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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 柴油機(jī)微粒捕集器再生車載監(jiān)控系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品設(shè)計(jì)了基于“微粒捕集器+柴油機(jī)氧化催化器+添加劑”的高壓霧化噴油催化助燃再生系統(tǒng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服傳統(tǒng)再生技術(shù)的燃燒效率低、再生可控性差和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)；采用先進(jìn)電控技術(shù)和人工智能控制，解決再生過(guò)程的優(yōu)化控制等難題；采用基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)，使系統(tǒng)輕松融入汽車電子控制系統(tǒng)，最終使得系統(tǒng)具有高凈化效率、優(yōu)質(zhì)的可控再生性能和耐久性能等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了DPF的智能再生。
- 詳細(xì)介紹：
- 當(dāng)前，我國(guó)機(jī)動(dòng)車耗油已占國(guó)內(nèi)石油消耗總量的60%以上，同時(shí)機(jī)動(dòng)車尾氣排放污染已占城市污染總量的65%以上，汽車行業(yè)已成為能源消耗和環(huán)境污染的大戶。隨著全球石油資源緊缺加劇、汽車保有量攀升和機(jī)動(dòng)車排放壓力增加，汽車節(jié)能環(huán)保已刻不容緩。 據(jù)權(quán)威專家預(yù)測(cè)，在未來(lái)至少20年以內(nèi)，石油燃料仍將是全球汽車的主要燃料。初步預(yù)計(jì)，2020年傳統(tǒng)石油燃料在汽車燃料中的比重仍將占到60%或更高。因此，汽油車和柴油車在未來(lái)的十年間將繼續(xù)占據(jù)世界汽車市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。 柴油車在油耗、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及CO、HC和CO2排放等方面都優(yōu)于汽油車，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸與工程機(jī)械等領(lǐng)域。發(fā)展柴油車已成為當(dāng)前汽車行業(yè)節(jié)能環(huán)保的重要選擇。但是柴油機(jī)排放的有害固體顆粒物（PM）是汽油機(jī)的30~80倍。這極大地制約了柴油車的大規(guī)模使用。 微粒捕集器（Diesel Particulate Filter，簡(jiǎn)稱DPF）是目前公認(rèn)的用于降低柴油機(jī)顆粒物排放的最為有效、實(shí)用的機(jī)外凈化技術(shù)。它采用一種由碳化硅或堇青石等構(gòu)成的多孔陶瓷材料，吸附柴油機(jī)排氣中的顆粒物，以達(dá)到排氣凈化的目的，其過(guò)濾效率可高達(dá)90%以上。 但是，隨著固體顆粒物的吸附量增多，DPF內(nèi)部空隙逐漸被堵塞，不但影響其過(guò)濾效率，也影響了柴油機(jī)本身的工作性能。因此必需對(duì)沉積的顆粒物進(jìn)行清除，恢復(fù)DPF原來(lái)的工作狀態(tài)，該過(guò)程被稱為DPF的再生。 由于我國(guó)的顆粒物后處理技術(shù)不成熟，現(xiàn)有的DPF再生控制系統(tǒng)基本處在實(shí)驗(yàn)室階段，并無(wú)成熟的商業(yè)化的產(chǎn)品。實(shí)際應(yīng)用中的許多過(guò)濾及控制系統(tǒng)基本都是從國(guó)外進(jìn)口。而國(guó)外早在上世紀(jì)九十年代就開始研究，現(xiàn)已有少數(shù)商業(yè)化的產(chǎn)品。如丹麥迪耐森（Dinex）公司和德國(guó)CPK汽車股份有限公司生產(chǎn)的DPF再生控制系統(tǒng)。但是由于中國(guó)柴油質(zhì)量不穩(wěn)定、國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格昂貴、操作界面不友好等因素，使得國(guó)外產(chǎn)品難以適用于中國(guó)的要求。因此，實(shí)用的過(guò)濾體再生方法及其控制技術(shù)成為制約DPF在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用的瓶頸。 結(jié)合我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀，本作品設(shè)計(jì)了基于“DPF+柴油機(jī)氧化催化器（DOC）+添加劑”的高壓霧化噴油催化助燃再生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了DPF在車載系統(tǒng)上的智能再生。 通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)再生技術(shù)的燃燒效率低、再生可控性差和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)；采用先進(jìn)電控技術(shù)和人工智能控制，解決了再生過(guò)程的優(yōu)化控制等難題，并提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和抗干擾性；采用基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)，使系統(tǒng)輕松融入汽車電子控制系統(tǒng)，并提高了系統(tǒng)的可靠性和人機(jī)交互性，最終使得系統(tǒng)具有高凈化效率、優(yōu)質(zhì)的可控再生性能和耐久性能等優(yōu)點(diǎn)。 目前，已與杭州攀利電子科技有限公司進(jìn)行合作生產(chǎn)，其中PAT-001型微粒捕集器（DPF）主動(dòng)再生電子控制器已通過(guò)浙江省計(jì)量科學(xué)研究院合格測(cè)試；此前與貴州皇帝車輛凈化器有限公司共同研制成功的柴油車主動(dòng)再生顆粒過(guò)濾系統(tǒng)率先通過(guò)國(guó)家轎車質(zhì)量檢查中心和天津索克汽車試驗(yàn)有限公司的合格測(cè)試；而且本作品已與杭州多納科技有限公司和貴州皇帝車輛凈化器有限公司生產(chǎn)的柴油車尾氣處理系統(tǒng)配套使用；杭州余杭長(zhǎng)運(yùn)有限公司已將本作品應(yīng)用于現(xiàn)有的柴油公交車的改造上，并已運(yùn)行兩萬(wàn)公里；此外，本作品已在各種復(fù)雜的路況下車載運(yùn)行超過(guò)50萬(wàn)公里。本作品已經(jīng)獲得3項(xiàng)實(shí)用新型專利，2項(xiàng)軟件著作權(quán)，并申請(qǐng)了3項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。本作品技術(shù)水平已處國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，本作品具有一定的優(yōu)勢(shì)和很高的性價(jià)比，完全能夠替代國(guó)外的同類產(chǎn)品，這些已在企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中得到證實(shí)。 本作品的推廣應(yīng)用，可以打破國(guó)外產(chǎn)品和技術(shù)壟斷，解決束縛柴油車發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題，促進(jìn)柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)，有助于汽車行業(yè)的節(jié)能和環(huán)境保護(hù)，推動(dòng)我國(guó)柴油車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的提高。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：開發(fā)微粒捕集器（DPF）再生監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DPF智能化再生，最終實(shí)現(xiàn)柴油車排氣凈化處理裝置的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化； 基本思路：結(jié)合我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀，采用“DPF+柴油機(jī)氧化催化器（DOC）+添加劑”的高壓霧化噴油助燃催化再生技術(shù)、嵌入式技術(shù)、CAN總線技術(shù)和人工智能控制算法，實(shí)現(xiàn)DPF的智能化再生。 創(chuàng)新點(diǎn)：（1）基于“DPF+DOC+添加劑”的高壓霧化噴油助燃催化再生技術(shù)；（2）采用高壓泵升壓驅(qū)動(dòng)、全隔離電路設(shè)計(jì)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，自主設(shè)計(jì)基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)；（3）再生溫度控制采用優(yōu)化的專家PID控制策略，有效地解決系統(tǒng)本身的時(shí)變、非線性和純滯后等特性所帶來(lái)的問(wèn)題，以及DOC中毒、DPF龜裂和溫度響應(yīng)速率調(diào)節(jié)等問(wèn)題；（4）開發(fā)了計(jì)算機(jī)在線監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析軟件。 技術(shù)關(guān)鍵：（1）基于“DPF+DOC+添加劑”的高壓霧化噴油助燃催化再生技術(shù)；（2）基于CAN總線的分布式監(jiān)控技術(shù)；（3）基于排氣背壓、排氣溫度和運(yùn)行時(shí)間的再生時(shí)機(jī)控制策略；（4）基于專家知識(shí)的智能PID再生溫度控制策略；（5）基于全隔離技術(shù)的電路設(shè)計(jì)；（6）基于高壓噴油泵升壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的電路設(shè)計(jì)；（7）基于計(jì)算機(jī)的在線監(jiān)控技術(shù)。 主要技術(shù)指標(biāo)（底層控制器）： 1)工作溫度：-20～100℃；2)供電電源：7～48VDC；3)工作電流：常規(guī)：110-170mA，噴油：4A；4)A/D分辨率：24bit；5)溫度測(cè)量范圍：0～999℃；6)背壓測(cè)量范圍：0～60kPa；7)噴油泵最小工作壓力：1.5MPa。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- （1）本系統(tǒng)改進(jìn)現(xiàn)有的噴油助燃再生技術(shù)，結(jié)合主動(dòng)和被動(dòng)再生技術(shù)，采用“DPF+DOC+添加劑”的高壓霧化噴油助燃催化再生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗、結(jié)構(gòu)和復(fù)雜度的最優(yōu)化； （2）本作品基于排氣背壓、排氣溫度和運(yùn)行時(shí)間提出一種優(yōu)化的再生時(shí)機(jī)判斷方法，即以定背壓值控制策略為主，并利用排氣溫度和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行修正； （3）本作品采用優(yōu)化的專家PID控制策略，將專家系統(tǒng)和PID控制相結(jié)合，并將控制過(guò)程分為系統(tǒng)特征識(shí)別、預(yù)熱和燃燒三個(gè)階段，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡響應(yīng)模式的在線識(shí)別、特征值抽取與判斷、參數(shù)修正等方法而實(shí)現(xiàn)再生溫度的智能PID控制，從而達(dá)到自適應(yīng)與優(yōu)化控制的目的； （4）本作品設(shè)計(jì)了基于CAN總線汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、噴油泵升壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)和全隔離電路設(shè)計(jì)方法等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有微粒捕集器信息采集與再生處理、運(yùn)行與報(bào)警數(shù)據(jù)記錄、通信和顯示等功能，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分布式柴油機(jī)微粒捕集器車載監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)再生控制系統(tǒng)的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為我國(guó)的汽車電子行業(yè)的發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1、本作品開發(fā)的柴油機(jī)微粒捕集器車載監(jiān)控系統(tǒng)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并已與杭州攀利電子科技有限公司進(jìn)行合作生產(chǎn)，其中PAT-001型微粒捕集器（DPF）主動(dòng)再生電子控制器于2011年4月通過(guò)浙江省計(jì)量科學(xué)研究院合格測(cè)試； 2、與貴州皇帝車輛凈化器有限公司及杭州攀利電子科技有限公司共同合作生產(chǎn)的ART/A-C/JX6490TA-M3型柴油車主動(dòng)再生顆粒過(guò)濾系統(tǒng)已于2009年6月成為首個(gè)通過(guò)我國(guó)汽車權(quán)威汽車檢測(cè)機(jī)構(gòu)——國(guó)家轎車質(zhì)量檢查中心和天津索克汽車試驗(yàn)有限公司的合格測(cè)試； 3、杭州余杭長(zhǎng)運(yùn)有限公司已將本作品應(yīng)用于現(xiàn)有的柴油公交車的改造上，并已運(yùn)行兩萬(wàn)公里； 4、浙江省科技信息研究院于2011年4月完成微粒捕集器（DPF）主動(dòng)再生電子控制器的科技查新報(bào)告（報(bào)告編號(hào)：201133B2101486）； 5、榮獲2011年杭州電子科技大學(xué)“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 本發(fā)明的部分技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給杭州攀利電子有限公司，目前正與貴州皇帝車輛凈化器有限公司洽談生產(chǎn)合作事宜。
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品，圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：本作品配合DOC和DPF構(gòu)成完整的柴油車尾氣過(guò)濾系統(tǒng)。底層控制器利用24芯卡鎖式接線端子與其他器件連接，并安裝在車廂內(nèi)；液晶操作器安裝在駕駛室內(nèi)。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：（1）采用“DPF+DOC+添加劑”的高壓霧化噴油助燃催化再生技術(shù)；（2）采用CAN總線技術(shù)和嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)控制器；（3）再生溫度控制采用智能專家PID控制策略；（4）開發(fā)了監(jiān)控軟件，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；（5）具有成本低、可設(shè)置參數(shù)多、控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)。 作品的適用范圍和推廣前景：廣泛適用于柴油轎車、卡車、公交車、施工車輛和農(nóng)用車等柴油車的尾氣后處理裝置的改裝，也可與生產(chǎn)廠商合作直接將系統(tǒng)組裝到新生產(chǎn)的柴油車中。我國(guó)的汽車行業(yè)即將實(shí)施更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，現(xiàn)有不達(dá)標(biāo)以及新增的柴油車加裝柴油車排氣后處理裝置是不容質(zhì)疑的選擇。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：本電控系統(tǒng)成本約為2000元，售價(jià)約3000元，按年產(chǎn)50萬(wàn)套計(jì)算，可為企業(yè)創(chuàng)造15億的產(chǎn)值和至少3億的利稅。
同類課題研究水平概述
- 微粒捕集器（DPF）的關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾體及其再生技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外在過(guò)濾體材料及其制造工藝上已取得突破性進(jìn)展。然而，實(shí)用的過(guò)濾體再生方法及其控制技術(shù)一直是制約柴油車微粒排放后處理技術(shù)的瓶頸問(wèn)題。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的DPF車載過(guò)濾系統(tǒng)還處在實(shí)驗(yàn)室階段，并無(wú)成熟的商業(yè)化的產(chǎn)品。實(shí)際應(yīng)用中的許多過(guò)濾及控制系統(tǒng)基本都是從國(guó)外進(jìn)口。國(guó)外早在上世紀(jì)九十年代就開始研究，現(xiàn)已有少數(shù)商業(yè)化的產(chǎn)品。雖然我國(guó)許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和研究單位在這些方面進(jìn)行的多種有益的探索和研究，但大多數(shù)研究均集中在再生機(jī)理和方法上，實(shí)用技術(shù)研究偏少，而再生電控系統(tǒng)的研究更是屈指可數(shù)。因此，如何將再生技術(shù)實(shí)用化并結(jié)合電控技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的DPF車載過(guò)濾系統(tǒng)中，成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。 目前，DPF車載過(guò)濾系統(tǒng)按再生技術(shù)分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩大類。 主動(dòng)再生是通過(guò)外加能量提高排氣溫度到微粒的起燃溫度（500℃～600℃）使微粒燃燒。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是再生效率高，缺點(diǎn)是系統(tǒng)較復(fù)雜，運(yùn)行成本高，過(guò)濾體溫度容易過(guò)高導(dǎo)致?lián)p壞。目前研究較多的主動(dòng)再生方法有電加熱再生、紅外加熱再生、微波加熱再生、逆向噴氣再生、噴油/燃?xì)庵荚偕?。如天津大學(xué)就曾研究過(guò)壁流式微粒過(guò)濾器電加熱再生自動(dòng)控制系統(tǒng)。而這種系統(tǒng)耗電量高，中小功率柴油機(jī)無(wú)法滿足供電要求，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)過(guò)濾和再生。 被動(dòng)再生是利用化學(xué)催化的方法降低微粒的反應(yīng)活性，能使微粒在柴油機(jī)正常運(yùn)行條件下燃燒，達(dá)到再生目的。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是過(guò)濾不易損壞，缺點(diǎn)是催化劑的抗中毒性和熱穩(wěn)定性差，且催化劑的氧化物易造成DPF的慢性堵塞，縮短其壽命。目前被動(dòng)再生的方法有燃油添加劑再生、催化劑涂層再生、連續(xù)再生、低溫等離子體再生等。如標(biāo)致雪鐵龍集團(tuán)和菲亞特的柴油轎車上使用的微粒過(guò)濾系統(tǒng)采用鈰基燃料添加劑來(lái)降低微粒的著火溫度。但是這種系統(tǒng)燃燒后產(chǎn)生的金屬氧化物可能縮短DPF使用壽命，并引起二次污染。 到了二十世紀(jì)初，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、過(guò)濾材料技術(shù)、噴油泵技術(shù)、電控技術(shù)及其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，噴油助燃再生技術(shù)以其自身固有的優(yōu)勢(shì)，如耗電量小，能量利用率高，響應(yīng)速度快，受燃油硫含量影響小，再生控制方便及適用性強(qiáng)等，又重新得到人們的重視，而且是目前國(guó)際上少數(shù)產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品之一。 因此，開展柴油車顆粒物捕集器噴油助燃再生技術(shù)和電控技術(shù)的結(jié)合，以及高效控制策略的研究是目前切實(shí)可行的方法之一。
