CN114941562A - 柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器及喷射方法 - Google Patents

柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器及喷射方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了内燃机后处理系统研究领域一种柴油‑氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器及喷射方法，包括氨‑柴双燃料发动机、数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型以及氨喷射控制单元；氨‑柴双燃料发动机上连接设置排气管道，数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型连接设置在排气管道上，排气管道内设有排气温度传感器，排气管道上安装用于提升喷射还原剂氨和排气的混合效果的氨射流混合器，氨射流混合器上设有氨喷射器，氨射流混合器尾部连接设置SCR载体管道，SCR载体管道上设有SCR反应温度传感器。本发明提高SCR催化剂对排气中NOx的催化还原效率，设置多种还原剂氨喷射形式和不同喷射策略以根据发动机不同工况采取最佳喷射方法，以达到自适应处理效果。

Description

柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器及喷射方法
技术领域
本发明涉及内燃机后处理系统研究领域，具体地，涉及一种柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器及喷射方法。
背景技术
为了解决传统柴油机产生的大量CO2排放和SOx排放，氨-柴双燃料发动机是一种重要的解决途径。氨-柴双燃料发动机可实现真正意义上的“零碳”排放和零SOx排放。但由于使用氨燃料，会造成NOx排放和未燃氨逃逸的问题，造成较为严重的环境问题。目前有较多关于传统柴油机DeNOx的文献和专利，但是在双燃料发动机领域的研究还很少，且针对氨-柴双燃料发动机使用新型氨还原剂的可行性问题尚未有人研究。
经现有技术检索发现，中国发明专利公告号CN100554657，公开了一种内燃机的废气净化装置，其由一体的流入流出部构成废气的入口室和出口室，由一体的催化剂安装部构成具有中心部分的DPF的第一后处理装置和具有外周侧的尿素脱硝催化剂(DeNOx催化剂)的第二后处理装置，能够作为独立个体而相互分解地设置这些催化剂安装部、流入流出部以及连通室形成部，并且能够反转安装地设置催化剂安装部。该专利技术就存在上述相关问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器及喷射方法。
根据本发明提供的一种柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器，包括氨-柴双燃料发动机、数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型以及氨喷射控制单元；
所述氨-柴双燃料发动机上连接设置排气管道，所述数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型连接设置在所述排气管道上，所述排气管道内设有排气温度传感器，所述排气管道上安装用于提升喷射还原剂氨和排气的混合效果的氨射流混合器，所述氨射流混合器上设有氨喷射器，所述氨射流混合器尾部连接设置SCR载体管道，所述SCR载体管道上设有SCR反应温度传感器；
所述氨-柴双燃料发动机、所述数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型、所述排气温度传感器、所述氨射流混合器、所述氨喷射器、所述SCR载体管道、所述SCR反应温度传感器分别与所述氨喷射控制单元信号连接设置。
一些实施方式中，所述氨喷射器设有一个或多个，所述氨射流混合器通过一个或多个所述氨喷射器进行排气DeNOx，多个所述氨喷射器可分别使用液氨、氨水、氨气作为还原剂；所述氨喷射器使用液氨喷射器进行液氨喷射，所述氨喷射器使用氨水喷射器进行氨水喷射，所述氨喷射器使用氨气喷射器进行氨气喷射；多个所述氨喷射器可分别采用不同的与所述氨射流混合器轴线夹角进行安装。
一些实施方式中，所述氨喷射器的液氨/氨水/氨气喷射量根据氨-柴双燃料发动机NOx和未燃氨排放由下式计算：液氨需求量＝(NOx的摩尔数-未燃氨的摩尔数)×氨的摩尔质量；氨水需求量＝(NOx的摩尔数-未燃氨的摩尔数)×氨的摩尔质量÷氨水质量分数；氨气需求量＝(NOx的摩尔数-未燃氨的摩尔数)×氨的摩尔质量。
一些实施方式中，所述氨射流混合器采用尾部式混合器，所述尾部式混合器包括排气进口管道、排气扩散过渡段管道、初始混合段管道以及排气SCR前端管道，所述排气进口管道与所述排气扩散过渡段管道连接设置，所述排气扩散过渡段管道另一侧连接设置所述初始混合段管道，所述初始混合段管道上连接设置所述排气SCR前端管道，所述初始混合段管道上设有双层不重合叠加式格栅。
一些实施方式中，所述初始混合段管道上设有所述氨喷射器，且所述氨喷射器垂直于所述初始混合段管道表面进行安装，且所述氨喷射器以与所述氨射流混合器轴线成45°夹角设置，双层不重合叠加式格栅安装在所述初始混合段管道的后部。
一些实施方式中，所述氨射流混合器可采用组合式混合器，所述组合式混合器包括排气进口管道和排气扩散过渡段管道；
所述排气进口管道与所述排气扩散过渡段管道连接设置，所述排气扩散过渡段管道上连接初始混合段管道，所述初始混合段管道上连接设置加速用收缩-扩散管结构，所述加速用收缩-扩散管结构上连接设置排气SCR前端管道，所述初始混合段管道上设有双层不重合叠加式格栅。
一些实施方式中，所述初始混合段管道上设有所述氨喷射器，所述氨喷射器垂直于所述初始混合段管道表面进行安装，所述氨喷射器以与所述氨射流混合器轴线成45°夹角设置，所述加速用收缩-扩散管结构和所述双层不重合叠加式格栅依次分布于所述初始混合段管道的后部。
一些实施方式中，所述氨射流混合器的内壁可设有保温涂层。
本发明还提供一种用于柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器的喷射方法，包括以下具体步骤：
步骤1.所述数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型通过台架实验标定的数据库(Look-up table)，也可以通过仿真计算预测得到预测信息；
步骤2.所述氨喷射控制单元与发动机、所述数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型、排气温度传感器、SCR反应温度传感器以及氨喷射器实现通讯，氨喷射量和喷射策略实时控制；
步骤3.通过步骤2中控制单元进行处理，判断所述氨喷射器是否需要喷射，如所述氨喷射器不需要喷射，则回到步骤1；
步骤4.通过步骤2中控制单元进行处理，判断所述氨喷射器需要喷射，计算所述氨喷射器的喷射频率、喷射脉宽、喷射压力以及还原剂氨喷射量；
步骤5.所述氨喷射器执行所述实现多次喷射，多个氨喷射器以实现顺风喷射、逆风喷射或横风喷射等多种喷射方式进行喷射。
一些实施方式中，在步骤4中，所述氨喷射器的喷射频率、喷射压力以及还原剂氨喷射量根据还原剂氨喷射形式、排气温度、发动机运行状态以及数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型测量的NOx和未燃NH3排放实时自适应调节。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明在排气管道中加装氨射流混合器以提升喷射还原剂氨与排气的混合效果，提高SCR催化剂对排气中NOx的催化还原效率，解决氨-柴双燃料发动机NOx排放和未燃氨逃逸的问题；
2、本发明设置多个氨喷射器以达到更均匀的混合效果、更全面的反应结果，设置多种还原剂氨喷射形式和不同喷射策略以根据发动机不同工况采取最佳喷射方法，以达到最优的自适应处理效果；
3、本发明氨射流混合器可采用尾部式混合器或组合式混合器，温度保持性能，氨分布均匀性好，具有处理效率高，可行性强，经济性好的优势。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器的结构示意图；
图2为本发明氨射流混合器可使用的尾部式混合器的结构示意图；
图3为本发明氨射流混合器可使用的组合式混合器的结构示意图；
图4为本发明柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器的流程示意图；
附图标记：
Figure BDA0003660156900000041
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示为柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器的结构示意图，包括氨-柴双燃料发动机1、数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型2以及氨喷射控制单元8。氨-柴双燃料发动机1上连接设置排气管道，数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型2连接设置在排气管道上，排气管道内设有排气温度传感器3，排气管道上安装用于提升喷射还原剂氨和排气的混合效果的氨射流混合器4，氨射流混合器4上设有氨喷射器5，氨射流混合器4尾部连接设置SCR载体管道6，SCR载体管道6上设有SCR反应温度传感器7。
氨-柴双燃料发动机1、数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型2、排气温度传感器3、氨射流混合器4、氨喷射器5、SCR载体管道6、SCR反应温度传感器7分别与氨喷射控制单元8信号连接设置。
氨喷射器5设有一个或多个，氨射流混合器4通过一个或多个氨喷射器5进行排气DeNOx，多个氨喷射器5可分别使用液氨、氨水、氨气作为还原剂；氨喷射器5使用液氨喷射器进行液氨喷射，氨喷射器5使用氨水喷射器进行氨水喷射，氨喷射器5使用氨气喷射器进行氨气喷射；多个氨喷射器5可分别采用不同的与氨射流混合器4轴线夹角进行安装。氨射流混合器4的内壁可设有保温涂层。
氨喷射器5的液氨/氨水/氨气喷射量根据氨-柴双燃料发动机1NOx和未燃氨排放由下式计算：液氨需求量＝(NOx的摩尔数-未燃氨的摩尔数)×氨的摩尔质量；氨水需求量＝(NOx的摩尔数-未燃氨的摩尔数)×氨的摩尔质量÷氨水质量分数；氨气需求量＝(NOx的摩尔数-未燃氨的摩尔数)×氨的摩尔质量。
如图2所示为氨射流混合器4可使用的尾部式混合器的结构示意图，氨射流混合器4采用尾部式混合器，尾部式混合器包括排气进口管道9、排气扩散过渡段管道10、初始混合段管道11以及排气SCR前端管道13，排气进口管道9与排气扩散过渡段管道10连接设置，排气扩散过渡段管道10另一侧连接设置初始混合段管道11，初始混合段管道11上连接设置排气SCR前端管道13，初始混合段管道11上设有双层不重合叠加式格栅12。
初始混合段管道11上设有氨喷射器5，且氨喷射器5垂直于初始混合段管道11表面进行安装，且氨喷射器5以与氨射流混合器4轴线成45°夹角设置，双层不重合叠加式格栅12安装在初始混合段管道11的后部。
如图4所示为柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器4的流程示意图，用于柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器4的喷射方法，包括以下具体步骤：
步骤1.数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型2通过台架实验标定的数据库(Look-up table)，也可以通过仿真计算预测得到预测信息22；
步骤2.氨喷射控制单元8与发动机、数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型2、排气温度传感器3、SCR反应温度传感器7以及氨喷射器5实现通讯，氨喷射量和喷射策略实时控制；
步骤3.通过步骤2中控制单元进行处理，判断氨喷射器5是否需要喷射，如氨喷射器5不需要喷射，则回到步骤1；
步骤4.通过步骤2中控制单元进行处理，判断氨喷射器5需要喷射，计算氨喷射器5的喷射频率、喷射脉宽、喷射压力以及还原剂氨喷射量，氨喷射器5的喷射频率、喷射压力以及还原剂氨喷射量根据还原剂氨喷射形式、排气温度、发动机运行状态以及数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型2测量的NOx和未燃NH3排放实时自适应调节；
步骤5.氨喷射器5执行实现多次喷射，多个氨喷射器5以实现顺风喷射、逆风喷射或横风喷射等多种喷射方式进行喷射。
实施例2
本实施例与实施例1的区别为氨射流混合器4采用组合式混合器，具体地：
如图3所示为氨射流混合器4可使用的组合式混合器的结构示意图，氨射流混合器4可采用组合式混合器，组合式混合器包括排气进口管道9和排气扩散过渡段管道10。排气进口管道9与排气扩散过渡段管道10连接设置，排气扩散过渡段管道10上连接初始混合段管道11，初始混合段管道11上连接设置加速用收缩18-扩散管结构，加速用收缩18-扩散管结构上连接设置排气SCR前端管道13，初始混合段管道11上设有双层不重合叠加式格栅12。
初始混合段管道11上设有氨喷射器5，氨喷射器5垂直于初始混合段管道11表面进行安装，氨喷射器5以与氨射流混合器4轴线成45°夹角设置，加速用收缩18-扩散管结构和双层不重合叠加式格栅12依次分布于初始混合段管道11的后部。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器，其特征在于：包括氨-柴双燃料发动机(1)、数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型(2)以及氨喷射控制单元(8)；
所述氨-柴双燃料发动机(1)上连接设置排气管道，所述数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型(2)连接设置在所述排气管道上，所述排气管道内设有排气温度传感器(3)，所述排气管道上安装用于提升喷射还原剂氨和排气的混合效果的氨射流混合器(4)，所述氨射流混合器(4)上设有氨喷射器(5)，所述氨射流混合器(4)尾部连接设置SCR载体管道(6)，所述SCR载体管道(6)上设有SCR反应温度传感器(7)；
所述氨-柴双燃料发动机(1)、所述数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型(2)、所述排气温度传感器(3)、所述氨射流混合器(4)、所述氨喷射器(5)、所述SCR载体管道(6)、所述SCR反应温度传感器(7)分别与所述氨喷射控制单元(8)信号连接设置。
2.根据权利要求1所述的柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器，其特征在于，所述氨喷射器(5)设有一个或多个，所述氨射流混合器(4)通过一个或多个所述氨喷射器(5)进行排气DeNOx，多个所述氨喷射器(5)可分别使用液氨、氨水、氨气作为还原剂；所述氨喷射器(5)使用液氨喷射器(5)进行液氨喷射，所述氨喷射器(5)使用氨水喷射器进行氨水喷射，所述氨喷射器(5)使用氨气喷射器进行氨气喷射；多个所述氨喷射器(5)可分别采用不同的与所述氨射流混合器(4)轴线夹角进行安装。
3.根据权利要求2所述的柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器，其特征在于，所述氨喷射器(5)的液氨/氨水/氨气喷射量根据氨-柴双燃料发动机(1)NOx和未燃氨排放由下式计算：液氨需求量＝(NOx的摩尔数-未燃氨的摩尔数)×氨的摩尔质量；氨水需求量＝(NOx的摩尔数-未燃氨的摩尔数)×氨的摩尔质量÷氨水质量分数；氨气需求量＝(NOx的摩尔数-未燃氨的摩尔数)×氨的摩尔质量。
4.根据权利要求2所述的柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器，其特征在于，所述氨射流混合器(4)采用尾部式混合器，所述尾部式混合器包括排气进口管道(9)、排气扩散过渡段管道(10)、初始混合段管道(11)以及排气SCR前端管道(13)，所述排气进口管道(9)与所述排气扩散过渡段管道(10)连接设置，所述排气扩散过渡段管道(10)连接设置所述初始混合段管道(11)，所述初始混合段管道(11)上连接设置所述排气SCR前端管道(13)，所述初始混合段管道(11)上设有双层不重合叠加式格栅(12)。
5.根据权利要求4所述的柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器，其特征在于，所述初始混合段管道(11)上设有所述氨喷射器(5)，且所述氨喷射器(5)垂直于所述初始混合段管道(11)表面进行安装，且所述氨喷射器(5)以与所述氨射流混合器(4)轴线成45°夹角设置，双层不重合叠加式格栅(12)安装在所述初始混合段管道(11)的后部。
6.根据权利要求2所述的柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器，其特征在于，所述氨射流混合器(4)可采用组合式混合器，所述组合式混合器包括排气进口管道(9)和排气扩散过渡段管道(10)；
所述排气进口管道(9)与所述排气扩散过渡段管道(10)连接设置，所述排气扩散过渡段管道(10)上连接初始混合段管道(11)，所述初始混合段管道(11)上连接设置加速用收缩(18)-扩散管结构，所述加速用收缩(18)-扩散管结构上连接设置排气SCR前端管道(13)，所述初始混合段管道(11)上设有双层不重合叠加式格栅(12)。
7.根据权利要求6所述的柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器，其特征在于，所述初始混合段管道(11)上设有所述氨喷射器(5)，所述氨喷射器(5)垂直于所述初始混合段管道(11)表面进行安装，所述氨喷射器(5)以与所述氨射流混合器(4)轴线成45°夹角设置，所述加速用收缩(18)-扩散管结构和所述双层不重合叠加式格栅(12)依次分布于所述初始混合段管道(11)的后部。
8.根据权利要求2所述的柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器，其特征在于，所述氨射流混合器(4)的内壁可设有保温涂层。
9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的用于柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器的喷射方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1.所述数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型(2)通过台架实验标定的数据库(Look-up table)，也可以通过仿真计算预测得到预测信息(22)；
步骤2.所述氨喷射控制单元(8)与发动机、所述数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型(2)、排气温度传感器(3)、SCR反应温度传感器(7)以及氨喷射器(5)实现通讯，氨喷射量和喷射策略实时控制；
步骤3.通过步骤2中控制单元进行处理，判断所述氨喷射器(5)是否需要喷射，如所述氨喷射器(5)不需要喷射，则回到步骤1；
步骤4.通过步骤2中控制单元进行处理，判断所述氨喷射器(5)需要喷射，计算所述氨喷射器(5)的喷射频率、喷射脉宽、喷射压力以及还原剂氨喷射量；
步骤5.所述氨喷射器(5)执行所述实现多次喷射，多个氨喷射器(5)以实现顺风喷射、逆风喷射或横风喷射等多种喷射方式进行喷射。
10.根据权利要求9所述的用于柴油-氨双燃料发动机DeNOx用氨射流混合器的喷射方法，其特征在于，在步骤4中，所述氨喷射器(5)的喷射频率、喷射压力以及还原剂氨喷射量根据还原剂氨喷射形式、排气温度、发动机运行状态以及数据驱动或机理驱动的NOx和NH3预测模型(2)测量的NOx和未燃NH3排放实时自适应调节。
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