微粒捕集器分區(qū)微波再生過程優(yōu)化與控制系統(tǒng)研究.pdf

1、柴油機(jī)微粒捕集器是一種能夠有效降低柴油車微粒排放污染的裝置。如何使過濾體有效捕集微粒，并且可靠地進(jìn)行再生是微粒捕集器研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。微波加熱再生技術(shù)因其加熱迅速、能量利用率高、可控性好等優(yōu)點(diǎn)被人們廣泛研究并應(yīng)用于微粒捕集器的再生。然而微粒捕集器微波再生技術(shù)中仍有一些關(guān)鍵性技術(shù)問題需要進(jìn)一步研究，例如微粒的捕集和再生過程不能協(xié)調(diào)統(tǒng)一、再生過程中微波消耗功率較大，車載電池難以負(fù)荷等。
　　如上所述，由于傳統(tǒng)微波再生微粒捕集器中存在一

2、些不足，為了解決這些技術(shù)難題，本文以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50876027）“車用柴油機(jī)微粒捕集多孔介質(zhì)的微波及鈰-錳添加劑復(fù)合再生機(jī)理研究”以及湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（06JJ20018）“車用微粒捕集器復(fù)合再生過程氣粒兩相流動(dòng)與燃燒數(shù)值模擬”為課題來源，提出采用“分區(qū)微波加熱”的方式對微粒捕集器內(nèi)的過濾體進(jìn)行有效再生。為了深入考察該技術(shù)的可行性和可靠性，本文對所設(shè)計(jì)的“分區(qū)微波再生微粒捕集器”捕集與再生過程中的主要控制數(shù)學(xué)模型及

3、其影響因素進(jìn)行了深入研究。另外，從“分區(qū)微波再生微粒捕集器”今后車載實(shí)用化的角度考慮，本文還對該微粒捕集器的再生控制系統(tǒng)的進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。論文的主要內(nèi)容及研究成果有：
　　（1）研究了微粒捕集器結(jié)構(gòu)參數(shù)（如擴(kuò)張角、直徑比、過濾單元長度等）對其內(nèi)部氣流流速分布的影響?；诮?jīng)典多孔介質(zhì)捕集理論，建立了過濾單元的捕集效率模型，得到了過濾單元孔隙率、微孔平均直徑、過濾單元厚度及長度、柴油機(jī)排氣參數(shù)等因素對該微粒捕集器捕集效率的影響規(guī)律。

4、
　?。?）建立了微粒捕集器過濾單元壓力損失計(jì)算模型，相對于傳統(tǒng)多孔介質(zhì)的F-W壓降模型，該模型采用了新的方法對二次項(xiàng)以及一次項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并通過試驗(yàn)對所建模型進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，微粒捕集器過濾單元壓力損失計(jì)算數(shù)學(xué)模型比傳統(tǒng)多孔介質(zhì)壓降計(jì)算 F-W模型具有更高的精確度和更好的實(shí)用性。
　?。?）以過濾單元的壓力損失和捕集效率為優(yōu)化目標(biāo)，以過濾單元的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（孔隙率、微孔平均直徑等）以及外形尺寸參數(shù)（如長度、個(gè)數(shù)

5、、內(nèi)外徑等）為約束參數(shù)，以柴油機(jī)排氣工況參數(shù)為決策條件，建立了微粒捕集器過濾單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。采用懲罰函數(shù)法對該模型進(jìn)行了無約束化處理，并利用微型遺傳算法對其進(jìn)行了求解，得到了不同捕集效率條件下的過濾單元結(jié)構(gòu)尺寸局部最優(yōu)解，揭示了微粒捕集器的高捕集效率、低壓力損失的協(xié)同優(yōu)化規(guī)律。
　?。?）建立了捕集器再生腔內(nèi)部的微波電場分布數(shù)學(xué)模型，并耦合微波再生數(shù)學(xué)模型，對再生腔內(nèi)微波電場分布均勻性影響因素以及再生過程中過濾單元上溫度的

6、分布進(jìn)行了研究。為再生腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高微波能量利用率提供了技術(shù)參考，同時(shí)也為“分區(qū)微波再生微粒捕集器”的再生過程控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。
　?。?）對“分區(qū)微波再生微粒捕集器”再生控制系統(tǒng)中關(guān)鍵核心的ECU硬件進(jìn)行了研究和分析。設(shè)計(jì)了一套主要由單片機(jī)系統(tǒng)電路、總線電路、電源模塊電路、信號輸入電路、低邊驅(qū)動(dòng)電路、Lambda傳感器控制電路以及旁通閥驅(qū)動(dòng)電路等組成的微波再生控制 ECU硬件系統(tǒng)。
　　本文工作為微波再生微粒