CN114991911A - 一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统及其再生控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Cs‑V基催化剂负载颗粒后处理系统及其再生控制方法，后处理系统包括电加热模块、氧传感器、压差传感器、排气流量传感器、控制模块，整体系统通过传感数据控制再生触发、再生强度以及再生结束等，再生过程基于多参数传感动态控制，保证了DPF再生的低能耗和高可靠性。与现有技术相比，本发明利用Cs‑V基催化剂的颗粒氧化特性，设计基于电加热装置的颗粒后处理系统及其再生控制方法，再生过程通过多参数传感协同动态控制，提高再生精度，显著降低后处理系统的成本，同步实现对颗粒的高效捕集和可靠再生。

Description

一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统及其再生控制方法

技术领域

本发明涉及交通运输领域，尤其是涉及一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统及其再生控制方法。

背景技术

颗粒捕集器DPF是降低柴油机颗粒排放最有效装置，其通过壁流式多孔介质结构将排气中的颗粒物进行过滤捕集，而捕集的颗粒不断累积会造成排气背压升高，影响发动机的动力性和燃油经济性，因此，DPF需要进行再生以消除累积颗粒。DPF再生方式主要包括主动再生和被动再生，前者是通过提高载体温度来促使颗粒物燃烧，但需要消耗额外的能量；被动再生则主要通过涂覆于DPF载体上的催化剂来降低碳烟活化能，进而实现柴油机常规排气温度下的颗粒物燃烧。由于柴油机排气温度相对较低，DPF被动再生很难彻底进行，往往需要采用主被动再生相结合的再生方式，既可以较少耗能，又可以高效再生。DPF催化剂多采用Pt、Pd贵金属，造成DPF成本居高不下。

针对发动机尾气颗粒过滤催化装置及其控制方法的现有技术包括：

专利CN201920837333.8发明了一种拖拉机用DPF电加热主动再生装置，采用电加热式主动再生方式，降低了发动机控制系统开发难度，减小了再生过程的标定工作量，缩短了开发周期，解决了因使用远后喷存在的机油稀释风险的问题。但该技术未考虑DPF负载催化剂带来的颗粒氧化温度发生的变化，再生控制策略精准度有待提升，需要考虑更多的控制参数。

专利CN202210031582.4发明了一种双DPF再生控制方法、装置和发动机，基于废气质量流量、DPF上游温度测量值、DPF上游lambda值、DPF碳载量模型等进行双DPF间再生的协同控制，从而提高双DPF再生的可靠性。但专利未考虑DPF的主被动再生协同控制。

专利CN202210004847.1发明了一种DPF再生控制方法、装置和发动机，在DOC上游的排气管路中设置有加热单元，再生过程中根据DPF的温度参数确定所述加热单元的柴油喷油量并启动加热单元，以使DPF进入加热单元温度控制模式，避免了DPF因内部温度急剧升高而被损坏，进一步提高了DPF的可靠性。该专利的控制策略中未考虑涂覆催化剂后的被动再生特性。

专利CN202011181127.X发明了一种DPF再生耦合控制方法，基于碳载量预估模型确定DPF的实时碳载量，实时计算DPF的减排效率，根据DPF的实时碳载量和DPF的减排效率耦合控制DPF的再生过程，提高了再生强度控制的精确性，有效避免了因DPF过度再生造成的颗粒物排放增多的问题，提升了DPF的再生可靠性。该专利再生控制策略基于Pt基催化剂负载DPF开发，不适用于非贵金属催化剂负载DPF。

专利CN202010225210.6发明了一种车辆DPF主动再生的控制方法及控制装置，该专利中主要通过车辆行驶里程触发再生过程，再生精度及可靠性有待进一步提升。

专利CN201911148846.9发明了一种DPF再生的控制方法及控制系统，主要通过获取DPF再生相关参数的检测值，基于环境湿度、温度与压力，对所述检测值进行修正，获得控制参数，将再生触发阈值和DPF老化因子的乘积与获得的控制参数进行比较，基于比较结果判断是否满足DPF再生触发条件，可以在复杂环境下准确进行DPF再生判断，避免了DPF烧毁的问题，并提高了DPF再生效率。该专利未考虑被动再生过程。

专利CN201910744760.6发明了一种用于DPF主动再生的燃油喷射控制系统及方法，通过ECU指令读取触发DPF再生，再生过程通过燃油喷射形式实现，并且可自动清洁排气管侧的喷嘴及燃油管路，避免了残留在管路中的燃油由于高温裂化导致喷嘴及附近管路的堵塞问题。该专利未考虑DPF催化剂涂覆带来的被动再生效果。

专利CN201911333715.8发明一种DPF再生触发方法及DPF再生触发装置，可基于再生后的压差偏差自适应得到DPF的不同积灰特性，从而对碳载量模型进行修正，提升DPF复杂环境下DPF再生触发计算的实时修正，提升DPF的可靠性。该技术未考虑碳烟因催化剂作用燃烧特性发生变化。

专利CN201910384980.2发明了一种适用于柴油发动机的柴油颗粒过滤装置再生过程中的温度控制方法和系统，通过获取再生信号、排气歧管排气质量流量、DOC上游温度、排气温度控制器状态、发动机工作状态等信号，控制两次后喷的喷油量，进一步控制DPF入口处温度。该专利主要侧重于DPF主动再生过程的温度控制，未考虑再生过程排气组分的影响。

专利CN202011195405.7发明了一种DPF碳载量估算方法及装置，通过DPF被动再生过程中减少的总碳载量、DPF所消耗的碳载量和发动机所生成的碳载量对DPF内的碳载量估算总值进行补偿，并得到补偿后的碳载量估算总值，提高了DPF碳载量估算的准确度，有效避免了主动再生时机出现错误判断的问题。该专利针对的是贵金属催化剂，并且未给出相匹配的主动再生控制策略。

专利CN201911333715.8发明了一种DPF再生触发方法及DPF再生触发装置，通过灰分量修正碳载量进行再生过程触发，提升了再生的可靠性，该专利未考虑再生方式和具体的再生控制策略。

专利CN201910039717.X发明了一种用于DPF被动再生过程的控制方法和系统，根据进入DPF内部的碳烟质量流量和消耗掉的碳烟质量流量计算出碳烟被动再生速率，以及碳烟累积速率进行是否要提温需求或要求发动机切换工作模式判断。该专利未明确被动再生所依赖的催化剂类型，以及相适应的主动再生控制策略。

专利CN201910237998.X发明了一种分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，通过电子控制单元ECU控制锥形进气管内电热丝的加热功率，从而实现在恰当时机的DPF的再生，再生过程简单，但未考虑颗粒因催化剂起燃温度发生的变化，会造成过再生以及再生能耗高的问题。

综上，现有技术多集中于DPF的主动再生控制策略，且主动再生过程很少考虑DPF涂覆催化剂后颗粒再生条件发生的变化，会造成再生过程能耗增加、再生强度过高等问题；有关DPF的被动再生技术主要依赖于Pt基贵金属催化剂开发，针对非贵金属催化剂开发的颗粒捕集氧化装置较少。

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Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统及其再生控制方法，利用Cs-V基催化剂的颗粒氧化特性，设计基于电加热装置的颗粒后处理系统及其再生控制方法，再生过程通过多参数传感协同动态控制，提高再生精度，显著降低后处理系统的成本，同步实现对颗粒的高效捕集和可靠再生。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

申请人在构思历程中认为，采用非贵金属催化剂可显著降低DPF成本，具有广阔的影响前景。Cs元素是一种储量丰富、活性较高的碳烟催化剂，基于Cs制备的Cs₂V₄O₁₁可对O₂进行活化，产生活性氧，进而与碳烟发生反应；Cs₂SO₄则可以辅助Cs₂V₄O₁₁从排气中捕捉O₂与碳烟发生反应，活化碳元素，以Cs₂V₄O₁₁为活性组分、以Cs₂SO₄为促进剂涂覆与DPF之上，可实现较高的碳烟催化效果。基于该非贵金属催化剂涂覆的颗粒过滤催化装置，设计相适应的主被动再生控制策略，从而实现对颗粒过滤催化装置的高效可靠再生。

本发明的第一个目的是提供一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统，包括电加热模块、氧传感器、压差传感器、排气流量传感器、控制模块，其中具体地：

电加热模块的输入端与柴油机的排气管连接；

DPF模块的输入端与所述电加热模块的输出端连接，所述DPF模块包括DPF壳体和设于DPF壳体内的DPF载体，所述DPF载体上涂覆Cs-V基非贵金属催化剂，所述Cs-V基非贵金属催化剂中活性组分为Cs₂V₄O₁₁，促进剂为Cs₂SO₄；

氧传感器的测点设于DPF模块的输入端；

压差传感器的两个测点分别设于DPF模块的输入端和输出端；

排气流量传感器的测点设于电加热模块的输出端；

控制模块分别与所述电加热模块、氧传感器、压差传感器、排气流量传感器通信连接。

进一步地，所述电加热模块包括电加热器和设于电加热器内部的电加热丝。

进一步地，所述电加热模块通过电加热器加热提高排气进入DPF的温度，以此燃烧气流中颗粒实现DPF再生。

进一步地，所述Cs-V基非贵金属催化剂中的Cs₂V₄O₁₁对气流中O₂进行活化，进而与碳烟发生反应，同时Cs₂SO₄则活化碳元素，使得气流中颗粒氧化过程不依赖于NO₂氛围。

进一步地，所述Cs-V基非贵金属催化剂中Cs₂V₄O₁₁与Cs₂SO₄的质量比为10：1～1：1，且Al₂O₃质量是Cs₂V₄O₁₁与Cs₂SO₄质量和的3～5倍。

进一步地，所述控制模块为x86架构、ARM架构、RISC-V架构处理器中的一种。

本发明的第二个目的是提供一种上述Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统的再生控制方法，包括以下步骤：

发动机运行过程中实时采集尾气颗粒过滤催化装置中DPF排气背压P、排气流量L、氧气浓度C的数据；

若P<Pmax，不触发再生，电加热器不工作；

若P≥Pmax，触发再生，电加热器工作，通过控制外置电源的输出电流电加热丝的加热温度，进一步控制当前该状态下DPF内部达到高效再生温度T_h；

当监测到的DPF排气背压P≤Pmin，再生结束指令触发，电加热器停止工作。

进一步地，所述高效再生温度T_h的获取过程包括：

通过改变氧气浓度、气体流量获取不同碳载量DPF在不同温度下的颗粒氧化特性曲线，基于颗粒氧化特性曲线得到该非贵金属催化剂负载DPF的颗粒高效再生温度T_h与碳载量l、氧气浓度c、气体流r的对应关系，建立高效再生温度T_h与碳载量l、氧气浓度c、气体流r的拟合模型，T_h＝f(l,c,r)，以此作为控制电加热电流强度实现高效再生温度T_h依据；

基于当前碳载量l、氧气浓度c、气体流r得到高效再生温度T_h。

进一步地，排气背压上限值P_max和排气背压设定下限值P_min的确定过程为：

根据DPF碳载量限值设定排气背压上限值P_max，根据DPF碳载量为0时对应的排气背压设定下限值P_min，分别作为再生触发和再生结束的阈值。

进一步地，DPF碳载量极限值l₀通过碳载量预估模型得到，DPF碳载量l的当前值通过实时采集的排气背压P代入碳载量预估模型求得。

进一步地，碳载量预估模型的构建方式为：

对负载活性组分为Cs₂V₄O₁₁、促进剂为Cs₂SO₄，涂层材料为Al₂O₃的DPF进行颗粒加载试验，颗粒加载过程监测碳载量及DPF排气背压，通过数据拟合获得DPF排气背压随碳载量的变化关系，得到碳载量预估模型，以此得到DPF碳载量限值。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1)本技术方案中颗粒过滤催化装置采用非贵金属催化剂，该非贵金属催化剂中的Cs₂V₄O₁₁可对O₂进行活化，进而与碳烟发生反应，Cs₂SO₄则可以活化碳元素，颗粒氧化过程不依赖于NO₂氛围，因此，无需使用DOC来提高NO₂浓度，结构简答，便于控制，并且非贵金属催化剂价格低廉。

2)本技术方案中通过试验获得DPF排气背压随碳载量的变化关系，根据DPF的碳载量上限及DPF未加载碳载时的排气背压数据确定再生触发和再生结束的背压阈值，阈值设置更加准确，再生触发时机更加精准。

3)本技术方案中DPF再生通过电加热器辅助实现，再生过程考虑了颗粒在催化剂作用下活化能下降、自身氧化温度降低的特点，基于实时采集的排气流量、氧浓度和排气背压多参数，通过调整电加热器电流实现DPF颗粒氧化高效温度动态调控，再生控制精度高，避免过再生或再生不足，保证了再生可靠性和经济性。

附图说明

图1为本技术方案中发动机尾气颗粒过滤催化装置的结构示意图；

图中：柴油机-1、排气管-2、电加热器-3、电加热丝-4、排气流量传感器-5、DPF壳体-6、DPF载体-7、外置电源-8、氧传感器-9、压差传感器-10。

图2为本技术方案中DPF再生控制参数排气背压上限值P_max、下限值P_min确定过程示意图；

图3为本技术方案中DPF高效再生控制温度模型确定过程示意图；

图4为本技术方案中Cs-V基催化剂负载DPF再生控制过程示意图；

图5为本技术方案中DPF排气背压随碳载量的变化关系图。

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。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

本发明中的Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统，如图1所示。包括柴油机1、排气管2、电加热器3、电加热丝4、排气流量传感器5、DPF壳体6、DPF载体7、外置电源8、氧传感器9、压差传感器10。DPF载体采用SiC材质，为壁流式多孔介质结构(采用商业化DPF材料)，DPF载体上涂覆Cs-V基非贵金属催化剂，活性组分为Cs₂V₄O₁₁，促进剂为Cs₂SO₄，涂层材料为Al₂O₃，Cs₂V₄O₁₁与Cs₂SO₄的质量比为10：1～1：1，且Al₂O₃质量是Cs₂V₄O₁₁与Cs₂SO₄质量和的3～5倍，Al₂O₃浸渍于SiC材质壁流式多孔介质结构上，以此实现活性组分与促进剂的高度分散，具有较好的颗粒捕集性能和抗热冲击性。

控制模块获取多个传感器的数据并能够指令外置电源8输出特定大小的电流，整体实现通过传感数据控制再生触发、再生强度以及再生结束等，再生过程基于多参数传感动态控制，保证了DPF再生的低能耗和高可靠性。

该颗粒后处理系统的再生过程主要通过电加热器加热提高DPF入口温度，从而燃烧颗粒实现DPF再生。该发明的特点是考虑了非贵金属催化剂的碳烟氧化特性，通过对DPF负载Cs-V基非贵金属催化剂的碳烟氧化特性确定颗粒在不同碳载量、不同氧浓度、不同排气流量下的高效氧化温度模型，再生过程通过实时监测的排气流量、排气背压、氧浓度，动态调整电加热器电流，是DPF入口温度始终保持在高效氧化温度。

DPF再生触发主要根据实时监测的排气背压进行判断，根据负载Cs-V基非贵金属催化剂DPF的碳烟加载试验得出其碳载量预估模型，根据DPF碳载量极值以及零碳载量对应的DPF排气背压确定背压上限值P_max和下限值P_min，作为再生触发条件和再生结束条件。

本Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统在具体应用时，参见图4，包括以下步骤：

1、对负载活性组分为Cs₂V₄O₁₁，促进剂为Cs₂SO₄，涂层材料为Al₂O₃的DPF进行颗粒加载试验，颗粒加载过程监测碳载量及DPF排气背压，通过数据拟合获得DPF排气背压随碳载量的变化关系，得到碳载量预估模型。根据DPF碳载量限值设定排气背压上限值P_max，根据DPF碳载量为0时对应的排气背压设定下限值P_min，分别作为再生触发和再生结束的阈值，参见图2。

2、对负载活性组分为Cs₂V₄O₁₁，促进剂为Cs₂SO₄，涂层材料为Al₂O₃的DPF小样开展颗粒加载，对不同碳载量DPF进行程序升温氧化试验，由于该非贵金属催化剂的碳烟氧化性能是通过氧气的活化实现对碳烟的氧化，并且与空速(排气流量)密切相关，因此通过改变氧气浓度、气体流量获取不同碳载量DPF在不同温度下的颗粒氧化特性曲线，基于颗粒氧化特性曲线得到该非贵金属催化剂负载DPF的颗粒高效再生温度T_h(90％颗粒氧化)与碳载量l、氧气浓度c、气体流r的对应关系，建立高效再生温度T_h与碳载量l、氧气浓度c、气体流r的拟合模型，T_h＝f(l,c,r)，以此作为控制电加热电流强度实现目标再生温度T_h依据，参见图3。

3、发动机运行过程中实时采集尾气颗粒过滤催化装置中DPF排气背压P，排气流量L、氧气浓度C等数据。

4、若P<Pmax，不触发再生，电加热器不工作；若P≥Pmax，触发再生，电加热器工作。

5、触发再生，电加热器工作后，通过控制电流使电热丝加热控制来达到该状态下DPF高效再生T_h，T_h则根据实时采集氧气浓度c、气体流r、碳载量l(根据实时采集的排气背压P代入碳载量预估模型求得)由T_h＝f(l,c,r)确定，参见图4。

6、通过调整加热电流实现电加热器温度，提升DPF入口温度至DPF颗粒高效氧化温度T_h，T_h根据实时采集氧气浓度c、气体流r、碳载量l动态变化，电加热器加热电流动态调整，使DPF入口温度始终保持在T_h。

7、当监测到的DPF排气背压P≤Pmin，再生结束指令触发，电加热器停止工作。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统，其特征在于，包括：

电加热模块，所述电加热模块的输入端与柴油机(1)的排气管(2)连接；

DPF模块，所述DPF模块的的输入端与所述电加热模块的输出端连接，所述DPF模块包括DPF壳体(6)和设于DPF壳体(6)内的DPF载体(7)，所述DPF载体(7)上涂覆Cs-V基非贵金属催化剂，所述Cs-V基非贵金属催化剂中活性组分为Cs₂V₄O₁₁，促进剂为Cs₂SO₄；

氧传感器(9)，所述氧传感器(9)的测点设于DPF模块的输入端；

压差传感器(10)，所述压差传感器(10)的两个测点分别设于DPF模块的输入端和输出端；

排气流量传感器(5)，所述排气流量传感器(5)的测点设于电加热模块的输出端；

控制模块，分别与所述电加热模块、氧传感器(9)、压差传感器(10)、排气流量传感器(5)通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统，其特征在于，所述电加热模块包括电加热器(3)和设于电加热器(3)内部的电加热丝(4)。

3.根据权利要求1所述的一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统，其特征在于，所述电加热模块通过电加热器加热提高排气进入DPF的温度，以此燃烧气流中颗粒实现DPF再生。

4.根据权利要求1所述的一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统，其特征在于，所述Cs-V基非贵金属催化剂中的Cs₂V₄O₁₁对气流中O₂进行活化，进而与碳烟发生反应，同时Cs₂SO₄则活化碳元素，使得气流中颗粒氧化过程不依赖于NO₂氛围。

5.根据权利要求1所述的一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统，其特征在于，所述Cs-V基非贵金属催化剂中Cs₂V₄O₁₁与Cs₂SO₄的质量比为10：1～1：1，且Al₂O₃质量是Cs₂V₄O₁₁与Cs₂SO₄质量和的3～5倍。

6.一种权利要求1至5中任意一项所述Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统的再生控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

发动机运行过程中实时采集尾气颗粒过滤催化装置中DPF排气背压P、排气流量L、氧气浓度C的数据；

若P<Pmax，不触发再生，电加热器不工作；

若P≥Pmax，触发再生，电加热器工作，通过控制外置电源(8)的输出电流电加热丝(4)的加热温度，进一步控制当前该状态下DPF内部达到高效再生温度T_h；

当监测到的DPF排气背压P≤Pmin，再生结束指令触发，电加热器停止工作。

7.根据权利要求6所述的一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统的再生控制方法，其特征在于，所述高效再生温度T_h的获取过程包括：

通过改变氧气浓度、气体流量获取不同碳载量DPF在不同温度下的颗粒氧化特性曲线，基于颗粒氧化特性曲线得到该非贵金属催化剂负载DPF的颗粒高效再生温度T_h与碳载量l、氧气浓度c、气体流r的对应关系，建立高效再生温度T_h与碳载量l、氧气浓度c、气体流r的拟合模型，T_h＝f(l,c,r)，以此作为控制电加热电流强度实现高效再生温度T_h依据；

基于当前碳载量l、氧气浓度c、气体流r得到高效再生温度T_h。

8.根据权利要求6所述的一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统的再生控制方法，其特征在于，排气背压上限值P_max和排气背压设定下限值P_min的确定过程为：

根据DPF碳载量限值设定排气背压上限值P_max，根据DPF碳载量为0时对应的排气背压设定下限值P_min，分别作为再生触发和再生结束的阈值。

9.根据权利要求8所述的一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统的再生控制方法，其特征在于，DPF碳载量极限值l₀通过碳载量预估模型得到，DPF碳载量l的当前值通过实时采集的排气背压P代入碳载量预估模型求得。

10.根据权利要求8所述的一种Cs-V基催化剂负载颗粒后处理系统的再生控制方法，其特征在于，碳载量预估模型的构建方式为：

对负载活性组分为Cs₂V₄O₁₁、促进剂为Cs₂SO₄，涂层材料为Al₂O₃的DPF进行颗粒加载试验，颗粒加载过程监测碳载量及DPF排气背压，通过数据拟合获得DPF排气背压随碳载量的变化关系，得到碳载量预估模型，以此得到DPF碳载量限值。

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