（光学工程专业论文）柴油机微粒过滤器控制系统研究.pdf

山末理t 人学帧上学位论文 摘矬 摘要 柴油机红外再生微粒过滤器控制技术，得到国内外专家的广泛关注。该过滤器的过 虑效率高达9 5 以上，基本解决了柴油机的排烟问题，极大改善了城市环境，促进社 会和经济的发展。柴油机红外再7 e 微粒过滤器控制系统是由微粒过滤器和电路控制系统 组成。电路控制系统实行实时控制，保证了系统的自动化、智能化工作。本文重点研究 电路控制系统，采用i n t e l 公司生产的8 0 c 1 9 6 1 0 3 单片机进行控制，包括硬件设计和软 件开发。硬件设计包括控制系统的r 作原理和电路设计。软件设计包括软件的设计思想 和编程原理。硬件电路包括微处理器扩展电路、前向通道输入电路、后向通道输出电 路。软件系统依据模块化的设计思想，对整体功能进行逐步求精的划分，确定了主程序 模块、各予程序模块、温度检测模块、背压值比较程序模块。软件采用m c s 9 6 系列单 片机汇编语言编写，通过伟福e 2 0 0 0 几型在线仿真器进行仿真。该电路控制系统经过反 复调试，性能稳定，控制效果十分理想。 关键词：微粒过滤器，红外再生，硬件，软件，控制系统，8 0 c 1 9 6 k b a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yr e s e a r c ho fd i e s e le n g i n ei n f r a r e d - r e g e n e r a t i o np a r t i c u l a t ef i l t e rc o n t r o l h a sb e e nw i d e l yc o n s i d e r e db ye x p e r t sa l lo v e rt h ew o r l d t h ef i l t e r sa v e r a g ep a r t i c u l a t e c l e a n i n ge f f i c i e n c yi sa b o v e9 5p e r c e n t t h ef i l t e rc a nb a s i c a l l yr e s o l v et h ep r o b l e mo fd i e s e l e n g i n ec a r b o nf u n l ee m i s s i o n s oi tw i l ld e f i n i t e l yi m p r o v et h ec i t ye n v i r o n m e n ta n da c c e l e r a t e t h ed e v e l o p m e n to ft h ew h o l es o c i e t ya n dt h ee c o n o m y t h ec o n t r o ls y s t e mo fd i e s e le n g i n e p a r t i c u l a t ef i l t e ri sm a d eu po fp a r t i c u l a t ef i l t e ra n dt h ec i r c u i tc o n t r o ls y s t e m t h ec i r c u i t c o n t r o l s y s t e m s h o u l dr e a l i z et h er e a l t i m ec o n t r o la n d g u a r a n t e e t h ep r o j e c tw o r k a u t o m a t i c a l l ya n di n t e l l i g e n t l y t h i sp a p e re m p h a t i c a l l yr e s e a r c h e so fc i r c u i tc o n t r o ls y s t e m ， a d o p t i n g8 0 c 1 9 6 k bs i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e rm a d eb yi n t e lc o m p a n y t oc o n t r o l ，i n c l u d i n g t h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h eh a r d w a r ed e s i g ni sc o n s i s to ft h e w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ec o n t r o ls y s t e ma n d t h ec i r c u i td e s i g n t h es o f t w a r ed e s i g ni sc o n s i s to f d e s i g ni d e o l o g yo fs o f t w a r ea n dp r o g r a m m i n gp r i n c i p l e t h eh a r d w a r ec i r c u i td e i g nm a i n l y c o n s i d e r st h es i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e rp e r i p h e r a lc i r c u i td e s i g n , f o r w a r dc h a n n e lc i r c u i t d e s i g na n db a c kc h a n n e lc i r c u i td e s i g n b a s e do nt h em o d u l a rd e s i g ni d e o l o g yt h es o f t w a r e s y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a lf u n c t i o n a lm o d u l e sb ys t e pw i s er e f i n e m e n i ti sc o n s i s to fm a i n p r o g r a mm o d u l e , s u b p r o g r a mm o d u l e ，t e m p e r a t u r ee x a m i n a t i o np r o g r a mm o d u l e , s t e pm o t o r d r i v ep r o g r a mm o d u l e t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e db ya s s e m b l yl a n g u a g eo fm c s 一9 6s i n g l e c h i pp r o c e s s o ra n dd e v e l o p e da n ds i m u l a t e db yw a v ee 2 0 0 0 li n - c i r c u i te m u l a t o ra f t e r r e p e a t e dt e s t , t h e c i r c u i tc o n t r o ls y s t e ms h o w ss a t i s f a c t o r yr e s u l ta n dg o o da n ds t a b l e p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p a r t i c u l a t ef i l t e r ，i n f r a r e d - r e g e n e r a t i o n ，h a r d w a r e ，s o f t w a r e ，t h ec o n t r o l s y s t e m ，8 0 c 1 9 6 k b 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：礞：形眨 时间： 夕年j 一月如日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 时间：“年厂月如日 时间：口b 年丫月训日 7 芝 漩研季 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 大气污染f 逐渐成为人们r 益关注的问题，根据交通和环保部门的统计，机动车辆 造成的大气污染占主要部分i l ，2 】，严重危害着环境和人类的健康。随着我国经济的发 展，汽车保有鼍迅速增加1 3 i ，对环境危害越来越严重。 柴油机与其它内燃机相比，具有功率大、燃油热效率高、使用寿命长、起动性能 好、一氧化碳( c o ) 和碳氢化合物( h c ) 排放低、油耗低等一系列优点。有关数据显 示，柴油机比汽油机要省油3 0 以上，并且在整个使用寿命期间，柴油机的废气排放 总量比汽油机要少4 5 ，其排放的温室气体只相当于汽油机的4 5 。因此，柴油机是 解决环保与节能双重压力最有效、最经济的手段之一。 在技术进步的推动下，昔日不受重视的柴油车f 在迅速崛起，并日益成为各国车商 下一轮发展新产品的战略目标。从上世纪9 0 年代起，越来越多的国家重视发展新型环 保柴油车，全球汽车行业步入汽车柴油化时代。 但柴油机在应用中最大的问题是其微粒物排放较多，是汽油机的6 0 倍。随着环境 保护问题重要性的日趋增加，降低柴油机有害排放物成为当今世界上柴油机发展的一个 重要方向。柴油机微粒为不完全燃烧和燃烧反应的中间产物，包括气体污染物一氧化碳 ( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 及微粒污染物( p m ) 和黑烟颗粒 物质( d p m ) ，其中d p m 由三种基本物质组成：干碳微粒俗称黑烟：吸附凝结了大量 碳氢化合物的碳微粒s o f ；硫酸盐物质s 0 4 。d p m 微粒的直径非常小，仅为0 0 1 0 0 8 微米，远小于一般的悬浮颗粒。1 9 9 8 年美国加州空气资源局将柴油排气颗粒物视 为一种有毒空气污染物质，将其列为一种致癌物。柴油机排放的悬浮微粒，能引起呼吸 道病、哮喘和癌症等对人体健康危害极大的疾病。同时，大气中颗粒物对能见度的影响 也一直是环保部门所关注的问题之一。柴油机微粒中的气溶胶( s o f ) 虽然只占一小部 分，但对大气的光学性质影响甚至可达9 9 。而且对于物理性质类似于炭黑的柴油机 微粒来说，其对光的吸收是使能见度降低的重要因素。碳烟颗粒的消光系数是透明颗粒 的2 3 倍，较少数量的碳烟颗粒就可以导致某些地方的能见度降低一半。因此，柴油 机的排放引起各国的普遍重视，并制定了相应的控制汽车排放的法规。严格的排放法规 使得柴油机排放控制技术成为柴油机行业研究的重点。例如：美国环保局拨款1 6 0 万美 元为各地老式柴油机更新换代工程，开展了新一轮“清洁柴油机活动”。接受此项拨款 者将用先进的技术更新柴油车和出柴油机驱动的设备，使其燃料更加清洁，减少颗粒物 和其他污染物的排放。2 0 0 1 年1 2 月，f 1 本国土交通省发表了为解决汽车污染问题而编 。与的“环保汽车丌发与普及综合战略”报告，将超级清洁柴油车列为蕈要课题之一一】。 1 人学埘。学位论正 绪论 超级清洁柴油车是在电子控制燃烧控制技术中融入了柴油颗粒过滤器( d p f ) 等尾气处 理装置的车辆，这对发展清洁柴油车有重要意义。 柴油机排放的控制技术随着排放法规的完善而逐渐提高的。为了达到排放法规要 求，微粒过滤器的应用将是一种必然趋势1 5 1 ，而其车载时的控制策略及控制系统研究成 为国内外专家普遍关注的问题。我国高度重视对机动车污染控制技术的研究与开发，已 将柴油车微粒过滤器技术和其控制系统研究作为“十五”期问8 6 3 计划中，环境污染防 治技术的重要课题之。 1 2 柴油机排放的控制标准 为了控制因车用柴油机迅速发展而造成的大气污染加重的趋势，世界各国均依掘各 自的国情，相继制订了完善的车用柴油机排放标准体系，并不断加严排放限值。当今世 界上己形成美国、日本、欧洲三个主要的排放标准体系，虽然其试验方法各不相同，但 对排放限值的要求则是非常严格的。柴油机排放标准体系包括轻型车排放标准，重型车 用柴油机排放标准及可见污染物排放标准( 俗称烟度排放标准) 。 1 2 1 国外柴油机排放法规介绍 1 美国排放法规 早在1 9 6 4 年，美国加利福尼亚州在世界上迈出了控制车辆尾气排放的第一步，对 1 9 6 6 年定型生产的轿车尾气排放进行了限制。1 9 7 0 年美国国会通过了“净化空气法 案”，并组建了美国联邦环保署( e p a ) ，制定了一系列车辆排放控制标准，并且越来 越严格1 6 j 。( 参见表1 ，表2 ) 加州政府根据自己的环保目标，制定了一套低排放法规，该法规将轻型车分为过渡 低排放车( t l e v ) 、低排放车( l e v ) 、超低排放车( u l e v ) 、零排放车 ( z e v ) 。自2 0 0 4 年起加州将实行更为严格的标准l e v l i ( l o we m i s s i o nv e h i c l e 1 1 ) ，使用期间为2 0 0 4 - 2 0 1 0 年。加州的轻型车且耐久性为8 04 6 7 2 5 年和1 9 3 1 2 1 3 k m 1 1 年排放标准如表3 ，表4 所示1 6 i 。 表1 美国联邦政府制定的车辆排放控制标准 g m i l e 注：l m i l e = 1 6 0 9 k m 表2 美国货车及大客车用柴油机排放标准 g m i l e 2 欧洲排放法规 欧洲经济共同体( e e c ) 和联合国欧洲经济委员会( e c e ) 是自八十年代初期开始 实施控制重型车用柴油机排放法规的。在欧洲汽车排放标准中，重型柴油车的范围是指 最大质量大于3 5 0 0 k g 的车辆。欧盟重型车用柴油机排放限值【7 删如表5 所示。 表5 欧盟重型车用柴油机排放限值 g ( k w h ) 排放限值 排放标准测试循环实施年份 c oh c卜n cc mn o x盯 动态烟度 欧ie c e r 4 91 9 9 24 51 18 o0 3 6 0 6 1 5 9 欧i ie c e r 4 91 9 9 64 o1 17 00 1 5 0 2 5 欧i i ie s c2 0 0 02 10 6 65 00 1 0 3 o 13 藿) e l r2 0 0 0o 8 m 1 眦2 0 0 054 5 o 7 8 1 65 00 1 6 0 ，2 l 欧l v姗51 50 4 63 50 0 20 5 m 。1 欧v2 呻8l ，5 o 4 6 2 00 0 20 5 m 1 注：适峒丁i 功率 8 5 k w 的柴油机， 适用丁单缸排量 3 0 0 0 r m i n 的柴f 【i 机， 对丁采用先进的微粒过滤器的重哥4 车用柴油机，欧i i i 丰，j 、准中的类似丁- 美国重型卞州发动机瞬 态i 况标准测试循环的欧洲瞬态e t c ，便于检验排气肝处辉系统的动态性能。 表6 日本柴油车及巴士排放标准 车辆类试验 标准值( 平均值) 污染物标准 标准 备注 刑 规范 标准值标准值单位 年度年度 c o1 9 鹞z 1 0舭0 6 3 轻型车 加1 5 模 h c1 9 8 80 4 02 0 0 20 1 2 ( g v w g k i n 式n o x1 9 9 70 4 02 0 0 20 2 8 = 1 7 t ) p m1 9 9 7o j 嗯2 加20 ，0 5 2 c o 1 9 9 3乏1 0嬲0 ，6 3 中犁乍 h c1 9 9 30 4 02 0 0 30 1 2 1 9 9 7 年手动变速 ( 1 7 t 1 0 1 5 模1 9 9 7 车 n o ) 【o 7 02 0 0 30 4 9 g k i n g v w - - 2a 1 9 9 81 9 9 8 年自动变速 5 t )1 9 9 7 车 p mo 0 92 0 【) 3o 舶 1 9 9 8 2 0 0 3 c o1 9 9 47 4 02 2 2 2 0 0 4 1 9 9 7 仨 2 0 0 32 5 t g v w = 3 5 t 1 9 9 42 9 00 8 7 2 0 0 4 重型下h c d 1 3 模 1 9 9 71 9 9 8 芷 ( g v wn o x2 0 ( 1 3( k w h n 1 9 9 84 5 03 3 83 5 t 2 5 t ) 2 0 0 4 1 9 9 91 9 9 9 年1 2 t g v w 1 9 9 72 0 0 3 证 2 0 0 3 p m1 9 9 8o 2 50 1 82 5 t g v w = 1 2 t 2 0 0 4 1 9 9 9 2 0 0 4 年1 2 t g v w 4 人学顾1 j 学位论义绪论 3 日本排放法规 日本的货车及柴油车分为轻型车( g v w = i 7 t ) 、中型车( 1 7 t 2 5 0 三类。f 1 本柴油货车及巴t 排放标准见表6 1 “。 1 2 2 我国柴油机排放法规介绍 我国对重型车用柴油机排气污染物的控制首先是在北京市实施的，其颁布了“京 d h j b 3 1 9 9 9 车用柴油机排气污染物排放标准”。尔后国家质量技术监督局于9 9 年 颁布了“g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 压燃式发动机和装压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测 试方法”。目前实旌的新标准是“g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 车用压燃式发动机排气污染物限 值及测试方法”规定了车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法。 新标准车用压燃式发动机排气污染物限值及测试方法( 目前所说的压燃式发动 机绝大部分指的是柴油机) ，它等效采用了欧洲1 9 9 2 年1 2 月3 l 闩生效的欧洲经济委 员会( e ( = e ) 排放法规的全部技术内容，既适应了与国际汽车排放标准或法规接轨的要 求，又体现了控制汽车排放污染，促进汽车工业技术进步的目的，同时还适当兼顾了目 | j 我国汽车用柴油机排放水平比较落后的现状。该标准按照类型认证和生产一致性分别 规定a 、b 两个阶段排气污染物排放限值，即通常所说的欧洲i 和欧洲i i 。这是我国排 放标准与欧洲排放法规接轨的重要一环。目前我国柴油汽车污染物排放控制目标是： 2 0 0 4 年前后达到相当于欧洲第二阶段排放控制水平；到2 0 0 8 年，力争达到相当予欧洲 第三阶段排放控制水平；2 0 1 0 年之后争取与国际排放控制水平接轨。我国重型柴油机 排放控制限值 9 - - 1 1 】见表7 、表8 。 表7 类型认证式排放限值g ( k w o h ) 5 1 3 柴油机排放控制技术研究现状与进展 同前柴油机排气微粒净化技术分为两类：机内净化和机外净化。机内净化着重于从 改善燃烧角度来降低微粒排放，同时改善燃油品质和降低机油消耗。机外净化则着重于 在废气排入大气之前将其中的微粒物分离女除，目前国内外研究比较多的是陶瓷微粒过 滤器。 1 3 1 柴油机排气微粒机内净化控制 柴油机排气微粒机内净化的核心是对燃烧过程进行优化，使发动机达到混合均匀、 燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。 1 改进燃烧系统 柴油机的燃烧方式分间接喷射式和直喷式两种，两者在污染物排放方面有着很大的 区别。对问接喷射式柴油机来说，碳烟的形成主要在副燃烧室里，在副燃烧室里形成的 碳烟进入主燃烧室以后大部分被氧化，因此降低间接喷射式柴油机污染物排放的重点在 副燃烧室。这其中要优化燃烧室的形状和主、副燃烧室之间的容积比；燃油喷射( 喷射 压力、喷射定时、喷射持续时问和喷油嘴的位置等) 和相应的气流运动；预热塞的位置 和形状。增大副燃烧室，其空气容量也增大，可减少碳烟形成，但同时会影响n 0 x 的排 放和主燃烧室中的燃烧。由于具有低油耗的优点，直喷式柴油机应用越来越广，对其研 究也更加深入。为了降低缸内燃烧压力和噪声，以及污染物排放，对直喷式柴油机的优 化包括：提高喷射压力；增加喷油嘴的喷孔数，减小孔径；使燃油喷射率可变；根据工 况优化供油定时。高的喷射压力和多喷孔数有助于油气的混合，可以有效地降低碳烟排 放。新概念燃烧的核心是混合气的形成，即形成具有适当空燃比、可控着火及燃烧速度 的预混燃烧过程。近年来国内外正对均质充量压燃( h c c i ) 这种新的燃烧方式1 1 2 1 进行 研究。这种燃烧方式可以使燃油与空气预先得到较充分的混合，能有效降低微粒的排 放。 2 燃油喷射系统的改进和优化 要优化喷射系统、改善燃烧过程燃油喷射系统起着重要的作用。试验表明提高喷射 压力、减小喷孔直径，可改善燃油与窄气的混合，明显降低微粒排放，但会使n o x 增 加。为了避免高压喷射导致n o x 增加，要求降低涡流、提高压缩比并采用可变定时燃油 喷射与其相适应。多极喷射系统是近年束币在研究的能提高性能减少排放的先进燃油喷 射系统，采用电子控制共轨式喷油器，没循环可进行四次独立，并町改变每循环的喷射 次数、持续期以及两次喷射间隔。多极喷射对减少柴油机微粒排放有非常显著的效果。 如果与排气再循环相结合进行优化设计。可达到同时降低n o x 和微粒排放的效果。 3 电控技术 电控住柴油机上的应用比汽油机晚，但发展较快。柴油机电控技术开始f 7 0 年代， 6 人学锄i 学位论义绪论 能使柴油机的排放和燃油经济性m 的矛盾得到调禾j ，实现柴油机的可变控制，使发动机 在不同工况下的性能与排放都得到改善。柴油机电控技术一般是以电控燃油喷射系统为 核心，配合对涡轮增压装置、废气再循环( e o r ) 、配气机构的实时控制、可变涡流 等技术进行控制，以提高混合气形成及燃烧过程的综合质量。电控系统还可以提高冷启 动性能和怠速稳定性，以及实现部分停缸和柴油机的自诊断。在柴油机上采用电控技术 是今后发展的一个方向【l ”。 4 进气增压中冷技术 柴油机增压后增加了进气量，口】显著提高平均有效压力，而且可降低高负荷h , i - f l 气 烟度，且会提高燃油经济性，但会增 j 1 n o x 的排放。若采用带中冷的涡轮增压技术可降 低进气温度，从而提高柴油机的热负荷、最高燃烧温度以及高温持续时问，使n o x 和微 粒排放大大下降。增压中冷技术成为机内净化的重要措施之一。 5 低涡流和高紊流技术 降低进气涡流可减少n o x 的排放，对增压柴油机来说，低涡流进气道可使在相同功 率下的进气压力下降1 1 4 l ，有利于减少n o x 的排放。为了避免进气涡流降低，使混合气 形成质量变差，影响柴油机的燃烧，增加排烟，采用低涡流与高性能的燃油供给系统相 匹配技术。燃烧后期在燃烧室内产生强烈的紊流可有效降低直喷柴油机的碳烟和n o x 的 排放。这是因为在初期燃烧阶段主燃烧区形成富油混合气，可抑f l ! i t j n o x 的生成，在后期 燃烧阶段，在燃烧室内产生强烈的空气紊流来促进混合气的形成和燃烧，以氧化掉碳烟 微粒。这种燃烧过程称为二级燃烧。 6 燃料品质改进及代用燃料 改进柴油机燃料成分是降低排放的一个非常有效的方法。低硫燃油除了可以直接降 低硫酸盐微粒排放外，还可以间接地减少大气中s 0 2 形成硫酸盐微粒的可能性。同时可 降低颗粒物p m 的含量。研究表明，通过使用一定的燃油添加剂可以防止和消除喷油器 头部积碳，进而可以减少碳烟微粒的排放。十六烷值改良添加剂对降低h c 及微粒排放 也是非常有效的。使用乳化油可以降低燃烧温度以减少n o x 的排放。代用燃料作为一种 控制柴油机排放方法的重要性正f 1 益增长，发动机采用压缩天然气、液化石油气、甲 醇、乙醇或其它燃料，可为满足排放限值提供最佳的长期方法，代用燃料具有很好的应 用前景。 7 降低机油消耗 降低机油消耗对满足低颗粒排放限值有重要作用。机油导致的微粒排放约为排放总 量的1 0 以上，所以降低机油耗是降低微粒排放的一个重要方面，降低机油耗对满足微 粒排放限值具有重要的意义。通过对气缸套圆度及表面光洁度加工精度的提高，优化活 塞和活塞环配合问隙以及改进气门杆的密封等措施，尽可能减少窜机油量又保证气缸活 塞组的工作u 】靠性和耐久性，达到降低机油消耗的目的。 7 1 3 2 柴油机排气微粒机外净化控制 目前柴油机的尾气控制技术得到围内外专家的广泛关汴。电控、进气中雁增冷、多 气门等技术的采用，使柴油机排放得到进一步改善。由于我国柴油机的结构以及燃料高 硫的特点，使以上的技术难以满足h 益严格的排放法规的要求。i 知此，柴油机微粒机外 净化技术足个必然的趋势。柴油机微粒机外净化技术主要指的是排气后处理，是把柴 油机排气引入专门的后处理装置中，清除其中的有害成分后再排f n 。目自口净化柴油机微 粒的最有效0 。法是微粒过滤，同时也玎发研究了一些非过滤的净化技术。国内外的研究 表明，为满足欧、欧v 、u l e v 和s u l e v 的排放标准，排气后处理系统是必要的。根 据方法原理的f ：同，排气微粒机外净化技术主要有以下几种： 1 微粒过滤j 再生技术 过滤技术是使柴油机排气流经过滤体后再排入大气，当柴油机排气从过滤体中通过 时，其中的微粒会被过滤下来，从而达到净化的目的。过滤材料是过滤技术的重要部 分，多年来人们一直致力于这方面的研究，先后出现过金属丝网、陶瓷纤维、泡沫陶瓷 过滤体、壁流式蜂窝陶瓷过滤体等【1 5 9 1 ，其中壁流式蜂窝陶瓷是目前各种综合性能最 好的过滤体，已逐渐成为过滤材料的主体。壁流式蜂窝陶瓷可做成多种形状，但多为圆 柱状。其轴向开有许多平行的蜂窝孔道，相邻的蜂窝孔道两端交替堵塞。柴油机排气从 过滤体的入| 通道进入以后，必须流经蜂窝孔道之间的薄壁才能进入出口通道，然后排 出，故称之为壁流式蜂窝陶瓷。壁流式蜂窝陶瓷的薄壁经特殊工艺发泡，壁内小孔的直 径均在微米级，微粒的过滤效率可达9 0 以上，且耐高温、机械强度高。壁流式蜂窝陶 瓷过滤体的整体性能较为理想，是国外应用最广泛的过滤材料。目前国内己开始试制生 产。 在过滤过程中，随着过滤体内微粒的不断积累，柴油机排气阻力必然逐渐增加，会 导致柴油机燃烧恶化和油耗增加。所以，当微粒积累到一定量时，就必须及时清除，这 就是过滤体的“再生”。再生后的过滤体可以重复使用，直到其中积累的微粒再次达到 再生条件时，则开始下一次再生。过滤体不断重复“过滤丙生过滤”这一循 环过程，直至其使用寿命结束。由于壁流式蜂窝陶瓷的特殊结构，其径向膨胀系数是轴 向的两倍，凡微粒都沉积在进气孔道内，微粒燃烧局限于单一的孔道内，因此热再生时 温度分布不均匀，易发生热应力损坏。这是壁流式蜂窝陶瓷热再牛的困难所在，过滤器 的再生是微粒过滤器应用的关键。再生技术主要有以下几种： ( 1 ) 大负荷再生 2 0 2 1 大负柴油机的排气温度是随其工况变化的。在高速大负荷时，排气温度可以达到 6 0 0 以上= ，在此温度卜，沉积在过滤器内的微粒( 通常在5 5 0 ”c 以 ：温度卅能燃烧) 可自行燃烧，从而达到过滤体再生的目的。这种方法不用附加任辅助系统因此 e 较 简单：j 然而柴油机排气温度只有在高速大负衙的1 ：况时，在靠近气缸盖e 排气口的位 8 j 、，f c ； 学位论文 绪论 旨，才能达到碳粒的自燃温度。而汽车柴油机在实际使用中很少在这样的工况卜工作， 尤其是市内运行的汽车，基本是低速运行，柴油机的平均排气温度更低，因此大负荷再 生技术对车用是不适合的。 ( 2 ) 催化再生吲 催化再生技术是利用化学催化的方法降低微粒的反应活化能，使其能在柴油机正常 排气温度下进行燃烧，实现微粒过滤器的再生。在再生过程中，过滤体所受到的热负荷 较小，因此提高了过滤体的寿命及工作可靠性。近几年来，已在这一研究领域进行了大 量的l ：作。催化再生技术的研究重点在于寻找能有效地促进微粒在尽可能低的温度下氧 化的催化剂。研究表明，一些金属、金属盐、会属氧化物以及稀土复合会属氧化物等催 化剞，对降低柴油机碳烟微粒的着火温度和转化有害气体均有很大作用。催化再生技术 主要有两种：一种是将催化剂提前浸渍在过滤体上。由于微粒与催化剂的接触反应极不 均匀，因此很难进行完全再生。另外，随着时间的推移，催化剂的作用会逐渐降低或完 全消失，从而影响到过滤体的有效再生和对其它有害气体的催化净化效果。另一种催化 再生技术是采用燃油添加剂，即在燃油中加入金属有机物，燃烧后生成的金属氧化物起 催化作用，使微粒着火温度降低，从而在较低的排气温度下，不需外加能源，过滤体能 自行再生。但是，燃料添加剂燃烧生成的金属氧化物随排气流经过滤器时，有一部分会 沉积下来，积累在过滤体上的添加剂金属氧化物会堵塞过滤体孔隙，缩短过滤器使用寿 命。另外，排入大气中的金属氧化物漂尘又会引起二次污染。在国外，多年的研究有了 应用成果。英国研究人员已成功研制出柴油机微粒的连续再生过滤器( c r t _ c o n t i n u o u s l yr e g e n e r a t i o nt r a p ) 。它由前后两部分组成：催化转化器和微粒过滤器。 前者能有效地氧化排气中的c o 和h c 成分，并将n o 氧化成n 0 2 ，后者过滤微粒使微粒 沉积其中。前者生成的n 0 2 流经过滤器时，在排气温度下即可将沉积的微粒氧化，实现 再生，此项技术称之为四元催化。为防止金属催化剂中毒，柴油的硫含量应低于 5 0 p p m 。目前看来，催化剂的抗中毒能力、热稳定性以及二次污染等问题还有待更深入 的研究。由于我国柴油中的硫含量在2 0 0 0 p p m 以上，远高于金属催化剂所要求的硫含量 标准，因此催化技术在我国的应用还需要一定的时间。 ( 3 ) 喷油助燃再生【2 3 珥i 喷油助燃再生技术发展得较早，因此比较成熟。该再生技术是通过一套专门的系 统，适时地向过滤体上游空间喷入一定量的燃油和供给一定的空气，由点火系统将喷入 的燃油点燃，使过滤体的温度上升，微粒着火燃烧，以实现过滤体的再生。再生系统很 复杂，造价昂贵，而且容易出现故障。为保证过滤体的成功再生，要求再生燃烧器具有 点火可靠、燃烧完全、火焰分布均匀等特点。如点火失败，将使燃料沉积在过滤体上， 引起二次沉积和污染，并日容易引起爆燃。 ( 4 ) 电加热再生i z 5 , 2 6 1 电加热再生技术r i 喷油助燃再生技术相类似，只小过以电能代替燃油，以实现对过 q 人亨：似 i 掌位论义绪论 滤体的再生。这种阿：技术刺电功率要求比较高，散需要1 5 3 k w 。为 r 有效地利 用电能，一般都采川废气旁通装置。电加热再生是利用具有高导电性能的结晶s i c 陶瓷 作为过滤材料，当斋i 要再牛时，将过滤体作为电加热元件直接对其通电加热，使沉积其 上的微粒升温燃烧，实现过滤体的再生。因此这种冉q 三技术系统比较简单，可控性好， 并儿在柴油机任何况卜都能对过滤体进行可靠的再，。主要缺点是：电加热再生对车 用r u 源的要求很高，在车用中需要解决耗电量高的问题：结晶s i c 的制造工艺复杂、成 本较高。 ( 5 ) 微波加热再牛1 2 7 2 9 j t 微波加热再生则是利用微波所独有的选择加热及体积加热特性，对沉积在过滤体上 的对微波具有极强吸收能力的微粒以及过滤体本身进行加热，使微粒迅速燃烧。微波再 生时在过滤体内部形成空间分布的热源，对过滤体进行体积加热。这种体积加热方式可 以使沉积在过滤体内部的微粒就地吸热、着火、燃烧，过滤体内的温度梯度小，因而减 小了热应力引起过滤体被破坏的可能，无疑对过滤体的安全有效再生是十分有利的。主 要缺点是微波电源复杂。 ( 6 ) 反吹再生 3 0 , s l i 为了提高柴油机微粒过滤及再生系统的可靠性和使用寿命，将微粒的燃烧与过滤体 分离是一个有效的途径。近年来提出了一种新的再生技术，即反吹再生技术。该再生过 程能将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在过滤体由于微粒燃烧发热而产生爆裂 和烧熔等问题，另外也解决了不燃物质在过滤器内累积的问题。当过滤体需要再生时， 压缩空气从过滤体出口高速喷入，将微粒从过滤体表面清除，并落入漏斗。收集在漏斗 内的微粒由漏斗内的电加热器连续烧掉。 ( 7 ) 红外加热再生( 本文所采用的再生方式) 1 3 2 1 红外辐射加热技术最早出现在美国。2 0 世纪7 0 年代中期，为了进行航天飞机返回大 气层时与空气摩擦产生高温的实验，红外辐射加热技术被用来模拟航天飞机表面温度 在2 7 3 低温迅速升高到1 8 0 0 高温的过程。2 0 世纪9 0 年代初，该技术不断向民用领域 扩散，陆续应用到涂装、印刷、化工、食品等行业。红外辐射加热方式，与其它加热方 式比较，能缩短加热升温时问，控制辐射通量的空间分布，直接加热对象，避免能量加 热周围物体而损失具有节约能源、提高生产率等优点。加热装置简单、可靠。红外辐 射加热的优点与加热机理密切相关，当用红外线辐射各种物质时，物质在不同波长吸收 辐射热的程度有差别，不同物质有不同的红外吸收光谱，同样，不同物质有不同的红外 辐射光谱。当辐射源波长与被辐射物的吸收波长相一致时，该物质就吸收了大最红外 能，从而改变和加剧其分子的运动，达到发热升温加热的作用。从光谱的分析可知，物 质的分子吸收了光r 后，町使兆了的能量完全转变成为分了的振动、转动能量。而当物 质分子吸收了红外辅射能量后，也n j 使分子的振动、转动能量发生变化。同h 0 ，红外辐 射加热的物品在红外辐射所能穿透到的部位，其温度往往比表现来得高。 1 0 人学坝卜学位沦义绪论 红外加热有许多优点：( 1 ) 具有较强的穿透能力，使被加热物体的表层和内部同 时被加热，且温度均匀。( 2 ) 直接辐射加热，不需要热传介质的传递，故加热效率较 高。( 3 ) 可部分加热，减少对不需加热的物体加热，可节省能源。( 4 ) 单位面积内的 热传输量夫，使燃气红外辐射加热器结构紧凑、制造、安装和维修等均简单容易。 ( 5 ) 加热过程清洁，无尘埃粘附在物体表面，成为很好的无污染加热装置。( 6 ) 温度 控制容易，加热器的启动和停止等操作极为简便，且安全性较盘j ，。 2 催化转化技术p 3 - 3 6 1 催化转化器的催化剂一般由贵金属或稀有金属组成，并浸裆氧化铝、二氧化硅等高 表面积载体上，最大限度地接触气态和液态有机成分。柴油机催化转化器主要用于消除 排气中的可燃气体和可溶性有机成分。一般它能够氧化排气中3 0 8 0 的气态h c 和 4 0 7 0 的c o ，以及除去微粒物总量的3 0 5 0 ，这主要是氧化了5 0 8 0 吸附在碳粒 表面的可溶性有机成分获得的结果。催化器所面对的气体成分比较复杂，其中含有润滑 油和燃料添加剂的非可燃沉积物以及由排气中s 0 2 形成的杂质，它们会缩短催化剂的使 用寿命。柴油机废气催化后处理技术适合于低含硫量柴油，否则，排气中生成硫酸雾或 固态硫酸盐微粒，额外地增加了微粒排放量。柴油机排气催化器与微粒过滤器相比具有 一定的优点，它除了可以氧化掉大部分吸附在碳粒表面的s o f 进而减少微粒排放外，还 可以显著降低其它一些有害气体，并且它不需要再生系统和控制装置、结构简单，对柴 油机经济性及动力性影响很小。存在的主要问题是对燃油中的硫分比较敏感，催化剂活 性随着使用时间的增加逐渐降低，对微粒的净化效率降低。 3 等离子体净化技术 3 7 。3 9 1 利用等离子体化学反应净化废气技术起始于八十年代初，主要应用于固定的排气设 备和锅炉等。随着技术的不断更新，近几年开始应用于柴油机的尾气净化。试验证明柴 油机排气中的有害气体成分经过等离子体反应，会发生复杂的化学反应，其中n o 很容 易氧化成n 0 2 。英国学者还发现柴油机排气经过等离子反应器后，微粒浓度有一定的降 低，认为碳烟微粒的降低是由于n 0 2 有很强的氧化性，在柴油机排气温度下就可以将碳 烟微粒氧化成碳的氧化物。等离子净化技术是一种新的柴油机排气净化技术，有着良好 的应用前景。其反应机理和反应过程十分复杂，还有待进一步的研究。 4 静电捕集技【3 1 4 0 l 研究表明，虽然柴油机排气微粒整体上旱电中性，但8 5 左右的微粒都为带电粒 子，每个带电粒子带有1 5 个基本正电荷或负电荷，因此适合利用电场对排气微粒进行 静电吸附，达到净化的目的。但面临的主要问题是设备体积大、结构复杂、成本高且 气流流速对静电捕集效率的影响比较大。 为了满足同益严格的排放法规的要求，各汽车制造厂商正致力于柴油机微粒过滤器 的研制与丌发。目前，微粒过滤技术是国内普遍采用的微粒净化技术。解决微卡讧过滤技 术的关键是再生，本文选用红外期j 热再生方式。 】1 1 4 研究内容及章节安排 柴油机红外再生微粒过滤器控制系统是由微粒过滤器和电路控制系统组成。本文重 点介绍过滤器控制系统。控制系统重点控制再生时机和再生调节阀开度。即对确定再生 时机和再生调节阀开度的温度、转速、负荷、背压信号采集、计算最终输出控制信号的 过程。控制系统包括硬件设计和软件开发。硬件设计根据系统的功能要求进行设计，主 要包括微处理器扩展电路、前向通道输入电路、后向通道输出电路。微处理器扩展电路 包括晶振电路、复位电路、外存储器扩展电路、电源电路、串行通讯电路。前向通道接 口电路包括转速信号处理电路、温度模拟信号处理电路、开关信号处理电路、背压信号 处理电路、供油拉杆位置信号处理电路。后向通道接口电路包括步进电机驱动电路、接 通加热器电路、点亮再生指示灯电路。 根据课题的实际研究内容为线索，章节安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了课题的背景及意义，柴油机排放的控制标准和柴油机排 气微粒净化控制技术研究现状与进展。最后介绍了本文研究的主要内容以及各章节的安 排。根据我国的实际情况，红外加热再生的微粒过滤器是一种有效的尾气处理方法，其 控制系统的研究有着重要的作用。 第二章为柴油机微粒过滤器总体结构及对控制系统的要求，本章介绍了微粒过滤器 基本结构和工作原理，确定达到再生时机时的背压公式和再生废气量调节阀的开度，给 出再生时机时的m a p 图和5 0 负荷对再生调节阀的开度，为后面的电控系统的设计打下 基础。根据微粒过滤器的工作原理，总结出与控制系统有关的输入输出信号。 第三章为柴油机微粒过滤器硬件系统的研究与设计，本章基于系统功能的要求，首 先进行硬件系统的整体方案设计，分为三大部分：传感器、电控单元、执行机构。本文 重点介绍电控单元电路设计。电控单元电路设计包括：微处理器及其扩展电路设计、前 向通道输入电路、后向通道输出电路。其中扩展电路包括复位电路、晶振电路、外存储 器扩展电路、电源电路、串行通讯电路。前向通道输入电路包括：转速输入电路、再生 开关量处理电路、温度模拟量处理电路。后向通道输出电路包括步进电机驱动、接通加 热器电路、点亮再生指示灯电路。 第四章为控制系统的软件设计与研究。软件设计采用模块化的设计思想对整体功能 进行逐步求精的划分，确定了初始化模块、主程序模块、子程序模块、温度检测模块、 背压值比较程序模块。明确了每个模块的功能以及处理过程。采用m c s 一9 6 系列单片机 汇编语言编写，通过伟福e 2 0 0 0 l 型通用在线仿真器进行软件的开发和仿真。从调试的 结果看整个程序达到了很高的标准。实现了分析阶段的功能要求。 第血章为总结与展望。总结了研究课题工作过程并指出了课题不足之处。 1 2 人学坝f j 学位论文绪论 1 5 本章小结 本章介绍了柴油机微粒过滤器的研究背景和意义、各国的排放标准、排气控制技术 的现状和发展以及论文的主要研究内容和章节安排。为满足排放法规的要求，所采取的 主要措施包括：机内净化技术和机外净化技术。机内净化的核心是对燃烧过程进行优 化，使发动机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠，排放较少的要求，主要 包括电控、进气中压增冷、多气门等技术。由于我国汽油高硫的特点，机内净化技术已 经不能满足同益严格的排放法规的要求。因此，柴油机微粒机外净化技术是一个必然的 趋势，其中微粒过滤是最有效的方法。微粒过滤技术中再生是关键。红外加热再生方式 装置简单、可靠，加热效率高，因此本文采用红外加热再生的微粒过滤器。红外加热再 生的微粒过滤器能达到欧及更高的微粒排放标准。 因此为了满足严格的排放法规要求，微粒过滤器的应用将是一种必然。开发一种能 达到实用化水平的柴油机排气微粒过滤器，是一项具有挑战性的任务，其中控制策略和 控制系统的研究是微粒过滤器实现智能化、自动化的关键。 山东耻1 人学硕1 j 学位论文第二章柴油机微粒过滤器结椅及对控制系统的要求 第二章柴油机微粒过滤器结构及对控制系统的要求 本章介绍的柴油机排气微粒过滤器主要以大型客货车的车用柴油机为应用对象。该 过滤器具有排气气流分稚合理、排气阻力小、结构坚固、工作可靠、成本低、寿命长、 过滤效率高等优点。经过反复试验该过滤器过滤效率高达9 5 以上。 2 1 过滤器的结构及工作原理 2 1 1 过滤器的总体结构 1 过滤体的组成 微粒过滤器主要由过滤体、加热器构成的。其结构简图如图2 1 所示。 b 排气 图2 1 双层结构过滤器 微粒过滤器的主要工作部分是过滤体，它决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使 用寿命，并影响再生技术的选择和再生效果的好坏。过滤体是结构紧凑密实，机械强度 图2 2 壁流陶瓷过滤体结构 高的壁流式蜂窝陶瓷，其具有抗震性能好，使用寿命长，过滤效率高，热膨胀系数低， 耐热冲击性好，耐高温等优点，适合热再生。擘流陶瓷结