CN110219718B - 一种涡前尿素喷射的后处理系统及其控制方法 - Google Patents

一种涡前尿素喷射的后处理系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡前尿素喷射的后处理系统及控制方法，该后处理系统包括依次设置于发动机排气管路上的涡轮增压器、SCRF系统及SCR系统，涡轮增压器的上游管路设置有第一还原剂喷嘴，SCRF系统与SCR系统之间的管路上设置有第二还原剂喷嘴；在冷启动或低温状况时，上述后处理系统通过将第一还原剂喷嘴设置于涡轮增压器上游，利用涡轮增压器前的排气温度，实现尿素提前的热解和水解，对SCRF系统进行氨储、预处理，从而降低尾气中NOX含量；而在高温状况时，第一还原剂喷嘴以及第二还原剂喷嘴同时喷射还原剂，保证高温下NOX的转化效率，降低尾气中的NOX含量，以满足未来超低排放法规的要求。

Description

一种涡前尿素喷射的后处理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及发动机后处理技术领域，特别涉及一种涡前尿素喷射的后处理系统及其控制方法。
背景技术
随着汽车排放法规的日趋严格，带SCR(Selective Catalyst Reduction的缩写，选择性催化还原反应器)的后处理系统成为降低排放污染的主流技术。带SCR的后处理系统降低排放污染的方法是通过向SCR中喷射尿素，达到降低氮氧化物的目的，从而降低排放，满足排放法规的要求。
在SCR的基础上，进一步发展了SCRF技术，SCRF指将SCR催化剂涂覆在DPF(DieselParticulate Filter的缩写，颗粒物捕集器)上，又称SCR on Filter、SDPF等。采用SCRF后，后处理系统的布置，通常为在SCRF后再布置SCR，而在SCRF前设置一个尿素喷嘴，基于这样的布置方式，目前大部分现有技术为基于单喷嘴的控制策略。
然而在冷启动时，排气温度较低，无法满足尿素的热解和水解需求，导致冷启动时的NOX排放量增加，难以实现对NOX排放的精确控制。
综上所述，如何降低低温NOX的排放，以满足未来超低排放法规的要求，已成为目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种涡前尿素喷射的后处理系统，以达到降低低温NOX的排放，满足未来超低排放法规的要求的目的。
本发明的第二个目的在于提供一种用于上述涡前尿素喷射的后处理系统的控制方法。
一种涡前尿素喷射的后处理系统，包括依次设置于发动机排气管路上的涡轮增压器、SCRF系统以及SCR系统，所述涡轮增压器的上游管路设置有第一还原剂喷嘴，所述SCRF系统与所述SCR系统之间的管路上设置有第二还原剂喷嘴。
优选地，所述第一还原剂喷嘴为尿素喷嘴，所述第二还原剂喷嘴为尿素喷嘴或NH3喷嘴。
优选地，所述涡轮增压器的上游管路还设置有用于检测涡前排气温度的第一温度传感器，所述第一温度传感器与控制所述第一还原剂喷嘴的第一控制器连接。
优选地，所述涡轮增压器的上游管路还设置有第一NOX传感器，所述第一NOX传感器与所述第一控制器连接。
优选地，所述涡轮增压器与所述SCRF系统之间的管路上还设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器与所述第一控制器连接。
优选地，所述SCRF系统与所述SCR系统之间的管路上设置有用于检测SCR前排气温度的第三温度传感器，所述第三温度传感器与控制所述第二还原剂喷嘴的第二控制器连接。
优选地，所述SCR系统的上游以及下游管路上分别设置有第二NOX传感器以及第三NOX传感器，所述第二NOX传感器以及所述第三NOX传感器分别与所述第二控制器连接。
优选地，所述SCR系统的下游还设置有第四温度传感器，所述第四温度传感器与所述第二控制器连接。
一种用于上任意一项所述的涡前尿素喷射的后处理系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：
检测涡前排气温度，并在涡前排气温度达到第一预设温度时，控制第一还原剂喷嘴向涡前管路内喷射还原剂；
检测SCR前排气温度，并在SCR前排气温度达到第二预设温度时，控制第二还原剂喷嘴向SCRF系统以及SCR系统间的管路内喷射还原剂。
优选地，还包括步骤：
检测涡前排气中的NOX的浓度，并根据NOX浓度计算第一还原剂喷嘴的需求喷射量。
优选地，还包括步骤：
检测涡前排气温度以及涡后排气温度，涡前排气温度高于第三预设温度时或者涡后排气温度低于SCR系统的起燃温度时，减少第一还原剂喷嘴的还原剂喷射量。
优选地，还包括步骤：
检测SCR系统上游以及下游的NOX的浓度，并根据SCR系统上游以及下游的NOX的浓度对第二还原剂喷嘴的还原剂喷射量进行闭环控制。
由以上技术方案可以看出，本发明中公开了一种涡前尿素喷射的后处理系统，该后处理系统包括依次设置于发动机排气管路上的涡轮增压器、SCRF系统以及SCR系统，其中，涡轮增压器的上游管路设置有第一还原剂喷嘴，SCRF系统与SCR系统之间的管路上设置有第二还原剂喷嘴；本领域技术人员容易了解的是，涡前排气温度高于涡后排气温度，上述后处理系统通过将第一还原剂喷嘴设置于涡轮增压器上游，在冷启动或低温状况时，利用涡轮增压器前的排气温度，实现尿素提前的热解和水解，对SCRF系统进行氨储、预处理，从而降低尾气中NOX含量；而在高温状况时，第一还原剂喷嘴以及第二还原剂喷嘴同时喷射还原剂，保证高温下NOX的转化效率，降低尾气中的NOX含量，以满足未来超低排放法规的要求。
本发明还提供了一种用于上述涡前尿素喷射的后处理系统的控制方法，该控制方法兼具上述涡前尿素喷射的后处理系统的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的涡前尿素喷射的后处理系统的结构示意图。
其中：
1为第一还原剂喷嘴；2为第二还原剂喷嘴；3为第一NOX传感器；4为第二NOX传感器；5为第三NOX传感器；T1为第一温度传感器；T2为第二温度传感器；T3为第三温度传感器；T4为第四温度传感器。
具体实施方式
本发明的核心之一是提供一种涡前尿素喷射的后处理系统，以达到降低低温NOX的排放，满足未来超低排放法规的要求的目的。
本发明的另一核心是提供一种基于上述涡前尿素喷射的后处理系统的控制方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的涡前尿素喷射的后处理系统的结构示意图。
本发明实施例中公开了一种涡前尿素喷射的后处理系统，该后处理系统包括依次设置于发动机排气管路上的涡轮增压器、SCRF系统以及SCR系统，其中，SCRF系统可以是DPF载体上仅涂覆SCR催化剂，或者DPF载体分段涂覆SCR催化剂和ASC催化剂，SCR系统包括SCR以及ASC，涡轮增压器的上游管路设置有第一还原剂喷嘴1，SCRF系统与SCR系统之间的管路上设置有第二还原剂喷嘴2。
可以看出，与现有技术相比，上述实施例中所公开的后处理系统利用涡前排气温度高于涡后排气温度的特点，在涡轮增压器上游设置第一还原剂喷嘴1，在冷启动或低温状况时，利用涡轮增压器前的排气温度，实现尿素提前的热解和水解，对SCRF系统进行氨储、预处理，从而降低尾气中NOX含量；通常，SCRF系统的NOX转化效率不会超过90％，且本方案由于SCRF系统是紧耦合在涡轮增压器后，转化效率一般不会超过80％，所以SCRF系统下游需要安排第二还原剂喷嘴2和SCR系统，在高温状况时，第一还原剂喷嘴1以及第二还原剂喷嘴2同时喷射还原剂，保证高温下NOX的转化效率，降低尾气中的NOX含量，以满足未来超低排放法规的要求。
作为优选地，在本发明实施例中，第一还原剂喷嘴1为尿素喷嘴，第二还原剂喷嘴2为尿素喷嘴或NH3喷嘴。
若第一还原剂喷嘴1与第二还原剂喷嘴2同为尿素喷嘴，则喷射系统可以采用同一套，从同一个尿素箱取尿素进行喷射，喷射量的控制通过ECU进行分配；也可以采用2套喷射系统，分别从2个尿素箱取尿素进行喷射。
若第二还原剂喷嘴2为NH3喷嘴，则第一还原剂喷嘴1通过一套尿素喷射系统进行喷射，第二还原剂喷嘴2通过单独的NH3喷射系统进行喷射，例如可采用目前的固态氨技术。
作为优选地，第一还原剂喷嘴1的起喷取决于涡前排气温度，因此，如图1所示，涡轮增压器的上游管路还设置有用于检测涡前排气温度的第一温度传感器T1，第一温度传感器T1与控制第一还原剂喷嘴1的第一控制器连接，当第一温度传感器T1检测到涡前排气温度达到预设温度(例如185℃～350℃)时，第一还原剂喷嘴1起喷，而第一还原剂喷嘴1的喷射量基于SCRF模型的需求，该需求可基于现有的基于氨储的SCR闭环控制和DPF再生控制进行喷射量的调节。
为了实现对第一还原剂喷嘴1喷射量的更为精确的控制，涡轮增压器与SCRF系统之间的管路上还设置有第二温度传感器T2，第二温度传感器T2与第一控制器连接。
具体地，当第二温度传感器T2检测到的温度低于SCR的起燃温度(通常为120℃)，此时SCRF的转化效率较低，第一控制器控制第一还原剂喷嘴1减少还原剂喷射量。
当第一温度传感器T1检测到的温度过高(高于350℃)时，考虑到会发生NH3在废气中的氧化4NH3+3O2→2N2+6H2O，造成还原剂的浪费，因此第一还原剂喷嘴1需要减少喷射量甚至停止喷射。
进一步地，第一还原剂喷嘴1的还原剂喷射量是根据涡前排气中的NOX浓度计算得来的，因此在本发明实施例中，涡轮增压器的上游管路还设置有第一NOX传感器3，第一NOX传感器3与第一控制器连接，第一控制器根据第一NOX传感器3检测的NOX浓度信号计算还原剂的喷射量，并控制第一还原剂喷嘴1喷射。
作为优选地，第二还原剂喷嘴2的起喷取决于SCRF系统与SCR系统之间的排气温度，因此，SCRF系统与SCR系统之间的管路上设置有用于检测SCR前排气温度的第三温度传感器T3，第三温度传感器T3与控制第二还原剂喷嘴2的第二控制器连接，当第三温度传感器T3的测量温度处于预设温度(180℃～220℃)时，第二还原剂喷嘴2起喷。
第二还原剂喷嘴2的喷射量可以基于SCR/ASC模型的需求，也可以基于SCR/ASC上下游的NOX浓度进行完全闭环控制，为此SCR系统的上游以及下游管路上分别设置有第二NOX传感器4以及第三NOX传感器5，第二NOX传感器4以及第三NOX传感器5分别与第二控制器连接，第二控制器通过第二NOX传感器4与第三NOX传感器5对第二还原剂喷嘴2的喷射量进行闭环控制。
进一步优化上述技术方案，SCR系统的下游还设置有第四温度传感器T4，第四温度传感器T4与第二控制器连接，第二控制器可以根据第四温度传感器T4检测的尾气温度，对第二还原剂喷嘴2的喷射量做进一步精确控制，减少还原剂的浪费。
进一步地，基于上述涡前尿素喷射的后处理系统，本发明实施例还提供了一种控制方法，该控制方法包括步骤：检测涡前排气温度，并在涡前排气温度达到第一预设温度时，控制第一还原剂喷嘴1向涡前管路内喷射还原剂；检测SCR前排气温度，并在SCR前排气温度达到第二预设温度时，控制第二还原剂喷嘴2向SCRF系统以及SCR系统间的管路内喷射还原剂；该控制方法在涡前温度达到第一预设温度时，第一预设温度以及第二预设温度可以为单一值，也可以为范围值，控制第一还原剂喷嘴1向涡前管路内喷射还原剂，利用涡前排气温度对尿素进行提前热解和水解，实现SCRF系统的氨储、预处理，从而降低尾气中NOX含量，当SCRF系统与SCR系统中的排气温度达到第二预设温度时，第一还原剂喷嘴1以及第二还原剂喷嘴2同时喷射，保证高温下NOX转化效率，降低尾气中的NOX含量。
作为优选地，上述控制方法还包括步骤：
检测涡前排气中的NOX的浓度，并根据NOX浓度计算第一还原剂喷嘴1的需求喷射量。
进一步地，上述控制方法还包括步骤：
检测涡前排气温度以及涡后排气温度，涡前排气温度高于第三预设温度时或者涡后排气温度低于SCR系统的起燃温度时，减少第一还原剂喷嘴1的还原剂喷射量。
作为优选地，上述控制方法还包括步骤：
检测SCR系统上游以及下游的NOX的浓度，并根据SCR系统上游以及下游的NOX的浓度对第二还原剂喷嘴2的还原剂喷射量进行闭环控制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种涡前尿素喷射的后处理系统，其特征在于，包括依次设置于发动机排气管路上的涡轮增压器、SCRF系统以及SCR系统，所述涡轮增压器的上游管路设置有第一还原剂喷嘴，所述SCRF系统与所述SCR系统之间的管路上设置有第二还原剂喷嘴；
所述涡轮增压器的上游管路还设置有用于检测涡前排气温度的第一温度传感器，所述第一温度传感器与控制所述第一还原剂喷嘴的第一控制器连接，所述涡轮增压器与所述SCRF系统之间的管路上还设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器与所述第一控制器连接；
当所述第一温度传感器检测到涡前排气温度达到预设温度时，所述第一还原剂喷嘴起喷，当所述第二温度传感器检测到的温度低于SCR的起燃温度，所述第一控制器控制所述第一还原剂喷嘴减少还原剂喷射量。
2.根据权利要求1所述的涡前尿素喷射的后处理系统，其特征在于，所述第一还原剂喷嘴为尿素喷嘴，所述第二还原剂喷嘴为尿素喷嘴或NH3喷嘴。
3.根据权利要求1或2所述的涡前尿素喷射的后处理系统，其特征在于，所述涡轮增压器的上游管路还设置有第一NOX传感器，所述第一NOX传感器与所述第一控制器连接。
4.根据权利要求1或2所述的涡前尿素喷射的后处理系统，其特征在于，所述SCRF系统与所述SCR系统之间的管路上设置有用于检测SCR前排气温度的第三温度传感器，所述第三温度传感器与控制所述第二还原剂喷嘴的第二控制器连接。
5.根据权利要求4所述的涡前尿素喷射的后处理系统，其特征在于，所述SCR系统的上游以及下游管路上分别设置有第二NOX传感器以及第三NOX传感器，所述第二NOX传感器以及所述第三NOX传感器分别与所述第二控制器连接。
6.根据权利要求4所述的涡前尿素喷射的后处理系统，其特征在于，所述SCR系统的下游还设置有第四温度传感器，所述第四温度传感器与所述第二控制器连接。
7.一种用于权利要求1-6任意一项所述的涡前尿素喷射的后处理系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：
检测涡前排气温度，并在涡前排气温度达到第一预设温度时，控制第一还原剂喷嘴向涡前管路内喷射还原剂；
检测SCR前排气温度，并在SCR前排气温度达到第二预设温度时，控制第二还原剂喷嘴向SCRF系统以及SCR系统间的管路内喷射还原剂。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括步骤：
检测涡前排气中的NOX的浓度，并根据NOX浓度计算第一还原剂喷嘴的需求喷射量。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括步骤：
检测涡前排气温度以及涡后排气温度，涡前排气温度高于第三预设温度时或者涡后排气温度低于SCR系统的起燃温度时，减少第一还原剂喷嘴的还原剂喷射量。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括步骤：
检测SCR系统上游以及下游的NOX的浓度，并根据SCR系统上游以及下游的NOX的浓度对第二还原剂喷嘴的还原剂喷射量进行闭环控制。
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