一种氨内燃机的后处理装置和后处理控制方法与流程

1.本发明涉及氨内燃机的技术领域，特别涉及一种氨内燃机的后处理装置和后处理控制方法。


背景技术：

2.根据试验测试结果，氨内燃机的排气中的污染物主要包括nox和nh3，还有部分无污染的氢气(h2)。当量比燃烧模式下nox的排放量约为3000-8000ppm，nh3的排放量约为nox排放量的2-3倍，h2的排放量4000-7000ppm。而且，排气中的污染物还与氨内燃机的燃烧模式相关，当缸内混合气为稀燃模式，nox排放量略有增加，nh3和h2的排放量略有减少；当缸内混合气为浓燃模式，nox排放量略有减少，nh3和h2的排放量略有增加。
3.专利号为cn109162819a公布了一种适用于氢燃料内燃机的组合式后处理装置，无需额外加入nh3即可利用装置中生成的nh3还原nox，达到降低氢内燃机排放污染物的目标。该组合式后处理装置包括通过管路依次连接的氢内燃机、twc后处理装置和不带尿素喷射的scr后处理装置，在氢内燃机的进口管路上设置氢气喷嘴，在不带尿素喷射的scr后处理装置的出口管路上设置nox传感器，氢气喷嘴和nox传感器分别与电控单元连接；所述电控单元根据nox含量控制氢气喷嘴的喷氢脉宽；所述twc后处理装置和不带尿素喷射的scr后处理装置用于共同还原排气中的nox；所述nox传感器测量不带尿素喷射的scr后处理装置出口处的nox含量，并将其传输至电控单元。
4.现有发明cn109162819a公布的组合式后处理装置应用在氨内燃机将会有如下问题：
5.1)当量比燃烧模式下，nh3的排放远大于nox的排放量，特定温度范围下排气经过twc后能够消除绝大大部分(达90％以上)nox，但是仍然剩余大量的nh3和h2，而且下游的scr无法将nh3和h2氧化，造成该组合式后处理装置无法消除排气中的有害污染物；
6.2)稀燃燃烧模式下，nox排放量略有增加，nh3和h2的排放量略有减少，nh3的排放仍然远大于nox的排放量，由于排气中含有氧气特定温度范围下排气经过twc后仅能够消除部分(低于70％)nox，但是排气中绝大多数的nh3和h2被氧化(比例超过95％)，此时下游的scr中因nh3和h2不足导致nox无法被消除，同样造成该组合式后处理装置无法消除排气中的有害污染物；
7.3)浓燃燃烧模式下，情况与当量比燃烧模式类似；
8.总之，在任何燃烧模式下现有组合式后处理装置均无法高效处理氨内燃机排气中的有害污染物，造成部分有害污染物排入大气中。


技术实现要素：

9.本发明目的在于提供一种氨内燃机的后处理装置和后处理控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
10.为解决上述技术问题所采用的技术方案：
11.首先本发明提供一种氨内燃机的后处理装置，其包括：依次串联于氨内燃机排气管下游的连接于三元催化器、选择性催化还原装置，所述三元催化器并联有还原性气体旁通阀。
12.在使用时，三元催化器利用其中的催化剂同时对排气中的nh3、h2、nox三种排放物进行催化反应，使其转变为无污染的n2和h2o，但是由于排气中含有未参与燃烧反应的o2，三元催化器能够将进入其中的排气中绝大多少nh3和h2氧化，而排气中nox被还原的比例较低，导致三元催化器出口排气中含有大量未被还原的nox和少量具有还原性的nh3和h2；
13.本技术设置的还原性气体旁通阀与三元催化器为并联关系，其在三元催化器入口将一部分排气引出，之后又将该部分排气引入到三元催化器的出口，与流经三元催化器的另外一部分排气汇合进入择性催化还原装置。采用稀燃模式的氨内燃机排气中含有不同浓度的nh3、h2和nox气体，其中nh3和h2的浓度远大于nox浓度，经还还原性气体旁通阀引出的排气中的nh3、h2和nox的浓度符合该特征，但是，如上所述三元催化器出口排气中nh3和h2的浓度远小于nox浓度，进而可通过控制还原性气体旁通阀的开度，控制流经其排气的量，即可使进入选择性催化还原装置的排气中nh3、h2和nox浓度合理；
14.选择性催化还原装置是利用装置中催化剂的催化作用使还原剂nh3和h2"有选择性"地与排气中的nox反应并生成无毒无污染的n2和h2o，如上述进入选择性催化还原装置的排气中nh3、h2和nox浓度合理，在选择性催化还原装置中绝大多数nox被nh3和h2还原为n2和h2o；
15.并且根据催化剂的种类不同，选择性催化还原装置中的催化反应最佳温度范围不同，除在低温冷启动期间由于温度较低会对反应速率(nox转化效率)有较大影响外，大部分的正常热机工况下选择性催化还原装置的转化效率均较高，而三元催化器的催化反应主要是放热反应，放出的热量可提高下游排气温度，利于下游的选择性催化还原装置的转化效率的提升，尤其在低温启动阶段尤其如此。
16.作为上述技术方案的进一步改进，所述三元催化器的催化剂为贵金属三效催化剂或者非贵金属催化剂。其中贵金属三效催化剂为铂(pt)、钯(pd)、铑(rh)为主要成分的贵金属催化剂，非贵金属催化剂为钙钛矿型催化剂。
17.作为上述技术方案的进一步改进，所述原性气体旁通阀为能承受高温的电控蝶阀。
18.作为上述技术方案的进一步改进，所述选择性催化还原装置的催化剂为负载型贵金属催化剂、金属氧化物催化剂或分子筛催剂。其中贵负载型贵金属催化剂有pt/al2o3和pd/al2o3等，金属氧化物催化剂有钒基、锰基和铜基催化剂，分子筛催剂有铁基分子筛和铜基分子筛催化剂。
19.作为上述技术方案的进一步改进，所述选择性催化还原装置出口连有氨逃逸催化器。为了保证nox的转化效率，进入选择性催化还原装置的排气中nh3和h2中浓度往往会有一定程度的富余，为此需要在其排入大气前将其氧化，氨逃逸催化器利用装置中催化剂催化氧化选择性催化还原装置排出的未参与反应的nh3和h2，
20.作为上述技术方案的进一步改进，所述氨逃逸催化器的催化剂为贵金属催化剂、金属氧化物催化剂或分子筛催剂。贵金属催化剂有pt、pd、银(ag)和钌(ru)催化剂，金属氧化物催化剂有五氧化二矾(v2o5)、二氧化锰(mno2)和三氧化二铁(fe2o3)催化剂，分子筛催剂
有铁基分子筛和铜基分子筛催化剂。
21.作为上述技术方案的进一步改进，所述选择性催化还原装置入口设有排气温度传感器。排气温度传感器用于检测选择性催化还原装置入口的排气温度，从而用于判断选择性催化还原装置入口温度是否足够使其能够进行选择性催化还原反应，同时判断选择性催化还原反应的反应速率(nox的转换效率)。
22.作为上述技术方案的进一步改进，所述选择性催化还原装置的出口设有nox浓度传感器。nox浓度传感器用于检测选择性催化还原装置出口的nox浓度
23.作为上述技术方案的进一步改进，还包括同时与nox浓度传感器、排气温度传感器、还原性气体旁通阀信号连接的电控单元，所述电控单元用于接受所述nox浓度传感器和排气温度传感器的信号而控制还原性气体旁通阀的开度。
24.电控单元采集排气温度传感器和nox浓度传感器的信号，并根据内部的控制逻辑产生相应的控制输出，其控制输出的作用对象为还原性气体旁通阀，调整还原性气体旁通阀的开度，合理分配排气流经三元催化器和还原性气体旁通阀的比例，确保选择性催化还原装置入口nh3和h2、nox三者浓度合理，从而使选择性催化还原装置尽可能将排气中nox消除掉。
25.此外，本发明还提供一种氨内燃机的后处理控制方法，其采用上述的后处理装置，具体步骤如下：
26.s1、氨内燃机启动；
27.s2、氨内燃机进入运行状态，保持还原性气体旁通阀关闭；
28.s3、进行温度判定环节，将选择性催化还原装置入口的排气温度与预设限值进行对比：如果没有达到限值，保持还原性气体旁通阀保持全关；如果达到限值，根据预设调整还原性气体旁通阀开度，控制选择性催化还原装置入口排气中nh3和h2、nox三者浓度，并进入nox浓度判定环节；
29.s4、在nox浓度判定环节中，将选择性催化还原装置出口的nox浓度与预设限值进行对比，如果不达标，根据nox浓度和选择性催化还原装置入口的排气温度，修正还原性气体旁通阀开度，从而实现闭环控制，如果达标，保持还原性气体旁通阀开度，并进入停机判定环节；
30.s5、在停机判定环节中，如果有停机请求氨内燃机进行停机操作，否则重新回到nox浓度判定环节中。
31.本发明的后处理控制方法与发动机的燃烧控制实现解耦，无需因为排放原因改变燃烧模式，保持预先设定的稀燃程度组织氨内燃机的燃烧过程。
32.本发明的有益效果是：
33.通过控制还原性气体旁通阀分流排气比例、以及利用三元催化器中nh3和h2的氧化放热，来提高选择性催化还原装置的转化效率，能够更加高效处理氨内燃机排气中有害污染物排放，能够更加高效处理排气中有害污染物排放，防止有害污染物排入大气；采用本发明的后处理装置的氨内燃机能够持续工作在稀燃模式，提高了发动机的热效率；采用本发明的后处理装置及其控制方法，可实现后处理的排放控制与发动机的燃烧控制实现解耦，提高排放控制的稳定性和鲁棒性，并且简化内燃机和排气后处理的标定工作。
附图说明
34.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
35.图1是本发明所提供的氨内燃机的后处理装置，其一实施例的示意图；
36.图2是本发明所提供的氨内燃机的后处理装置，其一实施例的控制流程图。
具体实施方式
37.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
40.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
41.目前，汽油车和天然气车尾气治理的商业化技术是使用三元催化器(twc，three way catalyst)控制污染物的排放，控制内燃机在化学当量空燃比附近运转，三元催化器中催化剂将尾气中的3种污染物，即一氧化碳(co)、碳氢化合物(hc)和氮氧化合物(nox)同时转化为二氧化碳(co2)、氮气(n2)和水(h2o)，实现3种主要污染在一个催化剂上同时消除。为使污染物转化率达到最佳(90％以上)，必然需要通过电控系统采用闭环的方式，使内燃机的空燃比控制在一个狭小的、接近理想的区域内(理论空燃比)，若空燃比大(稀燃)时，虽然co和hc的转化率略有提高，但nox的转化率急剧下降为20％。情况类似，当三元催化器进气中为氨气(nh3)、氢气(h2)和nox时，在催化剂的催化作用下，nox被nh3和h2还原成n2和h2o，三者比例合适下将全部消除，转化效率非常高(转化效率大于95％)。但是，当在进气中额外存在o2的情况下，nh3、h2首先会被o2氧化，nox转化效率将大幅下降。
42.目前，柴油机后处理装置使用选择性催化还原装置(scr，selective catalytic reduction)，scr技术用于降低排气中的nox排放，通过喷射尿素的方式来添加氨气(nh3)并与nox发生选择性还原反应，将nox转化成对环境友好的n2。
43.由于在任何燃烧模式下现有组合式后处理装置均无法高效处理氨燃料内燃机排气中的有害污染物，造成部分有害污染物排入大气中。
44.参照图1～图2，本发明的一种氨内燃机的后处理装置作出如下实施例：
45.如图1所示，本实施例的后处理装置包括氨内燃机、三元催化器100、选择性催化还原装置200。
46.其中本领域的技术人员将明白，氨内燃机为本领域已知的以液态氨或者气态氨为主要燃料的往复活塞式四冲程内燃机，本发明中氨内燃机的燃烧模式是稀燃模式，如此可
以提高内燃机的热效率实现更高的燃油经济性。同时，因为是稀燃模式，内燃机的排气中含有部分未参与燃烧的o2。
47.氨内燃机上设有进气管和排气管，进气管用于将新鲜空气引入内燃机并与氨燃料一同参与燃烧，排气管用于将内燃机的排气引出，本领域的技术人员将明白，进气管和排气管为本领域已知的内燃机进气管和排气管。
48.三元催化器100和选择性催化还原装置200依次串联于排气管下游，三元催化器100利用其中的催化剂同时对排气中的nh3、h2、nox三种排放物进行催化反应，使其转变为无污染的n2和h2o，而选择性催化还原装置200是利用装置中催化剂的催化作用使还原剂nh3和h2"有选择性"地与排气中的nox反应并生成无毒无污染的n2和h2o，
49.在排气管和选择性催化还原装置200之间除设有三元催化器100外，还并联设有还原性气体旁通阀300，如此，排气管中的排气部分流经三元催化器100，另外一部分流经还原性气体旁通阀300，最后两部分排气汇合到一起进入选择性催化还原装置200。
50.其中，本实施例的三元催化器100的催化剂采用贵金属三效催化剂或非贵金属催化剂其中的一种，贵金属三效催化剂采用铂(pt)、钯(pd)、铑(rh)为主要成分的贵金属催化剂，而非贵金属催化剂采用钙钛矿型催化剂。
51.而选择性催化还原装置200的催化剂采用负载型贵金属催化剂、金属氧化物催化剂或者分子筛催剂其中的一种，其中贵负载型贵金属催化剂有pt/al2o3和pd/al2o3等，金属氧化物催化剂有钒基、锰基和铜基催化剂，分子筛催剂有铁基分子筛和铜基分子筛催化剂。
52.在使用时，三元催化器100利用其中的催化剂同时对排气中的nh3、h2、nox三种排放物进行催化反应，使其转变为无污染的n2和h2o，但是由于排气中含有未参与燃烧反应的o2，三元催化器100能够将进入其中的排气中绝大多少nh3和h2氧化，而排气中nox被还原的比例较低，导致三元催化器100出口排气中含有大量未被还原的nox和少量具有还原性的nh3和h2。
53.本技术设置的还原性气体旁通阀300与三元催化器100为并联关系，其在三元催化器100入口将一部分排气引出，之后又将该部分排气引入到三元催化器100的出口，与流经三元催化器100的另外一部分排气汇合进入择性催化还原装置。采用稀燃模式的氨内燃机排气中含有不同浓度的nh3、h2和nox气体，其中nh3和h2的浓度远大于nox浓度，经还还原性气体旁通阀300引出的排气中的nh3、h2和nox的浓度符合该特征，但是，如上所述三元催化器100出口排气中nh3和h2的浓度远小于nox浓度，进而可通过控制还原性气体旁通阀300的开度，控制流经其排气的量，即可使进入选择性催化还原装置200的排气中nh3、h2和nox浓度合理。
54.由于选择性催化还原装置200是利用装置中催化剂的催化作用使还原剂nh3和h2"有选择性"地与排气中的nox反应并生成无毒无污染的n2和h2o，如上述进入选择性催化还原装置200的排气中nh3、h2和nox浓度合理，在选择性催化还原装置200中绝大多数nox被nh3和h2还原为n2和h2o。
55.并且根据催化剂的种类不同，选择性催化还原装置200中的催化反应最佳温度范围不同，除在低温冷启动期间由于温度较低会对反应速率(nox转化效率)有较大影响外，大部分的正常热机工况下选择性催化还原装置200的转化效率均较高，而三元催化器100的催
化反应主要是放热反应，放出的热量可提高下游排气温度，利于下游的选择性催化还原装置200的转化效率的提升，尤其在低温启动阶段尤其如此。
56.并且，本实施例在选择性催化还原装置200的入口安装有排气温度传感器500，排气温度传感器500用于检测选择性催化还原装置200入口的排气温度，从而用于判断选择性催化还原装置200入口温度是否足够使其能够进行选择性催化还原反应，同时判断选择性催化还原反应的反应速率(nox的转换效率)。
57.进一步地，为了保证nox的转化效率，进入选择性催化还原装置200的排气中nh3和h2中浓度往往会有一定程度的富余，为此需要在其排入大气前将其氧化，本实施例的选择性催化还原装置200的下游设有氨逃逸催化器400，目前柴油机后处理装置也使用氨逃逸催化器(asc，ammonia slip catalyst)，asc技术是一种能有效地将氨气转化为氮气的新兴技术，作为现阶段柴油车后处理系统的最终单元来处理泄漏的nh3。本实施例氨逃逸催化器400利用装置中催化剂催化氧化选择性催化还原装置200排出的未参与反应的nh3和h2。
58.氨逃逸催化器400的催化剂采用贵金属催化剂、金属氧化物催化剂或者分子筛催剂。贵金属催化剂有pt、pd、银(ag)和钌(ru)催化剂，金属氧化物催化剂有五氧化二矾(v2o5)、二氧化锰(mno2)和三氧化二铁(fe2o3)催化剂，分子筛催剂有铁基分子筛和铜基分子筛催化剂。
59.而在所述选择性催化还原装置200与氨逃逸催化器400之间安装有nox浓度传感器600。nox浓度传感器600用于检测选择性催化还原装置200出口的nox浓度。
60.为了实现自动的控制，本实施例还包括电控单元700，电控单元700与nox浓度传感器600通过数据线连接，电控单元700采集nox浓度传感器600的输出的表征nox浓度信号。电控单元700与排气温度传感器500通过数据线连接，电控单元700采集排气温度传感器500的输出的表征排气温度信号。电控单元700与还原性气体旁通阀300通过数据线连接，电控单元700输出控制信号控制还原性气体旁通阀300的开度。
61.电控单元700采集排气温度传感器500和nox浓度传感器600的信号，并根据内部的控制逻辑产生相应的控制输出，其控制输出的作用对象为还原性气体旁通阀300，调整还原性气体旁通阀300的开度，合理分配排气流经三元催化器100和还原性气体旁通阀300的比例，确保选择性催化还原装置200入口nh3和h2、nox三者浓度合理，从而使选择性催化还原装置200尽可能将排气中nox消除掉。
62.优选的，还原性气体旁通阀300为能够承受高温的蝶阀。本领域的技术人员将明白，还原性气体旁通阀300可为本领域已知的可实现流量控制的各种阀门。
63.采用本发明的后处理装置，对应的排放控制方法如下：
64.s1、氨内燃机开始启动，所述的启动方法可以使用任何公知的控制方式，本发明不予详述。
65.s2、氨内燃机进入运行状态，根据电控系统的预先设定，控制还原性气体旁通阀300保持全关。此时内燃机处于了逐渐热机过程，所有内燃机的排气管的排气均经过三元催化器100，使三元催化器100尽快地升温达到工作状态。接下来进行温度判定环节。
66.s3、温度判定环节中，电控单元700将排气温度传感器500输出的温度信号值与预设限值进行对比，并判定选择性催化还原装置200入口的排气温度是否达到限值。如果没有达到限值，仍然保持还原性气体旁通阀300保持全关。如果达到限值，根据电控单元700预设
调整还原性气体旁通阀300开度，控制选择性催化还原装置200的入口排气中nh3和h2、nox三者浓度，并进入nox浓度判定环节。
67.s4、nox浓度判定环节中，电控单元700将排nox浓度传感器600的nox浓度信号值与预设限值进行对比，判定选择性催化还原装置200出口的nox浓度是否达标，即选择性催化还原装置200是否高效处理排气中的nox。如果不达标，电控单元700根据nox浓度和排气温度传感器的温度信号，修正还原性气体旁通阀300的开度，从而实现闭环控制。如果达标，保持还原性气体旁通阀300的开度，并进入停机判定环节。
68.s5、停机判定环节中，判定是否有发动机停机请求。如果有停机请求发动机进行停机操作，否则重新回到nox浓度判定环节中。
69.依据以上排放控制方法氨内燃机工作过程，排放控制方法的输出(还原性气体旁通阀300的开度)仅限于后处理装置，无需对内燃机的稀燃程度进行调整以增加排气中的nh3和h2的浓度，即排放控制方法与发动机的燃烧控制实现解耦。
70.本实施例通过控制还原性气体旁通阀300分流排气比例、以及利用三元催化器100中nh3和h2的氧化放热，来提高选择性催化还原装置200的转化效率，能够更加高效处理氨内燃机排气中有害污染物排放，能够更加高效处理排气中有害污染物排放，防止有害污染物排入大气；采用本发明的后处理装置的氨内燃机能够持续工作在稀燃模式，提高了发动机的热效率；采用本发明的后处理装置及其控制方法，可实现后处理的排放控制与发动机的燃烧控制实现解耦，提高排放控制的稳定性和鲁棒性，并且简化内燃机和排气后处理的标定工作。
71.以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。