柴油机颗粒过滤器工作过程中捕集颗粒物的试验研究

对柴油机颗粒过滤器(diesel particulate filter,DPF)进行了颗粒物(particulate matter,PM)在线捕集试验。通过发动机废气排放颗粒物粒径谱仪EEPS-3090分析了DPF对不同粒径PM的捕集特性;通过扫描电镜仪和热重分析仪探究了DPF前后端PM的堆积形貌及氧化特性。研究结果表明:DPF对大粒径颗粒物的捕集效果优于小粒径颗粒物,聚集态颗粒物基本被DPF完全拦截;DPF孔道过滤壁面的深层碳烟减小了微孔孔径,随着采样时间的增加,DPF对PM的捕集率升高。柴油机排气流经DPF后,逃逸出少量PM,以核态颗粒物为主。与DPF前端相比,后端PM的挥发性组分含量升高,元素碳的含量下降,氧化活性增强。

柴油机颗粒过滤器的优化

通过软件仿真,分析了过滤器内部流场,得到了气相的速度、压力分布,颗粒相的速度、轨迹分布,并讨论了孔道内部颗粒物的沉积过程。结果证明,三角形孔道的滤芯比现行的正方形孔道滤芯具备更高的性能,并提出了一种优化扩张段外壳母线的方法,扩展了今后的研究思路。

机油品质对柴油机颗粒过滤器性能影响的试验研究

针对不同油品的机油掺混率,以及不同油品的机油对柴油机颗粒过滤器(DPF)的积灰特性进行研究。试验结果表明,油品的掺混率对DPF的积灰特性有一定的影响,2%的掺混率能缩短试验的验证周期,且两者的差异在工程试验的合理偏差范围内,因此该方案更适用于工程验证。机油的油品对DPF的积灰特性影响较大,选择性能好的机油可以降低催化器的阻力增加速率,延长DPF的清灰里程,降低用户的使用成本,提高柴油机运行效率。

柴油机颗粒过滤器再生时颗粒层氧化燃烧特性探究

基于可视化单通道台架,采用激光位移传感器在线测量再生时过滤壁面上颗粒层厚度,采用电镜离线观测颗粒层形貌,探索已沉积的炭黑颗粒层在柴油机颗粒过滤器(DPF)过滤壁面上的再生氧化过程。结果表明,基于颗粒层厚度变化曲线,再生过程分为3个阶段:第Ⅰ阶段,颗粒层厚度缓慢降低;第Ⅱ阶段,颗粒层厚度快速降低,氧化反应主要发生在DPF孔隙气流处,颗粒层表面出现凹坑形貌;第Ⅲ阶段,颗粒层厚度再次缓慢下降。同时,炭黑颗粒微观形貌由均匀堆积形貌向链状和环状形貌变化,颗粒层随氧化的进行呈现凹坑结构。

柴油机颗粒过滤器再生过程的多通道模拟

建立了模拟柴油机颗粒物过滤器(DPF)再生过程的多通道模型并进行模拟,模拟结果和实验结果吻合良好。在此基础上考察了DPF进口气体不均匀性对热再生性能的影响。结果表明:进口处气体流速不均匀分布会延长再生时间、推迟和提高温度峰值;进口处气体温度不均匀分布会延长再生时间、推迟并降低温度峰值。因此,在设计DPF时应力求进口处气体的温度和速度均匀分布。

再生温度和来流参数对柴油机颗粒过滤器再生和过滤特性影响的试验研究

基于外加热源再生性能测试台架,研究了不同再生温度和不同来流流量对柴油机颗粒过滤器(diesel particulate filter,DPF)出口颗粒排放的影响。试验结果表明:加载量为2.5 g/L时,DPF出口颗粒物出现一个颗粒数浓度波峰;加载量为5.0 g/L时,DPF出口颗粒物出现两个数量浓度波峰。相同来流流量下,再生效率和总质量浓度随着再生温度的增加而增加;升温阶段出口颗粒物以核模态为主;再生阶段时,内部出现温度波峰且出口颗粒物以50 nm以上聚集态颗粒为主。相同再生温度下,加载量为2.5 g/L时再生效率和总质量浓度随着来流流量的增加而增加,升温和再生阶段出口颗粒物均以核模态为主;加载量为5.0 g/L时再生效率和总质量浓度随来流流量的增加呈现先增加后减少的趋势,升温阶段出口颗粒物以核模态为主,再生阶段在大流量时有部分聚集态颗粒物排出。

柴油机尾气处理装置(DPF)的试验研究

我国目前使用的柴油含硫量高,易造成贵金属催化剂失效。针对这一问题,设计开发了两种适用于高含硫柴油的尾气净化装置(DPF),它们分别使用碳化硅纤维无纺布和金属丝网材料作为过滤载体。台架试验和装车运行试验表明,这两种DPF具有良好的性能,碳烟捕集率高,再生方便,对于降低城市公交车的碳烟具有明显效果。

基于轻型柴油车的柴油机氧化催化器入口温度升温特性及策略研究

选取了高、中、低负荷的3个典型工况,研究了进气节流及喷油策略对柴油机缸内燃烧过程、排放性、经济性及柴油机催化氧化器(diesel oxidation catalyst,DOC)入口温度的影响,得到全工况区域的DOC入口温度的升温策略。试验结果表明:随进气节流阀开度减小,进气流量降低,压缩压力下降,燃烧始点滞后,最高燃烧压力下降,循环指示功降低;HC排放得到抑制,其他排放恶化;DOC入口温度得到有效提升,负荷越小,温升效果越显著。喷油规律耦合进气节流发现,主喷提前角的推迟使得滞燃期缩短、后燃加重,DOC入口温度小幅度提升;近后喷油量增加可提高DOC入口温度,推迟近后喷,DOC入口温度先增大后降低,存在最佳的近后喷时刻。依据样机全工况排温分布特征,提出了不同工况区域DOC入口温度升温控制策略。

柴油车排气后处理装置性能试验研究

对氧化催化转化器(DOC)和柴油机颗粒过滤器(DPF)进行了性能试验研究。分析了DOC对柴油车排放的影响规律;对DPF的压降特性和过滤性能进行了试验。最后还讨论了DPF再生过程中的安全问题。

柴油公交车加装CDPF的非常规污染物排放特征分析

测试分析了柴油公交车安装催化型柴油机颗粒过滤器(catalyzed diesel particulate filters,CDPF)在瞬态测试循环工况下对非常规气态物、颗粒物中的碳质组分、芳香烃及其毒性的影响。研究结果表明:CDPF对挥发性有机物的减排率为57.6%,对柴油车颗粒物中总碳的减排率为70.4%,对柴油车颗粒中多环芳烃(PAHs)组分减排率为91.1%,CDPF对低环数的PAHs表现较高的减排率,而对其他环数的PAHs的减排率略低。CDPF能明显降低不同苯环PAHs的毒性当量,但对不同苯环PAHs的毒性当量比例影响不明显。

基于正交最小二乘模型拟合的DPF故障诊断方法

根据柴油机颗粒过滤器(DPF)堵塞与泄漏故障型式开展了排气阻力试验和发动机台架试验,获取了排气流量、排气温度、排气压差等主要故障特征参数数据。通过与传统压降模型进行对比分析,将正交最小二乘方法应用于DPF的故障诊断,形成基于正交最小二乘模型拟合的DPF故障诊断方法,并用试验采集到的主要故障特征参数数据对模型拟合方法进行了可行性验证。通过定义一个错误系数向量,分析了广义故障空间中不同故障型式DPF所形成的故障区域,为DPF故障诊断技术的发展提供了理论依据。通过错误系数向量能够判断出故障程度及堵塞、泄漏等故障型式,基于该结果可以进行DPF故障诊断。

DPF燃油助燃再生燃烧器结构的数值模拟与优化

为提高柴油机颗粒过滤器(diesel particulate filter,DPF)燃油助燃再生燃烧器燃烧效率和出口温度可控性,结合流动和传热的基本原理,对燃烧器基本结构进行了设计。通过建立数学模型对不同燃烧室长度、缩口直径的燃烧器展开模拟研究,对燃烧器结构进行优化。研究结果表明:当燃烧室长度为57mm时,燃烧器的温度分布、压力分布更好,燃烧效率更高;缩口直径为110mm时,燃烧器的综合性能更有利于DPF的再生。

车用发动机效率提升和排放控制回顾(上)

回顾了2016年车用发动机在效率提升、排放法规和排放控制技术方面取得的具有代表性的重要进展。首先,介绍车用发动机排放法规的主要发展情况,包括最新提出的欧洲实际行驶排放(RDE)法规的颗粒数(PM)排放标准,以及中国和印度2020年后将要实施的类似于欧6的排放法规。到2023年,中国的排放标准将比欧6法规收紧30%～40%。美国加里福尼亚州重型车低氮氧化物(NO_x)排放法规正在向前推进,美国环保署正在考虑提出一项拟于2023年后实施的全美统一的排放法规建议草案。美国还最终确定了2021～2027年的新一轮重型车用发动机温室气体(GHG)排放法规,要求发动机的CO_2减排5%。轻型车和重型车发动机的效率有明显提高。总结了汽油机和柴油机为满足排放标准和温室气体法规而取得的主要进展。某些轻型车汽油机设计概念能够达到的排放水平要比现今汽油直喷发动机的排放量降低10%～15%,有些甚至能降低35%之多。严格的CO_2排放法规将要求车辆采用混合动力,以及进行高性能柴油机的开发。重型车用柴油机通过采用各种可实现商用化的技术达到了高于50%的有效热效率,还提出了一些能使有效热效率达到55%的建议方案。择要介绍了稀燃NO_x控制技术(包括选择性催化还原(SCR)催化器、SCR过滤器和组合系统)的发展情况,关注的重点是它们的耐久性和如何实现大幅度减排的目标。柴油机PM减排环绕着柴油机颗粒过滤器和SCR过滤器的碳烟再生开展工作。氧化催化器的研究侧重于225～250℃时丙烷、CO和甲烷的氧化。对可能影响排放的各种因素进行了综合评述。人们对汽油机颗粒过滤器的耐久性和灰分承载量有了更好的了解。讨论了几种三效催化器的开发情况,结果显示,人们对低成本催化系统重要性的认识有所提高。最后总结了几家实验室在稀燃汽油机排放控制方面取得的进展。

车用发动机效率提升和排放控制回顾(下)

回顾了车用发动机在效率提升、排放法规和排放控制技术方面取得的具有代表性的重要进展。首先,介绍车用发动机排放法规的主要发展情况,包括最新提出的欧洲实际行驶排放(RDE)法规的颗粒数(PN)排放标准,以及中国和印度2020年后将要实施的类似于欧6的排放法规。到2023年,中国的排放标准将比欧6法规收紧30%～40%。美国加里福尼亚州重型车低氮氧化物(NOx)排放法规正在向前推进,美国环保署正在考虑提出一项拟于2023年后实施的全美统一的排放法规建议草案。美国还最终确定了2021—2027年的新一轮重型车用发动机温室气体(GHG)排放法规,要求发动机的CO_2减排5%。轻型车和重型车发动机的效率有明显提高。总结了汽油机和柴油机为满足排放标准和温室气体法规而取得的主要进展。某些轻型车汽油机设计概念能够达到的排放水平要比现今汽油直喷发动机的排放量降低10%～15%,有些甚至能降低35%之多。严格的CO_2排放法规将要求车辆采用混合动力,以及进行高性能柴油机的开发。重型车用柴油机通过采用各种可实现商用化的技术达到了高于50%的有效热效率,还提出了一些能使有效热效率达到55%的建议方案。择要介绍了稀燃NOx控制技术(包括选择性催化还原(SCR)催化器、SCR过滤器和组合系统)的发展情况,关注的重点是它们的耐久性和如何实现大幅度减排的目标。柴油机PN减排环绕着柴油机颗粒过滤器和SCR过滤器的碳烟再生开展工作。氧化催化器的研究侧重于225～250℃时丙烷、CO和甲烷的氧化。对可能影响排放的各种因素进行了综合评述。人们对汽油机颗粒过滤器的耐久性和灰分承载量有了更好的了解。讨论了几种三效催化器的开发情况,结果显示,人们对低成本催化系统重要性的认识有所提高。最后总结了几家实验室在稀燃汽油机排放控制方面取得的进展。

机车和船舶发动机未来的排放要求(上)——面临的挑战、技术方案以及来自其他重型发动机应用领域的经验借鉴

未来世界范围内的船舶和机车废气排放法规要求大幅减少废气中的有害物(尤其是氮氧化物)的排放量。大幅减少尾气排放,同时保持低的燃油消耗也是目前重型发动机和工业用发动机的开发重点。根据从这些开发工作中获得的经验,可以得出结论:严格的排放限值标准不能仅通过一个技术阶段(发动机机内措施/安装排气后处理净化系统)来实现,而必须开发一整套经济有效的手段,其中包括降低发动机本身输出的排放值,辅之以满足要求的高效排气后处理措施。关于氮氧化物的减排,在重型发动机和工业用发动机领域,当前主要是研究和采用SCR(选择性催化还原)技术。虽然船舶和机车发动机与公路用重型发动机和较小的工业用发动机在具体要求和边界条件方面有显著不同,但是已经取得的经验(尤其是在公路应用领域)仍可用于未来船舶和机车低排放方案开发。在本文第一部分,将对船舶和机车发动机在排放法规和典型运用边界条件方面与公路用重型发动机和小型工业用发动机进行比较。进一步指出公路用重型和工业用小型发动机应用领域的新技术和发展趋势,包括基本发动机减排方案(EGR、增压、喷油系统等)、后处理技术(柴油机氧化催化器、SCR、主动/被动式柴油机颗粒过滤器、颗粒物氧化催化器等)以及传感器和控制技术。在此基础上,提出适用于船舶和机车应用的技术方案,对于这类应用场合,将考虑具体的边界条件(例如:法规要求、燃油品质及具体运行模式)。将来把基本发动机与后处理措施结合起来,将会明显增大系统布置和校准方面的难度和工作量。尤其是大型船舶和机车发动机,在最终应用之前对大量金属部件变体进行试验将会受到很大的限制。在这方面,高效开发工具(诸如后处理系统的详细一维模拟,在综合气体试验台上确定催化剂的特性,根据模拟对控制方案和传感器方案进行评估)以及针对公路应用开发的高效标准程序,都可以用来提供可靠的系统布置和校准,同时又可保持短的开发周期和发动机试验时间。

典型内燃叉车尾气挥发性有机物与正构烷烃的排放特征

非道路柴油车尾气是影响我国空气质量的重要排放源,但目前针对其化学组分及其影响因素的了解仍然非常有限.以6台内燃叉车为研究对象,利用气态组分在线监测结合样品采集离线分析方法,重点探讨了柴油机颗粒物过滤器(DPF)对叉车尾气中的关键化学组分挥发性有机物(VOCs)和正构烷烃含量及其特征的影响.结果表明,含氧挥发性有机物(OVOCs)、烯烃、烷烃、芳香烃和卤代烃在叉车尾气VOCs中的质量分数分别为:26%~37%、16%~36%、19%~22%、13%~21%和4%~7%.小功率和大功率叉车的VOCs排放因子分别为:(2.47±0.33)g·kg^(-1)和(1.48±0.24)g·kg^(-1).叉车在使用DPF前和后的总VOCs排放因子平均值分别为(1.94±0.58)g·kg^(-1)和(2.08±0.79)g·kg^(-1),DPF对VOCs排放因子无显著影响.然而值得注意的是,DPF可对部分OVOCs组分的去除产生重要作用,乙醛和丙酮排放因子在使用DPF后分别降低了19%和26%.正构烷烃组分的碳数分别在C7~C17和C24~C31呈双峰分布,其中C15为主峰碳.正构烷烃在使用DPF前和后的平均排放因子分别为(115±34)mg·kg^(-1)和(53.7±19)mg·kg^(-1),下降幅度达到53%,说明DPF能够有效地控制正构烷烃的排放.研究结果可对非道路工程机械尾气排放的精准控制以及区域空气质量的进一步改善提供科学支撑.

机车和船舶发动机未来的排放要求(下)——面临的挑战、技术方案以及来自其他重型发动机应用领域的经验借鉴

5重型和工业用发动机技术路径图基于上述的发动机内部措施和后处理技术,为了应对实际的或未来的严格的排放法规要求,目前正在开发公路和非公路发动机应用领域的技术。