一种主动热补式后处理系统的制作方法

1.本发明涉及尾气后处理技术领域，尤其涉及一种主动热补式后处理系统。


背景技术：

2.传统的柴油车尾气后处理通常采用氧化催化模块(doc) 颗粒捕集模块(dpf) 选择性催化还原模块(scr)的组合式技术方案，以满足现阶段国六排放法规的要求。但是现有的后处理系统仍然存在明显的缺陷，突出表现在发动机冷启动阶段：发动机冷启动时由于排气温度较低，排气温度达不到催化剂的活性温度范围，使得后处理系统无法对排气中氮氧化物(nox)实现有效的催化。随着柴油发动机排放法规的日益严苛，上述缺点日渐突出。
3.针对上述问题，现有技术下存在两种解决方式：1、在传统后处理系统前端加装被动式nox吸附催化器(pna)，以在低温排气吸附nox并在到达催化剂活性温度后释放，以消除死区低温范围内的nox。该种方式中pna技术的耐硫性、存储性、耐久性和可控性等技术还不够成熟，低温工况下消除nox还不够稳定，提升nox转化效率有限。2、紧耦合式ccscr技术，即将scr模块前置，该种方式虽然能够缩短发动机低温冷启动初期还原剂停喷时间和降低冷启动期间nox比排放值，但是该技术的nox转化效率仍然受发动机出口排气温度和催化剂抗硫耐久性限制，nox转化效率极低，仍无法满足低温排放中冷启动的要求。对此，部分紧耦合式ccscr技术选择在scr模块内增加催化剂贵金属和涂敷量，以提升催化剂起燃特性和低温下nox转化效率，但催化剂性能始终受到排气温度所限制，而且贵金属和涂敷量的增加势必带来排气背压、成本和催化剂硫中毒的风险的增加。


技术实现要素：

4.基于以上所述，本发明的目的在于提供一种主动热补式后处理系统，以解决现有技术下的后处理系统存在的发动机冷启动时nox转化效率低的技术问题。
5.为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.提供一种主动热补式后处理系统，其包括：
7.通过排气管依次串联的前置催化还原模块、氧化催化模块、颗粒捕集模块和主催化还原模块，所述前置催化还原模块和所述主催化还原模块内填充有还原催化剂，所述氧化催化模块内填充有氧化催化剂；
8.所述前置催化还原模块包括串联的加热装置和催化还原装置，所述加热装置沿排气流动方向置于所述催化还原装置的前方，所述加热装置被配置为在排气温度低于第一设定温度时对所述排气进行主动热补，所述第一设定温度高于所述还原催化剂的起燃温度。
9.作为优选，所述主动热补式后处理系统还包括：
10.第一还原剂喷射器和第二还原剂喷射器，所述第一还原剂喷射器的喷嘴设置于所述前置催化还原模块上游的所述排气管上，所述第二还原剂喷射器的喷嘴设置于所述颗粒捕集模块和所述主催化还原模块之间的所述排气管上；
11.所述第一还原剂喷射器被配置为在排气温度高于第二设定温度时向所述排气管
内喷射还原剂；
12.所述第二还原剂喷射器被配置为在排气温度高于第三设定温度时向所述排气管内喷射还原剂；
13.所述第二设定温度小于所述还原催化剂的起燃温度，所述第三设定温度高于所述还原催化剂的起燃温度。
14.作为优选，所述主动热补式后处理系统还包括：
15.第一氮氧传感器，安装于所述前置催化还原模块上游的所述排气管上；
16.第二氮氧传感器，安装于所述颗粒捕集模块和所述主催化还原模块之间的所述排气管上；
17.第三氮氧传感器，安装于所述主催化还原模块下游的所述排气管上。
18.作为优选，所述主动热补式后处理系统还包括：
19.第一温度传感器，安装于所述前置催化还原模块上游的所述排气管上；
20.第二温度传感器，安装于所述前置催化还原模块和所述氧化催化模块之间的所述排气管上；
21.第三温度传感器，安装于所述氧化催化模块和所述颗粒捕集模块之间的所述排气管上；
22.第四温度传感器，安装于所述颗粒捕集模块和所述主催化还原模块之间的所述排气管上；
23.第五温度传感器，安装于所述主催化还原模块下游的所述排气管上。
24.作为优选，所述前置催化还原模块还包括内置温度传感器，所述内置温度传感器设置于所述加热装置和所述催化还原装置之间。
25.作为优选，所述加热装置被配置为按照如下模式工作：
26.当所述第一温度传感器所测温度值和所述内置温度传感器所测温度值的加权值小于所述第一设定温度时，所述加热装置工作；
27.当所述内置温度传感器所测温度值和所述第二温度传感器所测温度值的加权值大于第四设定温度且持续一段时间后，所述加热装置停机，所述第四设定温度高于所述还原催化剂的最佳活性温度。
28.作为优选，所述第四设定温度大于所述第一设定温度。
29.作为优选，所述加热装置为电加热装置，所述电加热装置包括均布于所述排气管横截面的曲面加热丝，所述电加热装置的功率可调节。
30.作为优选，所述主动热补式后处理系统还包括压差传感器，所述压差传感器包括第一检测端和第二检测端，所述第一检测端和所述第二检测端分别安装于所述颗粒捕集模块前后两端的所述排气管上。
31.作为优选，所述主动热补式后处理系统还包括主动再生装置，所述主动再生装置包括燃油喷射控制模块、供油管和碳氢喷嘴，所述供油管将发动机供油系统、所述燃油喷射控制模块和所述碳氢喷嘴串联，所述碳氢喷嘴安装于所述加热装置上游的所述排气管上，所述主动再生装置被配置为在所述压差传感器所检测的排气压差值大于设定压差值且所述加热装置工作时向所述排气管内喷射燃油。
32.本发明的有益效果为：
33.本发明提供的主动热补式后处理系统通过在传统后处理系统前端增加具有加热装置的前置催化还原模块，能够在发动机冷启动时对排气进行主动热补，快速提升排气温度，从而实现后排气温度的可控化，使排气温度迅速达到还原催化剂的活性温度，以迅速实现对排气中nox的还原处理，缩短发动机冷启动初期还原剂(即尿素)停喷时间，促进还原剂快速水解，防止还原剂结晶，降低排气中nox比排放值，提高nox处理效率，更加符合环保要求，并且加热装置对排气加热可定期脱除还原催化剂表面的硫，防止催化剂中毒，提升还原催化剂的转化效率和使用寿命。并且该主动热补式后处理系统能够通过燃油后喷射对排气温度进行热补偿，实现颗粒捕集模块的主动再生，无需额外设置碳氢喷射器，提升低温下氧化催化模块和颗粒捕集模块内碳烟再生的能力。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明实施例提供的主动热补式后处理系统的布置原理图；
36.图2是本发明实施例提供的前置催化还原模块的结构示意图。
37.图中标示如下：
38.1、发动机；2、前置催化还原模块；21、加热装置；22、催化还原装置；23、内置温度传感器；3、氧化催化模块；4、颗粒捕集模块；5、主催化还原模块；6、第一还原剂喷射器；7、第二还原剂喷射器；8、第一氮氧传感器；9、第二氮氧传感器；10、第三氮氧传感器；11、第一温度传感器；12、第二温度传感器；13、第三温度传感器；14、第四温度传感器；15、第五温度传感器；16、压差传感器；17、排气管；18、主动再生装置；181、燃油喷射控制模块；182、供油管；183、碳氢喷嘴。
具体实施方式
39.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有作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。
40.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在
第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
43.如图1和图2所示，本发明实施例提供一种主动热补式后处理系统，其安装于柴油发动机的排气端，用于处理发动机1尾气，消除发动机1排气中氮氧化物(nox)、一氧化碳(co)、碳氢化合物(hc)及固体颗粒物等。该主动热补式后处理系统包括通过排气管17依次串联的前置催化还原模块2(eh
‑
loscr)、氧化催化模块3(doc)、颗粒捕集模块4(dpf)和主催化还原模块5(scr)，前置催化还原模块2(eh
‑
loscr)和主催化还原模块5(scr)内填充有还原催化剂，用于对排气中的nox进行两级还原处理；氧化催化模块3(doc)内填充有氧化催化剂，用于对排气中的co等进行氧化处理；颗粒捕集模块4用于捕集排气中的固态颗粒物。
44.进一步地，前置催化还原模块2(eh
‑
loscr)包括串联的加热装置21(eh)和催化还原装置22(loscr)，加热装置21(eh)沿排气流动方向置于催化还原装置22(loscr)的前方，加热装置21(eh)被配置为在排气温度低于第一设定温度时对排气进行加热。
45.本实施例提供的主动热补式后处理系统能够在发动机1冷启动过程中排气温度较低时对排气进行加热，以使排气快速达到氧化催化剂及还原催化剂的最佳活性温度，以提高对排气中co、nox及hc的处理效率，提高排气清洁度。
46.具体地，前置催化还原模块2中的加热装置21布置在发动机1排气出口总管内，且加热装置21与后端的催化还原装置22紧密布置，以在后处理系统的最前端对排气进行加热，减少低温死区。优选地，加热装置21选用功率可调节的电加热装置，其包括均布于排气管17横截面上曲面电加热丝。曲面电加热丝的能量来源为发动机制动能量回收系统，发动机制动能量回收系统以充放蓄电池的方式给加热装置21供电，以降低因辅助加热导致的发动机1功率损失。曲面加热丝既能显著增加低温排气与加热装置21的接触面积，也能有效提高热量的利用率，进而有利于快速提升加热装置21入口处的排气温度和nox的转化效率。
47.前置催化还原模块2中的催化还原装置22中填充有还原催化剂。在本实施例中，还原催化剂为铜基还原催化剂，铜基还原催化剂为氧化铜(cuo)、四氧化三钴(co3o4)和三氧化二铝(al2o3)等物质按照一定比例混合而成。铜基还原催化剂的起燃温度(活性温度下限)在170℃左右，铜基还原催化剂在达到起燃温度后可利用氨(nh3)对nox的还原功能，将nox转化成对大气没有影响的氮气和水。当然，还原催化剂的成分不仅局限于此，在其他实施例中，还原催化剂还可以为其他催化剂如钒基还原催化剂，本发明对还原催化剂的成分不做具体限定。
48.进一步地，加热装置21还可以在发动机1正常工作工况下主动启动，以定时对前置催化还原模块2内的还原催化剂进行主动脱硫，进而提升还原催化剂的转化效率和使用寿命，减少前置催化还原模块2内的还原剂的泄露。
49.如图2所示，前置催化还原模块2还包括内置温度传感器23，内置温度传感器23安装于排气管17上，且内置温度传感器23位于加热装置21和催化还原装置22之间。内置温度传感器23用于检测催化还原装置22前的排气温度，以为加热装置21的开启和停止提供温度
依据。
50.进一步地，除内置温度传感器23外，在排气管17上还安装有多个温度传感器，以检测排气管17上不同位置的排气温度。具体地，在前置催化还原模块2上游的排气管17上安装有第一温度传感器11，在前置催化还原模块2和氧化催化模块3之间的排气管17上安装有第二温度传感器12，在氧化催化模块3和颗粒捕集模块4之间的排气管17上安装有第三温度传感器13，在颗粒捕集模块4和主催化还原模块5之间的排气管17上安装有第四温度传感器14，在主催化还原模块5下游的排气管17上安装有第五温度传感器15。
51.加热装置21根据第一温度传感器11、内置温度传感器23和第二温度传感器12的检测温度值启停。具体地，加热装置21的工作模式如下：当第一温度传感器11所测温度值和内置温度传感器23所测温度值的加权值小于第一设定温度时，加热装置21工作，加热装置21根据上述温度加权值进行动态调节；当内置温度传感器23所测温度值和第二温度传感器12所测温度值的加权值大于第四设定温度且持续一段时间时，加热装置21停机。第一设定温度等于或略大于还原催化剂的起燃温度，如本实施例中，铜基还原催化剂的起燃温度在170℃左右，第一设定温度可设定在180℃左右。第四设定温度大于还原催化剂最佳活性温度，如本实施例中，铜基还原催化剂完全或者99％参与还原反应时的温度为300℃左右，第四设定温度可设定在320℃左右。
52.氧化催化模块3用于在氧化催化剂的作用下将排气中的co和hc转化成无害的水和二氧化碳(co2)，同时将no转化成no2。氧化催化剂一般选用铂(pt)和钯(pd)等贵金属，氧化催化剂的起燃温度(活性温度下限)在150℃左右。颗粒捕集模块4用于捕集排气中的碳烟，减少排期中固态颗粒物的含量。
53.主催化还原模块5用于实现对排气中nox的第二级还原，主催化还原模块5中同样填充有还原催化剂，用于实现次级nox的完全处理。还原催化剂为铜基还原催化剂或者钒基还原催化剂或者其他合适的还原催化剂，本发明在此不做限定。
54.本实施例提供的主动热补式后处理系统还包括第一还原剂喷射器6和第二还原剂喷射器7，其分别用于向前置催化还原模块2和主催化还原模块5提供还原剂，以实现对nox的两级还原处理。第一还原剂喷射器6和第二还原剂喷射器7均包括依次连通的还原剂储罐、还原剂喷射泵、连接管及喷嘴。第一还原剂喷射器6的喷嘴安装于前置催化还原模块2上游的排气管17上，第二还原剂喷射器7的喷嘴安装于颗粒捕集模块4和主催化还原模块5之间的排气管17上。
55.第一还原剂喷射器6在排气温度高于第二设定温度时向排气管17内喷射还原剂，第二设定温度一般等于或者略小于还原催化剂的起燃温度，以缩短还原剂的停喷时间，提高nox的还原转化效率。第二还原剂喷射器7在排气温度高于第三设定温度时向排气管17内喷射还原剂，第三设定温度等于或略高于还原催化剂的起燃温度，以保证还原剂的充分利用，提高经济性。
56.在尾气后处理领域还原剂一般优选为尿素溶液，尿素溶液存储于还原剂储罐中。尿素喷入排气管17内后在高温下发生水解和热解生成还原性强的氨气，氨气与nox反应生成氮气和水。尿素溶液对nox的还原性好但其需低温存储，在喷射时存在结晶的风险，本实施例中设置加热装置21则有效避免了这一风险，尿素喷射在高温的电加热丝表面可迅速水解成尿素溶液，并进一步生成氨气，从而消除排气总管内尿素结晶的风险。并且加热装置21
对排气的加热使第一还原剂喷射器6的启喷时间提前，显著缩短了发动机1冷启动期间尿素的停喷时间，使得尿素启喷时间不受发动机排气温度的限制，提高了尿素的利用效率和对nox的还原处理效率。
57.第一还原剂喷射器6及第二还原剂喷射器7的还原剂喷射量的依据为排气管17内不同位置处的排气中nox的含量。本实施例提供的主动热补式后处理系统采用多个氮氧传感器来检测排气管17上不同位置处的nox的含量。具体地，在前置催化还原模块2上游的排气管17上安装有第一氮氧传感器8，在颗粒捕集模块4和主催化还原模块5之间的排气管17上安装有第二氮氧传感器9，在主催化还原模块5下游的排气管17上安装有第三氮氧传感器10。进一步地，第一氮氧传感器8安装在第一还原剂喷射器6上游的排气管17上，第二氮氧传感器9安装在颗粒捕集模块4和第二还原剂喷射器7之间的排气管17上。
58.第一还原剂喷射器6的喷射控制策略如下：
59.当第一温度传感器11所测温度值和内置温度传感器23所测温度值的加权值大于第二设定温度值时，第一还原剂喷射器6开始喷射还原剂。第一还原剂喷射器6根据第一氮氧传感器8和第二氮氧传感器9所测排气中nox的含量动态调节还原剂的喷射量。或者，第一还原剂喷射器6采用基于map表的开环控制方法控制还原剂的喷射，其中map表为发动机1在各种工况下的点火控制曲线图，依据map表可推断出不同工况下发动机1排气中的nox含量，进而动态调节还原剂的喷射量。
60.当第一温度传感器11所测温度值和内置温度传感器23所测温度值的加权值低于第二设定温度值时且持续一段时间后，第一还原剂喷射器6停喷。
61.第二还原剂喷射器7的喷射控制策略如下：
62.当第四温度传感器14所测温度值和第五温度传感器15所测温度的加权值大于催化还原剂的起燃温度时，第二还原剂喷射器7开始喷射，且第二还原剂喷射器7根据第二氮氧传感器9和第三氮氧传感器10所测排气中nox的含量闭环调节还原剂的喷射量，以保证从主催化还原模块5排出的尾气中nox始终在环保标准之内。
63.当第四温度传感器14和第五温度传感器15的所测温度的加权值小于第二设定温度且持续一段时间后，第二还原剂喷射器7停喷。
64.本发明实施例提供的主动热补式后处理系统还包括压差传感器16，压差传感器16包括第一检测端和第二检测端，第一检测端安装于氧化催化模块3和颗粒捕集模块4之间的排气管17上，第二检测端安装于颗粒捕集模块4和主催化还原模块5之间的排气管17上，压差传感器16用于检测颗粒捕集模块4两端的排气压差，以根据需要对颗粒捕集模块4进行清洁再生。
65.进一步地，该主动热补式后处理系统还包括主动再生装置18，主动再生装置18包括燃油喷射控制模块181、供油管182和碳氢喷嘴183，供油管182的第一端连通于发动机供油系统，供油管182的第二端连通于排气管17，燃油喷射控制模块181安装于供油管182上，碳氢喷嘴183安装于供油管182的第二端端部，且碳氢喷嘴183与加热装置21前端的排气管17连通。主动再生装置18被配置为在压差传感器16所检测的排气压差值大于设定压差值且同时加热装置21工作时向排气管17内喷射燃油。具体地，主动再生装置18直接向加热装置21喷油，以提升燃油利用效率，同时利用燃油在排气管17内的燃烧提升排气温度，以将颗粒捕集模块4上积存的碳烟等固体颗粒物燃烧，实现对颗粒捕集模块4的清洁再生。
66.本实施例中通过加热装置21、压差传感器16和主动再生装置配合能够对颗粒捕集模块4实现定期主动清洁再生，节省了传统后处理系统中的碳氢喷射器装置，提升了颗粒捕集模块4的被动再生能力，在保证了再生高效性的基础上提升了经济性，提升了颗粒捕集模块4的使用寿命。
67.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。