CN108590816A - 一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的方法及系统，该系统包括：安装在发动机排气管上的methanol‑SCR后处理器、MMOC后处理器，安装在methanol‑SCR后处理器上游的一套甲醇喷射系统，位于methanol‑SCR后处理器上游的温度传感器，位于methanol‑SCR后处理器下游的NOx传感器，甲醇喷射系统；本发明相对于现有技术的优点在于：充分利用了甲醇的还原特性；由于甲醇是一种碳氢类化合物，其可作为还原剂并在催化剂的作用下高效地选择性催化还原NOx，从而降低废气中NOx排放。

Description

一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的方法及系统
技术领域：
本发明涉及柴油发动机后处理技术，进一步涉及一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的方法及系统。
背景技术：
由于柴油机燃烧模式属于稀薄燃烧的一种，其燃烧过程中会产生较多的NOx气体。柴油机降低NOx排放的方式分为机内净化和机外净化这两种。机内净化主要有废气再循环，推迟喷油时刻等，而机外净化主要有NOx储存还原系统，选择性催化还原系统(SCR)等。为了达到国V及以上排放法规，往往需要同时结合机内和机外净化技术才能满足法规要求。对于重型柴油柴油机，常用的降低NOx排放的后处理器为尿素-选择性催化还原系统(urea-SCR)。但是urea-SCR在使用过程中存在以下问题：urea加注不方便；需要占据车辆空间来布置尿素箱；使用过程中尿素低温不易热解，且易结晶等。而以碳氢化合物为还原剂的SCR系统因为还原剂来源于车载燃料，所以解决了还原剂加注和车载空间占用的问题。柴油/甲醇组合燃烧技术是一种解决传统柴油机所遇瓶颈的新型实用性技术，且已在专利文献CN105179112A中公开发布。其实施方式是在发动机上布置柴油/甲醇双燃料油箱，通过进气总管喷射甲醇并缸内直喷柴油的方式来实现降低柴油消耗，并同时降低NOx和PM排放。由于甲醇可以从车载油箱中获得，且一路供给进气总管喷射，另一路则可以供给排气管喷射，最大程度地利用了原先的甲醇供给系统，减少了改造成本。
为了符合国六排放法规和开辟非urea-SCR技术路线，并进一步扩大柴油/甲醇组合燃烧技术在重载车上的运用，迫切需要在原技术路线的基础上开发一种新的控制NOx排放的方法及其选择性催化还原系统。
发明内容：
本发明目的在于提供一种利用甲醇作为还原剂的非urea-SCR技术路线，提出一种利用甲醇来催化还原NOx排放的方法及系统。
术语解释：methanol-SCR代表以甲醇为主要还原剂的NOx选择性催化还原系统，MMOC代表甲醇甲醛氧化催化系统。
本发明的基本原理：甲醇在铁、铜、钴等过渡金属氧化物的催化下活化并发生部分氧化而生成甲酸盐等产物；然后与吸附态的NOx或硝酸盐发生反应生成含有氰基、异氰酸基等的重要中间产物；最终，中间产物进一步与NO和O2反应生成N2、CO2和H2O，从而实现降低NOx排放的目的。
具体技术方案如下：
一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的系统，包括：安装在发动机排气管上的methanol-SCR后处理器、MMOC后处理器，安装在methanol-SCR后处理器上游的一套甲醇喷射系统，位于methanol-SCR后处理器上游的温度传感器，位于methanol-SCR后处理器下游的NOx传感器，甲醇喷射系统；所述甲醇喷射系统包括：甲醇供给系统和甲醇喷射控制系统；所述甲醇控制系统可以根据发动机转速和油门信号确定发动机的排气流量，并结合排气温度信号计算出对应的空速，通过空速和排气温度经过二维插值计算出对应的甲醇喷射量，并通过NOx传感器信号，自动调节甲醇的喷射量。在上述系统上实现的一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的方法，包括如下步骤：
甲醇喷射系统的压力维持在一定的数值；
当发动机启动后，甲醇喷射控制系统根据采集到的发动机转速、油门信号来插值得出对应工况下的排气流量和NOx排放的摩尔流量，进而得出甲醇的基本喷射量；
然后根据温度传感器计算出对应的空速，甲醇喷射控制系统根据空速和排气温度修正甲醇的基本喷射量；
NOx传感器测得的NOx排放，与NOx的目标排放量进行比较，若实测NOx排放大于目标值，则增加甲醇喷射量并在下一循环中执行；最终甲醇喷射控制系统执行的是经过修正后的喷射脉宽。
作为优选方案，所述甲醇供给系统包括：甲醇喷嘴、储醇轨、限压阀、甲醇滤清器、甲醇泵、醇浮子和甲醇箱。
作为进一步优选方案，所述甲醇喷射控制系统包括：转速传感器、油门位置传感器、甲醇箱液位传感器、排气温度传感器、NOx传感器和甲醇控制单元；所述转速传感器位于曲轴端盖处，用于测量发动机实时的转速；所述油门位置传感器固定于油门踏板处，用于测量油门信号；所述甲醇箱液位传感器整合在醇浮子上并固定于甲醇箱中，用于测量甲醇箱内甲醇的液位值。在上述系统上实现的一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的方法，包括如下步骤：
步骤1：发动机台架实验，获得原机NOx排放、排气流量和目标NOx转化效率的MAP图；确定甲醇箱满足工作的最小液位值；并将上述参数存入系统的特定存储位置；
步骤2：判断甲醇液位值是否大于或等于其工作所需的最小液位值，如果是转步骤3，否则转步骤7；
步骤3：甲醇供给系统启动；
步骤4：根据转速传感器信号获得发动机转速，根据油门位置传感器信号获得发动机油门位置，进而运用插值法得出相应工况的排气流量和NOx排放摩尔流量，继而得出甲醇的基本喷射量；
步骤5：根据温度传感器信号获得的排气温度和排气流量计算出空速，再根据空速和排气温度修正基本喷射量；NOx传感器信号负责修正下一循环的基本喷射量；
步骤6：获得实际的甲醇喷射量；
步骤7：甲醇喷射系统关闭；
结束。
本发明相对于现有技术的优点在于：
(一)充分利用了甲醇的还原特性；由于甲醇是一种碳氢类化合物，其可作为还原剂并在催化剂的作用下高效地选择性催化还原NOx，从而降低废气中NOx排放。
(二)Methanol-SCR系统采用基于MAP的闭环控制策略，并与MMOC后处理器相组合，即可降低NOx排放量，又可以消除methanol-SCR系统中未反应的甲醇和生成的甲醛等排放物。
(三)该套系统解决了对基础设施的依赖和对车载空间的占用等问题，从而降低了整车的运行成本，更容易被用户所接受。
附图说明：
图1是本发明实施例控制系统的结构示意图；图中，1代表油门位置传感器，2代表转速传感器，3代表甲醇泵，4代表甲醇滤清器，5代表储醇轨，6代表甲醇喷嘴，7代表甲醇控制单元，8代表限压阀，9代表甲醇箱，10代表温度传感器，11代表methanol-SCR后处理器，12代表NOx传感器，13代表醇浮子，14代表MMOC后处理器。
图2是本发明实施例控制方法的工作流程图。
具体实施方式：
实施例：
结合图1‐2，具体说明本发明的实施方式。
实现甲醇在SCR催化剂的作用下选择性还原NOx的控制系统，包括：在发动机排气管上的methanol-SCR后处理器11和MMOC后处理器14，在methanol-SCR后处理器11的上游处安装储醇轨5和甲醇喷嘴6；甲醇由甲醇泵3吸出甲醇箱9，经过甲醇滤清器4后可过滤掉微小杂质，一路流向储醇轨5和甲醇喷嘴6，另一路流向限压阀8，压力超过5bar的甲醇回流至甲醇箱9，该供给系统可以保证管道内有稳定充足的5bar压力的甲醇；
methanol-SCR后处理器11安装在发动机排气的下游，在堇青石为载体，以具有高比表面积的γ-氧化铝或氧化锆为涂层，在涂层上涂覆有铁、铜、钴等两种或多种以上的过渡金属氧化物，来改善过渡金属的分散均匀度，从而提高甲醇催化还原NOx的效果；
MMOC后处理器14以堇青石为载体，以氧化铝或二氧化钛为涂层，在涂层上涂覆有铜、锰等过渡金属氧化物，其可以催化废气中的甲醇、甲醛等非常规气体与O2发生燃烧反应，同时也减弱了NOx排放的增加。
在上述系统上实现的一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的方法，包括如下步骤：
步骤1：对选型好的methanol-SCR后处理和MMOC后处理器进行发动机台架标定，获得原机的NOx排放、排气流量和目标NOx转化效率等MAP图；确定甲醇箱满足工作的最小液位值；并将上述参数存入系统的特定存储位置；
步骤2：根据醇浮子13判断甲醇液位值是否大于或等于其工作所需的最小液位值，如果是转步骤3，否则转步骤7；
步骤3：甲醇供给系统启动；
步骤4：甲醇控制单元7根据油门位置传感器1和转速传感器2来插值出相应工况的排气流量和NOx排放摩尔流量，进一步插值出甲醇的基本喷射量；
步骤5：根据温度传感器10信号获得的排气温度和排气流量计算出空速，再根据空速和排气温度修正基本喷射量；NOx传感器信号负责修正下一循环的基本喷射量；
步骤6：获得实际的甲醇喷射量；
步骤7：甲醇喷射系统关闭；
结束。

Claims (5)

1.一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的系统，其特征在于，包括：安装在发动机排气管上的methanol-SCR后处理器、MMOC后处理器，安装在methanol-SCR后处理器上游的一套甲醇喷射系统，位于methanol-SCR后处理器上游的温度传感器，位于methanol-SCR后处理器下游的NOx传感器，甲醇喷射系统；所述甲醇喷射系统包括：甲醇供给系统和甲醇喷射控制系统；所述甲醇控制系统可以根据发动机转速和油门信号确定发动机的排气流量，并结合排气温度信号计算出对应的空速，通过空速和排气温度经过二维插值计算出对应的甲醇喷射量，并通过NOx传感器信号，自动调节甲醇的喷射量。
2.根据权利要求1所述一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的系统，其特征在于，所述甲醇供给系统包括：甲醇喷嘴、储醇轨、限压阀、滤清器、甲醇泵、醇浮子和甲醇箱。
3.根据权利要求2所述一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的系统，其特征在于，所述甲醇喷射控制系统包括：转速传感器、油门位置传感器、甲醇箱液位传感器、排气温度传感器、NOx传感器和甲醇控制单元；所述转速传感器位于曲轴端盖处，用于测量发动机实时的转速；所述油门位置传感器固定于油门踏板处，用于测量油门信号；所述甲醇箱液位传感器整合在醇浮子上并固定于甲醇箱中，用于测量甲醇箱内甲醇的液位值。
4.在权利要求1所述系统上实现的一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的方法，其特征在于，包括如下步骤：
甲醇喷射系统的压力维持在一定的数值；
当发动机启动后，甲醇喷射控制系统根据采集到的发动机转速、油门信号来插值得出对应工况下的排气流量和NOx排放的摩尔流量，进而得出甲醇的基本喷射量；
然后根据温度传感器计算出对应的空速，甲醇喷射控制系统根据空速和排气温度修正甲醇的基本喷射量；
NOx传感器测得的NOx排放，与NOx的目标排放量进行比较，若实测NOx排放大于目标值，则增加甲醇喷射量并在下一循环中执行；最终甲醇喷射控制系统执行的是经过修正后的喷射脉宽。
5.在权利要求3所述系统上实现的一种甲醇为还原剂的选择性催化还原NOx的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：发动机台架实验，获得原机NOx排放、排气流量和目标NOx转化效率的MAP图；确定甲醇箱满足工作的最小液位值；并将上述参数存入系统的特定存储位置；
步骤2：判断甲醇液位值是否大于或等于其工作所需的最小液位值，如果是转步骤3，否则转步骤7；
步骤3：甲醇供给系统启动；
步骤4：根据转速传感器信号获得发动机转速，根据油门位置传感器信号获得发动机油门位置，进而运用插值法得出相应工况的排气流量和NOx排放摩尔流量，继而得出甲醇的基本喷射量；
步骤5：根据温度传感器信号获得methanol-SCR后处理器上游的排气温度，根据排气温度和排气流量计算出空速，再根据空速和排气温度修正基本喷射量；NOx传感器信号负责修正下一循环的基本喷射量；
步骤6：获得实际的甲醇喷射量；
步骤7：甲醇喷射系统关闭；
结束。
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