CN114991912A - 一种发动机尾气颗粒过滤催化装置及其控制方法 - Google Patents

一种发动机尾气颗粒过滤催化装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种发动机尾气颗粒过滤催化装置及其控制方法，过滤催化装置包括进气单元、颗粒捕集催化单元、排气单元、传感器单元、燃烧器单元、控制单元，过滤催化装置可以高效捕集尾气颗粒并对颗粒进行催化氧化，通过再生控制方法，实现对颗粒过滤催化装置的高效可靠再生。与现有技术相比，本发明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，再生过程能耗低、鲁棒性好。

Description

一种发动机尾气颗粒过滤催化装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及道路交通排放领域，尤其是涉及一种发动机尾气颗粒过滤催化装置及其控制方法。
背景技术
柴油机因动力性强、经济性好和热效率高等特点广泛应用于道路交通运输领域。但其扩散燃烧的特点造成颗粒物排放显著高于汽油机，对大气环境和人体健康危害极大。日益严格的排放法规对柴油机颗粒物排放不断加严，单纯的柴油机机内净化技术很难使其满足限值要求，必须借助柴油机尾气后处理技术来进一步降低颗粒排放。壁流式颗粒捕集器DPF是一种高效的柴油机颗粒后处理装置，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。
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。
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，尤其是以Cs2V4O11为活性组分，以Cs2SO4为促进剂的DPF装置尚未见相关技术报导，且有关其再生控制技术亦尚未公开。
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发动机尾气颗粒过滤催化装置及其控制方法，可以高效捕集尾气颗粒并对颗粒进行催化氧化，通过再生控制方法，实现对颗粒过滤催化装置的高效可靠再生，再生过程能耗低、鲁棒性好。
申请人在研发历程中认为，DPF催化剂多采用Pt、Pd贵金属，造成DPF成本居高不下，而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，再生过程能耗低、鲁棒性好。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的第一个目的是提供一种发动机尾气颗粒过滤催化装置，包括进气单元、颗粒捕集催化单元、排气单元、传感器单元、燃烧器单元、控制单元，其中具体地：
所述进气单元上设有进气口；
所述颗粒捕集催化单元的一端与所述进气单元连接，所述颗粒捕集催化单元中设有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；
所述颗粒捕集催化单元的另一端与所述排气单元连接，所述排气单元上；
传感器单元设于所述颗粒捕集催化单元上，所述传感器单元包括温度传感器和压差传感器，所述温度传感器获得DPF入口温度Ti，所述压差传感器获得DPF排气背压Pi；
燃烧器单元，包括设于进气单元前端的燃烧加热腔和与设于燃烧加热腔一侧的喷油器；
控制单元，与所述传感器单元连接，且所述控制单元与喷油器上的电磁阀通信连接。
进一步地，所述进气单元包括圆筒状进气腔，所述进气口设于圆筒状进气腔的一端。
进一步地，所述圆筒状进气腔的另一端通过V形卡箍与所述颗粒捕集催化单元紧固连接，所述圆筒状进气腔与颗粒捕集催化单元之间设有阻漏垫圈。
进一步地，所述排气单元包括圆筒状排气腔，所述排气口设于所述圆筒状排气腔上。
进一步地，所述圆筒状排气腔的一端通过V形卡箍与所述颗粒捕集催化单元紧固连接，所述圆筒状排气腔与颗粒捕集催化单元之间设有阻漏垫圈。
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发动机尾气颗粒过滤催化装置的控制方法，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Pi、DPF入口温度Ti、氧气浓度Ci；
若P<Pmax，不触发再生，发动机燃烧器不工作；
若P≥Pmax，触发再生，发动机燃烧器工作；
触发再生后，汽车燃油喷射系统通过喷油量控制使得颗粒捕集催化单元内部达到当前状态下DPF高效再生Th；
当监测到的DPF排气背压P≤Pmin，再生结束指令触发，喷油器停止工作。
进一步地，触发再生后，高效再生温度Th根据实时采集的氧气浓度以及实时碳载量，通过温控Map图确定。
进一步地，所述温控Map图通过以下过程获取：
对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，通过改变氧气浓度获取不同碳载量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Th与碳载量、氧气浓度的对应关系，形成温控Map图。
进一步地，所述实时碳载量通过采集的排气背压确定，确定过程为根据DPF排气背压随碳载量的变化关系式反推；
DPF排气背压随碳载量的变化关系通过试验获得，即通过测量不同碳载量DPF的排气背压，确定DPF排气背压随碳载量的变化关系。
进一步地，排气背压上限值Pmax与排气背压设定下限值Pmin的获取过程包括：
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，根据DPF碳载量限值设定排气背压上限值Pmax，根据DPF碳载量为0时对应的排气背压设定下限值Pmin，分别作为再生触发和再生结束的阈值。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
(1)颗粒过滤催化装置采用非贵技术催化剂，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，无需使用柴油机氧化催化器来提高NO2浓度，并且非贵金属催化剂价格低廉。
(2)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)通过负载非贵金属催化剂DPF颗粒高效氧化温度Map图，以及实时检测的氧气浓度、排气背压动态调整燃烧器的燃油喷射量，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；
1、进气口，2、圆筒状进气腔，3、阻漏垫圈，4、V形卡箍，5、圆筒状颗粒捕集催化单元，6、传感器单元，7、阻漏垫圈，8、V形卡箍，9、圆筒状排气腔，10、排气口。
图2为本技术方案中DPF再生控制参数排气背压上限值Pmax、下限值Pmin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Map确定过程示意图；
图4为本技术方案中非贵金属催化剂负载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；
图6为本技术方案中DPF高效再生温控Map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。
本发明中的发动机尾气颗粒过滤催化装置，如图1所示。包括圆筒状进气腔2、圆筒状颗粒捕集催化单元5、圆筒状排气腔9，所述圆筒状进气腔的一端设有进气口1，另一端与所述颗粒捕集催化单元5的一端采用V形卡箍4相连，并设有阻漏垫圈3，所述颗粒捕集催化单元5的另一端与圆筒状排气腔9采用V形卡箍相连8，并设有阻漏垫圈7，所述颗粒捕集催化单元设有温度、压差传感器，其中温度传感器的测点设于颗粒捕集催化单元5的入口，压差传感器的测点设于圆筒状颗粒捕集催化单元5壳体的入口和出口，以此获得DPF排气背压。燃烧器单元，包括设于进气单元前端的燃烧加热腔和与设于燃烧加热腔一侧的喷油器，喷油器通过电磁阀实现喷油量的控制，且电磁阀与控制模块通信连接，燃烧加热腔中设有点火器，以此实现将喷油器喷射的燃油点燃，实现尾气加热。
颗粒捕集催化单元由载体及涂覆在载体之上的催化剂组成，所述载体为SiC材质壁流式多孔介质结构(采用商业化DPF材料)，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，具有较好的颗粒捕集性能和抗热冲击性；所述催化剂为非贵金属催化剂，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。
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，根据DPF碳载量限值设定排气背压上限值Pmax，根据DPF碳载量为0时对应的排气背压设定下限值Pmin，分别作为再生触发和再生结束的阈值，如图2所示。
本技术方案中发动机尾气颗粒过滤催化装置控制方法主要通过燃烧器喷油助燃控制实现所述发动机尾气颗粒过滤催化装置的再生控制。燃烧器安装在颗粒过滤催化装置前端，通过向燃烧器喷射燃油实现尾气加热，燃油喷射量基于所述尾气颗粒过滤催化装置的再生特性进行精确控制，再生触发及再生结束时刻根据所述负载非贵金属催化剂DPF的碳载量预估模型进行设定，所述尾气颗粒过滤催化装置的再生特性通过不同氧化氛围催化剂碳烟氧化活性确定。
本技术方案中对负载活性组分为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不依赖于NO2，是通过氧气的活化实现对碳烟的氧化，因此通过改变氧气浓度获取不同碳载量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Th(90％颗粒氧化)与碳载量、氧气浓度的对应关系，形成温控Map图，以此作为控制燃烧器喷油策略控制的依据，如图3所示。
本技术方案中发动机尾气颗粒过滤催化装置在具体应用时，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，根据DPF碳载量限值设定排气背压上限值Pmax，根据DPF碳载量为0时对应的排气背压设定下限值Pmin，分别作为再生触发和再生结束的阈值。
(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不依赖于NO2，是通过氧气的活化实现对碳烟的氧化，因此通过改变氧气浓度获取不同碳载量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Th(90％颗粒氧化)与碳载量、氧气浓度的对应关系，形成温控Map图，参见图6，以此作为控制燃烧器喷油策略控制的依据。
(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，DPF入口温度T、氧气浓度C等数据。
(4)若P<Pmax，不触发再生，燃烧器不工作；若P≥Pmax，触发再生，燃烧器工作；
(5)触发再生，燃烧器工作后，通过喷油量控制来达到该状态下DPF高效再生Th，Th则根据实时采集的氧气浓度以及实时碳载量，通过温控Map图确定。实时碳载量则通过采集的排气背压确定，确定过程为根据DPF排气背压随碳载量的变化关系式反推，其中DPF排气背压随碳载量的变化关系式的获取参见图2，得到的关系图参见图5。
(6)喷油器根据采集的氧浓度、排气背压调整喷油量，控制当前状态的DPF入口温度始终达到高效再生温度Th。
(7)当监测到的DPF排气背压P≤Pmin，再生结束指令触发，喷油器停止工作。
可见，本发明使用非贵金属催化剂，可以显著降低颗粒捕集催化装置的成本，提出了DPF再生控制方法结合了非贵金属催化剂颗粒氧化特性，具有再生控制精度高，再生可靠、再生过程耗能少的优点，具有较好的可行性和广阔的应用前景。
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)

1.一种发动机尾气颗粒过滤催化装置，其特征在于，包括：
进气单元，所述进气单元上设有进气口(1)；
颗粒捕集催化单元(5)，所述颗粒捕集催化单元(5)的一端与所述进气单元连接，所述颗粒捕集催化单元(5)中设有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；
排气单元，所述颗粒捕集催化单元(5)的另一端与所述排气单元连接，所述排气单元上；
传感器单元(6)，设于所述颗粒捕集催化单元(5)上，所述传感器单元(6)包括温度传感器和压差传感器，所述温度传感器获得DPF入口温度Ti，所述压差传感器获得DPF排气背压Pi；
燃烧器单元，包括设于进气单元前端的燃烧加热腔和与设于燃烧加热腔一侧的喷油器；
控制单元，与所述传感器单元(6)连接，且所述控制单元与喷油器上的电磁阀通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种发动机尾气颗粒过滤催化装置，其特征在于，所述进气单元包括圆筒状进气腔(2)，所述进气口(1)设于圆筒状进气腔(2)的一端。
3.根据权利要求2所述的一种发动机尾气颗粒过滤催化装置，其特征在于，所述圆筒状进气腔(2)的另一端通过V形卡箍与所述颗粒捕集催化单元(5)紧固连接，所述圆筒状进气腔(2)与颗粒捕集催化单元(5)之间设有阻漏垫圈。
4.根据权利要求1所述的一种发动机尾气颗粒过滤催化装置，其特征在于，所述排气单元包括圆筒状排气腔(9)，所述排气口(10)设于所述圆筒状排气腔(9)上。
5.根据权利要求4所述的一种发动机尾气颗粒过滤催化装置，其特征在于，所述圆筒状排气腔(9)的一端通过V形卡箍与所述颗粒捕集催化单元(5)紧固连接，所述圆筒状排气腔(9)与颗粒捕集催化单元(5)之间设有阻漏垫圈。
6.一种权利要求1至5中任意一项所述发动机尾气颗粒过滤催化装置的控制方法，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Pi、DPF入口温度Ti、氧气浓度Ci；
若P<Pmax，不触发再生，发动机燃烧器不工作；
若P≥Pmax，触发再生，发动机燃烧器工作；
触发再生后，汽车燃油喷射系统通过喷油量控制使得颗粒捕集催化单元(5)内部达到当前状态下DPF高效再生Th；
当监测到的DPF排气背压P≤Pmin，再生结束指令触发，喷油器停止工作。
7.根据权利要求6所述的一种发动机尾气颗粒过滤催化装置的控制方法，其特征在于，触发再生后，高效再生温度Th根据实时采集的氧气浓度以及实时碳载量，通过温控Map图确定。
8.根据权利要求7所述的一种发动机尾气颗粒过滤催化装置的控制方法，其特征在于，所述温控Map图通过以下过程获取：
对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，通过改变氧气浓度获取不同碳载量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Th与碳载量、氧气浓度的对应关系，形成温控Map图。
9.根据权利要求7所述的一种发动机尾气颗粒过滤催化装置的控制方法，其特征在于，所述实时碳载量通过采集的排气背压确定，确定过程为根据DPF排气背压随碳载量的变化关系式反推；
DPF排气背压随碳载量的变化关系通过试验获得，即通过测量不同碳载量DPF的排气背压，确定DPF排气背压随碳载量的变化关系。
10.根据权利要求7所述的一种发动机尾气颗粒过滤催化装置的控制方法，其特征在于，排气背压上限值Pmax与排气背压设定下限值Pmin的获取过程包括：
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，根据DPF碳载量限值设定排气背压上限值Pmax，根据DPF碳载量为0时对应的排气背压设定下限值Pmin，分别作为再生触发和再生结束的阈值。
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