Diamond-based electron emission:Structure,properties and mechanisms

Diamond has an ultrawide bandgap with excellent physical properties,such as high critical electric field,excellent thermal conductivity,high carrier mobility,etc.Diamond with a hydrogen-terminated(H-terminated)surface has a negative electron affinity(NEA)and can easily produce surface electrons from valence or trapped electrons via optical absorption,thermal heating energy or carrier transport in a PN junction.The NEA of the H-terminated surface enables surface electrons to emit with high efficiency into the vacuum without encountering additional barriers and promotes further development and application of diamond-based emitting devices.This article reviews the electron emission properties of H-terminated diamond surfaces exhibiting NEA characteristics.The electron emission is induced by different physical mechanisms.Recent advancements in electron-emitting devices based on diamond are also summarized.Finally,the current challenges and future development opportunities are discussed to further develop the relevant applications of diamond-based electronemitting devices.

DPF碳载量对重型车PN排放影响研究

从DPF碳载量为0%时开始,直至DPF碳载量为100%,达到后处理再生状态结束共进行了8次PEMS试验。研究DPF碳载量对PN比排放的影响,根据瞬时车速和瞬时机动车比功率等参数对瞬态数据划分Bin网格,计算每次试验各个Bin的PN平均排放浓度和DPF平均温度的关系。试验结果表明,除最后一次发生再生的PEMS测试外,随着DPF碳载量的增大,PN比排放呈现先升高再降低的趋势;随着碳载量升高,Bin0、Bin1、Bin12以及Bin22等区间内每次试验的PN排放浓度相差不多。Bin13区间内的PN排放会随着碳载量的升高整体呈升高趋势。Bin23和Bin33区间内,PEMS试验的PN排放会随着碳载量的升高整体呈降低趋势。

国六柴油机PN排放试验研究

为探究国六柴油机开式排放循环中PN排放的影响因素,本文以某国六轻型柴油机为研究对象,研究不同漏气量下WHTC开式排放循环中PN排放量级,以及开式循环管路加热装置、冷态WHTC试验前的不同凉车时间、呼吸器内部毛毡结构等参数条件对排放循环PN尾排的影响。研究结果表明:(1)柴油机本体漏气量对开式PN排放的影响较显著;而呼吸器内部毛毡结构对开式PN排放影响较小;(2)开式循环下,开式管路的加热装置对冷态WHTC的PN排放的影响较显著;而对热态WHTC的PN排放影响较小;(3)开式冷态WHTC试验前凉车时间的增加,会导致冷态WHTC的PN排放增加。

驾驶模式对轻型汽油车PN排放影响试验研究

根据GB18352.6-2016中的RDE试验要求,对一轻型汽油车开展车载排放试验,设计了正常运行、急加减速运行两种驾驶模式,分别测取车速、排气温度、PN与CO2排放等数据,并进行数据处理。行程动力学检验分析表明,急加减速驾驶模式的驾驶激烈程度明显高于正常模式,但两种驾驶模式下的行程动力学特性均在有效范围内,CO2窗口的正常性与完整性均符合要求。研究发现,PN排放浓度与排放因子均与车速有较强的正相关性,急加减速驾驶行为下PN排放浓度和排放因子均明显高于正常驾驶模式。统计得出测试车辆的PN排放因子在正常驾驶模式时为3.16×10^10个/km,急加减速驾驶模式为9.05×10^10个/km。相比WLTC工况下国Ⅵ排放限值,正常驾驶、急加减速驾驶模式下RDE试验的PN符合性因子分别为0.05和0.15,低于国ⅥRDE符合性因子标准限值2.1。

不同海拔下轻型汽油车PN排放特性RDE测试研究

在0m、700m、1300m和2400m等不同海拔的情况下,对一辆气道喷射轻型汽油车进行了实际行驶工况的颗粒物数量(Particle Number,PN)排放试验研究。研究表明,随着海拔的升高,空气密度降低,发动机负荷减小,PN排放结果呈降低趋势,中高速及超高速工况仍是PN排放控制优化的重点。

驾驶行为对汽油机PN排放的影响

基于一台匹配四缸自然吸气PFI发动机与5挡手动变速箱的国六排放标准的车辆,基于WLTC工况研究了驾驶风格对排放的影响,重点分析了对PN排放的影响。试验结果表明:因受到三元催化器的催化转化作用,气体排放物尾排水平与驾驶风格的关联强度弱化,整个试验结果未见明显差异;PN排放受驾驶风格的影响较大,主要表现在PN排放峰值差异区域集中中高速区段的高挡位升挡加速工况,在相对稳定的工况下,PN排放水平较低;不同换挡操作过程中对油门踏板的控制差异性对PN影响较大,最大增幅为39.9%。

基于国六标准工况的重型柴油机PN排放特性研究

搭建柴油机排放测试平台,探究某重型柴油机在国六阶段瞬态循环和稳态循环试验中颗粒数目的排放特性。结果表明:无论是瞬态循环还是稳态循环,柴油机颗粒数排放都与其DPF碳载量密切相关。

小型增压直喷发动机PN排放特性研究

随着全球能源形势越来越严峻,环境不断恶化,节能减排成为当前所有汽车企业面临的一个主要任务。为达到节能减排的目的,汽车及发动机设计制造商们均对准了体积更小、重量更轻的小型增压直喷发动机,通过提高喷射压力及有效的增压器控制以获得比更大排量的自然吸气或普通增压发动机同等或更高的动力输出,同时提高发动机的燃油经济性。然而,由于增压直喷发动机在缸内直接喷射,不能为混合气均匀混合提供足够的时间,从而导致混合气局部过浓,在燃烧时产生大量的PM和PN;国六排放工况中,车辆大部分时间处于加速或高速状态,对车辆动力需求较大,小排量增压直喷发动机为保证可靠的动力输出,长期工作在大负荷区域,也造成较多的PM和PN排放。

直喷汽油机燃油喷射时刻对经济性与PN排放的影响

在一款装备直喷涡轮增压汽油机的国六车型的开发过程中,针对发动机在WLTC循环中有些工况PN排放高的现象,对这些工况进行了台架扫点。通过优化SOI,降低了发动机的PN排放。试验结果表明,过早的喷油,由喷雾和活塞碰撞形成的油膜会导致PN排放显著升高。为了避免PN排放升高,应适当推迟SOI。在低负荷条件下,SOI设定在295°CA BTDC和290°CA BTDC,更有利于降低PN排放。在中等转速区域,将SOI设置为300°CA BTDC或更提前,更有利于降低PN排放。在高转速区域,如有必要,可以使SOI稍微提前。SOI对燃油消耗率的影响在低转速时最为明显,在中高负荷和高转速工况则不明显。

国六轻型柴油机PN排放试验研究

为探究国六柴油机PN排放的影响因素,本文以某国六轻型柴油机为研究对象,研究万有工况PN原排的分布特点,以及主喷提前角、轨压、预喷、近后喷、EGR率、进气节流阀开度等参数对单一工况PN原排和WHSC循环PN排放的影响;同时还研究了PN排放和NOx排放之间的相关性。研究结果表明:(1)万有工况,随着转速增大,PN排放整体上呈上升的趋势,随着扭矩的升高,PN排放呈降低的趋势;(2)主喷提前角、轨压、EGR率对PN排放的影响较显著;而预喷间隔角、预后喷油量对PN排放影响较小;(3)PN比排放与NOx比排放存在此消彼长的Trade-off关系,并且存在一个拐点,当NOx比排放低于拐点后,PN比排放会大幅度上升。(4)对于WHSC循环,增加主喷提前角与轨压可以较大程度降低PN排放,但NOx排放会增加明显。

快速预判整车PN排放的试验分析方法

针对重型商用车国六排放标准中整车实际道路粒子数量(particle number,PN)的排放限值及测量方法难以适用于日常车辆的抽检和快速摸底的问题,借鉴大数据思想,研究PN排放低于限值、处于限值边界、严重超出限值3种情况下PN的瞬态排放水平及规律,并在瞬态排放水平与国六标准限值之间建立经验公式;提出模糊边界的整车排放试验分析方法和单位归一法。经验证,本文中提出的经验公式和方法,能够快速预判整车PN排放水平,提高抽检效率,可以为设计开发满足PN排放标准的整车、柴油机颗粒补集器故障模式分析、整车非标准循环的试验研究等提供必要参考和依据。

高原轻型车用发动机PN排放特性的试验研究

基于1900m海拔的发动机试验台架,针对一台国六轻型车用发动机,开展搭载后处理系统的整机PN排放特性的试验研究,分析其在高原下原机PN与尾排PN的变化规律,为高原轻型车后处理系统开发提供数据支持。研究发现:高原汽油机原机PN排放随着车速的升高而不断降低,捕集效率随车速的增加呈先增加后减小的趋势,主要与载体孔隙及是否高温灼烧相关;原机PN排放值对捕集效率的影响较大,尤其是冷启动条件下,受发动机缸内温度低、燃烧不充分等影响较大;为增大颗粒物捕集效率,可为GPF添加(或涂覆)部分不可灼烧的的灰分或其它成分以减小孔径孔隙。

气门开启缸内喷射对改善PFI发动机PN排放研究

由于燃烧的一些不稳定因素,进气道喷射的汽油发动机都是在进气门开启之前进行然受喷射,然而通过系统性的研究和分析发现在一定条件下,利用进气门打开后进行缸内燃油喷射技术却可以改善PN的排放,这个发现具有一定的独创性和前瞻性,同时研究了不同时刻喷射对PN排放的具体影响,用具体的PN排放数据论证了该技术改善PN(颗粒的数量)排放的可行性和有效性.

农用拖拉机燃用生物柴油排放特性研究

农业机械已日益成为中国大气污染的重要来源,其排放问题需要更深入的研究。为探究在高海拔条件下农用拖拉机燃用不同比例生物柴油对实际作业条件下的CO(carbon monoxide)、HC(hydrocarbon)、NOX(nitrogen oxides)和PN(particulate number)排放特性的影响,该研究对比分析了一台国III排放标准的农用拖拉机在海拔2 200 m下掺烧B10(10%体积大豆甲酯生物柴油+90%体积柴油)、B20、B30与柴油(B0)在旋耕时(发动机转速处于1 500~1 700 r/min,发动机功率在20~30 kW)的相关污染物排放的情况。分别使用OBD(on board diagnostics)和PEMS(portable emission measurement system)进行拖拉机工况和污染物的数据采集。试验结果表明:生物柴油的使用会略微降低燃油的经济性,增加有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption, BSFC),B10、B20和B30相较于B0的BSFC分别增加了2.31%、2.71%和2.04%。该研究基于发动机功率方面来表征农用拖拉机CO、HC、NOX和PN的排放因子。生物柴油有助于降低农用拖拉机的CO、HC和PN排放因子,B10、B20和B30相较于B0基于发动机功率的CO排放因子分别下降了10.15%、12.73%和32.10%;相较于B0基于功率的HC排放因子分别降低了13.22%、26.45%和30.58%;相较于B0基于功率的PN排放因子分别降低了8.22%、10.91%和14.17%。随着生物柴油比例的增加,CO、HC和PN排放因子降低幅度增大。生物柴油会略微增加农用拖拉机的NOX排放,随着生物柴油比例的增加,NOX排放因子也相应增加,B10、B20和B30相较于B0基于发动机功率的NOX排放因子分别增加了1.60%、2.78%和4.20%。该研究中所有测试燃料基于功率的NOX排放因子较《指南》推荐值高3倍多,可见《指南》推荐值对高原环境下的NOX排放因子不适用,高原环境会影响拖拉机在实际作业过程中的污染物排放。为减少高海拔条件下农用拖拉机在实际作业过程中的污染物排放,考虑到燃油的经济性和生物柴油对NOX排放的影响,将小比例掺混生物柴油作为农用拖拉机替代燃料来使用,不仅可以减少CO、HC和PN的排放,还可以减少化石燃料的使用。研究结果可为高海拔环境下农用拖拉机燃用生物柴油的实际污染物排放控制优化提供参考,可以补充在高海拔地区农业机械的排放数据库,以辅助环境污染研究和政策制定。

高效低背压CDPF催化剂技术研究

背压和PN过滤效率是DPF载体和CDPF催化剂的关键性能指标,结合空白载体孔径和涂层负载两个方面开展研究,结果显示:孔径是影响DPF/CDPF背压和PN排放的关键,孔径越小,背压越大,PN过滤效率也越高。调低DPF载体孔径可提高PN过滤效率,但背压增率难以控制;通过涂层涂覆可有效调控孔径分布,实现向小孔径方向偏移,在提高PN过滤效率的同时可有效控制背压增率。基于此,协同载体技术和涂层涂覆技术,优选出中值孔径为11.5μm的DPF载体,涂覆粒径D 90为3.5μm、负载量为15 g/L的涂层,涂覆后背压增率为8.88%,PN排放为9.34×10^(10)个/(kW·h),在满足国六排放法规的前提下,可同时兼顾高效的PN过滤效率和较低背压增率。

轻型车颗粒物质量排放和颗粒物数量排放的转鼓试验

为了定量评价国产轻型车的颗粒物排放,测量了55辆中国内地轻型车的单位行驶里程颗粒物质量(PM)排放和颗粒物数量(PN)排放。使用激光凝聚颗粒物计数和滤纸采样称重方法,对于轻型柴油车、缸内直喷(GDI)汽油车和多点电喷(MPI)汽油车,在转鼓试验台上进行循环工况试验。结果表明:汽油车的颗粒物排放水平明显低于国4柴油车,汽油车的PM和PN排放平均值分别约为国4柴油车平均值的6%和5%。MPI汽油车的PN排放值低于GDI汽油车约1个数量级。"全球统一轻型汽车测试循环(WLTC)"的高车速、长加速的工况条件,会加剧MPI和柴油车的颗粒物数量排放。GDI汽油车在冷机阶段的PN排放峰持续时间长,在后续的加速动态工况条件时会出现明显的峰值排放。

环境温度对重型柴油车整车排放影响研究

分别做了2种类型重型柴油车的PEMS试验,对环境温度对车辆的实际道路NOx和PN排放进行了研究,发现低温环境对重型柴油车的整车NOx排放影响较大,相比于高温环境,低温条件下NOx总比排放最大增加82.6%,最小增加43.0%;而环境温度对整车PN总比排放的影响趋势无确定结论,主要与整车后处理技术路线和排放标定策略相关性较大。

用不同算法时载荷条件对重型车比排放影响的对比试验

为了定量评价重型车单位行驶里程排放、单位发动机做功排放水平随载荷比例的变化情况,对于6辆国Ⅵ标准车辆和2辆国Ⅴ标准车辆,使用车载排放分析系统,进行了不同载荷比例的实际道路工况排放试验。结果表明:国Ⅵ车辆单位行驶里程颗粒物数量(PN)排放载荷修正系数随着载荷比例的增大而显著增加,拟合曲线斜率为0.0119,而国Ⅴ车辆的斜率为0.0012,远低于国Ⅵ车辆。随着载荷比例的增大,国Ⅵ重型车单位发动机做功的PN和NO_(x)排放增加,CO_(2)排放不变,CO排放降低;行驶相同的里程时,载荷比例越大的国Ⅵ重型车,单位质量整车的PN排放水平越高,CO、CO_(2)和NO_(x)排放水平越低。在高载荷比例条件时,国Ⅵ车辆在最初的市区阶段和最后的高速阶段出现了很高的PN峰值。

EGR与喷油定时对柴油机预混燃烧颗粒排放的影响

采用试验方法研究了小负荷单次早喷射模式下EGR率和喷油定时对柴油机预混燃烧过程和颗粒排放的影响.结果表明:当喷油定时处于45°~35°,CA BTDC、EGR率不超过60%,时,积聚态颗粒物数浓度受EGR影响而增加的趋势较为缓慢,此时平均粒径大小在50~60,nm;当EGR率超过60%,达到70%,时,积聚态颗粒物数浓度急剧增加,此时数浓度的最大值所对应的平均粒径却减小到30~40,nm.当喷油定时处于30°~26°,CA BTDC时,积聚态颗粒物数浓度受EGR影响并不明显.随着喷油定时的推迟,核态颗粒物数浓度逐渐升高.当ηEGR≤60%,,总颗粒物数浓度受EGR率变化影响不大,但随喷油定时的推迟呈现逐渐升高的趋势,与核态颗粒物变化趋势一致;当ηEGR>60%,,总颗粒物数浓度随EGR率升高急剧增加,这是积聚态和核态颗粒物共同作用的结果.

山路行驶的柴油车污染物排放特性试验

在山路和平路上,进行了不同载荷下国V柴油车的实际道路行驶排放(RDE)试验。采集车速、海拔、氮氧化物(NO_(x))和颗粒物数量(PN)排放浓度等数据,分析了道路坡度、车辆载荷与输出功率对排放的影响。研究发现:测试柴油车辆,在平均坡度约6%山路行驶时NO_(x)排放因子高于平路20%以上,PN低于平路20%以上。道路坡度自0增大到8%,NO_(x)排放浓度升高1倍以上,PN排放浓度升高20%~60%;坡度进一步增大,NO_(x)与PN排放浓度上升变缓,继而下降。载荷增大,NO_(x)与PN排放浓度升高;NOx、PN排放速率在10~40 kW功率区较大;NOx与PN高排放速率区随载荷增大变宽。该成果可为RDE测试车辆运行条件的设置提供参考。