柴油机的排放路线布置
技术领域
本发明是关于柴油机的排放领域，特别是关于一种柴油机的排放路线布置。
背景技术
在当前的技术条件下，轻型柴油机的排放通常使用下面两种技术：(1)高压EGR+低压EGR+后处理(NSC+SCRF+SCR/ASC)。(2)高压EGR+低压EGR+后处理(DOC+SCRF+SCR/ASC)。这两种现用的方案特点是“高压EGR”和“低压EGR”组合，同时存在不能单独使用，而且后处理中只带一个SCR装置。
上述两种技术方案存在以下缺点：1)“高压EGR”和“低压EGR”组合，同时存在，造成占用较大的整车机舱空间，而且为了伺服“低压EGR”结构能正常的使用，与之配套的零件还必须包括水空中冷器、除气装置、排气阀等零部件以及对应的气体和流体管路，这些伺服附件都给柴油机体积和可靠性带来不利影响。2)后处理(NSC+SCRF+SCR/ASC)和后处理(DOC+SCRF+SCR/ASC)的技术路线，其SCR不在增压器涡轮后的第一级，为了尿素水溶液和尾气充分混合，SCR前需要一段较长混合器，导致后处理装置体积大厦，布置困难，一些妥协的布置将会影响整车的可靠性。
鉴于以上两个缺点，亟待一种效率高且体积小的轻型柴油机技术路线出现，以解决轻型车遇到的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柴油机的排放路线布置，其能够通过第一级尿素喷射器和第一级选择性催化还原器以及第二级尿素喷射器和第二级选择性催化还原器根据柴油机的不同工况对柴油机的排放尾气实施组合式降氮氧化物反应。
为实现上述目的，本发明提供了一种柴油机的排放路线布置，包括混合器、第一级尿素喷射器、第一级选择性催化还原器(SCR)、第二级选择性催化还原器以及第二级尿素喷射器。混合器直接连接在增压器涡轮出口处，柴油机的排放废气的一部分通过增压器增压后进入混合器；第一级尿素喷射器设置在混合器处用以向混合器内喷射尿素溶液；第一级选择性催化还原器设置在混合器的下游，经混合气强化混合后的气体进入第一级选择性催化还原器内实施降氮氧化物反应；第二级选择性催化还原器(SCR)设置在第一级选择性催化还原器的下游；第二级尿素喷射器设置在第二级选择性催化还原器处用以向第二级选择性催化还原器内喷射尿素溶液；其中柴油机低负荷时第一级尿素喷射器工作，柴油机中高负荷时第二级尿素喷射器工作。
在一优选的实施方式中，柴油机的排放路线布置还包括柴油氧化型催化器(DOC)以及颗粒捕集器(DPF)。柴油氧化型催化器设置在第一级选择性催化还原器的下游；颗粒捕集器设置在柴油氧化型催化器的下游，且位于第二级尿素喷射器的上游。
在一优选的实施方式中，柴油机的排放路线布置还包括高压EGR组件，柴油机的排放废气的另一部分经高压EGR组件处理后将再次进入柴油机的进气系统。
在一优选的实施方式中，高压EGR组件包括连接于柴油机的废气出口的废气循环阀以及EGR冷却器。
在一优选的实施方式中，柴油机的排放路线布置还包括温度传感器以及车载电脑。温度传感器用以感测排放路线内的温度数据；车载电脑数据连接温度传感器、第一级尿素喷射器以及第二级尿素喷射器，车载电脑用以通过温度数据控制第一级尿素喷射器工作或第二级尿素喷射器工作。
在一优选的实施方式中，柴油机处于低负荷时的废气排放温度介于200℃-350℃的范围，柴油机中处于高负荷时的废气排放温度介于350℃-550℃的范围。
与现有技术相比，本发明的柴油机的排放路线布置具有以下有益效果：
1)本发明的排放路线布置的第一级SCR、DOC、DPF可以紧凑地耦合为一体，而其前端只需要更短的混合器，该混合器利用废气涡轮增压器的高温和强气流实现迅速混合，在柴油机低负荷时也能保持较高的第一级SCR催化转化效率。排放路线布置的第二级SCR可在中负荷和高负荷时发挥作用，甚至在复杂条件下，将从第一级SCR逃逸的NOX催化转化，使尾气达到国6b排放标准甚至更高的要求。从而在技术上实现了后处理器装置的体积小，废气中的NOX清除彻底的优点。
2)由于排放路线布置采用了双级选择性催化还原器设计，从而在柴油机本体的设计时，仅考虑使用相对简单的“高压EGR组件”就可以满足要求，因此技术上减少了设计的难度，同时也减少了许多伺服“低压EGR”的零部件，使得柴油机能够体积更小，零件更少，给柴油机的可靠性带来极大的提升。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的排放路线布置的主视示意图；
图2是根据本发明一实施方式的排放路线布置的后视示意图。
主要附图标记说明：
1-第一级尿素喷射器，2-混合器，3-第一级选择性催化还原器，4-柴油氧化型催化器，5-颗粒捕集器，6-第二级选择性催化还原器，7-第二级尿素喷射器，8-高压EGR组件。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1至图2所示，根据本发明优选实施方式的一种柴油机的排放路线布置，其包括两路装置，其中一路包括连接在柴油的废气排放出口处的第一级尿素喷射器1、混合器2、第一级选择性催化还原器3(SCR)、柴油氧化型催化器4(DOC)、颗粒捕集器5(DPF)、第二级选择性催化还原器6以及第二级尿素喷射器7。混合器2直接连接在增压器涡轮出口处，柴油机的排放废气的一部分通过增压器增压后进入混合器2。第一级尿素喷射器1设置在混合器2处用以向混合器2内喷射尿素溶液。第一级选择性催化还原器3设置在混合器2的下游，经混合气强化混合后的气体进入第一级选择性催化还原器3内实施降氮氧化物反应。柴油氧化型催化器4设置在第一级选择性催化还原器3的下游。颗粒捕集器5设置在柴油氧化型催化器4的下游。第二级选择性催化还原器6(SCR)设置在柴油氧化型催化器4的下游。第二级尿素喷射器7设置在第二级选择性催化还原器6处用以向第二级选择性催化还原器6内喷射尿素溶液。
本发明的柴油机的排放路线布置的另一路装置包括连接于柴油机的废气出口的废气循环阀以及EGR冷却器组成的高压EGR组件8。柴油机的排放废气的另一部分经高压EGR组件8处理后将再次进入柴油机的进气系统。
在一些实施方式中，选择性催化还原器的作用是消除柴油机尾气中的NOX(氮氧化物)，其工作原理简述为：尾气从涡轮增压器出来后进入排气混合器，在混合器上安装有第一级尿素喷射器，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在选择性催化还原器系统催化剂表面利用NH3还原NOX，排出N2，多余的NH3也被氧化为N2，防止泄漏。选择性催化还原器处于较高的转化效率是需要有足够的温度为前提的(数据显示约在240℃以上)。
本发明的柴油机的排放路线布置包括双级选择性催化还原器(SCR)结构，其工作分工可以概括如下：
(1)当柴油机做排放认证试验时，开始的阶段转速低且是低负荷，其废气温度较低(约在200℃-350℃的范围)，不利于选择性催化还原器进行高效率的转化工作。此状态下，尽量使选择性催化还原器接近增压器涡轮出口利用废气温度成为关键，因为距离出口越远废气的温度越低。此时本发明的与增压器贴紧耦合的第一级选择性催化还原器3发挥作用，其直接连接增压器涡轮出口，废气温度损失小。工作时第一级选择性催化还原器3的尿素喷射器1喷出的尿素水溶液利用增压器涡轮出口的气流预混合，然后在增压器涡轮后混合器2中再次强化混合效果，再进入与增压器贴紧耦合第一级选择性催化还原器3实施降NOX的反应。混合气距离增压器出口距离短，热损失小，余温仍能让选择性催化还原器3发挥效率对尾气中的NOX进行净化。
(2)当柴油机处于中等转速且中负荷时，废气温度升高(约350℃-550℃的范围)，而且气流随转速的升高变得较强，不利于与增压器紧贴耦合的第一级选择性催化还原器3工作，因而第一级选择性催化还原器3不工作，即第一级选择性催化还原器3的尿素喷射器1不喷射尿素水溶液。此时，较高的温度使距离增压器涡轮出口较远的第二级选择性催化还原器6能实现较高的转化效率，因此第二级选择性催化还原器6开始发挥作用。第二级选择性催化还原器6的尿素喷射器7喷射尿素水溶液，混合气在第二级选择性催化还原器6中发生反应来净化NOX。
(3)当柴油机处于高转速且高负荷时，其情况与中等转速且中负荷时的情况相似，仅使用第二级选择性催化还原器6进行降低氮氧化物工作。
(4)在排放认证运行完成循环和实际道路使用时，工况是比较复杂的，不是稳定在某一工况不变的，即一定时间内柴油机会在低、中、高负荷间切换和存在交叉区域，常称之为变工况。因此，在变工况的条件下，第一级和第二级级选择性催化还原器3、6的“双级选择性催化还原器”形式体现出了优势。根据排放物的水平，可以灵活调节让与增压器紧贴耦合的第一级选择性催化还原器3工作或者让距离增压器出口较远的第二级选择性催化还原器6工作，也可以选择第一级和第二级级选择性催化还原器3、6同时工作，直到净化NOX到达标的要求。
在一些实施方式中，柴油机的排放路线布置还包括温度传感器以及车载电脑。温度传感器用以感测排放路线内的温度数据，一般情况下低负荷时排放路线内的温度较低，而中高负荷时，排放路线内的温度较高。车载电脑数据连接温度传感器、第一级尿素喷射器1以及第二级尿素喷射器7，车载电脑用以通过温度数据控制第一级尿素喷射器1工作或第二级尿素喷射器7工作或者同时工作，或者同时工作。
在一些实施方式中，在柴油机气缸内的燃烧阶段，“高压EGR组件8”装置起降低燃烧中产生的NOX(氮氧化物)的作用，从源头上控制，为后处理高效净化尾气打下基础。其原理为：把柴油机排气和部分废气送回进气管，并与新鲜空气混合，然后混合气进入柴油机气缸燃烧。由于废气中含有大量的CO2等多原子且不能燃烧的气体，且其比热容高而吸收大量的热，使气缸内的最高燃烧温度降低，从而减少了NOX(氮氧化物)的生成量，实现源头减排。“高压EGR”装置可以在低、中、高负荷按需要发挥作用，使柴油机在达到性能的前提下在一定的范围内(轻型机可达到约35％的EGR率)降低NOX排放物。
由上可知，本发明仅针对轻型车排放低负荷区域多的特点作为实施例，在整个排放区域中分配给不同级的SCR发挥净化NOX作用，能很好的适应轻型车的排放要求，获得更稳定的排放净化NOX效果和更宽的排放裕度。因此，也可将此路线扩展到更广泛的中型，重型柴油机领域使其发挥同样的作用。
综上所述，本发明的柴油机的排放路线布置具有以下优点：
1)本发明的排放路线布置的第一级SCR、DOC、DPF可以紧凑地耦合为一体，而其前端只需要更短的混合器，该混合器利用废气涡轮增压器的高温和强气流实现迅速混合，在柴油机低负荷时也能保持较高的第一级SCR催化转化效率。排放路线布置的第二级SCR可在中负荷和高负荷时发挥作用，甚至在复杂条件下，将从第一级SCR逃逸的NOX催化转化，使尾气达到国6b排放标准甚至更高的要求。从而在技术上实现了后处理器装置的体积小，废气中的NOX清除彻底的优点。
2)由于排放路线布置采用了双级选择性催化还原器设计，从而在柴油机本体的设计时，仅考虑使用相对简单的“高压EGR组件”就可以满足要求，因此技术上减少了设计的难度，同时也减少了许多伺服“低压EGR”的零部件，使得柴油机能够体积更小，零件更少，给柴油机的可靠性带来极大的提升。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
