车用柴油机微粒捕集器喷油助燃复合再生技术研究

摘要

随着全球排放法规的日益严格，柴油机微粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)技术已经成为控制柴油车微粒排放的重要途径。DPF技术的研究主要集中在过滤材料和过滤体再生两个关键技术上，目前过滤体的再生问题，是制约DPF技术广泛应用的技术难题。针对中国柴油机的技术现状和高硫燃油条件，对车用柴油机微粒捕集器喷油助燃复合再生技术进行了理论和试验研究。
　　首先，对各种喷油助燃再生技术特点和典型柴油机的排气特性进行了分析，提出了以喷油助燃主动再生为主，以燃油添加剂(Fuel Borne Catalyst，FBC)被动再生为辅的复合再生方法，同时采用双路DPF切换外部供气再生和排气辅助再生相结合的后处理系统方案。
　　其次，针对车载再生燃烧器的技术需求与不同燃烧器的技术特点，设计提出柴油自蒸发预混合旋流再生燃烧器，利用燃烧器燃烧过程中的自身放热蒸发柴油，通过多级旋流进气制备混合气，实现柴油的预混合燃烧。通过三维建模分析与试验研究，优化燃烧器结构的关键参数，并根据燃烧器不同的工作阶段，制定了不同的控制逻辑，减少再生能耗和再生排放，提高燃烧器出口温度场的均匀性。
　　再次，提出了基于过滤体压力损失模型的微粒累积量计算方法，以排气流量、排气温度和排气背压为主要参数，计算得到实际微粒沉积量，通过试验验证具有较高的准确性，从而摆脱了传统背压判断方法必须依托具体发动机机型和工况标定的限制。通过对微粒累积量对发动机工作性能以及过滤体再生性能影响的研究，提出了以过滤体的微粒累积量作为再生时机的判断方法。
　　最后，对喷油助燃复合再生过程控制策略进行了理论和车载道路试验研究。在对再生气流流量、温度、氧气含量等再生控制参数优化的基础上，分析再生过程中能量转换过程，对排气辅助再生控制策略进行研究，以降低再生能耗，减少再生时间，同时保证较高的再生效率。试验装置在小批量的车队上进行了实际的长期道路对比试验研究，研究了再生温度、FBC等因素对于微粒累积速度、再生时间、再生能耗、再生灰分累积和发动机微粒排放等长期影响，同时对于过滤体使用寿命的判断依据进行了试验研究。

目录

声明

致谢

摘要

符号说明

1 引言

1．1 前言

1．2 柴油车排放法规的发展

1．2．1 国外排放法规

1．2．2 中国排放法规

1．3 柴油机微粒排放控制技术的研究现状

1．3．1 燃油技术

1．3．2 机内净化技术

1．3．3 后处理技术

1．4 柴油机排气微粒过滤捕集技术的研究现状

1．4．1 过滤技术

1．4．2 再生技术

1．5 喷油助燃再生技术的研究现状

1．5．1 缸内后喷再生技术

1．5．2 燃烧器再生技术

1．5．3 喷油助燃催化再生技术

1．6 问题的提出

1．7 主要内容

2 喷油助燃复合再生后处理技术方案的研究

2．1 影响热再生技术路线选择的主要因素

2．2 柴油机排气特性及过滤体再生技术路线的分析

2．2．1 重型柴油车

2．2．2 轻型柴油车

2．3 喷油助燃复合再生后处理技术方案及系统组成分析

2．3．1 喷油助燃再生方案对比

2．3．2 喷油助燃复合再生后处理技术方案

2．3．3 喷油助燃复合再生后处理系统的组成及其分析

2．4 本章小结

3 喷油助燃燃烧器的设计与控制策略

3．1 燃烧器的结构设计

3．1．1 柴油燃烧器混合气的制备方式

3．1．2 燃烧器的总体设计

3．1．3 燃烧器蒸发混合腔的设计

3．1．4 燃烧室与点火系统的设计

3．1．5 燃烧器的工作过程

3．2 燃烧器的模型建立及验证

3．2．1 物理模型及网格划分

3．2．2 数学模型

3．2．3 燃烧器的数值模拟与试验验证

3．3 燃烧器工作过程数值模拟分析与结构参数选择

3．3．1 预混式燃烧器工作过程数值模拟与关键结构参数分析

3．3．2 燃烧室长度对燃烧过程的影响

3．3．3 燃烧室缩口直径对燃烧过程的影响

3．4 燃烧器控制参数数值模拟与试验研究

3．4．1 燃烧器空燃比的数值模拟研究

3．4．1 燃烧器控制参数的试验研究

3．5 本章小结

4 喷油助燃再生时机的研究

4．1 再生时机判断方法特点分析

4．1．1 排气微粒测量法

4．1．2 发动机工况监测法

4．1．3 定过滤条件判断法

4．1．4 排气背压监控法

4．2 基于排气背压的再生时机判断方法的研究

4．2．1 壁流式过滤体压力损失模型及其试验验证

4．2．2 基于压力损失模型的排气背压MAP图

4．2．3 过滤体累积微粒量的实时监控

4．3 再生时机确定的基本原则

4．4 微粒累积量对发动机性能的影响

4．4．1 研究方法

4．4．2 微粒累积量对发动机排气背压的影响

4．4．3 微粒累积量对发动机进气流量与排气温度的影响

4．4．4 微粒累积量对发动机动力性能与燃油经济性的影响

4．5 微粒累积量对过滤体再生性能的影响

4．5．1 过滤体热再生数学模型建立与验证

4．5．2 过滤体再生性能的评价方法

4．5．3 微粒累积量对主动再生的影响

4．5．4 微粒累积量对非可控再生的影响

4．6 再生时机的确定

4．7 本章小结

5 喷油助燃再生控制策略及再生试验研究

5．1 气流参数对再生过程的影响

5．1．1 再生气流流量的影响

5．1．2 再生气流温度对再生过程的影响

5．1．3 再生气流氧气体积分数对再生过程的影响

5．2 排气辅助再生控制策略的研究

5．2．1 再生过程能量变化分析

5．2．2 排气辅助时机的研究

5．3 过滤体再生试验研究

5．3．1 过滤体再生温度场分布

5．3．2 排气辅助再生工况对再生效率的影响

5．4 本章小结

6 喷油助燃复合再生后处理系统的车载试验研究

6．1 DPF后处理系统车载试验方法

6．2 DPF后处理系统整车匹配

6．2．1 试用车队车型特点及DPF系统总体改装方案

6．2．2 过滤体的选型

6．2．3 燃油添加剂系统

6．2．4 控制系统及数据采集装置

6．3 再生试验结果统计与分析

6．3．1 再生间隔里程

6．3．2 再生时间和再生燃油消耗

6．3．3 FBC添加量与灰分

6．3．4 排放性能测试

6．4 本章小结

7 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 论文主要创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集