CN110985171A - 一种可控ntp工况再生dpf的系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控NTP工况再生DPF的系统及控制方法，涉及尾气后处理领域，NTP系统包括NTP发生器、电源装置以及冷却系统；DPF系统包括DPF、DPF电加热层，DPF电加热层控制DPF再生温度；通过热电转化装置收集排气余热能，对蓄电池及DPF电加热层供能，NTP电源装置通过蓄电池供电以使NTP发生器电离空气产生强氧化性气体，对沉积在DPF内的PM进行氧化去除；NTP电源装置通过功率调节模块、频率调节模块实现NTP工作电压频率可调，通过风扇优化NTP发生器散热，控制NTP电源装置表面温度；控制模块包括压差传感器、温度传感器、电压频率传感器以及电子控制单元，实现对DPF再生系统的控制和优化。对DPF中的PM进行去除，提高了排气余热能利用效率，有利于DPF的长期高效使用。
Description
技术领域
本发明属于柴油机尾气后处理技术领域，具体地，涉及一种再生DPF的系统及控制方法。
背景技术
柴油机具有较高的燃油经济性、动力性及耐久性，广泛应用于工农业生产和交通运输等领域。颗粒物(Particulate Matter，PM)为柴油机主要排放污染物，PM对人体和环境产生了严重危害，其细颗粒可悬浮在空气中，一定条件下会形成雾霾，既会遮蔽阳光影响植物生长，也会给人们交通出行带来安全隐患。PM可随人体呼吸进入肺部和血液中，会大大增加人们患呼吸系统疾病的风险，甚至诱发癌症。近年来，排放法规的不断严格，人们对柴油机后处理系统的设计和制造有了更高的要求。柴油机颗粒捕集器(Diesel ParticulateFilter，DPF)技术是目前降低PM排放最为有效的后处理手段，其捕集效率可达90％以上。而DPF会因PM捕集过多而堵塞，造成DPF背压升高、捕集性能降低及车辆燃油消耗增大等问题。因此，利用DPF降低柴油机PM排放的突破点在于DPF的再生技术，即在DPF堵塞后及时清除DPF中堆积的PM，在一定程度上恢复DPF的工作性能，延长其使用寿命。
目前，DPF再生技术主要为热再生和催化再生。热再生技术主要原理是利用较高的温度(>600℃)加热DPF内沉积的PM直至烧除，从而达到再生DPF的效果。热再生的实现方式主要有喷油加热再生、微波加热再生以及红外加热再生等。热再生需要较高的温度条件，DPF载体会因局部过热而损坏。催化再生技术能够大幅降低PM氧化反应的起始温度，但催化剂保持活性的温度窗口较窄，对油品的要求较高。因此，传统的DPF再生技术存在着一定的缺陷，具体应用存在一定的限制。
利用低温等离子体(Non-thermal Plasma，NTP)是一种高效清洁的柴油机排气后处理技术，可去除沉积在DPF内的PM。NTP技术以空气作为气源，在经过NTP发生器的放电作用后可以产生O3、NO2等活性物质，能够在较低温度下(＜200℃)与PM发生反应，实现DPF的再生。目前，利用NTP技术降低排气污染物已取得一定的成就。中国公开号为CN102678238A的中国专利申请中描述的一种对停机状态下柴油机用NTP进行DPF再生的方法，该方法还通过排气余热和电加热使DPF达到再生温度，实现离线再生。但该方法的缺陷在于：不能对DPF进行在线再生，对于柴油机长时间运行的DPF系统未能提供有效的在线再生策略。对中国专利CN109538334A中NTP发生器结构进行改进，优化NTP发生器散热，增强活性物质稳定性及DPF再生效果。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种可控NTP工况DPF再生系统及控制方法，利用热电转化装置收集排气余热能，选择性地对车载电源进行充电，提高了排气余热能的利用效率；利用NTP电源装置控制NTP发生器工作，通过车内控制器实现对发生器的电压及频率调控；通过优化NTP发生器表面构造，降低其表面温度提高活性物质浓度，实现DPF长期稳定运行。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：
一种可控NTP工况再生DPF的系统，包括热电转化装置、NTP系统、DPF系统及控制模块；所述NTP系统包括NTP发生器、质量流量控制器、车载电源、NTP电源装置、冷却水泵、阀门、供气风机及相关管路；所述车载电源、电源装置用于给NTP发生器供电，NTP电源装置控制器接于车内便于实时控制；所述供气风机通过装有质量流量控制器的管路与NTP发生器的进气端口连接，所述NTP发生器的出气端与装有气体控制阀的喷射管路连接向DPF供入活性气体；
优选地，所述NTP气体喷嘴安装在DPF前端面100mm；所述NTP喷射系统采用水冷冷却系统，冷却水由进水口进入NTP发生器内部并经出水口排出。
优选地，所述发生器为介质阻挡放电型，包括细铁丝网外电极、石英管和不锈钢管内电极所述细铁丝网外电极包裹于石英管外壁，所述不锈钢管内电极安装于石英管内部，所述不锈钢管内电极与石英管之间形成截面为环形的放电间隙，所述细铁丝网外电极为放电区域。
优选地，NTP电源装置外壳材料为铝，在电源装置外壳上设计肋片及强力风扇加强散热；
所述NTP电源装置由控制器、电源模块及变压器构成，控制器安装在车内便于实时调控，将变压器设置在NTP电源装置的下端，NTP发生器及冷却装置设置于电源模块另一侧；电源模块中由功率调节模块、频率调节模块及逆变升压模块组成；
所述的功率调节模块、频率调节模块与控制模块连接，将标定好的NTP最佳电压ΔkV与最佳频率ΔkHz预存在控制模块内，使NTP发生器放电工作时维持在最佳电压和频率范围内；
所述DPF系统中安装温度传感器检测DPF内部温度T，电加热层包裹在DPF外侧套筒上；所述温度传感器与电加热层均与控制模块相连，控制模块内预存再生最佳温度范围TM～TH；所述DPF电加热层可对DPF进行加热，以维持DPF再生时在最佳温度TM～TH范围内；
所述压力差传感器用于检测DPF前后压差；控制模块中预先存有DPF压差上限阈值ΔPH、压差中间阈值ΔPM及标识DPF再生完成的目标压差ΔPO；压力传感器实时采集DPF两端的压差ΔP用来判断DPF是否需要进行再生；
优选地，DPF系统包括的热电转化装置安装于DPF系统的前端排气管上，收集排气余热能量，选择性地对电加热层以及车载蓄电池提供电能。
所述的DPF再生系统的DPF再生控制方法，包括如下步骤：
步骤一：对DPF系统进行标定试验，确定柴油机在不同工况下对应的压差上限阈值ΔPH、中间压差阈值ΔPM及标识再生完成的再生目标压差ΔPO。将压差上限阈值ΔPH、中间压差阈值ΔPM再生目标压差ΔPO存入控制模块；
优选地，所述步骤一中还包括通过试验确定NTP活性气体与DPF内部积碳反应的最佳温度范围，得到最佳再生温度上限阈值TH及下限阈值TM，并存入控制模块中；当进行再生时，即开始通过DPF温度传感器监测对应DPF的温度下降趋势，以判断是否达到再生时机；当控制模块监测到T小于最佳再生温度上限值TH时，开始进行再生；在再生的过程中，当T小于最佳再生温度下限值TM时，控制模块启动电加热层对DPF进行加热，使DPF温度保持在最佳再生温度TM～TH范围内，再生完成后电加热层停止加热；
步骤二：控制模块通过压差传感器监测DPF前后端的压差大小ΔP，与控制模块中预存的压差上限阈值ΔPH进行比较，以判断是否需要进行DPF再生；当控制模块监测到DPF前后端压差ΔP大于压差上限阈值ΔPH，控制模块发出信号开启NTP喷射系统，打开控制阀，将NTP活性气体从DPF前端喷入，对DPF进行再生；当控制模块监测到DPF前后端压差ΔP小于再生目标压差ΔPO时，即认为再生完成；控制模块发出信号关闭NTP控制阀，关闭喷射系统；
优选地，所述步骤一中还包括通过试验标定NTP最佳放电电压及频率，得到最佳放电电压ΔkV和放电频率ΔkHz并存入控制模块当中；当进行DPF再生时，通过温度传感器及压差传感器检测DPF内部温度T和DPF前后端压力值ΔP；
优选地，当符合DPF进行再生条件时，分为两种情况：(1)当检测到DPF温度处于TM≤T≤TH，压差处于ΔPO≤ΔP≤ΔPM时，通过控制模块维持NTP发生器放电电压17kV～20kV和放电频率7kHz～10kHz范围内；(2)当检测到DPF温度处于TM≤T≤TH，压差处于ΔPM≤ΔP≤ΔPH时，通过控制模块使NTP发生器维持在放电电压20kV～23kV和放电频率7kHz～10kHz范围内；当DPF再生完成后，关闭NTP发生器电源；
优选地，控制模块通过质量流量控制器调节供气量为5L/min；通过车内电源转载控制器控制NTP发生器电压为17kV～23kV，放电频率为7kHz～10kHz。
附图说明
图1为本发明所述DPF再生系统的结构示意图；
图2为本发明所述NTP发生器装置结构示意图；
图3a、3b为本发明所述NTP发生器与电源频率可调系统结构示意图；
图4为本发明所述DPF系统结构示意图；
图5为本发明所述DPF再生控制方法的示例性步骤示意图。
附图标记如下：
100-柴油机；200-热点转化系统；300-NTP喷射系统；400-DPF系统；500-控制模块；101-排气管；201-热电转化装置；301-NTP发生器；302-质量流量控制器；303-车载蓄电池；304-NTP电源频率可调器；305-冷却水泵；306-水泵控制阀；307-NTP控制阀；308-供气泵；3011-进气端；3012-出气端；3015-石英管；3016-不锈钢管；3017-高导热硅胶片；3018-铜片；3041-逆变升压器；3042-频率可调模块；3043-频率可调模块；3044-散热风扇；3045-变压器；3046-电压频率传感器；401-DPF；402-温度传感器；403-压差传感器；404-电加热层；4041-电加热层温度传感器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的
如图1所示，本发明所述的再生系统包括热电转化装置201、NTP系统300、DPF系统400及控制模块500，所述热电转化装置201安装于所述DPF系统前端排气管路上，所述NTP系统300、DPF系统400及热电转化装置201均与所述控制模块500连接。
如图2所示，所述包括NTP发生器301、质量流量控制器302及供气风机308。所述NTP发生器301放电方式为介质阻挡型放电，采用不锈钢管3016作为内电极，即低压电极，石英管3015作为阻挡介质，铜片3017作为外电极，即高压电极；所述不锈钢管3016位于石英管3015内部，与石英管3015同轴，所述铜片3017包裹在石英管3015上，高导热硅胶片3018等间距分布于铜片外电极3017上；所述不锈钢管内电极3016与石英管3015之间形成环形截面的放电间隙，所述铜片外电极3017为放电区域。
所述供气风机308通过装有质量流量控制器302的管道与NTP发生器301的进气端口连接，所述NTP发生器301的出气端通过喷射管路与喷嘴连接，所述喷射支路上安装有NTP控制阀307。NTP气源经进气端进入放电间隙，通过放电区域放电形成NTP活性气体，所述活性气体经NTP发生器出气端进入DPF内开始再生。
如图3a、3b所示，所述NTP电源装置器304由逆变升压模块3041、功率调节模板3042、频率调制模板3043、散热风扇3044以及变压器3045组成。通过热电转化装置201收集排气余热能，选择性地对车载蓄电池供电，电流经过逆变升压后再通过NTP电源装置304，使得NTP发生器工作产生强氧化性活性气体。
优选地，首先将NTP发生器工作电压以及频率标定出存入控制模块500当中，在进行DPF再生时，电流经NTP电源装置中的功率调节模块及频率调节模块达到NTP发生器工作所需电压和频率，并通过车内控制器实现远端控制NTP发生器工作状况。
优选地，NTP电源装置外壳材料为铝，在变压器外壳周围设计散热肋片与风扇一起对装置进行冷却。
如图4所示，所述的DPF系统400主要包括DPF滤芯401、DPF电加热层404。DPF滤芯401置于排气管101上对PM进行捕集，所述DPF前后排气管路上安装有压差传感器403，所述DPF滤芯内还安装有温度传感器402；所述DPF所在排气管套筒上包裹着电加热层404，所述热电转化装置201选择性地利用排气余热为DPF电加热层404和车载蓄电池303供电。
所述NTP喷射系统300中的喷嘴安装于DPF的入口处，距离DPF前端面100mm；所述热电转化装置201安装于DPF系统的前端排气管路上；所述NTP控制阀307、温度传感器402、压差传感器403均与控制模块500连接。
所述NTP控制阀307在NTP喷射系统300停机时皆处于关闭状态，当DPF系统达到再生要求时，NTP发生器301开始工作产生活性气体，开启NTP控制阀307活性气体通过管路对DPF进行再生。
图5所示为DPF再生的流程图；在使用之前，首先要对DPF及NTP系统进行标定试验，确定柴油机在不同工况下对应的压差上限阈值ΔPH及压差中间阈值ΔPM，标识再生完成的再生目标压差ΔPO；通过试验确定NTP活性气体与内部积碳反应的最佳温度范围，得到最佳再生温度上限值TH和下限值TM；将压差上限阈值ΔPH、压差中间阈值ΔPM、再生目标压差ΔPO、最佳再生温度上限值TH及最佳再生温度下限值TM存入控制模块500中。
控制模块500通过压差传感器403监测DPF前后端的压差大小ΔP，与控制模块中预存的压差上限阈值ΔPH进行比较，以判断是否需要进行再生；
当控制模块500监测到DPF前后端压差ΔP大于压差上限阈值ΔPH，即认为DPF需要进行再生；此时通过检测DPF温度传感器402传来的信号，以判断是否达到再生时机；当控制模块500监测到T小于最佳再生温度上限值TH时，开始进行再生；在再生的过程中，当T小于最佳再生温度下限值TM时，控制模块500启动电加热层404对DPF加热，使DPF温度保持在最佳再生温度范围内；DPF再生完成后电加热层停止加热。
优选地，通过试验标定NTP最佳放电电压及频率，得到最佳放电电压ΔkV和放电频率ΔkHz并存入控制模块当中；当进行DPF再生时，通过温度传感器及压差传感器检测DPF内部温度T和DPF前后端压力值ΔP；
优选地，当符合DPF进行再生条件时，分为两种情况：(1)当检测到DPF温度处于TM≤T≤TH，压差处于ΔPO≤ΔP≤ΔPM时，通过控制模块维持NTP发生器放电电压17kV～20kV和放电频率7kHz～10kHz范围内；(2)当检测到DPF温度处于TM≤T≤TH，压差处于ΔPM≤ΔP≤ΔPH时，通过控制模块使NTP发生器维持在放电电压20kV～23kV和放电频率7kHz～10kHz范围内；当DPF再生完成后，关闭NTP发生器电源；
在DPF再生过程中，控制模块500通过质量流量控制器302调节供气量为5L/min；NTP发生器工作电压为17～23kv，放电频率为7～10kHz。
所有再生过程都是在对应排气控制阀关闭后进行的，避免排气流量过大而影响NTP与DPF内部积碳的反应效果；所有DPF再生过程都是在最佳再生温度范围内进行的，提高了NTP及排气余热能量的利用率；因此，本发明提高了DPF再生效率并有效地节约了能源。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种可控NTP工况再生DPF的系统，其特征在于，包括柴油机(100)、热电转化系统(200)、NTP系统(300)、DPF系统(400)和控制模块(500)；
所述柴油机(100)通过排气管(101)与DPF系统(400)相连；
所述NTP系统(300)包括NTP发生器(301)、质量流量控制器(302)、车载电源(303)、NTP电源装置(304)、冷却水泵(305)、阀门(306、307)和供气风机(308)；所述供气泵(308)通过装有质量流量控制器(302)的管路与NTP发生器(301)的进气端(3011)连接，所述NTP发生器(301)的出气端(3012)与装有气体控制阀(307)的喷射管路连接向DPF(401)供入活性气体；
所述车载电源(303)、NTP电压装置(304)用于给NTP发生器(301)供电，实现发生器电源及频率可调；所述DPF系统(400)中的电加热层(404)可根据发动机的工况的变化接受控制模块(500)的信号控制DPF内部环境的温度，以使DPF(401)再生时流入DPF中的排气温度维持在适宜的温度范围内，压力差传感器(403)用于检测DPF前后压差；所述控制模块(500)接受温度传感器(402)和压差传感器(403)的信号后通过NTP电源调装置(304)让NTP发生器(301)产生强氧化性气体对DPF(401)进行再生。
2.根据权利要求1所述的可控NTP工况再生DPF的系统，其特征在于，还包括热电转化装置(201)，所述热电转化装置(201)置于DPF系统前端的排气管(101)上，收集排气热能；所述NTP系统(300)采用水冷却系统，冷却水通过装有控制阀(306)的进水口进入发生器内部，对NTP表面温度进行冷却。
3.根据权利要求1所述的可控NTP工况再生DPF的系统，其特征在于，所述NTP系统(300)中的NTP发生器(301)放电方式为介质阻挡型放电，不锈钢管(3016)作为内电极，即低压电极，石英管(3015)作为阻挡介质，铜片(3018)作为外电极，即高压电极；所述不锈钢管(3016)位于石英管(3015)内部，与石英管(3015)同轴，所述铜片(3018)包裹在石英管(3015)上；在所述铜片(3018)电极上等间距布置有高导热硅胶片(3017)。
4.根据权利要求3所述的可控NTP工况再生DPF的系统，其特征在于，所述高导热硅胶片(3017)长度为20mm，厚度为2mm，高度为15mm；所述质量流量控制器(302)控制进入NTP发生器(301)的气源流量为5L/min。
5.根据权利要求1所述的可控NTP工况再生DPF的系统，其特征在于，所述NTP电源装置(304)包括逆变升压器(3041)、频率调节模块(3042)、功率调节模块(3043)、散热装置(3044)、变压器(3045)和电压频率传感器(3046)，经电源装置后向NTP发生器(301)供电；所述逆变升压器(3041)、频率调节模块(3042)以及功率调节模块(3043)接收控制模块(500)的信号后控制电路开闭；所述的散热装置(3044)为利用风扇对装置进行冷却。
6.根据权利要求1所述的可控NTP工况再生DPF的系统，其特征在于，所述DPF系统(400)包括DPF滤芯(401)、DPF温度控制装置(402)、DPF电加热层(404)以及电加热层温度传感器(4041)；所述DPF电加热层(404)采用不锈钢材料，结构设计为两部分组合式，以便于DPF安装与拆卸；其前端开有与排气管(101)连接的接口，后端开有排气出口；所述DPF温度传感器(402)安装在DPF滤芯(401)的一个通道内检测再生时DPF内部的温度；所述压差传感器(403)用来检测DPF前后端排气压力值；所述的DPF电加热层(404)由车载电源与热电转化装置来提供电能。
7.根据权利要求6所述的可控NTP工况再生DPF的系统，其特征在于，所述DPF滤芯(401)的材料为璧流式堇青石蜂窝陶瓷，孔密度为100cpi，直径为144mm，母线为152mm，DPF系统401放置于排气管101后端的套筒内。
8.根据权利要求1所述的可控NTP工况再生DPF的系统，其特征在于，所述控制模块(500)分别连接温度传感器(402)、压差传感器(403)、电加热层温度传感器(4041)以及NTP电源装置中电压频率传感器(3046)，以接收DPF内部温度、DPF前后端压差以及NTP电压频率数据，通过运算控制NTP系统(300)及DPF系统(400)的工作。
9.权利要求1至8任一项所述的DPF再生系统的再生控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对DPF再生系统(400)进行标定试验，确定柴油机在不同工况下对应的DPF压差上限阈值ΔPH、DPF压差中间阈值ΔPM，标识DPF再生完成的再生目标压差ΔPO，通过试验确定NTP活性气体与DPF内部积碳反应最佳排气温度范围，得到最佳排气温度的上限值TH及最佳排气温度下限值TM；将压差上限阈值ΔPH、压差中限阈值ΔPM、再生目标压差ΔPO存入控制模块(500)，将最佳排气温度上限值TH及最佳排气温度下限值TM存入控制模块(500)；
步骤二：控制模块(500)通过压差传感器(402)检测DPF前后端的压差大小ΔP，与控制模块(500)中预存的压差上限阈值ΔPH进行比较，以判断是否需要进行再生；当控制模块(500)检测到压差传感器(402)的测量值ΔP大于压差上限阈值ΔPH时，即认为DPF需要进行再生，发出再生信号；
步骤三：发出再生信号后，控制模块(500)通过温度传感器(402)检测DPF内部温度T，通过控制DPF电加热层(404)将DPF再生温度维持在最佳再生温度TM～TH范围内；
步骤四：对NTP发生器(301)进行标定试验，确定不同碳负载下对应的DPF再生所需放电电压及频率：当检测到DPF温度处于TM≤T≤TH，压差处于ΔPO≤ΔP≤ΔPM时，通过控制模块(500)将供气泵(308)、NTP发生器(301)开启，开始DPF(401)再生并使NTP发生器(301)维持在放电电压17kV～20kV和放电频率7kHz～10kHz范围内；当检测到DPF温度处于TM≤T≤TH，压差处于ΔPM≤ΔP≤ΔPH时，通过控制模块(500)使NTP发生器(301)维持在放电电压20kV～23kV和放电频率7kHz～10kHz范围内；
步骤五：再生结束后，判断控制模块(500)检测到的压差传感器(403)测量值ΔP是否小于再生目标压差ΔPO，若ΔP小于ΔPH，则发出再生停止信号，再关闭各用电装置，完成后返回判断ΔP与ΔPH的大小；若ΔP大于ΔPH，则返回再生步骤四，再进行依次再生。
10.根据权利要求9所述的DPF再生系统的再生控制方法，其特征在于，所述控制模块(500)通过质量流量控制器(302)调节供气量为5L/min；所述NTP电源装置(304)可通过车内控制器手动调节NTP发生器电压为17kV～23kV，放电频率为7kHz～10kHz。
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