CN109973177A

CN109973177A - 一种柴油机后处理装置

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Publication number: CN109973177A
Application number: CN201910250874.5A
Authority: CN
Inventors: 李民; 张振方; 刘建新; 杜慧勇; 王站成; 苗家轩; 徐斌
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2019-07-05

Abstract

本发明涉及一种柴油机后处理装置，属于内燃机后处理技术领域，包括DPF腔室、SCR催化器腔室，DPF腔室与SCR催化器腔室之间的通道上安装有向通道内喷射的喷嘴，喷嘴连接有供液管路；所述SCR催化器腔室中设有催化剂载体，所述催化剂载体***设有电加热器。在柴油机冷启动或者运行在中低转速、低负荷时，利用设置的筒状电加热器给催化器加热，达到全面提高催化剂的催化转化效率的目的。并且，在排气温度过高时，还能通过供液管路和喷嘴向通道内喷水，达到降温效果，保证催化剂不会失效。

Description

一种柴油机后处理装置

技术领域

本发明属于内燃机后处理技术领域，具体涉及一种柴油机后处理装置。

背景技术

柴油机燃烧排放的主要污染物为NO_X和PM，x＝1,2，为避免污染物的排放产生的污染，柴油机尾气后处理***变成了发动机不可或缺的***之一。其中很多厂家使用SCR(Selective Catalytic Reduction,选择催化还原)降低NO_X的排放，但是SCR催化器的转化效率很依赖温度范围，常用的钒基、铜基、铁基及分子筛催化剂都有其许用工作温度范围。在柴油机使用过程中，在柴油机高转速高负荷或者当SCR前的DPF(Diesel ParticulateFilter,柴油机颗粒捕捉器)再生时，排气温度过高，造成催化剂失效。例如成本低、应用广泛的钒基催化剂的可靠工作温度范围为250-550℃，当排气温度高于550℃时，可能会使钒基中的钒挥发失效影响催化转化效率，并且对环境造成污染。所以需要对柴油机后处理***排气温度进行热管理，保证排气温度处在一个合适范围内。

现有技术中，公布号为CN108757118A的中国发明专利申请公开了一种柴油机后处理装置，包括依次连接的DOC(Diesel Oxidation Catalyst,柴油机氧化催化器)、DPF和SCR催化器，DPF和SCR催化器的降温通道上开设有喷水孔，喷水孔上安装有喷水器，利用喷水器对DPF再生后的排气温度进行降温，降温效果较好。

然而，当柴油机冷启动或者运行在中低转速低负荷时排气温度较低，会导致尿素热解水解不完全，催化转化效率差，污染物排放量高，并且可能会造成部分硫酸盐附着在催化剂表面，造成硫中毒。因此，上述专利申请仅能实现排气温度过高时的降温，无法解决排气温度较低导致SCR催化器中催化剂的催化效率差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种柴油机后处理装置，用于解决现有技术中排气温度低时催化剂转化效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种柴油机后处理装置，包括DPF腔室、SCR催化器腔室，DPF腔室与SCR催化器腔室之间的通道上安装有向通道内喷射的喷嘴，喷嘴连接有供液管路；所述SCR催化器腔室中设有催化剂载体，所述催化剂载体***设有电加热器。

本发明的柴油机后处理装置，在柴油机冷启动或者运行在中低转速、低负荷时，利用设置的电加热器给催化器加热，达到提高催化剂的催化转化效率的目的。并且，在排气温度过高时，还能通过供液管路和喷嘴向通道内喷水，达到降温效果。

进一步，所述催化剂载体为筒状，催化剂载体内侧设置催化剂，催化剂载体外侧铺设所述电加热器，实现快速传热，提高催化剂的催化转化速度。

进一步，所述筒状电加热器与SCR催化器腔室的壳体之间设有保温空腔或保温层，实现快速导热的同时，对SCR催化器腔室内进行保温，提高催化剂的催化转化效率。

进一步，所述供液管路的设计包括两种设计方案：

设计方案一：所述供液管路分为两路，其中一路供液管路上设有计量泵与水箱，另一路供液管路上设计有尿素泵与尿素箱，使尿素溶液和水各自通过单独的供液管路排至DPF腔室与SCR催化器腔室之间的通道中，实现排气温度的降低。

设计方案二：所述供液管路包括主路，连通主路的供水支路与尿素支路，所述供水支路上设有计量泵与水箱，所述尿素支路上设有尿素泵与尿素箱。连通支路将供水支路中的水和尿素支路中的尿素溶液混合，通过喷嘴向通道内喷射混合液，实现排气温度的降低。

进一步，在设计方案一的基础上，还包括设置在水箱内的第三温度传感器，用于检测水箱内的水温，达到在合适水温的情况向通道内喷水或混合液，保证降低排气温度。

为了实现通道内排气温度的检测，还包括控制连接所述电加热器的控制器，该控制器还控制连接有设置在DPF腔室与SCR催化器腔室之间的通道内的第一温度传感器，根据第一温度传感器检测的排气温度大小进行相应的处理，若检测的排气温度过低，控制电加热器开启，若检测的排气温度过高，则向通道内喷水或混合液。

为了实现催化剂载体的温度检测，还包括控制连接所述电加热器的控制器，该控制器还控制连接有设置在催化剂载体上的第二温度传感器，根据第二温度传感器检测催化剂载体的温度，实现电加热器的开启或关闭，以保证催化剂的催化转化效率。

附图说明

图1是本发明的一种柴油机后处理装置；

图2是本发明的另一种柴油机后处理装置；

标号说明如下：

1——DPF腔室，2——水箱，3——第三温度传感器，4——计量泵，5——控制器，6——第一温度传感器，7——喷嘴，8——尿素泵，9——尿素箱，10——催化剂载体，11——筒状电加热器，12——保温空腔，13——第二温度传感器，14——SCR催化器腔室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

装置实施例一：

如图1所示的一种柴油机后处理装置，包括DPF腔室1、SCR催化器腔室14，DPF腔室1与SCR催化器腔室14之间的排气通道上安装有向排气通道内喷射水和尿素溶液的两个喷嘴7，每个喷嘴7连接有单独的供液管路，其中一路供液管路上设有计量泵4与水箱2，另一路供液管路上设有用于SCR选择催化还原的尿素泵8与尿素箱9。

SCR催化器腔室14中设有催化剂载体10，为了保证催化效果，催化剂载体10是筒状，催化剂载体10内侧设置催化剂，催化剂载体10外侧设有筒状电加热器11，该筒状电加热器为PTC加热器，包裹在催化剂载体10***，且该筒状电加热器表面涂覆有绝缘层。

筒状电加热器11与SCR催化器腔室14的壳体之间设有保温空腔12，起到保温作用，作为其他实施方式，还可以采用保温层代替保温空腔12。

该柴油机后处理装置还包括控制***，控制***包括控制器5，该控制器5连接有设置在排气通道内的第一温度传感器6，用于检测从DPF腔室1排向SCR催化器腔室14的气体温度；控制器5还连接有第二温度传感器13，用于检测催化剂载体10的温度；控制器5还控制连接计量泵4与尿素泵8，水箱2内设置有第三温度传感器3，第三温度传感器3与控制器5连接，用于检测水箱2内的水温。

上述柴油机后处理装置的工作原理为：

在柴油机冷启动时，通过控制器5控制PTC加热器对催化剂载体10进行加热，以缩短到达催化剂载体工作温度的时间。当控制器5接收第二温度传感器13采集的催化剂载体10的温度达到设定温度(如250℃)，加热完毕，关闭PTC加热器。

当柴油机正常运转，此时柴油机可能运行在中低转速且低负荷的工况下，控制器5控制第一温度传感器6测量得到排气温度，如为200℃，通过与先前设定好的温度比较，如为250℃，则判定排气温度较低，打开PTC加热器，对催化剂载体10进行加热，使其温度处于SCR反应的合适温度范围(即上述催化剂载体工作温度)，直至排气温度上升到250℃以上关闭PTC加热器。

当柴油机运行在高转速、大负荷的工况下或在SCR前、DPF再生时，排气温度较高，需要进行喷水降温。例如，控制器5接收第一温度传感器6采集的排气温度为T₁，高于原先设置的催化剂工作温度上限的T₂时，控制器5控制计量泵4从水箱2内吸水，水经由供液管路，最终由喷嘴7喷射进排气通道内部，利用水的汽化潜热和水蒸气的吸热能力吸收排气中的热量，以达到降低排气温度的目的，使排气温度降低到催化剂的工作温度上限T₂以下，关闭计量泵4，保证了催化剂载体10的温度不会过高。

上述喷射的水量由控制器5根据计量泵4的发动机工况、排气温度和水箱2内的水温计算得到，以一台直列四缸增压柴油机为例，详细参数见下表：

参数	数值
		柴油机排量/L	2.7
柴油机压缩比	17.5
		最大转速/r·min<sup>-1</sup>	3600
最大扭矩/N·m	220
		最大功率/kW	85

本实施例中的催化剂选择钒基催化剂，其可靠工作温度范围为250-550℃，设置其工作温度上限为T₂＝530℃。

在柴油机怠速时DPF再生的情况下，实时测得进气质量的流量为120kg/h，油耗为6kg/h，则1min内通过SCR腔室的排气质量为m＝2.1kg，第一温度传感器6测得DPF再生后的实际排气温度为T₁＝700℃，第三温度传感器3测得水箱2内的水温T₄＝50℃，喷射的水量由控制器5通过以下步骤计算得到：

单位时间内通过SCR腔室的排气质量m如下：

m＝m₁+m₂

式中，m₁代表单位时间发动机进气质量，m₂代表单位时间发动机油耗质量。

高温排气需要放出的热量W₁如下：

W₁＝c_km(T₁-T₂)

式中，c_k代表常用高温排气比热容，c_k＝1018J/(kg·K)；T₁代表第一温度传感器6测得的实际排气温度；T₂代表钒基催化剂的工作温度上限。

利用水的汽化潜热及水蒸气吸热能力吸收的热量W₂，即为高温排气需要放出的热量W₁，如下：

W₂＝W₁

消耗水的质量M如下：

式中，c₁代表液态水比热容，c₁＝4.2×10³J/(kg·K)；T₃代表水的蒸发温度，T₃＝100℃；T₄代表水箱2内的水温，由第三温度传感器3测量得到；c₂代表气态水比热容，c₂＝2.1×10³J/(kg·K)；ΔH代表水的蒸发焓(汽化潜热)，ΔH＝2.257×10⁶J/kg。

根据上述公式可得出每分钟消耗水的质量约为M＝0.108kg。由控制器5控制计量泵4从水箱2内吸水，喷射进入排气通道，以降低排气温度。

与现有技术相比较，本发明的优点是：能够有效控制柴油机催化载体的温度，使SCR催化反应的温度一直处于其合适反应温度范围内，保证其催化转化效率；在柴油机冷启动时，对催化载体进行加热，后续催化反应效率会更高；在电加热升温过程中，选择了PTC加热器对催化载体进行加热，使用过程控制简单，温度控制精度高，节约用电。

另外，本实施例中的控制器既可以是计算机，也可以是微处理器，如ARM等，还可以是可编程芯片，如FPGA、DSP等。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。例如，本实施例中的电加热器采用的是包裹在催化剂载体***的筒状电加热器，作为其他实施方式，还可以采用其他形状的电加热器，如板状电加热器，铺设在催化剂载体***即可，板状电加热器设置的数量可以根据需求设置一个或一个以上，若数量为两个以上，铺设方式既可以为并排铺设，也可以为交错铺设。

作为其他实施方式，也可以采用表面涂覆绝缘层的电加热丝铺设在催化剂载体外侧；还可以是电加热丝嵌入到柔性绝缘基体(例如柔性网)中，将柔性绝缘基体包裹在催化剂载体的外侧，因此，上述具有绝缘层或柔性绝缘基体的电加热丝与电加热器实质上等同，均能达到催化剂载体的催化效果。

又如，本实施例是两路供液管路分别安装了喷嘴，作为其他实施方式，两路供液管路还可以共用一路供液管路。

装置实施例二：

如图2所示的另一种柴油机后处理装置，在装置实施例一中的柴油机后处理装置的基础上，喷嘴7连接的供液管路包括主路，连通主路的供水支路与尿素支路，供水支路上设有计量泵4与水箱2，尿素支路上设有尿素泵8与尿素箱9，控制器5控制连接该尿素泵8。控制器5通过计量泵4控制水箱2向通道内喷水的水量，以及通过尿素泵8控制尿素箱9向通道内喷射的尿素溶液的量，两者在管路中混合后，喷入排气管，实现排气温度的降低。

当柴油机运行在高转速、大负荷的工况下或在SCR前、DPF再生时，排气温度较高，需要进行喷水和尿素溶液进行排气降温。具体的，控制器5接收第一温度传感器6采集的排气温度为T₁，高于原先设置的催化剂工作温度上限的T₂时，控制器5控制计量泵4从水箱2内吸水，控制尿素泵8从尿素箱9中抽取尿素溶液，水经由供水支路，尿素溶液经由尿素支路，二者在供液管路的主路中汇合，最终由喷嘴7喷射进排气通道内部，利用水的汽化潜热和水蒸气的吸热能力吸收排气中的热量，以达到降低排气温度的目的，使排气温度降低到催化剂的工作温度上限T₂以下，关闭计量泵4和尿素泵8，保证了催化剂载体10的温度不会过高。

本实施例的柴油机后处理装置与装置实施例一中的柴油机后处理装置的工作原理基本一致，唯一不同之处仅在于本实施例的柴油机后处理装置采用水与尿素溶液提前混合后喷入排气管路的方式进行排气降温，喷水量的计算方法在装置实施例一中已经提到，喷射尿素的量根据排气中NO_X的量计算，其计算原理为SCR催化还原反应的工作原理，这里不多做赘述。

本实施例的柴油机后处理装置首先在结构上只需要在排气通道上安装一个喷嘴，节约成本，安装位置也较好确定，其次一个喷嘴不会产生两种喷雾同时喷射互相影响喷射形态的现象，尿素溶液的喷雾形态至关重要，影响喷雾的蒸发雾化等方面，进而影响了后续SCR的效率，因此使用一个喷嘴进行的喷射形态更好，后续SCR的效率也更高。

由于其他的工作原理已经在装置实施例一中介绍的足够清楚、完整，因此本实施例不再赘述。

Claims

1.一种柴油机后处理装置，包括DPF腔室、SCR催化器腔室，DPF腔室与SCR催化器腔室之间的通道上安装有向通道内喷射的喷嘴，喷嘴连接有供液管路；其特征在于，所述SCR催化器腔室中设有催化剂载体，所述催化剂载体***设有电加热器。

2.根据权利要求1所述的柴油机后处理装置，其特征在于，所述催化剂载体为筒状，催化剂载体内侧设置催化剂，催化剂载体外侧铺设所述电加热器。

3.根据权利要求2所述的柴油机后处理装置，其特征在于，所述电加热器与SCR催化器腔室的壳体之间设有保温空腔或保温层。

4.根据权利要求1所述的柴油机后处理装置，其特征在于，所述供液管路分为两路，其中一路供液管路上设有计量泵与水箱，另一路供液管路上设计有尿素泵与尿素箱。

5.根据权利要求4所述的柴油机后处理装置，其特征在于，还包括设置在水箱内的第三温度传感器，用于检测水箱内的水温。

6.根据权利要求1所述的柴油机后处理装置，其特征在于，所述供液管路包括主路，连通主路的供水支路与尿素支路，所述供水支路上设有计量泵与水箱，所述尿素支路上设有尿素泵与尿素箱。

7.根据权利要求1或5所述的柴油机后处理装置，其特征在于，还包括控制连接所述电加热器的控制器，该控制器还控制连接有设置在DPF腔室与SCR催化器腔室之间的通道内的第一温度传感器，用于检测通道内的排气温度。

8.根据权利要求1或5所述的柴油机后处理装置，其特征在于，还包括控制连接所述电加热器的控制器，该控制器还控制连接有设置在催化剂载体上的第二温度传感器，用于检测催化剂载体的温度。