CN112523843B - 一种主动调控柴油机sdpf系统工作环境的控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柴油机后处理领域，具体涉及一种主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制装置与方法。该系统包括DOC氧化型催化转化器、尿素喷射装置、混合加热装置、控制器和SDPF系统。其中混合加热装置，安置在尿素喷射装置后端柴油机排气管SDPF前端，用以进一步促进尿素的混合，防止尿素结晶，在保证混合效果的前提下减小排气背压，并在SDPF再生阶段进行温度补偿。本发明的优点在于根据传感器传输的信号切换工作模式，促进尿素液滴进一步破碎，防止尿素结晶的产生，提高混合物的均匀性，减小排气背压，并在SDPF再生时进行温度补偿，控制SDPF工作环境，有利于催化反应的发生。

Description

一种主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制装置与方法

技术领域

本发明涉及柴油机后处理领域，具体涉及一种主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制装置与方法。SDPF(Diesel Particle Filter with SCR Coating)系统即为负载有SCR催化剂的过滤器。

背景技术

随着汽车排放法规的日益严格，对汽车后处理系统的要求也随之加强。柴油机作为生活中一种常用的发动机，其HC和CO排放量只有汽油机的几十分之一，但NO_x的排放量却比汽油机高很多，微粒PM(Particulate Matter)排放更是汽油机的30～50倍，因此，柴油机对NO_x和PM的排放控制尤为重要。柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)，其相邻的蜂窝孔道两端交替堵孔，迫使气流通过多孔的壁面，而颗粒物被捕集在壁面孔内以及入口壁面上，过滤效率通常为85％～99.5％，被认为是当前最有效的脱除PM方法。选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction，SCR)，其常用的还原剂为一定浓度的尿素水溶液，与排气在排气管中混合，将排放污染物中的NO_x还原为氮气和水，在排放到大气中，其对NO_x的转换效率可达到95％，被视为最有效的脱除NO_x技术。

目前最常用的柴油机后处理系统是通过将氧化型催化转化器，(DieselOxidation Catalyst，DOC)、柴油机颗粒捕集器以及选择性催化还原技术串联组合使用。但这种方式也会造成串联组合体积过大、管路布置要求高、SCR低温起燃性能差等问题。因此诞生了涂覆SCR催化剂的颗粒捕集器(Diesel Particle Filter with SCR Coating，SDPF)，即将SCR催化剂直接涂覆到DPF上。

SDPF技术缩短了管路布置的距离，也可显著提升SDPF的起燃速度。然而该结构使尿素混合管路缩短，不利于尿素分解后NH₃在排气管中的均匀分布，且尿素泵和尿素喷嘴能力有限，不能保证混合效果达到反应效率的要求，若混合不均匀，则无法达到排放标准。例如，发动机启动时，排气管内温度较低，尿素溶液进入排气管中不能很好的雾化并于排气混合，部分尿素溶液易接触排气管壁，发生激冷湿壁效应，从而聚集结晶堵塞排气管。排气管中排气达到适当温度后，尿素也需较长的时间才能转化为NH₃并在排气中扩散均匀。SDPF再生过程也需要相应的温度补偿以促使再生过程快速进行。故需要针对SDPF的工作需要来进一步完善工作环境的控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制装置与方法，控制器根据传感器传输的信号控制前旋流叶片锁死、前后旋流叶片的加热以及壁面加热装置的加热，促进尿素液滴进一步破碎，防止尿素结晶的产生，提高混合物的均匀性，减小排气背压，并在SDPF再生时进行温度补偿，控制SDPF工作环境，有利于催化反应的发生。

本发明所述的一种主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制装置，包括，DOC氧化型催化转化器、尿素喷射装置、混合加热装置、控制器和SDPF系统；

(1)DOC氧化型催化转化器安装于发动机后端，发动机产生的排气首先进入DOC，排气中的HC、CO、NO被氧化为H₂O、CO₂、NO₂，并产生热量；

(2)尿素喷射装置，安装于DOC氧化型催化转化器后端，混合加热装置前端，用于向柴油机排气管中喷射尿素喷雾；

(3)控制器根据检测的柴油机排气管中气体流速和温度、混合加热装置中排气管内壁面温度以及SDPF系统前端气体温度和压差，判断SDPF的催化环境，并控制混合加热装置的前旋流叶片的锁死位置以及前后旋流叶片上的加热片和壁面加热装置的加热量，促进尿素液滴进一步破碎，防止尿素结晶的产生，提高混合物的均匀性，减小排气背压，并在SDPF再生时进行温度补偿，控制SDPF工作环境，有利于催化反应的发生。

(4)混合加热装置安装于DOC氧化型催化转化器与SDPF系统之间，通过改变加热装置加热量和前后旋流叶片的重叠角度，进而调整混合模式；

(5)SDPF系统安装于混合加热装置后端，对柴油机排气中的NO_x和颗粒进行处理。

进一步的，设置有传感器，包括一个流速传感器，三个温度传感器，以及一个压差传感器，上述传感器分别与控制器连接；其中流速传感器与第一温度传感器安装在DOC氧化型催化转化器后端以及尿素喷射装置前端的排气管中，用于检测进入所述混合加热装置前排气管中排气的流速与温度；第二温度传感器安装在后旋流叶片后端排气管内壁面处，由于少量尿素液滴附着于排气管内壁面形成尿素液膜，造成壁面温度下降，第二温度传感器用于检测混合加热装置中排气管内壁面温度；第三温度传感器安装在SDPF系统的入口处，用于检测SDPF系统前端气体温度；压差传感器安装在SDPF系统入口端和出口端，用于获得SDPF的压力差信号。

进一步的，所述混合加热装置由三部分组成：

(1)壁面加热装置，包裹在排气管外用以加热排气管壁，包裹位置处于尿素液滴易于附着位置，促使尿素加快热分解混合。

(2)前旋流叶片，可在排气的带动下自由转动；在满足相应工作条件下可通过控制器控制锁止停止转动，与后旋流叶片组合作为静态旋流混合器；根据控制器控制锁止位置，调整前后旋流叶片重叠角度，调整湍流动能以及减小背压；叶片背面背离排气流动方向后半部分安装有加热片。

(3)后旋流叶片，与排气管连接不发生转动，支撑固定整个前后旋流叶片结构；叶片结构与前旋流叶片相同，都具有导流作用；叶片背面背离排气流动方向后半部分安装有加热片。

进一步的，利用所述装置主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制方法，具体步骤如下：

(1)当发动机开始运行时，所述SDPF系统中的压差传感器测得的压差ΔP≤16kPa，SDPF系统处于非再生阶段，所述第一温度传感器测得的排气温度T₁＜300℃时，前旋流叶片处于自由转动状态，在排气的带动下，前旋流叶片高速转动，大部分尿素液滴受到撞击后进一步破碎，并加快尿素与排气的混合速度；少部分尿素液滴附着于前旋流叶片上，在高速转动和排气温度的条件下分解出NH₃并与排气的混合，一方面相较于温度较低的排气管壁面，温度较高的前旋流叶片使得液滴快速蒸发分解，另一方面使得液滴均匀分散在前旋流叶片上，避免形成大面积液膜，降低结晶物生成的风险；前后旋流叶片上安装有加热片，对排气进行温度补偿，加热温度T：

其中k_p为比例增益，T_t为积分时间常数，T_D为微分时间常数，ΔT₁为与目标温度300℃的差值，以控制反应气温度快速达到目标温度提高催化剂活性，有利于催化反应发生。

(2)当发动机开始运行时，所述SDPF系统中的压差传感器测得的压差ΔP≤16kPa，SDPF系统处于非再生阶段，所述第一温度传感器测得的排气温度T₁≥300℃，排气管内温度足以保证SDPF系统的工作，前旋流叶片锁死，不对前后旋流叶片上的加热片加热；此时被锁死的前旋流叶片与后旋流叶片组合起到静态旋流混合器作用，促进尿素与排气的混合。

(3)当发动机开始运行时，所述前旋流叶片处于锁死状态时，所述流速传感器测得流速，并根据控制器中预先设置的流速阈值V_S、V_E控制前后旋流叶片的重叠角度，其中V_S为排气管中较小的流速值，V_E为排气管中较大的流速值，其中VS＝5～10m/s，VE＝15～20m/s，两个流速阈值根据发动机参数设置；前旋流叶片锁死后，在不同的排气流速下控制前旋流叶片的锁死位置进而改变前后旋流叶片的重叠角度来改变排气冲击面积，一方面排气的湍流动能受排气流速和冲击面积影响，随着流速的变化进而改变排气冲击面积可以保证尿素混合效果，另一方面在满足混合效果的前提下可以避免不必要的背压损失；所述流速传感器测得的流速V＜V_S，锁死状态的前后旋流叶片交替布置得到排气冲击面积最大状态；所述流速传感器测得的流速V_S≤V≤V_E，锁死状态的前后旋流叶片由排气冲击面积最大状态向排气冲击面积最小状态过度，相交角度θ：

其中n为后旋流叶片的叶片数量；所述流速传感器测得的流速V＞V_S，锁死状态的前后旋流叶片重叠布置得到排气冲击面积最小状态。

(4)当发动机开始运行时，所述SDPF系统中的压差传感器测得的压差ΔP≤16kPa，SDPF系统处于非再生阶段，所述第二温度传感器测得的壁面温度T₂＜200℃时，壁面加热装置进行加热，加热温度T：

其中k_p为比例增益，T_t为积分时间常数，T_D为微分时间常数，ΔT₂为与目标温度200℃的差值，破坏排气管壁面的尿素液膜，加快尿素液膜的蒸发分解，避免结晶物质的产生；所述第二温度传感器测得的壁面温度T₂≥200℃时，不对壁面加热装置进行加热。

(5)当发动机开始运行时，所述SDPF系统中的压差传感器测得的压差ΔP＞16kPa，SDPF系统处于再生阶段时，判定SDPF需要进行再生，此时若所述第三温度传感器测得的温度T₃＜550℃，则通过前后旋流叶片上的加热片和壁面加热装置进行加热，对排气进行温度补偿，加热温度T：

其中k_p为比例增益，T_t为积分时间常数，T_D为微分时间常数，ΔT₃为与目标温度550℃的差值，并使550℃≤T₃≤700℃维持6～14min，若所述第三温度传感器测得的排气温度T₃≥550℃时，不对加热片进行加热。

进一步的，所述前旋流叶片以及后旋流叶片中的叶片布置采取圆周阵列排布，每周叶片数量为5～15，叶片安装角度为-45°～45°，叶片斜置角度为-45°～45°。前后旋流叶片背面背离排气流动方向后半部分安装有加热片，加热片尺寸为30％～100％的叶片背面面积，加热片安装位置为叶片背面中部或后部。

进一步的，所述前旋流叶片以及后旋流叶片中的叶片材料为马氏体钢、马氏体-铁素体钢、铁素体钢、铁基不锈钢、镍基合金、陶瓷基复合材料、钛合金、铝合金、陶瓷涂层的合金材料及复合材料。前旋流叶片材料需具有耐高温、抗冲击力强、抗弯扭力强、材质轻盈等特点，可在发动机排气的带动下高速旋转，撞击尿素使其进一步破碎。且前旋流叶片锁死后，与后旋流片组合成为静态旋流混合器，对排气产生导流作用，产生旋流加快排气的混合。后旋流叶片材料需具有耐高温、抗冲击力强、抗弯扭力强、导热性强等特点，其与排气管连接起到固定旋流片整体结构的作用。加热片以及壁面加热装置材料为陶瓷加热片或金属加热片，可控制排气温度，在SDPF系统再生时进行温度补偿。

附图说明

图1是一种主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制装置与方法结构简图；

图2是混合加热装置结构简图；

图3是前后旋流叶片结构简图；

图4排气冲击面积最大状态；

图5排气冲击面积最小状态；

图6控制器流程图；

图7湍流动能模拟图；

图8排气管轴线位置湍流动能曲线图。

附图标记说明:1.发动机；2.DOC氧化型催化转化器；3.尿素喷射装置；4.控制器；4-1.流速传感器，测量柴油机排气管中气体流速V；4-2.第一温度传感器，测量柴油机排气管中气体温度T₁；4-3.第二温度传感器，测量混合加热装置壁面温度T₂；4-4.第三温度传感器，测量SDPF系统前端气体温度T₃；4-5.压差传感器，测量SDPF中气体压差ΔP；5.混合加热装置；5-1.壁面加热装置；5-2.前旋流叶片；5-3.后旋流叶片；5-4.加热片；6.SDPF系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“前、后、内、外”通常是基于附图中排气流向或位置关系进行定义的，具体可参考图1至图3所示的图片方向。使用的角度符号如“+、-”通常是基于附图中顺时针方向进行定义的，具体可参考图3至图5所示的顺时针方向。

如图1至图5所示，本发明提供一种主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制装置。发动机1启动后产生的排气顺着排气管首先进入DOC氧化型催化转化器2，排气中的HC、CO、NO氧化为H₂O、CO₂、NO₂，并产生热量。尿素喷射装置3向柴油机排气管中喷射尿素喷雾，与排气初步混合。尿素喷雾进入排气管后，虽部分液滴经过蒸发和热解后转化为NH₃，但仍有部分粒径较大的尿素液滴不能及时蒸发热解，撞击前旋流叶片5-2和排气管内壁。在撞击过程中一部分液滴附着在表面形成液膜，另一部分形成更小的液滴反弹回排气中进一步蒸发热解。根据发动机工况不同，排气管内环境条件也不同，控制器4根据检测的柴油机排气管中气体流速和温度、混合加热装置5中排气管内壁面温度以及SDPF系统6前端气体温度和压差，判断SDPF系统6的催化环境，并控制混合加热装置5，包括前旋流叶片5-2的锁死位置以及前后旋流叶片上的加热片5-4和壁面加热装置5-1的加热量，促进尿素液滴进一步破碎，防止尿素结晶的产生，提高混合物的均匀性，减小排气背压，并在SDPF系统6再生时进行温度补偿，控制SDPF系统6工作环境，有利于催化反应的发生。最后混合均匀的排气在SDPF系统6中反应同时降低PM和NO_x的排放。

具体的，设置有传感器，包括一个流速传感器，三个温度传感器，以及一个压差传感器，上述传感器分别与控制器4连接；其中流速传感器4-1与第一温度传感器4-2安装在DOC氧化型催化转化器2后端以及尿素喷射装置3前端的排气管中，用于检测进入所述混合加热装置5前排气管中排气的流速与温度；第二温度传感器4-3安装在后旋流叶片5-3后端排气管内壁面处，由于少量尿素液滴附着于排气管内壁面形成尿素液膜，造成壁面温度下降，第二温度传感器4-3用于检测混合加热装置5中排气管内壁面温度；第三温度传感器4-4安装在SDPF系统6的入口处，用于检测SDPF系统6前端气体温度；压差传感器4-5安装在SDPF系统6入口端和出口端，用于获得SDPF的压力差信号；

具体的，混合加热装置5由三部分组成，包裹在排气管外用以加热排气管壁防止尿素结晶的壁面加热装置5-1、可控制旋转锁止的前旋流叶片5-2和起到支撑固定以及导流作用的后旋流叶片5-3，并且前后旋流叶片背面安装有加热片5-4，用以控制排气温度。

具体的，混合加热装置5中的加热元件，加热片5-4和壁面加热装置5-1的温度控制随传感器提供的温度信号而改变。首先根据压差传感器4-5测得的ΔP判断SDPF系统6是否需要进行再生。压差ΔP≤16kPa时，SDPF系统6处于非再生阶段，加热片5-4以及壁面加热装置5-1受控制器4控制加热量。控制器4接收温度信号并与目标阈值比对，温度没有达到标准值时，加热元件通过PID控制策略加热，加热温度与传感器信号存在函数关系，由控制器4控制，利于加热温度快速到达目标值。压差ΔP＞16kPa时，SDPF系统6再生阶段，加热片5-4和壁面加热装置5-1由控制器4控制加热，加热温度与传感器信号同理，存在函数关系，由控制器4控制。

具体的，混合加热装置5中的前旋流叶片5-2锁死后可根据流速传感器4-1调整锁死角度θ。混合加热装置5所产生的湍流动能与排气流速和排气冲击面积成正相关，排气冲击面积一定湍流动能随排气流速的增加而增加，或排气流速一定湍流动能随排气冲击面积的增加而增加。根据发动机不同工况下排气流速的不同，调整前后旋流叶片重叠角度θ，进而改变排气冲击面积，在湍流动能满足混合条件下避免不必要的背压损失。排气流速较小时，前后旋流叶片交替布置得到排气冲击面积最大状态，如图4所示。随着排气流速的增加，调整前后旋流叶片重叠角度θ，其与流速传感器4-1测得的流速信号V存在函数关系。排气流速较大时，前后旋流叶片重叠布置得到排气冲击面积最小状态，如图5所示。

具体的，如图6所示，所述控制器4的控制逻辑：

(1)当发动机1开始运行时，所述SDPF系统6中的压差传感器4-5测得的压差ΔP≤16kPa，SDPF系统处6于非再生阶段，所述第一温度传感器4-2测得的排气温度T₁＜300℃时，前旋流叶片5-2处于自由转动状态，在排气的带动下，前旋流叶片5-2高速转动，大部分尿素液滴受到撞击后进一步破碎，并加快尿素与排气的混合速度；少部分尿素液滴附着于前旋流叶片5-2上，在高速转动和排气温度的条件下分解出NH₃并与排气的混合，一方面相较于温度较低的排气管壁面，温度较高的前旋流叶片5-2使得液滴快速蒸发分解，另一方面使得液滴均匀分散在前旋流叶片5-2上，避免形成大面积液膜，降低结晶物生成的风险；前后旋流叶片上安装有加热片5-4，对排气进行温度补偿，加热温度T：

其中k_p为比例增益，T_t为积分时间常数，T_D为微分时间常数，ΔT₁为与目标温度300℃的差值，以控制反应气温度快速达到目标温度提高催化剂活性，有利于催化反应发生。

(2)当发动机1开始运行时，所述SDPF系统6中的压差传感器4-5测得的压差ΔP≤16kPa，SDPF系统6处于非再生阶段，所述第一温度传感器4-2测得的排气温度T₁≥300℃，排气管内温度足以保证SDPF系统6的工作，前旋流叶片5-2锁死，不对前后旋流叶片上的加热片5-4加热；此时被锁死的前旋流叶片5-2与后旋流叶片5-3组合起到静态旋流混合器作用，促进尿素与排气的混合。

(3)当发动机1开始运行时，所述前旋流叶片5-2处于锁死状态时，所述流速传感器4-1测得流速，并根据控制器4中预先设置的流速阈值V_S、V_E控制前后旋流叶片的重叠角度，其中V_S为排气管中较小的流速值，V_E为排气管中较大的流速值，其中VS＝5～10m/s，VE＝15～20m/s，两个流速阈值根据发动机参数设置；前旋流叶片5-2锁死后，在不同的排气流速下控制前旋流叶片5-2锁死位置进而改变前后旋流叶片的重叠角度来改变排气冲击面积，一方面排气的湍流动能受排气流速和冲击面积影响，随着流速的变化进而改变排气冲击面积可以保证尿素混合效果，另一方面在满足混合效果的前提下可以避免不必要的背压损失；所述流速传感器4-1测得的流速V＜V_S，锁死状态的前后旋流叶片交替布置得到排气冲击面积最大状态；所述流速传感器4-1测得的流速V_S≤V≤V_E，锁死状态的前后旋流叶片由排气冲击面积最大状态向排气冲击面积最小状态过度，相交角度θ：

其中n为后旋流叶片5-3的叶片数量；所述流速传感器4-1测得的流速V＞V_S，锁死状态的前后旋流叶片重叠布置得到排气冲击面积最小状态。

(4)当发动机1开始运行时，所述SDPF系统6中的压差传感器4-5测得的压差ΔP≤16kPa，SDPF系统6处于非再生阶段，所述第二温度传感器4-3测得的壁面温度T₂＜200℃时，壁面加热装置5-1进行加热，加热温度T：

其中k_p为比例增益，T_t为积分时间常数，T_D为微分时间常数，ΔT₂为与目标温度200℃的差值，破坏排气管壁面的尿素液膜，加快尿素液膜的蒸发分解，避免结晶物质的产生；所述第二温度传感器4-3测得的壁面温度T₂≥200℃时，不对壁面加热装置5-1进行加热。

(5)当发动机1开始运行时，所述SDPF系统6中的压差传感器4-5测得的压差ΔP＞16kPa，SDPF系统6处于再生阶段时，判定SDPF系统6需要进行再生，此时若所述第三温度传感器4-4测得的温度T₃＜550℃，则通过前后旋流叶片上的加热片5-4和壁面加热装置5-1进行加热，对排气进行温度补偿，加热温度T：

其中k_p为比例增益，T_t为积分时间常数，T_D为微分时间常数，ΔT₃为与目标温度550℃的差值，并使550℃≤T₃≤700℃维持6～14min，若所述第三温度传感器4-4测得的排气温度T₃≥550℃时，不对加热片5-4进行加热。

在一个特定的实例中，发动机1尾气温度250℃冷启动工况，假设前后旋流叶片上的加热片5-4直接作用于尾气进行加热，不考虑其他因素造成的微小影响，则PID公式中各个参数可以进行如下取值：k_p取值7.9，T_t取值0.1，T_D取值10.3。

替代的，在控制加热温度T时，除了利用上述PID(比例+积分+微分)控制策略外，也可以采取PI(比例+积分)或其他现有的控制策略。

如图7所示，表示本系统工作时的湍流动能模拟图，模拟发动机1在常速行驶时的工况(尾气温度450℃，排气压力145kPa，密度0.553kg/m³，动力粘度3.37e-5Ns/m²，尾气流速19.2m/s)，通过湍流动能体现该系统工作时湍流的发展或衰退，单位为(m²s²)，图中随着颜色的加深湍流动能越大。如图8所示，表示混合加热装置5前后排气管轴线位置湍流动能变化曲线，其中440nm至470nm处为前后旋流叶片支撑轴位置。

排气管前端与混合加热装置5处的排气湍流动能形成明显对比。前端排气管大部分区域由于发动机排期规律的作用下存在较小的湍流动能，并在内壁面及内壁面附近处存在一定量有限的湍流动能增幅。在这种湍流动能模式下，需要很长的排气管长度才能保证尿素喷雾的蒸发热解以及与排气的混合均匀。经过混合加热装置5后，湍流动能急剧增加，此时尿素喷雾与排气撞击前旋流叶片5-2并在后旋流叶片5-3共同作用下，促使不同位置的排气混合物螺旋流动，相互撞击增加混合均匀性。在混合加热装置5的影响下，尿素液滴在排气管流道内散开，尿素喷雾进一步蒸发热解产生NH₃并与排气混合。

优选的，本发明前后旋流叶片中的叶片，材料采用铝合金，布置采取圆周阵列排布，每周叶片数量为12，前后旋流叶片安装角度为45，前旋流叶片5-2斜置角度为45°，后旋流叶片5-3斜置角度为-45°。尿素喷射装置具有与排气流动方向呈30°夹角的尿素喷嘴。加热片5-4以及壁面加热装置5-1材料采用陶瓷加热片，耐高温、耐化学腐蚀、导热率高、光洁度和平整度好。每片叶片背面背离排气流动方向安装有加热片5-4，加热片尺寸为50％的叶片背面面积，加热片安装位置为叶片背面后半部分。

本发明根据传感器传输的信号切换混合加热装置工作模式，促进尿素液滴进一步破碎，防止尿素结晶的产生，提高混合物的均匀性，合理控制背压，并在SDPF再生时进行温度补偿，控制SDPF工作环境，有利于催化反应的发生。

以上结合附图详细描述了本发明的实施方式。但是，本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变形均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明的内容。

Claims (4)

1.一种主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括，DOC氧化型催化转化器、尿素喷射装置、混合加热装置、控制器和SDPF系统；

DOC氧化型催化转化器安装于发动机后端，发动机产生的排气首先进入DOC氧化型催化转化器，排气中的HC、CO、NO被氧化为H₂O、CO₂、NO₂，并产生热量；

尿素喷射装置，安装于DOC氧化型催化转化器后端，混合加热装置前端，用于向柴油机排气管中喷射尿素喷雾；

控制器根据检测的柴油机排气管中气体流速和温度、混合加热装置中排气管内壁面温度以及SDPF系统前端气体温度和压差，判断SDPF的催化环境，并控制混合加热装置的前旋流叶片的锁死位置以及前后旋流叶片上的加热片和壁面加热装置的加热量，促进尿素液滴进一步破碎，防止尿素结晶的产生，提高混合物的均匀性，减小排气背压，并在SDPF再生时进行温度补偿，控制SDPF工作环境，有利于催化反应的发生；

所述混合加热装置由三部分组成，为壁面加热装置、前旋流叶片背面背离排气流动方向后半部分安装的第一加热片和后旋流叶片背面背离排气流动方向后半部分安装的第二加热片；

壁面加热装置，包裹在排气管外用以加热排气管壁，包裹位置处于尿素液滴易于附着位置，促使尿素加快热分解混合；

前旋流叶片，可在排气的带动下自由转动；在满足相应工作条件下可通过控制器控制锁止停止转动，与后旋流叶片组合作为静态旋流混合器；根据控制器控制锁止位置，调整前后旋流叶片重叠角度，调整湍流动能以及减小背压；所述前旋流叶片背面背离排气流动方向后半部分安装有第一加热片；

后旋流叶片，与排气管连接不发生转动，支撑固定整个前后旋流叶片结构；后旋流叶片的叶片结构与前旋流叶片的后旋流叶片相同，都具有导流作用；所述后旋流叶片背面背离排气流动方向后半部分安装有第二加热片；

所述前旋流叶片以及后旋流叶片中的叶片布置采取圆周阵列排布，每周叶片数量为5～15，叶片安装角度为-45°～45°，叶片斜置角度为-45°～45°；前后旋流叶片背面背离排气流动方向后半部分安装有加热片，加热片尺寸为30％～100％的叶片背面面积，加热片安装位置为叶片背面中部或后部；

混合加热装置安装于DOC氧化型催化转化器与SDPF系统之间，通过改变壁面加热装置与加热片的加热量和前后旋流叶片的重叠角度，进而调整混合模式；

SDPF系统安装于混合加热装置后端，对柴油机排气中的NO_x和颗粒进行处理。

2.如权利要求1所述的一种主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制装置，其特征在于，还有设置有传感器，包括一个流速传感器，三个温度传感器，以及一个压差传感器，上述传感器分别与控制器连接；其中流速传感器与第一温度传感器安装在DOC氧化型催化转化器后端以及尿素喷射装置前端的排气管中，用于检测进入所述混合加热装置前排气管中排气的流速与温度；第二温度传感器安装在后旋流叶片后端排气管内壁面处，由于少量尿素液滴附着于排气管内壁面形成尿素液膜，造成壁面温度下降，第二温度传感器用于检测混合加热装置中排气管内壁面温度；第三温度传感器安装在SDPF系统的入口处，用于检测SDPF系统前端气体温度；压差传感器安装在SDPF系统入口端和出口端，用于获得SDPF的压力差信号。

3.如权利要求1所述的一种主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制装置，其特征在于，所述前旋流叶片以及后旋流叶片中的叶片材料为马氏体钢、马氏体-铁素体钢、铁素体钢、铁基不锈钢、镍基合金、陶瓷基复合材料、钛合金、铝合金或陶瓷涂层的合金材料；加热片以及壁面加热装置材料为陶瓷加热片或金属加热片。

4.利用如权利要求2所述控制装置主动调控柴油机SDPF系统工作环境的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)当发动机开始运行时，所述SDPF系统中的压差传感器测得的压差ΔP≤16kPa，SDPF系统处于非再生阶段，所述第一温度传感器测得的排气温度T₁＜300℃时，前旋流叶片处于自由转动状态，在排气的带动下，前旋流叶片高速转动，大部分尿素液滴受到撞击后进一步破碎，并加快尿素与排气的混合速度；少部分尿素液滴附着于前旋流叶片上，在高速转动和排气温度的条件下分解出NH₃并与排气的混合，一方面相较于温度较低的排气管壁面，温度较高的前旋流叶片使得液滴快速蒸发分解，另一方面使得液滴均匀分散在前旋流叶片上，避免形成大面积液膜，降低结晶物生成的风险；前后旋流叶片上安装有加热片，对排气进行温度补偿，加热温度T：

其中k_p为比例增益，T_t为积分时间常数，T_D为微分时间常数，ΔT₁为与目标温度300℃的差值，以控制反应气温度快速达到目标温度提高催化剂活性，有利于催化反应发生；

(2)当发动机开始运行时，所述SDPF系统中的压差传感器测得的压差ΔP≤16kPa，SDPF系统处于非再生阶段，所述第一温度传感器测得的排气温度T₁≥300℃，排气管内温度足以保证SDPF系统的工作，前旋流叶片锁死，不对前后旋流叶片上的加热片加热；此时被锁死的前旋流叶片与后旋流叶片组合起到静态旋流混合器作用，促进尿素与排气的混合；

(3)当发动机开始运行时，所述前旋流叶片处于锁死状态时，所述流速传感器测得流速，并根据控制器中预先设置的流速阈值V_S、V_E控制前后旋流叶片的重叠角度，其中V_S为排气管中较小的流速值，V_E为排气管中较大的流速值，其中V_S ＝5～10m/s，V_E ＝15～20m/s，两个流速阈值根据发动机参数设置；前旋流叶片锁死后，在不同的排气流速下控制前旋流叶片的锁死位置进而改变前后旋流叶片的重叠角度来改变排气冲击面积，一方面排气的湍流动能受排气流速和冲击面积影响，随着流速的变化进而改变排气冲击面积可以保证尿素混合效果，另一方面在满足混合效果的前提下可以避免不必要的背压损失；所述流速传感器测得的流速V＜流速阈值V_S，锁死状态的前后旋流叶片交替布置得到排气冲击面积最大状态；所述流速传感器测得的流速：流速阈值V_S≤V≤流速阈值V_E，锁死状态的前后旋流叶片由排气冲击面积最大状态向排气冲击面积最小状态过度，相交角度θ：

其中n为后旋流叶片的叶片数量；所述流速传感器测得的流速V＞V_S，锁死状态的前后旋流叶片重叠布置得到排气冲击面积最小状态；

(4)当发动机开始运行时，所述SDPF系统中的压差传感器测得的压差ΔP≤16kPa，SDPF系统处于非再生阶段，所述第二温度传感器测得的壁面温度T₂＜200℃时，壁面加热装置进行加热，加热温度T：

其中k_p为比例增益，T_t为积分时间常数，T_D为微分时间常数，ΔT₂为与目标温度200℃的差值，破坏排气管壁面的尿素液膜，加快尿素液膜的蒸发分解，避免结晶物质的产生；所述第二温度传感器测得的壁面温度T₂≥200℃时，不对壁面加热装置进行加热；

(5)当发动机开始运行时，所述SDPF系统中的压差传感器测得的压差ΔP＞16kPa，SDPF系统处于再生阶段时，判定SDPF需要进行再生，此时若所述第三温度传感器测得的温度T₃＜550℃，则通过前后旋流叶片上的加热片和壁面加热装置进行加热，对排气进行温度补偿，加热温度T：

其中k_p为比例增益，T_t为积分时间常数，T_D为微分时间常数，ΔT₃为与目标温度550℃的差值，并使550℃≤T₃≤700℃维持6～14min，若所述第三温度传感器测得的排气温度T₃≥550℃时，不对加热片进行加热。

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