船舶柴油機dpf自動再生裝置及再生方法
【專利摘要】本發明涉及一種DPF的輔助裝置，特別涉及一種船舶柴油機DPF自動再生裝置及再生方法。該再生裝置包括排氣管道、DPF、壓差傳感器、ECU、等離子體發生電源及電源電路，所述排氣管道由進氣排氣管和出氣排氣管構成，DPF串聯連接在進氣排氣管和出氣排氣管間，壓差傳感器的兩個探頭分別設置在DPF進氣端和出氣端，且壓差傳感器信號輸出端接ECU的信號輸入端，等離子體發生電源的控制端接ECU的信號輸出端；DPF內具有多個孔道，在DPF孔道的上下兩壁均布置有平行的極板。本發明能夠實現自動監測、主動控制、完全再生，防止過濾器堵塞失效等功能。
【專利說明】
船舶柴油機DPF自動再生裝置及再生方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種DPF的輔助裝置，特別涉及一種船舶柴油機DPF自動再生裝置及再生方法。
【背景技術】
[0002]據統計，船舶發動機造成的大氣污染已成為繼機動車尾氣污染、工業企業排放之后我國的第三大大氣污染來源。隨著環境保護問題的重要性日趨增加，降低船舶發動機有害排放物這一目標成為當今世界上發動機發展的一個重要方向。一般而言，在船舶使用的柴油發動的廢氣中大量含有一氧化碳、氮氧化物、顆粒狀物質(碳煙)等有害成份。為了去除這種柴油發動機的排氣氣體中的有害物質，在船舶發動機后處理裝置中設有柴油微粒過濾裝置(DieseI ParticulateFi Iter，DPF)，所謂DPF是指過濾、捕集廢氣中的顆粒狀物質(Particulate Matter)的裝置。
[0003]顆粒狀物質(PM)或碳煙(Soot)被DPF捕集后，為了去除捕集的PM而執行再生過程，即使被DPF捕集的PM與氧氣或其它氧化物質反應而使得氧化。現有技術方案中，發動機在采用“D0C+DPF”且DPF采用被動再生技術路線降低尾氣排放時，DPF被動再生是依靠發動機排氣熱量使顆粒物和二氧化氮(D0C段的反應產物)燃燒實現的。該技術路線在DPF再生時存在的缺點是:當發動機在特定工況(如低速低負荷等工況)排氣溫度較低時，排氣不能提供足夠的熱量使顆粒物和二氧化氮燃燒，從而導致DPF再生失敗，排氣系統背壓上升，發動機性能惡化，嚴重時甚至存在導致整臺發動機報廢的隱患;且所述現有技術方案的使用范圍有限，尤其不適用在低速低負荷等工況較多的公交車發動機上。而DPF主動再生需要在DPF中噴射燃油助燃，造成DPF再生的成本上升。
[0004]現有技術方案中，發動機DPF再生指的是當DPF中存儲的顆粒物達到一定限度，通過壓差傳感器檢測到DPF出口和入口壓差升高到某一限值，必須采取措施除掉DPF中顆粒物的技術。DPF主動再生是指在DPF中噴射燃油助燃，推動DPF再生的技術;DPF被動再生指的是僅依靠發動機排氣熱量使DPF再生的技術。發動機在采用“D0C+DPF”且DPF采用被動再生技術路線降低尾氣排放的原理是:DOC(氧化催化器)是發動機尾氣凈化氧化反應的主要場所，DPF(顆粒捕捉器)攔截并存儲、燃燒排氣中的顆粒物(PM)。
[0005]CN103758614A、名稱“DPF自動再生系統及再生方法”，利用ART ElectronicControl Unit(E⑶)實時采集DPF兩端的壓力差，當壓力達到再生設定值時，ART E⑶控制柴油發動機排氣后處理升溫裝置中的加熱棒加熱、控制空氣閥打開向柴油發動機排氣后處理升溫裝置中的供氣管道供氣、控制噴油栗向柴油發動機排氣后處理升溫裝置中的輸油管定量供油，從而實施DPF的再生。當ART ECU中的檢測熱電耦檢測溫度達到設定值時，表示再生完成，退出再生，停止柴油發動機排氣后處理升溫裝置加熱棒、噴油栗、空氣閥的工作。但是該專利需要額外噴油影響了發動機的排氣特性，同時增加了耗油量。
[0006]CN104564247A、名稱“柴油發動機DPF低溫再生點火器”，為了能夠實現均恒再生，避免局部再生所帶來的DPF捕集器假再生，改進了柴油發動機DPF的再生點火器，其包括點火棒總成、儲熱體總成、點火器燃燒室總成，點火器風葉外護套前端與點火棒總成連接，儲熱體總成、點火器燃燒室總成位于點器風葉外護套內，流體整流罩位于點火器風葉外護套內且直對點燃燒室總成后端，點火器風葉外護套后端與擾流器前端連通。但點火器和燃燒室溫度較高，容易造成DPF再生損壞，同時在檢測是否再生準確度不足。
[0007]除此之外，采用催化氧化進行DPF再生的技術也相對成熟，但催化氧化DPF中的積碳所需的再生溫度較高，再生時間較長，也難以實現完全再生，同時催化氧化積碳所用的催化劑價格較高，壽命也不長，增加了整個尾氣處理裝置的成本。因此，亟須一種低成本，低能耗，高效率，又不影響發動機性能的DPF系統，使其在船舶尾氣處理過程中發揮巨大的作用。
【發明內容】
[0008]本發明提供一種低成本，低能耗，高效率，又不影響發動機性能的船舶柴油機DPF自動再生裝置，其能夠實現自動監測、主動控制、完全再生，防止過濾器堵塞失效等功能。
[0009 ]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
一種船舶柴油機DPF自動再生裝置，該再生裝置包括排氣管道、DPF、壓差傳感器、E⑶、等離子體發生電源及電源電路，所述排氣管道由進氣排氣管和出氣排氣管構成，DPF串聯連接在進氣排氣管和出氣排氣管間，壓差傳感器的兩個探頭分別設置在DPF進氣端和出氣端，且壓差傳感器信號輸出端接ECU的信號輸入端，等離子體發生電源的控制端接ECU的信號輸出端;DPF內具有多個孔道，在DPF孔道的上下兩壁均布置有平行的極板，其中一極板接于等離子體發生電源，另外一極板接地，使DPF的每個孔道的腔室均構成一個低溫等離子體發生器。
[0010]為了實現船舶發動機排氣的凈化處理，DPF裝置是船舶柴油機尾氣PM脫除必不可少的一環，但是船舶較惡劣的運行條件以及較差的油質也對DPF裝置提出了更高的要求。本發明設計了一種利用低溫等離子體(NTP)主動再生船舶柴油DPF的裝置，并能夠實現，自動監測、主動控制、完全再生的船用DPF自動再生裝置及再生方法。為了實現上述目的，本發明采用了以下的設計，一是使DPF中產生低溫等離子體(NTP)，利用NTP使得捕集下來的顆粒物被氧化，實現再生;二是采用基于DPF壓差模型的再生開始判斷和基于閉環壓差控制的再生終止判斷方法。
[0011 ]優選地，所述的極板布置在DPF的孔道內壁上，極板包括高壓極板和接地極板，每層孔道的上下兩層均分別布置有高壓極板和接地極板，極板通過延伸至DPF殼體固定。
[0012]優選地，所述高壓極板與接地極板之間的距離為5?8mm，每塊極板的厚度為0.3?
0.5mm，高壓極板與接地極板的長度為100?200mm。
[0013]優選地，所述等離子體發生電源為高壓高頻交流電源或高壓高頻脈沖電源，高壓高頻交流電源的頻率為50Hz?1kHz，峰值電壓為1kV?60kV，高壓高頻脈沖電源脈沖頻率為50Hz?10kHz，峰值電壓為1kV?80kV，脈沖寬度為20ys?10ms。
[0014]一種船舶柴油機DPF自動再生方法，采用所述的再生裝置，E⑶實時采集DPF兩端的壓力差，當壓力差達到再生設定值Pl時，E⑶控制再生裝置中的等離子體發生電源放電，使DPF孔道內產生低溫等離子體，氧化捕集下來的顆粒物，從而實施再生，當ECU檢測到DPF兩端的壓力差信號達到終止再生的設定值P2時，表示再生完成，裝置終止再生過程，停止再生裝置的等離子體發生電源的供電。
[0015]優選地，所述船舶柴油機DPF自動再生方法中，選取的DPF開始再生的壓差信號設定值為16?20kPa，終止再生的壓差信號設定值為4?8kPa。
[0016]優選地，所述的再生方法具體為:
再生開始判斷:通過ECU輸入端從壓差傳感器獲得的實時監測的壓差信號來判斷是否需要進入再生過程；當DPF使用初期，內部積存的PM較少，DPF兩端的壓差值在Pl以下基本平衡；當DPF長時間使用，由于PM的積累，導致DPF發生堵塞現象，壓差信號會持續上升，利用額定含量內和超出額定含量兩種不同的壓差來判定是否進入自動再生;壓差信號反饋至ECU后，ECT對壓差信號進行判斷，當DPF兩端壓差信號值小于等于設定值Pl，不啟動再生程序；當DPF兩端壓差信號值大于設定值Pl，啟動再生程序；
再生程序啟動后，ECU4對等離子體發生電源發出啟動指令，等離子體發生電源啟動后，在DPF2孔道的高壓極板和接地極板間產生低溫等離子體，PM被氧化實現再生，壓差傳感器測得的壓差信號逐漸下降；
再生終止判斷:當壓差傳感器測得的壓差信號值達到設定值P2時，表明PM基本再生完成，壓差信號反饋至ECU，ECU對等離子體發生電源發出停止指令，等離子體發生電源停止，再生終止。
[0017]本發明結合等離子體再生船舶柴油機DPF裝置采用高壓高頻交流電源或高壓高頻脈沖電源等放電方式，輸入能量更高，更易于調節;基于壓差的等離子體能量輸入控制，易于放大，運行更穩定;再生判斷準確度高，再生時間短，再生完全;可以實現自動和主動再生。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的整體結構圖；
圖2是本發明DPF再生裝置中低溫等離子發生裝置結構圖。
[0019]圖3是本發明DPF主動再生裝置進行再生的控制流程圖。
[0020]圖4是本發明DPF再生過程的閾值說明圖。
[0021]圖5是本發明DPF再生時間與實測排氣背壓曲線圖。
[0022]圖中:11、進氣排氣管，12、出氣排氣管，2、DPF，3、壓差傳感器，4、E⑶，5、等離子體發生電源，61、高壓極板，62、接地極板。
【具體實施方式】
[0023]下面通過具體實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的具體說明。應當理解，本發明的實施并不局限于下面的實施例，對本發明所做的任何形式上的變通和/或改變都將落入本發明保護范圍。下述實施例中的方法，如無特別說明，均為本領域的常規方法。
[0024]實施例1:
如圖1和圖2所示的一種船舶柴油機DPF自動再生裝置，由排氣管道、DPF2、壓差傳感器
3、E⑶4、等離子體發生電源5及電源電路組成，所述排氣管道由與DPF的進氣口連接的進氣排氣管11和與DPF的出氣口連接的出氣排氣管12構成，DPF2串聯連接在進氣排氣管11和出氣排氣管12之間，壓差傳感器3的兩個探頭31和32分別設置在DPF進氣端和出氣端，且壓差傳感器的信號輸出端接ECU4的信號輸入端，等離子體發生電源5的控制端接ECU的信號輸出端。DPF內具有多個孔道，在DPF孔道的上下兩壁均布置有平行的長方形的高壓極板61和接地極板62，其中高壓極板61的一端與等離子體發生電源相連，接地極板62的一端接地，使得DPF的每個孔道的腔室均構成一個低溫等離子體發生器，作為船舶柴油機DPF再生的主要功能部件。DPF內的每個孔道都設有一組極板。
[0025]每層孔道的上下兩層均分別布置有高壓極板和接地極板，所述的高壓極板和接地極板布置在DPF的孔道內壁上，通過延伸至DPF殼體固定。所述高壓極板與接地極板之間的距離為5?8mm，每塊極板的厚度為0.3?0.5mm，高壓極板與接地極板的長度為100?200mm。
[0026]裝置電路:船舶柴油發動機工作環境復雜，氣候環境、工況環境、電磁環境惡劣。電控ECU在設計時必須充分考慮電路的單個元器件的適應性都達到復雜環境的應用，所有器件的工作溫度選擇都必須可以滿足-45° 095° C的工作范圍。工況環境和電磁環境的變化帶來電路噪聲，最易影響的是電源等離子放電的穩定性，設計時充分考慮各個因數的影響，通過以下的電路設計保證設計的性能達到設計要求。
[0027]壓差采集:分別將壓差傳感器3的探頭置于DPF的進氣端和出氣端，探頭31采集的進氣端壓力信號和探頭32采集的出氣端壓力信號進入壓差傳感器將前后的壓差信號轉換為電信號接入ECU輸入端，實現壓力采集。
[0028]NTP控制:等離子體發生電源5的供電由船舶發動機提供，在DPF孔道的上下兩壁布置有平行的長方形的高壓極板61和接地極板62，高壓極板61接等離子體發生電源5，接地極板62接地。
[O O2 9 ]所述高壓極板61和接地極板6 2的厚度為0.5 mm，極板間的距離為5 mm，電源功率為8kW，輸出電壓為15kV，頻率為1kHz。
[0030]
實施例2:
一種使船舶柴油機DPF實現自動再生的方法，采用實施例1的再生裝置，控制流程圖見圖3，ECU實時采集DPF兩端的壓力差，當壓力差達到再生設定值Pl時，ECU控制再生裝置中的等離子體發生電源放電，使DPF孔道內產生低溫等離子體，氧化捕集下來的顆粒物，從而實施再生，當ECU檢測到DPF兩端的壓力差信號達到終止再生的設定值P2時，表示再生完成，裝置終止再生過程，停止再生裝置的等離子體發生電源的供電。
[0031 ]上述自動再生的方法具體步驟如下:
再生開始判斷:通過ECU4輸入端從壓差傳感器3獲得的實時監測的壓差信號來判斷是否需要進入再生過程。當DPF2使用初期，內部積存的PM較少，DPF2兩端的壓差值在Pl以下基本平衡；當DPF2長時間使用，船舶平均行駛700km，由于PM的積累，導致DPF2發生堵塞現象，壓差信號會持續上升，利用額定含量內和超出額定含量兩種不同的壓差來判定是否進入自動再生。壓差信號反饋至ECU后，ECT對壓差信號進行判斷，當DPF兩端壓差信號值小于等于設定值Pl，不啟動再生程序;當DPF兩端壓差信號值大于設定值Pl，啟動再生程序。
[0032]再生程序啟動后，ECU4對等離子體發生電源5發出啟動指令，等離子體發生電源5啟動后，在DPF2孔道的高壓極板61和接地極板62間產生低溫等離子體，PM被氧化實現再生，壓差傳感器3測得的壓差信號逐漸下降。
[0033]再生終止判斷:當壓差傳感器3測得的壓差信號值達到設定值P2時，表明PM基本再生完成，壓差信號反饋至ECU，ECU對等離子體發生電源5發出停止指令，等離子體發生電源5停止，再生終止。
[0034]所述DPF再生方法中選取的DPF開始再生的壓差信號設定值Pl為18kPa，終止再生的壓差信號設定值P2為6kPa，從而實現對船舶柴油機DPF裝置自動再生。DPF再生過程的閾值說明圖如圖4所示，開始與終止再生的壓差信號值通過實驗優選得到，該圖可以看出本發明裝置可以實現DPF的連續主動再生，再生時間短，效果明顯。
[0035]采用實施例1的裝置對某船舶柴油機DPF排氣端的排氣背壓進行檢測，DPF再生時間與實測排氣背壓曲線圖如圖5所示，當DPF長時間未再生時，具有較高的排氣背壓，DPF脫除碳煙效率將會下降并會對發動機性能造成顯著影響。采用本發明DPF再生裝置開始再生時，排氣背壓迅速下降，在再生后250s時，排氣背壓已經降到6kPa以下，沉積物基本處理完全，船舶柴油機DPF恢復正常使用。
[0036]以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，并非對本發明作任何形式上的限制，在不超出權利要求所記載的技術方案的前提下還有其它的變體及改型。
【主權項】
1.一種船舶柴油機DPF自動再生裝置，其特征在于:該再生裝置包括排氣管道、DPF、壓差傳感器、ECU、等離子體發生電源及電源電路，所述排氣管道由進氣排氣管和出氣排氣管構成，DPF串聯連接在進氣排氣管和出氣排氣管間，壓差傳感器的兩個探頭分別設置在DPF進氣端和出氣端，且壓差傳感器信號輸出端接ECU的信號輸入端，等離子體發生電源的控制端接ECU的信號輸出端;DPF內具有多個孔道，在DPF孔道的上下兩壁均布置有平行的極板，其中一極板接于等離子體發生電源，另外一極板接地，使DPF的每個孔道的腔室均構成一個低溫等離子體發生器。2.根據權利要求1所述的船舶柴油機DPF自動再生裝置，其特征在于:所述的極板布置在DPF的孔道內壁上，極板包括高壓極板和接地極板，每層孔道的上下兩層均分別布置有高壓極板和接地極板，極板通過延伸至DPF殼體固定。3.根據權利要求2所述的船舶柴油機DPF自動再生裝置，其特征在于:所述高壓極板與接地極板之間的距離為5?8mm，每塊極板的厚度為0.3?0.5mm，高壓極板與接地極板的長度為100?200mm。4.根據權利要求1所述的船舶柴油機DPF自動再生裝置，其特征在于:所述等離子體發生電源為高壓高頻交流電源或高壓高頻脈沖電源，高壓高頻交流電源的頻率為50Hz?1kHz，峰值電壓為1kV?60kV，高壓高頻脈沖電源脈沖頻率為50Hz?1kHz，峰值電壓為1kV?80kV，脈沖寬度為20ys?10ms。5.—種船舶柴油機DPF自動再生方法，其特征在于:采用權利要求1所述的再生裝置，ECU實時采集DPF兩端的壓力差，當壓力差達到再生設定值Pl時，ECU控制再生裝置中的等離子體發生電源放電，使DPF孔道內產生低溫等離子體，氧化捕集下來的顆粒物，從而實施再生，當E⑶檢測到DPF兩端的壓力差信號達到終止再生的設定值P2時，表示再生完成，裝置終止再生過程，停止再生裝置的等離子體發生電源的供電。6.根據權利要求5所述的船舶柴油機DPF自動再生方法，其特征在于:所述船舶柴油機DPF自動再生方法中，選取的DPF開始再生的壓差設定值為16?20kPa，終止再生的壓差設定值為4?8kPa。7.根據權利要求5所述的船舶柴油機DPF自動再生方法，其特征在于:所述的再生方法具體為: 再生開始判斷:通過ECU輸入端從壓差傳感器獲得的實時監測的壓差信號來判斷是否需要進入再生過程；當DPF使用初期，內部積存的PM較少，DPF兩端的壓差值在Pl以下基本平衡；當DPF長時間使用，由于PM的積累，導致DPF發生堵塞現象，壓差信號會持續上升，利用額定含量內和超出額定含量兩種不同的壓差來判定是否進入自動再生;壓差信號反饋至ECU后，ECT對壓差信號進行判斷，當DPF兩端壓差信號值小于等于設定值Pl，不啟動再生程序；當DPF兩端壓差信號值大于設定值Pl，啟動再生程序； 再生程序啟動后，ECU4對等離子體發生電源發出啟動指令，等離子體發生電源啟動后，在DPF2孔道的高壓極板和接地極板間產生低溫等離子體，PM被氧化實現再生，壓差傳感器測得的壓差信號逐漸下降； 再生終止判斷:當壓差傳感器測得的壓差信號值達到設定值P2時，表明PM基本再生完成，壓差信號反饋至ECU，ECU對等離子體發生電源發出停止指令，等離子體發生電源停止，再生終止。
【文檔編號】F01N3/027GK105927326SQ201610435301
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】高翔, 竺新波, 鄭成航, 岑可法, 駱仲泱, 張爍, 王耀霖, 倪明江, 周勁松, 翁衛國, 吳衛紅, 張涌新
【申請人】浙江大學