一种内燃机车尾气后处理系统及控制方法与流程

1.本发明涉及内燃机车尾气后处理系统及装置领域，尤其涉及一种内燃机车尾气后处理系统及控制方法。


背景技术：

2.内燃机车尾气后处理系统及装置是国内机车尾气处理的全新领域。目前国外有部分厂家设计了轨道机车车辆的scr脱硝反应装置，但是由于技术封锁和适用车型完全不同，所以不适用于国内的内燃机轨道机车。国内现有scr催化反应装置大多数使用在汽车和船舶中，汽车用scr催化反应装置体积较小，船用scr催化反应装置体积过于庞大，无法运用在轨道机车车辆中。
3.目前内燃机车尾气后处理系统及装置是针对国内内燃机车进行设计，然而内燃机车存在燃油燃烧不充分，导致排放尾气污染空气。内燃机车在运行过程中会产生大量的污染物，尤其是颗粒物(pm)和氮氧化合物(nox)，随着排放法规的不断升级，颗粒物和氮氧化合物的排放限值越来越严苛，如何进行除尘和脱硝，并提高系统的安全性以及维护的便利性，是所属技术领域的技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种内燃机车尾气后处理系统及控制方法，以克服尾气后处理系统不能有效排除尾气固体颗粒物的含量，且不能有效控制尿素溶液的喷射含量的问题，同时现有尾气处理系统安全性低以及不便于维护的问题。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
6.一种内燃机车尾气后处理系统包括尾气处理装置、尿素箱、控制单元以及转速传感器；
7.所述尾气处理装置包括旁通阀，所述旁通阀顺次连接有气体流量计、第一氮氧化合物传感器、温度传感器、压力差传感器、尾气处理反应池、空气压力传感器以及第二氮氧化合物传感器，所述压力差传感器与尾气处理反应池之间设有第一减压阀，所述第一氮氧化合物传感器用于测量未处理时废气中的氮氧化合物浓度，所述第二氮氧化合物传感器用于测量处理后的废气中氮氧化合物浓度；并通过所述控制单元获取废气脱硝率；
8.所述尿素箱设有液位传感器以及尿素泵，所述尿素泵连接有尿素喷头，所述尿素泵与尿素喷头之间安装有用于测量管路压力的压力传感器，所述尿素泵与压力传感器之间设有换向阀，所述压力传感器与所述尿素喷头设有第二减压阀，所述控制单元分别连接所述转速传感器与尿素箱，所述转速传感器用于测量内燃机的转速。
9.进一步的，所述尾气处理反应池的底部设有过滤网，所述过滤网上方的管路上对称设有若干控制吹灰喷嘴启闭的电磁阀，所述过滤网与电磁阀之间设有所述用于喷射尿素的尿素喷头。
10.进一步的，所述控制单元还设有故障存储单元、报警系统、显示屏以及指示灯。
11.一种基于权利要求1-3任意一项内燃机车尾气后处理系统的控制方法，包括：
12.步骤s1：尾气后处理系统上电等待，且控制单元获取开关输入信号判断系统运行状态，所述系统运行状态包括运行模式与维护模式，若系统运行状态为维护模式，则执行步骤s2；若系统运行状态为运行模式，则执行步骤s3；
13.步骤s2：若系统运行状态为维护模式，所述控制单元控制旁通阀打开，系统处于待机状态；
14.步骤s3：若系统运行状态为运行模式，所述控制单元控制旁通阀关闭并获取内燃机的转速值，若所述内燃机的转速值小于预设转速值，则系统仍处于待机状态；若所述内燃机的转速值大于预设转速值，此时系统处于运行状态执行吹灰控制策略；
15.且所述控制单元分别通过热电偶以及压差传感器获取尾气后处理装置内部的温度数据以及压差数据，尿素泵基于所述温度数据以及压力数据执行尿素溶液的控制策略；
16.步骤s4：所述尾气后处理系统执行完成后，所述控制单元控制执行善后处理操作。
17.进一步的，步骤s3中所述吹灰控制策略具体为：
18.步骤s3.1：所述控制单元获取内燃机的转速值大于预设转速值时，所述压力传感器用于获取吹灰压力值，所述第一减压阀用于吹灰压力过高时执行减压操作，所述控制单元控制电磁阀的打开通过吹灰喷嘴执行吹灰操作；
19.步骤s3.2：若所述吹灰压力值大于第一预设吹灰压力值，并小于且等于第二预设吹灰压力值，则所述控制单元控制电磁阀的打开，进而控制吹灰喷嘴进行循环喷射吹扫，所述循环喷射吹扫具体为所述控制单元控制吹灰喷嘴顺次进行喷射，并预设每个电磁阀吹灰时间值以及相邻两个电磁阀的间隔吹灰时间值；
20.若所述吹灰压力值大于第二预设吹灰压力值，则确定吹灰压力大并进行报警且系统故障指示灯亮，并通过显示屏提示第一减压阀出现故障；
21.若所述吹灰压力值小于且等于第一预设吹灰压力值，则确定吹灰压力小并进行报警且系统故障指示灯亮，并通过显示屏提示第一减压阀出现故障或吹灰管路出现泄漏，所述控制单元控制电磁阀关闭。
22.进一步的，步骤s3中所述尿素溶液的控制策略具体为：
23.若所述温度数据小于第一预设温度值，则所述控制单元控制尿素泵不进行尿素溶液的喷射；
24.若所述温度数据大于第二预设温度值，则控制单元确定系统高温并报警且系统故障指示灯亮，所述控制单元控制打开旁通阀且旁通阀门打开指示灯亮，所述控制单元控制系统进入待机状态；
25.当所述温度数据大于第一预设温度值且小于第二预设温度值时，且若所述压差数据小于等于预设尾气装置内部压力值，则所述控制单元执行尾气处理操作，若所述压差数据大于预设内部压力值，则系统确定压力大并报警且系统故障指示灯亮，所述控制单元控制打开旁通阀且旁通阀门打开指示灯亮，所述控制单元控制系统进入维护模式。
26.进一步的，所述系统执行尾气处理操作具体为，所述液位传感器获取尿素箱的尿素溶液含量传送至控制单元；
27.若所述尿素溶液含量小于预设尿素溶液含量最小值，则尿素液位地指示灯亮，所述控制单元控制尿素泵停止尿素喷射；
28.若所述尿素溶液含量大于预设尿素溶液含量最小值，则通过空气压力传感器获取空气压力值，若所述空气压力值小于第一预设空气压力值，则确定空气压力并报警且故障指示灯亮，所述显示屏提示管路泄漏故障，若所述空气压力值大于第二预设空气压力值，则确定空气压力高并报警且故障指示灯亮，所述显示屏提示第二减压阀故障；
29.若所述空气压力值大于第一预设空气压力值且小于第二预设空气压力值，所述控制单元根据所述流量计获取的废气量与所述第一氮氧化合物传感器检测的氮氧化合物的浓度获取所需尿素溶液量，并通过控制单元控制尿素泵喷射尿素溶液。
30.进一步的，所述控制单元控制尿素泵喷射尿素溶液时，所述压力传感器实时检测管路的尿素管路压力值，若所述尿素管路压力值小于第一预设管路压力值，则系统确定尿素管路压力低并报警且故障指示灯亮，所述显示屏提示尿素管路泄漏；若所述尿素管路压力值大于第二预设管路压力值，则系统确定尿素管路压力高并报警且故障指示灯亮，所述显示屏提示第二减压阀故障，若所述尿素管路压力值大于第一预设管路压力值且小于第二预设管路压力值，则所述控制单元控制尿素泵进行尿素溶液的喷射。
31.进一步的，所述善后处理操作为当所述尾气处理系统停止运行时，所述控制单元控制换向阀开启，所述尿素泵执行吸液操作，将所述尿素管路溶液吸回尿素箱，防止尿素管路残留液体结晶堵塞管路。
32.本发明的有益效果：
33.本发明提供了一种内燃机车尾气后处理系统及控制方法，本发明设置若干吹灰喷嘴，并通过控制单元控制其进行间隔吹灰作业，有效降低了尾气排除时含有的固体颗粒物，同时在尾气处理池的两端管路上各设有氮氧化合物传感器，通过检测尾气处理前后的氮氧化合物含量，进行调整尿素溶液的喷射量，有效去除尾气中的氮氧化合物的含量，同时，所述控制单元对系统中的温度、压力以及尿素箱中尿素溶液实时监控，通过报警系统以及故障指示灯进行警示，且通过旁通阀门的启闭以对系统进行维护，提高了系统维护的便利性。
附图说明
34.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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本发明一种内燃机车尾气后处理系统结构示意图；
36.图2为本发明一种内燃机车尾气后处理系统的尾气处理反应池的俯视图；
37.图3为本发明一种内燃机车尾气后处理系统控制方法的流程图。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
39.本实施例提供了一种内燃机车尾气后处理系统,如图1所示，包括尾气处理装置、
尿素箱、控制单元以及转速传感器，所述控制单元设有电源板卡、通讯板卡、di板卡、do板卡、cpu板卡、ai板卡、ao板卡、fi板卡、k偶板卡组成，电源板卡主要负责将内燃机车dc110v电源转换为dc24v、数字量5v或3.3v、模拟量
±
5v，通讯板卡有一路485通讯、四路can通讯、一路以太网通讯。di板卡为八路无源di，do板卡为四十八路无源do，cpu板卡主控芯片为stm32f4系列处理器，主要功能为系统程序运行场所，临时数据储存等，ai板卡为十二路4-20ma采集，ao板卡为两路4-20ma输出，fi板卡两路，主要对机车转速进行采集。k偶板卡为四路温度采集。
40.所述内燃机车尾气后处理系统还包括电源模块，所述电源模块包括第一电源和第二电源，第一电源将机车dc110v电源转换为dc24v，并为控制单元、旁通阀以及电磁阀供电，所述第二电源将机车dc110v电源转换为ac220v为尿素泵供电。
41.所述尾气处理装置包括旁通阀，所述旁通阀顺次连接有气体流量计、第一氮氧化合物传感器、温度传感器、压力差传感器、尾气处理反应池、空气压力传感器以及第二氮氧化合物传感器，所述压力差传感器与尾气处理反应池之间设有第一减压阀，所述第一氮氧化合物传感器用于测量未处理时废气中的氮氧化合物浓度，所述第二氮氧化合物传感器用于测量处理后的废气中氮氧化合物浓度；并通过所述控制单元获取废气脱硝率，所述温度传感器主要对环境温度、尾气处理装置内部温度进行采集。所述氮氧化物传感器分别检测尾气处理装置前端后端氮氧化物浓度进行采集，并通过can通讯传输至控制器进行处理。所述压差传感器主要对环境压力、电磁阀管路压力以及尾气处理装置内部压力，所述压力传感器用于检测尿素管路的压力。所述旁通阀作为尾气处理装置前端部件，主要功能为控制尾气流动方向，当尾气处理装置处于运行状态时，关闭旁通阀，尾气经过处理装置流动，当尾气处理装置故障或未运行时，开启旁通阀，尾气经原管路流动。控制过程为，电源供电dc24v，do控制旁通阀开关，开关状态反馈do信号至所述控制单元的指示灯提示。
42.所述尿素箱设有液位传感器以及尿素泵，所述尿素泵的泵体本身自带控制转换系统，可通过调节尿素泵喷射比例，调节尿素喷射量。所述尿素泵与尿素喷头通过管路连接，所述尿素泵与尿素喷头之间安装有用于测量管路压力的压力传感器，所述尿素泵与压力传感器之间设有换向阀，所述压力传感器与所述尿素喷头设有第二减压阀，所述控制单元分别连接所述转速传感器与尿素箱，所述转速传感器用于测量内燃机的转速。
43.在具体实施例中，如图2所示，所述尾气处理反应池的底部设有过滤网2，所述过滤网2上方的管路上对称设有若干控制吹灰喷嘴启闭的电磁阀1，所述电磁阀1与吹灰喷嘴连接的管路上设有减压阀，所述过滤网2与电磁阀1之间设有所述用于喷射尿素的尿素喷头。
44.在具体实施例中，所述控制单元还设有故障存储单元、报警系统、显示屏以及指示灯。所述显示屏与控制单元进行485通讯，对机车后处理装置当前运行状况进行记录和显示。主要功能有：各传感器运行状态灯显、尾气处理装置前端后端氮氧化物浓度数值显示、尾气处理装置的温度数值显示、尾气处理装置前端后端压力数值显示、脱硝率以及故障存储等，所述故障存储单元用于控制系统出现尿素管路压力过大或过小、电磁阀吹灰压力过大或过小、尾气处理装置内部温度高、尾气处理装置内部压力大、尿素箱液位低的故障信息进行存储，便于后期进行维护。所述指示灯包括运行指示灯、旁通阀开/关状态指示灯以及故障指示灯，运行指示灯为绿色时，尾气处理处理装置处于运行状态，运行指示灯为红色时，尾气处理系统处于故障状态。旁通阀指示灯为绿色时，旁通阀关闭状态，旁通阀为红色
时，旁通阀开启，尾气处理系统停止状态。所述控制单元还包括控制旋钮，所述控制旋钮控制系统上电、断电以及急停操作。
45.一种内燃机车尾气后处理系统控制方法，如图3所示，包括：
46.步骤s1：尾气后处理系统上电等待，且控制单元获取开关输入信号判断系统运行状态，所述系统运行状态包括运行模式与维护模式，若系统运行状态为维护模式，则执行步骤s2；若系统运行状态为运行模式，则执行步骤s3；
47.步骤s2：若系统运行状态为维护模式，所述控制单元控制旁通阀打开，系统处于待机状态；
48.步骤s3：若系统运行状态为运行模式，所述控制单元控制旁通阀关闭并获取内燃机的转速值，若所述内燃机的转速值小于预设转速值,所述预设转速值为200r/min，则系统仍处于待机状态；若所述内燃机的转速值大于预设转速值，此时系统处于运行状态执行吹灰控制策略；
49.且所述控制单元分别通过热电偶以及压差传感器获取尾气后处理装置内部的温度数据以及压差数据，尿素泵基于所述温度数据以及压力数据执行尿素溶液的控制策略；
50.步骤s4：所述尾气后处理系统执行完成后，所述控制单元控制执行善后处理操作。
51.在具体实施例中，步骤s3中所述吹灰控制策略具体为：
52.步骤s3.1：所述控制单元获取内燃机的转速值大于预设转速值时，所述电磁阀1与吹灰喷嘴之间的吹灰管路上设有及第一减压阀，所述压力传感器用于获取吹灰压力值，所述第一减压阀用于吹灰压力过高时执行减压操作，所述控制单元控制电磁阀1的打开通过吹灰喷嘴执行吹灰操作；
53.步骤s3.2：若所述吹灰压力值大于第一预设吹灰压力值，所述第一预设吹灰压力值为0.4mpa，并小于且等于第二预设吹灰压力值，所述第二预设吹灰压力值为0.8mpa，则所述控制单元控制电磁阀1的打开，进而控制吹灰喷嘴进行循环喷射吹扫，所述循环喷射吹扫具体为所述控制单元控制吹灰喷嘴顺次进行喷射，并预设每个电磁阀1吹灰时间值以及相邻两个电磁阀1的间隔吹灰时间值；
54.若所述吹灰压力值大于第二预设吹灰压力值，则确定吹灰压力大并进行报警且系统故障指示灯亮，并通过显示屏提示第一减压阀出现故障；
55.若所述吹灰压力值小于且等于第一预设吹灰压力值，则确定吹灰压力小并进行报警且系统故障指示灯亮，并通过显示屏提示第一减压阀出现故障或吹灰管路出现泄漏，所述控制单元控制电磁阀1关闭。
56.在具体实施例中，步骤s3中所述尿素溶液的控制策略具体为：
57.若所述温度数据小于第一预设温度值，所述第一预设温度值为300℃，则所述控制单元控制尿素泵不进行尿素溶液的喷射；
58.若所述温度数据大于第二预设温度值，所述第二预设温度值为550℃，则控制单元提示系统高温报警，所述控制单元控制打开旁通阀且旁通阀打开指示灯亮，所述控制单元控制系统进入待机状态；
59.当所述温度数据大于第一预设温度值且小于第二预设温度值时，且若所述压差数据小于等于预设尾气装置内部压力值，所述预设尾气装置内部压力值为4kpa,则所述控制单元执行尾气处理操作，若所述压差数据大于预设内部压力值，则系统确认压力大并进行
报警且系统故障指示灯亮，所述控制单元控制打开旁通阀且旁通阀打开指示灯亮，所述控制单元控制系统进入维护模式。
60.在具体实施例中，所述系统执行尾气处理操作具体为，所述液位传感器获取尿素箱的尿素溶液含量传送至控制单元；
61.若所述尿素溶液含量小于预设尿素溶液含量最小值，则尿素液位低指示灯亮，所述控制单元控制尿素泵停止尿素喷射；
62.若所述尿素溶液含量大于预设尿素溶液含量最小值，所述预设尿素溶液含量最小值为尿素箱容量的10％，则通过空气压力传感器获取空气压力值，若所述空气压力值小于第一预设空气压力值，所述第一预设空气压力值为0.1mpa，则系统确定空气压力低并进行报警且故障指示灯亮，所述显示屏提示管路泄漏故障，若所述空气压力值大于第二预设空气压力值，所述第二预设空气压力值为0.5mpa，则系统确定空气压力高并进行报警且故障指示灯亮，所述显示屏提示第二减压阀故障；
63.若所述空气压力值大于第一预设空气压力值且小于第二预设空气压力值，所述控制单元根据所述流量计获取的废气量与所述第一氮氧化合物传感器检测的氮氧化合物的浓度获取所需尿素溶液量，并通过控制单元控制尿素泵喷射尿素溶液。
64.在具体实施例中，所述控制单元控制尿素泵喷射尿素溶液时，所述压力传感器实时检测管路的尿素管路压力值，若所述尿素管路压力值小于第一预设管路压力值，所述第一预设管路压力值为0.1mpa，则系统确定尿素管路压力低并进行报警且故障指示灯亮，所述显示屏提示尿素管路泄漏。若所述尿素管路压力值大于第二预设管路压力值，所述第二预设管路压力值0.6mpa，则系统确定尿素管路压力高并进行报警且故障指示灯亮，所述显示屏提示第二减压阀故障，若所述尿素管路压力值大于第一预设管路压力值且小于第二预设管路压力值，则所述控制单元控制尿素泵进行尿素溶液的喷射。
65.在具体实施例中，所述善后处理操作为当所述尾气处理系统停止运行时，所述控制单元控制换向阀开启，所述尿素泵执行吸液操作，将所述尿素管路溶液吸回尿素箱，防止尿素管路残留液体结晶堵塞管路。当尿素管路处理完成后，尾气处理系统读取各传感器状态，若系统处于故障模式，系统等待检修人员处理消除故障后继续运行。若转速低于200r/min时，系统判定机车处于停机状态，系统自动进入上电初始状态。
66.本系统以及控制方法能够克服现有内燃机车的尾气处理系统的缺点，通过所述氮氧化合物传感器采集的氮氧化合物的数值，依据现有技术进行计算所述尿素溶液的含量并通过尿素泵进行喷射，大大降低了尾气废气中氮氧化物的排放，且脱硝率达到百分之七十左右，进而提升机车尾气的处理效果，使机车尾气达到排放标准。此外本装置还具有以下特点：完全自主闭环控制、直观显示系统运行状态、一键切换运行状态、故障存储等功能，在后期检修维护中，仅需少量人工干预，检修维护成本较低。
67.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。