发动机颗粒物捕集器快速再生性能的试验研究

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汽车是污染物排放量的主要分担者,排放的CO、HC、NOx、PM占据90%。柴油机颗粒物排放量是同排量的汽油机的30-80倍,严重危害人体健康,急需控制。柴油机颗粒物捕集器(Diesel particulate filter)是净化柴油机尾气排放的有效装置之一,但是在一定的工作期限后会引起发动机背压的增高,其经济性,动力性都会下降,因此可采用不同的再生方式进行定期再生。本文基于外加热源主动再生台架研究了再生温度及过渡段长度对颗粒捕集器快速再生的影响,再研究了均匀沉积时灰分及催化剂,炭黑特性及载体特性对快速再生时的再生性能,以及非均匀沉积时灰分粒径及担载量对颗粒捕集器快速再生时的再生性能的影响规律,为颗粒物捕集器的再生控制策略奠定了一定的基础。首先,研究了快速再生的影响因素,探究了再生温度及过渡段长度对捕集器快速再生性能影响,通过改变再生温度,过渡段长度等参数对快速再生过程中载体的最高温度、出口颗粒浓度作分析。结果表明:过渡段长度会影响颗粒沉积分布,而颗粒的沉积分布会导致快速再生期的形成。载体在快速再生期间会形成局部热点,释放大量颗粒物。由于汽油机颗粒物(Gasoline Particulate Filter,GPF)捕集器孔目数多,载体壁面薄,无过渡段沉积再生时,其再生程度要高于柴油机颗粒物捕集器(DPF)。然后,研究了均匀沉积时,灰分(ZnO)及催化剂(CeO2)促进作用下颗粒物捕集器的快速再生性能。通过改变灰分、催化剂比例(1:0、1:1、1:3、1:5)及炭黑担载量(2.5 g/L、7.5 g/L),来达到快速再生的目的,并比较灰分及催化剂对快速再生时的气体及颗粒的浓度关系。结果表明:碳载量越高,ZnO氧化能力越强。随着ZnO和CeO2比例的增加都会导致快速再生的形成,促进了CO2的释放,CO的降低。与ZnO不同,CeO2的促进作用更强,生成的CO2更多,颗粒物浓度更少。其次,研究了非均匀沉积时,惰性灰(Al2O3/SiO2)拦截作用下颗粒物捕集器的快速再生性能。通过沉积不同粒径(2μm、10μm、15μm)及担载量(5 g/L、10 g/L)的惰性灰,对比快速再生时颗粒的数量浓度关系。结果表明:2μm的纯Al2O3灰分升温阶段抑制颗粒物的释放,而在再生阶段促进颗粒物的释放。15μm的纯Al2O3的作用与2μm的Al2O3恰好相反。沉积混合的10μm的Al2O3+SiO2灰分时的作用处在两者之间。增加担载量后,灰分层与过滤壁面的耦合可以形成新的过滤层,对颗粒物起到了拦截作用。最后,研究了炭黑特性(FW200、SB4A、PU)及载体特性(孔隙率、中值孔径)对颗粒物捕集器快速再生性能的影响。通过沉积不同的炭黑和采用不同的载体,比较出口的气体和颗粒分布。结果表明:均匀沉积时,沉积不同种类的炭黑均不会形成快速再生,但由于FW200比表面积大,粒径小,DPF再生时颗粒氧化剧烈,导致在再生末端明显的颗粒陡增现象。不同载体参数也不会形成快速再生,其再生特性相似。通过上述研究,发现非均匀沉积时,颗粒物捕集器存在快速再生期。快速再生期会形成局部高温热点,释放大量颗粒物。而灰分(ZnO)和催化剂(CeO2)在有过渡段沉积时能促进颗粒物捕集器的快速再生,增加CO2气体的排放,同时降低CO和颗粒物总数量的排放。沉积惰性灰(Al2O3/SiO2)时,灰与载体壁面耦合形成新的过滤层,对快速再生时颗粒物的释放起拦截作用。最后,通过改变炭黑和载体特性发现,非均匀沉积时,都不会导致快速再生期的形成,气体和颗粒都以缓慢氧化方式进行。以上说明,促进捕集器再生时,可以适当添加灰分或催化剂,降低排放时,可以沉积惰性灰,在提高再生效率的同时也能达到减排的目的。
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