催化型汽油机颗粒过滤捕集器催化剂设计与应用性能研究

基于某市售1.6 L汽油缸内直喷(GDI)发动机轿车,进行底盘式汽油机颗粒过滤捕集器(GPF)/催化型汽油机颗粒过滤捕集器(CGPF)设计和性能研究,研究了不同涂覆量、涂覆工艺和贵金属含量设计对GPF/CGPF催化剂冷流背压、涂层形貌的影响,从而设计出低背压CGPF催化剂样品。通过对配备有国六标定系统的GDI汽油车进行系列全球统一轻型车测试循环(WLTC)工况排放试验,分别考察了加装底盘式GPF、CGPF及不同贵金属载量CGPF对尾气后处理排放的影响,并与采用原装紧密耦合式三效催化剂(TWC)时的排放性能进行对比分析。结果表明,加装GPF或CGPF配置,会对造成排气系统背压提升,但油耗变化不大;采用紧耦合式TWC+底盘式GPF/CGPF后处理集成净化系统,可有效解决单TWC布局下颗粒物数量(PN)超标问题;使用CGPF可在保证颗粒物捕集效果同时,较好发挥对气态污染物的处理作用,并使各个指标满足国六b排放要求;使用CGPF的催化剂后处理系统进行多次WLTC工况预处理运行,可有效提升其对颗粒物的捕集能力,使PN捕集效率从76.38%跃升至97.00%。

直喷汽油机高效颗粒捕集器技术及控制策略研究

为了适应国家排放法规对汽油直喷发动机颗粒物监测粒径逐渐减小的要求,根据汽油直喷发动机排放开发目标,设计不同的汽油机颗粒捕集器(GPF)技术方案,通过发动机台架试验、转毂试验的测试选型确定捕集效率高、背压小的最优方案。建立了基于发动机原排和压差的GPF控制策略,结合GPF测试选型数据标定GPF碳载量模型、再生效率模型等,实现再生工况识别并协调再生控制。通过WLTC排放循环验证GPF控制策略,最优方案的捕集效率满足排放开发目标,有效降低了汽油直喷汽油机的颗粒物排放。

柴油/聚甲氧基二甲醚混合燃料匹配催化型颗粒捕集器的排放特性研究

使用柴油和聚甲氧基二甲醚(polymethoxy dimethyl ether,PODE)混合燃料进行了柴油机催化型颗粒物捕集器(catalytic diesel particulate filter,CDPF)的排放特性试验,研究分析了添加PODE对CDPF的过滤效率及CDPF前后端NO_(x)、CO_(2)和颗粒物排放变化的影响。结果表明:加入PODE提高了CDPF对颗粒物的过滤效率,使用90%体积分数的柴油与10%体积分数的PODE掺混(D90P10)可使CDPF的平均过滤效率提高3.6%。CDPF对核态颗粒物的过滤效率低于86.39%,CDPF对聚集态颗粒物的过滤效率高于91.32%,CDPF对核态的过滤效率低于聚集态。CDPF对不同粒径颗粒物的过滤效率不同,且随颗粒物粒径的增加而增加。两种燃料下,通过CDPF后的颗粒物的几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)均减小,NO_(x)排放降低,CO_(2)排放增加。

催化型颗粒捕集器配方对柴油机颗粒排放特性的影响

为研究催化型颗粒捕集器(catalyzed diesel particulate filter,CDPF)配方对柴油机颗粒物净化效果的影响,基于铂/钯/铑(Pt/Pd/Rh)贵金属配方,对采用不同贵金属负载量及配比配方时的柴油机颗粒排放特性进行了试验研究。研究结果表明:当CDPF催化剂配方中贵金属负载量较高时,柴油机颗粒物质量浓度降幅较大,平均降幅达97%;当催化剂配方中钯元素含量较高时,颗粒物数量浓度降幅较大,平均降幅达98%,采用钯元素含量较高的催化剂配方,对核态颗粒物的净化效果较明显。

催化型柴油机颗粒捕集器喷油助燃主动再生过程试验研究

柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)是降低柴油机颗粒物排放的有效手段。喷油助燃是重型柴油机采用最多的一种DPF主动再生方法,由于DPF主动再生试验实施非常困难,很少直接对真实柴油机DPF的主动再生过程进行试验研究。文中对柴油机稳态工况下催化型柴油机颗粒捕集器(catalyzed diesel particulate filter,CDPF)喷油助燃主动再生过程进行试验研究,对CDPF主动再生过程中的压降、温度以及排放进行了分析。研究表明:CDPF主动再生时,其内部局部地区的温度远远高于CDPF的进口温度和出口温度,CDPF内部温度分布总体呈现出轴向上越靠近CDPF后端温度越高,径向上中间温度最高,中心温度次之,边缘温度最低的规律。CDPF主动再生时会有少量的碳氢和CO泄漏,CDPF后的NO_2浓度会显著降低,颗粒物数量排放会显著增加。

柴油机加装柴油机氧化催化器和催化型颗粒捕集器装置性能评定试验研究

为了研究加装柴油机氧化催化器(DOC)和催化型颗粒捕集器(CDPF)装置的柴油机性能,探讨DOC与CDPF的净化效率和再生特性随试验循环数的变化规律,搭建了柴油机高原试验台,并按13试验循环进行了性能评定试验。结果显示,在全负荷工况下,随着试验循环数的增加,发动机的进气量、转矩、功率和油耗均比未装DOC和CDPF的原机略有下降。同时,在排气后处理装置的后端,烟度和CO排放均趋向零,而NO2排放增加,NO排放减少。将第1试验循环与第13试验循环进行比较后可以发现,DOC和CDPF的前端温度均比后端低,而排气后处理装置经13试验循环后仍具有较高的净化效率。与原机相比,加装排气后处理装置的发动机,经性能评定试验后的外特性有所下降,但在排气后处理装置后端的烟度和CO排放趋近于零,而NO2/NO比例随发动机转速增加先升后降。此外,DOC和CDPF的后端温度低速时上升明显,后随转速升高而降低,直至趋于稳定,而CDPF的压差随转速增加先升后降。此时,捕集效率和再生效率仍保持较高水平。

炭载量对缸内直喷汽油机颗粒捕集器性能的影响

基于发动机试验台架研究了增压直喷式汽油机在稳态工况下不同炭载量对汽油机颗粒捕集器(GPF)捕集特性的影响。结果表明:GPF背压随炭载量增大不断升高,升高趋势由快趋缓,并且GPF背压与发动机运行工况密切相关,高转速和大负荷时,GPF背压上升趋势变快;不同炭载量下,GPF对于核态颗粒过滤效果优于积聚态颗粒,GPF炭载量低于再生限值时,GPF总过滤效率保持在98.71%以上。适中的GPF炭载量有助于提升其颗粒过滤效率,但炭载量过大反而会造成GPF颗粒过滤效率下降,对发动机动力性和燃油经济性不利。

聚甲氧基二甲醚掺混比对柴油机性能及柴油机氧化催化器+催化型柴油机颗粒捕集器后处理系统的影响

以加装了柴油氧化型催化器(DOC)+催化型颗粒捕集器(CDPF)后处理系统的D30型高压共轨柴油机为研究机型,将聚甲氧基二甲醚(PODE)以0%、10%、30%三种体积比掺入柴油(分别记为P0、P10、P30)进行发动机台架试验,研究PODE掺混比对柴油机性能和后处理系统的影响。研究表明:负荷工况下,PODE掺混比越大,有效燃油消耗率约高。低速高负荷工况,P30有效热效率最高。PODE掺混后显著恶化NO_x和HC排放,仅在低速时降低约33%CO排放。在1 600r/min工况,掺混PODE有效降低了柴油机的碳烟排放,但是后处理系统有明显升温且NO转化为NO_2的效率降低。在2 400r/min工况,掺混比增加,CDPF后端NO_2浓度升高;P30的涡后排温比P0、P10低约30℃。PODE掺混比越高DOC前端和CDPF前端排气压力越低,降低了CDPF载体堵塞的风险。

掺混含氧燃料对柴油机氧化催化器+催化型柴油机颗粒捕集器氧化及再生特性的影响

为了研究掺烧含氧燃料对柴油机排放及柴油机氧化催化器(DOC)耦合催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)后处理系统低温氧化特性与再生特性的影响,基于一台4缸高压共轨柴油机,选取国五柴油、15%生物柴油柴油(D85B15)、15%正戊醇柴油(D85P15)、20%正戊醇柴油(D80P20)作为燃料,在1900m海拔环境下进行了试验。研究表明:在外特性工况下,与柴油相比,燃用D85B15和D85P15的柴油机动力性略有下降,燃用D85P15的柴油机有效热效率最高。燃用D85B15的NO x排放略低于柴油,最高降低3.33%;而D85P15的NO x排放有所增加,最高增加2.85%。在低负荷工况下燃用国五柴油时DOC+CDPF对CO的转化效率明显高于燃用D80P20时,2000r/min时燃用柴油时CO转化效率高达96.8%,而D80P20只有36.9%。低速高负荷工况下燃用国五柴油与D80P20时,DOC对排气温度的提升作用均比较明显,平均提升41.8℃和42.5℃。燃用D80P20时DOC+CDPF压差升高较慢,压差最高比燃用国五柴油低6kPa,DOC后端平均温度比燃用国五柴油高10℃。柴油机燃用D80P20在高负荷尤其是低转速高负荷时可有效降低颗粒物排放,降低DOC+CDPF压差。

不同贵金属负载量催化型柴油机颗粒捕集器的催化性能

设计了分别涂覆15、25和35 g·ft-3(1 ft=0.3048 m)贵金属负载量的催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)样品。通过催化活性评价试验研究了不同贵金属负载量对CDPF的催化活性、抗劣化性以及选择性的影响。结果表明,随着贵金属负载量的增加,CDPF新鲜样品对CO和NO2的活性依次降低,而对C3H8的活性先升高后降低。与新鲜样品相比,随着贵金属负载量的增加,CDPF老化样品对CO和NO2的活性具有较强的抗劣化性能。涂覆中等负载量贵金属的CDPF样品对C3H8具有较好的活性和抗劣化性。新鲜样品对CO具有较高的选择性,老化样品对CO的转换率在低温范围时较低,而在中高温范围时较高。

柴油机催化型颗粒捕集器建模与模拟

利用仿真软件创建了柴油机催化型颗粒捕集器的三维模型,包括了压降子模型、再生反应予模型及其相关反应动力学。对该模型的初始条件、边界条件等进行设定,模拟实验条件进行了颗粒捕集器的仿真,同时验证了该模型的准确性。结果表明,该模型的NO转化率误差最大为7%,压降误差不超过10%。仿真数据与实验数对比误差较小,能够较为准确的表现实验结果。

催化型颗粒捕集器的净化性能及劣化规律

基于车载排放测试系统(PEMS),测试并分析了25、20、10 g·ft^(-3)(1 ft3=0.028 3 m3)3种不同贵金属负载量催化型颗粒捕集器(CDPF)对公交车尾气的净化性能及劣化规律.结果表明:25 g·ft^(-3)贵金属负载量CDPF对公交车一氧化碳(CO)、总碳氢(THC)、颗粒数量(PN)及颗粒质量(PM)的净化性能最优.CDPF对CO、THC、PN及PM的净化效率随使用里程的增加呈对数下降趋势,25 g·ft^(-3)贵金属负载量CDPF净化效率下降趋势最为缓慢,其抗劣化性能最优.使用5万公里后,25 g·ft^(-3)贵金属负载量CDPF对CO和THC的净化效率仍分别高达74%和70%,对PN及PM的净化效率保持在90%以上.贵金属负载量对CDPF的NOx净化效率影响不显著,其随使用里程的劣化现象不明显.从兼顾成本-性能的角度考虑,20 g·ft^(-3)贵金属负载量CDPF为最佳选择.

催化型颗粒物捕集器长度对其捕集性能的影响

基于轻型柴油机台架试验平台,研究了催化型颗粒物捕集器(CDPF)长度对其颗粒物捕集性能的影响,结果表明:CDPF长度的增加会略微影响发动机动力性及经济性,且会降低发动机排气背压及温度,但长度进一步增加时,排气背压及温度变化不明显.增加CDPF长度可增加其对颗粒物数量(PN)的捕集效率,从颗粒物逃逸率角度考虑,当PN逃逸率为2.7%时,增加CDPF长度0.25倍,可降低PN逃逸率50%以上.CDPF长度的增加对积聚态颗粒物捕集效率的提升较为明显.

催化型柴油颗粒捕集器再生性能的试验研究

为探究催化型柴油机颗粒捕集器(catalytic diesel particulate filter,CDPF)的再生性能,自制了CDPF颗粒加载装置,通过模拟气试验平台研究了炭载量、再生温度及气体流量对CDPF再生性能的影响,并对其再生效率、再生效能比、最高温度及最高温度梯度性能指标进行评价。试验结果表明:CDPF再生过程主要有两个阶段,第一个阶段主要发生在250~400℃之间,为低温长时间再生阶段;第二个阶段主要发生在500~600℃之间,为高温短时间再生阶段。当再生温度为350℃、气体流量为200mL/min时,3.2g/L、5.0g/L和7.0g/L 3种炭载量下的最高温度梯度均达到最小,分别为2 737.5℃/m、4 387.5℃/m和3 837.5℃/m。其再生效率在再生温度为250℃时均约为6.0%,而在550℃时均达到85.6%。当炭载量为5.0g/L,再生温度为500℃和550℃,气体流量为300mL/min时,最高温度、最高温度梯度及再生效率均达到最大,再生效能比随气体流量的增大从4.6×10-5 J-1下降到1.8×10-5 J-1。

发动机颗粒排放和再生频率对汽油机颗粒捕集器效率的影响

汽油机颗粒捕集器(GPF)是1种重要的排放后处理系统,能使汽油缸内直喷(GDI)发动机达到现行的排放标准。现行标准规定的非挥发性颗粒物直径大于23.0nm。然而,随着排放法规的逐渐严格,GPF过滤效率需要进一步提高,并且可能会对直径低至10.0nm的非挥发性颗粒物排放进行限制。GPF过滤效率取决于在发动机运行期间聚集在GPF上的炭烟量。在车辆运行期间,当排气温度足够高且含有足够的氧气时,GPF通常是“被动”再生的。研究了发动机废气颗粒数排放(PN)和GPF再生频率对GPF过滤效率的影响。采用2种GPF技术,分别在2台发动机台架上进行了测试,并匹配2台量产车在转毂台架上进行了测试。试验发动机颗粒物排放数量分布的带宽很广,几乎达到1个数量级,更具实际排放代表性。GPF的过滤效率通过符合规定的颗粒数系统(非挥发性颗粒直径大于23.0nm、下限为2.5nm)的粒子计数器,以及差分迁移率光谱仪进行测量计算获得。结果显示,GPF有规律地达到可再生的条件,并且GPF的平均驾驶循环过滤效率高度依赖于发动机颗粒物排放量;当发动机颗粒物排放量增加约1个数量级时,GPF的过滤效率显著提高。研究表明,根据发动机颗粒物排放量选择合适的GPF技术非常重要。

催化型连续再生颗粒捕集器对柴油公交车尾气颗粒物影响的研究

运用颗粒数量及粒径分析仪与单颗粒气溶胶质谱分析仪研究了柴油公交车安装催化型连续再生颗粒捕集器前后的尾气颗粒物浓度与成分特性。试验结果表明:催化型连续再生颗粒捕集器能有效降低尾气颗粒物排放率与排放因子,且对核态颗粒的效果优于聚集态颗粒。安装前,尾气颗粒物种类主要为Na KCa_Nitrate、EC、PAH_OC_S-N、EC_Nitrate等,占总颗粒的85%;安装后,尾气颗粒物种类主要为K_S-N、Na K_Nitrate、OC_N-P、EC_S-N等,占总颗粒的80%。催化型连续再生颗粒捕集器能有效降低尾气颗粒物中的EC、OC与PAH成分,但促进了硝酸盐与硫酸盐的生成。

生物柴油调合燃料匹配催化型颗粒物捕集器的排放与再生性能研究

以一台非道路增压中冷共轨柴油机为试验对象,将K_(0.2)-Ce_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)催化剂涂覆于柴油机颗粒物捕集器(DPF)的堇青石过滤体上,探究柴油机催化型颗粒物捕集器(CDPF)对生物柴油调合燃料燃烧污染物排放的影响规律,并开展了CDPF碳烟加载与再生特性的试验研究。试验结果表明,CDPF能够明显降低纯柴油和生物柴油调合燃料的碳烟和气态污染物排放,且对调合燃料的排放物降低效果更显著;CDPF负载催化剂对柴油机气体排放的改善效果受负荷影响较大,在标定工况下两种测试燃油NO_(x)排放较空白DPF时分别降低17.1%和24.3%,HCHO排放分别降低35.1%和43.6%,CH_(3)CHO排放分别降低28.4%和29.9%;DPF与CDPF两者对碳烟的捕集过程均包括深床捕集阶段、过渡阶段和滤饼层捕集三个阶段,碳烟加载过程中CDPF前后压差的升高速率明显低于DPF;与纯柴油相比,柴油机燃用生物柴油调合燃料时CDPF的前后压差升高速率有所降低,再生平衡温度向低温区间偏移,有利于实现低温再生。

国六新型催化型柴油机微粒捕集器低温被动再生特性研究

基于自行搭建的柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)+催化型柴油机微粒捕集器(catalytic diesel particulate filter,CDPF)的试验台架,开展了碳化硅(SiC)及堇青石CDPF被动再生平衡点温度试验,并测试了DOC新鲜件及老化件对载体被动再生平衡点温度的影响,对两种材料CDPF进行了低温条件下的被动再生特性试验。试验结果表明:炭载量5 g/L时,SiC CDPF被动再生平衡点温度约为295℃,堇青石CDPF约为310℃;DOC老化件对SiC CDPF被动再生平衡点温度无明显影响,但会导致其被动再生效率降低;未加装DOC时,SiC CDPF被动再生平衡点温度上升至355℃,且会导致载体内部温度轴向及径向上产生较大温差,大大降低其再生效率(仅为5%);炭载量5 g/L、入口温度325℃时,SiC CDPF被动再生效率仅为48.9%,再生速率为2.9 g/h,而堇青石CDPF被动再生效率为75.2%,再生速率为11.5 g/h,后者在该温度附近被动再生特性更优。

汽油直喷发动机颗粒捕集器技术应用研究

本文基于国六排放法规对汽油直喷发动机颗粒物排放的要求,针对某型车的排放开发目标,选择汽油机颗粒捕集器(GPF)后置式技术方案,并进行GPF结构设计。通过计算不同排气流量和温度下GPF结构参数与压差的相互关系,确定GPF载体壁厚和孔隙率。在转鼓试验台上进行WLTP循环的排放验证试验,结果表明,GPF的颗粒物转化效率可达78%,颗粒物数量低于排放限值30%,满足实际应用的工程目标。

柴油机颗粒捕集器尾端面积垢分析及预防措施

采用扫描电镜法(SEM)分析了货运车催化型颗粒捕集器(CDPF)尾端面积垢的微观形貌,并基于X射线荧光光谱分析(XRF)分析积垢的组分及占比,以此推测积垢的形成原因并给出了相应的预防措施。结果表明:CDPF尾端面积垢呈黄色块状,多孔结构,质地疏松。其主要成分为Fe2O3和SO3,两者占比分别达到50%和40%左右。造成积垢的主要原因是燃料硫含量较高和封装材料易腐蚀。可通过燃用低硫柴油(≤10ppm)和改善封装材料(采用304不锈钢)预防积垢的形成。