CN104775881A - 发动机scr催化器系统及其控制方法 - Google Patents

发动机scr催化器系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机SCR催化器系统及其控制方法。该发动机SCR催化器系统包括：发动机机体，其进气端布设有增压器压气机、进气管路和发动机进气总管，以及设置在该进气管路上的进气节流阀；该发动机机体的排气端布设有发动机排气管和增压器涡轮机，所述发动机排气管上设置有排气温度传感器；SCR催化器，其上、下游分别设置有SCR上、下游温度传感器；以及旁通管路，并联设置在所述SCR催化器的入口前端，并在该旁通管路的入口处设置双向旁通阀。该发动机SCR催化器系统能够最大限度的减小SCR催化器热量损失，提高或保持SCR催化器的温度，提升SCR催化器的转换效率。

Description

发动机SCR催化器系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及发动机降低NOx排放领域，特别涉及一种发动机SCR催化器系统及其控制方法。
背景技术
作为发动机降低NOX排放的重要技术，SCR(选择性催化还原器)在中重车用发动机上得到广泛运用。在SCR催化器涂层、载体等硬件配置一定的情况下，可以通过提高其温度和降低排气空速来提高SCR催化器的实际转化效率。
随着排放法规的日益严格，特别是执行WHTC排放循环的城市车辆，为了不至发动机牺牲太多的油耗来确保排放，SCR催化器的负担也越来越重。然而，对于低马力段和低负荷的发动机在WHTC排放循环区，SCR催化器的温度非常低，SCR催化器的效率也相应十分低，难以通过WHTC循环。为了提高发动机的排温，现在常用的技术是使用进气节流阀，通过减小进气量，放缓燃烧速度，达到提高排气温度的效果。进气节流阀另一个作用是在发动机倒拖时，尽量小的关闭节气门，防止气流带走SCR催化器的热量。进气节流阀在一定程度上提高了排气温度，但在防止排气带走SCR后处理热量方面能力相当有限，最终使得其温度没有最大能力的提升或保持。并且如果节气门开度太小，气缸内形成负压，会导致机油上串，机油燃烧会增加柴油机的颗粒和烟度。
因此，现有的技术方案主要缺点为：
1、倒拖工况，进气节流阀不能完全关闭，始终有一部分气流流过SCR催化器，带走热量；而且废气从排气管到SCR催化器可以看成是绝热膨胀过 程，废气的温度会进一步降低。
2、如果进气节流阀开度过小，进气过程缸内将产生很大的负压，曲轴箱机油上串，不充分燃烧的机油将会导致颗粒和烟度增加。
3、在非排放区，特别是怠速工况，有一部分氮氧很低且相对于SCR催化器平均温度TC也很低的废气流经SCR催化器，造成了不必要的热量损失，并且这一部分废气长时间流过SCR催化器，会使氨储量不断的降低，不利于SCR催化器效率的提升。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单合理的发动机SCR催化器系统及其控制方法，该发动机SCR催化器系统在SCR催化器的入口前端并联一段旁通管路，并在旁通管路入口安装一个双向旁通阀，控制发动机废气的不同流通路径，能够最大限度的减小SCR催化器热量损失，提高或保持SCR催化器的温度，提升SCR催化器的转换效率，并且在一定程度上可以减小发动机的烟度和颗粒等排放物，从而保证发动机处于更低的排放水平。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了发动机SCR催化器系统，包括：发动机机体，其进气端布设有增压器压气机、进气管路和发动机进气总管，以及设置在该进气管路上的进气节流阀；该发动机机体的排气端布设有发动机排气管和增压器涡轮机，所述发动机排气管上设置有排气温度传感器；SCR催化器，其上、下游分别设置有SCR上、下游温度传感器；以及旁通管路，并联设置在所述SCR催化器的入口前端，并在该旁通管路的入口处设置双向旁通阀。
优选地，上述技术方案中，增压器压气机与新鲜空气入口连通。
优选地，上述技术方案中，SCR催化器的末端安装有NOX传感器。
优选地，上述技术方案中，SCR上、下游温度传感器的输出端和NOX温度传感器的输出端均与ECU连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种如上述的发动机SCR催化器系统的控制方法，当发动机处于倒拖工况时，ECU检测到当前的循环油量为0时，ECU控制进气节流阀全开，并控制双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；
当排气温度值与SCR催化器上、下游温度的平均值之差△T≤0℃，且发动机处于怠速，ECU控制进气节流阀保持原有开度，并控制双向旁通阀使得废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；
当排气温度值与SCR催化器上、下游温度的平均值之差△T≤0℃，且发动机处于非怠速和倒拖工况，ECU控制进气节流阀保持原有开度，若NOX排放低于目标控制值，双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；若NOX原机排放高于目标控制值，且SCR催化器的平均温度高于添蓝起喷温度，则双向旁通阀指令废气流经SCR催化器降低NOX排放；但若SCR催化器的平均温度低于添蓝起喷温度，双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；
当排气温度值与SCR催化器上、下游温度的平均值之差△T＞0℃，ECU控制进气节流阀保持原有开度，若ΔT与热损失温度之差大于0℃，双向旁通阀指令废气全部流经SCR催化器；若ΔT与热损失温度之差小于0℃，且NOX原机排放低于目标控制值，双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；若ΔT与热损失温度之差小于0℃，且NOX原机排放高于目标控制值，且SCR催化器的平均温度高于添蓝起喷温度，则双向旁通阀指令废气流经SCR催化器降低NOX排放，否则双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该发动机SCR催化器系统 及其控制方法在SCR催化器的入口前端并联一段旁通管路，并在旁通管路入口安装一个双向旁通阀，控制发动机废气的不同流通路径，能够最大限度的减小SCR催化器热量损失，提高或保持SCR催化器的温度，提升SCR催化器的转换效率，并且在一定程度上可以减小发动机的烟度和颗粒等排放物，从而保证发动机处于更低的排放水平。
附图说明
图1为本发明的发动机SCR催化器系统及其控制方法的结构示意图。
图2为本发明的发动机SCR催化器系统的流程图。其中，双向旁通阀置1表示废气完全从旁通管流向大气或下一个后处理环节，双向旁通阀置2表示废气完全从SCR催化器流向大气或下一个后处理环节,△T＝排气温度-SCR催化器平均温度TC，T1为废气从排气总管到SCR催化器的温度损失值(经验值)，TC、TD分别为SCR催化器平均温度和添蓝起喷温度。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
要提高或保持SCR催化器的温度，应该从“开源”和“节流”两方面考虑，“开源”，即提高排气温度，“节流”，即减小SCR催化器自身热量的流失。进气节流阀便是起到“开源”的作用。如果配合使用带双向旁通阀的旁通管路，则可以最大限度的减小SCR催化器热量损失，提高或保持SCR催化器的温度，提升SCR催化器的转换效率，并且在一定程度上可以减小发动机的烟度和颗粒等排放物，从而保证发动机处于更低的排放水平。
如图1所示(箭头代表气流方向)，根据本发明具体实施方式的发动机SCR催化器系统及其控制方法的具体包括：发动机机体14、发动机排气管1、增压器涡轮机8、旁通管路2、双向旁通阀3、排气温度传感器4、SCR催化器5、增压器压气机9、进气管路10和发动机进气总管13，以及NOX传感器6、SCR上、下游温度传感器7、进气节流阀12。其中，新鲜空气入口10与增压器压气机9连通，进气节流阀12设置在进气管路11上。增压器涡轮机8、旁通管路2、双向旁通阀3、SCR催化器5设置在该发动机机体13的排气端，旁通管路2并联在SCR催化器5的入口前端，双向旁通阀3设置在旁通管路2的入口处，旁通管路2的出口连接有其他后处理器或大气。NOX传感器6安装在SCR催化器5的末端，用于测量最终的NOX值。SCR上、下游温度传感器7分别设置在SCR催化器5的上、下游，用于测量SCR催化器的上下游温度，双向旁通阀3设置在旁通管路2的入口处能够控制发动机废气的不同流通路径。排气温度传感器4设置在发动机排气管1上，用于测量发动机排气管的排气温度。
ECU采集SCR催化器上下游温度传感器的测量值，并将计算出的SCR催化器上下游温度的平均值TC与排气温度传感器4采集的排气温度值进行比较，根据比较结果，和发动机运行的工况，由本提案的控制策略决定双向旁通阀门的动作使能，当发动机处于倒拖工况时，双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节，而其他工况双向旁通阀的动作则需要根据下面的控制策略来实现。能够最大限度的减小SCR催化器热量损失，提高或保持SCR催化器的温度，提升SCR催化器的转换效率，并且在一定程度上可以减小发动机的烟度和颗粒等排放物，从而保证发动机处于更低的排放水平。可以防止发动机在倒拖工况下机油上串，导致下一个工作循环的烟度和颗粒增加，与此同时还可以有效的防止发动机处于倒拖工况时大量的冷空气带走催化器的热量。可以防止当催化器平均温度高于排气温度时的非排放区，特别是城市车辆长时间的怠速工况，催化器温度被该类工况下的排气吹冷，而且可以防止上一个循环的氨存储被废气流稀释。还可以防止发动机运行在排放区催化器一些不必要的热量损失，即防止氮氧值低于目标控制值，和排 气温度低于催化器平均温度的废气流经催化器带走热量。本系统在提高催化器温度和催化器效率的同时，可以减小尿素喷射量，减小氨泄漏，降低尿素结晶的风险；还可以适当增大发动机的NOX原排值，提高发动机的燃油经济性。
如图2所示：
以下就其工作过程进行详述。(△T＝排气温度-SCR催化器平均温度TC)
说明一：当发动机处于倒拖工况时，ECU检测到当前的循环油量为0，此时，ECU发出指令，进气节流阀全开，避免缸内形成负压，避免机油上串；双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节，避免气流带走SCR催化器的热量。
说明二：当△T≤0℃，且发动机处于怠速，进气节流阀保持原有开度。△T＜0，即排气温度比实际SCR催化器平均温度TC还低，此时如果排气再流经SCR催化器，必然导致其温度降低；△T＝0，即SCR催化器平均温度与排气温度TC相等，因为考虑到管路热损失以及绝热膨胀，实际排气温度应减去热损失温度T1，废气也不能起到加热SCR催化器的作用；由于发动机处于怠速(或其他非排放区)NOX的原机排放低于控制目标，上诉两种情况双向旁通阀皆指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节，维持SCR催化器的温度。
说明三：当△T≤0℃，且发动机处于非怠速和倒拖工况，进气节流阀保持原有开度。此时排气温度比实际SCR催化器平均温度TC低，发动机处于排放区域，若NOX排放低于目标控制值，双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或则下一个后处理环节；若NOX原机排放高于目标控制值，且SCR催化器的平均温度TC高于添蓝起喷温度TD，则双向旁通阀指令废气流经SCR催化器降低NOX排放；但若SCR平均温度TC低于添蓝起喷温度TD，这时即使排气通过SCR催化器，催化效率也非常低，还会进一步吹冷SCR催化器，为了保持催化器有较高的温度，并且防止氨存储减小，双向旁通阀指令废气 经旁通管路排到大气或下一个后处理环节。
说明四：当△T＞0℃，即排气温度大于SCR催化器平均温度TC时，进气节流阀保持原有开度；因为考虑到有管路热损失以及绝热膨胀，实际排气温度应减去热损失温度T1。如果△T–T1>0则无论发动机处于何种工况，双向旁通阀指令废气全部流经SCR催化器；如果△T–T1<0，且NOX原机排放低于目标控制值，双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；如果△T–T1<0，且NOX原机排放高于目标控制值，且SCR催化器的平均温度TC高于添蓝起喷温度TD，则双向旁通阀指令废气流经SCR催化器降低NOX排放，否则双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节。
本提案控制策略的一个核心点在于定义了发动机处于不同工况下，双向旁通阀的动作以及相应的进气节流阀开闭程度；另一个核心点是通过比较排气温度与SCR催化器平均温度TC，比较发动机NOX原机排放与控制目标值，比较SCR催化器平均温度TC与添蓝起喷温度建立起来的一系列利于提高或保持SCR催化器的有效措施。
综上，该发动机SCR催化器系统及其控制方法在SCR催化器的入口前端并联一段旁通管路，并在旁通管路入口安装一个双向旁通阀，控制发动机废气的不同流通路径，能够最大限度的减小SCR催化器热量损失，提高或保持SCR催化器的温度，提升SCR催化器的转换效率，并且在一定程度上可以减小发动机的烟度和颗粒等排放物，从而保证发动机处于更低的排放水平。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (5)

1.一种发动机SCR催化器系统，其特征在于，包括：
发动机机体，其进气端布设有增压器压气机、进气管路和发动机进气总管，以及设置在该进气管路上的进气节流阀；该发动机机体的排气端布设有发动机排气管和增压器涡轮机，所述发动机排气管上设置有排气温度传感器；
SCR催化器，其上、下游分别设置有SCR上、下游温度传感器；以及
旁通管路，并联设置在所述SCR催化器的入口前端，并在该旁通管路的入口处设置双向旁通阀。
2.根据权利要求1所述的发动机SCR催化器系统，其特征在于，所述增压器压气机与新鲜空气入口连通。
3.根据权利要求1所述的发动机SCR催化器系统，其特征在于，所述SCR催化器的末端安装有NOX传感器。
4.根据权利要求3所述的发动机SCR催化器系统，其特征在于，所述SCR上、下游温度传感器的输出端和NOX传感器的输出端均与ECU连接。
5.一种如权利要求1至4中任一项所述的发动机SCR催化器系统的控制方法，其特征在于，
当发动机处于倒拖工况时，ECU检测到当前的循环油量为0时，ECU控制进气节流阀全开，并控制双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；
当排气温度值与SCR催化器上、下游温度的平均值之差△T≤0℃，且发动机处于怠速，ECU控制进气节流阀保持原有开度，并控制双向旁通阀使得废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；
当排气温度值与SCR催化器上、下游温度的平均值之差△T≤0℃，且发动机处于非怠速和倒拖工况，ECU控制进气节流阀保持原有开度，若NOX排放低于目标控制值，双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；若NOX原机排放高于目标控制值，且SCR催化器的平均温度高于添蓝起喷温度，则双向旁通阀指令废气流经SCR催化器降低NOX排放；但若SCR催化器的平均温度低于添蓝起喷温度，双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；
当排气温度值与SCR催化器上、下游温度的平均值之差△T＞0℃，ECU控制进气节流阀保持原有开度，若△T与热损失温度之差大于0℃，双向旁通阀指令废气全部流经SCR催化器；若ΔT与热损失温度之差小于0℃，且NOX原机排放低于目标控制值，双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节；若△T与热损失温度之差小于0℃，且NOX原机排放高于目标控制值，且SCR催化器的平均温度高于添蓝起喷温度，则双向旁通阀指令废气流经SCR催化器降低NOX排放，否则双向旁通阀指令废气经旁通管路排到大气或下一个后处理环节。
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