CN113503204A - 一种氧化剂主导的dpf主动再生装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化剂主导的DPF主动再生装置及其控制方法，装置包括DPF、NOx存储单元、控制单元、传感器单元和阀门单元；DPF的入口连接有尾气管，NOx存储单元的入口通过尾气支管连通至DPF入口侧的尾气管，NOx存储单元的出口通过尾气支管连通至DPF入口侧的尾气管，NOx存储单元用于存储或释放NOx气体；阀门单元设置在尾气支管与NOx存储单元之间，用于控制进出NOx存储单元的尾气流量。与现有技术相比，本发明在DPF入口侧设置了NOx存储单元，能够存储释放NOx气体，在尾气排放时，NOx存储单元吸收存储尾气中的NOx气体，在进行DPF再生时，释放NOx存储单元中的NOx气体作为氧化剂进行DPF主动再生，成本低而且可以主动控制。

Description

一种氧化剂主导的DPF主动再生装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及动力机械及工程领域，尤其是涉及一种氧化剂主导的DPF主动再生装置及其控制方法。
背景技术
柴油发动机(柴油机)以其良好的动力性和经济性，广泛地应用于交通运输、农用机械和工程机械等领域。然而柴油机产生了较多颗粒物与氮氧化物(NOx)排放，对大气环境造成了较大的污染，给居民身体健康也造成了较大的威胁。
柴油机颗粒物捕集器(DPF)能够将尾气中的颗粒物捕集，从而阻止颗粒物排放到大气中。但是，DPF在使用过程中会不断地累积颗粒物，使排气背压上升，影响柴油机的正常工作，因此，需要进行DPF再生工作，DPF再生时燃烧DPF内的颗粒物，从而降低DPF碳载量，使排气背压恢复正常。一般来讲，DPF再生过程分为主动再生与被动再生，主动再生通过喷油升温的方式，提高DPF中捕集的颗粒物温度，使颗粒物中的碳烟、有机物等可燃物质氧；被动再生，通过添加催化剂降低颗粒物的燃烧温度，从而被氧化。
但是，这两种方式都存在一些问题和困难，主动再生过程中涉及到喷油，这会影响发动机油耗，甚至会导致DPF热失控，使DPF烧穿；而被动再生使用的催化剂较为昂贵，且无法主动控制再生时机和再生速率。
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氧化剂主导的DPF主动再生装置及其控制方法，在DPF入口侧设置了NOx存储单元，能够存储释放NOx气体，在尾气排放时，NOx存储单元吸收存储尾气中的NOx气体，在进行DPF再生时，释放NOx存储单元中的NOx气体作为氧化剂进行DPF主动再生，成本低而且可以主动控制。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种氧化剂主导的DPF主动再生装置，包括DPF、NOx存储单元、控制单元、传感器单元和阀门单元；
DPF的入口连接有尾气管，NOx存储单元的入口通过尾气支管连通至DPF入口侧的尾气管，NOx存储单元的出口通过尾气支管连通至DPF入口侧的尾气管，所述NOx存储单元用于存储或释放NOx气体；
所述阀门单元设置在尾气支管与NOx存储单元之间，用于控制进出NOx存储单元的尾气流量；
所述控制单元与传感器单元和阀门单元通信连接。
进一步的，所述阀门单元包括第一阀门阀片和第二阀门阀片，所述第一阀门阀片设于NOx存储单元的入口侧的尾气支管上，所述第二阀门阀片设于NOx存储单元的出口侧的尾气支管上。
进一步的，所述传感器单元包括温度传感器组和NOx浓度传感器组，所述温度传感器组布置在NOx存储单元的入口、DPF的入口和DPF的出口，用于测量尾气温度，所述NOx浓度传感器组布置在NOx存储单元入口侧之前的尾气管内，用于测量尾气中的NOx浓度。
更进一步的，所述传感器单元还包括压力传感器组，所述压力传感器布置在DPF的入口和出口，用于测量DPF的压差，根据DPF的压差估算DPF内的碳载量，当碳载量达到一定数量后需要进行主动再生。
进一步的，所述NOx存储单元被配置为在低温下吸附NO2，在高温下释放NO2。
进一步的，NOx存储单元的内部载体和催化剂有多种选择，可以是以PNA、LNT的等可以存储与释放NOx的后处理器的载体及催化剂组成的，也可以是由金属氧化物组成，NOx存储单元能够在低温下吸附NO2/与NO2反应，吸收NO2，在高温下/干燥状态下，释放NO2。
进一步的，所述控制单元还与发动机ECU通信连接，控制单元通过发动机ECU获取发动机的工况和发动机的排气流量。
一种控制方法，用于控制如上所述的氧化剂主导的DPF主动再生装置，包括以下步骤：
S1、获取NOx存储单元中最新的NOx存储量，如果NOx存储量小于预设置的存储阈值，则执行步骤S2，否则，执行步骤S3；
S2、进入NOx存储模式，计算阀门单元的开度，调节进出NOx存储单元的尾气流量，退出NOx存储模式后更新NOx存储量，重复步骤S1；
S3、进入DPF再生模式，释放NOx存储单元中的NOx气体进行DPF再生，更新NOx存储量，退出NOx存储模式后重复步骤S1。
进一步的，步骤S2中，当NOx存储模式的执行时间大于预设置的循环周期或NOx存储量不小于预设置的存储阈值时，退出NOx存储模式；步骤S3中，当DPF再生模式的执行时间大于预设置的循环周期或NOx存储量小于预设置的存储阈值时，退出DPF再生模式；预设置的循环周期为50ms～1000ms。
更进一步的，NOx存储模式的控制过程如下：
S21、获取最新的NOx存储量，如果NOx存储模式的执行时间大于循环周期或NOx存储量不小于预设置的存储阈值，则退出NOx存储模式，否则，执行步骤S22；
S22、获取尾气温度，如果尾气温度高于预设置的吸附温度阈值，则关闭阀门单元，NOx存储单元独立，重复步骤S21，否则，基于尾气温度、NOx存储量以及NOx存储单元的存储MAP图得到当前的NOx预期吸附量；
S23、获取尾气中的NOx浓度和发动机的排气流量，基于NOx预期吸附量、NOx浓度和排气流量计算进入NOx存储单元的最佳尾气流量；
S24、基于最佳尾气流量计算阀门单元的开度并控制阀门单元执行，更新NOx存储量，重复步骤S21。
更进一步的，DPF再生模式的控制过程如下：
S31、获取最新的NOx存储量，如果DPF再生模式的执行时间大于循环周期或NOx存储量小于预设置的存储阈值，则退出DPF再生模式，否则，执行步骤S32；
S32、检测DPF是否需要再生，如果不需要，则重复步骤S31，否则，执行步骤S33；
S33、计算DPF的预期NOx需求量，获取尾气温度和最新的NOx存储量，计算当前尾气温度下NOx存储单元释放NOx气体的速率，如果NOx气体的释放能够满足预期NOx需求量，则触发DPF再生，计算阀门单元的开度并控制阀门单元执行，更新NOx存储量，重复步骤S31，否则，直接重复步骤S31。
与现有技术相比，本发明在DPF入口侧设置了NOx存储单元，能够存储释放NOx气体，在尾气排放时，NOx存储单元吸收存储尾气中的NOx气体，在进行DPF再生时，释放NOx存储单元中的NOx气体作为氧化剂进行DPF主动再生，成本低而且可以主动控制，克服了现有DPF主动喷油再生的热失控问题，克服了DPF被动再生的催化剂成本以及无法主动控制问题。
附图说明
图1为氧化剂主导的DPF主动再生装置的结构示意图；
图2为控制方法的流程图；
附图标记：1、DPF，2、NOx存储单元，3、控制单元，4、尾气管，5、尾气支管，6、第一阀门阀片，7、第二阀门阀片，8、温度传感器组，9、NOx浓度传感器组，10、发动机ECU。
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：
一种氧化剂主导的DPF主动再生装置，如图1所示，包括DPF1、NOx存储单元2、控制单元3、传感器单元和阀门单元；DPF1的入口连接有尾气管4，NOx存储单元2的入口通过尾气支管5连通至DPF1入口侧的尾气管4，NOx存储单元2的出口通过尾气支管5连通至DPF1入口侧的尾气管4，NOx存储单元2用于存储或释放NOx气体；阀门单元设置在尾气支管5与NOx存储单元2之间，用于控制进出NOx存储单元2的尾气流量；控制单元3与传感器单元和阀门单元通信连接。
NOx存储单元2被配置为在低温下吸附NO2，在高温下释放NO2。具体的，NOx存储单元2的内部载体和催化剂有多种选择，可以是以PNA、LNT的等可以存储与释放NOx的后处理器的载体及催化剂组成的，也可以是由金属氧化物如MgO组成，NOx存储单元2能够在低温下吸附NO2/与NO2反应，吸收NO2，在高温下/干燥状态下，释放NO2。
本申请的工作原理是：在尾气排放过程中利用NOx存储单元2吸附存储一部分NOx气体，在进行DPF再生时，释放NOx存储单元2中的NOx气体，提高进入DPF1的尾气的NOx浓度，从而通过NO2氧化DPF1中的碳烟，使DPF1更好的主动再生。
其中，传感器单元包括温度传感器组8和NOx浓度传感器组9，温度传感器组8布置在NOx存储单元2的入口、DPF1的入口和DPF1的出口，用于测量尾气温度，NOx浓度传感器组9布置在NOx存储单元2入口侧之前的尾气管4内，用于测量尾气中的NOx浓度。
传感器单元还包括压力传感器组，压力传感器布置在DPF1的入口和出口，用于测量DPF1的压差，根据DPF1的压差估算DPF1内的碳载量，当碳载量达到一定数量后需要进行主动再生。
阀门单元包括第一阀门阀片6和第二阀门阀片7，第一阀门阀片6设于NOx存储单元2的入口侧的尾气支管5上，第二阀门阀片7设于NOx存储单元2的出口侧的尾气支管5上。
根据NOx存储单元2的材料和特性，经过基础实验可以标定NOx存储单元2的存储MAP图，即不同温度下吸附或释放NOx气体的量。
改变第一阀门阀片6和第二阀门阀片7的开度，能够调节进入NOx存储单元2的尾气流量，结合发动机的排气流量、尾气中的NOx浓度以及第一阀门阀片6和第二阀门阀片7的开度，根据当前温度下NOx存储单元2的存储MAP图可以估算由NOx存储单元2吸附的NOx气体，调节阀门开度、累加当前NOx存储量方法在此处不多加赘述，相关行业从业者可以理解。
控制单元3还与发动机ECU10通信连接，控制单元3通过发动机ECU10获取发动机的工况和发动机的排气流量。
一种控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、获取NOx存储单元2中最新的NOx存储量，如果NOx存储量小于预设置的存储阈值，则执行步骤S2，否则，执行步骤S3；
S2、进入NOx存储模式，计算阀门单元的开度，调节进出NOx存储单元2的尾气流量，退出NOx存储模式后更新NOx存储量，重复步骤S1；
S3、进入DPF再生模式，释放NOx存储单元2中的NOx气体进行DPF再生，更新NOx存储量，退出NOx存储模式后重复步骤S1。
步骤S2中，当NOx存储模式的执行时间大于预设置的循环周期或NOx存储量不小于预设置的存储阈值时，退出NOx存储模式；步骤S3中，当DPF再生模式的执行时间大于预设置的循环周期或NOx存储量小于预设置的存储阈值时，退出DPF再生模式；预设置的循环周期为50ms～1000ms。
其中，NOx存储模式的控制过程如下：
S21、获取最新的NOx存储量，如果NOx存储模式的执行时间大于循环周期或NOx存储量不小于预设置的存储阈值，则退出NOx存储模式，否则，执行步骤S22；
S22、获取尾气温度，如果尾气温度高于预设置的吸附温度阈值，则关闭阀门单元，NOx存储单元2独立，重复步骤S21，否则，基于尾气温度、NOx存储量以及NOx存储单元2的存储MAP图得到当前的NOx预期吸附量；
S23、获取尾气中的NOx浓度和发动机的排气流量，基于NOx预期吸附量、NOx浓度和排气流量计算进入NOx存储单元2的最佳尾气流量；
S24、基于最佳尾气流量计算阀门单元的开度并控制阀门单元执行，可以根据尾气中的NOx浓度、进入NOx存储单元2的尾气流量以及NOx存储单元2的吸附能力得到NOx的存储速率，乘以时间区间后，得到时间区间内的NOx存储量，更新NOx存储量，重复步骤S21。
其中，DPF再生模式的控制过程如下：
S31、获取最新的NOx存储量，如果DPF再生模式的执行时间大于循环周期或NOx存储量小于预设置的存储阈值，则退出DPF再生模式，否则，执行步骤S32；
S32、根据DPF1的压差检测DPF1是否需要再生，如果不需要，则重复步骤S31，否则，执行步骤S33；
S33、计算DPF1的预期NOx需求量，获取尾气温度和最新的NOx存储量，计算当前尾气温度下NOx存储单元2释放NOx气体的速率，如果NOx气体的释放能够满足预期NOx需求量，则触发DPF再生，计算阀门单元的开度并控制阀门单元执行，同理，NOx的存储速率乘以时间区间后可以得到NOx存储量，更新NOx存储量，重复步骤S31，否则，直接重复步骤S31。
本实施例中，设置了主函数、NOx存储函数和DPF再生函数，主函数是一个自循环过程，在NOx存储量不同的情况下分别进入NOx存储函数和DPF再生函数两个子函数。
在NOx存储函数中，如果尾气温度过高，此时尾气通过NOx存储单元2会使得NOx存储单元2释放NOx气体，则关闭第一阀门阀片6和第二阀门阀片7，NOx存储单元2成为一个独立的模块。如果尾气温度较低，如发动机冷启动过程中尾气温度低且NOx排放多，则完全打开第一阀门阀片6和第二阀门阀片7，尾气流经NOx存储单元2，其中的NOx气体被NOx存储单元2吸附存储。一般情况下，需要权衡尾气温度和NOx存储单元2的散热能力，调节进入NOx存储单元2的尾气流量，以使得尾气对NOx存储单元2的加热与NOx存储单元2自身的散热相对平衡，才能吸附NOx气体。
在DPF再生函数中，当需要进行DPF再生时，如果当前的尾气温度能够加热NOx存储单元2使其释放NOx气体且NOx存储单元2释放的NOx气体使得进入DPF1的尾气中的NOx浓度满足DPF主动再生效果，则触发主动再生，由尾气中的NOx气体和NOx存储单元2释放的NOx气体作为氧化剂，进行DPF主动再生。
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 (10)

1.一种氧化剂主导的DPF主动再生装置，其特征在于，包括DPF(1)、NOx存储单元(2)、控制单元(3)、传感器单元和阀门单元；
DPF(1)的入口连接有尾气管(4)，NOx存储单元(2)的入口通过尾气支管(5)连通至DPF(1)入口侧的尾气管(4)，NOx存储单元(2)的出口通过尾气支管(5)连通至DPF(1)入口侧的尾气管(4)，所述NOx存储单元(2)用于存储或释放NOx气体；
所述阀门单元设置在尾气支管(5)与NOx存储单元(2)之间，用于控制进出NOx存储单元(2)的尾气流量；
所述控制单元(3)与传感器单元和阀门单元通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种氧化剂主导的DPF主动再生装置，其特征在于，所述阀门单元包括第一阀门阀片(6)和第二阀门阀片(7)，所述第一阀门阀片(6)设于NOx存储单元(2)的入口侧的尾气支管(5)上，所述第二阀门阀片(7)设于NOx存储单元(2)的出口侧的尾气支管(5)上。
3.根据权利要求1所述的一种氧化剂主导的DPF主动再生装置，其特征在于，所述传感器单元包括温度传感器组(8)和NOx浓度传感器组(9)，所述温度传感器组(8)布置在NOx存储单元(2)的入口、DPF(1)的入口和DPF(1)的出口，用于测量尾气温度，所述NOx浓度传感器组(9)布置在NOx存储单元(2)入口侧之前的尾气管(4)内，用于测量尾气中的NOx浓度。
4.根据权利要求3所述的一种氧化剂主导的DPF主动再生装置，其特征在于，所述传感器单元还包括压力传感器组，所述压力传感器布置在DPF(1)的入口和出口，用于测量DPF(1)的压差。
5.根据权利要求1所述的一种氧化剂主导的DPF主动再生装置，其特征在于，所述NOx存储单元(2)被配置为在低温下吸附NO2，在高温下释放NO2。
6.根据权利要求1所述的一种氧化剂主导的DPF主动再生装置，其特征在于，所述控制单元(3)还与发动机ECU(10)通信连接，控制单元(3)通过发动机ECU(10)获取发动机的工况和发动机的排气流量。
7.一种控制方法，用于控制如权利要求1-6中任一所述的氧化剂主导的DPF主动再生装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取NOx存储单元(2)中最新的NOx存储量，如果NOx存储量小于预设置的存储阈值，则执行步骤S2，否则，执行步骤S3；
S2、进入NOx存储模式，计算阀门单元的开度，调节进出NOx存储单元(2)的尾气流量，退出NOx存储模式后更新NOx存储量，重复步骤S1；
S3、进入DPF再生模式，释放NOx存储单元(2)中的NOx气体进行DPF再生，更新NOx存储量，退出NOx存储模式后重复步骤S1。
8.根据权利要求7所述的一种控制方法，其特征在于，步骤S2中，当NOx存储模式的执行时间大于预设置的循环周期或NOx存储量不小于预设置的存储阈值时，退出NOx存储模式；步骤S3中，当DPF再生模式的执行时间大于预设置的循环周期或NOx存储量小于预设置的存储阈值时，退出DPF再生模式；预设置的循环周期为50ms～1000ms。
9.根据权利要求8所述的一种控制方法，其特征在于，NOx存储模式的控制过程如下：
S21、获取最新的NOx存储量，如果NOx存储模式的执行时间大于循环周期或NOx存储量不小于预设置的存储阈值，则退出NOx存储模式，否则，执行步骤S22；
S22、获取尾气温度，如果尾气温度高于预设置的吸附温度阈值，则关闭阀门单元，NOx存储单元(2)独立，重复步骤S21，否则，基于尾气温度、NOx存储量以及NOx存储单元(2)的存储MAP图得到当前的NOx预期吸附量；
S23、获取尾气中的NOx浓度和发动机的排气流量，基于NOx预期吸附量、NOx浓度和排气流量计算进入NOx存储单元(2)的最佳尾气流量；
S24、基于最佳尾气流量计算阀门单元的开度并控制阀门单元执行，更新NOx存储量，重复步骤S21。
10.根据权利要求8所述的一种控制方法，其特征在于，DPF再生模式的控制过程如下：
S31、获取最新的NOx存储量，如果DPF再生模式的执行时间大于循环周期或NOx存储量小于预设置的存储阈值，则退出DPF再生模式，否则，执行步骤S32；
S32、检测DPF是否需要再生，如果不需要，则重复步骤S31，否则，执行步骤S33；
S33、计算DPF的预期NOx需求量，获取尾气温度和最新的NOx存储量，计算当前尾气温度下NOx存储单元(2)释放NOx气体的速率，如果NOx气体的释放能够满足预期NOx需求量，则触发DPF再生，计算阀门单元的开度并控制阀门单元执行，更新NOx存储量，重复步骤S31，否则，直接重复步骤S31。
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