低温等离子体对柴油机排放颗粒物组分净化效果的热重分析

为探究低温等离子体(non-thermal plasma,NTP)对柴油机排气中颗粒物(particulate matter,PM)不同组分的净化效果及作用规律。利用自行设计的NTP发生器以O2为气源生成NTP活性物质并喷射入柴油机排气中,在不同的反应温度下对PM进行净化试验。通过滤膜对反应前后的PM分别进行采样并进行热重分析。热重分析中采用变气氛的控制策略实现将PM中挥发性组分(volatile fraction,VF)和元素碳(elemental carbon,EC)失重过程的区分,并利用阿伦尼乌斯(Arrhenius)法对EC进行了氧化动力学分析。试验结果表明在反应温度为120℃时,NTP对PM的去除量最大,达到了66.79%,对EC的去除量也达到了各反应温度下的最大值。经NTP处理后,VF的挥发起始温度与终止温度无明显变化,PM中VF的质量分数下降了5.86%~13.90%,变化幅度随着反应温度的升高而提高。LVF(low volatile fraction)在VF中所占质量分数明显上升,表明NTP与VF中不同组分的反应速率有明显差异。EC在NTP的作用下氧化起始温度和终止温度降低了30~40℃。EC的表观活化能在NTP处理后从175.97~210.49 k J/mol降低至94.13~109.13 k J/mol。依据EC曲线变化可总结出反应温度的升高对NTP处理EC过程的影响主要体现在处于半氧化态的EC质量分数的上升。该文证实了NTP能够对柴油机排气中PM进行有效去除,为NTP应用于排气处理提供了试验依据。     

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。     

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。     

低温等离子体发生器工作参数优化

低温等离子体（non-thermal plasma,NTP）发生器放电产生的活性物质可有效去除柴油机颗粒捕集器（diesel particular filter,DPF）中沉积的颗粒物（particulate matter,PM）,而发生器的工作参数直接影响活性物质的浓度,选取合适的工作参数有利于活性物质的产生。该文以空气为气源,考察了放电区表面温度、放电电压、放电频率、空气流量4个因素对NTP发生器产生活性物质浓度的影响。以O3质量浓度作为试验指标,进行了正交试验设计,并对试验结果进行单因素影响规律的分析、极差分析以及方差分析。研究表明：较低的放电区表面温度和放电频率有利于O3的生成,O3质量浓度随着空气流量的增大先升高后降低,随放电电压的变化没有明显的增减趋势;放电区表面温度、空气流量为显著因素,放电电压和放电频率为不显著因素;各因素对试验结果影响的大小顺序为：空气流量＞放电区表面温度＞放电频率＞放电电压;NTP反应器产生活性物质的较优组合是：放电区表面温度40℃、放电电压19 kV、放电频率7 kHz、空气流量5 L/min。研究结果对开发用于分解柴油机PM的NTP系统、优化NTP技术再生DPF的研究有重要的指导意义。     

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。     

柴油机燃烧甲醇/生物柴油尾气颗粒物热解特性分析

采集了甲醇/生物柴油(5%、10%、15%)混合燃料在柴油机燃烧的尾气颗粒。采用热重分析仪和切线法、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)热解动力学方法,研究颗粒挥发及氧化规律,分析了颗粒热解特征温度和活化能。结果表明:随着甲醇掺混量的增加,颗粒中H_2O的质量分数由2.6%增加到3.5%,可溶有机物(soluble organic fraction,SOF)质量分数由26.1%增加到32.5%,SOF的质量变化速率增大,对应的峰值温度后移;在O_2氛围中,SOF挥发阶段与在N2氛围中的表现基本一致,但质量变化速率明显增大;碳烟(soot)质量减小,由70.3%减少到63.8%,soot质量变化率峰值增大;SOF析出温度变化较小,soot起始燃烧温度明显降低,由488℃降低到458℃,SOF起始燃烧温度与燃尽温度均有所降低,颗粒的热解总反应时间缩短;颗粒的热解反应活化能由140.3 k J/mol降低117.3 k J/mol,颗粒的热解性能增强,颗粒更易被氧化。研究结果可为甲醇/生物柴油燃烧颗粒的处理及柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)再生提供依据。     

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。     

能量密度对低温等离子体辅助催化转化柴油机颗粒物和NOx的影响

为了研究低温等离子体辅助催化后处理技术对柴油机有害排放物的作用效果,基于介质阻挡放电理论设计了低温等离子体（NTP）发生器,研究了NTP发生器工作电压随能量密度的变化关系。以涂覆γ-Al2O3的蜂窝状陶瓷为载体,采用柠檬酸凝胶法制备了LaMnO3催化剂,建立了NTP辅助LaMnO3催化试验系统。在台架试验基础上,研究了能量密度变化对NTP辅助LaMnO3催化技术转化（颗粒物）PM和NOx的影响规律。试验结果表明：在相同频率作用下,NTP发生器的能量密度随着工作电压的升高而增加;与原机相比,NTP辅助LaMnO3催化技术作用后NO浓度显著降低,NO2浓度显著增加,NOx浓度降低;随着能量密度的增加,碳烟转化效果越明显,碳烟的不透光烟度最高降低约83%。结果表明NTP辅助LaMnO3催化技术可有效转化PM和NOx,在柴油机排气后处理领域有着广泛的研究前景。     

柴油机CDPF被动再生特性及再生机理分析

为了探究CDPF（catalyzed diesel particulate filter）的再生性能及再生机理,该文利用发动机试验台,分别对催化剂负载量为0、530和636 g/m3的3组CDPF开展耐久循环工况下的再生特性试验研究。试验结果表明,测试过程中被动再生消耗NO2,530 g/m3 CDPF（CDPF1）在大负荷工况下,后端NO2浓度低于前端,随着催化剂负载量增加,636 g/m3 CDPF（CDPF2）的后端NO2浓度高于前端。在耐久循环的首个3 000 r/min、100%负荷工况时,CDPF1与CDPF2的排气压降比DPF（diesel particulate filter）低约14 kPa。耐久循环测试中,CDPF1的再生效率为87.5%,CDPF2的再生效率达到93.1%。利用量子化学密度泛函理论DFT（density functional theory）,构建了组成Soot的大分子菲与NO2,在Pt（111）晶面氧化为CO和CO2的反应模型。通过DFT计算呈现NO2的N=O化学键断裂、解离产生的活性氧O与菲基的1号C在Pt晶面滑移并结合的反应历程。利用DFT计算得到的化学反应动力学参数,对CDPF1进行再生过程的一维仿真计算,排气压降的模拟值与试验值误差范围在3%以内。研究结果可为提高CDPF再生效率提供理论依据与工程指导。     

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。     

EGR废气组分对柴油机颗粒氧化活性的影响

针对不同EGR废气组分条件下产生的颗粒,采用热重分析的方法,分析了EGR废气组分对颗粒中主要物质含量的影响;考察了颗粒中挥发物析出温度、soot组分着火温度等4个特征温度、燃烧特性指数以及活化能的变化规律。结果表明,与引入废气和N2时相比,只通入CO2时产生颗粒的失质量百分数所占比例最大,颗粒中水分和可溶有机物(soluble organic fraction,SOF)含量增加明显,soot组分含量有较大幅度降低;在颗粒氧化过程中的高温反应阶段,与引入废气和N2时相比,只通入CO2时产生颗粒中soot组分的质量变化率峰值和峰值对应温度均最小;氧化特性参数的计算结果表明,与引入废气和N2时相比,只通入CO2时产生颗粒的挥发物析出温度TSOF1、挥发物起始燃烧温度TSOF2、soot组分着火温度Ti、soot组分燃尽温度Th均最低,燃烧特性指数增加明显,反应活化能最低。说明引入CO2后,颗粒中soot组分在达到相同失质量百分数时,所需的温度较低,反应所需能量较小,EGR废气中的CO2可以显著提高颗粒自身的氧化能力和反应活性,改善颗粒的氧化燃烧性能。     

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。

     

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。     

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。     

La2Cu(1-x)FexO4氧化去除柴油机碳烟微粒的试验分析

制备的La2Cu(1-x)FexO4(x=0、0.1、0.2、0.3)系列催化剂与碳烟微粒紧密接触后,置于固定床连续流动反应系统,进行氧化碳烟活性评价的模拟试验,研究发现La2Cu0.9Fe0.1O4具有较好将其氧化的反应活性,这与H2-TPR试验结论相一致,且由TG-DTA试验表明模拟试验测试的数据具有可靠性。在堇青石和SiC载体上涂敷催化剂后进行程序升温试验,表明在200℃～350℃温度区间内2种材料载体对氧化碳烟微粒的活性相近。通过发动机台架试验验证了La2Cu0.9Fe0.1O4能有效氧化柴油机排放的碳烟微粒,且对工作过程进行了模拟计算,计算结果与试验结果具有一致性,表明通过数学模型能较好地描述催化氧化柴油机排放的碳烟微粒。