微粒捕集器

微粒捕集器（精选五篇）

微粒捕集器 篇1

在柴油机的排放控制系统中, 设置了一种可以测量柴油机排烟的传感器 (又称为“烟度传感器”) , 用于连续检测柴油机排放气体中的碳烟和未燃烧的碳粒, 并输出一种能够反映碳烟存在程度的信号, 然后通过电控单元 (ECU) 自动调节空气和柴油的供给量, 以达到燃料完全燃烧和避免形成过多碳烟的目的。

1.1 碳烟传感器的基本结构

碳烟传感器的外形与汽油机的火花塞相似, 该传感器的感应头由绝缘体、电极和催化剂等3部分组成。传感器本体 (采用AL2O3制成陶瓷体) 装在金属体中, 上方通过中间体与接线盒相连, 接入12 V或24 V直流电;金属体的下端有螺纹, 可以方便地安装在排气管上。

在感应头的绝缘体中埋有两个电极, 电极的下端伸出绝缘体, 暴露在烟气中。这两个电极中间保持0.10 mm左右的缝隙, 电极表面涂有强催化剂, 使沉积在电极上的碳烟能够迅速被氧化, 让电极始终保持干净, 以满足连续测量的要求。

为了节省贵金属, 降低制造成本, 电极通常采用组合结构, 即用15 mm长的铂丝和其他金属丝焊接在一起。

碳烟传感器的性能取决于催化剂, 如果没有催化剂, 由于两电极相距仅0.10 mm, 很快会因积碳而失效。催化剂的选料和配方必须满足两个条件, 一是具有良好的绝缘性能;二是能够促使碳烟迅速地进行氧化反应。只有这样, 才能保证碳烟传感器测量的准确性和灵敏性。碳烟传感器的催化剂一般采用Cr2O3, Sn O2或者Fe2O3, 最好使用铂黑作为碳烟的催化剂。

当感应头刚刚接入电路时, 由于电极之间的电阻很大, 电路中没有电流或者只有极微小的电流。

1.2 碳烟传感器的工作原理

当碳烟传感器的感应头插入排气管的烟气中后, 由于电极隙缝中充满了碳烟, 两电极之间只有0.10 mm左右的间隙, 于是形成碳桥, 电极之间的电阻随着碳烟的多少而发生变化, 碳烟少时电阻大, 碳烟多时电阻小, 所以电路中的电流值随着碳烟的多少相应变化。在电子控制系统中, 碳烟传感器提供给电控单元的电流 (μA) 信号也随着碳烟的多少作出相应的变化。

随着柴油机负荷的改变, 排气温度、烟度与碳烟传感器的信号电流也会相应变化 (见下表) 。柴油机的烟度与碳烟传感器的信号电流值的对应关系符合下面的关系式, 即

式中R———波许烟度;

I———碳烟传感器的信号电流值;

K———比例常数。

由于在感应头的电极端涂有强催化剂, 加上烟气中有充足的氧气存在, 所以沉积在电极上的碳烟能被迅速氧化, 不会因为电极上的碳烟堆积而使测量失效, 尤其是在排气温度较高的情况下, 连续测量的结果完全能够反映柴油机碳烟量的变化状况。

2 碳烟微粒捕集器

通过碳烟传感器检测到碳烟后, 需要进行处理。电控柴油机对于碳烟微粒的过滤处理, 通常采用碰撞吸附、惯性拦截、扩散拦截和重力沉降等方法, 能使柴油机排气中的微粒下降70%~90%。其中碳烟微粒捕集器是常用的装置之一。

柴油机碳烟微粒捕集器又称“微粒过滤器” (DPF, 如图) , 它通过蜂窝状的闭锁式单元, 捕捉柴油发动机尾气中的微粒排放物, 但允许气体通过, 它的作用类似于汽车上的三元催化转化器, 是减少柴油机碳烟排放的一种废气后处理技术装备。DPF目前所用的载体材料是堇青石陶瓷以及碳化硫。

DPF先捕捉、过滤废气中的碳烟微粒, 然后对收集的微粒进行催化、氧化处理, 以便清洁捕集器。碳烟微粒过滤器 (DPF) 捕获碳烟后, 在500~600℃的高温下燃尽, 就像自洁式烤炉一样, 使碳烟微粒在控制单元 (ECU) 的控制下燃尽或再循环。再循环产生的热量使得DPF有足够的温度来燃尽引起排气管堵塞的碳烟。这种再生方式 (除去微粒捕集器内积存的微粒的过程称为“再生”) 称为“主动再生”, 因为它不需要另外的能源。

由于催化剂受到燃油中硫的影响, 所以在定期维护保养工作中, 必须卸下DPF清理碳烟或更换微粒过滤器。DPF的工作寿命是24万km。

参考文献

[1]姚文生, 赵斌, 杨晓霞.柴油机尾气控制技术[M].北京:化学工业出版社, 2012.

[2]中国环境科学出版社编.车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法GB 3847-2005[M].北京:中国环境科学出版社, 2005.

江苏神通：贝类捕集器产品试验通过 篇2

记者求证：记者拨打公司证券部电话，工作人员证实消息属实。

江苏神通（002438）近期有消息称，公司研发的贝类捕集器等产品目前已通过试验验证和鉴定，具体生产规模将根据市场需求和订单情况而定。

江苏神通主营生产销售阀门及冶金、电力、化工机械阀门。从收入规模上来看，公司并不是阀门行业的龙头企业，但在一些细分领域，公司一直是单项冠军，有着绝对垄断地位。例如公司核电的蝶阀、球阀的市场占有率超过90%，安全壳地坑过滤器的市占率目前为100%。冶金特种阀门的市占率超过了70%。

一直以来，公司坚持把阀门制造作为唯一主业，始终坚持自主研发做高毛利、高技术的产品，坚持走“进口替代之路。”公司毛利率水平保持在35%以上。

此外，公司拥有一支经验丰富的研发团队，从事核电、冶金阀门的设计。资料显示，公司每年的研发费用超过主营业务收入的5%，比例高于竞争对手。公司本次试验通过的贝类采集器，目前已知国外供货商的价格在1千万左右。

核电阀门方面，公司在我国核电技术向巴基斯坦输出时，通过中国中原对外工程公司先后在巴基斯坦希玛一期、二期20万千瓦机组项目中签订了核二级、核三级蝶阀、球阀供货合同。随着我国核电出口之路的推进，核电技术的对外输出，未来的市场空间将进一步增加。预计2015、2016年公司的核电订单金额有望分别达到4.9亿、6.1亿元。

微粒捕集器 篇3

柴油机具有输出功率大、燃油消耗低、热效率高等优点,被广泛应用于大型车辆上。但是颗粒污染物成为柴油机排放问题研究的重要方面。DPF作为去除颗粒物最有效的方式,现在已经被广泛应用于汽车领域。国外对于再生采用的方法主要有微波再生、电加热再生、红外再生等,国内由于油的品质受到硫、铅等有毒化学物质的影响,对于催化转换方面研究比较少。如湖南大学伏军、龚金科等对DPF过滤体入口废气温度进行了相关的研究。主要通过催化燃烧方法将DPF内微粒燃烧来达到再生。

目前有关柴油机微粒捕集器颗粒物再生方法主要分为2 种,即主动再生和被动再生。

1) 主动再生指利用外部热能、发动机本身热能和非加热机械再生。其中外部热源再生包括: 喷油助燃再生、逆向喷气再生、红外加热再生、电加热再生和微波加热再生等。发动机热能再生包括: 排气节流再生、Hc和Co氧化再生、大负荷再生、进气节流再生。非加热机械再生包括: 反吹再生。

2) 被动再生指利用降低微粒活化能再生包括: 催化再生、燃油添加剂再生、连续再生。其中喷油助燃再生技术由于不受油品质量的限制、适应性好、效率高等优点成为人们研究微粒捕集器再生过程的研究热点。

文中以微粒捕集器( DPF) 喷油助燃再生为例,研究喷油率对壁面峰值温度的影响,并提出相应的改善措施。

1 喷油助燃再生时间判断

1. 1 喷油助燃微粒捕集器工作原理

由于DPF工作时,汽车尾气产生的颗粒物越来越多,慢慢沉积在DPF中。通过压力传感器判断压力情况后反馈到电控单元ECU,与储存在ECU单元中的排气背压M ap图进行比照。当排气背压超过预警值时,喷油口和空气进气阀同时开始工作,迅速完成雾化形成混合气体。通过电热塞点火燃烧形成高温气体,排气温度由温度传感器来判断,在保证氧气充分的条件下,使DPF中微粒能够燃烧实现再生。

1. 2 再生时间判断

再生时机判断的方法包括背压法、总油耗法和模型法等。再生时机判断需考虑因素: 1) 微粒沉积量的大小对再生过程影响; 2) 微粒沉积量的大小引起的排气阻力对柴油机性能影响。

若再生时间判断不准确,发动机燃烧产生的颗粒物积累量会增大,从而降低柴油机工作性能和过滤体烧熔断裂。若微粒量不足,排气阻力影响效果小,则再生效果不明显。因此,对于柴油机再生时间判断尤为必要。通过选取4 种不同工况( 喷油率) 条件下通过判断排气背压值的大小来判断合理再生时机( 见表1) 。

不同工况下排气背压随时间的变化情况如图1 所示。从不同喷油率情况下排气背压随时间变化图中可以看到,在再生过程前期( 0 ~ 60s) 排气背压值随时间变化较为平稳,但是经过一定的时间后( 60 ~ 100s) 左右时排气背压随着时间会出现小幅度的上升,后来经过一段时间( 100 ~ 300s) 后才急剧下降,下降趋势尤为明显。而随着再生时间到达一定值后( 300s) 时,下降趋势减缓并趋向某一水平位置。

2 DPF再生仿真分析与优化

2. 1 DPF模型建立

DPF网格模型如图2 所示。

由于试验条件有限,主要利用AVL Fire软件围绕DPF喷油率对DPF内部温度影响做仿真分析研究。利用Avl Fire对DPF建模,由于建模后运算量比较大,因此为方便以后模型运算,将DPF模型简化成1 /4 模型,经划分其网格数目98453 个,其具体参数如表2 所示。

2. 2 汽油配比方案选定

汽油配比方案如表3 所示。

从燃烧前氧质量分数和燃烧后氧质量分数可以看出,在未予补气的情况下,燃烧过后氧气含量基本殆尽。就B、C、D、E这4 种汽油配比方案而言,随着汽油配比值的不断增大,排气中氧含量浓度增大,有利于促进微粒的氧化速率。因此选择其中一种油气配比方案C做分析。当设喷油压力P = 3. 0MPa时,比较不同喷油率q情况下所对应孔道壁面温度值的变化情况,结果如图3 所示。

通过不断提高喷油率( 选取4 种基本情况下) ,喷油量的提高使得氧化速率快速提高,使得DPF孔道壁面沉积的颗粒物迅速燃烧,壁面温度突然增大,呈急剧上升之势。但由于温度的急剧上升会造成过滤体冷热差值变化过大,易造成过滤体断裂。因此,为保证过滤容器的使用寿命,对其温度控制尤为必要。当喷油率q值从68. 4g /min提高至88. 4g /min后,随着燃烧时间的不断增加,导致过滤体微粒燃烧氧气消耗量增加,而所需氧气量供应的不断减少,使得微粒氧化速率逐渐减缓,从而造成过滤体壁面温度下降。

在柴油机能够稳定运转,过滤体内氧气含量能够满足微粒不断再生的情况下,排气背压值的大小对再生速率的快慢也有较大的影响。因此,通过选择发动机稳定工况( 转速1400r/min、负荷25% ) 、方案C( 气油比23. 7∶ 1) 、燃烧器油压力为3. 0MPa的情况下,通过分析排气背压大小情况来判断再生速率的大小。

从分析结果可以看出,当喷油率q从38. 3g /min提高到68. 4g / min后,再生时间缩短,再生速率提高,喷油率随时间进一步提高至88. 4g /min时,喷油量的提高使得燃烧反应加快,氧气消耗量急剧增加,供氧量严重不足,使得微粒氧化再生过程减缓。因此,为保证微粒氧化再生过程能够正常进行,应及时补充适量空气。

3 补气优化方案

由于喷油率的提高使得氧气含量不足影响微粒氧化反应,所以对于补气量的优化控制尤为必要。因此,为保证补气量与喷油量能够合理的匹配,假设燃油能够充分燃烧,为合理匹配对于补气量值也需要充分,所需理论空气量应满足方程: Jmin( Air) /Jmin( Fuel) = 14. 4,由于排气氧浓度yi需保证微粒捕集器再生时刻的最小氧含量为12% ,则对应的最小理论补气量方程为:

式中:—氧气摩尔质量,kg /mol; P—排气压力,Pa; Q—排气体积流量,m2/ s; Ti—入口温度,K;yi—氧的摩尔分数,% 。

从上述最小理论补气量所对应的方程判断: 当yi≥0. 12 时,排气氧含量增大,为保证再生过程的顺利进行,充分燃烧剩余的氧气,去除绝对值后取负,得到最小补气量方程为:

当氧气含量足够的高时,Jmin( Air) ≤0,则无需补气。当yi≥0. 12 时,氧含量不足需要补气,去除绝对值后取正,则最小补气量方程为:

因此,对于补气量的控制需控制排气中氧浓度yi值即可。

4 结语

1) 采用排气背压法来判断柴油机再生时机,得出时间与排气背压的特征曲线图,并详细介绍DPF工作原理。

2) 结合AVL的仿真分析,分析了喷油率对DPF壁面温度的影响并建立了时间对孔道壁面峰值影响的变化曲线图。

3) 提出优化方案,得出最小理论补气量方程,并作出相应的补气时机判断。

参考文献

[1]伏军,龚金科,袁文华,等.柴油机微粒捕集器喷油助燃再生过程热工特性[J].农业工程学报,2012,28(20):58-66.

[2]龚金科,伏军,王曙辉,等.柴油机微粒捕集器背压信号采集系统动态响应特性的研究。内燃机工程,2008,29(5):62-66.

[3]龚金科,黄迎,蔡皓,等.柴油机壁流式过滤体灰烬深床沉积数学模型[J].农业工程学报,2011,27(3):137-141.

[4]伏军,龚金科,袁文华,等.微粒捕集器再生背压阈值MAP图建立及其应用[J].农业工程学报,2013,29(12):47-56.

[5]何学良,李疏松.内燃机燃烧学[M].北京:机械工业出版社,1990.

[6]伏军,龚金科,左青松,等.唐宁微粒捕集器喷油助燃再生喷油与补气的优化控制[J].农业工程学报,2012,28(17):11-18.

[7]Zheng Haishan,Jason M Keith.Ignition analysis ofwall-flow monolith diesel particulate filters[J].Catalysis Today,2004,98(3):403-412.

[8]温从标,孙后环,王琴.DPF再生入口温度模糊控制研究[J].机械科学与技术,2015,34(6):827-831.

[9]孟忠伟,李路,陈鹏.DPF白载体的传热特性的试验研究[J].内燃机工程,2014,35(4):103-108.

柴油车的颗粒捕集器 篇4

1 颗粒物的产生

在柴油机燃烧过程中会产生颗粒物。而这种有害物质产生的多少, 与发动机的结构设计、燃油品质和环境因素等都有着一定的关系。在柴油机燃烧过程中, 喷入的柴油主要组成成分是碳氢和硫, 吸入的空气主要组成成分是氧气、氮气和水蒸气。

考虑到对环境和人体的危害程度, 排气组分可以分为三类:

a.大气中已经存在的无害成分:氧气、氮气、水蒸气。

b.大气中已经存在, 但必须要保持在一定的限值之内, 否则会导致温室效应:二氧化碳。

c.有害成分:一氧化碳、碳氢、二氧化硫、氮氧化物、颗粒。

颗粒是所有小的固体和液体颗粒的总称, 是在发动机工作过程中, 通过磨损、腐蚀、凝结以及不完全燃烧等原因产生的。这些过程产生的颗粒有不同的形状、大小和结构。颗粒具有有害气体的特性。它很小, 悬浮在空气中, 从而损害肺等器官。

在柴油机的燃烧过程中会出现颗粒物, 这些颗粒物是直径大约0.05μm的微观的小的碳元素。在颗粒物的核心只有纯碳, 在这个核心上, 附着不同的碳氢, 金属氧化物和硫元素。颗粒物的形成取决于柴油机的燃烧过程, 如进气、喷油、火焰传播、排气等。燃烧效率取决于空气和燃油的混合气的质量。在燃烧室的某些区域, 由于没有足够的氧气, 这个混合气可能过浓, 由此导致不完全燃烧而产生颗粒。颗粒的大小和数量从本质上来说取决于柴油机的燃烧质量。采用高压喷射系统, 根据燃烧需要准确控制喷油量, 无疑可以在燃烧过程中减少颗粒物的出现。测量结果表明, 颗粒物的产生与柴油机的类型没有大的关系, 无论是涡流室式, 还是共轨式或泵喷嘴式发动机, 都很相似。

2 减少颗粒物的措施

2.1 机内措施

机内措施可以根据紊流特性的需要, 对进、排气道的形状进行优化设计;采用高压燃油喷射系统;优化燃烧室的结构, 如减少无用空间, 优化设计活塞凹坑的结构。

2.2 机外措施

机外措施可以通过两种颗粒捕集器, 即添加剂式和催化涂层式的颗粒捕集器。添加剂式的颗粒捕集器用于其离发动机比较远的情况, 在这种情况下, 只有在添加添加剂的情况下, 才能达到颗粒燃烧的点火温度;催化涂层式的颗粒捕集器用于其离发动机比较近的情况, 由于离发动机比较近, 排气温度足够达到颗粒燃烧的要求。

3 催化涂层式的颗粒捕集器系统

图1所示为颗粒捕集器系统示意图, 仅针对单管排气系统。对于V6发动机等有双管或多管排气系统, 每个支路上都应该有一套颗粒捕集器及相应的传感器。

3.1 催化涂层式颗粒捕集器结构

催化涂层式颗粒捕集器是布置在涡流增压器后的前排气管上。由氧化催化器和颗粒捕集器两个组成部分集成为一个零件。催化涂层式颗粒捕集器集成了氧化催化器和颗粒捕集器的功能。作为颗粒捕集器对废气中的颗粒进行过滤。作为氧化催化器, 通过把碳氢和一氧化碳转化为水和二氧化碳的方式来达到净化废气的作用。

颗粒捕集器由用碳化硅 (Si C) 制作的蜂窝状的陶瓷载体组成。陶瓷载体由许多平行布置的、小的、封闭的气道分隔开来。气道两端面的进、排气孔间隔地用陶瓷塞堵住。陶瓷载体的外面, 布置有金属外壳。在两者之间, 装有具有弹性的陶瓷衬套。

由碳化硅构成的气道壁是多孔的。碳化硅载体上又涂了由氧化铝和氧化铈组成的混合物作为催化剂涂层。催化剂涂层上再涂上作为催化剂的贵金属铂。由于气道相互间在进气和排气气流方向是封闭的, 含有颗粒的废气必须要通过由碳化硅做成的气道壁流过, 由此, 气态的废气流过, 而颗粒却被截留下来。

颗粒捕集器需要一定的长度, 一方面是为了有更大的颗粒存储空间;另一方面, 也是为了可以涂上一定量的铂, 以达到要求的催化效果。铂金属在整个长度范围内的含量是有区别的, 前部区域要比后部区域涂上更多的铂金属。这样的设计主要有以下几个优点:

a.在发动机正常工作状态, 颗粒捕集器在前端区域很快得到加热。通过前端区域高浓度的催化剂铂, 颗粒捕集器具有快速催化作用, 这也可以说是颗粒捕集器的快速启动性能。

b.在再生工作状态, 颗粒燃烧导致颗粒捕集器后部很热。长时间的高温会使铂中毒而失效, 因此要避免在后部区域涂上更多的价格很高的铂。

c.颗粒捕集器老化问题也是在后部区域涂上少量铂的原因之一。在使用过程中, 在后部区域会积淀越来越多的燃烧残留物, 从而损害铂的催化效率。

3.2 再生

为了颗粒捕集器不被堵死和功能不受侵害, 颗粒捕集器必须要定期清除颗粒, 这就是再生现象。在再生过程中, 颗粒捕集器收集的颗粒会被燃烧掉。再生分主动和被动再生两种方式。

3.2.1 被动再生

在被动再生过程中, 颗粒在没有发动机控制器的干预下, 持续地进行燃烧。由于颗粒捕集器离发动机很近, 因此在高速公路上行驶时, 温度可以达到350~500℃, 此时, 颗粒通过化学反应转换为二氧化氮和二氧化碳。这种过程发生得很慢, 并且一定要在催化剂铂的作用下持续实现。

其步骤为:

废气中含有的氮氧化物和氧气, 在铂的催化作用下, 生成二氧化氮。

二氧化氮与颗粒中的碳发生反应, 生成一氧化碳和一氧化氮。

一氧化碳和一氧化氮与氧气共同反应, 生成二氧化碳和二氧化氮。

3.2.2 主动再生

在主动再生中, 炭黑颗粒在拉升的排气温度下, 通过发动机控制器, 进行燃烧。在城市交通中, 在很小的发动机负荷下, 排气温度对于颗粒捕集器的被动再生来说太低了。因为颗粒不能被清除, 颗粒附着在颗粒捕集器上。只要颗粒捕集器上的炭黑颗粒数量达到一定的的程度, 发动机控制器就会发出主动再生的指令, 主动再生持续大约10 min。颗粒在600~650℃的排气温度情况下, 与氧气反应, 燃烧生成二氧化碳。反应方程式为:

炭黑颗粒在进气道内就会被拦住。发动机控制器通过分析空气质量流量计信号、颗粒捕集器前后温度传感器信号以及废气压力传感器信号来识别颗粒捕集器的炭黑颗粒负荷情况。在颗粒捕集器没有颗粒沉积的情况下, 废气的流动阻力是很小的, 反之, 如果有许多颗粒沉积在颗粒捕集器上, 就会有很大的流动阻力。当炭黑负荷达到一个极限值时, 就会通过发动机控制器导入主动再生。在发动机控制器的指挥下, 主要有以下几个动作:

a.发动机控制器会指令废气再循环关闭, 以便提高燃烧温度。

b.为了提高排气温度, 在燃油主喷射减少后, 在上止点后一定角度 (不同的发动机会根据匹配结果确定不同的数值) , 导入一个燃油后喷射。

c.电子节气门体对进气量自动进行调节, 从而与增压压力相匹配, 使得在再生过程中, 驾驶员感觉不到扭矩的变化。

通过这些措施, 排气温度在很短的时间内就会被拉升到600~650℃。在这个温度范围内, 搜集到的炭黑颗粒会氧化成二氧化碳。在主动再生之后, 颗粒捕集器又可以重新投入使用, 并把炭黑颗粒从废气中过滤出来。

颗粒捕集器的炭黑负荷将会一直由发动机控制器通过计算出的流动阻力来进行监视。通过前后颗粒捕集器压差与废气体积流量的比例关系, 就可以计算出流动阻力。颗粒捕集器前后空气流动的压差可以由压力传感器测出。

流动阻力与体积流量和压差存在一定的关系。废气的体积流量是发动机控制器通过排气道中的空气质量流量和在颗粒捕集器前的排气温度计算出来的。废气的质量流量与进气系统的进气质量流量是相当的, 进气的空气质量流量是可以通过空气质量流量计计算出来的。废气的温度则直接通过布置在颗粒捕集器前后的温度传感器测得。这样, 有了排气温度和质量流量, 就可以通过发动机控制器算出废气的体积流量了。

发动机控制器通过计算压差与废气体积流量的比值, 就获得了颗粒捕集器的气流阻力。发动机控制器从气流阻力就知道了炭黑负荷。

3.3 倒拖工况下的燃油后喷射

在倒拖工况下, 燃油需要进行后喷射。比如在郊外, 发动机负荷变化频繁, 极易出现倒拖。由于倒拖工况的特殊性, 由此需要一些特别的措施对颗粒捕集器进行净化。因为在倒拖工况, 正常情况下不会向缸内喷射燃油, 废气就无法达到颗粒捕集器再生所需要的温度。由此, 倒拖工况时, 在活塞上止点后的一定角度, 一个少量的燃油喷射是需要的。由于在上止点的时候没有喷油, 因此这些少量的燃油也无法在燃烧室燃烧, 而只是形成蒸气。这些燃油蒸气在颗粒捕集器里进行燃烧, 燃烧产生热量, 从而使废气达到颗粒捕集器再生所需要的温度。颗粒捕集器后面的温度传感器监视颗粒捕集器后部的废气温度, 从而调整在倒拖工况下的后喷油量。

参考文献

[1]Richard Dorenkamp, Hermann-Josef Engler usw.DieDieselmotorendes neuen VW Golf.ATZ MTZ Extra.Oktober2003.

[2]Richard Dorenkamp, Hermann-Josef Engler usw.Die Dieselmotoren im neuen Passat.ATZ MTZ Extra, 2005.

[3]蒋德明.内燃机原理[M].北京:机械工业出版社, 1990.

微粒捕集器 篇5

作为传统动力能源的重要组成部分,柴油机具有燃油消耗低、转矩输出高等特点,在商用车领域得到了广泛的应用。然而,柴油机的颗粒物(PM)排放是汽车有害排放的主要来源。在影响能见度的同时,这些颗粒物可被吸入呼吸道,从而对人体健康造成损害[1,2,3,4,5,6]。

为满足日益严格的排放法规,采用排气后处理技术已经成为降低柴油机PM排放的主要手段。其中,催化型颗粒捕集器(catalyzed diesel particulate filter,CDPF)通过在颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)过滤体内部涂覆催化剂,可以同时具备颗粒捕捉及催化再生两大功能,使得CDPF对柴油机颗粒物具有很高的过滤效率[7,8,9,10,11,12]。

催化剂配方对CDPF的颗粒净化效果及CDPF的成本有重要影响。为研究不同CDPF催化剂涂层配方对柴油机颗粒的净化效果,本文中以某型高压共轨柴油机为研究对象,采用台架试验方法,对不同CDPF催化剂配方下的柴油机颗粒排放特性进行了研究,通过试验探寻CDPF催化剂配方对柴油机颗粒排放的影响机制。

1 试验系统

台架试验系统如图1所示。该系统包括试验样机、后处理装置、颗粒采样系统及数据采集系统。

1.1 试验样机及燃油

试验用机为SC9DF柴油机,其主要技术参数见表1。试验用燃料为国Ⅴ标准柴油。

1.2 颗粒采样系统

颗粒采样系统包括379020型旋盘稀释器和TSI-EEPS颗粒粒径仪。旋转盘稀释器的作用是对排期进行稀释,颗粒粒径仪的作用是对排气颗粒物的粒径分布特性进行分析。

1.3 后处理方案

试验台架的后处理系统为连续催化再生后处理系统,由柴油氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)与CDPF串联组成,其中CDPF的参数如表2所示。

本试验的目的是考察不同CDPF催化剂配方对试验样机颗粒排放特性的影响,因此设计了三种不同的CDPF催化剂配方,具体参数见表3。

如表3所示,三种CDPF配方均采用Pt/Pd/Rh(铂/钯/铑)作为贵金属催化剂,其中配方C1的贵金属负载量为1 250g/m3,配比为10∶2∶1(Pt∶Pd∶Rh);配方C3保持三种贵金属的配比不变,但将负载量下调至1 070g/m3;配方C5则将负载量进一步下调至890g/m3,同时将贵金属配比提高为10∶5∶1。此外,三种配方中催化剂涂层均为Al2O3,助剂为Fe2O3+Ce2O3。

1.4 试验方案

试验台架采用AVL-PUMA发动机全自动台架测控系统,相同条件下分别对三种CDPF催化剂配方下试验样机按外特性及负荷特性运行时的PM排放特性进行试验研究。此外,为与原机的PM排放特性进行对比分析,对不采用DOC+CDPF时发动机的PM排放特性也进行了测试。当试验样机按外特性运行时,其转速范围为800~2 200r/min;当试验样机按负荷特性运行时,其转速固定为2 200r/min。

2 试验结果分析

2.1 PM质量浓度

图2为试验样机按外特性及负荷特性(2 200r/min)运行时,排气PM质量浓度变化趋势。从图2可以看出,当试验样机按外特性运行时,不采用DOC+CDPF后处理系统时,其排气PM质量浓度约为2×105μg/m3;而采用DOC+CDPF作为后处理系统,颗粒物质量浓度在各工况点均有明显下降。

从图2中还可以看出,不同CDPF催化剂涂层配方对PM质量浓度的影响较接近,而采用C1配方时,试验样机排气PM质量浓度下降最明显:外特性下,采用C1配方,PM质量浓度平均降幅达到97.86%;而当试验样机按负荷特性运行时,采用C1配方,排气PM质量浓度平均降幅为97.46%。造成这种现象的原因是,C1配方中贵金属的负载量最高,而较高的贵金属负载量可以提升催化剂的活性,达到较好的颗粒催化效果。分析PM质量浓度试验结果可以发现,CDPF催化剂中贵金属负载量对排气PM质量浓度的影响较大,而贵金属配比对PM质量浓度则无明显影响。

2.2 PM数量浓度

图3为试验样机分别按外特性及负荷特性运行时,排气PM数量浓度变化趋势。

从图3可以看出,当CDPF采用C1、C5配方时,试验样机排气PM数量浓度在各工况点均明显低于原机,其中采用C5配方时PM数量浓度下降较明显:外特性下,当采用C1、C5配方时,相比于原机,PM数量浓度的平均降幅分别达到91.11%、97.95%;负荷特性(2 200r/min)下,PM数量浓度的平均降幅分别达到96.29%、98.58%。

然而,当CDPF采用C3配方时,后处理系统对PM数量浓度的作用效果有限:当试验样机按外特性运行时,当发动机转速高于1 600r/min时,PM数量浓度甚至高于原机;而当试验样机按负荷特性运行时,采用C3配方时高负荷区域下排气PM数量浓度也高于原机。

造成上述现象的原因是:C5配方中,贵金属催化剂中钯(Pd)元素的含量最高,而钯(Pd)元素对PM中硫酸盐及可溶性有机物(SOF)具有较好的抑制作用[13]。C3配方中,钯(Pd)元素的含量最少,使得C3配方对硫酸盐及SOF的抑制效果有限,同时试验样机在低速高负荷及高速高负荷区域本身排放性能较差,且DOC+CDPF后处理系统又造成排气背压有所提升,上述原因共同作用导致C3配方对PM数量浓度的降低效果不理想。通过分析PM数量浓度的试验结果可以发现,催化剂配方中钯(Pd)元素含量的提升对排气PM数量浓度的降低有积极影响。

2.3 PM粒径分布特性

图4和图5分别为当试验样机按外特性和负荷特性(2 200r/min)运行时,不同CDPF催化剂配方下排气PM粒径分布变化趋势。

从图4可以看出,当CDPF采用C1、C5催化剂配方时,在所有试验转速下,不同粒径PM数量浓度均低于原机。然而,当采用C3配方时,发动机排气中部分核态PM(粒径<50nm)的数量浓度高于原机:试验工况下,采用C3配方时,PM数量浓度峰值对应的粒径分别为10.8nm、19.1nm、10.8nm、25.5nm。造成这种现象的原因是,柴油机的排气颗粒数量主要由核态颗粒决定,而C3配方对于PM数量浓度降低效果有限,从而导致采用C3配方时排气中粒径小于50nm的PM数量浓度较高。

从图5可以看出,当试验样机按负荷特性运行时,采用不同CDPF催化剂配方,均可以使不同粒径下PM数量浓度有所降低。然而,C3配方对小粒径PM的效果仍不理想:对于粒径小于50nm的颗粒,C3配方对其数量浓度的降低作用仍有限。

3 结论

(1)CDPF催化剂配方中,贵金属负载量对发动机排气PM质量浓度有明显影响:贵金属负载量较大的C1配方对PM质量浓度的降低作用较明显,试验过程中,PM质量浓度平均降幅达97%。

(2)CDPF催化剂配方中钯(Pd)元素的含量对试验样机排气PM的数量浓度影响较大,采用钯元素含量较高的C5配方,排气PM数量浓度平均降幅达98%。

(3)不同催化剂配方对试验样机核态PM数量浓度有不同净化效果,采用钯元素含量较高的C5配方,排气颗粒中核态PM数量浓度较低。

摘要：为研究催化型颗粒捕集器(catalyzed diesel particulate filter,CDPF)配方对柴油机颗粒物净化效果的影响,基于铂/钯/铑(Pt/Pd/Rh)贵金属配方,对采用不同贵金属负载量及配比配方时的柴油机颗粒排放特性进行了试验研究。研究结果表明:当CDPF催化剂配方中贵金属负载量较高时,柴油机颗粒物质量浓度降幅较大,平均降幅达97%;当催化剂配方中钯元素含量较高时,颗粒物数量浓度降幅较大,平均降幅达98%,采用钯元素含量较高的催化剂配方,对核态颗粒物的净化效果较明显。