CN113294226B - 一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器 - Google Patents

一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，包括DPF本体、传感器单元、喷油单元、超声波单元和控制器；DPF本体的入口和出口分别连接尾气管道，控制器与传感器单元、喷油单元和超声波单元通信连接；传感器单元布置在DPF本体的入口侧和出口侧，用于采集压力信息；喷油单元布置在DPF本体的入口侧和出口侧，用于喷油进行DPF再生；超声波单元布置在DPF本体上，用于发出超声波去除DPF本体内的颗粒物。与现有技术相比，本发明在DPF本体上设置了超声波单元，能够发出超声波粉碎DPF本体内累积的颗粒物和灰分，通过喷油单元的协同工作将粉碎物燃烧，提高了DPF喷油再生的效率，大大延长了DPF的使用寿命。

Description

一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器
技术领域
本发明涉及柴油机后处理领域，尤其是涉及一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器。
背景技术
随着排放法规的越来越严，对车辆后处理系统的要求也越来越高。柴油颗粒捕集器DPF(Diesel Particulate Filter，简称DPF)是安装在柴油车排气系统中，通过过滤来降低排气中颗粒物(PM)的装置。DPF能够有效地净化排气中70％～90％的颗粒，是目前净化尾气颗粒物最有效的方法之一。
在当前的排放要求下，柴油机颗粒捕集器DPF已经在柴油车上大大普及。但是在柴油机颗粒捕集器工作一定周期后，DPF内部会产生累积的颗粒物和灰分，因此，DPF前后端会产生较大的压差，影响尾气的排放，甚至影响发动机的性能和油耗的暴增，同时，累积的颗粒物和灰分会影响DPF的使用寿命，因此带来的DPF损坏更会导致昂贵的更换费用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，在DPF本体上设置了超声波单元，能够发出超声波粉碎DPF本体内累积的颗粒物和灰分，通过喷油单元的协同工作将粉碎物燃烧，提高了DPF喷油再生的效率，大大延长了DPF的使用寿命。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，包括DPF本体，所述DPF本体的入口和出口分别连接尾气管道，还包括：传感器单元、喷油单元、超声波单元和控制器；
所述控制器与传感器单元、喷油单元和超声波单元通信连接；
所述传感器单元布置在DPF本体的入口侧和出口侧，用于采集压力信息；
所述喷油单元布置在DPF本体的入口侧和出口侧，用于喷油进行DPF再生；
所述超声波单元布置在DPF本体上，用于发出超声波去除DPF本体内的颗粒物。
进一步的，所述超声波单元包括超声波发生器和多个超声波换能器，超声波发生器通过超声波信号线发送高频电能信号至超声波换能器，所述超声波换能器在高频电能信号的驱动下工作并发出超声波作用于DPF本体，超声波单元利用超声波换能器将电能转换成声波，声波作用在DPF本体上，产生粉碎颗粒物和灰分的效果。
更进一步的，所述超声波单元具有自动跟频功能，从而使发出的超声波的频率自动跟踪DPF本体的谐振频率，以达到更好的去除颗粒物的效果；自动跟频功能具体实现为先搜索再跟踪，包括以下步骤：
在搜索阶段，超声波发生器发出高频电能信号作为驱动信号，驱动信号的频率按照预设置的第一幅度连续变化，监测超声波换能器的串联回路，如果串联回路电流的变化幅值大于预设置的幅值阈值，则搜索阶段结束，进入跟踪阶段；
在跟踪阶段，驱动信号的频率按照预设置的第二幅度变化，如果串联回路的电流变化滞后电压变化，则驱动信号的频率增加，如果串联回路的电流变化超前电压变化，则驱动信号的频率减小，直至找到使串联回路电流最大的谐振频率，超声波发生器发出频率为所述谐振频率的驱动信号至超声波换能器。
更进一步的，所述超声波单元还具有频率微调、振幅可调可控功能，振幅控制可以通过乘法器技术等实现，以达到更好的去除颗粒物的效果。
更进一步的，所述超声波换能器沿DPF本体的轴向和周向均匀分布，能够均匀去除DPF本体内的颗粒物和灰分。
更进一步的，所述超声波换能器包括应力杆，沿应力杆自上而下依次安装有固定螺栓、上反射板、第一压电片、第二压电片、下反射板和钛体，所述钛体内开设有超声波出口。
更进一步的，所述超声波出口的截面为圆形，且超声波换能器输出的超声波沿DPF本体的径向作用于DPF本体。
更进一步的，所述超声波单元还包括支架，DPF主体包括DPF滤芯和DPF主体壳，所述支架套设在DPF滤芯与DPF主体壳之间，所述支架与DPF滤芯的外侧紧密贴合，支架与DPF主体壳的内侧之间存在间隙，支架上设有多个安装孔，所述超声波换能器通过安装孔安装在所述支架上，DPF主体的径向上自内向外依次为DPF滤芯、支架、超声波换能器和DPF主体壳。
更进一步的，所述超声波发生器安装在DPF主体壳的外侧。
更进一步的，所述支架采用轻量化的材质，可以为碳纤维。
进一步的，所述传感器单元包括DPF入口压力传感器和DPF出口压力传感器，DPF入口压力传感器布置在DPF本体入口处的尾气管道上，DPF出口压力传感器布置在DPF本体出口处的尾气管道上。
进一步的，所述喷油单元包括DPF入口喷油嘴和DPF出口喷油嘴，DPF入口喷油嘴布置在DPF本体入口处的尾气管道上，DPF出口喷油嘴布置在DPF本体出口处的尾气管道上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)在DPF本体上设置了超声波单元，能够发出超声波粉碎DPF本体内累积的颗粒物和灰分，通过喷油单元的协同工作将粉碎物燃烧，提高了DPF喷油再生的效率，大大延长了DPF的使用寿命。
(2)超声波单元包括支架、超声波发生器和超声波换能器，支架设置在DPF滤芯和DPF主体壳之间，超声波换能器安装在支架上，并均匀分布在DPF本体的轴向和周向，能更好的施加超声波于DPF滤芯，粉碎其中的颗粒物和灰分。
(3)超声波单元具有自动跟频功能，能发出与DPF本体谐振的超声波，以达到最好的粉碎效果。
附图说明
图1为实施例中基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器的剖面示意图；
图2为实施例中基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器的爆炸图；
图3为实施例中基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器的轴测图；
图4为超声波换能器的分布图；
图5为超声波换能器的结构示意图；
图6为超声波换能器的剖视图；
图7为超声波换能器的串联回路电流与频率的示意图；
附图标记：1、DPF入口喷油嘴，2、DPF入口压力传感器，3、尾气管道，4、DPF滤芯，5、支架，6、超声波换能器，601、应力杆，602、固定螺栓，603、上反射板，604第一压电片，605、第二压电片，606、下反射板，607、钛体，608、超声波出口，7、超声波信号线，8、超声波发生器，9、DPF主体壳，10、DPF出口压力传感器，11、DPF出口喷油嘴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
实施例1：
一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，整体轴测图如图3所示，剖面图和爆炸图如图1和图2所示，包括DPF本体，DPF本体的入口和出口分别连接尾气管道3，还包括：传感器单元、喷油单元、超声波单元和控制器；
控制器与传感器单元、喷油单元和超声波单元通信连接；
传感器单元布置在DPF本体的入口侧和出口侧，用于采集压力信息；
喷油单元布置在DPF本体的入口侧和出口侧，用于喷油进行DPF再生；
超声波单元布置在DPF本体上，用于发出超声波去除DPF本体内的颗粒物。
本实施例中，如图1所示，传感器单元包括DPF入口压力传感器2和DPF出口压力传感器10，DPF入口压力传感器2布置在DPF本体入口处的尾气管道3上，DPF出口压力传感器10布置在DPF本体出口处的尾气管道3上。
如图1所示，喷油单元包括DPF入口喷油嘴1和DPF出口喷油嘴11，DPF入口喷油嘴1布置在DPF本体入口处的尾气管道3上，DPF出口喷油嘴11布置在DPF本体出口处的尾气管道3上。
如图2和图4所示，超声波单元包括超声波发生器8和多个超声波换能器6，超声波发生器8通过超声波信号线7发送高频电能信号至超声波换能器6，超声波换能器6在高频电能信号的驱动下工作并发出超声波作用于DPF本体，超声波单元利用超声波换能器6将电能转换成声波，声波作用在DPF本体上，产生粉碎颗粒物和灰分的效果。超声波换能器6沿DPF本体的轴向和周向均匀分布，能够均匀去除DPF本体内的颗粒物和灰分。
如图2和图4所示，超声波单元还包括支架5，DPF主体包括DPF滤芯4和DPF主体壳9，支架5套设在DPF滤芯4与DPF主体壳9之间，支架5与DPF滤芯4的外侧紧密贴合，支架5与DPF主体壳9的内侧之间存在间隙，支架5上设有多个安装孔，超声波换能器6通过安装孔安装在支架5上，DPF主体的径向上自内向外依次为DPF滤芯4、支架5、超声波换能器6和DPF主体壳9。
本实施例中，支架5可以看作圆柱形壳体，沿其轴向和周向均匀开设有安装孔，超声波换能器6通过安装孔安装在支架5上。支架5与DPF滤芯4紧密连接，超声波换能器6发出的超声波能更好的作用在DPG滤芯4上。支架5采用轻量化的材质，可以为碳纤维等。超声波发生器8安装在DPF主体壳9的外侧，可以有效控制超声波信号线7的布置长度。
超声波换能器6的外观示意图和截面图如图5和图6所示，超声波换能器6包括应力杆601，沿应力杆601自上而下依次安装有固定螺栓602、上反射板603、第一压电片604、第二压电片605、下反射板606和钛体607，钛体607内开设有超声波出口608。超声波出口608的截面为圆形，且超声波换能器6输出的超声波沿DPF本体的径向作用于DPF本体。
超声波单元利用超声波换能器6将电能转换成声波，声波在换能器6内产生机械振动，机械振动进一步作用在DPF滤芯4上，产生粉碎颗粒物和灰分效果。其中，分别经历了剪切、活化、抑制过程；
剪切：
超声波在DPF滤芯4内部进行传播过程能够促使壁面的颗粒物和灰分也产生振动，而颗粒物和灰分的物理性质和弹性阻抗与壁面截然不同，超声波的吸收和传播速度也不同，这样就会在颗粒物、灰分与壁面上产生速度差，形成相对剪切力，剪切力的存在会使颗粒物和灰分层产生松动、破碎最终脱落，从而起到除颗粒物和灰分效果。
活化：
超声波在DPF滤芯4内部介质中产生的空化效应同时也会在一定程度上提高颗粒物和灰分的活性，不利于颗粒物和灰分在壁面上沉积，使得颗粒物和灰分分散存在而不会累积在壁面上，从而达到除颗粒物和灰分的目的。
抑制：
超声波改变了循环介质气体的物理化学性质，缩短了颗粒物和灰分的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成，同时晶核还具有很强的争夺介质中离子能力，因此能够抑制离子在壁面成核和长大，减少附着在壁面上的颗粒物和灰分数量，从而降低了颗粒物和灰分的沉积速率。
利用超声波换能器6在DPF滤芯4径向产生的振动来粉碎DPF滤芯4中累积的颗粒物和灰分，最后通过前后端的传感器协同单元和喷油单元协同工作来将粉碎物燃烧掉。
超声波单元具有自动跟频功能，从而使发出的超声波的频率自动跟踪DPF本体的谐振频率，以达到更好的去除颗粒物的效果；自动跟频功能具体实现为先搜索再跟踪，根据超声波换能器6内的串联回路的特性找到谐振频率，包括以下步骤：
在搜索阶段，超声波发生器8发出高频电能信号作为驱动信号，驱动信号的频率按照预设置的第一幅度连续变化，监测超声波换能器6的串联回路，如果串联回路电流的变化幅值大于预设置的幅值阈值，则搜索阶段结束，进入跟踪阶段；
在跟踪阶段，驱动信号的频率按照预设置的第二幅度变化，如果串联回路的电流变化滞后电压变化，则驱动信号的频率增加，如果串联回路的电流变化超前电压变化，则驱动信号的频率减小，直至找到使串联回路电流最大的谐振频率，超声波发生器8发出频率为谐振频率的驱动信号至超声波换能器6。
超声波换能器6在谐振频率范围工作时，等效为电感电容复合电路，如图7所示，超声波换能器6的串联回路电流只有在驱动信号接近谐振频率时才有明显上升，而在远小于或者大于谐振频率时串联回路电流接近于零。如本实施例中谐振频率为25KHZ，在驱动信号低于或者高于谐振频率500HZ以上时，串联回路电流接近于零，在驱动信号接近25KHZ时，串联回路电流增大。
当驱动信号频率在谐振频率附近时，可能高于谐振频率，也可能低于谐振频率，根据其电路特性，当驱动信号频率低于谐振频率时，电流滞后电压，当驱动信号频率高于谐振频率时，电流超前电压，可以利用相位比较器比较电流超前或滞后电压，以控制跟踪阶段的驱动信号频率变化。
为了快速找到谐振频率，先大步搜索谐振频率附近位置，再小步逐渐跟踪谐振频率，搜索阶段时间短，跟踪阶段更准确。本实施例中，在搜索阶段采用500HZ的频率变化幅值，当串联回路电流的变化幅值大于预设置的幅值阈值，表明驱动信号频率在谐振频率附近，采用10HZ的频率变化幅值。
超声波单元还具有频率微调、振幅可调可控功能，振幅控制可以通过乘法器技术等实现，以达到更好的去除颗粒物的效果。
在实车控制时，可以根据排气背压预估DPF内的颗粒物累积量，根据颗粒物累积量触发不同的超声波粉碎模式，当颗粒物被粉碎后，根据粉碎的颗粒物量以及此时DPF本体的前后压差控制喷油嘴喷油，燃烧粉碎的颗粒物。
如本实施例中，当颗粒物累积量达到预设置的阈值后触发超声波粉碎，如果粉碎物的量较大，且此时DPF本体的前后压差不是特别大，则DPF出口喷油嘴11先喷、DPF入口喷油嘴1后喷；如果粉碎物的量较大，且此时DPF本体的前后压差特别大时，则DPF入口喷油嘴11先喷、DPF出口喷油嘴1后喷；如果粉碎物的量较小，则只有DPF入口喷油嘴11喷油即可。
在喷油嘴喷油的同时开启点火，DPF主动再生，将粉碎后的颗粒物燃烧掉。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，包括DPF本体，所述DPF本体的入口和出口分别连接尾气管道(3)，其特征在于，还包括：传感器单元、喷油单元、超声波单元和控制器；
所述控制器与传感器单元、喷油单元和超声波单元通信连接；
所述传感器单元布置在DPF本体的入口侧和出口侧，用于采集压力信息；
所述喷油单元布置在DPF本体的入口侧和出口侧，用于喷油进行DPF再生；
所述超声波单元布置在DPF本体上，用于发出超声波去除DPF本体内的颗粒物；
所述超声波单元包括超声波发生器(8)和多个超声波换能器(6)，超声波发生器(8)通过超声波信号线(7)发送高频电能信号至超声波换能器(6)，所述超声波换能器(6)在高频电能信号的驱动下工作并发出超声波作用于DPF本体；
所述超声波换能器(6)沿DPF本体的轴向和周向均匀分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，其特征在于，所述超声波单元具有自动跟频功能，具体实现为先搜索再跟踪，包括以下步骤：
在搜索阶段，超声波发生器(8)发出高频电能信号作为驱动信号，驱动信号的频率按照预设置的第一幅度连续变化，监测超声波换能器(6)的串联回路，如果串联回路电流的变化幅值大于预设置的幅值阈值，则搜索阶段结束，进入跟踪阶段；
在跟踪阶段，驱动信号的频率按照预设置的第二幅度变化，如果串联回路的电流变化滞后电压变化，则驱动信号的频率增加，如果串联回路的电流变化超前电压变化，则驱动信号的频率减小，直至找到使串联回路电流最大的谐振频率，超声波发生器(8)发出频率为所述谐振频率的驱动信号至超声波换能器(6)。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，其特征在于，所述超声波换能器(6)包括应力杆(601)，沿应力杆(601)自上而下依次安装有固定螺栓(602)、上反射板(603)、第一压电片(604)、第二压电片(605)、下反射板(606)和钛体(607)，所述钛体(607)内开设有超声波出口(608)。
4.根据权利要求3所述的一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，其特征在于，所述超声波出口(608)的截面为圆形，且超声波换能器(6)输出的超声波沿DPF本体的径向作用于DPF本体。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，其特征在于，所述超声波单元还包括支架(5)，DPF主体包括DPF滤芯(4)和DPF主体壳(9)，所述支架(5)套设在DPF滤芯(4)与DPF主体壳(9)之间，所述支架(5)与DPF滤芯(4)的外侧紧密贴合，支架(5)与DPF主体壳(9)的内侧之间存在间隙，支架(5)上设有多个安装孔，所述超声波换能器(6)通过安装孔安装在所述支架(5)上，DPF主体的径向上自内向外依次为DPF滤芯(4)、支架(5)、超声波换能器(6)和DPF主体壳(9)。
6.根据权利要求5所述的一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，其特征在于，所述超声波发生器(8)安装在DPF主体壳(9)的外侧。
7.根据权利要求1所述的一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，其特征在于，所述传感器单元包括DPF入口压力传感器(2)和DPF出口压力传感器(10)，DPF入口压力传感器(2)布置在DPF本体入口处的尾气管道(3)上，DPF出口压力传感器(10)布置在DPF本体出口处的尾气管道(3)上。
8.根据权利要求1所述的一种基于超声波除颗粒物的颗粒捕集器，其特征在于，所述喷油单元包括DPF入口喷油嘴(1)和DPF出口喷油嘴(11)，DPF入口喷油嘴(1)布置在DPF本体入口处的尾气管道(3)上，DPF出口喷油嘴(11)布置在DPF本体出口处的尾气管道(3)上。
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