柴油机SDPF催化剂涂覆策略对NO_(x)排放特性和压降影响的仿真研究

为了满足日益强化的排放法规指标要求,柴油发动机业界开发了选择性催化还原捕集技术(SDPF)。SDPF将SCR催化剂涂覆在壁流式颗粒捕集器(DPF)载体上,通过催化还原过程,可以同时减少柴油机发动机排气中的氮氧化物(NO_(x))和颗粒物(PM),也解决了SCR原理中发动机排气门导致的温度过低排放控制困难的问题,可以显著改善冷启动下的NO_(x)排放。本文建立了一个仿真模型,并基于发动机台架试验数据对模型进行了标定,研究了SDPF催化剂不同的涂覆策略——催化剂涂覆量和催化剂涂覆比例,对柴油机排放性能和压降特性的影响。仿真结果表明:SDPF的压降随着催化剂涂覆量和涂覆比例的增加而增加,但是过量的催化剂涂层导致的压降过高会使NO_(x)转化效率下降;当催化剂涂覆量达到70g/L时, NO_(x)的转化效率最高;发动机处于低负荷工况时,当催化剂涂覆比例高于60%左右时, NO_(x)转化效率更高。

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。

国Ⅵ直喷汽油机颗粒数量及微观形貌排气输运演变特性

开展了某一国Ⅵ直喷汽油机三元催化转化器(TWC)前、TWC后、汽油机颗粒捕集器(GPF)后3个位置的颗粒物采样及微观形貌研究,分析了发动机工况、TWC、GPF对国Ⅵ直喷汽油机尾气颗粒数量、粒径分布、微观形貌的影响。结果表明,该直喷汽油机尾气颗粒数量排放整体上呈单峰分布,低转速小负荷工况下,粒径<23nm的颗粒数量较高。随着发动机转速和负荷的增大,峰值粒径向大粒径方向移动。直喷汽油机尾气颗粒物由“核‒壳”结构基本碳粒子堆积形成,呈链状、枝状、簇状等结构;负荷增大,颗粒物尺寸略有增大,基本碳粒子重叠度增强,分形维数增大;转速增大,颗粒物尺寸减小,基本碳粒子重叠度减弱,分形维数减小。随着排气输运的进行,颗粒数量逐渐降低;TWC不影响颗粒的粒径分布形态,颗粒数量净化效率41.6%~94.2%,对<23 nm的小粒径颗粒净化效果较好,低转速小负荷工况的颗粒数量净化效率较高;GPF的颗粒数量净化效率约80%,23~100 nm颗粒数量净化效率较高,对粒径<10nm的颗粒净化作用不大。TWC和GPF不影响颗粒物结构形式,TWC和GPF后颗粒物基本碳粒子重叠度减弱,分形维数减小。

柴油机捕集器结构参数对不同粒径微粒过滤特性的影响

基于孤立捕集体对柴油机排气微粒的微观捕集机理、单个多孔介质过滤层对微粒的宏观捕集模型和壁流式捕集器的微粒过滤机理,建立整体壁流式柴油机微粒捕集器的过滤模型,研究捕集器结构参数对不同粒径排气微粒过滤特性的影响。结果表明扩散捕集机理在整个微粒捕集中占支配地位,惯性碰撞和拦截机理的作用也不容忽视。粒径在10nm左右的微粒过滤效率最高,随着粒径的增加过滤效率下降,在0.5μm左右达到一个波谷值,粒径继续增大到1μm左右的微粒过滤效率又有所上升,表明扩散、惯性碰撞和拦截机理的复合捕集作用。随着过滤体宏观结构参数孔密度、壁厚、直径和长度的增加,各不同粒径微粒的过滤效率上升幅度各异。随着过滤体微观结构参数壁面孔隙率和微孔孔径的降低,不同粒径微粒的过滤效率都在迅速提高。所得结论对通过捕集器结构参数的优化匹配,以改进捕集器过滤性能具有重要理论意义和实用价值。

非直喷式增压柴油机燃用生物柴油的性能与排放特性

研究了非直喷式增压柴油机燃用柴油?生物柴油混合燃料的性能和排放特性。未对原机作任何调整和改动,研究了不同生物柴油掺混比例的混合燃料对功率、油耗、烟度和NOx排放的影响。结果表明:非直喷式柴油机燃用生物柴油后柴油机功率略有下降,油耗有所上升,烟度大幅下降,NOx排放增加明显。油耗、烟度和NOx的变化均与生物柴油掺混比例呈线性关系,合适的生物柴油掺混比例即可以保持柴油机的性能,又可有效地降低碳烟排放,且不引起NOx排放的显著变化。对于该增压柴油机,掺混生物柴油对外特性下的排放影响最大,影响最小的为标定转速下的负荷特性。不论是全负荷还是部分负荷,燃用生物柴油时低速下的烟度降低和NOx上升幅度均比高速时大,而同转速下高负荷时烟度降低和NOx上升更为明显。

DOC+CDPF对生物柴油燃烧颗粒排放特性的影响

以一台满足国五排放法规的车用柴油机为样机,研究加装氧化催化转化器DOC与催化型颗粒捕集器CDPF（DOC＋CDPF后处理装置）前后,柴油机燃用B20燃料（燃料含20%体积掺混比的生物柴油）的颗粒排放特性.结果表明,在未加装该后处理装置时,该机排气颗粒数量浓度的粒径分布呈双峰形态,B20燃料的排气颗粒数量浓度的峰值粒径在10nm和50nm附近,纯柴油的排气颗粒数量浓度的峰值粒径在50nm和200nm附近.在颗粒粒径小于120nm的区域,该机燃用B20燃料的排气颗粒数量浓度大于纯柴油.加装该后处理装置后,该机排气颗粒数量浓度的粒径分布呈多峰形态,峰值粒径在10nm、20nm和60nm附近.加装DOC＋CDPF后,不论是柴油还是B20燃料,与原机相比,柴油机排气颗粒总数量下降明显,其中60～200nm粒径范围的颗粒数量浓度降幅更为显著.在相同工况下,DOC＋CDPF对柴油机燃用B20燃料的颗粒总数量净化效率高于纯柴油.

农业机械污染排放控制技术的现状与展望

农业机械作为一种重要的非道路机械类型,其主要动力源为柴油机,而柴油机固有的燃烧方式会导致其颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)等污染物排放严重,开展农业机械污染排放控制技术的研究对人体健康和环境保护均具有重要意义。该文从农业机械排放法规、降低农业机械污染排放的单项技术路线、满足更高排放限值要求的组合技术路线3个方面进行阐述。农业机械排放法规分析了欧盟、美国和中国法规对排放限值和测试循环的要求以及各国法规的差异。中国目前正在实施的农业机械国III排放标准,与欧盟的Stage IV和美国Tier IV标准相比,排放限值相对宽松;欧盟农业机械排放法规的NRSC测试循环主要包括8工况循环和5工况循环,而中国和美国规定,19 k W以下的非恒定转速的农业机械柴油机也可使用6工况循环进行测试;欧盟和中国规定污染物测量的最终结果为冷启动循环结果的10%和热启动循环结果的90%的加权,而美国将冷启动循环结果的比例调低至5%。单项技术路线对油品技术、机内净化技术和机外排气后处理技术进行了介绍。其中,油品技术包括提升燃油和润滑油品质、采用替代燃料等;机内净化技术包括农业机械柴油机本体优化设计、增压及增压中冷、燃油喷射优化和废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)等;机外排气后处理技术包括柴油机氧化催化转化技术(diesel oxidation catalyst,DOC)、柴油机颗粒捕集技术(diesel particulate filter,DPF)和选择性催化还原技术(selective catalytic reduction,SCR)等。组合技术路线总结了满足国III和国IV阶段以及国外最新排放标准的技术路线。"优化燃烧+SCR"技术路线的柴油机比采用"EGR+DPF/CDPF"技术路线的柴油机节省5%~7%的油耗,若扣除尿素消耗,前者仍有一定节油优势;模块构建和单体式后处理系统等先进的农业机械污染排放控制技术是满足Stage IV/Tier IV和Stage V的重要技术路线。最后,针对农业机械污染排放控制技术研究,进行了总结和展望。为满足未来国IV排放标准,加装机外排气后处理催化器已经成为一种重要手段;开发低成本、高净化效率的集成式机外排气后处理催化器,是未来农业机械污染排放控制的重要研究方向。

柴油机排气微粒可溶有机组分的色谱质谱分析

采用超声洗脱法对柴油机排气微粒中可溶有机组分SOF和不可溶组分IOF进行了分离,利用色谱—质谱联用技术对其中SOF的成分进行了分析。结果表明,怠速及中低负荷工况下SOF的排放量较低,随着负荷上升其排放量逐渐增加,在最大扭矩和标定转速工况下达到最高。SOF中最大的组分为烷烃,其次是芳香烃;烷烃中大部分为正烷烃,芳香烃以萘族和菲族等多环芳香烃为主。芳香烃的排放量随着负荷的上升而增加。SOF烷烃碳原子数分布的研究表明,低负荷工况下,燃油中易燃的正十四烷～正十七烷的绝大部分被烧掉,SOF中有些成分不是直接来自燃油,而是来自润滑油或燃油聚合反应的中间产物;高负荷工况下,供油量较多导致一部分正十四烷～正十七烷来不及燃烧就排出机外,SOF中还有些成分则是燃油高温裂解的产物。SOF芳香烃碳原子数分布的研究表明,高负荷工况下高碳原子数的芳香烃大都被烧掉,怠速及低负荷工况下SOF芳香烃化合物的种类相对较多。

喷油提前角对柴油机排放影响的研究

在调整柴油机喷油提前角的情况下,实测了柴油机气体和颗粒排放浓度,并对试验结果进行了分析。当喷油提前角由5°CA调整为7.5°CA时,PM、CO和HC排放值显著降低,NOX排放值显著升高;当喷油提前角由7.5°CA调整为10°CA时,PM继续降低,NOX、CO和HC都有所增加,但幅度都不大。表明增大喷油提前角可有效地降低颗粒排放,但同时要考虑到NOX、CO和HC浓度的增加。该研究对电控柴油机喷油参数的优化具有一定的参考价值。

发动机燃用生物柴油的颗粒可溶有机组分及多环芳烃排放

以一台车用柴油机为样机,研究发动机燃用生物柴油的常规排放,重点探讨其颗粒(Particulate matter,PM)、可溶有机组分(Soluble organic fraction,SOF)及多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)的排放特性。所用燃油分别为柴油、生物柴油掺混配比为10%的B10燃油。结果表明,与柴油相比,该车用柴油机燃用B10燃油后颗粒、SOF和PAHs的质量排放均有所降低;NOx排放略有增加,HC和CO排放有所下降。B10燃油燃烧的颗粒SOF中醇类、酮类、醚类质量分数下降;脂类、酸类、醛类质量分数上升。在检测到的12种PAHs中,B10燃油有10种质量排放减少,尤其是苯并(a)芘等高环数致癌性的PAHs降幅明显,这表明发动机燃用生物柴油后,排气颗粒的化学成分毒性有所降低。

燃料特性对车用柴油机有害排放的影响

研究了车用柴油机燃用不同品质燃油时,其排气烟度、颗粒PM、氮氧化物NOx、碳氢HC和一氧化碳的排放特性,采用了五种不同硫含量、芳烃含量和十六烷值的柴油,进行了发动机台架实验和模拟整车NEDC循环实验。结果表明,随着燃油硫含量的减少,柴油机排气烟度、HC、CO、SO2排放有所下降;模拟整车NEDC循环的PM排放显著降低;NOx排放的变化幅度很小。随着燃油芳烃含量的降低,柴油机排气烟度、PM、NOx、HC、CO排放的降幅显著。随着燃油十六烷值的升高,柴油机的排气烟度大都呈持续下降趋势;PM、HC排放显著降低;NOx、CO排放的变化幅度较小。

微粒捕集器再生技术的研究动态和发展趋势

微粒捕集器技术是满足未来车用柴油机严格排放法规的重要措施,再生技术是其中的关键环节。综述了柴油机微粒捕集器再生技术的研究现状,对各种再生技术进行了分析。阐述了这些再生技术存在的问题以及相关措施,并展望了微粒捕集器再生技术的发展趋势。

轻型柴油机EGR与喷油正时的协同性能研究

以一台高压共轨轻型柴油机为样机,研究废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)和喷油正时协同作用对发动机燃烧特性、燃油消耗率、氮氧化物(NOx)和HC排放的影响。研究结果表明:随着EGR率增大,缸内最大压力有所下降,瞬时放热率峰值有所减小。随着喷油提前角增加,缸内最大压力增大,瞬时放热率峰值先增大后减小。EGR率与缸内最大压力降幅、瞬时放热率峰值降幅均具有较好的线性关系。随着EGR率的增大和喷油提前角的减小,NOx排放降低,燃油耗增加,而且存在一个最佳的EGR率和喷油提前角的组合区域使HC排放达到最低。为了实现降低NOx排放的同时有效控制燃油消耗率和避免HC排放升高,低负荷时选择高EGR率并结合大喷油提前角的控制策略;中等负荷时选择适中EGR率结合适中喷油提前角的控制策略。

高原环境下重型柴油机的性能优化研究

为改善重型柴油机在高原环境下的动力下降和燃烧恶化等问题,针对某型重型柴油机进行了不同海拔高度(简称海拔)及不同柴油-空气-燃烧室(简称油-气-室)匹配方案的性能优化研究。通过模拟海拔4 500 m的高原进气状态,开展了重型柴油机不同压缩比、涡流比和喷油器喷孔直径的试验研究。结果表明,随着海拔的升高,柴油机实际运行工况呈现由低速、低负荷向高速、高负荷工况迁移的特性。研究了海拔4 500 m高原环境下柴油机5种油-气-室匹配方案下的性能,5种方案分别为:方案A(涡流比2.2,喷油器10×0.32 mm,压缩比13.3)、方案B(涡流比2.2,喷油器10×0.32 mm,压缩比14.1)、方案C(涡流比1.5,喷油器10×0.32 mm,压缩比13.3)、方案D(涡流比1.5,喷油器10×0.32 mm,压缩比14.1)和方案E(涡流比1.5,喷油器10×0.30 mm,压缩比14.1)。油-气-室匹配仿真与试验研究结果显示:适当提高压缩比、降低涡流比以及选取适当的喷孔直径,可提高柴油机在高原环境下油-气-室的匹配状况;最佳方案D的油-气-室匹配效果最优,柴油机动力性、经济性和排放性均有较明显的改善。

重型柴油机起动工况的颗粒数量排放特性

以一台采用电控高压共轨的重型柴油机为样机,分别研究柴油机在冷机起动工况（冷却水温度为24,℃）和热机起动工况（冷却水温度为80,℃）的颗粒排放特性.结果表明：冷机起动工况下,颗粒数量的粒径分布呈单峰形态,核态颗粒的数量峰值粒径在20~30,nm之间;热机起动工况下,颗粒数量的粒径分布呈双峰形态,核态颗粒和聚集态颗粒的数量峰值粒径分别在15,nm和130,nm附近.颗粒的粒径小于100,nm时,冷机起动的颗粒数量要远大于热机起动.不论是冷机起动还是热机起动工况,瞬时颗粒数量均先上升、后下降并最后趋于相对稳定.前期起动阶段的瞬时颗粒数量均高于怠速稳定阶段;冷机起动工况下,瞬时核态颗粒和聚集态颗粒的数量大都明显高于热机起动工况.前期起动阶段、怠速稳定阶段和整个起动工况的累计核态颗粒数量,在总颗粒数量中都占有绝对支配地位.

不同品质燃油对公交车道路颗粒排放特征的影响

以国Ⅳ排放柴油公交车为样车,研究了3种燃油公交车的颗粒数量排放特性.3种燃油分别为纯柴油、B20燃油〔V(生物柴油)∶V(纯柴油)=2∶8〕和G20燃油〔V(天然气制油)∶V(纯柴油)=2∶8〕.结果表明:公交车燃用3种燃油的排气颗粒数量随粒径变化均呈双峰对数分布,其中核态颗粒数量峰值粒径均为10.8 nm;聚集态颗粒数量峰值粒径则因燃料差异而不同,其中纯柴油、B20燃油和G20燃油分别为80.6、69.8和60.4 nm.对于不同类型道路,在公交车燃用纯柴油时,其快速路下的排气颗粒数量(7.35×1015km-1)最低,分别比主干道和次干道低47.7%和55.1%.对于不同品质燃油而言,在全程测试线路内,燃用G20燃油的公交车排气颗粒总数量(6.92×1015km-1)最低,较纯柴油和B20燃油分别降低了42.5%和32.4%.其中,G20燃油排气中核态颗粒数量为1.81×1015km-1,较纯柴油和B20燃油分别降低了3.1%和15.4%,而聚集态颗粒数量则分别降低了49.7%和37.0%.表明公交车燃用天然气制油可有效降低颗粒排放.

柴油轿车燃用生物柴油的排放特性

在一辆柴油轿车上燃用纯柴油、柴油中分别掺混5%、10%、20%和50%的B5、B10、B20和B50混合燃料以及纯生物柴油B100,进行整车NEDC循环的排放试验,研究其CO、HC、NOx和PM的排放特性。结果表明:柴油轿车燃用这6种燃料的CO、HC和PM排放主要集中在ECE15市区行驶循环,而EUDC城郊行驶循环的NOx排放量比ECE15循环有所增加。随着生物柴油掺混比例的升高,柴油轿车的CO、HC和PM排放量均有所降低。燃用掺混比例较低的B5、B10和B20混合燃料时,NOx排放略低于纯柴油;而燃用掺混比例较高的B50和B100时的NOx排放比纯柴油高。

关键运行参数对柴油机SCR系统性能的影响

建立了柴油机选择性催化还原SCR系统的仿真模型,提出了尿素分解效率的概念。研究了排气温度、NH3存储量、NO2/NOx、NH3/NOx等关键运行参数对NOx转化率的影响。研究结果表明,随着排气流速的减小和排气温度的增加,尿素分解效率总体呈升高趋势。进行了不同温度下NOx转化率的评价试验研究,仿真结果和试验结果吻合良好。随NH3存储量的增加,NOx转化率呈上升趋势。随排气温度的升高,NOx转化率持续上升,当温度超过某一值后趋于稳定。随NO2/NOx的增加,NOx转化率逐渐上升,当NO2/NOx超过50%后,NOx转化率则有所下降;NOx转化率随NH3/NOx的增大而上升,当排气温度较高时,其影响较为明显。

柴油机选择性催化还原捕集技术(SDPF)的研究现状与发展趋势

日益严格的柴油机排放法规使得其主要排放污染物氮氧化物(NO_(x))和颗粒物(PM)限值进一步降低.目前去除NO_(x)的主要机外手段是选择性催化还原(SCR)技术,该技术通常在200℃以上才有良好的NO_(x)转化率,而在柴油机冷起动阶段,SCR入口的排气温度无法达到200℃,NO_(x)排放控制困难.尽管冷起动时间较短,但该阶段的NO_(x)排放量占比很高.在严格的排放法规要求下,冷起动阶段的NO_(x)排放控制日益受到关注.选择性催化还原捕集技术(SDPF)将SCR催化剂涂覆在壁流式颗粒捕集器(DPF)载体上,能够同时去除NO_(x)和PM.与SCR技术相比,SDPF更加靠近柴油机排气门,NO_(x)催化还原反应的温度得到有效提高.因此,SDPF成为了提高低温NO_(x)转化率的关键技术.本文从SDPF结构与原理、载体与催化剂、性能及影响因素、SDPF技术路线等四个方面展开综述.SDPF结构与原理方面,介绍了SDPF的基本结构和化学反应原理,并指出了该技术面临的主要挑战;SDPF载体与催化剂方面,阐述了常见的载体材料、SCR催化剂涂覆、载体结构参数设计和提高载体性能的膜技术,以及钒基、沸石基SCR催化剂的研究进展;SDPF性能及影响因素方面,对SDPF的碳烟氧化性能、NO_(x)还原性能、尿素混合性能和耐久性能进行了分析,需要重点优化碳烟氧化与NO_(x)还原之间的竞争性反应;SDPF技术路线方面,介绍了带有SDPF的后处理系统优化,尿素双喷技术、低温NO_(x)吸附、热管理等技术耦合SDPF能够进一步拓宽后处理系统的温度窗口,是满足未来超低排放法规的后处理技术发展趋势.

车用发动机燃用生物柴油的颗粒数量排放

研究了车用电控共轨柴油机燃用生物柴油燃料的排放特性,重点探讨了排气颗粒数量的尺寸分布及浓度特性。所用4种燃料分别为纯柴油、纯生物柴油、生物柴油掺混体积配比分别为10%和20%的B10、B20混合燃料。结果表明:与柴油相比,使用B10和B20燃料的气态排放变化较小,纯生物柴油的HC和NOx排放有明显变化。柴油机排气颗粒数量的尺寸分布呈现单峰或双峰对数分布。生物柴油降低了聚集态颗粒的数量浓度,同时增加了核态颗粒的数量浓度。随着生物柴油配比的增加,发动机排气颗粒总数量浓度大都呈持续上升趋势,在高负荷下更为明显。但在低负荷燃用低配比生物柴油燃料时,聚集态颗粒数量的影响变大。