煤基燃料燃烧颗粒物对颗粒捕集器沉积过程的影响

探讨了柴油机燃用代用燃料后,排气颗粒物结构特征的变化规律。依据柴油机台架试验,使用0%、5%、15%甲醇掺混比的F-T(Fischer–Tropsch)合成柴油,在标定工况下采集颗粒。用同步辐射小角散射分析方法测量颗粒物摩擦力、粒径等参数。基于实验数据,在EDEM软件中建立颗粒模型,模拟了颗粒碰撞沉积过程。结果表明:随甲醇掺混比的增加,甲醇、F-T柴油燃烧颗粒间摩擦力增加0.6 N,平均粒径增加2.44 nm。沉积过程中,颗粒捕集器(DPF)单元体非迎风面的沉积量急剧增加;颗粒沉积效率随沉积时间的增加而增加;随摩擦力增大、粒径增大,颗粒层厚度及颗粒链长度也随之增加。甲醇掺混比的改变使得颗粒整体向更多、更细的方向变化,燃料类型及掺混比的改变显著影响了颗粒在DPF载体上的沉积状态。

气流特征对柴油机微粒捕集器微波再生的影响研究

柴油机微粒捕集器过滤体再生时,流过过滤体的气流特征对再生过程有重要影响。根据泡沫陶瓷过滤体微波再生的特点,建立了一个适用于圆柱形过滤体的二维微波再生数学模型。模型中考虑了过滤体微波再生时气流与过滤体、碳烟微粒之间的对流换热、微波能量在过滤体空间的再分布和衰减变化、碳烟颗粒在过滤体空间的分布不均匀性等主要因素。使用该数学模型研究了尾气中含氧量、流速、温度等物性参数对过滤体再生时间和再生效率等再生特性的影响,计算结果与试验结果吻合良好,说明所建立的数学模型合理,能满足工程应用要求。研究结果揭示了泡沫陶瓷过滤体微波再生过程中的一些重要特征和规律,为微粒捕集器的设计和优化提供了依据。

柴油车尾气微粒捕集器技术研究现状及发展趋势

柴油车微粒排放物严重地污染环境并危害人类健康,其净化技术一直是人们研究的热点问题。微粒捕集器(DPF)技术是满足未来车用柴油机严格排放法规的重要措施。本文首先介绍了DPF净化机理及其常用的过滤体材料;然后综述了DPF再生技术的研究现状,对各种再生技术进行了分析;最后展望了微粒捕集器再生技术的发展趋势,提出微米木长纤维碳化木DPF过滤效率高,排气背压小,使用寿命长,可为柴油机尾气净化开辟一个新的方向。

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。

径向柴油机微粒捕集器流速分布特性数值分析

为了得到径向柴油机微粒捕集器内流速分布特性,该文利用流体计算软件对一种可旋转径向式微粒捕集器内流速分布特性进行了数值研究,考察了排气流速、管道直径比、扩张角及载体长度等参数对微粒捕集器内流速分布的影响规律。在入口气流流速50m/s条件下,测量了微粒捕集器各计算截面内流速分布情况,并且与计算值进行了比较,最大误差为3.2m/s,在允许范围之内。结果表明,降低排气流速、减小管道直径比与扩张角、增加载体长度均有利于提高微粒捕集器内流速分布均匀性。该研究对控制微粒捕集器再生过程、提高过滤体利用率及微粒捕集器使用寿命有重要意义。

燃油催化微粒捕集器微粒捕集与强制再生特性的研究

采用燃油催化再生微粒捕集器,对某排量为7.7 L柴油机的排放微粒进行捕集与强制再生。试验结果表明:在低排温工况下,随着微粒捕集器内微粒不断增加,微粒捕集器两端压差随捕集时间增加呈线性提高。燃油中加入的铁基催化剂可以降低碳粒燃烧的温度,增加微粒捕集器的微粒储备能力,并能够有效再生。当燃油中无添加剂时,在特定工况下发动机运行19.5 h后,微粒捕集器的两端压差达到10 kPa,而有添加剂时则可延长到23.5 h。在排气温度为530℃的强制再生工况下,燃油中有添加剂,约需6 min可全部强制再生累积的微粒,而无添加剂则约用时14 min,且有添加剂时强制再生程度较高。微粒捕集器经500 h耐久试验后,在有添加剂情况下其两端压差达到15 kPa,发动机需在微粒累积工况下运转23 h,无添加剂需要18.5 h。按ESC排放测试,微粒捕集器对微粒的过滤效率达到80%以上,微粒排放为0.017 g/(kW.h),试验结果还发现微粒捕集器对CO、HC及NOx的排放没有影响。

柴油机微粒捕集器技术发展现状

颗粒物是柴油机排气主要污染物之一,微粒捕集器能够将排气中的颗粒物过滤,实现90%以上的净化效率,是国际应对未来机动车排放法规的必然选择。文章通过分析近几年国际的研究成果,阐述了颗粒物的组成以及在微粒捕集器中的燃烧过程,并介绍了微粒捕集器的净化机理、材料技术和再生技术。国际研究表明:(1)颗粒物主要由固体碳、可溶性有机成分和硫酸盐三部分组成,在燃烧过程中,可溶性有机物、官能团、高度结晶碳随着温度升高依次燃烧;(2)壁流式微粒捕集器通过扩散、拦截、重力和惯性四种形式将颗粒物拦截过滤;传统的堇青石、碳化硅材料各有优缺点,可能被新型钛酸铝材料取代;过滤体通过增加入口通道体积的方式增加对颗粒物和灰分的容纳能力;(3)微粒捕集器再生技术种类繁多,被动再生技术由于对燃油硫含量由较高要求,因此主要在国外采用;国内主要应采用主动再生技术,同时使用燃油添加剂进行辅助再生。

车用柴油机微粒捕集器流场的数值模拟与分析

研究的柴油机微粒捕集器采用目前应用最为广泛的壁流式蜂窝陶瓷作为过滤体,根据其结构对称性和内部流动数学模型,建立了稳态层流的过滤体内部流动CFD仿真模型,并运用离散格式分离求解器进行求解。仿真计算与试验验证表明模型能准确反映过滤体内部流动特性。

柴油机微粒捕集器加热再生过程的数值模拟

基于车用柴油机微粒捕集器过滤体孔道内的加热再生模型,采用数值模拟的方法对加热再生过程中过滤体孔道内微粒燃烧与壁面温度沿轴向的分布规律以及不同再生条件下柴油机微粒捕集器再生过程的规律进行了研究.结果表明:过滤体的壁面温度从过滤体前端向后端逐渐升高,且整个过滤体的峰值温度出现在过滤体后端;提高过滤体初始温度,适当地增大再生气流质量流量、气流含氧量以及微粒沉积量都可加快再生过程,但过大的含氧量和微粒沉积量会造成壁面峰值温度过高,过大的气流质量流量会减慢再生过程.

柴油机微粒捕集器降怠速再生过程载体温度的控制

针对柴油机微粒捕集器降怠速再生过程载体峰值温度偏高问题进行了基于排气中氧气体积分数控制策略的降怠速再生试验.结果表明:在高怠速工况通过耦合调整再循环废气和进气流量可有效控制排气中氧气体积分数低至8%以下,而氧控所引起的燃烧恶化也导致了HC、CO排放量增大;碳载量和排气流量相同条件下,进行的氧控降怠速再生试验过程其载体内部峰值温度显著低于原机非氧控降怠速再生数值;提高载体碳载量并进行氧控降怠速再生,微粒加载背压和载体峰值温度仍在发动机正常运转以及载体材料温度安全范围内,满足安全以及可靠再生的同时达到了拓展安全再生碳载量限值以及延长微粒捕集器再生周期的目的.

微粒捕集器再生背压阈值MAP图建立及其应用

为获得柴油机微粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)再生背压阈值以提供再生时机判断基准,针对该文设计的喷油助燃再生系统,提出以总油耗量法为基础DPF再生时机背压判断法。基于AVL-BOOST平台建立装有DPF发动机的仿真模型,并试验验证其油耗、功率、转矩、排气温度及DPF背压变化模拟值,对比结果表明,该模型具有较好的实用性,为获得较高密度和精度的测点值创造条件。沿发动机纵、横向工况分布面上采用最小二乘拟合法与区间分段线性插值法,借助MATLAB对装有干净DPF的发动机等油耗曲面进行拟合。通过设置仿真模型中DPF模块微粒层厚度,记录各工况油耗,并从中筛选出较干净过滤体发动机油耗超过5%时所对应的DPF背压值作为背压阈值,进一步建立DPF再生背压阈值脉谱图(map of arterial pressure,MAP)。从应用试验来看,相同控制策略下采用该MAP判断再生时机可保证DPF再生过程在5～10min内完成,过滤体内峰值温度及最大温度梯度均低于安全阈值1400K、75K/cm,表明该MAP具有较好的实用性,这为实现微粒捕集器的快速、安全再生提供了依据和技术参考。

微粒捕集器对高压共轨柴油机超细微粒捕集特性

针对高压共轨柴油机试验研究了不同转速及燃料种类下带催化剂涂层的微粒捕集器(DPF)安装前后的微粒粒度分布特征,分析了PDF对于不同粒径超细微粒捕集效率的影响规律。研究结果表明:燃用石化柴油和生物柴油(BTL)时,DPF安装前后微粒数量浓度分布曲线均呈双峰结构;DPF对微粒的捕集效率与发动机的转速及粒度分布特征相关,其对核态及超细微粒的捕集效果较好;中、小负荷工况下,DPF对超细微粒的捕集效率均达75%以上,随转速、负荷增加,对不同模态微粒的捕集效率降低,同时高捕集效率所对应的微粒粒径减小;与石化柴油相比,发动机燃用BTL时排气微粒中核态微粒所占比例较大,DPF具有较高的微粒捕集效率,尤其在大负荷工况下捕集效率明显高于石化柴油。

基于灰烬沉积的微粒捕集器热再生特性

柴油机微粒捕集器的循环再生过程中,微粒中的不可燃灰烬物质会累积在进口孔道的过滤壁面上.考虑沉积灰烬层对微粒捕集器热再生过程的影响,耦合过滤体孔道内气相质量、动量和能量守恒以及碳烟颗粒的质量守恒与壁面能量守恒方程建立了微粒捕集器热再生模型,采用数值模拟的方法研究不同灰烬沉积状态下过滤体孔道内碳烟颗粒再生与壁面温度沿轴向的分布规律.结果表明:微粒捕集器内沉积的灰烬层增加了碳烟颗粒再生时过滤体的热传导阻力,使得再生时过滤壁面的温度升高,且随着灰烬沉积量的增加,壁面峰值温度增加幅度增大;同时进气孔道前端温度的升高会加快后端孔道内碳烟的氧化速率,进一步增加再生时后端壁面的峰值温度.因此,为避免灰烬层对微粒捕集器工作状态的影响,必须根据过滤体内灰烬的沉积量严格控制微粒捕集器再生时碳烟颗粒的承载量.

柴油机微粒捕集器复合再生策略的试验研究

提出了一种起燃器+燃油携带催化剂+氧化催化器的微粒捕集器再生方法,介绍了该再生系统的设计;提出了查询转速-负荷-背压三维脉谱图的再生时机判断策略;建立了以温度极限与温度分布均匀性为控制目标的再生温度控制策略。台架颗粒物加载和再生试验结果表明,再生系统中的燃油携带催化剂能有效降低颗粒物着火温度,系统能准时进行再生提示,过滤体内温度分布均匀,再生效率达到95%以上。

柴油机微粒捕集器缸内次后喷主动再生方法

利用台架试验研究了缸内次后喷(LPI)对柴油机动力性、燃油经济性以及排放性能的影响,分析了不同工况、不同后喷油量下柴油机氧化催化器(DOC)的升温特性,提出了采用缸内次后喷和DOC提高排气温度进行柴油机微粒捕集器(DPF)主动再生的方法。试验结果表明:在中低负荷工况(40%和50%负荷率)通过缸内次后喷能够显著提高发动机排气中的HC排放,促进其在辅助升温装置DOC内的氧化发热,提高DPF入口排气温度,满足DPF主动再生对高温的需求。研究结果对于优化DOC与DPF的匹配有一定参考价值,为DPF再生方法及其控制策略的确定提供依据。

柴油机喷油助燃再生系统微粒捕集器油气匹配研究

基于自行设计的微粒捕集器(DPF)喷油助燃再生系统,对燃烧器内以不同油气比混合燃烧后气体与柴油机排气混合形成的高温废气温度进行试验研究,并采用过滤体孔道内的热再生模型,对DPF喷油助燃再生过程进行数值模拟,模拟结果与DPF再生试验数据吻合良好。根据再生过程的仿真结果,以怠速工况下DPF再生时过滤体壁面峰值温度、温度梯度及再生时间等为条件,研究喷油助燃再生方式下燃烧器的油气配比问题,怠速工况下再生时油气比取0.025～0.016时能够实现合理匹配。

柴油车微粒捕集器过滤材料研究进展

论述了几种类型过滤材料的特性及在柴油车微粒捕集器中的应用状况,分析了过滤材料面临的几个主要问题,并展望了其应用前景。

柴油机微粒捕集器背压信号采集系统动态响应特性的研究

针对柴油机微粒捕集器(DPF)工作过程中排气背压的动态变化,对影响背压信号采集系统动态响应性能的因素进行了讨论,建立了壁流式蜂窝陶瓷DPF的排气背压数学模型,在此基础上得到了DPF测压系统的理论动态响应特性方程。通过实测背压与理论模型输出背压的比较,简单而又合理地描述了DPF测压系统实际动态响应过程的特性,为确定DPF再生时机提供了一定的理论参考。

基于铈基添加剂的微粒捕集器催化再生研究

基于微粒捕集器(DPF)NO2辅助再生计算模型,建立了添加铈基添加剂时DPF的催化再生计算模型,并进行了试验验证.采用铈基添加剂提高DPF的再生性能,在4种典型工况下对有添加剂和无添加剂的DPF进行了催化再生对比试验.结果表明:有添加剂的DPF在低排气温度下再生性能明显优于无添加剂的DPF再生性能,但仍然难以达到微粒平衡状态;在中高排气温度下再生性能也得到了提高,达到微粒平衡状态的时间缩短,微粒平衡质量减小.这对于提高柴油机的经济性,减少动力性损失,延长DPF的寿命十分必要.

微粒捕集器喷油助燃再生喷油与补气的优化控制

为实现柴油机微粒捕集器喷油助燃再生的优化控制,该文基于原喷油量优化控制模型,在考虑补气的前提下,结合过滤体再生入口临界温度模型对其边界终止温度条件的强化,对微粒捕集器再生过程烟气最优升温速度曲线予以了改进,并获得了喷油量/补气量的最优控制目标函数。从其在线优化控制结果来看,喷油量最优值随再生时间变化呈先减小后增加的趋势。相应补气量变化趋势与最佳喷油量的变化一致,受排气氧含量富余程度影响,对应的补气量在越过最低点后增长的速度不一致。试验结果表明,对喷油量/补气量予以最优控制后,整个再生过程油耗可降低34.6%～40.2%。为提高整个微粒捕集器喷油助燃再生过程的操作水平和经济效益提供了参考。