柴油机氮氧化物后处理系统、控制方法及其应用.pdf

一种柴油机氮氧化物后处理系统，其包括排气管、催化反应器、尿素喷射系统、控制器以及氮氧化物传感器。所述柴油机氮氧化物后处理系统还包括位于所述排气管中的质量流量计、与所述质量流量计相配合的压差传感器、温度传感器以及绝对压力传感器，其中上述各种传感器均与所述控制器相连，所述控制器能够根据输入的信号调整所述尿素喷射系统的喷射量。本发明的有益效果是能够实现对氮氧化物的实时测量与计算，不再依赖后处理系统发动机标定这一过程。另外，本发明还涉及上述后处理系统的控制方法及其应用。

1.  一种不依赖标定的柴油机氮氧化物后处理系统，所述柴油机氮氧化物后处理系统包括用以与发动机相连的排气管、位于所述排气管内的催化反应器、用以向所述排气管内喷射尿素的尿素喷射系统、用以控制所述柴油机氮氧化物后处理系统的控制器以及安装在所述发动机与所述催化反应器之间且用以测量所述排气管中氮氧化物浓度的氮氧化物传感器，其特征在于：所述柴油机氮氧化物后处理系统还包括位于所述排气管中的质量流量计、与所述质量流量计相配合的压差传感器、用以测量排气温度的温度传感器以及用以测量排气绝对压力的绝对压力传感器，其中所述压差传感器、所述温度传感器、所述绝对压力传感器以及所述氮氧化物传感器均与所述控制器相连，所述控制器根据输入的信号调整所述尿素喷射系统的喷射量。

2.  如权利要求1所述的柴油机氮氧化物后处理系统，其特征在于：所述质量流量计为文丘里管或者皮托管或者涡街流量计。

3.  如权利要求2所述的柴油机氮氧化物后处理系统，其特征在于：所述质量流量计为文丘里管，所述文丘里管设有具有不同截面积的第一截面以及第二截面，所述压差传感器用以测量排气在经过所述第一截面与所述第二截面时的压差。

4.  如权利要求3所述的柴油机氮氧化物后处理系统，其特征在于：所述压差传感器的一端连接在所述第一截面处，所述压差传感器的另一端连接在所述第二截面处。

5.  如权利要求1所述的柴油机氮氧化物后处理系统，其特征在于：所述压差传感器、所述温度传感器以及所述绝对压力传感器均位于所述催化反应器的上游。

6.  如权利要求1所述的柴油机氮氧化物后处理系统，其特征在于：所述压差传感器、所述温度传感器以及所述绝对压力传感器均位于所述催化反应器的下游。

7.  如权利要求1所述的柴油机氮氧化物后处理系统，其特征在于：所述催化反应器为选择性催化还原剂。

8.  如权利要求1所述的柴油机氮氧化物后处理系统，其特征在于：所述尿素喷射系统包括尿素箱、与所述尿素箱相连的泵以及与所述泵相连且用以向所述排气管中喷射尿素的尿素喷嘴，所述尿素喷嘴与所述控制器之间具有信号通讯。

9.  一种柴油机氮氧化物后处理系统的控制方法，其特征在于，所述柴油机氮氧化物后处理系统为权利要求1至8项中任意一项所述的柴油机氮氧化物后处理系统，所述控制方法包括：
所述压差传感器、所述温度传感器、所述绝对压力传感器以及所述氮氧化物传感器将检测到的信号发送给所述控制器；
所述控制器根据上述信号计算出所述排气管中需要处理的氮氧化物的总流量；
所述控制器根据所述氮氧化物的总流量计算出尿素喷射率，并对所述尿素喷射系统进行控制。

10.  一种柴油机氮氧化物后处理系统在大功率柴油发动机的后处理系统中的应用，其特征在于，所述柴油机氮氧化物后处理系统为权利要求1至8项中任意一项所述的柴油机氮氧化物后处理系统，所述大功率柴油发动机的功率超过500千瓦。

柴油机氮氧化物后处理系统、控制方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种柴油机氮氧化物后处理系统、控制方法及其应用，尤其涉及一种不依赖标定的柴油机氮氧化物后处理系统、控制方法及其应用。
背景技术
大发动机后处理系统的应用与小发动机的区别很大。对于特定车型的小型发动机发动机，标定完成的后处理系统可以卖出几千以上套，均摊标定成本很低。对于大发动机的后处理系统数量级为几十，最多为几百。且大发动机种类繁多，应用类型多变，标定工作复杂且标定均摊成本很高。在标定时，需要大的测功机，消耗大量燃油，因此标定困难、成本高。例如，某些旧船改造项目，即没有空间安装测功机，也无法在船舶静止的时候实现全循环变化。即使可以通过特殊方法实现，每次标定燃油消耗以万元为单位计算。再例如，有些柴油机主机厂的下线检测试验车间的后处理系统，往往是一根排气管对应多台不同功率的发动机，通过标定基于发动机工况判定喷射量的后处理系统显然无法应用。
因此，需要提供一种新的方案以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不依赖标定的柴油机氮氧化物后处理系统、控制方法及其应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种不依赖标定的柴油机氮氧化物后处理系统，所述柴油机氮氧化物后处理系统包括用以与发动机相连的排气管、位于所述排气管内的催化反应器、用以向所述排气管内喷射尿素的尿素喷射系统、用以控制所述柴油机氮氧化物后处理系统的控制器以及安装在所述发动机与所述催化反应器之间且用以测量所述排气管中氮氧化物浓度的氮氧化物传感器，所述柴油机氮氧化物后处理系统还包括位于所述排气管中的质量流量计、与所述质量流量计相配合的压差传感器、用以测量排气温度的温度传感器以及用以测量排气绝对压力的绝对压力传感器，其中所述压差传感器、所述温度传感器、所述绝对压力传感器以及所述氮氧化物传感器均与所述控制器相连，所述控制器根据输入的信号调整所述尿素喷射系统的喷射量。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述质量流量计为文丘里管或者皮托管或者涡街流量计。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述质量流量计为文丘里管，所述文丘里管设有具有不同截面积的第一截面以及第二截面，所述压差传感器用以测量排气在经过所述第一截面与所述第二截面时的压差。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述压差传感器的一端连接在所述第一截面处，所述压差传感器的另一端连接在所述第二截面处。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述压差传感器、所述温度传感器以及所述绝对压力传感器均位于所述催化反应器的上游。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述压差传感器、所述温度传感器以及所述绝对压力传感器均位于所述催化反应器的下游。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述催化反应器为选择性催化还原剂。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述尿素喷射系统包括尿素箱、与所述尿素箱相连的泵以及与所述泵相连且用以向所述排气管中喷射尿素的尿素喷嘴，所述尿素喷嘴与所述控制器之间具有信号通讯。
本发明还提供了一种柴油机氮氧化物后处理系统的控制方法，其特征在于，所述柴油机氮氧化物后处理系统为上述的柴油机氮氧化物后处理系统，所述控制方法包括：
所述压差传感器、所述温度传感器、所述绝对压力传感器以及所述氮氧化物传感器将检测到的信号发送给所述控制器；
所述控制器根据上述信号计算出所述排气管中需要处理的氮氧化物的总流量；
所述控制器根据所述氮氧化物的总流量计算出尿素喷射率，并对所述尿素喷射系统进行控制。
本发明还提供了一种柴油机氮氧化物后处理系统在大功率柴油发动机的后处理系统中的应用，其特征在于，所述柴油机氮氧化物后处理系统为上述的柴油机氮氧化物后处理系统，所述大功率柴油发动机的功率超过500千瓦。
相较于现有技术，本发明增加了质量流量计，通过压差传感器、温度传感器、绝对压力传感器以及所述氮氧化物传感器等测量参数，能够实现氮氧化物的实时测量与计算。所述控制器根据输入的信号调整所述尿素喷射系统的喷射量，不再依赖后处理系统发动机标定这一过程。
附图说明
图1是本发明柴油机氮氧化物后处理系统的原理图。
图2是本发明质量流量计、压差传感器以及排气管的局部剖视示意图。
具体实施方式
请参图1及图2所示，本发明揭示了一种不依赖标定的柴油机氮氧化物后处理系统100，其包括用以与发动机200相连的排气管1、位于所述排气管1内的催化反应器2、用以向所述排气管1内喷射尿素的尿素喷射系统3、用以控制所述柴油机氮氧化物后处理系统100的控制器4以及安装在所述发动机200与所述催化反应器2之间且用以测量所述排气管1中氮氧化物浓度的氮氧化物传感器51。
在本发明的一种实施方式中，所述柴油机氮氧化物后处理系统100应用在大功率柴油发动机的后处理系统中，所谓大功率柴油发动机一般是指其功率超过500千瓦。
鉴于大功率柴油发动机后处理系统的标定是困难且昂贵的，在某些复杂的应用场合甚至是不可能的。本发明的不依赖标定的柴油机氮氧化物后处理系统100、控制方法及其应用可以让用户实现“即插即用”，免除标定这一过程，可以降低集成难度及安装成本。
在本发明图示的实施方式中，所述催化反应器2为选择性催化还原剂（SCR）。
请参图1所示，所述柴油机氮氧化物后处理系统100还包括位于所述排气管1中的质量流量计6、与所述质量流量计6相配合的压差传感器52、用以测量排气温度的温度传感器53以及用以测量排气绝对压力的绝对压力传感器54，其中所述压差传感器52、所述温度传感器53、所述绝对压力传感器54以及所述氮氧化物传感器51均与所述控制器4相连，所述控制器4根据输入的信号调整所述尿素喷射系统3的喷射量。
在本发明图示的实施方式中，所述尿素喷射系统3包括尿素箱31、与所述尿素箱31相连的泵32以及与所述泵32相连且用以向所述排气管1中喷射尿素的尿素喷嘴33，所述尿素喷嘴33与所述控制器4之间具有信号通讯。
请参图2所示，在本发明图示的实施方式中，所述质量流量计6为文丘里管。当然，所属技术领域的技术人员能够理解，所述质量流量计6还可以是皮托管或者涡街流量计等。
以下仅以文丘里管为例，结合公式对本发明进行说明。当然，参考教科书，皮托管或者涡街流量计也有相对应的算法，并且该算法对所属技术领域的技术人员是能够理解的，在此不再赘述。
从结构上看，所述文丘里管设有具有不同截面积的第一截面以及第二截面，在设计时能够知晓所述第一截面与所述第二截面的数值关系。
请参图2所示，所述压差传感器52的一端连接在所述第一截面处，另一端连接在所述第二截面处，以测量排气（废气）在经过所述第一截面与所述第二截面时的压差△P，△P=P1-P2，其中：
P1表示第一截面处的压力；
P2表示第一截面处的压力；
所述压差△P能够通过所述压差传感器52测得。
因为所述排气管1中的排气流动的马赫数一般小于0.3，所以可以按照不可压缩流体进行计算。对于特定时刻，所述排气管1中的排气流动可视为稳态。
基于以上分析，所述排气管1中的排气流动满足如下公式：
（1）连续性方程：A1v1 = A2v2，其中：
A1表示第一截面的截面积；
v1表示排气在经过第一截面时的流速；
A2表示第二截面的截面积；
v2表示排气在经过第二截面时的流速；
（2）伯努利方程：                                                ，其中：
   P1表示第一截面处的压力；
v1表示排气在经过第一截面时的流速；
P2表示第二截面处的压力；
v2表示排气在经过第二截面时的流速；
表示排气密度；
（3）气体方程：，其中：
P表示排气管中的排气压力；
R_g表示常数，例如R_g=28.8；
T表示排气温度；
表示排气密度；
（4）设计给定：A1=mA2，其中：
A1表示第一截面的截面积；
A2表示第二截面的截面积；
m表示系数；
根据以上方程（1）～（4），可以得出：
（5）其中：
v1表示排气在经过第一截面时的流速；
n表示系数；
△P表示排气在经过第一截面与第二截面时的压差；
T表示排气温度；
P表示排气管中的排气压力；
而排气流速v1与排气质量流量关系密切，可按照如下公式估算：
（6）其中：
m^._exh表示排气质量流量；
k表示修正系数；
A₀表示图2中所示位置处的截面积；
△P表示排气在经过第一截面与第二截面时的压差；
P表示排气管中的排气压力；
R_g表示发动机废气的气体常数，一般认为R_g=28.8；
T表示排气温度；
通过上述公式能够计算得到排气质量流量m^._exh，再结合如下公式即可算出所需喷射的尿素的喷射率m^._urea
（7），其中：
m^._urea表示尿素的喷射率；
s表示修正系数；
C_urea表示尿素水溶液的浓度；
NSR表示氮氧化物的目标消除率；
N表示氮氧化物的体积浓度；
m^._exh表示排气质量流量；
综上所述，通过所述温度传感器53测量得到排气温度T，通过所述绝对压力传感器54测量得到排气压力P，并结合上述公式就能计算出文丘里管的入口处的平均流速，这样就可以通过将管路中的排气流速估算出来。再根据所述氮氧化物传感器51测量得到氮氧化物的体积浓度N，则可计算得到排气管1内的氮氧化物的总流量。在此基础上，控制器4控制所述尿素喷嘴33根据排气管1内的氮氧化物的总流量，确定相对应的喷射量，完成还原剂的喷射，实现减排。
在本发明图示的实施方式中，所述压差传感器52、所述温度传感器53以及所述绝对压力传感器54均位于所述催化反应器2的上游。当然，可以理解，所述压差传感器52、所述温度传感器53以及所述绝对压力传感器54也可以均位于所述催化反应器2的下游。
本发明还提供了一种柴油机氮氧化物后处理系统的控制方法，其特征在于，所述柴油机氮氧化物后处理系统为上述的柴油机氮氧化物后处理系统100，所述控制方法包括：
所述压差传感器52、所述温度传感器53、所述绝对压力传感器54以及所述氮氧化物传感器51将检测到的信号发送给所述控制器4；
所述控制器4根据上述信号计算出所述排气管1中需要处理的氮氧化物的总流量；
所述控制器4根据所述氮氧化物的总流量计算出尿素喷射率，并对所述尿素喷射系统3进行控制。
相较于现有技术，本发明增加了质量流量计6，通过压差传感器52、温度传感器53、绝对压力传感器54以及所述氮氧化物传感器51等测量参数，能够实现氮氧化物的实时测量与计算。所述控制器4根据输入的信号调整所述尿素喷射系统3的喷射量，不再依赖后处理系统发动机标定这一过程。
另外，以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，对本说明书的理解应该以所属技术领域的技术人员为基础，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。