论文题目: 用微粒过滤器和EGR同时降低柴油机微粒和NOx排放
论文类型: 博士论文
论文专业: 动力机械及工程
作者: 刘瑞祥
导师: 高希彦
关键词: 柴油机,微粒过滤器,壁流陶瓷,多孔介质,再生,闭环控制,系统辨识,预估器,自学习机制,单片机
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本研究的目标是联合使用高过滤效率的红外再生微粒陶瓷过滤器和废气再循环(EGR),同时降低柴油机的微粒排放和NOx排放。试验结果表明:本文研究开发的柴油机微粒陶瓷过滤器平均过滤效率在95%以上,达到欧Ⅲ及以上微粒排放标准;基于宽范围氧传感器(UEGO)的闭环控制柴油机EGR系统能有效地降低NOx排放,NOx的降低率最高可达42%,平均降低率约为30%。 首先通过试验对柴油机微粒过滤器的过滤特性和再生特性进行了基础研究。过滤试验表明:壁流陶瓷具有良好的过滤效率,平均过滤效率在95%以上。壁流陶瓷的压降近似线性增长。在6120柴油机台架上,排气烟度为3BSU时,单个过滤器持续工作时间达2个小时以上,两个过滤器同时使用,具有较长的再生间隔时间,可以满足实际车辆的需要。再生试验表明:微粒沉积量对再生过程有重要的影响。微粒量多,再生温度高,过多将导致陶瓷内部熔融;微粒量少则再生温度低,过少则导致再生不稳定甚至终止。微粒物质量在适当范围内时,具有最好的再生性能综合指标。过滤器利用柴油机排气作为再生气流。再生气流对再生过程有很大的影响,具体表现为再生气流的氧含量对燃烧的影响和气流流动对热量传输的影响。再生气流流量小,由于氧气不足再生缓慢;流量大,则因为排气温度低于燃烧温度,再生气流具有冷却作用,也会导致再生困难。调节再生气量是控制再生过程的关键问题,需要进一步的优化。 通过调整加热器流通孔的分布密度和调整电热丝在辐射盘上的分布密度,以及采用双层壳体过滤器,过滤器再生性能综合指标得到进一步提高。 从多孔介质理论出发,推导了壁流陶瓷压力降与柴油机运行参数间的关系。由试验数据应用线性回归解出待定系数,得到壁流陶瓷压力降与柴油机转速和排气温度的关系。由上述关系确定的再生时机能将微粒物质量控制在适当的范围内,解决了实际应用中过滤器再生时机的确定这一关键技术难题。 从流体力学基本原理出发,结合柴油机的特点,推导出了再生调节阀开度与负荷、排气温度和背压间的函数关系。实际应用时,分两步来确定再生调节阀开度。首先根据基准负荷调节阀开度MAP确定对应基准负荷的再生调节阀开度,然后根据实测的负荷由开度修正公式进行修正。这样确定的再生调节阀开度能实现再生时氧气流量基本不变的目标,满足实际应用的要求,解决了实际应用中过滤器再生废气量控制这一关键技术难题。 由ECU自动控制再生调节阀开度时,在柴油机稳态工况和瞬态工况下进行了再生试验。再生温度变化平缓,陶瓷中心峰值温度被控制在1000℃以下,径向温度梯度低于30℃/cm,再生效率平均可达80%以上,再生过程稳定,再生成功率97%以上。 在微粒过滤器的基础上,建立了具有清洁再循环废气的、基于宽范围氧传感器(UEGO)的闭环控制柴油机EGR系统。用UEGO测得的空燃比作为反馈信号进行闭环控制,使EGR系统的控制与柴油机的混合比和燃烧状况紧密地结合在了一起,基本消除了柴油机制造公差、磨损、燃油成分改变、以及环境条件的变化对NOx降低效果的影响,能充分发挥EGR系统降低NOx的潜力。UEGO在柴油机上的应用正顺应了最新的研究动向——柴油机的λ控制技术,可以认为,基于UEGO的EGR系统是柴油机λ控制技术的一个重要组成部分。 在柴油机稳态工况下,通过试验测定了不同空燃比时,NOx、HC、CO、烟度和油耗的变化。通过对测试数据的分析,确定了最佳空燃比MAP。
论文目录:
第一章 绪论
1．1 柴油机排放及危害
1．1．1 柴油机排气微粒及其危害
1．1．2 氮氧化物及其危害
1．2 柴油机排放控制标准
1．3 柴油机排气微粒净化技术的研究现状与进展
1．3．1 柴油机排气微粒的生成
1．3．2 柴油机排气微粒机内净化技术
1．3．3 柴油机排气微粒机外净化技术
1．4 柴油机排气NOx净化技术的研究现状与进展
1．4．1 NOx的生成机理及净化措施
1．4．2 降低柴油机NOx的机内净化技术
1．4．3 降低柴油机NOx的机外净化技术
1．5 问题的引出和本文的主要工作
第二章 柴油机微粒过滤器的设计和试验研究
2．1 概述
2．2 过滤器的设计
2．2．1 过滤材料选择
2．2．2 壁流陶瓷的结构
2．2．3 壁流陶瓷的过滤机理
2．2．4 过滤体结构尺寸和参数选择
2．3 红外加热器的设计
2．3．1 再生方式选择
2．3．2 红外辐射层的组成
2．3．3 红外辐射加热器的结构性能参数
2．4 试验装置和仪器设备
2．5 过滤器过滤性能的试验研究
2．5．1 衡量过滤器过滤性能的指标
2．5．2 过滤器的过滤效率和背压
2．6 再生时机的确定
2．7 过滤器再生性能的试验研究
2．7．1 衡量过滤器再生性能的指标
2．7．2 过滤器再生的温度特性和再生效率
2．8 过滤器再生影响因素的分析
第三章 微粒过滤器的优化
3．1 概述
3．2 再生时机的优化
3．3 红外加热器结构的优化
3．4 过滤器结构的优化
3．5 再生废气量的优化
3．5．1 再生废气量影响因素的分析
3．5．2 再生废气量调节阀开度公式的推导
3．5．3 自动调节废气量时的再生试验
3．6 EGR对微粒过滤器过滤性能和再生性能的影响
3．6．1 EGR对微粒过滤器过滤性能的影响
3．6．2 EGR对微粒过滤器再生性能的影响
3．7 小结
第四章 柴油机EGR系统的设计
4．1 概述
4．2 EGR率控制方案的选择
4．3 EGR系统的设计
4．3．1 EGR管路出入口位置的确定和压差的产生
4．3．2 EGR的冷却
4．3．3 EGR阀的选择
4．4 EGR系统的组成
第五章 EGR系统空燃比MAP的制取
5．1 概述
5．2 试验工况和步骤
5．3 试验结果及分析
5．4 EGR系统空燃比MAP的确定
5．5 EGR系统降低NOx的效果
5．6 小结
第六章 EGR系统数学模型的试验辨识
6．1 概述
6．2 EGR系统开环可辨识性分析及辨识试验台架
6．3 M序列输入信号设计
6．4 辨识试验工况及测量数据
6．5 模型结构、参数估计和模型验证等若干问题的讨论
6．6 试探性模型辨识和可行性判断
6．6．1 辨识数据零均值化
6．6．2 输出信号频谱分析
6．6．3 由系统的脉冲响应确定纯时延
6．6．4 初步建模及检验
6．6．5 搜索阶和纯时延的最佳值
6．6．6 由阶和纯时延的最佳值建模及检验
6．7 模型辨识及检验
6．7．1 辨识数据滤波和重采样
6．7．2 由系统的脉冲响应确定纯时延
6．7．3 初步建模及检验
6．7．4 搜索阶和纯时延的最佳值
6．7．5 由阶和纯时延的最佳值建模及检验
6．7．6 由阶和纯时延的次最佳值建模及检验
6．8 模型降阶及结果分析
6．8．1 模型降阶
6．8．2 结果分析
6．9 小结
第七章 EGR系统的鲁棒Smith预估控制
7．1 概述
7．2 Smith预估控制器结构
7．3 存在参数不确定性时Smith预估控制器的鲁棒设计
7．4 鲁棒Smith预估控制器的仿真研究
7．4．1 仿真结果
7．4．2 结果分析
7．5 EGR系统鲁棒Smith预估控制器试验
7．6 小结
第八章 控制系统软硬件设计
8．1 概述
8．2 柴油机微粒过滤器控制方案
8．3 具有自学习机制的EGR系统控制方案
8．4 硬件设计
8．4．1 控制器主机设计
8．4．2 控制器电源设计和系统接地方法
8．5 软件设计
第九章 总结与展望
9．1 总结
9．2 展望
参考文献
发表论文情况
创新点摘要
致谢
大连理工大学学位论文版权使用授权书
发布时间: 2005-07-04
参考文献
- [1].柴油机微粒过滤系统的研究[D]. 刘丽萍.山东大学2009
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