组建跨校虚拟教研室提升研究生专业课教学质量——车用发动机排放控制技术课程改革探索

组建跨校专家教学团队,采用跨校虚拟教研室模式,以“三全”和“思政”元素融入课堂,探索一条提升研究生专业课程教学质量的途径。以车用发动机排放控制技术课程为例,从教师团队组建、课程内容设置、学生获得感三个方面,紧抓课堂教学主渠道,以多名跨校专家高质量授课形式潜移默化地体现科学家精神和立德树人理念。推崇以科研促进专业课教学,学生掌握必备专业知识,具备工程伦理和思辨思想。课程改革实施后,极大增强学生的家国情怀、爱岗敬业和学科自信,更加积极主动地投身科研,为提升研究生教育质量打下基础。

DPF和CDPF主动再生排放特性对比分析

基于外加热源再生台架和颗粒物加载装置,探究了不同再生温度和碳载量下柴油机颗粒捕集器(DPF)和催化型DPF(CDPF)主动再生时出口气体和颗粒物排放特性.结果表明:催化剂铂(Pt)的涂敷有利于碳黑(PU)的氧化,在相同碳载量条件下,CDPF更易产生温度波峰,且再生效率略高于DPF;DPF再生过程中伴随着较高体积分数的CO排放,且升温阶段会出现一个低浓度的核模态颗粒排放窗口,后续再生阶段几乎无颗粒物释放;CDPF再生过程中几乎没有CO生成,但在再生阶段会伴随着大量的30 nm以下的小颗粒释放,且随着再生温度和碳载量的升高,CDPF出口颗粒物浓度逐渐升高.DPF和CDPF再生时分别具有不同优化窗口,既有利于减少颗粒物排放同时又保持较高的再生效率.

水分条件下碳黑氧化气体排放特性的实验研究

基于柴油机颗粒捕集器(DPF)再生时的颗粒氧化过程,采用固定床反应器研究水蒸气条件下不同温度(495~565℃)、水浓度(0~9%)、氧浓度(5%~21%)及催化剂对均匀堆积碳黑颗粒层氧化气体排放特性的影响,通过气体分析仪测试排放气体获得碳黑氧化过程的气体排放特性.实验结果表明:温度升高、氧浓度增加与加入催化剂均会促进碳黑氧化,且催化剂CeO_(2)或Pt/Al_(2)O_(3)可使得CO接近零排放.水蒸气加入会使二氧化碳CO_(2)及CO排放量降低,碳黑氧化效率下降,水蒸气的这种抑制作用在高氧浓度时更为明显.当水浓度由0%增加至9%,气体排放量和氧化效率先下降后上升,3%时抑制效果最强,最终CO_(2)排放有所增加.此外,碳黑氧化排放的CO_(2)/CO比值随温度升高而下降,氧浓度对该比值影响较小,而水浓度升高该比值逐渐增加.

DPF白载体传热特性的试验研究

利用外加热源再生台架,测试了受来流热冲击时柴油机颗粒捕集器(DPF)白载体的内部温度场分布,分析各种因素对栽体最高温度T_(max)、最大升温速率K_(max)、末端温度梯度极值(dT/dy)_(max)的影响规律。研究结果表明:提高来流温度,T_(max)呈线性增大,K_(max)增加不明显,(dT/dy)_(max)也增大,有助于增强载体的传热性能;提高来流流量,T_(max)增加不明显,K_(max)则线性增大,(dT/dy)_(max)略有降低,也有助于增强载体的传热性能;增加载体长度,T_(max)、K_(max)、(dT/dy)_(max)均降低,载体传热性能降低。增加载体孔目数(CPSI),T_(max)和K_(max)增大,(dT/dy)_(max)减小,载体传热性能增强;在载体末端添加热惯性体后,T_(max)和K_(max)基本不变,(dT/dy)_(max)明显减小,对载体的内部温度分布影响不大,但可大幅度降低载体末端内部热应力。

DOC对柴油机颗粒物排放影响的试验研究

基于柴油机台架试验,在一款柴油机上加装了DOC装置,研究了DOC前后颗粒数量浓度、DOC前后颗粒SOF含量和活化能变化趋势。研究结果表明:DOC能降低核模态颗粒数量浓度和积聚态颗粒数量浓度,但随着转矩增加,DOC反而会使积聚态颗粒数量浓度增加。DOC对颗粒总数量浓度的影响随柴油机转矩的增加呈现先降低后增加的趋势。在转矩为50N·m和100N·m工况下,DOC能使颗粒SOF组分含量降低,使颗粒的表观氧化活化能升高。此外,排气颗粒的表观氧化活化能随SOF含量的增加整体上呈下降趋势。

DPF分区再生性能的试验研究

基于外加热源再生性能测试台架,探索了柴油机颗粒捕集器(DPF)分区再生对再生性能的影响及其传热规律。试验结果表明:单区沉积再生时,Ⅰ区沉积和Ⅱ区沉积时容易出现较高的最高温度和最大温度梯度,同时再生效率也较高;沉积区域越偏离轴心,其再生效率越低。双区沉积再生时,沉积区域间距越小且越靠近轴心则越利于再生,再生效率也越高。多区沉积再生时,相比其他沉积情况,当Ⅱ区不沉积颗粒时,最高温度和最大温度梯度较低,同时具有较高的再生效率。DPF内部热量主要聚集在轴心末端位置,当DPF末端发生剧烈再生时热量具有向前传递的趋势。

壁流式柴油机颗粒过滤体捕集性能的实验研究

过滤压降和过滤效率是评价过滤体性能的重要指标。实验室搭建了捕集柴油机颗粒的发动机台架。通过台架实验,研究了过滤体结构参数对过滤体性能的影响。研究结果表明:随过滤体长度的增加,过滤压降逐渐减小,初始过滤效率先缓慢增加,后急剧下降;增加过滤体的孔隙率有利于降低过滤体初始压降和压降增长率;孔隙率较低的过滤体具有较高的初始过滤效率,但在颗粒层过滤阶段,孔隙率对过滤效率的影响不明显;颗粒层的沉积结构特性受过滤速度的影响,颗粒层比阻与颗粒层堆积厚度乘积的变化率随过滤速度的变化呈非线性关系变化。

柴油机尾气颗粒和碳黑颗粒氧化特性的分析比较

利用热重分析仪（TGA）,对采集到的柴油机尾气颗粒和商用碳黑颗粒（Printex U）进行了不同升温速率下的热重分析、元素分析和显微测试实验;利用积分法（Coats-Redfern）计算出了两种颗粒的动力学参数,比较了两种颗粒的氧化特性.结果表明：相较于碳黑颗粒,由于无序活性碳结构和可溶性有机物的存在,柴油机尾气颗粒的燃烧呈现两个反应阶段,第1阶段（α=0.1~0.55）主要是颗粒的易氧化物质的氧化燃烧;第2阶段（α=0.6~0.9）主要是残余碳颗粒的反应.柴油机尾气颗粒的反应级数n为0.7,而碳黑颗粒的n则是1.颗粒内部微观结构和成分也会影响其氧化特性,柴油机尾气颗粒比碳黑颗粒起燃温度更低,更易氧化再生.

柴油机颗粒捕集器内颗粒沉积结构的实验研究

基于可视化单通道实验系统,采用激光位移测量方法,对柴油机颗粒在陶瓷捕集器内的沉积过程进行了在线测量.研究结果发现,颗粒沉积过程分为4个阶段:深床期、长树期、搭桥期和颗粒层期;颗粒层厚度的增加在长树期迅速增长,而后在颗粒层期呈缓慢增加的趋势.颗粒层过滤期颗粒层的孔隙结构受过滤速度的影响,过滤速度增大,颗粒层的渗透系数和孔隙率减小,形成的颗粒层致密.实验结果证实了当Pe<1时,渗透系数和孔隙率随Pe的增大而减小,且变化显著;当Pe>1时,渗透系数和孔隙率随Pe数的变化趋于平坦.

过滤速度对DPF内颗粒沉积特性影响的试验研究

基于柴油机颗粒过滤器(DPF)沉积过程可视化台架,在不同过滤速度下研究颗粒物在DPF载体切片上的堆积密度、颗粒层渗透系数及孔隙率。研究结果表明:在自然堆积状态或过滤速度<0.15m/s时,碳黑的堆积密度分布在90kg/m3左右;当过滤速度<0.15m/s时,ZS1100与DK4A柴油机颗粒物的堆积密度大于碳黑堆积密度,分布在100kg/m3左右;随过滤速度的增大、颗粒粒径减小及SOF含量的增加,颗粒的堆积密度先快速增大,后逐渐趋于稳定值;随颗粒层厚度的增加,过滤压降呈现典型的三阶段变化;随过滤速度的增加,颗粒层渗透系数和孔隙率呈先快速降低,后逐渐趋于稳定值的趋势。

柴油机微粒过滤体内部温度梯度的数值模拟

基于一维非稳态模型,在最优的流量条件下,研究了在无颗粒层时,过滤体参数(孔目数(CPSI)、壁面厚度δw、过滤体长度L、导热系数λ)和再生条件(再生持续期td、最高再生温度Tmax)对过滤体再生时壁面温度梯度(dT/dx)的影响.研究结果表明:随着CPSI的增加,壁面温度梯度极值((dT/dx)max)逐渐增加;壁面厚度δw对温度梯度有显著影响,当δw<0.3 mm时,(dT/dx)max随δw的增大而减小,且变化显著,而当δw≥0.3 mm时,(dT/dx)max随δw的变化趋于平坦;随过滤体长度L的增加,(dT/dx)max显著下降;当λ<1.0 W.(m.K)-1时,(dT/dx)max随λ的增大而减小且变化显著,而当λ≥1.0 W.(m.K)-1时,随λ的增大(dT/dx)max接近于线性减小;随再生持续期td和最高再生温度Tmax的增大,(dT/dx)max逐渐增大.

含水DPF压降特性的试验研究

基于外加热源再生性能测试台架，研究了柴油机颗粒捕集器（dieselparticulatefilter，DPF）含水时运行参数和孔隙结构参数对其压降特性的影响规律。试验结果表明：含水DPF的压降随着含水率的降低均呈保持稳定、迅速降低、缓慢降低三阶段变化，存在压降敏感区域。在含水率较高时，含水率随着时间的增长而迅速降低，此后含水率随着时间增长线性降低。随着来流流量和来流温度的增加，压降敏感区域保持不变，含水率分布在23％～35％。随着载体孔隙率和微孔孔径的增大，压降敏感区域变窄，含水率分布在26％～35％。

微粒特性对DPF再生性能的影响

基于外加热源再生性能测试台架,实验研究了(碳黑)微粒特性对柴油机微粒捕集器(DPF)再生性能的影响规律,同时也比较了真实柴油机微粒与碳黑微粒在再生性能上的差异.结果表明,相同粒径而比表面积大的碳黑容易再生,其再生效率高,效能比(效率/能量)也高.模拟可溶性有机物(SOF)含量高的(模拟)碳黑容易再生,效能比高.模拟20%,SOF碳黑微粒热处理后更易于再生,再生效率高,效能比高.与碳黑相比,柴油机微粒更容易再生,再生效率高,效能比高.

轿车内空气温度及甲醛含量的试验研究

对比贴膜车与未贴膜车的内部空气温度,结合浓缩采样法和气相色谱分析方法,研究了车内空气温度随日照时间的变化规律以及采样条件对车内空气中甲醛含量的影响规律。结果表明:车内空气温度的最大值出现在中午1:30左右,前窗处温度最高,试验测得的最高温度可达66.1℃,而驾驶座和后座温度相差不大;当汽车停放时,贴膜车内温度高于未贴膜车内温度;发动机余热及日照对车内甲醛的释放具有重要影响,高温导致甲醛释放加速,汽车前窗处甲醛浓度大于后座上方的甲醛浓度;加装的车内装饰物(如坐垫等)是甲醛的另外一个释放源。

柴油机颗粒物捕集器再生性能仿真分析

基于GT-Power软件对柴油机颗粒物捕集器(DPF)再生性能进行仿真,分析不同流量、不同微粒担载量条件下DPF的再生性能,重点关注其过滤压降、载体温度、温度梯度和再生效率。结果表明:DPF的压降随着流量与微粒担载量的增加近似呈线性增加的趋势;再生过程中最高温度和最大的温度梯度都出现在载体末端;随着流量的增加,最高温度、最大温度梯度和再生效率呈现先增加后减小的趋势;随着担载量的增加,最高温度和最大温度梯度逐渐增加,而在较大担载量时增加逐渐趋于平坦,再生效率呈现先增加后减小的趋势。

柴油机颗粒氧化动力学反应分析方法比较

采用热重法(TGA)分析柴油机颗粒的氧化动力学性能,其动力学参数的处理方法较多,具有典型代表的是积分法(Coats-Redfern)、微分法(ABSW)和Arrhenius法。文章采用上述3种方法,研究了改变柴油机颗粒初始质量m0对活化能E及指前因子A'的影响。实验结果表明:当取反应级数n=1时,利用试样总质量和干碳黑质量分别作为初始质量进行比较,当使用积分法(Coats-Redfern)处理数据时,活化能及指前因子都将增大;而使用微分法(ABSW)时,活化能不会发生改变,指前因子会增大;使用Arrhenius方法时,活化能只有微小的改变,指前因子有一定增大。

柴油机颗粒捕集器内颗粒层不均匀分布的数值研究

针对壁流式柴油机颗粒捕集器捕集颗粒物的工作过程,建立了描述通道内流场和颗粒层分布的一维非稳态模型。通过数值计算,研究了壁面渗透系数不均匀对颗粒层分布和过滤压强的影响。研究结果表明:壁面渗透系数不均匀造成颗粒沉积高度的不均匀,渗透系数大的位置颗粒层沉积高度大。在相同的不均匀偏差条件下,平均壁面渗透系数越低,颗粒层高度的不均匀程度越大,但随过滤时间的增加,颗粒层高度的相对偏差逐渐减小,各位置过滤速度趋于一致,颗粒层高度均匀增长。在正常的过滤体孔隙结构不均匀分布条件下,过滤压降基本不受影响。

常温下发动机冷热启动工况排放特性实验研究

燃油汽车冷、热启动时污染物排放量大,研究启动排放特性对进一步控制污染物排放具有重要意义。本文基于发动机台架和汽车车载排放测试系统(portable emissions measurement system,PEMS),测量4台柴油和2台汽油发动机的冷、热启动排放,分析和对比颗粒物数量浓度(particulate number,PN)及气体污染物的排放特性。研究发现:柴油机冷、热启动的PN排放特性相似,但冷启动时PN出现明显浓度峰,且浓度大于热启动浓度;柴油机冷启动排放的CO和THC明显大于热启动排放量,但冷启动的NO_(x)排放量却低于热启动排放量;汽油机冷、热启动时也形成PN排放峰,但与柴油机不同,汽油机的PN排放形成峰值后渐渐下降,而柴油机则逐渐趋于稳定;汽油机的CO和THC排放在冷、热启动工况排放规律相似,且排放浓度相当,但冷启动排放的NO_(x)却明显高于热启动的排放量。

DPF再生及其颗粒物数量浓度排放性能的试验

基于柴油机颗粒捕集器(DPF)再生性能测试台架,研究了入口过渡段长度、再生温度和再生时间对其再生性能的影响,同时也探索了DPF再生时出口颗粒物数量浓度排放性能的变化规律.结果表明:随着过渡段长度的增加,再生效率和效能比先保持不变,后逐渐降低,继而又趋于稳定,DPF内部最高温度与最大温度梯度均呈逐渐降低的趋势.再生温度的增加会使再生效率和效能比先缓慢增加而后迅速增加,但DPF内部最高温度和最大温度梯度呈线性增加的趋势.碳黑沉积较为均匀时,再生时间的增加能够在一定程度上提高再生效率,提高再生温度将会出现再生时间拐点,且随着再生温度的增加,再生时间拐点提前,拐点之后继续增加再生时间,再生效率增加量较小.DPF出口颗粒物总数量浓度和粒径分布与其内部沉积的碳黑分布特性具有较大关系,无过渡段时,DPF出口颗粒物总数量浓度呈先增加后减小的趋势,加装50 cm过渡段时,DPF出口颗粒物总数量浓度逐渐减小.

DPF再生时出口颗粒排放特性的试验

基于外加热源再生性能测试台架,采用便携式固体颗粒物计数仪,研究soot沉积方式和颗粒可溶性有机组分(SOF)对柴油机颗粒捕集器(DPF)出口颗粒排放的影响.结果表明:无过渡段沉积后,DPF再生效率和总质量浓度随再生温度增加而增加,升温阶段出口颗粒物以核态为主,再生阶段DPF载体内部出现温度波峰且出口颗粒物以积聚态为主;添加50 cm过渡段沉积后,再生效率和总质量浓度同样随再生温度增加而增加,575℃以下再生时,升温和再生阶段出口颗粒物均以核态为主;575℃再生时,升温阶段颗粒物以核态为主,再生阶段以积聚态为主.SOF能促进DPF再生,其质量分数越高,DPF再生效率和总质量浓度越高,再生时出口颗粒物趋向于核态.