DPF再生时出口颗粒排放特性的试验

基于外加热源再生性能测试台架,采用便携式固体颗粒物计数仪,研究soot沉积方式和颗粒可溶性有机组分(SOF)对柴油机颗粒捕集器(DPF)出口颗粒排放的影响.结果表明:无过渡段沉积后,DPF再生效率和总质量浓度随再生温度增加而增加,升温阶段出口颗粒物以核态为主,再生阶段DPF载体内部出现温度波峰且出口颗粒物以积聚态为主;添加50 cm过渡段沉积后,再生效率和总质量浓度同样随再生温度增加而增加,575℃以下再生时,升温和再生阶段出口颗粒物均以核态为主;575℃再生时,升温阶段颗粒物以核态为主,再生阶段以积聚态为主.SOF能促进DPF再生,其质量分数越高,DPF再生效率和总质量浓度越高,再生时出口颗粒物趋向于核态.     

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。     

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.     

DPF和CDPF主动再生排放特性对比分析

基于外加热源再生台架和颗粒物加载装置,探究了不同再生温度和碳载量下柴油机颗粒捕集器(DPF)和催化型DPF(CDPF)主动再生时出口气体和颗粒物排放特性．结果表明：催化剂铂(Pt)的涂敷有利于碳黑(PU)的氧化,在相同碳载量条件下,CDPF更易产生温度波峰,且再生效率略高于DPF;DPF再生过程中伴随着较高体积分数的CO排放,且升温阶段会出现一个低浓度的核模态颗粒排放窗口,后续再生阶段几乎无颗粒物释放;CDPF再生过程中几乎没有CO生成,但在再生阶段会伴随着大量的30 nm以下的小颗粒释放,且随着再生温度和碳载量的升高,CDPF出口颗粒物浓度逐渐升高．DPF和CDPF再生时分别具有不同优化窗口,既有利于减少颗粒物排放同时又保持较高的再生效率．     

车用柴油机颗粒过滤器载体温度分布研究

在标定柴油机颗粒过滤器(DPF)再生温度的过程中,需要掌握DPF载体内的温度分布情况,然后根据温度分布及温度梯度,确定合适的再生目标温度及颗粒物的质量。通过试验的方法研究了回归怠速工况下的DPF载体温度场分布。结果表明:在怠速跌落工况(DTI)下,DPF载体内的最高温度基本出现在DPF载体径向中心线,且靠近DPF出口端面的位置处。在保持再生目标温度不变的条件下,DPF载体内的最高温度随着颗粒物质量的增加而升高,且到达最高温度点所需时间随着颗粒物的增加而缩短,然后当颗粒物增加到一定程度后,所需时间延长。     

DPF主动再生过程颗粒排放特性试验

通过柴油发动机台架,采用后喷助燃的再生方式研究了主动再生过程中柴油机颗粒捕集器(DPF)出口的颗粒排放特性.结果表明:在主动再生期间,DPF出口颗粒浓度可增加2~3个数量级;在升温过程和再生过程,出口颗粒物数量浓度和粒径分布会因为碳载量和再生温度的共同作用而表现出差异;升温过程中,10 nm左右核模态颗粒物的排放主要由来流中颗粒物的穿透引起;再生过程中,10 nm左右核模态颗粒物的排放主要由碳烟颗粒层氧化反应生成的二次颗粒逃逸引起;整个再生期间,100 nm左右的积聚态颗粒物的排放主要由DPF载体内碳烟颗粒的逃逸引起.     

DPF降怠速再生温度场分布测试及过滤效率分析

基于柴油机颗粒捕集器(DPF)降怠速(DTI)再生的特点,介绍了一种DPF极限碳载量、再生温度评估方法.在非道路瞬态循环(NRTC)工况进行DPF碳加载,通过缸内后喷控制再生温度,试验研究了碳载量为8 g/L、不同再生温度下降怠速再生时DPF的内部温度;在再生温度为600℃时测试了不同碳载量下降怠速再生期间DPF内部温度;通过AVL MSS-483烟度计在NRTC工况下分别测量发动机原排、再生前DPF后、再生后DPF后的颗粒物(PM)质量浓度,获得了降怠速再生后的PM质量浓度过滤效率.结果表明:碳载量为8 g/L时,随再生温度降低,DPF内部最高温度变高,降怠速再生导致载体损坏的风险变大;再生前DPF对PM的过滤效率高达99.95%,再生后降至97.10%.再生温度为600℃、碳载量为12 g/L时,DPF内最高温度超过1500℃,碳化硅载体损坏,DPF对PM的过滤效率降至87.30%,碳载量为8 g/L及10 g/L时,载体均未损坏.     

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。     

载体材料对DPF再生性能影响的试验研究

基于柴油机颗粒捕集器外加热源再生性能测试台架,对比研究了钛酸铝和碳化硅材料对柴油机颗粒捕集器(DPF)和催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)再生性能的影响规律。试验结果表明:随着来流温度的增加,不同材料载体的最高温度和最大温度梯度先缓慢增加后迅速增加,而再生效率逐渐呈线性增大,再生温度的陡增不能直接使再生效率陡增;在炭黑剧烈再生时,钛酸铝材料的最高温度和最大温度梯度远高于碳化硅材料载体;压降随来流温度、炭黑担载量的增加而增大,压降大小与材料孔隙率、孔径及载体本身的结构有关。     

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.     

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。     

过滤速度对DPF内颗粒沉积特性影响的试验研究

基于柴油机颗粒过滤器(DPF)沉积过程可视化台架,在不同过滤速度下研究颗粒物在DPF载体切片上的堆积密度、颗粒层渗透系数及孔隙率。研究结果表明:在自然堆积状态或过滤速度0.15m/s时,碳黑的堆积密度分布在90kg/m3左右;当过滤速度0.15m/s时,ZS1100与DK4A柴油机颗粒物的堆积密度大于碳黑堆积密度,分布在100kg/m3左右;随过滤速度的增大、颗粒粒径减小及SOF含量的增加,颗粒的堆积密度先快速增大,后逐渐趋于稳定值;随颗粒层厚度的增加,过滤压降呈现典型的三阶段变化;随过滤速度的增加,颗粒层渗透系数和孔隙率呈先快速降低,后逐渐趋于稳定值的趋势。     

不同海拔下柴油机颗粒过滤器碳烟加载及再生特性研究

为研究不同海拔下柴油机颗粒过滤器(diesel particulate filter,DPF)碳烟加载规律及再生特性,在一台高压共轨柴油机上分别在两种大气压力(80kPa和100kPa)下进行了试验研究。研究内容包括全球统一瞬态循环(world harmonized transient cycle,WHTC)排放测试、DPF碳烟加载及压降特性、DPF再生过程温度场及压降特性。结果表明:高原环境下DPF的排气温度和各项排放数据指标均高于平原环境。高原环境下压降损失随碳烟的累积呈现出先快速增加后缓慢增加的趋势。再生温度和海拔高度对DPF再生压降、载体再生峰值温度、载体再生径向和轴向温度梯度、再生时机均有影响;再生温度越高及海拔越低,DPF再生压降越高;再生温度及海拔越高,再生时载体的峰值温度越高且载体径向和轴向温度梯度越大。     

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。     

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。     

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.     

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.     

颗粒捕集器主动再生温度特性试验研究

通过发动机台架试验研究氧化型催化转化器(diesel oxidation catalyst,DOC)起燃温度及颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)主动再生时内部温度场分布规律。结果表明,当DOC入口温度高于240℃时,DOC可以起燃达到DPF设定的主动再生目标温度600℃;当DOC入口排气温度为240～280℃时,为减少HC二次污染,需选用较高的喷油速率,使DPF尽快达到设定目标温度。DPF主动再生过程分为3个阶段,起燃阶段DPF入口至出口温度依次快速升高;再生阶段DPF内部和出口温度高于入口温度约50℃;再生结束阶段,DPF入口至出口温度迅速降低,研究可为DPF主动再生温度的安全控制提供依据。     

柴油机DPF流场压降及微粒沉积特性数值模拟

运用AVL-FIRE软件建立柴油机微粒捕集器(DPF)三维模型,模拟柴油机微粒捕集器内部压降和微粒沉积特性.针对DPF不同排气流量、进口温度、微粒沉积量及分布类型,对DPF压降特性进行模拟,并着重研究非对称孔结构(ACT)和灰分沉积量及分布形式对DPF压降和微粒沉积特性的影响.结果表明:随着DPF排气流量、进口温度、微粒沉积量和灰分沉积量的增加,DPF的压降增大,且DPF压降变化与进口温度呈非线性关系;沿DPF轴线方向,微粒沉积量呈先减小后增大趋势;"逐渐减少"型微粒分布形式压降损失较小,且再生速率较快.灰分在壁面上的层状分布对DPF压降和微粒沉积影响较大;非对称孔结构有利于降低DPF压降和提高微粒沉积能力,从而延长DPF寿命.     

O_3/N_2气氛下离线再生DPF的影响因素

建立了O_3/N_2气氛下柴油机微粒捕集器(DPF)离线再生的数值模型,探究了气源位置、气源流量和O_3浓度等因素对DPF离线再生的影响规律,并对再生模型进行了验证.结果表明:在O_3/N_2气氛下对DPF进行离线再生,最大温度梯度远小于该DPF的安全温度梯度限值.减小气源距DPF前端的流通距离,适当增大气源流量和O_3浓度均有利于提高再生速率.但O_3浓度过大会导致再生过程中壁面温度峰值显著增大.对DPF离线再生影响因素的数值模拟进行研究,对进一步开展的O_3/N_2气氛下DPF的离线再生试验起到理论指导作用.