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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 預(yù)混式燃燒器再生裝置設(shè)計(jì)與集成
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 微粒捕集器在中國(guó)應(yīng)用的難點(diǎn)在于燃油硫含量過(guò)高。本作品設(shè)計(jì)了一種預(yù)混式燃燒器再生裝置，具有三大特點(diǎn)：1.自蒸發(fā)燃燒；2.預(yù)混合燃燒；3.旋流式燃燒。裝置對(duì)燃油硫含量沒有要求，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下進(jìn)行再生，再生效率在98%以上，對(duì)整車運(yùn)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(qiáng)大，控制精準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單。
- 詳細(xì)介紹：
- 柴油機(jī)微粒捕集器能夠?qū)⒉裼蜋C(jī)顆粒物排放降低90%以上，是滿足國(guó)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(guó)燃油中硫含量較高，國(guó)內(nèi)外大部分排氣凈化裝置難以應(yīng)用，導(dǎo)致國(guó)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(shè)計(jì)了一種預(yù)混式燃燒器，燃燒器具有三大特點(diǎn)：1.自蒸發(fā)燃燒，燃油被點(diǎn)燃后放出的熱量，能夠?qū)⒑罄m(xù)燃油蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)自蒸發(fā)；2.預(yù)混合燃燒，燃油在進(jìn)入燃燒腔前，在預(yù)混腔內(nèi)，蒸發(fā)的燃油與空氣混合，實(shí)現(xiàn)預(yù)混合燃燒；3.旋流式燃燒，混合氣由切向進(jìn)入燃燒腔，產(chǎn)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(shí)使得溫度場(chǎng)分布均勻。 （2）進(jìn)行了整車的集成，采用了FBC輔助再生的方案，能過(guò)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(dòng)機(jī)工況影響，控制更加簡(jiǎn)單；研發(fā)了基于飛思卡爾S12XDP512芯片的控制器，設(shè)計(jì)了控制器硬件，通過(guò)計(jì)算制定了再生時(shí)機(jī)判斷、再生過(guò)程控制邏輯，創(chuàng)新性地提出了部分再生過(guò)程控制方法。設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面外表美觀，操作簡(jiǎn)單，功能齊全，是作品的一個(gè)亮點(diǎn)。 （3）通過(guò)臺(tái)架和整車試驗(yàn)，驗(yàn)證了FBC效果，得到FBC在450℃的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣下可以實(shí)現(xiàn)PM燃燒，當(dāng)氧含量較高時(shí)，起燃溫度低于450℃；燃燒器產(chǎn)生的溫度場(chǎng)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(zhǎng)了完全再生里程；再生時(shí)機(jī)判斷準(zhǔn)確，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況下判斷當(dāng)前PM加載量，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中只需監(jiān)控溫度、壓力和流量即可判斷再生時(shí)機(jī)。在沒有部分再生時(shí)，裝置對(duì)整車運(yùn)行的綜合油耗率為0.3%，當(dāng)進(jìn)行部分再生時(shí)，影響率會(huì)降低至0.2%以下。 （4）本方案涉及到燃燒、機(jī)械、流體、傳熱、控制、傳感等方面的技術(shù)，通過(guò)并聯(lián)式布置方案、預(yù)混合式燃燒器、燃油攜帶催化劑和準(zhǔn)確的控制策略相結(jié)合，使裝置具備了再生周期長(zhǎng)、再生效率高、燃油消耗少、裝置耐久性強(qiáng)的特點(diǎn)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)目的：柴油機(jī)采用微粒捕集器（DPF）的方式可以有效去除顆粒物（PM）排放。當(dāng)DPF加載到一定水平，必須進(jìn)行DPF再生。國(guó)外再生技術(shù)難以適應(yīng)國(guó)內(nèi)燃油高硫含量。本作品是一套預(yù)混式燃燒器再生裝置。 設(shè)計(jì)的基本思路是：（1）設(shè)計(jì)出具有分級(jí)蒸發(fā)、預(yù)混燃燒和燃?xì)庑魈攸c(diǎn)的燃燒器。（2）采用并聯(lián)式雙路系統(tǒng)集成方案；再生過(guò)程由燃油攜帶催化劑（FBC）輔助進(jìn)行，能夠降低能耗，提高系統(tǒng)耐久性。（3）整個(gè)過(guò)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(shí)機(jī)判斷和再生過(guò)程控制。 作品的創(chuàng)新點(diǎn)為：（1）分級(jí)蒸發(fā)燃燒：分級(jí)蒸發(fā)燃燒是指一級(jí)點(diǎn)火和二級(jí)加熱相結(jié)合：一級(jí)點(diǎn)火系統(tǒng)電熱塞將一級(jí)燃油加熱蒸發(fā)，并由點(diǎn)火塞點(diǎn)燃；二級(jí)加熱：二級(jí)燃油進(jìn)入油氣預(yù)混室同空氣混合，并在一級(jí)火焰的點(diǎn)燃下劇烈燃燒。（2）預(yù)混合燃燒：二級(jí)燃油在燃燒前，在預(yù)混室內(nèi)與空氣進(jìn)行了充分混合，被一級(jí)點(diǎn)燃后實(shí)現(xiàn)預(yù)混合式燃燒。（3）旋流式燃燒：空氣通過(guò)切向進(jìn)入燃燒器燃燒腔，能夠產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)。（4）部分再生控制：可以在高溫、高氧和FBC的共同作用下，實(shí)現(xiàn)DPF的部分再生。 作品的技術(shù)關(guān)鍵是：（1）燃燒器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是技術(shù)的核心，需要燃燒器本體、供油系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、點(diǎn)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(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)方案的必備條件。 主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)： 項(xiàng)目 參數(shù) 再生效率 >90 綜合油耗影響率 <0.36% 可再生工況 發(fā)動(dòng)機(jī)全工況
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 國(guó)外一般有噴油+氧化催化器（DOC）+催化過(guò)濾體（CSF）、連續(xù)再生捕集器（CRT）和添加劑+發(fā)動(dòng)機(jī)控制的再生方法。然而我國(guó)燃油硫含量較高，不適宜使用催化劑，且不具備發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)，難以利用以上方法。國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用被動(dòng)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(jìn)行對(duì)比。 項(xiàng)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(shí)間 8min 10min 30min 6min 耐硫性 高 中等 高 高 耐久性 低 中等 低 高 通過(guò)比較可以得知，裝置具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：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(shí)間短；6.裝置耐硫性、耐久性高。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 計(jì)劃接受新加坡潤(rùn)英聯(lián)公司資助，在天津市市政在用車擴(kuò)試
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 該裝置具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1.燃燒器燃燒充分，火場(chǎng)均勻，具有油耗低、電能消耗低的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)槠胀ù蟊娊邮埽? 2.適用于中國(guó)燃油高硫的國(guó)情，避免了催化劑方案的硫老化（中毒）問題，能夠在中國(guó)推廣； 3.阻斷排氣而形成了獨(dú)立的燃燒腔，車輛適應(yīng)性強(qiáng)，能夠在各種車型移植； 因此可以廣泛適用于各個(gè)廠家，標(biāo)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(guó)外技術(shù)限制；具有豐富、美觀、人性化的人機(jī)交互界面。 應(yīng)用范圍：需要滿足國(guó)IV的道路柴油車生產(chǎn)、再用柴油車改造、工程機(jī)械柴油機(jī)、船舶用柴油機(jī)。 推廣前景：我國(guó)每年輕型柴油車年產(chǎn)量為大于200萬(wàn)，國(guó)IV標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，后處理裝置產(chǎn)值預(yù)計(jì)將超過(guò)100億元。
同類課題研究水平概述
- DPF再生技術(shù)分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生。國(guó)外一般有噴油+氧化催化器（DOC, Diesel Oxidation Catalyst）+催化過(guò)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(dòng)機(jī)控制的再生方法。然而我國(guó)燃油硫含量較高，不適宜使用催化劑，且不具備發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)，難以利用以上方法。這就限制了以上技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用。 由于中國(guó)特殊的國(guó)情，使得以上技術(shù)路線難以在中國(guó)應(yīng)用。主要影響因素有：1.中國(guó)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(xiàn)象嚴(yán)重，而CSF還不能加工出廠。 對(duì)于中國(guó)，國(guó)際學(xué)者都普遍認(rèn)為，應(yīng)該使用燃燒器+DPF的方式來(lái)應(yīng)對(duì)中國(guó)的燃油高硫現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)學(xué)者也開展了一些再生方式的研究，主要的再生方法有：進(jìn)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(guó)內(nèi)比較有代表性的是大連理工大學(xué)和裝甲兵工程學(xué)院的紅外加熱再生、武漢理工大學(xué)電加熱再生，軍事交通學(xué)院也做過(guò)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(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化。
