一种柴油机排气后处理系统结构设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种柴油机排气后处理系统结构设计方法，包括以下步骤：基于柴油机台架万有试验，构建原排数据库；获取初始设计方案集；建立柴油机后处理系统一维计算模型，基于所述原排数据库和初始设计方案集进行计算，获得满足约束条件的最优设计方案。与现有技术相比，本发明专利技术不需要进行过多的柴油机后处理系统开模过程，基于该方法获得的最优后处理系统设计方案，可直接进行试验验证，节省大量成本，并缩短排气后处理系统开发周期。

A Structural Design Method of Diesel Engine Exhaust Post-treatment System

【技术实现步骤摘要】
一种柴油机排气后处理系统结构设计方法
本专利技术属于柴油机尾气排放后处理
，尤其是涉及一种柴油机排气后处理系统结构设计方法。
技术介绍
柴油机以其良好的经济性和动力性，广泛地应用于交通运输、农业机械和工程机械等领域。但其固有的燃烧会导致其尾气排放问题较为严重，对人体和环境造成较为严重影响。其中最主要的排放物就是氮氧化物(NOx)和颗粒物(ParticulateMatter,PM)。随着柴油机排放法规的日益严格，PM的质量限值日益加严，颗粒物数量(ParticleNumber,PN)也在最新的欧VI排放法规得到限制。机内净化技术已经不能使柴油机满足最新排放法规的限值要求，排放后处理催化器，包括柴油机氧化催化器(DieselOxidationCatalyst,DOC)、柴油机颗粒捕集器(DieselParticulateFilter,DPF)和选择性催化还原装置(SelectiveCatalyticReduction,SCR)，已经成为柴油机的必需配置。满足日益严格的排放法规如欧6排放法规，仅靠单个尾气后处理技术已无法满足要求，需要采取不同后处理技术的集成组合，在柴油机排气后处理系统中同时加装DOC、DPF以及SCR。因此，柴油机排气后处理催化器的结构设计优化以及它们和柴油机的匹配问题，已经成为近来研究的热点。通常，上述的催化器结构设计优化和匹配过程，需要进行大量的台架试验，最终获得满足不同工况排放条件下的最优的后处理系统结构设计方案，这需要花费大量时间，付出大量成本。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种柴油机排气后处理系统结构设计方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种柴油机排气后处理系统结构设计方法，包括以下步骤：基于柴油机台架万有试验，构建原排数据库；获取初始设计方案集；建立柴油机后处理系统一维计算模型，基于所述原排数据库和初始设计方案集进行计算，获得满足约束条件的最优设计方案。进一步地，所述原排数据库存储的数据包括气态排放物MAP、PM排放MAP、后处理系统压差MAP和温度MAP。进一步地，所述柴油机台架万有试验中，以柴油机最高转速nmax和最低转速nmin作为转速上下限，外特性点的转矩和怠速点转矩作为转矩的上下限。进一步地，所述初始设计方案集通过设置不同的DOC、DPF、SCR的长度和直径以及载体的壁厚和孔密度而获得。进一步地，基于所述柴油机后处理系统一维计算模型进行的计算包括稳态计算和瞬态工况计算。进一步地，所述约束条件包括转化效率/净化效率条件、催化器前后压降条件和催化器内部温度条件。转化效率条件包括HC和CO在DOC中的净化效率大于95％、NO在DOC中转化效率大于50％；净化效率条件包括NOx在SCR中的净化效率＞85％；催化器前后压降条件包括各催化器压降之和＜20KPa。进一步地，该方法还包括：建立柴油机后处理系统三维计算模型，在试验柴油机常用工况区域对所述最优设计方案进行验证。进一步地，所述柴油机后处理系统三维计算模型与所述柴油机后处理系统一维计算模型的参数一致。与现有技术相比，本专利技术具有以如下有益效果：1、不需要进行过多的柴油机后处理系统开模过程，基于该方法获得的最优后处理系统设计方案，可直接进行试验验证，节省大量成本，缩短排气后处理系统开发周期。2、基于本专利技术涉及的一种柴油机排气后处理系统结构设计方法得到的最优设计方案，具有较高可信度；经验证，该专利技术涉及的某型柴油机匹配最优设计方案后，可满足排放法规限值。附图说明图1为本专利技术的设计流程示意图；图2为本专利技术涉及的柴油机台架试验设备布置图；图3为本专利技术试验工况点分布及测试顺序示意图；图4为本专利技术后处理系统温度和压差传感器安装布置图；图5为筛选最优设计方案的部分结果示意图，其中，(5a)为DOC中CO净化效率，(5b)为DOC中THC净化效率，(5c)为DOC中NO转化效率，(5d)为SCR中NO转化效率，(5e)为SCR中NO2净化效率，(5f)为SCR中NH3转化效率；图6为DOC+DPF载体温度场示意图，其中，(6a)中t＝0.01s，(6b)中t＝0.5s，(6c)中t＝40s，(6d)中t＝80s；图7为SCR载体温度场示意图，其中，(7a)中t＝0.01s，(7b)中t＝2s，(7c)中t＝60s，(7d)中t＝80s；图8为催化器内部压力场示意图，其中，(8a)中t＝0.01s，(8b)中t＝0.5s，(8c)中t＝40s，(8d)中t＝80s；图中标号：1为试验用柴油机，2为测功机，3为颗粒物数量与粒径分布测量设备，4为废气分析仪，5为进气管路，6为排气管路，7为主操控台，8为颗粒物数量与粒径分布测量位置，9废气组分测量位置，10为气流方向，11为DOC装置，12为DPF装置，13为SCR装置，14为DOC前温度传感器，15为DOC后/DPF前温度传感器，16为DPF后/SCR前温度传感器，17为SCR后温度传感器，18为各压差传感器测量探头，19为DOC前后压差传感器，20为DPF前后压差传感器，21为SCR前后压差传感器。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本专利技术的柴油机排气后处理系统结构设计方法包括以下步骤：步骤1，建立原排MAP。基于柴油机台架万有试验，建立原排脉谱(MAP)，包括气态排放物MAP和PM排放MAP。气态排放物主要包括总碳氢(THC)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)等。所需的试验设备包括有测功机2、颗粒物数量和粒径分布测量设备3、废气分析仪4等。试验柴油机1和台架测量设备的连接如图2所示。以柴油机最高转速nmax和最低转速nmin作为转速上下限，外特性点的转矩和怠速点转矩作为转矩的上下限，转速间隔和转矩间隔分别取100r/min和100N·m。以排量为8L的某型柴油机为例，试验工况点分布及测试顺序如图3所示。柴油机台架万有试验，转矩间隔和转速间隔，可在现有试验条件和试验周期的限制下，进行适当放大和缩小。步骤2，建立后处理系统温度和压差MAP。基于步骤1的柴油机台架万有试验，建立后处理系统压差MAP和温度MAP。压差为DOC、DPF和SCR的前后压差；所测取的后处理系统温度包括：DOC前温(T1)、DOC后温/DPF前温(T2)、DPF后温/SCR前温(T3)、SCR后温(T4)。后处理系统温度和压差传感器安装布置如图4所示。基于上述建立的原排数据，可用OfficeExcel软件、MatLab/Simulink2DLookupTable进行线性插值或者手动线性插值，获得非测量工况点下的污染物排放数据、温度数据、压差数据，进而构建原排数据库。步骤3，提出优化设计方案。提出不同后处理系统结构优化设计方案，形成初始设计方案集。初始设计方案集通过设置不同的变量来获得，包括的变量有DOC、DPF、SCR的长度和直径、载体的壁厚、孔密度等主要特征参数。以上述某型柴油机为例，提出的不同后处理系统结构优化设计方案如表1所示。表1步骤4，筛选最优设计方案。建本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柴油机排气后处理系统结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：基于柴油机台架万有试验，构建原排数据库；获取初始设计方案集；建立柴油机后处理系统一维计算模型，基于所述原排数据库和初始设计方案集进行计算，获得满足约束条件的最优设计方案。

【技术特征摘要】
1.一种柴油机排气后处理系统结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：基于柴油机台架万有试验，构建原排数据库；获取初始设计方案集；建立柴油机后处理系统一维计算模型，基于所述原排数据库和初始设计方案集进行计算，获得满足约束条件的最优设计方案。2.根据权利要求1所述柴油机排气后处理系统结构设计方法，其特征在于，所述原排数据库存储的数据包括气态排放物MAP、PM排放MAP、后处理系统压差MAP和温度MAP。3.根据权利要求1所述柴油机排气后处理系统结构设计方法，其特征在于，所述柴油机台架万有试验中，以柴油机最高转速nmax和最低转速nmin作为转速上下限，外特性点的转矩和怠速点转矩作为转矩的上下限。4.根据权利要求1所述柴油机排气后处理系统结构设计方法，其特征在于，所述初始设计方案...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭丕强，王德源，胡志远，楼狄明，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31