基本信息
- 项目名称：
- 预混式燃烧器再生装置设计与集成
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 微粒捕集器在中国应用的难点在于燃油硫含量过高。本作品设计了一种预混式燃烧器再生装置，具有三大特点：1.自蒸发燃烧；2.预混合燃烧；3.旋流式燃烧。装置对燃油硫含量没有要求，能够在发动机全工况下进行再生，再生效率在98%以上，对整车运行的油耗影响率低于0.3%。系统由FBC辅助再生，采用并联式布置方案；自主研发的控制系统功能强大，控制精准，操作简单。
- 详细介绍：
- 柴油机微粒捕集器能够将柴油机颗粒物排放降低90%以上，是满足国IV乃至更高排放法规的一种装置。微粒捕集器再生通常需要催化剂辅助，耐硫特性较差。我国燃油中硫含量较高，国内外大部分排气净化装置难以应用，导致国IV排放法规推迟执行。本作品是一种燃烧器再生装置。 （1）设计了一种预混式燃烧器，燃烧器具有三大特点：1.自蒸发燃烧，燃油被点燃后放出的热量，能够将后续燃油蒸发，实现自蒸发；2.预混合燃烧，燃油在进入燃烧腔前，在预混腔内，蒸发的燃油与空气混合，实现预混合燃烧；3.旋流式燃烧，混合气由切向进入燃烧腔，产生旋流式燃烧，使得空气和柴油混合更均匀，燃烧更充分，同时使得温度场分布均匀。 （2）进行了整车的集成，采用了FBC辅助再生的方案，能过降低PM起始燃烧温度，从而降低了能耗，增加了系统耐久性；采用并联式布置方案，降低了系统排气阻力，并使得燃烧器工作不受发动机工况影响，控制更加简单；研发了基于飞思卡尔S12XDP512芯片的控制器，设计了控制器硬件，通过计算制定了再生时机判断、再生过程控制逻辑，创新性地提出了部分再生过程控制方法。设计的人机交互界面外表美观，操作简单，功能齐全，是作品的一个亮点。 （3）通过台架和整车试验，验证了FBC效果，得到FBC在450℃的发动机排气下可以实现PM燃烧，当氧含量较高时，起燃温度低于450℃；燃烧器产生的温度场均匀，基于闭环控制的再生温度极值可控；完全再生效率较高，在98%以上；部分再生效率在40%~70%，大大延长了完全再生里程；再生时机判断准确，能够在发动机各种工况下判断当前PM加载量，实际运行过程中只需监控温度、压力和流量即可判断再生时机。在没有部分再生时，装置对整车运行的综合油耗率为0.3%，当进行部分再生时，影响率会降低至0.2%以下。 （4）本方案涉及到燃烧、机械、流体、传热、控制、传感等方面的技术，通过并联式布置方案、预混合式燃烧器、燃油携带催化剂和准确的控制策略相结合，使装置具备了再生周期长、再生效率高、燃油消耗少、装置耐久性强的特点。
作品图片
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
- 作品设计目的：柴油机采用微粒捕集器（DPF）的方式可以有效去除颗粒物（PM）排放。当DPF加载到一定水平，必须进行DPF再生。国外再生技术难以适应国内燃油高硫含量。本作品是一套预混式燃烧器再生装置。 设计的基本思路是：（1）设计出具有分级蒸发、预混燃烧和燃气旋流特点的燃烧器。（2）采用并联式双路系统集成方案；再生过程由燃油携带催化剂（FBC）辅助进行，能够降低能耗，提高系统耐久性。（3）整个过程由基于飞思卡尔MC9S12XDP512MA芯片的控制系统控制，基本控制策略包括再生时机判断和再生过程控制。 作品的创新点为：（1）分级蒸发燃烧：分级蒸发燃烧是指一级点火和二级加热相结合：一级点火系统电热塞将一级燃油加热蒸发，并由点火塞点燃；二级加热：二级燃油进入油气预混室同空气混合，并在一级火焰的点燃下剧烈燃烧。（2）预混合燃烧：二级燃油在燃烧前，在预混室内与空气进行了充分混合，被一级点燃后实现预混合式燃烧。（3）旋流式燃烧：空气通过切向进入燃烧器燃烧腔，能够产生高速旋转。（4）部分再生控制：可以在高温、高氧和FBC的共同作用下，实现DPF的部分再生。 作品的技术关键是：（1）燃烧器结构的设计是技术的核心，需要燃烧器本体、供油系统、供气系统、点火系统和监控系统的相互配合。（2）基于MC9S12XDP512MA芯片的控制系统设计是实现方案的必备条件。 主要技术指标和参数： 项目 参数 再生效率 >90 综合油耗影响率 <0.36% 可再生工况 发动机全工况
科学性、先进性
- 国外一般有喷油+氧化催化器（DOC）+催化过滤体（CSF）、连续再生捕集器（CRT）和添加剂+发动机控制的再生方法。然而我国燃油硫含量较高，不适宜使用催化剂，且不具备发动机电控技术，难以利用以上方法。国内主要应用被动再生方法，包括电加热+FBC、起燃器+DOC+FBC、红外加热等方法。 下表将各种方案进行对比。 项目 并联+FBC+电加热 起燃器+DOC+FBC 并联+红外 并联+FBC+燃烧器 再生效果 不均匀 高 不均匀 高 油耗影响 低 中等 低 低 电力需求 高 低 高 低 再生工况 全工况 部分工况 全工况 全工况 再生时间 8min 10min 30min 6min 耐硫性 高 中等 高 高 耐久性 低 中等 低 高 通过比较可以得知，装置具有以下技术优点：1.再生效率高，再生均匀；2.再生油耗率低；3.再生用电需求低；4.全工况再生；5.再生时间短；6.装置耐硫性、耐久性高。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 计划接受新加坡润英联公司资助，在天津市市政在用车扩试
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片、录像
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
- 该装置具有以下特点和优势： 1.燃烧器燃烧充分，火场均匀，具有油耗低、电能消耗低的优势，能够为普通大众接受； 2.适用于中国燃油高硫的国情，避免了催化剂方案的硫老化（中毒）问题，能够在中国推广； 3.阻断排气而形成了独立的燃烧腔，车辆适应性强，能够在各种车型移植； 因此可以广泛适用于各个厂家，标定工作量小；也可用于在用车改造； 4.系统功能齐全，具有自主的控制器和配套的开发工具，不受国外技术限制；具有丰富、美观、人性化的人机交互界面。 应用范围：需要满足国IV的道路柴油车生产、再用柴油车改造、工程机械柴油机、船舶用柴油机。 推广前景：我国每年轻型柴油车年产量为大于200万，国IV标准实施后，后处理装置产值预计将超过100亿元。
同类课题研究水平概述
- DPF再生技术分为主动再生和被动再生。国外一般有喷油+氧化催化器（DOC, Diesel Oxidation Catalyst）+催化过滤体（CSF, Catalyzed Soot Filter）、连续再生捕集器（CRT, Continuously Regenerating Technology）和添加剂+发动机控制的再生方法。然而我国燃油硫含量较高，不适宜使用催化剂，且不具备发动机电控技术，难以利用以上方法。这就限制了以上技术在中国的应用。 由于中国特殊的国情，使得以上技术路线难以在中国应用。主要影响因素有：1.中国燃油硫含量较高，造成DOC、CDPF失效或部分失效；2.DOC和CSF的制造工艺较差，DOC老化现象严重，而CSF还不能加工出厂。 对于中国，国际学者都普遍认为，应该使用燃烧器+DPF的方式来应对中国的燃油高硫现状。国内学者也开展了一些再生方式的研究，主要的再生方法有：进排气节流再生、喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生、逆向喷气再生、连续再生、FBC辅助再生等。国内比较有代表性的是大连理工大学和装甲兵工程学院的红外加热再生、武汉理工大学电加热再生，军事交通学院也做过微波加热再生、逆向喷气再生和起燃器+DOC+FBC再生方面的研究。然而这些方法都存在着一些问题，还不能应用于产业化。
