CN108757108A - 柴油机排放处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油机排放处理系统。该柴油机排放处理系统包括：涡轮增压器；氧化型催化转化器，其进口与所述涡轮增压器的涡轮的出口连接；颗粒捕集器，其进气端与所述氧化型催化转化器的出口连接；所述颗粒捕集器的两端连接有压差传感器；以及选择性催化还原系统，包括：排气管、催化消声器、NOx传感器、添蓝罐、压缩空气辅助喷射系统、添蓝喷嘴、后处理控制单元ACU和冷却液电磁阀。该柴油机排放处理系统的零件成本低、油耗少、瞬态响应性能好、耐久性高，能够满足车机国6、非道路及船机T4的排放水平。

Description

柴油机排放处理系统
技术领域
本发明涉及发动机领域，特别涉及一种柴油机排放处理系统。
背景技术
国家环保部已颁布《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)征求意见稿》，《意见稿》提出，自2020年1月1日起，凡不满足本标准要求的新车不得生产、销售、注册登记，不满足本标准要求的新发动机不得生产、销售和投入使用。为满足全球最严的国六排放法规，中国汽车工业和内燃机工业必须达到国际先进水平，国内原有的轻型柴油机平台难以再通过升级满足国六排放法规，重新进行节能环保型国六柴油机的设计、开发已势在必行，而非道路T4也必须快速开发。
因此，柴油机技术发展面临排放和节能双重压力，不断严格的法规是柴油机进步的重要驱动力，满足目前国家及欧洲的排放法规，目前还没有满足车机国6、非道路及船机T4的排放水平的技术路线。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单合理的柴油机排放处理系统，从而克服现有柴油机排放处理系统无法满足车机国6、非道路及船机T4的排放水平的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种柴油机排放处理系统，包括：涡轮增压器，包括：涡轮和与该涡轮同轴的叶轮；所述涡轮增压器的叶轮的出口与进气管之间设置有中冷器和节气门；氧化型催化转化器，其进口与所述涡轮增压器的涡轮的出口连接；颗粒捕集器，其进气端与所述氧化型催化转化器的出口连接；所述颗粒捕集器的两端连接有压差传感器；以及选择性催化还原系统，包括：排气管、催化消声器、NOx传感器、添蓝罐、压缩空气辅助喷射系统、添蓝喷嘴、后处理控制单元ACU和冷却液电磁阀；所述排气管与柴油机的颗粒捕集器连接，所述催化消声器与所述排气管相连接，所述催化消声器包括SCR催化器和发动机排气消声器，所述催化消声器的入口端和出口端分别设置有温度传感器；所述NOx传感器设置在所述催化消声器的出口端；所述添蓝罐安装有添蓝泵、传感器和加热器；所述压缩空气辅助喷射系统与所述添蓝罐连接；所述添蓝喷嘴设置在所述排气管上，并与所述计量喷射泵连接；所述后处理控制单元ACU与所述计量喷射泵通信连接，用于控制所述计量泵和所述压缩空气电磁阀按照预定程序工作。
优选地，上述技术方案中，催化消声器的整体材料为不锈钢，内装有SCR催化器芯子和消声管路。
优选地，上述技术方案中，催化消声器选用桶式催化消声器，所述温度传感器分别设置于入口端和出口端的圆柱面上。
优选地，上述技术方案中，压缩空气辅助喷射系统包括计量喷射泵，所述计量喷射泵集成有计量泵和压缩空气电磁阀。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该柴油机排放处理系统的零件成本低、油耗少、瞬态响应性能好、耐久性高，能够满足车机国6、非道路及船机T4的排放水平。
附图说明
图1为本发明的柴油机排放处理系统的结构示意图。
图2为本发明的柴油机排放处理系统的NOX比排放图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明具体实施方式的柴油机排放处理系统的具体结构包括：涡轮增压器1、氧化型催化转化器2、颗粒捕集器3和选择性催化还原系统4。其中，涡轮增压器1、氧化型催化转化器2、颗粒捕集器3和选择性催化还原系统4顺次连接，使得柴油机排放处理系统零件成本低、油耗少、瞬态响应性能好、耐久性高，能够满足车机国6、非道路及船机T4的排放水平。
具体来讲，涡轮增压器1包括：涡轮和与该涡轮同轴的叶轮，它是利用发动机排出的废气惯性推动涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮压缩由空气滤清器管道送来的空气，使空气增压后进入气缸。当发动机转速提高，废气排出速度与涡轮转速也同步提高，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃油，相应增加油量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率。
优选的，涡轮增压器1的叶轮的出口与进气管之间设置有中冷器5和节气门6，温度增高，这样不仅影响充气效率，还容易产生爆燃。因此要装置降低进气温度的设备，这就是中冷器5(中间冷却器)，对进入气缸的空气进行冷却。中间冷却器就象散热器，用风冷却或者水冷却，空气的热量通过冷却而逸散到大气中去。据测试，性能良好的中间冷却器不但可以使发动机压缩比能保持一定值而不会产生爆燃，同时降低温度也可提高进气压力，进一步提高发动机的有效功率。节气门6用于调节进气管的进气量。
氧化型催化转化器2即diesel oxidation catalyst(简称DOC)，其进口与涡轮增压器1的涡轮的出口连接，其安装在柴油车发动机排气系统中，通过催化氧化反应，能降低排气中一氧化碳(CO)、总碳氢化合物(THC)和颗粒物(PM)中SOF等污染物排放量的排气后处理装置。用于POC系统的DOC，其主要作用是将排气中的NO转化为NO2。
颗粒捕集器3即diesel particle dilter(简称DPF)，其进气端与氧化型催化转化器2的出口连接，颗粒捕集器3一般采用堇青石陶瓷载体，载体上有很多相互平行的截面为正方形的通道，DPF的相邻通道末端交错堵孔，陶瓷通道壁面布满微孔，柴油机排气气流从底部堵孔的通道进入，只能从通道壁面微孔流到前部堵孔的相邻通道，排气中的颗粒物在扩散沉积，吸附，拦截等作用下被通道壁过滤下来。新的DPF的过滤模式为深层过滤，一部分颗粒会进入壁面内部的微孔，DPF阻力迅速，增加此时过滤效率较低在60～85％左右，随着颗粒累积，壁面微孔部分被填满，过滤效率逐渐增加，通道壁表面形成一层碳烟后，过滤效率增加到90％左右，随着碳烟层的逐渐增厚，DPF阻力逐渐增加。
优选的，颗粒捕集器3的两端连接有压差传感器8。
氧化型催化转化器2和颗粒捕集器3形成相互作用的处理系统，DOC涂覆有氧化催化剂，主要作用是将发动机排气中的NO氧化成NO2，NO2在250℃以上就可和DPF拦截下来的颗粒中的碳烟进行低温氧化反应，反应速度随着温度的升高而加快，300～350℃可达到最高，这就是DPF的被动再生，DPF涂层产生NO2，在颗粒层接触DPF壁面的位置氧化碳烟，两面一起反应，从而强化被动再生。另外柴油机部分工况排气温度达到400～500℃，颗粒中的碳烟可直接和排气中的O2发生缓慢氧化反应，这也属于被动再生。另外，DPF的主动再生原理是当DPF中碳载量达到较高值，商用车一般为4～5g/L，排气阻力增大到足以影响发动机的油耗，发动机控制器将控制安装在排气管上的喷油器喷射柴油，柴油分解成HC，在DOC处氧化燃烧，DPF入口处温度升高到600～650℃，DPF拦截的碳烟被快速燃烧去除。
如果发动机Nox排放和碳烟排放比例超过25，温度合适的情况下，被动再生去除的碳烟和发动机排出的碳烟可达到平衡。采取一系列措施，如发动机原排Nox和碳烟比例超过100，排气热管理等，强化被动再生，可达到只采用被动再生，在公交循环条件下，将DPF碳载量维持在3g/L以下，阻力维持在不影响油耗的水平，从而DPF不需主动再生。
被动再生的条件(保护点)：
原排NOx/soot>25(范围为20-25)；
排温>250℃的要>60％(或210℃要40％)。
选择性催化还原系统4简称SCR系统(SCR是Selective(选择性)、Catalytic(催化)、Reduction(还原)的英文缩写)，其工作原理是将还原剂喷入排气管，排气中的氮氧化合物在催化器的作用下与还原剂反应而被还原成氮气和水，SCR系统目前采用的还原剂是尿素。尿素NH2CONH2加H2O后在高温下分解成成NH3和CO2：
NH2CONH2+H2O-＝2NH3+CO2
NH3再和排气中的NO和NO2反应产生氮气和水：
NO+NO2+2NH3-＝2N2+3H2O
4NO+O2+4NH3-＝4N2+6H2O
2NO2+O2+4NH3-＝3N2+6H2O
为了防止发动机在整个使用寿命过程中氨气的泄漏，SCR催化器后设有氨催化器，在这个催化器中NH3与O2反应生成氮气和水：
4NH3+3O2-＝2N2+6H2O
其中，SCR系统用的标准化尿素水溶液称为添蓝。
选择性催化还原系统4包括：排气管、催化消声器、NOx传感器、添蓝罐、压缩空气辅助喷射系统、添蓝喷嘴、后处理控制单元ACU、冷却液电磁阀、以及相应的管路(添蓝管路、冷却液管路)和线束。
其中，排气管与柴油机的颗粒捕集器3连接，用于接收来自发动机的废气。催化消声器与排气管相连接，用于还原所述废气中的氮氧化物并且降低所述发动机的排气噪声，所述催化消声器包括SCR催化器和发动机排气消声器，所述催化消声器的入口端和出口端分别设置有一个温度传感器。催化消声器的整体材料为不锈钢，内装有SCR催化器芯子和消声管路，表层不锈钢材料的下部为绝缘材料。应当理解的是，现有技术中的通用的绝缘材料均可以用作本发明的绝缘材料。催化消声器在运行过程中所述催化消声器的表面平均温度低于200℃。催化消声器的入口端为法兰面接口，出口端为光管接口，本发明的催化消声器可以选用桶式催化消声器，温度传感器分别设置于入口端和出口端的圆柱面上。NOx传感器设置于催化消声器的出口端，用于测量经过催化消声器反应后的废气中的NOx成分的浓度，其浓度信号用于添蓝喷射的闭环控制和OBD功能。
添蓝罐用于盛装尿素水溶液，添蓝罐安装有添蓝泵、传感器和加热器，其中该传感器为液位、液温传感器，用于感应添蓝罐内尿素水溶液的液面高度和温度。加热器可以利用发动机冷却液的热量来化冰。添蓝罐的材料为塑料，添蓝罐的内部设置有添蓝粗滤器，用于防止直径大于0.1mm的大颗粒进入系统中。添蓝罐还设置有通气阀，用于平衡罐内外气体压力。此外，添蓝罐的底部设置有残液放出螺塞孔，用于放出罐内残存的液体。
压缩空气辅助喷射系统7通过添蓝管路与添蓝罐连接，压缩空气辅助喷射系统7包括计量喷射泵、压缩空气管和空气滤清器。其中，计量喷射泵集成有计量泵、压缩空气电磁阀和加热器。计量喷射泵具有四个液体/空气接头和两个电器接口，液体/空气接头从顶部顺时针依次为：压缩空气入口、喷嘴接口、添蓝入口、添蓝回液口。两个电器接口为：压缩空气电磁阀针电器接头和37针主电器接头，其中，37针主电器接头包括蓄电池电源接口、点火开关、空气电磁阀正负极和J1939高、低和屏蔽端子。计量喷射泵可控制内部的加热器自动加热，以防止所述添蓝罐内的尿素水溶液结冰。压缩空气管用于通入压缩空气，以携带计量后的尿素水溶液到添蓝喷嘴，使得尿素水溶液经添蓝喷嘴充分雾化喷出。空气滤清器是用来过滤压缩空气的颗粒和杂质。
添蓝喷嘴被设置于所述排气管上，并通过添蓝管路与计量喷射泵连接，用于将计量喷射泵送来的尿素水溶液与空气混合物均匀雾化并且顺流喷入排气管中；添蓝喷嘴为不锈钢材料的喷射器。
后处理控制单元ACU为一个独立的电控单元，用于控制计量泵和压缩空气电磁阀按照预定程序工作，从而精确计算尿素水溶液的喷射量，后处理控制单元ACU还用于化冰控制、温度传感器和液位、液温传感器的信号处理以及OBD功能的实现。后处理控制单元ACU通过CAN总线与发动机ECU通讯连接，通过对所述发动机的运行状态数据及两个所述温度传感器的电信号进行计算，并根据预先标定好的各种脉冲，适时地计算发动机实际工作情况下的尿素水溶液的喷射量，进而通过CAN总线控制计量喷射泵的喷射量，从而使得废气中的NOx成分被精确还原。
后处理控制单元ACU具有故障自诊断和OBD功能，正常运行时，打开钥匙后能听到泵运转时发出的短促的声音，这时电机回到“停车”位置；当发动机起动时，泵进入“起动排空”模式，泵以最大流量将尿素水溶液抽入，再通过添蓝回液口回到添蓝罐，这样持续进行半分钟，然后内部控制器打开压缩空气电磁阀，如果压缩空气压力正常而且“起动排空”模式成功完成时，计量喷射泵将进入计量喷射模式，根据后处理控制单元ACU发出的命令控制尿素水溶液的喷射量，如果排气温度低于200℃，尿素水溶液喷射量为零，压缩空气持续喷射。当起动钥匙关闭后，泵自动开始吹扫，压缩空气继续喷射30秒，以泵扫喷嘴管路中的残液，避免因尿素水溶液结晶而造成管路堵塞。
冷却液电磁阀通过冷却液管路与添蓝罐和添蓝泵内置的换热器相连接，用来为系统提供化冰服务。化冰控制具体为：当后处理控制单元ACU通过添蓝罐的液位、温度传感器感应到尿素水溶液的温度低于一定程度时，判断出系统结冰，此时通电打开冷却液电磁阀。加热后的发动机冷却液就会顺着冷却液管路流向添蓝罐和添蓝泵内置的换热器，这些地方的冰就会迅速融化。由于冷却液管路和添蓝管路捆扎在一起，且外部套有保温管，所以添蓝管路内部的冰也会同时融化。
如图2所示，该柴油机排放处理系统属于无EGR技术排放路线：缸内低碳烟燃烧技术(缸内爆发压力大于200bar)+高压共轨技术(喷射压力可小于1800bar)+增压器+DOC+DPF+SCR(转化效率大于97％)。
综上，该柴油机排放处理系统的零件成本低、油耗少、瞬态响应性能好、耐久性高，能够满足车机国6、非道路及船机T4的排放水平。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种柴油机排放处理系统，其特征在于，包括：
涡轮增压器，包括：涡轮和与该涡轮同轴的叶轮；所述涡轮增压器的叶轮的出口与进气管之间设置有中冷器和节气门；
氧化型催化转化器，其进口与所述涡轮增压器的涡轮的出口连接；
颗粒捕集器，其进气端与所述氧化型催化转化器的出口连接；所述颗粒捕集器的两端连接有压差传感器；以及
选择性催化还原系统，包括：排气管、催化消声器、NOx传感器、添蓝罐、压缩空气辅助喷射系统、添蓝喷嘴、后处理控制单元ACU和冷却液电磁阀；所述排气管与柴油机的颗粒捕集器连接，所述催化消声器与所述排气管相连接，所述催化消声器包括SCR催化器和发动机排气消声器，所述催化消声器的入口端和出口端分别设置有温度传感器；所述NOx传感器设置在所述催化消声器的出口端；所述添蓝罐安装有添蓝泵、传感器和加热器；所述压缩空气辅助喷射系统与所述添蓝罐连接；所述添蓝喷嘴设置在所述排气管上，并与所述计量喷射泵连接；所述后处理控制单元ACU与所述计量喷射泵通信连接，用于控制所述计量泵和所述压缩空气电磁阀按照预定程序工作。
2.根据权利要求1所述的柴油机排放处理系统，其特征在于，所述催化消声器的整体材料为不锈钢，内装有SCR催化器芯子和消声管路。
3.根据权利要求2所述的柴油机排放处理系统，其特征在于，所述催化消声器选用桶式催化消声器，所述温度传感器分别设置于入口端和出口端的圆柱面上。
4.根据权利要求1所述的柴油机排放处理系统，其特征在于，所述压缩空气辅助喷射系统包括计量喷射泵，所述计量喷射泵集成有计量泵和压缩空气电磁阀。
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