CN105927326A - 船舶柴油机dpf自动再生装置及再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种DPF的辅助装置，特别涉及一种船舶柴油机DPF自动再生装置及再生方法。该再生装置包括排气管道、DPF、压差传感器、ECU、等离子体发生电源及电源电路，所述排气管道由进气排气管和出气排气管构成，DPF串联连接在进气排气管和出气排气管间，压差传感器的两个探头分别设置在DPF进气端和出气端，且压差传感器信号输出端接ECU的信号输入端，等离子体发生电源的控制端接ECU的信号输出端；DPF内具有多个孔道，在DPF孔道的上下两壁均布置有平行的极板。本发明能够实现自动监测、主动控制、完全再生，防止过滤器堵塞失效等功能。

Description

船舶柴油机DPF自动再生装置及再生方法

技术领域

本发明涉及一种DPF的辅助装置，特别涉及一种船舶柴油机DPF自动再生装置及再生方法。

背景技术

据统计，船舶发动机造成的大气污染已成为继机动车尾气污染、工业企业排放之后我国的第三大大气污染来源。随着环境保护问题的重要性日趋增加，降低船舶发动机有害排放物这一目标成为当今世界上发动机发展的一个重要方向。一般而言，在船舶使用的柴油发动的废气中大量含有一氧化碳、氮氧化物、颗粒状物质（碳烟）等有害成份。为了去除这种柴油发动机的排气气体中的有害物质，在船舶发动机后处理装置中设有柴油微粒过滤装置(Diesel ParticulateFilter，DPF），所谓DPF是指过滤、捕集废气中的颗粒状物质（Particulate Matter）的装置。

颗粒状物质（PM）或碳烟（Soot）被DPF捕集后，为了去除捕集的PM而执行再生过程，即使被DPF捕集的PM与氧气或其它氧化物质反应而使得氧化。现有技术方案中，发动机在采用“DOC+DPF”且DPF采用被动再生技术路线降低尾气排放时，DPF被动再生是依靠发动机排气热量使颗粒物和二氧化氮（DOC段的反应产物）燃烧实现的。该技术路线在DPF再生时存在的缺点是：当发动机在特定工况（如低速低负荷等工况）排气温度较低时，排气不能提供足够的热量使颗粒物和二氧化氮燃烧，从而导致DPF再生失败，排气系统背压上升，发动机性能恶化，严重时甚至存在导致整台发动机报废的隐患；且所述现有技术方案的使用范围有限，尤其不适用在低速低负荷等工况较多的公交车发动机上。而DPF主动再生需要在DPF中喷射燃油助燃，造成DPF再生的成本上升。

现有技术方案中，发动机DPF再生指的是当DPF中存储的颗粒物达到一定限度，通过压差传感器检测到DPF出口和入口压差升高到某一限值，必须采取措施除掉DPF中颗粒物的技术。DPF主动再生是指在DPF中喷射燃油助燃，推动DPF再生的技术；DPF被动再生指的是仅依靠发动机排气热量使DPF再生的技术。发动机在采用“DOC+DPF”且DPF采用被动再生技术路线降低尾气排放的原理是：DOC（氧化催化器）是发动机尾气净化氧化反应的主要场所，DPF（颗粒捕捉器）拦截并存储、燃烧排气中的颗粒物（PM）。

CN103758614A、名称“DPF自动再生系统及再生方法”，利用ART Electronic Control Unit（ECU）实时采集DPF两端的压力差，当压力达到再生设定值时，ART ECU控制柴油发动机排气后处理升温装置中的加热棒加热、控制空气阀打开向柴油发动机排气后处理升温装置中的供气管道供气、控制喷油泵向柴油发动机排气后处理升温装置中的输油管定量供油，从而实施DPF的再生。当ART ECU中的检测热电耦检测温度达到设定值时，表示再生完成，退出再生，停止柴油发动机排气后处理升温装置加热棒、喷油泵、空气阀的工作。但是该专利需要额外喷油影响了发动机的排气特性，同时增加了耗油量。

CN104564247A、名称“柴油发动机DPF低温再生点火器”，为了能够实现均恒再生，避免局部再生所带来的DPF捕集器假再生，改进了柴油发动机DPF的再生点火器，其包括点火棒总成、储热体总成、点火器燃烧室总成，点火器风叶外护套前端与点火棒总成连接，储热体总成、点火器燃烧室总成位于点器风叶外护套内，流体整流罩位于点火器风叶外护套内且直对点燃烧室总成后端，点火器风叶外护套后端与扰流器前端连通。但点火器和燃烧室温度较高，容易造成DPF再生损坏，同时在检测是否再生准确度不足。

除此之外，采用催化氧化进行DPF再生的技术也相对成熟，但催化氧化DPF中的积碳所需的再生温度较高，再生时间较长，也难以实现完全再生，同时催化氧化积碳所用的催化剂价格较高，寿命也不长，增加了整个尾气处理装置的成本。因此，亟须一种低成本，低能耗，高效率，又不影响发动机性能的DPF系统，使其在船舶尾气处理过程中发挥巨大的作用。

发明内容

本发明提供一种低成本，低能耗，高效率，又不影响发动机性能的船舶柴油机DPF自动再生装置，其能够实现自动监测、主动控制、完全再生，防止过滤器堵塞失效等功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种船舶柴油机DPF自动再生装置，该再生装置包括排气管道、DPF、压差传感器、ECU、等离子体发生电源及电源电路，所述排气管道由进气排气管和出气排气管构成，DPF串联连接在进气排气管和出气排气管间，压差传感器的两个探头分别设置在DPF进气端和出气端，且压差传感器信号输出端接ECU的信号输入端，等离子体发生电源的控制端接ECU的信号输出端；DPF内具有多个孔道，在DPF孔道的上下两壁均布置有平行的极板，其中一极板接于等离子体发生电源，另外一极板接地，使DPF的每个孔道的腔室均构成一个低温等离子体发生器。

为了实现船舶发动机排气的净化处理，DPF装置是船舶柴油机尾气PM脱除必不可少的一环，但是船舶较恶劣的运行条件以及较差的油质也对DPF装置提出了更高的要求。本发明设计了一种利用低温等离子体（NTP）主动再生船舶柴油DPF的装置，并能够实现，自动监测、主动控制、完全再生的船用DPF自动再生装置及再生方法。为了实现上述目的，本发明采用了以下的设计，一是使DPF中产生低温等离子体（NTP），利用NTP使得捕集下来的颗粒物被氧化，实现再生；二是采用基于DPF压差模型的再生开始判断和基于闭环压差控制的再生终止判断方法。

优选地，所述的极板布置在DPF的孔道内壁上，极板包括高压极板和接地极板，每层孔道的上下两层均分别布置有高压极板和接地极板，极板通过延伸至DPF壳体固定。

优选地，所述高压极板与接地极板之间的距离为5~8mm，每块极板的厚度为0.3~0.5mm，高压极板与接地极板的长度为100~200mm。

优选地，所述等离子体发生电源为高压高频交流电源或高压高频脉冲电源，高压高频交流电源的频率为50Hz～10kHz，峰值电压为10kV～60kV，高压高频脉冲电源脉冲频率为50Hz～10kHz，峰值电压为10kV～80kV，脉冲宽度为20μs～10ms。

一种船舶柴油机DPF自动再生方法，采用所述的再生装置，ECU实时采集DPF两端的压力差，当压力差达到再生设定值P1时，ECU控制再生装置中的等离子体发生电源放电，使DPF孔道内产生低温等离子体，氧化捕集下来的颗粒物，从而实施再生，当ECU检测到DPF两端的压力差信号达到终止再生的设定值P2时，表示再生完成，装置终止再生过程，停止再生装置的等离子体发生电源的供电。

优选地，所述船舶柴油机DPF自动再生方法中，选取的DPF开始再生的压差信号设定值为16~20kPa，终止再生的压差信号设定值为4~8kPa。

优选地，所述的再生方法具体为：

再生开始判断：通过ECU输入端从压差传感器获得的实时监测的压差信号来判断是否需要进入再生过程；当DPF使用初期，内部积存的PM较少，DPF两端的压差值在P1以下基本平衡；当DPF长时间使用，由于PM的积累，导致DPF发生堵塞现象，压差信号会持续上升，利用额定含量内和超出额定含量两种不同的压差来判定是否进入自动再生；压差信号反馈至ECU后，ECU对压差信号进行判断，当DPF两端压差信号值小于等于设定值P1，不启动再生程序；当DPF两端压差信号值大于设定值P1，启动再生程序；

再生程序启动后，ECU4对等离子体发生电源发出启动指令，等离子体发生电源启动后，在DPF2孔道的高压极板和接地极板间产生低温等离子体，PM被氧化实现再生，压差传感器测得的压差信号逐渐下降；

再生终止判断：当压差传感器测得的压差信号值达到设定值P2时，表明PM基本再生完成，压差信号反馈至ECU，ECU对等离子体发生电源发出停止指令，等离子体发生电源停止，再生终止。

本发明结合等离子体再生船舶柴油机DPF装置采用高压高频交流电源或高压高频脉冲电源等放电方式，输入能量更高，更易于调节；基于压差的等离子体能量输入控制，易于放大，运行更稳定；再生判断准确度高，再生时间短，再生完全；可以实现自动和主动再生。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明DPF再生装置中低温等离子发生装置结构图。

图3是本发明DPF主动再生装置进行再生的控制流程图。

图4是本发明DPF再生过程的阈值说明图。

图5是本发明DPF再生时间与实测排气背压曲线图。

图中： 11、进气排气管，12、出气排气管，2、DPF，3、压差传感器，4、ECU，5、等离子体发生电源，61、高压极板，62、接地极板。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1：

如图1和图2所示的一种船舶柴油机DPF自动再生装置，由排气管道、DPF2、压差传感器3、ECU4、等离子体发生电源5及电源电路组成，所述排气管道由与DPF的进气口连接的进气排气管11和与DPF的出气口连接的出气排气管12构成，DPF2串联连接在进气排气管11和出气排气管12之间，压差传感器3的两个探头31和32分别设置在DPF进气端和出气端，且压差传感器的信号输出端接ECU4的信号输入端，等离子体发生电源5的控制端接ECU的信号输出端。DPF内具有多个孔道，在DPF孔道的上下两壁均布置有平行的长方形的高压极板61和接地极板62，其中高压极板61的一端与等离子体发生电源相连，接地极板62的一端接地，使得DPF的每个孔道的腔室均构成一个低温等离子体发生器，作为船舶柴油机DPF再生的主要功能部件。DPF内的每个孔道都设有一组极板。

每层孔道的上下两层均分别布置有高压极板和接地极板，所述的高压极板和接地极板布置在DPF的孔道内壁上，通过延伸至DPF壳体固定。所述高压极板与接地极板之间的距离为5~8mm，每块极板的厚度为0.3~0.5mm，高压极板与接地极板的长度为100~200mm。

装置电路：船舶柴油发动机工作环境复杂，气候环境、工况环境、电磁环境恶劣。电控ECU在设计时必须充分考虑电路的单个元器件的适应性都达到复杂环境的应用，所有器件的工作温度选择都必须可以满足-45°C~95°C的工作范围。工况环境和电磁环境的变化带来电路噪声，最易影响的是电源等离子放电的稳定性，设计时充分考虑各个因数的影响，通过以下的电路设计保证设计的性能达到设计要求。

压差采集：分别将压差传感器3的探头置于DPF的进气端和出气端，探头31采集的进气端压力信号和探头32采集的出气端压力信号进入压差传感器将前后的压差信号转换为电信号接入ECU输入端，实现压力采集。

NTP控制：等离子体发生电源5的供电由船舶发动机提供，在DPF孔道的上下两壁布置有平行的长方形的高压极板61和接地极板62，高压极板61接等离子体发生电源5，接地极板62接地。

所述高压极板61和接地极板62的厚度为0.5mm，极板间的距离为5mm，电源功率为8kW，输出电压为15kV，频率为10kHz。

实施例2：

一种使船舶柴油机DPF实现自动再生的方法，采用实施例1的再生装置，控制流程图见图3，ECU实时采集DPF两端的压力差，当压力差达到再生设定值P1时，ECU控制再生装置中的等离子体发生电源放电，使DPF孔道内产生低温等离子体，氧化捕集下来的颗粒物，从而实施再生，当ECU检测到DPF两端的压力差信号达到终止再生的设定值P2时，表示再生完成，装置终止再生过程，停止再生装置的等离子体发生电源的供电。

上述自动再生的方法具体步骤如下：

再生开始判断：通过ECU4输入端从压差传感器3获得的实时监测的压差信号来判断是否需要进入再生过程。当DPF2使用初期，内部积存的PM较少，DPF2两端的压差值在P1以下基本平衡；当DPF2长时间使用，船舶平均行驶700km，由于PM的积累，导致DPF2发生堵塞现象，压差信号会持续上升，利用额定含量内和超出额定含量两种不同的压差来判定是否进入自动再生。压差信号反馈至ECU后，ECU对压差信号进行判断，当DPF两端压差信号值小于等于设定值P1，不启动再生程序；当DPF两端压差信号值大于设定值P1，启动再生程序。

再生程序启动后，ECU4对等离子体发生电源5发出启动指令，等离子体发生电源5启动后，在DPF2孔道的高压极板61和接地极板62间产生低温等离子体，PM被氧化实现再生，压差传感器3测得的压差信号逐渐下降。

再生终止判断：当压差传感器3测得的压差信号值达到设定值P2时，表明PM基本再生完成，压差信号反馈至ECU，ECU对等离子体发生电源5发出停止指令，等离子体发生电源5停止，再生终止。

所述DPF再生方法中选取的DPF开始再生的压差信号设定值P1为18kPa，终止再生的压差信号设定值P2为6kPa，从而实现对船舶柴油机DPF装置自动再生。DPF再生过程的阈值说明图如图4所示，开始与终止再生的压差信号值通过实验优选得到，该图可以看出本发明装置可以实现DPF的连续主动再生，再生时间短，效果明显。

采用实施例1的装置对某船舶柴油机DPF排气端的排气背压进行检测，DPF再生时间与实测排气背压曲线图如图5所示，当DPF长时间未再生时，具有较高的排气背压，DPF脱除碳烟效率将会下降并会对发动机性能造成显著影响。采用本发明DPF再生装置开始再生时，排气背压迅速下降，在再生后250s时，排气背压已经降到6kPa以下，沉积物基本处理完全，船舶柴油机DPF恢复正常使用。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (7)

1. 一种船舶柴油机DPF自动再生装置，其特征在于：该再生装置包括排气管道、DPF、压差传感器、ECU、等离子体发生电源及电源电路，所述排气管道由进气排气管和出气排气管构成，DPF串联连接在进气排气管和出气排气管间，压差传感器的两个探头分别设置在DPF进气端和出气端，且压差传感器信号输出端接ECU的信号输入端，等离子体发生电源的控制端接ECU的信号输出端；DPF内具有多个孔道，在DPF孔道的上下两壁均布置有平行的极板，其中一极板接于等离子体发生电源，另外一极板接地，使DPF的每个孔道的腔室均构成一个低温等离子体发生器。

2.根据权利要求1所述的船舶柴油机DPF自动再生装置，其特征在于：所述的极板布置在DPF的孔道内壁上，极板包括高压极板和接地极板，每层孔道的上下两层均分别布置有高压极板和接地极板，极板通过延伸至DPF壳体固定。

3.根据权利要求2所述的船舶柴油机DPF自动再生装置，其特征在于：所述高压极板与接地极板之间的距离为5~8mm，每块极板的厚度为0.3~0.5mm，高压极板与接地极板的长度为100~200mm。

4.根据权利要求1所述的船舶柴油机DPF自动再生装置，其特征在于：所述等离子体发生电源为高压高频交流电源或高压高频脉冲电源，高压高频交流电源的频率为50Hz～10kHz，峰值电压为10kV～60kV，高压高频脉冲电源脉冲频率为50Hz～10kHz，峰值电压为10kV～80kV，脉冲宽度为20μs～10ms。

5. 一种船舶柴油机DPF自动再生方法，其特征在于：采用权利要求1所述的再生装置，ECU实时采集DPF两端的压力差，当压力差达到再生设定值P1时，ECU控制再生装置中的等离子体发生电源放电，使DPF孔道内产生低温等离子体，氧化捕集下来的颗粒物，从而实施再生，当ECU检测到DPF两端的压力差信号达到终止再生的设定值P2时，表示再生完成，装置终止再生过程，停止再生装置的等离子体发生电源的供电。

6.根据权利要求5所述的船舶柴油机DPF自动再生方法，其特征在于：所述船舶柴油机DPF自动再生方法中，选取的DPF开始再生的压差设定值为16~20kPa，终止再生的压差设定值为4~8kPa。

7.根据权利要求5所述的船舶柴油机DPF自动再生方法，其特征在于：所述的再生方法具体为：

再生开始判断：通过ECU输入端从压差传感器获得的实时监测的压差信号来判断是否需要进入再生过程；当DPF使用初期，内部积存的PM较少，DPF两端的压差值在P1以下基本平衡；当DPF长时间使用，由于PM的积累，导致DPF发生堵塞现象，压差信号会持续上升，利用额定含量内和超出额定含量两种不同的压差来判定是否进入自动再生；压差信号反馈至ECU后，ECU对压差信号进行判断，当DPF两端压差信号值小于等于设定值P1，不启动再生程序；当DPF两端压差信号值大于设定值P1，启动再生程序；

再生程序启动后，ECU4对等离子体发生电源发出启动指令，等离子体发生电源启动后，在DPF2孔道的高压极板和接地极板间产生低温等离子体，PM被氧化实现再生，压差传感器测得的压差信号逐渐下降；

再生终止判断：当压差传感器测得的压差信号值达到设定值P2时，表明PM基本再生完成，压差信号反馈至ECU，ECU对等离子体发生电源发出停止指令，等离子体发生电源停止，再生终止。