一种柴油机分级颗粒热解活化能定量评价方法技术

本发明专利技术公开了一种柴油机分级颗粒热解活化能定量评价方法，涉及柴油机颗粒物排放技术领域，本发明专利技术包括四大步骤：颗粒物的分级，颗粒物的前处理，不同粒径范围颗粒物的热重测试，对获得的热重数据采用FWO法公式进行数学计算分析。采用微孔均匀沉积冲击器和热重分析仪测量装置采集和处理颗粒物，获得不同粒径范围颗粒物的TG/DTG曲线，并对所得数据通过线性拟合方式得到不同粒径范围颗粒物最终的热解活化能值。本发明专利技术可以快速、准确的获得所要测试的柴油机不同粒径颗粒物的氧化活化能，从而为DPF再生设计提供有效参数。

A quantitative evaluation method of activation energy of diesel engine grading particle pyrolysis

【技术实现步骤摘要】
一种柴油机分级颗粒热解活化能定量评价方法
本专利技术属于柴油机颗粒物排放
，具体涉及一种柴油机排气分级颗粒物热解活化能参数评价的方法。
技术介绍
柴油机由于采用扩散燃烧方式，在实际工作过程中会产生较高的颗粒物排放，对环境以及人体健康有严重的危害，因此柴油机排气颗粒物的处理受到了社会的广泛关注。柴油机颗粒捕集器(DPF)是降低颗粒物排放的有效手段，但必须进行可靠的周期性再生。DPF主动再生是一种有效的再生方式，包括喷油助燃再生和电加热再生等类型。由于颗粒物的氧化特性是影响DPF主动再生过程的重要因素，所以颗粒物氧化动力学参数的确定对DPF的主动再生特性研究至关重要。目前针对柴油机颗粒物的热分析主要还是针对直接收集的颗粒物团聚体开展的，而柴油机排气颗粒物是由大小各异的不同粒径尺寸的颗粒群组成。不同形态的柴油机排气颗粒物微观结构、形貌、组分等物理化学特征各不相同，从而影响颗粒物的整体热力学特性。随着柴油机技术的发展，对于颗粒物数目控制的要求越来越高，以核态和积聚态为主的小粒径颗粒物的热解特性成为重点研究对象。由于在使用滤纸直接采样得到的颗粒物中，细小颗粒物往往会团聚凝并成大颗粒，造成直接测试结果与DPF再生过程的实际状况有较大差距。因此，为了解决现有的颗粒物热分析方法的不足，需要针对不同粒径颗粒物进行分级采样，并分别研究不同粒径范围颗粒物的热重参数与氧化特性，获取不同粒径尤其是小粒径颗粒物的动力学特征参数，从而确定DPF主动再生所需的能量，为DPF的高效主动再生设计提供技术指导。专利技术内容针对上述问题，本专利技术提出了一种柴油机分级颗粒热解动力学特征评价方法。目的在于提供一种能够把发动机排气颗粒物中某一粒径范围的颗粒物分类筛选出来，并且在去除SOF后，通过对其进行热重分析测试，获得反应遵循的机理及相应动力学参数的方法。本专利技术提出的技术方法具体由以下步骤完成：步骤一：颗粒物的分级步骤二：颗粒物的前处理步骤三：热重测试步骤四：对热重测试结果进行FWO法计算分析所述颗粒物的分级采样使用微孔均匀沉积冲击器进行。它主要由颗粒采集器、真空抽气泵、压差计与气体流量计组成。进一步优选方案，在正式采样之前需根据压差计上的上下压差进行气体流量线性化标定，然后根据工况调节压差表上调节阀，使流过冲击器的排气流量保持在30L/min左右。采样时间大约30min，分别获得不同粒径范围的颗粒物。所述颗粒物的前处理包括除湿和除SOF。DPF再生的重点是碳烟，因为水分和SOF在实际工作循环中很容易蒸发，并不会在高温的颗粒物捕集器中沉积下来。在实际测试时柴油机颗粒物中SOF会阻碍碳烟氧化反应的正常进行，属于干扰项，在去除SOF后颗粒的热重测试更能直接反映碳烟的氧化热解动力学特性。进一步，对于收集到的某粒径的颗粒物，首先要置于干燥箱中去除水分，然后在测试前要先在热重仪器上对颗粒物进行脱SOF处理，以高纯氮气为保护气，流量20mL/min，升温速率20℃/min，程序升温区间40～400℃。反应气体同样为高纯氮气，气体流量50mL/min，在400℃停留1h，完成脱SOF处理。所述柴油机排气颗粒物的热解动力学分析测试采用热重分析仪来进行。每次所用碳烟质量为2mg；以高纯氮气作为反应系统保护气，保护气流量20ml/min；以空气为工作气，工作气流量50ml/min。程序升温区间为40～800℃，分别在10℃/min、20℃/min、30℃/min和40℃/min四种升温速率下进行热重测试，并且获得相应的TG/DTG曲线图。所述多重扫描速率的非等温法(FWO法)不需要对反应机理函数进行假设，可以直接求出活化能，避开因假设机理函数的不同而产生误差。选用FWO法作为热分析动力学法，根据不同升温速率得到的多条热重曲线可以得到碳烟颗粒物反应活化能参数。碳烟颗粒分解速率可以表示为：式中，α为转化率(％)，即反应物到产物转化百分数；k为Arrhenius反应速率常数，f(α)为反应机理函数；t为反应时间(s)。进一步，设升温速率β＝dT/dt,单位K/min，代入式(1)得：其中反应速率常数k可表示为：式中，A为指前因子(s·m·mol-1)，E为反应活化能(J/mol)，T为反应温度(K)，R为摩尔气体常数，其值大约为8.314J/(mol·K)。进一步，则非等温条件下动力学方程为：进一步，由公式(4)进行整理并分别在两侧积分得：G(α)是动力学机理函数的积分形式，只要α为一定值，则G(α)值不改变。进一步，整理方程(5)，则所述FWO法热解动力学方程如下：进一步，对于不同的升温速率，若转化率α相同，则G(α)值不变。可以把式(6)看作lnβ对的一阶线性方程。对不同升温速率的热重曲线，通过寻找相同转化率α的点，作出拟合直线，根据其斜率即可求得此转化率下的活化能，即为该粒径级别颗粒物氧化反应的表观活化能。由于柴油机在不同工况下颗粒物的粒径大小分布不同，小负荷时平均粒径小、数量少；随着负荷增大，颗粒物粒径会变大，数量也会增多。因此在不同工况下进行主动再生所需的能量是不同的。不论是采用哪种再生方式，当再生能量恰当时，其热效率是最高的。如果加热能量计算不准确，太小则不能有效再生，反之加热能量太高则会烧灼DPF载体，并且造成热效率损失。通过对颗粒物进行分级采样，并且分别求出不同粒径颗粒对应的热解活化能，就可以准确地确定不同工况下DPF再生所需的能量，从而精确控制DPF的主动再生。本专利技术的有益效果：1.本专利技术提供一种颗粒物热解特性判断方法，把柴油机的运行过程中产生的颗粒物直接从排气管中提取出来并按照粒径大小区分开来，针对不同粒径颗粒物分别进行热重测试，根据测试结果利用FWO公式进行计算求出其热解活化能。2.采用本方法可以有效排除针对缸内直接生成颗粒物的测试干扰因素，获得较为准确的某一粒径级别的柴油机碳烟颗粒的活化能参数，从而确定DPF再生所需要的能量，为精确控制DPF的主动再生过程提供有效参考。3.确定了排气颗粒的粒径分布以及不同粒径颗粒对应热解活化能后，就可以确定DPF再生所需的能量，对喷油或者电加热进行控制，从而实现对DPF主动再生的精确控制。4.通过FWO法求出不同粒径范围的柴油机排放颗粒物的热解平均表观活化能，从而有效评价不同粒径颗粒物的热解特性，为柴油机DPF的主动再生提供指导。5.本专利技术可以快速、准确的获得所要测试的柴油机不同粒径颗粒物的氧化活化能，从而为DPF再生设计提供有效参数。附图说明图1是颗粒物分级热解动力学特征评价方法流程图；图2是柴油机标定工况下不同粒径颗粒物质量分布；图3是三种粒径范围颗粒物的TG曲线；图4是三种粒径范围颗粒物的DTG曲线；图5是颗粒物热解动力学FWO法拟合曲线。具体实施方式下面详细描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柴油机颗粒物分级热解活化能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一：柴油机排气颗粒物分级采样；/n步骤二：对步骤一)中得到的不同粒径颗粒物进行除湿、脱可溶有机物(SOF)处理；/n步骤三：对步骤二)中处理后颗粒物进行热重测试获取热重/失重率(TG/DTG)曲线；/n步骤四：用FWO法计算不同粒径范围颗粒物热解活化能E。/n

【技术特征摘要】
1.一种柴油机颗粒物分级热解活化能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：柴油机排气颗粒物分级采样；
步骤二：对步骤一)中得到的不同粒径颗粒物进行除湿、脱可溶有机物(SOF)处理；
步骤三：对步骤二)中处理后颗粒物进行热重测试获取热重/失重率(TG/DTG)曲线；
步骤四：用FWO法计算不同粒径范围颗粒物热解活化能E。


2.根据权利要求1所述的柴油机颗粒物分级热解活化能评价方法，其特征在于，所述步骤一中的分级采样具体为：采用微孔均匀沉积冲击器，对柴油机排气颗粒进行分级采样筛选不同粒径范围颗粒物。


3.根据权利要求1所述的柴油机颗粒物分级热解活化能评价方法，其特征在于，所述步骤二中对不同粒径颗粒物进行处理具体包括对颗粒物脱水和脱可溶有机物成分的处理。


4.根据权利要求1或者3任一项所述的柴油机颗粒物分级热解活化能评价方法，其特征在于，对于收集到的各个粒径范围的颗粒物，首先置于干燥箱中去除水分，然后在测试前要先在热重仪器上对颗粒物进行脱SOF处理。
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘军恒，吴鹏程，孙平，嵇乾，王乐健，刘增光，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32