CN117449947A - 发动机排气能量回收和后处理净化系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机排气能量回收和后处理净化系统及控制方法。它包括发动机、增压器、电加热器、蒸发器、涡轮、再热器、冷凝器、水泵、储液罐、后处理器，所述发动机排气处理路径处的蒸发器前端连接前排气管和电加热器、增压器，用于接收从发动机输送的排气并在低温状态时对排气进行加热，后端连接后排气管，用于将排气排出，所述后排气管连接后处理器；所述蒸发器依次连接涡轮、冷凝器、储液罐、水泵和再热器；所述前排气管上设有第一温度传感器，所述后排气管上设有第二温度传感器。本发明改善低温状态下后处理的净化功能和减少高温状态下能量的浪费并在此基础上提高热量转化效率。

Description

发动机排气能量回收和后处理净化系统及控制方法
技术领域
本发明属于发动机尾气能量回收及净化技术领域，具体涉及一种发动机排气能量回收和后处理净化系统及控制方法。
背景技术
再热循环是把汽轮机高压缸已经做了部分功的蒸汽再引入锅炉的再热器，重新加热，使蒸汽温度又提高到初温度，然后再引回汽轮机中、低压缸内继续做功，最后的乏汽排入凝汽器的一种循环，在朗肯循环的基础上提高循环热效率。废热回收是利用热能来实现有用的功能。在许多情况下废热回收避免或减少了对额外燃料能量输入的需要。大型柴油发动机的BTE效率峰值在40％-50％之间，即超过50-60％的燃料能量主要以热的形式被浪费。热废气和冷却回路在这种浪费的热能中所占份额最大，分别约占总燃料能量输入的35％和10％。这些废热可通过再热循环进行部分回收，将废气和发动机冷却液流中的热能转换为可用的机械能或电能。柴油内燃机废气成分主要有NOX和PM，对应的传统尾气处理装置为DOC+DPF+混合器-SCR+ASC装置。
现有技术存在以下缺陷：现有技术设计利用朗肯循环进行废热回收的方法循环热效率较低，再热循环可提高循环热效率，但未与后处理整合。由于成本较高，商业化应用具有不确定性。传统尾气处理装置的问题是在排气温度较低时转其换效率较低。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种发动机排气能量回收和后处理净化系统及控制方法。
本发明采用的技术方案是：一种发动机排气能量回收和后处理净化系统，包括发动机、增压器、电加热器、蒸发器、涡轮、再热器、冷凝器、水泵、储液罐、后处理器，所述发动机排气处理路径处的蒸发器前端连接前排气管和电加热器、增压器，用于接收从发动机输送的排气并在低温状态时对排气进行加热，后端连接后排气管，用于将排气排出，所述后排气管连接后处理器；所述蒸发器依次连接涡轮、冷凝器、储液罐、水泵和再热器；所述前排气管上设有第一温度传感器，所述后排气管上设有第二温度传感器，所述前排气管与后排气管之间设有旁通管，所述旁通管前端设有第一节流阀，所述蒸发器前端设有第二节流阀；
还包括ECU，用于根据当第一温度传感器温度低于200℃时，开启电加热器，关闭第二节流阀，打开第一节流阀，排气绕过蒸发器直接经过旁通管到后处理器处理排气污染物；当第一温度传感器温度高于200℃，且低于300℃时，关闭电加热器，关闭第二节流阀，打开第一节流阀，排气绕过蒸发器经过旁通管直接经过后处理器处理排气污染物；当第一温度传感器温度高于300℃时，关闭电加热器，关闭第一节流阀，打开第二节流阀，排气流经回热装置利用再热循环进行余热回收后再经过后处理器处理排气污染物。
所述后处理器包括DOC、DPF、混合器、第一SCR载体模块、第二SCR载体模块、第三温度传感器、第四温度传感器，DOC用于氧化HC、CO等排气产物并提升排温，DPF用于过滤颗粒物，SCR载体模块用于催化还原氮氧化物，混合器位于SCR载体模块上方，混合器用于混合排气和尿素，达成均匀性要求，提升SCR转化效率。
所述第三温度传感器设于第一SCR载体模块前端。
所述第四温度传感器设于第二SCR载体模块后端。
所述再热器通过输气管连接EGR。
所述蒸发器设有液体输送接头和液体接收接头依次连接涡轮，冷凝器，水泵，储液罐和再热器。
所述液体输送接头通过第一输水管、第二回水管连接冷凝器，所述液体输送接头通过第一回水管连接再热器。
所述储液罐与水泵之间通过第二输水管连接，所述水泵与液体接收接头之间通过第三输水管连接。
所述涡轮输出端通过第一电路、第二电路与电池连接至电加热器。
一种发动机排气能量回收和后处理净化系统的控制方法，包括以下步骤：根据当第一温度传感器温度低于200℃时，开启电加热器，关闭第二节流阀，打开第一节流阀，排气绕过蒸发器直接经过旁通管到后处理器处理排气污染物；当第一温度传感器温度高于200℃，且低于300℃时，关闭电加热器，关闭第二节流阀，打开第一节流阀，排气绕过蒸发器经过旁通管直接经过后处理器处理排气污染物；当第一温度传感器温度高于300℃时，关闭电加热器，关闭第一节流阀，打开第二节流阀，排气流经回热装置利用再热循环进行余热回收后再经过后处理器处理排气污染物；
水泵对储液罐中的水加压输送到蒸发器，发动机排气通过前排气管到达蒸发器，废气在蒸发器中对水进行定压加热成水蒸汽，蒸发器中的水蒸汽通过液体输送接头进入涡轮进行膨胀作功，水蒸汽在涡轮内将热量转化为电能，并通过电池储存电能供低温时电加热器使用；当水蒸气在涡轮内膨胀到某一中间压力后撤出涡轮，导入再热器内利用EGR的废热对蒸汽进行二次加热，然后再进入涡轮内作功；能量转化后的水蒸汽进入冷凝器，水蒸汽等压放热为饱和水，再通过泠凝器回到储液罐，完成一个再热循环。
发动机排气温度较低时使用EHC(电加热器)加热从发动机排出的气体，提高后处理系统转化效率。发动机排气温度较高和EGR能量较高时部分能量散失，这些废热可通过再热循环进行部分回收，将废气和发动机冷却液中的热能转换为可用的电能，再热器用于提高热循环效率。电能储存在电池内，供低温时EHC(电加热器)使用。
本发明改善低温状态下后处理的净化功能和减少高温状态下能量的浪费并在此基础上提高热量转化效率，本发明可应用于柴油发动机，包括但不限于柴油发动机、氨燃料发动机等其他燃料的双燃料或多种燃料发动机。
本发明余热回收装置回收发动机废气能量和EGR能量，并通过再热循环将蒸汽导入再热器提高蒸汽的温度、干度和压力来提高循环热效率，从而提高废热回收效率，并可减轻水泵和冷凝器的负荷。
本发明集成余热回收装置和后处理系统，通过EHC(电加热器)加热发动机排气，充分利用排气能量和尾气净化，改善后处理转换效率，整体系统高效而紧凑。
本发明再热循环利用排气能量进行回收发电，并将电能存储在电池内供低温时EHC使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明控制方法示意图。
图中，1-发动机、2-前排气管、3-增压器、4-电加热器、5-蒸发器、6-旁通管、7-液体接收接头、8-液体输送接头、9-后排气管、10-后处理器、11-DOC、12-DPF、13-混合器、14-第一SCR载体模块、15-第二SCR载体模块、16-涡轮、17-冷凝器、18-储液罐、19-水泵、20-电池、21-第一输水管、22-第一回水管、23-第二回水管、24-第二输水管、25-第三输水管、26-第一电路、27-第二电路、28-输气管、29-再热器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
参见图1，一种集成式发动机排气能量回收和后处理净化系统，包括发动机1，前排气管2，增压器3，EHC(电加热器)4，蒸发器5，旁通管6，液体接收接头7，液体输送接头8。第一温度传感器T1、第二温度传感器T2、第三温度传感器T3、第四温度传感器T4，后排气管9，后处理器10，后处理器10包含有DOC 11、DPF 12、第一SCR载体模块14、第二SCR载体模块15，混合器13。第一节流阀P1、第二节流阀P2，涡轮16，冷凝器17，储液罐18，泵19，电池20，第一回水管22、第二回水管23，第一输水管21、第二输水管24、第三输水管25，第一电路26、第二电路27，输气管28，再热器29。
发动机1排气处理路径处的蒸发器5前端连接前排气管2和电加热器4、增压器3，用于接收从发动机1输送的排气并在低温状态时对排气进行加热，后端连接后排气管9，用于将排气排出，后排气管9连接后处理器10；蒸发器5依次连接涡轮16、冷凝器17、储液罐18、水泵19和再热器29；前排气管2上设有第一温度传感器T1，后排气管9上设有第二温度传感器T2，前排气管2与后排气管9之间设有旁通管6，旁通管6前端设有第一节流阀P1，蒸发器5前端设有第二节流阀P2。
后处理器10包括DOC11、DPF12、混合器13、第一SCR载体模块14、第二SCR载体模块15、第三温度传感器T3、第四温度传感器T4。
第三温度传感器T3设于第一SCR载体模块14前端。
第四温度传感器T4设于第二SCR载体模块15后端。
再热器29通过输气管28连接EGR。
蒸发器5设有液体输送接头8和液体接收接头7依次连接涡轮16，冷凝器17，水泵19，储液罐18和再热器29。
液体输送接头8通过第一输水管21、第二回水管23连接冷凝器17，液体输送接头8通过第一回水管22连接再热器29。
储液罐18与水泵19之间通过第二输水管24连接，水泵19与液体接收接头7之间通过第三输水管25连接。
涡轮16输出端通过第一电路26、第二电路27与电池20连接至电加热器4。
本发明具体工作过程如下：
参见图1和图2，当发动机1燃烧产生废气，废气携带热量经过前排气管2，第一温度传感器T1温度低于200℃时，开启EHC(电加热器)4，辅助快速提升排气温度，提高后处理转化效率，关闭第二节流阀P2，打开第一节流阀P1，排气绕过蒸发器5直接经过旁通管6到后处理器10处理排气污染物；当第一温度传感器T1温度高于200℃，且低于300℃时，关闭EHC(电加热器)4，关闭第二节流阀P2，打开第一节流阀P1，排气绕过蒸发器5经过旁通管6直接经过后处理器10处理排气污染物；当第一温度传感器T1温度高于300℃时，已远高于后处理加热需求温度，会产生大量废热，关闭EHC(电加热器)4，关闭第一节流阀P1，打开第二节流阀P2，排气流经回热装置利用再热循环进行余热回收后再经过后处理器10处理排气污染物。
水泵19对储液罐18中的水加压输送到蒸发器5，发动机排气通过前排气管2到达蒸发器5，废气在蒸发器5中对水进行定压加热成水蒸汽，蒸发器5中的水蒸汽通过液体输送接头8进入涡轮16进行膨胀作功，水蒸汽在涡轮16内将热量转化为电能，并通过电池20储存电能供低温时EHC(电加热器)4使用；当水蒸气在涡轮16内膨胀到某一中间压力后撤出涡轮，导入再热器29内利用EGR的废热对蒸汽进行二次加热(可提高蒸汽的干度和压力)，然后再进入涡轮16内作功；利用提高蒸汽压力和温度的原理提高整个循环的热效率，从而提高废热回收效率；能量转化后的水蒸汽进入冷凝器17，冷凝器17内的压力通常很低，水蒸汽等压放热为饱和水，再通过泠凝器回到储液罐18，完成一个再热循环；再热循环后每千克蒸汽所作的功增加，耗汽率可降低，可减轻水泵19和冷凝器17的负荷。
余热回收后的废气通过排气管9进入后处理器10时，排气中未完全燃烧的HC，CO等会被DOC11氧化，部分NO会被氧化为NO2。第二温度传感器T2用于监控DOC前的温度。随后排气进入DPF12，颗粒物被过滤。排气与NH3在混合器13内进行均匀混合，第一SCR载体模块14、第二SCR载体模块15利用NH3作为还原剂对氮氧化物进行催化还原。第三温度传感器T3与第四温度传感器T4协同判断第一SCR载体模块14、第二SCR载体模块15的反应温度情况。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种发动机排气能量回收和后处理净化系统，包括发动机(1)，还包括增压器(3)、电加热器(4)、蒸发器(5)、涡轮(16)、再热器(29)、冷凝器(17)、水泵(19)、储液罐(18)、后处理器(10)，所述发动机(1)排气处理路径处的蒸发器(5)前端连接前排气管(2)和电加热器(4)、增压器(3)，用于接收从发动机(1)输送的排气并在低温状态时对排气进行加热，后端连接后排气管(9)，用于将排气排出，所述后排气管(9)连接后处理器(10)；所述蒸发器(5)依次连接涡轮(16)、冷凝器(17)、储液罐(18)、水泵(19)和再热器(29)；所述前排气管(2)上设有第一温度传感器(T1)，所述后排气管(9)上设有第二温度传感器(T2)，所述前排气管(2)与后排气管(9)之间设有旁通管(6)，所述旁通管(6)前端设有第一节流阀(P1)，所述蒸发器(5)前端设有第二节流阀(P2)；
还包括ECU，用于根据当第一温度传感器(T1)温度低于200℃时，开启电加热器(4)，关闭第二节流阀(P2)，打开第一节流阀(P1)，排气绕过蒸发器(5)直接经过旁通管(6)到后处理器(10)处理排气污染物；当第一温度传感器(T1)温度高于200℃，且低于300℃时，关闭电加热器(4)，关闭第二节流阀(P2)，打开第一节流阀(P1)，排气绕过蒸发器(5)经过旁通管(6)直接经过后处理器(10)处理排气污染物；当第一温度传感器(T1)温度高于300℃时，关闭电加热器(4)，关闭第一节流阀(P1)，打开第二节流阀(P2)，排气流经回热装置利用再热循环进行余热回收后再经过后处理器(10)处理排气污染物。
2.根据权利要求1所述的发动机排气能量回收和后处理净化系统，其特征在于：所述后处理器(10)包括DOC(11)、DPF(12)、混合器(13)、第一SCR载体模块(14)、第二SCR载体模块(15)、第三温度传感器(T3)、第四温度传感器(T4)。
3.根据权利要求2所述的发动机排气能量回收和后处理净化系统，其特征在于：所述第三温度传感器(T3)设于第一SCR载体模块(14)前端。
4.根据权利要求2所述的发动机排气能量回收和后处理净化系统，其特征在于：所述第四温度传感器(T4)设于第二SCR载体模块(15)后端。
5.根据权利要求1所述的发动机排气能量回收和后处理净化系统，其特征在于：所述再热器(29)通过输气管(28)连接EGR。
6.根据权利要求1所述的发动机排气能量回收和后处理净化系统，其特征在于：所述蒸发器(5)设有液体输送接头(8)和液体接收接头(7)依次连接涡轮(16)，冷凝器(17)，水泵(19)，储液罐(18)和再热器(29)。
7.根据权利要求6所述的发动机排气能量回收和后处理净化系统，其特征在于：所述液体输送接头(8)通过第一输水管(21)、第二回水管(23)连接冷凝器(17)，所述液体输送接头(8)通过第一回水管(22)连接再热器(29)。
8.根据权利要求6所述的发动机排气能量回收和后处理净化系统，其特征在于：所述储液罐(18)与水泵(19)之间通过第二输水管(24)连接，所述水泵(19)与液体接收接头(7)之间通过第三输水管(25)连接。
9.根据权利要求1所述的发动机排气能量回收和后处理净化系统，其特征在于：所述涡轮(16)输出端通过第一电路(26)、第二电路(27)与电池(20)连接至电加热器(4)。
10.根据权利要求1所述的一种发动机排气能量回收和后处理净化系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：根据当第一温度传感器(T1)温度低于200℃时，开启电加热器(4)，关闭第二节流阀(P2)，打开第一节流阀(P1)，排气绕过蒸发器(5)直接经过旁通管(6)到后处理器(10)处理排气污染物；当第一温度传感器(T1)温度高于200℃，且低于300℃时，关闭电加热器(4)，关闭第二节流阀(P2)，打开第一节流阀(P1)，排气绕过蒸发器(5)经过旁通管(6)直接经过后处理器(10)处理排气污染物；当第一温度传感器(T1)温度高于300℃时，关闭电加热器(4)，关闭第一节流阀(P1)，打开第二节流阀(P2)，排气流经回热装置利用再热循环进行余热回收后再经过后处理器(10)处理排气污染物；
水泵(19)对储液罐(18)中的水加压输送到蒸发器(5)，发动机排气通过前排气管(2)到达蒸发器(5)，废气在蒸发器(5)中对水进行定压加热成水蒸汽，蒸发器(5)中的水蒸汽通过液体输送接头(8)进入涡轮(16)进行膨胀作功，水蒸汽在涡轮(16)内将热量转化为电能，并通过电池(20)储存电能供低温时电加热器(4)使用；当水蒸气在涡轮(16)内膨胀到某一中间压力后撤出涡轮(16)，导入再热器(29)内利用EGR的废热对蒸汽进行二次加热，然后再进入涡轮(16)内作功；能量转化后的水蒸汽进入冷凝器(17)，水蒸汽等压放热为饱和水，再通过泠凝器(17)回到储液罐(18)，完成一个再热循环。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117685082A (zh) * 2024-01-29 2024-03-12 潍柴动力股份有限公司 一种用于维持高scr转化效率的方法及系统

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