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。

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。

基于碳氢喷射系统工况的DPF再生实验研究

通过发动机台架实验,在设定氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst,DOC)和颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)入口温度的条件下,研究了排气尾管燃油喷射频率和碳氢混合器对DOC的碳氢化合物的转化性能,得出了DOC性能的变化规律,并通过了整车验证。实验结果表明:DPF入口温度和碳氢喷射量得到了较好控制,驻车再生效率达94%,行车再生效率达90%,整车油耗改善了3.3%。

采用缸内后喷和排气管喷油的DOC辅助DPF再生技术的研究

为克服传统喷油助燃再生方式存在的火焰难以形成、点火容易丢失和引起二次污染等问题，采用了缸内后喷与排气管喷油相结合的微粒捕集器（DPF）再生系统。利用台架试验研究了缸内后喷对发动机性能的影响。为满足氧化催化器（DOC）工作温度需求，在发动机排气温度250～350％范围内的工况进行试验，得到不同工况下的最佳缸内后喷时刻、喷油量和排气管喷油量，并绘制了相应的MAP图。

柴油机DOC辅助DPF再生燃油喷射规律的优化

为了有效降低柴油机颗粒捕集器(DPF)再生过程产生的二次污染物,优化了催化氧化反应器(DOC)辅助DPF再生的燃油喷射规律。采用AMESim建立了DOC和DPF模型,在Simulink中建立了发动机排放和DPF再生控制模型,将两个软件耦合搭建联合仿真平台。对模型进行了验证,提出了先缓后急的燃油喷射规律。结果表明:660是较为理想的DPF再生温度,优化后的燃油喷射规律能够大幅降低DPF再生的二次污染。

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。

机动车DOC-DPF系统排放特性试验研究

文章以一台ISDE285型发动机为基础,配合其他配套设施与仪器进行了发动机台架试验,对其DOC-DPF系统进行了排放特性试验研究,得到不同工况和反应条件下DOC和DPF前段和后端相应排放物的排放数据,并对排放物变化情况进行了分析。试验数据和研究结果能为后续制定发动机控制策略提供必要的数据支持,并可为后续的相关模拟计算工作提供初始输入数据和对比依据,对更好的控制发动机排放有着重要的意义。

DOC/CDPF对防爆柴油机性能的影响

为研究排气后处理设备对防爆柴油机性能的影响,以发动机台架试验为平台,对比在防爆柴油机上分别安装氧化型催化转换器(DOC)、催化型颗粒捕集器(CDPF)、催化型连续性再生颗粒捕集器(DOC+CDPF)后对发动机性能的影响.防爆柴油机加装了进排气阻火器和水洗箱,在此基础上,尾气净化装置单独使用DOC时,可使CO、NOx和PM排放分别降低91.2%、37.3%和13%、燃油油耗率减少5.4%、排气压力和温度都降低15.6%;单独使用CDPF时,可使CO、NOx和PM排放分别降低85.3%、2.5%和92.2%、燃油油耗率减少4.5%、排气压力和温度分别增加1.6%和减少7.2%;使用DOC+CDPF时,可使CO、NOx和PM排放分别降低97.1%、25.5%和96.8%、燃油油耗率减少5.5%、排气压力和温度分别降低36.4%和14.2%.使用DOC+CDPF后,防爆柴油机的性能有明显改善.

DOC+DPF在防爆柴油机上的应用研究

在某型防爆柴油机加装DOC+DPF后处理装置上进行台架实验,结果表明,PY03型装置不会增大防爆柴油机系统的排气背压,对CO平均转化效率达96%,对颗粒物有较高的捕集和再生效率,不透光烟度平均转化效率为82.7%;PY02型装置因尺寸较小,热负荷较高,与该排放状况不匹配。为提高装置的利用率和使用寿命,通过对耦合的DOC+DPF孔道进行可燃性气体CO组分输运和颗粒物离散相数值模拟。结果表明:随着废气流速的增大,DOC+DPF出口废气中CO浓度升高,转化效率下降;15 m/s的气流速度是发动机该排放水平下转化效率最高的最大速度;孔道入口速度增大,颗粒物向孔道后端壁面沉积;DOC+DPF装置在防爆柴油机上实用可行。

基于DOC氧化乙醇助燃再生DPF研究

针对传统的喷油助燃再生的柴油机颗粒捕集器(DPF)容易产生二次污染的缺点,提出借助柴油机氧化催化转换器(DOC)氧化乙醇产生热量进行DPF再生的方法。搭建系统硬件平台,在发动机台架上进行发动机排气温度和乙醇喷射量对DOC氧化乙醇效率特性研究,并根据氧化特性设定相关控制策略。将系统安装在堆高机上进行实车试验,试验表明,DOC氧化乙醇能够实现DPF再生。

SCR/DOC+DPF+SCR后处理系统对重型柴油机性能及排放的影响

文章基于氧化型催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)耦合颗粒物捕集器(diesel particulate filter,DPF)和选择性催化还原器(selective catalytic reduction,SCR)后处理技术,对比了原机、搭载SCR、搭载DOC+DPF+SCR 3种状态下重型柴油发动机的性能、排气污染物排放状况以及SCR入口处NO在氮氧化物(NOx)中的体积比。试验结果表明,搭载DOC+DPF+SCR系统比搭载SCR系统的发动机扭矩降低了10N·m,油耗基本保持不变;对比搭载DOC+SCR、搭载SCR以及搭载DOC+DPF+SCR 3种状态下SCR入口处NO在NOx中的比例发现,SCR状态下基本全为NO,其余2种状态下NOx中NO的体积比随温度升高而逐渐降低,排温在450℃时该比例下降到0.86;搭载DOC+DPF+SCR的ESC试验中CO转化效率为93%,HC转化效率为70%,NOx转化效率为90%,PM转化效率为51%,相比于搭载SCR的ESC试验,NOx的转化效率降低了3%。

DOC与DPF结合在柴油机后处理上的应用研究

通过对柴油发动机后处理器内的氧化催化器(DOC)与颗粒过滤器(DPF)的结构和工作原理的描述,分析研究了DOC与DPF相结合在柴油机的尾气处理上的优缺点,为DOC+DPF技术在柴油机尾气处理方面的应用提供了有效的支撑。

DOC+DPF对柴油机颗粒物排放特性的影响研究

以某型高压共轨柴油机为研究对象,研究试验样机加装DOC+DPF后处理装置对其颗粒排放特性的影响。结果表明:试验样机连接DOC+DPF后,颗粒物排放显著降低,在中高转速下,转化率平均在97%以上;在中低转速DOC+DPF对积聚态颗粒净化效率高于核模态颗粒,在1030rpm下,颗粒物总数量下降89%,总质量下降33%;在1200rpm下,颗粒物总数量下降96%,总质量下降77%。在1030rpm和1600rpm除了70%负荷外,DOC+DPF前的NO2/NOX比值都高于DOC+DPF后的,DOC+DPF后的NO2/NOX比值随负荷增加先减小后增加。

DOC和金属滤芯DPF对柴油机排气碳烟石墨化程度及氧化活性的影响

开展DOC和金属滤芯DPF对柴油机排气碳烟石墨化程度和氧化活性影响规律的研究,并分析了石墨化程度与氧化活性的相关性。结果表明:柴油机排气碳烟中2种方法所获得石墨化程度(AG/AD1和R值)及氧化反应表观活化能(Ea)分别处于0.205~0.293、0.094~0.136及138.9~168.1 k J/mol之间;原机排放碳烟的AG/AD1、R值和Ea均随转速的升高而下降,随负荷的升高而提高;DOC处理后碳烟的AG/AD1、R值和Ea显著提高,且涨幅也基本上随转速的升高而下降,随负荷的升高而提高;多数工况下,金属滤芯DPF对AG/AD1、R值及Ea的影响极小;DOC处理前、后碳烟中AG/AD1或R值与Ea有一定相关性,且Ea对AG/AD1更敏感;DOC能够改善Ea与AG/AD1的相关性,但对Ea与R值的相关性影响不大。

基于FIRE的DOC+DPF微粒捕集连续再生特性仿真研究

为研究柴油机后处理系统DOC+DPF微粒再生过程和再生影响因素及特性,在AVL FIRE平台建立了DOC+DPF微粒捕集连续再生系统模型,通过计算DPF后NO质量分数和DOC+DPF前后的压降两个参数,与台架试验结果对比,验证模型的有效性。仿真研究了DOC-DPF微粒再生机理和再生过程,研究了DOC入口排气温度、CO浓度、排气质量流量、V(NO2)/V(NOX)、m(NOX)/m(Soot)五个因素对再生的影响特性。结果表明:增加排气的CO浓度、DOC入口排气温度、排气质量流量、m(NOX)/m(Soot)比值增大有利于再生过程,可有效降低残余微粒浓度;V(NO2)/V(NOX)比值增加,残余颗粒浓度有降低的趋势,但残余颗粒浓度值变化不明显。

柴油发动机尾气后处理技术在铁路内燃机车的应用研究

基于铁路内燃机车尾气污染问题,开展后处理技术研究。研究表明,内燃机车发动机启机阶段排放的污染物以颗粒物为主,发动机负载情况下排放的污染物以一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NO_(x))为主。通过对氧化催化器(DOC)、颗粒捕集器(DPF)、颗粒氧化型催化器(POC)、选择性催化还原器(SCR)等处理技术进行对比分析,结合东风DF4C/4404型内燃机车改造条件,提出了发动机启机阶段采用POC+DPF处理技术,发动机正常运转后采用DOC+DOC或DOC+POC2种技术路线进行比较的改造试验方案,并制作样机进行应用试验。试验结果表明,发动机启机阶段,采用POC+DPF技术,CO的去除率达到84.44%,尾气光吸收系数降低了94.02%,排气筒的黑烟排放状况改善明显;发动机正常运转后,2种方案中DOC+DOC处理装置效果较为理想,对CO和HC的处理效率可达到98.00%以上,排气黑烟不可见。

柴油机DPF系统失效故障特征分析

为了快速有效地进行柴油机颗粒过滤器(DPF)故障辨识与预警,基于AVL-Boost软件对后处理系统关键部件进行了建模与故障仿真,研究了DPF单一故障和氧化催化器(DOC)与DPF复合故障的排气特性,并根据DPF故障时特征参数的变化,提出了基于数据融合的故障诊断策略。结果表明:单一故障下,DPF载体堵塞、破损均使得末端温度和压降明显变化;发生复合故障时,DPF压降主要受到自身状态的影响,入口温度与DPF故障无关,出口温度由上游DOC和DPF状态共同决定;可以选用DPF前后压差和温差的均方根值、裕度和峭度指标进行加权融合,得到故障诊断参数S作为诊断依据,并根据其值大小实现DPF不同故障的甄别。

基于模型的DPF再生温度控制策略开发及验证

为精确控制柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)的再生温度,避免因再生失控引起的DPF失效风险,在柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)和DPF组成的后处理系统上建立基于化学反应动力学原理的DOC温度模型,在温度模型和再生温度控制算法的基础上设计DPF再生温度前馈及反馈控制策略;利用发动机台架测试数据进行控制策略联合仿真,对控制参数进行系统整定及优化;通过发动机台架瞬态及稳态工况测试,验证控制策略的实际应用效果。仿真和台架试验结果表明:DPF再生温度控制策略具有很好的动态性能及稳态性能,最大峰值温度及燃油喷射量均控制在限定范围,可确保DPF实现高效可靠的再生。

非道路国四柴油机后处理开发与关键技术

介绍了非道路国四标准实施的背景,对目前非道路国四柴油机的技术路线、后处理结构型式进行了分析和展示。对后处理的关键技术包括DOC、DPF、后处理载体材质及体积选型、DPF再生技术、SCR以及东方红非道路国四柴油机应用及验证情况作出分析。

柴油机后处理装置的颗粒排放物拉曼光谱研究

为研究发动机排放颗粒物经氧化催化转化器(DOC)以及柴油颗粒捕集器(DPF)后结构和化学组成的变化规律,在一台配备后处理装置的电控高压共轨增压中冷柴油机上进行颗粒物取样,采用激光拉曼光谱仪测取拉曼光谱,比较了不同测点位置颗粒物的拉曼光谱特征。结果表明:颗粒物的拉曼光谱均由5个峰组成,且峰位在一个较小的范围内变化,描述颗粒物结构和组成的各特征参数随测点位置的不同而变化,即I D1/I G随测点后移而减小,I D2/I G逐渐增大,而I D3/I G、I D4/I G和I ALL/I G均表现为先减小后增大的趋势,说明经过DOC和DOC+DPF时颗粒物发生了物理和化学变化,从而使颗粒结构和成分发生变化。代表颗粒物石墨化程度的I D1/I G值随测点的后移而增加,但是DPF后颗粒的有机物成分所占比例最大。