CN1238630C - 基于排气流速的柴油机微粒捕捉器电加热再生的控制方法 - Google Patents
基于排气流速的柴油机微粒捕捉器电加热再生的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于排气流速的柴油机微粒捕捉器电加热再生的控制方法,属于柴油机排气微粒后处理系统的控制方法。在排气管(8)和排气支管(3)上分别装有比例流通阀(4)和比例旁通阀(2);电热丝(7)安装在过滤体(6)前部;过滤体轴线上均布有热电偶(5)。当电控单元(14)检测到的油耗仪信号(15)达到设定值时,接通电热丝(7)电源,开始对过滤体(6)进行再生。在再生过程中,根据柴油机转速信号(9)和热电偶温度信号(10),经电控单元(14)分析判断后确定比例旁通阀(2)和比例流通阀(4)开度,通过气流速度实时控制微粒燃烧,以保持一定的过滤体(6)再生温度,实现过滤体(6)再生过程的实时控制。本发明达到了对过滤体(6)电加热再生过程的有效控制,可实现过滤体(6)快速及安全可靠的再生。
Description
一、所属技术领域
本发明属于柴油机排气后处理技术,特别涉及一种基于排气流速的柴油机微粒捕捉器电加热再生的控制方法。
二、背景技术
为了满足日益严格的排放法规要求,近十多年来,国内外对柴油机排气微粒净化技术进行了大量的研究工作,取得了许多成就。研究的内容主要包括机内净化技术和机外后处理技术。机外后处理技术可以有效地降低柴油机微粒排放量,已成为控制柴油机微粒排放的重要措施之一。
目前国内外研究的柴油机微粒排放后处理技术主要有微粒的过滤及过滤体再生技术、微粒的催化转化技术等等。从目前对微粒的净化效果上看,过滤净化技术最为有效。但实施微粒过滤净化时,需定期对过滤体进行再生。目前国内外已研究有多种再生方法,如电加热再生技术、喷油助燃再生技术、微波再生技术等。
热再生技术是微粒捕捉器的关键技术,目前妨碍热再生技术实用化的主要问题是过滤体再生过程中的可靠性问题。如果过滤体微粒沉积量过多,再生时微粒的燃烧有可能烧熔或烧裂过滤体,使过滤系统失效;而如果过滤体微粒沉积量过少,则一方面再生时微粒的燃烧有可能难以维持进行,另一方面也缩短了两次再生的时间间隔,造成了不必要的能量消耗及对柴油机的工作产生不必要的影响。
为了使过滤体能够得到可靠的再生,目前国内外一般都是采用精确控制过滤体微粒沉积量的方法,通过监测过滤体微粒沉积量,使再生时过滤体的微粒沉积量保持在一定范围内,以此避免再生时可能对过滤体造成的损害并能保证再生的顺利进行。
然而,过滤体再生温度与多种因素相关,除了微粒沉积量会影响过滤体再生温度外,再生条件,如再生时气流的温度、速度以及气流含氧量等都会对过滤体的热再生产生重要的影响。以往单纯依靠采用控制过滤体内微粒沉积量的方法,缺乏对过滤体再生过程的有效控制,很难保证过滤体快速、高效以及安全可靠的再生。
三、发明内容
本发明要解决的技术问题:
为了解决目前国内外所采用的控制过滤体微粒沉积量的方法缺乏对过滤体再生过程进行有效控制,难以保证过滤体安全可靠再生的问题,本项发明从柴油机排气入手,提出了一种利用排气气流对过滤体再生过程进行实时控制的方法。该方法解决了目前国内外难以对再生过程进行实时控制的问题,过滤体的可靠性得到了有效保证。
本发明的技术方案:
本发明解决其技术问题采用的技术方案:当电控单元根据检测到的油耗仪信号达到设定值时,给出电热丝控制信号,接通电热丝的电源,开始对过滤体进行再生;在再生过程中,根据柴油机转速信号和热电偶温度信号,经电控单元的分析判断后给出比例旁通阀控制信号和比例流通阀控制信号,以此控制比例旁通阀和比例流通阀的开度,通过气流速度控制微粒的燃烧,以保持过滤体的再生温度在一定的安全范围内。
当调节比例旁通阀和比例流通阀的开度,通过改变排气流速可以将过滤体再生温度控制在允许范围内时,微粒燃烧靠流速进行控制;但当比例旁通阀关闭,比例流通阀全开时,即气流速度最大时也难以控制过滤体温度持续上升的话,则进行控制模式的转换,由流速控制燃烧转换为氧气量控制燃烧,此时比例旁通阀全开,比例流通阀减小到5%开度或完全关闭,通过减小氧气量以控制微粒的燃烧速度;过滤体温度降低到允许范围内后,再次进行控制模式转换,由氧气量控制燃烧逐步过渡到由流速控制燃烧。
过滤体再生过程的控制可分为4个阶段:
(1)加热阶段
当电控单元检测到的油耗仪信号达到设定值时,开始对过滤体进行再生。此时比例旁通阀和比例流通阀动作,将比例旁通阀开度调到最大限度,比例流通阀减小到5%的开度;同时启动电热丝以加热过滤体。此时仅有少量排气通过过滤体起传递热量的作用。在此阶段,微粒的氧化主要受温度控制。由于温度不高,微粒处于缓慢氧化阶段。
(2)助燃阶段
在这一阶段,过滤体前端温度已上升到650℃以上。此时根据热电偶温度信号,减小比例旁通阀开度,同时增大比例流通阀开度,提高流经过滤体的排气流速以带入更多的氧气促使微粒迅速氧化。由于氧气的引入,微粒氧化加速,过滤体温度迅速上升。
(3)主要燃烧阶段
在这一阶段,过滤体温度已上升到700℃以上,微粒已着火燃烧,电热丝断电。微粒的燃烧依靠自身释放的热量维持。
这一阶段是过滤体再生的主要阶段,绝大多数微粒都将在这一阶段燃烧掉。过高的气流速度会吹熄微粒燃烧或使燃烧速度降低;而过低的气流速度,由于缺氧,也会降低微粒的燃烧速度。
进行控制模式的判断。当调节比例旁通阀和比例流通阀的开度,通过改变排气流速可以将过滤体再生温度控制在允许范围内时,微粒燃烧靠流速进行控制。但当比例旁通阀关闭,比例流通阀全开时,即气流速度最大时也难以控制过滤体温度持续上升的话,则需进行控制模式的转换,由流速控制燃烧转换为氧气量控制燃烧,此时比例旁通阀全开,比例流通阀减小到5%开度或完全关闭,通过减小氧气量以控制微粒的燃烧速度。过滤体温度降低到允许范围内后,再次进行控制模式转换,由氧气量控制燃烧逐步过渡到由流速控制燃烧。通过对微粒燃烧的实时控制,使过滤体再生保持在一个较高的速度,同时又要使再生温度控制在一个允许的范围内。
过滤体最高温度主要出现在过滤体的轴线上。当过滤体轴线上各测点的热电偶温度信号都在允许范围内时,以各测点的平均温度作为排气流速调节的判据;当某测点温度达到或超过允许的范围时,则以该测点的温度作为排气流速调节的判据。当由于微粒逐步燃烧掉,过滤体前端某测点温度降低到600℃以后,此时平均温度的计算将不再包括该测点温度。
(4)后燃阶段
当各测点温度不再受比例旁通阀和比例流通阀控制而持续下降,难以维持700℃的目标控制最低温度时,说明再生已进入清扫阶段。此时调整比例旁通阀和比例流通阀到原来助燃阶段的开度,接通电热丝,重新对过滤体加热。使过滤体温度重新上升到700℃以上,将残余微粒燃烧掉;通过调节比例旁通阀和比例流通阀的开度保持过滤体温度30s后关断电热丝,同时关闭比例旁通阀并完全打开比例流通阀。过滤体再生结束,并进入下一工作循环。
本发明的有益效果:
本发明的有益效果是,达到了对过滤体电加热再生过程的有效控制,实现了过滤体快速、高效以及安全可靠的再生。试验结果表明,采用基于排气流速的柴油机微粒捕捉器电加热再生的控制方法,可以使过滤体的再生温度保持在900℃以内,过滤体在再生过程中的可靠性得到了有效的保证。
四、附图说明
图1为基于排气流速的柴油机微粒捕捉器电加热再生控制系统示意图。
图2为再生系统控制的整体流程图。
图3为电控单元结构框图。
图4为电加热再生控制系统的控制框图。
图中:1.柴油机,2.比例旁通阀,3.排气支管,4.比例流通阀,5.热电偶,6.过滤体,7.电热丝,8.排气管,9.柴油机转速信号,10.热电偶温度信号,11.比例流通阀控制信号,12.比例旁通阀控制信号,13.电热丝控制信号,14.电控单元,15.油耗仪信号。
五、具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方式做进一步的说明。
基于排气流速的柴油机微粒捕捉器电加热再生控制系统(图1),包括比例旁通阀2、排气支管3、比例流通阀4、热电偶5、过滤体6、电热丝7、排气管8、电控单元14。电控单元14的输入信号为油耗仪信号15、柴油机转速信号9、热电偶温度信号10;电控单元14的输出信号为比例旁通阀控制信号12、比例流通阀控制信号11和电热丝控制信号13。
在排气管8上引出一个分流排气的排气支管3,排气支管3直通大气;比例旁通阀2安装在排气支管3上;比例流通阀4安装在排气管8上,位于排气支管3和过滤体6之间;在过滤体6前安装有电热丝7;在过滤体轴线上均布有五只检测过滤体6温度的热电偶5。
电控单元14根据油耗仪信号15、柴油机转速信号9及热电偶温度信号10,启动过滤体6再生,并通过气流速度控制微粒的燃烧,对过滤体6的再生过程进行实时控制。
再生系统控制的整体流程图如图2所示。
为了满足系统的实用性和可靠性要求,采取了定油耗确定再生时刻的方案。当电控单元14检测到的油耗仪信号15达到设定值时,开始对过滤体6进行再生。此时比例旁通阀2和比例流通阀4动作,将比例旁通阀2开度调到最大限度,比例流通阀4减小到5%的开度;同时启动电热丝7以加热过滤体6。
通过热电偶5实时检测过滤体6轴线上各测点温度,当过滤体6前端温度上升到650℃时,逐步减小比例旁通阀2的开度,增加比例流通阀4的开度,提高排气管8内的排气流速以提供微粒燃烧所需氧气量,加速微粒的氧化燃烧。比例旁通阀2和比例流通阀4的开度以5%的最大开度作为基本调节量。
当过滤体6温度达到700℃以上时,过滤体6的温度已经足够保证微粒燃烧,此时关闭电热丝7,微粒的燃烧依靠自身释放的热量维持。通过调节比例旁通阀2和比例流通阀4的开度控制过滤体6的再生温度。
过滤体6最高温度主要出现在过滤体6的轴线上。当过滤体6轴线上各测点的热电偶温度信号10都在允许范围内时,以各测点的平均温度作为排气流速调节的判据;当某测点温度达到或超过允许的范围时,则以该测点的温度作为排气流速调节的判据。当由于微粒逐步燃烧掉,过滤体6前端某测点温度降低到600℃以后,此时平均温度的计算将不再包括该测点温度。
微粒燃烧时,过滤体6温度的容许范围在600℃~1000℃之间。取温度700℃作为目标控制的最低温度;取950℃作为目标控制的最高温度;将850℃作为过滤体6再生温度的理想控制目标值。
在对过滤体再生过程进行控制时,需进行控制模式的判断。当调节比例旁通阀2和比例流通阀4的开度,通过改变排气流速可以将过滤体6再生温度控制在允许范围内时,微粒燃烧靠流速进行控制。但当比例旁通阀2关闭,比例流通阀4全开时,即气流速度最大时也难以控制过滤体6温度持续上升的话,则需进行控制模式的转换,由流速控制燃烧转换为氧气量控制燃烧,此时比例旁通阀2全开,比例流通阀4减小到5%开度或完全关闭,通过减小氧气量以控制微粒的燃烧速度。过滤体6温度降低到900℃以下后,再次进行控制模式转换,由氧气量控制燃烧逐步过渡到由流速控制燃烧。通过对微粒燃烧的实时控制,使过滤体6再生保持在一个较高的速度,同时又要使再生温度控制在一个允许的范围内。
再生后期,当各测点温度不再受比例旁通阀2和比例流通阀4控制而持续下降,难以维持700℃的目标控制最低温度时,说明再生已进入清扫阶段。此时调整比例旁通阀2和比例流通阀4到原来助燃阶段的开度,接通电热丝7,重新对过滤体6加热。使过滤体温度重新上升到700℃以上,将残余微粒燃烧掉;通过调节比例旁通阀2和比例流通阀4的开度保持过滤体6温度30s后关断电热丝,同时关闭比例旁通阀2并完全打开比例流通阀4。过滤体6再生结束,并进入下一工作循环。
电控单元14主要实现再生时刻的确定和再生过程的控制两大功能。电控单元14结构框图如图3所示。
电控单元14的硬件部分由输入输出模块、微控制器模块和电源模块组成。输入部分包括传感器(油耗传感器、热电偶温度传感器和柴油机转速传感器)和输入信号处理电路;微控制器模块是以80c196kc微处理器为核心构成的最小用户系统,其中包括存储器扩展、看门狗电路等;输出模块主要通过功率驱动电路驱动电热丝7、比例旁通阀2和比例流通阀4。
油耗传感器、热电偶温度传感器和柴油机转速传感器输出的油耗仪信号15、柴油机转速信号9和热电偶温度信号10分别经输入信号处理电路采样、处理和变换后,输入到单片机的相应端口,完成电控单元14对过滤体6工作状态及再生状态的实时检测。电控单元14的最终目标是控制执行器,完成对比例旁通阀2开度、比例流通阀4开度以及电热丝7开通/关断的控制。本系统的执行机构是比例旁通阀2、比例流通阀4和电热丝7。
该控制系统是一个具有多影响因素的系统,在微粒剧烈燃烧阶段,过滤体6的温度变化非常剧烈,单纯采用以热电偶温度信号10作为反馈实现再生的闭环控制难以满足准确快速的控制要求。因此,采用前馈控制和闭环反馈控制相结合的方法对比例旁通阀2和比例流通阀4的开度进行控制。电加热再生控制系统的控制框图如图4所示。其中,ti是比例旁通阀2开度的控制值;tp是比例流通阀4开度控制的调节值:Tm为目标温度值;T为热电偶温度信号10检测值。前馈控制主要根据柴油机转速信号9的变化来决定比例流通阀4的动作,反馈控制则根据检测到的热电偶温度信号10对比例旁通阀2的开度进行调整。
过滤体6再生时,微粒燃烧受外界影响的因素众多,过滤体6的温度与比例旁通阀2和比例流通阀4的开度无直接对应关系,只能根据当前检测到的热电偶温度信号10和温度变化趋势来决定比例旁通阀2和比例流通阀4开度的变化,因此需要采用必要的控制算法。
被控过程具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点,控制量和测量值之间不存在一个明确的数学模型。为此,这里采用了智能控制算法,在反馈控制器中采用改进PID控制算法,将人工智能和自适应等理论与PID技术相融合。
在PID控制中,一个关键问题是PID参数的整定。传统方法是在获取数学模型的基础上,根据某一整定原则确定PID参数。但由于模型参数在实际中会发生变化,这就要求在PID控制中,PID参数的整定不依赖于对象的数学模型,并且PID参数能在线调整,从而满足实时控制的要求。无论自适应PID控制算法采用何种自适应方法,基本功能均是保持PID的基本形式,只是通过不同的推理方法来调整PID参数。
自适应PID控制算法的推理方法有多种,例如基于二次型性能指标的自适应推理算法、专家自适应推理算法、模糊自适应推理算法和基于模糊神经网络的自适应推理算法等。推理方法根据自适应的不同算法从系统中收集不同的相关信息,通过一定的推理规则,分析并寻找出适合于当前控制对象的PID参数。
由于控制系统为纯滞后系统,如果柴油机转速信号9发生剧烈改变,等到根据热电偶温度信号10进行反馈控制时,系统的工作状态可能已发生很大的变化。因此,这里加入了前馈控制器,以柴油机转速信号9和转速变化为参量,对比例流通阀4的开度进行附加调节。前馈控制器采用模糊控制器。根据柴油机转速信号9和转速变化两个参数建立常规的模糊控制器,避免了对控制对象模型的建立,实现了系统控制参数的自适应调整功能。
Claims (3)
1.一种基于排气流速的柴油机微粒捕捉器电加热再生的控制方法,其特征是,当电控单元(14)根据检测到的油耗仪信号(15)达到设定值时,给出电热丝控制信号(13),接通电热丝(7)的电源,开始对过滤体(6)进行再生;在再生过程中,根据柴油机转速信号(9)和热电偶温度信号(10),经电控单元(14)的分析判断后,给出比例旁通阀控制信号(12)和比例流通阀控制信号(11),以此控制比例旁通阀(2)和比例流通阀(4)的开度,通过气流速度控制微粒的燃烧,以保持过滤体(6)温度的容许范围在600℃~1000℃之间。
2.根据权利要求1所述的基于排气流速的柴油机微粒捕捉器电加热再生的控制方法,其特征是,当调节比例旁通阀(2)和比例流通阀(4)的开度,通过改变排气流速可以将过滤体(6)再生温度控制在允许范围内时,微粒燃烧靠流速进行控制;但当比例旁通阀(2)关闭,比例流通阀(4)全开时,即气流速度最大时也难以控制过滤体(6)温度持续上升的话,则进行控制模式的转换,由流速控制燃烧转换为氧气量控制燃烧,此时比例旁通阀(2)全开,比例流通阀(4)减小到5%开度或完全关闭,通过减小氧气量以控制微粒的燃烧速度;过滤体(6)温度降低到允许范围内后,再次进行控制模式转换,由氧气量控制燃烧逐步过渡到由流速控制燃烧。
3.一种基于排气流速的柴油机微粒捕捉器电加热再生的控制方法的系统,其特征是,比例旁通阀(2)安装在排气管(8)上引出的用于分流排气的排气支管(3)上;比例流通阀(4)安装在排气管(8)上,位于排气支管(3)和过滤体(6)之间;在过滤体(6)前安装有电热丝(7);在过滤体轴线上均布有检测过滤体(6)温度的热电偶(5)。
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