CN105179112A - 降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低柴油机排放技术，具体说涉及一种降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统及方法。降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统，包括：在发动机进气管上增加的一套独立的甲醇喷射系统；在发动机排气管上增加的一个甲醇专用DOC+POC集成体。本发明相对于现有技术的优点在于：该方法中甲醇既作为一种燃料又作为排放改进剂参与到燃烧中，而不像目前采用的选择性催化还原SCR技术中尿素只用于控制排放，综合油耗下降，燃料成本降低，更容易为用户所接受。

Description

降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统及方法

技术领域：

本发明涉及一种降低柴油机排放技术，具体说涉及一种降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统及方法。

背景技术：

柴油机主要排放污染物是NOx和颗粒物，两者之间存在此消彼长的关系。目前，降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的主要技术措施是将喷油提前，提高缸内燃烧温度从而大幅降低颗粒物排放，由此伴随氮氧化物NOx排放大幅度增加。对于这部分增加的NOx排放物则采用选择催化还原SCR的方法,即在排气中喷射尿素降低NOx排放。该技术已经成为排放重卡最主要的技术路线。然而，该技术的应用存在几方面问题，一是增加了用户的使用成本，在消耗柴油的同时也消耗尿素，且尿素只用于降低排放而不参与燃烧，成为单纯的消耗品。二是不使用尿素会使排放更糟糕，当某些地方尿素加注不方便，若SCR系统不工作，产生柴油车排出的NOx远高(两倍以上)于之前的车辆排放。因此，发展一种非SCR的技术路线，使之在满足排放标准的前提下，既能减少柴油的消耗，又能节省用户的使用成本，具有重要的节能减排实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种非SCR的重型柴油机降低排放污染物NOx和颗粒的排放技术路线。

术语解释：DOC代表氧化催化转化器，POC代表微粒氧化催化转化器

降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统，包括：在发动机进气管上增加的一套独立的甲醇喷射系统；在发动机排气管上增加的一个甲醇专用DOC+POC集成体。

所述甲醇喷射系统包括：甲醇供给系统、信号采集系统和甲醇喷射控制系统。所述甲醇供给系统包括：甲醇箱、滤清器、甲醇泵、限压阀、醇轨和甲醇喷嘴；该部分能够提供4bar稳定的甲醇压力。所述信号采集系统包括：水温传感器、转速传感器和油门位置传感器。所述甲醇喷射控制系统控制甲醇喷嘴的喷射时刻和喷射量。

在上述系统上实现的降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的方法，过程为：

甲醇喷射系统启动后，甲醇泵开始工作；

甲醇在甲醇泵吸力的作用下先经过安装在箱内的滤网进入出醇管路，该滤网为粗滤，目的是过滤掉甲醇箱中可能存在的大颗粒杂质；之后进入滤清器；经过滤清器的甲醇得到进一步净化，然后依次通过甲醇泵、限压阀，最后到达醇轨；

发动机转入双燃料模式运行时，甲醇电控单元ECU根据采集到的发动机转速、油门开度、水温等信号控制甲醇的喷射量；

甲醇电控单元ECU还监测甲醇箱内浮子的液位信号，当甲醇箱内没有甲醇时将甲醇泵停掉，甲醇喷射系统停止工作。

本发明相对于现有技术的优点在于：

(一)采用进气道喷射甲醇办法实现甲醇在缸内与柴油掺烧：利用甲醇不含C-C键，且汽化潜热大、火焰传播速度快的特点，同时降低柴油机颗粒物和NOx排放，并采用简单后处理器氧化催化转化器+颗粒物氧化催化转化器DOC+POC将双燃料燃烧产生较多的未燃碳氢HC，一氧化碳CO和醛类物质进行催化氧化，达到排放标准。

(二)与目前采用的SCR路线相比，该方法中甲醇既作为一种燃料又作为排放改进剂参与到燃烧中，而不像目前采用的选择性催化还原SCR技术中尿素只用于控制排放；甲醇含氧、高汽化潜热、高火焰传播速度的特点使得排放改善的同时发动机热效率也显著提升，综合油耗下降，燃料成本降低，更容易为用户所接受。此外，该技术能实现甲醇对柴油平均替代30％以上。

附图说明：

附图1是本发明中甲醇供给和控制系统的工作原理图；图中：1代表限压阀，2代表甲醇泵，3代表滤清器，4代表甲醇电控单元ECU，5代表甲醇液位计，6代表甲醇箱，7代表甲醇喷嘴，8代表醇轨。

附图2是本发明实施例中的技术方案在发动机台架上测试时的整体结构示意图；图中，4代表甲醇电控单元ECU，7代表甲醇喷嘴，8代表醇轨，10代表烟度计，11代表排放分析仪，12代表颗粒分析仪，13代表燃烧分析仪，14代表转速传感器，15代表油门传感器，16代表缸压传感器，17代表水温传感器，18代表角标仪，19代表DOC+POC集成体，21代表测功机，23代表甲醇供给系统，27代表中冷器，28代表涡轮增压器，

附图3是本发明实施例中的DMCC发动机标定流程图。

具体实施方式：

实施例：

在一台中国重汽生产的D10.31-40M六缸增压中冷电控共轨柴油机上加装了甲醇供给系统和甲醇喷射控制系统，并在其排气管处增加了DOC+POC集成体后处理器。

附图1是本技术方案中甲醇供给和控制系统工作原理图：甲醇系统启动后，甲醇泵即开始工作。在甲醇箱上安装了出、回醇管路。甲醇在甲醇泵吸力的作用下先经过安装在箱内的滤网进入出醇管路，该滤网为粗滤，目的是过滤掉甲醇箱中可能存在的大颗粒杂质；经过滤清器的甲醇得到进一步净化，然后依次通过甲醇泵、限压阀，最后到达醇轨。若采用总管喷射，则从限压阀出来的甲醇到达喷醇器总成(醇轨、喷嘴和不锈钢进气总管的集成体)。限压阀的限压压力是4bar，多余的甲醇将回流至甲醇箱。发动机转入双燃料模式运行时，甲醇电控单元ECU根据采集到的发动机转速、油门开度、水温等信号控制甲醇的喷射量。此外，甲醇电控单元ECU还监测浮子的液位信号，当甲醇箱内没有甲醇时将甲醇泵停掉，甲醇系统停止工作。

附图2是本实施例的工作过程示意图。可以看到，除了附图1介绍的甲醇系统外，还在发动机排气管上增加了一个DOC+POC集成体后处理装置。甲醇供给系统和甲醇喷射控制系统独立于原柴油机，只是在进气管处增加了醇轨和甲醇喷嘴。甲醇系统工作时的主要输入信号，如发动机转速、冷却水温度和油门开度等，既可以通过加装传感器的方式获得，也可以共享原柴油机的信号，为保证系统的独立性，通常都采用前者。

本发明在应用前需要在发动机全工况范围标定柴油的喷射参数和甲醇的喷射量。标定时，以低排放为优化目标，甲醇喷射量、柴油喷射量、喷油正时和共轨压力(如果是共轨发动机)为控制参数，各种排放物的测量值小于国Ⅳ限制作为约束条件，且保证DMCC发动机工作稳定。

该技术方案的发动机标定时，为了保证发动机最大爆发压力不超过限值，在外特性时替代率不宜过高；而在小负荷时，高的甲醇喷射量会使得燃烧变得不稳定，经济性变差，因此替代率也需要控制。

从甲醇喷射map可以得出：小于25％负荷的工况基本停止喷射甲醇，避免发动机低负荷下DMCC运行时甲醇燃烧效率低，循环变动大及油耗高的缺点。在25-50％负荷之间喷醇量快速增加，超过50％后甲醇喷射趋于稳定时最大值。不同型号的发动机和不同的喷醇方式下，标定得到的甲醇喷射map会有一定不同，但map的变化规律是相同的，理论基础和技术体系也是完全一样的。

采用柴油/甲醇组合燃烧方式工作的发动机，其尾气中有较多的HC、CO和甲醛排放，而soot和NOx排放却显著降低，其废气成分比例与传统柴油机有显著差异，附表1给出了本发明采用的DOC+POC集成体后处理装置的主要技术指标。表中所给出的体积参数是针对10L发动机的，对于其他发动机则根据其排量来调整后处理装置的尺寸。

表1DOC和POC的主要技术指标

原发动机排放水平为国Ⅲ，详细参数见附表2。标定后该发动机在国家权威检测机构进行了排放测试，通过了国Ⅳ阶段排放认证。其排放物水平与国Ⅳ限值的对比见表3。可以看到，该技术方法能够在不喷尿素的情况下将发动机从国Ⅲ排放升至国Ⅳ，是一条切实可行的非SCR国Ⅳ技术路线。

表2重汽D10.31-40M柴油机参数

类型	六缸、直列、增压中冷
		缸径×行程/mm×mm	126×130
压缩比	17.5
		排量/L	9.726
最大扭矩/转速	1490/1200-1500
		额定功率/转速/kW/r/min	249/1900
喷油系统	DENSO电控共轨
		喷醇方式	总管喷射

表3采用本发明技术方法的D10.31-40M柴油机排放物与国Ⅳ排放限值对比

Claims (6)

1.降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统，其特征在于，包括：

在发动机进气管上增加的一套独立的甲醇喷射系统；

在发动机排气管上增加的一个甲醇专用氧化催化转化器(DOC)和微粒氧化催化转化器(POC)的集成体。

2.根据权利要求1所述降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统，其特征在于，所述甲醇喷射系统包括：甲醇供给系统、信号采集系统和甲醇喷射控制系统。

3.根据权利要求2所述降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统，其特征在于，所述甲醇供给系统包括：甲醇箱、滤清器、甲醇泵、限压阀、醇轨和甲醇喷嘴。

4.根据权利要求3所述降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统，其特征在于，所述信号采集系统包括：水温传感器、转速传感器和油门位置传感器。

5.根据权利要求4所述降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的系统，其特征在于，所述甲醇喷射控制系统控制甲醇喷嘴的喷射时刻和喷射量。

6.在权利要求5所述系统上实现的降低柴油机排放污染物NOx和颗粒的方法，其特征在于：

甲醇喷射系统启动后，甲醇泵开始工作；

甲醇在甲醇泵吸力的作用下先经过安装在箱内的滤网进入出醇管路，该滤网为粗滤，目的是过滤掉甲醇箱中可能存在的大颗粒杂质；之后进入滤清器；经过滤清器的甲醇得到进一步净化，然后依次通过甲醇泵、限压阀，最后到达醇轨；

发动机转入双燃料模式运行时，甲醇电控单元ECU根据采集到的发动机转速、油门开度、水温等信号控制甲醇的喷射量；

甲醇电控单元ECU还监测甲醇箱内浮子的液位信号，当甲醇箱内没有甲醇时将甲醇泵停掉，甲醇喷射系统停止工作。