基于阻力的齿轮型木纤维尾气微粒捕集器滤芯设计及试验

研制了一种内部中空、外部为齿轮状的木纤维滤芯,建立基于阻力的柴油车尾气微粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)滤芯的压力损失和结构参数模型,通过数值计算分析得到新型齿轮状木纤维滤芯的较优尺寸方案;并通过台架试验对不同结构参数滤芯的阻力变化进行对比分析,验证了该新型齿轮状木纤维滤芯的可靠性和科学性。分析结果表明,当DPF过滤室尺寸为直径140mm、高150mm时,新型齿轮状木纤维滤芯存在较优结构参数,即齿厚为23.27mm,齿高为30mm,齿边夹角为5°,滤芯厚度为7mm,齿数为8。该文所研制的齿轮型木纤维滤芯对油品质量要求低,过滤阻力小,过滤效率高,价格便宜,且废弃后易于回收再利用。结合温控装置使用,可有效过滤柴油车尾气中的PM,对柴油车尾气净化及环境保护具有十分重要的意义。     

径向柴油机微粒捕集器流速分布特性数值分析

为了得到径向柴油机微粒捕集器内流速分布特性,该文利用流体计算软件对一种可旋转径向式微粒捕集器内流速分布特性进行了数值研究,考察了排气流速、管道直径比、扩张角及载体长度等参数对微粒捕集器内流速分布的影响规律。在入口气流流速50 m/s条件下,测量了微粒捕集器各计算截面内流速分布情况,并且与计算值进行了比较,最大误差为3.2 m/s,在允许范围之内。结果表明,降低排气流速、减小管道直径比与扩张角、增加载体长度均有利于提高微粒捕集器内流速分布均匀性。该研究对控制微粒捕集器再生过程、提高过滤体利用率及微粒捕集器使用寿命有重要意义。     

铈基燃油催化剂改善柴油机颗粒物捕集器再生效果

颗粒捕集器(diesel Particulate filter,DPF)是目前公认的最有效的柴油机排气颗粒物后处理装置,为了去除DPF内部沉积颗粒,实现DPF再生,采用提高排气温度或催化燃烧的方法来促进颗粒物燃烧。该文采用环烷酸铈溶剂作为燃油催化再生添加剂(fuel borne catalyst,FBC),对柴油机DPF的再生平衡温度、压降特性和燃烧灰烬等进行试验研究。试验结果表明:DPF再生平衡温度因FBC的催化作用从500℃以上下降到约450℃,从而增加了颗粒捕集器的颗粒储备能力,并能够有效再生;柴油机燃油消耗率随着排气背压的增加而上升;燃用FBC测试燃油时DPF前后压差较纯柴油上升缓慢,其达到排气背压再生阀值的周期变长;同时,随再生次数的增多,再生后DPF的前后压差呈线性增加,捕集效率却逐渐提高。该文采用燃油添加剂可以明显降低颗粒的着火点。结合电加热装置,可有效提高DPF的再生效果,有效过滤柴油车尾气中的颗粒物,对柴油车尾气净化及环境保护具有十分重要的意义。     

柴油机壁流式过滤体灰烬深床沉积数学模型

壁流式过滤体再生后残留的灰烬累积会导致微粒捕集器流动阻力性能恶化.通过分析灰烬的沉积特点,建立了壁流式过滤体灰烬深床沉积数学模型.运用该模型研究了灰烬沉积对过滤体流动阻力的影响,并对模型进行了验证.结果表明:灰烬的深床沉积会使过滤体流动阻力陡增,滤饼沉积阶段初期流动阻力呈平稳线性上升,当灰烬沉积量超过约15 g/L时,...     

柴油机微粒捕集器喷油助燃再生过程热工特性

为获得柴油机微粒捕集器喷油助燃再生过程热工变化特性,在考虑微粒氧化反应次模型的基础上,建立壁流式蜂窝陶瓷过滤体喷油助燃再生数学模型,通过对速度场、压力场、温度场与微粒浓度场等多场耦合求解,研究其再生过程热工参数变化规律。结果表明:喷油助燃装置热工参数、排气特征对过滤体再生过程影响较大。适当增大气油配比、提高喷油压力与喷油速率及加大补气流量均使再生过程中过滤体孔道壁面峰值温度升高,沉积在过滤体孔道壁面上的微粒层氧化燃烧速率加快,缩短过滤体的再生时间,但随着气油配比、补气流量的进一步增大,空气对流散热损失增强,及喷油速率进一步提高,混合气过浓导致燃烧器燃烧性能恶化等影响,孔道沉积微粒氧化速率、壁面峰值温度下降,再生速率降低。排气流量对再生过程的影响与补气流量相似,但从分析结果来看,排气流量能否合适控制对过滤体的再生过程有重要影响。这些规律的提出,为实现微粒捕集器安全、可靠、高效地再生及其过程控制的优化等方面提供依据和技术参考。     

微粒捕集器喷油助燃再生喷油与补气的优化控制

为实现柴油机微粒捕集器喷油助燃再生的优化控制,该文基于原喷油量优化控制模型,在考虑补气的前提下,结合过滤体再生入口临界温度模型对其边界终止温度条件的强化,对微粒捕集器再生过程烟气最优升温速度曲线予以了改进,并获得了喷油量/补气量的最优控制目标函数。从其在线优化控制结果来看,喷油量最优值随再生时间变化呈先减小后增加的趋势。相应补气量变化趋势与最佳喷油量的变化一致,受排气氧含量富余程度影响,对应的补气量在越过最低点后增长的速度不一致。试验结果表明,对喷油量/补气量予以最优控制后,整个再生过程油耗可降低34.6%～40.2%。为提高整个微粒捕集器喷油助燃再生过程的操作水平和经济效益提供了参考。     

柴油机颗粒捕集器再生温度预测模型

柴油机颗粒捕集器在再生阶段的温度预测问题直接与后处理系统甚至整车的经济性、安全性相关。该文采用仿真分析计算与发动机试验验证相结合的方式,对柴油机颗粒捕集器在再生阶段的温度特性及其影响因素进行分析。首先运用GT-Power软件对后处理系统进行建模,并分析了不同再生目标温度对再生效率的影响以及不同碳载量对稳态再生温度的影响。仿真结果表明：较高的再生目标温度有助于降低单位质量颗粒物的再生油耗,当再生目标温度为500 ℃时,单位质量颗粒物的再生油耗为372.7 g,当目标温度提高到700 ℃时该值降低至3.8g,但当目标温度达到600 ℃以上,再生目标温度对单位质量颗粒物再生油耗的改善效果不明显;当碳载量超过46 g（12.7 g/L）再生时,颗粒捕集器内部温度超过800 ℃,颗粒捕集器出现烧蚀失效的风险较高,因此应当限制触发再生的碳载量限值。在仿真计算结果的基础上,运用发动机台架试验对再生温度特性进行测试验证,试验结果与仿真结果较吻合,结果表明,该温度预测模型可对颗粒捕集器再生阶段的温度分布、再生油耗及最高温度等进行预测,对提高再生阶段燃油经济性,降低颗粒捕集器的烧蚀失效风险,具有重要的指导意义。     

Relationship between tensile properties and microstructures of three different broadleaf tree roots in North China

为了研究乔木单根抗拉性能与其微观结构和纤维的关系,为筛选合适的水土保持、边坡防护树种提供理论基础,对白桦、榆树、蒙古栎3种北方常见阔叶树种的根系进行了抗拉力、抗拉强度、根系解剖结构以及根系分子离析等一系列的试验,并运用多元回归的方法对两者之间的关系进行定量的分析。试验结果表明：3种阔叶树种的根系显微结构基本和其树材相同;根系显微结构中木纤维所占根系横截面积的百分比、韧皮部所占根系横截面积的百分比、木纤维的尺寸因素影响单根的抗拉特性;其中木纤维所占根系横截面积的百分比对单根抗拉力的影响因子最大且呈正相关,韧皮部所占根系横截面积的百分比对单根抗拉强度的影响因子最大且呈正相关;同时单根抗拉特性与木纤维的长度、木纤维的长宽比以及壁腔比均成正相关,但影响因子小于木纤维所占根系横截面积的百分比、韧皮部所占根系横截面积的百分比;3个树种中榆树在相同直径下的各项测定指标都高于白桦和蒙古栎,表现出单根具有更好的抗拉特性。研究结果可为固土护坡阔叶树种的选择提供参考。     

微粒捕集器再生背压阈值MAP图建立及其应用

为获得柴油机微粒捕集器（diesel particulate filter,DPF）再生背压阈值以提供再生时机判断基准,针对该文设计的喷油助燃再生系统,提出以总油耗量法为基础DPF再生时机背压判断法。基于AVL-BOOST平台建立装有 DPF 发动机的仿真模型,并试验验证其油耗、功率、转矩、排气温度及 DPF 背压变化模拟值,对比结果表明,该模型具有较好的实用性,为获得较高密度和精度的测点值创造条件。沿发动机纵、横向工况分布面上采用最小二乘拟合法与区间分段线性插值法,借助MATLAB对装有干净DPF的发动机等油耗曲面进行拟合。通过设置仿真模型中DPF模块微粒层厚度,记录各工况油耗,并从中筛选出较干净过滤体发动机油耗超过5%时所对应的DPF背压值作为背压阈值,进一步建立DPF再生背压阈值脉谱图（map of arterial pressure, MAP）。从应用试验来看,相同控制策略下采用该MAP判断再生时机可保证DPF再生过程在5～10 min内完成,过滤体内峰值温度及最大温度梯度均低于安全阈值1400 K、75 K/cm,表明该MAP具有较好的实用性,这为实现微粒捕集器的快速、安全再生提供了依据和技术参考。     

华北护坡阔叶树种根系抗拉性能与其微观结构的关系

为了研究乔木单根抗拉性能与其微观结构和纤维的关系,为筛选合适的水土保持、边坡防护树种提供理论基础,对白桦、榆树、蒙古栎3种北方常见阔叶树种的根系进行了抗拉力、抗拉强度、根系解剖结构以及根系分子离析等一系列的试验,并运用多元回归的方法对两者之间的关系进行定量的分析。试验结果表明:3种阔叶树种的根系显微结构基本和其树材相同;根系显微结构中木纤维所占根系横截面积的百分比、韧皮部所占根系横截面积的百分比、木纤维的尺寸因素影响单根的抗拉特性;其中木纤维所占根系横截面积的百分比对单根抗拉力的影响因子最大且呈正相关,韧皮部所占根系横截面积的百分比对单根抗拉强度的影响因子最大且呈正相关;同时单根抗拉特性与木纤维的长度、木纤维的长宽比以及壁腔比均成正相关,但影响因子小于木纤维所占根系横截面积的百分比、韧皮部所占根系横截面积的百分比;3个树种中榆树在相同直径下的各项测定指标都高于白桦和蒙古栎,表现出单根具有更好的抗拉特性。研究结果可为固土护坡阔叶树种的选择提供参考。     

排气余热辅助低温等离子体再生柴油机颗粒捕集器试验

为探究低温等离子体(non-thermal plasma,NTP)对无外加热源的柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)的再生过程与再生效果,搭建了排气余热辅助NTP再生DPF的试验系统。借助发动机停机后的排气余热,利用DBD(dielectric barrier discharge)型NTP发生器,对处于降温过程的DPF进行再生试验研究。结果表明:随着DPF温度的下降,NTP中O3的分解反应减弱,PM(particulate matter)氧化反应加剧,DPF内部出现温度不降反升的现象,氧化区域自DPF前端逐渐向后端延伸,DPF径向中点处氧化反应最为剧烈,DPF轴向剖面上残余积碳呈现?形。再生后DPF内部残余积碳中可溶性有机成分SOF(soluble organic fraction)明显减少,且NTP处理能够降低PM中SOF及DS(dry soot)的表观活化能。整个再生过程中,DPF内部大量积碳被氧化去除。排气余热辅助的NTP再生技术,实现了对无外加热源的DPF的有效再生,使得DPF排气背压下降达69%。该文证实了排气余热辅助NTP再生DPF的可行性,为NTP再生DPF技术的应用提供了试验依据。     

柴油机颗粒捕集器不规则六边形孔道结构压降特性研究

为了提高柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)的压降特性和碳烟承载量,该文提出了一种不规则六边形孔道结构,并利用AVL-Fire软件建立其三维模型,针对不同排气流量,排气温度,碳烟负载以及灰分堆积情况对DPF压降特性进行数值分析,并与四边形孔道结构进行对比。结果表明:在不同排气流量条件下,建立的数学模型模拟值与实际试验值相对误差处于2.54%~5.69%之间,计算值和试验值的数值差异较小,变化趋势一致;在同等排气流量和排气温度条件下,不规则六边形孔道结构DPF的压降特性优于四边形孔道结构;不同碳烟加载方式会影响DPF压降特性,递减分布压降最高,递增分布压降最低,且不同分布方式下不规则六边形孔道结构具有更低的压降;灰分在DPF内部以层状方式分布对压降影响较大,以尾端方式分布对压降影响较小;不规则六边形孔道DPF具有更陡峭的碳烟过滤效率曲线和更低的压降曲线,表明其能有效地提高碳烟及灰分承载能力,其中碳烟捕集效率上升时间同比降低34%;不同灰分堆积方式下,不规则六边形孔道结构有更小的DPF压降和更高的碳烟承载量,该文可为优化DPF结构,降低DPF压降,减小DPF再生频率提供参考。     

乙醇柴油发动机的颗粒排放及其热解动力学分析

利用热重分析仪对柴油机燃用0#柴油和乙醇柴油排放的颗粒进行热重及其动力学分析。研究表明,柴油中添加乙醇有助于降低柴油机的颗粒排放。通过颗粒的热重分析得出,颗粒氧化过程主要发生水分挥发、可溶性物质氧化和固体碳氧化3个过程,其中,固体碳约占颗粒总量的70%,可溶性有机物约占颗粒总量的25%。通过Coats-Redfern法对颗粒热重数据进行动力学计算分析,得出柴油机燃用0#柴油的颗粒的活化能为130.3 kJ/mol,燃用乙醇柴油的颗粒的热解活化能为122.9 kJ/mol,两拟合曲线的线性回归系数均大于0.99。为开发高效的颗粒催化剂及柴油机颗粒捕集器选择适当的可再生技术提供理论依据。     

不同干燥方式对柠檬片干燥特性及品质的影响

为探索不同干燥方式对柠檬片干燥特性及品质的影响,该研究采用真空冻结冷冻干燥、传统冷冻干燥、热风干燥3种方式进行对比干燥试验。结果表明,真空冻结冷冻干燥柠檬片工艺耗时比传统冷冻干燥节省5 h,但是热风干燥2倍以上;耗电量比传统冷冻干燥节省14.27%,但是热风干燥5倍以上;真空冻结冷冻干燥、传统冷冻干燥、热风干燥柠檬片维生素C保存率分别为66.03%、45.45%、19.14%,复水比分别为4.60、3.97、2.24,差异显著(P0.05);热风干燥柠檬片色差值显著(P0.05)高于两组冷冻干燥柠檬片,而两组冷冻干燥柠檬片色差值未见显著差异(P0.05);真空冻结冷冻干燥柠檬片中5种主要挥发性风味化合物保存率显著(P0.05)高于传统冷冻干燥柠檬片,热风干燥柠檬片保存率最低(P0.05)。3组干燥柠檬片残留水均呈现自由水、不易流动水、结合水3个横向弛豫时间峰位,干燥样品残留水分中结合水占比例最高,不易流动水和自由水占比例较小,热风干燥柠檬片横向弛豫时间峰位相对其他两组呈现小幅度的右移趋势;两组冷冻干燥柠檬片感官特征总评分差异不显著(P0.05),热风干燥柠檬片在色泽、质地、柠檬味上远不及两组冷冻干燥柠檬片感官特征丰富。真空冻结冷冻干燥是高附加值柠檬片的首选干燥方法。该研究结果为柠檬片干燥加工技术提升提供参考。     

CeO2纳米颗粒催化柴油燃烧氧化特性分析

为了深入了解柴油中添加Ce O2纳米催化剂后生成颗粒的氧化特性,该文配制了Ce O2质量分数分别为0、50、100 mg/kg的纳米催化燃油,利用微粒分级采样装置采集柴油机燃用3种燃料生成的颗粒样品,采用扫描电镜研究了Ce O2质量分数对颗粒形貌特征的影响,通过热重分析方法研究了升温速率、Ce O2质量分数对颗粒氧化特性的影响并采用Coast-Redfern方法计算了颗粒的活化能。结果表明:颗粒群为团簇状结构,粒径范围在20~70 nm之间;随着Ce O2质量分数增加,颗粒平均粒径减小,粒径向小粒径方向移动,计盒维数增大。随着升温速率的增加,颗粒氧化过程出现滞后现象,氧化反应区域变宽,初始氧化温度、峰值失重温度和氧化终止温度增高,失重率峰值变小。升温速率对颗粒反应活化能影响较小。升温速率相同时,随着Ce O2质量分数的增加,颗粒的反应活化能、初始氧化温度、峰值失重温度和氧化终止温度均降低,Ce O2质量分数越高,降幅越大。Ce O2纳米催化剂添加到柴油后,使颗粒粒径变小,并能促进颗粒的氧化,降低颗粒起燃温度,可有效降低柴油机微粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)再生温度和延长再生周期,对柴油机排气净化具有重要的意义。     

氧气/空气源低温等离子体发生器的性能对比分析

为对比不同气源的介质阻挡放电型低温等离子体发生器的性能参数,分别以氧气和空气为气源,对发生器进行了静态对比试验,研究了放电电极面积、放电电压峰峰值、气体体积流量对放电功率、单周期电荷传输量、O_3浓度、O_3产量和O_3产率的影响。结果表明,当放电电极面积增大时,放电功率和单周期电荷传输量均线性增大,但空气源对应的放电功率和单周期电荷传输量及其增长速率较低;此时,氧气和空气源的O_3浓度整体呈上升趋势而O_3产率则呈下降趋势。当放电电压峰峰值增大时,氧气和空气源的放电功率和单周期电荷传输量均显著增大,且后期增大速率加快;O_3浓度均先升后降而O_3产率则逐渐减小,高浓度和高产率不可兼得。不同放电频率下,氧气源的最大臭氧浓度大于55 mg/L,空气源的最大臭氧质量浓度在4~8 mg/L之间。当气体体积流量增大时,氧气源的放电功率和单周期电荷传输量均先上升后趋于平缓,而空气源的放电功率和单周期电荷传输量则逐渐增大;氧气源的O_3浓度下降,O_3产量上升直至平缓,而空气源的O_3浓度则先增后减,O_3产量逐渐上升但上升速率放缓;氧气源和空气源的O_3产率均随气体体积流量的增大而缓慢上升。以氧气为气源时,气体体积流量不宜超过10 L/min;以空气为气源时,气体体积流量可选取为9 L/min左右。研究结果可为低温等离子体喷射系统优化及柴油机颗粒物捕集器的再生研究提供参考。     

DOC与POC耦合柴油机燃用调合生物柴油颗粒物的排放特性

在一台高压共轨柴油机上进行燃用调合生物柴油(B0、B10和B20)台架试验,利用MOUDI颗粒分级采样系统和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分别研究氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)结合颗粒氧化催化器(particle oxidation catalyst,POC)对颗粒物的粒径质量浓度分布和可溶性有机组分(SOF)的影响。结果表明:随着生物柴油的掺混比增加,各粒径范围的排气颗粒物质量浓度均下降,质量浓度峰值均在0.18~0.32μm;颗粒物SOF中脂类、酸类质量分数增加,烷烃类、芳香烃、酚类物质质量分数减少;B0和B20的碳原子数质量分数均呈现近似以C16为峰值的正态分布。加装DOC+POC后,3种燃料颗粒物的质量浓度均降低,聚集态颗粒的质量浓度转化率高于粗颗粒态,其中B20聚集态转化率最高,为58.36%;随着生物柴油的掺混比增加,DOC+POC对SOF的转化率增大,其中B20颗粒中SOF转化率达65.15%;DOC+POC对脂类和酸类物质净化作用明显,加装DOC+POC后,B20脂类和酸类物质的质量分数降幅分别为55.45%和43.27%;DOC+POC对B20颗粒物中SOF的C12~C18氧化作用明显。     

基于DPF主动再生温度需求的柴油机进气节流控制策略

为得到DPF主动再生温度控制的全工况区域内进气节流控制策略,选取大、中、小负荷下的3种典型工况研究进气节流阀开度对柴油机泵气损失、排气热状态、缸内燃烧及排放特性的影响规律。台架稳态试验结果表明:随着节流阀开度的减小,节流作用增强,各工况下进气量逐渐降低,过量空气系数减小,最大燃烧压力下降,比油耗、CO、NO_X及烟度排放升高;但进气量的减少使得燃烧始点推迟,滞燃期延长,缸内燃烧温度及排气温度升高,抑制了HC的生成。当进气节流阀开度减小至20%时,低速小负荷工况进气流量减少率较大,排气温度提升更为显著,增幅可达62.7%,而高负荷工况排温略有升高,但泵气损失较大,增幅高达19.2%,严重恶化了发动机的经济性。因此该文综合3种代表工况下的排温提升潜力及主要性能变化规律,将A、B、C工况进气节流阀开度分别控制在35%~45%,50%~60%和70%~80%范围内,并依据排温分布特点得出发动机全工况范围内进气节流控制策略,即小负荷工况采用较小的节流阀开度,随负荷增大节流阀开度增大直至全开。     

农业机械污染排放控制技术的现状与展望

农业机械作为一种重要的非道路机械类型,其主要动力源为柴油机,而柴油机固有的燃烧方式会导致其颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)等污染物排放严重,开展农业机械污染排放控制技术的研究对人体健康和环境保护均具有重要意义。该文从农业机械排放法规、降低农业机械污染排放的单项技术路线、满足更高排放限值要求的组合技术路线3个方面进行阐述。农业机械排放法规分析了欧盟、美国和中国法规对排放限值和测试循环的要求以及各国法规的差异。中国目前正在实施的农业机械国III排放标准,与欧盟的Stage IV和美国Tier IV标准相比,排放限值相对宽松;欧盟农业机械排放法规的NRSC测试循环主要包括8工况循环和5工况循环,而中国和美国规定,19 k W以下的非恒定转速的农业机械柴油机也可使用6工况循环进行测试;欧盟和中国规定污染物测量的最终结果为冷启动循环结果的10%和热启动循环结果的90%的加权,而美国将冷启动循环结果的比例调低至5%。单项技术路线对油品技术、机内净化技术和机外排气后处理技术进行了介绍。其中,油品技术包括提升燃油和润滑油品质、采用替代燃料等;机内净化技术包括农业机械柴油机本体优化设计、增压及增压中冷、燃油喷射优化和废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)等;机外排气后处理技术包括柴油机氧化催化转化技术(diesel oxidation catalyst,DOC)、柴油机颗粒捕集技术(diesel particulate filter,DPF)和选择性催化还原技术(selective catalytic reduction,SCR)等。组合技术路线总结了满足国III和国IV阶段以及国外最新排放标准的技术路线。"优化燃烧+SCR"技术路线的柴油机比采用"EGR+DPF/CDPF"技术路线的柴油机节省5%~7%的油耗,若扣除尿素消耗,前者仍有一定节油优势;模块构建和单体式后处理系统等先进的农业机械污染排放控制技术是满足Stage IV/Tier IV和Stage V的重要技术路线。最后,针对农业机械污染排放控制技术研究,进行了总结和展望。为满足未来国IV排放标准,加装机外排气后处理催化器已经成为一种重要手段;开发低成本、高净化效率的集成式机外排气后处理催化器,是未来农业机械污染排放控制的重要研究方向。