微粒捕集器复合再生与场协同机理辨析及优化控制研究

发布时间：2020-03-29 20:26

【摘要】：随着我国柴油车保有量的日益增加，碳烟微粒尾气排放污染已严重地危害了环境以及人类的健康，其净化技术已成为当前控制汽车排放污染物的主要课题。微粒捕集器是当前国内外科研工作者普遍公认最为有效的净化柴油机排放微粒的后处理装置，其关键技术是过滤体再生和过滤材料，目前过滤材料的研究已经取得了较大突破，而过滤体再生技术的研究多年来一直是国内外汽车排放控制工作者探讨的重要课题之一。由于微粒捕集器过滤体单一再生方式存在诸多缺陷，多种单一再生方式相结合的复合再生技术已成为解决微粒捕集器再生问题的有效方法，其中微波加热技术结合催化剂助燃的过滤体再生方式是一种新型的复合再生技术。该技术不仅能有效提高微波的利用效率和减少其电能的消耗量，还能够利用低温催化剂技术降低过滤体内微粒的燃点温度，使微粒捕集器过滤体中的微粒在较低的温度下就能着火燃烧，从而降低了再生过程中过滤体所承受的热载荷，延长了微粒捕集器的使用寿命。然而，如何有效地正确评判不同影响因素条件下微粒捕集器复合再生的燃烧特性，辨析助燃催化剂与微波加热复合再生过程的时间及其强化传热的协同性，已成为微粒捕集器复合再生过程中实现有效调节与控制亟需解决的重要问题。 本论文基于场协同理论，采用数值仿真优化与实验相结合的方法，在研究适量铈-锰基催化剂对微粒在过滤体内起燃温度影响规律的基础上，辨析微波加热和铈-锰基催化剂的复合再生方式下微粒捕集器过滤体复合再生性能与多场协同性能，确保温度场、速度场与复合再生过程协同一致，强化微粒捕集器过滤体复合再生过程传热传质以及微粒燃烧作用，以期能够实现降低微粒的起燃温度和电能的消耗，提高微波能的利用率和再生效率，扩大其再生窗口，并延长其使用寿命。课题研究成果不仅对柴油机排放控制具有重要的理论与应用价值，而且对治理移动污染源、保护环境具有重要的参考价值。为此，本文以国家留学基金资助项目“多孔介质过滤体内微尺度燃烧强化机理及应用研究”（201306130031）、国家自然科学基金项目“微粒捕集器过滤体复合再生与多场协同机理及其优化研究”（51176045）、国家自然科学基金项目“柴油机微粒捕集器多孔介质过滤体失效辨析及抗失效机理研究”（51276056）及国家“863”项目子项“新一代环保高效柴油机研发”（2008AA11A116）等为依托，对微粒捕集器开展复合再生与场协同机理辨析及优化控制研究，主要创新点如下： （1）针对含有铈-锰基催化剂的柴油机微粒捕集器过滤体再生特性，建立了基于铈-锰基催化剂微粒捕集器的物理与数学计算模型，并结合其台架实验，对5种不同浓度的铈-锰基催化剂进行了燃点温度的研究。同时对含不同浓度的铈-锰基催化剂进行了活性评价，确定了铈-锰基催化剂成分的最优配比量和合理的添加浓度。 （2）基于柴油机微粒捕集器瞬态复合再生机理，建立了微粒捕集器三维仿真模型，研究了微粒捕集器复合再生燃烧过程中不同时刻的温度梯度和速度矢量的变化规律特性。并针对微粒捕集器复合再生燃烧过程的模拟结果，采用多场协同原理对微粒捕集器复合再生燃烧性能进行了协同性分析，得出了微粒捕集器复合再生过程中速度场和温度场协同性最好时所对应的再生时间和其最优的再生燃烧区域。 （3）采用模糊隶属度余弦值和欧氏距离公式建立了基于微粒捕集器复合再生影响因素模糊灰色关联分析模型，并基于微粒捕集器三维仿真实验，对影响微粒捕集器复合再生性能的特征指标重要性程度进行了模糊灰色关联度分析。同时根据其模糊灰色关联度的计算结果，对微粒捕集器综合性能的效能指标进行了分析，得出了微粒捕集器复合再生的特征性能指标中铈-锰基催化剂量对再生时间影响最大，排气氧浓度和排气温度分别对再生峰值温度和再生效率影响最大；且对微粒捕集器复合再生综合性能影响最大的为再生时间，再生效率次之，再生峰值温度影响效能最小。 （4）采用单个不同预测模型的预测值作为其函数链神经网络的原始输入值，并在求得模糊函数链神经网络拟合的充要条件满足要求后，建立了基于模糊自适应变权重函数链神经网络的微粒捕集器过滤体再生时间预报模型，应用结果表明，该再生时间预报模型精度较高，误差较小。同时对微粒捕集器复合再生时间的影响因素进行了分析和验证。 （5）以场协同的微粒捕集器为研究对象，建立了微粒捕集器复合再生过程微波能量消耗真实的目标泛函，采用泛函理论中的变分法，对微粒捕集器复合再生过程微波能量消耗真实目标泛函进行了求解，，得到微粒捕集器复合再生过程尾气最优升温速度轨线以及微波能量消耗率最优控制曲线。仿真结果与应用结果一致表明，复合再生终点预报准确，微粒捕集器复合再生效率较高，且微波能量消耗量降低较为明显。
【图文】：

博士学位论文缸内燃烧属于富氧环境，但是由于缸内空气部燃烧由于缺氧会导致碳烟微粒 PM 的产生越浓，其碳烟微粒 PM 产生的速率也越高， PM 排放量。可溶性有机成分 SOF 成分是由是由未燃烧或者未完全燃烧的润滑油与燃油集聚，可被有机溶剂溶解、萃取。硫酸盐则其所占比例很少。

微粒PM形成过程
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U464.134.4;X734.2

【参考文献】

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本文编号：2606476