基本信息
- 項目名稱：
- 預混式燃燒器再生裝置設計與集成
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 微粒捕集器在中國應用的難點在于燃油硫含量過高。本作品設計了一種預混式燃燒器再生裝置，具有三大特點：1.自蒸發(fā)燃燒；2.預混合燃燒；3.旋流式燃燒。裝置對燃油硫含量沒有要求，能夠在發(fā)動機全工況下進行再生，再生效率在98%以上，對整車運行的油耗影響率低于0.3%。系統(tǒng)由FBC輔助再生，采用并聯(lián)式布置方案；自主研發(fā)的控制系統(tǒng)功能強大，控制精準，操作簡單。
- 詳細介紹：
- 柴油機微粒捕集器能夠將柴油機顆粒物排放降低90%以上，是滿足國IV乃至更高排放法規(guī)的一種裝置。微粒捕集器再生通常需要催化劑輔助，耐硫特性較差。我國燃油中硫含量較高，國內外大部分排氣凈化裝置難以應用，導致國IV排放法規(guī)推遲執(zhí)行。本作品是一種燃燒器再生裝置。 （1）設計了一種預混式燃燒器，燃燒器具有三大特點：1.自蒸發(fā)燃燒，燃油被點燃后放出的熱量，能夠將后續(xù)燃油蒸發(fā)，實現自蒸發(fā)；2.預混合燃燒，燃油在進入燃燒腔前，在預混腔內，蒸發(fā)的燃油與空氣混合，實現預混合燃燒；3.旋流式燃燒，混合氣由切向進入燃燒腔，產生旋流式燃燒，使得空氣和柴油混合更均勻，燃燒更充分，同時使得溫度場分布均勻。 （2）進行了整車的集成，采用了FBC輔助再生的方案，能過降低PM起始燃燒溫度，從而降低了能耗，增加了系統(tǒng)耐久性；采用并聯(lián)式布置方案，降低了系統(tǒng)排氣阻力，并使得燃燒器工作不受發(fā)動機工況影響，控制更加簡單；研發(fā)了基于飛思卡爾S12XDP512芯片的控制器，設計了控制器硬件，通過計算制定了再生時機判斷、再生過程控制邏輯，創(chuàng)新性地提出了部分再生過程控制方法。設計的人機交互界面外表美觀，操作簡單，功能齊全，是作品的一個亮點。 （3）通過臺架和整車試驗，驗證了FBC效果，得到FBC在450℃的發(fā)動機排氣下可以實現PM燃燒，當氧含量較高時，起燃溫度低于450℃；燃燒器產生的溫度場均勻，基于閉環(huán)控制的再生溫度極值可控；完全再生效率較高，在98%以上；部分再生效率在40%~70%，大大延長了完全再生里程；再生時機判斷準確，能夠在發(fā)動機各種工況下判斷當前PM加載量，實際運行過程中只需監(jiān)控溫度、壓力和流量即可判斷再生時機。在沒有部分再生時，裝置對整車運行的綜合油耗率為0.3%，當進行部分再生時，影響率會降低至0.2%以下。 （4）本方案涉及到燃燒、機械、流體、傳熱、控制、傳感等方面的技術，通過并聯(lián)式布置方案、預混合式燃燒器、燃油攜帶催化劑和準確的控制策略相結合，使裝置具備了再生周期長、再生效率高、燃油消耗少、裝置耐久性強的特點。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計目的：柴油機采用微粒捕集器（DPF）的方式可以有效去除顆粒物（PM）排放。當DPF加載到一定水平，必須進行DPF再生。國外再生技術難以適應國內燃油高硫含量。本作品是一套預混式燃燒器再生裝置。 設計的基本思路是：（1）設計出具有分級蒸發(fā)、預混燃燒和燃氣旋流特點的燃燒器。（2）采用并聯(lián)式雙路系統(tǒng)集成方案；再生過程由燃油攜帶催化劑（FBC）輔助進行，能夠降低能耗，提高系統(tǒng)耐久性。（3）整個過程由基于飛思卡爾MC9S12XDP512MA芯片的控制系統(tǒng)控制，基本控制策略包括再生時機判斷和再生過程控制。 作品的創(chuàng)新點為：（1）分級蒸發(fā)燃燒：分級蒸發(fā)燃燒是指一級點火和二級加熱相結合：一級點火系統(tǒng)電熱塞將一級燃油加熱蒸發(fā)，并由點火塞點燃；二級加熱：二級燃油進入油氣預混室同空氣混合，并在一級火焰的點燃下劇烈燃燒。（2）預混合燃燒：二級燃油在燃燒前，在預混室內與空氣進行了充分混合，被一級點燃后實現預混合式燃燒。（3）旋流式燃燒：空氣通過切向進入燃燒器燃燒腔，能夠產生高速旋轉。（4）部分再生控制：可以在高溫、高氧和FBC的共同作用下，實現DPF的部分再生。 作品的技術關鍵是：（1）燃燒器結構的設計是技術的核心，需要燃燒器本體、供油系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的相互配合。（2）基于MC9S12XDP512MA芯片的控制系統(tǒng)設計是實現方案的必備條件。 主要技術指標和參數： 項目 參數 再生效率 >90 綜合油耗影響率 <0.36% 可再生工況 發(fā)動機全工況
科學性、先進性
- 國外一般有噴油+氧化催化器（DOC）+催化過濾體（CSF）、連續(xù)再生捕集器（CRT）和添加劑+發(fā)動機控制的再生方法。然而我國燃油硫含量較高，不適宜使用催化劑，且不具備發(fā)動機電控技術，難以利用以上方法。國內主要應用被動再生方法，包括電加熱+FBC、起燃器+DOC+FBC、紅外加熱等方法。 下表將各種方案進行對比。 項目 并聯(lián)+FBC+電加熱 起燃器+DOC+FBC 并聯(lián)+紅外 并聯(lián)+FBC+燃燒器 再生效果 不均勻 高 不均勻 高 油耗影響 低 中等 低 低 電力需求 高 低 高 低 再生工況 全工況 部分工況 全工況 全工況 再生時間 8min 10min 30min 6min 耐硫性 高 中等 高 高 耐久性 低 中等 低 高 通過比較可以得知，裝置具有以下技術優(yōu)點：1.再生效率高，再生均勻；2.再生油耗率低；3.再生用電需求低；4.全工況再生；5.再生時間短；6.裝置耐硫性、耐久性高。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 計劃接受新加坡潤英聯(lián)公司資助，在天津市市政在用車擴試
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、現場演示、圖片、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 該裝置具有以下特點和優(yōu)勢： 1.燃燒器燃燒充分，火場均勻，具有油耗低、電能消耗低的優(yōu)勢，能夠為普通大眾接受； 2.適用于中國燃油高硫的國情，避免了催化劑方案的硫老化（中毒）問題，能夠在中國推廣； 3.阻斷排氣而形成了獨立的燃燒腔，車輛適應性強，能夠在各種車型移植； 因此可以廣泛適用于各個廠家，標定工作量??；也可用于在用車改造； 4.系統(tǒng)功能齊全，具有自主的控制器和配套的開發(fā)工具，不受國外技術限制；具有豐富、美觀、人性化的人機交互界面。 應用范圍：需要滿足國IV的道路柴油車生產、再用柴油車改造、工程機械柴油機、船舶用柴油機。 推廣前景：我國每年輕型柴油車年產量為大于200萬，國IV標準實施后，后處理裝置產值預計將超過100億元。
同類課題研究水平概述
- DPF再生技術分為主動再生和被動再生。國外一般有噴油+氧化催化器（DOC, Diesel Oxidation Catalyst）+催化過濾體（CSF, Catalyzed Soot Filter）、連續(xù)再生捕集器（CRT, Continuously Regenerating Technology）和添加劑+發(fā)動機控制的再生方法。然而我國燃油硫含量較高，不適宜使用催化劑，且不具備發(fā)動機電控技術，難以利用以上方法。這就限制了以上技術在中國的應用。 由于中國特殊的國情，使得以上技術路線難以在中國應用。主要影響因素有：1.中國燃油硫含量較高，造成DOC、CDPF失效或部分失效；2.DOC和CSF的制造工藝較差，DOC老化現象嚴重，而CSF還不能加工出廠。 對于中國，國際學者都普遍認為，應該使用燃燒器+DPF的方式來應對中國的燃油高硫現狀。國內學者也開展了一些再生方式的研究，主要的再生方法有：進排氣節(jié)流再生、噴油助燃再生、電加熱再生、微波加熱再生、逆向噴氣再生、連續(xù)再生、FBC輔助再生等。國內比較有代表性的是大連理工大學和裝甲兵工程學院的紅外加熱再生、武漢理工大學電加熱再生，軍事交通學院也做過微波加熱再生、逆向噴氣再生和起燃器+DOC+FBC再生方面的研究。然而這些方法都存在著一些問題，還不能應用于產業(yè)化。
