CN109899134B - 一种柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法 - Google Patents

一种柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法，包括填充在颗粒捕集器的过滤体与颗粒捕集器的外壳之间的高频陶瓷体、穿设在高频陶瓷体中的电热丝、穿设在电热丝中的氧泵电解质片、与颗粒捕集器的入口腔室相通的导氧管，氧泵电解质片一端穿过导氧管且与氧泵电源电连接，电热丝与加热电源电连接，颗粒捕集器的进气端连接有尾气入口管，尾气入口管中设置有氧传感器，颗粒捕集器的出气端连接有尾气排出管，颗粒捕集器中还设置有压差传感器，加热电源、氧泵电源、氧传感器及压差传感器分别与控制器电连接。本发明柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法提高了柴油机颗粒捕集器主动再生的效率。

Description

一种柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法
技术领域
本发明涉及柴油机后处理技术领域，特别是涉及一种柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法。
背景技术
颗粒物作为柴油车的主要排放物，是产生黑烟的关键因素。由于颗粒物尺寸在可吸入大小范围内，故可能进入人体肺部。研究表明小颗粒物对人体健康危害最大，为有效控制颗粒物排放，除了对颗粒物质量进行限制外，还需关注颗粒数PN。
目前，壁流式颗粒捕集器(DPF)是已知的可使未来柴油机满足PM排放法规要求的技术，对颗粒物的捕集效率可达95％以上。颗粒捕集器工作一段时间后，由于沉积的碳烟颗粒增多，会导致排气背压上升，进而造成颗粒捕集器过滤体失效及燃油经济性的降低。针对这种情况，需要对颗粒捕集器进行再生。该问题有两个解决方法：一是降低发动机运行过程中碳烟氧化所需温度，二是通过辅助系统使沉积的碳烟达到氧化温度。第一种途径用于被动再生系统，第二种用于主动再生系统。一般来说，主动再生消耗大约2％-3％燃油，而通过被动再生策略可降低约80％。根据DPF的结构和材料以及柴油机的使用特点和使用工况合理选择再生技术对于DPF的安全有效再生具有重要的意义。
主动再生系统依赖于燃油喷射、加热等外部来源有效提高DPF的再生温度。因此，主动再生DPF不像被动再生那样依赖发动机占空比和正常工况下的排气温度。然而，在柴油机实际运行时，尾气中的氧浓度会发生变化，以小型非道路单缸柴油机为例，尾气中的氧浓度在12％～17％范围内波动，DPF虽然可以进行再生，但再生效率受到限制，不利于颗粒捕集器的稳定和有效工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高柴油机颗粒捕集器主动再生的效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种柴油机颗粒捕集器主动再生系统，包括填充在颗粒捕集器的过滤体与所述颗粒捕集器的外壳之间的高频陶瓷体、穿设在所述高频陶瓷体中的电热丝、穿设在所述电热丝中的氧泵电解质片、与所述颗粒捕集器的入口腔室相通的导氧管，所述氧泵电解质片一端穿过所述导氧管且与氧泵电源电连接，所述电热丝与加热电源电连接，所述颗粒捕集器的进气端连接有尾气入口管，所述尾气入口管中设置有氧传感器，所述颗粒捕集器的出气端连接有尾气排出管，所述颗粒捕集器中还设置有用于检测尾气排出管和所述尾气入口管之间的压差的压差传感器，所述加热电源、所述氧泵电源、所述氧传感器及所述压差传感器分别与所述控制器电连接。
优选地，所述氧泵电解质片为氧化锆陶瓷片。
优选地，所述电热丝全部位于所述高频陶瓷体中，所述电热丝与所述氧泵电解质片紧密接触。
优选地，所述电热丝为至少两个，每个所述电热丝中均设置有所述氧泵电解质片。
优选地，所述控制器的型号为XS128单片机。
优选地，所述电热丝的材料为镍铬合金。
本发明还提供一种上述柴油机颗粒捕集器主动再生系统进行柴油机颗粒捕集器主动再生的方法：通过电热丝和高频陶瓷体对过滤体进行加热，使进气达到颗粒捕集器内沉积碳烟的起燃温度；通过氧泵电解质片产生高温氧气，提高再生气流的氧浓度，与尾气混合后通入颗粒捕集器过滤体内进行再生；利用压差传感器确定颗粒捕集器前后端压差，利用氧传感器确定柴油机尾气中的氧浓度，确定补氧时机；当控制器检测到颗粒捕集器前后端压差超过阈值时启动电热丝对过滤体进行加热，同时控制器根据氧传感器检测到的氧浓度控制氧泵电源电源给氧泵电解质片供电，产生高温氧气辅助供氧；压差阈值、柴油机不同工况下的补氧速率数值预先经过标定试验确定，存储于控制器中。
本发明柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法提高了柴油机颗粒捕集器主动再生的效率。基于主动再生方案，耦合了补氧装置，能有效提高再生气流中的氧浓度，使得颗粒捕集器内的碳烟在短时间内充分、迅速燃烧，实现颗粒捕集器的有效再生。与传统喷油助燃再生方式相比，结构简单且不消耗燃油，体积较小，成本更低。本发明柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法利用了固体电解质氧泵和电加热再生颗粒捕集器的工作特性，将二者结合，加热丝产生的热量不仅能够提高颗粒捕集器过滤体的温度，使沉积的碳烟达到起燃温度，同时还能对氧化锆陶瓷片(氧泵电解质片)进行加热，使其达到工作温度，不用单独对氧泵电解质片加热，降低了总体能耗。压差传感器用于测量颗粒捕集器两端的压差数据，确定颗粒捕集器内部的碳烟累积情况。氧传感器用于测量柴油机不同运行工况下排气中的氧气浓度。与利用氧化催化器(DOC)提温或其它催化型颗粒捕集器相比，该方法利用传感器和控制单元，易于对再生时机和再生加热温度进行控制，再生时间更短，控制更加及时、精确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明柴油机颗粒捕集器主动再生系统的结构示意图；
图2为本发明柴油机颗粒捕集器主动再生系统中补氧装置原理示意图；
其中，1-过滤体，2-外壳，3-尾气入口管，4-尾气排出管，5-氧泵电源，6-加热电源，7-氧传感器，8-压差传感器，9-高频陶瓷体，10-氧泵电解质片，11-导氧管，12-电热丝，13-控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种柴油机颗粒捕集器主动再生系统及方法，以解决现有技术存在的问题，提高柴油机颗粒捕集器主动再生的效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例柴油机颗粒捕集器主动再生系统包括填充在颗粒捕集器的过滤体1与颗粒捕集器的外壳2之间的高频陶瓷体9、穿设在高频陶瓷体9中的电热丝12、穿设在电热丝12中的氧泵电解质片10、与颗粒捕集器的入口腔室相通的导氧管11，氧泵电解质片10一端穿过导氧管11且与氧泵电源5电连接，电热丝12与加热电源6电连接，颗粒捕集器的进气端连接有尾气入口管3，尾气入口管3中设置有氧传感器7，颗粒捕集器的出气端连接有尾气排出管4，颗粒捕集器中还设置有用于检测尾气排出管4和尾气入口管3之间的压差的压差传感器8，加热电源6、氧泵电源5、氧传感器7及压差传感器8分别与控制器13电连接。
氧泵电解质片10为氧化锆陶瓷片；电热丝12全部位于高频陶瓷体9中，电热丝12与氧泵电解质片10紧密接触；电热丝12为至少两个，每个电热丝12中均设置有氧泵电解质片10；控制器13的型号为XS128单片机；电热丝12的材料为镍铬合金。
本实施例柴油机颗粒捕集器主动再生系统在工作时由控制器13单元调节加热温度范围，使电热丝12通电产生一定热量。通过高频陶瓷体9进行传热，一方面将颗粒捕集器过滤体1加热至600℃，使沉积的碳烟达到起燃温度并氧化燃烧，另一方面为补氧装置中的氧化锆陶瓷片提供热量，使其达到工作温度；补氧单元-氧泵电解质片10采用用氧化锆作为交换介质，掺杂有少量低价金属氧化物，一般在600～650℃时具有氧离子导体的特点，具有较高的电导率。工作原理如图2所示，在高温下，晶格内出现的氧空位能够传导样的离子。在氧化锆片两端施加电压，外界空气中的氧在负极发生电极反应，氧气得到电子形成氧离子；氧离子传输到正极时，也会发生电极反应，氧离子失去电子形成氧气。在外加电压的作用下，氧气实现了从氧泵电解质片10的一端传输到另一端。补氧装置根据控制器13检测到的尾气氧浓度和颗粒捕集器两端的压差信号产生高温氧气，提升再生气流的氧浓度，降低碳烟起燃温度的同时，提高颗粒捕集器的再生速率。
本实施例还提供一种上述柴油机颗粒捕集器主动再生系统进行柴油机颗粒捕集器主动再生的方法：通过电热丝12和高频陶瓷体9对过滤体1进行加热，使进气达到颗粒捕集器内沉积碳烟的起燃温度；通过氧泵电解质片10产生高温氧气，提高再生气流的氧浓度，与尾气混合后通入颗粒捕集器过滤体1内进行再生；利用压差传感器8确定颗粒捕集器前后端压差，利用氧传感器7确定柴油机尾气中的氧浓度，确定补氧时机；当控制器13检测到颗粒捕集器前后端压差超过阈值时启动电热丝12对过滤体1进行加热，同时控制器13根据氧传感器7检测到的氧浓度控制氧泵电源5电源给氧泵电解质片10供电，产生高温氧气辅助供氧；压差阈值、柴油机不同工况下的补氧速率数值预先经过标定试验确定，存储于控制器13中。
本实施例柴油机颗粒捕集器主动再生系统在工作时由压差传感器8检测颗粒捕集器的前后压差，确定颗粒捕集器内部的碳烟沉积情况；由氧传感器7实时监测柴油机不同工况下的氧浓度；将压差数据和排气氧浓度数据反馈给控制器13；当压差达到阈值时，控制器13控制电加热器对尾气进行加热，达到碳烟起燃温度；产生的热量同时对氧泵电解质片10进行加热，使其达到工作温度，通电后产生高温氧气通入颗粒捕集器过滤体1内，供氧速率根据柴油机对应工况下的尾气氧浓度确定。混合气源源不断进入颗粒捕集器内，使沉积的碳烟在较短时间内充分燃烧，实现颗粒捕集器的有效再生。当颗粒捕集器两端压差下降到一定程度，能使颗粒捕集器在较长时间内稳定工作时，控制器13关闭电热丝12和氧泵氧泵电解质片10。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种柴油机颗粒捕集器主动再生系统，其特征在于：包括填充在颗粒捕集器的过滤体与所述颗粒捕集器的外壳之间的高频陶瓷体、穿设在所述高频陶瓷体中的电热丝、穿设在所述电热丝中的氧泵电解质片、与所述颗粒捕集器的入口腔室相通的导氧管，所述氧泵电解质片一端穿过所述导氧管且与氧泵电源电连接，所述电热丝与加热电源电连接，利用所述氧泵电解质片在600-650℃的温度下的氧离子导体的特性传送氧离子，并利用电极反应完成氧气的传输；所述颗粒捕集器的进气端连接有尾气入口管，所述尾气入口管中设置有氧传感器，所述颗粒捕集器的出气端连接有尾气排出管，所述颗粒捕集器中还设置有用于检测尾气排出管和所述尾气入口管之间的压差的压差传感器，所述加热电源、所述氧泵电源、所述氧传感器及所述压差传感器分别与控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的柴油机颗粒捕集器主动再生系统，其特征在于：所述氧泵电解质片为氧化锆陶瓷片。
3.根据权利要求2所述的柴油机颗粒捕集器主动再生系统，其特征在于：所述电热丝全部位于所述高频陶瓷体中，所述电热丝与所述氧泵电解质片紧密接触。
4.根据权利要求3所述的柴油机颗粒捕集器主动再生系统，其特征在于：所述电热丝为至少两个，每个所述电热丝中均设置有所述氧泵电解质片。
5.根据权利要求1所述的柴油机颗粒捕集器主动再生系统，其特征在于：所述控制器的型号为XS128单片机。
6.根据权利要求1所述的柴油机颗粒捕集器主动再生系统，其特征在于：所述电热丝的材料为镍铬合金。
7.一种利用权利要求1-6任意一项所述的柴油机颗粒捕集器主动再生系统进行柴油机颗粒捕集器主动再生的方法，其特征在于：通过电热丝和高频陶瓷体对过滤体进行加热，使进气达到颗粒捕集器内沉积碳烟的起燃温度；通过氧泵电解质片产生高温氧气，提高再生气流的氧浓度，与尾气混合后通入颗粒捕集器过滤体内进行再生；利用压差传感器确定颗粒捕集器前后端压差，利用氧传感器确定柴油机尾气中的氧浓度，确定补氧时机；当控制器检测到颗粒捕集器前后端压差超过阈值时启动电热丝对过滤体进行加热，同时控制器根据氧传感器检测到的氧浓度控制氧泵电源给氧泵电解质片供电，产生高温氧气辅助供氧，利用所述氧泵电解质片在600-650℃的温度下的氧离子导体的特性传送氧离子，并利用电极反应完成氧气的传输；压差阈值、柴油机不同工况下的补氧速率数值预先经过标定试验确定，存储于控制器中。
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