DOC/DOC+CDPF对重型柴油机气态物排放特性的影响研究

基于AVL-PEUS傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)研究柴油机氧化型催化器(DOC)、柴油机氧化型催化器耦合催化型颗粒捕集器(DOC+CDPF)对重型柴油机一氧化碳(CO)、总碳氢化合物(THC)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO_2)和二氧化硫(SO_2)气态物排放特性的影响。研究结果表明:相比单独的DOC,DOC+CDPF对CO具有更低的起燃温度,在催化剂活性位上THC比CO具有较强的吸附强度和活性位竞争优势,因此具有比CO更低的起燃温度;DOC和DOC+CDPF均能不同程度地减少NO、增加NO_2、减少总NO_x排放,减少NO的主要途径是氧化机理;在催化剂中添加氧化铈(CeO_2)能有效实现稀燃储硫、富燃释放硫的效果,增强催化剂的抗硫能力。     

后处理技术与生物柴油耦合作用对公交车排放特性的影响

基于车载排放测试系统对一辆国Ⅲ柴油公交车耦合使用后处理技术与生物柴油的排放特性进行了研究,研究结果表明:单独使用柴油机氧化催化转化器(DOC)的CO、THC的减排尚可,分别达40.4%和42.4%,PN和PM的减排效果较差,仅为53.2%和51.0%;单独使用催化型连续再生颗粒捕集器(DOC+CDPF),CO和THC分别降低58.7%和72.0%,PN和PM分别降低96.7%和96.9%;DOC及DOC+CDPF对公交车CO_2和NOx影响不显著。DOC以及DOC+CDPF与生物柴油混合燃料B20(生物柴油体积占比20%)耦合使用后,对CO、THC、PN和PM的减排效果进一步提升,前者分别达53.9%、50.6%、60.1%和59.6%,后者分别高达71.0%、82.0%、98.6%和97.3%。两者对CO_2和NO_x影响仍不显著。     

柴油机Urea-SCR系统内流场与化学反应耦合研究

提出三维流场与一维化学反应相耦合的方法对柴油机尿素(urea)-选择性催化还原(SCR)系统进行全尺寸模拟,真实反映SCR系统内部气流运动状态对化学反应的影响。选择柴油机典型工况的排气温度、流量及压力等物理信息作为边界条件,对SCR系统进行流场分析,截取催化器前端截面的速度切片,建立流速均匀性系数与工况的函数模型,研究各流速分布下运行参数对NO_x转化效率及副产物N_2O生成的影响,为优化SCR系统控制策略提供指导。结果表明,不同工况下柴油机SCR催化器前端各区域流速差异明显,且流速均匀性系数在0.6～0.8区间内,氨氮比为1.1且NO_2、NO_x之比在0.0～0.5区间内时,NO_x转化效率最高,副产物N_2O的生成最少。     

柴油机颗粒捕集器特性测试评价

为了满足柴油机颗粒物(particulate matter,PM)排放标准的要求,应用微粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)对柴油机排放的PM进行捕集并再生。对涂覆前后DPF的压差、不同工况下的被动和主动再生速率、压降特性及极限情况下的累碳量等进行测试评价。研究结果表明:相对于白载体,涂覆后的DPF压差略为增加;在氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)作用下,DPF捕集的碳颗粒较易发生被动再生,连续再生速率随着温度升高而提高;温度为400℃时,累碳速率和被动再生速率达到动态平衡,超过600℃时发生主动再生;在降怠速情况下测试累碳量,并通过轻型车排放测试规程(world harmonized light vehicles test cycle,WLTC)进行排放试验验证,结果表明,DPF对PM和粒子数量(particle number,PN)的捕集效率满足工程目标要求。     

掺混PODE对DOC+CDPF氧化及再生特性的影响

在高压共轨柴油机上研究了使用掺混20%聚甲氧基二甲醚的柴油(D80P20)对搭载柴油氧化型催化器(DOC)和催化型颗粒捕集器(CDPF)的后处理装置(DOC+CDPF)的影响,包括小负荷时的低温氧化特性和大负荷时的颗粒物加载和再生特性.研究表明:小负荷工况下在1400~2000 r/min内,DOC和DOC+CDPF对柴油排放的CO转化效率平均分别高达70%和90%,而对D80P20排放的CO转化效率则仅近19%和36%,燃用柴油时DOC和CDPF后端的排气升温现象较为明显,低温氧化特性优于D80P20;在大负荷低速工况下,燃用D80P20时,DOC前/后两端排气氧质量分数以及NO2排放均明显高于柴油,但CO原始排放和不透光烟度显著低于柴油.因而DOC+CDPF对D80P20的CO、PM氧化放热量较低,DOC后端温升明显低于柴油.此外,大负荷下DOC+CDPF对D80P20排放的CO净化效率和PM氧化再生效率高达近100%,DOC+CDPF前/后端压差峰值仅是柴油的1/3,其可显著降低CDPF的堵塞风险,减少主动再生频率.     

控制排放中NO_2体积分数提高SCR效率的研究

为适应排放法规要求,根据选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)的反应机理,通过在特定工况下调节SCR上游NO_x排放中NO_2的体积分数,抑制慢反应,保证SCR内部的快反应顺利进行,提高SCR的反应速率。利用氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)的氧化作用及比例、积分、微分(proportion,integral,differential,PID)闭环控制,通过调节DOC的旁通电磁阀使SCR上游NO_2体积分数达到设定值,实现提高SCR整体效率的目的。试验验证表明,该方法在特定工况下能够有效提高SCR的转换效率。     

DOC+DPF+SCR后处理系统对小型柴油机性能及排放的影响

对比无后处理的小型柴油机原机和氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)+颗粒物捕集器(diesel particulate filter,DPF)+选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)后处理技术的柴油机性能和排放状态,测试排气管和DPF出口处NO_x排放中NO的体积分数。试验结果表明:与搭载DOC+DPF+SCR后处理的柴油机相比,原机的扭矩提高5～10 N·m,油耗无明显变化;原机NO_x排放中全部为NO,搭载DOC+DPF+SCR后,NO的体积分数随温度的升高逐渐降低,排温在500℃时,体积分数降至84%左右;相比于原机,搭载DOC+DPF+SCR后处理系统的小型柴油机在非道路稳态循环(non-road steady cycle,NRSC)试验中CO的比排放降低了97%,HC的比排放下降了86%,NO_x的比排放下降了70%,PM的比排放下降了80%。     

满足国V排放标准的组合后处理系统应用研究

在一台机械泵柴油机上开展了氧化催化剂(DOC)+颗粒氧化转化器(POC)+选择性催化还原转化器(SCR)组合后处理装置对排放的影响研究,考察了组合后处理装置的排列顺序。试验结果表明,DOC+POC及SCR单后处理系统都不能同时满足国V标准对PM和NO_x的限值要求;DOC+POC+SCR组合后处理装置方案能够使试验柴油机达到国V排放标准。通过对组合后处理装置和管路的优化使整体背压小于25 kPa,降低对柴油机经济性和动力性的影响。     

掺混含氧燃料对柴油机氧化催化器+催化型柴油机颗粒捕集器氧化及再生特性的影响

为了研究掺烧含氧燃料对柴油机排放及柴油机氧化催化器(DOC)耦合催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)后处理系统低温氧化特性与再生特性的影响,基于一台4缸高压共轨柴油机,选取国五柴油、15%生物柴油-柴油(D85B15)、15%正戊醇-柴油(D85P15)、20%正戊醇-柴油(D80P20)作为燃料,在1 900m海拔环境下进行了试验。研究表明:在外特性工况下,与柴油相比,燃用D85B15和D85P15的柴油机动力性略有下降,燃用D85P15的柴油机有效热效率最高。燃用D85B15的NO_x排放略低于柴油,最高降低3.33%;而D85P15的NO_x排放有所增加,最高增加2.85%。在低负荷工况下燃用国五柴油时DOC+CDPF对CO的转化效率明显高于燃用D80P20时,2 000r/min时燃用柴油时CO转化效率高达96.8%,而D80P20只有36.9%。低速高负荷工况下燃用国五柴油与D80P20时,DOC对排气温度的提升作用均比较明显,平均提升41.8℃和42.5℃。燃用D80P20时DOC+CDPF压差升高较慢,压差最高比燃用国五柴油低6kPa,DOC后端平均温度比燃用国五柴油高10℃。柴油机燃用D80P20在高负荷尤其是低转速高负荷时可有效降低颗粒物排放,降低DOC+CDPF压差。     

甲醇柴油双燃料发动机二氧化氮排放后处理方案研究

研究了柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalysts,DOC)方案和选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)与DOC的组合方案(SCR+DOC)对柴油机掺烧甲醇时排放的影响。试验结果表明,DOC促使NO2比例恢复至柴油机排放水平,且显著降低了甲醇排放,但对甲醛的净化效果不够理想;SCR+DOC方案在保持NO2比例处于柴油机常规水平的条件下,完全消除了双燃料发动机的甲醛和甲醇排放。针对各阶段NO2比例的变化现象,先后分析了燃烧温度和排气温度下相关可逆反应的标准吉布斯自由能变,阐明了各阶段的主要反应及进行方向。针对SCR+DOC方案促进甲醇完全氧化的可能原因,结合相关研究进行了讨论。     

分子筛与钒基SCR催化器瞬态反应特性对比

在发动机试验台上,对比研究了分子筛和钒基选择催化还原(SCR)催化器在真实柴油机排气环境下的稳态与瞬态反应特性,在此基础上进行了ETC瞬态试验,对分子筛SCR催化器还原剂的瞬态喷射策略进行了优化.结果表明:分子筛SCR催化器在250,℃以下的低温区域的NO_x标称转化效率明显优于钒基SCR催化器,但两者的标称转化效率在高温区域相差不大;在相同工况下,分子筛SCR催化器的瞬态氨存储能力大约为钒基SCR催化器的两倍;在ETC瞬态循环下,分子筛SCR催化器的瞬态响应速度更快,ETC瞬态循环的排放性能远远优于钒基SCR催化器;相比于钒基SCR催化器,分子筛SCR催化器在低温区域使用的氨氮比应提高0.05左右,在负荷跃迁区域应采用更小的还原剂喷射延迟.     

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．     

国六阶段车用柴油机尾气中N_2O排放特性的试验研究

以一台满足国六排放标准的车用柴油机为试验对象,通过对国六标准试验循环WHSC和WHTC中N_2O的排放特性进行分析和研究。结果表明:后处理的使用会增加柴油机N_2O排放,其中尿素的喷射与否更会显著地影响N_2O的排放;在WHSC和非再生模式WHTC循环中,N_2O在后处理中的产生主要发生在SCR中,循环浓度峰值的产生主要是由于泄露的NH3在ASC中的氧化。再生模式WHTC循环中,N_2O来自SCR及ASC,由于再生排气温度高且THC排放浓度高,DOC中的催化反应也是N_2O的重要来源。     

基于模型的SCR车载故障诊断策略

以柴油机选择性催化还原(SCR)后处理系统为研究对象,对SCR催化器化学反应机理进行了系统的研究,并建立了SCR催化器模型,设计了基于模型的SCR控制策略和车载故障诊断(OBD)策略.为了便于建模,沿着气流轴线方向将SCR催化器分为数个理想的SCR单元,并建立了SCR催化器的化学反应动力学模型和温度模型等.然后设计了基于自适应滑模观测器的催化器状态观测器.利用反步法设计了SCR控制器,对SCR催化器沿着气流轴线方向的储氨状态分布进行控制,实现减少NOx排放的同时避免氨(NH3)泄漏造成的二次污染.最后,开发了基于模型的OBD策略,并进行了试验验证,结果表明:基于模型的SCR控制策略和OBD策略是有效的.     

钾铜铈锆复合金属氧化物催化氧化碳烟颗粒的研究

利用自蔓延高温燃烧合成法(SHS)在商用空白催化型柴油颗粒过滤器(CDPF)载体上涂覆制备了一系列CuCeZrO2-δ及KCuCeZrO_2-δ催化剂,并利用碳烟颗粒快速加载装置对CDPF载体加载,以模拟真实的柴油机碳烟颗粒情况。程序升温氧化活性测试结果显示:Cu CeZrO_2-δ催化剂在通入800×10~(-6)NO/6.5%O_2/N_2混合气时,通过在低温下氧化NO成NO_2来氧化碳烟颗粒;同时在铜(Cu)成分为90%时有最好的氧化活性;加入钾(K)之后,碳烟颗粒的低温氧化活性得到进一步改善,在K取代Cu含量的20%时活性最佳。研究表明:这两种催化剂有望取代贵金属Pt成为新型非贵金属CDPF催化剂。     

用于SCR催化器性能评价的尿素喷射控制系统

基于16位微控制器控制单元和后台管理系统,开发用于选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)催化器性能评价试验的尿素喷射控制系统。根据上位机给定的目标,采用双闭环控制方式控制喷射压力,基于尿素喷射速率与尿素喷射系统驱动占空比脉谱图的开环控制方式控制喷射速率。利用柴油机后处理系统性能评价试验装置的废气流量与温度控制子系统来保障工况条件;由排放测量设备测量NO_x排放和氨泄漏;根据标定试验确定控制特性;通过台架试验验证尿素喷射控制系统可用性。结果表明,尿素喷射控制系统完全能够满足SCR催化器单体和组合评价测试的要求。     

柴油机DOC+SCR系统数值仿真与结构优化

为降低柴油机污染物排放,提出DOC+SCR直筒型催化器系统,利用计算流体动力学(CFD)建立DOC+SCR直筒型催化器的三维数值仿真模型,该模型包括尿素水溶液的蒸发和分解,但忽略催化剂表面的催化还原反应,基于简化模型提出一种NO_x转换效率的计算方法,根据试验结果对数值模型和NO_x转换效率计算方法进行验证.分析计算得到的催化器系统内部流场分布情况,提出多种结构优化方案,结果表明:优化后,特定工况下催化器系统压降由9.98,kPa减小至8.60,kPa,催化器结构因素引起的压降由2.98,kPa降低至1.60,kPa;SCR入口截面还原剂NH_3均匀性指数可提高到93.45%,,在特定工况下NO_x转换效率可达92.87%,.     

被动氮氧化合物吸附催化剂PNA性能研究

冷启动阶段的NO_x排放控制成为目前柴油车尾气排放的一个重大挑战,传统的选择性催化还原(SCR)技术已无法解决在低温阶段的NO_x排放问题,一种被动氮氧化合物吸附(PNA)技术应运而生。主要研究了PNA在冷启动过程中对NO_x的吸附量、PNA催化剂与常规氧化催化剂(DOC)的NO_2生成能力对比、PNA催化剂的老化性能。试验结果表明:PNA新鲜态催化剂NO_2生成能力低于常规DOC,PNA催化剂在冷启动阶段(低于200℃)未表现出NO_x吸附存储能力,经过水热老化出现较大程度的NO_2生成能力下降;经过硫老化后,基本失去NO_2生成能力;脱硫后NO_x存储能力未恢复到硫老化前水平且基本失去NO_x存储能力。     

颗粒捕集器中沉积灰分对柴油机非常规污染物排放影响研究

针对柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)与催化型柴油机颗粒捕集器(catalyst diesel particulate filter,CDPF)组合的后处理系统,研究了在CDPF中沉积灰分对柴油机排气中醛酮污染物类、苯系污染物的影响。研究结果发现,随着沉积灰分的增加,CDPF前苯系污染物排放呈现U形变化趋势,在各个工况下,CDPF后排气中苯系污染物排放量与CDPF前相比均明显升高,苯系污染物各组分的排放量变化程度不同;存在灰分时,CDPF前的醛酮类污染物排放量与新鲜状态相比有明显增加,但CDPF后醛酮类污染物排放量呈明显下降趋势,并且醛酮类污染物物种发生变化。     

国六新型催化型柴油机微粒捕集器低温被动再生特性研究

基于自行搭建的柴油机氧化催化器（diesel oxidation catalyst, DOC）+催化型柴油机微粒捕集器（catalytic diesel particulate filter, CDPF）的试验台架,开展了碳化硅（SiC）及堇青石CDPF被动再生平衡点温度试验,并测试了DOC新鲜件及老化件对载体被动再生平衡点温度的影响,对两种材料CDPF进行了低温条件下的被动再生特性试验。试验结果表明：炭载量5 g/L时,SiC CDPF被动再生平衡点温度约为295 ℃,堇青石CDPF约为310 ℃;DOC老化件对SiC CDPF被动再生平衡点温度无明显影响,但会导致其被动再生效率降低;未加装DOC时,SiC CDPF被动再生平衡点温度上升至355 ℃,且会导致载体内部温度轴向及径向上产生较大温差,大大降低其再生效率（仅为5%）;炭载量5 g/L、入口温度325 ℃时,SiC CDPF被动再生效率仅为48.9%,再生速率为2.9 g/h,而堇青石CDPF被动再生效率为75.2%,再生速率为11.5 g/h,后者在该温度附近被动再生特性更优。