微粒捕集器復合再生與場協同機理辨析及優化控制研究

發布時間：2020-03-29 20:26

【摘要】：隨著我國柴油車保有量的日益增加，碳煙微粒尾氣排放污染已嚴重地危害了環境以及人類的健康，其凈化技術已成為當前控制汽車排放污染物的主要課題。微粒捕集器是當前國內外科研工作者普遍公認最為有效的凈化柴油機排放微粒的后處理裝置，其關鍵技術是過濾體再生和過濾材料，目前過濾材料的研究已經取得了較大突破，而過濾體再生技術的研究多年來一直是國內外汽車排放控制工作者探討的重要課題之一。由于微粒捕集器過濾體單一再生方式存在諸多缺陷，多種單一再生方式相結合的復合再生技術已成為解決微粒捕集器再生問題的有效方法，其中微波加熱技術結合催化劑助燃的過濾體再生方式是一種新型的復合再生技術。該技術不僅能有效提高微波的利用效率和減少其電能的消耗量，還能夠利用低溫催化劑技術降低過濾體內微粒的燃點溫度，使微粒捕集器過濾體中的微粒在較低的溫度下就能著火燃燒，從而降低了再生過程中過濾體所承受的熱載荷，延長了微粒捕集器的使用壽命。然而，如何有效地正確評判不同影響因素條件下微粒捕集器復合再生的燃燒特性，辨析助燃催化劑與微波加熱復合再生過程的時間及其強化傳熱的協同性，已成為微粒捕集器復合再生過程中實現有效調節與控制亟需解決的重要問題。本論文基于場協同理論，采用數值仿真優化與實驗相結合的方法，在研究適量鈰-錳基催化劑對微粒在過濾體內起燃溫度影響規律的基礎上，辨析微波加熱和鈰-錳基催化劑的復合再生方式下微粒捕集器過濾體復合再生性能與多場協同性能，確保溫度場、速度場與復合再生過程協同一致，強化微粒捕集器過濾體復合再生過程傳熱傳質以及微粒燃燒作用，以期能夠實現降低微粒的起燃溫度和電能的消耗，提高微波能的利用率和再生效率，擴大其再生窗口，并延長其使用壽命。課題研究成果不僅對柴油機排放控制具有重要的理論與應用價值，而且對治理移動污染源、保護環境具有重要的參考價值。為此，本文以國家留學基金資助項目“多孔介質過濾體內微尺度燃燒強化機理及應用研究”（201306130031）、國家自然科學基金項目“微粒捕集器過濾體復合再生與多場協同機理及其優化研究”（51176045）、國家自然科學基金項目“柴油機微粒捕集器多孔介質過濾體失效辨析及抗失效機理研究”（51276056）及國家“863”項目子項“新一代環保高效柴油機研發”（2008AA11A116）等為依托，對微粒捕集器開展復合再生與場協同機理辨析及優化控制研究，主要創新點如下：（1）針對含有鈰-錳基催化劑的柴油機微粒捕集器過濾體再生特性，建立了基于鈰-錳基催化劑微粒捕集器的物理與數學計算模型，并結合其臺架實驗，對5種不同濃度的鈰-錳基催化劑進行了燃點溫度的研究。同時對含不同濃度的鈰-錳基催化劑進行了活性評價，確定了鈰-錳基催化劑成分的最優配比量和合理的添加濃度。（2）基于柴油機微粒捕集器瞬態復合再生機理，建立了微粒捕集器三維仿真模型，研究了微粒捕集器復合再生燃燒過程中不同時刻的溫度梯度和速度矢量的變化規律特性。并針對微粒捕集器復合再生燃燒過程的模擬結果，采用多場協同原理對微粒捕集器復合再生燃燒性能進行了協同性分析，得出了微粒捕集器復合再生過程中速度場和溫度場協同性最好時所對應的再生時間和其最優的再生燃燒區域。（3）采用模糊隸屬度余弦值和歐氏距離公式建立了基于微粒捕集器復合再生影響因素模糊灰色關聯分析模型，并基于微粒捕集器三維仿真實驗，對影響微粒捕集器復合再生性能的特征指標重要性程度進行了模糊灰色關聯度分析。同時根據其模糊灰色關聯度的計算結果，對微粒捕集器綜合性能的效能指標進行了分析，得出了微粒捕集器復合再生的特征性能指標中鈰-錳基催化劑量對再生時間影響最大，排氣氧濃度和排氣溫度分別對再生峰值溫度和再生效率影響最大；且對微粒捕集器復合再生綜合性能影響最大的為再生時間，再生效率次之，再生峰值溫度影響效能最小。（4）采用單個不同預測模型的預測值作為其函數鏈神經網絡的原始輸入值，并在求得模糊函數鏈神經網絡擬合的充要條件滿足要求后，建立了基于模糊自適應變權重函數鏈神經網絡的微粒捕集器過濾體再生時間預報模型，應用結果表明，該再生時間預報模型精度較高，誤差較小。同時對微粒捕集器復合再生時間的影響因素進行了分析和驗證。（5）以場協同的微粒捕集器為研究對象，建立了微粒捕集器復合再生過程微波能量消耗真實的目標泛函，采用泛函理論中的變分法，對微粒捕集器復合再生過程微波能量消耗真實目標泛函進行了求解，，得到微粒捕集器復合再生過程尾氣最優升溫速度軌線以及微波能量消耗率最優控制曲線。仿真結果與應用結果一致表明，復合再生終點預報準確，微粒捕集器復合再生效率較高，且微波能量消耗量降低較為明顯。
【圖文】：

碳煙微粒,學界,柴油車,微粒