一种优化流场的DPF再生系统及控制方法与流程

本发明属于柴油机尾气后处理技术领域，具体地，涉及一种优化流场的dpf再生系统及控制方法。

背景技术：

相较于汽油机，柴油机的燃油经济性更好，热效率高，输出单位功率所排放的co2量更小，但其排气成分复杂，尤其是nox及颗粒物(particulatematter，pm)的排放量较大。pm排放会严重影响柴油机辅助系统的正常运转，如造成egr系统堵塞，dpf阻塞，从而导致排气背压增大，燃油消耗增加等问题。同时，pm对人体也会造成严重的危害。pm中含有多种有机可溶性成分(solubleorganicfraction，sof)及多环芳香烃(polycyclicaromatichydrocarbons，pahs)，如苯并芘等，具有极强的毒性，会对人体心脏、呼吸系统造成破坏，已被美国环保署(environmentalprotectionagency,epa)列为致癌物质之一。欧盟最新的排放法规对pm的质量排放和数量排放都进行了限制。为满足日益严格的排放法规，柴油机微粒捕集器(dieselparticularfilter，dpf)技术应运而生。目前，该技术被认为是处理pm排放最为有效的手段，过滤效率可达到90％以上。

dpf通常采用壁流式滤芯结构，在过滤层相邻的通道中，选择两端中的任意一端堵塞，从而强迫废气通过多孔壁面，实现对pm的捕集。但是pm的积聚，会导致dpf阻塞，排气背压升高，油耗增加等后果。所以为提高dpf的实用性，需要开发简单高效的pm去除技术，实现dpf的再生。

传统的dpf再生技术有热再生技术、催化再生技术和连续再生技术。热再生技术将沉积在dpf中的pm进行燃烧，从而实现dpf的再生，如电加热再生，喷油助燃再生等。但是这类再生技术会产生650℃以上的高温，会对dpf载体造成较大的破坏，且能耗大，不是理想的再生技术。催化再生技术则是在燃油添加催化剂或dpf载体上涂覆催化剂，使得再生温度降低到200℃～400℃。但是这类再生方法存在催化剂失活和pm反应不充分等问题。连续再生技术利用催化剂将柴油机尾气中的no转化成no2，利用no2的强氧化性氧化pm，从而完成再生。但连续再生同样存在催化剂失活的问题，短期内不能达到该项技术的要求，难以得到推广应用。因此传统的再生技术均有一定的局限性，使用受到很大的限制。

低温等离子体(non-thermalplasma,ntp)技术在污染物处理领域具有效率高、处理范围广、能同时处理多种污染物等优势，成为目前内燃机尾气净化领域的研究热点，具有广阔的应用前景。ntp发生器通过对空气气源进行高压放电，产生o3、no2等强氧化性的活性物质。ntp再生dpf技术的实质是o3、no2等活性物质与dpf内沉积的pm发生复杂的化学反应，在远低于pm起燃温度的情况下实现pm的氧化分解，达到去除pm的目的。已有试验发现，将ntp活性气体向已积聚了较多pm的dpf中单独通入一定时间后可以取得良好的再生效果。相较而言，在柴油机工作过程中，ntp活性气体与排气混合通入dpf则再生效果较差。这是因为排气极大地降低了ntp活性气体的浓度，同时由于气体流动速度较快，导致反应不充分，所以dpf再生效率较低。

技术实现要素：

考虑到dpf的工作环境，排气的流动趋势为首先冲击滤芯的轴心部位，由于滤芯中部的流通阻力随着pm的积聚越来越多，流通阻力增强，排气逐渐向四周移动，至整个dpf滤芯全部堵塞。ntp注入后流动趋势与废气相同，首先净化中间部位，而随着中部的流通阻力越来越小，ntp会更倾向于从中部流出，这是导致ntp利用率降低的一个重要原因。同时，由于废气流通速度较快，ntp活性气体与pm的碰撞次数较少，也显著降低了ntp的利用率。针对上述问题，本发明提供一种优化流场的dpf再生系统及控制方法，通过配置整流叶轮以及励磁线圈以实现对流场的优化和控制，可有效提高ntp的利用率及dpf的再生效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种优化流场的dpf再生系统，其特征在于，包括dpf系统、ntp系统、控制模块，其中：

dpf系统包括整流叶轮、扩张腔、感生励磁线圈、可调频交变电源、dpf，整流叶轮布置于扩张腔中部，励磁线圈缠绕在dpf外壳上，由可调频交变电源供电，通过交变电流在dpf内产生感生电场；ntp系统的ntp喷嘴安装于排气管与扩张腔连接处上游；

所述控制模块分别与压差传感器、流速传感器连接，所述压差传感器有分别安装dpf上下游两侧定为两个压力传感器构成，用于实时监测dpf两端的压力差；流速传感器安装于ntp喷嘴上游侧，接近排气管轴心的位置，用于实时监测排气管里的流速；所述控制模块根据实时检测的dpf两端的压力差、排气管里的流速，以及内置的控制策略控制ntp系统、dpf系统的启停与工作状态。

优选地，所述扩张腔的扩张角为30°。

优选地，ntp系统的ntp喷嘴安装于排气管与扩张腔连接处上游5cm处。

权利要求1所述的dpf再生系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)首先定预先标定柴油机怠速工况下的排气流速c0，c>c0时即视为启动；标定清洁dpf在怠速工况下采集颗粒物半小时后前后端压力差p0；定义p0的500％为压差临界值p1；2500r/min时排气管中的排气流速为流速临界值c1；

(2)流量传感器实时监测排气管里的流速c，将数据传输至控制模块；压差传感器实时监测dpf两端的压力差p，将数据传输至控制模块；控制模块根据以下控制策略控制ntp系统、dpf系统的启停与工作状态，

a.当排气管里的流速c≥c0且p≥p0时，可调频交变电源与ntp系统同步启动，ntp系统、可调频交流电源及励磁线圈均进入低功率工作状态；ntp系统中供气泵向ntp发生器中供气，流量初定为5l/min，电源初定输出电压为17kv，放电频率为7khz；所述ntp系统产生的活性气体经ntp喷嘴加压后喷射入排气管道中，与排气一起进入dpf；可调频交变电源初始频率500hz，保持励磁线圈中电流为50ma，根据流速c以及ntp浓度v，设定可调频交变电源的交变频率，设定频率f＝kc/v+500，k为比例系数，低功率时k取1×10^-3，高功率时k取3×10^-3，c为以m/s为单位的流速值，v为以mol/l为单位的ntp浓度值；励磁线圈中不断变化的电流会在dpf内产生场强规律变化的磁场，进而产生以dpf轴线为轴的闭合曲线形状的感生电场，在感生电场的作用下，ntp中的带电粒子会出现绕dpf圆轴的圆周运动，提高了有限距离内ntp活性气体与颗粒物的接触次数；活性气体与排气在扩张腔以及整流叶轮的作用下，活性气体与废气充分混合，同时在dpf的径向方向均匀分布；

b.当压差传感器的压力p＞p1或流速c＞c1时，励磁线圈进入大功率工作状态，工作电流增加到200ma，频率变化形式与低功率状态相同；

c.当压差传感器的压力p＞p1且流速c＞c1时，则加大ntp系统的功率，即加大泵气量值10l/min、ntp发生器的放电电压提升至20kv，且至少保持15min；

d.当流速c<c0且压差传感器测得压差p>p0，则ntp系统、励磁线圈均处于大功率工作状态，可调频交流电源大功率运转10min后停止运转；

e.若c<c0且p<p0，则ntp系统、励磁线圈均停止运转。

优选地，所述控制策略中可调频交变电源输出频率及功率以排气流速为基础，结合压差传感器的数据进行调整，以流速越快，压差越大，则频率越快、功率越大，以保证活性气体实现更强的圆周运动。

本发明将整流叶轮布置于扩张腔中部，废气在整流叶轮的作用下，dpf入口处的流速沿径向方向大致相同，保证ntp可以对dpf各处均匀作用。励磁线圈缠绕在dpf外壳上，由可调频电源供电，通过交变电流在dpf内产生感生电场，ntp中的带电粒子在电场的作用下在轴向运动的基础上产生以轴为圆心的圆周运动，可以有效地增加活性气体与颗粒物的碰撞次数，即有效提高活性气体的利用率。

利用ntp系统产生的活性物质，能在远低于pm起燃温度的情况下对dpf系统进行再生；利用整流叶轮以及扩张腔可以促进流场沿dpf径向均匀分布，有利于ntp对pm均匀作用；感生电场增加了ntp活性气体与pm的碰撞次数，可有效提高活性气体分子的利用率。

此外，综合考虑整套系统的长度以及扩张角对气流的影响，选取扩张腔的扩张角为30°。ntp喷嘴安装于排气管与扩张腔连接处上游5cm处，保证ntp可以与排气充分混合，同时避免ntp活性气体由于时间过长导致失活。

附图说明

图1为加装dpf系统及ntp系统的示范性柴油机排气示意图。

图2为dpf系统结构示意图。

图3为ntp系统部分结构示意图。

图4为整流叶轮结构示意图。

图5为本发明是是是ntp再生dpf控制方法的示例性步骤示意图。

附图标记：

1-柴油机，2-进气歧管，3-空气滤清器，4-排气歧管，100-dpf系统，101-整流叶轮，102-扩张腔，103-励磁线圈，104-可调频电源，105-dpf，200-ntp系统，201-ntp喷嘴，202-ntp发生器，203-电源，204-供气泵，205-质量流量控制器，206-细铁丝网外电极，207-不锈钢管内电极，208-示波器，209-石英管，300-控制模块，301-压差传感器，302-流速传感器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的dpf再生系统，包括dpf系统100、ntp系统200及控制模块300；所述ntp系统、dpf系统及流速传感器302和压差传感器301均与控制模块300相连。

如图2所示，dpf系统100包括整流叶轮101、扩张腔102、励磁线圈103、可调频电源104、dpf滤芯105，所述整流叶轮101安装于扩张腔102中部，废气在整流叶轮(101)的作用下，dpf入口处的流速沿径向方向大致相同，保证ntp可以对dpf各处均匀作用。励磁线圈103缠绕于dpf外壳上，由可调频电源104供电。通过交变电流在dpf内产生感生电场，ntp中的带电粒子在电场的作用下在轴向运动的基础上产生以轴为圆心的圆周运动，可以有效地增加活性气体与颗粒物的碰撞次数，即有效提高活性气体的利用率。ntp喷嘴201设于扩张腔102与排气管道004接口上游5cm出，喷嘴中心应位于排气管轴心附近，使得活性气体与废气充分混合，同时避免活性气体长期暴露导致失活；所述喷嘴201上游侧靠近排气管轴心处安装流速传感器302，流速传感器(302)安装于ntp喷嘴(201)上游侧，接近排气管轴心的位置；将流速数据实时传输至控制模块300；dpf105上下游两侧各安装一个压力传感器，组成压差传感器301，与控制模块300相连。

如图3所示，ntp系统包含ntp喷嘴201、ntp发生器202、电源203、供气泵204、质量流量控制器205、细铁丝网外电极206、不锈钢管内电极207、示波器208、石英管209；所述供气泵204通过质量控制流量计205与ntp发生器202的进气口相连，出气口与喷嘴201相连；电源203分别与内电极207、外电极206相连，向其中供给交变电流；示波器208用以记录各个工况下电源203的放电情况；所述ntp发生器202采用水冷的冷却系统，采取与气流方向相反的流行形式，保证充分的冷却效果。

所述ntp发生器202依据介质阻挡放电的原理设计，主要工作部件为细铁丝网外电极206，不锈钢管内电极207、石英管209；外电极206包裹于石英管外壁，内电极207则与石英管209同轴放置，内电极207外壁与石英管209内壁保持4-5mm间隙，形成截面为环形的放电间隙，以外电极206所处段为放电区域；由供气泵204提供动力，质量流量控制器205精确控制流量，向放电间隙输送气流，在放电间隙内，由于电场的作用，气体被激发成为ntp活性气体并携带电荷，随后被喷嘴喷出，参与dpf再生。

图4所示是控制模块300执行示例性步骤示意图。

为避免外界气流扰动造成控制模块300对工况的误判，同时保证ntp有着较为良好的利用率，在控制模块300中首先预先设定柴油机001怠速工况下排气流速c0，c>c0时即视为启动；标定柴油机怠速工况下的排气流速c0，标定清洁dpf在怠速工况下采集颗粒物半小时后dpf两侧压力差p0；定义p0的500％为压差临界值p1；2500r/min时排气管中的排气流速为流速临界值c1。

当柴油机启动后，控制模块300与其相连的流速传感器302及压差传感器301启动。流量传感器302实时监测排气管里的流速c，将数据传输至控制模块300；压差传感器301实时监测dpf105两端的压力差p，将数据传输至控制模块300；控制模块300根据以下控制策略控制ntp系统、dpf系统的启停与工作状态。

a.当排气管里的流速c>c0且p>p0时，再生系统启动，可调频交变电源104与ntp系统200同步启动，ntp系统200、可调频交流电源104及励磁线圈103均进入低功率工作状态；ntp系统200中供气泵204向ntp发生器202中供气，流量初定为5l/min，电源203初定输出电压为17kv，放电频率为7khz；所述ntp系统200产生的活性气体经ntp喷嘴201加压后喷射入排气管道中，与排气一起进入dpf105；可调频交变电源104初始频率500hz，保持励磁线圈103中电流为50ma，根据流速c以及ntp浓度v，设定可调频交变电源104的交变频率，设定频率f＝kc/v+500，k为比例系数，低功率时k取1×10^-3，高功率时k取3×10^-3，c为以m/s为单位的流速值，v为以mol/l为单位的ntp浓度值；励磁线圈103中不断变化的电流会在dpf内产生场强规律变化的磁场，进而产生以dpf轴线为轴的闭合曲线形状的感生电场，在感生电场的作用下，ntp中的带电粒子会出现绕dpf105圆轴的圆周运动，提高了有限距离内ntp活性气体与颗粒物的接触次数；活性气体与排气在扩张腔102以及整流叶轮101的作用下，活性气体与废气充分混合，同时在dpf105的径向方向均匀分布；

b.当压差传感器301的压力p＞p1或流速c＞c1时，励磁线圈103进入大功率工作状态，工作电流增加到200ma，频率变化形式与低功率状态相同；

c.当压差传感器301的压力p＞p1且流速c＞c1时，则加大ntp系统200的功率，即加大泵气量值10l/min、ntp发生器202的放电电压提升至20kv，且至少保持15min；

d.当流速c<c0且压差传感器301测得压差p>p0，则ntp系统200、励磁线圈103均处于大功率工作状态，可调频交流电源104大功率运转10min后停止运转；

e.若c<c0且p<p0，则ntp系统200、励磁线圈103均停止运转。

所述控制策略中可调频交变电源104输出频率及功率以排气流速为基础，结合压差传感器301的数据进行调整，以流速越快，压差越大，则频率越快、功率越大，以保证活性气体实现更强的圆周运动。

由图4所示示例性步骤流程可知，为了达到较好的ntp利用效率，减少排气流速过快造成的影响，采取均匀流场以及增强圆周运动的策略。同时考虑能量利用效率，针对dpf不同的状态，采用ntp系统及励磁线圈工作状态分级的策略。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。