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。

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。

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。

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/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.

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。

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/POC/SCR组合后处理技术在非电控柴油机排放上的应用研究

在一台经典非电控柴油机上进行了氧化催化剂(diesel oxidation catalyst,DOC)/颗粒氧化转化器(particle oxidation catalyst,POC)/选择性催化还原转化器(selective catalytic reduction,SCR)组合后处理排放控制研究以使其达到国-Ⅴ标准要求,对后处理单元的选择及排布进行了考察。试验结果表明:DOC+POC及SCR单后处理系统仅能使试验发动机排放污染物中颗粒物(PM)或NOx达到国-Ⅴ标准;而DOC/POC/SCR组合后处理系统则可使两种污染物排放均满足标准要求。SCR与DOC+POC排布顺序对污染物去除效率无明显影响。对POC的被动再生研究表明:DOC+POC系统需置于SCR系统前以使排气中NO2量满足POC的连续再生要求,且SCR系统后置也可降低其入口温度,减小温度对涂层的热老化影响。通过陶瓷POC的应用及结构优化设计使得组合后处理系统排气背压控制在25kPa之内,可减少对发动机性能影响。

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。

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%。

DOC+POC发动机燃用不同基准燃油尾气排放研究

采用高硫柴油、国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ4种不同硫含量的基准燃油,在发动机台架上进行了加装DOC+POC后处理装置的国Ⅳ柴油机的ESC 13工况测试,并用AVL AMA i60气体分析仪对CO,HC,NOx和PM排放进行测量。研究了不同基准燃油对加装DOC+POC后处理装置的国Ⅳ柴油机的排放影响,并与原机作了对比。研究结果表明,CO和HC的转化效率与燃油硫含量有很好的相关性,DOC+POC后处理可有效减小CO和HC的排放,稳态循环下国Ⅴ柴油CO和HC的平均转化效率分别为90.6%和86.6%,且随着燃油中含硫量的降低而增大,特别是在高转速大负荷工况。受燃油硫含量影响,DOC+POC后处理装置对高硫柴油、国Ⅲ、国Ⅳ3种燃油的PM排放降低不起作用,反而会使PM排放增加,然而对国Ⅴ柴油的PM净化率可达81.8%。

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。

DOC与SCR系统在轻型柴油机中的应用研究

针对单独的选择性催化还原器(SCR)不能使轻型柴油机排放达到标准,提出氧化催化转化器(DOC)与SCR组合应用。基于台架试验,在一台四缸共轨增压中冷柴油机的排气管上匹配DOC和SCR并进行欧洲稳态循环(ESC)测试研究,探究了DOC对SCR入口处进气的温度影响和对SCR中结晶物进行热重分析,研究了DOC+SCR对柴油机的经济性的影响、尾气排放性能的影响。试验结果表明:DOC对提高SCR入口温度的作用不大,在转速2 400 r/min,扭矩126 N·m时达到最大10℃;DOC主要改变SCR入口NO2与NOx的体积比,怠速状态下提高比例达到64%,其余工况达到30%;对尿素沉积物进行了分析,得出排气管壁与喷嘴处附近的结晶组分含量不相同;柴油机采用DOC与SCR后处理装置后,燃油消耗率在高负荷情况下增大1.5%;CO和HC排放在各个负荷下都大幅下降,排放值分别为0.007 g/(k W·h)、0.005 g/(k W·h);NOx的排放在SCR作用下达到1.209 g/(k W·h),转化率达到79%。研究结果可为轻型柴油机满足排放标准、优化排放提供参考。

CDPF耦合DOC对柴油机颗粒物排放特性的影响研究

为了研究催化型颗粒物捕集器(CDPF)耦合氧化催化器(DOC)对柴油机颗粒物排放特性的影响,进一步提升连续催化再生可靠性和降低颗粒排放,运用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和PHO EN-TX60S-X射线能谱仪对DOC和CDPF后的颗粒进行表征分析。同时根据计盒维数算法,计算后处理装置前后颗粒物样品的分形维数。从形成机理方面研究了CDPF耦合DOC对柴油机颗粒物微观形貌、化学成分的影响,运用计盒维数算法对后处理装置后的颗粒结构特征进行研究。研究结果表明,柴油机颗粒物呈团状、球状分布,颗粒物主要元素为C和O;单独DOC作用后,颗粒呈链状分布,粒子基本轮廓清晰;再经过CDPF作用后,颗粒呈团簇状分布,轮廓更加明显;DOC和CDPF作用后,颗粒物中金属元素比例增加,O元素下降12.5%,可溶有机物显著减少;高负荷下,经过在DOC和CDPF作用,颗粒物的分形维数从1.3087下降至1.0835,颗粒边界光滑,粒子间堆积现象减少,不规则程度较小。

DOC/SCR对聚甲氧基二甲醚/甲醇双燃料发动机NO_(x)排放的影响

为了控制双燃料发动机的NO_(x)排放,采用电控共轨柴油机在缸内直喷聚甲氧基二甲醚(PODE)引燃甲醇预混气,实现双燃料燃烧模式。采用傅里叶变换红外光谱多组分测量技术,研究了柴油机氧化催化转化器(DOC)和选择性催化还原(SCR)催化转化器对PODE/甲醇双燃料发动机燃烧NO_(x)排放的影响规律。结果表明:随着甲醇比例的增加,低负荷时的缸内最高温度降低,高负荷时的缸内高温持续时间缩短,并且甲醇的加入使得发动机排气温度降低,最终导致双燃料燃烧生成的NO_(x)量降低,而m(NO_(2))/m(NO_(x))却显著提高。经过DOC催化后,PODE/甲醇双燃料和纯PODE压燃2种模式下的NO_(x)排放量均有所增加,PODE/甲醇双燃料模式的NO_(2)与NO_(x)的质量比(m(NO_(2))/m(NO_(x)))明显降低,而纯PODE压燃模式的m(NO_(2))/m(NO_(x))升高。PODE/甲醇双燃料和纯PODE压燃2种模式下,当NH_(3)与NO_(x)的摩尔比(n(NH_(3))/n(NO_(x)))为1.2时,SCR催化转化器对NO_(x)的转化效率达到最高(57.3%),进一步增加尿素喷射量会导致NH_(3)排放量明显提高。

DOC+CDPF连续再生性能的试验研究

基于柴油机台架,通过改变来流温度,探索再生温度对DOC+CDPF后处理系统连续再生速率、温度场分布和气体排放等影响的规律。试验结果表明:CDPF滤饼层捕集阶段,随着颗粒物的沉积,单位沉积质量的压降变化速率增幅约为69.8%。CDPF再生过程中,颗粒物的氧化主要集中在载体的前半部分,再生温度升高,NO_(2)消耗量增加,再生速率加快,载体出口NO_(x)总量略有下降,CO和THC下降幅度分别为99%和80%~90%。此外,再生时CDPF中心的轴向温度由前向后先上升后下降,载体边缘的轴向温度由前向后不断上升,再生温度越高,轴向温度梯度越大;径向温度由中心向边缘不断减小,且距离载体入口的距离越小,再生温度越高,径向温度梯度越大。

满足车用国Ⅳ排放标准的EGR与DOC技术的应用研究

为实现车用柴油机大流量废气再循环,研制了氧化催化转化器(DOC)后处理器与大流量冷却式废气再循环(L-CEGR)系统组成的排放控制新技术配置,并在11L车用发动机上进行了试验。试验结果表明:采用电控可变几何涡轮增压器(VGT)为主件的L-CEGR系统使NOx排放下降28.6%;采用160MPa高压喷射和进气优化后,PM排放降低74.4%,铂含量为0.55g/unit的DOC能使PM排放降低20%;柴油机各项排放指标均达到国Ⅳ标准,也符合NO2排放限值要求;L-CEGR与160MPa高压喷射等技术相结合,使发动机加权平均燃油消耗率降低3.5%。

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气态污染物转化率影响因素研究

为了研究柴油机氧化型催化转换器(diesel oxidation catalyst,DOC)气态污染物转化效率影响因素,文章基于GT-POWER仿真软件对DOC的化学反应过程进行了数值仿真和试验验证。研究表明:建立的DOC仿真模型可以很好地模拟DOC催化反应过程;在低温时,CO转化率能达到99%以上,HC和NO转化率随进气量增大而下降,HC转化率稳定在82%左右,NO转化率最终降为0%;在280~550℃时,进气流量对于CO、HC和NO转化率没有显著的影响,CO能被完全氧化,HC转化率稳定在90%左右,NO转化率随温度的升高先上升再下降,320℃时转化率最高,约为60%。