柴油机颗粒补集系统的再生方法与流程

文档序号:11111054
柴油机颗粒补集系统的再生方法与制造工艺

本发明涉及一种柴油机尾气净化方法,尤其是一种柴油机颗粒补集系统的再生方法,属于柴油机后处理控制技术领域。



背景技术:

柴油机尾气污染物主要有两种成分,颗粒物和氮氧化物。颗粒补集器能够将尾气中的颗粒物过滤掉,从而大大减少颗粒物向大气中的排放。因此柴油机在选择用颗粒补集器作为后处理系统时,往往会同时采用废气再循环系统,在汽缸内通过多次喷射有优化燃烧、减少柴油机原机的氮氧化物,与此同时增加的颗粒物用后处理系统进行补集。保证柴油机最终向大气排放的尾气中颗粒物和氮氧化物的排放量在法规规定的范围内。

颗粒补集器作为柴油机后处理净化装置时,通常需要在前端安装一个氧化催化器。氧化催化器主要作用是氧化尾气中多余的柴油,将其出口温度提升到有利于颗粒补集器再生的温度范围。同时,氧化催化器能够将柴油机排放的部分一氧化氮转化为二氧化氮,为颗粒补集器的被动再生创造条件。

颗粒补集系统实时监测颗粒补集量,当发现补集量超过规定的阈值时,会触发再生请求。为了完成一次完整的颗粒补集器再生过程,首先需要通过调节柴油机每循环的新鲜空气量或者增加近后喷的同时推迟主喷射这两种方法的一种或者两种,将氧化催化器的入口温度提高到其活性温度以上(通常是230℃),即再生第一阶段。然后利用远后喷或者碳氢喷嘴,往氧化催化器内喷射一定量的柴油,使得氧化催化器的出口温度达到颗粒补集器能够进行主动再生的温度(通常是650℃),此为再生第二阶段。再生过程中,将颗粒补集器载体温度控制在适宜再生的温度下(通常是650℃~800℃),直到补集的颗粒物剩余量低于一定程度,一次成功的主动再生才算完成,此为再生第三阶段。

上述颗粒补集器的再生方法为现有文献和专利中公认的方法,也是最有效的再生方法。

然而,上述方法存在以下几个问题。首先在再生第一阶段温度调节过程中,调节每缸新鲜空气量可能会导致车辆动力性的降低,增加近后喷后推迟主喷射会导致油耗增加的同时还是产生一定的扭矩波动。其次,每一次升温都伴随着油耗的升高,如果车辆再生频率过高,很明显车辆的经济性不会理想。但是如果再生频率不满足要求,这就会导致每次进行主动再生时,颗粒补集器内补集的颗粒量已经累计到了相当多的程度,这就会使得在再生第三阶段颗粒物燃烧时候过于剧烈,温度超出允许的警戒温度,尤其是再生过程中车辆从高转速大负荷工况直接进入低转速低负荷工况(怠速),这将使得颗粒补集器里面的燃烧温度大幅上升,很有可能会对颗粒补集器的使用寿命造成影响,甚至直接将颗粒补集器载体烧熔。

因此,利用单一的主动再生方法并不能有效解决再生频率和整车油耗的冲突。

为此,也有专利对优化再生方式做了一定研究。

中国专利CN1514906A和CN1289800C中公开了连续再生型柴油粒子过滤装置的再生控制方法,两篇专利所述方法类似。该方法把过滤器的堵塞状态分为不少于3阶段的堵塞阶段进行判断。当过滤器的堵塞状态处于第一阶段时,不进行再生模式;当过滤器的堵塞状态处于第二阶段时,仅当再生控制用的温度指标超过预定的氧化触媒活性温度时,进行仅有后喷射的再生模式;当过滤器的堵塞状态处于第三阶段时,检查再生控制用指标温度,当指标温度低于氧化触媒活性温度时,进行不包括后喷射的排气升温控制,当上述再生控制用温度指标高于氧化触媒活性温度时,进行伴随后喷射的再生控制模式。然而,利用该方法指导颗粒补集器的再生具有相当大的局限性。首先上述专利触发优化再生的条件过于苛刻,必须要“仅当再生控制用的温度指标超过预定的氧化触媒活性温度时,进行仅有后喷射的再生模式”,而车辆在运行过程中,很多时候相关的温度指标并不能满足上述优化再生的要求,这就限制了优化再生的利用率。其次,上述发明方法并没有从安全角度考虑颗粒补集器的再生过程。有很多车辆在实际运行过程中,每次驾驶循环的工况或者运行时间都不能满足一次完整的主动再生过程,这将导致颗粒补集器内部的颗粒物越积越多,最后影响到车辆的性能。



技术实现要素:

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足,提供一种柴油机颗粒补集系统的再生方法,能够有效解决再生频率和整车油耗之间的矛盾,同时兼顾了种种极端情况的发生,保证安装有颗粒补集系统的柴油车辆在使用过程中能够安全运行。

按照本发明提供的技术方案,所述柴油机颗粒补集系统的再生方法,该颗粒补集系统包括颗粒补集器和氧化催化器;所述颗粒补集器补集柴油机排放的颗粒量,当颗粒补集量百分比达到阈值时进行再生去除;其特征是:所述颗粒补集器的再生方式包括主动再生、自发热再生和被动再生;当颗粒补集器的载体温度和颗粒补集量百分比满足相应阈值时,进行相应的再生方式。

进一步的,当颗粒补集量百分比达到主动再生的颗粒补集量百分比阈值时,触发主动再生方式。

进一步的,当柴油机尾气温度达到自发热再生的温度阈值,同时颗粒补集量百分比达到自发热再生的颗粒补集量百分比阈值,则触发自发热再生方式。

进一步的,所述自发热再生的温度阈值为小于或等于颗粒补集器载体持续进行主动再生的温度下限值。

进一步的,当颗粒补集器的载体温度达到被动再生的温度阈值范围,同时颗粒补集量百分比达到达到被动再生阈值,则触发被动再生方式。

进一步的,所述被动再生温度阈值范围由颗粒补集器载体持续进行被动再生的温度范围确定;所述被动再生温度阈值范围的上限值大于或等于颗粒补集器载体持续进行被动再生的温度上限值,被动再生温度阈值范围的下限值小于或等于颗粒补集器载体持续进行被动再生的温度下限值。

进一步的,当颗粒补集量百分比超出警告阈值时,则触发再生警示。

进一步的,当颗粒补集量百分比超过最大补集量百分比时,则进行手动再生。

本发明所述柴油机颗粒补集系统的再生方法,能够有效解决再生频率和整车油耗这对矛盾,同时兼顾了种种极端情况的发生,保证安装有颗粒补集系统的柴油车辆在使用过程中能够安全运行。

附图说明

图1是装备有颗粒补集系统的柴油机后处理布置图。

图2是颗粒补集系统布置图。

图3是颗粒补集系统再生方式示意图。

图4是颗粒补集系统主动再生示意图。

图5是颗粒补集系统自发热再生示意图。

图6是颗粒补集系统被动再生示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示,为装备有颗粒补集系统的柴油机后处理装置,是本发明所述柴油机颗粒补集系统的再生方法的典型运用结构图。柴油机1在尾气后处理系统上安装有颗粒补集器2以及氧化催化器3。所述颗粒补集器2的主要作用是补集柴油机排放的颗粒量,当补集量达到一定程度以后,进行再生活动,将补集的颗粒物燃烧掉,如此反复使用,以降低颗粒排放物对大气的污染。颗粒补集器2的再生方式有主动再生和被动再生两种。主动再生是指颗粒补集器2里面的颗粒与氧气发生氧化反应的过程,将补集的颗粒转化为二氧化碳排放到大气中。被动再生是颗粒和废气中的二氧化氮反应,将补集到的颗粒物转化为二氧化碳和一氧化氮的过程。主动再生和被动再生对颗粒补集器2的载体温度有严格要求。主动再生过程中,颗粒补集器2的载体温度一般会控制在600~800℃之间。温度太低,载体上的颗粒将不会被氧气燃烧,温度太高,则会降低载体的使用寿命或者直接将载体烧毁。被动再生过程中,颗粒补集器2的载体温度在350℃左右,二氧化氮将会和补集的颗粒自发进行氧化反应。被动再生过程比较缓慢,但并不消耗燃油,如果车辆能够长时间保持在被动再生合适的工况,那么颗粒补集器2的补集颗粒量能够控制在一定程度下,大大降低由于再生引起的油耗恶化的情况。

所述氧化催化器3的主要作用是当入口温度达到其活性温度(一般是230℃)后,通过氧化尾气中的柴油进一步提升尾气温度,以便颗粒补集器2能够完成再生。同时氧化催化器3还能够将柴油机排放的一氧化氮转化为二氧化氮,为颗粒补集器2的被动再生创造条件。

颗粒补集器2的再生升温开始阶段,需要对柴油机每循环引入的新鲜空气量进行调节。在进气系统中,为了调节柴油机运行过程中所需要的进气量,安装有排气节流阀5和带冷却系统的废气再循环系统(废气再循环系统包括EGR阀6)。新鲜空气在进气管道中,由可变增压器4调节压力后,通过节流阀5与冷却后的废气混合进入柴油机1的燃烧室。

柴油机电控系统ECU7主要负责按照驾驶员的需求,控制柴油机1的进气量、每循环喷射油量以及喷射正时,同时保证车辆在运行过程中的尾气污染物排放量能够在法规规定的范围之内。同时,柴油机电控系统ECU7会实时监控颗粒补集器2的颗粒装载状态,当检测到补集量和尾气温度满足特定条件时,进行再生请求。此时柴油机电控系统ECU7通过调整柴油机1的气路和油路,为颗粒补集器2的再生创造条件。当颗粒补集器2成功再生或者再生被迫中断之后,柴油机电控系统ECU7将协调柴油机1的气路和油路,进入传统的非再生工作模式。

如图2所示,为颗粒补集系统的示意图。尾气入口端安装有氧化催化器3,其主要作用是配合柴油机电控系统ECU7的再生请求,当尾气温度达到氧化催化器3的活性温度(一般是230℃左右)以上后,利用尾气中残余的柴油,对尾气进行强制升温,当尾气温度达到颗粒补集器2的再生允许温度(一般是650℃左右)后,颗粒补集器2将会进入主动再生阶段。

如图2所示,颗粒补集系统的排气管上安装的第一温度传感器10作用是测量氧化催化器3入口温度。当废气温度低于氧化催化器的活性温度时,如果此时往尾气中喷射柴油,柴油将不会在氧化催化器3中氧化,反而会以“白烟”的形式直接排放到大气中,形成更大的污染。因此,为了保证氧化催化器3能够把尾气温度提升到再生温度,氧化催化器3的入口温度必须高于其活性温度。将尾气温度提高到氧化催化器3的活性温度采取的措施主要有两种,一种是进气调节,一种是喷油调节。进气调节是指通过调节EGR阀6、排气节流阀5和可变增压器4来改变柴油机1每缸的新鲜空气进气量。喷油调节是指增加近后喷,在柴油燃烧结束前增加一部分燃油以增加柴油的燃烧时间,以此来提高尾气的温度,同时为了降低柴油机的扭矩输出波动,在增加近后喷的同时需要推迟主喷射。上述两种方法从节油的考虑优先选用进气调节,但是进气调节会影响柴油机的动力性,因此进气调节到一定程度之后如果温度仍然达不到要求则会采取喷油调节措施。再生过程中,将尾气温度提升到氧化催化器3活性温度阶段被称为再生第一阶段。

如图2所示,颗粒补集系统的排气管上安装的第二温度传感器11作用是测量氧化催化器3出口温度。颗粒补集器主动再生第一阶段结束之后,氧化催化器3的入口温度已经提升到活性温度以上了,此时需往尾气中喷射额外的柴油,柴油在氧化催化器3中进行氧化放热反应,使氧化催化器3的出口温度进一步提升到颗粒补集器2的再生温度(一般是650℃左右)。有两种方式可以实现往尾气中喷射额外的柴油,一种是在气缸内以远后喷的方式,在活塞的排气行程将未燃的柴油排放到尾气管中,另一种是在排气管路上安装碳氢喷嘴,在需要的时刻直接往排气管中喷射所需的柴油。再生过程中,将氧化催化器3的出口温度提升到颗粒补集器2再生温度的阶段被称为再生第二阶段。

如图2所示,颗粒补集系统的排气管上安装的第三温度传感器8作用是测量颗粒补集器2的出口温度。再生过程中,如果颗粒补集器2的内部温度超过一定范围以后,颗粒补集器2的载体将会发生由于温度过高而降低其使用寿命的情况,或者直接烧熔破损。因此,再生过程中,必须严格控制颗粒补集器2的载体温度在合适的温度范围内。第三温度传感器8的采样温度是用来估算颗粒补集器2载体内部温度的重要条件,或者直接作为颗粒补集器2载体内部的替代温度。再生过程中,颗粒补集器2内补集的颗粒物燃烧的过程被称为再生第三阶段。

如图2所示,颗粒补集系统的排气管上安装的压差传感器9作用是采集颗粒补集器2的前后压差。在大多数工况下,柴油机电控系统ECU7根据采样得到的压差信号作为估算颗粒补集器2的颗粒补集量的重要依据。

如图3所示,为颗粒补集系统的再生方式示意图。横坐标为颗粒补集器2的补集量百分比,最大范围120%是为了留有一定余量;纵坐标为颗粒补集器2的载体温度(即颗粒补集器2的再生温度)。这两个量是确定颗粒补集器2再生请求和再生持续的最重要的指标。颗粒补集器2的颗粒补集量百分比和再生温度将控制区域分为:A区域(主动再生区域)、B区域(自发热再生区域)、C区域(被动再生区域)、D区域(警告再生区域)、E区域(故障区域)五大部分。A区域为主动再生区域,为传统模式下最常用的再生方式。B区域为自发热再生区域,当尾气温度自发达到或接近颗粒补集器2的热再生温度时,颗粒补集器2将会自动进入热再生阶段。C区域为被动再生区域,颗粒补集器2的载体温度满足被动再生条件时,颗粒将被二氧化氮氧化,进行被动再生过程。D区域为警告再生区域,当车辆长时间不满足再生条件,而颗粒补集器2的补集量已经到了临界警告阈值时,将会触发再生警示,提醒驾驶员配合颗粒补集器2进行主动再生过程。E区域为故障区域,当颗粒补集器2的补集量超过100%以后,则认为对车辆的性能有了较大程度的损坏,将进入跛足维修的状态,直至颗粒补集器2在专业维修人员的操作下,进行完整的手动再生。

下面对上述五个再生区域的划分原理和优势进行详细说明。

如图4所示,为A区域主动再生过程的示意图。上半部分为颗粒补集器2的载体温度示意图,Ta0为氧化催化器3载体活性温度阈值,Ta1为颗粒补集器2主动再生温度阈值。下半部分为颗粒补集器2补集量百分比示意图。Xa为颗粒补集器2的补集量触发主动再生的阈值。车辆在运行过程中,颗粒补集器2对柴油机排放的颗粒进行补集,即a0阶段。当柴油机电控系统ECU7检测到颗粒补集器2的补集量已经到达再生阈值Xa时,会触发再生请求,将柴油机1的工作模式切换为再生模式。为了给颗粒补集器2创造再生条件,在再生第一阶段即a1阶段,柴油机电控系统ECU7通过调节每缸新鲜空气的进气量或者增加近后喷的同时推迟主喷射这两种措施的一种或者两种,将氧化催化器3的入口温度提升到氧化催化器3的活性温度Ta0范围内。调节过后,当氧化催化器3的入口温度满足要求之后,颗粒补集器2的再生过程将进入再生第二阶段。再生第二阶段即a2阶段,氧化催化器3与尾气中剩余的柴油反应,继续提升尾气温度,直到颗粒补集器2的载体温度达到颗粒的燃烧温度(颗粒补集器2主动再生温度阈值Ta1)。尾气中剩余的柴油可以通过远后喷方式或者在排气管上安装碳氢喷嘴的方式获取。在主动再生第三阶段即a3阶段,此时颗粒补集器2补集的颗粒物与氧气发生剧烈的氧化反应,颗粒的补集量快速减少,直到再生完成进入下一次补集周期。

主动再生方式为传统颗粒补集器2的再生方式中最常用的一种再生方法。在a1阶段需要调节进气量或者增加近后喷的同时推迟主喷射,会对车辆的动力性和油耗产生一定的影响。在a2阶段需要增加远后喷或者碳氢喷嘴喷射柴油的方式,对颗粒补集器2进行大幅升温过程,这对油耗也有较大影响。在再生过程的a3阶段,为了保持颗粒补集器2的载体温度能够在一定范围内工作,需要持续对尾气中喷射柴油,也会增加一定的油耗。颗粒补集量百分比阈值Xa的标定也大有讲究,如果Xa选择过小,将会使得颗粒补集器2的再生频率过高,导致整车油耗大大增加;如果Xa选择过大,则会使得再生过程中载体最大温度难以控制,增加温度超高后损坏载体的风险。因此,为了平衡再生过程中油耗和再生频率之间的矛盾,本发明提出了增加两种优化的再生方式,即B区域的自发热再生和C区域的被动再生方式。优化后的颗粒补集器2的再生控制方法能够在降低再生油耗的前提下,控制主动再生的频率。

如图5所示,为B区域自发热再生的示意图。上半部分为颗粒补集器2载体温度曲线,Tb1为颗粒补集器2载体主动再生适宜温度(一般是650℃)。Tb0为接近Tb1的温度曲线(接近650℃或达到650℃,一般为600~650℃,根据载体能够进行进行主动再生的温度确定),Tb0作为触发自发热再生的温度阈值。下半部分为颗粒补集器2补集量百分比示意曲线,Xb为触发自发热再生的颗粒补集量百分比阈值。某些车辆如果经常运行于高速高负荷工况下,那么柴油机的尾气排温势必会比较高,甚至可能会出现不采取任何升温措施,颗粒补集器2的载体温度就已经达到了热再生的温度情况,此时补集的颗粒将会自动被氧气氧化,减少颗粒补集器的负载量。这种情况是最理想的情况,但实际车辆运行过程中,经常会出现颗粒补集器2载体温度虽然比较高,但是达不到热再生的情况,此时,如果颗粒补集量已经超过一定程度,仅需要对氧化催化器3少量喷油,就能够使得颗粒补集器2的载体温度满足热再生的条件,从而自发的进行再生动作。

对于经常跑高速高负荷的车辆,颗粒补集器2的载体温度很容易就达到了标定阈值Tb0,如图5所示b0阶段,但此时的颗粒补集量百分比还没有满足自发热再生的要求,因此没有触发自发热再生的请求。直到颗粒补集器2的载体温度和补集量百分比都满足了标定阈值时,即b1阶段,此时仅需要通过少量喷油,就能够将颗粒补集器2的载体温度提升到热再生适宜温度,进行热再生动作,即图5所示b2阶段。因此,增加少量后喷或者碳氢喷嘴喷射少量柴油就能够将颗粒补集器2带入热再生状态。相比于区域A的主动再生过程来讲,区域B的自发热再生过程不需要经历主动再生第一阶段,这就使得保证颗粒补集器2能够进行热再生的前提下,减少了油耗,同时也不会产生车辆动力性的损失和扭矩的波动。图5所示b3阶段为颗粒补集器2的热再生过程。

如图6所示,为C区域被动再生的示意图。上半部分为颗粒补集器2载体温度曲线。Tc1为颗粒补集器2载体被动再生合适的温度(一般是300~350℃)。Tc0和Tc2为触发被动再生的温度范围(根据颗粒补集器载体被动再生的合适温度进行确定,具体如,当颗粒补集器载体被动再生的合适温度为300~350℃,一般触发被动再生的温度范围可以设置为270~370℃)。下半部分为颗粒补集器2的补集量百分比示意曲线。车辆在运行过程中,由于工况的变化,颗粒补集器2的载体温度偶尔会达到或接近被动再生的温度Tc1,此时如果对发动机运行模式做微量调整,将会大大持续颗粒补集器2在被动再生温度范围的持续时间,这就使得被补集的颗粒能够和尾气中的二氧化氮进行氧化反应,除去颗粒补集器2中颗粒物的积累。

当车辆运行过程中,柴油机电控系统ECU7检测到颗粒补集器2的载体温度接近被动再生合适温度范围附近时,即Tc0到Tc2之间,而此时的颗粒补集量也达到了再生触发请求阈值Xc,即图6所示c0阶段。此时,仅需要对柴油机工作模式做微量调整,就能够使得颗粒补集器2的载体温度维持在被动再生所需要的温度。在被动再生持续过程中,颗粒补集量持续减少,如图6所示c1阶段。由于被动再生并不需要柴油的介入,因此在除去颗粒物的同时,对油耗并没有额外的要求,所以能够降低整车的燃油消耗。

区域D为警告再生区域,作为上述三种再生方式的补充。有些车辆在实际使用过程中,很难满足再生第一阶段的温度需求,或者说每次驾驶循环持续时间非常短,根本不能够进行一次完整的再生过程。这就导致颗粒排放物在颗粒补集器2里面越积越多,如果不采取额外的警示措施,最终将导致车辆性能的下降甚至完全损坏。因此,当颗粒补集器2的颗粒补集量百分比超过一定阈值之后,比方说90%,此时应该用警示灯的方式提醒驾驶员颗粒补集器2需要立刻进行再生。驾驶员收到警示之后,为颗粒补集器2创造再生条件,保证颗粒补集系统和车辆系统正常运行。

然而存在一种极端的情况,当柴油机电控系统ECU7发出了颗粒补集器2的再生警告之后,驾驶员并没有采取相应措施保证后处理系统完成一次主动再生,这就将导致颗粒补集器2的补集量百分比持续增大,直到超过允许规定的最大补集量百分比,通常是100%。这个时候如果再自动执行主动再生,颗粒补集器2的载体最大温度有可能会超过允许的极限温度,因此只能由专业维修人员进行手动再生过程。故障区域E就是为了满足上述极端情况而设定的。当颗粒补集器2的颗粒补集量百分比达到故障区域E内时,此时对车辆运行将执行跛足维修功能,柴油机运行的最大扭矩和最大转速都将会被限制,强制驾驶员到专业维修部门进行后处理系统的维修。

上述5个区域以A区域主动再生为主,B区域自发热再生和C区域的被动再生为辅,D区域警告再生和E区域的故障区域为保障,构成了完整的颗粒补集器2再生控制方法。

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