CN117345379A - 一种氨在线制氢存储用于dpf再生的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，该系统包括氨气燃料罐、氨裂解器及其传感器单元；排气通道上沿气流排出方向依次连接有PAA、DPF和SCR和ASC装置，氨存储罐设有两个排气口分别连接至电加热器和SCR的前端管路，氨气燃料罐设有两个出气口分别连接至氨裂解器和进气通道；氨裂解器的排气口连接至储氢装置，储氢装置设有两个出气口分别连接至进气通道和DPF装置；传感器单元包括设置在排气通道上且与ECU相联的温度传感器、压力传感器、氮氧化物传感器和氨气传感器。该系统采用氢气作为燃料，取消了传统再生系统需要额外配备的大功率设备，并可以实现氨‑柴双燃料发动机的颗粒物等有害污染物近零排放。
Description
技术领域
本发明专利涉及汽车行业技术领域，尤其是涉及一种基于氨-柴双燃料动力系统(如内燃机)的污染物排放处理系统。
背景技术
相比于电池技术，内燃机结构紧凑、热效率高、运行维护方便，因此被广泛应用在多种场景中。而传统燃料的内燃机会产生大量的碳排放，亟待开发新型零碳或碳中性燃料的内燃动力系统。
氨气作为一种碳中性燃料，可以从化石燃料、生物质或其他可再生资源中获取。与氢气相比，氨气安全可靠，体积能量密度较高，单位储能成本较低。然而，氨气活性低、燃烧缓慢，可燃极限窄，着火能量高，并且伴随着高氮氧化物及未燃氨排放。采用高活性燃料引燃氨是一种备受关注的有效燃烧方式。然而，高活性燃料如柴油往往会在燃烧过程中产生较多的颗粒(PM)和氮氧化物(NOx)，对环境和人体都有很大的危害，因此各国排放法规对于PM和NOx的排放限值越来越严格。对于氨-柴双燃料发动机，除了采用必要的机内措施改善燃烧之外，还必须对发动机废气中的PM和NOx以及未燃NH3等排放物进行后处理净化。
柴油颗粒捕集器DPF(Diesel Particulate Filter)是降低PM排放的主要后处理技术措施。随着发动机工作时间延长，过滤体内堆积的颗粒物会增多，可能导致发动机排气背压上升，进而影响发动机的正常工作。因此，通常需要采用燃烧等方式将颗粒物去除，即再生技术。现有的主要再生方式有加热再生和喷油助燃再生，而两种设备均需要额外配备大功率设备，极大增加了设备成本和使用成本。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种适用于氨-柴双燃料发动机排放后处理的DPF再生系统，利用氨在线分解制氢存储用于DPF再生。该系统采用氢气作为燃料，利用氢气可燃范围广、燃烧温度高、清洁无碳的特点，取消了传统再生系统需要额外配备的大功率设备，解决了现有技术中，再生设备使用成本和设计成本较高的问题。该系统可以实现氨-柴双燃料发动机的颗粒物等有害污染物近零排放。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，该系统包括氨气燃料罐、车载制氢装置及其传感器单元；所述氨气燃料罐设有氨存储罐、电加热器和稳压罐所述车载制氢装置包括氨裂解器；所述发动机设有进气通道和排气通道；所述排气通道上、自与发动机的连接端沿气流排出方向通过管段依次连接有被动氨吸附器、柴油颗粒捕集器和选择性催化还原器和氨逃逸捕集器；所述被动氨吸附器与发动机之间的连接管段为第一管段，所述柴油颗粒捕集器与被动氨吸附器之间的连接管段为第二管段，所述选择性催化还原器与柴油颗粒捕集器之间的连接管段为第三管段，所述氨逃逸捕集器与选择性催化还原器之间的连接管段为第四管段，所述氨逃逸捕集器的排出口通过第五管段连接至大气；所述氨存储罐设有两个排气口，一个排气口连接至所述电加热器，另一个排气口依次通过控制蝶阀A和低压氨气喷嘴连接至所述第三管段；所述氨气燃料罐设有两个出气口，该两个出气口分别连接至所述氨裂解器的进气口和所述进气通道；所述氨裂解器的排气口通过排气管连接至储氢装置，所述储氢装置设有两个出气口，一个出气口连接至所述进气通道，所述进气通道与外部空气相连；另一个出气口依次通过控制蝶阀B和低压氢气喷嘴连接至所述柴油颗粒捕集器；所述传感器单元包括的传感器是：设置所述第一管段上的排气温度传感器，分别设置在所述第二管段和第三管段上的排气压力传感器，分别设置在所述第三管段和第五管段上的氮氧化物传感器和氨气传感器；所述被动氨吸附器、柴油颗粒捕集器、选择性催化还原器、氨逃逸捕集器、控制蝶阀A、控制蝶阀B、所述电加热器、车载制氢装置和所述传感器单元中的所有传感器均与发动机的ECU相联。
进一步讲，本发明所述的氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，其中：
所述氨气燃料罐设置的两个出气口分别为第一出气口和第二出气口，所述第一出气口连接进气道气轨，用于提供燃料用氨气；所述第二出气口连接所述氨裂解器，所述氨裂解器将部分氨气催化裂解产生氢气。
所述被动氨吸附器中设有PAA载体及涂层，所述被动氨吸附器采用离子交换工艺，在发动机低温/冷启动阶段将NH3吸附并存储，在发动机正常排气温度阶段使NH3逐渐脱附。
所述柴油颗粒捕集器包括壳体，所述壳体内设有DPF滤芯，所述DPF滤芯在位于壳体前端一侧为敞口式，在除了敞口端之外的位置均布置有滤芯工作面；在所述柴油颗粒捕集器的侧壁上设有贯穿壳体和滤芯工作面的火花塞；所述低压氢气喷嘴布置所述壳体上位于敞口端一侧的侧壁上，所述低压氢气喷嘴贯穿于所示壳体和滤芯工作面；所述壳体的前后两端均分别设有法兰，用于将该柴油颗粒捕集器安装于所述被动氨吸附器与所述选择性催化还原器之间的排气管道中。
所述选择性催化还原器中设有SCR载体及涂层；
所述氨逃逸捕集器中设有ASC载体及涂层，涂层为贵金属涂层，具有分子级的孔径，对NH3进行吸附，并催化氧化分解为N2和H2O。
同时，本发明中还提出利用上述氨在线制氢存储用于DPF再生的系统实现DPF再生的方法；主要是：发动机运行时，发动机的排气通过所述车载制氢装置，其中部分排气余热供给氨裂解器，所述氨裂解器中产生的H2导入所述储氢装置中存储，同时发动机的ECU根据排气压力传感器信号判断DPF是否需要再生，若需要再生，则开启控制蝶阀B，并控制低压氢气喷嘴将H2喷入所述柴油颗粒捕集器中实现再生；发动机运行时，发动机的ECU根据氮氧化物传感器及氨气传感器所采集的NOx及NH3浓度信号，控制所述氨存储罐向柴油颗粒捕集器与选择性催化还原器之间的第三管段注入氨气，与尾气混合，随后在所述选择性催化还原器中实现还原，反应方程式：4NH3+4N2O+O2→6N2+6H2O；4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O；8NH3+6NO2→7N2+12H2O。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中的氨存储罐可以直接在ECU的控制下，直接向SCR前方排气管内注入氨气，与尾气充分混合，在后续的SCR装置中催化还原，不需要额外配备尿素罐以及尿素喷嘴，极大优化了后处理系统的结构。
本发明中的DPF再生系统省去了喷油器组件，仅安装点火器组件，利用小型重整器在线重整制氢并存储，在通过简易气阀喷入燃烧器内。
本发明采用氢气作为再生能量源，利用氢气可燃范围广，燃烧温度高的特点，取消了传统再生系统需要额外配备的大功率增压设备。
传统的DPF再生系统采用柴油作为再生能量源，再生过程中可能会产生一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)等排放，而后续SCR等装置无法处理，采用氢气作为再生能量源，其燃烧温度高，响应更快，并且其可能产生的NOx等排放物，在后续SCR装置中可以直接处理。
附图说明
图1是本发明氨在线制氢存储用于DPF再生的系统示意图；
图2是本发明本发明系统中排气通道及后处理系统示意图；
图3是本发明中柴油颗粒捕集器的结构示意图。
图中：
A-第一控制蝶阀 B-第二控制蝶阀 1-第一管段
2-第五管段 3-排气温度传感器 4-被动氨吸附器
5-第一排气压力传感器 6-低压氢气喷嘴 7-柴油颗粒捕集器
8-第二排气压力传感器 9-低压氨气喷嘴 10-选择性催化还原器
11-第四管段 12-第二氮氧化物传感器 13-第二氨气传感器
14-第一管段 15-PAA载体及涂层 16-火花塞
17-DPF滤网 18-第一氮氧化物传感器19-第一氨气传感器
20-第三管段 21-SCR载体及涂层 22-ASC载体及涂层
23-氨逃逸捕集器 24-外壳 25-DPF滤芯
26-后端法兰 27-火花塞 28-前端法兰
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
本发明提出的一种氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，如图1和图2所示，该系统包括氨气燃料罐、车载制氢装置及其传感器单元；所述氨气燃料罐设有氨存储罐、电加热器和稳压罐所述车载制氢装置包括氨裂解器；所述发动机设有进气通道和排气通道。
所述排气通道上、自与发动机的连接端沿气流排出方向通过管段依次连接有被动氨吸附器(PAA)4、柴油颗粒捕集器(DPF)7和选择性催化还原器(SCR)10和氨逃逸捕集器(ASC)23；所述被动氨吸附器4与发动机之间的连接管段为第一管段14，所述柴油颗粒捕集器7与被动氨吸附器4之间的连接管段为第二管段1，所述选择性催化还原器10与柴油颗粒捕集器7之间的连接管段为第三管段20，所述氨逃逸捕集器23与选择性催化还原器10之间的连接管段为第四管段11，所述氨逃逸捕集器23的排出口通过第五管段连接至大气。
所述氨存储罐设有两个排气口，一个排气口连接至所述电加热器，另一个排气口依次通过控制蝶阀A和低压氨气喷嘴9连接至所述第三管段20。
所述氨气燃料罐设有两个出气口，该两个出气口分别连接至所述氨裂解器的进气口和所述进气通道，具体讲，所述氨气燃料罐设置的两个出气口分别为第一出气口和第二出气口，所述第一出气口连接进气道气轨，用于为车载制氢装置提供燃料用氨气；所述第二出气口连接所述氨裂解器，所述氨裂解器中的催化剂可以是CN108160072A专利文献中提供的氧化镁载钌催化剂，所述氨裂解器将部分氨气催化裂解产生氢气。所述氨裂解器的排气口通过排气管连接至储氢装置，
所述储氢装置设有两个出气口，一个出气口连接至所述进气通道，发动机冷启动时，在ECU的控制下，根据排气管上的排气温度传感器，控制储氢装置可以将多余的氢气进入进气通道与氨气混合形成氨氢混合气，以进入燃烧室改善发动机燃烧；所述进气通道与外部空气相连；另一个出气口依次通过控制蝶阀B和低压氢气喷嘴6连接至所述柴油颗粒捕集器7，可以将氢气导入所述柴油颗粒捕集器7中以实现DPF再生。
所述被动氨吸附器4内填充有PAA载体及涂层15，所述被动氨吸附器4采用离子交换工艺，在发动机低温/冷启动阶段(排气温度低于250℃)将NH3吸附并存储，在发动机正常排气温度阶段(排气温度高于250℃)使NH3逐渐脱附。
所述传感器单元包括的传感器是：设置所述第一管段14上的排气温度传感器3，分别设置在所述第二管段1和第三管段20上的排气压力传感器，分别设置在所述第三管段20和第五管段2上的氮氧化物传感器和氨气传感器。
所述被动氨吸附器4、柴油颗粒捕集器7、选择性催化还原器10、氨逃逸捕集器23、控制蝶阀A、控制蝶阀B、所述电加热器、车载制氢装置和所述传感器单元中的所有传感器均与发动机的ECU相联。
本发明中的，所述柴油颗粒捕集器7的结构如图3所示，所述柴油颗粒捕集器7包括壳体24，所述壳体内设有DPF滤芯25，所述DPF滤芯25在位于壳体24前端一侧为敞口式，在除了敞口端之外的位置均布置有滤芯工作面；在所述柴油颗粒捕集器7的侧壁上设有贯穿壳体24和滤芯工作面的火花塞27；所述低压氢气喷嘴6布置所述壳体24上位于敞口端一侧的侧壁上，所述低压氢气喷嘴6贯穿于所示壳体24和滤芯工作面；所述壳体24的前后两端均分别设有法兰，用于将该柴油颗粒捕集器7安装于所述被动氨吸附器4与所述选择性催化还原器10之间的排气管道中。
本发明中，电加热器用于提升发动机氨燃料罐提供的氨气的温度以及给车载制氢装置加热，由ECU控制模块控制其温度以保证NH3在发动机中顺利燃烧，同时提高其在车载制氢装置中的转化率；
所述选择性催化还原器10中设有SCR载体及涂层21。
利用本发明提出的上述氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，可以实现DPF再生。
发动机运行时，发动机的排气通过所述车载制氢装置，其中部分排气余热供给氨裂解器，氨裂解器主要利用排气热量将氨气燃料罐提供的氨气催化裂解转化为为氢气和氮气，产生的H2导入所述储氢装置中存储，反应式为：2NH3→N2+3H2(体系中还存在极少量未裂解氨气)。同时发动机的ECU根据排气压力传感器信号判断DPF是否需要再生，若需要再生，则开启控制蝶阀B，并控制低压氢气喷嘴6将H2喷入所述柴油颗粒捕集器中实现再生；
发动机运行时，发动机的ECU根据氮氧化物传感器及氨气传感器所采集的NOx及NH3浓度信号，控制所述氨存储罐向柴油颗粒捕集器与选择性催化还原器之间的第三管段注入氨气，与尾气混合，随后在所述选择性催化还原器中实现还原，反应方程式：4NH3+4N2O+O2→6N2+6H2O；4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O；8NH3+6NO2→7N2+12H2O。
所述氨逃逸捕集器23中设有ASC载体及涂层22，涂层为贵金属涂层，具有分子级的孔径，能够以分子级的孔径对NH3进行吸附，并且在一定温度的作用下，催化氧化分解为N2和H2O。
本发明实现DPF再生的过程如下：
1)发动机接通电源时，所述ECU控制所述电加热器启动，所述氨存储罐中的氨气通过电加热器加热后进入稳压罐，之后一分为二，一部分进入所示进气通道，一部分进入氨裂解器。
2)在发动机运行过程中，尾气会经过车载制氢装置，使其中一部分余热传递给氨裂解器，进一步促进其催化裂解氨气从而产生氢气，并将氢气导入到氢存储罐中存储，反应式为：2NH3→N2+3H2(体系中还存在极少量未裂解氨气)。
3)所述氨裂解器产生的氢气一部分通过低压氢气喷嘴喷射到进气通道与氨气混合形成氨氢混合气，提供给发动机燃烧，另一部分氢气由控制蝶阀B和低压氢气喷嘴6进入颗粒捕集器中作为再生所需燃料以实现DPF再生。
4)设置在排气通道内位于柴油颗粒捕集器7前端和末端的第一排气压力传感器5和第二排气压力传感器8分别将采集到的压力信号反馈给所述ECU，ECU则根据前后端排气压力之差来确定DPF再生时机，由于DPF载体中过滤的碳载量是造成背压差的主要因素，同时背压差是DPF碳载量的函数，其随着DPF碳载量的升高而升高，因此在不同负荷及转速下提前标定二者相关性函数并将数据库输入到ECU中，当背压差达到某一阈值时，ECU则判断DPF碳载量达到饱和，需要启动再生程序，控制所述低压氢气喷嘴6开启和所述火花塞16跳火，实现DPF再生。需要说明的是：上述阈值是针对不同的发动机款型进行标定的，确定该阈值的方法属于业内公知常识，在此不再赘述。
5)所述第一氮氧化物传感器18和第一氨气传感器19采集经过柴油颗粒捕集器7后的尾气中NOx和NH3浓度，并将信号反馈给ECU，ECU根据二者浓度来调整电加热器加热温度，促进NH3在发动机内的燃烧；
当发动机在冷启动/低排温阶段(排气温度＜250℃)时，尾气通过柴油颗粒捕集器7中的PDF载体12时，大部分的NH3被吸附，此时NOx含量较低，仅需剩余的少量的NH3便可以在选择性催化还原器10中还原；
当发动机排温处于正常阶段(排气温度＞250℃)时，随着排气温度升高所述被动氨吸附器中的PAA载体15将NH3逐渐脱附，此时发动机处于正常工作状态，燃烧变得更加充分，因此尾气中存在大量的NOx，此时，此时低压氨气喷嘴流量由所述ECU控制，即ECU根据所述第一氮氧化物传感器18和第一氨气传感器19所采集到的信号判断尾气中NOx和NH3的浓度，以调整控制蝶阀A的开度和低压氨气喷嘴9的脉宽，以控制进入所述选择性催化还原器10的氨气量，使NOx在选择性催化还原器10中得以还原；进一步，在选择性催化还原器10中未反应的NH3则进入到随后的氨氧化捕集器23中，并在其中被催化氧化为N2和H2O。
综上，本发明为一种适用于氨-柴双燃料发动机排放后处理的DPF再生系统，其省去了喷油器组件，仅安装点火器组件，利用小型重整器在线制氢，并通过简易气阀喷入燃烧器内，不仅解决了现有技术中，再生设备使用成本和设计成本较高的问题，也优化了氨-柴双燃料发动机排放后处理系统，实现了更紧凑的结构和更低的排放。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，其特征在于，该系统包括氨气燃料罐、车载制氢装置及其传感器单元；所述氨气燃料罐设有氨存储罐、电加热器和稳压罐所述车载制氢装置包括氨裂解器；所述发动机设有进气通道和排气通道；
所述排气通道上、自与发动机的连接端沿气流排出方向通过管段依次连接有被动氨吸附器(4)、柴油颗粒捕集器(7)和选择性催化还原器(10)和氨逃逸捕集器(23)；所述被动氨吸附器(4)与发动机之间的连接管段为第一管段(14)，所述柴油颗粒捕集器(7)与被动氨吸附器(4)之间的连接管段为第二管段(1)，所述选择性催化还原器(10)与柴油颗粒捕集器(7)之间的连接管段为第三管段(20)，所述氨逃逸捕集器(23)与选择性催化还原器(10)之间的连接管段为第四管段(11)，所述氨逃逸捕集器(23)的排出口通过第五管段连接至大气；
所述氨存储罐设有两个排气口，一个排气口连接至所述电加热器，另一个排气口依次通过控制蝶阀A和低压氨气喷嘴(9)连接至所述第三管段(20)；
所述氨气燃料罐设有两个出气口，该两个出气口分别连接至所述氨裂解器的进气口和所述进气通道；所述氨裂解器的排气口通过排气管连接至储氢装置，所述储氢装置设有两个出气口，一个出气口连接至所述进气通道，所述进气通道与外部空气相连；另一个出气口依次通过控制蝶阀B和低压氢气喷嘴(6)连接至所述柴油颗粒捕集器(7)；
所述传感器单元包括的传感器是：设置所述第一管段(14)上的排气温度传感器(3)，分别设置在所述第二管段(1)和第三管段(20)上的排气压力传感器，分别设置在所述第三管段(20)和第五管段(2)上的氮氧化物传感器和氨气传感器；
所述被动氨吸附器(4)、柴油颗粒捕集器(7)、选择性催化还原器(10)、氨逃逸捕集器(23)、控制蝶阀A、控制蝶阀B、所述电加热器、车载制氢装置和所述传感器单元中的所有传感器均与发动机的ECU相联。
2.根据权利要求1所述的氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，其特征在于，所述氨气燃料罐设置的两个出气口分别为第一出气口和第二出气口，所述第一出气口连接进气道气轨，用于提供燃料用氨气；所述第二出气口连接所述氨裂解器，所述氨裂解器将部分氨气催化裂解产生氢气。
3.根据权利要求1所述的氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，其特征在于，所述被动氨吸附器(4)中设有PAA载体及涂层(15)，所述被动氨吸附器(4)采用离子交换工艺，在发动机低温/冷启动阶段将NH3吸附并存储，在发动机正常排气温度阶段使NH3逐渐脱附。
4.根据权利要求1所述的氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，其特征在于，所述柴油颗粒捕集器(7)包括壳体(24)，所述壳体内设有DPF滤芯(25)，所述DPF滤芯(25)在位于壳体(24)前端一侧为敞口式，在除了敞口端之外的位置均布置有滤芯工作面；在所述柴油颗粒捕集器(7)的侧壁上设有贯穿壳体(24)和滤芯工作面的火花塞(27)；所述低压氢气喷嘴(6)布置所述壳体(24)上位于敞口端一侧的侧壁上，所述低压氢气喷嘴(6)贯穿于所示壳体(24)和滤芯工作面；所述壳体(24)的前后两端均分别设有法兰，用于将该柴油颗粒捕集器(7)安装于所述被动氨吸附器(4)与所述选择性催化还原器(10)之间的排气管道中。
5.根据权利要求1所述的氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，其特征在于，所述选择性催化还原器(10)中设有SCR载体及涂层(21)。
6.根据权利要求1所述的氨在线制氢存储用于DPF再生的系统，其特征在于，所述氨逃逸捕集器(23)中设有ASC载体及涂层(22)，涂层为贵金属涂层，具有分子级的孔径，对NH3进行吸附，并催化氧化分解为N2和H2O。
7.一种氨在线制氢存储用于DPF再生的方法，其特征在于，利用如权利要求1至6任一所述的氨在线制氢存储用于DPF再生的系统；
发动机运行时，发动机的排气通过所述车载制氢装置，其中部分排气余热供给氨裂解器，所述氨裂解器中产生的H2导入所述储氢装置中存储，同时发动机的ECU根据排气压力传感器信号判断DPF是否需要再生，若需要再生，则开启控制蝶阀B，并控制低压氢气喷嘴(6)将H2喷入所述柴油颗粒捕集器中实现再生；
发动机运行时，发动机的ECU根据氮氧化物传感器及氨气传感器所采集的NOx及NH3浓度信号，控制所述氨存储罐向柴油颗粒捕集器与选择性催化还原器之间的第三管段注入氨气，与尾气混合，随后在所述选择性催化还原器中实现还原，反应方程式：4NH3+4N2O+O2→6N2+6H2O；4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O；8NH3+6NO2→7N2+12H2O。
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