CN103711548A - 防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法和系统，该方法包括如下步骤：10）预存柴油机对应于颗粒物捕集器临界烧熔的设定转速和设定空燃比；20）获取柴油机的当前转速；30）比对柴油机的当前转速是否高于设定转速，是，则返回步骤20），否，进入步骤40）；40）获取柴油机的当前排气氧浓度，并根据当前排气氧浓度对柴油机的实际空燃比进行闭环控制，使实际空燃比不高于设定空燃比。该方法通过实时监测柴油机的排气氧浓度，对柴油机的实际空燃比进行闭环控制，与背景技术中的开环控制相比，精确度高，能够有效地控制排气氧浓度，从而减缓颗粒物捕集器内颗粒物的燃烧速度，防止颗粒物捕集器发生烧熔。

Description

防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法和系统

技术领域

本发明涉及柴油机后处理技术领域，特别是涉及一种防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法和系统。

背景技术

请参考图1，图1为设有颗粒物捕集器的柴油机的结构简示图。

柴油机的每个工作循环包括进气、压缩、做功和排气四个冲程。进气冲程中，空气通过进气管路11进入气缸12，进气管路11上设有进气节流装置111，以调节进入气缸12内的空气量；压缩冲程临近终了时，气缸12内的空气被压缩，处于高温高压状态；供油系统的喷油器向燃烧室内喷入雾状柴油，油雾与压缩空气充分混合，形成高温高压的燃气，并自行开始燃烧，推动活塞向下做功；排气冲程中，气缸12内燃烧的废气通过排气管路13排出，排气中存在大量的微粒排放物质，如果直接排入大气中，会污染环境。

为避免污染环境，柴油机排气系统中安装有颗粒物捕集器131（Diesel Particulate Filter，简称DPF），排气流经颗粒物捕集器131时，排气中的微粒排放物质经过拦截、扩散、重力沉降和惯性碰撞等过程被颗粒物捕集器131捕集。

随着柴油机工作时间的增加，颗粒物捕集器131上堆积的颗粒物越来越多，不仅会影响颗粒物捕集器131对排气的过滤效果，还会增加排气背压，影响柴油机的换气和燃烧，导致输出功率降低，油耗增加，所以，如何及时消除颗粒物捕集器131上的颗粒物，使颗粒物捕集器131再生至关重要。颗粒物捕集器131再生是指定期去除沉积的颗粒物，恢复颗粒物捕集器131的过滤性能。

主动再生是使颗粒物捕集器131再生的一种方法之一。当颗粒物捕集器131前后压差传感器检测到颗粒物捕集器131前后的背压过大时，认为已达到颗粒物捕集器131所能承受的颗粒物累积量，此时通过外界能量（如电加热器、燃烧器等）提高颗粒物捕集器131内的温度，使沉积的颗粒物氧化燃烧，达到再生的目的。但是，在主动再生过程中，若柴油机转速突然降低，甚至达到怠速工况时，排气流量会突然降低，使排气中氧浓度升高，颗粒物捕集器131中气流带走的热量减小，有可能导致颗粒物捕集器131内温度急剧上升至1000℃以上，远远超出使颗粒物氧化燃烧131的温度，致使颗粒物捕集器131烧熔和失效。

目前，为了避免颗粒物捕集器131烧熔，常采用的一种手段为：识别出颗粒物捕集器131主动再生，柴油机突然转入低速工况时，利用EGR（Exhaust Gas Recycling，排气再循环系统）阀和进气节流阀进行开环控制，降低排气中的氧浓度，减缓颗粒物捕集器131内颗粒物的燃烧速度，避免热量急剧上升。

然而，上述开环控制的方法需要对不同机型的柴油机的不同工况进行标定，工作量大，且无法精确控制柴油机的排气氧浓度，颗粒物捕集器131仍然存在较大的烧熔风险。

有鉴于此，如何精确控制柴油机的排气氧浓度，减缓颗粒物捕集器内颗粒物的燃烧速度，防止颗粒物捕集器烧熔，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法和系统，该方法和系统能够精确控制柴油机的排气氧浓度，减缓颗粒物捕集器内颗粒物的燃烧速度，防止颗粒物捕集器烧熔。

为解决上述技术问题，本发明提供一种防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法，包括如下步骤：

10）预存柴油机对应于颗粒物捕集器临界烧熔的设定转速和设定空燃比；

20）获取柴油机的当前转速；

30）比对柴油机的当前转速是否高于设定转速，是，则返回步骤20），否，进入步骤40）；

40）获取柴油机的当前排气氧浓度，并根据当前排气氧浓度对柴油机的实际空燃比进行闭环控制，使实际空燃比低于设定空燃比。

该种防止柴油机颗粒捕集器烧熔的方法，通过实时监测柴油机的排气氧浓度，对柴油机的实际空燃比进行闭环控制，与背景技术中的开环控制相比，精确度高，能够有效地控制排气氧浓度，从而减缓颗粒物捕集器内颗粒物的燃烧速度，防止颗粒物捕集器发生烧熔。而且，该方法和系统不需要对不同型号的柴油机的不同工况进行标定，不仅大大减少了工作量，也适用于任何采用主动再生法对颗粒物捕集器再生的柴油机。

优选地，步骤40）中的闭环控制包括如下步骤：

401）根据当前排气氧浓度计算柴油机的当前实际空燃比；

402）比对当前实际空燃比是否低于设定空燃比，是，则返回步骤401），否，进入步骤403）；

403）根据当前实际空燃比和设定空燃比的差值，计算并调节进气节流阀的开度。

优选地，步骤403）中，通过PID运算计算出进气节流阀的调节开度。

优选地，所述设定转速和所述设定空燃比均为范围值。

本发明还提供一种防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的系统，包括：

检测装置，获取柴油机的当前转速和当前排气氧浓度；

控制器，预存柴油机对应于颗粒物捕集器临界烧熔的设定转速和设定空燃比；比对柴油机的当前转速不高于设定转速时，根据当前排气氧浓度对柴油机的实际空燃比进行闭环控制，使实际空燃比低于设定空燃比。

该系统与上述方法的原理一致，能够达到相同的技术效果，这里不再赘述。

优选地，所述控制器根据当前排气氧浓度计算柴油机的当前实际空燃比，并比对当前实际空燃比不低于设定空燃比时，根据两者的差值计算并调节进气节流阀的开度。

优选地，所述控制器中计算进气节流阀开度的计算模块为PID计算模块。

优选地，所述控制器内预存的设定转速和设定空燃比均为范围值。

附图说明

图1为设有颗粒物捕集器的柴油机的结构简示图；

图2为本发明所提供防止柴油机颗粒物捕集器烧熔方法的一种具体实施例的流程图；

图3为防止柴油机颗粒物捕集器烧熔方法中闭环控制的原理示意图。

图1中：

进气管路11，进气节流装置111，气缸12，排气管路13，颗粒物捕集器131。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法和系统，该方法和系统能够精确控制柴油机的排气氧浓度，减缓颗粒物捕集器内颗粒物的燃烧速度，防止颗粒物捕集器烧熔。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。为便于理解和描述简洁，下文结合防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法和系统描述，有益效果不再重复论述。

请参考图2，图2为本发明所提供防止柴油机颗粒物捕集器烧熔方法的一种具体实施例的流程图。

该种防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法，包括如下步骤：

S10、预存柴油机对应于颗粒物捕集器临界烧熔的设定转速和设定空燃比；

本实施例提供一种防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的系统，该系统可以设置控制器，控制器中设有存储单元，该步骤中柴油机对应于颗粒物捕集器临界烧熔的设定转速和设定空燃比可预存于存储单元内，以备调用。

这里，柴油机对应于颗粒物捕集器临界烧熔的设定转速和设定空燃比是指，颗粒物捕集器存在烧熔风险时，柴油机的转速及空燃比，可以理解为使颗粒物捕集器烧熔的临界值。在实际设置时，可以根据颗粒物捕集器的碳载量等参数确定。

S20、获取柴油机的当前转速；

柴油机的当前转速可以在柴油机系统的检测装置中直接读取，也可设置专门的检测装置单独获取。具体地，检测柴油机转速的装置可以为转速传感器。

S30、比对柴油机的当前转速是否高于设定转速，是，则返回步骤S20，否，进入步骤S40；

S40、获取柴油机的当前排气氧浓度，并根据当前排气氧浓度对柴油机的实际空燃比进行闭环控制，使实际空燃比低于设定空燃比。

防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的系统，其控制器内可设置分析单元，获得柴油机的当前转速后，从控制器的存储单元内调出设定转速，并将该设定转速与柴油机的当前转速进行比较，若柴油机的当前转速高于该设定转速时，表明颗粒物捕集器不存在烧熔风险，重新获取柴油机的当前转速，进行比较。

若柴油机的当前转速不高于该设定转速时，表明颗粒物捕集器存在烧熔风险，对柴油机的实际空燃比进行闭环控制，使实际空燃比低于控制器内存储的设定空燃比，从而有效控制柴油机的排气氧浓度，减缓颗粒物捕集器内颗粒物的燃烧速度，防止颗粒物捕集器发生烧熔。

其中，柴油机的当前排气氧浓度，可以在柴油机系统的检测装置中直接读取，也可设置专门的检测装置单独获取。具体地，检测当前排气氧浓度的装置可以为设置于柴油机排气系统中的氧浓度传感器。

该防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法和系统，通过实时监测柴油机的排气氧浓度，对柴油机的实际空燃比进行闭环控制，与背景技术中的开环控制相比，精确度高，能够有效地控制排气氧浓度，从而减缓颗粒物捕集器内颗粒物的燃烧速度，防止颗粒物捕集器发生烧熔。而且，该方法和系统不需要对不同型号的柴油机的不同工况进行标定，不仅大大减少了工作量，也适用于任何采用主动再生法对颗粒物捕集器再生的柴油机。

请参考图3，图3为防止柴油机颗粒物捕集器烧熔方法中闭环控制的流程图。

具体地，上述步骤S40中的闭环控制包括如下步骤：

S401、根据当前排气氧浓度计算柴油机的当前实际空燃比；

防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的系统，其控制器内可设置计算单元，获得柴油机的当前排气氧浓度后，该计算单元可计算出柴油机的当前实际空燃比。

其中，柴油机的实际空燃比的计算方法如下：

根据柴油机燃烧的化学反应方程式

$C_c{H}_h{O}_o+(c+\frac{h}{4}-\frac{o}{2})O_2\→{\mathrm{cCO}}_2+\frac{h}{2}{H}_{2}O$

可计算出燃油消耗的氧气及生成物的摩尔量，从而推导出排气氧浓度的计算公式，可知排气氧浓度与过量空气系数有关，反推，即可得到过量空气系数的公式：

$\mathrm{\λ}=\frac{0.2098+0.2737{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Exh}}}{0.2095-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Exh}}};$

其中，λ表示过量空气系数，φ_Exh表示排气氧浓度；

而过量空气系数又等于实际空燃比与理论空燃比的比值；获知柴油的分子式，即可求得理论空燃比，所以，只要获知排气氧浓度，即可求得实际空燃比。

对于国产柴油，其中C、H、O三种元素的质量比为0.870：0.126：0.004，即柴油分子式可虚拟描述为C₂₉₀H₅₀₄O，其理论空燃比为14.297，从而实际空燃比α_实的计算公式为：

S402、比对当前实际空燃比是否低于设定空燃比，是，则返回步骤S401，否，进入步骤S403；

S403、根据当前实际空燃比和设定空燃比的差值，计算并调节进气节流阀的开度。

防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的系统，其控制器内还可设置另一分析单元，计算单元算出柴油机的当前实际空燃比后，从控制器的存储单元内调出设定空燃比，并将该设定空燃比与柴油机的当前实际空燃比进行比较，若柴油机的当前实际空燃比低于设定空燃比时，表明颗粒物捕集器不存在烧熔风险，重新计算柴油机的当前实际空燃比，进行比较。

若柴油机的当前实际空燃比不低于设定空燃比时，表明颗粒物捕集器存在烧熔风险，需要调节进气节流阀的开度，以调节进气量，从而控制柴油机的排气氧浓度，使柴油机的实际空燃比一直处于低于设定空燃比的状态。

其中，进气节流阀的开度可根据当前实际空燃比和设定空燃比的差值来计算调节。

具体地，可采用PID运算，将当前实际空燃比和设定空燃比的差值作为PID计算模块的输入量，经过PID计算模块计算后，得到进气节流阀的开度，将对应的信号输出至进气节流阀以调节其开度，从而控制柴油机的排气氧浓度；再根据实时检测的排气氧浓度，计算当前实际空燃比，并与设定空燃比进行比对，调节进气节流阀的开度，如此往复，直至柴油机的实际空燃比低于设定空燃比。

此外，上述实施例中，预存的设定转速和设定空燃比可以是范围值。基于颗粒捕集器的碳载量的不同，与颗粒捕集器临界烧熔对应的设定转速和设定空燃比可能并不为一固定值，而是出于某一特定区间，在实际设置时，优选将设定转速和设定空燃比设为范围值，该范围值可以根据试验或仿真确定。如此，可更好地防止颗粒捕集器烧熔。

以上对本发明所提供的防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法和系统均进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的方法，其特征在于，包括如下步骤：

10）预存柴油机对应于颗粒物捕集器临界烧熔的设定转速和设定空燃比；

20）获取柴油机的当前转速；

30）比对柴油机的当前转速是否高于设定转速，是，则返回步骤20），否，进入步骤40）；

40）获取柴油机的当前排气氧浓度，并根据当前排气氧浓度对柴油机的实际空燃比进行闭环控制，使实际空燃比低于设定空燃比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤40）中的闭环控制包括如下步骤：

401）根据当前排气氧浓度计算柴油机的当前实际空燃比；

402）比对当前实际空燃比是否低于设定空燃比，是，则返回步骤401），否，进入步骤403）；

403）根据当前实际空燃比和设定空燃比的差值，计算并调节进气节流阀的开度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤403）中，通过PID运算计算出进气节流阀的调节开度。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述设定转速和所述设定空燃比均为范围值。

5.一种防止柴油机颗粒物捕集器烧熔的系统，其特征在于，包括：

检测装置，获取柴油机的当前转速和当前排气氧浓度；

控制器，预存柴油机对应于颗粒物捕集器临界烧熔的设定转速和设定空燃比；比对柴油机的当前转速不高于设定转速时，根据当前排气氧浓度对柴油机的实际空燃比进行闭环控制，使实际空燃比低于设定空燃比。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器根据当前排气氧浓度计算柴油机的当前实际空燃比，并比对当前实际空燃比不低于设定空燃比时，根据两者的差值计算并调节进气节流阀的开度。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器中计算进气节流阀开度的计算模块为PID计算模块。

8.如权利要求5至7任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器内预存的设定转速和设定空燃比均为范围值。

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