CN110284954A - 一种柴油机尾气处理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机尾气处理系统以及控制方法。柴油机尾气经排气系统排放，排气系统包括依下列顺序排列的各催化单元；PNA、SCR1、DOC、CDPF、SCR2、ASC；在SCR1单元和SCR2单元前端分别设置有温度传感器、NOx传感器和尿素喷射装置；当柴油机启动后，尾气依次通过各处理单元后排放，当T2＞T_SCR1，和第一NOx传感器检测到NOx时，启动第一尿素喷射装置喷尿素，当T5＞T_SCR2，启动第二尿素喷射装置喷尿素，同时关闭第一尿素喷射装置。本发明将PNA和SCR1前置相组合，设置两个尿素喷射系统，根据温度区间不同分别启动，净化效果更好；两块SCR催化单元具有不同性能，可以很好地控制柴油机启动初期NOx的排放和NH₃排放，减少主动再生频率，提高燃油经济性、催化单元的耐久性能。

Description

一种柴油机尾气处理系统及控制方法

技术领域

本发明属于废气后处理技术领域，尤其属于机动车尾气处理技术领域，特别涉及一种低排放的柴油机尾气后处理系统以及控制方法。

背景技术

《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》和《重型汽车污染物排放限值及测量方法》第六阶段(以下简称国六阶段)已经逐步实施。国六阶段，NOx排放限值较国五阶段已经降低77％，要求尾气后处理系统对NOx的转化率更高。尾气后处理催化剂受反应气氛、温度和空速的影响非常大，国六阶段后处理催化单元面临排温低，耐久要求高的棘手问题。国六阶段，轻型车采用WLTC循环测试和RDE测试，重型发动机采用WHSC和WHTC循环测试，其中冷态WHTC循环占比14％，热态WHTC循环占比86％，此外还引入了WNTE测试以及重型整车的PEMS测试。在瞬态测试循环过程中，低温阶段排放占比大，并且因排气温度低于180℃时尿素难分解且易结晶，后处理尿素喷射系统不会起喷尿素，此时NOx无法被还原，将会被直接排放到大气中，在有些车型中NOx累计排放在低温时已经超过排放限值，无法达到法规认证要求。有些控制方法为提高低温(高于180℃)的NOx转化率，加大尿素的喷射量，但随着排气温度的上升，SCR催化单元对NH₃的存储能力逐渐下降，会泄露大量的NH₃，对下游的ASC造成极大的压力，甚至导致最终的NH₃排放超标。因此解决低温时NOx排放问题和NH₃泄露问题非常重要。

柴油后处理系统催化单元主要有PNA，DOC，CDPF，SCRF，SCR，ASC。其中PNA主要布局于后处理系统的上游，在低温时吸附NOx，排气温度升高时释放NOx，解决低温时NOx的排放问题。DOC主要布局于后处理系统的上游，主要处理HC、CO和部分SOF，并氧化NO为NO₂，协助下游CDPF的被动再生和SCR的低温快速反应，并起燃排气中的燃油HC提升CDPF的入口温度，触发CDPF的主动再生。CDPF一般位于DOC的下游，主要捕集PM并通过被动再生或者主动再生的方式净化PM。SCR一般位于后处理系统的下游，其主要功能就是利用还原剂尿素分解出的NH₃处理排气中的NOx。ASC位于系统的末端，主要是处理上游未完全反应的NH₃.

SCR催化单元在国六阶段基本采用分子筛作为载体，以Cu或者Fe作为活性元素。SCR催化单元反应效率受温度影响明显，且催化单元难以兼顾发动机排气低温与高温阶段均维持高转化效率。并且SCR催化单元由于其特殊的分子筛结构特性，长时间高排气温度下其稳定性下降。因此在后处理系统中SCR的选型和布局也非常重要。

柴油机尾气后处理技术主要有如下五种。

(1)DOC+CDPF+SCR/ASC，该技术路线是主流的柴油机后处理技术路线，在国六阶段或者排气排温较高的车型中，排放可以满足法规要求。但是由于SCR处于DOC和CDPF催化单元后，在冷启动阶段，排气流量小，排气温度低，整体排气热量不足，并且DOC和CDPF载体热容大，需较长时间以后SCR前的温度才能达到180℃以上，虽然SCR前温度达到180℃，但SCR催化单元床温仍然较低，此时喷射尿素也较难分解并且在SCR催化单元中的反应速率也较低。如图6、图7所示，是柴油发动机WHTC循环的排温曲线，SCR前温度达到180℃需500s，SCR后温度达到180℃需600S，此时循环累计排放已经很高。并且在较低温度、如180℃喷射尿素后，由于SCR催化剂的特性，在低温下易储存大量的NH₃，在高温时NH₃存储能力降低，将会释放大量的NH₃，此时易造成NH₃的泄露。

(2)DOC+SCRF+SCR/ASC，该技术路线简称SCRF技术路线，该技术路线将SCR催化剂涂覆至DPF载体上制备SCRF催化剂，将SCRF催化单元前置，可以部分解决由于上游催化单元消耗热量导致的温度损失问题，NOx排放可以得到一定的控制，但是由于SCR涂层对soot被动再生促进能力较弱，对于SCRF中沉积的颗粒物需采用高频率主动再生控制策略。在主动再生过程中，入口温度控制至少600℃以上，床层温度可能会超过700℃，这样长期的高温环境将加快SCR催化性能的劣化，最终也难以满足法规的耐久要求，并且高频率的主动再生使得整体燃油经济性较差。

(3)电加热+DOC+CDPF+SCR/ASC，该技术路线在排气管路中安装电加热装置，以期望提高排气温度，但实际电能消耗较大，车上电源有限，很难实现排气温度的提升以达到较佳的反应温度范围。

(4)PNA+DOC+CDPF+SCR/ASC,该技术路线PNA可以在低排气温度下将NOx存储起来，在高温时再释放。下游SCR远离PNA，热量需较长时间才能传到SCR催化单元，由于PNA一般释放温度在200-300℃，此时SCR前温度可能还未达到尿素起喷温度，此时释放的NOx也无法处理，直接排放，很难解决低温NOx排放问题。

(5)DOC1+SCR/ASC+DOC2+CDPF，该技术路线将SCR前置，解决了启动初期排气温度低，SCR催化单元上游的催化剂载体吸附热量导致SCR前温度升温慢的问题。但是该技术路线SCR置于CDPF的上游，将NOx处理完全，在CDPF中无NO₂促发被动再生，那么CDPF的主动再生频率将会很高，燃油经济性差。

以上各技术路线每一条技术路线均存在各自的优势，但在低温排放占比大的后处理系统中很难解决低温NOx的排放，也存在各自的缺点。

对上述主要英文缩写说明如下：

PNA：被动氮氧吸附催化剂；DOC：柴油氧化型催化剂；CDPF：催化柴油颗粒捕集器；SCR：选择还原催化剂；SCRF：含选择还原催化剂涂层的颗粒捕集器；ASC：氨氧化催化剂；NOx：氮氧化合物；CO：一氧化碳；HC：碳氢化合物；PM：颗粒物；PN：颗粒数；Soot：碳烟；SOF：可溶性有机物；NH₃：氨。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种低排放的柴油机尾气处理系统以及控制方法。本发明要解决的技术问题是提供一种新型的后处理系统及其控制方法，可以很好地控制低温NOx的排放并控制NH₃泄露，提高燃油经济性。

本发明通过以下技术方案实现：

柴油机尾气处理系统，柴油机尾气经排气系统排放，排气系统包括催化剂处理系统，催化剂处理系统包括PNA、SCR、DOC、CDPF、ASC处理单元，其特征在于：

所述处理系统各处理单元依下列顺序排列，柴油机尾气依次通过各处理单元后排放；

PNA+SCR1+DOC+CDPF+SCR2+ASC；

所述处理系统在SCR1单元前端设置：第一温度传感器获取温度T2，第一NOx传感器获取NOx浓度，第一尿素喷射装置；

所述处理系统在SCR2单元前端设置：第二温度传感器获取温度T5，第二NOx传感器获取NOx浓度，第二尿素喷射装置。

所述SCR1单元是低温型SCR。

所述SCR2单元是高温型SCR。

所述处理系统在ASC后端设置第三NOx传感器。

采用上述柴油机尾气处理系统的尾气处理控制方法包括：当柴油机启动后，尾气依次通过上述处理系统的各处理单元后排放；

当T2＞T_SCR1，和第一NOx传感器检测到NOx时，启动第一尿素喷射装置喷尿素；

当T5＞T_SCR2，启动第二尿素喷射装置喷尿素，同时关闭第一尿素喷射装置；

其中，T2是SCR1单元前端第一温度传感器获取温度，T5是SCR2单元前端第二温度传感器获取温度，T_SCR1是第一尿素喷射装置喷射还原剂的最低温度，T_SCR2是SCR2转化率大于95％的温度。

本发明有益性：本发明系统及其控制方法将PNA和SCR1前置相组合，PNA的NOx吸附功能和SCR1的催化性能温度区间相匹配；设置两个尿素喷射系统，根据温度区间不同分别启动，净化效果更好；两块SCR催化单元具有不同性能要求，SCR1采用低温型SCR，SCR2采用高温型SCR。本发明可以很好地控制柴油机启动初期低温时NOx的排放和NH₃排放，减少主动再生频率，提高燃油经济性并保持催化单元的耐久性能；较大幅度提高了两块SCR催化单元的耐久性能。

附图说明

图1是本发明系统布局示意图；图中，尿素1表示第一尿素喷射装置，尿素2表示第二尿素喷射装置；

图2是本发明系统控制设计流程框图；

图3是本发明系统各段温度随发动机启动后时间的分布状态；其中，横坐标是时间、单位S，纵坐标是温度、单位摄氏度；

图4是SCR1和SCR2反应转化率与温度关系研究对比；其中横坐标是温度、单位摄氏度，纵坐标是转化率、单位％；

图5是PNA和SCR1功能匹配研究，其中，横坐标是温度、单位摄氏度，左轴纵坐标是PNA释放NOx浓度和原始输入NOx的浓度、单位ppm，右轴纵坐标是SCR对NOx的转化率、单位％；

图6是柴油发动机WHTC循环的排温曲线；图7是图6中虚线圆部分的放大示意图；图中，横坐标是时间、单位S，纵坐标是温度、单位摄氏度。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

结合附图。

本发明柴油机后处理系统催化单元设计布局如图1所示，处理尾气由上游至下游顺序通过PNA、SCR1、DOC、CDPF、SCR2、ASC。系统控制方法设计流程如图2所示。

在PNA、SCR1、DOC、CDPF、SCR2、ASC的进出口之间的温度分别为T1～T6，通常，各温度值随发动机启动后时间具有如图3的温度分布，图3是本发明研究获得的某车型发动机各温度值随发动机启动后时间的温度分布状态。

本发明处理系统在SCR1前、SCR2前和ASC后分别布置三个NOx传感器。至少在SCR1前、SCR2前分别设置温度传感器。在SCR1前、SCR2前分别设置尿素喷射装置。

本发明处理系统SCR1催化单元体积可以小于SCR2，即在具体的催化剂系统设置时，SCR1催化单元催化容量体积可以小于SCR2。

SCR1采用低温型SCR，即选择低温段具有NOx较高转化率的SCR。SCR2采用高温型SCR，即选择高温段具有NOx较高转化率的SCR。SCR性能如图4所示。

下面先将本发明中的部分参数进行说明：

T_PNA：因被动氮氧吸附催化剂对氮氧化合物的吸附只能在一定的温度范围的(比如＜250℃)发生，超过一定温度后不再吸附氮氧化合物并会将吸附的氮氧化合物脱附释放，比如释放氮氧化合物的温度范围是200-300℃。在此定义T_PNA为被动氮氧吸附催化剂吸附NOx小于释放NOx的最低温度。

T_SCR1：SCR1处理NOx时需启动第一尿素喷射装置喷射还原剂，一般在180℃便可起喷尿素，在更低的温度下可启动固态氨(比如80℃)，但被动氮氧吸附催化剂此时还未释放NOx，无NOx经过SCR1，此时不用启动第一尿素喷射装置。因此定义T_SCR1为第一尿素喷射装置可以喷射还原剂的最低温度。当T2＞T_SCR1并且T1＞T_PNA时，即是T2温度升高到可以喷射还原剂的温度，并且T1温度升高到有PNA有NOx泄漏的时候，开始启动第一尿素喷射装置。

T_SCR2：SCR2处理NOx时需启动第二尿素喷射装置喷射还原剂，一般在180℃便可起喷尿素，在更低的温度下可起喷固态氨(比如80℃)。当发动机启动时，先起喷第一尿素喷射装置，SCR1工作，NOx在SCR1中被处理，不会有NOx经过SCR2，并且发动机启动初期，T5温度较低，起喷第二尿素喷射装置可能会结晶或者SCR2的NOx转化率较低，因此此时开启第一尿素喷射装置，关闭第二尿素喷射装置。直到T5温度上升，保证SCR2可以有较高的转化率，比如SCR2对NOx的转化率大于95％时才启动第二尿素喷射装置，停喷第一尿素喷射装置。因此在此定义T_SCR2为SCR2对NOx转化率＞95％的最低温度，比如图4中，T＝250℃时，SCR2转化率大于95％。此时的T_SCR2范围是T_SCR2＞250℃。

本发明系统运行控制设计为：PNA前温度T1低于T_PNA时，PNA处于NOx吸附状态，随着温度的持续升高，PNA的吸附能力降低，当T1高于T_PNA时，PNA开始释放NOx，但SCR1前温度T2也开始上升，当T2＞T_SCR1，并NOx传感器检测到NOx时开始启动第一尿素喷射装置。此时T5温度还远远低于正常起喷温度，第二尿素喷射装置保持关闭状态。随着发动机运行，T1进一步升高，当超过T_PNA后，PNA不再具有NOx吸附功能并且NOx逐渐释放完全，SCR1对PNA释放的NOx和发动机正常排放NOx均进行转化；本发明研究了PNA对NOx的释放与SCR1对NOx的转化状态，结果如图5所示，图5中，横坐标是温度、单位摄氏度，左轴纵坐标是从PNA泄露NOx浓度、单位ppm，右轴纵坐标是SCR对NOx的转化率、单位％，如图可见：在T1＝200℃时，PNA开始释放NOx，当T1＝200℃时，在图3所示T2约190℃，此时可以起喷尿素1喷射系统，此时释放的NOx在SCR1中反应达90％以上。在图3中，柴油车前300S，T1小于200℃，排放的NOx被PNA吸附，在300S后，T1大于200℃，PNA开始释放NOx，第一尿素喷射装置开始喷射尿素，PNA释放的NOx和发动机排出的NOx被SCR1转化90％以上，发动机排放的所有NOx均经过SCR转化。

随着排气温度的逐渐升高，T5上升至T_SCR2以上，此时起喷第二尿素喷射装置，停喷第一尿素喷射装置。由于此时SCR2已经达到SCR高效反应的温度范围，SCR2可以实现对NOx极高的转化。如图4所示，当T5大于250℃后起喷第二尿素喷射装置，SCR2对NOx的转化率可以达到95％以上。

该技术路线的具体控制如下。

(1)在排气温度较低的柴油机尾气后处理中，采用PNA和SCR1前置的组合策略降低NOx排放，解决低温时由于上游催化单元吸热导致SCR催化单元温升过慢的问题。由于PNA对NOx的吸附容量和吸附温度范围限制，SCR1前置可以使SCR1催化单元的温度尽快满足SCR反应温度要求，与PNA对NOx的吸附性能相配合。在启动初始，排气温度低，排气流量小，PNA可以高效吸附排气中的NOx，随着排气温度的升高，PNA对NOx的吸附能力减弱，温度升高至T_PNA以后，PNA开始释放NOx，此时SCR1前的温度也可以到达T_SCR1，开始启动第一尿素喷射装置，SCR1开始工作，NOx被SCR1转化。此时第一尿素喷射装置可以根据发动机初期的NOx排放和PNA对NOx的吸脱附模型计算理论的喷射量或者NOx传感器反馈计算喷射量，由于温度较低，SCR的NH₃储存能力较强，不会存在NH₃泄露的问题，即使在SCR1上NH₃有部分泄露，下游SCR2的温度较低，还可以吸附逃逸的NH₃。因此可以很好的控制柴油机启动初期低温时NOx的排放，并不会有NH₃逃逸。

(2)随着排气温度的升高，下游SCR2前的温度T5逐渐升高，可以有两种控制方法，一是当T5＞T_SCR2时，启动第二尿素喷射装置，停喷第一尿素喷射装置。二是当T5＞180℃时起喷第二尿素喷射装置，停喷第一尿素喷射装置。前者的优势在于，T2可能达到250℃～400℃，此时SCR1对NOx的转化率极高可充分反应尾气中的NOx，可以等待T5达到T_SCR2时再起喷尿素2系统，停喷尿素1系统。后者的优势在于，当T5达到180℃时，DOC前的温度T3可能达到210℃或者更高，此时DOC对NO氧化为NO₂，可以很好的协助SCR2的低温快速反应，SCR2对NOx的转化率也不会低。但根据SCR对NOx的转化条件来判断，优先前者策略，当T5＞T_SCR2时再起喷第二尿素喷射装置，停喷第一尿素喷射装置。该系统设置前后两个喷射系统的优势在于，在较低温度下启动第一尿素喷射装置，可以解决低温NOx排放问题，在较高温度下停喷第一尿素喷射装置启动第二尿素喷射装置，NOx可以经过DOC和CDPF，DOC将NO氧化为NO₂，协助CDPF的soot被动再生，减少主动再生频率，提高燃油经济性并保持催化单元的耐久性能。

(3)本发明系统及其控制方法在排气中增加燃油HC浓度，DOC氧化HC提升排气温度触发CDPF的主动再生，CDPF后的排气温度在较高温度下经混合器等会有大量的热损失，导致温度下降，到达SCR2前的温度可以达到缓和，对SCR2的高温劣化率会降低，SCR2的稳定性得到保障。SCR1处于排气管路上游，不需要特意的加热温升，SCR2处于CDPF后，CDPF主动再生出口温度到SCR2的入口有一定的热损失，会出现温度下降，这样进一步有效地保证了两块SCR催化单元的耐久性能。

(4)本发明系统及其控制方法的优点还在于在T5＞T_SCR2后起喷第二尿素喷射装置，SCR2的NH₃存储能力在该温度后比较平稳，不会因后期持续升温导致NH₃的大量泄露。

(5)启动初期，根据工况特点，当T5＜T_SCR2时，排气流量也较小，因此上游SCR1催化单元的反应空速不会太大，从而SCR1转化率也会保持较高。

(6)相对于SCRF路线直接在SCR涂层上进行主动再生的策略，该技术路线有更有利于催化单元的耐久性能；相对于DOC+CDPF+SCR/ASC路线，可以很好的解决低温热量传递温度问题；也解决了路线4中PNA和SCR性能温度无法衔接的问题；解决了路线5只有主动再生燃油经济性差的问题。

Claims (5)

1.一种柴油机尾气处理系统，柴油机尾气经排气系统排放，排气系统包括催化处理系统，催化处理系统包括PNA、SCR、DOC、CDPF、ASC处理单元，其特征在于：

所述催化处理系统各处理单元依下列顺序排列，柴油机尾气依次通过各处理单元后排放；

PNA+SCR1+DOC+CDPF+SCR2+ASC；

所述处理系统在SCR1单元前端设置：第一温度传感器获取温度T2，第一NOx传感器获取NOx浓度，第一尿素喷射装置；

所述处理系统在SCR2单元前端设置：第二温度传感器获取温度T5，第二NOx传感器获取NOx浓度，第二尿素喷射装置。

2.根据权利要求1所述的柴油机尾气处理系统，其特征在于：所述SCR1单元是低温型SCR。

3.根据权利要求1所述的柴油机尾气处理系统，其特征在于：所述SCR2单元是高温型SCR。

4.根据权利要求1所述的柴油机尾气处理系统，其特征在于：所述处理系统在ASC后端设置第三NOx传感器。

5.一种柴油机尾气处理系统的尾气处理控制方法，其特征在于包括以下控制方法：所述处理系统是权利要求1至4任一项所述的处理系统；当柴油机启动后，尾气依次通过各处理单元后排放；

当T2＞T_SCR1，和第一NOx传感器检测到NOx时，启动第一尿素喷射装置喷尿素；

当T5＞T_SCR2，启动第二尿素喷射装置喷尿素，同时关闭第一尿素喷射装置；

其中，T2是SCR1单元前端第一温度传感器获取温度，T5是SCR2单元前端第二温度传感器获取温度，T_SCR1是第一尿素喷射装置喷射还原剂的最低温度，T_SCR2是SCR2转化率大于95％的温度。