用于改善选择性催化还原系统热老化的系统及其工作方法

技术领域

本发明属于节能控制技术领域，具体涉及一种用于改善选择性催化还原系统热老化的系统及其工作方法。

背景技术

选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)技术由于其在稀薄燃烧条件下对氮氧化物具有较高的转化效率已被广泛应用于各类柴油车辆。该技术的原理是通过向SCR上游排气管内喷射尿素水溶液，使得尿素水溶液分解后产生的氨气随排气一起进入SCR，随后在催化剂的作用下，氨气将氮氧化物还原为无污染的氮气后排出。鉴于催化剂是决定SCR中选择性催化还原反应能否发生的核心要素，它的活性严重影响着SCR系统的转化效率，当SCR中的催化剂长期暴露在发动机的高温排气环境下，会不可避免的会发生热老化，进而导致SCR转化效率下降甚至失效。此外，当前车用SCR一般安装在柴油颗粒补集器(DPF)下游，当DPF进行主动再生时，发动机排气温度会不可避免的大幅升高，进一步加剧了SCR的热老化程度，严重影响其性能。

当前针对SCR催化剂热老化的问题，一般通过选择耐高温的金属催化剂材料来解决，如铁沸石催化剂、铜沸石催化剂。铁沸石催化剂具有最佳的高温性能，但其低温性能较差，在发动机排气温度较低且污染物排放浓度较高的运行工况下，其对污染物的转化效果可能无法达到相应的排放限值要求。铜沸石催化剂虽然在高温和低温环境下都具有较好的催化活性，但其极易受到硫、HC中毒的影响，因此而造成的化学老化可能比热老化更严重。相比之下，钒基催化剂能够有效避免上述两种催化剂中存在的低温性能差及化学中毒等缺点，但其高温耐久性差(在500-600℃的条件下会发生彻底失活)的缺点亦严重限制了该类型催化剂的应用。因此，如何改善SCR催化剂热老化已成为当前行业发展最为迫切的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于改善选择性催化还原系统热老化的系统及其工作方法，以解决如何改善使用SCR催化剂导致热老化的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种用于改善选择性催化还原系统热老化的系统，包括：发动机装置、有机朗肯循环装置、选择性催化还原器和控制装置，所述发动机装置、有机朗肯循环装置、选择性催化还原器分别与所述控制装置连接，所述发动机装置分别与所述有机朗肯循环装置、选择性催化还原器连接，所述有机朗肯循环装置还与所述选择性催化还原器连接；所述有机朗肯循环装置，包括第一蒸发器和第二蒸发器；

其中，所述发动机装置、有机朗肯循环装置、选择性催化还原器和控制装置构成第一有机工质循环通路和第二有机工质循环通路，所述第一有机工质循环通路依次通过第一蒸发器和第二蒸发器进行换热，所述第二有机工质循环通路通过第二蒸发器进行换热；

所述发动机装置用于驱动所述选择性催化还原器工作，所述控制装置通过调节所述有机朗肯循环装置以调控所述选择性催化还原器入口处的温度，使得所述温度为满足所述选择性催化还原器进行排气污染物转化时所需的最低转化效率所对应的最低温度。

进一步的，所述有机朗肯循环装置，还包括：

膨胀机、发电机、冷凝器、有机工质储液罐、工质泵、有机工质管路以及有机工质旁路；所述有机工质管路依次连接有机工质储液罐、工质泵、第一蒸发器、第二蒸发器、膨胀机以及冷凝器；所述有机工质旁通管路一端与所述工质泵的工质出口连通，其另一端与第二蒸发器的有机工质入口连通，以旁通第一蒸发器；所述膨胀机与所述发电机同轴连接；

其中，所述第一蒸发器设有第一入口和第一出口，所述第二蒸发器设有第二入口和第二出口。

进一步的，所述发动机装置，包括：

柴油发动机、柴油颗粒补集器、第一排气管路、第二排气管路、第三排气管路、第四排气管路及第五排气管路；

所述第一排气管路一端与柴油颗粒补集器出口连通，其另一端与所述选择性催化还原器的进口连通；所述第二排气管路一端与柴油颗粒补集器出口连通，其另一端与所述第一蒸发器的第一入口连通；所述第三排气管路的一端与所述第一蒸发器的第一出口连通，其另一端与所述选择性催化还原器的进口连通；所述第四排气管路一端与所述选择性催化还原器的出口连通，其另一端与所述第二蒸发器的第二进口连通；所述第五排气管路一端与所述第二蒸发器的第二出口连通。

进一步的，所述柴油发动机飞轮上设有发动机转速传感器，用于检测发动机转动信号；

所述柴油发动机进气管处设有发动机进气流量传感器，用于检测发动机进气流量；

所述柴油颗粒补集器进口处设有第一排气压力传感器，用于检测所述柴油颗粒补集器进口处的排气压力；所述柴油颗粒补集器出口处设有第二排气压力传感器，用于检测所述柴油颗粒补集器出口处的排气压力；

所述柴油颗粒补集器出口处还设有排气流量传感器，用于检测所述柴油颗粒补集器出口处的排气流量；

所述柴油颗粒补集器出口处还设有第一排气温度传感器，用于检测所述柴油颗粒补集器出口处的排气温度；

所述选择性催化还原器的入口处设有发动机排气温度传感器，用于检测经第一蒸发器降温后流出进入选择性催化还原器前的排气温度；

所述第五排气管路上设有第二排气温度传感器，用于检测流出第二蒸发器的排气温度。

进一步的，所述第一排气管路上设有第一电磁阀，用于所述第一排气管路的通断；

所述第二排气管路上设有第二电磁阀，用于所述第二排气管路的通断；

所述有机工质旁路上设有第三电磁阀，用于所述有机工质旁路的通断。

进一步的，所述控制装置包括：

控制模块，所述控制模块分别与所述发动机转速传感器、发动机进气流量传感器、第一排气压力传感器、第二排气压力传感器、排气流量传感器、第一排气温度传感器、发动机排气温度传感器、第二排气温度传感器、第一电磁阀、第二电磁阀以及第三电磁阀连接。

进一步的，所述控制模块还与所述工质泵连接；

所述控制模块通过调节所述工质泵转速以调节有机工质流量。

进一步的，所述选择性催化还原器采用SCR转化器。

本申请实施例提供一种用于改善选择性催化还原系统热老化的系统的工作方法，包括：

发动机装置驱动选择性催化还原器工作；

控制装置根据采集信号计算有机朗肯循环装置所需有机工质流量目标值；

所述控制装置还用于根据所述有机工质流量目标值调节所述有机朗肯循环装置的有机工质流量，以调控所述选择性催化还原器入口处的温度。

本发明采用以上技术方案，能够达到的有益效果包括：

本发明提供一种用于改善选择性催化还原系统热老化的系统及其工作方法，本申请中发动机装置驱动所述选择性催化还原器工作，控制装置通过调节有机朗肯循环装置以调控选择性催化还原器入口处的温度，使得温度为满足所述选择性催化还原器进行排气污染物转化时所需的最低转化效率所对应的最低温度。本申请通过有机朗肯循环(OrganicRankine Cycle，ORC)调控SCR的入口温度，将其控制SCR达到特定转化效率(相应工况下能使发动机氮氧化物排放满足法规限值时所需要的最低转化效率)时所对应的温度，一方面降低了柴油机DPF再生过程中产生的高温排气对SCR催化剂的热老化作用，延长了其使用寿命，另一方面回收了发动机排气中的余热能量，有助于提高发动机功率输出和能量转化效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于改善选择性催化还原系统热老化的系统的结构示意图；

图2为本发明用于改善选择性催化还原系统热老化的系统的工作方法的流程示意图；

附图标记说明：1、柴油发动机；2、柴油颗粒补集器；3、选择性催化还原器；4、第一蒸发器；5、第二蒸发器；6、膨胀机；7、发电机；8、冷凝器；9、有机工质储液罐；10、工质泵；11、控制模块；12、第一排气管路；13、第二排气管路；14、第三排气管路；15、第四排气管路；16、第五排气管路；17、有机工质管路；18、有机工质旁路；19、发动机进气流量传感器；20、第一排气压力传感器；21、第二排气压力传感器；22、排气流量传感器；23、第一排气温度传感器；24、第一电磁阀；25、发动机排气温度传感器；26、第二电磁阀；27、第三电磁阀；28、第二排气温度传感器、29发动机转速传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图介绍本申请实施例中提供的一个具体的用于改善选择性催化还原系统热老化的系统及其工作方法。

如图1所示，本申请实施例中提供的用于改善选择性催化还原系统热老化的系统，包括：

发动机装置、有机朗肯循环装置、选择性催化还原器3和控制装置，所述发动机装置、有机朗肯循环装置、选择性催化还原器3分别与所述控制装置连接，所述发动机装置分别与所述有机朗肯循环装置、选择性催化还原器3连接，所述有机朗肯循环装置还与所述选择性催化还原器3连接；所述有机朗肯循环装置，包括第一蒸发器4和第二蒸发器5；

其中，所述发动机装置、有机朗肯循环装置、选择性催化还原器3和控制装置构成第一有机工质循环通路和第二有机工质循环通路，所述第一有机工质循环通路依次通过第一蒸发器4和第二蒸发器5进行换热，所述第二有机工质循环通路通过第二蒸发器5进行换热；

所述发动机装置用于驱动所述选择性催化还原器3工作，所述控制装置通过调节所述有机朗肯循环装置以调控所述选择性催化还原器3入口处的温度，使得所述温度为满足所述选择性催化还原器3进行排气污染物转化时所需的最低转化效率所对应的最低温度。

用于改善选择性催化还原系统热老化的系统的工作原理为：发动机装置驱动选择性催化还原器3工作，控制装置根据采集信号计算有机朗肯循环装置所需有机工质流量目标值，所述控制装置还用于根据所述有机工质流量目标值调节所述有机朗肯循环装置的有机工质流量，以调控所述选择性催化还原器3入口处的温度。具体调控温度为利用第一有机工质循环通路依次通过第一蒸发器4和第二蒸发器5进行换热或利用第二有机工质循环通路通过第二蒸发器5进行换热。

一些实施例中，所述有机朗肯循环装置，包括：

膨胀机6、发电机7、冷凝器8、有机工质储液罐9、工质泵10、有机工质管路17以及有机工质旁路18；所述有机工质管路17依次连接有机工质储液罐9、工质泵10、第一蒸发器4、第二蒸发器5、膨胀机6以及冷凝器8；所述有机工质旁路18一端与所述工质泵10的工质出口连通，其另一端与第二蒸发器5的有机工质入口连通，以旁通第一蒸发器4；所述膨胀机6与所述发电机7同轴连接；

其中，所述第一蒸发器4设有第一入口和第一出口，所述第二蒸发器5设有第二入口和第二出口。

具体的，有机工质管路17依次连接有机工质储液罐9、工质泵10、第一蒸发器4、第二蒸发器5、膨胀机6、冷凝器8，实现有机工质在各部件之间的循环流动。此外，有机工质旁路18从工质泵10的工质出口直接连接至第二蒸发器5的有机工质入口处，主要起旁通第一蒸发器4的作用。膨胀机6和发电机7同轴连接。

所述发动机装置，包括：

柴油发动机1、柴油颗粒补集器2、第一排气管路12、第二排气管路13、第三排气管路14、第四排气管路15及第五排气管路16；

所述第一排气管路12一端与柴油颗粒补集器2出口连通，其另一端与所述选择性催化还原器3的进口连通；所述第二排气管路13一端与柴油颗粒补集器2出口连通，其另一端与所述第一蒸发器4的第一入口连通；所述第三排气管路14的一端与所述第一蒸发器4的第一出口连通，其另一端与所述选择性催化还原器3的进口连通；所述第四排气管路15一端与所述选择性催化还原器3的出口连通，其另一端与所述第二蒸发器5的第二进口连通；所述第五排气管路16一端与所述第二蒸发器5的第二出口连通。

具体的，本申请中第一排气管路12从DPF 2出口连接至SCR 3进口，发动机排气从DPF流出后可通过第一排气管路12直接流进SCR；第二排气管路13从DPF 2出口连接至第一蒸发器4排气侧进口，发动机排气从DPF流出后可通过第二排气管路13流入第一蒸发器4；第三排气管路14从第一蒸发器4排气侧出口连接至SCR 3进口，经第一蒸发器4换热降温后的发动机排气可通过第三排气管路14流入SCR；第四排气管路15从SCR 3出口连接至第二蒸发器5排气侧进口，SCR流出的发动机排气可通过第四排气管路15流入第二蒸发器5；第五排气管路16从第二蒸发器5排气侧出口通向大气环境，经第二蒸发器5换热后的柴油发动机1可通过第五排气管路16排出，进入大气环境。

一些实施例中，所述柴油发动机1飞轮上设有发动机转速传感器29，用于检测发动机转动信号；

所述柴油发动机1进气管处设有发动机进气流量传感器19，用于检测发动机进气流量；

所述柴油颗粒补集器2进口处设有第一排气压力传感器20，用于检测所述柴油颗粒补集器2进口处的排气压力；所述柴油颗粒补集器2出口处设有第二排气压力传感器21，用于检测所述柴油颗粒补集器2出口处的排气压力；

所述柴油颗粒补集器2出口处还设有排气流量传感器22，用于检测所述柴油颗粒补集器2出口处的排气流量；

所述柴油颗粒补集器2出口处还设有第一排气温度传感器23，用于检测所述柴油颗粒补集器2出口处的排气温度；

所述选择性催化还原器3的入口处设有发动机排气温度传感器25，用于检测经第一蒸发器4降温后流出进入选择性催化还原器3前的排气温度；

所述第五排气管路16上设有第二排气温度传感器28，用于检测流出第二蒸发器5的排气温度。

一些实施例中，所述第一排气管路12上设有第一电磁阀24，用于所述第一排气管路12的通断；

所述第二排气管路13上设有第二电磁阀26，用于所述第二排气管路13的通断；

所述有机工质旁路18上设有第三电磁阀27，用于所述有机工质旁路18的通断。

作为一个实施例，所述控制装置包括：

控制模块11，所述控制模块11分别与所述发动机转速传感器29、发动机进气流量传感器19、第一排气压力传感器20、第二排气压力传感器21、排气流量传感器22、第一排气温度传感器23、发动机排气温度传感器25、第二排气温度传感器28、第一电磁阀24、第二电磁阀26以及第三电磁阀27连接。

具体的，本申请控制模块11(ECU)，用于收集各类传感器信号，随后进行数据处理并发出相应指令；发动机转速传感器29，布置在发动机飞轮上，用于检测发动机转速信号；发动机进气流量传感器19，布置在发动机进气管处，用于检测发动机进气量；第一排气压力传感器20，布置在DPF进口处，用于检测DPF进口处的排气压力；第二排气压力传感器21，布置在DPF出口处，用于检测DPF出口处的排气压力，排气流量传感器22，布置在DPF出口处，用于检测DPF出口处的排气流量；第一排气温度传感器23，布置在DPF出口处，用于检测DPF出口处的排气温度；

第一电磁阀24，布置在第一排气管路12上，用于该管路的通断；发动机排气温度传感器25，布置在SCR入口处，用于检测经第一蒸发器4降温后流出随后进入SCR前的排气温度；第二电磁阀26，布置在第二排气管路13上，用于该管路的通断；第三电磁阀27，布置在有机工质旁路18上，用于该管路的通断；

第二排气温度传感器28，布置在第五排气管路16上，用于检测流出第二蒸发器5的排气温度；各类传感器经相应的连接线路分别连接至ECU,以实现信号的传输和处理；此外，ECU通过相应的连接线路与工质泵10相连，实现对泵转速的调节，进而调节有机工质流量。

作为一个实施例，所述控制模块11还与所述工质泵10连接；

所述控制模块11通过调节所述工质泵10转速以调节有机工质流量。

一些实施例中，所述选择性催化还原器3采用SCR转化器。SCR转化器用于柴油发动机1排气中氮氧化物的转化。

本申请提供的用于改善选择性催化还原系统热老化的系统的工作原理为，当柴油发动机1开始运行时，由第一排气压力传感器20、第二排气压力传感器21分别测量柴油颗粒补集器2DPF进、出口处的排气压力，传输至控制模块11，

控制模块11进行如下计算、判断并输出指令：

采用以下方式计算DPF的进、出口排气压差ΔP，

ΔP＝P

然后将得到的进、出口排气压差ΔP与预设的排气压差阈值ΔP

(1)当排气压差ΔP大于ΔP

在换热过程中，控制模块11ECU根据发动机转速传感器29、发动机进气流量传感器19测得的发动机转速、进气流量信号查询发动机氮氧化物排放map(需要说明的是，发动机氮氧化物排放map可通过试验测量获得，具体为发动机氮氧化物浓度随发动机转速、进气流量的变化情况)来获得相应工况下的发动机氮氧化物浓度；根据发动机转速、进气流量信号查询发动机功率map(发动机功率map可通过试验测量获得，具体为发动机功率随发动机转速、进气流量的变化情况)来获得相应工况下的发动机功率；随后采用以下方式计算相应工况下的氮氧化物排放因子。

其中，EF

采用以下方式，计算相应工况下所要求的SCR最低转化效率，

其中，EF

随后查询SCR的温度-转化效率曲线(可通过试验测得)，得到能够保证最低转化效率的温度，作为排气流出第一蒸发器4时的温度(排气流入SCR时的温度)的目标值T

采用以下方式计算得到相应工况下发动机排气降至目标温度T0时的放热量

其中，

采用以下方式计算得到ORC中有机工质与发动机排气之间的对流换热温差ΔT，

其中，A为蒸发器换热面积，m

采用以下方式计算得到ORC中有机工质与发动机排气换热后流出蒸发器的温度T

其中，T

采用以下方式计算得到ORC中有机工质的吸热量

其中，η

采用以下方式计算得到ORC中所需的有机工质流量目标值。

其中，c

最后，控制模块11ECU通过调节工质泵10转速将有机工质流量调节至目标值。同时，第一排气温度传感器23测量SCR入口处的排气温度实际值并传输至ECU，ECU以目标温度T

发动机排气温度降至目标温度T

(2)当排气压差ΔP不大于ΔP

在此次换热过程中，ECU将发动机排气流出第二蒸发器5的温度目标值T

如图2所示，本申请实施例提供一种基于上述任一实施例提供的用于改善选择性催化还原系统热老化的系统的工作方法，包括：

S101，发动机装置驱动选择性催化还原器3工作；

S102，控制装置根据采集信号计算有机朗肯循环装置所需有机工质流量目标值；

S103，所述控制装置还用于根据所述有机工质流量目标值调节所述有机朗肯循环装置的有机工质流量，以调控所述选择性催化还原器3入口处的温度。

综上所述，本发明提供一种用于改善选择性催化还原系统热老化的系统及其工作方法，本申请通过ORC调控SCR的入口温度，将其控制SCR达到特定转化效率(相应工况下能使发动机氮氧化物排放满足法规限值时所需要的最低转化效率)时所对应的温度，一方面降低了柴油机DPF再生过程中产生的高温排气对SCR催化剂的热老化作用，延长了其使用寿命，另一方面回收了发动机排气中的余热能量，有助于提高发动机功率输出和能量转化效率。

可以理解的是，上述提供的系统实施例与上述的装置实施例对应，相应的具体内容可以相互参考，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令方法的制造品，该指令方法实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。