一种基于NTP技术的尾气处理系统及控制方法与流程

本发明涉及柴油机的后处理领域，更具体地，涉及一种基于NTP技术的尾气处理系统及控制方法。

背景技术：

柴油机其因优良的动力性、经济性而被广泛用于交通运输和农用机械等领域。柴油机排气中的有害成分主要有一氧化碳(CO)、碳氢化物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(Particulate matter，PM)以及硫化物等。相较于汽油机，柴油机使用混合气的平均空燃比较大，故其CO及HC排放明显低于汽油机，但是柴油机NOx和PM的排放却较高。目前降低柴油机NOx常用的尾气后处理技术会导致PM排放增加，其增大了柴油机NOx和PM排放的控制难度。因此，寻求同时降低NOx和PM排放的方法成为柴油机排放控制技术研究中的一个重点工作。

目前，柴油机颗粒捕集器(DPF)是降低柴油机PM排放最有效的技术之一，捕集效率可达90％以上。但随着PM在DPF中的沉积，DPF会发生堵塞，造成排气背压升高，油耗增加，进而影响发动机的正常运行。

沸石对NOx有良好的吸附净化功能。天然沸石具有硅氧四面体和铝氧四面体形成的骨架结构，在空间上会形成丰富的晶穴和孔道，有很强的吸附能力。美国诺顿公司用沸石分子筛处理硝酸厂尾气中的NOx，可使含量由2500ml/L下降至20ul/L。

低温等离子体(NTP)技术凭借处理效率高、装置简单、能耗低、抗颗粒干扰能力强等优点，在处理柴油机的尾气排放方面有明显的优势，是近几年尾气净化领域的研究热点。在专利CN105251323A中描述了一种车载水冷式NTP发生系统，该系统利用NTP发生器实现了DPF的高效再生，同时在将NTP发生器产生的活性气体喷入排气的过程中，实现NOx的氧化。但该方法存在一定的问题：NOx的主要氧化产物为NO2，排入大气的NO2会造成酸雨、光化学污染。若长时间暴露于NO2之中，呼吸道感染的机率就会增加。情况严重时，NO2甚至会导致肺部永久性病变。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种基于NTP技术的尾气处理系统，利用DPF和NOx吸附器，降低柴油机尾气中的PM和NOx排放，并通过NTP技术实现DPF的再生和NOx吸附器的解吸。

一种基于NTP技术的尾气处理系统，其特征在于，包括后处理装置、第一NTP喷射系统、第二NTP喷射系统、电源供给装置、NTP发生器冷却系统及控制系统，

所述后处理装置包括主排气管、主排气管相连的排气支路、串联在主排气管上的DPF和NOx吸附器，所述DPF安装于所述NOx吸附器的上游；

所述第一NTP喷射系统包括第一NTP发生器、第一质量流量控制器、供气风机、第一喷射管路和第一喷嘴，所述供气风机经所述第一质量流量控制器与所述第一NTP发生器进气口相连，所述第一NTP发生器出口经所述第一喷射管路与第一喷嘴相连，所述第一喷嘴位于DPF上游，能够向所述DPF内喷射活性气体；

所述第二NTP喷射系统包括第二NTP发生器、第二质量流量控制器、气泵、N2气源、第二喷射管路和第二喷嘴，所述N2气源与气泵相连，所述气泵经第二质量流量控制器与所述第二NTP发生器相连，所述第二NTP发生器出口经第二喷射管路与第二喷嘴相连，所述第二喷嘴位于NOx吸附器上游，能够向所述NOx吸附器内喷射活性气体；

所述电源供给装置包括车载电源、逆变升压器、第一继电器和第二继电器，所述车载电源通过逆变升压器为第一NTP发生器、第二NTP发生器供电，第一继电器和第二继电器分别设置在第一NTP发生器、第二NTP发生器的供电电路上；

所述NTP发生器冷却系统包括水箱、第一水泵和第二水泵，所述水箱分别通过第一水泵和第二水泵为第一NTP发生器、第二NTP发生器提供冷却水；

所述控制系统包括控制模块、设置在DPF和NOx吸附器之间的主排气管上的第一控制阀门、设置在排气支路上的第二控制阀门、设置在第一喷射管路上的第三控制阀门、设置在第二喷射管路上的第四控制阀门、设置在DPF两端的压差传感器、设置在NOx吸附器下游的NOx传感器和O2传感器，所述第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门、第四控制阀门、压差传感器、NOx传感器和O2传感器均与控制模块相连；

所述NOx传感器和所述O2传感器用于监测所述NOx吸附器后端气体中NOx和O2的含量；

所述压差传感器用于监测所述DPF两端的压差；

所述控制模块根据压差传感器、NOx传感器和O2传感器检测的数据及控制策略控制第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门、第四控制阀门、第一继电器和第二继电器的开启与关闭，以及供气风机、气泵、第一水泵和第二水泵的工作。

优选地，所述第一喷嘴通过螺纹连接于所述第一喷射管路上，距离所述DPF上游100mm处；所述第二喷嘴通过螺纹连接于所述第二喷射管路上，距离所述NOx吸附器上游100mm处。

优选地，所述NOx吸附器由基板、多孔板和NOx吸附剂组成；所述NOx吸附器中吸附剂为沸石，两块不锈钢多孔板装在基板两端，所述NOx吸附剂添加在吸附器内的基板上。

优选地，所述第一NTP发生器和第二NTP发生器均为介质阻挡放电型，采用不锈钢管作为低压电极，石英玻璃管作为阻挡介质，细铁丝网作为高压电极，所述不锈钢管位于石英玻璃管内且与石英玻璃管同轴，所述细铁丝网包裹在所述石英玻璃管上。

优选地，所述DPF由壁流式蜂窝陶瓷材料制成，孔密度是100cpsi，直径为144mm，母线长152mm。

优选地，排气支路位于所述DPF与所述NOx吸附器之间。

所述的基于NTP技术的尾气处理系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：对柴油机尾气系统进行标定试验，确定不同工况下DPF两端压差的上限值ΔPm和再生目标值ΔPn以及排气出口中NOx含量的上限值Cm，并将压差上限值ΔPm、再生目标值ΔPn和NOx含量的上限值Cm存入控制模块；

步骤二：发动机运行时，通过压差传感器监测DPF两端压差ΔP，以判断其是否需要进行再生；通过NOx传感器监测主排气管出口处NOx的含量CNOx，以判断NOx吸附器是否需要解吸；

步骤三：当控制模块监测检测到DPF两端压差ΔP大于上限值ΔPm或排气出口中NOx的含量CNOx大于NOx含量的上限值Cm，检测发动机停机信号，当控制模块检测到发动机停机信号，控制模块关闭第一控制阀门，开启第二控制阀门；

步骤四：当控制模块检测到DPF两端压差ΔP大于上限值ΔPm，且排气出口中NOx的含量CNOx小于上限值Cm时，控制模块开启第三控制阀门，并传送信号给车载电源、供气风机、第一质量流量控制器、第一继电器和第一水泵，开启第一NTP喷射系统；第一NTP喷射系统产生的活性物质经第一喷射管路由第一喷嘴喷出，氧化DPF中沉积的颗粒物，而后由排气支路排出，实现DPF的再生；当检测到DPF两端压差ΔP小于等于再生目标值ΔPn时，关闭第一NTP喷射系统，关闭第二控制阀门、第三控制阀门，开启第一控制阀门；

当控制模块检测到排气出口中NOx的含量大于上限值，且DPF两端压差ΔP小于上限值ΔPm，控制模块开启第四控制阀门，并传送信号给车载电源、气泵、第二质量流量控制器、第二继电器和第二水泵，开启第二NTP喷射系统；第二NTP喷射系统产生的活性物质经第二喷射管路由第二喷嘴喷入NOx吸附器中，由主排气管出，实现NOx吸附器的解吸；当O2传感器检测到NOx吸附器后端气体中O2含量为0时，表明NOx吸附器中已无NOx可与N自由基反应，NOx吸附器已完成解吸，控制模块关闭第二NTP喷射系统，关闭第二控制阀门、第四控制阀门，开启第一控制阀门；

当控制模块检测到DPF两端压差ΔP大于上限值ΔPm，且排气出口中NOx的含量大于上限值Cm时，控制模块开启第三控制阀门、第四控制阀门，并传送信号给车载电源、供气风机、第一质量流量控制器、第一继电器和第一水泵、气泵、第二质量流量控制器、第二继电器和第二水泵，开启第一NTP喷射系统、第二NTP喷射系统；DPF的再生、NOx吸附器的解吸，当DPF两端压差ΔP小于等于再生目标值ΔPn时，关闭第一NTP喷射系统，当NOx吸附器后端气体中O2含量为0时，关闭第二NTP喷射系统，直至到DPF两端压差ΔP小于等于再生目标值ΔPn、NOx吸附器后端气体中O2含量为0时，第一NTP喷射系统与第二NTP喷射系统都已关闭，控制模块关闭第二控制阀门、第三控制阀门和第四控制阀门，开启第一控制阀门。

优选地，第一质量流量控制器和第二质量流量控制器控制气源流量为5L/min。

本发明利用DPF和NOx吸附器实现柴油机有害尾气的净化处理，能有效降低柴油机尾气中的PM和NOx排放。在停机后，利用低温等离子技术(NTP)对DPF进行再生，同时对NOx吸附器进行解吸，进而实现对DPF和NOx吸附器的高效循环利用。NOx经该系统处理后被转化为N2，相比于专利CN105251323A将NOx氧化成NO2，N2无毒无害，更能满足日益严格的排放法规。

附图说明

图1是用于实现本发明的基于NTP技术的尾气处理系统示意图。

图2是自行设计的NTP发生器的结构示意图。

图3是控制模块控制方法的示意图。

附图标记说明：

101：主排气管；102：排气支路；103：DPF；104：NOx吸附器；1041：多孔板；1042：NOx吸附剂；1043：基板；201：第一NTP发生器；202：第一质量流量控制器；203：供气风机；204：第一喷射管路；205：第一喷嘴；301：第二NTP发生器；302：第二质量流量控制器；303：气泵；304：N2气源；305：第二喷射管路；306：第二喷嘴；401：车载电源；402：逆变升压器；403：第一继电器；404：第二继电器；501：水箱；502：第一水泵；503：第二水泵；601：控制模块：602：第一控制阀门；603：第二控制阀门；604：第三控制阀门；605：第四控制阀门；606：压差传感器；607：NOx传感器；608：O2传感器；700：柴油机；801：冷却水入口；802：冷却水出口；803：不锈钢管；804：石英玻璃管；805：细铁丝网；806：NTP发生器入口；807：NTP发生器出口；

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。

图1展示了本发明所述基于NTP技术的尾气处理系统，该系统包括后处理装置、第一NTP喷射系统、第二NTP喷射系统、电源供给装置、NTP发生器冷却系统及控制系统。所述后处理装置包括主排气管101、DPF 103、NOx吸附器104和排气支路102。所述第一NTP喷射系统包括第一NTP发生器201、第一质量流量控制器202、供气风机203、第一喷射管路204和第一喷嘴205。所述第二NTP喷射系统包括第二NTP发生器301、第二质量流量控制器302、气泵303、N2气源304、第二喷射管路305和第二喷嘴306。所述电源供给装置包括车载电源401、逆变升压器402、第一继电器403和第二继电器404。所述NTP发生器冷却系统包括水箱501、第一水泵502和第二水泵503。所述控制系统包括控制模块601、第一控制阀门602、第二控制阀门603、第三控制阀门604、第四控制阀门605、压差传感器606、NOx传感器607和O2传感器608。

所述供气风机203经所述第一质量流量控制器202与所述第一NTP发生器201进气口相连，所述供气风机203接收所述控制模块601信号后向所述第一NTP发生器201提供气源。所述N2气源304与所述气泵303相连，所述气泵303经第二质量流量控制器302与所述第二NTP发生器301相连。所述第一NTP发生器201出口经所述第一喷射管路204，由所述第一喷嘴205向所述DPF 103喷射活性气体。所述第二NTP发生器301出口经第二喷射管路305，由第二喷嘴306向所述NOx吸附器104喷射活性气体。所述第一喷嘴205通过螺纹连接于所述第一喷射管路204管壁上，距离所述DPF 103上游100mm处。所述第二喷嘴306通过螺纹连接于所述第二喷射管路305管壁上，距离所述NOx吸附器104上游100mm处。

所述DPF 103与所述NOx吸附器104采用串联的方式安装在所述主排气管101上，所述DPF 103安装于所述NOx吸附器104之前。所述NOx吸附器104由基板1043、多孔板1041和NOx吸附剂1042组成。所述NOx吸附器104中吸附剂1042的材料主要为沸石，沸石吸附NOx的过程为物理过程，无化学反应发生。所述NOx吸附器104两端装有两块不锈钢多孔板1041。所述NOx吸附剂1042添加在吸附器内的基板1043上。在所述DPF 103与所述NOx吸附器104之间的排气管路中引出一条排气支路102，用于第一控制阀门602关闭时旁通排气。柴油机正常工作时，第一控制阀门602开启，第二控制阀门603关闭，尾气经所述DPF 103和所述NOx吸附器104从主排气管101中排出。NTP还原NOx在贫氧或无氧的情况下效果较好，NOx吸附器104需要解吸时，关闭第一控制阀门602。在DPF再生过程中，活性气体与所述DPF 103内的积碳发生化学反应，反应产物从所述排气支路102中排出。

所述主排气管101内安装有所述第一控制阀门602，位于所述NOx吸附器104前端；在所述排气支路102入口安装有第二控制阀门603；在所述第一喷射管路204中安装有第三控制阀门604；在所述第二喷射管路305中安装有第四控制阀门605。所述第一控制阀门602、所述第二控制阀门603、所述第三控制阀门604和所述第四控制阀门605皆与所述控制模块601相连，根据控制模块601的信号开启或关闭。发动机运行时，所述第一控制阀门602开启，所述第二控制阀门603、第三控制阀门604和第四控制阀门605关闭。所述DPF 103两端装有所述压差传感器606，与所述控制模块601相连。所述NOx传感器607和所述O2传感器608与所述控制模块601相连，主要用于监测流经所述DPF 103与所述NOx吸附器104后尾气中NOx和O2的含量。控制模块601接收从压差传感器606传来的压差ΔP和NOx传感器607传来的气体浓度CNOx，ΔP大于等于ΔPm或CNOx大于等于Cm时，控制模块601控制四个控制阀门的开闭，并传送信号给车载电源401、第一继电器403、第二继电器404、第一水泵502、第二水泵503、第一质量流量控制器202、第二质量流量控制器302、供气风机203和气泵303，开启NTP喷射系统，对DPF进行再生，对NOx吸附器进行解吸。

图2是NTP发生器的结构示意图。所述第一NTP发生器201和第二NTP发生器301为同一类型发生器。所述NTP发生器为介质阻挡放电型，采用不锈钢管803作为低压电极，石英玻璃管804作为阻挡介质，细铁丝网805作为高压电极。所述不锈钢管803位于石英玻璃管804中，且与石英玻璃管804同轴，所述细铁丝网805包裹在所述石英玻璃管804上。NTP喷射系统开启后，车载电源401经逆变升压器402向NTP发生器提供电能，第一继电器403和第二继电器404接受控制模块601的信号后控制电路的开闭。第一质量流量控制器202和第二质量流量控制器302控制进入NTP发生器的气源流量为5L/min。所述第一NTP发生器201和所述第二NTP发生器301均为水冷式NTP发生器。冷却装置包括水箱501、第一水泵502和第二水泵503。所述水泵接收控制模块601的信号后，从所述水箱501中抽取循环冷却水，流经NTP发生器的不锈钢管803，实现对NTP发生器的冷却。

图3是描述控制模块601执行示例性步骤的流程图。首先，对柴油机尾气系统进行标定试验，柴油机在不同工况下DPF压差的上限值和NOx含量的上限值不同，预先通过标定实验确定柴油机在不同工况下的压差上限值ΔPm和下限值ΔPn以及NOx含量的上限值Cm，并将压差上限值ΔPm、再生目标值ΔPn和NOx含量的上限值Cm存入控制模块601。

所述柴油机700一旦启动，则控制过程开始，控制模块601首先根据压差传感器606获取DPF 103前后端的压差ΔP，根据NOx传感器607获取NOx吸附器104后端尾气中的NOx含量CNOx。

控制步骤进入902，控制模块601根据柴油机700的运行工况调用对应的ΔPm和Cm，并将获取的ΔP和CNOx与ΔPm和Cm进行比较，如果ΔP大于等于ΔPm或者CNOx大于等于Cm，则控制步骤进入903，否则返回步骤901。在步骤903中，控制模块601检测停车信号。本发明是在柴油机停机时对其进行DPF 103的再生和NOx吸附器104的解吸，离线活性物质利用率较高，使尾气处理系统更为经济、高效。在步骤904中，控制模块601检测停机信号，如果有，进入控制步骤905，否则返回步骤903。在控制步骤905中，控制模块601关闭第一控制阀门602和开启第二控制阀门603。NOx吸附器104的解吸在贫氧或无氧的条件下效果更佳，否则NOx易被氧化为NO2，所以关闭第一控制阀门602。DPF再生时，产物从排气支路102中排出。

本发明的尾气处理系统，采用两套NTP喷射系统，DPF的再生和NOx吸附器的解吸分开处理，此系统经济性更高。在处理过程中，会出现三种实际情况，情况一：只有DPF需要再生，NOx吸附器还在正常工作。情况二：只有NOx吸附器需要解吸，DPF仍在正常工作。情况三：DPF需要再生同时NOx吸附器也需要解吸。在控制步骤906中，控制模块601判断压差ΔP和NOx含量CNOx是否同时大于上限值。如果是，表明DPF和NOx吸附器同时需要进行NTP的处理，即情况三，进入控制步骤918，开启第一喷射管路204中的第三控制阀门604和第二喷射管路305中的第四控制阀门605。反之，表明只有一个需要NTP的处理，进入控制步骤907，进一步判断DPF需要再生还是NOx吸附器需要解吸。在步骤907中，如果压差ΔP大于上限值Pm，表明DPF需要再生，NOx吸附器在正常工作，即情况一，则进入步骤908，开启第一喷射管路204中的第三控制阀门604。反之，表明NOx吸附器需要解吸，DPF仍在正常工作，即情况二，则进入步骤913，开启第二喷射管路305中的第四控制阀门605。

出现情况一时，进入控制步骤908后，开启第三控制阀门，执行完毕后，进入控制步骤909，开启第一NTP喷射系统。控制模块传送信号给车载电源401、逆变升压器402、第一水泵502、第一继电器403、第一质量流量控制器202和供气风机203，开启第一NTP喷射系统，对DPF进行再生。在控制步骤910中，将控制模块601实时监测到DPF 103两端的压差ΔP与压差下限值ΔPn进行比较。如果ΔP小于等于ΔPn，表明DPF再生已经完成，进入控制步骤911，反之，返回步骤909。在步骤911关闭第一喷射系统后，进入步骤912，关闭第二、第三控制阀门，开始第一控制阀门。DPF 103再生实施完毕

出现情况二时，进入控制步骤913后，开启第四控制阀门，执行完毕后，进入控制步骤914，开启第二NTP喷射系统。控制模块传送信号给车载电源401、逆变升压器402、第二水泵503、第二继电器404、第二质量流量控制器302和气泵303，开启第二NTP喷射系统，对NOx吸附器进行解吸。在控制步骤915中，控制模块601实时监测NOx吸附器后端气体中O2的含量，当含量为0时，表明NOx吸附器已完成解吸，进入控制步骤916，反之，返回步骤914。在步骤916关闭第二喷射系统后，进入步骤917，关闭第二、第四控制阀门，开始第一控制阀门。NOx吸附器104的解吸实施完毕。

出现情况三时，进入控制步骤918后，开启第三、第四控制阀门，执行完毕后，进入控制步骤919，开启第一、第二NTP喷射系统。控制模块传送信号给车载电源401、逆变升压器402、第一水泵502、第一质量流量控制器202、供气风机203、第二水泵503、第二质量流量控制器302、气泵303、第一继电器403和第二继电器404，开启第一、第二NTP喷射系统。在控制步骤910中，控制模块601实时监测DPF 103两端的压差ΔP和NOx吸附器后端气体中O2的含量，若ΔP小于下限值ΔPn且氧气含量CO2为0，则表明DPF已完成再生且NOx吸附器已完成解吸，进入控制步骤529，关闭第一NTP喷射系统和第二NTP喷射系统，DPF的再生和NOx吸附器的解吸已全部完成。反之，进入控制步骤921，若ΔP小于下限值ΔPn，表明DPF已完成再生，NOx吸附器还未完全解吸，进入控制步骤922。反之，进入控制步骤926。若DPF先完成再生，在步骤922中，关闭第一NTP喷射系统，继续开启第二NTP喷射系统。进入步骤923，若控制模块监测到NOx吸附器后端的O2含量为零，表明NOx吸附器的解吸也已完成，进入步骤924，关闭第二NTP喷射系统，反之，返回步骤922。若NOx吸附器先完成再生，进入步骤926，关闭第二NTP喷射系统，开启第一NTP喷射系统。进入步骤927，若DPF两端的压差小于下限值ΔPn，表明DPF已完成再生，进入控制步骤928，关闭第一NTP喷射系统。反之，返回步骤926。当DPF已完成再生且NOx吸附器已完成解吸，进入控制步骤925，关闭第二、第三、第四控制阀门，开启第一控制阀门。至此，整套NTP再生和NOx吸附器的解吸已实施完毕。

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。