CN105715343A - 发动机尾气后处理的余热回收系统及利用方法 - Google Patents

Abstract

一种发动机尾气后处理的余热回收系统，其包括用以连接于发动机排气端下游的氧化催化器、位于所述氧化催化器下游的颗粒捕集器、位于所述颗粒捕集器下游的选择性催化还原器、以及用以控制所述余热回收系统的控制器，所述余热回收系统还包括能量回收装置以及与所述能量回收装置相连且用以对所述发动机的尾气进行加热的加热单元。另外，本发明还涉及一种余热回收的利用方法，其包括启动所述加热单元以对所述发动机的尾气进行加热的步骤。本发明的有益效果是提高了能源的利用率以及对尾气的处理效率。

Description

发动机尾气后处理的余热回收系统及利用方法

技术领域

本发明涉及一种发动机尾气后处理的余热回收系统及利用方法，属于发动机尾气后处理的技术领域。

背景技术

现有的尾气处理技术中包括氧化催化器（DOC）、颗粒捕集器（DPF）以及选择性催化还原器（SCR）组合的方案。在一定的使用程度之后，所述颗粒捕集器会发生堵塞，从而影响系统的背压，因此颗粒捕集器则需要解决其如何再生的问题。目前，颗粒捕集器再生的方案有两种：被动再生和主动再生，其中被动再生的效果不太理想，应用上会受到很多的限制；目前主流的方案是主动再生。主动再生的原理是通过燃烧的方式去除碳颗粒。

发动机在正常工作时的排气温度通常较高，这其中有许多热能值得回收利用，特别是在颗粒捕集器主动再生时，会产生非常高的热量。

现有技术中已经揭示了利用朗肯循环（RankineCycle)来回收废热的系统。通常，朗肯循环主要包括增压装置（例如泵）、热交换装置（例如蒸发器）、能量转化装置（例如膨胀机）以及冷却装置（例如冷凝器）。使用时，所述泵将一种介质（例如水）升压之后与高温的发动机尾气在所述蒸发器上进行热交换，该介质被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入膨胀机中做功，做功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷却凝结成液态，再回到泵中，完成一个循环。经过此过程之后，相当于将发动机尾气的废热转化成可以利用的机械能，以实现能量的回收与利用。

另外，现有的氧化催化器（DOC）以及选择性催化还原器（SCR）都有一个合适的工作温度区间。当发动机在冷启动的初期时，排气温度较低，此时所述氧化催化器（DOC）以及选择性催化还原器（SCR）的活性没有被激发，对尾气的处理效率很差，此时的尾气污染很大。经过一段时间之后，当发动机的排气温度位于该区间内时，所述氧化催化器（DOC）以及选择性催化还原器（SCR）具备更高的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种优化的发动机尾气后处理的余热回收系统及利用方法，不但能够回收发动机的废热，还能够在发动机的排气温度不够时，提高排气温度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种发动机尾气后处理的余热回收系统，其包括用以连接于发动机排气端下游的氧化催化器、位于所述氧化催化器下游的颗粒捕集器、位于所述颗粒捕集器下游的选择性催化还原器、以及用以控制所述余热回收系统的控制器，所述余热回收系统还包括能量回收装置以及与所述能量回收装置相连且用以对所述发动机的尾气进行加热的加热单元。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述能量回收装置包括蓄电池以及安装在所述颗粒捕集器与所述选择性催化还原器之间的热电模块，所述热电模块用以收集所述发动机尾气的余热以对所述蓄电池进行充电。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述加热单元包括位于所述氧化催化器上游的第一加热单元及/或位于所述选择性催化还原器上游的第二加热单元，所述蓄电池通过放电对所述第一加热单元及/或所述第二加热单元进行加热。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述加热单元包括所述第一加热单元及所述第二加热单元；所述余热回收系统还包括与所述蓄电池的正极相连的第一继电器以及第二继电器，其中所述第一继电器与所述第一加热单元相连，用以开启或者断开所述第一加热单元；所述第二继电器与所述第二加热单元相连，用以开启或者断开所述第二加热单元。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述余热回收系统还包括连接在所述颗粒捕集器与所述选择性催化还原器之间的控制阀，所述控制阀能够在所述控制器的控制下选择将所述发动机的尾气经过所述热电模块或者不经过所述热电模块。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述控制阀是三通阀，其包括进口、第一出口以及第二出口，其中所述进口与所述颗粒捕集器相通，所述第一出口与所述热电模块相通，所述第二出口与一个用以旁通所述热电模块的旁通管路相通。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述余热回收系统包括安装在所述氧化催化器的入口处的第一温度传感器、安装在所述颗粒捕集器的出口处的第二温度传感器、以及安装在所述选择性催化还原器的入口处的第三温度传感器，所述第一、第二、第三温度传感器均与所述控制器相连。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述选择性催化还原器为温度使用范围在120摄氏度到450摄氏度之间的选择性催化还原器。

本发明还涉及如下技术方案：一种利用方法，其包括如下步骤：

S1：判断所述颗粒捕集器的出口处的排气温度是否高于第一设定值，如果高于，则所述控制器控制所述余热回收系统，使所述发动机的尾气经过所述能量回收装置以进行热量回收；如果不高于，则所述控制器控制所述余热回收系统，使所述发动机的尾气不经过所述能量回收装置；

S2：判断所述氧化催化器的入口处的排气温度是否低于第二设定值，如果低于，则启动所述加热单元以对所述发动机的尾气进行加热；及/或判断所述选择性催化还原器的入口处的排气温度是否低于第三设定值，如果低于，则启动所述加热单元以对所述发动机的尾气进行加热。

本发明还涉及如下技术方案：一种利用方法，其包括如下步骤：

在所述发动机冷启动时，利用上次循环中已经存储在所述能量回收装置中的电能启动所述加热单元，以对所述发动机的尾气进行加热。

相较于现有技术，本发明通过能量回收装置将所述发动机的尾气进行热能回收，提高了能源的利用率；另外，通过加热单元，能够在发动机的排气温度不够时，对所述发动机的尾气进行加热，提高了对尾气的处理效率。

附图说明

图1是本发明发动机尾气后处理的余热回收系统的原理图。

图2是本发明发动机尾气后处理的余热回收系统在旁通能量回收装置时的原理图。

图3是本发明发动机尾气后处理的余热回收系统在启动能量回收装置时的原理图。

图4是本发明发动机尾气后处理的余热回收系统在启动加热单元时的原理图。

图5是本发明利用方法及其应用的流程示意图。

具体实施方式

请参图1所示，本发明揭示了一种发动机尾气后处理的余热回收系统100，其包括发动机1、与所述发动机的前端相连的发动机进气端11、与所述发动机的后端相连的发动机排气端12、连接在所述发动机排气端12下游的氧化催化器2、位于所述氧化催化器2下游的颗粒捕集器3、位于所述颗粒捕集器3下游的选择性催化还原器4、用以控制所述余热回收系统100的控制器5、能量回收装置6、以及与所述能量回收装置6相连且用以对所述发动机的尾气进行加热的加热单元7。鉴于这种尾气处理技术的原理对所属技术领域的技术人员是熟知的，本发明在此不再赘述。

为了实现温度检测，本发明的余热回收系统100还包括安装在所述氧化催化器2的入口处的第一温度传感器81、安装在所述颗粒捕集器3的出口处的第二温度传感器82、以及安装在所述选择性催化还原器4的入口处的第三温度传感器83。所述第一、第二、第三温度传感器81、82、83均与所述控制器5相连，以将检测到的温度信号发动给所述控制器5。

请参图1所示，在本发明图示的实施方式中，所述能量回收装置6包括蓄电池61以及安装在所述颗粒捕集器3与所述选择性催化还原器4之间的热电模块62。所述热电模块62中还包括一个供低温介质流动的管道63。当启动所述热电模块62时，高温的发动机尾气与低温的介质在经过所述热电模块时会产生电压差，这个电压差能够用以对所述蓄电池61进行充电。鉴于热电模块62本身的技术原理对所属技术领域的技术人员是熟知的，本发明在此不再赘述。经过上述这个过程，相当于将发动机的废热转化成了电能，并存储在所述蓄电池61中。优选地，所述管道63中低温介质的流动方向与所述尾气的排放方向相反，以提高所述热电模块62的转化性能。

当然，在其他实施方式中，也可以借用现有技术中的热交换装置（例如蒸发器）以及能量转化装置（例如膨胀机），将发动机的废热转化成机械能，然后再将所述机械能通过发电机转化成电能，存储在所述蓄电池61中。

所述加热单元7包括位于所述氧化催化器2上游的第一加热单元71及/或位于所述选择性催化还原器4上游的第二加热单元72。优选地，在本发明图示的实施方式中，所述加热单元7包括上述第一加热单元71以及上述第二加热单元72。当所述第一温度传感器81检测到所述发动机的排气温度低于第二设定值时（即所述氧化催化器2的正常工作温度范围），所述蓄电池61放电，启动所述第一加热单元71对发动机的尾气进行加热。类似地，当所述第三温度传感器83检测到所述发动机的排气温度低于第三设定值时（即所述选择性催化还原器4的正常工作温度范围），所述蓄电池61放电，启动所述第二加热单元72对发动机的尾气进行加热。

具体地，在本发明图示的实施方式中，所述余热回收系统100还包括与所述蓄电池61的正极相连的第一继电器64以及第二继电器65，其中所述第一继电器64与所述第一加热单元71相连，用以开启或者断开所述第一加热单元71；所述第二继电器65与所述第二加热单元72相连，用以开启或者断开所述第二加热单元72。所述蓄电池61通过放电对所述第一加热单元71及/或所述第二加热单元72进行加热。

另外，在本发明图示的实施方式中，所述余热回收系统100还包括连接在所述颗粒捕集器3与所述选择性催化还原器4之间的控制阀9。所述控制阀9能够在所述控制器5的控制下选择将发动机的尾气经过所述热电模块62或者不经过所述热电模块62。所述控制阀9在本发明图示的实施方式中是三通阀，其包括进口91、第一出口92以及第二出口93，其中所述进口91与所述颗粒捕集器3相通，所述第一出口92与所述热电模块62相通，所述第二出口93与一个用以旁通所述热电模块62的旁通管路94相通。

在本发明图示的实施方式中，所述选择性催化还原器4为温度使用范围在120摄氏度到450摄氏度之间的选择性催化还原器。本发明的架构下，可以避免使用成本较高的高温选择性催化还原器（温度使用范围在450摄氏度到600摄氏度之间）。需要说明的是，由于颗粒捕集器3在主动再生时会产生非常高的温度，这个高温如果不进行处理有可能会烧坏一般的选择性催化还原器或者低温选择性催化还原器。为了降低设计风险，某些厂商会直接选择成本较高的选择性催化还原器，显然这会增加成本。另外，这种方案没有从根本上解决问题，因为如果温度非常高，仍然能够将高温选择性催化还原器烧坏。

以下就本发明的利用方法进行详细说明。

请参图2所示，当发动机1冷启动时，此时排气温度很低，尚未达到所述氧化催化器2以及所述选择性催化还原器4的工作温度，在这种情况下不能进行余热回收。相反，这个时段优选地应该对发动机的排气进行加热，以迅速将排气温度提高到所述氧化催化器2以及所述选择性催化还原器4适宜的工作温度。当发动机1冷启动时，所述控制阀9的第一出口92关闭、第二出口93打开，从而使排气绕过所述热电模块62。

当发动机的排气温度上升到一定程度之后，便能够进行余热回收了。请参图3所示，在本发明图示的实施方式中，当所述颗粒捕集器3的出口处的排气温度高于第一设定值时（例如当所述颗粒捕集器3主动再生时），则所述控制器5将所述控制阀9的第一出口92打开、第二出口93关闭，从而使排气经过所述热电模块62进行热量回收。当所述第一温度传感器81检测到所述发动机的排气温度低于所述第二设定值时，所述控制器5控制所述第一继电器64合上，所述蓄电池61放电，启动所述第一加热单元71对发动机的尾气进行加热。当所述第三温度传感器83检测到所述发动机的排气温度低于所述第三设定值时，所述控制器5控制所述第二继电器65合上，所述蓄电池61放电，启动所述第二加热单元72对发动机的尾气进行加热。

请参图5所示，本发明的利用方法包括如下步骤：

S1：判断所述颗粒捕集器3的出口处的排气温度是否高于第一设定值，如果高于，则所述控制器5控制所述余热回收系统100，使所述发动机的尾气经过所述能量回收装置6以进行热量回收；如果不高于，则所述控制器5控制所述余热回收系统100，使所述发动机的尾气不经过所述能量回收装置6；

S2：判断所述氧化催化器2的入口处的排气温度是否低于第二设定值，如果低于，则启动所述加热单元7以对所述发动机的尾气进行加热；及/或判断所述选择性催化还原器4的入口处的排气温度是否低于第三设定值，如果低于，则启动所述加热单元7以对所述发动机的尾气进行加热。

可以理解，通过本发明的余热回收系统100，在所述发动机1冷启动时，利用上次循环中已经存储在所述能量回收装置6中的电能启动所述加热单元7，以对所述发动机的尾气进行加热，能够快速提高尾气处理效率。

相较于现有技术，本发明设置了能量回收装置6用以收集发动机的废热，并将收集到的电能重新应用到尾气处理系统中，提高了处理效率，降低了污染，是一种切实可行的技术方案。

另外，以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，对本说明书的理解应该以所属技术领域的技术人员为基础，例如“前后贯穿”指的是在未安装其他零件之前是贯穿的，再例如对“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等方向性的描述，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种发动机尾气后处理的余热回收系统，其包括用以连接于发动机排气端下游的氧化催化器、位于所述氧化催化器下游的颗粒捕集器、位于所述颗粒捕集器下游的选择性催化还原器、以及用以控制所述余热回收系统的控制器，其特征在于：所述余热回收系统还包括能量回收装置以及与所述能量回收装置相连且用以对所述发动机的尾气进行加热的加热单元。

2.如权利要求1所述的余热回收系统，其特征在于：所述能量回收装置包括蓄电池以及安装在所述颗粒捕集器与所述选择性催化还原器之间的热电模块，所述热电模块用以收集所述发动机尾气的余热以对所述蓄电池进行充电。

3.如权利要求2所述的余热回收系统，其特征在于：所述加热单元包括位于所述氧化催化器上游的第一加热单元及/或位于所述选择性催化还原器上游的第二加热单元，所述蓄电池通过放电对所述第一加热单元及/或所述第二加热单元进行加热。

4.如权利要求3所述的余热回收系统，其特征在于：所述加热单元包括所述第一加热单元及所述第二加热单元；所述余热回收系统还包括与所述蓄电池的正极相连的第一继电器以及第二继电器，其中所述第一继电器与所述第一加热单元相连，用以开启或者断开所述第一加热单元；所述第二继电器与所述第二加热单元相连，用以开启或者断开所述第二加热单元。

5.如权利要求2所述的余热回收系统，其特征在于：所述余热回收系统还包括连接在所述颗粒捕集器与所述选择性催化还原器之间的控制阀，所述控制阀能够在所述控制器的控制下选择将所述发动机的尾气经过所述热电模块或者不经过所述热电模块。

6.如权利要求5所述的余热回收系统，其特征在于：所述控制阀是三通阀，其包括进口、第一出口以及第二出口，其中所述进口与所述颗粒捕集器相通，所述第一出口与所述热电模块相通，所述第二出口与一个用以旁通所述热电模块的旁通管路相通。

7.如权利要求1所述的余热回收系统，其特征在于：所述余热回收系统包括安装在所述氧化催化器的入口处的第一温度传感器、安装在所述颗粒捕集器的出口处的第二温度传感器、以及安装在所述选择性催化还原器的入口处的第三温度传感器，所述第一、第二、第三温度传感器均与所述控制器相连。

8.如权利要求1至7项中任意一项所述的余热回收系统，其特征在于：所述选择性催化还原器为温度使用范围在120摄氏度到450摄氏度之间的选择性催化还原器。

9.一种关于权利要求1至8项中任意一项所述的余热回收系统的利用方法，其包括如下步骤：

S1：判断所述颗粒捕集器的出口处的排气温度是否高于第一设定值，如果高于，则所述控制器控制所述余热回收系统，使所述发动机的尾气经过所述能量回收装置以进行热量回收；如果不高于，则所述控制器控制所述余热回收系统，使所述发动机的尾气不经过所述能量回收装置；

S2：判断所述氧化催化器的入口处的排气温度是否低于第二设定值，如果低于，则启动所述加热单元以对所述发动机的尾气进行加热；及/或判断所述选择性催化还原器的入口处的排气温度是否低于第三设定值，如果低于，则启动所述加热单元以对所述发动机的尾气进行加热。

10.一种关于权利要求1至8项中任意一项所述的余热回收系统的利用方法，其包括如下步骤：

在所述发动机冷启动时，利用上次循环中已经存储在所述能量回收装置中的电能启动所述加热单元，以对所述发动机的尾气进行加热。