CN102678238A

CN102678238A - 一种发动机排放控制***及控制方法

Info

Publication number: CN102678238A
Application number: CN2012101569078A
Authority: CN
Inventors: 蔡忆昔; 韩文赫; 李小华; 王军; 张琳; 李康华; 江飞; 董淼; 施蕴曦; 韦星
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-05-21
Also published as: CN102678238B

Abstract

本发明涉及低温等离子体喷射***余热辅助离线再生柴油机颗粒捕集器（DPF）的策略。具体地，提供了一种DPF再生***，包括低温等离子体喷射***和控制模块。该策略选择性的利用柴油机排气余热和电加热使DPF达到再生温度。控制模块基于DPF前后端压差信号、DPF下游表征温度和柴油机启动与停机信号选择性的启动电加热器和低温等离子体喷射***，再生过程是在柴油机停机状态下进行。低温等离子体喷射***启动后，将生成的活性物质喷入DPF前端，实现DPF的再生。

Description

一种发动机排放控制***及控制方法

技术领域

本发明属于柴油机后处理领域，更具体地，涉及一种柴油机颗粒捕集器（DPF）的再生方法。

背景技术

在此提供的背景技术的描述意在概括展现本公开内容的全貌。当前所称发明人的工作以及本说明书中在提交之时可能并不被认为是现有技术的各方面，既不被明确视为也不不被暗示为破坏本公开内容的现有技术。

与汽油机相比，柴油机具有结构紧凑、热效率高等优点，在车用动力领域的应用范围不断扩大。柴油机有害排放污染物控制的重点是颗粒物（Particulate Matters, PM）和氮氧化物（Nitrogen Oxides， NOx）。近年来，机动车污染物排放法规不断严格，传统的机内净化技术难以满足其要求，必须加装后处理技术。目前普遍采用柴油机颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）将柴油机排气中的PM滤除。使用一段时间后，DPF上积累的PM不断增多，会造成柴油机排气背压增大、油耗增加、柴油机性能下降等后果，需要采用一种称为“再生”的方法将DPF上的PM除去。

再生方式分为主动再生和被动再生。主动再生是通过外部注入能量提高DPF的温度，使得DPF上沉积的PM通过燃烧脱除，常见的有电加热再生、微波再生，喷油燃烧再生；被动再生是指调整发动机的运行参数，提高柴油机排气温度，实现DPF的再生，常见的包括使用燃油添加剂、加装催化剂等方式降低再生启动温度从而实现DPF再生。当DPF中PM积累过多时，主动再生过程中PM燃烧会产生大量热量，容易造成DPF局部温度过高而烧毁，引发DPF破坏失效。加装催化剂的被动式连续再生，虽然降低了PM的氧化温度，但是催化剂活性温度窗口较窄，且催化剂对硫元素较敏感、易发生硫中毒，对燃油品质要求较高。中国专利CN 101283169在装备第1连续再生式DPF柴油机的排气通道中设置旁通通道、设置小容量的第2连续再生式DPF。当排气温度较低时，利用“预混合压缩自点燃燃烧方式（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）”的燃烧方式降低PM排放，利用第2连续再生式DPF去除PM。由于第2连续再生式DPF里排气口较近且容积小，因此温度可以较快的达到催化剂活性范围，加之此时生成PM量较少，故可以取得较好的控制效果。但该方法对燃油喷射规律的精确控制要求较高，增加了后处理***的复杂性。

低温等离子体技术(Non-thermal Plasma，NTP) 是一种新型的工业去污手段，其产生的多种中间态高能粒子可使常规状况下很难实现的化学反应得以启动。目前已有的利用NTP降低柴油机排放污染物技术主要是将NTP发生器直接串联于柴油机排气通道，对各种排放污染物进行处理。但由于NTP发生器工作环境恶劣，颗粒物沉积容易造成放电不稳定、阻塞失效等问题。文献《温度对NTP喷射***处理柴油机模拟排气的影响》（文章编号：1000-0925（2011）04-0007-05）提出了用NTP喷射技术处理柴油机模拟排气的影响，主要考察了模拟排气中NOx，CO、CO₂、HC的浓度变化关系。但该应用并未对排气中的PM提供去除方法。文献《低温等离子体喷射***降低排放及再生DPF的试验研究》（文章编号：1001-2222（2010）03-0079-04）提出了用低温等离子体在柴油机运转过程中在线再生DPF的方法。但由于柴油机运转过程中工况变化复杂，NTP喷射***在线连续再生时，NTP流量和柴油机排气流量相比较小，大部分的活性物质被排气管中的废气消耗，无法集中作用于DPF上的PM。

发明内容

本发明解决的技术问题是利用柴油机排气余热和选择性的电加热使DPF达到再生温度，利用NTP实现了柴油机DPF的低温再生，从而避免喷油燃烧再生可能引起的DPF烧损或连续再生存在的催化剂中毒等弊端。

一种发动机排放控制***，用于实现柴油机DPF的再生，包括NTP喷射***(107)和控制模块。NTP喷射***包括供气风机、NTP发生器、逆变升压器、喷射管路、喷嘴、压差传感器和温度传感器。供气风机出口端与NTP发生器进口端相连，NTP发生器出口端和喷嘴之间通过喷射管路连接。喷嘴为一个直角弯管，通过螺纹连接固定于DPF上游的管壁上。供气风机供电端子与车载电源相连，供电风机供电触发端子与控制模块相连，在接收到触发信号后为NTP发生器供气。逆变升压器输入端与车载电源连接，输出端与NTP发生器连接，逆变升压器的控制端与控制模块相连，即逆变升压器将车载电源转化为交流电并升压后在控制模块的控制下对NTP发生器进行供电。温度传感器布置于DPF下游，并紧靠DPF，压差传感器安装于DPF组件中。温度传感器和压差传感器与控制模块的输入端子连接，将温度信号和压差信号传输给控制模块。

所述NTP发生器为介质阻挡放电型，外电极采用金属薄膜，紧贴于阻挡介质，阻挡介质采用石英管制成，内电极采用不锈钢管制成。内电极和阻挡介质之间形成放电间隙，空气流经放电间隙时反生放电，形成NTP。

一种发动机排放控制方法，利用排气余热和电加热器使柴油机DPF达到再生温度；利用NTP发生器产生NTP并将产生的NTP活性物质喷射到柴油机DPF前端，用以再生柴油机DPF；利用压差传感器确定柴油机DPF前后端压差；利用温度传感器测量排放***中柴油机DPF下游的表征温度，并以此衡量DPF内部温度；当控制模块检测到柴油机停机信号、DPF前后端压差超过压差阈值、DPF下游表征温度超过预设的临界温度同时满足时，启动NTP喷射***。压差阈值、再生目标压差和临界温度的数值预先通过标定实验确定，并存储于控制模块中。

当所述柴油机DPF前后端压差小于或等于再生目标压差时， NTP喷射***停止工作。当柴油机DPF下游表征温度小于预设临界温度时，启动供气风机和电加热器，对所述柴油机DPF进行加热。当表征温度达到预设临界温度时，关闭电加热器并保持供气风机运行，同时启动NTP发生器。控制模块未检测到柴油机停机信号之前，即柴油机运转时，控制模块不断通过压差传感器获取DPF前后端压差；在执行加热或再生过程中，控制模块若检测柴油机启动信号，立刻停止当前程序，控制过程转入柴油机运转时的步骤。

本发明的有益效果是：在低于柴油机排放颗粒物的起燃温度下，低温等离子体可将柴油机排放颗粒物氧化脱除，基于这一性质本发明利用低温等离子体实现了柴油机颗粒捕集器的低温再生（再生温度一般只有电加热再生的一半左右），电加热仅用来辅助排气余热使颗粒捕集器达到所述的较低的再生温度。本公开内容可避免电加热再生、喷油再生引起的颗粒捕集器局部温度过高导致烧损弊端，也可避免连续再生技术在柴油硫含量较高时发生硫中毒的弊端。

附图说明

通过详细描述和附图，本公开内容将得到更为详尽的理解。

图1是根据本公开内容的原理的装载NTP余热辅助再生***的示范性柴油发动机***的示意图。

图2是根据本公开内容的原理的产生气体放电NTP发生器的原理示意图。

图3是根据本公开内容的原理的柴油机DPF组件的示例性剖面图。

图4是根据本公开内容的原理的描述由排放控制***执行的示例性步骤示意图。

附图标记：

100：示例性车辆 101：柴油机*** 102：柴油机

103：排气*** 104：排气歧管 105：柴油机氧化催化

106：DPF组件 107：NTP喷射*** 108：控制模块

109：车载电源 1071：供气风机 1072：NTP发生器

1073：逆变升压器 1074：喷射管路 1075：喷嘴

1076：压差传感器 1077：温度传感器 201：外电极

202：内电极 203：阻挡介质 301：电加热器

302：DPF 401：确定ΔP 402：ΔP≥ΔP_c？

403：检测停车信号 404：是否有停车信号？ 405：检测表征温度T_a

406：T_a≥T_ac？ 407：启动供气风机和电加热器 408：启动NTP喷射***

409：再次T_a≥T_ac？ 410：关闭电加热器 411：ΔP≤ΔP_s？。

具体实施方式

以下描述实质上仅是示例性的，而非旨在限值本公开内容及其应用或用途。为清晰起见，附图中相同的附图标记将用于指示类似的元件。如用于此处，短语“A、B或C中至少一个”应被理解为意味着使用一个非排他性逻辑或的逻辑（A或B或C）。应该理解，在不改变本公开内容的精神的情况下，可以采用不同顺序来执行各步骤。

本说明中提到的术语“模块”是指专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器（共享的，专有的，或成组的）和存储器、组合逻辑电路、和/或其它提供所述功能的适用部件。

现参照图1，展示的是示例性车辆100的功能结构示意图。车辆100包括柴油机***101。柴油机***101仅作为示例，本公开内容的原理也可用于其它类型的柴油机***。

柴油机***101包括燃烧柴油燃料和空气混合物以产生动力的柴油机102。产生的排放物从柴油机102进入排气***103。排气***103包括排气歧管104、柴油机氧化催化剂（DOC）105、柴油机DPF组件106、NTP喷射***107、控制模块108。排气***103还可以包括能使部分排气再次进入柴油机102的排气再循环（EGR）组件和/或选择性催化还原（SCR）***（未显示）。

排放物从柴油机102经排气歧管104流入DOC105。举例而言，DOC105可以将碳氢化合物和/或碳氧化物的颗粒物部分氧化，DOC105也可以将排放物中的一氧化氮和二氧化氮的比例进行调整，以配合SCR的使用。剩余的颗粒物被DPF组件106过滤并在其中积聚。满足再生条件时，NTP喷射***107将通过称为再生的方法将DPF组件106上的颗粒物脱除。

NTP喷射***包括供气风机1071、NTP发生器1072、逆变升压器1073、喷射管路1074和喷嘴1075。再生启动时，供气风机1071将空气导入NTP发生器1072，逆变升压器1073集成了逆变电路和升压电路，将车载直流电源变为交流高频高压电源对NTP发生器进行供电。可以理解，此处采用高频交流方式供电仅作为示例用，还可以用其它供电方式为NTP发生器1072供电。例如，也可以采用高频脉冲电源对发生器供电。

具体地参照图2，展示的是NTP发生器1072的结构原理图。NTP发生器1072包括外电极201、内电极202、阻挡介质203。示例性地，外电极材质可采用厚0.5mm铜皮，内电极材质可采用316^＃不锈钢，内电极和阻挡介质203之间形成放电间隙。空气经由发生器一端进入放电间隙，生成活性物质（例如：O₃、NO₂、O^* ₂等）。可以理解，图2所示的发生器采用外电极覆盖介质结构，该结构仅作为示例用，也可以采用内电极覆盖介质结构或双电极覆盖介质结构。

现参照图3，展示的是柴油机DPF组件106的结构示意图。DPF组件106包括电加热器301和DPF302。具体地，DPF302可以采用包括由堇青石材料制成的多孔壁流式结构；控制模块根据压差传感器1076测量的DPF两端压差判断其是否达到预设的阈值；温度传感器1077离DPF302距离较近，其测量的温度和DPF302内部温度存在对应关系，方便起见，通过预先标定寻找到温度传感器1077的测量温度和DPF302内部温度的对应关系并采用温度传感器1077的测量温度表征DPF302内部温度，判断是否达到再生启动的阈值温度。

现参照图4，展示的是描述控制模块108执行示例性步骤的流程图。所述车辆一旦启动，则控制过程开始。在步骤401中，控制模块108首先根据压差传感器1076获取DPF302前后端的压差ΔP。柴油机不同工况下，能够接受的DPF前后端压差不同；在一个确定的工况下，存在一个可以接受最大压差，称之为压差阈值ΔP_c，预先通过标定实验确定的柴油机不同工况下的ΔP_c，并将其MAP数据存储在控制模块108中。

控制步骤进入402，控制模块根据柴油机运转工况调用对应的ΔP_c，并将ΔP与ΔP_c进行比较。如果ΔP大于ΔP_c，则控制步骤进入403，否则返回步骤401。在步骤403中，控制模块108检测停车信号。本再生策略为离线再生策略，在柴油机停止工作时运行，这样就避免了技术背景中论及的在线再生排气流量大、无法有效利用活性物质使其集中作用在DPF积炭上的问题。在步骤404中判断是否有停车信号，如果有，控制步骤进入405；否则返回403，待检测到停车信号后进入下一步。

在步骤405中，控制模块根据温度传感器1077的信号获取DPF302附近下游温度T_a。DPF304过滤排气过程中会受到排气的加热，沿排气流动方向存在温度梯度；T_a和DPF302内部平均温度存在对应关系。一般而言，DPF内部平均温度越高，T_a也相应越高。此处所谓的平均温度并非DPF内部温度场的整体精确平均温度，而是指在DPF中若干个按一定位置布置的温度传感器测量得到的温度的平均值，用以表征DPF内部温度。

NTP喷射***可以实现DPF的低温再生，假设在平均温度为T_i（例如T_i=250℃）时即可实现DPF的再生，则此时温度传感器1077会测出一个对应的T_a值，该值可称为临界指示温度T_ac。T_i和T_ac均可以在后处理***标定实验中获得。

控制模块获取T_a后，进入步骤406。在步骤406中，控制模块将T_a和T_ac进行对比。如果T_a≥T_ac，则控制步骤进入408，NTP喷射***运行，对DPF302进行再生。如果T_a＜T_ac，则控制步骤进入407。在步骤407中，控制模块发出指令，启动供气风机1071和电加热器301，电加热器301产生的热量在供气风机1071的作用下向下游传递，温度传感器1077测点的温度也会不断升高，在此过程中控制模块通过步骤409不断的再次比较T_a，T_ac。如果T_a≥T_ac，则进入控制步骤410，关闭电加热301，之后进入步骤408；如果T_a＜T_ac，则返回步骤407，对DPF302继续加热。

步骤408进行的同时，步骤411，即控制模块检测DPF302两端压差ΔP也在运行。由于该状态下柴油机停止工作，ΔP为供气风机1071以一定的流量向NTP喷射***供气时在DPF302两端产生的压差。假设再生达到预定要求时，DPF302在上述供气流量下临界压差为ΔP_s，则当ΔP≤ΔP_s时，再生过程结束，否则步骤转回408。

参照图4，虚线框内的每一个步骤在执行时，控制模块若接收到车辆启动信号，则当前执行步骤立刻停止，返回到开始步骤；控制模块没有接收到车辆启动信号时，方可继续执行；即车辆启动信号为虚线框内步骤的复位触发信号。

本领域的技术人员从上述的详细描述中易认识到，可以存在多种形式执行本公开内容的宽泛教示众。因此，虽然本公开内容包括了特定示例，但是本公开内容的真实范围并不受示例限值，因为技术人员在研究附图、说明书和所附权利要求书后会清楚了解其它改造。

Claims

1.一种发动机排放控制***，其特征在于，包括NTP喷射***(107)和控制模块(108)；NTP喷射***(107)包括供气风机（1071）、NTP发生器（1072）、逆变升压器（1073）、喷射管路（1074）、喷嘴（1075）、压差传感器（1076）和温度传感器（1077）；供气风机（1071）出口端通过管道与NTP发生器（1072）进口端相连，NTP发生器（1072）出口端和喷嘴（1075）之间通过喷射管路连接；喷嘴（1075）为一个直角弯管，通过螺纹连接固定于DPF（302）上游的管壁上；压差传感器（1076）安装于DPF组件（106）中；供气风机（1071）供电端子与车载电源（109）相连，供电风机（1071）供电触发端子与控制模块（108）相连，在接收到触发信号后为NTP发生器（1072）供气；逆变升压器（1073）输入端与车载电源（109）连接，输出端与NTP发生器（1072）连接，逆变升压器（1073）的控制端与控制模块（108）相连；温度传感器（1077）设置于DPF（302）下游，并紧靠DPF（302），温度传感器（1077）和压差传感器（1076）与控制模块（108）的输入端子连接，将温度信号和压差信号传输给控制模块（108）。

2.根据权利要求1所述的一种发动机排放控制***，其特征在于，所述NTP发生器（1072）为介质阻挡放电型，外电极（201）采用金属薄膜，紧贴于阻挡介质（203），阻挡介质（203）采用石英管制成，内电极（202）采用不锈钢管制成；内电极（202）和阻挡介质（203）之间形成放电间隙，空气流经放电间隙时反生放电，形成NTP。

3.采用权利要求1所述的一种发动机排放控制***的控制方法，其特征在于，利用排气余热和电加热器（301）使柴油机DPF（302）达到再生温度；利用NTP发生器（1072）产生NTP并将产生的NTP活性物质喷射到柴油机DPF（302）前端，用以再生柴油机DPF（302）；利用压差传感器（1076）确定柴油机DPF（302）内前后端压差；利用温度传感器（1077）测量排放***中柴油机DPF（302）下游的表征温度；当控制模块（108）检测到柴油机（102）停机信号、DPF（302）前后端压差超过压差阈值、DPF（302）下游表征温度超过预设的临界温度同时满足时，启动NTP喷射***（107）；压差阈值、再生目标压差和临界温度的数值预先通过标定实验确定，并存储于控制模块（108）中。

4.根据权利要求3所述的一种发动机排放控制方法，其特征在于，当所述柴油机DPF（302）前后端压差小于或等于再生目标压差时， NTP喷射***（107）停止工作。

5.根据权利要求3所述的一种发动机排放控制方法，其特征在于，当柴油机DPF（302）下游表征温度小于预设临界温度时，启动供气风机（1071）和电加热器（301），对所述柴油机DPF（302）进行加热。

6.根据权利要求3所述的一种发动机排放控制方法，其特征在于，当表征温度达到预设临界温度时，关闭电加热器（301）并保持供气风机（1071）运行，同时启动NTP发生器（1072）。

7.根据权利要求3所述的一种发动机排放控制方法，其特征在于，控制模块（108）未检测到柴油机（102）停机信号之前，即柴油机（102）运转时，控制模块（108）不断通过压差传感器（1076）获取DPF（302）前后端压差；在执行加热或再生过程中，控制模块（108）若检测柴油机（102）启动信号，立刻停止当前程序，控制过程转入柴油机（102）运转时的步骤。