CN102162390B - 一种多次定量精确喷射的选择性催化还原*** - Google Patents

一种多次定量精确喷射的选择性催化还原*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多次定量精确喷射的选择性催化还原***，在添蓝罐内置有防冻电热丝，电热丝两端并联有加热开关；加热开关与添蓝控制器相连；添蓝罐分别通过添蓝液位传感器、添蓝温度传感器与添蓝控制器相连；所述添蓝喷射器通过输送管路与添蓝罐以及添蓝控制器相连；添蓝控制器通过管路与发动机电子控制单元相连，发动机电子控制单元与压缩空气执行单元相连，压缩空气执行单元通过排气管与空气喷射器相连；发动机排气管上安装有催化器，催化器的入口与出口处分别安装有催化器温度传感器A与催化器温度传感器B，温度传感器A与温度传感器B均安装在发动机排气管上。本发明结构简单紧凑，不需要添蓝溶液回流管路和调压***。

Description

一种多次定量精确喷射的选择性催化还原***
技术领域
本发明提出一种以排气中NOx为变量的车载SCR计量精确多次喷射后处理***，属于于汽车发动机领域，满足了欧4以上的环保辅助要求。 
背景技术
柴油机由于在动力性、经济性和可靠性方面有着汽油机不可比拟的优势，特别是CO2排放量特别低，所以其用途得到大大推广，柴油轿车在市场上的占有率得到极大提高。NOx和PM(颗粒物)是柴油机的两种主要排放污染物，而且两者之间有着互相矛盾的生成关系。目前仅依靠燃烧***的优化已无法满足日益严格的排放要求。要实现欧IV对NOx和PM较低的要求，目前大致有两条机后净化技术路线：一是先通过优化燃烧，再使用选择性催化还原SCR(选择性催化还原)来降低因燃烧优化而产生的NOx排放；二是EGR(废气再循环)+DPF(颗粒捕集器)路线，即先通过EGR降低排放中的NOx的成分，再用DPF捕集因使用EGR而略有增加的颗粒物，从而达到同时降低NOx和PM的效果。SCR技术需要在车上加装“添蓝”设备，但SCR技术对燃油中的硫不敏感，扣除添蓝费用后还可使燃油经济性提高5％～7％。EGR+DPF技术虽然不需要加装添蓝基础设备，但需使用低硫燃油且燃油经济性较差，并且使发动机排放达到欧V及以上标准的可能性较小。 
SCR***基本工作原理：将尿素与水以适当比例混合，喷入柴油机排出的废气中，使废气中的NOx还原成无害的N2(氮气)和H2O(水蒸气)，其化学反应式为： 
CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O↑ 
4NH3+4NO2+O2→4N2+6H2O↑ 
尿素在常温下就能水解成氨气和二氧化碳，在高于300℃的环境中，NH3(氨气)与NOx在催化剂的作用下迅速反应，生成N2(氨气)和H2O(水蒸气)。柴油机的排气温度一般在300℃ ～500℃范围内，满足了NOx还原所需的温度条件。 
通常商业上用的尿素水溶液(质量分数为32.5％)成为添蓝，它无毒、洁净、无气味、不易着火、无***危险，常温(20℃)下的密度为1.09kg/m3，呈碱性，其PH值为8.8。尽管更高的浓度的尿素水溶液能减少车辆的重量，但32.5％质量分数的尿素水溶液能提供最低的结晶温度(-11℃)另外当溶液部分冷冻的时候，溶液浓度不变化，所以通常选择32.5％质量分数的尿素水溶液作为反应物。但添蓝必须保存在低于50℃的温度环境下，以避免被分解。 
虽然SCR有诸多优势，但在推广时仍出现一些问题。使用一般的SCR后不但要增加SCR本身装置的重量约为150～300kg，还要增加一个添蓝箱和添蓝溶液。一般情况下，消耗100L燃油的同时会消耗5L液体尿素水溶液。汽车跑6000km计算，一辆车损失的有效载荷在350kg左右。此外尿素的喷入量必须要与NOx的浓度相匹配，在保证降低NOx的同时，不能保证超过一定的计量。尿素的喷入量过少，达不到应有的处理水平；喷入过多，则会使多余的氨气排入大气，导致新污染。所以NOx的排出量的计算至关重要。 
总之，SCR***要合理处理SCR***装备质量、发动机NOx的排出量的确定、保温、喷射雾化等问题。 
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种多次定量精确喷射的SCR***，包括压缩空气执行单元、添蓝罐、防冻电热丝、加热开关、添蓝温度传感器、添蓝控制器、温度传感器A、温度传感器B、催化器、发动机电子控制单元、空气喷射器、添蓝喷射器。 
所述添蓝罐内置有防冻电热丝，电热丝两端并联有加热开关。加热开关与添蓝控制器相连。添蓝罐分别通过添蓝液位传感器与添蓝温度传感器与添蓝控制器相连。所述添蓝喷射器通过输送管路与添蓝罐以及添蓝控制器相连。添蓝控制器通过管路与发动机电子控制单元相连，发动机电子控制单元与压缩空气执行单元相连，压缩空气执行单元通过排气管 与空气喷射器相连。发动机排气管上安装有催化器，催化器的入口与出口处分别安装有催化器温度传感器A与催化器温度传感器B，温度传感器A与温度传感器B均安装在发动机排气管上。 
在发动机电子控制单元与空气喷射器间的排气管上还可安装有NOx传感器，NOx传感器与添蓝控制器相连。由于NOx传感器可以精确采集到排气中的NOx量，因此对于添蓝溶液的喷射量的控制相比通过发动机电子控制单元控制的更加精确，且处理效果更好。 
本发明的优点在于： 
1、本发明中采用的添蓝喷射器采用多次定量喷射的机理和结构，控制策略相对传统喷射方法更加简单； 
2、本发明中添蓝喷射器同时具有加压泵的效果，在这种喷射***中省去了传统的添蓝泵从而使***结构更加紧凑； 
3、本发明中的添蓝喷射器工作过程中只吸入定量的添蓝溶液，不需要添蓝溶液回流管路和调压***，使SCR喷射***管路结构得到简化。 
附图说明
图1为本发明***整体结构框图； 
图2为本发明中添蓝喷射器与空气喷射器的连接位置局部放大图； 
图3为本发明中喷射延长管路、添蓝喷射器以及空气喷射器的连接位置局部放大图； 
图4为本发明中添蓝喷射器结构示意图； 
图5为本发明装有NOx传感器的***整体结构框图。 
图中： 
1-压缩空气执行单元  2-添蓝罐            3-防冻电热              4-加热开关 
5-添蓝温度传感器    6-添蓝液位传感器    67-添蓝控制器           8-温度传感器A 
9-温度传感器B       10-催化器           11-发动机电子控制       12-空气喷射器 
                                        单元 
13-添蓝喷射器       14-发动机排气管     15-喷射延长管路         16-NOx传感器 
12a-喷射器壳体      12b-添蓝进入通道    12c-单向阀A             12d-单向阀B 
12e-添蓝腔          12f-添蓝出口管      12g-活塞                12h-偏压弹簧 
12i-螺线管      12j-锥形弹簧    12k-控制腔    12l-支撑板 
12m-螺旋弹簧    12n-通孔 
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。 
如图1所示，本发明一种多次定量精确喷射的SCR***，包括压缩空气执行单元1、添蓝罐2、防冻电热丝3、加热开关4、添蓝温度传感器5、添蓝液位传感器6、添蓝控制器7、温度传感器A8、温度传感器B9、催化器10、发动机电子控制单元(ECU)11、空气喷射器12、添蓝喷射器13。 
所述添蓝罐2用来盛放添蓝溶液，添蓝罐2内置有防冻电热丝3，用来为添蓝溶液加热，使添蓝溶液不会由于外界寒冷而凝固，由此使本发明***在寒冷气候下也能正常工作。电热丝两端并联有加热开关4，通过加热开关4来控制电热丝的开启和关闭。加热开关4与添蓝控制器7相连。 
添蓝罐2分别通过添蓝液位传感器6与添蓝温度传感器5与添蓝控制器7相连，添蓝控制器7通过采集添蓝液位传感器6与添蓝温度传感器5发送的液位高度信号与温度信号，来检测并存储添蓝罐2内添蓝溶液液位高度与温度。当添蓝控制器7检测到添蓝罐2中添蓝的温度低于设定温度时，添蓝控制器7控制加热开关4开启，从而开启防冻电热丝3来为添蓝溶液加热。当添蓝控制器7检测到添蓝罐2内添蓝的液位低于设定高度时，添蓝控制器7将通过CAN总线向使用者发出相关信息，同时驱动模拟量的指示灯警报，提醒驾驶员加注添蓝。 
所述添蓝喷射器13通过输送管路与添蓝罐2以及添蓝控制器7相连，添蓝溶液通过输送管路将添蓝溶液输送入添蓝喷射器13中，通过添蓝控制器7控制添蓝喷射器13的开启与闭合，从而控制添蓝溶液的喷射。 
添蓝控制器7通过管路与发动机电子控制单元11相连，用来向发动机电子控制单元11提供添蓝喷射器13的工作情况，从而通过发动机电子控制单元11计算出相应的添蓝 喷射量，并将添蓝喷射量信号传送给对添蓝控制器7，进而对添蓝喷射器13进行反馈控制和调节。发动机电子控制单元11与压缩空气执行单元1相连，压缩空气执行单元1通过排气管与空气喷射器12相连。通过发动机电子控制单元11来控制压缩空气执行单元1向排气管中排放一定压力与体积的空气，并通过空气喷射器12向添蓝喷射器13处喷射压缩空气，由此可以保证添蓝的雾化效果和喷射距离，也可降低添蓝喷射器13喷嘴处的温度。当发动机电子控制单元11运行在不需要喷射添蓝的工况时，发动机电子控制单元11也可控制压缩空气执行单元1继续向添蓝喷射器13处喷射压缩空气来降低添蓝喷射器13喷嘴处的温度。 
所述添蓝喷射器13为n个，n为自然数，且n≥1，当采用多个添蓝喷射器13可减少单个添蓝喷射器13的操作次数，这样添蓝喷射器13在使用中不需要以很快的速度操作。且如果用于具体添蓝溶液喷射中，采用多个体积不同的添蓝喷射器13，可以使各个添蓝喷射器13输送不同的尿素量，例如，一个添蓝喷射器13每个脉冲喷射量为1mm3，那么每次总喷射量就是1mm3的倍数，即1mm3、2mm3、3mm3、4mm3……。在上述一个添蓝喷射器13的基础上再安装一个单个脉冲喷射量为0.5mm3的添蓝喷射器13，则每次总喷射量就可以是1mm3、1.5mm3、2mm3、2.5mm3、3mm3……。由此可见，添蓝控制器7可对每个工作循环中输送的尿素量控制的更加精确。 
在发动机排气管14上安装有催化器10，催化器10用来对发动机排气管14排放的气体(NOx)进行还原。在催化器10的入口与出口处分别安装有催化器10温度传感器A8与催化器10温度传感器B9，温度传感器A8与温度传感器B9均安装在发动机排气管14上，用来采集发动机排气管14内所排出气体的温度。通过温度传感器A8与温度传感器B9与添蓝控制器7连接，从而通过添蓝控制器7实时采集和控制催化器10入口与出口处排放的气体的温度。 
如图2所示，在上述结构中，所述空气喷射器12与添蓝喷射器13均安装在发动机排 气管14上，且空气喷射器12与添蓝喷射器13依次位于发动机排气管14与催化器10入口处的温度传感器A8之间。如图3所示，添蓝喷射器13与空气喷射器12也可均安装在一根喷射延长管路15上，喷射延长管路15与发动机排气管14相连，喷射延长管路15的一端连接端，另一端为自由端，喷射延长管路15的连接端连接在发动机电子控制单元11与催化器10入口处的温度传感器A8之间的发动机排气管14上；所述的空气喷射器12安装在喷射延长管路15的自由端，添蓝喷射器13连接在自由端与连接端之间。由此通过空气喷射器12喷射出的空气可直接冲击添蓝喷射器13喷射出的添蓝，为添蓝喷射器13降温并且提高添蓝的雾化效果。且由于添蓝喷射器13位于独立管路中，使其避免直接与高温废气接触，从而改善添蓝喷射器13的工作环境。 
所述的添蓝喷射器13包括喷射器壳体12a、添蓝进入通道12b、单向阀A12c、单向阀B12d、添蓝出口管12f、活塞12g、偏压弹簧12h、螺线管12i、锥形弹簧12j。 
喷射器壳体12a内部上方开有添蓝腔12e，添蓝腔12e下方壳体内开有控制腔12k。在控制腔下部设置有支撑板12l，支撑板12l的上表面安装有活塞12g。添蓝腔12e中位于活塞12g的轴向外侧依次设置有偏压弹簧12h与螺线管12i，螺线管12i通过线路连接到发动机电子控制单元11。通过偏压弹簧12h使活塞12g在控制腔内的上下位置相对固定。所述活塞12g的顶部***到添蓝腔12e中。 
在壳体的侧壁上安装有添蓝进入通道12b，添蓝进入通道12b与添蓝腔12e相通。在添蓝进入通道12b内安插有单向阀A12c，单向阀A12c的一端伸入到添蓝腔12e中，另一端与添蓝进入通道12b间安装有螺旋弹簧12m。 
在壳体的上部安装有添蓝出口管12f，出口管的底部通过通孔12n与添蓝腔12e相通，在出口管底部设置有单向阀B12d，单向阀B12d上方设置有锥形弹簧12j。 
添蓝溶液通过添蓝进入通道12b进入到添蓝腔12e中，通过单向阀A12c来防止添蓝溶液的回流。 
活塞12g通过偏压弹簧12h和螺线管12i共同作用，使活塞12g在控制腔内上下往复运动，在喷射添蓝前，活塞12g被偏压弹簧12h压至最低点(即添蓝腔12e容积最大的点)，然后螺线管12i通电，从而拉动支撑板121与螺线管12i接触或近似接触。通过活塞12g抵抗偏压弹簧12h的力，使活塞12g向上运动从而使添蓝腔12e内容积减少，压力升高，直至推开添蓝出口管12f中的锥形弹簧12j所加载的单向阀B12d，最终使添蓝溶液从添蓝出口管12f中喷出。 
一旦螺线管12i断电，偏压弹簧12h便向下推动活塞12g，且推动支撑板远离螺线管12i。由于活塞12g的向下运动会使添蓝腔12e容积增大，从而单向阀B12d关闭，单向阀A12c打开。运动的活塞12g将添蓝溶液从添蓝入口抽至添蓝腔12e，完成添蓝腔12e中添蓝溶液的填充。 
上述结构的添蓝喷射器13使得活塞12g在每次操作可设定其运动的距离，从而保证了添蓝溶液的喷射量在每次操作中恒定，且不再需要回流阀来控制多余的添蓝回流，同时也不需要添蓝泵来控制供应添蓝溶液。 
在发动机电子控制单元11与空气喷射器12间的发动机排气管14上还可安装有NOx传感器16，NOx传感器16与添蓝控制器7相连。添蓝控制器7接收NOx传感器16发送来的NOx排放量信息，从而进行在催化器10注入催化剂之前注入的还原剂量的计算，并向添蓝喷射器13发出脉冲信号，控制添蓝喷射器13的操作次数。由于NOx传感器16可以精确采集到排气中的NOx量，因此对于添蓝溶液的喷射量的控制相比通过发动机电子控制单元11控制的更加精确，且处理效果更好。 

Claims (6)

1.一种多次定量精确喷射的选择性催化还原***，其特征在于：包括压缩空气执行单元、添蓝罐、防冻电热丝、加热开关、添蓝温度传感器、添蓝控制器、催化器温度传感器A、催化器温度传感器B、催化器、发动机电子控制单元、空气喷射器、添蓝喷射器；
所述添蓝罐内置有防冻电热丝，电热丝两端并联有加热开关；加热开关与添蓝控制器相连；添蓝罐分别通过添蓝液位传感器、添蓝温度传感器与添蓝控制器相连；所述添蓝喷射器通过输送管路与添蓝罐以及添蓝控制器相连；添蓝控制器通过管路与发动机电子控制单元相连，发动机电子控制单元与压缩空气执行单元相连，压缩空气执行单元通过压缩空气排气管与空气喷射器相连；发动机排气管上安装有催化器，催化器的入口与出口处分别安装有催化器温度传感器A与催化器温度传感器B，催化器温度传感器A与催化器温度传感器B均安装在发动机排气管上；
所述的添蓝喷射器包括喷射器壳体、添蓝进入通道、单向阀A、单向阀B、添蓝腔、添蓝出口管、活塞、偏压弹簧、螺线管；
喷射器壳体内部上方开有添蓝腔，喷射器壳体内部下方开有控制腔；在控制腔下部设置有支撑板，支撑板的上表面安装有活塞；添蓝腔中位于活塞的轴向外侧依次设置有偏压弹簧与螺线管，螺线管通过线路连接到发动机电子控制单元，通过偏压弹簧使活塞在控制腔内的上下位置相对固定；所述活塞的顶部***到添蓝腔中；
在喷射器壳体的侧壁上设置有添蓝进入通道，添蓝进入通道与添蓝腔相通；在添蓝进入通道内安插有单向阀A，单向阀A的一端伸入到添蓝腔中，另一端与添蓝进入通道间安装有螺旋弹簧；喷射器壳体的上部安装有添蓝出口管，出口管的底部通过通孔与添蓝腔相通，在出口管底部设置有单向阀B，单向阀B上方设置有弹簧。
2.如权利要求1所述一种多次定量精确喷射的选择性催化还原***，其特征在于：所述添蓝喷射器为n个，n为自然数，且n≥1。
3.如权利要求1所述一种多次定量精确喷射的选择性催化还原***，其特征在于：所述空气喷射器与添蓝喷射器均安装在发动机排气管上，且空气喷射器与添蓝喷射器依次位于发动机排气管与催化器入口处的催化器温度传感器A之间。
4.如权利要求1所述一种多次定量精确喷射的选择性催化还原***，其特征在于：所述的添蓝喷射器与空气喷射器均安装在喷射延长管路上，喷射延长管路的一端为连接端，另一端为自由端，发动机排气管喷射延长管路的连接端连接在发动机电子控制单元ECU与催化器入口处的催化器温度传感器A之间的发动机排气管上；所述的空气喷射器安装在喷射延长管路的自由端，添蓝喷射器连接在自由端与连接端之间。
5.如权利要求1所述一种多次定量精确喷射的选择性催化还原***，其特征在于：所述发动机电子控制单元与空气喷射器间的发动机排气管上安装有NOx传感器，NOx传感器与添蓝控制器相连。
6.如权利要求1所述一种多次定量精确喷射的选择性催化还原***，其特征在于：所述单向阀B上方设置的弹簧为锥形弹簧。
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