CN112177719B - 一种船用柴油机尾气净化控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用柴油机尾气净化控制装置及方法，包括用于喷射尿素溶液的喷射装置、用于盛放尿素溶液的尿素箱、用于控制喷射装置的主控装置以及用于柴油机尾气混合催化处理的混合处理装置，主控装置连通尿素箱与喷射装置，混合处理装置设置用于检测尾气状态的传感器，传感器将检测信息反馈至主控装置，进而对喷射装置进行控制；本发明结构紧凑，采用模块化的喷射装置与混合处理装置，安装灵活性高，可依据船上现有空间灵活调整安装位置；传感器实时进行信息反馈，控制精度及可靠性高，尿素溶液雾化后与尾气混合，提升净化效果。

Description

一种船用柴油机尾气净化控制装置及方法

技术领域

本发明涉及柴油机尾气净化技术领域，具体涉及一种船用柴油机尾气净化控制装置及方法。

背景技术

近年来，随着《大气污染防治行动计划》的实施，针对柴油发动机尾气排放的治理在越来越多的地区得以开展和实施。针对柴油尾气对环境的污染日益加重，多位专家和环保组织共同呼吁我国尽快制定和实施“清洁发动机行动计划”，实施更加严格的柴油车、非道路机械和船舶排放标准，推动柴油油品清洁化，以加快中国城市大气污染防治进程。

通过对国内外同领域内的企业和机构的分析，可以看出柴油机尾气后处理SCR系统已经成为中、大型功能发动机尾气后处理的主要途径和发展方向，国外的发动机尾气后处理SCR系统主要通过封装公司或电控系统公司对相关部件予以集成，最终形成系统供应。我国也已经产生了SCR后处理系统的主要部件的生产供应商。随着国四国五阶段机动车排放标准的强制实施，我国对发动机尾气后处理SCR系统的需求将出现井喷式发展趋势，发动机尾气后处理SCR系统的整体系统集成供应商也必将形成。

专利号为CN201811043683.3的发明专利公开了一种船用柴油机尾气SCR脱硝系统及其使用方法，包括工作台面以及设置于其上端的溶解罐和SCR反应器，所述SCR反应器右端底部连通有废气进气管道，所述废气进气管道右侧外壁焊接有固定筒，所述固定筒内壁粘覆有螺纹橡胶条，所述固定筒内螺接有紧贴于废气进气管道外壁的柴油排气管道，所述溶解罐上端中间位置安装有伺服电机，所述伺服电机输出端通过联轴器连接有伸入溶解罐内部的搅拌机构，本发明利用固定筒以及内壁的螺纹橡胶条将柴油排气管道输出端与废气进气管道自由端进行密封连接，从而减少尾气泄露的情况发生。

该方案对于柴油机尾气处理方法主要存在以下不足：

1、而对于船用柴油机来讲，多采用大功率发动机组，并且在船上的布局相对分散，很难进行集中的尾气净化处理；

2、占用空间大，每台船用柴油机的工况及使用环境不同，不同的机组所产生的尾气NOx污染物浓度不一样，难以在发动机出厂时就配置统一的尾气净化系统；

3、尾气净化系统无法有效获取柴油机的工况信息，进行针对性处理，容易出现净化不完全的情况。

同时，由于现有船舶已经投入使用，碍于空间限制，新增尾气净化装置困难，因此急需一种既能解决柴油机的尾气净化问题，同时又可以灵活安装的尾气净化装置。

发明内容

技术目的：针对现有技术在船用柴油机尾气净化方面不足，本发明公开了一种结构紧凑、布局灵活，可以针对柴油机具体工况进行针对处理的船用柴油机尾气净化控制装置及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种船用柴油机尾气净化控制装置，包括用于喷射尿素溶液的喷射装置、用于盛放尿素溶液的尿素箱、用于控制喷射装置的主控装置以及用于柴油机尾气混合催化处理的混合处理装置，所述喷射装置、混合处理装置的数量分别与柴油机的数量相匹配；所述主控装置连通尿素箱和喷射装置。

所述混合处理装置的进口和出口位置分别设置用于检测尾气状态的传感器，传感器与主控装置电连接；混合处理装置设置与喷射装置连通的喷枪。

优选地，所述喷射装置进口端设置有用于调节流量的比例阀，比例阀与主控装置电连接。

优选地，所述主控装置设置带有手动操控和自动控制功能的人机交互操作界面，可以人工选择装置的工作状态，操控灵活；主控装置包括进口管路、出口管路以及两组用于稳定喷射压力的建压设备，其中一组建压设备作为备用，在其中一组建压设备发生故障时，可以立即切换到另一组建压设备，将停机时间压缩到最短，不会影响正常的尾气净化处理过程；同时装置采用西门子PLC控制器作为主控单元进行控制，可靠性高，抗干扰性强，能够满足工厂、轮船等环境恶劣的应用场合。

优选地，所述主控装置的进口管路与尿素箱连通，进口管路上设置有用于切换尿素流向的三通阀，便于在其中一组建压设备发生故障时，进行切换；两组建压设备均包括主建压泵、压力表及安全阀，两台主建压泵分别与三通阀的出口连通，压力表位于每台主建压泵与三通阀的连通管路之间，每台主建压泵设置一条与其并行的旁通管路，安全阀安装在旁通管路上，主建压泵、安全阀的出口均与出口管路连通，出口管路上设置有用于稳定输送压力的阻尼器，出口管路与喷射装置进口端的比例阀连通。

优选地，所述混合处理装置包括尾气进口管路、尾气出口管路、尾气旁通管路及尾气混合管路；其中，所述尾气进口管路和尾气出口管路分别设置温度传感器和用于检测氮氧化物含量的氮氧化物传感器，温度传感器、氮氧化物传感器分别与主控装置电连接，尾气进口管路还设置有用于检测尾气流量的流量传感器，喷枪安装在尾气混合管路的进气端；通过传感器获取柴油机尾气状况，由主控装置进行分析，针对性处理。

优选地，所述尾气混合管路的两端分别设置有与主控装置电连接的旁通封闭电磁阀，在两台旁通封闭电磁阀之间的管路上设置用于尾气催化处理的催化器，喷枪位于催化器的进口一侧，喷枪的喷射量为0~60L/h；催化器并联有用于检测催化器两端压差的压差传感器，所述压差传感器与主控装置电连接，通过压差传感器检测催化器两端的压差，防止催化器阻塞，当压差较大时，控制旁通电磁阀开启，使尾气临时通过旁通管路排出。

优选地，所述喷射装置内部设置用于压缩空气流通的压缩空气管路、用于尿素液体流通的尿素管路以及清洗管路，并且配有用于供给压缩空气的气源；压缩空气管路和尿素管路并列安装在喷射装置内，压缩空气管路的一端与气源连通，另一端与喷枪的进气口连通，尿素管路一端与比例阀的出口连通，另一端与喷枪的液体进口连通，清洗管路将压缩空气管路和尿素管路连通，清洗管路上设置吹扫封闭电磁阀以及流通方向为从压缩空气管路至尿素管路的第一单向阀。

优选地，所述压缩空气管路在与清洗管路接口的前端顺序设置用于调节压缩空气压力的气动调压阀、用于分离空气中水汽的水汽分离器以及用于控制气源开关的气源电动阀，压缩空气管路在与清洗管路接口的后端设置有流通方向为从压缩空气管路至喷枪的第二单向阀。

优选地，所述尿素管路在靠近比例阀的位置设置用于阻挡尿素液体回流的第三单向阀。

优选地，一种船用柴油机尾气净化控制方法，包括以下步骤：

S01、将混合处理装置和喷射装置分别设置在柴油机的尾气出口端，柴油机尾气经过进入混合处理装置，尾气进口管路上的流量传感器检测尾气流量，温度传感器和氮氧化物传感器检测尾气温度和氮氧化物含量，反馈给主控装置；

S02、主控装置接收尾气进口管路上的传感器反馈的信息，控制喷射装置入口处的比例阀开度，通过建压设备将尿素溶液输送到喷射装置内，通过喷枪将雾化的尿素溶液喷入尾气进口管路内与尾气混合；

S03、尾气与尿素溶液混合后进入催化器进行催化净化，从催化器的出口进入尾气出口管路；

S04、尾气出口管路上传感器将净化后的尾气状态检测数据反馈至主控装置，主控装置依据反馈的数据选择保持或者调整比例阀的开度，进而调整尿素喷射量，净化后的尾气通过尾气出口管路排出。

本发明所提供的一种船用柴油机尾气净化控制装置在使用时，首先选择手动喷射模式或者自动喷射模式，在手动喷射模式下，手动选择喷射量进行喷射，对尾气进行净化处理，装置不工作时，打开吹扫封闭电磁阀，通过气源对尿素管路进行吹洗，防止结晶。

有益效果：本发明所提供的一种船用柴油机尾气净化控制装置及方法，具有如下有益效果：

1、通过模块化设计的喷射装置和混合处理装置，依据现场的柴油机状况进行调整，对每一台发动机组进行独立尾气处理，也可以对多台发动机组同时进行尾气处理，安装灵活，针对性强。

2、通过在混合处理装置的尾气进口管路、尾气出口管路分别设置一组温度传感器、氮氧化物传感器，检测尾气的温度状况和氮氧化物含量，获取尾气的状况，进行尿素喷射量的计算和修正，无需从ECU获取柴油机的工况信息，适用范围广，不受柴油机型号限制。

3、喷射装置进口位置设置比例阀，依据柴油机工况灵活调节尿素喷射量，合理分配流量，保证处理效果的同时，避免浪费，节省成本。

4、主控装置和喷射装置可以分开布置，安装灵活，不受安装空间的限制，适用现有船舶加装的需要。

5、主控装置设置两组建压设备，遇到故障可以随时进行切换，保证尾气净化处理连续进行，不会中断，可靠性高，抗干扰性强。

6、喷射装置的尿素喷射量可达60L/h，满足大部分柴油机的尾气处理要求。

7、主控装置采用西门子PLC控制器作为主控单元，可靠性高。

8、主控装置设置并联的安全阀，在主建压泵压力过大时，进行保护，维护设备安全，安全性高。

9、喷射装置设置压缩空气管路，提供喷射压力进行雾化处理，提升尿素与尾气的混合效果，反应更充分，提升尾气净化效果和尿素利用率。

10、压缩空气管路可对喷射装置的尿素管路进行吹扫，避免结晶堵塞，提升喷射装置的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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介绍。

图1为本发明装置的原理图；

图2为本发明装置内部结构图；

图3为本发明方法的流程图；

其中，1-喷射装置、2-尿素箱、3-主控装置、4-混合处理装置、5-建压设备、6-气源、7-喷枪；

101-比例阀、102-压缩空气管路、103-尿素管路、104-清洗管路、105-吹扫封闭电磁阀、106-第一单向阀、107-气动调压阀、108-水汽分离器、109-气源电动阀、110-第二单向阀、111-第三单向阀、301-进口管路、302-出口管路、303-三通阀、304-阻尼器；

401-尾气进口管路、402-尾气出口管路、403-尾气旁通管路、404-尾气混合管路、405-温度传感器、406-氮氧化物传感器、407-流量传感器、408-封闭电磁阀、409-催化器、410-压差传感器、411-旁通电磁阀、501-主建压泵、502-压力表、503-安全阀、504-旁通管路。

具体实施方式

下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1、图2所示，为本发明所提供的一种船用柴油机尾气净化控制装置，包括用于喷射尿素溶液的喷射装置1、用于盛放尿素溶液的尿素箱2、用于控制喷射装置的主控装置3以及用于柴油机尾气混合催化处理的混合处理装置4，所述喷射装置1、混合处理装置4的数量分别与柴油机的数量相匹配；所述主控装置3连通尿素箱2和喷射装置1。

所述混合处理装置4的进口和出口位置分别设置用于检测尾气状态的传感器，传感器与主控装置3电连接；混合处理装置4设置与喷射装置连通的喷枪7；所述喷射装置1进口端设置有用于调节尿素流量的比例阀101，比例阀101与主控装置3电连接。

所述主控装置3设置带有手动操控和自动控制功能的人机交互操作界面，可以人工选择装置的工作状态，操控灵活；主控装置3包括进口管路301、出口管路302以及两组用于稳定喷射压力的建压设备5，其中一组建压设备5作为备用，在其中一组建压5设备发生故障时，可以立即切换到另一组建压设备5，将停机时间压缩到最短，不会影响正常的尾气净化处理过程；同时装置采用西门子PLC控制器作为主控单元进行控制，可靠性高，抗干扰性强，能够满足工厂、轮船等环境恶劣的应用场合。

主控装置3通过进口管路301与尿素箱2连通，进口管路301上设置三通阀303；两组建压设备5均包括主建压泵501、用于检测主建压泵501进口压力的压力表502以及用于防止管路压力过大的安全阀503，两台主建压泵501分别与三通阀303的两个出口连通；主控装置5给每组建压设备5配有一条旁通管路504，安全阀503安装在旁通管路504上，尿素箱2的尿素溶液通过建压泵501建压后，输送至出口管路302，出口管路302上设置有用于稳定压力的阻尼器304，尿素溶液经阻尼器304稳压后输送至喷射装置1，喷射装置1的喷射量为0~60L/h，可满足柴油机的尾气处理需求，灵活进行调整喷射量。

喷射装置1包括用于压缩空气流通的压缩空气管路102、用于尿素液体流通的尿素管路103以及清洗管路104，并且配有用于供给压缩空气的气源6；压缩空气管路102和尿素管路103并列安装在喷射装置1内，压缩空气管路102的一端与气源6连通，另一端与喷枪7的进气口连通，尿素管路103一端与比例阀101的出口连通，另一端与喷枪7的液体进口连通，清洗管路104将压缩空气管路102和尿素管路103连通，清洗管路上设置吹扫封闭电磁阀105以及流通方向为从压缩空气管路至尿素管路的第一单向阀106。

尿素溶液经喷射装置1进口位置的比例阀101后进入尿素管路103，尿素管路103在与清洗管路104连通部位的前端设置第三单向阀111，用于阻挡尿素液体回流，尿素液体经过第三单向阀111后进入喷枪7内部。

同时，气源6提供的压缩空气通过压缩空气管路102进入喷枪7内部，将尿素溶液雾化喷入混合处理装置4内；压缩空气管路102在与清洗管路104连通部位与气源6之间的管段上，设置有用于调节压缩空气压力的气动调压阀107、用于分离压缩空气中水汽的水汽分离器108和控制气源6开关的气源电动阀109；压缩空气管路102在与清洗管路104连通部位和喷枪7之间的管段上，设置有用于防止压缩空气回流的第二单向阀110。

混合处理装置4包括尾气进口管路401、尾气出口管路402、尾气旁通管路403和用于尾气混合处理的尾气混合管路404，尾气混合管路404两端分别与尾气进口管路401、尾气出口管路402连通，连通部位设有用于封闭尾气混合管路404的封闭电磁阀408，尾气混合管路404上设置有用于混合尾气催化的催化器409，催化器409两端并联有用于检测催化器409两端压差的压差传感器410；喷枪7的喷头安装在催化器409进口一侧，位移催化器409与封闭电磁阀408之间，尾气旁通管路403上设有旁通电磁阀411，用于封堵和开启尾气旁通管路403。

尾气进口管路401与柴油机的尾气出口连通，在尾气进口管路401、尾气出口管路402上均设置有用于检测尾气温度的温度传感器405和用于检测尾气中氮氧化物含量的氮氧化物传感器406，尾气进口管路401还设置有用于检测尾气流量的流量传感器407，温度传感器405、氮氧化物传感器406、流量传感器407分别与主控装置3电连接。

如图3所示，本发明所提供的一种船用柴油机尾气净化控制方法，主控装置3、喷射装置1和混合处理装置4可以分开单独布置，喷射装置1、混合处理装置4的数量可以依据现场柴油机的分布及处理要求进行灵活匹配安装，本发明的具体工作过程如下：

S01、主控装置3通过西门子PLC控制器开始自检，检测传感器的工作状态，是否存在故障，检测无误后，系统开始建压，当选取手动喷射模式时，手动输入喷射尿素量，系统依据收入的数据进行喷射。

S02、当选取自动喷射模式时，柴油机的尾气经过尾气进口管路401进入混合处理装置4，尾气进口管路401上的温度传感器405、氮氧化物传感器406检测尾气状态，将检测信息反馈至主控装置3上，依据反馈的信息计算所需的尿素喷射量，控制喷射装置1的比例阀101开度，进行流量调节。

S03、喷射装置1通过喷枪7将尿素溶液与压缩空气混合雾化后喷射到尾气混合管路404内，与尾气充分混合后进入催化器409中进行催化、反应，净化后的尾气最后通过尾气出口管路402排出，尾气出口管路402上的温度传感器405、氮氧化物传感器406检测净化后的尾气状态，将信息反馈至主控装置3，主控装置3依据反馈的信息选择维持尿素喷射量或者对尿素的喷射量进行修正，使尾气净化达到标准。

S04、当催化器409两端的压差超出设定值时，主控装置3接收压差传感器410的反馈信息，控制旁通电磁阀411开启，使尾气临时通过尾气旁通管路403排出，避免对设备造成损伤。

S04、装置不工作时，打开清洗管路104上的吹扫电磁阀105，使用压缩空气对尿素管路进行吹扫，防止在管路内结晶，造成阻塞。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种船用柴油机尾气净化控制装置，其特征在于：包括用于喷射尿素溶液的喷射装置（1）、用于盛放尿素溶液的尿素箱（2）、用于控制喷射装置（1）的主控装置（3）以及用于柴油机尾气混合催化处理的混合处理装置（4），主控装置（3）、混合处理装置（4）和喷射装置（1）分开单独布置，喷射装置（1）和混合处理装置（4）模块化设计；所述喷射装置（1）、混合处理装置（4）的数量分别与柴油机的数量相匹配；所述主控装置（3）连通尿素箱（2）和喷射装置（1）；

所述混合处理装置（4）的进口和出口位置分别设置用于检测尾气状态的传感器，传感器与主控装置（3）电连接；混合处理装置（4）设置与喷射装置（1）连通的喷枪（7），所述喷射装置（1）进口端设置有用于调节流量的比例阀（101），比例阀（101）与主控装置（3）电连接；

所述混合处理装置（4）包括尾气进口管路（401）、尾气出口管路（402）、尾气旁通管路（403）及尾气混合管路（404）；其中，所述尾气进口管路（401）和尾气出口管路（402）分别设置温度传感器（405）和用于检测氮氧化物含量的氮氧化物传感器（406），温度传感器（405）、氮氧化物传感器（406）分别与主控装置（3）电连接，尾气进口管路（401）上的温度传感器（405）、氮氧化物传感器（406）检测尾气状态，将检测信息反馈至主控装置（3）上，依据反馈的信息计算所需的尿素喷射量；尾气出口管路（402）上的温度传感器（405）、氮氧化物传感器（406）检测净化后的尾气状态，将信息反馈至主控装置（3），主控装置（3）依据反馈的信息选择维持尿素喷射量或者对尿素的喷射量进行修正，使尾气净化达到标准；

尾气进口管路（401）还设置有用于检测尾气流量的流量传感器（407），喷枪（7）安装在尾气混合管路（404）的进气端；

所述尾气混合管路（404）的两端分别设置有与主控装置（3）电连接的旁通封闭电磁阀（408），尾气混合管路（404）上设置用于尾气催化处理的催化器（409），催化器（409）位于两台旁通封闭电磁阀（408）之间，喷枪（7）位于催化器（409）的进口一侧，催化器（409）并联有用于检测催化器（409）两端压差的压差传感器（410），所述压差传感器（410）与主控装置（3）电连接，尾气旁通管路（403）上设置旁通电磁阀（411），主控装置（3）接收压差传感器（410）的反馈信息，控制旁通电磁阀（411）开启；

所述喷射装置（1）内部设置用于压缩空气流通的压缩空气管路（102）、用于尿素液体流通的尿素管路（103）以及清洗管路（104），并且配有用于供给压缩空气的气源（6），压缩空气管路（102）和尿素管路（103）并列安装在喷射装置（1）内，压缩空气管路（102）的一端与气源（6）连通，另一端与喷枪（7）的进气口连通，尿素管路（103）一端与比例阀（101）的出口连通，另一端与喷枪（7）的液体进口连通，清洗管路（104）将压缩空气管路（102）和尿素管路（103）连通，清洗管路上设置吹扫旁通封闭电磁阀（105）以及流通方向为从压缩空气管路至尿素管路的第一单向阀（106）；

所述压缩空气管路（102）在与清洗管路（104）接口的前端顺序设置用于调节压缩空气压力的气动调压阀（107）、用于分离空气中水汽的水汽分离器（108）以及用于控制气源（6）开关的气源电动阀（109），压缩空气管路（102）在与清洗管路（104）接口的后端设置有流通方向为从压缩空气管路（102）至喷枪（7）的第二单向阀（110）。

2.根据权利要求1所述的一种船用柴油机尾气净化控制装置，其特征在于：主控装置（3）包括进口管路（301）、出口管路（302）以及两组用于稳定喷射压力的建压设备（5），其中一组建压设备（5）作为备用；所述主控装置（3）的进口管路（301）与尿素箱（2）连通，进口管路（301）上设置有用于切换尿素流向的三通阀（303）。

3.根据权利要求2所述的一种船用柴油机尾气净化控制装置，其特征在于：所述两组建压设备（5）均包括主建压泵（501）、压力表（502）及安全阀（503），两台主建压泵（501）分别与三通阀（303）的出口连通，压力表（502）位于每台主建压泵（501）与三通阀（303）的连通管路之间，每台主建压泵（501）设置一条与其并行的旁通管路（504），安全阀（503）安装在旁通管路（504）上，主建压泵（501）、安全阀（503）的出口均与出口管路（302）连通，出口管路（302）上设置有用于稳定输送压力的阻尼器（304），出口管路（302）与喷射装置（1）进口端的比例阀（101）连通。

4.根据权利要求1所述的一种船用柴油机尾气净化控制装置，其特征在于：所述尿素管路（103）在靠近比例阀（101）的位置设置用于阻挡尿素液体回流的第三单向阀（111）；所述喷枪（7）的喷射量为0~60L/h。

5.根据权利要求1~4任一所述的一种船用柴油机尾气净化控制装置的控制方法，其特征在于：包括步骤：

S01、将混合处理装置和喷射装置分别设置在柴油机的尾气出口端，柴油机尾气经过进入混合处理装置，尾气进口管路上的流量传感器检测尾气流量，温度传感器和氮氧化物传感器检测尾气温度和氮氧化物含量，反馈给主控装置；

S02、主控装置接收尾气进口管路上的传感器反馈的信息，控制喷射装置入口处的比例阀开度，通过建压设备将尿素溶液输送到喷射装置内，通过喷枪将雾化的尿素溶液喷入尾气进口管路内与尾气混合；

S03、尾气与尿素溶液混合后进入催化器进行催化净化，从催化器的出口进入尾气出口管路；

S04、尾气出口管路上传感器将净化后的尾气状态检测数据反馈至主控装置，主控装置依据反馈的数据选择保持或者调整比例阀的开度，进而控制尿素喷射量，净化后的尾气通过尾气出口管路排出。

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