CN107989719A - 一种应用于甲醇发动机的排放后处理系统 - Google Patents

一种应用于甲醇发动机的排放后处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应用于甲醇发动机的排放后处理系统，涉及尾气处理领域。排放后处理系统包括废气再循环单元、三元催化器和标定单元。废气再循环单元用于将发动机产生的部分尾气送回气缸，通过改变甲醇发动机缸内混合气体的燃烧温度和氧浓度，以降低尾气中的氮氧化合物和提高燃料消耗率。三元催化器对尾气进行处理，通过催化剂使尾气中的组分达到预设标准。标定单元在甲醇发动机运行工况稳定的基础上通过标定调整，使燃烧空燃比保持在以理论空燃比为中心的预设范围内。本发明的排放后处理系统对甲醇发动机尾气特有的甲醇和甲醛，也有深度转化效果，相对于原有的排放后处理系统，成本降低，处理效果上升。

Description

一种应用于甲醇发动机的排放后处理系统
技术领域
本发明涉及尾气处理领域，特别是涉及一种应用于甲醇发动机的排放后处理系统。
背景技术
目前，各种新型清洁代用燃料的开发成为各国研究重点。就我国国情而言，丰富的煤炭资源和成熟的生产工艺使得甲醇燃料在我国的部分省、市、地区成为替代石油燃料的首选，在许多地区甲醇燃料汽车已经相当普及了。但是，目前在销售和使用的甲醇燃料汽车均为原有柴油或汽油车改装而成，部分车型直接使用原有发动机，而发动机的排放后处理系统没有改变，依然使用原排放后处理系统，原发动机的排放后处理系统主要有两种技术路线，一种是先通过优化燃烧降低颗粒物，再通过选择性催化系统和氧化型催化转化器来降低因优化燃烧而产生的氮氧化合物。使用选择性催化系统不但要增加选择性催化系统本身装置的成本及质量(约150～300kg)，另外还要增加尿素溶液箱和尿素溶液等，损失了车辆的有效载荷。另一种是通过废气再循环系统降低燃烧温度来降低排气中的氮氧化合物，再利用微粒捕集器来降低因燃烧通入废气而增加的颗粒物，达到同时降低氮氧化合物和颗粒物的效果。该方案的缺点是燃油消耗量大，并且不适合停车启动操作，因为在发动机排温不到300℃时，废气中的颗粒物无法在颗粒捕集器中燃烧。由于甲醇为燃料的发动机的尾气中会含有未燃烧掉的醇类、甲醛等有害的气体排放物，与柴油燃烧产生的尾气成分不一样，上述排放后处理系统并不能完全应用于甲醇发送机。
因此，需要研发一种应用于甲醇发动机的成本低、燃料消耗小的排放后处理系统。
发明内容
本发明的一个目的是要解决现有技术中甲醇发动机的排放后处理系统成本高、燃料消耗大等问题，提供一种应用于甲醇发动机的排放后处理系统。
特别地，本发明提供了一种应用于甲醇发动机的排放后处理系统，包括：
废气再循环单元，用于将发动机产生的部分尾气送回气缸，以通过改变所述甲醇发动机缸内混合气体的燃烧温度和氧浓度降低所述尾气中的氮氧化合物和提高燃料消耗率；
三元催化器，用于通过催化剂对所述尾气进行处理，以使所述尾气中的组分达到预设标准；和
标定单元，在所述甲醇发动机运行工况稳定的基础上通过标定调整，使燃烧空燃比保持在以理论空燃比为中心的预设范围内。
进一步地，还包括安装于所述发动机的排气管道上游处的氧浓度传感器，用于检测所述废气中的氧浓度。
进一步地，所述三元催化器中的载体为蜂窝陶瓷载体，所述载体具有预设目数和预设壁厚以防止金属粒子对所述催化剂造成堵塞。
进一步地，所述三元催化器的催化剂具有低温活性。
进一步地，还包括：
电加热装置，安装于所述三元催化器处，用于给所述三元催化器加热，以提高所述尾气的温度；
控制模块，与所述电加热装置相连，用于控制所述电加热装置。
进一步地，所述废气再循环单元包括冷却器和阀门，所述冷却器和所述阀门组成用于将所述发动机的进气管道和排气管道导通的回路；
其中，所述冷却器位于所述阀门的上游。
进一步地，所述标定单元为电子控制单元，所述电子控制单元通过接收到的信号进行标定调整。
进一步地，所述信号包括所述发动机运行工况参数信号、进气温度和压力信号、冷却水温度信号、三元催化器的温度和压力信号及油门位置信号。
进一步地，所述废气再循环单元为高压废气再循环单元或低压废气再循环单元。
本发明的一种应用于甲醇发动机的排放后处理系统，通过标定单元的标定调整，将燃烧空燃比维持在理论空燃比附近，使燃料充分燃烧，燃油消耗率达到最低；通过增加废气再循环单元，使缸内燃烧温度降低，不至于产生过高的热负荷，同时抑制氮氧化合物的生成，使原始排放效果最佳；通过使用三效催化器对甲醇发动机的尾气进行处理，不仅催化转化其中的HC、NOx、CO，同时对甲醇发动机尾气特有的甲醇和甲醛，也有深度转化效果，相对于原有的排放后处理系统，成本降低，处理效果上升。
进一步地，本发明的三元催化器采用低温活性好的催化剂涂层，使保证车辆在冷启动、怠速及预热期间，催化剂迅速起燃。由于甲醇燃料不含铅、硫，催化剂还可以针对性地增加了活性组分的选择范围。
进一步地，针对甲醇燃料汽化潜热大，冷启动、怠速及预热期间，排气温度的问题，本发明还设置有电加热装置，用于给三元催化器加热，在短时间内提高车辆尾气的温度，使尾气排放达到标准。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的排放后处理系统的示意性装置图。
图中的附图标记为：
1-废气再循环单元，11-冷却器，12-阀门；
2-三元催化器；
31-排气管道，32-进气管道；
4-发动机。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的排放后处理系统的示意性装置图。如图1所示，排放后处理系统可包括废气再循环单元1、三元催化器2和标定单元。废气再循环单元1用于将发动机4产生的部分尾气送回气缸，通过改变甲醇发动机4缸内混合气体的燃烧温度和氧浓度，以降低尾气中的氮氧化合物和提高燃料消耗率。三元催化器2对尾气进行处理，通过催化剂使尾气中的组分达到预设标准。标定单元在甲醇发动机4运行工况稳定的基础上通过标定调整，使燃烧空燃比保持在以理论空燃比为中心的预设范围内。
NOx是在高温和富氧条件下N2和O2发生化学反应的产物。燃烧温度和氧浓度越高，持续时间越长，NOx的生成物也越多。而废气再循环单元1将发动机4产生的部分尾气送回气缸。废气进入气缸后，一方面对进气起稀释作用，降低了氧浓度；另一方面，考虑到除怠速外的其他工况下的CO、HC和NOx浓度均小于1％，废气中的主要成分为N2、CO2和H2O，由于上述气体的比热较高，可以提高了混合气的比热容，加热这种经过废气稀释后的混合气所需要的热量也随之增大，因此，在燃料燃烧放出的热量不变的情况下，发动机4缸内的最高燃烧温度将会降低，从而使NOx在燃烧过程中的生成受到抑制，明显降低NOx的排放。
甲醇的燃烧产物除了CO、HC、NOx外，还需要注意的有毒气体：甲醛。三元催化器2通过催化剂使尾气各组分发生氧化-还原反应，使其尽可能转化成无害的N2、CO2和H2O。三元催化器2中的所使用的催化剂应对甲醇、甲醛等低分子量的含氧有机物具有良好的深度氧化性能。
所选用的催化剂中，涂层(活性组分)可分为贵金属Pt、Rh、Pd等，非贵金属Cu、Mn、Co、Ni、Fe、Cr、V、W等，以及催化性能较为独特的银及稀土类组分Ce、La、Pr、Nd等。而常用的载体为α-Al2O3、γ-Al2O3、ZrO2等。
在本发明的一实施例中，活性组分选择贵金属Pd，载体为γ-Al2O3，组成Pd/γ-Al2O3催化剂。可以理解的是，还可以使用多活性组分催化剂，例如：Cu-Cr/γ-Al2O3催化剂。
本发明的一种应用于甲醇发动机4的排放后处理系统，通过标定单元的标定调整，将燃烧空燃比维持在理论空燃比附近，使燃料充分燃烧，燃油消耗率达到最低；通过增加废气再循环单元1，使缸内燃烧温度降低，不至于产生过高的热负荷，同时抑制氮氧化合物的生成，使原始排放效果最佳；通过使用三效催化器对甲醇发动机4的尾气进行处理，不仅催化转化其中的HC、NOx、CO，同时对甲醇发动机4尾气特有的甲醇和甲醛，也有深度转化效果，相对于原有的排放后处理系统，成本降低，处理效果上升。
废气再循环单元1包括冷却器11和阀门12，冷却器11和阀门12组成用于将发动机4的进气管道32和排气管道31导通的回路，其中，冷却器11位于阀门12上游位置。
标定单元为电子控制单元，电子控制单元通过接收到的发动机4运行工况参数信号、进气温度和压力信号、冷却水温度信号、三元催化器2的温度和压力信号和油门位置信号进行标定调整。
在本发明的另一实施例中，排放后处理系统还包括安装于排气管道31上游处的氧浓度传感器，用于检测废气中的氧浓度。
为使废气催化率达到最佳(90％以上)，需要在发动机4排气管中安装氧传感器并实现闭环控制，其工作原理是氧传感器将测得废气中氧的浓度，转换成电信号后发送给ECU，使发动机4的空燃比控制在一个狭小的、接近理想的区域内，若空燃比大时，虽然CO和HC的转化率略有提高，但NOx的转化率急剧下降为20％，因此必须保证最佳的空燃比。实现最佳空燃比的关键是要保证氧传感器工作正常。
在本发明的一实施例中，三元催化器2中的载体为蜂窝陶瓷载体，载体具有预设目数和预设壁厚以防止金属粒子对催化剂造成堵塞。
甲醇及燃烧过程中产生的甲酸，会对铜、铸铁和铸铝等零部件造成腐蚀，同时会提前消耗掉润滑油中的碱性添加剂，加速零部件的磨损，少量磨损金属粒子可能会随气流排出沉积在催化剂上，造成催化剂堵塞，针对重型车用发动机4排气流量大、空速比大的特性，选用合适目数及壁厚的蜂窝陶瓷载体，以免排气中的金属粒子堵塞催化器载体；同时，催化器载体、涂层(活性组分)及封装本身，亦选择或添加耐腐蚀的材料成分。
由于甲醇的汽化潜热大，车辆在冷启动、怠速及预热期间，发动机4的排气温度低，催化剂难以迅速起燃，尾气排放可能达不到标准，需要对催化剂做进一步处理。在本发明的一个实施例中，三元催化器2的催化剂应具有低温活性，可以通过优化催化剂的涂层成分使其具有很好的低温活性。例如：采用5％Ag-0.1％Pd/γ-Al2O3催化剂，其中，5％和0.1％为质量分数，上述催化剂具有在低温时深度氧化甲醇和甲醛的性能。
本发明的三元催化器2采用低温活性好的催化剂涂层，使保证车辆在冷启动、怠速及预热期间，催化剂迅速起燃。由于甲醇燃料不含铅、硫，避免了尾气净化催化剂的中毒行为，可以针对性地增加了活性组分的选择范围，降低成本。
作为解决由于甲醇的汽化潜热大，车辆在冷启动、怠速及预热期间，发动机4的排气温度低的问题的另一种手段，排放后处理系统还包括电加热装置和控制模块。电加热装置安装于三元催化器2处，用于给三元催化器2加热，提高车辆尾气的温度；控制模块与电加热装置相连，用于控制电加热装置。
本发明的排放后处理系统设置的电加热装置，用于给三元催化器2加热，在短时间内提高车辆尾气的温度，使尾气排放达到标准。
废气再循环单元1可以根据不同的发动机4机型选择与之对应的高压废气再循环单元1或低压废气再循环单元1。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种应用于甲醇发动机的排放后处理系统，其特征在于，包括：
废气再循环单元，用于将发动机产生的部分尾气送回气缸，以通过改变所述甲醇发动机缸内混合气体的燃烧温度和氧浓度降低所述尾气中的氮氧化合物和提高燃料消耗率；
三元催化器，用于通过催化剂对所述尾气进行处理，以使所述尾气中的组分达到预设标准；和
标定单元，在所述甲醇发动机运行工况稳定的基础上通过标定调整，使燃烧空燃比保持在以理论空燃比为中心的预设范围内。
2.根据权利要求1所述的排放后处理系统，其特征在于，还包括安装于所述发动机的排气管道上游处的氧浓度传感器，用于检测所述废气中的氧浓度。
3.根据权利要求1所述的排放后处理系统，其特征在于，所述三元催化器中的载体为蜂窝陶瓷载体，所述载体具有预设目数和预设壁厚以防止金属粒子对所述催化剂造成堵塞。
4.根据权利要求1所述的排放后处理系统，其特征在于，所述三元催化器的催化剂具有低温活性。
5.根据权利要求1所述的排放后处理系统，其特征在于，还包括：
电加热装置，安装于所述三元催化器处，用于给所述三元催化器加热，以提高所述尾气的温度；
控制模块，与所述电加热装置相连，用于控制所述电加热装置。
6.根据权利要求1所述的排放后处理系统，其特征在于，所述废气再循环单元包括冷却器和阀门，所述冷却器和所述阀门组成用于将所述发动机的进气管道和排气管道导通的回路；
其中，所述冷却器位于所述阀门的上游。
7.根据权利要求1所述的排放后处理系统，其特征在于，所述标定单元为电子控制单元，所述电子控制单元通过接收到的信号进行标定调整。
8.根据权利要求7所述的排放后处理系统，其特征在于，所述信号包括所述发动机运行工况参数信号、进气温度和压力信号、冷却水温度信号、三元催化器的温度和压力信号及油门位置信号。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的排放后处理系统，其特征在于，所述废气再循环单元为高压废气再循环单元或低压废气再循环单元。
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