CN107514307A - 一种主动控制催化环境的scrf系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动控制催化环境的SCRF系统，包括DOC催化剂，用于将NO氧化成NO2，进而提高SCRF对NOx的转化效率，也有利于SCRF再生；尿素喷射装置，用于向排气管中喷射尿素；叶片，设置于柴油机排气管SCRF前端，用以对尿素喷射装置喷射的尿素进行加热，避免尿素结晶，并使NH3与排气充分混合；控制器，根据柴油机排气管中的排气温度及SCRF系统中的气体温度、压差决定叶片的加热温度及转速，对SCRF系统的催化环境进行主动控制；SCRF(即带有SCR涂层的DPF)，对柴油机排气中的NOx和PM进行处理。本发明的优点在于通过控制叶片的温度及转速，对混合气进行加热和强制搅拌，提高混合物均匀性，使催化环境得到控制，有利于催化反应的发生，并减少低温下尿素结晶物的生成。

Description

一种主动控制催化环境的SCRF系统
技术领域
本发明专利涉及柴油机后处理领域，尤其涉及一种主动控制催化环境的SCRF系统。SCRF(SCR catalysts coated DPF)系统即为负载有SCR催化剂的过滤器。
背景技术
柴油机的HC、CO排放量只有汽油机的几十分之一，但NOx的排放量却比汽油机高很多，微粒PM(Particulate Matter)排放更是汽油机的30～50倍，因此，柴油机排气净化主要针对NOx和PM。由于NOx与PM排放呈此消彼长的趋势，仅凭机内净化技术难以使两者同时降低，必须辅之以排气后处理技术。选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)催化剂的NOx转化效率可达95％，燃油经济性好，控制简单，被视为最有效的脱除NOx技术。柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)的过滤效率通常为85％～99.5％，被认为是当前最有效的脱除PM方法。
目前柴油机后处理系统主要是将各后处理装置串联组合使用，如图1所示。但这种方式存在两个主要问题：一是体积大，不利于安装布置。二是SCR位于DPF后端，该种结构使得SCR低温起燃较慢，在冷启动时NOx转化效率偏低。因此，为了实现催化剂性能、脱除效率和结构成本之间的合理匹配，可以将SCR催化剂涂覆在DPF上，把SCR与DPF的功能集中于一体，同时实现对NOx和PM的有效脱除，这种系统被称为SCRF或SDPF。
缩短SCRF与DOC之间的距离，可以显著提高SCRF的起燃速度。然而，SCR载体的取消使混合长度缩短，不利于SCR催化器中NH3的均匀分布，会导致整体NOx催化性能下降。因此，需要对SCRF的催化环境进行优化控制，减少低温环境下尿素结晶物的生成。
发明内容
本发明的目的是提供一种主动控制催化环境的SCRF系统，利用控制器合理调节叶片的温度和转速，对混合气进行加热和强制搅拌，使催化环境得到控制，有利于催化反应的发生，并减少低温下尿素沉积物的生成。
本发明的一种主动控制催化环境的SCRF系统，包括
(1)DOC催化剂(2)，用于将NO氧化成NO2，提高SCRF对NOx的转化效率；同时氧化HC和CO，提高排气温度，有利于实现SCRF再生；
(2)尿素喷射装置，用于向柴油机排气管中喷射尿素；
(3)叶片，设置于柴油机排气管SCRF前端，用以对尿素喷射装置喷射的尿素进行加热，避免尿素结晶，并利用叶片转动，使NH3与排气充分混合；
(4)控制装置，根据柴油机排气管中的排气温度及SCRF系统中的气体温度、压差决定叶片的加热温度及转速，对SCRF系统的催化环境进行主动控制；
(5)SCRF(即带有SCR涂层的DPF)(9)，对柴油机排气中的NOx和颗粒进行处理。
该系统利用DOC辅助SCRF系统，实现了催化性能与结构成本的合理匹配，显著提高了SCRF的起燃温度，降低了催化系统的整体结构长度，便于安装；并利用控制装置主动控制催化环境，避免低温环境下尿素结晶的生成。
进一步的，所述尿素喷射装置具有与排气流动方向呈30°～60°夹角的尿素喷嘴。一方面可以使尿素与排气充分混合，向排气下游流动；另一方面可以避免尿素喷射到排气管壁面，造成尿素浪费。
进一步的，所述控制装置包括所述控制器、用于检测所述柴油机排气管中排气温度的温度传感器(4)及用于检测SCRF中气体温度的温度传感器(7)和压差的压差传感器(8)。所述控制器根据检测的柴油机排气管中气体温度、SCRF中气体温度、压差，判断SCRF的催化环境，并合理调节叶片的温度和转速，对混合气进行加热和强制搅拌，使催化环境得到控制，有利于催化和SCRF再生。当发动机开始运行时，所述温度传感器(4)测得的排气温度T1＜200℃时，采取叶片加热方式，对排气进行温度补偿，提高催化剂活性和反应气温度，有利于催化反应发生；所述温度传感器测(4)得的排气温度T1≥350℃时，不对叶片进行加热。当发动机开始运行时，为提高排气与NH3的混合均匀度，控制叶片以转速n进行转动，对混合物进行强制搅拌，使排气与NH3充分混合，转速n随排气温度T1变化，n＝-kT1+1300(r/min)，k＝1.5～2。所述控制器根据尿素喷射开始时刻t1，控制叶片转动开始时刻t2，叶片转动开始时刻t2先于尿素喷射开始时刻t1，时间间隔Δt为叶片响应时间与混合物到达叶片的时间之和。当发动机开始运行时，若所述SCRF系统中的压差传感器(8)测得的压差16kPa≤ΔP≤20kPa，判定SCRF需要进行再生，此时若所述温度传感器(7)测得的温度T2≤500℃，则利用控制器对叶片进行加热，对排气进行温度补偿，并使600℃≤T2≤700℃维持6～14min，若所述温度传感器测(7)得的排气温度T2≥600℃时，不对叶片进行加热。同时控制器控制叶片以恒定转速n＝300～500r/min进行转动，对SCRF还原组分进行强制搅拌，使其与排气充分混合。
进一步的，所述叶片材料可为马氏体钢、马氏体-铁素体钢、铁素体钢、铁基不锈钢、镍基合金、玻璃纤维、树脂、铝合金及复合材料等。所述叶片可采用扭转等截面式、扭转非等截面式等，叶片安装角度为30°～60°，叶片偏转角为80°～140°。所选叶片材料具有耐高温、导热性好、延展性好等特点。玻璃纤维及树脂等材料密度小，可使叶片质量减轻，惯性减小，便于叶片起动。所选叶片形状可使排气通过时，受到一定程度的挤压，使NH3与排气均匀混合。
进一步的，所述SCRF的工作环境较为恶劣，SCRF载体材料可采用堇青石、碳化硅、针状莫来石、钛酸铝和合金泡沫等。所述SCRF需要解决压降问题，保证发动机的热效率。因此，可采用载体孔隙率为60％～85％，平均孔尺寸为10～30um。
附图说明
图1是现有的柴油机后处理系统的结构简图。
图2是本发明的结构简图。
图中：1——发动机；2——DOC催化剂；3——尿素喷射装置；4——温度传感器，测量柴油机排气管中气体温度T1；5——控制器；6——叶片；7——温度传感器，测量SCRF中气体温度T2；8——压差传感器，测量SCRF中气体压差ΔP；9——SCRF。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行进一步地详细说明。本发明不受以下实施例限制。
实施例
参见图2，本发明一较佳的实施例所述的一种主动控制催化环境的SCRF系统，包括DOC催化剂(2)、尿素喷射装置、叶片(6)、控制器、SCRF(即带有SCR涂层的DPF)(9)。DOC催化剂，用于将NO氧化成NO2，提高SCRF对NOx的转化效率；同时氧化HC和CO，提高排放温度，有利于实现SCRF再生；尿素喷射装置，用于向排气管中喷射尿素；叶片，设置于柴油机排气管SCRF前端，用以对尿素喷射装置喷射的尿素进行加热，避免尿素结晶，并使NH3与排气充分混合；控制器，根据柴油机排气管中的排气温度及SCRF系统中的气体温度、压差决定叶片的加热温度及转速，对SCRF系统的催化环境进行主动控制；SCRF(即带有SCR涂层的DPF)，对柴油机排气中的NOx和PM进行处理。
具体的，所述控制装置包括所述控制器、用于检测所述柴油机排气管中排气温度的温度传感器及用于检测SCRF中气体温度、压差的温度传感器、压差传感器。所述控制器根据检测的柴油机排气管中气体温度、SCRF中气体温度、压差，判断SCRF的催化环境，并合理调节叶片的温度和转速，对混合气进行加热和强制搅拌，使催化环境得到控制，有利于催化和SCRF再生。当发动机开始运行时，所述温度传感器(4)测得的排气温度T1＜200℃时，采取叶片加热方式，对排气进行温度补偿，提高催化剂活性和反应气温度，有利于催化反应发生；所述温度传感器测(4)得的排气温度T1≥350℃时，不对叶片进行加热。当发动机开始运行时，为提高排气与NH3的混合均匀度，控制叶片以转速n进行转动，对混合物进行强制搅拌，使排气与NH3充分混合，转速n随排气温度T1变化，n＝-kT1+1300(r/min)，k＝1.5～2。。所述控制器根据尿素喷射开始时刻t1，控制叶片转动开始时刻t2，叶片转动开始时刻t2先于尿素喷射开始时刻t1，时间间隔Δt为叶片响应时间与混合物到达叶片的时间之和。当发动机开始运行时，若所述SCRF系统中的压差传感器(8)测得的压差16kPa≤ΔP≤20kPa，判定SCRF需要进行再生，此时若所述温度传感器(7)测得的温度T2≤500℃，则利用控制器对叶片进行加热，对排气进行温度补偿，并使600℃≤T2≤700℃维持6～14min，若所述温度传感器测(7)得的排气温度T2≥600℃时，不对叶片进行加热。同时控制器控制叶片以恒定转转速n＝300～500r/min进行转动，对SCRF还原组分进行强制搅拌，使其与排气充分混合。
优选的，本发明的叶片材料采用铝合金；叶片采用扭转非等截面式，叶片安装角度为30°，叶片偏转角为90°。尿素喷射装置具有与排气流动方向呈30°夹角的尿素喷嘴。优选的，本发明的采用高孔隙率堇青石基Cu-沸石SCRF，具有较好的热耐久性，载体孔隙率为80％，平均孔尺寸为20um。
本发明通过在柴油机排气管SCRF前端设置叶片，并利用控制器合理调节叶片的温度和转速，对混合气进行加热和强制搅拌，提高催化剂活性和反应气温度，使催化环境得到控制，有利于催化反应的发生。
综上，本发明的一种主动控制催化环境的SCRF系统，包括DOC催化剂，用于将NO氧化成NO2，进而提高SCRF对NOx的转化效率，也有利于SCRF再生；尿素喷射装置，用于向排气管中喷射尿素；叶片，设置于柴油机排气管SCRF前端，用以对尿素喷射装置喷射的尿素进行加热，避免尿素结晶，并使NH3与排气充分混合；控制器，根据柴油机排气管中的排气温度及SCRF系统中的气体温度、压差决定叶片的加热温度及转速，对SCRF系统的催化环境进行主动控制；SCRF(即带有SCR涂层的DPF)，对柴油机排气中的NOx和PM进行处理。本发明的优点在于通过控制叶片的温度及转速，对混合气进行加热和强制搅拌，提高混合物均匀性，使催化环境得到控制，有利于催化反应的发生，并减少低温下尿素结晶物的生成。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种主动控制催化环境的SCRF系统，其特征在于：包括发动机(1)、DOC催化剂(2)、尿素喷射装置、叶片(6)、控制装置；
所述发动机(1)将排出的气体送入DOC催化剂(2)，
DOC催化剂(2)一方面将气体NO氧化成NO2；另一方面同时氧化HC和CO；
尿素喷射装置，用于向柴油机排气管中喷射尿素；
叶片(6)，设置于柴油机排气管SCRF前端，用以对尿素喷射装置喷射的尿素进行加热，
避免尿素结晶；并利用叶片转动，使NH3与排气充分混合；
控制装置，根据柴油机排气管中的排气温度及SCRF系统中的气体温度、压差决定叶片的加热温度及转速，对SCRF系统的催化环境进行主动控制；SCRF系统对柴油机排气中的NOx和颗粒进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种主动控制催化环境的SCRF系统，其特征在于：所述尿素喷射装置具有与排气流动方向呈30°～60°夹角的尿素喷嘴(3)。
3.根据权利要求1所述的一种主动控制催化环境的SCRF系统，其特征在于：所述控制装置包括所述控制器(5)，用于检测所述柴油机排气管中排气温度的温度传感器(4)及用于检测SCRF中气体温度的温度传感器(7)和压差的压差传感器(8)。
4.根据权利要求3所述的一种主动控制催化环境的SCRF系统，其特征在于：所述控制器根据检测的柴油机排气管中气体温度、SCRF中气体温度和压差，判断SCRF的催化环境，并合理调节叶片的温度和转速，对混合气进行加热和强制搅拌，使催化环境得到控制，有利于催化脱除NOx和促进SCRF再生。
5.根据权利要求3或4所述的一种主动控制催化环境的SCRF系统，其特征在于：当发动机开始运行时，所述温度传感器(4)测得的排气温度T1＜200℃时，采取叶片加热方式，对排气进行温度补偿，提高催化剂活性和反应气温度，有利于催化反应发生；所述温度传感器测(4)得的排气温度T1≥350℃时，不对叶片进行加热。
6.根据权利要求1或3所述的一种主动控制催化环境的SCRF系统，其特征在于：当发动机开始运行时，为提高排气与NH3的混合均匀度，控制叶片以转速n进行转动，对混合物进行强制搅拌，使排气与NH3充分混合；转速n随排气温度T1变化，n＝-kT1+1300(r/min)，k＝1.5～2；所述控制器根据尿素喷射开始时刻t1，控制叶片转动开始时刻t2，叶片转动开始时刻t2先于尿素喷射开始时刻t1；其中，t2＝t1-Δt，Δt＝叶片的响应时间+混合物到达叶片的时间。
7.根据权利要求3所述的一种主动控制催化环境的SCRF系统，其特征在于：当发动机开始运行时，若所述SCRF系统中的压差传感器(8)测得的压差16kPa≤ΔP≤20kPa，判定SCRF需要进行再生，此时若所述温度传感器(7)测得的温度T2≤500℃，则利用控制器对叶片进行加热，对排气进行温度补偿，并使600℃≤T2≤700℃维持6～14min，若所述温度传感器测(7)得的排气温度T2≥600℃时，不对叶片进行加热；同时控制器控制叶片以恒定转速n＝300～500r/min进行转动，对SCRF还原组分进行强制搅拌，使其与排气充分混合。
8.根据权利要求1或3所述的一种主动控制催化环境的SCRF系统，其特征在于：所述叶片材料为马氏体钢、或马氏体-铁素体钢、或铁素体钢、或铁基不锈钢、或镍基合金、或玻璃纤维、或树脂、或铝合金及复合材料。
9.根据权利要求1或3所述的一种主动控制催化环境的SCRF系统，其特征在于：所述叶片采用扭转等截面式或扭转非等截面式，叶片安装角度为30°～60°，叶片偏转角为80°～140°。
10.根据权利要求1所述的一种主动控制催化环境的SCRF系统，其特征在于：所述SCRF的载体材料采用堇青石、或碳化硅、或针状莫来石、或钛酸铝、或合金泡沫；所述SCRF采用载体的孔隙率为60％～85％，平均孔尺寸为10～30um。
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