CN110953040A - 低能耗尾气处理系统的dpf温度控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统，包括变化率限制器、前馈控制器、PID控制器、PWM计算模块和保护模块，变化率限制器计算温度指令值，前馈控制器根据尾气温度Exh_T、环境温度Ambient_T、新鲜空气质量流量Fresh_MF、排气质量流量Exh_MF和温度指令值计算前馈控制指令，PID控制器计算反馈控制指令，PWM计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值和燃油压力值计算得到PWM占空比值，保护模块根据PWM占空比值和新鲜空气质量流量Fresh_MF计算用于控制燃油电磁阀的PWM占空比指令。本发明不依赖发动机运行状态信息非常适合于在用车改装。

Description

低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种DPF温度控制系统及控制方法，尤其涉及一种低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统及控制方法。
背景技术
发动机排放的废气已被确认为造成空气污染的主要因素。为了去除废气中的空气污染物，需要使用尾气处理系统。通常使用的尾气处理系统中使用柴油机微粒捕捉器(DPF)捕集微粒物质(PM)，其中可能包括未燃烧的碳氢化合物颗粒或炭烟以及少量其他颗粒，例如金属氧化物颗粒或灰烬等。PM颗粒积聚在DPF中，增加了发动机的背压，而在发动机背压过高之前，需要进行一个再生过程以去除积累的炭烟。
通常，在再生过程中，需要使用加热装置将排气温度升高到炭烟可以被氧气有效氧化的水平，在稀燃发动机中氧气可以由尾气提供。然后，高温尾气通过DPF，其中积累的炭烟被氧化成二氧化碳和水。
很多种加热设备可以用于再生DPF。其中，使用比较广泛的是燃油燃烧器和柴油氧化催化剂(DOC)装置。在燃油燃烧器中，碳氢化合物由燃油计量装置提供，碳氢化合物燃油由碳氢化合物计量装置注入燃烧室。而在DOC设备中，碳氢化合物可以在后喷射过程中由发动机燃油系统提供，也可以由外置碳氢喷射装置直接注入催化剂中。
在再生DPF时，燃油燃烧器不受排气温度的限制。然而，为了使燃油燃烧，需要新鲜空气流，并且需要额外的热能来加热新鲜空气流，这就导致了更高的能量消耗。此外，新鲜空气流需要在进入DPF之前与排气流混合，因此需要更多的燃油和新鲜空气流才能达到再生温度。而因为高新鲜空气流和高排气流在DPF上产生高压差，这又需要大功率的空气供应装置来提供更多的新鲜空气流。大功率空气供应装置进一步增加了能量消耗和系统成本。还有，如前所述，为了使排气和新鲜空气的混合空气流达到DPF再生温度，需要更高温度的新鲜空气流。由燃油燃烧产生的高温新鲜空气流在DPF温度控制中会造成困难，尤其是在排气流量突然下降的时候，比如当发动机从高速和高扭矩运行迅速下降到怠速时。这些困难需要复杂的高温控制设备和方法，从而导致更高的系统成本。
与燃油燃烧器相比，DOC不需要新鲜的空气来燃烧燃油。但是，DOC需要较高的PGM(贵金属)负载，并且只有当排气温度要高于起燃温度(通常高于200℃)，才能开始计量地喷入燃油。同时，DOC中的PGM对燃油中的硫含量敏感，因为尾气中的高硫含量会毒化并使PGM催化剂失效。高温尾气的要求限制了DOC的某些应用，比如低功率输出的工业应用以及频繁启停的车辆应用等。
在DPF再生时，为了降低操作条件变化对DPF温度控制的影响，通常DPF控制器需要得到发动机运行状态的信息，比如在一个带DOC的DPF系统中，需要使用发动机空燃比来确定最高的燃油供给率，高于这个最高的供给率的燃油不能在DOC中被有效氧化。在带有燃油燃烧器的DPF系统中，需要密切监控发动机排气流量。DPF控制器应及时对排气流量的突然下降做出反应，以避免出现过热问题。发动机运行信息的要求限制了在没有合适的传感装置和通信装置的系统中，比如对机械控制燃油系统的发动机进行改造，使用DPF系统。
因而，亟需解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种不依赖发动机运行状态信息适合于在用车改装的低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统。
本发明的第二目的是提供低能耗尾气处理系统的DPF温度控制方法。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开一种低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统，包括变化率限制器、前馈控制器、PID控制器、PWM计算模块和保护模块，变化率限制器根据DPF目标温度DPFT_target和第一温度传感器所测量的DPF入口温度DPFinT计算温度指令值，前馈控制器根据尾气温度Exh_T、环境温度Ambient_T、新鲜空气质量流量Fresh_MF、排气质量流量Exh_MF和温度指令值计算前馈控制指令，PID控制器根据温度指令值与DPF入口温度DPFinT比较得到的温度误差信号计算反馈控制指令，PWM计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值和燃油压力值计算得到PWM占空比值，保护模块根据PWM占空比值和新鲜空气质量流量Fresh_MF计算用于控制燃油电磁阀的PWM占空比指令。
其中，所述变化率限制器中温度指令值的计算公式为：
Temp_CtrlCmd＝最小值(DPFT_target，DPFinT+deltaT)
其中，Temp_CtrlCmd为温度指令值，deltaT为用于限制DPF入口温度变化率的设定值。
再者，所述前馈控制器中前馈控制指令的计算公式为：
Fuel_MF＝[(DPFinT-Exh_T)×Cp_2×Exh_MF+(DPFinT-Ambient_T)×Cp_1×Fresh_MF]/LHV
其中，Fuel_MF为前馈控制指令，Cp_1和Cp_2为两个常数，LHV为燃油的低热值。
进一步，所述保护模块的控制方法包括如下步骤：首先检查DPF再生状态，若DPF处于再生状态中，则计算新鲜空气质量流量Fresh_MF的变化率；若检测到Fresh_MF值下降率超过阈值Thd_MFR或Fresh_MF＜阀值Thd_MF，则将PWM占空比设置为0，并停止再生过程。
本发明一种低能耗尾气处理系统的DPF温度控制方法，包括如下步骤：
将DPF目标温度DPFT_target和第一温度传感器所测量的DPF入口温度DPFinT传输至变化率限制器，变化率限制器根据DPF目标温度DPFT_target和第一温度传感器所测量的DPF入口温度DPFinT计算温度指令值，并传输至前馈控制器；将尾气温度Exh_T、环境温度Ambient_T、新鲜空气质量流量Fresh_MF、排气质量流量Exh_MF传输至前馈控制器，前馈控制器根据尾气温度Exh_T、环境温度Ambient_T、新鲜空气质量流量Fresh_MF、排气质量流量Exh_MF和温度指令值计算前馈控制指令；将温度指令值与DPF入口温度DPFinT进行比较得到的温度误差信号传输至PID控制器，PID控制器根据温度误差信号计算反馈控制指令，将反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值传输至PWM计算模块，PWM计算模块根据计算值和燃油压力值计算得到PWM占空比值，并传输至保护模块，将新鲜空气质量流量Fresh_MF传输至保护模块，保护模块根据PWM占空比值和新鲜空气质量流量Fresh_MF计算用于控制燃油电磁阀的PWM占空比指令。
其中，所述变化率限制器中温度指令值的计算公式为：
Temp_CtrlCmd＝最小值(DPFT_target，DPFinT+deltaT)
其中，Temp_CtrlCmd为温度指令值，deltaT为用于限制DPF入口温度变化率的设定值。
再者，所述前馈控制器中前馈控制指令的计算公式为：
Fuel_MF＝[(DPFinT-Exh_T)×Cp_2×Exh_MF+(DPFinT-Ambient_T)×Cp_1×Fresh_MF]/LHV
其中，Fuel_MF为前馈控制指令，Cp_1和Cp_2为两个常数，LHV为燃油的低热值。
进一步，所述保护模块的控制方法包括如下步骤：首先检查DPF再生状态，若DPF处于再生状态中，则计算新鲜空气质量流量Fresh_MF的变化率；若检测到Fresh_MF值下降率超过阈值Thd_MFR或Fresh_MF＜阀值Thd_MF，则将PWM占空比设置为0，并停止再生过程。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
本发明的点火单元可有效防止高温尾气回流；本发明在DPF再生过程中，新鲜空气和燃油在点火单元中混合后点燃，三通空气通道接收高温混合气流和尾气气流，形成的总气流进入DPF并在其中氧化去除积的炭烟，其中空气供应单元仅当三通空气通道中的压力较低时才向点火单元提供新鲜空气流，压力越高，新鲜空气流量就越低；本发明点火装置的使用降低了DOC和DPF中对PGM涂层的要求，并降低了系统对燃油中硫含量的敏感性，而低尾气流量的再生降低了能耗；此外DPF中的低PGM涂层还降低了发动机背压，从而提高了燃油经济性，并且低尾气流量甚至零排气流量的再生使再生控制可以独立于发动机控制，无需获取发动机的运行状态信息，从而使DPF控制系统适合于在用车改装应用；本发明中还通过增设热交换器重复利用热能从而进一步减少再生时的能耗，即在空气供应单元和点火单元之间的热交换器用于在DPF再生中“回收”热能，在热交换器中，高温空气流在氧化DPF中积累的颗粒物后，会与新鲜空气流交换热能；如此在点火装置中燃烧燃油而释放的热能仅用于补偿DPF和空气通道中的能量损失，从而将能耗降至最低；此外，系统不再生时，也只有热交换器的一部分对发动机背压产生影响，发动机燃油经济性和再生能源消耗会更容易得到平衡；当需要在高尾气流量的再生时，两个DPF控制系统可以在再生过程中交替工作，尾气处理系统包括两个交替使用的再生系统。两个再生系统共享相同的空气供应单元，并且两个控制阀用于控制DPF分支中的排气流量，因此尽管尾气流量高，但是再生的DPF分支中空气流量仍然很低，并且能量消耗也很低。
附图说明
图1为本发明中低能耗柴油机尾气处理系统的结构示意图；
图2为本发明中点火单元和空气供应单元的结构示意图；
图3为本发明中位于连接通道内的第二摆动止回阀的结构示意图；
图4为本发明中低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统的流程示意图；
图5为本发明中DPF温度控制系统的控制方法的流程示意图；
图6为本发明中装有热交换器的结构示意图；
图7为本发明中适用于高排气流量下的低能耗柴油机尾气处理系统的结构示意图；
图8为本发明中适用于高排气流量下的低能耗柴油机尾气处理系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明一种低能耗柴油机尾气处理系统，包括控制器130、空气供应单元120、点火单元140、三通空气通道144、DPF159、封装单元150、燃油供给单元、第一温度传感器166、第二温度传感器161、压力传感器163、压差传感器164和质量流量传感器125。本发明中DPF159包裹在封装单元150中，封装单元150通过锥形出口152连接到尾管153。在封装单元150上，第一温度传感器166安置在DPF159的上游，第二温度传感器161安置在DPF159下游，都用于测量通过DPF的气流的温度。第一温度传感器166通过信号线155电气连接到控制器130，第二温度传感器161通过信号线158电气连接到控制器130。DPF159两端的压差和DPF159出口处的绝对压力由压差传感器164和压力传感器163分别测量。压差传感器164通过探头管165连接到DPF159的入口，压力传感器163通过探头管162连接到DPF159的出口，压力传感器163通过信号线157与控制器130电气连接，压差传感器164通过信号线156与控制器电气连接。在封装单元150的上游，通过锥形进气口151连接至三通空气通道144，该三通空气通道144的一端口与点火单元140相连接，另一端口通过连接通道145与发动机排气管相连接，用于发动机尾气的流入。点火单元140通过信号线141与控制器130电气连接，同时点火单元140通过空气通道122与空气供应单元120相连接，由空气供应单元120提供新鲜空气，点火单元140通过燃油线139与燃油供给单元相连接，由燃油供给单元提供燃油。空气供应单元120通过信号线121电气连接到控制器130，而设置在空气供应单元120和点火单元140之间的质量流量传感器125通过信号线142与控制器130相电气连接，用于测量空气供应单元120提供的新鲜空气质量流量。
在将燃油供应到点火单元140时，燃油通过燃油泵115经由接入油箱110的吸入管线111和返回管线112进行循环，燃油泵115上还连接有压力管线126，压力管线126连接至截止阀116，该截止阀116通过信号线118与控制器130相电气连接。截止阀116的出口连接至燃油管线139，其中的压力由通过信号线119与控制器130通信的油压传感器117来进行测量。
如图1所示，在再生过程中，空气供应单元120产生供给点火单元140的新鲜空气流。在点火单元中，由燃油泵115通过压力管线139提供的燃油流被点燃并且与新鲜气流混合，产生的高温气流在三通空气通道144中进一步与尾气气流混合，然后流入DPF159中，氧化其中的颗粒物。
如图2所示，空气供应单元120包括风扇210和驱动器205，驱动器205由控制器130通过信号线121控制。点火单元140包括具有入口和出口的点火壳体235、以及均位于点火壳体235内沿点火出焰方向排列的喷嘴管227、用于避免高温尾气回流的第一摆动止回阀222、具有空气入口225和火焰出口228的腔体226和用于点燃的电热塞230，喷嘴管227通过燃油电磁阀225与燃油供给单元相连接并穿过第一摆动止回阀222伸入腔体226内，电热塞230固定于点火壳体235上并伸入腔体226内。其中第一摆动止回阀222包括斜向设置在点火壳体横截面上的第一止回板，该第一止回板的侧面与腔体的空气入口相连接；第一止回板上开设有可供喷嘴管穿设且与腔体相连接的通孔和用于流通气体的第一阀孔223，该第一阀孔223上铰接有用于单向导通的第一阀片224。
在点火单元140中，电磁阀225用于控制燃油加油率，而该电磁阀225又由控制器130通过信号线141来控制。电磁阀225通过连接器220流体地连接到喷嘴管227，而喷嘴管227拧在支撑架221上，用于固定喷嘴管227。在支撑架221的下游，具有第一阀片224的摆动止回阀222铰接在第一阀孔223上方以用于防止高温尾气气流回流进入风扇210。喷嘴管227穿过第一摆动式止回阀222进入腔室226，该腔室有接收新鲜空气流的开口225和释放火焰的开口228。在腔室226中，由控制器130通过信号线141控制的电热塞230位于喷嘴管227的下游，用于点燃计量燃油。在再生过程中，大量的热能在燃油燃烧过程中释放，并且将通过点火单元140的气流加热到高温。
为了防止高温空气流进入发动机，如图3所示，可以在连接通道145中布置一个用于避免高温尾气回流的第二摆动止回阀261，第二摆动止回阀261包括斜向设置在通道横截面上的第二止回板，第二止回板上开设有用于流通气体的第二阀孔262，该第二阀孔上铰接有用于单向导通的第二阀片263。第二摆动止回阀261与第一摆动止回阀222一起仅允许发动机中产生的排气进入DPF150，捕捉尾气中的颗粒物。在点火单元140中，新鲜空气流量由风扇210驱动功率和三通空气通道144中的压力确定。在相同功率的情况下，较高的尾气流量导致较高的DPF159两端的压差，从而升高了三通空气通道144的压力，降低了新鲜空气的流量。当尾气流量高于某一特定值时，第一摆动止回阀222会关闭，新鲜空气流量为零。
如图1所示，在再生DPF时，达到平衡状态后，能量平衡方程为：
Figure BDA0002302369540000071
其中T161是从第二温度传感器161获得的温度感测值，Ta是环境温度，Te是排气温度，Cp1和Cp2恒压平均热容值，ma为新鲜空气的质量流量，me是尾气的质量流量，Q是周围空气与混合气流之间的热能交换率，该混合气流由尾气，以及在空气通道144，锥形入口151，DPF159和封装单元150中燃烧的燃油组成，mf是喷射燃油的质量流量，LHV是喷射燃油的低热值。
为了完全燃烧喷射的燃油，新鲜空气的流量必须高于由当量空燃比决定的某个值：
Figure BDA0002302369540000072
其中λ0是当量的空燃比，λ是相对空燃比，λ的值大于1.0。
根据能量平衡方程(1)和(2)，在目标再生温度下，可通过以下方程来计算喷射燃油的质量流量：
Figure BDA0002302369540000073
等式(3)表明，当发动机停机后再触发再生时，即，
Figure BDA0002302369540000074
时，可以显着降低喷射燃油的质量流量。而对DPF系统隔热时，也就是当热能交换率降低时，该值可以进一步降低。
实际上，等式(3)还表明，在平衡状态下，燃烧喷射燃油时所释放的能量补偿了通过DPF的混合气流流失于环境的热量。热量流失率越高，即Q值越高，则需要越多的喷射燃油。此外，根据公式(1)，“纯”能量损失，即未用于补偿气流热损失的能量，是公式的第一部分，即
Figure BDA0002302369540000081
其中，El是纯能量损失。根据公式(4)，当发动机在停机再生时
Figure BDA0002302369540000082
纯能量损失或能量浪费由热量流失率Q确定。该值越高，为补偿热量损失而从DPF系统中由气流带走的能量就越多。
为了降低能量消耗，在再生过程中，需要降低新鲜空气和尾气的质量流量。因此，当再生启动后，可用如图4所示的控制系统来控制DPF温度。
本发明一种低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统，包括变化率限制器402、前馈控制器403、PID控制器404、PWM计算模块405和保护模块406，变化率限制器402根据DPF目标温度DPFT_target和第一温度传感器166所测量的DPF入口温度DPFinT计算温度指令值，前馈控制器402根据尾气温度Exh_T、环境温度Ambient_T、新鲜空气质量流量Fresh_MF、排气质量流量Exh_MF和温度指令值计算前馈控制指令，PID控制器404根据温度指令值与DPF入口温度DPFinT比较得到的温度误差信号计算反馈控制指令，PWM计算模块405根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值和燃油压力值计算得到PWM占空比值，保护模块406根据PWM占空比值和新鲜空气质量流量Fresh_MF计算用于控制燃油电磁阀的PWM占空比指令。其中尾气温度Exh_T可第二温度传感器161检测得到，新鲜空气质量流量Fresh_MF可由质量流量传感器125检测得到。
变化率限制器402根据DPF目标温度DPFT_target和第一温度传感器166所测量的DPF入口温度DPFinT计算温度指令值以防止DPFinT变化太快而引起DPF159中的热应力过高，变化率限制器402中温度指令值的计算公式为：
Temp_CtrlCmd＝最小值(DPFT_target，DPFinT+deltaT)
其中，Temp_CtrlCmd为温度指令值，deltaT为用于限制DPF入口温度变化率的设定值。
对于前馈控制器403，根据能量平衡方程式(1)，得到前馈控制器中前馈控制指令的计算公式为：
Fuel_MF＝[(DPFinT-Exh_T)×Cp_2×Exh_MF+(DPFinT-Ambient_T)×Cp_1×Fresh_MF]/LHV
其中，Fuel_MF为前馈控制指令，Cp_1和Cp_2为两个常数，LHV为燃油的低热值。
可以在PID控制器404中使用PID控制来生成反馈控制命令，而在PWM模块405中，可以使用反馈控制指令和前馈控制指令之和以及燃油压力值作为输入的表来通过查表法计算PWM占空比值，表中的值可以通过实验结果来标定。
如图1所示，为了将DPF159再生过程中的能量消耗降到最低，由空气供应单元120产生的新鲜空气流量会很低。如果没有尾气气流，则低新鲜空气流量也降低了三通空气通道144中的新鲜空气压力。当较高的尾气流量通过连接通道145进入三通空气通道144时，其中的压力也会相应增加。如图2所示，如果不增加风机210的功率，则通过质量流量传感器125检测到的空气通道122中的新鲜空气流量会随着三通空气通道144中的压力升高而减小。当第一摆动止回阀222上的压力不够高无法推动第一阀片224打开时，空气流量为零。因此，通过检测空气通道122中的质量流量，可以避免在尾气流量高时进行再生。在图4的控制系统中，仅在低尾气流量下再生的功能可以在保护模块406中通过周期性运行的基于定时器的中断服务程序来实现。如图5所示，在程序开始后，首先检查DPF再生状态，当DPF不在再生过程中时，程序结束。否则，将计算Fresh_MF值的变化率。如果检测到Fresh_MF值下降率超过阈值Thd_MFR或Fresh_MF值小于阈值Thd_MF，则将PWM占空比命令设置为0，并停止再生过程；然后程序结束。
本发明一种基于低能耗柴油机尾气处理系统的DPF温度控制方法，包括如下步骤：
将DPF目标温度DPFT_target和第一温度传感器166所测量的DPF入口温度DPFinT传输至变化率限制器402，变化率限制器402根据DPF目标温度DPFT_target和第一温度传感器166所测量的DPF入口温度DPFinT计算温度指令值，并传输至前馈控制器403；将尾气温度Exh_T、环境温度Ambient_T、新鲜空气质量流量Fresh_MF、排气质量流量Exh_MF传输至前馈控制器403，前馈控制器403根据尾气温度Exh_T、环境温度Ambient_T、新鲜空气质量流量Fresh_MF、排气质量流量Exh_MF和温度指令值计算前馈控制指令；将温度指令值与DPF入口温度DPFinT进行比较得到的温度误差信号传输至PID控制器404，PID控制器404根据温度误差信号计算反馈控制指令，将反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值传输至PWM计算模块405，PWM计算模块405根据计算值和燃油压力值计算得到PWM占空比值，并传输至保护模块406，将新鲜空气质量流量Fresh_MF传输至保护模块406，保护模块406根据PWM占空比值和新鲜空气质量流量Fresh_MF计算用于控制燃油电磁阀225的PWM占空比指令。
其中变化率限制器402中温度指令值的计算公式为：
Temp_CtrlCmd＝最小值(DPFT_target，DPFinT+deltaT)
其中，Temp_CtrlCmd为温度指令值，deltaT为用于限制DPF入口温度变化率的设定值。
其中前馈控制器403中前馈控制指令的计算公式为：
Fuel_MF＝[(DPFinT-Exh_T)×Cp_2×Exh_MF+(DPFinT-Ambient_T)×Cp_1×Fresh_MF]/LHV
其中，Fuel_MF为前馈控制指令，Cp_1和Cp_2为两个常数，LHV为燃油的低热值。
其中保护模块406的控制方法包括如下步骤：首先检查DPF再生状态，若DPF处于再生状态中，则计算新鲜空气质量流量Fresh_MF的变化率；若检测到Fresh_MF值下降率超过阈值Thd_MFR或Fresh_MF＜阀值Thd_MF，则将PWM占空比设置为0，并停止再生过程。
在DPF再生过程中，由公式(3)可知，较低的尾气流量可实现较低的能耗，而且这个能耗在尾气流量为零时达到最低。然而，根据公式(4)，即使在尾气流量为零时，为了补偿DPF系统中的热损失，除了热损失本身之外还需要额外的热能，而这部分热能又会被空气气流带走。为了进一步减少能耗，可以使用热交换设备进一步“回收”这种多余的热能。如图6所示，热交换器300位于空气供应单元120和点火单元140之间。热交换器可以是壳管式热交换器，其壳侧入口流体地连接到空气供应单元120，而壳侧出口流体地连接至点火单元140，管侧入口通过排气通道301流体连接至尾管153，并且管侧出口流体连接至外部环境或下游装置(未示出)。对于热交换器300，根据公式(4)，如果排气通道301和热交换器300与周围环境热隔离，则纯能量损失将是：
Figure BDA0002302369540000101
，其中α是热交换器效率系数，当热传导最有效时，即在点火单元140中获得的所有热能都传递给流过壳体的新鲜空气流时，该值为1，这时纯能量损失为零。在这种情况下，在点火单元140中产生的所有热能被用于补偿DPF系统对周围环境的热损失。该值越接近1，则再生DPF的能耗越少。此外，利用热交换器300，在再生时管侧出口处的空气温度，也就是排放到环境中的空气流的温度，会显着降低。因此本发明还可以避免由DPF再生引起的高温尾气流产生的危害。
如图1所示，在DPF系统中，为了降低能耗，仅在尾气流量低时才对DPF159进行再生。在移动应用中，将DPF系统安装在车辆上时，仅在车辆停止时通过再生DPF即可实现低流量再生。在这种情况下，发动机将停止或处于怠速状态，并且其尾气流量较低。对于需要具有高尾气流量的DPF再生的应用，可以选择另一种再生系统，如图7所示，本发明一种适用于高排气流量下的低能耗柴油机尾气处理系统，包括控制器130和两条交替使用的再生系统，一条再生系统包括沿气流方向依次排列的空气供应单元120、点火单元140、三通空气通道144和包裹有DPF159的封装单元150，三通空气通道144上还外接有发动机尾气，点火单元140上连接有燃油供给单元，DPF159的上、下游设有第一温度传感器166和第二温度传感器161，DPF159上连接有用于测量DPF出口压力和通过DPF的压力差的压力传感器163和压差传感器164，空气供应单元120的出口设有用于测量新鲜空气质量流量的质量流量传感器125；另一条再生系统包括沿气流方向依次排列的通过三通通道413与空气供应单元120和点火单元140相连接的副空气通道414、副点火单元440、副三通空气通道444和包裹有副DPF459的副封装单元450，副三通空气通道444上还外接有发动机尾气，副点火单元440上连接有燃油供给单元，副DPF459的上、下游设有第三温度传感器466和第四温度传感器461，副DPF459上连接有用于测量副DPF出口压力和通过副DPF的压力差的副压力传感器463和副压差传感器464；所述控制器130分别与空气供应单元120、点火单元140、副点火单元440、燃油供给单元、第一温度传感器166、第二温度传感器161、第三温度传感器466、第四温度传感器461、压力传感器163、副压力传感器463、压差传感器164、副压差传感器464和质量流量传感器125相电连接。本发明的点火单元和副点火单元的结构相同，点火单元140或副点火单元440的电磁阀225通过燃油线139与燃油供给单元相连接，由燃油供给单元提供燃油。连接通道145和副连通通道445内均设有用于避免高温尾气回流的第二摆动止回阀261。三通通道413与点火单元140之间连接有热交换器130，该热交换器130的壳侧入口与三通通道413相连接，壳侧出口与点火单元140相连接，管侧入口通过排气通道301与封装单元的出口相连接，管侧出口与外部装置相连接。副空气通道414与副点火单元440之间连接有副热交换器，该副热交换器的壳侧入口与副空气通道414相连接，壳侧出口与副点火单元140相连接，管侧入口通过副排气通道与副封装单元的出口相连接，管侧出口与外部装置相连接。
在适用于高排气流量下的低能耗柴油机尾气处理系统中，在副封装单元450中的副DPF459用于从排气中去除PM。副封装单元450上游的副锥形入口451将副DPF459流体连接到副三通空气通道444，该副三通空气通道进一步连接到副点火单元440和副连接通道445的出口，同时在点火单元140和空气供给单元120之间，三通通道413将新鲜空气流分成两个分支，其中一支进入点火单元140，而另一支通过副空气通道414进入副点火单元440。副连接通道445的入口经由副控制阀412流体连接至三通尾气通道401，而副控制阀412由控制器130通过信号线422进行控制。三通尾气通道401还流体地连接至尾气气流并通过另一控制阀411流体地连接到连接通道145。控制阀411由控制器130通过信号线421进行控制。在副封装单元450上，通过信号线423与控制器130连通的第三温度传感器466和通过信号线426链接到控制器130的第四温度传感器461分别位于副DPF459的上游和下游，这两个传感器用于检测排气温度。副DPF459下游的压力由副压力传感器463通过探头管467检测，该探头管在副DPF459下游的副封装单元450中有开口，同时副DPF459两端的压差由副压差传感器464通过在副封装单元450上并在副DPF459上游开口的探头管465和探头管467两个探管来检测。副压力传感器463和副压差传感器464分别通过信号线425和424与控制器130连接。
如图7所示，DPF159和副DPF459可以在再生过程中交替进行再生。例如，当再生DPF159(DPF A)时，控制阀411(尾气阀A)关闭，副控制阀412(尾气阀B)打开，引导尾气只通过副DPF459(DPF B)。如图2所示，在点火单元140中，当没有尾气气流通过第一摆动止回阀222时，由风机210提供的新鲜空气气流推动第一摆动止回阀222的第一阀片224打开，然后进入DFP159。喷射在新鲜空气气流中燃烧的燃油在DPF 159中燃烧，产生的高温空气会氧化颗粒物。在副点火单元440中，由于尾气气流通过副DPF459，所以副三通空气通道444中的压力较高，这个压力阻止副点火单元440的第一摆动止回阀打开。这样，只有DPF159可以再生，同时由于只是新鲜空气通过DPF159(没有尾气气流)，所以空气流量较低。类似地，当副DPF459(DPFB)再生时，副控制阀412(尾气阀B)关闭，控制阀411(尾气阀A)保持打开状态，这样副DPF 459中的空气流量也比较低。在没有再生时，则控制阀411和副控制阀412都处于打开状态。
如图8所示，该方法可用于控制图7中的DPF系统。在该方法中，首先再生DPF 159(DPFA)，然后在副控制阀412(尾气阀B)打开的情况下关闭控制阀411(尾气阀A)。当DPF159(DPFA)的再生完成时，副控制阀412(尾气阀B)关闭，控制阀411(尾气阀A)打开以再生副DPF459。控制阀411和副控制阀412都在副DPF 459再生完成后打开。

Claims (8)

1.一种低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统，其特征在于：包括变化率限制器、前馈控制器、PID控制器、PWM计算模块和保护模块，变化率限制器根据DPF目标温度DPFT_target和第一温度传感器所测量的DPF入口温度DPFinT计算温度指令值，前馈控制器根据尾气温度Exh_T、环境温度Ambient_T、新鲜空气质量流量Fresh_MF、排气质量流量Exh_MF和温度指令值计算前馈控制指令，PID控制器根据温度指令值与DPF入口温度DPFinT比较得到的温度误差信号计算反馈控制指令，PWM计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值和燃油压力值计算得到PWM占空比值，保护模块根据PWM占空比值和新鲜空气质量流量Fresh_MF计算用于控制燃油电磁阀的PWM占空比指令。
2.根据权利要求1所述的低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统，其特征在于：所述变化率限制器中温度指令值的计算公式为：
Temp_CtrlCmd＝最小值(DPFT_target，DPFinT+deltaT)
其中，Temp_CtrlCmd为温度指令值，deltaT为用于限制DPF入口温度变化率的设定值。
3.根据权利要求1所述的低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统，其特征在于：所述前馈控制器中前馈控制指令的计算公式为：
Fuel_MF＝[(DPFinT-Exh_T)×Cp_2×Exh_MF+(DPFinT-Ambient_T)×Cp_1×Fresh_MF]/LHV
其中，Fuel_MF为前馈控制指令，Cp_1和Cp_2为两个常数，LHV为燃油的低热值。
4.根据权利要求1所述的低能耗尾气处理系统的DPF温度控制系统，其特征在于，所述保护模块的控制方法包括如下步骤：首先检查DPF再生状态，若DPF处于再生状态中，则计算新鲜空气质量流量Fresh_MF的变化率；若检测到Fresh_MF值下降率超过阈值Thd_MFR或Fresh_MF＜阀值Thd_MF，则将PWM占空比设置为0，并停止再生过程。
5.一种低能耗尾气处理系统的DPF温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
将DPF目标温度DPFT_target和第一温度传感器所测量的DPF入口温度DPFinT传输至变化率限制器，变化率限制器根据DPF目标温度DPFT_target和第一温度传感器所测量的DPF入口温度DPFinT计算温度指令值，并传输至前馈控制器；将尾气温度Exh_T、环境温度Ambient_T、新鲜空气质量流量Fresh_MF、排气质量流量Exh_MF传输至前馈控制器，前馈控制器根据尾气温度Exh_T、环境温度Ambient_T、新鲜空气质量流量Fresh_MF、排气质量流量Exh_MF和温度指令值计算前馈控制指令；将温度指令值与DPF入口温度DPFinT进行比较得到的温度误差信号传输至PID控制器，PID控制器根据温度误差信号计算反馈控制指令，将反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值传输至PWM计算模块，PWM计算模块根据计算值和燃油压力值计算得到PWM占空比值，并传输至保护模块，将新鲜空气质量流量Fresh_MF传输至保护模块，保护模块根据PWM占空比值和新鲜空气质量流量Fresh_MF计算用于控制燃油电磁阀的PWM占空比指令。
6.根据权利要求5所述的低能耗尾气处理系统的DPF温度控制方法，其特征在于，所述变化率限制器中温度指令值的计算公式为：
Temp_CtrlCmd＝最小值(DPFT_target，DPFinT+deltaT)
其中，Temp_CtrlCmd为温度指令值，deltaT为用于限制DPF入口温度变化率的设定值。
7.根据权利要求5所述的低能耗尾气处理系统的DPF温度控制方法，其特征在于，所述前馈控制器中前馈控制指令的计算公式为：
Fuel_MF＝[(DPFinT-Exh_T)×Cp_2×Exh_MF+(DPFinT-Ambient_T)×Cp_1×Fresh_MF]/LHV
其中，Fuel_MF为前馈控制指令，Cp_1和Cp_2为两个常数，LHV为燃油的低热值。
8.根据权利要求5所述的低能耗尾气处理系统的DPF温度控制方法，其特征在于，所述保护模块的控制方法包括如下步骤：首先检查DPF再生状态，若DPF处于再生状态中，则计算新鲜空气质量流量Fresh_MF的变化率；若检测到Fresh_MF值下降率超过阈值Thd_MFR或Fresh_MF＜阀值Thd_MF，则将PWM占空比设置为0，并停止再生过程。
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