CN114577688A - 一种检测车用柴油硫含量的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种检测车用柴油硫含量的系统及方法，所述系统包括氧化催化系统和PM传感器；所述PM传感器分别独立地设置于所述氧化催化系统的上、下游；所述系统有别于传统的后处理系统，将PM传感器设置氧化催化系统的上、下游，通过测定氧化催化系统前、后的PM质量差并辅以简便的计算即可获得柴油中的硫含量，实现了在线快速检测的目的。

Description

一种检测车用柴油硫含量的系统及方法
技术领域
本发明属于硫含量检测技术领域，涉及一种检测车用柴油硫含量的系统及方法，具体涉及一种利用PM传感器检测车用柴油硫含量的系统及方法。
背景技术
柴油中硫含量高，燃烧产生的尾气中硫化物会使后处理催化剂中毒，导致排放超标。活性硫能直接腐蚀金属，而且无论活性硫化物还是非活性硫化物，燃烧后产生的二氧化硫和三氧化硫遇到燃烧产生的水和水蒸汽，在高温下会形成亚硫酸和硫酸，严重腐蚀发动机零部件。另外酸性物质会导致机油总碱值下降快，换油周期大大缩短。基于上述问题，有必要研究柴油中硫含量在线快速检测方法，并开发相应的控制策略，实现对发动机的保护。
现有的，柴油中硫含量检测均为离线测量，主要的测量方法包括X射线荧光法，近红外光谱法等，但是这些方法都是比较常见的实验室化学方法，而且这些方法比较复杂，检测周期长，不适用于在线或者快速检测硫含量。
CN214366289U公开了一种柴油机燃油管理系统，包括与柴油发动机的增压器和后处理总成之间的排气主管路并联的排气支路，排气支路上设置有温度调整装置、温度传感器和二氧化硫变送器；分别与温度调整装置、温度传感器和二氧化硫变送器相连的ECU；ECU用于根据温度传感器发送的排气支路中的气体温度生成并向温度调整装置发送指示调节排气支路中气体温度在预设的温度范围的第一指令；以及，在二氧化硫变送器发送的排气支路中气体的二氧化硫浓度超过预设的二氧化硫浓度阈值的情况下生成指示进行硫含量超标报警第二指令由此，实现对柴油机燃油中硫含量的检测。该系统在后处理系统前设置多种传感器以及控制单元，设备成本较高，且运行起来较为复杂。
CN108868981A公开了一种检测系统及方法，该检测系统在柴油机系统的基础上增加了用于检测DOC上游的第一排气成分浓度的第一传感器以及用于检测DOC下游的第二排气成分浓度的第二传感器。该系统是利用第一传感器和第二传感器的检测结果计算DOC的转化效率，从而判断DOC是否处于硫中毒状态。其并不能准确测定柴油中的硫含量。
综上所述，提供一种成本较低，且可在线快速测定柴油中硫含量的监测系统以及方法成为当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种检测车用柴油硫含量的系统及方法，所述系统仅仅通过设计优化PM传感器的安装位置，即得到了一种简单方便的S含量检测系统；并通过简单的计算方法，提高了在线测定柴油中S含量的精确度，具有较好的发展前景。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种检测车用柴油硫含量的系统，所述系统包括氧化催化系统和PM传感器；
所述PM传感器分别独立地设置于所述氧化催化系统的上、下游。
PM是柴油燃烧产生的污染物之一，其组分包括碳烟颗粒及吸附在其表面的可溶性组分(SOF)、碳氢化合物(HC)和硫酸盐等。PM传感器是用于测定碳烟颗粒及吸附在其表面的可溶性有机组分、高沸点碳氢化合物以及硫酸盐的总质量。
本发明中，氧化催化系统是后处理系统中的一部分，所述后处理系统一般包括依次连接的DOC、DPF以及SCR，但并不仅限于上述功能系统以及连接关系。
本发明所述系统有别于传统的后处理系统，没有将PM传感器设置于DPF的上、下游，而是将PM传感器设置于DOC的上、下游，通过测定排气在DOC前、后的PM质量差辅以简便的计算即可获得柴油中的硫含量，实现了在线快速检测的目的，具有较好的应用前景。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述氧化催化系统包括DOC。
作为本发明优选的技术方案，所述氧化催化系统的上游设置有温度传感器。
第二方面，本发明提供了一种检测车用柴油硫含量的方法，所述方法采用第一方面所述的系统进行，所述方法包括以下步骤：
(1)发动机进入柴油硫含量检测模式，利用氧化催化系统上游的PM传感器与下游的PM传感器，分别得到上游测量值与下游测量值，下游测量值减去上游测量值得到质量差；
计算上游排气中可溶性组分以及高沸点碳氢化合物的总质量为标定值；(2)将步骤(1)中得到的质量差与标定值相加得到硫酸盐质量，根据质量守恒定律，通过所述硫酸盐质量计算得到S质量；
(3)根据柴油消耗量与步骤(2)得到的S质量，计算得到柴油中S含量，计算公式为
Figure BDA0003529822180000031
在一定的温度条件下，氧化催化系统可以氧化SOF和HC，因此，经过氧化催化系统后PM中碳烟颗粒和硫酸盐占主要部分。当燃油中硫含量高时，经过氧化催化系统后的硫酸盐质量增加，本发明所述方法利用上述原理，通过对比氧化催化系统前、后的PM质量变化即可判断燃油中的硫含量，所述方法简单高效，精确度较高。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)发动机进入柴油硫含量检测模式后，保证所述氧化催化系统的上游温度不小于400℃，例如400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃或750℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，若DOC的上游温度过低，会导致PM中可溶性组分(SOF)和高沸点碳氢化合物(HC)转化不完全，进而影响柴油中S质量的计算。
作为本发明优选的技术方案，所述标定值的标定方法包括：选取标准燃油，发动机进入柴油硫含量检测模式，利用氧化催化系统上游的PM传感器与下游的PM传感器，分别得到上游测量值与下游测量值，下游测量值减去上游测量值即为标定值。
通过标定，消除DOC氧化PM中可溶性组分(SOF)和高沸点碳氢化合物(HC)对生成的硫酸盐总质量的影响，提高准确性。
本发明中，根据DOC上游温度以及排气流量可提前标定好MAP图，便于计算时读取。
作为本发明优选的技术方案，所述标准燃油中S含量小于10ppm，例如1ppm、2ppm、3ppm、4ppm、5ppm、6ppm、7ppm、8ppm或9ppm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)中，所述硫酸盐质量还需除以SO2转化率，然后再根据质量守恒定律计算得到S质量。
本发明中，步骤(2)中，所述硫酸盐质量除以SO2转化率后即可得到更加准确的硫酸盐总质量，有利于提高测量的精确度。
一般情况下，所述硫酸盐包括硫酸镁和硫酸钙。
本发明中，将氧化催化系统上游排气温度提升至400℃以上，使得PM中的可溶性组分(SOF)、高沸点碳氢化合物(HC)转化完全，同时柴油排气中的SO2(含硫柴油燃烧产生)在DOC催化剂的作用下氧化为SO3。SO3迅速与排气中的H2O结合生成H2SO4，H2SO4与排气中的碱性离子(Mg2+、Ca2+)进一步转化成硫酸盐等附着在碳烟颗粒上导致PM质量增加。一般，认为Mg2+、Ca2+均来自机油，根据照机油参数，假设Mg2+与Ca2+质量比为A:B。
根据Mg2+与Ca2+的质量比，即可通过质量守恒定律通过硫酸盐总质量，进而计算得到S质量。具体地，S质量的计算公式如下：
Figure BDA0003529822180000051
其中，折合相对分子质量的计算公式如下：
Figure BDA0003529822180000052
式中，硫酸盐总质量，mg/m3；
废气密度，废气即指经过DOC后的排气，近似于空气密度，约为1.293kg/m3；
折合相对分子质量，g/mol；
S相对原子质量，g/mol；
排气流量，kg/h。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)中所述SO2转化率通过采集所述氧化催化系统上、下游的SO2浓度确定。
本发明中，可通过利用发动机台架上的气体分析仪采集氧化催化系统上、下游的SO2浓度来确定SO2转化率的修正MAP图，从而读取一段时间内的SO2转化率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述系统有别于传统的后处理系统，将PM传感器设置于催化氧化系统的上、下游，通过测定排气在催化氧化系统前、后的PM质量差并辅以简便的计算即可获得柴油中的硫含量，实现了在线快速检测的目的；
(2)本发明所述方法计算简便高效，准确性高，相对偏差在±25％以下，具有较好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例具体实施例方式中提供的一种检测车用柴油硫含量系统的结构示意图。
其中，1-DOC，2-DPF，3-SCR，4-还原剂喷射单元，5-PM传感器，6-温度传感器。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种检测车用柴油硫含量的系统及方法，所述系统的结构示意图如图1所示，所述系统包括依次连接的DOC 1、DPF 2以及SCR 3和PM传感器5；
所述PM传感器5分别独立地设置于所述DOC 1的上、下游。
进一步地，所述DPF 2以及SCR 3之间的连通管路上设置有还原剂喷射单元4，所述还原剂喷射单元4为尿素喷射单元。
进一步地，所述DOC 1的上游、DPF 2的上游、SCR 3的上游以及SCR 3的下游分别独立地设置有温度传感器6。
所述方法包括以下步骤：
(1)发动机进入柴油硫含量检测模式，利用DOC 1的上游PM传感器5与下游PM传感器5，分别得到上游测量值与下游测量值，下游测量值减去上游测量值得到质量差；
计算上游排气中可溶性组分以及高沸点碳氢化合物的总质量为标定值；
(2)将步骤(1)中得到的质量差与标定值相加得到硫酸盐质量，根据质量守恒定律，通过所述硫酸盐质量计算得到S质量；
(3)根据柴油消耗量与步骤(2)得到的S质量，计算得到柴油中S含量，计算公式为
Figure BDA0003529822180000071
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种检测车用柴油硫含量的系统及方法，所述系统与具体实施方式中描述的系统相同，所述方法与具体实施方式部分的方法相同。
实施例2：
本实施例提供了一种检测车用柴油硫含量的系统及方法，所述系统与具体实施方式中描述的系统相同，所述方法依据具体实施方式部分的方法，区别仅在于：步骤(2)中，所述硫酸盐质量还需除以SO2转化率，然后再根据质量守恒定律计算得到S质量。
对比例1：
本对比例提供了一种检测车用柴油硫含量的系统及方法，所述系统与具体实施方式中描述的系统相同，所述方法参照实施例1的方法，区别仅在于：步骤(1)中不计算标定值，使得步骤(2)中，质量差即为硫酸盐质量。
对比例2：
本对比例提供了一种检测车用柴油硫含量的系统及方法，所述系统与具体实施方式中描述的系统相同，所述方法参照实施例2的方法，区别仅在于：步骤(1)中不计算标定值，使得步骤(2)中，质量差即为硫酸盐质量，再用所述硫酸盐质量除以SO2转化率，然后再根据质量守恒定律计算得到S质量。
上述实施例1-2和对比例1-2中测定得到的基础数据以及计算结果如表1所示。
其中，标准燃油：国Ⅵ柴油，按GB17691标准；待测柴油：取样当地加油站，其S含量为17ppm。
表1
实施例1 实施例2 对比例1 对比例2
DOC上游温度/℃ 450 450 450 450
排气流量/(kg/h) 1200 1200 1200 1200
上游测量值/(mg/m<sup>3</sup>) 2.09 2.09 2.09 2.09
下游测量值/(mg/m<sup>3</sup>) 3.23 3.23 3.23 3.23
标定值/(mg/m<sup>3</sup>) 0.84 0.84 - -
SO<sub>2</sub>转化率/％ - 95 - 95
硫酸盐总质量/(mg/m<sup>3</sup>) 1.98 2.08 1.14 1.2
S质量/(g/h) 0.45 0.47 0.26 0.27
柴油消耗量/(kg/h) 35.05 35.05 35.05 35.05
S含量(计算值ppm) 12.8 13.4 7.3 7.8
相对偏差/％ 24.7 20.8 56.6 54.3
通过硫酸盐总质量计算S质量时，规定硫酸盐种类为硫酸镁和硫酸钙，且根据照机油参数知，Mg2+与Ca2+质量比为1:2，再根据质量守恒原理，即可计算得到。
综合上述实施例可以看出，本发明所述系统有别于传统的后处理系统，将PM传感器设置于DOC的上、下游，通过测定排气在DOC前、后的质量差以获得柴油中的硫含量，实现了在线快速检测的目的；本发明所述方法计算简便高效，准确性高，相对偏差在±25％以下，具有较好的应用前景。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的系统和详细方法，但本发明并不局限于上述系统和详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述系统和详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种检测车用柴油硫含量的系统，其特征在于，所述系统包括氧化催化系统和PM传感器；
所述PM传感器分别独立地设置于所述氧化催化系统的上、下游。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述氧化催化系统包括DOC。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述氧化催化系统的上游设置有温度传感器。
4.一种检测车用柴油硫含量的方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求3所述的系统进行，所述方法包括以下步骤：
(1)发动机进入柴油硫含量检测模式，利用氧化催化系统上游的PM传感器与下游的PM传感器，分别得到上游测量值与下游测量值，下游测量值减去上游测量值得到质量差；
计算上游排气中可溶性组分以及高沸点碳氢化合物的总质量为标定值；
(2)将步骤(1)中得到的质量差与标定值相加得到硫酸盐质量，根据质量守恒定律，通过所述硫酸盐质量计算得到S质量；
(3)根据柴油消耗量与步骤(2)得到的S质量，计算得到柴油中S含量，计算公式为
Figure FDA0003529822170000011
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)发动机进入柴油硫含量检测模式后，保证所述氧化催化系统的上游温度不小于400℃。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述标定值的标定方法包括：选取标准燃油，发动机进入柴油硫含量检测模式，利用氧化催化系统上游的PM传感器与下游的PM传感器，分别得到上游测量值与下游测量值，下游测量值减去上游测量值即为标定值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述标准燃油中S含量小于10ppm。
8.根据权利要求4-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硫酸盐质量还需除以SO2转化率，然后再根据质量守恒定律计算得到S质量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述SO2转化率通过采集所述DOC上、下游的SO2浓度确定。
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