CN102985168A - 选择性催化还原的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种利用一组预定的触发事件(101)和NOx浓度设定值(102)控制选择性催化还原(SCR)系统的方法。当发生触发事件(104)时，开始催化剂元件(2)下游的NOx浓度测量(105)，并确定所测量的浓度与设定值之间的差值(106)。如果差值为负，则降低还原剂的剂量(107)并等待新的触发事件(103)。如果差值为正，则增加还原剂的剂量(108)。系统稳定后(109)，开始新的测量(110)，并将浓度与前一测量的结果相比较(111)。如果测量值低于前一测量值，则维持相同的剂量(112)。如果测量值高于前一测量值，则以比前一测量后的增加量大的量来减少剂量(113)。本发明还涉及用于SCR的装置。

Description

选择性催化还原的控制方法和装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的控制选择性催化还原系统的方法，并涉及根据权利要求7的前序部分的用于选择性催化还原的装置。

背景技术

由于对船舶和发电厂中内燃机的氮氧化物(NOx)排放量的持续严格的管制，选择性催化还原(SCR)系统变得越来越常见。采用SCR可以实现NOx减少高达90％或更多。

在SCR系统中，催化剂材料和还原剂用于将在燃烧期间生成的NOx分解回基本元素。在载体陶瓷材料表面上设置催化剂，该载体陶瓷材料在反应器内形成蜂窝结构。在催化剂表面上，NOx与用作还原剂的氨反应形成氮和水。在实践中，基于安全原因经常用尿素代替氨。这尤其适用于航海用品，其中漏氨是一种严重危害。尿素以水溶液形式被注入废气流。由于废气温度高，水分蒸发并且尿素分子分解成氨和二氧化碳。

基于几个原因，正确的还原剂剂量是重要的。如果注入到排气系统的还原剂剂量太小，NOx还原达不到预计的效果。另一方面，过多的还原剂剂量导致氨逃逸，这意味着部分氨流经SCR系统而未与NOx反应。氨排放甚至比NOx排放更为有害，因此，不希望出现还原剂过量的情况。如果排气系统设置有置于SCR元件下游的氧化催化剂，氧化了至少部分过量的氨。然而，这不是减少氨逃逸的最佳方案，因为在氧化过程中会形成NOx。如果可优化还原剂的剂量，则也可以使还原剂罐的尺寸最小化。

为了实现精确的还原剂的剂量，SCR系统可配备有NOx传感器，其测量SCR元件下游的NOx浓度。专利申请WO 2008043928A1公开了车辆的SCR系统，其中，在SCR催化剂下游设置NOx传感器，持续监测废气中的NOx和氨浓度。根据该方法，将初始量的尿素注入到排气系统中。如果发动机在稳定状态下运行，以初始量乘以大于1的系数来增加尿素剂量。增加剂量后，测量NOx和氨浓度，并且，如果测量结果显示下降的浓度，则再次增加剂量。重复该步骤，直至浓度开始增加。这是剂量过量的指示，因此通过以先前量乘以小于1的系数来减少尿素剂量。重复该步骤，只要浓度降低。当浓度再次开始增加，增加尿素剂量。

上面给出的控制方法的一个问题是，它不适于大的内燃机。在大的内燃机，如船舶和发电厂中使用的发动机中，在改变还原剂剂量后需要较长时间SCR系统才稳定，因此，包括几个重复步骤的方法太慢了。连续测量NOx涉及的问题是，持续暴露于废气中的传感器的寿命非常有限。

发明内容

在本发明的目的是提供一种控制选择性催化还原的改进的方法，和选择性催化还原的装置。权利要求1给出了根据本发明的方法的特征并且权利要求7的特征部分给出了根据本发明的系统的特征。

根据本发明，提供了一种控制选择性催化还原系统的方法，该催化还原系统用于内燃机，该方法利用预定的触发事件组和催化剂元件下游的NOx浓度的预定设定值。该系统等待触发事件，并在触发事件发生时，开始催化剂元件下游的NOx浓度测量，确定所测量的浓度与设定值之间的差值。如果差值为负，则以取决于差值的量减少还原剂的剂量，并等待新的触发事件。如果差值为正，则以取决于差值的量增加还原剂的剂量，并等待预定量的时间以使系统稳定。开始新的NOx浓度测量，并且将NOx浓度与前一测量相比较。如果测量值低于前一测量值，则维持相同的还原剂剂量，并等待新的触发事件。如果测量值高于前一测量值，则以比前一测量后的增加量大的量来减少还原剂的剂量，并等待新的触发事件。

只有预计NOx排放由于某种原因已经改变时，才激活NOx测量系统。这使得能够保护测量之间的NOx测量单元。因为在检测到触发事件后，近需要一次或两次测量以及对还原剂的剂量的调整，因此控制方法也是有效的。

根据本发明的一个实施方式，从旁通管中测量NOx浓度。在测量之间可将清洁气体引入到旁通管中。这是保护NOx测量单元的简单而有效的方式。

根据本发明的另一实施方式，在氧化催化剂的下游测量NOx浓度。此外，在这种情况下，测量可以在旁通管中进行。

触发事件可以包括以下参数中至少一个的变化：

-排气门位置，

-环境温度，

-环境湿度，

-增压空气的温度，

-增压空气的压力，

-发动机的负荷，

-发动机转速，

-增压空气冷却水的温度，

-燃料注射的时机，

-燃料注射持续时间，

-点火时机。

从前一测量经过预定量的时间或者发动机的启动也可以是触发事件。

根据本发明中，提供一种选择性催化还原的装置，该装置包括至少一个催化剂元件，用于向催化剂元件上游的排气系统中引入还原剂的单元，用于控制还原剂的剂量的控制单元，以及用于测量催化剂元件下游的NOx浓度的NOx测量单元。控制单元被设置为执行上面给出的方法。

根据本发明的一个实施方式，该装置包括用于在测量之间保护NOx测量单元免受废气侵害的单元。

根据本发明的另一实施方式，该装置包括设置在催化剂元件下游的旁通管，并且用于测量NOx浓度的单元设置在旁通管中。

根据本发明的另一实施方式，该装置包括用于将清洁气体引入到旁通管中的单元。

根据本发明的另一实施方式，该装置包括设置在催化剂元件下游的氧化催化剂。

附图说明

图1示意性示出了SCR系统的简化示图。

图2示出了NOx传感器的一种替代位置。

图3示意性示出了带SCR系统的内燃机的简化示图。

图4示出了NOx的测量装置。

图5示出了本发明的方法的流程图。

具体实施方式

现在参照附图来更详细地描述本发明。图1给出了用于内燃机的SCR系统的简化示意图。该系统包括一个具有三个SCR元件2的催化转化器1。SCR元件2是涂覆有催化剂材料的陶瓷蜂窝结构。用作还原剂的尿素，通过还原剂注射器5注入到催化转化器1上游的废气流中。尿素存储在罐14中，并且剂量单元12确保正确的尿素溶液量注入到排气系统。控制单元13被设置为控制剂量单元12。注入到排气系统中的尿素与废气混合，并且由于废气的热量而分解成氨和二氧化碳。在SCR元件2的表面上，氨分子与NOx反应并形成氮和水。在催化转化器1内，在SCR元件2的下游设置有氧化催化剂3。氧化催化剂3的目的是氧化一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。另外至少一部分过量的氨氧化主要形成氮氧化物和水。

在图3中，SCR系统被示出为与内燃机15连接。内燃机15的排气管16连接到涡轮增压器17的涡轮17a上。排气管16设置有排气门导管18，从而在需要时，可以引导一部分废气通过涡轮17a。排气门导管18设置有用于调节流进排气门导管18废气流的排气门阀19。

为了监测选择性催化还原后废气中的NOx浓度，在催化转化器1的下游设有NOx传感器4。由于NOx传感器通常对氨交叉敏感，也可以将传感器4定位在SCR元件2和氧化催化剂3之间，如图2所示。NOx传感器4位于旁通管6中。空气导管7与旁通管6连接。通过空气导管7，可将经加压的空气引入到旁通管6中。空气导管7配备有电磁阀8。当不测量废气中的NOx浓度时，以高于测量点处的废气压力的压力将空气引入到旁通导管6中。因此，NOx传感器4受到保护，免受废气中的热量和杂质影响。空气可以是例如仪表空气，或者另选地空气为来自发动机15的进气导管20的增压空气，该发动机15位于涡轮增压器17的压缩机17b的下游。也可以设置单独的加压气体源，用于向旁通管6供给经加压的空气或其他的清洁气体。控制单元13控制NOx传感器4和电磁阀8。

确定101一组触发事件，仅当检测到触发事件中的至少一个时，开始NOx测量。触发事件是是众所周知的影响NOx形成的这类事件。触发事件可以包括环境条件的变化，例如环境温度和湿度的变化。另一组触发事件包括发动机工作参数的变化，如燃料注射时机和持续时间。点火时机的变化也可以触发NOx测量。涡轮增压系统的操作的变化，如排气门的位置或增压空气的温度和压力也可以定义为触发事件。发动机负载和速度的变化也是触发事件的可能的选择。最后，可以是，从先前测量或者发动机的启动经过预定量的时间也可以触发NOx测量。为了防止连续不断的测量，确定触发事件以使得只有一定数量级的变化才开始测量。触发事件通常是受控于还原剂剂量以外的其他控制目的这样的参数。因此，对新仪器的需求最小。

NOx测量之前，确定102NOx浓度的设定值。设定值等于测量点处的理想NOx排放水平，并且可以基于例如法规或其他规章设定的要求。可以在NOx排放量限度和设定值之间留下一定的余量。例如，设定值可以比规章设定的排放限度低一定的百分比。设定值可以因不同的发动机负载和/或速度而不同。触发事件和设定值可以预先确定，并存储在控制单元13的存储器中。

现在参照图5所示的流程图描述测量顺序。当检测到104触发事件时，关闭空气导管7上的电磁阀8，由此阻止空气流进入旁通管6。由于废气的速度，在旁通管6的入口10和出口11之间形成压力差，并且废气开始流经旁通管6并通过NOx传感器4。测量105预定时间段的NOx浓度的平均值，并且将该值存储在存储器中。将所测的NOx浓度值与NOx浓度设定值进行比较106。如果测得的NOx浓度低于设定值，则取决于与设定值的偏差减少107尿素剂量。然后，系统进入到睡眠模式，并等待103新的触发事件。

如果测得的NOx浓度高于设定值，则增加108尿素剂量。增加量取决于所测量的浓度与设定值的偏差。增加剂量后，等待109预定量的时间以使系统稳定。在经过该时间后，开始110新的NOx测量。如果新的测量表明NOx浓度已降低，则维持112新的剂量，并且在测量系统进入睡眠模式并等待103新的触发事件。如果测量表明NOx浓度增加，这是尿素剂量过量的指示。部分过量的氨在氧化催化剂3中氧化，从而增加了催化转化器1下游的NOx浓度。当检测到剂量过量时，减少113尿素剂量，之后测量系统进入睡眠模式，并等待103新的触发事件。部分氨经过催化转化器1而未发生反应。由于NOx传感器4对氨交叉敏感，因此传感器4也会检测出氨逃逸。由于交叉敏感性，在NOx传感器4也可以位于催化剂元件2和氧化催化剂3之间。

Claims (11)

1.一种控制选择性催化还原系统的方法，所述催化还原系统用于内燃机(15)，所述方法利用预定的触发事件组(101)和催化剂元件(2)下游的NOx浓度的预定设定值(102)，该方法包括以下步骤：

a)等待触发事件(103)，

b)当发生触发事件时(104)，开始催化剂元件(2)下游的NOx浓度测量(105)，

c)确定所测量的浓度与设定值之间的差值(106)，

d)在差值为负的情况下，以取决于差值的量减少还原剂的剂量(107)，并返回到第一步骤(103)，

e)在差值为正的情况下，以取决于差值的量增加还原剂的剂量(108)，

f)等待预定量的时间以使系统稳定(109)，

g)开始新的NOx浓度测量(110)并且将NOx浓度与前一测量的结果相比较(111)，

h)在测量值低于前一测量值的情况下，维持相同的还原剂剂量(112)，并返回第一步骤(103)，

i)在测量值高于前一测量值的情况下，以比前一测量后的增加量大的量来减少还原剂的剂量(113)，并且返回第一步骤(103)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述NOx浓度是从旁通管(6)测量的(105，110)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在测量(105，110)之间，将清洁气体引入到所述旁通管(6)中。

4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述NOx浓度是在氧化催化剂(3)的下游测量的(105，110)。

5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，所述触发事件包括以下参数中至少一个的变化：

-排气门位置，

-环境温度，

-环境湿度，

-增压空气的温度，

-增压空气的压力，

-发动机的负荷，

-发动机转速，

-增压空气冷却水的温度，

-燃料注射时机，

-燃料注射持续时间，

-点火时机。

6.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述触发事件包括从前一测量或者发动机的启动经过预定量的时间。

7.一种选择性催化还原的装置，该装置包括：

-至少一个催化剂元件(2)

-用于向所述催化剂元件(2)上游的排气系统中引入还原剂的单元(5)，

-用于测量催化剂元件(2)下游的NOx浓度的NOx测量单元(4)，以及

-用于控制NOx测量单元(4)和还原剂剂量的控制单元(13)，

其特征在于，所述控制单元(13)被设置为执行权利要求1所述的方法。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置包括用于在测量之间保护所述NOx测量单元(4)免受废气侵害的单元(6，7，8)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，该装置包括设置在催化剂元件(2)下游的旁通管(6)，并且用于测量所述NOx浓度的单元(4)设置在所述旁通管(6)内。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，该装置包括用于将清洁气体引入到所述旁通管(6)中的单元(7，8)。

11.根据权利要求7-10中任一所述的装置，其特征在于，该装置包括设置在所述催化剂元件(2)下游的氧化催化剂(3)。

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