一种使用前置小DOC装置的DPF系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种dpf系统及其控制方法，特别是一种使用前置小doc装置的dpf系统及其控制方法。

背景技术：

1、为了满足排放法规的要求，发动机尾气处理系统需要加装颗粒捕捉器(dpf)，以去除燃烧产生的碳烟。碳烟在dpf中会积累，到了一定程度会增加发动机系统的背压，影响发动机的工作。因此，在dpf系统中，还要定期地清除其中的碳烟。清除dpf中碳烟的过程叫做dpf的再生。在柴油发动机应用中，dpf的再生有被动再生和主动再生两种形式：被动再生是尾气中的氮氧化物(nox)与碳烟发生反应，从而将碳烟去除，主动再生则是尾气中剩余的氧气与碳烟发生反应。相对于主动再生，被动再生所需要的再生温度比较低，但窗口比较窄(高效区间在300到350摄氏度)，同时也由于尾气中的nox数量不容易控制，通常主要的再生形式还是主动再生。主动再生和被动再生都需要氧化催化剂(一般是贵金属催化剂，包括铂和钯等)的参与，被动再生中，氧化催化剂的作用是产生no2，增加反应的效率。而在主动再生中，氧化催化剂的作用是氧化燃油，产生高温尾气，在其作用下氧气与碳烟发生反应，从而去除碳烟。氧化催化剂一般以独立催化剂单元的形式(柴油氧化催化剂doc)布置在dpf的上游，同时，为了提高氧化效率，在dpf中也涂敷有贵金属。

2、一般地，在一个dpf的主动再生过程中，会将燃油喷入尾气并与尾气混合。混合后的气体通过氧化催化剂，在达到和超过氧化催化剂的起燃温度(light-off temperature)后，其中氧气和燃油发生显著的产热反应，加热尾气。在尾气温度超过一定温度时(高于450摄氏度)，氧气会与碳烟发生显著的氧化反应，从而去除碳烟。

3、在主动再生过程中，如果燃油中含有硫组分，这些组分燃烧后产生的硫氧化物会和贵金属催化剂发生反应，降低催化剂的效能。这个影响叫做催化剂硫中毒。催化剂硫中毒以后，由于催化效果变差，主动再生过程中喷射的燃油反应效率降低。同时，氧化催化剂也会在高温工作环境下发生老化，导致燃油(碳氢)的氧化反应效率降低。发生反应的燃油泄露后不但对环境产生影响，还会产生安全隐患。

4、为了能够在使用寿命时间内保持系统正常工作，对氧化催化剂的体积和贵金属涂敷量都有一定的要求。比如，一般来说，氧化催化剂的体积要超过发动机排气量的一半，这个体积的增加有时会影响尾气处理系统和发动机系统的布置，尤其是紧凑型系统的布置。同时氧化催化剂的贵金属涂敷量要超过一定的限值，比如20g/ft3。这些要求都增加了系统的安装成本。另外，体积较大的氧化催化剂载体本身的热容也对系统的性能有不可忽视的影响。大体积氧化催化剂载体本身的吸热会导致系统升温速度慢，从而影响下游催化剂的转换效率。而为了提高升温速度，又需要进行发动机“热管理”，注入能量来加热尾气。这部分能耗增加了系统的使用成本。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种使用前置小doc装置的dpf系统及其控制方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种使用前置小doc装置的dpf系统及其控制方法，所述dpf系统包括一个前置小doc装置即fdoc装置，和一个主doc装置；所述fdoc装置设置在上游尾气出口处，下游与主doc装置连接，所述尾气经过fdoc装置的预处理后，进入主doc装置进行处理，最终完成所述dpf系统的尾气处理；

3、所述fdoc装置中包括两个尾气通路，其中一个通路中包括前置小doc催化剂，尾气分别经过两个尾气通路后，在所述主doc装置上游混合；

4、所述主doc装置中包括主doc催化剂和颗粒捕捉器dpf，混合后的尾气通过主doc装置，进行进一步尾气处理。

5、进一步的，所述前置小doc催化剂中贵金属涂敷量大于主doc催化剂中贵金属涂敷量。

6、进一步的，所述主doc装置，包括：主doc催化剂和颗粒捕捉器dpf，混合后的尾气先后经过：主doc催化剂和颗粒捕捉器dpf。

7、进一步的，所述主doc装置，即将主doc催化剂和颗粒捕捉器dpf组合形成为一个独立模块docondpf；

8、所述独立模块docondpf包括：颗粒捕捉器dpf载体以及涂敷其上的doc催化剂部分和dpf催化剂部分，其中，doc催化剂部分涂敷量高于dpf催化剂部分。

9、进一步的，所述的fdoc装置，为并列支路结构，具体包括：

10、用于连接接收上游尾气的尾气进口歧管，尾气进口歧管连接两个支路，即第一支路和第二支路，第一支路另一端直接连接到尾气出口歧管，在第二支路中，设有孔径调节装置，用于调节第二支路的有效孔径，在孔径调节装置的下游设有前置小doc催化剂，第二支路中的尾气依次经过孔径调节装置和前置小doc催化剂后进入尾气出口歧管，尾气出口歧管中设有混合器，用于混合上述两个支路中的尾气产生混合气体，尾气出口歧管与所述主doc装置连接，混合气体进入下游的主doc装置。

11、进一步的，所述的fdoc装置，为内外支路结构，具体包括：

12、中空外壳，中空外壳内部两端分别设置前网板和后网板，前网板和后网板中间设置中空的小doc封装，小doc封装内中空部分设有前置小doc催化剂，下游混合器设置在后网板远离前网板的一侧；

13、前网板、后网板、中空外壳和小doc封装的外侧壁形成尾气通道的外支路；前置小doc催化剂中的多孔通道形成尾气通道的内支路；上游尾气从前网板一侧进入中空外壳后，分别通过上述内支路和外支路，最后进入下游混合器，形成混合气体，中空外壳另一侧与所述主doc装置连接，混合气体进入下游的主doc装置。

14、进一步的，所述的前置小doc催化剂采用倾斜前表面设计，即在尾气进入方向表面处设置斜口向下的倾斜面在倾斜面端，催化剂涂敷层附在载体上，并裸露在尾气中。

15、进一步的，所述系统还包括：

16、设置在前置小doc催化剂上游的第一温度传感器，用于测量上游尾气出口处气体温度tu；

17、设置在前置小doc催化剂下游的第二温度传感器，用于测量前置小doc催化剂下游的气体温度tb；

18、设置在主doc装置下游的第三温度传感器，用于检测主doc装置出口的气体温度td；

19、设置在主doc装置中的颗粒捕捉器dpf两端的压力和相对压力传感器单元，用于测量颗粒捕捉器dpf两端的压差以及其下游的压强；

20、上述传感器均通过信号线与控制器连接，用于对所述系统进行控制。

21、本发明还公开了一种使用前置小doc装置的dpf系统的控制方法，根据上述使用前置小doc装置的dpf系统中所采集到的传感器数据进行控制，其特征在于，包括以下步骤：

22、步骤1，判断是否开始dpf再生过程，若是则进入步骤2，否则停止；

23、步骤2，触发热管理：判断上游尾气出口处气体温度tu是否大于主doc催化剂的起燃温度tl2，若是则进入步骤4，否则进入步骤3；

24、步骤3，判断热管理时间是否过长，若是则停止，否则重新执行步骤2；

25、步骤4，计算燃油远后喷喷射量mf，并通过对前置小doc催化剂下游的气体温度tb进行闭环控制，得到反馈流量mb和燃油流量的控制命令mc，具体方法包括：

26、步骤4-1，计算燃油远后喷喷射量mf，具体方法如下：

27、mf＝k*(tg-tu)*me/lhv

28、其中，k是一个常数，tg是主doc装置出口的气体温度td的目标温度，me是上游尾气出口处的发动机尾气质量流量，lhv是燃油的低热值；

29、步骤4-2，进行闭环控制，即采用pid控制，具体方法包括：

30、反馈回路首先通过目标温度tg和第二温度传感器测得的前置小doc催化剂下游的气体温度tb计算得到误差值err，然后通过pid控制计算得到反馈流量mb；该反馈流量与通过前馈支路计算得到的燃油远后喷喷射量mf相加得到燃油流量的控制命令mc；

31、步骤5，判断上游尾气出口处气体温度tu与前置小doc催化剂下游的气体温度tb的和是否小于阈值thd_tl1，若是则将远后喷的喷射命令设为0，否则将远后喷的喷射命令设为燃油流量的控制命令mc；

32、步骤6，判断dpf再生过程是否结束，若是则停止，否则返回步骤4。

33、进一步的，所述dpf系统包括第四温度传感器，测量所述混合器下游温度tm，同时所述第二温度传感器是虚拟传感器，其测量值tb通过如下公式计算得到：

34、tb＝a*tm+(1-a)*tu

35、其中，a是尾气总质量流量与前置小doc催化剂所在尾气通路中的尾气质量流量的比值。

36、有益效果：

37、1、本发明提出的系统中，对尾气进行预加热，从而使主doc在高温尾气中工作，降低了对主doc贵金属涂覆量的要求，同时，由于fdoc贵金属涂敷量高，受硫中毒和老化的影响降低，而主doc工作温度高，受硫中毒和老化的影响也降低，整个系统抗硫中毒和抗老化性能因而得到提高。相对于单一doc系统，高涂敷量的前置小doc和低涂敷量的主doc既降低了系统的初装成本，又降低了系统的使用成本。

38、2、本发明提出的系统中，采用fdoc后，经前置小doc加热后的尾气温度升高，提高了下游催化剂的转换效率，因此可以更容易地采用docondpf。由于减少了doc的体积，doc和dpf系统的热容减少，使得下游催化剂升温更快，有利于系统的低温应用。

39、3、本发明提出的系统中，前置小doc催化剂有向下倾斜的斜面，斜面上有裸露于尾气的催化剂涂敷层，在下倾斜面的作用下，附着其上的燃油被氧化，从而降低了前脸栓塞(face plugin)的风险。

40、4、本发明提出的控制方法中，采用温度闭环控制，并兼容小doc催化剂下游闭环温度控制与dpf下游闭环温度控制，由于前置小doc催化剂体积小，因此相对于单一doc系统，小doc催化剂下游闭环温度响应更快，控制性能更好。