CN113606015A - 一种基于臭氧进行的dpf主动再生的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于臭氧进行的DPF主动再生的装置及方法涉及尾气后处理领域。在DPF工作过程中，微粒会沉积在过滤器内，当达到一定值时，就会导致发动机动力性和经济性等性能下降，因此必须通过DPF再生的方式及时除去沉积的微粒，以此保证DPF正常运行。本发明依据在一定温度下(200‑240℃范围内)臭氧气体对颗粒物具有强氧化的效果，可以高效快速地将颗粒物转化为二氧化碳。该装置包括臭氧发生器、热泵、风机等设备对DPF系统对碳颗粒进行再生，最终对DPF中的PM进行高效地去除。该发明还包括了应用该装置的检测方法。该专利有利于DPF的长期高效使用。
Description
技术领域
本发明涉及汽车尾气后处理技术领域，具体而言，涉及一种DPF主动再生装置及方法。
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(简称NOx)和颗粒物(Particulate matter,简称PM)，尤其是PM，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排放提出了更高的要求。柴油机颗粒捕集器(Diesel particulatefilter,简称DPF)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。然而随着DPF对排气中PM的不断捕集，DPF会被堵塞，从而导致柴油机排气背压升高、性能下降及油耗增加等后果，所以DPF技术的关键在于适时地清除DPF吸附的PM，即DPF的再生。
传统的DPF再生方式主要分为主动再生和被动再生。主动再生包括喷油加热再生、电加热再生、微波加热再生及红外加热再生等热再生方式。热再生技术主要利用外加能源加热使DPF上沉积的PM烧除。被动再生主要包括催化再生和连续再生。主动再生方式由于减少了一定工作量，因而具有更高的经济型和实用性。
现在行业中使用到的DPF主动再生过程往往存在以下问题：
随着柴油发动机的使用年限增加、机械磨损加剧、导致DPF在收集碳颗粒的过程中会含有若干的柴油甚至润滑油，它们的燃点要低于碳颗粒。再生过程中，温度不断升高，柴油从颗粒中析出，形成油蒸气，而当油蒸气的温度达到柴油的燃点时，柴油开始剧烈燃烧进而升温导致碳颗粒剧烈燃烧，最终将导致再生过程失控，DPF芯体烧毁，严重时甚至可引发安全事故。
臭氧(以下简称O3)作为一种强氧化剂，在污染物处理领域具有高效、净化效果好且能处理多种污染物的优势。O3可以通过与DPF内沉积的PM发生一系列化学反应，将PM氧化为CO2，从而达到去除PM、对DPF进行主动再生的目的。与此同时，O3与PM的最佳反应温度范围为200—240℃，远远低于PM的起燃温度，在该温度范围内O3与PM化学反应活化能最高，反应程度最剧烈。因此这种主动再生方式相比热再生更加安全可靠，具有极大的应用前景。
发明内容
本发明的目的包括，设计了一种DPF主动再生的装置及方法，使得在离线状态下，可以通过单独拆卸车上装有的DPF系统并将其安装在该装置上，通过臭氧的强氧化作用对DPF内的颗粒物进行主动再生。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：
一种再生DPF的系统，其特征在于，包括风机(1)、臭氧发生器(7)、热泵(5)、DPF反应箱(8)和控制器(13)；所述臭氧发生器的出气端与装有安全阀(19)的喷射管路连接向DPF再生支路起管(17)供入臭氧气体；通过质量流量控制器达到调节臭氧质量流量的目的；热泵(5)通过接受控制器的信号控制DPF内部环境的温度，达到使DPF再生时流入DPF反应箱(8)内的排气温度维持在200-240℃范围内，所述控制器接受温度传感器和压力传感器的信号后通过开启臭氧发生器的电源让臭氧发生器产生臭氧气体对DPF反应箱内的积碳进行再生；
风机(1)和热泵位于DPF再生支路起管(17)上；
所述DPF再生干路起管(15)与DPF再生支路起管(17)相连接，DPF再生干路起管(15)与DPF反应箱(8)入口处相连接；DPF反应箱(8)出口处与DPF再生干路尾管(16)相连接；
所述DPF再生干路尾管(16)在其管路一侧处装有一法兰盘，通过法兰方式与DPF再生支路尾管(18)相连接；
所述DPF再生支路尾管(18)在其管路一侧处装有一法兰盘，通过法兰方式与臭氧发生器相连接，DPF再生支路尾管(18)与DPF再生支路起管(17)相连接。
控制器分别连接第一温度传感器(4)、第二温度传感器(14)，第一压差传感器(3)、第二压差传感器(10)、第三压差传感器(11)和压力传感器(2)；所述第一温度传感器(4)和第二温度传感器(14)分别用于检测排气温度及DPF反应箱(8)内温度；第一、第二压差传感器用于检测DPF反应箱前后两端压差；第三压差传感器(11)用于检测DPF再生支路尾管处压差，防止气体泄漏；压力传感器(2)通过测量气体在整个再生系统中的压力大小的方式来控制气体的流速；最终通过实时信号的方式达到控制车载臭氧发生器及DPF系统工作的目的。
应用所述系统的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将车辆上的DPF反应箱单独拆卸下来，并将DPF反应箱安装于DPF再生干路起管(15)和DPF再生干路尾管(16)之间，同时臭氧发生器(7)安装在DPF再生支路起管(17)上，最后将DPF再生干路起管(15)、DPF再生干路尾管(16)、DPF再生支路起管(17)、DPF再生支路尾管(18)之间利用法兰进行连接；
步骤二：由于在不同工况下，DPF反应箱(8)能接受的两端的最大压差不同，因此以其所在车辆上柴油机的标定转速工况为标准，根据要进行再生的DPF系统的结构参数预先对其进行标定试验，测量DPF反应箱(8)两端压差上限阈值δpM和再生完成时的目标压差阈值δp0；
步骤三：开启再生系统中的热泵和风机，关闭臭氧发生器，测量DPF反应箱(8)实时压差阈值δp；
步骤四：在步骤二及步骤三的基础上，通过调节风机的功率从而调节进入DPF反应箱(8)内气体的流速，同时记录压力传感器(2)数据，确定反应所需管内气体的最低流速，并将此流速下压力传感器(2)的数值p1存储进控制器中；
步骤五：在完成了上述步骤后，正式开始对该DPF反应箱(8)进行再生。控制器通过第一压差传感器(3)和第二压差传感器(10)监测DPF前后端的压差大小δp，与控制器中预存的压差上限阈值δpM进行比较，以判断是否需要进行再生：当δp大于等于目标压差阈值δp0且小于等于压差上限阈值δpM时，即代表该DPF反应箱(8)需进行再生；
步骤六：在确定需要进行再生后，控制器开启热泵和风机，风机与热泵开始工作，控制器通过压力传感器(2)的数据与控制器中预存的气体所需最低流速下的压力值p1进行比较，从而调节风机功率，同时控制器通过第二温度传感器(14)的数据控制热泵功率，使DPF反应箱(8)内温度维持在200～240℃该温度窗内；
步骤七：控制器发出信号，开启臭氧发生器，打开安全阀(19)，将O3喷入循环管路，开始对DPF反应箱(8)内的积碳进行再生；
步骤八：当控制器通过第一压差传感器(3)、第二压差传感器(10)监测到DPF反应箱前后端压差δp降低时，向臭氧发生器发出信号，降低O3质量流量，以避免O3生成过多，造成环境污染；当控制器监测到DPF反应箱前后端压差δp小于等于DPF，再生完成时的目标压差阈值δp0时即认为再生完成；控制器发出信号臭氧发生器，关闭喷射系统。
臭氧发生器(7)还包括质量流量计、冷却水泵、阀门、电源装置、供气风机及相关连接管路；电源装置用于给臭氧发生器(7)供电，SPA制氧系统安装在臭氧发生器(7)内，用于产生臭氧，供气风机则通过装有质量流量计的管路与臭氧发生器(7)的进气口相连接，臭氧发生器(7)的出气口与装有气体控制阀的喷射管路连接从而向DPF反应箱(8)内通入臭氧气体。
所述DPF再生支路起管(17)安装在DPF反应箱(8)前端面；臭氧发生器冷却方式采用水冷式冷却，冷却水水流量需大于15L/min，水温低于30℃，冷却水由进水口进入臭氧发生器内部并经过出水口排出。
臭氧发生器内部控制器由控制器、电源模块、供气风机及质量流量计组成，控制器安装在车内以便于实时调节O3产量。
所述DPF再生支路起管(17)尾端连接有一风机和热泵，风机的主要作用为：调节DPF再生支路起管(17)管内的流速，缩短反应时间，提高DPF再生效率；
热泵的主要作用有：调节DPF再生干路起管(17)末端的温度，使进入DPF反应箱内的尾气与O3气体达到最佳温度窗200-240℃，提高DPF再生效率；
所述DPF反应箱(8)内安装温度传感器以检测DPF反应箱(8)内部温度T；所述第一、第二温度传感器均与控制器相连，控制器内预存DPF再生最佳温度窗200-240℃；所述热泵(5)可以通过改变进入DPF反应箱(8)内气体的温度，从而改变DPF反应箱内温度，使其维持在再生最佳温度窗200-240℃内；
所述第一压差传感器(3)、第二压差传感器(10)分别安装在DPF反应箱(8)前端和后端，用于检测DPF反应箱(8)前后压力差；控制器中预存由DPF压差上限阈值δpM、压差中间阈值δpm以及DPF再生完成时的目标压差阈值δp0，因此第一压差传感器(3)、第二压差传感器(10)可以通过实时采集DPF反应箱(8)前后两端的压差δp并通过与控制器中预存的压力阈值进行对比来判断DPF是否需要进行再生；
本发明装置的有益效果：可以在离线状态下通过O3有效地吸收DPF内残存的积碳，并将其转化为CO2，高效地完成DPF主动再生过程。
再生过程中DPF反应箱内温度处于200～240℃范围内，远低于碳颗粒及柴油燃点，因此不会造成燃油蒸气爆燃从而引起DPF内的碳颗粒爆燃，可以达到保护DPF，延长使用寿命的作用。
附图说明
图1为本发明所述DPF再生系统的结构示意图；
图2位本发明所述DPF再生系统安装步骤流程图；
图3为本发明所述DPF标定试验及判断DPF内部堵塞程度试验步骤流程图；
图4为本发明所述DPF再生控制方法的示例性步骤流程图。
附图标记如下：
1-风机；2-压力传感器；3-压差传感器；4-温度传感器；5-热泵；6-安全阀；7-臭氧发生器；8-DPF反应箱；9-压差计算装置；10-压差传感器；11-压差传感器；12-安全阀；13-控制器；14-温度传感器；15-DPF再生干路起管；16-DPF再生干路尾管；17-DPF再生支路起管；18-DPF再生支路尾管；19-安全阀。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可
以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连
接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述本发明：
如图1所示，本发明所述的DPF主动再生系统包括热泵、风机、臭氧发生器、DPF反应箱、控制器及若干压差传感器、温度传感器，所述风机和热泵安装于所述DPF再生支路起管(17)上，热泵和风机均位于DPF再生支路起管(17)；
所述DPF再生干路起管(15)与DPF再生支路起管(17)相连接，DPF再生干路起管(15)与DPF反应箱(8)入口处相连接；DPF反应箱(8)出口处与DPF再生干路尾管(16)相连接；
所述DPF再生干路尾管(16)在其管路一侧处装有一法兰盘，通过法兰方式与DPF再生支路尾管(18)相连接；
所述DPF再生支路尾管(18)在其管路一侧处装有一法兰盘，通过法兰方式与臭氧发生器相连接，DPF再生支路尾管(18)与DPF再生支路起管(17)相连接；
所述臭氧发生器控制阀、温度传感器及压差、压力传感器均与控制器相连。
所述臭氧发生器安全阀(19)在臭氧发生器停机时皆处于关闭状态，当DPF系统需要进行再生时，臭氧发生器开始工作产生O3气体，开启安全阀(19)，O3气体通过管路对DPF进行再生。
图4所示为DPF再生的流程图；在使用之前，首先要对DPF系统及臭氧发生器进行标定试验，以其所在车辆上柴油机的标定转速工况为标准，测量DPF反应箱(8)两端压差上限阈值δpM和再生完成时的目标压差阈值δp0；将压差上限阈值δpM、再生目标压差δp0、以及反应所需管内气体的最低流速，将此流速下压力传感器(2)的值p1存入控制器中；
控制器通过第一压差传感器(3)、第二压差传感器(10)监测DPF前后端的压差大小δp，与控制器中预存的压差上限阈值δpM以及DPF再生完成时的目标压差阈值δp0进行比较，以判断是否需要进行再生；
当控制器监测到DPF前后端压差δp处于压差上限阈值δpM以及DPF再生完成时的目标压差阈值δp0之间时，即认为DPF需要进行再生；
此时通过检测压力传感器(2)传来的信号，控制器控制风机进行工作，并通过控制器与压力传感器(2)的监测使DPF再生系统内的压力大于标定试验中测得的压力值p1；
通过检测第二温度传感器(14)传来的信号，控制器控制热泵进行工作，并通过控制器及第二温度传感器(14)的监测使DPF反应箱(8)内温度保持在最佳再生温度200-240℃范围内；DPF再生完成后风机、热泵和臭氧发生器都停止工作。
所有再生过程都是在离线状态下进行的，避免排气流量过大以及排气温度过高从而影响O3气体与DPF内部积碳颗粒的反应程度；所有DPF再生过程都是在最佳再生温度范围内进行的，提高了O3及排气余热能量的利用率；因此，本发明提高了DPF再生效率并有效地节约了能源。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行修改、变化、替换和变型。
Claims (3)
1.一种再生DPF的系统，其特征在于，包括风机(1)、臭氧发生器(7)、热泵(5)、DPF反应箱(8)和控制器(13)；所述臭氧发生器的出气端与装有安全阀(19)的喷射管路连接向DPF再生支路起管(17)供入臭氧气体；通过质量流量控制器达到调节臭氧质量流量的目的；热泵(5)通过接受控制器的信号控制DPF内部环境的温度，达到使DPF再生时流入DPF反应箱(8)内的排气温度维持在200-240℃范围内，所述控制器接受温度传感器和压力传感器的信号后通过开启臭氧发生器的电源让臭氧发生器产生臭氧气体对DPF反应箱内的积碳进行再生；
风机(1)和热泵均位于DPF再生支路起管(17)上；
所述DPF再生干路起管(15)与DPF再生支路起管(17)相连接，DPF再生干路起管(15)与DPF反应箱(8)入口处相连接；DPF反应箱(8)出口处与DPF再生干路尾管(16)相连接；
所述DPF再生干路尾管(16)在其管路一侧处装有一法兰盘，通过法兰方式与DPF再生支路尾管(18)相连接；
所述DPF再生支路尾管(18)在其管路一侧处装有一法兰盘，通过法兰方式与臭氧发生器相连接，DPF再生支路尾管(18)与DPF再生支路起管(17)相连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，控制器分别连接第一温度传感器(4)、第二温度传感器(14)，第一压差传感器(3)、第二压差传感器(10)、第三压差传感器(11)和压力传感器(2)；所述第一温度传感器(4)和第二温度传感器(14)分别用于检测排气温度及DPF反应箱(8)内温度；第一、第二压差传感器用于检测DPF反应箱前后两端压差；第三压差传感器(11)用于检测DPF再生支路尾管处压差，防止气体泄漏；压力传感器(2)通过测量气体在整个再生系统中的压力大小的方式来控制气体的流速；最终通过实时信号的方式达到控制车载臭氧发生器及DPF系统工作的目的。
3.应用如权利要求1所述系统的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将车辆上的DPF反应箱单独拆卸下来，并将DPF反应箱安装于DPF再生干路起管(15)和DPF再生干路尾管(16)之间，同时臭氧发生器(7)安装在DPF再生支路起管(17)上，最后将DPF再生干路起管(15)、DPF再生干路尾管(16)、DPF再生支路起管(17)、DPF再生支路尾管(18)之间利用法兰进行连接；
步骤二：由于在不同工况下，DPF反应箱(8)能接受的两端的最大压差不同，因此以其所在车辆上柴油机的标定转速工况为标准，根据要进行再生的DPF系统的结构参数预先对其进行标定试验，测量DPF反应箱(8)两端压差上限阈值δpM和再生完成时的目标压差阈值δp0；
步骤三：开启再生系统中的热泵和风机，关闭臭氧发生器，测量DPF反应箱(8)实时压差阈值δp；
步骤四：在步骤二及步骤三的基础上，通过调节风机的功率从而调节进入DPF反应箱(8)内气体的流速，同时记录压力传感器(2)数据，确定反应所需管内气体的最低流速，并将此流速下压力传感器(2)的数值p1存储进控制器中；
步骤五：在完成了上述步骤后，正式开始对该DPF反应箱(8)进行再生。控制器通过第一压差传感器(3)和第二压差传感器(10)监测DPF前后端的压差大小δp，与控制器中预存的压差上限阈值δpM进行比较，以判断是否需要进行再生：当δp大于等于目标压差阈值δp0且小于等于压差上限阈值δpM时，即代表该DPF反应箱(8)需进行再生；
步骤六：在确定需要进行再生后，控制器开启热泵和风机，风机与热泵开始工作，控制器通过压力传感器(2)的数据与控制器中预存的气体所需最低流速下的压力值p1进行比较，从而调节风机功率，同时控制器通过第二温度传感器(14)的数据控制热泵功率，使DPF反应箱(8)内温度维持在200～240℃该温度窗内；
步骤七：控制器发出信号，开启臭氧发生器，打开安全阀(19)，将O3喷入循环管路，开始对DPF反应箱(8)内的积碳进行再生；
步骤八：当控制器通过第一压差传感器(3)、第二压差传感器(10)监测到DPF反应箱前后端压差δp降低时，向臭氧发生器发出信号，降低O3质量流量，以避免O3生成过多，造成环境污染；当控制器监测到DPF反应箱前后端压差δp小于等于DPF，再生完成时的目标压差阈值δp0时即认为再生完成；控制器发出信号臭氧发生器，关闭喷射系统。
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