扩张管结构参数对柴油机微粒捕集器工作特性及再生影响研究

对不同扩张管条件下柴油机微粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)内部的气流流动、微粒沉积及再生过程进行了数值模拟,研究了扩张管对DPF内部气流流动、微粒层厚度分布及再生特性的影响规律。研究结果表明:适当增大扩张管的扩张角有利于加快再生反应速率并降低再生时DPF内轴向最大温度梯度,但过大的扩张角会导致DPF内部气流流动、微粒层厚度及再生时DPF壁面温度的均匀性变差,同时导致再生时DPF壁面最高温度升高,径向最大温度梯度增大。     

恒温下煤与生物质混燃过程中NO_2释放特性

利用恒温燃烧污染物在线监测系统,研究生物质掺混比、生物质种类、温度、反应气氛等因素对煤混燃生物质时NO_2释放规律的影响。结果表明:增大秸秆掺混比例,使NO_2瞬时释放峰值、释放总量增大,转化率提高。改变混燃生物质种类时,随着生物质中Fe_2O_3、CaO等矿物质含量的减小,NO_2释放总量、转化率增大。升高温度能加快NO_2生成速率,同时提高NO_2还原速率,但在800℃以上的高温下,后者增加程度高于前者,造成NO_2释放总量及转化率先增大后减小。O_2/N_2气氛下,提高O_2浓度能增大NO_2转化率与释放总量,而O_2/CO_2气氛下由于焦炭气化反应及还原作用的影响,提高O_2浓度会造成相反的趋势。     

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.     

O_2/CO_2气氛下煤粉燃烧特性及动力学分析

采用热重实验系统进行了煤粉在O_2/N_2和O_2/CO_2气氛下的燃烧实验,研究了氧体积分数和粒径对燃烧特性的影响.实验结果表明,氧体积分数越高、粒径越小,煤粉的燃烧特性越好.在氧体积分数较高时,煤粉在O_2/CO_2气氛下的反应比在O_2/N_2气氛下进行得慢;而氧体积分数较低时,煤粉在O_2/CO_2气氛下的反应比在O_2/N_2气氛下进行得快.此外,采用Coats-Redfern积分法、Flynn-Wall-Ozawa积分法和Kissinger-Akahira-Sunose积分法对煤粉在程序升温过程中的燃烧反应做了相应的动力学分析.结果表明,O_2/N_2和O_2/CO_2气氛下不同氧体积分数时的煤粉燃烧反应动力学参数表观活化能E和指前因子A之间具有动力学补偿效应.煤粉燃烧过程中在同一转化率下的表观活化能E随其粒径的减小而降低.     

载体结构对柴油机微粒捕集器再生的影响研究

以氧气为气源,利用自行设计的低温等离子体(non-thermal plasma,NTP)喷射系统,采用三种不同结构的柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)装载装置对已捕集PM的DPF进行再生试验。通过研究DPF再生过程中内部温度及温度梯度的变化,对三种装载装置的再生效果进行了对比。研究结果表明:DPF内部各位置的温度均在180℃以下,远低于DPF的最高使用温度;PM的氧化界面随来流方向从上游向下游移动;DPF轴向和径向温度梯度均小于30℃/cm,低于DPF温度梯度限值;再生时间来看载体B和载体C的再生效果优于载体A;载体C中DPF内部流速分布最为均匀,有利于DPF的再生;载体C中DPF的最大温度梯度小于载体A和载体B,所承受的热应力最小,故载体C的结构更有利于DPF的使用寿命。     

柴油机颗粒捕集器再生平衡仿真研究

建立了基于GT-Power的柴油机颗粒捕集器(DPF)仿真模型,通过模拟计算对DPF再生过程,排气流量、颗粒物载荷量对再生平衡点温度的影响进行了研究.首先通过对DPF再生过程的仿真验证了模型的正确性.对再生平衡温度的模拟计算结果表明:在一定排气流量或颗粒物载荷量下,DPF再生平衡点温度均在很小的区间内变动,即DPF的再生过程受温度影响很大,只在很小的温度区间内达到平衡,并且DPF再生平衡温度随着排气流量的增加而升高,随着颗粒载荷量的增加而下降.     

正六边形和四边形孔道DPF性能的仿真试验研究

基于AVL-Fire软件建立正六边形和四边形孔道结构柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)模型,对不同排气温度、排气质量流量、碳烟负载下2种孔道结构的DPF压降特性、碳烟再生特性进行仿真分析和对比.结果表明:相同排气质量流量下,2种孔道的DPF压降随碳载量和排气温度升高而增大;六...     

O_2/CO_2气氛下碳烟氧化的反应动力学研究

利用热重分析对典型碳烟在O_2/CO_2气氛下氧化的动力学特性进行研究,对比了其与O_2/N_2气氛下的差异,并重点考虑了O_2体积分数的影响,建立了富氧燃烧条件下碳烟氧化反应的表观活化能E和频率因子A与O_2体积分数的定量关联机制.结果表明:与O_2/N_2气氛相比,O_2/CO_2气氛下碳烟氧化的起始和结束温度均较高,综合反应指数降低;O_2/CO_2气氛下,随着O_2体积分数增大,碳烟氧化的TG-DTG曲线向低温区移动,起始和结束温度均降低,最大失重速率增加,综合反应指数显著提高;碳烟氧化反应的E与A之间总是存在显著的"动力学补偿效应",当O_2体积分数低于20%时,E和ln A均与O_2体积分数呈正相关,而当O_2体积分数高于20%时,E与A随O_2体积分数的变化不显著.     

排气氧浓度对柴油机颗粒捕集器主动再生特性的影响

采用进气节流降低排气氧浓度的方式,试验研究了柴油机氧化催化器（diesel oxidation catalyst, DOC）入口氧浓度对柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter, DPF）主动再生时的入口温升特性、载体峰值温度、有效再生时间和再生过程燃油消耗的影响。结果表明：随着排气氧浓度降低,DPF温升速率增大,入口温度上升时间缩短;在所有氧浓度下,载体峰值温度均出现在DPF轴线后端位置。随着氧浓度降低,载体峰值温度先增后减,最大径向温度梯度先减后增,有效再生时间先缩短后延长,再生过程燃油消耗先减后增。在恒定DPF碳烟负载量和再生温度的前提下,当排气氧体积分数为11.0%时DPF主动再生时间最短,再生过程燃油消耗最少。     

CO2/N2气氛下煤粉热解气化特性研究及动力学分析

采用热重分析仪在CO_2/N_2气氛下对煤粉进行了非等温热解气化实验研究,分析了程序升温速率和CO2浓度对煤粉热解、气化特性的影响,并采用Coats-Redfern法、FWO法和KAS法对煤粉热解、气化过程进行了动力学分析。实验结果表明:在CO_2/N_2气氛下,随着程序升温速率的升高,热解和气化反应速率均增大,表观活化能均减小。在CO_2/N_2气氛下,CO2不会影响煤粉的热解过程,而对气化过程有决定性影响,CO2浓度越高,气化反应速率越大,表观活化能越大。在CO_2/N_2气氛中煤粉气化反应的表观活化能E和表观指前因子A之间具有动力学补偿效应。在相同气氛下,煤粉气化反应的表观活化能随转化率的增大而减小。     

生物质与煤混合富氧燃烧过程中NO和N_2O的排放特性研究

为了研究燃烧气氛、进口氧气浓度、生物质掺混比、燃烧温度以及过量氧气系数对循环流化床(CFB)富氧燃烧过程中NO,N_2O排放特性以及燃料中N的转化特性的影响,以棉秆和大同烟煤为燃料,在50 k W循环流化床燃烧试验台上进行了空气气氛和O_2/CO_2气氛下的生物质与煤混合燃烧试验。试验结果表明:与空气气氛相比,O2/CO2气氛下,NO,N_2O的排放量和燃料中N的转化率均降低;随着进口氧气浓度和燃烧温度的升高,NO的排放量均升高,N_2O的排放量和燃料中N的转化率均降低;随着生物质掺混比的增大,NO的排放量和燃料中N的转化率降低,N_2O的排放量升高;NO,N_2O的排放量以及燃料中N的转化率均随过量氧气系数增大而升高。     

基于碳氧原子比空间的富氧燃烧火焰结构及碳黑初生分析

针对富氧C_2H_4/O_2/N_2和C_2H_4/O_2/CO_2对冲火焰,采用详细的化学反应机理进行了数值模拟,在碳氧原子比(C/O)空间下分析了火焰结构和碳黑颗粒初生以及CO_2代替空气中的N_2对碳黑初生的影响.结果表明:在O_2/N2和O_2/CO_2气氛下,随着化学计量混合分数(Zst)的增加,C/O空间下对冲火焰的火焰面位置不变,对应的C/O_原子比值分别为0.50、0.53.在C/O_空间下,两种气氛下,随着Zst的增加火焰中C_6H_6出现的位置不变,C/O原子比值都为0.47左右.当用CO_2代替空气中的N_2时,火焰温度降低,同时使CO_+OH■CO_2+H的逆反应增强,导致火焰中的C_2H_2、H的摩尔分数减少,OH的摩尔分数增加,抑制碳黑的初生.     

典型煤种O_2/CO_2/H_2O气氛下中高温燃烧时NO的生成特性

利用自制恒温热分析系统研究了大同烟煤和阳泉无烟煤在O_2/CO_2/H_2O气氛下中高温燃烧时NO的释放行为,并与O_2/N_2和O_2/CO_2气氛下的情况进行了对比分析.结果表明:当氧气体积分数为5%时,大同烟煤在O_2/CO_2和O_2/N_2气氛下燃烧时只有一个NO体积分数峰,而在O_2/CO_2/H_2O气氛下却变成一前一后2个峰;当氧气体积分数升高到21%后,大同烟煤在O_2/CO_2/H_2O气氛中的NO释放过程又变为一个体积分数峰;阳泉无烟煤的NO释放过程与大同烟煤类似;大同烟煤在O_2/CO_2气氛中的NO排放量始终低于O_2/N_2气氛中;由于低氧气体积分数下H_2O气化反应的影响,大同烟煤在O_2/CO_2/H_2O气氛中的NO排放量在高温下高于O_2/CO_2气氛中;氧气体积分数升高后,大同烟煤在O_2/CO_2/H_2O气氛中的NO排放量又低于O_2/CO_2气氛中;阳泉无烟煤的NO排放量高于大同烟煤,但其不同气氛下的变化趋势与大同烟煤一致.     

柴油机DPF孔道气相流场及噪声特性分析

利用数值模拟(CFD)软件建立柴油机微粒捕集器(DPF)孔道三维模型,对孔道内气体流动情况进行计算;通过建立加装DPF的一维整机仿真模型,结合孔道流场分布特性,分析不同转速工况下DPF载体及加载不同碳烟量对其噪声特性的影响.结果表明:各入口流速下,流速分布在DPF进气孔道内呈现从中心径向递减、从始端轴向递减趋势,且后段出现波纹状流速突变区;排气孔道流速分布趋势与进气孔道相反;进气孔道内压力分布相对均匀;排气孔道前中段压力分布较均,在低流量下中后段呈轴向递减趋势,高流量下在后段出现骤增.高转速工况下DPF气动再生噪声量大于低转速工况;深层碳烟在较高转速工况下对DPF噪声的影响更显著,A计权声压级降幅可达2 dB以上;碳烟饼层在较低转速工况下对DPF噪声特性影响更大.     

流化床O2/CO2气氛木屑与煤混燃的数值模拟研究

针对6kW流化床燃烧室,建立炉内燃烧计算综合模型,对O_2/CO_2气氛流化床内煤燃烧和煤与生物质混燃过程进行数值模拟,对比研究燃料由煤变为煤与生物质混合燃料对炉内流场、温度场和燃烧特性的影响,同时对数值模拟结果进行实验验证。结果表明:在O_2/CO_2气氛下两种燃料燃烧时炉内速度、温度和组分浓度的总体分布趋势一致;生物质混燃较煤燃烧时速度、温度水平整体降低;炉内O_2和H_2O的质量分数增大而CO_2的质量分数减小;数值模拟值与实验值吻合较好。     

DPF再生时出口气体和颗粒排放特性的试验

基于再生性能测试台架,采用便携式固体颗粒物计数仪(Nanomet3)和气体分析仪,研究了不同再生温度与来流流量下柴油机颗粒捕集器(DPF)再生时出口气体和颗粒的排放特性.结果表明:DPF再生存在快速再生期,随着再生温度升高,快速再生期的时间缩短,使DPF出口的CO和CO_2体积分数增加、排放的积聚态颗粒物增加且再生效率和效能比提高.随着来流流量增加,快速再生期的时间延长,DPF出口的CO和CO_2体积分数减少.在来流流量为25.2 g/s时积聚态颗粒明显减少,但再生效率和效能比也最低.根据出口气体排放情况可以清晰反映DPF的再生情况,为再生策略制定提供重要的试验参考.     

柴油机DPF非对称孔道压降特性及其影响因素

为了有效降低柴油机微粒捕集器DPF压降,通过建立DPF灰分模型和压降模型,运用数值计算的方法研究了非对称孔道DPF的压降特性及其影响因素.研究结果表明:增大DPF进、出口孔道直径比,进口孔道排气流速减小,孔道壁面前端渗流速度减小,孔道壁面后端渗流速度增大,排气流经出口孔道流速增大;增大DPF进、出口孔道直径比能降低DPF压降;随着碳载量、灰分量以及排气流量的增大,增大DPF进、出口孔道直径比对降低DPF压降效果更加明显;孔密度最优值随进、出口孔道直径比增大而减小.     

吡咯类氮富氧燃烧的分子动力学研究

采用基于ReaxFF反应力场的分子动力学模拟方法研究了不同燃烧温度和氧浓度条件下吡咯在O_2/CO_2和O_2/N_2气氛下燃烧的反应速率和自由基、中间产物及最终产物的分子数变化规律,从微观上探索吡咯在O_2/CO_2气氛下的燃烧机理。研究表明:吡咯富氧燃烧的主要产物包括HCN、NO、N_2、CO_2、CO和H_2O等,主要的中间体和自由基包括C_4H_4N、NCO、HNCO、C_4H_4ON、CHO_2、CN、H、OH、O和HO_2等;随着燃烧温度的升高,O_2/CO_2和O_2/N_2气氛下NO的生成量都随之增加;随着氧气浓度的升高,更多的HCN、NCO、HNCO及其它含氮中间产物转化为NOx,从而使其生成量增加;在燃料与氧气的化学当量比Φ=0.5和1时,O_2/CO_2气氛中NO的生成量比O_2/N_2气氛中的NO的生成量高,在Φ=2时两种气氛中生成的NO量相当。     

重型柴油机颗粒捕集器碳载模型离线标定研究

基于发动机排放和再生化学反应的柴油颗粒捕捉器(diesel particulate filter,DPF)碳载模型广泛用于估算DPF的碳载量。如果按传统试验的方法标定DPF碳载模型,需进行大量的发动机台架试验、整车验证及修正标定工作,工作效率低、成本高,且标定精度也难以保证。对此,以某款4. 3 L重型车用国六柴油机为研究对象,采用离线方式对DPF碳载模型进行标定。首先,基于MATLAB/Simulink软件搭建DPF碳载量估算模型,其次,设计覆盖所有基本路况的整车路试方案,采集不同路谱数据,对模型参数进行离线标定及优化;最后,对优化的离线标定输出结果进行实车路试验证。验证结果表明,通过离线标定和优化,DPF碳载模型精度满足工程实用要求。     

再生温度和来流参数对柴油机颗粒过滤器再生和 过滤特性影响的试验研究

基于外加热源再生性能测试台架,研究了不同再生温度和不同来流流量对柴油机颗粒过滤器(diesel particulate filter,DPF)出口颗粒排放的影响。试验结果表明:加载量为2.5g/L时,DPF出口颗粒物出现一个颗粒数浓度波峰;加载量为5.0g/L时,DPF出口颗粒物出现两个数量浓度波峰。相同来流流量下,再生效率和总质量浓度随着再生温度的增加而增加;升温阶段出口颗粒物以核模态为主;再生阶段时,内部出现温度波峰且出口颗粒物以50nm以上聚集态颗粒为主。相同再生温度下,加载量为2.5g/L时再生效率和总质量浓度随着来流流量的增加而增加,升温和再生阶段出口颗粒物均以核模态为主;加载量为5.0g/L时再生效率和总质量浓度随来流流量的增加呈现先增加后减少的趋势,升温阶段出口颗粒物以核模态为主,再生阶段在大流量时有部分聚集态颗粒物排出。