一种尾气双向流DPF系统及其控制方法

一种尾气双向流dpf系统及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及尾气后处理技术领域，尤其是涉及一种尾气双向流dpf系统及其控制方法。


背景技术：

2.柴油机排气中的污染物包括一氧化碳(co)、碳氢(hc)、氮氧化合物、颗粒物(pm)。尾气后处理系统常包括柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst，doc)、柴油机颗粒物捕集器(diesel particulate filter，dpf)、选择性催化还原器(selective catalytic reduction，scr)。柴油机颗粒物捕集器对颗粒物的捕集效率高达95％，是目前公认的能够有效处理颗粒物排放的技术手段之一。
3.目前应用最广泛的是壁流式蜂窝过滤体的dpf，壁流式蜂窝载体的出口及入口端面上布满很多沿轴向相互平行的窄小孔道，相邻孔道之间有多孔介质壁相连，各个孔道的入口和出口两端交替封堵，呈现出一个蜂窝状结构。这种结构迫使尾气从入口孔道进入，流经多孔壁面，从相邻的出口孔道流出，在该过程中，颗粒物被捕集到多孔壁面内或沉积在壁面上。随着行驶里程的增加，捕集的颗粒积累在捕集器内，导致排气背压增加，造成柴油机经济性和动力性下降，一般通过主、被动再生及时将捕集器中的颗粒物清除。主动再生一般指利用外加能量提高排气温度，使得颗粒物燃烧；被动再生指的是依靠原本的排气温度和no2在催化剂涂层的作用下与碳颗粒反应去除颗粒物。
4.但是，在现有的尾气后处理系统中，尾气经过doc后从dpf入口孔道流入，出口孔道流出，捕集的颗粒物在孔道内形成的碳烟层厚度沿着尾气流向逐渐增大。同时，pm再生后产生的不可燃烧的灰分也会因碳烟分布和尾气流向以堵头形式沉积在通道末端，过滤体的有效过滤长度随着灰分堵头量的增大而逐渐减少，进一步使碳烟的分布向过滤体的中部、前端沉积，碳烟层厚度随之增大，通道直径和过滤体长度的减小导致载体的过滤效率下降，排气经过dpf通道和壁流速度增大，导致dpf的压降增大，主动再生时机提前，降低了dpf的寿命。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种尾气双向流dpf系统及其控制方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种尾气双向流dpf系统，包括第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路、dpf主体、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀和第六控制阀；
8.所述dpf主体安装在第二管路上，所述第一管路连通dpf主体的上游，所述第三管路连通dpf主体的下游，所述第二管路的第一端与第一管路相连，所述第二管路的第二端与第三管路相连，所述第一控制阀用于通断第一管路和第二管路，所述第二控制阀用于通断
第二管路和第三管路；
9.所述第四管路的第一端与第一管路相连，所述第四管路的第二端与第二管路的第二端相连，所述第三控制阀用于通断第一管路和第四管路，所述第四控制阀用于通断第四管路和第二管路；
10.所述第五管路的第一端与第二管路的第一端相连，所述第五管路的第二端与第三管路相连，所述第五控制阀用于通断第二管路和第五管路，所述第六控制阀用于通断第五管路和第三管路。
11.进一步地，所述dpf主体的入口端和出口端安装有压力传感器。
12.进一步地，所述dpf主体内涂覆催化剂，催化剂活性组分为pt、pd，催化剂涂层材料为al2o3。
13.进一步地，还包括副dpf，所述副dpf安装在dpf主体的下游，所述第三管路连通副dpf的入口端。
14.进一步地，所述副dpf的容积小于dpf主体。
15.进一步地，所述副dpf内涂覆催化剂，催化剂活性组分为pt、pd，催化剂涂层材料为al2o3。
16.进一步地，所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀和第六控制阀为单向阀。
17.一种尾气双向流dpf系统的控制方法，包括以下步骤：
18.获取碳载量-背压模型，确定最大碳载量对应的背压限值pmax，设置控制阀切换背压限值psw；
19.获取dpf主体的实时背压p，若实时背压超过最大碳载量对应的背压限值，则触发dpf主体再生，若实时背压超过控制阀切换背压限值且未超过最大碳载量对应的背压限值，则触发控制阀切换操作，否则，重复此步骤。
20.进一步地，所述控制阀切换操作为：
21.调整第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀和第六控制阀，从尾气正向流经dpf主体状态切换至尾气反向流经dpf主体状态，或从尾气反向流经dpf主体状态切换至尾气正向流经dpf主体状态；
22.尾气正向流经dpf主体状态下，第一控制阀导通第一管路和第二管路，第二控制阀导通第二管路和第三管路，第三控制阀断开第一管路和第四管路，第四控制阀断开第四管路和第二管路，第五控制阀断开第二管路和第五管路，第六控制阀断开第五管路和第三管路；
23.尾气反向流经dpf主体状态下，第一控制阀断开第一管路和第二管路，第二控制阀断开第二管路和第三管路，第三控制阀导通第一管路和第四管路，第四控制阀导通第四管路和第二管路，第五控制阀导通第二管路和第五管路，第六控制阀导通第五管路和第三管路。
24.进一步地，控制阀切换背压限值的值为：
25.psw＝k*pmax
26.其中，k为关键参数，取值范围为[0.6，0.9)。
[0027]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0028]
(1)通过流通管路及控制阀门的设置，实现尾气能正向流经dpf主体也能反向流经dpf主体，能够切换尾气流过dpf主体的流向，避免了碳载量及灰分层厚度在通道内沿单一流向逐渐变大，解决了过滤体有效过滤长度的减小的问题。
[0029]
(2)尾气在dpf主体内双向流动能够使捕集的颗粒物分布均匀，使得颗粒物与催化剂涂层充分均匀接触，提高了催化剂的被动再生强度，延缓了dpf的主动再生时机，减少了dpf的主动再生次数，提高了主dpf的使用寿命。
[0030]
(3)本发明使得灰分层在过滤体通道中均匀分布，形成过滤介质，能够在一定程度上提高主dpf的过滤效率。
附图说明
[0031]
图1为尾气双向流dpf的结构示意图；
[0032]
图2为获取最大背压限值的流程图；
[0033]
图3为尾气双向流dpf工作控制方法流程图；
[0034]
附图标记：1、发动机；2、doc；3、第一管路；4、第四管路；5、第二管路；6、第五管路；7、第三管路；8、第三控制阀；9、第一控制阀；10、第五控制阀；11、第六控制阀；12、第二控制阀；13、第四控制阀；14、压力传感器；15、dpf主体；16、dpf主体的过滤体；17、副dpf；18、副dpf的过滤体。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0036]
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，展示各个部件之间的配合关系，附图中有些地方适当放缩了部件，并增减了部件之间的距离。
[0037]
在本技术实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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技术的限制。
[0038]
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0039]
在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况
理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0040]
一种尾气双向流dpf系统，包括第一管路3、第二管路5、第三管路7、第四管路4、第五管路6、dpf主体15、第一控制阀9、第二控制阀12、第三控制阀8、第四控制阀13、第五控制阀10和第六控制阀11；dpf主体15安装在第二管路5上，第一管路3连通dpf主体15的上游，第三管路7连通dpf主体15的下游，第二管路5的第一端与第一管路3相连，第二管路5的第二端与第三管路7相连，第一控制阀9用于通断第一管路3和第二管路5，第二控制阀12用于通断第二管路5和第三管路7；第四管路4的第一端与第一管路3相连，第四管路4的第二端与第二管路5的第二端相连，第三控制阀8用于通断第一管路3和第四管路4，第四控制阀13用于通断第四管路4和第二管路5；第五管路6的第一端与第二管路5的第一端相连，第五管路6的第二端与第三管路7相连，第五控制阀10用于通断第二管路5和第五管路6，第六控制阀11用于通断第五管路6和第三管路7。
[0041]
本实施例中，如图1所示，尾气后处理系统中，doc2的进口端连接发动机1，第一管路3的第一端连接doc2的出口端，第一管路3的第二端连接第二管路5的第一端，dpf主体15安装在第二管路5上，第二管路5的第二端连接第三管路7的第一端，第三管路7的第二端连通dpf主体15的下游，如scr装置等，第一控制阀9用于通断第一管路3和第二管路5，第二控制阀12用于通断第二管路5和第三管路7。第四管路4的第一端与第一管路3相连，第四管路4的第二端与第二管路5的第二端相连，第三控制阀8用于通断第一管路3和第四管路4，第四控制阀13用于通断第四管路4和第二管路5；第五管路6的第一端与第二管路5的第一端相连，第五管路6的第二端与第三管路7相连，第五控制阀10用于通断第二管路5和第五管路6，第六控制阀11用于通断第五管路6和第三管路7。
[0042]
可以理解的是，令第一控制阀9、第二控制阀12实现导通，令第三控制阀8、第四控制阀13、第五控制阀10和第六控制阀11实现断开，则尾气依次流过第一管路3、第二管路5、dpf主体15、第三管路7，此时尾气正向流经dpf主体15；令第一控制阀9、第二控制阀12实现断开，令第三控制阀8、第四控制阀13、第五控制阀10和第六控制阀11实现导通，尾气依次流过第一管路3、第四管路4、第二管路5、dpf主体15、第五管路6、第三管路7，此时尾气反向流经dpf主体15。
[0043]
本技术通过流通管路及控制阀的设置，实现尾气能正向流经dpf主体15也能反向流经dpf主体15，避免了碳烟及灰分堆积层厚度在流道内沿着尾气流动方向变厚。尾气反向流经dpf主体15时，使得捕集的颗粒物经尾气反吹进行二次分布和捕集，碳烟和灰分不再以堵头的形式沉积在通道末端，而是均匀分布在过滤体的通道内。碳烟与催化剂涂层充分接触，提高了催化剂的被动再生强度，延缓dpf主体15达到极限背压及主动再生的时机，减少主动再生次数，提高了dpf主体15的寿命。此外，均匀分布的灰分层也可作为过滤介质，对pm起过滤作用，增强了dpf系统的过滤效率。本发明具有较强的经济性和广阔的应用前景。
[0044]
为防止反吹时，部分分布在出口端的烟灰及颗粒物无法被二次捕集，本发明在dpf主体15后端设置了一个副dpf17，用于收集上述颗粒物，第三管路7的第二端连通副dpf17的入口端。考虑到成本和空间，副dpf17的体积小于dpf主体15，其主要作用是收集反吹时的颗粒物和烟灰。
[0045]
第一控制阀9、第二控制阀12、第三控制阀8、第四控制阀13、第五控制阀10和第六控制阀11为单向阀，防止尾气回流。dpf主体15内为壁流式蜂窝过滤体16，副dpf17内为壁流
式蜂窝过滤体18。
[0046]
dpf主体15内涂覆催化剂，催化剂活性组分为pt、pd，催化剂涂层材料为al2o3，同样，副dpf17内涂覆催化剂，催化剂活性组分为pt、pd，催化剂涂层材料为al2o3。在dpf主体15的入口端和出口端安装有压力传感器14，用于测量dpf主体15的背压，以判断是否进行再生和正反向流动切换。在副dpf17上也可以设置压力传感器，以判断其是否进行再生。
[0047]
可以设置单片机、微处理器等作为控制器，或者使用车辆ecu作为控制器，控制器连接压力传感器14、第一控制阀9、第二控制阀12、第三控制阀8、第四控制阀13、第五控制阀10和第六控制阀11，并执行下述的控制方法：一种尾气双向流dpf系统的控制方法，包括以下步骤：
[0048]
获取碳载量-背压模型，确定最大碳载量对应的背压限值pmax，设置控制阀切换背压限值psw；获取dpf主体15的实时背压p，若实时背压超过最大碳载量对应的背压限值，则触发dpf主体15再生，若实时背压超过控制阀切换背压限值且未超过最大碳载量对应的背压限值，则触发控制阀切换操作，否则，重复此步骤。
[0049]
其中，确定最大碳载量对应的背压限值pmax具体为：
[0050]
制备涂覆催化剂的dpf样件，在发动机1台架上开展碳载量加载试验，获取不同加载时长下dpf的背压值并对dpf称重获取当前颗粒物加载量，建立背压p与碳载量c
load
的对应关系p＝f(c
load
)，对获取的试验数据进行最小二乘法拟合获得碳载量预估模型，即得到碳载量-背压模型。
[0051]
控制阀切换背压限值的值为：
[0052]
psw＝k*pmax
[0053]
其中，k为关键参数，取值范围为[0.6，0.9)，本领域技术人员可根据经验进行设置。
[0054]
开始工作时，打开第一控制阀9、第二控制阀12，关闭第三控制阀8、第四控制阀13、第五控制阀10、第六控制阀11，使得尾气依次流过第一管路3、第二管路5、dpf主体15、第三管路7、副dpf17，此为尾气正向流过dpf主体15。工作中由压力传感器14获取dpf主体15当前背压信号p1，若k
·
pmax《p1《pmax，则打开第三控制阀8、第四控制阀13、第五控制阀10、第六控制阀11，断开第一控制阀9、第二控制阀12可使尾气依次流过第一管路3、第四管路4、第二管路5、dpf主体15、第五管路6、第三管路7、副dpf17，此为尾气反向流过dpf主体15。当尾气从dpf主体15中反向流过，dpf主体15对尾气中的颗粒物持续捕集，同时过滤体中已捕集的颗粒物在尾气的反吹中，重新分布，并在过滤体中二次捕集，未能二次捕集的颗粒物，由副dpf17捕集。此过程中背压有所下降。dpf主体15工作一段时间t后，dpf主体15的背压值逐渐上升。若p1》pmax则dpf主体15进行主动再生，否则(p1《k
·
pmax)，则dpf主体15保持当前尾气流向继续工作，直至满足上述条件。
[0055]
反向流动并工作一段时间t后，dpf主体15的背压值逐渐上升，压力传感器14获取当前dpf主体15背压信号p2，若k
·
pmax《p2《pmax，则打开第一控制阀9、第二控制阀12，关闭第三控制阀8、第四控制阀13、第五控制阀10、第六控制阀11，使得尾气依次流过第一管路3、第二管路5、dpf主体15、第三管路7、副dpf17，此为尾气正向流过dpf主体15。若工作过程中p2》pmax，则进行dpf的主动再生。若不满足上述条件且p2《k
·
pmax，则dpf主体15保持当前尾气流向继续工作，直至满足上述条件。
[0056]
其中，控制阀切换操作为：
[0057]
调整第一控制阀9、第二控制阀12、第三控制阀8、第四控制阀13、第五控制阀10和第六控制阀11，从尾气正向流经dpf主体15状态切换至尾气反向流经dpf主体15状态，或从尾气反向流经dpf主体15状态切换至尾气正向流经dpf主体15状态；
[0058]
尾气正向流经dpf主体15状态下，第一控制阀9导通第一管路3和第二管路5，第二控制阀12导通第二管路5和第三管路7，第三控制阀8断开第一管路3和第四管路4，第四控制阀13断开第四管路4和第二管路5，第五控制阀10断开第二管路5和第五管路6，第六控制阀11断开第五管路6和第三管路7；
[0059]
尾气反向流经dpf主体15状态下，第一控制阀9断开第一管路3和第二管路5，第二控制阀12断开第二管路5和第三管路7，第三控制阀8导通第一管路3和第四管路4，第四控制阀13导通第四管路4和第二管路5，第五控制阀10导通第二管路5和第五管路6，第六控制阀11导通第五管路6和第三管路7。
[0060]
本发明提出了一种尾气双向流dpf及其控制方法，通过流通管路及控制阀门的设置，实现尾气能正向流经dpf主体15也能反向流经dpf主体15，能够切换尾气流过dpf主体15的流向，避免了碳载量及灰分层厚度在通道内沿单一流向逐渐变大，解决了过滤体有效过滤长度的减小的问题。
[0061]
尾气在dpf主体15内双向流动能够使捕集的颗粒物分布均匀，使得颗粒物与催化剂涂层充分均匀接触，提高了催化剂的被动再生强度，延缓了dpf的主动再生时机，减少了dpf的主动再生次数，提高了主dpf的使用寿命。
[0062]
本发明使得灰分层在过滤体通道中均匀分布，形成过滤介质，能够在一定程度上提高主dpf的过滤效率。
[0063]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种尾气双向流dpf系统，其特征在于，包括第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路、dpf主体、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀和第六控制阀；所述dpf主体安装在第二管路上，所述第一管路连通dpf主体的上游，所述第三管路连通dpf主体的下游，所述第二管路的第一端与第一管路相连，所述第二管路的第二端与第三管路相连，所述第一控制阀用于通断第一管路和第二管路，所述第二控制阀用于通断第二管路和第三管路；所述第四管路的第一端与第一管路相连，所述第四管路的第二端与第二管路的第二端相连，所述第三控制阀用于通断第一管路和第四管路，所述第四控制阀用于通断第四管路和第二管路；所述第五管路的第一端与第二管路的第一端相连，所述第五管路的第二端与第三管路相连，所述第五控制阀用于通断第二管路和第五管路，所述第六控制阀用于通断第五管路和第三管路。2.根据权利要求1所述的一种尾气双向流dpf系统，其特征在于，所述dpf主体的入口端和出口端安装有压力传感器。3.根据权利要求1所述的一种尾气双向流dpf系统，其特征在于，所述dpf主体内涂覆催化剂，催化剂活性组分为pt、pd，催化剂涂层材料为al2o3。4.根据权利要求1所述的一种尾气双向流dpf系统，其特征在于，还包括副dpf，所述副dpf安装在dpf主体的下游，所述第三管路连通副dpf的入口端。5.根据权利要求3所述的一种尾气双向流dpf系统，其特征在于，所述副dpf的容积小于dpf主体。6.根据权利要求1所述的一种尾气双向流dpf系统，其特征在于，所述副dpf内涂覆催化剂，催化剂活性组分为pt、pd，催化剂涂层材料为al2o3。7.根据权利要求1所述的一种尾气双向流dpf系统，其特征在于，所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀和第六控制阀为单向阀。8.一种尾气双向流dpf系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取碳载量-背压模型，确定最大碳载量对应的背压限值pmax，设置控制阀切换背压限值psw；获取dpf主体的实时背压p，若实时背压超过最大碳载量对应的背压限值，则触发dpf主体再生，若实时背压超过控制阀切换背压限值且未超过最大碳载量对应的背压限值，则触发控制阀切换操作，否则，重复此步骤。9.根据权利要求8所述的一种尾气双向流dpf系统的控制方法，其特征在于，所述控制阀切换操作为：调整第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀和第六控制阀，从尾气正向流经dpf主体状态切换至尾气反向流经dpf主体状态，或从尾气反向流经dpf主体状态切换至尾气正向流经dpf主体状态；尾气正向流经dpf主体状态下，第一控制阀导通第一管路和第二管路，第二控制阀导通第二管路和第三管路，第三控制阀断开第一管路和第四管路，第四控制阀断开第四管路和第二管路，第五控制阀断开第二管路和第五管路，第六控制阀断开第五管路和第三管路；
尾气反向流经dpf主体状态下，第一控制阀断开第一管路和第二管路，第二控制阀断开第二管路和第三管路，第三控制阀导通第一管路和第四管路，第四控制阀导通第四管路和第二管路，第五控制阀导通第二管路和第五管路，第六控制阀导通第五管路和第三管路。10.根据权利要求8所述的一种尾气双向流dpf系统的控制方法，其特征在于，控制阀切换背压限值的值为：psw＝k*pmax其中，k为关键参数，取值范围为[0.6，0.9)。

技术总结
本发明涉及一种尾气双向流DPF系统及其控制方法，DPF主体安装在第二管路上，第一管路、第三管路分别连通DPF主体的上下游，第二管路分别与第一管路和第三管路相连，第一控制阀和第二控制阀用于通断第二管路和第一管路、第三管路；第四管路分别与第一管路和第二管路相连，第三控制阀和第四控制阀用于通断第四管路和第一管路、第二管路；第五管路分别与第二管路和第三管路相连，第五控制阀和第六控制阀用于通断第五管路和第二管路、第三管路。与现有技术相比，本发明能够切换尾气流过DPF主体的流向，使捕集的颗粒物分布均匀，避免了碳载量及灰分层厚度在通道内沿单一流向逐渐变大，解决了过滤体有效过滤长度的减小的问题，减少了DPF的主动再生次数。DPF的主动再生次数。DPF的主动再生次数。


技术研发人员：楼狄明 向倍宏 张允华 房亮 陈雅娟 谭丕强 胡志远
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/5/16