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一种柴油机微粒捕集器再生装置及再生方法

阅读:1002发布:2020-07-24

专利汇可以提供一种柴油机微粒捕集器再生装置及再生方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种自 蒸发 、燃汽预混、漩流燃烧的柴油机微粒捕集器再生装置及再生方法。本发明柴油机微粒捕集器再生装置,微粒捕集器再生装置安装在柴油 机车 辆排气管路中间,所述装置包括:分别与 电子 控制系统连接的 燃烧器 、 燃油供给系统 、空气供给系统、排气压 力 监测及控制系统和 点火系统 ,所述电子控制系统由控 制芯 片组成;排气 截止 阀 分别设置于排气管道,排气 截止阀 由电子控制系统控制。本发明利用柴油机微粒捕集器再生装置的再生方法,按照下述步骤进行:排气截止;一级点火;二级加热;微粒捕集器再生。本发明燃油 蒸汽 与加压空气预混后充分燃烧,通过旋转火场均匀加热微粒捕集器,迅速达到微粒起燃 温度 使沉积在微粒捕集器内微粒燃烧,达到捕集器再生的目的。,下面是一种柴油机微粒捕集器再生装置及再生方法专利的具体信息内容。

1.一种柴油机微粒捕集器再生装置,其特征是,微粒捕集器再生装置安装在柴油机车辆排气管路中间,所述装置包括:分别与电子控制系统连接的燃烧器燃油供给系统、空气供给系统、排气压监测及控制系统和点火系统,所述电子控制系统由控制芯片组成;排气截止分别设置于排气管道,排气截止阀由电子控制系统控制,燃烧器内设置温度传感器和微粒捕集器;
所述燃油供给系统包括燃油箱、油轨和喷油器,柴油机回油管路旁连接燃油箱,燃油箱分别连接两路油轨,每个油轨上分别设置一级点火喷油器和二级加热喷油器,电子控制系统控制喷油器;
所述空气供给系统由机和进气管道组成,所述进气管道分别进入燃烧器,电子控制系统控制风机;
所述排气压力监测及控制系统由压差传感器通过线路与电子控制系统连接组成;
所述燃烧器由外至内的三个腔室组成:空气进气室、燃烧室和中央排气管,燃烧室处于空气进气室和中央排气管之间,燃烧室前端由空气进气室封闭,燃烧室后端敞开同中央排气管一起与微粒捕集器相通;空气进气室前端与进气管道相连,空气进气室后部设置有出气孔和燃烧室连通;空气进气室中部均布有出气管和燃烧室连通;中央排气管前端连接排气截止阀,后端通过燃烧室和微粒捕集器相通,在中央排气管外侧设置有被分隔为二级燃油蒸发腔和油汽分离腔的二级供油夹层,与二级加热喷油器连接的二级油管穿过空气进气室连通到二级燃油蒸发腔上方,二级燃油蒸发腔上方设置有进油孔,二级燃油蒸发腔圆周均布有通道,所述通道连通油汽分离腔,在油汽分离腔前方的空气进气室一侧开有燃油蒸汽出汽孔;空气进气室在燃烧室和中央排气管之间形成环形油气预混室,环形油气预混室通过预混出气管进入燃烧室;
所述点火系统包括电热塞加热蒸发和点火塞点燃两个部分,一级点火喷油器通过油管依次连接电热蒸发器和一级油汽管,一级油汽管穿过空气进气室前端进入燃烧室,一级油汽管在油气预混室后侧围绕二级供油夹层半周布置;点火塞座在一级油汽管旁穿过空气进气室前端,点火塞头部进入燃烧室与一级油汽管相邻,一级油汽管在点火塞一侧开有至少六个出汽孔。
2.根据权利要求1所述的柴油机微粒捕集器再生装置,其特征是,空气进气室中部均布有至少六个出气管与燃烧室连通,所述出气管按空气漩流方向切向进入燃烧室。
3.根据权利要求1所述的柴油机微粒捕集器再生装置,其特征是,所述至少六个预混出气管按空气漩流方向切向进入燃烧室,并且同油汽分离腔前面的出汽孔保持漩流方向切向对应。
4.一种利用权利要求1所述柴油机微粒捕集器再生装置的再生方法,其特征是,按照下述步骤进行:
a.排气截止:电子控制系统通过监测排气压差判断微粒捕集器是否需要进行再生,当再生开始时,电子控制系统首先关闭一路排气截止阀,发动机废气临时只由另一路排出,然后对开始截止气路的微粒捕集器进行再生;
b.一级点火:风机将空气由进气管进空气进气室,经出气管和出气孔进入燃烧室,并形成漩流;一级点火系统电热塞将一级燃油加热蒸发,燃油蒸汽经一级油汽管进入燃烧室,从一级油汽管上出汽孔泄出,被点火塞点燃,沿一级油汽管旋转燃烧;
c.二级加热:在一级点火系统对二级蒸发夹层进行加热后,二级燃油经油管从二级燃油蒸发腔上方油孔进入蒸发腔,在蒸发腔外壁的加热下迅速蒸发,二级燃油蒸汽经油汽分离腔出气孔进入空气进气室内侧的油气预混室同空气混合,在空气气流的带动下,二级燃油空气混合气从预混室出气管进入燃烧室,在燃烧室形成强烈的气漩,并在一级火焰的点燃下剧烈旋转燃烧;随着二级油量的加大,一级点火系统油电关闭,二级燃油在自身燃烧加热下完成自蒸发、预混、漩流燃烧;
d.微粒捕集器再生:调整二级油量和气泵供气量,保持微粒捕集器前温度在600~
750℃,微粒捕集器内沉积的颗粒在高温下着火燃烧完成再生;
e.根据二级加热温度和微粒捕集器后温度判断再生完成后,停止二级供油,燃烧室内火焰熄灭后停止气泵供气,并打开排气截止阀,恢复正常排气路径;在这一路微粒捕集器再生完成后,对另外一路排气过滤系统重复进行上述过程,完成再生。
5.根据权利要求4所述的再生方法,其特征是,所述步骤c二级加热过程中自蒸发是指二级燃油在二级燃油蒸发腔内,最初是依靠一级火焰加热,后来是靠二级火焰在排气管周围旋转燃烧,由二级火焰自己加热二级燃油产生蒸汽,燃油蒸汽燃烧后再加热蒸发。
6.根据权利要求4所述的再生方法,其特征是,所述步骤c二级加热过程中预混是指二级燃油蒸汽先进空气进气室前端,空气经进气管切向进入空气进气室,在进气室形成漩流,先同燃油蒸汽旋转混合,然后进入燃烧室,在出气管口外喷射燃烧。

说明书全文

一种柴油机微粒捕集器再生装置及再生方法

技术领域

[0001] 本发明属于柴油机尾气微粒污染控制技术领域,更进一步讲是涉及一种全工况下柴油机微粒捕集器再生装置及再生方法。

背景技术

[0002] 柴油机微粒捕集器(DPF)是降低柴油机尾气颗粒物排放的有效办法,微粒捕集器再生(微粒捕集后的处理)是应用的主要难点。
[0003] 热再生是较普遍采用的一种再生方式,通过加热提高排气温度或者直接选择性加热微粒将沉积在捕集器内的微粒燃烧,恢复捕集器性能。利用燃烧器燃烧加热排气的方式较其它方式有更好的可行性。
[0004] 现阶段燃烧器加热再生装置主要存在以下问题:
[0005] (1)加热能有限,加热温度控制困难。燃烧器加热排气受发动机工况变化影响较大,一般只在停机、怠速或低速稳定工况下,能够完成加热要求,在高速大负荷工况时加热能力不足,再生时间较长,同时,在全工况条件下,排气温度不断变化,排气中含量不断变化,加热温度控制困难。
[0006] (2)再生温度场均匀性差。再生过程中,燃烧器火焰集中在排气管路中央,热流和发动机排气分层流动,使DPF中间过热,而周边却温度不足,如通过变径扩散则增大正常工作时的排气阻力。
[0007] (3)排气阻力较大。燃烧器部分结构安装在排气管路中央,影响排气流动,发动机工作时,增大了排气阻力,降低功率增加油耗。
[0008] (4)燃油燃烧不充分,再生过程排放较差。燃油加热蒸发效果较差、油汽与氧接合不充分,造成燃烧不充分,燃烧温度较低,再生过程中HC和烟排放加重。
[0009] (5)燃油消耗量大,再生加热时间较长。DPF比热容大、导热能力差,再生过程中燃油燃烧的大量热量被排气直接带走排入大气,DPF床温提高缓慢,加热时间较长。
[0010] (6)电热塞易烧蚀。燃烧器点火主要依靠电热塞加热、蒸发、点燃柴油。电热塞通电时间过长、局部温度过高以及油滴不完全燃烧后的产物都很容易造成电热塞的损毁。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于提供一种自蒸发、燃汽预混、漩流燃烧的柴油机微粒捕集器再生装置及再生方法。
[0012] 本发明柴油机微粒捕集器再生装置,通过下述技术方案予以实现,微粒捕集器再生装置安装在柴油机车辆排气管路中间,所述装置包括:分别与电子控制系统连接的燃烧器、燃油供给系统、空气供给系统、排气压力监测及控制系统和点火系统,所述电子控制系统由控制芯片组成;排气截止分别设置于排气管道,排气截止阀由电子控制系统控制;
[0013] 所述燃油供给系统包括燃油箱、油轨和喷油器,柴油机回油管路旁连接燃油箱,燃油箱分别连接两路油轨,每个油轨上分别设置一级点火喷油器和二级加热喷油器,电子控制系统控制喷油器;
[0014] 所述空气供给系统由机和进气管道组成,所述进气管道分别进入燃烧器,电子控制系统控制风机;
[0015] 所述排气压力监测及控制系统由压差传感器通过线路与电子控制系统连接组成;
[0016] 所述燃烧器由外至内的三个腔室组成:空气进气室、燃烧室和中央排气管,燃烧室处于空气进气室和中央排气管之间,燃烧室前端由空气进气室封闭,燃烧室后端敞开同中央排气管一起与微粒捕集器相通;空气进气室前端与进气管道相连,空气进气室后部设置有出气孔和燃烧室连通;空气进气室中部均布有出气管和燃烧室连通;中央排气管前端连接排气截止阀,后端通过燃烧室和微粒捕集器相通,在中央排气管外侧设置有被分隔为二级燃油蒸发腔和油汽分离腔的二级供油夹层,与二级加热喷油器连接的二级油管穿过空气进气室连通到燃油蒸发腔上方,燃油蒸发腔上方设置有进油孔,燃油蒸发腔圆周均布有通道,所述通道连通油汽分离腔,在油汽分离腔前方的空气进气室一侧开有燃油蒸汽出汽孔;空气进气室在燃烧室和中央排气管之间形成环形油气预混室,环形油气预混室通过预混出气管进入燃烧室;
[0017] 所述点火系统包括电热塞加热蒸发和点火塞点燃两个部分,一级点火喷油器通过油管依次连接电热蒸发器和一级油汽管,一级油汽管穿过空气进气室前端进入燃烧室,一级油汽管在油气预混室后侧围绕二级供油夹层半周布置;点火塞座在一级油汽管旁穿过空气进气室前端,点火塞头部进入燃烧室与一级油汽管相邻,一级油汽管在点火塞一侧开有至少六个出汽孔。
[0018] 本发明装置所述空气进气室中部均布有至少六个出气管与燃烧室连通,所述出气管按空气漩流方向切向进入燃烧室。所述至少六个预混出气管按空气漩流方向切向进入燃烧室,并且同油汽分离腔前面的出汽孔保持漩流方向切向对应。
[0019] 本发明利用柴油机微粒捕集器再生装置的再生方法,按照下述步骤进行:
[0020] a.排气截止:电子控制系统通过监测排气压差判断微粒捕集器是否需要进行再生,当再生开始时,电子控制系统首先关闭一路排气截止阀,发动机废气临时只由另一路排出,然后对开始截止气路的微粒捕集器进行再生;
[0021] b.一级点火:风机将空气由进气管进空气进气室,经出气管和出气孔进入燃烧室,并形成漩流;一级点火系统电热塞将一级燃油加热蒸发,燃油蒸汽经一级油汽管进入燃烧室,从一级油汽管上出汽孔泄出,被点火塞点燃,沿一级油汽管旋转燃烧;
[0022] c.二级加热:在一级点火系统对二级蒸发夹层进行加热后,二级燃油经油管从二级燃油蒸发腔上方油孔进入蒸发腔,在蒸发腔外壁的加热下迅速蒸发,二级燃油蒸汽经油汽分离腔出气孔进入空气进气室内侧的油气预混室同空气混合,在空气气流的带动下,二级燃油空气混合气从预混室出气管进入燃烧室,在燃烧室形成强烈的气漩,并在一级火焰的点燃下剧烈旋转燃烧;随着二级油量的加大,一级点火系统油电关闭,二级燃油在自身燃烧加热下完成自蒸发、预混、漩流燃烧;
[0023] d.微粒捕集器再生:调整二级油量和气泵供气量,保持微粒捕集器前温度在600~750℃,微粒捕集器内沉积的颗粒在高温下着火燃烧完成再生;
[0024] 根据二级加热温度和微粒捕集器后温度判断再生完成后,停止二级供油,燃烧室内火焰熄灭后停止气泵供气,并打开排气截止阀,恢复正常排气路径;在这一路微粒捕集器再生完成后,对另外一路排气过滤系统重复进行上述过程,完成再生。
[0025] 所述步骤c二级加热过程中自蒸发是指二级燃油在二级燃油蒸发腔内,最初是依靠一级火焰加热,后来是靠二级火焰在排气管周围旋转燃烧,由二级火焰自己加热二级燃油产生蒸汽,燃油蒸汽燃烧后再加热蒸发。
[0026] 所述步骤c二级加热过程中预混是指二级燃油蒸汽先进空气进气室前端,空气经进气管切向进入空气进气室,在进气室形成漩流,先同燃油蒸汽旋转混合,然后进入燃烧室,在出气管口外喷射燃烧。
[0027] 本发明涉及的排气加热装置是通过燃油燃烧加热自蒸发形成燃油蒸汽,燃油蒸汽与加压空气预混后充分燃烧,通过旋转火场均匀加热微粒捕集器,迅速达到微粒起燃温度使沉积在微粒捕集器内微粒燃烧,达到捕集器再生的目的。附图说明
[0028] 图1装置总体联接示意图;
[0029] 图2燃烧器结构图;
[0030] 图3是图2的A-A剖视图;
[0031] 图4是图3的B-B剖视图;
[0032] 图5一级点火系统结构图;
[0033] 图6为再生过程中DPF内中部径向截面分布温度监测点位置图;
[0034] 图7为再生过程中DPF内中央轴线分布温度监测点位置图;
[0035] 图8燃烧器性能测试图之一;
[0036] 图9燃烧器性能测试图之二。

具体实施方式

[0037] 下面根据附图对本发明作进一步描述。
[0038] 如图1所示,微粒捕集器再生装置安装在发动机1连接的柴油机车辆排气管路2中间,所述装置包括:分别与电子控制系统10连接的燃烧器6、燃油供给系统、空气供给系统、排气压力监测及控制系统和点火系统,所述电子控制系统由控制芯片组成;排气截止阀3分别设置于排气管道,排气截止阀由电子控制系统控制,燃烧器6内设置温度传感器7和微粒捕集器8;
[0039] 所述燃油供给系统包括燃油箱12、油轨4和喷油器5,连接汽车油箱14的柴油机回油管路13旁连接燃油箱,燃油箱分别连接两路油轨,每个油轨上分别设置一级点火喷油器和二级加热喷油器,电子控制系统控制喷油器;
[0040] 所述空气供给系统由风机11和进气管道组成,所述进气管道分别进入燃烧器,电子控制系统10控制风机;
[0041] 所述排气压力监测及控制系统由压差传感器9通过线路与电子控制系统连接组成;
[0042] 如图2-4所示,所述燃烧器由外至内的三个腔室组成:空气进气室15、燃烧室16和中央排气管17,燃烧室处于空气进气室和中央排气管之间,燃烧室前端由空气进气室封闭,燃烧室后端敞开同中央排气管一起与微粒捕集器相通;空气进气室前端与进气管道27相连,空气进气室出气管22后部设置有出气孔和燃烧室连通;空气进气室中部均布有出气管和燃烧室连通;中央排气管前端连接排气截止阀,后端通过燃烧室和微粒捕集器相通,在中央排气管外侧设置有被分隔为二级燃油蒸发腔24和油汽分离腔23的二级供油夹层,与二级加热喷油器连接的二级油管21穿过空气进气室连通到二级燃油蒸发腔24上方,二级燃油蒸发腔24上方设置有进油孔25,二级燃油蒸发腔圆周均布有通道,所述通道连通油汽分离腔23,在油汽分离腔前方的空气进气室一侧开有燃油蒸汽出汽孔20;空气进气室在燃烧室和中央排气管之间形成环形油气预混室18,环形油气预混室通过预混出气管19进入燃烧室16;
[0043] 如图5所示,所述点火系统包括电热塞加热蒸发和点火塞点燃两个部分,一级点火喷油器通过油管依次连接电热蒸发器29和一级油汽管33,电热蒸发器29中部连接一级油管30,电热蒸发器29一端连接电热塞28,一级油汽管穿过空气进气室前端进入燃烧室,一级油汽管在油气预混室后侧围绕二级供油夹层半周布置;设置点火塞32的点火塞座31在一级油汽管旁穿过空气进气室前端,点火塞头部进入燃烧室与一级油汽管相邻,一级油汽管在点火塞一侧开有至少六个出汽孔34。
[0044] 本发明为双路排气过滤和再生系统。正常工作状态下,排气经双过滤体对微粒进行过滤,电控系统监测两路排气经过DPF前后压差,判断再生时机;DPF再生时,通过排气截止阀控制排气路径,分别截止两路排气,对相应气路过滤体进行燃烧再生。采用双路排气和过滤再生系统,既可以保证再生过程不受发动机工作状态影响,实现全工况再生,又可以增大过滤面积、减小排气阻力、减少再生频次。
[0045] 燃油供给系统
[0046] 本系统设有单独的燃油箱,从柴油机回油管路旁通供油,电控系统控制燃油泵,将燃油从小油箱加压送到两路油轨,每个油轨上设有两个喷油器,分别为燃烧器一级点火系统和二级加热系统供油。泄压阀用来保证油压恒定,电控系统控制喷油器开启和闭合,保证正确的喷油时刻和喷油量。
[0047] 空气供给系统
[0048] 本系统利用独立的气泵为燃烧器燃烧提供一定压力和流量的空气。电控系统不但控制气泵启动、停机,还可以通过调整气泵运转速度,适时调整供气量。
[0049] 排气压力监测及控制系统
[0050] 发动机正常工作时,燃烧后的废气被分为两路,两路废气都经过排气截止阀、燃烧器中央排气管、DPF排出,电控系统通过监测两路DPF前后排气压差,判断DPF再生时机。
[0051] 系统进入再生状态时,电控系统控制一路排气截止阀截止废气通过,由截止气路的燃烧器对该路DPF进行加热再生。再生完成后,排气截止阀打开,恢复排气通过,并切换到另外一路废气进行截止再生。
[0052] 电子控制系统
[0053] 电控系统用来实现再生时机判断和再生过程控制。通过控制单元实现程序控制和保护功能,并且独立于发动机电控系统,由发动机电源系统供电。控制单元可实现气泵、燃油泵、排气截止阀、喷油器、电热塞、以及温度传感器和压力传感器的控制和保护。
[0054] 发动机起动后,电控系统实时读取发动机转速开度、排气温度以及DPF前后压差等参数,判断DPF再生时机。当判断DPF需要再生时,电控系统以预先设定好的控制逻辑控制燃烧器点火加热,完成DPF再生。
[0055] 柴油机微粒捕集器再生装置的再生方法包括以下步骤:
[0056] 一、排气截止
[0057] 电控系统通过监测排气压差判断DPF是否需要进行再生。当再生开始时,电控系统首先关闭一路排气截止阀,发动机废气临时只由另一路排出。然后对开始截止气路的DPF进行再生。
[0058] 二、一级点火
[0059] 气泵将空气由进气管泵进空气进气室,经出气管和出气孔进入燃烧室,并形成漩流。一级点火系统电热塞将一级燃油加热蒸发,燃油蒸汽经一级油汽管进入燃烧室,从油汽管上出汽孔泄出,被点火塞点燃,沿油汽管旋转燃烧。
[0060] 三、二级加热
[0061] 在一级点火系统对二级蒸发夹层进行一定加热后,二级燃油经油管从二级燃油蒸发腔上方油孔进入蒸发腔,在蒸发腔外壁的加热下迅速蒸发,二级燃油蒸汽经油汽分离腔出气孔,进入空气进气室内侧的油气预混室同空气混合,在空气气流的带动下,二级燃油空气混合气从预混室出气管进入燃烧室,在燃烧室形成强烈的气漩,并在一级火焰的点燃下剧烈旋转燃烧。随着二级油量的加大,一级点火系统油电关闭,二级燃油在自身燃烧加热下完成蒸发、预混、漩流燃烧。
[0062] 四、DPF再生
[0063] 调整二级油量和气泵供气量,保持DPF前温度在600~750℃,DPF内沉积的颗粒在高温下着火燃烧完成再生。
[0064] 五、再生结束
[0065] 根据二级加热温度和DPF后温度判断再生完成后,停止二级供油,燃烧室内火焰熄灭后停止气泵供气,并打开排气截止阀,恢复正常排气路径。
[0066] 在一路DPF再生完成后,对另外一路排气过滤系统重复进行上述过程,完成再生。
[0067] 实施例
[0068] 在北汽福田Aumark汽车发动机上进行了试验研究。柴油机主要技术参数如下表:
[0069] 试验柴油机技术参数
[0070]柴油机型号 BJ493ZLQ3
柴油机型式 直列、立式、冷、四冲程、增压中冷
柴油机排量 2.771
额定扭矩/转速 280/(1900-2300)(Nm/rpm)
额定功率/转速 85/(3600)(kw/rpm)
[0071] 试验大气环境温度为15℃,再生排气温度150℃。从再生开始到DPF前温度达到600℃,加热时间约1-2分钟,完成单路过滤系统再生共约5-6分钟。
[0072] 试验表明,燃烧器点火可靠,加热升温迅速,温度场控制均匀。图6为再生过程中DPF内中部径向截面分布温度监测点位置图;图7为再生过程中DPF内中央轴线分布温度监测点位置图。图8和图9为再生过程中各监测温度曲线。从图可以看出,再生装置能力强,加热升温速度快,加热温度控制准确、稳定,DPF内径向温度场分布均匀。
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