一种提高SDPF尿素混合性能的装置及控制方法与流程

本发明涉及动力机械及工程领域，尤其是涉及一种提高sdpf尿素混合性能的装置及控制方法。

背景技术：

柴油机具有良好的动力性和经济性，是交通运输、农用机械和工程机械等领域的主导动力。然而，柴油机固有的扩散燃烧模式使其颗粒物与氮氧化物(nox)等污染物排放严重，对大气环境和人体健康造成严重威胁。

一般采用柴油机颗粒捕集器(dpf)对柴油机排放的颗粒物进行捕集，dpf为进出口交替堵塞的壁流式结构，颗粒物在经过过滤壁面时被捕集。颗粒物在dpf中累积到一定程度后会产生较高的背压，使柴油机油耗上升，通常采用缸内燃油后喷等方式将排气温度提高到550℃以上，利用氧气在高温下将颗粒物氧化并生成co2等无害气体，排放到大气中。

一般采用选择性催化还原催化器(scr)对柴油机排放的nox进行处理，具体过程为：尿素喷射系统将浓度为32.5％的尿素水溶液喷入排气中，尿素水溶液经过热解和水解产生nh3，nh3与排气中的nox在scr催化剂的作用下发生选择性氧化还原反应，生成无害的n2和h2o，排放到大气中。

传统的柴油机后处理布置中，scr距离柴油机排气门较远，在冷起动等低温工况，scr入口的排气温度很低(<200℃)，在该温度下不喷射尿素水溶液以防止尿素结晶等问题，此时scr不起作用，nox排放严重。为了提升scr入口的排气温度，一种新型的sdpf技术将scr催化剂涂覆在壁流式颗粒捕集器的过滤壁面内，使得sdpf兼具颗粒物捕集和nox还原功能。sdpf的布置比传统的scr更加靠近柴油机排气门，有效提高了scr反应温度，能够减少冷起动等低温工况的nox排放，同时也减小了后处理系统的体积，节省了载体和封装成本。

但是，sdpf在其入口温度低于200℃时也无法喷射尿素，否则会造成尿素结晶等问题，该阶段sdpf无法起到nox还原的作用。这造成了sdpf在冷起动等低温工况下nox排放控制困难，无法满足超低nox排放法规要求。

doc的英文全拼为dieseloxidationcatalyst，氧化催化器；sdpf的英文全拼为scr-catalyzeddieselparticulatefilter，选择性催化还原颗粒捕集器。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种提高sdpf尿素混合性能的装置，包括尿素喷射器、多级叶片和分布式多通道混合器，所述装置安装在doc载体和sdpf载体之间，混合气通过多级叶片的引导进入分布式多通道混合器；sdpf载体入口处设有空气流量计和上游nox传感器，sdpf载体出口处设有氨传感器和下游nox传感器。

多级叶片安装在sdpf的入口侧。在排气温度低于200℃的低温工况下，该装置将多级叶片加热到200℃以上，并将尿素水溶液直接喷射在多级叶片表面，使尿素水溶液充分热解水解并产生nh3。生成的nh3经过多级叶片的引导进入分布式多通道混合器，形成多涡流，提高了混合气的均匀性。

不同于一般的通过提高排气温度实现尿素提前喷射的方法，本发明在排气温度低于200℃时加热多级叶片，并将尿素水溶液直接喷射到多级叶片的表面，实现了高效的尿素热解水解。

进一步地，多级叶片是通电而发热并转动的发热体，表面设有温度传感器，快速升温到目标温度。

本发明还提供了一种提高sdpf尿素混合性能的装置控制方法，使用一种提高sdpf尿素混合性能的装置，包括如下步骤：

步骤1：通过多级叶片表面温度传感器获取多级叶片表面温度tsur，经过can总线将该信号传输到发动机控制器ecu和后处理控制器acu；

步骤2：通过ecu、acu判断tsur是否大于200℃；若tsur≥200℃，则无需加热多级叶片；若tsur<200℃，则通过ecu和acu打开多级叶片的通电开关，多级叶片通电后发热，叶片表面温度上升，直到tsur≥200℃；

步骤3：通过空气流量计获得排气质量流量qm_exh，通过上游nox传感器获得入口nox浓度cin_nox，并采用can总线将qm_exh，cin_nox信号传输到ecu和acu，ecu和acu根据信号信息初步确定尿素喷射量qm_urea，并控制尿素喷射器实现尿素水溶液的喷射；

步骤4：根据步骤3计算出的尿素喷射量，ecu和acu控制尿素喷射器的喷嘴进行尿素喷射，尿素水溶液在温度≥200℃的多级叶片上热解水解生成nh3，并在多级叶片的引导下，经过分布式多通道混合器充分混合后进入sdpf载体；

步骤5：分别通过上游nox传感器、下游nox传感器获得sdpf载体入口和出口的nox浓度cin_nox和cout_nox，并采用can总线将cin_nox和cout_nox传输到ecu和acu；

步骤6：根据cin_nox、cout_nox和cout_nh3对尿素喷射量进行修正。

附图说明

图1为本发明一种提高sdpf尿素混合性能的装置示意图。

图2为本发明多级叶片的示意图。

图3为本发明一种提高sdpf尿素混合性能的装置控制方法流程图。

图4为本发明ecu和acu、can总线以及各传感器之间的连接关系示意图。

附图标记：1、尿素喷射器；2、多级叶片；3、分布式多通道混合器；4、空气流量计；5、上游nox传感器；6、氨传感器；7、下游nox传感器；8、温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种提高sdpf尿素混合性能的装置，包括尿素喷射器1、多级叶片2和分布式多通道混合器3，所述装置安装在doc载体和sdpf载体之间，混合气通过多级叶片2的引导进入分布式多通道混合器3；sdpf载体入口处设有空气流量计4和上游nox传感器5，sdpf载体出口处设有氨传感器6和下游nox传感器7。

在排气温度低于200℃的低温工况下，该装置将多级叶片2加热到200℃以上，并将尿素水溶液直接喷射在多级叶片2表面，使尿素水溶液充分热解水解并产生nh3。生成的nh3经过多级叶片2的扇动引导进入分布式多通道混合器3，形成多涡流，提高了混合气的均匀性。

不同于一般的通过提高排气温度实现尿素提前喷射的方法，本发明在排气温度低于200℃时加热多级叶片2，并将尿素水溶液直接喷射到多级叶片2的表面，实现了高效的尿素热解水解。

优先地，多级叶片2是通电而发热并转动的发热体，表面设有温度传感器8，快速升温到目标温度，如图2所示。

如图3所示，一种提高sdpf尿素混合性能的装置控制方法，使用一种提高sdpf尿素混合性能的装置，包括如下步骤：

步骤1：通过多级叶片2表面温度传感器8获取多级叶片2表面温度tsur，经过can总线将该信号传输到发动机控制器ecu和后处理控制器acu；

步骤2：通过ecu、acu判断tsur是否大于200℃；若tsur≥200℃，则无需加热多级叶片2；若tsur<200℃，则通过ecu和acu打开多级叶片2的通电开关，多级叶片2通电后发热，叶片表面温度上升，直到tsur≥200℃；

步骤3：通过空气流量计4获得排气质量流量qm_exh，通过上游nox传感器5获得入口nox浓度cin_nox，并采用can总线将qm_exh，cin_nox信号传输到ecu和acu，ecu和acu根据信号信息初步确定尿素喷射量qm_urea，并控制尿素喷射器实现尿素水溶液的喷射；

qm_urea的具体计算方法如下：尿素水溶液的浓度为32.5％，尿素的分子式为(nh2)2co，尿素分解生成nh3的化学反应方程式为：

由式(1)可知，尿素的物质的量是nh3的两倍。生成的nh3与排气中的nox(包括no和no2)进行反应，生成n2和h2o，主要进行以下两种反应：

由式(1)、(2)可知，nh3与nox按照1:1的比例进行反应，即消耗的nh3与nox的物质的量相同。

一般认为排气的相对分子质量为29g/mol，设排气质量流量为qm_exhkg/h，sdpf载体入口nox浓度为cin_noxppm。qm_exh和cin_nox通过读取空气流量计4和sdpf载体入口nox传感器的数据获得，二者的单位分别为kg/h和ppm。则排气中nox的质量流量为：

由于nox与nh3按照1:1反应，因此所需nh3的质量流量为：

由式(1)可知，尿素的物质的量是nh3的两倍，而且尿素水溶液的浓度为32.5％，因此所需尿素喷射量为：

对式(4)-(6)进行化简计算可初步确定尿素喷射量qm_urea为：

qm_urea＝3.183×qm_exh×cin_nox×10^-6(7)

步骤4：根据步骤3计算出的尿素喷射量，ecu和acu控制尿素喷射器进行尿素喷射，尿素水溶液在温度≥200℃的多级叶片2上热解水解生成nh3，并在多级叶片2的扇动引导下，经过分布式多通道混合器3充分混合后进入sdpf。

步骤5：分别通过上游nox传感器5、下游nox传感器7获得sdpf载体入口和出口的nox浓度cin_nox和cout_nox，并采用can总线将cin_nox和cout_nox传输到ecu和acu；ecu和acu根据cin_nox和cout_nox信号初步计算sdpf的nox转化率efnox，计算方法如式(8)所示:

efnox＝(cin_nox-cout_nox)/cin_nox(8)

同时，通过氨传感器6获得sdpf载体出口的nh3浓度cout_nh3，经过can总线将cout_nh3信号传输到ecu和acu。

步骤6：根据cin_nox、cout_nox和cout_nh3对尿素喷射量进行修正。通过ecu和acu判断efnox是否大于95％，若efnox≥95％，则ecu和acu控制尿素喷射器1减少尿素喷射量，否则增大尿素喷射量；通过ecu和acu判断cout_nh3是否大于10ppm，若cout_nh3≥10ppm，则ecu和acu控制尿素喷射器1减小尿素喷射量，否则增大尿素喷射量。

如图4所示，通过多级叶片2表面温度传感器8获取多级叶片2表面温度tsur，经过can总线将该信号传输到发动机控制器ecu和后处理控制器acu，通过ecu、acu判断tsur是否大于200℃：若tsur≥200℃，则无需加热多级叶片2；若tsur<200℃，则通过ecu和acu打开多级叶片2的通电开关，多级叶片2通电后发热，叶片表面温度上升，直到tsur≥200℃。通过空气流量计4获得排气质量流量qm_exh，通过上游nox传感器5获得入口nox浓度cin_nox，并采用can总线将qm_exh，cin_nox信号传输到ecu和acu，ecu和acu根据信号信息初步确定尿素喷射量qm_urea，并控制尿素喷射器实现尿素水溶液的喷射。分别通过上游nox传感器5、下游nox传感器7获得sdpf载体入口和出口的nox浓度cin_nox和cout_nox，并采用can总线将cin_nox和cout_nox传输到ecu和acu；ecu和acu根据cin_nox和cout_nox信号初步计算sdpf的nox转化率efnox。通过氨传感器6获得sdpf载体出口的nh3浓度cout_nh3，经过can总线将cout_nh3信号传输到ecu和acu。根据cin_nox、cout_nox和cout_nh3对尿素喷射量进行修正。通过ecu和acu判断efnox是否大于95％，若efnox≥95％，则ecu和acu控制尿素喷射器1减少尿素喷射量，否则增大尿素喷射量；通过ecu和acu判断cout_nh3是否大于10ppm，若cout_nh3≥10ppm，则ecu和acu控制尿素喷射器1减小尿素喷射量，否则增大尿素喷射量。