结构参数对重型柴油机DOC+CDPF性能影响研究

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机动车排放是北上广深等大城市细颗粒(PM2.5)最大来源,而柴油车的颗粒物排放在机动车中占比达到95.9%,是最主要的减排对象。氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)和催化型柴油机颗粒捕集器(Catalyzed Diesel Particulate Filter, CDPF)能大幅降低颗粒物和部分气态物排放,且在未来升级国六标准中不可缺少,具有很大的应用前景。但目前DOC+CDPF在实际应用中存在载体尺寸和贵金属参数不合理、行驶工况不匹配、DPF堵塞等问题,不少后处理厂家对于后处理参数设计、DOC和CDPF的耦合应用、匹配不同柴油车工况等缺乏深入的研究和技术积累,对这些问题进行研究具有重要的现实意义。本文基于重型柴油机台架试验,系统开展DOC和DPF的催化剂负载量、贵金属配比、载体直径/长度、目数以及材料对后处理性能的影响研究,通过分析排气温度和压力、气态污染物及颗粒物排放,得出不同参数的影响规律,主要研究内容及结论如下:
  (1)研究了主流DOC+CDPF方案对重型柴油机不同工况排放特性的影响。结果表明DOC+CDPF的使用明显提高了排气背压和温度;DOC和DPF在10%负荷及以下对THC和CO的减排率较低,而在其他负荷减排效率均很高;DOC和DPF对总NOx基本没有影响,但能明显提高NO2的占比,分析发现300℃~360℃的NO2占比较高,增大催化器的尺寸或减少排气流量均能提高NO2占比;DOC对粒径较大的固体颗粒的减排效果较低,而对核态颗粒减排效果很好,DPF则能过滤掉95%以上的颗粒,但部分高排温工况的减排率会大幅降低,可能是由于高排温使得DPF再生,增加了PN排放。
  (2)研究了不同参数DOC对排放特性的影响。结果表明DOC前后温差受载体结构参数及催化剂配方的影响较小,压差受载体目数及材料的影响较大;CO比THC表现出更低温度的起燃特性,提高贵金属负载量、Pt比例、直径/长度比值,减小目数均能增强DOC对CO的减排效果;低负荷工况DOC对THC的减排规律与CO差异很大,可能是由于THC与CO在低温下有较强的竞争吸附关系;较高的贵金属负载量、Pt比例,较低的直径/长度、目数以及FeCrAl材料的使用均能提高NO2占比;较高的直径/长度、目数、贵金属负载量以及使用堇青石材料表现出较好的颗粒减排效果;贵金属负载量和Pt/Pd/Rh配比对DOC后PN粒径分布的影响较大,堇青石对107nm以下PN的减排效果优于FeCrAl。
  (3)研究了不同参数的DPF对排放特性的影响。结果表明不同载体参数和贵金属参数的DPF对压差和温差均有一定影响;提高贵金属中的Pt比例、适当提高直径/长度比值以及使用SiC载体均有利于进一步提升DPF对CO和THC的低温氧化能力;较高的贵金属负载量、较高的Pt比例、增大载体长度以及使用堇青石载体均能提升DPF对NO的氧化能力;不同贵金属负载量对粒径360nm以上的PN有一定减排效果,Rh贵金属的引入使得45nm以上PN明显增加,固体颗粒数量也增加;增加直径/长度比值增加了整体PN排放值;堇青石DPF后的固体颗粒排放较低,19nm以上的PN排放均低于SiC。
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