CN107664049A - 一种变压式柴油机微粒静电捕集再生系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种变压式柴油机微粒静电捕集再生系统及其控制方法，旨在在减少不必要的电能损耗的前提下，对柴油机排气微粒进行高效捕集。该装置主要分为四个模块：第一模块为电子控制单元信息处理，第二模块为变压器组调压工作电路，第三模块为尾气处理装置。第四模块为捕集器的再生装置。本发明按照下述步骤进行：传感器接收微粒浓度信号，ECU对信号进行处理并向变压电路发送指令进行相应的电压切换，静电微粒捕集器对来流尾气中的微粒进行捕集，当排气背压超出设定时，系统启动再生。此装置无需一直提供高压电，降低了电能的损耗，同时控制精确，提高了捕集效率。
Description
技术领域
本发明主要涉及柴油机排气微粒(PM颗粒)的节能高效捕集，属于内燃机节能减排领域，进一步阐述的是一种变压式柴油机微粒静电捕集再生系统及控制方法。
背景技术
柴油机排气污染物主要有CO,HC,NOx以及微粒(Diesel engine partcles s)，而柴油机尾气中最突出的是排气微粒问题，特别是微粒直径在2μm以下的微粒会在人体的肺部沉积，逐步引起慢性疾病，例如肺气肿，肺癌等。所以，柴油机的排气对于人体的身体健康影响非常大，必须采取强有力的措施来控制其排放。目前，对于微粒的处理主要有三种手段：第一种是机前处理，如改变混合气的形成，使用燃油添加剂等；第二种是机内净化，如电控技术，EGR，分层燃烧等；第三种是后处理器，如柴油机催化氧化器(DOC)，柴油机微粒捕集器(DPF)等。
上述所提到的柴油机微粒捕集器中应用最广泛的是陶瓷过滤器。捕集效率可达50％-70％，它是一个由简单的陶瓷或连续再生碳化硅构成的过滤器。但这高效的技术并非没有限制，这种过滤器排气阻力大、工作不可靠，结构复杂和造价成本高，同时对于纳米级别的微粒的吸附效率很低。这在一定程度上增加了柴油车的成本以及降低了柴油机的性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统陶瓷过滤器存在的缺点，同时本着提高捕集效率，最大限度的节约电能的原则，提出了可以适应发动机不同工况的一种变压式柴油机微粒静电捕集再生系统及其控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，并附图说明。
一种变压式柴油机微粒静电捕集再生系统及控制方法，捕集器安装在车辆排气总管上，主要由柴油发动机1，发动机排气总管2，控制单元(ECU)3，微粒捕集器圆柱形壳体4，不锈钢丝网收尘极5，不均匀芒刺电极组6，绝缘支撑体7，压力校正传感器8，高频升压变压器组9，集尘箱10，空气压缩机11，电源12、13，电动蝶阀14、17、19、20，微粒浓度传感器15，压力传感器16，导流风扇18、27，电磁阀21、22、23、28，连接螺栓24，绝缘垫圈25，法兰26组成。
所述的高频升压变压器组包含两个电压输出端，分别与捕集器的芒刺电极相连，提供不同大小的电压值；所述的芒刺电极为不均匀铜质芒刺电极组，在入口处安排密度较大的芒刺组，依次向后，芒刺密度逐渐降低，芒刺电极与负极相连，当对电极施加外电压放电时，使微粒能够快速荷电至饱和状态，在捕集器空间中形成一个前段强，后端弱的电场，在电场力的作用下，微粒向收尘极运动并被捕集；所述的微粒浓度传感器安装在捕集器前部，感应来流尾气中的微粒浓度，将信号传给ECU；所述的压力传感器安装在捕集器前端，用于检测捕集器的排气背压，将信号传给ECU；所述的压力校正传感器安装在捕集器后端，用于检测捕集器尾部的排气压力，将信号传给ECU，ECU根据两个传感器的传送的信号，发出下一步的指令；所述的电动蝶阀用于控制排气管、集尘箱以及空气压缩机通道的开闭；所述的电磁阀用于控制变压器电路的通断，以及导流风扇的工作状态；所述的ECU接收来自各个传感器以及电磁阀，电动蝶阀的信号，控制相应部件的工作状态；所述的不锈钢丝网收尘极采用不同目数的组合形式呈管状布置在芒刺放电极的周围，同时接地；所述的微粒捕集器的外壳设计成圆筒型，同时，将捕集器尾部设计成具有一定斜度的漏斗形，以便于加大捕集器尾部尾气的流速，避免尾气在捕集器中拥堵，使排气顺利排出；所述的导流风扇用于增强捕集其再生时的空气流动程度，在捕集器尾部上下对称分布；所述的法兰用于连接微粒捕集器和发动机排气总管；所述的连接螺栓以及绝缘支撑体用于将不锈钢丝网收尘极固定在捕集器内；所述的绝缘垫圈安装在连接螺栓上，保证金属丝滤网和捕集器壳体之间的绝缘效果。
与现有的技术比较，本发明的主要创新点在于：
(1)对尾气中的微粒浓度实现电子控制，控制精确，工作可靠。
(2)所述的静电微粒捕系统，结构简单，集捕集再生与一体，且能够实现自动控制，维修周期长，具有较高的捕集效率(70％-90％)，和很小的排气阻力(0.5-3Kpa)。
(3)该捕集器比起传统的过滤装置，将金属板或者管壁改成具有一定目数的不锈钢丝滤网，可以吸收纳米级别的柴油机排气微粒。
(4)静电捕集器采用不均匀芒刺电极组，在捕集器前部安置密度高的芒刺，可以满足处理入口处较多尾气的要求，同时使芒刺组工作更加合理，提高捕集器的捕集效率。
(5)通过外加变压器组电路，可以根据微粒浓度的变化，改变捕集器的工作电压，不仅可以保证捕集效率，而且还能在发动机各个工况下，使捕集器始终处于一个最合适的工作电压下，较现有的静电捕集装置始终处于高电压状态下，该装置可以有效的节约电能。
附图说明
图1变压式柴油机微粒静电捕集再生系统的总体连接示意图。
图2静电微粒捕集器的剖视图。
图3静电微粒捕集器K向视图。
图中：1-发动机 2-排气总管 3-ECU 4-捕集器圆柱形壳体 5-不锈钢丝网收尘极6-不均匀芒刺电极组 7-绝缘支撑体 8-压力校正传感器 9-高频升压变压器组 10-集尘箱11-空气压缩机 12-电源 13-电源 14、17、19、20-电动蝶阀 15-微粒浓度传感器 16-压力传感器 18-导流风扇 21、22、23-电磁阀 24-连接螺栓 25-绝缘垫圈 26-法兰
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行进一步的描述。
如附图1、2、3所示，该装置主要由柴油发动机1，发动机排气总管2，控制单元(ECU)3，微粒捕集器圆柱形壳体4，不锈钢丝网收尘极5，不均匀芒刺电极组6，绝缘支撑体7，压力校正传感器8，高频升压变压器组9，集尘箱10，空气压缩机11，电源12、13，电动蝶阀14、17、19、20，微粒浓度传感器15，压力传感器16，导流风扇18，电磁阀21、22、23，连接螺栓24，绝缘垫圈25，法兰26组成。该装置主要分为四个模块：第一模块为电子控制单元信息处理，第二模块为变压器组调压工作电路，第三模块为尾气处理装置。第四模块为捕集器的再生装置。
第一模块中，微粒浓度传感器根据捕捉到的微粒浓度，向ECU发送信息，ECU根据传感器反馈的信号，做出相应的判断，对信号进行处理，控制变压器组电路的电磁阀的开闭，实现对电压的调节；压力传感器以及压力校正传感器捕捉捕集器内的压力，并将信号传至ECU，ECU根据信号调节电动蝶阀的开闭，控制捕集器的再生；ECU通过控制电磁阀的开闭，调节风扇的开关，使风扇在捕集器再生的时候开始工作，增加捕集器内的空气扰动，利于再生。
第二模块中，高频升压变压器组电路根据ECU发来的指令，控制外加电源的供电与否，不同电源与变压器组中不同绕组的变压器相连，实现对捕集器提供不同高低的电压值。不同的电压值可以在ECU的控制下，在发动机不同工况下实现自动切换，可以适应不同浓度的尾气处理。
第三模块中，主要涉及尾气的捕集装置，对芒刺电极施加负直流高压电，电极放电，使空气电离，空间中充满正负离子以及电子，在此状态下，进入捕集器的微粒充分快速的荷电至饱和状态，在电场力的作用下向正极运动并最终运动至不锈钢丝收尘极被捕集。
第四模块中，主要包括静电微粒捕集器的再生装置，当压力传感器检测的排气背压超过设定值时，捕集状态关闭，捕集器进入再生状态，空气压缩机将压缩空气迅速进入捕集器，同时风扇开始工作，将金属丝网上的微粒吹落，最后微粒进入集尘箱被收集，实现静电微粒捕集器的再生。
整个系统的控制方法是：
发动机在不同工况下运行时，所产生的尾气中微粒浓度不同。一般的静电捕集器无论尾气中微粒浓度多高，其始终处于一个高压状态，以保证捕集效率，而且芒刺电极采用均匀分布。本发明一种变压式柴油机微粒静电捕再生系统，可以根据发动机的不同工况，做出相应的电压变换，同时集捕集再生于一体，保证捕集效率，节约能源。
在冷启动，加速和大负荷工况的工况下，由于发动机喷油量增加，燃烧恶化，缸内燃,烧不完全，导致尾气中微粒浓度较高，此时，电动蝶阀14、20打开，电动蝶阀17、19关闭，电磁阀23、28关闭，尾气经发动机进入到排气总管2，当尾气流经微粒浓度传感器15时，微粒浓度传感器15将浓度信号发送至ECU3，ECU3控制电磁阀21接通，电磁阀22关闭，电源12向高频升压变压器组9通电，此时向芒刺电极组6输送高压电，使微粒流经捕集器空间时被捕集。同时由于捕集器前部微粒浓度较高，安置密度大的芒刺电极，能够充分快速放电，使微粒荷电。此两者结合，可以使在微粒浓度高的工况下，尾气在经过捕集器的这段时间内能够保证微粒充分吸附，提高捕集效率。
在怠速，中小负荷等工况下，此时，发动机处于一个比较理想的燃烧状态，燃烧比较完全，尾气中的微粒浓度较低。此时，电动蝶阀14、20打开，电动蝶阀17、19关闭，电磁阀23、28关闭，ECU3根据浓度传感器15反馈的浓度信号，控制电磁阀22接通，电磁阀21关闭，电源13接入电路，经高频升压变压器组9向芒刺电极组6输送相对低的高压电，此时的工作电压能够保证低微粒浓度下的微粒充分荷电，同时在不均匀芒刺电极的配合下，保证微粒静电捕集器的捕集效率。
当压力传感器16检测到捕集器空间中的排气背压超过设定值时，经过压力校正传感器的校正8后，ECU3控制电动蝶阀14、20关闭，电动蝶阀17、19打开，电磁阀21、22关闭，捕集器断电。空气压缩机11将压缩空气沿排气流动方向相反的方向迅速充入捕集器，此时电磁阀23、28接通，导流风扇18、27工作，增加捕集器内空气的扰动程度，使微粒能够快速脱落。最终，微粒在集尘箱10收集，实现静电微粒捕集器的再生，当压力传感器检测到排气背压低于设定值时，系统停止再生，在ECU的控制下切换到捕集状态。
Claims (3)
1.一种变压式柴油机微粒静电捕集再生系统，捕集器安装在车辆排气总管上，主要由柴油发动机(1)，发动机排气总管(2)，控制单元ECU(3)，微粒捕集器圆柱形壳体(4)，不锈钢丝网收尘极(5)，不均匀芒刺电极组(6)，绝缘支撑体(7)，压力校正传感器(8)，高频升压变压器组(9)，集尘箱(10)，空气压缩机(11)，电源(12)、(13)，电动蝶阀(14)、(17)、(19)、(20)，微粒浓度传感器(15)，压力传感器(16)，导流风扇(18)、(27)，电磁阀(21)、(22)、(23)、(28)，连接螺栓(24)，绝缘垫圈(25)，法兰(26)组成。
2.根据权利要求书1所述的一种变压式柴油机微粒静电捕集再生系统，其特征在于，金属丝网收尘极采用不同目数组合的不锈钢丝网过滤体，形状为圆筒形，芒刺电极设计成不均匀芒刺电极组，捕集器入口处密度大，依次往后密度减小，以保证捕集效率。
3.一种变压式柴油机微粒静电捕集再生系统的控制方法，其步骤包括，在冷启动，大负荷工况下，微粒浓度高，根据微粒浓度传感器的信号，ECU发送指令给变压电路，控制电路通电，使变压器组输出高电压，同时配合不均匀芒刺电极组，捕集微粒；当在怠速，中小负荷等工况下，微粒浓度低，根据微粒浓度传感器的信号，ECU发送指令给变压电路，是变压器组输出相对低的电压，同时配合不均匀芒刺电极组，捕集微粒；当压力传感器检测到排气背压值超过设定值时，ECU根据压力传感器以及压力校正传感器的信号控制系统进行再生，最终微粒在集尘箱被收集；整个过程集收集与再生与一体。
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2017
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