CN108180051B - 国六后处理冷却水循环装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种国六后处理冷却水循环装置，该装置包括冷却水管，冷却水管的总入口接发动机冷却水口，冷却水管引出三个支路，三个支路分别以螺旋形状缠绕在三个冷却区域：DPF区、DPF与SCR之间尾气区、SCR区，且每个支路的入口处具有单独的子电磁阀控制流量，三个支路的冷却水管末端交汇到总管上，经过总电磁阀，作为冷却水管的总出口，与外部出水口连接。本发明可以避免国六后处理系统DPF温度再生时导致温度过高烧融载体，同时可以避免DPF出口温度过高使得后续SCR载体催化剂失效失活快速老化；本发明使得国六后处理系统热管理自由度更加高，温度控制范围更加广而精确。

Description

国六后处理冷却水循环装置及方法

技术领域

本发明涉及柴油后处理尾气净化领域，具体涉及一种国六后处理冷却水循环装置及方法。

背景技术

随着国六排放的提出，柴油机尾气排放迎来了更高的排放要求。而广泛采用满足国六排放的后处理装置由DOC‐DPF‐SCR‐ASC这四个部分组成(柴油氧化催化器‐柴油颗粒捕集器‐选择催化还原器‐氨氧化催化器)，通过这四个装置，可以将柴油机排放中的碳氢化合物、氮氧化合物、颗粒物、一氧化碳，以及SCR由于尿素喷射产生的氨气等有害污染物除去，获得洁净的尾气。

DOC，中文名柴油氧化催化器，通过涂覆贵金属材料催化剂，降低碳氢化合物的化学反应活性能，能够以较低的尾气温度下，将碳氢化合物氧化成二氧化碳和水。DPF，中文名柴油颗粒捕集器，内部由大量多孔介质组成。含有颗粒的尾气流经多孔介质后，通过惯性、拦截、布朗等捕集机理将颗粒物拦截下来。SCR，中文名选择催化还原器，通过入口喷射尿素水溶液热解形成氨气，在催化剂中与氮氧化物反应，将尾气中氮氧化物除去。ASC，氨氧化催化器，主要用于柴油车，目的在于氧化车用尿素还原NOx过程中泄漏出来的氨气，使其变为氮气。

其中注意的是，DPF由于对颗粒物持续捕集作用，载体内堆积了大量碳颗粒，需要定期进行清除，而清除的有效方式是通过加热尾气至DPF入口处大于650℃，而DPF颗粒再生时，局部温度甚至能达到1000℃以上，而SCR催化剂最大能承受的温度也不过600℃，因此需要有一套冷却装置，能够适当冷却DPF防止DPF内部过热烧融载体，同时能够冷却SCR出口前尾气和SCR本体，防止再生时尾气过热导致SCR催化剂失活老化。

发明内容

针对上述国六后处理系统存在的过热问题，本发明提供一种国六后处理冷却水循环装置及方法，降低DPF再生时DPF载体内过热，以及SCR入口尾气过热问题，延长后处理系统催化剂使用寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种国六后处理冷却水循环装置，该装置包括冷却水管，冷却水管的总入口接发动机冷却水口，冷却水管引出三个支路，三个支路分别以螺旋形状缠绕在三个冷却区域：DPF区、DPF与SCR之间尾气区、SCR区，且每个支路的入口处具有单独的子电磁阀控制流量，三个支路的冷却水管末端交汇到总管上，经过总电磁阀，作为冷却水管的总出口，与外部出水口连接；发动机运行时，如果三个冷却区域对应的载体不需要冷却，所有电磁阀关闭；如果某个区域对应的载体需要冷却，打开该区域入口处的子电磁阀门和冷却水管总出口处的总电磁阀，利用发动机冷却水循环自带的压力，冷却水流进对应区域的管路，经过螺旋形流动后，充分与载体壁面接触，带走多余热量，然后通过出水口回归到发动机冷却水循环中。

一种利用冷却水循环装置的后处理冷却循环控制方法，所述冷却水循环装置的所有电磁阀均连接冷却水控制器，DPF区的入口、DPF区的出口、DPF与SCR之间尾气区的出口、SCR区的出口处分别布置第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器，所有温度传感器均连接冷却水控制器；控制方法包括以下步骤：

(1)待机采集部分

(1.1)冷却水循环装置处于待机运行状态，所有阀门全部关闭；冷却水控制器通过CAN总线阅读报文，获取四个温度传感器的当前排气温度值T₁,T₂,T₃,T₄和当前发动机转速值n、功率值P；根据转速值和扭矩值，通过查找发动机整机标定过程中测得的两个MAP图，以插值的形式得到当前发动机排气温度值T₀和尾气质量流量m_exh；

(1.2)根据发动机整机标定过程中测得的对应载体的延迟时间τ和发动机尾气质量流量m_exh关系曲线τ＝f(m_exh)和当前尾气质量流量m_exh，通过插值得到当前对应载体的延迟时间τ；

(1.3)根据冷却水控制器事先设定的采集次数freq，以dt＝τ/freq为采样间隔时间，不断采集排气温度值T₁,T₂,T₃,T₄和发动机转速值n、功率值P，采集满freq为止，获取的数据记为T₁ ¹～T₁ ^N，T₂ ¹～T₂ ^N，T₃ ¹～T₃ ^N，T₄ ¹～T₄ ^N，T₀ ¹～T₀ ^N，m_exh ¹～m_exh ^N，其中N＝freq；

(1.4)启动滤波器平均化温度计算模块，计算DPF区、DPF与SCR之间尾气区、SCR区的平均温度T_dpf、T_{d_s}、T_scr，公式如下：

(1.5)启动温度系数计算模块，计算修正因子，针对DPF区：

当时，修正公式如下：

当时，修正公式如下：

式中T_{dpf_max}为对应DPF载体的熔融极限温度，由载体材料厂商提供；η_dpf为对应DPF间的修正因子；针对DPF与SCR之间尾气区、SCR区的修正因子计算公式同式(4)和(5)；

(1.6)计算对应区域修正后的温度T_act，对于DPF区，修正后的温度T_{act_dpf}＝T_dpf·η_dpf；

(1.7)逻辑判定，若对应区域经过步骤(1.6)修正后的温度T_act大于设定温度T_des，则执行步骤(2)，反之在经过系统闲置设定时间t_max后，再次回到步骤(1.1)重新进行采集和计算，其中t_max≥τ；

(2)逻辑启动与执行部分

(2.1)当采集过程中，对应区域修正后的温度T_act大于设定温度T_des，立刻100％开度开启冷却水管的总出口，然后进入对应区域的阀门入口控制模块，对应区域入口阀门开度计算公式如下：

e_k＝T_act-T_des

式中，为阀门开度值，单位为％，V_ｓub为对应区域的总体积；e_k为中间变量，是当前区域实际温度值与设定温度值的差值，下标k表示时间序列；kp,ki,kd是PID控制中的比例系数、积分系数和微分系数，三个系数的整定过程与一般PID控制参数整定过程相同；T是PID控制中的采样周期，与标准的PID控制过程完全相同；

(2.2)在控制时，不断执行步骤(1.1)‐(1.6)，利用获得对应区域的修正温度T_act对阀门进行开度反馈调节，待温度回到设定温度T_bes后，关闭入口阀门，对应区域结束控制；

(2.3)冷却水管的总出口阀门根据三个冷却区域的阀门情况进行判定，三个冷却区域若都不处于冷却工作状态，则关闭冷却水管的总出口，反之开启。

本发明的有益效果是：

(1)冷却水循环装置结构上采用对长圆柱形载体以螺旋形进行冷却水管路布置方式，这种螺旋形布置增加了冷却面积，提高冷却效率。

(2)冷却水管外部通过包紧保温材料套，让冷却主要通过冷却水管与管壁导热进行，减少自然冷却干扰，同时为热管理升温控制时减少温度损失。

(3)冷区水管只对关键性的DPF载体外表区，DPF后端SCR前端尾气区，和SCR载体外表区这三个时常超温区域进行降温控制，因此只包覆这三个区域；对外只露出一个冷却水入口和一个冷却水出口，出入口与发动机冷却水循环系统相连。

(4)本发明可以避免国六后处理系统DPF温度再生时导致温度过高烧融载体，同时可以避免DPF出口温度过高使得后续SCR载体催化剂失效失活快速老化；应用本发明装置及方法，能使得国六后处理系统热管理自由度更加高，温度控制范围更加广而精确。

附图说明

图1为国六后处理冷却水循环装置示意图；

图2为冷却循环控制总框图；

图3为以DPF区域为例的采集工况参数与采集温度传感计算耦合模块图；

图4为冷却水控制模块图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种国六后处理冷却水循环装置，该装置包括冷却水管，冷却水管的总入口接发动机冷却水口，冷却水管引出三个支路，三个支路分别以螺旋形状缠绕在三个冷却区域：DPF区、DPF与SCR之间尾气区、SCR区，且每个支路的入口处具有单独的子电磁阀控制流量，三个支路的冷却水管末端交汇到总管上，经过总电磁阀，作为冷却水管的总出口，与外部出水口连接；冷却水管外部可包裹保温材料套，让冷却主要通过冷却水管与管壁导热进行，减少自然冷却干扰；发动机运行时，如果三个冷却区域对应的载体不需要冷却，所有电磁阀关闭；如果某个区域对应的载体需要冷却，打开该区域入口处的子电磁阀门和冷却水管总出口处的总电磁阀，利用发动机冷却水循环自带的压力，冷却水流进对应区域的管路，经过螺旋形流动后，充分与载体壁面接触，带走多余热量，然后通过出水口回归到发动机冷却水循环中。在任一区域处于冷却工作状态时，冷却水出口总阀门为全开模式，只有在入口所有阀门关闭时，出口总阀门才关闭。

如图2‐4所示，本发明提供的一种利用冷却水循环装置的后处理冷却循环控制方法，所述冷却水循环装置的所有电磁阀均连接冷却水控制器，DPF区的入口、DPF区的出口、DPF与SCR之间尾气区的出口、SCR区的出口处分别布置第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器，所有温度传感器均连接冷却水控制器；该控制方法根据当前尾气后处理系统所布置的温度传感器及发动机当前瞬态工况变化，使用温度修正的方法，测算各个催化剂载体内温度；根据当前催化剂载体温度，启动冷却循环指令进行逻辑判定，对载体温度过高的后处理子装置进行降温；根据当前后处理系统所布置的温度传感器，测量降温后尾气温度，换算成载体内部实际温度，进行反馈调节对应区域的冷却水阀门开度；具体包括以下步骤：

(1)待机采集部分

(1.1)冷却水循环装置处于待机运行状态，所有阀门全部关闭；冷却水控制器通过CAN总线阅读报文，获取四个温度传感器的当前排气温度值T₁,T₂,T₃,T₄和当前发动机转速值n、功率值P；根据转速值和扭矩值，通过查找发动机整机标定过程中测得的两个MAP图，以插值的形式得到当前发动机排气温度值T₀和尾气质量流量m_exh；

(1.2)根据发动机整机标定过程中测得的对应载体的延迟时间τ和发动机尾气质量流量m_exh关系曲线τ＝f(m_exh)和当前尾气质量流量m_exh，通过插值得到当前对应载体的延迟时间τ，载体延迟时间τ的标定方法如步骤(1.2.1)‐(1.2.5)所示：

(1.2.1)确定一个稳定的尾气质量流量m_exh，对应载体出口端温度保持恒定；

(1.2.2)保持该质量流量不变的情况下，调整发动机转速和扭矩，变换至邻近的一个相同尾气质量流量，但是排气温度值不同的工况；

(1.2.3)记录对应载体出口温度变化曲线，发动机调整转速和扭矩结束的时间点记为t₁，载体达到新的稳定温度的时间点记为t₂；

(1.2.4)计算得出τ＝t₂‐t₁；

(1.2.5)变换m_exh值，重复步骤(1.2.1)‐(1.2.4)测量不同质量流量m_exh下的延迟时间τ，获得f关系曲线；

(1.3)根据冷却水控制器事先设定的采集次数freq，以dt＝τ/freq为采样间隔时间，不断采集排气温度值T₁,T₂,T₃,T₄和发动机转速值n、功率值P，采集满freq为止，获取的数据记为T₁ ¹～T₁ ^N，T₂ ¹～T₂ ^N，T₃ ¹～T₃ ^N，T₄ ¹～T₄ ^N，T₀ ¹～T₀ ^N，m_exh ¹～m_exh ^N，其中N＝freq；

(1.4)启动滤波器平均化温度计算模块，计算DPF区、DPF与SCR之间尾气区、SCR区的平均温度T_dpf、T_{d_s}、T_scr，公式如下：

(1.5)启动温度系数计算模块，计算修正因子，针对DPF区：

当时，修正公式如下：

当时，修正公式如下：

式中T_{dpf_max}为对应DPF载体的熔融极限温度，由载体材料厂商提供；η_dpf为对应DPF间的修正因子；针对DPF与SCR之间尾气区、SCR区的修正因子计算公式同式(4)和(5)；

(1.6)计算对应区域修正后的温度T_act，对于DPF区，修正后的温度T_{act_dpf}＝T_dpf·η_dpf；

(1.7)逻辑判定，若对应区域经过步骤(1.6)修正后的温度T_act大于设定温度T_des(650‐700℃)，则执行步骤(2)，反之在经过系统闲置设定时间t_max后，再次回到步骤(1.1)重新进行采集和计算，其中t_max≥τ；

(2)逻辑启动与执行部分

(2.1)当采集过程中，对应区域修正后的温度T_act大于设定温度T_des，立刻100％开度开启冷却水管的总出口，然后进入对应区域的阀门入口控制模块，对应区域入口阀门开度计算公式如下：

e_k＝T_act-T_des

式中，为阀门开度值，单位为％，V_sub为对应区域的总体积；e_k为中间变量，是当前区域实际温度值与设定温度值的差值，下标k表示时间序列；kp,ki,kd是PID控制中的比例系数、积分系数和微分系数，三个系数的整定过程与一般PID控制参数整定过程相同；T是PID控制中的采样周期，与标准的PID控制过程完全相同；

(2.2)在控制时，不断执行步骤(1.1)‐(1.6)，利用获得对应区域的修正温度T_act对阀门进行开度反馈调节，待温度回到设定温度T_des后，关闭入口阀门，对应区域结束控制；

(2.3)冷却水管的总出口阀门根据三个冷却区域的阀门情况进行判定，三个冷却区域若都不处于冷却工作状态，则关闭冷却水管的总出口，反之开启。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种国六后处理冷却水循环装置的后处理冷却循环控制方法，其特征在于，所述国六后处理冷却水循环装置包括冷却水管，冷却水管的总入口接发动机冷却水口，冷却水管引出三个支路，三个支路分别以螺旋形状缠绕在三个冷却区域：DPF区、DPF与SCR之间尾气区、SCR区，且每个支路的入口处具有单独的子电磁阀控制流量，三个支路的冷却水管末端交汇到总管上，经过总电磁阀，作为冷却水管的总出口，与外部出水口连接；发动机运行时，如果三个冷却区域对应的载体不需要冷却，所有电磁阀关闭；如果某个区域对应的载体需要冷却，打开该区域入口处的子电磁阀门和冷却水管总出口处的总电磁阀，利用发动机冷却水循环自带的压力，冷却水流进对应区域的管路，经过螺旋形流动后，充分与载体壁面接触，带走多余热量，然后通过出水口回归到发动机冷却水循环中；

所有电磁阀均连接冷却水控制器，DPF区的入口、DPF区的出口、DPF与SCR之间尾气区的出口、SCR区的出口处分别布置第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器，所有温度传感器均连接冷却水控制器；该方法包括以下步骤：

(1)待机采集部分

(1.1)冷却水循环装置处于待机运行状态，所有阀门全部关闭；冷却水控制器通过CAN总线阅读报文，获取四个温度传感器的当前排气温度值T₁,T₂,T₃,T₄和当前发动机转速值n、功率值P；根据转速值和扭矩值，通过查找发动机整机标定过程中测得的两个MAP图，以插值的形式得到当前发动机排气温度值T₀和尾气质量流量m_exh；

(1.2)根据发动机整机标定过程中测得的对应载体的延迟时间τ和发动机尾气质量流量m_exh关系曲线τ＝f(m_exh)和当前尾气质量流量m_exh，通过插值得到当前对应载体的延迟时间τ；载体延迟时间τ的标定方法如步骤(1.2.1)‐(1.2.5)所示：

(1.2.1)确定一个稳定的尾气质量流量m_exh，对应载体出口端温度保持恒定；

(1.2.2)保持该质量流量不变的情况下，调整发动机转速和扭矩，变换至邻近的一个相同尾气质量流量，但是排气温度值不同的工况；

(1.2.3)记录对应载体出口温度变化曲线，发动机调整转速和扭矩结束的时间点记为t₁，载体达到新的稳定温度的时间点记为t₂；

(1.2.4)计算得出τ＝t₂‐t₁；

(1.2.5)变换m_exh值，重复步骤(1.2.1)‐(1.2.4)测量不同质量流量m_exh下的延迟时间τ，获得f关系曲线；

(1.3)根据冷却水控制器事先设定的采集次数freq，以dt＝τ/freq为采样间隔时间，不断采集排气温度值T₁,T₂,T₃,T₄和发动机转速值n、功率值P，采集满freq为止，获取的数据记为T₁ ¹～T₁ ^N，T₂ ¹～T₂ ^N，T₃ ¹～T₃ ^N，T₄ ¹～T₄ ^N，T₀ ¹～T₀ ^N，m_exh ¹～m_exh ^N，其中N＝freq；

(1.4)启动滤波器平均化温度计算模块，计算DPF区、DPF与SCR之间尾气区、SCR区的平均温度T_dpf、T_{d_s}、T_scr，公式如下：

(1.5)启动温度系数计算模块，计算修正因子，针对DPF区：

当时，修正公式如下：

当时，修正公式如下：

式中T_{dpf_max}为对应DPF载体的熔融极限温度，由载体材料厂商提供；η_dpf为对应DPF间的修正因子；针对DPF与SCR之间尾气区、SCR区的修正因子计算公式同式(4)和(5)；

(1.6)计算对应区域修正后的温度T_act，对于DPF区，修正后的温度T_{act_dpf}＝T_dpf·η_dpf；

(1.7)逻辑判定，若对应区域经过步骤(1.6)修正后的温度T_act大于设定温度T_des，则执行步骤(2)，反之在经过系统闲置设定时间t_max后，再次回到步骤(1.1)重新进行采集和计算，其中t_max≥τ；

(2)逻辑启动与执行部分

(2.1)当采集过程中，对应区域修正后的温度T_act大于设定温度T_des，立刻100％开度开启冷却水管的总出口，然后进入对应区域的阀门入口控制模块，对应区域入口阀门开度计算公式如下：

e_k＝T_act-T_des

式中，为阀门开度值，单位为％，V_sub为对应区域的总体积；e_k为中间变量，是当前区域实际温度值与设定温度值的差值，下标k表示时间序列；kp,ki,kd是PID控制中的比例系数、积分系数和微分系数；T是PID控制中的采样周期；

(2.2)在控制时，不断执行步骤(1.1)‐(1.6)，利用获得对应区域的修正温度T_act对阀门进行开度反馈调节，待温度回到设定温度T_des后，关闭入口阀门，对应区域结束控制；

(2.3)冷却水管的总出口阀门根据三个冷却区域的阀门情况进行判定，三个冷却区域若都不处于冷却工作状态，则关闭冷却水管的总出口，反之开启。