基本信息
- 項目名稱：
- 柴油機微粒捕集器復合再生裝置控制策略
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 本作品提出了一種起燃器+DOC+FBC的DPF復合再生方案；進行了起燃器結(jié)構(gòu)設計，從回油管路取油提供給起燃器，由獨立氣泵提供燃燒所需空氣；設計了FBC加注系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。提出了基于流體壓降模型的再生時機判斷策略；制定了基于閉環(huán)控制的再生溫度控制策略和再生結(jié)束判斷方法。通過臺架PM加載和再生試驗證明，再生時機判斷準確，DPF內(nèi)溫度均勻可控，再生效率達到95%以上。
- 詳細介紹：
- 柴油機汽車有害排放物主要有顆粒物（PM, Particulate Matter）、NOx、CO和HC。由于柴油機的燃燒過程主要在過量空氣系數(shù)較大的領(lǐng)域內(nèi)進行，所以CO和HC的排放量相對較少,其主要排放物是NOx和PM。如何有效控制NOx和微粒，仍然是柴油機所面臨的尚未解決好的課題。柴油機NOx的控制技術(shù)比較有效的方法是采用EGR技術(shù)[1]；而PM的控制主要采用過濾法處理，具體的是一種后處理裝置，即微粒捕集器（DPF, Diesel Particulate Filter）。 DPF是目前公認的最為有效的顆粒物凈化技術(shù)，也是目前商用前景最好的技術(shù)之一。過濾器材料技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而過濾體再生技術(shù)仍較為落后[2]。過濾體再生，是指將收集在DPF內(nèi)的PM去除，從而恢復DPF過濾性能的過程。過濾體再生技術(shù)分為主動再生和被動再生兩種[3]。主動再生是指利用外加能量使DPF內(nèi)部溫度達到PM氧化燃燒所需溫度而實現(xiàn)的再生。被動再生是指利用發(fā)動機排氣本身所具有的能量所進行的再生，要實現(xiàn)被動再生，必須依靠催化劑來降低PM的燃燒溫度。 由于被動再生能耗低，不易產(chǎn)生二次污染，故被廣泛引用于國外的DPF產(chǎn)品中。然而，催化劑存在容易硫中毒的危險，這就要求使用燃油的硫含量低于一定的水平。然而在我國，燃油硫含量大大超過了催化劑保持安全有效的極限水平，從而使得被動再生在我國難以應用。主動再生方式主要包括：噴油助燃、電加熱、微波加熱和紅外加熱等。與其他方式相比，燃燒器再生，即噴油助燃再生，具有直接從柴油車上取油，耗電量小，功率較高等特點。 于是，本文提出了一種氧化催化器（DOC, Diesel Oxidation Catalyst） + 起燃器+燃油攜帶催化劑（FBC, Fuel Borne Catalyst）的復合再生方案。通過在起燃器內(nèi)噴射柴油并點燃，提高排氣溫度到DOC工作溫度，并通過蒸發(fā)產(chǎn)生HC蒸汽，使得DOC將HC氧化產(chǎn)生熱量，進一步提高排氣溫度，實現(xiàn)再生。相對于燃燒器再生，起燃器+DOC再生能夠去除燃燒不充分而產(chǎn)生的CO和HC污染。系統(tǒng)使用FBC輔助再生，F(xiàn)BC的作用為降低PM的起燃溫度。針對設計的微粒捕集器復合再生系統(tǒng)，提出了基于DPF結(jié)構(gòu)流體壓降模型的再生時機判斷策略，實現(xiàn)了在柴油機不同工況下，DPF排氣背壓限值的設定與判斷；制定了基于閉環(huán)控制的再生溫度控制策略和再生結(jié)束判斷方法。通過臺架PM加載和再生試驗證明，再生時機判斷準確，DPF內(nèi)溫度均勻可控，再生效率達到95%以上。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 撰寫目的：微粒捕集器被認為是徹底減少柴油發(fā)動機微粒排放的最有效方法，然而如何實現(xiàn)微粒捕集器可靠、安全的再生是制約微粒捕集器廣泛應用的技術(shù)瓶頸。 基本思路：提出了一種氧化催化器DOC+起燃器+燃油攜帶催化劑FBC的微粒捕集器復合再生方案，采用流體壓降模型實現(xiàn)DPF再生時機判斷，通過降低顆粒物起燃溫度和復合排氣加熱技術(shù)。采用閉環(huán)控制方法，控制再生過程入口溫度以及再生結(jié)束，實現(xiàn)DPF可靠再生。
科學性、先進性及獨特之處
- 本方案具有以下優(yōu)點：起燃器只需將排氣加熱到DOC工作溫度，為DOC提供HC，油耗較低；DOC工作依賴于起燃器升溫和提供HC，不受發(fā)動機工況限制；DOC能夠防止燃燒器加熱能力不足和燃燒器工作過程中燃燒惡化帶來的二次污染；FBC能夠降低PM起燃溫度，降低燃油消耗和控制難度。 獨特之處在于：集成了主動再生和被動再生技術(shù)，采用起燃器、DOC、FBC的優(yōu)化組合方式，實現(xiàn)了功能最大化，能耗和污染最小化。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 文章提出的DOC+起燃器+FBC系統(tǒng)方案具有以下特點和優(yōu)勢：對起燃器工作需求低，能耗小，符合節(jié)能理念，能夠為汽車廠家和普通大眾接受；耐硫性較高； 具有以下價值：建立的再生時機判斷策略，能夠保證過濾體安全再生，提高過濾體耐久性；適當?shù)脑偕锍棠軌驕p少再生次數(shù)；建立的再生溫度控制策略能夠保證溫度場均勻，提高再生效率，保證過濾體安全再生，提高系統(tǒng)耐久性；降低不必要的燃油消耗，實現(xiàn)噴油過程最優(yōu)控制。
學術(shù)論文摘要
- 【摘要】提出了一種DOC+起燃器+FBC的DPF復合再生方案；進行了起燃器結(jié)構(gòu)設計，從回油管路取油提供給起燃器，由獨立氣泵提供燃燒所需空氣；設計了FBC加注系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。提出了基于流體壓降模型的再生時機判斷策略；制定了基于閉環(huán)控制的再生溫度控制策略和再生結(jié)束判斷方法。通過臺架PM加載和再生試驗證明，再生時機判斷準確，DPF內(nèi)溫度均勻可控，再生效率達到95%以上。
獲獎情況
- 無。
鑒定結(jié)果
- 經(jīng)學院科研管理部門審察，情況屬實。
參考文獻
- [1] Timothy V. Johnson. “Diesel Emission Control in Review”, SAE Paper, 2007- 01-0233, 2007; [2] 賀泓,翁端,資新運. 柴油車尾氣排放污染控制技術(shù)綜述[J]. 環(huán)境科學, 2007,28(6): 1169-1177; [3] HJ 451-2008. 環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求 柴油機排氣后處理裝置[S], 2008:2; [4] William Wangard, Aleksandra Egelja， Hossam Metwally. CFD Simulations of Transient Soot Trapping and Regeneration in a Diesel Particulate Filter[C] . SAE Paper，2004-01-2658，2004； [5] Ajay K. Gantawar, Cornelius N. Opris, and John H. Johnson. A Study of the Regeneration Characteristics of Silicon Carbide and Cordierite Diesel Particulate Filters Using a Copper Fuel Additive[C]. SAE Paper 970187,1997; [6] Alexander Sappok, Victor W. Wong. Ash Effects on Diesel Particulate Filter Pressure Drop Sensitivity to Soot and Implications for Regeneration Frequency and DPF Control [C]. SAE Paper , 2010-01-0811, 2010.
同類課題研究水平概述
- 技術(shù)路線選擇概述： DPF再生技術(shù)分為主動再生和被動再生。國外主動再生一般使用缸內(nèi)后噴+DOC+DPF方案，其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)設計簡單，需要的零部件較少；再生控制簡單，只需要判斷再生時機、控制噴油量等操作；系統(tǒng)耐久性較高。國外被動再生一般使用FBC再生包括FBC和涂覆催化劑過濾體（CDPF），其優(yōu)點是通過發(fā)動機排溫加熱就可以實現(xiàn)PM的再生。然而柴油機催化再生都要求燃油的硫質(zhì)量含量一般在50ppm以下，且要求發(fā)動機的排溫較高，這就限制了其應用。由于中國特殊的國情，使得以上技術(shù)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CDPF的制造工藝較差，DOC老化現(xiàn)象嚴重，而CDPF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(xiàn)狀。國內(nèi)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(nèi)比較有代表性的是大連理工大學的紅外加熱再生、上海交通大學的催化涂覆過濾體連續(xù)再生，軍事交通學院也做過微波加熱再生和逆向噴氣再生方面的研究。然而這些方法都存在著一些問題，不能應用于產(chǎn)業(yè)化。 再生時機研究概述： 國內(nèi)對再生時機總體研究較少，常見的方法有：定時再生、定里程再生、定燃油消耗再生、建立壓降模型判斷再生、建立經(jīng)驗MAP模型判斷再生等；較為由代表性的由：湖南大學龔金科等人對過濾體壓降模型進行了較為詳細的研究，然而沒有應用于實際應用，缺乏實車道路數(shù)據(jù)支持。 再生過程控制概述： 再生過程控制由于受到再生方法不同的影響而多種多樣。對于排氣加熱再生控制，常用的研究方法是建立化學反應動力學、傳熱學模型和基于油氣比的供油供氣調(diào)節(jié)。比較有代表性的有：清華大學李水清等人研究的動力學模型對DPF熱再生過程的影響。
