基本信息
- 项目名称：
- 柴油机微粒捕集器再生车载监控系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品设计了基于“微粒捕集器+柴油机氧化催化器+添加剂”的高压雾化喷油催化助燃再生系统，通过结构优化设计，克服传统再生技术的燃烧效率低、再生可控性差和结构复杂等缺点；采用先进电控技术和人工智能控制，解决再生过程的优化控制等难题；采用基于CAN总线的分布式监控系统的架构，使系统轻松融入汽车电子控制系统，最终使得系统具有高净化效率、优质的可控再生性能和耐久性能等优点，实现了DPF的智能再生。
- 详细介绍：
- 当前，我国机动车耗油已占国内石油消耗总量的60%以上，同时机动车尾气排放污染已占城市污染总量的65%以上，汽车行业已成为能源消耗和环境污染的大户。随着全球石油资源紧缺加剧、汽车保有量攀升和机动车排放压力增加，汽车节能环保已刻不容缓。 据权威专家预测，在未来至少20年以内，石油燃料仍将是全球汽车的主要燃料。初步预计，2020年传统石油燃料在汽车燃料中的比重仍将占到60%或更高。因此，汽油车和柴油车在未来的十年间将继续占据世界汽车市场的主导地位。 柴油车在油耗、动力性、经济性、可靠性以及CO、HC和CO2排放等方面都优于汽油车，被广泛应用于交通运输与工程机械等领域。发展柴油车已成为当前汽车行业节能环保的重要选择。但是柴油机排放的有害固体颗粒物（PM）是汽油机的30~80倍。这极大地制约了柴油车的大规模使用。 微粒捕集器（Diesel Particulate Filter，简称DPF）是目前公认的用于降低柴油机颗粒物排放的最为有效、实用的机外净化技术。它采用一种由碳化硅或堇青石等构成的多孔陶瓷材料，吸附柴油机排气中的颗粒物，以达到排气净化的目的，其过滤效率可高达90%以上。 但是，随着固体颗粒物的吸附量增多，DPF内部空隙逐渐被堵塞，不但影响其过滤效率，也影响了柴油机本身的工作性能。因此必需对沉积的颗粒物进行清除，恢复DPF原来的工作状态，该过程被称为DPF的再生。 由于我国的颗粒物后处理技术不成熟，现有的DPF再生控制系统基本处在实验室阶段，并无成熟的商业化的产品。实际应用中的许多过滤及控制系统基本都是从国外进口。而国外早在上世纪九十年代就开始研究，现已有少数商业化的产品。如丹麦迪耐森（Dinex）公司和德国CPK汽车股份有限公司生产的DPF再生控制系统。但是由于中国柴油质量不稳定、国外产品价格昂贵、操作界面不友好等因素，使得国外产品难以适用于中国的要求。因此，实用的过滤体再生方法及其控制技术成为制约DPF在国内推广应用的瓶颈。 结合我国柴油机技术现状，本作品设计了基于“DPF+柴油机氧化催化器（DOC）+添加剂”的高压雾化喷油催化助燃再生系统，实现了DPF在车载系统上的智能再生。 通过结构优化设计，克服了传统再生技术的燃烧效率低、再生可控性差和结构复杂等缺点；采用先进电控技术和人工智能控制，解决了再生过程的优化控制等难题，并提高了系统的适应性和抗干扰性；采用基于CAN总线的分布式监控系统的架构，使系统轻松融入汽车电子控制系统，并提高了系统的可靠性和人机交互性，最终使得系统具有高净化效率、优质的可控再生性能和耐久性能等优点。 目前，已与杭州攀利电子科技有限公司进行合作生产，其中PAT-001型微粒捕集器（DPF）主动再生电子控制器已通过浙江省计量科学研究院合格测试；此前与贵州皇帝车辆净化器有限公司共同研制成功的柴油车主动再生颗粒过滤系统率先通过国家轿车质量检查中心和天津索克汽车试验有限公司的合格测试；而且本作品已与杭州多纳科技有限公司和贵州皇帝车辆净化器有限公司生产的柴油车尾气处理系统配套使用；杭州余杭长运有限公司已将本作品应用于现有的柴油公交车的改造上，并已运行两万公里；此外，本作品已在各种复杂的路况下车载运行超过50万公里。本作品已经获得3项实用新型专利，2项软件著作权，并申请了3项国家发明专利。本作品技术水平已处国内领先，与国外同类产品相比，本作品具有一定的优势和很高的性价比，完全能够替代国外的同类产品，这些已在企业的实际应用过程中得到证实。 本作品的推广应用，可以打破国外产品和技术垄断，解决束缚柴油车发展的关键瓶颈问题，促进柴油车排放标准升级，有助于汽车行业的节能和环境保护，推动我国柴油车产业发展和国际竞争力的提高。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：开发微粒捕集器（DPF）再生监控系统，实现DPF智能化再生，最终实现柴油车排气净化处理装置的国产化和产业化； 基本思路：结合我国柴油机技术现状，采用“DPF+柴油机氧化催化器（DOC）+添加剂”的高压雾化喷油助燃催化再生技术、嵌入式技术、CAN总线技术和人工智能控制算法，实现DPF的智能化再生。 创新点：（1）基于“DPF+DOC+添加剂”的高压雾化喷油助燃催化再生技术；（2）采用高压泵升压驱动、全隔离电路设计等多项关键技术，自主设计基于CAN总线的分布式监控系统；（3）再生温度控制采用优化的专家PID控制策略，有效地解决系统本身的时变、非线性和纯滞后等特性所带来的问题，以及DOC中毒、DPF龟裂和温度响应速率调节等问题；（4）开发了计算机在线监控和数据分析软件。 技术关键：（1）基于“DPF+DOC+添加剂”的高压雾化喷油助燃催化再生技术；（2）基于CAN总线的分布式监控技术；（3）基于排气背压、排气温度和运行时间的再生时机控制策略；（4）基于专家知识的智能PID再生温度控制策略；（5）基于全隔离技术的电路设计；（6）基于高压喷油泵升压驱动技术的电路设计；（7）基于计算机的在线监控技术。 主要技术指标（底层控制器）： 1)工作温度：-20～100℃；2)供电电源：7～48VDC；3)工作电流：常规：110-170mA，喷油：4A；4)A/D分辨率：24bit；5)温度测量范围：0～999℃；6)背压测量范围：0～60kPa；7)喷油泵最小工作压力：1.5MPa。
科学性、先进性
- （1）本系统改进现有的喷油助燃再生技术，结合主动和被动再生技术，采用“DPF+DOC+添加剂”的高压雾化喷油助燃催化再生技术，实现系统能耗、结构和复杂度的最优化； （2）本作品基于排气背压、排气温度和运行时间提出一种优化的再生时机判断方法，即以定背压值控制策略为主，并利用排气温度和运行时间进行修正； （3）本作品采用优化的专家PID控制策略，将专家系统和PID控制相结合，并将控制过程分为系统特征识别、预热和燃烧三个阶段，通过对系统过渡响应模式的在线识别、特征值抽取与判断、参数修正等方法而实现再生温度的智能PID控制，从而达到自适应与优化控制的目的； （4）本作品设计了基于CAN总线汽车网络技术、喷油泵升压驱动技术和全隔离电路设计方法等多项关键技术，具有微粒捕集器信息采集与再生处理、运行与报警数据记录、通信和显示等功能，具有完全自主知识产权的分布式柴油机微粒捕集器车载监控系统，实现再生控制系统的实用化和产业化应用，为我国的汽车电子行业的发展做出一定的贡献。
获奖情况及鉴定结果
- 1、本作品开发的柴油机微粒捕集器车载监控系统，拥有自主知识产权，并已与杭州攀利电子科技有限公司进行合作生产，其中PAT-001型微粒捕集器（DPF）主动再生电子控制器于2011年4月通过浙江省计量科学研究院合格测试； 2、与贵州皇帝车辆净化器有限公司及杭州攀利电子科技有限公司共同合作生产的ART/A-C/JX6490TA-M3型柴油车主动再生颗粒过滤系统已于2009年6月成为首个通过我国汽车权威汽车检测机构——国家轿车质量检查中心和天津索克汽车试验有限公司的合格测试； 3、杭州余杭长运有限公司已将本作品应用于现有的柴油公交车的改造上，并已运行两万公里； 4、浙江省科技信息研究院于2011年4月完成微粒捕集器（DPF）主动再生电子控制器的科技查新报告（报告编号：201133B2101486）； 5、荣获2011年杭州电子科技大学“挑战杯”大学生课外科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 本发明的部分技术已转让给杭州攀利电子有限公司，目前正与贵州皇帝车辆净化器有限公司洽谈生产合作事宜。
作品可展示的形式
- 实物、产品，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：本作品配合DOC和DPF构成完整的柴油车尾气过滤系统。底层控制器利用24芯卡锁式接线端子与其他器件连接，并安装在车厢内；液晶操作器安装在驾驶室内。 技术特点和优势：（1）采用“DPF+DOC+添加剂”的高压雾化喷油助燃催化再生技术；（2）采用CAN总线技术和嵌入式技术设计控制器；（3）再生温度控制采用智能专家PID控制策略；（4）开发了监控软件，在计算机上实现实时监控；（5）具有成本低、可设置参数多、控制器结构设计合理等优点。 作品的适用范围和推广前景：广泛适用于柴油轿车、卡车、公交车、施工车辆和农用车等柴油车的尾气后处理装置的改装，也可与生产厂商合作直接将系统组装到新生产的柴油车中。我国的汽车行业即将实施更加严格的排放法规，现有不达标以及新增的柴油车加装柴油车排气后处理装置是不容质疑的选择。 市场分析和经济效益预测：本电控系统成本约为2000元，售价约3000元，按年产50万套计算，可为企业创造15亿的产值和至少3亿的利税。
同类课题研究水平概述
- 微粒捕集器（DPF）的关键技术是过滤体及其再生技术。目前，国内外在过滤体材料及其制造工艺上已取得突破性进展。然而，实用的过滤体再生方法及其控制技术一直是制约柴油车微粒排放后处理技术的瓶颈问题。国内现有的DPF车载过滤系统还处在实验室阶段，并无成熟的商业化的产品。实际应用中的许多过滤及控制系统基本都是从国外进口。国外早在上世纪九十年代就开始研究，现已有少数商业化的产品。虽然我国许多学术机构和研究单位在这些方面进行的多种有益的探索和研究，但大多数研究均集中在再生机理和方法上，实用技术研究偏少，而再生电控系统的研究更是屈指可数。因此，如何将再生技术实用化并结合电控技术应用到实际的DPF车载过滤系统中，成为当前亟待解决的问题。 目前，DPF车载过滤系统按再生技术分为主动再生和被动再生两大类。 主动再生是通过外加能量提高排气温度到微粒的起燃温度（500℃～600℃）使微粒燃烧。此种方法的优点是再生效率高，缺点是系统较复杂，运行成本高，过滤体温度容易过高导致损坏。目前研究较多的主动再生方法有电加热再生、红外加热再生、微波加热再生、逆向喷气再生、喷油/燃气助燃再生等。如天津大学就曾研究过壁流式微粒过滤器电加热再生自动控制系统。而这种系统耗电量高，中小功率柴油机无法满足供电要求，且无法实现同时过滤和再生。 被动再生是利用化学催化的方法降低微粒的反应活性，能使微粒在柴油机正常运行条件下燃烧，达到再生目的。此种方法的优点是过滤不易损坏，缺点是催化剂的抗中毒性和热稳定性差，且催化剂的氧化物易造成DPF的慢性堵塞，缩短其寿命。目前被动再生的方法有燃油添加剂再生、催化剂涂层再生、连续再生、低温等离子体再生等。如标致雪铁龙集团和菲亚特的柴油轿车上使用的微粒过滤系统采用铈基燃料添加剂来降低微粒的着火温度。但是这种系统燃烧后产生的金属氧化物可能缩短DPF使用寿命，并引起二次污染。 到了二十世纪初，随着发动机技术、过滤材料技术、喷油泵技术、电控技术及其它相关技术的发展，喷油助燃再生技术以其自身固有的优势，如耗电量小，能量利用率高，响应速度快，受燃油硫含量影响小，再生控制方便及适用性强等，又重新得到人们的重视，而且是目前国际上少数产业化产品之一。 因此，开展柴油车颗粒物捕集器喷油助燃再生技术和电控技术的结合，以及高效控制策略的研究是目前切实可行的方法之一。
