环保新型内燃机尾气处理系统及其方法与流程

1.本发明属于内燃发动机尾气处理技术领域，具体涉及一种环保新型内燃机尾气处理系统及其方法。


背景技术：

2.目前，随着环保法规的日益严苛，内燃发动机尾气的净化处理就尤为重要，尤其是在“碳达峰、碳中和”的大环境下，对内燃发动机尾气处理提出了更高的要求和考验。
3.目前在内燃发动机尾气处理过程中，主要集中在对氮氧化物nox和co2排放的限制。针对氮氧化物nox排放的控制方法主要有：废气再循环egr(exhaust gas recirculation)和选择性催化还原技术scr(selective catalytic reduction)两种。egr技术是将部分废气分离出并导入进气侧，使其与进气混合后再进入气缸，从而降低气缸内燃烧时的温度和压力，抑制燃烧过程中氮氧化物(nox)的生成，达到降低废气氮氧化物(nox)排放的目的的一种技术(或方法)。egr技术的根本原理就是破坏氮氧化物生成的条件，抑制氮氧化物的生成以达到降低内燃机废气中氮氧化物含量的目的；该技术涉及到内燃机的燃烧做功，废气的引入势必会降低内燃机进气中的含氧量，一定程度上牺牲了内燃机的动力性和经济性，要最大程度上保证内燃机的动力性和经济性，需要对egr量实现精确控制，使得控制系统的难度也进一步加大，因此egr技术的使用受到内燃机负荷工况的限制，大多是在部分负荷工况下使用，且废气循环量需严格保证，否则将对内燃机的动力性和经济性产生较明显的影响。scr技术在内燃机废气出口加装反应器，在催化剂作用下利用尿素水解产生的氨气(nh3)将内燃机废气中的氮氧化物(nox)还原为氮气(n2)，从而达到降低废气中氮氧化物(nox)含量的目的。scr技术需要加装反应器、尿素储存箱、供给单元等设备，设备投入大，也增大了内燃机的排气阻力，要提高废气处理效果，就需要使尿素溶液与废气中的氮氧化物充分进行反应，这就对尿素水溶液的浓度、喷射量、喷射角度等参数需严格控制，控制较为复杂，喷嘴的堵塞、喷射不均匀等直接影响尾气处理效果，设备维护管理强度和投入都较大；综上所述，上述两种方法都存在缺陷，因此，有必要设计出一种环保新型内燃机尾气处理系统供内燃发动机尾气处理。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题：提供一种环保新型内燃机尾气处理系统及其方法，基于可再生的洁净能源氢，设置由船舶上的太阳能光伏发电单元或船舶辅机电网供电的氢气制备及存储装置制备氢气，并根据设于废气输出管路上的反应物检测单元检测到的检测管内与氢气反应的反应物浓度，以及发动机转速传感器检测的发动机转速信息，控制氢气喷入催化反应器中的量，实现送入催化反应器内尾气中的二氧化碳和氮氧化物与氢气的充分反应，还原产生回收可作为工业原料的碳单质和氮气，有效利用了可再生清洁能源，绿色环保，并能够有效净化发动机尾气中的二氧化碳和氮氧化物，并对碳元素以单质碳和氮气的形式进行收集，为“碳达峰碳中和”提供了技术支持，提高气体发动机运行的经济性和排放
性。
5.本发明采用的技术方案：环保新型内燃机尾气处理系统，包括发动机、废气涡轮增压器、与发动机进气总管连通的中冷器，所述废气涡轮增压器一端连接于与中冷器连通的供气管路上，所述废气涡轮增压器另一端连接于与发动机排气总管连通的废气输出管路上，船舶上安装有太阳能光伏发电单元和氢气制备及存储装置，所述氢气制备及存储装置由太阳能光伏发电单元或船舶辅机电网供电，所述氢气制备及存储装置的气体输出端通过氢气输出管与催化反应器连通，且废气输出管路的出气口与催化反应器连通，所述催化反应器内产生的氢气通过与催化反应器下端连通的氢气回收罐收集，而催化反应器底部设有用于碳单质取出的料门，所述发动机上安装有用于检测其转速的发动机转速传感器，所述废气输出管路的下游管路上安装有用于检测管内与氢气反应的反应物浓度的反应物检测单元，所述催化反应器内设有多个安装于氢气输出管端部的氢气喷射阀，且多个氢气喷射阀的通断根据发动机转速传感器和反应物检测单元的检测结果进行控制，所述氢气输出管上安装有用于检测管内氢气压力及流量并调节氢气压力的检测调压单元。
6.其中，所述氢气制备及存储装置包括水电解制氢单元和氢气储存气瓶，所述水电解制氢单元与太阳能光伏发电单元和船舶辅机电网供电电性连接，所述水电解制氢单元的出气口通过管道与氢气储存气瓶连通。
7.进一步地，所述检测调压单元包括氢气压力传感器和调压阀，所述调压阀安装于进气段的氢气输出管上，所述氢气压力传感器安装于出气段的氢气输出上，根据氢气压力传感器监测到的氢气输出管内氢气的压力信号，通过调节调压阀使氢气输出管内的氢气压力达到目标压力。
8.进一步地，所述检测调压单元还包括安装于氢气输出管道出气段管道上的氢气流量计，所述氢气流量计的设置用于实现氢气喷射量的闭环控制。
9.进一步地，所述反应物检测单元包括二氧化碳浓度传感器和氮氧化物传感器，根据所述发动机转速传感器检测到发动机的转速、二氧化碳浓度传感器和氮氧化物传感器分别检测的二氧化碳浓度和氮氧化物浓度、氢气压力传感器检测到的氢气输出管氢气压力信号，通过调压阀对氢气输出管内氢气压力进行调节并启动或关闭相应的氢气喷射阀后，实现催化反应器内氢气含量的调节。
10.进一步地，所述调压阀的输入端通过控制线与控制单元输出端连接，所述控制单元的多个输入端通过信号线分别与发动机转速传感器、氢气流量计、气压力传感器、二氧化碳浓度传感器和氮氧化物传感器的输出端连接，所述水电解制氢单元的输入端与电源管理系统输出端连接，且电源管理系统的输入端和太阳能光伏发电单元的输入端均与控制单元电源控制端连接。
11.一种环保新型内燃机尾气处理方法，具体包括以下步骤：
12.1)检测发动机的负荷p，当负荷p≥基础负荷p0时，认为发动机为正常带负荷运行，进入尾气处理控制；
13.2)通过安装在废气输出管路的下游管路上的二氧化碳浓度传感器和氮氧化物传感器，检测发动机排出的尾气中二氧化碳浓度cc和氮氧化物浓度cn，并结合发动机单位时间排气量v
t
，分别计算出发动机尾气中二氧化碳含量mc和氮氧化物含量mn，具体计算公式如下：
14.mc＝cc×vt
15.mn＝cn×vt
16.再根据发动机尾气中二氧化碳含量mc和氮氧化物含量mn，分别计算发动机尾气中二氧化碳的物质的量mc和氮氧化物的物质的量mn，具体计算公式如下：
17.mc＝mc/44
18.mn＝mn/30
19.其中，v
t
的单位为：l/min；
20.3)结合二氧化碳与氢气化学反应方程式以及氮氧化物与氢气的化学反应方程式，计算单位时间所需氢气的流量qh，其中，二氧化碳与氢气化学反应方程式以及氮氧化物与氢气的化学反应方程式具体如下：
[0021][0022][0023]
所需氢气的物质的量和所需氢气的流量qh的计算公式如下:
[0024][0025][0026]
其中，氢气的流量qh单位为l/min；
[0027]
4)根据氢气压力传感器监测到的氢气输出管内氢气的压力信号，通过调节调压阀使氢气输出管内的氢气压力达到目标压力并根据氢气的目标压力计算在目标温度和目标压力条件下的氢气流量根据喷射阀的流量特性，调节用于调控氢气流量的喷射阀的接通个数，的计算公式如下：
[0028][0029]
其中：的单位为l/min，k为在目标温度目标压力条件下氢气的体积换算系数；
[0030]
5)根据氢气流量计检测到氢气流量qh实现闭环控制。
[0031]
本发明与现有技术相比的优点：
[0032]
1、本技术方案基于可再生的洁净能源氢，设置由船舶上的太阳能光伏发电单元或船舶辅机电网供电的氢气制备及存储装置制备氢气，并根据设于废气输出管路上的反应物检测单元检测到的检测管内与氢气反应的反应物浓度，以及发动机转速传感器检测的发动机转速信息，控制氢气喷入催化反应器中的量，实现送入催化反应器内尾气中的二氧化碳和氮氧化物与氢气的充分反应，还原产生回收可作为工业原料的碳单质和氮气，回收作为工业原料，为尾气自动化洁净处理提供硬件基础；
[0033]
2、本技术方案有效利用了可再生清洁能源，绿色环保，并能够有效净化发动机尾气中的二氧化碳和氮氧化物，并对碳元素以单质碳和氮气的形式进行收集，为“碳达峰碳中和”提供了技术支持，提高气体发动机运行的经济性和排放性；
[0034]
3、本技术方案结构设置简单可靠，氢气的使用量根据设置的二氧化碳浓度传感器
和氮氧化物传感器检测的尾气中二氧化碳浓度和氮氧化物浓度进行调节，调节有依有据，保证尾气中二氧化碳和氮氧化物充分被氢气还原，避免氢气浪费。
附图说明
[0035]
图1为本发明连接原理图；
[0036]
图2为本发明控制逻辑图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的图1-2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0039]
环保新型内燃机尾气处理系统，包括发动机5、废气涡轮增压器3、与发动机5进气总管连通的中冷器4，所述废气涡轮增压器3一端连接于与中冷器4连通的供气管路上，所述废气涡轮增压器3另一端连接于与发动机5排气总管连通的废气输出管路18上，船舶上安装有太阳能光伏发电单元7和氢气制备及存储装置，所述氢气制备及存储装置由太阳能光伏发电单元7或船舶辅机电网供电，所述氢气制备及存储装置的气体输出端通过氢气输出管2与催化反应器1连通，且废气输出管路18的出气口与催化反应器1连通，所述催化反应器1内产生的氢气通过与催化反应器1下端连通的氢气回收罐收集，而催化反应器1底部设有用于碳单质取出的料门，所述发动机5上安装有用于检测其转速的发动机转速传感器16，所述废气输出管路18的下游管路上安装有用于检测管内与氢气反应的反应物浓度的反应物检测单元，所述催化反应器1内设有多个安装于氢气输出管2端部的氢气喷射阀14，且多个氢气喷射阀14的通断根据发动机转速传感器16和反应物检测单元的检测结果进行控制，所述氢气输出管2上安装有用于检测管内氢气压力及流量并调节氢气压力的检测调压单元；
[0040]
氢气制备及存储装置的具体结构如下：所述氢气制备及存储装置包括水电解制氢单元8和氢气储存气瓶10，所述水电解制氢单元8与太阳能光伏发电单元7和船舶辅机电网供电电性连接，所述水电解制氢单元8的出气口通过管道与氢气储存气瓶10连通；上述结构中，水电解制氢单元8采用利用水电解方式制氢的制氢设备，该制氢设备为现有常规设备，市面上该设备比较常见，直接购买即可，在此不做赘述；而太阳能光伏发电单元7利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，太阳能光伏发电单元7主要由太阳电池板、控制器和逆变器三大部分组成，为较为成熟的技术；
[0041]
检测调压单元的具体结构如下：所述检测调压单元包括氢气压力传感器13和调压阀11，所述调压阀11安装于进气段的氢气输出管2上，所述氢气压力传感器13安装于出气段的氢气输出管2上，根据氢气压力传感器13监测到的氢气输出管2内氢气的压力信号，通过
调节调压阀11使氢气输出管2内的氢气压力达到目标压力；
[0042]
为了实现氢气喷射量的闭环控制，特采用以下结构：所述检测调压单元还包括安装于氢气输出管道2出气段管道上的氢气流量计17，所述氢气流量计17的设置用于实现氢气喷射量的闭环控制。
[0043]
反应物检测单元的具体结构如下：所述反应物检测单元包括二氧化碳浓度传感器12和氮氧化物传感器15，根据所述发动机转速传感器16检测到发动机5的转速、二氧化碳浓度传感器12和氮氧化物传感器15分别检测的二氧化碳浓度和氮氧化物浓度、氢气压力传感器13检测到的氢气输出管2氢气压力信号，通过调压阀11对氢气输出管2内氢气压力进行调节并启动或关闭相应的氢气喷射阀14后，实现催化反应器1内氢气含量的调节。
[0044]
所述调压阀11的输入端通过控制线与控制单元6输出端连接，所述控制单元6的多个输入端通过信号线分别与发动机转速传感器16、氢气流量计17、气压力传感器13、二氧化碳浓度传感器12和氮氧化物传感器15的输出端连接，所述水电解制氢单元8的输入端与电源管理系统9输出端连接，且电源管理系统9的输入端和太阳能光伏发电单元7的输入端均与控制单元6电源控制端连接；采用上述结构，可实现内燃机尾气的自动化处理，具体可在西门子plc编程软件中采用流水号为：2022r11l1875751，软著名称为：环保新型内燃机尾气处理系统的程序控制下实现。
[0045]
本技术方案基于可再生的洁净能源氢，设置由船舶上的太阳能光伏发电单元7或船舶辅机电网供电的氢气制备及存储装置制备氢气，并根据设于废气输出管路18上的反应物检测单元检测到的检测管内与氢气反应的反应物浓度，以及发动机转速传感器16检测的发动机转速信息，控制氢气喷入催化反应器1中的量，实现送入催化反应器1内尾气中的二氧化碳和氮氧化物与氢气的充分反应，催化反应器1顶部设有用于与氢气回收罐连通的出气口，氢气则通过催化反应器1顶部的出气口送至氢气回收罐内储存，而催化反应器1底部设有用于碳单质取出的料门，系统停止工作时，打开料门，将碳单质取出，而系统在正常工作状态时，料门为关闭状态。
[0046]
还原产生回收可作为工业原料的碳单质和氮气，回收作为工业原料，为尾气自动化洁净处理提供硬件基础；
[0047]
一种环保新型内燃机尾气处理方法，具体包括以下步骤：
[0048]
1)检测发动机5的负荷p，当负荷p≥基础负荷p0时，认为发动机5为正常带负荷运行，进入尾气处理控制；
[0049]
2)通过安装在废气输出管路18的下游管路上的二氧化碳浓度传感器12和氮氧化物传感器15，检测发动机5排出的尾气中二氧化碳浓度cc和氮氧化物浓度cn，并结合发动机5单位时间排气量v
t
，分别计算出发动机5尾气中二氧化碳含量mc和氮氧化物含量mn，具体计算公式如下：
[0050]
mc＝cc×vt
[0051]mn
＝cn×vt
[0052]
再根据发动机5尾气中二氧化碳含量mc和氮氧化物含量mn，分别计算发动机5尾气中二氧化碳的物质的量mc和氮氧化物的物质的量mn，具体计算公式如下：
[0053]
mc＝mc/44
[0054]mn
＝mn/30
[0055]
其中，v
t
的单位为：l/min；v
t
可根据发动机5的排量直接获得；
[0056]
3)结合二氧化碳与氢气化学反应方程式以及氮氧化物与氢气的化学反应方程式，计算单位时间所需氢气的流量qh，其中，二氧化碳与氢气化学反应方程式以及氮氧化物与氢气的化学反应方程式具体如下：
[0057][0058][0059]
所需氢气的物质的量和所需氢气的流量qh的计算公式如下:
[0060][0061][0062]
其中，氢气的流量qh单位为l/min；
[0063]
4)根据氢气压力传感器13监测到的氢气输出管2内氢气的压力信号，通过调节调压阀11使氢气输出管2内的氢气压力达到目标压力并根据氢气的目标压力计算在目标温度和目标压力条件下的氢气流量根据喷射阀14的流量特性，调节用于调控氢气流量的喷射阀14的接通个数，的计算公式如下：
[0064][0065]
其中：的单位为l/min，k为在目标温度目标压力条件下氢气的体积换算系数；目标温度是指环境温度，可直接测得，是相对于标况环境温度而言的温度；
[0066]
5)根据氢气流量计17检测到氢气流量qh实现闭环控制。
[0067]
上述环保新型内燃机尾气处理方法，在二氧化碳浓度传感器12和氮氧化物传感器15对尾气中二氧化碳浓度和氮氧化物浓度检测的前提下，根据氢气与二氧化碳和氮氧化物化学反应式中的倍数关系，确定目标压力条件下的氢气流量从而为喷射阀14的通断控制提供计算依据，达到氢气用量的精准化控制。
[0068]
本技术方案有效利用了可再生清洁能源，绿色环保，并能够有效净化发动机尾气中的二氧化碳和氮氧化物，并对碳元素以单质碳和氮气的形式进行收集，为“碳达峰碳中和”提供了技术支持，提高气体发动机运行的经济性和排放性；
[0069]
本技术方案结构设置简单可靠，氢气的使用量根据设置的二氧化碳浓度传感器12和氮氧化物传感器15检测的尾气中二氧化碳浓度和氮氧化物浓度进行调节，调节有依有据，保证尾气中二氧化碳和氮氧化物充分被氢气还原，避免氢气浪费。
[0070]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0071]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。