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。

NTP再生DPF孔道内沉积颗粒物的理化特性

利用低温等离子体(NTP)喷射系统对已捕集颗粒物(PM)的柴油机颗粒捕集器(DPF)进行了低温(100℃)再生试验,并对DPF孔道内不同再生阶段的颗粒沉积物取样分析,通过热重分析仪(TGA)、透射电子显微镜(TEM)及拉曼光谱分析仪探究了DPF孔道内颗粒沉积物的氧化特性、纳米结构及石墨化程度的理化特性变化规律.结果表明:随着NTP再生DPF阶段的推进,DPF孔道内颗粒沉积物中元素碳(EC)组分的最大氧化速率温度(T_(max))和燃尽温度(T_(e))均明显降低.颗粒物团絮结构中较为薄弱的部分在NTP氧化作用下先断裂,分解成链状结构;初级碳颗粒的平均微晶长度减小,平均微晶层面间距增大.由于NTP活性物质O不断键入PM中,在PM微晶边缘处生成新的含氧官能团,使得PM样品的无序程度及无定型碳含量增加,PM的氧化活性提高.

NUMERICAL SIMULATION FOR AIR AND AIR-PM FLOW IN WALL FLOW DIESEL PARTICULATE FILTERS

Numerical simulations are performed both for the single airflow and air-PMtwo-phase flow in wall flow diesel participate filters (DPF) for the first time. The calculationdomain is divided into two regions. In. the inlet and outlet flow channels, the simulations areperformed for the steady and laminar flow; In the porous filtration walls, the calculation model forflow in porous media is used. The Lagrange two-phase flow model is used to calculate the air-PMflow in DPF, for the dispersed phase (PM), its flow tracks are obtained by the integrating of theLagrange kinetic equation. The calculated velocity, pressure distribution and PM flow tracks in DPFare obtained, which exhibits the main flow characteristics in wall flow DPF and will be help for theoptimal design and performance prediction of wall flow DPF.

喷油助燃再生DPF过滤体入口废气温度条件研究

阐述了DPF喷油助燃再生的工作原理,在考虑过滤体内沉积微粒氧化反应次模型的基础上,以壁流式蜂窝陶瓷过滤体为研究对象,建立柴油机稳态工况下过滤体入口孔道的再生简化模型。考虑到柴油机中小负荷排气富氧条件,通过无量纲化,结合DPF的排气背压模型,得到了喷油助燃再生DPF时过滤体入口端所需的温度条件。试验表明,以该条件获得的理论过滤体入口废气温度所对应的喷油率来调节燃烧器功率可顺利实现DPF的再生过程,为DPF喷油助燃再生系统的设计提供了一定的理论依据。

改进的动力学模型对DPF热再生过程的影响

针对柴油机颗粒捕集器的再生过程建立了数学模型.考虑到颗粒在反应过程中比表面积变化对反应速率的影响,通过热重分析仪上的等温氧化实验和程序升温实验,求得了柴油机碳烟颗粒氧化的比表面积变化函数和动力学参数,建立了碳烟氧化的反应速率方程.通过数值模拟将本模型与传统的Bisset-Konstandopoulos模型(B-K模型)进行对比,结果表明,由于采用了更符合碳烟氧化过程的反应方程,本模型计算得到的再生时间短、最大壁面温度高、最大壁面温度梯度大,而B-K模型计算结果高估了再生时间,低估了最大壁面温度和最大壁面温度梯度,不利于再生过程的安全性和经济性分析.

来流参数对DPF热再生过程的影响

基于改进的DPF热再生数学模型,对DPF的再生过程进行了数值模拟.分别采用再生时间、最大壁面温度和最大壁面温度梯度、单位质量碳烟再生能耗来衡量再生的效率、安全性和经济性,研究了来流参数对再生效率、安全性和经济性的影响,研究结果表明:随来流质量流量增加,过滤体的再生时间存在最佳值,再生安全性增强,但能耗亦增加;随来流氧气浓度和温度的增加,过滤体的再生时间和能耗减小,但再生安全性降低;初始温度对再生时间和安全性影响不大,但随着初始温度增加,再生能耗降低.

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。

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。

高原环境下增压柴油机耦合DPF的性能仿真

基于GT-Power建立带柴油机颗粒捕集器(DPF)的增压柴油机一维仿真模型,研究了DPF在不同海拔下对增压柴油机动力性、经济性及排放特性的影响,同时研究了不同海拔下DPF的工作特性,并采用3种不同型式的载体进行了仿真对比.结果表明:高原环境对增压柴油机低转速工况性能影响较小;高原环境下,增压柴油机中、高转速的动力性、经济性下降明显;中、高转速工况下,随着海拔升高,增压柴油机碳烟和CO排放均增加,NOx排放降低;不同海拔下,DPF对增压柴油机动力性、经济性影响较小,海拔为0 km与4 km条件下DPF对增压柴油机原始排放均影响较大;DPF压降随海拔上升而增加,高原环境对低转速工况下DPF捕集效率影响较小,中、高转速工况下,DPF捕集效率随海拔上升而增加;不同型式载体的DPF工作特性随海拔变化的表现具有一致性,高目数和非对称结构载体有利于降低DPF压降和增大载体容灰量.

DPF白载体传热特性的试验研究

利用外加热源再生台架,测试了受来流热冲击时柴油机颗粒捕集器(DPF)白载体的内部温度场分布,分析各种因素对栽体最高温度T_(max)、最大升温速率K_(max)、末端温度梯度极值(dT/dy)_(max)的影响规律。研究结果表明:提高来流温度,T_(max)呈线性增大,K_(max)增加不明显,(dT/dy)_(max)也增大,有助于增强载体的传热性能;提高来流流量,T_(max)增加不明显,K_(max)则线性增大,(dT/dy)_(max)略有降低,也有助于增强载体的传热性能;增加载体长度,T_(max)、K_(max)、(dT/dy)_(max)均降低,载体传热性能降低。增加载体孔目数(CPSI),T_(max)和K_(max)增大,(dT/dy)_(max)减小,载体传热性能增强;在载体末端添加热惯性体后,T_(max)和K_(max)基本不变,(dT/dy)_(max)明显减小,对载体的内部温度分布影响不大,但可大幅度降低载体末端内部热应力。

微粒特性对DPF再生性能的影响

基于外加热源再生性能测试台架,实验研究了(碳黑)微粒特性对柴油机微粒捕集器(DPF)再生性能的影响规律,同时也比较了真实柴油机微粒与碳黑微粒在再生性能上的差异.结果表明,相同粒径而比表面积大的碳黑容易再生,其再生效率高,效能比(效率/能量)也高.模拟可溶性有机物(SOF)含量高的(模拟)碳黑容易再生,效能比高.模拟20%,SOF碳黑微粒热处理后更易于再生,再生效率高,效能比高.与碳黑相比,柴油机微粒更容易再生,再生效率高,效能比高.

DPF分区再生性能的试验研究

基于外加热源再生性能测试台架,探索了柴油机颗粒捕集器(DPF)分区再生对再生性能的影响及其传热规律。试验结果表明:单区沉积再生时,Ⅰ区沉积和Ⅱ区沉积时容易出现较高的最高温度和最大温度梯度,同时再生效率也较高;沉积区域越偏离轴心,其再生效率越低。双区沉积再生时,沉积区域间距越小且越靠近轴心则越利于再生,再生效率也越高。多区沉积再生时,相比其他沉积情况,当Ⅱ区不沉积颗粒时,最高温度和最大温度梯度较低,同时具有较高的再生效率。DPF内部热量主要聚集在轴心末端位置,当DPF末端发生剧烈再生时热量具有向前传递的趋势。

DPF热再生过程影响因素研究

建立了柴油机微粒捕集器(DPF)的热再生模型,研究了再生条件(混合气流量、再生温度、氧气浓度、初始微粒层厚度)对DPF再生过程中壁面温度峰值、最大温差、再生时间或单位再生时间和能量效率的影响。研究结果表明,适当增大混合气流量、提高再生温度和氧气浓度都可以缩短再生时间;氧气浓度过高、初始微粒层太厚会导致再生过程中DPF的壁面温度峰值及最大温差过大;混合气流量过大会降低再生过程中能量利用率;再生温度为900K时,再生效果最佳。

含水DPF压降特性的试验研究

基于外加热源再生性能测试台架，研究了柴油机颗粒捕集器（dieselparticulatefilter，DPF）含水时运行参数和孔隙结构参数对其压降特性的影响规律。试验结果表明：含水DPF的压降随着含水率的降低均呈保持稳定、迅速降低、缓慢降低三阶段变化，存在压降敏感区域。在含水率较高时，含水率随着时间的增长而迅速降低，此后含水率随着时间增长线性降低。随着来流流量和来流温度的增加，压降敏感区域保持不变，含水率分布在23％～35％。随着载体孔隙率和微孔孔径的增大，压降敏感区域变窄，含水率分布在26％～35％。

柴油机DOC+CDPF系统的过滤和再生性能试验研究

基于氧化催化转化器(DOC)+催化型颗粒捕集器(CDPF)系统开展了发动机台架试验,对比系统前后的颗粒物粒径分布,获得了系统的过滤效率,同时也测量了该系统在各稳态工况下的再生效率。研究结果表明:该系统对颗粒物的过滤效率在发动机的各个工况均能达到95%以上;系统前的颗粒物数量浓度呈单峰分布,主要为核模态;系统后颗粒物数量浓度呈双峰分布,峰值分别在10nm和150nm左右,且10nm左右波峰峰值最大;再生效率随着再生温度的升高呈上升趋势,测试系统的起燃温度在250℃以下;再生效率均随着再生时间的增加而增加,但在再生后期明显变缓;在较高的再生温度时,颗粒担载量增大将有利于提高再生速率。

NTP技术降低柴油机PM排放及低温再生DPF的研究

针对柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)传统再生方法的缺陷,根据低温等离子体(non-thermal plasma,NTP)放电理论,探索了NTP低温再生DPF技术。从化学反应动力学角度探讨了基于NTP技术的DPF再生反应机理,并利用现代测试分析技术研究了NTP对颗粒物(particulate matter,PM)质量粒径分布、微观形貌、碳结构及表面官能团演变的作用规律。建立NTP技术再生DPF的试验系统,对已捕集PM的DPF进行再生试验研究。通过监测PM的氧化分解产物CO、CO2的体积分数和DPF的内部温度,结合DPF的背压变化,研究不同再生初始温度下的PM氧化分解特性和DPF再生特性,并考察NTP技术对DPF再生的安全性。研究结果表明,NTP技术可有效分解柴油机排气中的PM,显著降低DPF的再生温度,且无需催化剂。这为DPF再生提供了新的研究途径。

柴油车碳化微米长木纤维DPF尾气排放的压降梯度

提出将碳化微米长木纤维作为微粒捕集器的过滤体材料,并建立相应的数学模型,通过理论和试验对其排气压降梯度进行研究。结果表明:该种材料所制成的尾气净化器过滤效率高、压降梯度小,可为柴油机尾气净化开辟一个新的方向。

柴油机DPF过滤材料研究现状及发展趋势

PM2.5严重地污染环境并危害人类健康,柴油车尾气是其主要排放来源之一。因此柴油机尾气的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必要措施。本文介绍了DPF净化机理,综述了陶瓷基、金属基及复合基三类常用的滤芯材料,展望了微粒捕集器的发展趋势,提出了以碳化微米木纤维为过滤材料的柴油机复合基DPF,其过滤效率高,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。

溶样方法对不同陶瓷基材DPF中铂和钯测定的影响

柴油颗粒过滤器(DPF)的不同陶瓷基材酸法溶解效果有差异,影响样品中铂钯含量测定。对比实验表明,与标准酸溶法相较,碱熔法对不同陶瓷基材均有较好的溶解效果,但操作稳定性较差。对钛酸铝基材样品,用正交试验法考察了多种酸溶试剂的影响,优选出的酸溶试剂配比为采用8 mL盐酸,4 mL硝酸,2 mL氢氟酸溶解0.25 g样品,测定铂、钯的回收率为97.1%、98.7%,相对标准偏差分别为2.86%、1.50%,与标准酸溶法处理堇青石基材和碳化硅基材样品所得结果相当。