.6 本章小结 . 93 第 5 章 结论与展望 . 97 6.1 结论 . 97 6.2 进一步工作的方向 . 99 致谢 . 101 参考文献 . 103 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 . 109 第 1 章引言 1 第 1 章 引言 1.1 柴油车污染情况 目前 ，汽车工业在全世界范围内的发展 迅猛 ， 机动车 俨然成为了 现今 使用范围最广的交通工具，亦是现代生活的必需品之一，交通出行方式的结构亦发生了变化，完成了从摩托车到汽车的根本性转变。 然而，在 这一 迅猛发展 的趋势 之下， 汽车行业的发展还 面临着环境、交通等 ，严峻的问
26、题。解决这些问题的重要措施包括与国际接轨的排放标准的制定、引导汽车向小型化发展、商用车燃料清洁化、节能化等。 截止至 2016 年 6 月 底，中国 的 机动车保有量达到了 2.85 亿辆，其中，汽车保有量为 1.84 亿辆 1。在这一背景之下，“乘用车柴油化”的发展趋势亦在加速，这也已成为了饱受争议的话题。由于柴油发动机动力性、燃油经济性与耐久性好、以及二氧化碳与碳氢排放量低的特点，柴油车在欧洲已得到广泛运用， 60%的汽车以及其中 80%以上的 SUV 采用了柴油发动机。而在韩国，排放标准也日益严格，且随着 SUV 的热销，韩国柴油乘用车在过去三到四年的时间内，占比亦上升了至少 20%。然
27、而，中国的柴油乘用车占比为全球最低，仅为 0.5-0.8%。 制约柴油机运用推广的因素有 很多 2，对于其发展方向亦存在诸多争议。以往国内存在柴油短缺的情况，以农林牧副渔及火车的柴油供给为优先，而随着电气化的发展以及工具效率的提高，这些传统机械的柴油需求量有所下降，导致目前柴油转而出现过剩的情况。同时， 2015 年 1 月 1 日起，国 IV 柴油已于全国范围内供给到位，到 2017 年初，国 V 柴油亦将到位，解决了以往柴油油品供给滞后的问题。技术方面，柴油机噪音大的问题也已有所改善。因此，除以上原因之外，目前国内柴油机运用及发展所面临的最大问题即对其排放的限制。 众所周知 的是 ，汽车排
28、放物中 含有 的一氧化碳 （ CO） 、碳氢化合物 （ THC）与氮氧化合物 （ NOx） 都 是有害物质 ，可能导致 人体的 心脏和呼吸系统的疾病。而 柴油车污染物中的碳烟 、 颗粒物 ，也会增加 肺部癌症 的可能性 。目前，柴油车尾气 已经被世界卫生组织提升到了 “确定致癌”级别。而我国 各 城市近年来都面临着不同程度的空气污染问题 3，图 1.1 为各城市的空气检测情况，从图中可以看到，颗粒物 （ Particulate matter， PM） 为我国城市空气的首要污染物，高达 68.3%的城市 PM10 超标、 88.8%的城市 PM2.5 超标，其中分别有 13.1%与 40.4%的
29、城市 PM10 与 PM2.5 超标 90%以上。从 对上海市的 PM2.5 调查 结果来看， 25%的同济大学硕士学位论文基于行驶里程的不同后处理装置对柴油公交车排放的影响 2 PM2.5 来自机动车、船舶等移动源。其中，机动车所产生的污染物集中在距离地面高度 1 米上下，正是人所处的呼吸区域，特别是对于身高较矮的儿童，他们所吸入的排放物量可达成人的 2 倍，对于人体的健康有着长久、严重的潜伏危害。 图 1.1 城市空气质量指标不同浓度区间比例 据统计，我国柴油卡车数量仅占车辆总数的四分之一左右，然而其一氧化碳、碳氢 化合物、氮氧化合物和颗粒物的 排放量 ， 分别占汽车排放总量的 14.5%
30、、26.6%、 68.8%与 99%以上。如 图 3 所示，根 据张屹峰与宋毓在呼和 浩特进行的调研 4，柴油车占全市机动车的 14.7%， 但 PM 排放却是汽车排放总量的 100%，此外， CO 排放量占汽车排放总量的 24.9%、 THC 占 42.7%、 NOx 占 88.7%、足以证明，柴油车保有量虽少，而其污染占比大 。 其中以氮氧化物与 PM 排放为首。 图 1.2 不同能源 汽车的污染物排放分担率 在发动机常用工况范围内，由于 PM 与 NOX 相互 制衡、 此消彼长的关系 ，24.90% 42.76% 88.73% 100% 62.00% 46.40% 6.40% 13.10
31、% 10.87% 4.87% 0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%CO THC NOx PM排放分担率/(%)柴油 汽油 燃气 第 1 章引言 3 仅仅采取机内措施来降低 PM 的排放 ， 其效果有限 。 因此，只有在使用机内措施的同时 ，对柴油机尾气 采用后处理措施加以净化，才能 将其 PM 与 NOx 排放物降低到满足新排放标准的水平 。目前常用的排气后处理技术主要 包括 氧化催化技术 DOC 与 颗粒捕集技术 DPF。 而 连续再生 颗粒捕集器（ DOC+CDPF） 即由 两者耦合 组成，结构简单，也是降低排气中 THC、 CO 与 PM 的有效途径。 我
32、国将 于 2015 年 1 月 1 日起 ， 全面实施柴油车国 IV 排放标准 5-9，并旨在2017 年控制 PM10 下降 10%、长三角区域 PM2.5 下降 20%。 全国各城市都采取了大量 措施 ，来控制柴油车的排放 。北京规定，自 2016 年起，各类新增重型柴油车皆应选用安装壁 流式颗粒补集器（ DPF）车型，而在用公交车进行 SCR 改造；南京 则以 DPF 为治理 柴油车 排放的主要技术，轻型柴油车则以 颗粒氧化催化器（ POC） 为改造技术 。部分车企研发柴油乘用车时，针对国 IV 排放标准车辆选用 DOC 作为后处理技术，针对国 V排放标准则采用 DOC+CDPF 的方式
33、 10。 在欧洲 ，针对已广泛运用的 柴油车 ， 自 2014 年起 ，也 开始推行欧 VI 法规，NOx的 限值比欧 V 进一步下降了 80%、 PM 的 限值下降了 50%，且加入了 PN 要求、必须使用 DPF。 DOC+CDPF+SCR+ASC 作为 常规的欧 VI 技术路线，技术开发 难点 即 在于 DPF 的再生系统控制。 目前，针对发动机排放的测试大多数测试采用台架或转鼓试验的方式，台架与转鼓具有重复性好、测试精确度高等优势，但对于试验场地、检测设备以及试验设备操作人员的专业要求较高，由于试验场地的限制，无论如何设计其模拟程序，依旧与实际道路情况有较大的差异，如交通、天气、路况等
34、因素。此类室内测试只可通过调节发动机的负荷、转速、节气门开度等方式来模拟机动车在实际道路上行驶的工况，即发动机在特定工况下的排放情况，对于汽车真实行驶情况的还原度有限，无法完全体现汽车在不同的复杂道路上行驶时的排放水 平。若仅依靠这样的试验检测车辆 的排放，对于制定与落实相关排放法规存在一定误导作用。因此，为了进一步支持排放研究，需要 一种便携式的排放测试与分析系统。便携式排放测试系统（ Portable Emission Measurement System， PEMS），又称车载尾气监测设备，就 打破了 在 传统实验室 进行 试验的局限， 成功 实现了排放研究 ，向实时动态方向的转变。这一系统通过实时测试尾气样本、 车辆及发动机相关数据，来分析 车辆的实际排放情况。此外， PEMS 系统 有体积小、重量轻 的特点，可安置在被测车辆上，并 真实 地 反映道路环境对于整车排放的影响。
