车用柴油机DOC应对不同细分市场的开发

中国车用柴油机已执行国六排放标准,需要使用柴油机氧化催化器(DOC)才能满足法规要求。本文以某款重型柴油机为基础,搭载多通道排放测试发动机台架,对比不同方案DOC对一氧化氮(NO)转化效率、碳氢(HC)起燃、选择性催化还原(SCR)转化效率等影响,得出DOC配方变化对催化器性能影响的规律。结合车用柴油机在不同细分市场的使用需求,给出满足车辆应用及成本最优的差异化DOC方案。

DOC和金属DPF对柴油机排气中碳烟纳观结构特性的影响

开展了柴油机氧化催化器(DOC)和金属DPF对柴油机排气中碳烟纳观结构特性的影响研究。结果表明:原机排气中碳烟平均微晶长度(L_(p))随负荷的增加而增大,随转速的升高而减小;平均微晶层间距(D_(p))和平均微晶曲率(T_(p))的变化规律与L_(p)相反。经过DOC处理后,L_(p)增大,D_(p)和T_(p)减小;而它们的变化幅度均随负荷的增大而增大,随转速的升高而减小。金属DPF对碳烟3个纳观结构特性参数的影响均不大。原机排气中碳烟的L_(p)、D_(p)和T_(p)均与碳烟氧化反应表观活化能(E_(a))具有密切的相关性,其中,T_(p)与E_(a)的决定系数最大;经过DOC处理后,L_(p)、D_(p)和T_(p)与E_(a)的决定系数均略有增加。

DOC+DPF对防爆柴油机气态污染物影响的试验研究

非道路柴油机国四排放标准HJ1014-2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》要求在2022年12月1日起非道路移动机械用柴油机必须满足国四排放要求,矿用防爆柴油机为满足国四排放要求也要做充足的前期研究。非道路柴油机多采用DOC+DPF的路线使得CO和颗粒满足国四排放要求,防爆柴油机的CO和颗粒实现国四排放要求也可以通过使用DOC+DPF达到。MT990要求防爆柴油机的表面温度不能超过150℃,使得DOC和DPF也需进行防爆改装后才能使用,所以增加防爆改装后的DOC+DPF对防爆柴油机的尾气排放究竟有何影响还有待实验验证。本文通过防爆柴油机台架试验研究防爆改装后的DOC+DPF对防爆柴油机排放的影响。

环境温度对DOC前温度合理性故障影响性分析

选取一辆满足国六排放标准的重型柴油车,在高温、常温、低温环境开展实际道路整车后处理DOC前温度合理性故障验证。结果表明:在不同环境温度下,DOC前温度合理性故障均能满足监控条件,能够正常报出故障且无误报,满足开发及法规要求。高温环境故障报出时间在240s,常温和低温环境故障报出时间在300s。DOC前温度合理性故障在不同环境故障报出工况基本一致,发动机转速在(1400~2000)rpm,车速在(60~80)km/h。这个测试结果对下阶段法规整车OBD后处理合理性故障检测方法提供依据,减少故障在实际道路的检测时间。

涂覆方式对DOC催化剂起燃特性的影响

以中型柴油机为平台,以现行国六排放法规为依据,研究柴油氧化催化剂(DOC)起燃特性的影响因素。针对DOC催化剂不同的涂覆方式及贵金属不同比例,设计了3种不同涂覆方式的DOC催化剂,记为方案A、方案B、方案C,3种方案的贵金属总含量相同,方案A和方案B中前后区的贵金属Pt和Pd比例不同,方案C中提高了Pt的比例。进行了两个阶段的老化试验,研究了在不同工况条件下3种涂覆方式DOC的起燃特性。结果表明:A、B、C 3种涂覆方式的DOC催化剂都能满足起燃性能,B、C两个涂覆方案的HC转化效率较高,催化剂起燃性能较好,对于保证起燃以及对HC泄漏的控制有一定的优势。

DOC及POC对柴油机污染物CO和HC的影响

柴油机的不断发展也给人类和地球环境带来了日益严重的污染问题,为了满足日益严苛的排放法规和更高的性能要求。本文重点通过ESC试验循环和稳态满载试验,研究不同的氧化催化器及颗粒物催化氧化器组合对柴油机污染物CO和HC的影响。

重型柴油机DOC前温度对NO_(2)生成影响性的研究

本文以某国六高压共轨柴油机器为研究对象,着重阐述对影响柴油氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst,DOC)二氧化氮生成的因素分析,基于柴油机台架稳态测试,进行试验验证,结果表明T4温度和排气流量是影响二氧化氮的重要因素,当T4(DOC前温度)温度不同时对二氧化氮的生成速率也会不同;当排气流量较小时二氧化氮的生成速率高一些,反之当排气流量较大时生成二氧化氮的速率会低一些。通过此次研究提高了对NO_(2)有效控制提升了载体的被动再生能力,延长了主动再生周期,改善了载体耐久性能。

DOC/DOC＋CDPF对重型柴油机气态物排放特性的影响研究

基于AVL-PEUS傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)研究柴油机氧化型催化器(DOC)、柴油机氧化型催化器耦合催化型颗粒捕集器(DOC+CDPF)对重型柴油机一氧化碳(CO)、总碳氢化合物(THC)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO_2)和二氧化硫(SO_2)气态物排放特性的影响。研究结果表明:相比单独的DOC,DOC+CDPF对CO具有更低的起燃温度,在催化剂活性位上THC比CO具有较强的吸附强度和活性位竞争优势,因此具有比CO更低的起燃温度;DOC和DOC+CDPF均能不同程度地减少NO、增加NO_2、减少总NO_x排放,减少NO的主要途径是氧化机理;在催化剂中添加氧化铈(CeO_2)能有效实现稀燃储硫、富燃释放硫的效果,增强催化剂的抗硫能力。

DOC技术对柴油机排放颗粒物数浓度的影响

利用ELPI(电子低压冲击器)对不同转速、不同负荷以及安装DOC(氧化催化转化器)前后颗粒物排放及粒径分布进行了研究.结果表明:无论安装DOC与否,柴油机排放颗粒物数浓度均随发动机转速的增加而增加.增大负荷,颗粒物数浓度峰值处的粒径也随之增大.经过DOC催化转化后,柴油机排放颗粒物的大部分仍呈单峰正态分布,且DOC对核模态粒子的氧化转化效率较高.经过DOC后,在低转速下,不同粒径的颗粒物数浓度均有所降低;中、高转速下,DOC对粒径大于120 nm的颗粒物数浓度无明显降低作用.

DOC+CDPF配方对柴油公交车颗粒物排放特性影响

为研究不同DOC+CDPF(催化型连续再生颗粒捕集器)配方对公交车颗粒物排放特性的影响,以一辆满足国Ⅲ排放的柴油公交车为试验样车,在重型底盘测功机上分别进行了加装3种不同DOC+CDPF的柴油机在中国典型城市公交车循环(CCBC)中的排放特性试验,分析了不同贵金属负载量对柴油机颗粒物排放特性的影响.结果表明:在相同贵金属配比情况下,当DOC+CDPF催化剂配方中贵金属负载量较高时,颗粒物浓度降幅较大.3种方案的颗粒物质量浓度综合减排率分别为99.3%、98.8%、96.4%,平均降幅达到98.2%;当使用DOC+CDPF后,柴油机颗粒物粒径分布由双峰对数分布变为三峰对数分布,但不同催化剂配方下对应的粒径最大峰值点会偏移;采用DOC+CDPF装置后,发动机排放背压略有增加.且当贵金属负载量越高时,装置压降增量越少,被动再生性能越优异.

用HRTEM研究DOC和DPF对柴油机颗粒排放的影响

利用高分辨率透射电镜(HRTEM)对安装了排气后处理装置的CY4102-CE4B柴油机排放的颗粒进行观察,对比了ESC循环中工况7与工况10后处理装置中,柴油氧化催化器(DOC)与颗粒捕集器(DPF)前后颗粒的微观形貌与结构。研究结果表明:组成颗粒的基本粒子均呈近似球形,与发动机工况和后处理装置无关;经DOC后组成颗粒的基本粒子的轮廓比在DOC前更清晰,次级粒子由葡萄状结构向链状结构转化,但经DPF后,又向葡萄型结构转化;低速低负荷时,组成基本粒子的内核与外壳不甚明晰,呈无定型结构,基本结构单元的尺寸较小,薄层呈波浪状;而高速高负荷时,组成基本粒子的内核与外壳更加清晰,呈石墨结构,层状结构也更加明显,薄层几乎呈直线段。

柴油尾气DOC催化剂Pt-Pd/CeO_2的活性和抗硫性

采用浸渍法制备了不同Pt、Pd比例的Pt-Pd/CeO2催化剂,考察了其催化氧化模拟柴油车尾气的活性,并测试了抗硫性。活性测试结果表明,Pt、Pd协同降低了催化剂的起燃温度,其比例对催化剂性能影响很大,其中,Pt0.2Pd0.8/CeO2催化剂在模拟柴油车尾气(丙烯(C3H6)、一氧化碳(CO)和一氧化氮(NO))中的催化活性最高;C3H6的t50降到170℃,CO的t50降到了150℃,显示了良好的Pt、Pd协同效应;H2-TPR表征和抗硫性结果分析表明,高比例Pt/Pd催化剂具有更多的表面活性氧,其相对数值与催化剂抗硫性能的关联度高,在催化剂硫酸盐中毒的条件下,更有利于催化反应的进行。

DOC+POC对柴油机尾气排放的影响研究

在一台增压四缸柴油机排气管上加装氧化催化转化器(DOC)和微粒氧化催化转化器(POC)前后进行ESC循环测试,研究了DOC+POC对柴油机经济性能和尾气排放性能的影响。试验结果表明柴油机在加安装DOC+POC后,燃油消耗率在大负荷时略有增大;CO和HC排放基本为零;各个负荷下排放都有下降;由于POC捕集微粒的作用,烟度下降了50%。可以得出DOC+POC对降低柴油机污染物有良好的效果且对柴油机经济性能影响不大。

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。

紧凑型柴油机DOC与DPF系统的流动均匀性集成优化

对某商用车排气后处理系统进行了温度场、多孔介质流场的集成优化,结果表明:商用车柴油机排气后处理系统结构紧凑、结构空间限制严格,系统内的尾气流动特性不完全有利于柴油机氧化催化装置(DOC)和颗粒过滤器(DPF)的使用性能及寿命,净化器内的流场不均匀性是降低性能和寿命的主要原因。针对目前的结构提出了多孔进气方案,以结构参数为变量,DOC和DPF均匀性和压降为优化目标,采用多目标遗传算法(MOGA)对排气后处理系统进行了多目标优化。优化后的方案有效提高了排气系统的效率和寿命。

DOC+CDPF对生物柴油公交车排放特性的影响

采用便携式排放测试系统PEMS,研究某加装催化型连续再生颗粒捕集器(DOC+CDPF)的柴油公交车长期燃用生物柴油混合燃料B5时,整车常规气态物和颗粒物排放性能随行驶里程的变化规律.结果表明:随行驶里程的增加,一氧化碳(CO),总碳氢化合物(THC),颗粒物质量(PM)减排率均呈先增后减的趋势,THC减排率在行驶里程达到2.5×104km之前呈上升趋势,之后呈降低趋势,至8×104km时THC减排率较DOC+CDPF初装时减少41.05%,CO和PM减排率在行驶里程到达3.5×104km之前均呈上升趋势,之后呈降低趋势,至8×104km时CO和PM减排率较DOC+CDPF初装时分别减少20.24%和11.74%;氮氧化物(NOx)和颗粒物数量(PN)减排率整体上均呈降低趋势,在行驶里程8×104km处,NOx和PN减排率较DOC+CDPF初装时分别降低33.83%和10.35%.B5生物柴油公交车在行驶里程到达8×104km左右时,污染物的减排率明显降低,需对DOC+CDPF后处理装置进行保养,以延长其工作寿命.

DOC/DOC+CDPF对重型柴油车气态物排放的影响

为研究后处理装置对重型柴油车气态物排放特性的影响,在重型底盘测功机上对一辆柴油公交车分别安装DOC、DOC+CDPF后气态物的排放特性进行试验研究。结果表明,DOC和DOC+CDPF均能降低排气中CO和THC的量,其中DOC在怠速和中低速工况下对CO的氧化率较低,高速下对THC的氧化率较低;DOC+CDPF的减排效果优于DOC,且在不同工况下表现更加稳定;2者均能降低NO的量,同时增加NO_2的量,但对NO_x总量的影响较小。

DOC+CDPF+SCR对轻型柴油机排放特性的影响

为研究DOC+CDPF+SCR对轻型柴油机动力性、经济性、排放性的影响,以一台满足国五排放法规的轻型柴油机作为样机,加装DOC+CDPF+SCR后处理系统后进行了台架试验研究。结果表明:加装DOC+CDPF+SCR后处理系统对柴油机的动力性和经济性有一定影响,外特性下扭矩平均降幅为1.3%,负荷特性下燃油消耗率平均升幅为2.6%。DOC+CDPF+SCR能有效降低柴油机的NO_x,THC,CO以及颗粒物排放。DOC主导净化THC和CO,对颗粒物也有良好的减排能力;SCR主导净化NO_x,排气温度较低时转化效率不高;CDPF主导净化颗粒物排放,对中小粒径颗粒物的净化效率更高。PN和PM平均减排率分别为99.1%和96.6%。

DOC催化剂配方对轻型柴油机气态物排放性能的影响

基于发动机台架测试,研究了DOC氧化型催化转化器(diesel oxidation catalytic converter,DOC)配方对安装有DOC+催化型颗粒捕集器(catalyzed diesel particulate filter,CDPF)+选择性催化还原系统(selective catalytic reduction,SCR)后处理系统的轻型柴油机气态物排放性能的影响,结果表明:DOC配方的改变对发动机经济性无显著影响;随贵金属负载量的增加以及Pt/Pd比例的减少,CO和总碳氢化合物(THC)的T50降低,CO和THC的低温段转化率(<300℃)升高,但随温度的继续升高,贵金属负载量或Pd的增加对CO和THC转化率的有利影响逐渐减弱,高温段平均转化率(≥300℃)差距较小;NO转化率随贵金属负载量的增加而增加;NO转化率对Pt含量更为敏感,Pt含量高的配方能促NO的氧化,与CO和THC转化率变化规律相反;当SCR入口温度低时,高的NO2浓度有利于提高SCR对NOx的转化效率,当SCR入口温度高时,SCR对NOx的转化效率均达到了90%以上且无明显差距;未发现DOC配方改变对外特性下CDPF压降的显著影响。

前置DOC对SCR系统柴油机NO_x排放的影响

对装配前置DOC和无DOC的SCR系统柴油机进行稳态和瞬态试验,研究了前置DOC在不同循环状态下对NOx排放的影响。结果表明:前置DOC能显著提高SCR入口处NO2与NOx的体积比V(NO2)∶V(NOx),加速SCR反应,提高NOx转化效率,改善NOx排放;在ESC非怠速工况下,DOC对V(NO2)∶V(NOx)的影响会随着排气中氧含量和排气温度、空速的提高逐渐降低;温度超过一定范围时,NH3对O2的选择性突然提高,V(NO2)∶V(NOx)对NOx转化效率的影响将减小;DOC内氧化反应产生的热量有限,不足以提高SCR入口处排气温度,而DOC陶瓷载体的储热特性在瞬态循环下会对SCR入口温度产生一定影响,但这并不是改善NOx排放的主要原因。