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。     

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。     

柴油机催化型颗粒捕集器喷油助燃再生特征

针对在用车辆的排放升级改造,以及满足非道路移动源四阶段排放标准限制要求,该文基于自主开发的喷油助燃主动再生系统,开展了加装DPF(diesel particulate filter)和不同CDPF(catalyzed diesel particulate filter)后处理器的发动机外特性试验和喷油助燃主动再生燃烧试验。结果表明:催化剂负载量为530g/m~3的CDPF,对外特性下发动机的动力性和经济性影响较小,并为碳烟再生提供了充足的NO_2组分,因而其最大排气压差比DPF低8.8kPa。630℃时无二次供气的CDPF其再生效率高达96.4%,载体最高温度比DPF低31℃;采用二次供气速率1.25L/s、时长180s,继续供气速率0.625 L/s、时长420 s的再生方案,600℃时CDPF的再生效率为83.2%,载体最高温度比无二次供气时降低了64℃;进行停机再生与怠速再生时,催化剂负载量为530 g/m~3的CDPF具有更好的再生特性,其停机再生效率为76.4%,怠速再生效率达到88.5%。本研究对开发安全、高效的主动再生系统具有借鉴意义,并可为催化条件下的主动再生策略研究提供数据支撑。     

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。     

齿形木纤维柴油车尾气微粒捕集器过滤效率模型与试验

为增大柴油车尾气微粒捕集器滤芯的过滤面积,降低滤芯的过滤阻力,提高滤芯的过滤效率,设计了一种内部具有中空通道的齿形木纤维柴油车尾气微粒捕集器滤芯。首先根据纤维材料的过滤理论,建立齿形木纤维滤芯的过滤效率模型;然后通过理论分析和数值计算得到滤芯过滤效率与各影响因素之间的关系曲线;最后利用自行研制的滤芯性能检测试验台对理论分析结果加以验证。研究表明,试验和理论结果吻合较好,当尾气微粒捕集器过滤室壳体尺寸为直径140 mm,高150 mm时,木纤维直径为15μm、滤芯填充率为0.3、滤芯厚度为12 mm时滤芯过滤效率和过滤阻力都处于较理想的范围,使用寿命可达60 h,过滤效率为96%,排气背压为3 k Pa,完全能满足柴油车尾气排放国家标准。该研究对柴油车尾气净化机及环境保护具有十分重要的意义。     

高原环境下DPF主动再生的载体温度特性试验研究

为了对比高原与平原环境下柴油机微粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)的主动再生温度特性差异,该研究通过台架试验对0、1 000和1 960m海拔下再生温度为550、575和600℃时DPF的载体温度特性及温度梯度的变化进行对比分析。结果表明:高原环境下,DPF载体的温度变化规律与平原环境一致,径向方向从DPF中心到边缘温度逐渐降低,轴向方向从DPF入口到出口温度逐渐升高,最高温度均出现在DPF出口中心;随着海拔高度升高,DPF载体的峰值温度和径向、轴向温度梯度均升高;海拔1 000 m时,550、575和600℃再生温度时的最大峰值温度比海拔0m时分别升高了4.6%、10.3%和16.6%,最大径向温度梯度分别升高了48.7%、118.9%和145.5%,最大轴向温度梯度分别升高了84.3%、81.6%和198.2%;海拔1 960 m时的最大峰值温度比海拔1 000 m时分别升高了6.3%、14.3%和17.2%,最大径向温度梯度比1 000 m时分别升高了65.5%、91.1%和166.9%,最大轴向温度梯度比海拔1000m时分别升高了20.2%、83.2%和43.2%。由于高原环境下柴油机氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst,DOC)的入口温度比平原环境下高,导致DPF的入口温度升高率、载体峰值温度和温度梯度均比平原的高。高原环境下更容易出现DPF损坏的危险。为保证DPF的安全可靠再生,海拔1 000 m时再生温度应低于600℃,海拔1 960 m时再生温度应低于575℃,以减小温度梯度,防止局部热应力过大。     

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。     

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。     

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。     

柴油机颗粒捕集器热再生的影响因素研究

为研究柴油机颗粒物捕集器（diesel particulate filter,DPF）再生升温过程中排气热管理策略对柴油机氧化催化器（diesel oxidation catalyst,DOC）入口温度、发动机性能及污染物排放的影响,该研究分别选取低速低负荷、低速中负荷及中速低负荷工况,通过试验研究进气节流和喷油控制参数对DOC入口温度、燃油经济性及排放性能的影响。试验结果表明：通过进气节流、推迟后喷正时和增大后喷油量能够有效提高DOC入口温度,主喷正时和喷油压力对DOC入口温度的影响较小。基于Box-Behnken试验设计与响应曲面法对低速低负荷工况下进气节流耦合后喷策略的排气热管理策略进行多目标优化,以进气量、后喷正时和后喷油量为因子,DOC入口温度、有效燃油消耗率（brake specific fuel consumption,BSFC）、氮氧化合物（nitrogen oxides,NOx）和烟度排放为优化目标。响应曲面分析结果表明：各因素对DOC入口温度的影响程度从大到小为进气量、后喷油量、后喷正时;对BSFC和NOx排放的影响程度从大到小为后喷油量、后喷正时、进气量;对烟度排放的影响程度从大到小为进气量、后喷油量、后喷正时。当后喷正时为上止点后30 ℃A、进气量为87 kg/h、后喷油量为6 mg时,DOC入口温度达到最高,此时BSFC为275.4 g/(kW·h),NOx及烟度排放分别为7.38 g/(kW·h)和1.85 mg/m³。优化后最佳进气量、后喷正时和后喷油量分别为87 kg/h、29 ℃A和5.4 mg,与优化前相比,DOC入口温度提升43.9 ℃,BSFC增加31.8 g/(kW·h),NOx和烟度排放分别降低18%和29%。研究结果可为DOC入口温度优化控制提供参考。

     

2004 Mack MD11柴油机燃料加氢后NOx与微粒排放特性

为了降低柴油机的排放,氢作为柴油机燃料的研究正在引起研究者的关注。该文进行了在2004 Mack MD11柴油机中添加不同比例氢气(最高氢气比例达7%)与柴油形成混合燃料的NOx、微粒(PM,particulate matter)排放特性研究。研究表明:负荷工况不同,添加氢气对NOx排放特性的影响不同;随着添加氢的增加,有NO转化为NO2现象;NOx排放很大程度还与发动机可变截面涡轮增压系统(VGT,variable-geometry gas turbine)和废气再循环系统(EGR,exhaust gas recirculation)工作状况有关;添加氢气后即使在大、全负荷下,NOx排放量也没有明显增加。这主要归因于2004 Mack MD11采取了EGR,并且随着负荷增加,EGR率也在增加。在各种负荷工况下,添加氢气对降低PM排放量的作用明显,PM排放量减小率一般达50%以上,最高达75%。