生物柴油是以動(dòng)植物油脂、餐飲廢油和微生物油脂等為原料通過脂交換法制備的各種長度不同的長碳鏈飽和或不飽和脂肪酸甲酯的混合物。與傳統(tǒng)燃料相比,生物柴油屬于富氧燃料,可使燃燒更加完全,有效減少排放物中的顆粒物(PM)、一氧化碳(CO)和未燃碳?xì)?HC)的排放量

。柴油機(jī)顆粒物捕集器(DPF)是控制碳煙顆粒最有效的機(jī)外凈化技術(shù)

。DPF過濾體一般是由陶瓷或堇青石等制成,若將特定的催化劑涂覆在過濾體介質(zhì)上,則稱之為柴油機(jī)催化型顆粒物捕集器(CDPF)。要維持DPF的持續(xù)高效捕集,就需對(duì)DPF內(nèi)的碳煙進(jìn)行適時(shí)再生,DPF再生是限制其發(fā)展的關(guān)鍵因素

。DPF再生技術(shù)主要有主動(dòng)再生和被動(dòng)再生,其中被動(dòng)再生是在DPF過濾體內(nèi)部涂敷催化劑,以降低碳煙燃燒所需的起燃溫度,從而實(shí)現(xiàn)CDPF低溫再生

。

DPF過濾體涂敷催化劑使捕集器中吸附和被氧化的碳煙顆粒物處于相對(duì)平衡的狀態(tài)以獲得連續(xù)再生的理想狀態(tài),同時(shí)減少主動(dòng)再生的次數(shù),提高燃油經(jīng)濟(jì)性

,該技術(shù)領(lǐng)域的研究得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。李志軍等

通過數(shù)值模擬分析CDPF排氣參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)碳煙分布的影響。研究表明CDPF捕集的碳煙質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先急劇上升后緩慢減少的特點(diǎn)。陳朝輝等

基于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架,探究了碳煙負(fù)載量對(duì)CDPF再生性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,CDPF再生過程中會(huì)消耗NO

,當(dāng)碳載量為636 g/m

時(shí),CDPF后端NO

濃度顯著低于前端,其再生效率為93.1%。Andana等

對(duì)兩種不同催化劑的DPF進(jìn)行被動(dòng)再生試驗(yàn)研究,研究表明納米結(jié)構(gòu)的Ce基復(fù)合氧化物作為催化劑,其被動(dòng)再生碳煙轉(zhuǎn)化率最高達(dá)82%。Jeguirim等

研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)再生溫度為450 ℃時(shí),在O

和NO

同時(shí)存在的情況下,會(huì)發(fā)生兩種不同的碳氧化反應(yīng):NO

與碳表面發(fā)生直接反應(yīng)以及O

和NO

的協(xié)同反應(yīng)發(fā)生。

由于涂敷有催化劑,CDPF催化氧化能力得到改善,處理后排氣中的活性物種數(shù)量明顯增多,這些活性物種會(huì)與柴油機(jī)排氣中部分污染物發(fā)生反應(yīng)

。本文將從CDPF在柴油機(jī)實(shí)際排氣氛圍下燃用生物柴油調(diào)合燃料對(duì)各類排放污染物的凈化效果以及碳煙的加載和再生試驗(yàn)等方面展開試驗(yàn)研究,以期為CDPF在柴油機(jī)排放污染物排放控制技術(shù)方面的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)柴油為普通市售0

柴油,選用廣州富飛化工科技有限公司生產(chǎn)的棕櫚油甲酯作為研究用生物柴油,其性狀為透明液體,可以任意比例與柴油互溶。對(duì)生物柴油進(jìn)行檢測(cè),得到其組分中不飽和脂肪酸甲酯占60%以上,主要以油酸甲酯、棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯為主。將生物柴油和柴油按1∶4體積比例充分混合,得到的生物柴油調(diào)合燃料記為B20。

DPF過濾體材料對(duì)捕集效率以及催化劑活性有一定的影響

,本文采用堇青石材質(zhì)的壁流式蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)DPF過濾體,主要成分分子式為Mg

Al

Si

O

,制成直徑為150 mm,長度為180 mm,孔密度為31 cm

,孔隙率為39%。

本試驗(yàn)所用催化劑是采用檸檬酸溶膠凝膠法制備的鈰錳鉀復(fù)合型催化劑K

-Ce

Mn

O

。催化劑涂覆的工藝流程為“制漿-涂覆-干燥-焙燒”:以薄水鋁石、γ-Al

O

以及醋酸溶液配制載體漿料,與K

-Ce

Mn

O

催化劑按質(zhì)量比5∶1充分混合得到活性漿料,采用浸漬法將所制備的活性漿料涂覆在DPF過濾體上,最后再經(jīng)過干燥與焙燒完成試驗(yàn)用CDPF的制備。此外,還需使用載體漿料配制同體積的浸漬溶液對(duì)空白DPF過濾體進(jìn)行相同流程的預(yù)處理,以消除過濾體狀態(tài)差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備

在進(jìn)行農(nóng)機(jī)推廣過程中，很多的企業(yè)都將機(jī)械設(shè)備的重點(diǎn)放在糧食的生產(chǎn)過程中，而對(duì)于這方面農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的技術(shù)也在不斷的創(chuàng)新研究。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)于農(nóng)副產(chǎn)品的加工等問題也需要先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行完成的，并且一些地方特色的農(nóng)產(chǎn)品對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求更加嚴(yán)格。因此針對(duì)這種情況，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的推廣體系必須要加強(qiáng)完善，要讓農(nóng)民能夠及時(shí)的了解各種特殊機(jī)械設(shè)備的性能，從而使農(nóng)機(jī)推廣水平得到有效的提高。

第一步:用y（n）表示每個(gè)灰度上的像素點(diǎn)數(shù)目，n代表對(duì)應(yīng)的灰度值。用式（1）對(duì)直方圖濾波，得到的人眼圖像典型直方圖如圖4所示。

一般來說,中低負(fù)荷下排氣溫度和碳煙氧化速率較低,被捕集的碳煙會(huì)逐漸堆積在CDPF過濾體中,導(dǎo)致壓差增大;隨著負(fù)荷的增加排氣溫度顯著上升,過濾體內(nèi)碳煙的氧化速率逐漸升高,當(dāng)碳煙被捕集速率與氧化速率相同時(shí),CDPF前后壓差保持恒定,該狀態(tài)下的排氣溫度被定義為再生平衡溫度;當(dāng)排氣溫度繼續(xù)升高,碳煙的氧化速率超過被捕集速率,CDPF前后壓差開始減小。再生平衡溫度是衡量CDPF再生過程的關(guān)鍵參數(shù),也為確定CDPF再生時(shí)機(jī)提供了重要依據(jù)。

臺(tái)架試驗(yàn)選用一拖(姜堰)動(dòng)力機(jī)械有限公司生產(chǎn)的YD4C型四缸渦輪增壓柴油機(jī),該機(jī)型滿足非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn),表1為試驗(yàn)用柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。為了研究柴油機(jī)燃用純柴油和B20生物柴油調(diào)合燃料時(shí)的排放特性,須保持試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作軌壓、噴油時(shí)刻、排氣背壓和出水溫度等參數(shù)恒定不變。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選擇柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 400 r/min下的25%、50%、75%和100%負(fù)荷作為工況點(diǎn)。試驗(yàn)開始,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并預(yù)熱30 min,控制燃油溫度在38 ℃左右、出水溫度在80 ℃左右。試驗(yàn)過程中,為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,須待柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)5 min左右,再測(cè)量并記錄比油耗、排氣溫度和污染物排放等數(shù)據(jù),同時(shí)每組數(shù)據(jù)記錄三次取其平均值。由于油路中的殘余燃油會(huì)對(duì)下組試驗(yàn)產(chǎn)生影響,因此在更換燃油時(shí),將油管用待測(cè)燃油清洗,并在柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)20 min后再開展后續(xù)試驗(yàn)研究。

2 CDPF對(duì)排放特性的影響規(guī)律

2.1 煙度排放分析

與DPF相比,在標(biāo)定轉(zhuǎn)速的不同負(fù)荷下,燃用純柴油和B20燃油在CDPF后的HCHO排放降低了30.4%～35.1%和35.3%～43.6%,CH

CHO排放也降低了17.7%～28.4%和23.1%～29.9%。CDPF降低醛類排放原因可歸結(jié)為:催化劑使CDPF過濾體介質(zhì)中活性氧物種的數(shù)目增多,催化劑表面不斷輸送活性氧,為醛類的氧化提供了良好的環(huán)境,使醛類能夠更好的轉(zhuǎn)化為CO

和H

O。

2.2 NOx排放分析

柴油機(jī)NO

排放主要包括NO、NO

、N

O等,其中NO約占NO

總排放量的90%以上,影響NO

生成的主要因素有燃燒溫度、氧含量以及高溫火焰的持續(xù)時(shí)間等

。圖3為柴油機(jī)工作在不同工況下,加裝DPF或CDPF對(duì)NO

排放及其相對(duì)降低率

的影響。NO

排放相對(duì)降低率為

(1)

通過不同負(fù)荷下CDPF前后壓差特性的變化,研究燃用純柴油和B20燃油時(shí)CDPF的再生特性。試驗(yàn)前將CDPF裝置置于800 ℃的馬弗爐中加熱30 min以確保CDPF完全再生,在2 400 r/min中等負(fù)荷下加載碳煙,為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性,兩組試驗(yàn)碳煙加載量為(5±0.1)g/L

。轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時(shí)CDPF進(jìn)行再生試驗(yàn)選取的柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)如表2所示,CDPF完成碳煙加載后,調(diào)整柴油機(jī)按順序和時(shí)間要求依次運(yùn)行各工況。

2.3 醛類排放分析

Haynes提出的C(-)活性位點(diǎn)連續(xù)消耗和更新機(jī)理

,解釋了碳煙的氧化過程,涉及以下反應(yīng)

圖2所示為柴油機(jī)燃用純柴油和B20燃油在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下不同負(fù)荷的排氣煙度及過濾效率。從圖2可以看出,兩種燃油在原機(jī)狀態(tài)及不同后處理裝置后的排氣煙度表現(xiàn)出相同的規(guī)律,均隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加而上升。在相同工況下,CDPF對(duì)排氣煙度的降低效果優(yōu)于DPF,由于兩種過濾體涂覆漿料后的物理狀態(tài)相同,因此碳煙排放過濾效率的變化主要是由K

-Ce

Mn

O

催化劑活性的作用而產(chǎn)生的,催化劑通過表面氧物種的溢流可將柴油機(jī)排氣中的NO氧化為NO

,NO

的強(qiáng)氧化性可在較低的溫度下與碳煙發(fā)生反應(yīng)生成CO和CO

;另一方面,在催化劑的作用下NO和NO

會(huì)以NO

和NO

物種的形式存儲(chǔ)在催化劑表面,進(jìn)一步增強(qiáng)了碳煙的催化氧化效果

。在25%、50%、75%和100%負(fù)荷下,加裝CDPF后純柴油和B20兩種燃油的排氣煙度較原機(jī)狀態(tài)分別下降了63.1%、69.1%、76.9%、82.8%以及72.7%、74.3%、77.8%、85.0%。高負(fù)荷下的碳煙排放過濾效率好于低負(fù)荷,這是由于隨著排氣溫度的上升,CDPF上涂覆的K

-Ce

Mn

O

催化劑活性被逐步激發(fā),對(duì)碳煙顆粒的氧化效果增強(qiáng),使得排氣煙度顯著降低。對(duì)比兩種燃油的排氣煙度在CDPF作用下的數(shù)值變化,可以看出,CDPF對(duì)B20燃油碳煙排放的過濾效率更高,這是因?yàn)锽20燃油碳煙顆粒表面有更多的活性含氧官能團(tuán)和脂肪族碳?xì)涔倌軋F(tuán),且顆粒無序化程度高,擁有更好的氧化活性,更容易在CDPF中發(fā)生催化氧化反應(yīng)

。

在宋代的詞中，具有同樣效果的還有歐陽修的《踏莎行》：“寸寸柔腸，盈盈粉淚，樓高莫近危闌倚。平蕪盡處是春山，行人更在春山外?！币袡诙?，來排遣自己的閨怨愁苦之情。

3 CDPF碳煙加載與再生特性

3.1 碳煙加載試驗(yàn)

柴油機(jī)燃用純柴油在同一穩(wěn)定工況下分別進(jìn)行DPF和CDPF的碳煙的加載對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)選擇額定轉(zhuǎn)速2 400 r/min下的50%負(fù)荷工況點(diǎn),此工況下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣煙度較大且排氣溫度不高,有利于碳煙加載試驗(yàn)的進(jìn)行。通過碳煙加載過程中DPF和CDPF前后壓力差值隨時(shí)間變化的趨勢(shì),分析不同后處理裝置對(duì)碳煙的捕集特性。同時(shí),利用壓差大小還可直觀反應(yīng)出碳煙顆粒在過濾體上的堆積量。由圖5可知,DPF和CDPF對(duì)碳煙顆粒的捕集過程均包括深床捕集、過渡和濾餅層捕集3個(gè)階段。在碳煙捕集初期主要捕集方式是深床捕集,碳煙在碰撞、截留、顆粒擴(kuò)散和重力沉降等各種力的作用下與深層介質(zhì)孔道接觸并沉積在表面,在過濾器壁面逐漸形成一層逐漸變厚且細(xì)密的濾餅層。當(dāng)進(jìn)入濾餅層捕集階段時(shí),濾餅層成為過濾碳煙顆粒的主要介質(zhì)

。隨碳煙加載時(shí)間的推移,CDPF前后壓差的升高速率明顯低于DPF,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)兩種后處理裝置前后壓差達(dá)到最大值,DPF為7.1 kPa,而CDPF只有4.6 kPa。CDPF過濾體表面負(fù)載的K

-Ce

Mn

O

催化劑降低了碳煙氧化反應(yīng)所需活化能

,碳煙起燃溫度大大降低,使部分碳煙可以在較低的排氣溫度下被氧化,從而實(shí)現(xiàn)了CDPF的低溫再生,減緩了碳煙顆粒在孔道內(nèi)累積的速度。

3.2 CDPF再生試驗(yàn)

式中:

(NO

)

為DPF后NO

體積分?jǐn)?shù);

(NO

)

為CDPF后NO

體積分?jǐn)?shù)。

[32]吳曉云、呂增奎：《西方學(xué)者論改革開放以來中國政治的發(fā)展》，《馬克思主義與現(xiàn)實(shí)》2008年第6期。

兩種手術(shù)方法治療股骨轉(zhuǎn)子間骨質(zhì)疏松性骨折的療效 …………………………… 蔡韻律(6):734膝關(guān)節(jié)炎家兔外周血BTLA、IL-1、TNF-α、IL-10及部分血小板參數(shù)的變化 … … 張可訓(xùn)，等(7):794

柴油機(jī)醛類排放物來源于燃料的不完全燃燒,對(duì)人的皮膚、眼睛和嗅覺具有很強(qiáng)的刺激性,而生物柴油的化學(xué)組分特性和缸內(nèi)燃燒環(huán)境均有利于醛類的生成

。圖4為柴油機(jī)燃用純柴油和B20燃油工作在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下,在DPF和CDPF后醛類排放及相對(duì)降低率隨負(fù)荷的變化情況。由圖4可知,隨著負(fù)荷的增加,柴油機(jī)燃用兩種試驗(yàn)燃油在不同后處理裝置后的HCHO和CH

CHO排放均呈下降趨勢(shì);后處理裝置采用DPF時(shí),B20燃油的醛類排放略高于純柴油,CDPF后各油樣間醛類排放沒有明顯區(qū)別。生物柴油的主要成分是不飽和脂肪酸甲酯,所含的羥基是醛類的重要來源

,發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度隨負(fù)荷的增加而升高,且由于生物柴油是含氧燃料,增加了醛類再次被氧化的幾率,使醛類排放大幅下降。

C(-)+O

→C(O)+CO

(2)

式中C(-)是活性位點(diǎn),C(O)是含氧官能團(tuán),將進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)

C(O)→C(-)+CO,CO

(3)

C(O)+O

→C(O)+CO,CO

(4)

臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)、油耗測(cè)量系統(tǒng)和氣體排放分析系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)主要包括湖南湘儀動(dòng)力測(cè)試有限公司生產(chǎn)的CAC250型號(hào)的電力測(cè)功機(jī)及其配套的FC2005測(cè)控軟件;燃油溫控和油耗測(cè)量系統(tǒng)選用的是AVL-753C燃油溫控儀和AVL-735S瞬態(tài)油耗儀;發(fā)動(dòng)機(jī)排氣分析系統(tǒng)主要包括奧地利AVL公司生產(chǎn)的型號(hào)為AVL-415S濾紙式煙度計(jì)和傅里葉紅外光譜氣體分析儀(FTIR),發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖如圖1所示。

圖6(a)為柴油機(jī)燃用純柴油和B20燃油在不同工況下排氣溫度的變化規(guī)律,圖6(b)為不同燃油對(duì)應(yīng)CDPF前后壓差的變化規(guī)律。在工況1下,純柴油和B20燃油的排氣溫度分別為278 ℃和265 ℃,CDPF前后壓差隨時(shí)間推移緩慢上升,由于排氣溫度和顆粒理化性質(zhì)的差異,二者的壓差升高速率有所差異。在工況2下,兩種燃油的排氣溫度分別為352 ℃和341 ℃,在這一階段中,二者的壓差呈現(xiàn)不同的規(guī)律:純柴油的壓差隨著時(shí)間的變化逐漸趨于平緩,B20燃油則開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這說明燃用B20燃油時(shí)CDPF的再生平衡溫度處于265～341 ℃之間,而燃用純柴油時(shí)CDPF的再生平衡點(diǎn)超過這個(gè)溫度區(qū)間。在工況3時(shí),兩種燃油的排氣溫度分別為419 ℃和405 ℃,純柴油的壓差曲線開始平穩(wěn)下降,這說明燃用純柴油時(shí)CDPF再生平衡溫度處于352～419 ℃之間。在工況4時(shí),兩種燃油的排氣溫度分別為501 ℃和489 ℃,在這一階段發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了100%負(fù)荷,排氣流量和排氣溫度均達(dá)到最大值,兩種燃油的壓差曲線迅速下降,碳煙捕集速率始終低于碳煙氧化速率,CDPF完全進(jìn)入到再生模式。

對(duì)比同一工況下的兩種燃油的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),柴油機(jī)燃用B20生物柴油調(diào)合燃料時(shí)的CDPF前后壓差升高速率和再生平衡溫度都要明顯低于純柴油。這主要是因?yàn)?B20燃油在各個(gè)負(fù)荷下的碳煙排放都要低于純柴油,使得CDPF過濾體上捕集的碳煙顆粒明顯減少;B20燃油的NO

排放也要高于純柴油,而排氣中的NO

濃度增加利于碳煙顆粒的氧化再生;B20燃油的碳煙顆粒氧化活化能低于純柴油的碳煙顆粒,有利于碳煙的氧化反應(yīng)。這三方面因素共同影響著兩種燃油的CDPF前后壓差變化規(guī)律。

4 結(jié) 論

將具有較強(qiáng)活性的K

-Ce

Mn

O

催化劑涂覆于DPF過濾體上制備出試驗(yàn)用CDPF,進(jìn)行柴油機(jī)燃用純柴油和B20生物柴油調(diào)合燃料經(jīng)過CDPF后的排放規(guī)律和再生特性試驗(yàn)研究,主要結(jié)論如下。

(1)CDPF可以降低柴油機(jī)燃用純柴油和B20生物柴油調(diào)合燃料的碳煙、NO

、HCHO和CH

CHO排放,相同工況下對(duì)B20燃料排放物的改善效果更顯著;與DPF相比,CDPF能夠進(jìn)一步降低氣態(tài)污染物排放,且降低率隨負(fù)荷的增加趨勢(shì)更加顯著。在標(biāo)定工況下,柴油機(jī)燃用生物柴油調(diào)合燃料匹配CDPF對(duì)碳煙排放的過濾效率達(dá)85.0%;NO

、HCHO和CH

CHO排放較DPF下降了24.3%、43.6%和29.9%。

有一天晌午，八個(gè)獵人到山頂上，在天池邊歇著。他們突然看到八個(gè)姑娘在天池里頭洗澡呢。這八個(gè)獵人一想，山下的人都死光了，怎么能出來女人呢？她們是從哪哈兒來的呢？八個(gè)獵人第二天早早就來到天池附近觀察，想看看這幾個(gè)姑娘到底是從哪來的。可是一連好幾天，也沒見八個(gè)姑娘的影兒，獵人們不死心，還是在天池邊上等。

(2)在碳煙加載過程中,DPF和CDPF對(duì)碳煙的捕集均遵循從深床捕集過渡到濾餅層捕集的規(guī)律,捕集過程中不同后處理裝置前后壓差隨碳煙的捕集時(shí)間呈線型逐漸升高;在催化劑的作用下,CDPF前后壓差的升高速率明顯低于DPF,碳煙加載試驗(yàn)結(jié)束時(shí)CDPF前后壓差最高比DPF降低了2.5 kPa。

同時(shí)注意到在模型3的控制變量中,研究生畢業(yè)學(xué)校等級(jí)對(duì)研究生的學(xué)術(shù)水平有顯著的正向影響,這表明從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上來講,國家重點(diǎn)院校對(duì)研究生學(xué)術(shù)水平的影響要顯著高于其他一般普通院校,這與我們的經(jīng)驗(yàn)也是比較吻合的。但是當(dāng)模型中引入研究生學(xué)術(shù)感知力變量時(shí),控制變量對(duì)研究生學(xué)術(shù)水平的影響并不顯著。

(3)受純柴油和B20燃料生成碳煙的理化性質(zhì)差異和排氣組分不同等因素影響,柴油機(jī)燃用B20生物柴油調(diào)合燃料時(shí)的CDPF前后壓差升高速率和再生平衡溫度都要明顯低于純柴油,燃用B20燃油時(shí)CDPF的再生平衡溫度處于265～341 ℃之間,而純柴油的再生平衡溫度處于352～419 ℃之間。

:

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