CN108131188B - 微粒过滤器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微粒过滤器控制系统，其特征是：包括气体扩散模块，计算气体成分及微粒物扩散到排气与过滤器载体接触表面上的摩尔浓度变化速率；过滤器过滤模块，计算过滤器捕集的微粒物的质量变化速率；过滤器载体气体浓度变化计算模块，计算模块计算在载体与排气接触表面由于化学反应引起的过滤器载体气体成分摩尔浓度变化速率；过滤器载体气体浓度计算模块，计算排气中各种气体成分的摩尔浓度值；排气气体浓度计算模块，计算在排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值；以及过滤器微粒物负荷计算模块，计算模块计算过滤器捕集的微粒物质量。本发明估算模型与实际气体流动过程相符，对微粒物加载量的估算既简单又准确。

Description

微粒过滤器控制系统

技术领域

本发明涉及一种微粒过滤器控制系统，属于内燃机后处理设备技术领域。

背景技术

由于经济的快速发展，我国对煤炭、汽油、柴油等燃料使用量快速增长，这些燃料的燃烧伴随产生微粒物，如果不对燃料燃烧产生的微粒物进行处理直接排放到大气中会严重影响大气的清洁。近年来，进入冬季后我国北方和南方均不同程度受到雾霾的影响，严重影响人民的身体健康，因此对燃料燃烧后排气中含有的微粒物进行收集和处理至关重要。

目前在柴油机后处理中含有的DPF模块，其主要作用就是捕集尾气中含有的颗粒物，并对颗粒物进行燃烧或者氧化再生。对颗粒物的再生时刻通过过滤器中微粒物的加载量计算得到，微粒物的加载量到一定程度，DPF触发再生。再生时刻太早，过滤器的再生效率降低。再生时刻太晚，会对过滤器及车辆安全产生影响。因此对排气中微粒物加载量的准确估算尤为重要。

目前存在的解决方案主要分为三种：

方案1：通过过滤器前后压降测量来估算过滤器中所累积的微粒物质量。过滤器中微粒物质量与过滤器前后压降值成正比，微粒物质量越大，过滤器前后压降越大。在利用过滤器前后压降测量微粒物质量时，会通过排气的质量流量以及排气温度对压差进行修正，消除排气流量及排气温度对过滤器前后压差的影响。

中国专利申请CN103016104A公开了一种计算碳累积量的方法和装置。该专利申请采取的技术手段和达成效果是：通过压力差传感器测得DPF前后总压力差，根据DPF前温度和废气体积流量所产生的第一DPF前后压差，根据所述废气体积流量和灰分体积计算得到灰分体积所产生的第二DPF前后压力差系数，修正所述第一和第二DPF前后压差系数对所述DPF前后总压力差的影响，得到修正后的DPF前后压力差。计算修正后DPF前后压力差的流阻，根据所述流阻得到对应的DPF碳累积量。此专利申请中对第一DPF前后压差的修正是为了减小尾气排出速度对DPF前后压差的影响，对第二DPF前后压差的修正是为了减小尾气中灰尘对DPF前后压差的影响。该专利申请中的不足之处及原因：此专利申请对发动机的转速有限制，在设定转速范围外，计算结果无效；此专利申请主要考虑了废气体积流量和灰份体积对压差的影响，没有考虑碳分布对压差的影响，因此相同压差情况下，可能由于碳加载分布不同，碳的累积量也不同。

方案2：通过过滤器所在金属腔内形成微波或RF能量监测微波响应的改变，确定污染物材料负载的空间分布。金属腔微波响应的所述改变与过滤器负载有关。通过微波的响应判断腔内过滤器的负载以及负载的分布情况。

中国专利申请CN102203392A公开了一种用于测量过滤器中的滞留物的系统及方法。该专利申请采取的技术手段和达成效果是：通过过滤器所在金属腔内形成微波或RF能量并监测微波响应的改变，确定污染物材料负载的空间分布。金属腔微波响应的所述改变与过滤器负载有关。通过微波的响应判断腔内过滤器的负载以及负载的分布情况。该专利申请存在以下不足之处及原因：在复杂系统中通常会有多个处理器，专利申请中使用微波的响应判断腔内过滤器的负载以及负载的分布情况容易受到其他处理器电磁波的干扰，对结果产生影响；该专利申请需要使用微波发射天线和一个微波接收天线，结构复杂；需要标定出不同过滤器介质，不同过滤器金属外壳与过滤器负载及空间分布之间的曲线关系，变量较多，标定困难。

方案3：由内燃机发动机的颗粒物质的产生速率、颗粒过滤器内的颗粒物质捕获速率、颗粒过滤器的再生速率、以及颗粒过滤器中收集的颗粒物质的量，通过模型估算的方法得到过滤器负载值。

中国专利申请CN102797536A公开了一种确定颗粒过滤器的负载的方法。该专利申请采取的技术手段和达成效果是：确定来自于内燃机发动机的颗粒物质的产生速率、颗粒过滤器内的颗粒物质捕获速率、颗粒过滤器的再生速率、以及颗粒过滤器中收集的颗粒物质的量。该专利申请存在以下不足之处及原因：该专利申请中将过滤器看作一个整体，由于过滤器前后过滤效率以及再生速率均不同，所以按照该专利申请中将过滤器假设分割成均等的n份计算更加合理准确；此专利申请没有考虑由于的气体扩散作用，排气中碳颗粒物扩散到过滤器上的颗粒物质量，计算不精确。

现有技术中主要还存在下列缺点：

1、通过压差估算过滤器微粒物质量时，不能检测过滤器故障导致的压差上升；此外，由于过滤器内微粒物的分布对压差产生影响，而且这种分布会随着时间改变而变化，压差对微粒物的估算没有考虑微粒物分布对压差的影响；压差对微粒物的估算有滞后性。

2、微波的响应判断腔内过滤器的负载以及负载的分布情况容易受到其他处理器电磁波的干扰,对结果产生影响；另外，需要增加微波发射和接收装置，结构复杂。

3、利用预估模型计算过滤器中的负载量通常将过滤器看作一个整体计算，由于过滤器前端和后端微粒物分布不同，过滤效率不同。因此将过滤器看作一个整体计算不够准确。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种微粒过滤器控制系统，该控制系统利用排气流动过程中过滤器对微粒物的物理捕集过程、排气热量和能量在流动过程中的传递交换原理，估算过滤器载体上微粒物的加载量。

按照本发明提供的技术方案，所述微粒过滤器控制系统，其特征是：包括气体扩散模块、过滤器过滤模块、过滤器载体气体浓度变化计算模块、过滤器载体气体浓度计算模块、排气气体浓度计算模块、以及过滤器微粒物负荷计算模块；

所述气体扩散模块用于计算排气穿越过滤器载体时，气体成分及微粒物扩散到排气与过滤器载体接触表面上的摩尔浓度变化速率M；

所述过滤器过滤模块用于计算过滤器捕集的微粒物的质量变化速率F；

所述过滤器载体气体浓度变化计算模块用于计算在载体与排气接触表面由于化学反应引起的过滤器载体气体成分摩尔浓度变化速率R；

所述排气气体浓度计算模块用于计算排气中各种气体成分的摩尔浓度值G；

所述过滤器气体浓度计算模块用于计算在排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值S；

所述过滤器微粒物负荷计算模块用于计算过滤器捕集的微粒物质量L。

进一步的，所述气体扩散模块计算排气穿越过滤器载体时，气体成分及微粒物扩散到排气与过滤器载体接触表面上的摩尔浓度变化速率M，具体方法是：

排气中气体的摩尔浓度值G减去排气与过滤器载体接触表面各种气体成分的摩尔浓度值S，乘以排气与载体接触的表面积与载体体积的比值G_a，最后乘以质量传播系数K_m。

进一步的，所述质量传播系数K_m由排气压力、排气温度、以及过滤器半径查3维表得到。

进一步的，所述过滤器过滤模块计算过滤器捕集的微粒物的质量变化速率F，具体方法是：

由上一个计算循环计算出的微粒物加载质量查过滤效率表，得到过滤器的过滤效率；微粒物的质量流率乘以过滤器的过滤效率得出过滤器捕集的微粒物质量变化速率F。

进一步的，所述过滤器载体气体浓度变化计算模块计算在载体与排气接触表面由于化学反应引起的过滤器载体气体成分摩尔浓度变化速率R，具体方法是：

过滤器载体气体成分摩尔浓度变化速率R等于排气中气体成分化学反应速率

乘以按照化学当量比反应时排气中各种物质摩尔浓度变化的比例值R_M。

进一步的，反应速率

的计算：所述化学反应速率

通过反应物浓度值查表得到表征反应速率的基本值，再通过反应时的温度值查表得到修正系数，反应速率基本值乘以修正系数得到化学反应的反应速率。

进一步的，所述排气气体浓度计算模块计算排气中各种气体成分的摩尔浓度值G，具体方法是：

在微粒过滤器控制系统中，将过滤器模型分成n片，前一片过滤器后的排气成分摩尔流率等于后一片过滤器前的排气成分摩尔流率，每一片过滤器后的排气成分摩尔流率等于该片过滤器前的排气成分摩尔流率减去由于扩散作用扩散到第该片过滤器载体的气体摩尔流率；每一片过滤器中各种气体成分的摩尔浓度值G等于每片过滤器后排气成分摩尔流率除以该片排气体积流率。

进一步的，所述过滤器气体浓度计算模块计算在排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值S，具体方法是：

将所述M值、F值和R值相加得到单位时间内过滤器载体气体摩尔浓度值，乘以修正系数K，得到单位体积过滤器上的气体摩尔浓度变化速率，再经过时间积分得到过滤器气体与微粒物摩尔浓度浓度值S。

进一步的，所述过滤器微粒物负荷计算模块用于计算过滤器捕集的微粒物质量L，具体方法是：

将每片过滤器载体微粒物摩尔浓度值乘以微粒物的摩尔质量得到每片过滤器载体上的微粒物质量，将每片过滤器上微粒物质量相加得到整个过滤器捕集的微粒物质量L。

本发明具有以下优点：

(1)本发明根据实际排气流动过程中发生的排气扩散，过滤器过滤，气体的化学反应等过程分模块计算微粒物加载量，更加准确；

(2)本发明仅依靠排气特性计算过滤器中微粒物质量，结构简单；

(3)本发明将过滤器假设分割成等份的小过滤器，考虑过滤器前后过滤效率及微粒物加载量不同对整体过滤器加载量计算的影响，计算结果更符合实际情况。

附图说明

图1为本发明所述微粒过滤器控制系统的逻辑框图。

图2为过滤器的内部结构示意图。

图3为燃烧后气体的流动示意图。

图4为排气在过滤器内部的流动示意图。

图5为过滤器载体气体浓度计算模块计算在排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值S的流程图。

图6为排气气体浓度计算模块计算排气中各种气体成分的摩尔浓度值G的流程图。

图7为气体扩散模块计算排气穿越过滤器载体时，气体成分及微粒物扩散到排气与过滤器载体接触表面上的摩尔浓度变化速率M的流程图。

图8为过滤器过滤模块计算过滤器捕集的微粒物的质量变化速率的流程图。

图9为过滤器微粒物负荷计算模块计算一段时间内过滤器捕集的微粒物质量L的流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

过滤器中微粒物加载量是过滤器再生时刻的主要判断依据，对微粒物加载量的准确计算比较重要。本发明通过排气流过过滤器的实际物理过程，通过搭建模型和模型估算的方法得到过滤器中微粒物的质量。

搭建的模型中主要包括：气体扩散模块、过滤器过滤模块、过滤器载体气体浓度变化计算模块、过滤器载体气体浓度计算模块、排气气体浓度计算模块、过滤器微粒物负荷计算模块；模型利用排气在流经过滤器时实际发生的物理的过滤过程、气体扩散过程、及热量、能量的传播过程，估算加载到过滤器上的微粒物质量，估算既准确又简单。

目前模型估算微粒物质量的方法将过滤器看作一个整体，没有考虑过滤器前后微粒物加载率的不同；也没有考虑气体在流经过滤器时，由于排气中微粒物的浓度与过滤器上微粒物浓度差而导致的微粒物扩散作用。本发明将过滤器看做由n片小的过滤器组成，分别计算每片过滤器中微粒物的质量，再将每片过滤器中的微粒物质量相加得到总的过滤器质量。同时在计算时考虑由于气体的扩散作用导致的过滤器上微粒物质量的增加。

如图1所示，本发明所述微粒过滤器控制系统主要包括：气体扩散模块、过滤器过滤模块、过滤器载体气体浓度变化计算模块、过滤器载体气体浓度计算模块、排气气体浓度计算模块、以及过滤器微粒物负荷计算模块。所述气体扩散模块用于计算排气穿越过滤器载体时，气体成分及微粒物扩散到排气与过滤器载体接触表面上的摩尔浓度变化速率M；所述过滤器过滤模块用于计算过滤器捕集的微粒物的质量变化速率F；所述过滤器载体气体浓度变化计算模块用于计算在载体与排气接触表面由于化学反应引起的过滤器载体气体成分摩尔浓度变化速率R；所述排气气体浓度计算模块用于计算排气中各种气体成分的摩尔浓度值G；所述过滤器载体气体浓度计算模块用于计算在排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值S；所述过滤器微粒物负荷计算模块用于计算一段时间内过滤器捕集的微粒物质量L。

每片过滤器上的微粒物来源主要由三个模块计算得到：气体扩散模块、过滤器过滤模块、过滤器载体气体浓度变化计算模块。将这三个模块计算出的值相加得到排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值S。再经过过滤器微粒物负荷计算模块得到过滤器捕集的微粒物质量L。

如图2所示，过滤器1内有许多蜂窝状的小孔4，过滤器载体2上涂有催化剂3可以将排气中的微粒物氧化。微粒物由能够燃烧的碳烟及不能燃烧的灰分组成。

如图3所示，为燃料燃烧后排气的流动图。燃料燃烧后排出气体，排气中含有微粒物。通过过滤器排出过滤之后的气体，此时排气中的微粒物含量大大降低。过滤器被假设分割成均等的n片过滤器S1、S2…Sn。微粒物在过滤器中不仅被过滤，而且会和排气中其他气体发生化学反应。

如图4所示，为排气在过滤器内部的流动图。燃料燃烧后的排气流经过滤器S1、S2…Sn，最终被排出过滤器。

在计算时，每片过滤器单独计算，过滤器S1的输出为过滤器S2的输入，以此类推Sn的输出为整个过滤器的输出。以下计算流程均针对单片过滤器计算，每片过滤器计算流程相同。

如图5所示，为过滤器载体气体浓度计算模块计算在排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值S的流程图。过滤器气体浓度S等于由于气体扩散作用扩散到过滤器的值401(M)，加上过滤器过滤掉的值402(F)，加上过滤器载体由于化学反应气体浓度的变化值403(R)，再乘以修正系数404，最后经过时间积分405，得到过滤器气体浓度值406(S)。

由于过滤器中孔隙的大小不同，会对过滤器中气体扩散，化学反应以及过滤器过滤的微粒物多少有影响，因此将401、402、403三个值相加后需要对其进行修正，乘以修正系数404。修正系数404通过过滤器孔隙率查表得到。通过修正之后的值为单位时间的过滤器气体浓度值，需要进行时间积分405，最终得到过一段时间内过滤器气体浓度值406。

如图6所示，为计算排气中气体成分摩尔浓度值G的流程图。流入过滤器的气体摩尔流率501减去由于扩散作用扩散的气体摩尔流率502等于过滤器载体的气体摩尔流率503。排气温度504、排气压力505和排气质量流率506通过理想气体方程计算得出气体体积流率507，气体摩尔流率503除以气体体积流率507等于排气中气体成分的摩尔浓度值508(图1中的G值)。

如图7所示，为气体成分及微粒物扩散到排气与过滤器载体接触表面上的摩尔浓度变化速率M的计算流程。

扩散到排气与过滤器载体接触表面上的气体摩尔浓度变化速率401(M)与排气中各种气体成分的摩尔浓度值508(G)、排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值406(S)相关。排气中气体的摩尔浓度值508减去排气与过滤器载体接触表面各种气体成分的摩尔浓度值406，乘以排气与载体接触的表面积与载体体积的比值601，最后乘以质量传播系数602，得到扩散到排气与过滤器载体接触表面上的气体摩尔浓度变化速率401(M)。

所述质量传播系数602由排气压力P、排气温度T、以及过滤器半径d_H查3维表得到。

如图8所示，为过滤器捕集的微粒物的质量变化速率F的计算流程。

根据上一周期计算出的过滤器的微粒物加载量804除以过滤器体积703，查过滤器效率MAP图得到过滤器的加载效率702。由微粒物的质量流率701乘以过滤器加载效率702，得到过滤器捕集的微粒物的质量变化速率402(F)。

过滤器载体气体成分摩尔浓度变化速率403(R)的计算：过滤器载体气体成分摩尔浓度变化速率R等于排气中发生某种化学反应的反应速率

乘以按照化学当量比反应时排气中各种物质摩尔浓度变化的比例值R_M。

在一具体实例中燃料燃烧后的排气包括NO、NO₂、N₂、SO₂、CO、CO₂、CH₄、C₃H₆、Soot、H₂O、O₂、H₂、urea、NH₃等主要气体，其中Soot为大分子的微粒物。

排气中发生的主要化学反应有C和O₂、C和NO₂、NO和O₂、CO和O₂、C₃H₆和O₂这五种主要化学反应，化学反应的反应速率分别为

排气中C和O₂、C和NO₂、NO和O₂、CO和O₂、C₃H₆和O₂这五种主要化学反应按照化学当量比反应时排气中各种物质摩尔浓度变化的比例值分别是RM₁、RM₂、RM₃、RM₄、RM₅。

反应速率

的计算：反应速率

通过反应物浓度值查表得到表征反应速率的基本值，再通过反应时的温度值查表得到一个修正系数，反应速率基本值乘以修正系数得到化学反应的反应速率。

按照化学当量比反应时排气中各种物质摩尔浓度变化的比例值RM的计算：RM₁指在C和O₂按照化学当量比反应时，排气中各种气体产生或者消耗的物质的量组成的矩阵。

例如，排气中的气体成分为：NO、NO₂、N₂、SO₂、CO、CO₂、CH₄、C₃H₆、Soot、H₂O、O₂、H₂、urea、NH₃。

根据化学反应式：3C+2O₂-＞2CO+CO₂，可得出反应矩阵RM₁为：

[0 0 0 0 2 1 0 0 -3 0 -2 0 0 0]；

矩阵中的数字对应发生当量比化学反应时，排气成分各种气体的浓度变化值，负值表示消耗的气体摩尔量，正值表示生成的摩尔量，0表示对应气体项没有浓度变化。

如图9所示，为过滤器载体微粒物加载量L的计算流程。过滤器载体气体浓度值406(S)，是包括NO、NO₂、N₂、SO₂、CO、CO₂、CH₄、C₃H₆、Soot、H₂O、O₂、H₂、urea、NH₃13种气体和Soot浓度值的数组，从数组中选出微粒物的浓度值801，将浓度值转为质量802，再将每片过滤器中的微粒物质量相加803，得到整个过滤器中微粒物的加载值804(L)。

Claims (3)

1.一种微粒过滤器控制系统，其特征是：包括气体扩散模块、过滤器过滤模块、过滤器载体气体浓度变化计算模块、过滤器载体气体浓度计算模块、排气气体浓度计算模块、以及过滤器微粒物负荷计算模块；

所述气体扩散模块用于计算排气穿越过滤器载体时，气体成分及微粒物扩散到排气与过滤器载体接触表面上的摩尔浓度变化速率M；

所述过滤器过滤模块用于计算过滤器捕集的微粒物的质量变化速率F；

所述过滤器载体气体浓度变化计算模块用于计算在载体与排气接触表面由于化学反应引起的过滤器载体气体成分摩尔浓度变化速率R；

所述排气气体浓度计算模块用于计算排气中各种气体成分的摩尔浓度值G；

所述过滤器载体气体浓度计算模块用于计算在排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值S；

所述过滤器微粒物负荷计算模块用于计算过滤器捕集的微粒物质量L；

所述气体扩散模块计算排气穿越过滤器载体时，气体成分及微粒物扩散到排气与过滤器载体接触表面上的摩尔浓度变化速率M，具体方法是：

排气中气体的摩尔浓度值G减去排气与过滤器载体接触表面各种气体成分的摩尔浓度值S，乘以排气与载体接触的表面积与载体体积的比值G_a，最后乘以质量传播系数K_m；

所述过滤器微粒物负荷计算模块用于计算过滤器捕集的微粒物质量L，具体方法是：

将每片过滤器载体微粒物摩尔浓度值乘以微粒物的摩尔质量得到每片过滤器载体上的微粒物质量，将每片过滤器上微粒物质量相加得到整个过滤器捕集的微粒物质量L；

所述过滤器过滤模块计算过滤器捕集的微粒物的质量变化速率F，具体方法是：

由上一个计算循环计算出的微粒物加载质量查过滤效率表，得到过滤器的过滤效率；微粒物的质量流率乘以过滤器的过滤效率得出过滤器捕集的微粒物质量变化速率F；

所述过滤器载体气体浓度变化计算模块计算在载体与排气接触表面由于化学反应引起的过滤器载体气体成分摩尔浓度变化速率R，具体方法是：

过滤器载体气体成分摩尔浓度变化速率R等于排气中气体成分化学反应速率

乘以按照化学当量比反应时排气中各种物质摩尔浓度变化的比例值R_M；

所述排气气体浓度计算模块计算排气中各种气体成分的摩尔浓度值G，具体方法是：

在微粒过滤器控制系统中，将过滤器模型分成n片，前一片过滤器后的排气成分摩尔流率等于后一片过滤器前的排气成分摩尔流率，每一片过滤器后的排气成分摩尔流率等于该片过滤器前的排气成分摩尔流率减去由于扩散作用扩散到第该片过滤器载体的气体摩尔流率；每一片过滤器中各种气体成分的摩尔浓度值G等于每片过滤器后排气成分摩尔流率除以该片排气体积流率；

所述过滤器载体气体浓度计算模块计算在排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值S，具体方法是：

将所述M值、F值和R值相加得到单位时间内过滤器载体气体摩尔浓度值，乘以修正系数K，得到单位体积过滤器上的气体摩尔浓度变化速率，再经过时间积分得到排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值S，

排气与过滤器载体接触表面各气体成分的摩尔浓度值S中包括微粒物摩尔浓度值。

2.如权利要求1所述的微粒过滤器控制系统，其特征是：所述质量传播系数K_m由排气压力、排气温度、以及过滤器半径查3维表得到。

3.如权利要求1所述的微粒过滤器控制系统，其特征是：反应速率

的计算：所述化学反应速率

通过反应物浓度值查反应速率与反应物浓度表得到表征反应速率的基本值，再通过反应时的温度值查修正系数与温度表得到修正系数，反应速率基本值乘以修正系数得到化学反应的反应速率。

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