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1、(10)申请公布号 CN 103615299 A (43)申请公布日 2014.03.05 CN 103615299 A (21)申请号 201310596006.5 (22)申请日 2013.11.21 F01N 3/18(2006.01) (71)申请人 同济大学 地址 200092 上海市杨浦区四平路 1239 号 (72)发明人 楼狄明 姚笛 胡志远 谭丕强 胡磬遥 (74)专利代理机构 上海光华专利事务所 31219 代理人 李仪萍 (54) 发明名称 设计柴油机后处理系统的方法及系统 (57) 摘要 本发明提供一种设计柴油机后处理系统的方 法及系统。先在柴油机无任何后处理系统时， 。
2、记 录柴油机工况试验不同喷油组合下的各 NOX、 THC、 CO、 PM 排放以及 BSFC 值， 以确定最优正时及轨压 参数， 再基于第一优化规则来确定最优喷油参数 ； 同时基于排气流量和排气温度万有特性来设计多 个 DOC+CDPF 催化器样品结构， 以制备出相应催化 器， 随后在柴油机安装制备的催化器后， 记录相应 催化器的 PM 转化率、 背压及成本， 再基于第二优 化规则确定最优催化器的相关信息， 以制备出最 优催化器 ； 最后， 在优化了燃油系统的柴油机安 装最优催化器后， 记录 SCR 的 NOX转化率及尿素泄 漏量， 再基于第三优化规则确定最优尿素喷射量， 由此设计出后处理系统。
3、。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103615299 A CN 103615299 A 1/2 页 2 1. 一种设计柴油机后处理系统的方法， 其特征在于， 所述设计柴油机后处理系统的方 法至少包括 ： 在柴油机无任何后处理系统的情形下， 记录柴油机基于不同正时及轨压参数所进行的 各 ESC 工况试验中的各 NOX、 THC、 CO、 PM 排放以及 BSFC 值， 以确定最优正时及轨压参数 ； 基于第一优化规则、 所述最优正时。
4、及轨压参数来确定柴油机的最优喷油参数 ； 基于排气流量和排气温度万有特性来设计多个 DOC+CDPF 催化器样品结构， 以便制备 出相应的 DOC+CDPF 催化器 ； 在柴油机安装有所制备的各 DOC+CDPF 催化器的情形下， 记录柴油机基于所确定的最 优正时及轨压参数、 喷油参数进行各 ESC 工况试验时， 相应 DOC+CDPF 催化器的 PM 转化率、 背压、 及成本 ； 基于第二优化规则、 所记录的各DOC+CDPF催化器的PM转化率、 背压、 及成本， 来确定最 优 DOC+CDPF 催化器的相关信息， 以便制备出最优 DOC+CDPF 催化器 ； 在柴油机安装有最优 DOC+C。
5、DPF 催化器的情形下， 记录柴油机基于各尿素喷射量所进 行的各 ESC 工况试验的 NOX转化率及尿素泄漏量 ； 基于第三优化规则、 所记录的尿素喷射量、 NOX转化率及尿素泄漏量来确定最优尿素喷 射量， 由此设计出柴油机的后处理系统。 2. 根据权利要求 1 所述的设计柴油机后处理系统的方法， 其特征在于 ： 第一优化规则 包括 ： 柴油机涡轮增压器后的NOx浓度最小、 以及油耗浓度、 颗粒物浓度、 THC浓度、 CO浓度、 BSFC 分别限制在各自的预定范围。 3. 根据权利要求 2 所述的设计柴油机后处理系统的方法， 其特征在于 ： 油耗浓度的预 定范围为柴油机原始状态的 102% 以。
6、下 ； 颗粒物浓度、 THC 浓度、 CO 浓度各自的预定范围分 别为柴油机各自的原始状态的 95% 以下 ； BSFC 为柴油机原始状态的 102% 以下。 4. 根据权利要求 1 所述的设计柴油机后处理系统的方法， 其特征在于 ： 第二优化规则 包括 ： DOC+CDPF 催化器成本最小、 经过 DOC+CDPF 催化器处理后的 PM 转化率高于第一预定 阈值、 背压小于第二预定阈值。 5. 根据权利要求 1 所述的设计柴油机后处理系统的方法， 其特征在于 ： 第三优化规则 包括 ： 经过 SCR 催化处理后的 NOx转化率最大、 尿素泄漏量小于第三预定阈值。 6. 一种设计柴油机后处理系。
7、统的设计系统， 其特征在于， 所述设计柴油机后处理系统 的设计系统至少包括 ： 记录模块， 用于在柴油机无任何后处理系统的情形下， 记录柴油机基于不同正时及轨 压参数所进行的各 ESC 工况试验中的各 NOX、 THC、 CO、 PM 排放以及 BSFC 值、 在柴油机安装有 所制备的各 DOC+CDPF 催化器的情形下， 记录柴油机基于所确定的最优正时及轨压参数、 喷 油参数进行各 ESC 工况试验时， 相应 DOC+CDPF 催化器的 PM 转化率、 背压、 及成本、 在柴油机 安装有最优DOC+CDPF催化器的情形下， 记录柴油机基于各尿素喷射量所进行的各ESC工况 试验的 NOX转化率。
8、及尿素泄漏量 ； 设计模块， 用于基于排气流量和排气温度万有特性来设计多个 DOC+CDPF 催化器样品 结构， 以便制备出相应的 DOC+CDPF 催化器 ； 优化模块， 用于基于第一优化规则、 所述最优正时及轨压参数来确定柴油机的最优喷 油参数、 基于第二优化规则、 所记录的各 DOC+CDPF 催化器样品的 PM 转化率、 背压、 及成本， 权 利 要 求 书 CN 103615299 A 2 2/2 页 3 来确定最优 DOC+CDPF 催化器的相关信息、 基于第三优化规则、 所记录的尿素喷射量、 NOX转 化率及尿素泄漏量来确定最优尿素喷射量。 7. 根据权利要求 6 所述的设计柴油。
9、机后处理系统的设计系统， 其特征在于 ： 所述记录 模块基于柴油机试验台架来构建。 8. 根据权利要求 1 所述的设计柴油机后处理系统的设计系统， 其特征在于 ： 所述确定 模块基于柴油机的实验设计软件来构建。 9. 根据权利要求 1 所述的设计柴油机后处理系统的设计系统， 其特征在于 ： 所述优化 模块基于柴油机的优化软件来构建。 权 利 要 求 书 CN 103615299 A 3 1/5 页 4 设计柴油机后处理系统的方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及柴油机后处理系统， 特别是涉及一种设计柴油机后处理系统的方法及 系统。 背景技术 0002 柴油机有着功率大、 经济性能好等特点。。
10、但柴油机的 NOX及颗粒物排放普遍较高， 为此， 各种排放处理系统也应运而生。 0003 例如， 在申请号为 200880120587.2 的中国专利文献中， 公开了一种排放处理系 统， 其通过在废气流路径中的发动机下游位置设置柴油机氧化催化剂， 来减少柴油机废气 流中的氮氧化物、 颗粒物及气态烃等。 0004 又例如， 在申请号为 201110208045.4 的中国专利文献中， 公开了一种排放气体后 处理系统， 其在发动机排放的排放气体通路上设置排放管线， 并在该排放管线上设置汽油 微粒过滤器来对排放的气体进行处理。 0005 然而， 未来的排放标准对 NOX和颗粒物的排放要求十分严苛， 。
11、仅机内净化很难达 到标准， 需通过调整燃油策略并采用选择性催化还原 （Selective Catalytic Reduction， SCR） 尿素喷射技术来降低排气 NOX， 并通过柴油机氧化催化 （Diesel Oxidation Catalyst， DOC） + 有涂层颗粒捕集 （coated Diesel Particulate Filter， CDPF） 来有效脱除尾气中的 颗粒物。 0006 其中， SCR 原理是将尿素与水以适当比例 ( 浓度一般为 32.5%) 混合， 喷入柴油机 排出的废气中。在催化剂作用下， 作为还原剂的尿素在 230 500下将废气中的 NOX还原 成无害的。
12、 N2和 H2O， 由此可以将柴油机尾气中的 NOX减少 50% 以上。DOC 对脱除柴油机排放 微粒中的可溶性有机成分具有良好的效果， 可溶性有机成分在贵金属催化剂的作用下发生 氧化反应转化为 CO2和 H2O 而除去。CDPF 是在颗粒捕集器 DPF 载体上涂覆催化剂， 利用催 化剂降低微粒的活化反应能， 使微粒可以在柴油机较大范围的运行工况达到被动再生。 0007 虽然， DOC+CDPF有着很高的颗粒物捕集效率， 但如何进一步降低NOX浓度是主要的 难关。 发明内容 0008 鉴于以上所述现有技术的缺点， 本发明的目的在于提供一种设计柴油机后处理系 统的方法及系统， 用于解决高压共轨柴。
13、油机 NOX排放及颗粒物数量存在 “trade-off” 关系 超出排放标准的问题。 0009 为实现上述目的及其他相关目的， 本发明提供一种设计柴油机后处理系统的方 法， 其至少包括 ： 0010 在柴油机无任何后处理系统的情形下， 记录柴油机基于不同正时及轨压参数所进 行的各 ESC 工况试验中的各 NOX、 THC、 CO、 PM 排放以及 BSFC 值， 以确定最优正时及轨压参 数 ； 说 明 书 CN 103615299 A 4 2/5 页 5 0011 基于第一优化规则、 所述最优正时及轨压参数来确定柴油机的最优喷油参数 ； 0012 基于排气流量和排气温度万有特性来设计多个 DO。
14、C+CDPF 催化器样品结构， 以便 制备出相应的 DOC+CDPF 催化器 ； 0013 在柴油机安装有所制备的各 DOC+CDPF 催化器的情形下， 记录柴油机基于所确定 的最优正时及轨压参数、 喷油参数进行各 ESC 工况试验时， 相应 DOC+CDPF 催化器的 PM 转化 率 pM、 背压 Pb、 及成本 ； 0014 基于第二优化规则、 所记录的各 DOC+CDPF 催化器的 PM 转化率 pM、 背压 Pb、 及成 本， 来确定最优 DOC+CDPF 催化器的相关信息 ； 0015 在柴油机安装有最优 DOC+CDPF 催化器的情形下， 记录柴油机基于各尿素喷射量 所进行的各 E。
15、SC 工况试验的 NOX 转化率及尿素泄漏量 ； 0016 基于第三优化规则、 所记录的尿素喷射量、 NOX转化率及尿素泄漏量来确定最优尿 素喷射量， 由此设计出柴油机的后处理系统。 0017 优选地， 第一优化规则包括 ： 柴油机涡轮增压器后的 NOx 浓度最小、 以及油耗浓 度、 颗粒物浓度、 THC 浓度、 CO 浓度、 BSFC 分别限制在各自的预定范围 ； 更为优选地， 油耗浓 度的预定范围为柴油机原始状态的 102% 以下 ； 颗粒物浓度、 THC 浓度、 CO 浓度各自的预定 范围分别为柴油机各自的原始状态的 95% 以下 ； BSFC 为柴油机原始状态的 102% 以下。 00。
16、18 优选地， 第二优化规则包括 ： DOC+CDPF 催化器成本最小、 经过 DOC+CDPF 催化器处 理后的 PM 转化率 PM高于第一预定阈值、 背压小于第二预定阈值。 0019 优选地， 第三优化规则包括 ： 经过 SCR 催化处理后的 NOx转化率最大、 尿素泄 漏量小于第三预定阈值。 0020 本发明还提供一种设计柴油机后处理系统的设计系统， 其至少包括 ： 0021 记录模块， 用于在柴油机无任何后处理系统的情形下， 记录柴油机基于不同正时 及轨压参数所进行的各 ESC 工况试验中的各 NOX、 THC、 CO、 PM 排放以及 BSFC 值、 在柴油机安 装有所制备的各 DO。
17、C+CDPF 催化器的情形下， 记录柴油机基于所确定的最优正时及轨压参 数、 喷油参数进行各 ESC 工况试验时， 相应 DOC+CDPF 催化器的 PM 转化率 pM、 背压 Pb、 及成 本、 在柴油机安装有最优 DOC+CDPF 催化器的情形下， 记录柴油机基于各尿素喷射量所进行 的各 ESC 工况试验的 NOX转化率及尿素泄漏量 ； 0022 设计模块， 用于基于排气流量和排气温度万有特性来设计多个 DOC+CDPF 催化器 样品结构， 以便制备出相应的 DOC+CDPF 催化器 ； 0023 优化模块， 用于基于第一优化规则、 所述最优正时及轨压参数来确定柴油机的最 优喷油参数、 基。
18、于第二优化规则、 所记录的各 DOC+CDPF 催化器样品的 PM 转化率 pM、 背压 Pb、 及成本， 来确定最优 DOC+CDPF 催化器的相关信息、 基于第三优化规则、 所记录的尿素喷 射量、 NOX转化率及尿素泄漏量来确定最优尿素喷射量。 0024 优选地， 所述记录模块基于柴油机试验台架来构建。 0025 优选地， 所述确定模块基于柴油机的实验设计软件来构建。 0026 优选地， 所述优化模块基于柴油机的优化软件来构建。 0027 如上所述， 本发明的设计柴油机后处理系统的方法及系统， 具有以下有益效果 ： 基 于优化燃油喷射策略及 SCR 控制策略， 结合 DOC+CDPF 选型。
19、及设计， 设计形成了一个以满足 标准 NOX排放为首要目标， 同时将氨泄漏以及颗粒物数量、 质量浓度限定在标准范围内的后 说 明 书 CN 103615299 A 5 3/5 页 6 处理系统。 附图说明 0028 图 1 显示为本发明的设计柴油机后处理系统的设计系统示意图。 0029 图 2 显示为本发明的设计柴油机后处理系统的设计方法的流程图。 0030 元件标号说明 0031 1 设计系统 0032 11 记录模块 0033 12 设计模块 0034 13 优化模块 0035 S1 S7 步骤 具体实施方式 0036 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式， 本领域技术人员可由本说明。
20、书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。 本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用， 本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用， 在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。 0037 请参阅图 1 至图 2。需要说明的是， 本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明 本发明的基本构想， 遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、 形状及尺寸绘制， 其实际实施时各组件的型态、 数量及比例可为一种随意的改变， 且其 组件布局型态也可能更为复杂。 0038 如图 1 所示， 本发明提供一种设计柴油机后处理系统的设计系统。所述设计系统 1 至少包括 。
21、： 记录模块 11、 设计模块 12、 以及优化模块 13。 0039 所述记录模块 11 用于记录柴油机进行 ESC（european stationary cycle， 欧洲 稳态测试循环） 各工况下不同喷油参数试验的相关信息， 例如， 在柴油机无任何后处理系统 的情形下， 所述记录模块11记录柴油机基于不同正时及轨压参数所进行的ESC各工况试验 中的各 NOX、 THC、 CO、 PM 排放以及 BSFC 值等 ； 又例如， 在柴油机安装有所制备的各 DOC+CDPF 催化器的情形下， 所述记录模块 11 记录柴油机基于所确定的最优正时及轨压参数、 喷油参 数进行各 ESC 工况试验时，。
22、 相应 DOC+CDPF 催化器样品的 PM 转化率 pM、 背压 Pb、 及成本等 ； 再例如， 在柴油机安装有基于最优DOC+CDPF催化器的情形下， 所述记录模块11记录柴油机 基于各尿素喷射量所进行的各 ESC 工况试验的 NOX转化率及尿素泄漏量等。 0040 所述记录模块 11 可基于任何能实现上述功能的器件或模块来构建， 例如， 基于柴 油机试验台架来构建等。 0041 所述设计模块12基于排气流量和排气温度万有特性来设计多个DOC+CDPF催化器 样品结构， 以便制备出相应的 DOC+CDPF 催化器。 0042 所述确定模块 12 可基于任何能实现上述功能的器件或模块来构建，。
23、 例如， 基于柴 油机的的实验设计软件， 例如， JMP 软件来构建等。 0043 所述优化模块13用于基于所述记录模块11所记录的各相关信息来确定DOC+CDPF 催化器及与 SCR 处理相关的各参数。例如， 所述优化模块 13 基于第一优化规则、 所述最 说 明 书 CN 103615299 A 6 4/5 页 7 优正时及轨压参数来确定柴油机的最优喷油参数 ； 又例如， 所述优化模块 13 基于第二优 化规则、 所记录的各 DOC+CDPF 催化器样品的 PM 转化率 pM、 背压 Pb、 及成本， 来确定最优 DOC+CDPF 催化器的相关信息 ； 再例如， 所述优化模块 13 基于第。
24、三优化规则、 所记录的尿素 喷射量、 NOX转化率及尿素泄漏量来确定最优尿素喷射量等。 0044 所述优化模块 13 可基于任何能实现上述功能的器件或模块来构建， 例如， 基于柴 油机的的优化软件， 例如， LINDO 软件来构建等。 0045 上述设计系统 1 的一种优选工作流程如图 2 所示。 0046 在步骤S1中， 在柴油机无任何后处理系统的情形下， 记录模块11记录柴油机基于 不同正时及轨压参数所进行的各 ESC 工况试验中的各 NOX、 THC、 CO、 PM 排放以及 BSFC 值， 以 确定最优正时及轨压参数。 0047 具体地， 以柴油机的正时、 轨压为变量， 不安装任何后处。
25、理的条件下进行 ESC 各工 况下不同喷油参数试验。其中， 试验方案一共有 13 个工况点， 每个工况点下有由空间填充 设计软件设计出的80100的试验点， 柴油机试验台架自动记录每个工况点下各试验点下 柴油机的 NOX、 THC、 CO、 PM 排放以及 BSFC。 0048 在步骤S2中， 优化模块13基于第一优化规则、 所述最优正时及轨压参数来确定柴 油机的最优喷油参数。 0049 具体地， 柴油机的优化软件根据第一优化规则进行计算， 计算出最优的正时、 轨压 参数。其中， 第一优化规则如下式 ： 0050 其中， THC原始、 CO原始、 BSFC原始、 PM原始均为柴油机的喷油参 数。
26、未作改变的条件下柴油机的排放数据。 0051 在步骤 S3 中， 设计模块 12 基于排气流量和排气温度万有特性来设计多个 DOC+CDPF 催化器样品结构， 以便制备出相应的 DOC+CDPF 催化器。 0052 具体地， 柴油机的实验设计软件根据排气流量和排气温度万有特性来设计一系列 DOC+CDPF 试验样品结构。 0053 在步骤 S4 中， 在柴油机安装有所制备的各 DOC+CDPF 催化器的情形下， 记录模块 11 记录柴油机基于所确定的最优正时及轨压参数、 喷油参数进行各 ESC 工况试验时， 相应 DOC+CDPF 催化器的 PM 转化率 pM、 背压 Pb、 及成本。 005。
27、4 在步骤 S5 中， 优化模块 13 基于第二优化规则、 所记录的各 DOC+CDPF 催化器的 PM 转化率 pM、 背压 Pb、 及成本， 来确定最优 DOC+CDPF 催化器的相关信息。 0055 具体地， 优化软件根据第二优化规则进行计算， 并优选出最优的 DOC+CDPF 的结构 和涂层配方， 以便基于该最优的DOC+CDPF的结构和涂层配方制备出最优DOC+CDPF催化器。 其中， 第二优化规则如下式 ： 说 明 书 CN 103615299 A 7 5/5 页 8 0056 其中， COST 为成本， Pblim为背压限值。 0057 在步骤 S6 中， 在柴油机安装有最优 D。
28、OC+CDPF 催化器的情形下， 记录模块 11 记录 柴油机基于各尿素喷射量所进行的各 ESC 工况试验的 NOX转化率及尿素泄漏量。 0058 具体地， 对加装有最优 DOC+CDPF 催化器、 且采用最优正时及轨压参数、 最优喷油 参数的柴油机， 进行 SCR 尿素喷射量实验。采用前述步骤 S1 中 9 个柴油机工况点逐一进行 尿素喷射量优化。在每一测试工况下， SCR 尿素喷射控制单元标定工具以 SCR 的尿素喷射 量变量， 在原始尿素喷射量30%范围内， 以5%为间隔进行尿素喷射， 柴油机测试台架自动 记录工况、 SCR 的 NOX转化率及尿素泄漏量。 0059 在步骤S7中， 优化。
29、模块13基于第三优化规则、 所记录的尿素喷射量、 NOX转化率及 尿素泄漏量来确定最优尿素喷射量， 由此来确定柴油机的后处理系统。 0060 具体地， 优化软件根据第三优化规则进行计算， 计算并优选出每一工况下最佳的 尿素喷射量。第三优化规则如下式 ： 0061 其中，为经过SCR催化处理后的NOx转化率 ； qlNH3为尿素泄 漏量。 0062 此外， 还可将配置有最优正时及轨压参数、 最优喷油参数的柴油机安装最优 DOC+CDPF 催化器， 并采用前述确定的最优尿素喷射量来进行总成测试， 如果发现问题则对 上述步骤 7 进行微调， 由此设计出柴油机的后处理系统。 0063 需要说明的是， 。
30、各步骤的顺序并非以上述所述为限， 例如， 步骤 S3 可在步骤 S1 或 S2 之前或同时执行等。 0064 综上所述， 本发明的设计柴油机后处理系统的方法及系统基于先主动提升柴油机 2% 的油耗以及颗粒物浓度， 使排气的 NOX浓度达到最低 ； 而对于升高的颗粒物数量、 质量 浓， 则由 DOC+CDPF 的高颗粒物捕集效率来弥补的策略， 结合 DOC+CDPF 选型及设计， 设计形 成了一个以满足标准 NOX排放为首要目标， 同时将氨泄漏以及颗粒物数量、 质量浓度限定在 标准范围内的后处理系统 ； 由此， 可使得基于采用本发明所设计的后处理系统来处理过的 废气， 其氨泄漏以及颗粒物数量、 。
31、质量浓度均能限定在标准范围内。所以， 本发明有效克服 了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。 0065 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效， 而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下， 对上述实施例进行修饰或改变。因 此， 举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变， 仍应由本发明的权利要求所涵盖。 说 明 书 CN 103615299 A 8 1/2 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103615299 A 9 2/2 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103615299 A 10 。