CN105221220B - 一种基于ntp技术的dpf再生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于NTP技术的DPF再生方法，包括NTP发生器，智能电子冲击机，电动气泵，PID控制器，DPF，质量流量传感器，气体分析仪和喷嘴。空气经NTP发生器放电产生具有强氧化性的活性物质，经喷嘴雾化后进入排气管道中，随排气一起进入DPF，氧化分解PM。PID控制器基于排气质量流量信号和气体分析仪信号选择性地开启智能电子冲击机和电动气泵，控制NTP发生器的开启。对DPF进行在线再生和离线再生相结合的再生策略，并对DPF定期进行完全再生，延长DPF的使用周期。本发明装置结构简单，采用空气为气源，能耗低取材方便，无须添加催化剂便可实现DPF的低温再生，避免了DPF传统再生所面临的高温损坏及催化剂中毒现象，对延长DPF的寿命具有重要意义。

Description

一种基于NTP技术的DPF再生方法
技术领域
本发明属于发动机后处理技术领域，更具体地涉及一种DPF在线再生方法。
技术背景
与汽油机相比，柴油机排放的HC和CO较低，通常仅为汽油机的十几分之一；NOX排放量与汽油机大致处于同一数量级；但其颗粒物(Particulate Matter，PM)排放水平远高于汽油机，约为汽油机的30～80倍。研究表明，PM的粒径大都属于亚微米级粒子和纳米级粒子，能长期悬浮于空气中，几乎全部可进入人体内。PM中的可溶性有机成分(SolubleOrganic Fraction，SOF)具有诱变作用，其中的苯并芘等多环芳香烃化合物(PolyaromaticHydrocarbons,PAHs)具有致癌和促癌作用。PM的排放给环境带来严重污染的同时，也给人类健康造成了巨大的威胁。欧盟最新的排放法规对PM的质量排放和数量排放都进行了限制。为满足日益严格的排放法规，柴油机微粒捕集器(Diesel Particular Filter，DPF)技术应运而生。目前，该技术被认为是处理PM排放最为有效的手段，过滤效率可达到90％以上。
DPF通常采用璧流式滤芯结构，在过滤层相邻的通道中，选择两端中的任意一端堵塞，从而强迫废气通过多孔壁面，实现对PM的捕集。但PM捕集量的增加会导致DPF堵塞，造成排气背压升高、油耗增加、柴油机性能下降等后果，影响柴油机的正常排放。如何实现DPF的再生是该技术发展的关键。
目前国内外主要的DPF再生技术有热再生技术、催化再生技术和连续再生技术。热再生技术是利用外部能源直接加热燃烧PM，温度通常要达到650℃以上，如电加热再生、微波加热再生和喷油助燃再生等。但这类再生方法能耗大、成本高、载体结构易损坏，使用受到限制。催化再生技术是在燃油中添加催化剂或者在DPF上涂覆催化剂涂层，将DPF的再生温度降低到200℃～400℃。但这类再生方法要求燃油含硫量低于50×10-6，不符合大多数国家的国情，故催化再生易出现催化剂硫中毒和PM氧化反应不充分等问题。连续再生技术利用催化剂将柴油机尾气中的NO转化成NO2，利用NO2的强氧化性氧化PM，从而完成再生。但连续再生同样要求燃油含硫量低于50×10-6，短期内不能达到该项技术的要求，难以得到推广应用。可见，传统的再生方法由于自身存在的缺点，使用均受到限制。
低温等离子体(Non-thermal Plasma，NTP)技术是一种新型的工业去污方法，所产生的活性物质可使常规条件下不易实现的化学反应得以启动，是解决未来柴油机排气污染问题最有前途的一项技术。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于NTP技术的DPF再生装置及
再生方法，是解决未来柴油机排气污染问题最有前途的一项技术。
本发明提供的一种基于NTP技术的DPF再生装置，包括NTP发生器、智能电子冲击机、电动气泵、PID控制器、DPF、喷嘴、排气管道；所述DPF安装于排气管道中，喷嘴设置在排气管道的管壁上，所述喷嘴处于所述DPF的上游；所述喷嘴上游的排气管道壁上连接有质量流量传感器，所述质量流量传感器连接所述PID控制器；所述DPF下游的排气管道壁上连接有气体分析仪，所述气体分析仪连接PID控制器；所述喷嘴连接所述NTP发生器的出口，所述NTP发生器的入口连接所述电动气泵，所述电动气泵连接所述PID控制器；所述NTP发生器连接所述智能电子冲击机，所述智能电子冲击机连接所述PID控制器。所述喷嘴(8)安装于所述DPF(5)上游10cm处，使雾化的活性气体与排气在进入DPF前已进行充分接触。
一种基于NTP技术的DPF再生方法，包括如下步骤：
步骤一：利用质量流量传感器实时监测排气管内的排气质量流量c>0,即柴油机为开启状态，将信号传送到PID控制器中；
步骤二：PID控制器接收到信号的同时，开启所述智能电子冲击机和电动气泵，控制智能电子冲击机输出电压为19kV，输出频率为7kHz，控制电动气泵流量为5L/min，空气经NTP发生器放电产生活性物质，活性物质包括O、OH、O3、NO2；
步骤三：所述NTP发生器产生的活性物质流经管道，经所述喷嘴雾化后进入排气管道中，与排气一起进入DPF；
步骤四：NTP活性物质进入DPF后，与沉积在DPF内部的PM发生氧化分解反应，其中O3和NO2对PM的分解起主要作用。主要化学反应方程式如下式所示。
C+O3→CO+O2
C+2O3→CO2+2O2
C+2NO2→CO2+2NO
C+NO2→CO+NO
上述反应可以看出，PM分解的主要产物为CO、CO2，可将两者的体积分数信号作为DPF是否完全再生的标志，NTP对DPF进行在线再生，边加载边去除PM，减缓PM的加载，延长柴油机正常工作时间，增长DPF的使用周期；
步骤五：NTP活性物质持续进入DPF中，持续时长t1,t1由柴油机的实际工作情况而定，当质量流量传感器无信号输入时，排气质量流量c＝0,柴油机为关闭状态，PID控制器通过判断DPF中沉积的PM的质量Cm和设定值C0的大小来下达指令；
C0为预先写入PID控制器的临界值，C0值与柴油机的型号相关，C0值的上限为能保证柴油机正常工作的临界值；
若Cm＜C0，则关闭智能电子冲击机和电动气泵；
若Cm≥C0，则保持智能电子冲击机和电动气泵为开启状态；
PID控制器重新开始计时，记为t2，此时柴油机为非工作状态，不再对DPF加载PM，NTP活性物质对DPF进行在线再生，去除DPF内部已沉积的PM；
持续时长t2后，若排气质量流量c>0,柴油机再次开启，则返回步骤三,否则进入步骤六；
步骤六：持续时长t2后，若气体分析仪监测到CO、CO2的体积分数均为零，PM分解完全，DPF实现完全再生，Cm清零，关闭所述智能电子冲击机和电动气泵。
PID控制器对所接受的信号值进行实时积分计算，得出DPF中沉积的PM质量Cm,Cm＝∫cdt1-∫vdt2，v为预先写入的PM去除速率，c为排气质量流量。
本发明的有益效果：1、自行设计的DPF再生装置，结构简单，采用空气为气源，能耗低且取材方便。2、NTP技术再生DPF，无须添加催化剂便可实现DPF的低温再生，从而避免了DPF传统再生所面临的高温损坏及催化剂中毒的现象。3.低温环境下的再生使得DPF内部各位置的温度远低于DPF的最高使用温度，且DPF的轴向和径向温度梯度均小于DPF温度梯度极限，对延长DPF的寿命具有重要的意义。4.对DPF进行在线再生和离线再生相结合的再生策略，并对DPF定期进行完全再生，在保证柴油机正常工作的情况下，延长了DPF的使用周期。
附图说明
图1为基于NTP技术再生的DPF再生装置系统示意图。
图2为基于NTP技术再生的DPF再生流程图。
图中：1-NTP发生器；2-智能电子冲击机；3-电动气泵；4-PID控制器；5-DPF；6-质量流量传感器；7-气体分析仪；8-喷嘴；9-排气管道。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明内容作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
所用示例柴油机型号为YD480Q，表1为其技术性能参数。
表1
如图1所示，一种基于NTP技术再生的DPF再生装置，包括NTP发生器1、智能电子冲击机2、电动气泵3、PID控制器4、DPF5、喷嘴8、排气管道9；所述DPF5安装于排气管道9中，喷嘴8设置在排气管道9的管壁上，所述喷嘴8处于所述DPF5的上游10cm处；使雾化的活性气体与柴油机排气在进入DPF前已进行充分接触。所述喷嘴8上游的排气管道壁上连接有质量流量传感器6，实时监测排气管内的排气质量流量c，所述质量流量传感器6连接所述PID控制器4，用以接收所述质量流量传感器6的信号；所述DPF5下游的排气管道壁上连接有气体分析仪7，气体分析仪7监测排气中CO、CO2的体积分数，所述气体分析仪7连接PID控制器4，PID控制器4用以接收气体分析仪7的信号；所述喷嘴8连接所述NTP发生器1的出口，所述NTP发生器1的入口连接所述电动气泵3，用以向NTP发生器1提供气源，所述NTP发生器(1)产生的强氧化性物质在所述电动气泵(3)所提供的压力下经管道进入喷嘴(8)，所述喷嘴8将雾化的活性气体喷入DPF5中；所述电动气泵3连接所述PID控制器4，所述PID控制器4用以控制所述电动气泵3的开启和关闭；所述NTP发生器1连接所述智能电子冲击机2，所述智能电子冲击机2用以提供NTP发生器1工作时的放电电压和放电频率；所述智能电子冲击机2连接所述PID控制器4，PID控制器4用以控制智能电子冲击机2的开启和关闭，并控制其输出电压和输出频率。
如图2所示，柴油机一旦启动，则控制过程开始，质量流量传感器6测得柴油机排气质量流量信号c实时传送至PID控制器4。在步骤201中，PID控制器4根据质量流量传感器6获取柴油机排气质量流量c。
进入控制步骤202，一经测得c>0，则进入步骤203、204并开始计时，控制智能电子冲击机2输出电压为19kV，输出频率为7kHz设定值，电动气泵3吸入空气，控制其流量为5L/min。空气经NTP发生器1放电产生活性物质(O3、NO2和O等)，流经管道，经所述喷嘴8雾化后进入排气管道中，与排气一起进入DPF5，继续与沉积在DPF5内的PM反应。
NTP活性物质持续进入DPF5中，持续时长t1，t1为某一不定的值，由柴油机的实际工作情况而定。当质量流量传感器无信号输入时，c＝0，即柴油机为关闭状态，PID控制器4通过判断DPF5中沉积的PM的质量Cm和C0值的大小来下达指令，C0为预先写入PID控制器的临界值。若Cm＜C0，则进入步骤212，关闭所述智能电子冲击机2和电动气泵；若Cm≥C0，则进入步骤208，保持智能电子冲击机2和电动气泵3为开启状态，PID控制器4重新开始计时，记为t2。此时柴油机为非工作状态，不再对DPF5加载PM，NTP发生器1对DPF5进行在线再生，去除DPF5内部已沉积的PM。
持续时长t2后，若c>0，柴油机再次开启，则返回步骤205,否则进入步骤210；若气体分析仪7监测到CO、CO2的体积分数均为零，则说明PM分解完全，DPF5实现完全再生。Cm清零，关闭所述智能电子冲击机和电动气泵，控制过程结束。
在步骤207中，C0值的设置与柴油机的型号相关，其上限为能保证柴油机正常工作的临界值。示例柴油机所预设的C0＝20g。一旦控制过程开始，PID控制器对所接受的信号值进行实时积分计算，得出DPF内沉积的PM质量Cm＝∫cdt1-∫vdt2，v为预先写入的PM去除速率。
步骤205～210中，DPF5再生对温度几乎没有要求。试验可知，利用NTP活性物质对DPF5进行再生，从室温，试验最低温度为17℃，到400℃均可发生反应，从而分解PM，当温度在100℃-200℃之间时，再生速率较为理想。故利用NTP技术再生DPF5，无需加装电加热装置或预喷装置来提高DPF5温度，不仅节约了能源和成本，而且避免了高温再生产生的DPF5热损坏和塌陷现象，有利于延长DPF5的使用寿命。
步骤207和210的设计旨在实现一种DPF5再生的新策略，对DPF5做到时用时清理，定时大清除，在保证发动机性能的前提下，最大化的利用DPF5控制PM排放，提高DPF5的效率和使用寿命。
所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于NTP技术的DPF再生方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：利用质量流量传感器(6)实时监测排气管道(9)内的排气质量流量c,c>0即柴油机为开启状态，并将信号传送到PID控制器(4)中；
步骤二：PID控制器(4)接收到信号c>0的同时，开启智能电子冲击机(2)和电动气泵(3)，控制智能电子冲击机(2)输出电压为19kV，输出频率为7kHz，控制电动气泵(3)流量为5L/min，空气经NTP发生器(1)放电产生活性物质，活性物质包括O、OH、O3、NO2；
步骤三：NTP发生器(1)产生的活性物质流经管道，经喷嘴(8)雾化后进入排气管道(9)中，与排气一起进入DPF(5)；
步骤四：NTP活性物质进入DPF(5)后，与沉积在DPF(5)内部的PM发生氧化分解反应，其中O3和NO2对PM的分解起主要作用，PM分解的主要产物为CO、CO2，将CO、CO2的体积分数信号作为DPF(5)是否完全再生的标志；NTP活性物质对DPF(5)进行在线再生，边加载边去除PM，减少DPF(5)内部PM的沉积量，延长柴油机正常工作时间，增长DPF的使用周期；
步骤五：NTP活性物质持续进入DPF(5)中，持续时长t1，t1由柴油机的实际工作情况而定，当质量流量传感器(6)无信号输入时，排气质量流量c＝0，柴油机为关闭状态，PID控制器(4)通过判断DPF(5)中沉积的PM的质量Cm和设定值C0的大小来下达指令；
若Cm＜C0，则关闭智能电子冲击机(2)和电动气泵(3)；
若Cm≥C0，则保持智能电子冲击机(2)和电动气泵(3)为开启状态；
PID控制器(4)重新开始计时，记为t2，此时柴油机为非工作状态，不再对DPF(5)加载PM，NTP活性物质对DPF(5)进行在线再生，去除DPF内部已沉积的PM；
持续时长t2后，若排气质量流量c>0，柴油机再次开启，则返回步骤三，否则进入步骤六；
步骤六：持续时长t2后，若气体分析仪(7)监测到CO、CO2的体积分数均为零，PM分解完全，DPF(5)实现完全再生，Cm清零，关闭智能电子冲击机(2)和电动气泵(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于NTP技术的DPF再生方法，其特征在于，步骤五中C0为预先写入PID控制器(4)的临界值，C0值与柴油机的型号相关，C0值的上限为能保证柴油机正常工作的临界值。
3.根据权利要求1所述的一种基于NTP技术的DPF再生方法，其特征在于，PID控制器(4)对所接受的信号值进行实时积分计算，得出DPF(5)中沉积的PM质量Cm，Cm＝∫cdt1-∫vdt2，v为预先写入的PM去除速率，c为排气质量流量。
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