阅读说明：本技术 一种耦合双极荷电凝并系统的gpf氧泵辅助再生装置与方法 (GPF oxygen pump auxiliary regeneration device and method of coupled bipolar charge coagulation system ) 是由 汤东 韩宇彬 徐国梁 刘胜 雎志轩 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种耦合双极荷电凝并系统的GPF氧泵辅助再生装置与方法,所述装置包括汽油机颗粒捕集器、荷电装置、电凝并装置和氧泵再生装置,氧泵再生装置中设有氧泵电解质片与电热丝；荷电装置对汽油机尾气中的颗粒物进行预荷电,电凝并装置使颗粒物进行碰撞凝并,电热丝对颗粒物进行加热,加热的同时氧泵电解质片进行补氧工作；还可通过步进电机改变过滤体的旋转速率,达到调节再生效率的目的。本发明可以同时兼顾颗粒物的捕集效率与再生效率,对颗粒捕集器无损坏,同时不浪费资源。(The invention provides a GPF oxygen pump auxiliary regeneration device and method of a coupling bipolar charge coagulation system, wherein the device comprises a gasoline engine particle trap, a charging device, an electric coagulation device and an oxygen pump regeneration device, and an oxygen pump electrolyte sheet and an electric heating wire are arranged in the oxygen pump regeneration device; the charging device carries out pre-charging on the particulate matters in the tail gas of the gasoline engine, the electric coagulation device leads the particulate matters to be collided and coagulated, the electric heating wire heats the particulate matters, and the oxygen pump electrolyte sheet carries out oxygen supplement work while heating; the rotation rate of the filter body can be changed through the stepping motor, and the aim of adjusting the regeneration efficiency is achieved. The invention can simultaneously give consideration to the trapping efficiency and the regeneration efficiency of the particulate matters, has no damage to the particulate trap and does not waste resources.)

一种耦合双极荷电凝并系统的GPF氧泵辅助再生装置与方法

技术领域

本发明属于尾气颗粒物再生技术领域，具体涉及一种耦合双极荷电凝并系统的汽油机颗粒捕集器(GPF)氧泵辅助再生装置与方法。

背景技术

颗粒物作为大气污染的主要影响因素，对人类健康有着巨大的危害，环保法规对它的限制也日益严格，中国国六法规增加对汽油车颗粒物质量和颗粒数的限值要求，试验工况也由新欧洲驾驶循环(NEDC)改为全球统一轻型车测试循环(WLTC)。研究表明缸内直喷汽油机的颗粒数高于进气道喷射汽油机，对应WLTC的颗粒物质量和颗粒数比NEDC大幅升高。颗粒数已成为缸内直喷汽油车设计与开发的重要挑战，可行的应对方案之一是为车辆加装汽油机颗粒捕集器(GPF)。研究表明GPF可有效减少缸内直喷汽油车的颗粒物数量，使颗粒数低于法规限值，但是面临着再生问题。

传统的颗粒捕集器为提高微细颗粒物的捕集效率，需要减小孔隙直径、降低孔隙率等，这必然会导致汽油机排气背压上升、功率损耗变大，从而导致汽油机性能下降。随着越来越严格的排放法规，导致以控制微纳米颗粒物数量为目标的研究愈加重要。相同结构参数的GPF载体，其对积聚态颗粒的捕集效率要远大于粒径较小的核模态颗粒。双极荷电凝并技术通过颗粒荷电，增大颗粒间的凝并系数，使粒径较小的颗粒凝并为粒径较大的颗粒，提高GPF的捕集效率。当颗粒捕集器工作一段时间后，由于沉积的颗粒物增多，导致排气背压上升，进而造成颗粒捕集器过滤体失效及燃油经济性的降低。针对这种情况，需要对颗粒捕集器进行再生。该问题有两个解决方法，一是降低发动机运行过程中颗粒物氧化所需温度，二是通过辅助系统使沉积的颗粒物达到氧化温度。第一种途径用于被动再生系统，第二种用于主动再生系统。一般来说，主动再生消耗大约2％-3％燃油，而通过被动再生可降低约80％。根据GPF的结构和材料、汽油机的使用特点和使用工况，合理选择再生技术对于GPF的安全有效再生具有重要的意义。

现有的GPF捕集与再生技术是通过过滤体过滤捕集颗粒物，颗粒物累积到一定程度导致捕集效率不断下降，通过再生技术来清除颗粒物累积，缺点是捕集效率与再生效率不够高，造成捕集器损坏与资源浪费。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种耦合双极荷电凝并系统的GPF氧泵辅助再生装置与方法，同时提高GPF的捕集效率与再生效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种耦合双极荷电凝并系统的GPF氧泵辅助再生装置，包括汽油机颗粒捕集器、荷电装置、电凝并装置和氧泵再生装置；

所述荷电装置包括不锈钢丝和加热线圈，不锈钢丝支撑在圆筒壳体内部，不锈钢丝一端与高压直流电源连接；加热线圈缠绕在圆筒壳体外部；所述圆筒壳体一端与汽油机颗粒捕集器排气端连通，另一端与汽油机连通；

所述电凝并装置包括壳体和高压交流电源，壳体设置在汽油机颗粒捕集器两端，壳体与高压交流电源连接；

所述氧泵再生装置包括氧传感器、颗粒物传感器、高频陶瓷体、过滤体、电热丝和氧泵电解质片；氧传感器设置在汽油机颗粒捕集器进气端，汽油机颗粒捕集器中间轴上固定过滤体，顶部过滤体与汽油机颗粒捕集器外壳之间填充高频陶瓷体，高频陶瓷体中穿设电热丝，电热丝包裹氧泵电解质片一端，氧泵电解质片另一端穿过导氧管且与氧泵电源连接，导氧管与汽油机颗粒捕集器进气端腔室连通；汽油机颗粒捕集器进气端和排气端均设有颗粒物传感器；

所述高压直流电源、氧泵电源、氧传感器、颗粒物传感器均与ECU连接。

上述技术方案中，还包括燃油计量仪和功率计，燃油计量仪用于获取汽油机的燃油消耗情况，功率计用于获取整个装置的功率，由燃油消耗情况和装置的功率确定汽油机工况，并与ECU中的工况进行对比，确定不同工况下的氧浓度。

上述技术方案中，还包括与汽油机颗粒捕集器中间轴连接的步进电机，步进电机与ECU连接，用于带动过滤体旋转。

上述技术方案中，还包括流量传感器和旁通阀，流量传感器用于汽油机尾气的流量，并传给ECU，当汽油机尾气流量大于设定阈值时，ECU控制旁通阀打开。

上述技术方案中，所述加热线圈与第一加热电源连接。

上述技术方案中，所述电热丝与第二加热电源连接。

一种耦合双极荷电凝并系统的GPF氧泵辅助再生方法，具体为：

颗粒物传感器实时获取汽油机颗粒捕集器内部的颗粒物沉积情况，当ECU检测到颗粒捕集器捕集效率开始下降时，控制电热丝工作，对颗粒物进行加热；颗粒物燃烧过程中，氧传感器实时获取汽油机不同工况下尾气中的氧浓度，当氧浓度小于设定值时，氧泵电解质片工作产生高温氧气，与颗粒物在过滤体内进行再生。

进一步，再生过程中，颗粒物传感器实时获取汽油机颗粒捕集器内部的颗粒物沉积情况，由捕集效率调节步进电机的旋转速率，从而调节过滤体的旋转速率。

进一步，当捕集效率在较长时间内稳定时，关闭电热丝和氧泵电解质片。

本发明的有益效果为：

(1)本发明先通过荷电装置对汽油机尾气中的颗粒物进行预荷电，再通过电凝并装置使颗粒物进行碰撞凝并，从而增大粒径，提高捕集效率。

(2)本发明通过氧泵电解质片与电热丝结合，在加热排气颗粒物的同时进行补氧工作，提高排气氧浓度，更好的完成再生过程。

(3)本发明利用中空式过滤体并将其与步进电机连接，使气体从径向流入、轴向流出，可使荷电凝并过程与氧泵再生过程同时进行，同时根据汽油机颗粒捕集器内部的颗粒物沉积情况，由捕集效率调节步进电机的旋转速率，从而改变过滤体的旋转速率，达到调节再生效率的目的。

附图说明

图1为本发明所述耦合双极荷电凝并系统的GPF氧泵辅助再生装置结构示意图；

图2为本发明所述汽油机颗粒捕集器结构示意图，图2(a)为本发明所述汽油机颗粒捕集器正视图，图2(b)为本发明所述汽油机颗粒捕集器侧视图；

其中，1-功率计，2-氧传感器，3-汽油机颗粒捕集器，4-高压交流电源，5-步进电机，6-高压直流电源，7-第一加热电源，8-流量传感器，9-燃油计量仪，10-颗粒物传感器，11-旁通阀，12-陶瓷加热线圈，13-不锈钢丝，14-第二加热电源，15-氧泵电源，16-电热丝，17-导氧管，18-氧泵电解质片，19-圆筒壳体，20-壳体，21-高频陶瓷体，22-过滤体。

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，一种耦合双极荷电凝并系统的GPF氧泵辅助再生装置，包括汽油机颗粒捕集器3、荷电装置、电凝并装置和氧泵再生装置。

所述荷电装置由圆筒壳体19、不锈钢丝13、加热线圈12、高压直流电源6和第一加热电源7组成；圆筒壳体19一端与汽油机颗粒捕集器3排气端连通，另一端与汽油机连通；不锈钢丝13支撑在圆筒壳体19内部中心位置，不锈钢丝13一端与高压直流电源6相连，高压直流电源6与圆筒壳体19连接；加热线圈12缠绕在圆筒壳体19外部，加热线圈12与第一加热电源7相连。圆筒壳体19采用不锈钢材料，加热线圈12的材料为陶瓷。圆筒壳体19接地连接。

所述电凝并装置由壳体20和高压交流电源4组成，壳体20通过导线与高压交流电源4连接；壳体20设置在汽油机颗粒捕集器3两端，壳体20采用不锈钢材料，且壳体20外部包裹绝缘材料。

如图2(a)、(b)所示，所述氧泵再生装置由氧泵电源15、第二加热电源14、氧传感器2、颗粒物传感器10、流量传感器8、步进电机5、燃油计量仪9、功率计1、旁通阀11、高频陶瓷体21、过滤体22、电热丝16、氧泵电解质片18和导氧管17组成。其中氧传感器2与功率计1设置在汽油机颗粒捕集器3进气端；汽油机颗粒捕集器3中间轴上固定过滤体22，顶部过滤体22与汽油机颗粒捕集器3外壳之间填充高频陶瓷体21，过滤体22为中空圆筒形；电热丝16穿设在高频陶瓷体21中，电热丝16与第二加热电源14连接；氧泵电解质片18一端包裹在电热丝16中，氧泵电解质片18另一端穿过导氧管17且与氧泵电源15连接，导氧管17与汽油机颗粒捕集器3的进气端腔室连通；连接汽油机颗粒捕集器3进气端和排气端分别设置颗粒物传感器10；汽油机颗粒捕集器3中间轴与步进电机5输出轴连接，从而带动过滤体22旋转；旁通阀11位于汽油机颗粒捕集器3排气端，流量传感器8设置在靠近汽油机的圆筒壳体19上，汽油机上还设有燃油计量仪9。

所述高压直流电源6、高压交流电源4、氧泵电源15、第一加热电源7、第二加热电源14、氧传感器2、颗粒物传感器10、流量传感器8、步进电机5、旁通阀11、燃油计量仪9、功率计1均与ECU连接。

本实施例中，不锈钢丝13长度为500mm、直径1.5mm；汽油机排放的尾气沿径向流入，沿轴向排出。

燃油计量仪9用于获取汽油机的燃油消耗情况，功率计1用于获取整个装置的功率，由燃油消耗情况和装置的功率确定汽油机工况，并与ECU中存储的工况进行对比，确定不同工况下的氧浓度；该过程在主动再生之前进行。流量传感器8用于汽油机尾气的流量，并传给ECU，当汽油机尾气流量过大时(ECU中设有尾气流量阈值)，ECU控制旁通阀11打开。

上述汽油机颗粒捕集器进行荷电凝并捕集颗粒物的方法：通过连接高压直流电源6的不锈钢丝13对汽油机尾气中的颗粒物进行预荷电，并且通过加热线圈12对预荷电后的尾气进行加热，排掉多余的水蒸气，尾气进入汽油机颗粒捕集器3上部的凝并电场中，凝并电场增强颗粒物之间的相对运动，促进颗粒物之间的碰撞和凝聚，完成捕集过程。

上述汽油机颗粒捕集器主动再生装置进行主动再生的方法：利用颗粒物传感器10实时获取汽油机颗粒捕集器3内部的颗粒物沉积情况，并传给ECU，当ECU检测到颗粒捕集器捕集效率开始下降时，ECU通过控制第二加热电源14使得电热丝16工作，电热丝16和高频陶瓷体21对过滤体22进行加热，达到沉积颗粒物的起燃温度，颗粒物开始燃烧；燃烧过程中，利用氧传感器2实时获取汽油机不同工况下尾气中的氧浓度，并将排气氧浓度数据反馈给ECU，当氧浓度不足时(小于ECU中的设定值)，ECU通过控制氧泵电源15给氧泵电解质片18供电，氧泵电解质片18工作产生高温氧气，通过导氧管17进入汽油机颗粒捕集器3，提高再生气流的氧浓度，与颗粒物在过滤体22内进行再生；再生过程中，颗粒物传感器10实时获取汽油机颗粒捕集器3内部的颗粒物沉积情况，由捕集效率调节步进电机5的旋转速率，步进电机5的旋转速率由ECU进行调节，从而改变过滤体22的旋转速率，达到调节再生效率的目的；当捕集效率在较长时间内稳定时，ECU关闭第二加热电源14和氧泵电源15，电热丝16和氧泵电解质片18停止工作。

上述过程中，颗粒物沉积情况、步进电机5的旋转速率预先经过标定试验确定，存储于ECU中。

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。