一种两相流介质混合的DPF再生装置及其排气温度上升策略的制作方法

本发明涉及dpf排气后处理技术领域，特别涉及一种两相流介质混合的dpf再生装置及其排气温度上升策略。

背景技术：

柴油机凭借其燃油经济性好、可靠性高、热效率高及使用寿命长等优势，被广泛应用于交通运输和工农业生产等领域。柴油机的主要排放污染物是氮氧化物nox和颗粒物(particulatematter，简称pm)，造成环境污染和严重危害到人类健康。近年来，日益严格的排放法规对柴油机pm排放提出了更高的技术要求。柴油机颗粒捕集器(dpf，dieselparticulatefilter)技术被认为是目前降低pm最为有效的后处理手段，捕集效率可达90％以上，dpf是在排气经过过滤体时将排气中的pm过滤下来，其关键技术是过滤体材料和过滤体再生，如何将收集的pm择机去除的再生方法及其控制策略是dpf应用的技术难点。然而随着行驶里程的增加，越来越多的颗粒沉积在捕集器内，造成排气背压增加，柴油机的经济性和动力性恶化，因此必须及时地将捕集的可燃颗粒氧化燃烧掉，实现颗粒物捕集器的再生。

传统dpf再生系统采用齿轮泵将柴油加压，通过喷嘴直接喷入排气通道，点火器点火使柴油与排气中的氧气燃烧以实现排气加热，加热的排气经过dpf使载体温度上升到600℃以上，使载体上捕捉的微粒pm与排气中的氧气燃烧，从而实现dpf再生。

传统dpf再生系统存在如下缺点：

1.再生过程中，喷入排气中的燃油和dpf收集的pm在燃烧过程中都需要氧气。排气中氧气的含量受到发动机运行工况影响，当发动机在大负荷工作时，排气中氧气浓度较低，会影响喷入燃油的燃烧和dpf过滤体上收集的pm的燃烧，使dpf再生效率下降；

2.燃油通过齿轮泵加压后直接通过喷嘴喷入排气，其雾化性能较差。其喷油压力也仅0.8mpa左右，采用多孔小孔径喷嘴，其燃油喷雾粒径仍然加大，一般在80μm以上，影响其点燃特性和燃烧速度，进而会影响到dpf的再生；

3.系统可靠性不高。由于排气中氧气浓度低或者排气温度很低时，经常会出现点火困难，易造成喷入燃油无法着燃。停喷后，喷嘴会有燃油残留，易造成喷嘴积碳甚至堵塞；

4.无法对喷入燃油实现精确计量。为了保证高压，无刷电机驱动的齿轮泵运转速度很高，一般通过运转时间控制喷入燃油量。但齿轮泵的磨损而造成的压力降低，会改变燃油的喷入量。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种两相流介质混合的dpf再生装置及其排气温度上升策略，主要包括空气辅助的燃油喷射和精确计量系统通过高压空气与燃油混合，形成油气两相流介质，输送到喷嘴，通过喷嘴将两相流介质喷入排气管，通过点火塞将油气点火，控制系统实现对整个再生过程的状态监测和状态控制，此外本发明还涉及dpf控制系统中一种喷油模块的控制算法以及升温策略。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种两相流介质混合的dpf再生装置，排气管进口处设有喷嘴，所述排气管内设有氧化催化器doc和颗粒捕集器dpf，包括两相流介质混合装置和控制系统；所述两相流介质混合装置用于提供所述喷嘴混合的两相流介质；

所述控制系统包括控制单元、dpf温度传感器、doc前排气温度传感器和dpf的压差传感器，所述dpf温度传感器用于测量颗粒捕集器dpf进口与出口的温度；所述doc前排气温度传感器用于测量氧化催化器doc进口的温度；所述dpf的压差传感器用于测量颗粒捕集器dpf进口与出口的压差；所述控制单元采集分析dpf温度传感器、doc前排气温度传感器和dpf的压差传感器的信号，并控制两相流介质混合装置的喷油率。

进一步，所述两相流介质混合装置包括混合腔、供气系统和供液系统；所述供气系统和供液系统分别连通混合腔，用于两相流介质混合；所述混合腔与喷嘴连通。

进一步，所述供气系统包括压缩空气源、气路通断电磁阀、减压稳压装置和气路单向阀，所述压缩空气源依次通过气路通断电磁阀、减压稳压装置和气路单向阀与混合腔连通；

所述供液系统包括燃油箱、隔膜泵和液路单向阀，所述燃油箱依次通过隔膜泵和液路单向阀与混合腔连通。

进一步，还包括旁通气控回液阀，所述旁通气控回液阀的旁路与所述供气系统连通，所述旁通气控回液阀进口与混合腔连通，所述旁通气控回液阀出口与燃油箱连通。

进一步，还包括泵压力传感器和dpf压差传感器，所述泵压力传感器用于测量隔膜泵出口的压力；所述dpf压差传感器用于测量颗粒捕集器dpf进口与出口的压差；所述控制单元采集分析泵压力传感器和dpf压差传感器的信号。

进一步，所述控制单元根据采集的信号对dpf系统的故障诊断，具体为：

根据泵压力传感器测量的隔膜泵出口的压力，判断供液系统或者喷嘴是否堵塞；

根据dpf压差传感器测量的颗粒捕集器dpf进口与出口的压差，判断颗粒捕集器dpf是否堵塞；

根据dpf温度传感器测量颗粒捕集器dpf进口与出口的温度和doc前排气温度传感器测量氧化催化器doc进口的温度，判断燃烧温度是否达到dpf再生条件。

一种两相流介质混合的dpf再生装置的排气温度上升策略，包括如下步骤：

通过所述doc前排气温度传感器测量氧化催化器doc进口的温度t1；通过dpf前排气温度传感器测量颗粒捕集器dpf进口的温度t2；通过dpf后排气温度传感器测量颗粒捕集器dpf出口的温度t3；

当温度t1小于350-400℃时，发动机通过缸内措施使排气管排温达到350-400℃，用于充分激活doc的转换效率；当温度t1大于350-400℃时，所述喷嘴喷射燃油，通过排气管的排气温度使燃油燃烧；

当温度t2小于临界温度tcr时，所述控制单元根据t2控制所述喷嘴喷射燃油的流量；当温度t2大于临界温度tcr时，关闭喷嘴所述喷嘴；

当温度t3大于dpf安全耐温阈值tsafe时，所述控制单元发出故障信号。

进一步，所述控制单元根据下面公式确定颗粒捕集器dpf进口的温度t2的范围：

所述颗粒捕集器dpf再生所需进口的温度t2条件：

式中：

wb＝f^-1(δp)

其中：ρ为排气密度(kg/m³)；ν为排气流速(m/s)；cpg为排气比热容j/(kg·k)；r为气体常数；e为表面活化能；d为颗粒捕集器dpf的直径(m)；ρk为颗粒捕集器dpf的孔密度(孔/m)；s为微粒层沉积系数(m^-1)；p为排气压力(kpa)；y为当前排气氧摩尔浓度(mol/m³)；wb为微粒层厚度(m)；a为颗粒捕集器dpf孔道边长(m)；l为颗粒捕集器dpf长度(m)；α为碳粒氧化完全度；δhco为co的生成焓(j/(kg.mol)；为co2的生成焓(j/(kg.mol)；δp为通过dpf压差传感器测量的颗粒捕集器dpf进口与出口的压差(kpa)；

根据上面公式，推导出tcr<t2<tsafe，其中tsafe为dpf安全耐温阈值。

进一步，所述控制单元根据t2控制所述喷嘴喷射燃油的流量，具体为：

式中：qburner(t)为理论排气温度texh(t)升高到t2时，喷射的燃油燃烧释放的能量(kj)；

qamb(t)为燃烧器热量散失率(kj/h)；

cp为定压比热容(kj/kg·k)；

qm为排气流量(kg/h)；

tburner(t)为理论加热温度(k)；

tamb为外界环境温度(k)；

texh(t)为理论排气温度(k)；

rt为热散失阻力；

hμ为柴油低热值；

b为喷嘴(112)喷射燃油的喷油率(kg/h)。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的两相流介质混合的dpf再生装置及其排气温度上升策略，结构简单、紧凑、合理，使dpf系统再生过程中对柴油机影响小，不对环境产生二次污染，具有良好的可靠性和耐久性。

2.本发明所述的两相流介质混合的dpf再生装置及其排气温度上升策略，燃油精确计量，定时定量的计量燃油，并且带有温度和压力传感器，能准确的进行喷射量的修正，计量喷射精度在2％以内。

3.本发明所述的两相流介质混合的dpf再生装置及其排气温度上升策略，燃油雾化性能好，油气的燃油雾化粒径达到了30-50μm，点火着燃性能和燃烧性能好。

4.本发明所述的两相流介质混合的dpf再生装置及其排气温度上升策略，气辅燃油输送和喷射带入了空气，使喷入的燃油处于氧气充足的富氧环境，改善了燃油的点火条件和燃烧条件。一方面可使之顺利点火着燃，另一方面也可提高燃烧效率，使dpf过滤提体升温迅速，同时dpf中收集的pm在高温下氧化燃烧的条件也得到改善。极大地提高了dpf的即再生效率。

5.本发明所述的两相流介质混合的dpf再生装置及其排气温度上升策略，简化点火装置。由于气辅燃油输送和喷射使得喷入的燃油得到充分雾化，燃油颗粒的粒径分布在30～50um，此外又喷入了足够的空气，油气得到充分混合，极大地改善了燃油的点火条件和火焰传播的条件。点火装置一般采用电阻型点火塞。

6.本发明所述的两相流介质混合的dpf再生装置及其排气温度上升策略，工作后期稳定。隔膜泵实现燃油精确计量，其长期工作的稳定性好。一方面通过橡胶膜片的往复运动燃油的吸液与加压，可避免齿轮泵运转时金属运动件与油液接触，防止腐蚀。另一方面隔膜泵工作时无机械磨损，寿命长。而采用齿轮泵时，齿轮磨损会出现齿隙增大，从而导致油液压力下降。

7.本发明所述的两相流介质混合的dpf再生装置及其排气温度上升策略，当停止喷油后，步进电机不转不喷油，可通过空气实现对输送管路和喷嘴进行有效吹扫，避免燃油的残留，避免喷嘴积碳和堵塞。

附图说明

图1为本发明所述两相流介质混合的dpf再生装置结构图。

图2为本发明所述控制单元对dpf系统的故障诊断流程图。

图3为本发明所述排气温度上升策略流程图。

图中：

101-压缩空气源；102-气路通断电磁阀；103-减压稳压装置；104-气路单向阀；105-燃油箱；106-步进电机；107-隔膜泵；108-液路单向阀；109-混合腔；110-旁通气控回液阀；111-混合油气输送管路；112-喷嘴；113-点火器；114-氧化催化器doc；115-颗粒捕集器dpf；116-控制单元；117-dpf的压差传感器；118-doc前排气温度传感器；119-dpf前排气温度传感器；120-dpf后排气温度传感器；121-泵压力传感器。

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，本发明所述的两相流介质混合的dpf再生装置，排气管进口处设有喷嘴112，所述排气管内设有氧化催化器doc114和颗粒捕集器dpf115，包括两相流介质混合装置和控制系统；所述两相流介质混合装置用于提供所述喷嘴112混合的两相流介质；

所述两相流介质混合装置包括混合腔109、供气系统和供液系统；所述供气系统和供液系统分别连通混合腔109，用于两相流介质混合；所述混合腔109与喷嘴112通过混合油气输送管路111连通；所述供气系统包括压缩空气源101、气路通断电磁阀102、减压稳压装置103和气路单向阀104，所述压缩空气源101依次通过气路通断电磁阀102、减压稳压装置103和气路单向阀104与混合腔109连通；所述压缩空气源101(压缩空气源的压力在0.5～0.9mpa)经过减压稳压装置103得到基本恒压0.3mpa压力的空气源，气路单向阀104将减压稳压后的空气喷入混合腔109，气路单向阀104开启压力在0.1mpa左右。

所述供液系统包括燃油箱105、隔膜泵107和液路单向阀108，所述燃油箱105依次通过隔膜泵107和液路单向阀108与混合腔109连通。采用步进电机106驱动的隔膜泵107实现燃油从燃油箱105的吸入和加压，一般可以加压到0.5-0.8mpa，液路单向阀108可以将高压燃油喷入混合腔109。液路单向阀108开启压力在0.2mpa左右。

还包括旁通气控回液阀110，所述旁通气控回液阀110的旁路与所述供气系统连通，所述旁通气控回液阀110进口与混合腔109连通，所述旁通气控回液阀110出口与燃油箱105连通。当气路通断电磁阀102断开，切断进气，旁通气控回液阀110的膜片在回位弹簧得作用下，使得回液阀门打开，液路与回液相同，实现液路的泄压。此外在液路建压过程中，回液阀打开，驱动步进电机106，使隔膜泵107工作可以将液路腔内的空气通过回液排出，防止当液路中有空气存在而造成的建压困难。

当气路通断电磁阀102接通，减压稳压阀开始工作，提供稳定压力的空气，旁通气控回液阀110的膜片在空气压力作用下克服回位弹簧力后将回液阀关闭，切断了液路与回液，步进电机106驱动隔膜泵107实现液路顺利建压并通过液路单向阀喷入高压燃油。

混合腔109内燃油与空气进行混合，燃油得到充分雾化，得到的混合油气两相介质经过混合油气输送管路111输送到单孔喷嘴112，由于喷嘴112的节流作用，在混合腔109内形成一定的压力，通过喷嘴112喷入氧化催化器doc114前端。喷嘴112出口附近布置有电阻型点火器113。由于雾化条件好，采用电阻加热型点火器113点燃油气，使之顺利点火着燃。

当从喷嘴112喷入再生所需的燃油量后，步进电机停止运转，不再向混合腔109喷入燃油。但此时气路通断电磁阀102接通仍然接通，高压空气仍然通过气路单向阀104喷入混合腔，并通过输送管路111和喷嘴112喷入排气管，实现了输送管路111和喷嘴112有效吹扫，避免了燃油在输送管路111和喷嘴112处的残留，避免出现喷嘴112积碳堵塞。采用单孔喷嘴112，喷嘴内部采用锤形可旋转阀芯，阀芯带有切向通道，当通气后阀芯在气流的作用产生切向力使阀芯旋转。

所述控制系统包括控制单元116、dpf温度传感器、doc前排气温度传感器118和dpf的压差传感器117，所述dpf温度传感器用于测量颗粒捕集器dpf115进口与出口的温度；所述doc前排气温度传感器118用于测量氧化催化器doc114进口的温度；所述dpf的压差传感器117用于测量颗粒捕集器dpf115进口与出口的压差；所述控制单元116采集分析dpf温度传感器、doc前排气温度传感器118和dpf的压差传感器117的信号，并控制两相流介质混合装置的喷油率。

所述控制单元116根据采集的信号对dpf系统的故障诊断，具体为：

根据泵压力传感器121测量的隔膜泵107出口的压力，判断供液系统或者喷嘴112是否堵塞；

根据dpf压差传感器117测量的颗粒捕集器dpf115进口与出口的压差，判断颗粒捕集器dpf115是否堵塞；

根据dpf温度传感器测量颗粒捕集器dpf115进口与出口的温度和doc前排气温度传感器118测量氧化催化器doc114进口的温度，判断燃烧温度是否达到dpf再生条件。

一种所述的两相流介质混合的dpf再生装置的排气温度上升策略，包括如下步骤：

通过所述doc前排气温度传感器118测量氧化催化器doc114进口的温度t1；通过dpf前排气温度传感器119测量颗粒捕集器dpf115进口的温度t2；通过dpf后排气温度传感器120测量颗粒捕集器dpf115出口的温度t3；

当温度t1小于350-400℃时，发动机通过缸内措施使排气管排温达到350-400℃，用于充分激活doc的转换效率；当温度t1大于350-400℃时，所述喷嘴112喷射燃油，通过排气管的排气温度使燃油燃烧；

当温度t2小于临界温度tcr时，所述控制单元116根据t2控制所述喷嘴112喷射燃油的流量；当温度t2大于临界温度tcr时，关闭喷嘴所述喷嘴112；

当温度t3大于dpf安全耐温阈值tsafe时，所述控制单元116发出故障信号。

所述控制单元116根据下面公式确定颗粒捕集器dpf115进口的温度t2的范围：

所述颗粒捕集器dpf115再生所需进口的温度t2条件：

式中：

wb＝f^-1(δp)

其中：ρ为排气密度(kg/m³)；ν为排气流速(m/s)；cpg为排气比热容j/(kg·k)；r为气体常数，r＝8.31m³·kpa/(kg·mol·k)；e为表面活化能，e＝(80-160)×10³j/mol；d为颗粒捕集器dpf的直径(m)；ρk为颗粒捕集器dpf的孔密度(孔/m)；s为微粒层沉积系数(m^-1)；p为排气压力(kpa)；y为当前排气氧摩尔浓度(mol/m³)；wb为微粒层厚度(m)；a为颗粒捕集器dpf孔道边长(m)；l为颗粒捕集器dpf长度(m)；α为碳粒氧化完全度，α＝0.5-1；δhco为co的生成焓(j/(kg.mol)；为co2的生成焓(j/(kg.mol)；δp为通过dpf压差传感器117测量的颗粒捕集器dpf115进口与出口的压差(kpa)；

根据上面公式，推导出tcr<t2<tsafe，其中tsafe为dpf安全耐温阈值。

实施例中，计算出600℃<t2<750℃，即tcr为600℃，tsafe为750℃。

当颗粒捕集器dpf115工作一定时间后，排气背压值(即δp)达到再生排气背压阈值，dpf再生开始。在再生策略中，补气与喷油模块等是其控制系统的核心部分，前者通过负荷—氧浓度关系控制补气阀开闭来保证排气氧含量处于富余状态，而后者复杂得多，其控制算法则按以下过程进行：

所述控制单元(116)根据t2控制所述喷嘴(112)喷射燃油的流量，具体为：

式中：qburner(t)为理论排气温度texh(t)升高到t2时，喷射的燃油燃烧释放的能量(kj)；

qamb(t)为燃烧器热量散失率(kj/h)；

cp为定压比热容(kj/kg·k)；

qm为排气流量(kg/h)；

tburner(t)为理论加热温度(k)；

tamb为外界环境温度(k)；

texh(t)为理论排气温度(k)；

rt为热散失阻力，一般取0.35～0.4k.h/kj；

hμ为柴油低热值，一般为4.25×104kj/kg；

b为喷嘴(112)喷射燃油的喷油率(kg/h)。

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。