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CN216342391U - 利用液氨为sdpf还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置 - Google Patents

利用液氨为sdpf还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置 Download PDF

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CN216342391U
CN216342391U CN202220021036.8U CN202220021036U CN216342391U CN 216342391 U CN216342391 U CN 216342391U CN 202220021036 U CN202220021036 U CN 202220021036U CN 216342391 U CN216342391 U CN 216342391U
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刘庆伟
邢首辰
刘西文
郭楠
胡友耀
李志丹
姜子刚
李明建
南景
刘松
贾木斯
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Luoyang Tractor Research Institute Co ltd
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Abstract

利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，包括涡后尾气后处理系统、液氨气化及计量喷射系统和非道路柴油机控制系统，涡后尾气后处理系统包括排气连接管和排气尾管，在排气连接管和排气尾管之间沿尾气排放方向依次连接有DOC装置、氨气混合器和SDPF装置，涡后尾气后处理系统的管道上还设有氮氧传感器、排温传感器、压差传感器，其中压差传感器的两端分别与SDPF装置的两端连接；所述液氨气化及计量喷射系统的氨气喷射连接管与氨气混合器连接，为涡后尾气后处理系统提供氨气；所述非道路柴油机控制系统与各个传感器信号连接。该装置能够有效解决尿素热解过程复杂难以控制的问题，提高瞬态排放控制精度和降低用户使用成本。

Description

利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置
技术领域
本实用新型属于涉及非道路柴油机排放控制技术领域，尤其涉及一种利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置。
背景技术
为了满足非道路国四及更高排放法规对柴油机尾气中的氮氧化物、颗粒物数量、颗粒物质量等要求，目前主流的技术路线为在涡轮增压器的涡轮机前连接EGR阀和涡轮机后连接后处理装置，后处理装置主要有DOC(Diesel Oxidation Catalysis，氧化型催化转化器)、DPF(Diesel Particulate Filter，颗粒过滤器)、SCR(Selective CatalystReduction，选择性催化还原系统)和ASC(Ammonia Slip Catalyst,氨逃逸催化器)对尾气进行处理，以将较洁净的尾气排入大气中，从而有效降低非道路柴油机尾气对环境的影响。
目前，使用32.5％的尿素溶液的选择性催化还原技术的被广泛地用于降低非道路柴油机的NOx排放，其基本原理是储存于尿素箱中的尿素溶液，在尿素泵和尿素喷嘴的作用下喷出、雾化，然后经水解、热解之后产生氨气，氨气在催化剂的作用下将氮氧化物转化成氮气和水。尿素水溶液在水解产氨过程中反应复杂，瞬态过程难以精确控制；同时也面临NOx转化率低、低温下活性差、分解不完全导致的结焦、结晶和有效氨含量低等问题。
目前，最常用的柴油机后处理系统是通过将DOC、DPF、SCR、ASC串联组合使用。但这种方式也会造成串联组合体积过大、管路布置要求高、SCR低温起燃性能差等问题。因此诞生了涂覆SCR催化剂的颗粒捕集器(Diesel Particle Filter with SCR Coating，SDPF)，即将SCR催化剂直接涂覆到DPF上。
SDPF技术缩短了管路布置的距离，也可显著提升SDPF的起燃速度。然而该结构使尿素混合管路缩短，不利于尿素分解后NH3在排气管中的均匀分布，且尿素泵和尿素喷嘴能力有限，不能保证混合效果达到反应效率的要求，若混合不均匀，则无法达到排放标准。同时，现有的SDPF系统中由于SCR催化剂对NO2的争夺，导致原本可用于DPF被动再生的NO2被SCR还原。这样一来，DPF被动再生温度变高、效率变低，一般只能采用主动再生，增加了油耗并降低了DPF的再生周期，且消耗了更多的NH3来还原NO2，导致尿素消耗量增加，减排成本提高。
因此，如何解决现有技术尿素热解过程复杂难以控制、SDPF系统中SCR催化剂对NO2的争夺等问题，对于提高瞬态排放控制精度和降低用户使用成本至关重要。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种利用液氨为SDPF还原剂、采用分面分区涂覆催化剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，该装置能够有效解决尿素热解过程复杂难以控制的问题，提高瞬态排放控制精度和降低用户使用成本。
为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，包括涡后尾气后处理系统、液氨气化及计量喷射系统和非道路柴油机控制系统，涡后尾气后处理系统包括排气连接管和排气尾管，在排气连接管和排气尾管之间沿尾气排放方向依次连接有DOC装置、氨气混合器和SDPF装置，涡后尾气后处理系统的管道上还设有氮氧传感器、排温传感器、压差传感器，其中压差传感器的两端分别与SDPF装置的两端连接；所述液氨气化及计量喷射系统的氨气喷射连接管与氨气混合器连接，为涡后尾气后处理系统提供氨气；所述非道路柴油机控制系统与各个传感器信号连接。
涡后尾气后处理系统中，氮氧传感器包括两个，分别为第一氮氧传感器和第二氮氧传感器，第一氮氧传感器设置在排气连接管的进口处，并位于氨气混合器的上游，第二氮氧传感器设置在压差传感器下游的排气尾管上；排温传感器包括三个，分别是第一排温传感器、第二排温传感器和第三排温传感器，第一排温传感器设置在排气连接管上，第二排温传感器设置在氨气混合器和SDPF装置之间，第三排温传感器设置在排气尾管上。
所述排气尾管上还设有PM传感器。
液氨气化及计量喷射系统包括顺次连接的液氨容器、液氨计量阀、液氨气化装置、氨气计量喷射装置和氨气喷射连接管。
所述液氨容器设有液氨液位传感器和液氨压力传感器，液氨液位传感器和液氨压力传感器与非道路柴油机控制系统的非道路柴油机控制器信号连接。
所述液氨容器和液氨计量阀之间的管线上设有液氨球阀，液氨球阀和液氨计量阀均与非道路柴油机控制系统的非道路柴油机控制器信号连接。
所述液氨气化装置安装有液氨气化进水管、液氨气化回水管，液氨气化进水管上设有液氨气化电磁阀，液氨气化电磁阀与非道路柴油机控制系统的非道路柴油机控制器信号连接。
所述氨气计量喷射装置上安装有氨气压力传感器和氨气喷射电磁阀，氨气压力传感器和氨气喷射电磁阀均与非道路柴油机控制系统的非道路柴油机控制器信号连接。
所述液氨气化装置和氨气计量喷射装置之间还依次设有氨气净化装置和氨气稳压装置。
所述SDPF装置包括多个SDPF单元，每个SDPF单元设有进气通道和出气通道，进气通道内表面涂覆有DPF被动再生催化剂，出气通道内表面涂覆有SCR催化剂和ASC催化剂，并且ASC催化剂涂覆在出气通道末端的SCR催化剂层表面。
本实用新型一种利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，设计合理，结构紧凑，拆装方便，通用性强，成本低，系统占用空间小，具有以下优点：
（1）涡后尾气后处理系统上使用的传感器，一方面有利于提高氮氧化合物瞬态过程的控制精度，保证SDPF装置再生过程的安全性，同时又能够满足提高故障诊断的准确度；另一方面，尾气后处理系统尾端的PM传感器和第二氮氧传感器可以为车载终端提供数据，满足远程在线监管的要求。
（2）利用液氨气化及计量喷射系统直接控制氨气的喷射量既能够提高SCR后处理系统的转化效率，又够克服利用尿素作为还原剂是系统存在的低温结晶、尿素热解过程缓慢不可控及系统零部件出现故障等一系列问题。
（3）使用分面分区涂覆的SDPF装置与传统的串联式CDPF+SCR+ASC装置相比，由于将CDPF与SCR和ASC合为相同载体，去除了原来的SCR和ASC直通式载体的使用，在产品性能提高的情况下，使得产品的成本降低，系统的体积更小。此外，SDPF载体平均温度较高，能够改善冷启动和低排温情况下氮氧化合物的转化效率，有利于提高氮氧化合物的综合转化效率。另一方面，由于在SCR催化剂的基础上加上了ASC催化剂，在实现更高转化效率的同时解决了氨气泄漏的问题。
附图说明
图1为本实用新型的主要系统结构示意图。
图2为本实用新型各系统的具体结构示意图。
图3为本实用新型中SDPF单元分面分区涂覆催化剂示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不作为对实用新型做任何限制的依据。
参照附图所示，一种利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，主要包括三大系统：涡后尾气后处理系统S10、液氨气化及计量喷射系统S20和非道路柴油机控制系统S30。其中涡后尾气后处理系统S10主要负责尾气的处理，液氨气化及计量喷射系统S20主要负责向涡后尾气后处理系统S10提供处理尾气所需的氨气，非道路柴油机控制系统S30主要用于和涡后尾气后处理系统S10以及液氨气化及计量喷射系统S20信号连接。
下面分别对各个系统的结构组成进行详细的说明。
如图2所示，所述涡后尾气后处理系统S10包括排气连接管11、第一氮氧传感器10、第一排温传感器9、DOC装置8、氨气混合器7、第二排温传感器6、SDPF装置5、压差传感器4、PM传感器3、第二氮氧传感器2、第三排温传感器1、排气尾管0。所述排气连接管11作为尾气的进气管，与DOC装置8的一端连接，DOC装置8的另一端和氨气混合器7的上游端口连接，氨气混合器7的下游端口和SDPF装置5入口连接，SDPF装置5出口和排气尾管0连接，排气尾管0作为处理后的尾气排出管。排气连接管11上依次安装有第一氮氧传感器10、第一排温传感器9，在氨气混合器7和SDPF装置5之间安装有第二排温传感器6，SDPF装置5入口和出口两端安装有压差传感器4，排气尾管上安装有PM传感器3、第二氮氧传感器2和第三排温传感器1。第一氮氧传感器10、第一排温传感器9、第二排温传感器6、压差传感器4、PM传感器3、第二氮氧传感器2均与非道路柴油机控制系统S30信号连接。
第一氮氧传感器10用于采集DOC装置8前端氮氧化合物的浓度作为SCR控制策略的前馈控制的输入量，利用第二氮氧传感器2采集SDPF装置5后端氮氧化合物的浓度作为SCR控制策略的反馈控制的输入量，有助于提高SCR控制策略的瞬态控制精度；同时，根据第一氮氧传感器10和第二氮氧传感器2采集的氮氧化合物的浓度的浓度实时计算SDPF装置5氮氧化合物的转化效率，能够及早并准确的预测出SDPF装置5可能出现的故障类型；同时，第一氮氧传感器10采集的DOC装置8前端氮氧化合物的浓度值可以作为车载终端采集的“SCR上游NOx传感器输出值”，实时上传到远程服务与管理平台。第二氮氧传感器2采集的SDPF装置5后端的氮氧化合物的浓度可以作为车载终端采集的“SCR下游NOx传感器输出值”，实时上传到远程服务与管理平台。
利用第二排温传感器6采集SDPF装置5入口温度和第三排温传感器1采集SDPF装置5出口温度计算SDPF装置5的平均温度，有助于提高提高SCR控制策略中需求氨气的计算精度，进而提高瞬态过程控制精度。
利用第一排温传感器9采集DOC装置8入口温度和第二排温传感器6采集SDPF装置5入口温度作为DPF再生控制策略的前馈控制的输入量，利用第三排温传感器1采集SDPF装置5出口温度作为DPF再生控制策略的反馈控制的输入量，将有助于调高DPF再生过程的安全性。
PM传感器3用于采集SDPF装置5出口处PM的浓度值，该浓度值将作为SDPF载体内部是否出现断裂故障的判定依据。
图3给出了SDPF单元分面分区涂覆催化剂示意图。所述SDPF装置5包括多个SDPF单元，每个SDPF单元设有进气通道5a和出气通道5e，进气通道5a内表面涂覆有DPF被动再生催化剂5b，出气通道5e内表面涂覆有SCR催化剂5c和ASC催化剂5d，并且ASC催化剂涂覆在出气通道末端的SCR催化剂层表面。
含有碳烟和灰分的发动机尾气，首先进入SDPF装置5的进气通道5a，较大粒径的碳烟和灰分在SDPF装置5过滤体材料的作用下留在了进气通道5a中，在DPF被动再生催化剂5b的作用下持续发生被动再生过程。然后废气进入出气通道5b中，在SCR催化剂5c作用下对尾气中的氮氧化合物进行还原，同时在ASC催化剂5d的作用对尾气中剩余的氨气进行氧化。
继续参考图2，液氨气化及计量喷射系统S20包括顺次连接的液氨容器、液氨计量阀16、液氨气化装置17、氨气净化装置21、氨气稳压装置22、氨气计量喷射装置23和氨气喷射连接管26。液氨容器采用液氨钢瓶12，用于存放液氨，液氨钢瓶12上安装有液氨液位传感器13和液氨压力传感器14，用于测量液氨钢瓶12中液氨的含量；液氨钢瓶12和液氨计量阀16之间设置有液氨球阀15，液氨球阀15为电磁阀，断电情况下可以保持管路关闭，在紧急情况下可以手动打开或关闭液氨球阀15，正常情况下用于打开或关闭液氨气化通道；液氨计量阀16用于调节需要气化的液氨流量。液氨气化装置17安装有液氨气化进水管18和液氨气化回水管19，利用发动机循环水通过液氨气化进水管18和液氨气化回水管19对液氨进气气化，并由液氨气化进水管18上设置的液氨气化电磁阀20控制发动机循环水流量大小。氨气净化装置21用于吸附气化氨气中的杂质，氨气稳压装置22用于稳定进入氨气计量喷射装置23中氨气压力。氨气计量喷射装置23上安装有氨气压力传感器24和氨气喷射电磁阀25，用于精确控制氨气的喷射量。氨气喷射连接管26一端与氨气计量喷射装置23连接，另一端与氨气混合器7连接，喷出的氨气和发动机尾气在氨气混合器7可以得到充分的混合。
液氨气化及计量喷射系统S20中，液氨液位传感器13、液氨压力传感器14、液氨球阀15、液氨计量阀16、液氨气化电磁阀20、氨气压力传感器24和氨气喷射电磁阀25与非道路柴油机控制系统S30信号连接。非道路柴油机控制系统S30中的控制器根据SCR控制策略计算的需求氨气喷射量，动态调节液氨计量阀16的开度大小，调整液氨流量，然后根据氨气压力传感器24的反馈控制氨气喷射电磁阀25的开度，精确控制氨气的喷射量。
继续参考图2，所述非道路柴油机控制系统S30包括非道路柴油机控制器27、发动机及后处理线束28，通过发动机及后处理线束28与涡后尾气后处理系统S10和液氨气化及计量喷射系统S20中的相关设备连接。具体的是，所述非道路柴油机控制器27通过发动机及后处理线束28与第一氮氧传感器10、第一排温传感器9、第二排温传感器6、压差传感器4、PM传感器3、第二氮氧传感器2、液氨液位传感器13、液氨压力传感器14、液氨球阀15、液氨计量阀16、液氨气化电磁阀20、氨气压力传感器24、氨气喷射电磁阀25相连接。非道路柴油机控制器27同时控制非道路柴油机、涡后尾气后处理系统S10、液氨气化及计量喷射系统S20的工作过程。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，其特征在于：包括涡后尾气后处理系统、液氨气化及计量喷射系统和非道路柴油机控制系统，涡后尾气后处理系统包括排气连接管和排气尾管，在排气连接管和排气尾管之间沿尾气排放方向依次连接有DOC装置、氨气混合器和SDPF装置，涡后尾气后处理系统的管道上还设有氮氧传感器、排温传感器、压差传感器，其中压差传感器的两端分别与SDPF装置的两端连接；所述液氨气化及计量喷射系统的氨气喷射连接管与氨气混合器连接，为涡后尾气后处理系统提供氨气；所述非道路柴油机控制系统与各个传感器信号连接。
2.根据权利要求1所述的利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，其特征在于：涡后尾气后处理系统中，氮氧传感器包括两个，分别为第一氮氧传感器和第二氮氧传感器，第一氮氧传感器设置在排气连接管的进口处，并位于氨气混合器的上游，第二氮氧传感器设置在压差传感器下游的排气尾管上；排温传感器包括三个，分别是第一排温传感器、第二排温传感器和第三排温传感器，第一排温传感器设置在排气连接管上，第二排温传感器设置在氨气混合器和SDPF装置之间，第三排温传感器设置在排气尾管上。
3.根据权利要求2所述的利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，其特征在于：所述排气尾管上还设有PM传感器。
4.根据权利要求1所述的利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，其特征在于：液氨气化及计量喷射系统包括顺次连接的液氨容器、液氨计量阀、液氨气化装置、氨气计量喷射装置和氨气喷射连接管。
5.根据权利要求4所述的利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，其特征在于：所述液氨容器设有液氨液位传感器和液氨压力传感器，液氨液位传感器和液氨压力传感器与非道路柴油机控制系统的非道路柴油机控制器信号连接。
6.根据权利要求4所述的利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，其特征在于：所述液氨容器和液氨计量阀之间的管线上设有液氨球阀，液氨球阀和液氨计量阀均与非道路柴油机控制系统的非道路柴油机控制器信号连接。
7.根据权利要求4所述的利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，其特征在于：所述液氨气化装置安装有液氨气化进水管、液氨气化回水管，液氨气化进水管上设有液氨气化电磁阀，液氨气化电磁阀与非道路柴油机控制系统的非道路柴油机控制器信号连接。
8.根据权利要求4所述的利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，其特征在于：所述氨气计量喷射装置上安装有氨气压力传感器和氨气喷射电磁阀，氨气压力传感器和氨气喷射电磁阀均与非道路柴油机控制系统的非道路柴油机控制器信号连接。
9.根据权利要求4所述的利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，其特征在于：所述液氨气化装置和氨气计量喷射装置之间还依次设有氨气净化装置和氨气稳压装置。
10.根据权利要求1~9任一项所述的利用液氨为SDPF还原剂的非道路柴油机用尾气后处理装置，其特征在于：所述SDPF装置包括多个SDPF单元，每个SDPF单元设有进气通道和出气通道，进气通道内表面涂覆有DPF被动再生催化剂，出气通道内表面涂覆有SCR催化剂和ASC催化剂，并且ASC催化剂涂覆在出气通道末端的SCR催化剂层表面。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114961934A (zh) * 2022-06-15 2022-08-30 潍柴动力股份有限公司 一种发动机尾气处理装置及方法

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