基本信息
- 项目名称：
- 柴油机微粒捕集器复合再生装置控制策略
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品提出了一种起燃器+DOC+FBC的DPF复合再生方案；进行了起燃器结构设计，从回油管路取油提供给起燃器，由独立气泵提供燃烧所需空气；设计了FBC加注系统和自动控制系统。提出了基于流体压降模型的再生时机判断策略；制定了基于闭环控制的再生温度控制策略和再生结束判断方法。通过台架PM加载和再生试验证明，再生时机判断准确，DPF内温度均匀可控，再生效率达到95%以上。
- 详细介绍：
- 柴油机汽车有害排放物主要有颗粒物（PM, Particulate Matter）、NOx、CO和HC。由于柴油机的燃烧过程主要在过量空气系数较大的领域内进行，所以CO和HC的排放量相对较少,其主要排放物是NOx和PM。如何有效控制NOx和微粒，仍然是柴油机所面临的尚未解决好的课题。柴油机NOx的控制技术比较有效的方法是采用EGR技术[1]；而PM的控制主要采用过滤法处理，具体的是一种后处理装置，即微粒捕集器（DPF, Diesel Particulate Filter）。 DPF是目前公认的最为有效的颗粒物净化技术，也是目前商用前景最好的技术之一。过滤器材料技术已经比较成熟，而过滤体再生技术仍较为落后[2]。过滤体再生，是指将收集在DPF内的PM去除，从而恢复DPF过滤性能的过程。过滤体再生技术分为主动再生和被动再生两种[3]。主动再生是指利用外加能量使DPF内部温度达到PM氧化燃烧所需温度而实现的再生。被动再生是指利用发动机排气本身所具有的能量所进行的再生，要实现被动再生，必须依靠催化剂来降低PM的燃烧温度。 由于被动再生能耗低，不易产生二次污染，故被广泛引用于国外的DPF产品中。然而，催化剂存在容易硫中毒的危险，这就要求使用燃油的硫含量低于一定的水平。然而在我国，燃油硫含量大大超过了催化剂保持安全有效的极限水平，从而使得被动再生在我国难以应用。主动再生方式主要包括：喷油助燃、电加热、微波加热和红外加热等。与其他方式相比，燃烧器再生，即喷油助燃再生，具有直接从柴油车上取油，耗电量小，功率较高等特点。 于是，本文提出了一种氧化催化器（DOC, Diesel Oxidation Catalyst） + 起燃器+燃油携带催化剂（FBC, Fuel Borne Catalyst）的复合再生方案。通过在起燃器内喷射柴油并点燃，提高排气温度到DOC工作温度，并通过蒸发产生HC蒸汽，使得DOC将HC氧化产生热量，进一步提高排气温度，实现再生。相对于燃烧器再生，起燃器+DOC再生能够去除燃烧不充分而产生的CO和HC污染。系统使用FBC辅助再生，FBC的作用为降低PM的起燃温度。针对设计的微粒捕集器复合再生系统，提出了基于DPF结构流体压降模型的再生时机判断策略，实现了在柴油机不同工况下，DPF排气背压限值的设定与判断；制定了基于闭环控制的再生温度控制策略和再生结束判断方法。通过台架PM加载和再生试验证明，再生时机判断准确，DPF内温度均匀可控，再生效率达到95%以上。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 撰写目的：微粒捕集器被认为是彻底减少柴油发动机微粒排放的最有效方法，然而如何实现微粒捕集器可靠、安全的再生是制约微粒捕集器广泛应用的技术瓶颈。 基本思路：提出了一种氧化催化器DOC+起燃器+燃油携带催化剂FBC的微粒捕集器复合再生方案，采用流体压降模型实现DPF再生时机判断，通过降低颗粒物起燃温度和复合排气加热技术。采用闭环控制方法，控制再生过程入口温度以及再生结束，实现DPF可靠再生。
科学性、先进性及独特之处
- 本方案具有以下优点：起燃器只需将排气加热到DOC工作温度，为DOC提供HC，油耗较低；DOC工作依赖于起燃器升温和提供HC，不受发动机工况限制；DOC能够防止燃烧器加热能力不足和燃烧器工作过程中燃烧恶化带来的二次污染；FBC能够降低PM起燃温度，降低燃油消耗和控制难度。 独特之处在于：集成了主动再生和被动再生技术，采用起燃器、DOC、FBC的优化组合方式，实现了功能最大化，能耗和污染最小化。
应用价值和现实意义
- 文章提出的DOC+起燃器+FBC系统方案具有以下特点和优势：对起燃器工作需求低，能耗小，符合节能理念，能够为汽车厂家和普通大众接受；耐硫性较高； 具有以下价值：建立的再生时机判断策略，能够保证过滤体安全再生，提高过滤体耐久性；适当的再生里程能够减少再生次数；建立的再生温度控制策略能够保证温度场均匀，提高再生效率，保证过滤体安全再生，提高系统耐久性；降低不必要的燃油消耗，实现喷油过程最优控制。
学术论文摘要
- 【摘要】提出了一种DOC+起燃器+FBC的DPF复合再生方案；进行了起燃器结构设计，从回油管路取油提供给起燃器，由独立气泵提供燃烧所需空气；设计了FBC加注系统和自动控制系统。提出了基于流体压降模型的再生时机判断策略；制定了基于闭环控制的再生温度控制策略和再生结束判断方法。通过台架PM加载和再生试验证明，再生时机判断准确，DPF内温度均匀可控，再生效率达到95%以上。
获奖情况
- 无。
鉴定结果
- 经学院科研管理部门审察，情况属实。
参考文献
- [1] Timothy V. Johnson. “Diesel Emission Control in Review”, SAE Paper, 2007- 01-0233, 2007; [2] 贺泓,翁端,资新运. 柴油车尾气排放污染控制技术综述[J]. 环境科学, 2007,28(6): 1169-1177; [3] HJ 451-2008. 环境保护产品技术要求 柴油机排气后处理装置[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.
同类课题研究水平概述
- 技术路线选择概述： DPF再生技术分为主动再生和被动再生。国外主动再生一般使用缸内后喷+DOC+DPF方案，其优点是：结构设计简单，需要的零部件较少；再生控制简单，只需要判断再生时机、控制喷油量等操作；系统耐久性较高。国外被动再生一般使用FBC再生包括FBC和涂覆催化剂过滤体（CDPF），其优点是通过发动机排温加热就可以实现PM的再生。然而柴油机催化再生都要求燃油的硫质量含量一般在50ppm以下，且要求发动机的排温较高，这就限制了其应用。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CDPF的制造工艺较差，DOC老化现象严重，而CDPF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的红外加热再生、上海交通大学的催化涂覆过滤体连续再生，军事交通学院也做过微波加热再生和逆向喷气再生方面的研究。然而这些方法都存在着一些问题，不能应用于产业化。 再生时机研究概述： 国内对再生时机总体研究较少，常见的方法有：定时再生、定里程再生、定燃油消耗再生、建立压降模型判断再生、建立经验MAP模型判断再生等；较为由代表性的由：湖南大学龚金科等人对过滤体压降模型进行了较为详细的研究，然而没有应用于实际应用，缺乏实车道路数据支持。 再生过程控制概述： 再生过程控制由于受到再生方法不同的影响而多种多样。对于排气加热再生控制，常用的研究方法是建立化学反应动力学、传热学模型和基于油气比的供油供气调节。比较有代表性的有：清华大学李水清等人研究的动力学模型对DPF热再生过程的影响。
