CN113279844A - 一种高效天然气发动机后处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效天然气发动机后处理方法，涉及发动机后处理技术领域，解决现有后处理方式难以实现超低排放的技术问题，所述方法具体如下：采用二元TWC催化器+GOC催化器+SCR催化器+ASC催化器的后处方式；以二元TWC催化器中HC的转化效率为目标来控制缸内空燃比；对二元TWC催化器处理后的尾气增加氧浓度，使经过GOC催化器处理后的HC和CO排放达到法规限值，以及使经过SCR催化器处理后的NOx排放达到法规限值。本发明还公开了一种高效天然气发动机后处理系统。本发明先以二元TWC催化器中HC的转化效率为目标来控制缸内空燃比，使TWC催化器高效转化HC，再增加尾气氧浓度，通过GOC催化器高效转化HC和CO，通过SCR催化器进一步处理NOx，可以实现超低排放。

Description

一种高效天然气发动机后处理方法及系统
技术领域
本发明涉及发动机后处理技术领域，更具体地说，它涉及一种高效天然气发动机后处理方法及系统。
背景技术
为满足重型商用车及发动机国六排放法规(GB17691-2018)要求(排放限值要求NOx控制≤0.46g/kWh，CH4≤0.5g/kWh，NMHC≤0.16g/kWh，NH3≤10ppm)，目前天然气发动机普遍采用当量+EGR+TWC+ASC的燃烧技术路线。首先发动机通过机内控制技术如发动机本体设计、燃烧优化和外部冷却EGR策略将原排NOx、NMHC、CH4和CO控制到一定水平，然后再结合机外净化的方式(TWC+ASC)将发动机总体排放控制在国6排放法规限值之内。
当前的技术方案三元催化器(TWC)对空燃比控制精度要求较高(如图1所示)：NOx与CO和CH4的最高效转化窗口存在一定的差异，排气浓度偏稀或偏浓都无法使NOx、CO和CH4的转化效率同时达到最高，使用当前方案受空燃比窗口的限制，较难以实现超低排放控制，导致发动机整体排放相对国六排放限值裕度不大，满足下一阶段排放法规存在很大技术挑战，特别是催化器的耐久性难以得到保证。同时三元-TWC采用了三种贵金属元素，其中NOx排放的控制依赖价格昂贵的贵金属Rh来实现高效转化，催化器成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的一是提供一种可以降低催化器成本的高效天然气发动机后处理方法。
本发明的目的二是提供可以降低催化器成本的高效天然气发动机后处理系统。
为了实现上述目的一，本发明提供一种高效天然气发动机后处理方法，该方法具体如下：
采用二元TWC催化器+GOC催化器+SCR催化器+ASC催化器的后处方式；
以二元TWC催化器中HC的转化效率为目标来控制缸内空燃比；
对二元TWC催化器处理后的尾气增加氧浓度，使经过GOC催化器处理后的HC和CO排放达到法规限值，以及使经过SCR催化器处理后的NOx排放达到法规限值。
作为进一步地改进，所述二元TWC催化器只采用了Pt和Pd两种贵金属。
进一步地，通过文丘里空气引射方式从大气环境中吸取空气来增加所述二元TWC催化器处理后的尾气的氧浓度。
为了实现上述目的二，本发明提供一种高效天然气发动机后处理系统，包括发动机，所述发动机的排气管依次连接有二元TWC催化器、空气引射机构、GOC催化器、SCR催化器、ASC催化器，所述二元TWC催化器的输入端设有第一氧传感器，所述二元TWC催化器的输出端设有第二氧传感器，所述SCR催化器的输入端设有第三氧传感器，所述SCR催化器的输出端设有NOx传感器，所述发动机的ECU分别电性连接所述空气引射机构、第一氧传感器、第二氧传感器、第三氧传感器、NOx传感器；
所述发动机以二元TWC催化器中HC的转化效率为目标来控制缸内空燃比；
所述空气引射机构对二元TWC催化器处理后的尾气增加氧浓度，使经过GOC催化器处理后的HC和CO排放达到法规限值，以及使经过SCR催化器处理后的NOx排放达到法规限值。
作为进一步地改进，所述二元TWC催化器只采用了Pt和Pd两种贵金属。
进一步地，所述空气引射机构包括文丘里管，所述文丘里管的出口侧设有补气管。
进一步地，所述补气管上设有电性连接所述ECU的调节阀。
进一步地，所述补气管上设有单向阀。
进一步地，所述补气管的输入口设有空气过滤器。
进一步地，所述GOC催化器、SCR催化器之间的排气管设有DPF催化器。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：
1.本发明先以二元TWC催化器中HC的转化效率为目标来控制缸内空燃比，使TWC催化器高效转化HC，再增加尾气氧浓度，通过GOC催化器高效转化HC和CO，通过SCR催化器进一步处理NOx，可以实现超低排放。
2.本发明的二元TWC催化器只采用了Pt和Pd两种贵金属，消除了二元催化器中对贵金属Rh的依赖，从而使后处理装置在实现超低排放上具有很大的降本空间。
附图说明
图1为TWC后处理反应原理图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明中空气引射机构的结构示意图。
其中：1-发动机、2-排气管、3-二元TWC催化器、4-空气引射机构、5-GOC催化器、6-SCR催化器、7-ASC催化器、8-第一氧传感器、9-第二氧传感器、10-第三氧传感器、11-NOx传感器、12-文丘里管、13-补气管、14-调节阀、15-单向阀、16-空气过滤器、17-DPF催化器。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图2、3，一种高效天然气发动机后处理方法，该方法具体如下：
采用二元TWC催化器3+GOC催化器5+SCR催化器6+ASC催化器7的后处方式；
以二元TWC催化器3中HC的转化效率为目标来控制缸内空燃比，使排气浓度偏稀，从而使HC在二元TWC催化器3中进行高效转化，使HC排放控制至较低水平；
对二元TWC催化器3处理后的尾气增加氧浓度，使经过GOC催化器5处理后的HC和CO排放达到法规限值，以及使经过SCR催化器6处理后的NOx排放达到法规限值，实现超低排放。
二元TWC催化器3只采用了Pt和Pd两种贵金属，消除了二元催化器中对贵金属Rh的依赖，从而使后处理装置在实现超低排放上具有很大的降本空间。
在本实施例中，通过文丘里空气引射方式从大气环境中吸取空气来增加二元TWC催化器3处理后的尾气的氧浓度。
一种实现上述方法的高效天然气发动机后处理系统，包括发动机1，发动机1的排气管2依次连接有二元TWC催化器3、空气引射机构4、GOC催化器5、SCR催化器6、ASC催化器7，二元TWC催化器3的输入端设有第一氧传感器8，二元TWC催化器3的输出端设有第二氧传感器9，SCR催化器6的输入端设有第三氧传感器10，SCR催化器6的输出端设有NOx传感器11，发动机1的ECU分别电性连接空气引射机构4、第一氧传感器8、第二氧传感器9、第三氧传感器10、NOx传感器11；
发动机1以二元TWC催化器3中HC的转化效率为目标来控制缸内空燃比；
空气引射机构4对二元TWC催化器3处理后的尾气增加氧浓度，可以根据第一氧传感器8、第二氧传感器9、第三氧传感器10、NOx传感器11的检测值来确定空气的补充量，使增加的氧浓度充分满足系统的需求，保证系统实现超低排放，使经过GOC催化器5处理后的HC和CO排放达到法规限值，以及使经过SCR催化器6处理后的NOx排放达到法规限值。
尾气经二元TWC催化器3进行高效氧化还原处理后，将CO和HC排放控制至较低水平，再经过GOC结合文丘里空气引射技术将CO和HC排放控制至超低水平；从GOC中出来的尾气中剩余的污染物成分主要为NOx，尾气接着进入SCR中进行反应，SCR系统中的NH3由尿素溶液中的NH2CONH2加H2O后在高温下分解产生，反应方程式如下：
NH2CONH2+H2O->2NH3+CO2；
还原剂NH3和NOx进行高效反应，将NOx还原成N2和H2O，其中GOC中产生的NO2有利于提升SCR的转化效率，SCR中的反应方程式为：
NO+NO2+2NH3->2N2+3H2O；
4NO+O2+4NH3->4N2+6H2O；
2NO2+O2+4NH3->3N2+6H2O；
尾气继续经过ASC，SCR中未参与反应的NH3与O2反应，将NH3排放净化至较低水平。
在本实施例中，二元TWC催化器3只采用了Pt和Pd两种贵金属。
空气引射机构4包括文丘里管12，文丘里管12的出口侧设有补气管13，补气管13上设有电性连接ECU的调节阀14，控制调节阀14的开度即可以准确控制空气补充量。补气管13上设有单向阀15，防止尾气泄漏。补气管13的输入口设有空气过滤器16，可以保证空气的洁净度。
GOC催化器5、SCR催化器6之间的排气管2设有DPF催化器17，可以进一步减少尾气颗粒物排放，实现尾气超低排放。
本发明先以二元TWC催化器中HC的转化效率为目标来控制缸内空燃比，使TWC催化器高效转化HC，再增加尾气氧浓度，通过GOC催化器高效转化HC和CO，通过SCR催化器进一步处理NOx，可以实现超低排放。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (10)

1.一种高效天然气发动机后处理方法，其特征在于，该方法具体如下：
采用二元TWC催化器(3)+GOC催化器(5)+SCR催化器(6)+ASC催化器(7)的后处方式；
以二元TWC催化器(3)中HC的转化效率为目标来控制缸内空燃比；
对二元TWC催化器(3)处理后的尾气增加氧浓度，使经过GOC催化器(5)处理后的HC和CO排放达到法规限值，以及使经过SCR催化器(6)处理后的NOx排放达到法规限值。
2.根据权利要求1所述的一种高效天然气发动机后处理方法，其特征在于，所述二元TWC催化器(3)只采用了Pt和Pd两种贵金属。
3.根据权利要求1所述的一种高效天然气发动机后处理方法，其特征在于，通过文丘里空气引射方式从大气环境中吸取空气来增加所述二元TWC催化器(3)处理后的尾气的氧浓度。
4.一种实现权利要求1-3任意一项所述的方法的高效天然气发动机后处理系统，包括发动机(1)，其特征在于，所述发动机(1)的排气管(2)依次连接有二元TWC催化器(3)、空气引射机构(4)、GOC催化器(5)、SCR催化器(6)、ASC催化器(7)，所述二元TWC催化器(3)的输入端设有第一氧传感器(8)，所述二元TWC催化器(3)的输出端设有第二氧传感器(9)，所述SCR催化器(6)的输入端设有第三氧传感器(10)，所述SCR催化器(6)的输出端设有NOx传感器(11)，所述发动机(1)的ECU分别电性连接所述空气引射机构(4)、第一氧传感器(8)、第二氧传感器(9)、第三氧传感器(10)、NOx传感器(11)；
所述发动机(1)以二元TWC催化器(3)中HC的转化效率为目标来控制缸内空燃比；
所述空气引射机构(4)对二元TWC催化器(3)处理后的尾气增加氧浓度，使经过GOC催化器(5)处理后的HC和CO排放达到法规限值，以及使经过SCR催化器(6)处理后的NOx排放达到法规限值。
5.根据权利要求4所述的一种高效天然气发动机后处理系统，其特征在于，所述二元TWC催化器(3)只采用了Pt和Pd两种贵金属。
6.根据权利要求4所述的一种高效天然气发动机后处理系统，其特征在于，所述空气引射机构(4)包括文丘里管(12)，所述文丘里管(12)的出口侧设有补气管(13)。
7.根据权利要求6所述的一种高效天然气发动机后处理系统，其特征在于，所述补气管(13)上设有电性连接所述ECU的调节阀(14)。
8.根据权利要求6所述的一种高效天然气发动机后处理系统，其特征在于，所述补气管(13)上设有单向阀(15)。
9.根据权利要求6所述的一种高效天然气发动机后处理系统，其特征在于，所述补气管(13)的输入口设有空气过滤器(16)。
10.根据权利要求4所述的一种高效天然气发动机后处理系统，其特征在于，所述GOC催化器(5)、SCR催化器(6)之间的排气管(2)设有DPF催化器(17)。
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