CN103114896A - 一种尿素溶液计量喷射装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尿素溶液计量喷射装置，包括泵、尿素罐、步进电机和喷嘴，所述的尿素罐的出口依次通过预过滤器、第一可变容积件和第一单向阀连接在泵的进入端，所述的泵的输出端依次通过第二单向阀、第二可变容积件和过滤器连接在喷嘴上，所述的泵上连接有步进电机；所述的过滤器与喷嘴之间设有压力阀；所述的喷嘴与过滤器之间设有传感器，所述的步进电机连接有控制单元，所述的控制单元与传感器和喷嘴相连接，所述的控制单元用于通过步进电机的转速来控制喷嘴处尿素溶液的压力和开启时间；所述的预过滤器、过滤器、第一单向阀第二单向阀、泵和步进电机上设有加热单元。

Description

一种尿素溶液计量喷射装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种溶液喷射装置及其控制方法，特别是一种尿素溶液计量喷射装置及其控制方法。

背景技术

柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型。然而，随着每年的污染物排放总量持续攀升，柴油机排放污染物控制已经迫在眉睫。柴油机排放标准对柴油机排出气体中的有害部分比如碳氢（HC），氮氧化物（NOX），一氧化碳（CO）和颗粒物（PM）等确定了限值，其中氮氧化物非常难以处理。目前，常用的氮氧化物后处理方法包括选择性催化还原、碳氢选择催化还原、氮氧化物吸附装置、以及低温等离子体等方法。在实际的应用中，常用以尿素溶液为还原剂的尿素选择性催化还原方法。选择性催化还原方法采用选择性催化转化***，该***的工作原理是：尾气从涡轮出来后进入排气管，在排气管上安装有尿素计量喷射装置，喷入重量比为32.5%的尿素溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成氨，在催化剂表面，氨和氮氧化物发生还原反应，生成氮气和水，从而达到净化尾气的作用。其中，关键技术是尿素溶液的流量控制、喷雾的控制和催化剂转换效率，而尿素溶液的流量控制是保障催化剂转换效率的关键。尿素溶液的流量控制是通过尿素溶液供给***内部的压力传感器得到尿素溶液的压力，然后通过控制喷嘴的开启时间来控制尿素溶液体的流量，而尿素溶液供给***的原理是采用柱塞结构或薄膜泵结构，这种结构导致尿素溶液的压力幅度有很大的波动，尤其是在小流量的情况下，准确控制尿素溶液的流量就比较困难。因此，有效地降低管路内部的压力波动就能有助于提高尿素溶液的流量控制精度；其次，车用尿素溶液在-11℃时就开始结冰，体积会膨胀9%左右，由于柴油机或柴油车会在低温条件下工作，因此尿素溶液供给装置需要采取防止结冰冻裂的措施。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可以降低尿素溶液供给***内部压力波动，从而提高尿素溶液流量控制精度和耐低温的尿素溶液计量喷射装置及其控制方法。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：一种尿素溶液计量喷射装置，包括泵、尿素罐、步进电机和喷嘴，所述的尿素罐的出口依次通过预过滤器、第一可变容积件和第一单向阀连接在泵的进入端，所述的泵的输出端依次通过第二单向阀、第二可变容积件和过滤器连接在喷嘴上，所述的泵上连接有步进电机；所述的过滤器与喷嘴之间设有压力阀；所述的喷嘴与过滤器之间设有传感器，所述的步进电机连接有控制单元，所述的控制单元与传感器和喷嘴相连接，所述的控制单元用于通过步进电机的转速来控制喷嘴处尿素溶液的压力和开启时间；所述的预过滤器、过滤器、第一单向阀第二单向阀、泵和步进电机上设有加热单元。

一种尿素溶液计量喷射控制方法，其特征在于步骤包括：

1）启动控制单元并且初始化计量***参数，包括泵参数、控制电机参数、喷嘴参数，之后执行步骤2）；

2）控制单元通过数据总线读入发动机参数，之后执行步骤3）；

3）控制单元通过传感器来获得尿素溶液的温度，当尿素溶液的温度低于指定温度﹣11℃，则执行步骤4），否则执行步骤5）；

4）控制单元控制加热单元加热尿素溶液和整个计量***，之后执行步骤5）；

5）当尿素溶液的温度高于指定温度﹣11℃时，则执行步骤6），之后执行步骤7）；

6）关闭加热单元，之后执行步骤7）；

7）控制单元通过传感器获取溶液压力，当尿素溶液压力小于10大气压时，则执行步骤8），之后执行步骤9）；

8）增加步进电机的转速使尿素溶液的压力增加到10大气压，之后执行步骤9）；

9）当尿素溶液的压力大于10大气压，则执行步骤10），否则执行步骤11）；

10）减小步进电机的转速使尿素溶液的压力减小到10大气压，之后执行步骤11）；

11）根据发动机参数计算尿素溶液的流量，设排气中的氮氧化物的浓度Y_NOX和排气流量计算出氮氧化物的质量流量M_EXH，则氮氧化物的质量流量M_NOX=Y_NOXM_EXH，设90%NO和10%NO2，能够完全反应掉氮氧化物的尿素溶液的质量流量M_UREA=2.96M_NOX，利用尿素溶液的质量流量M_UREA和密度ρ计算出尿素溶液的容积流量Q_UREA=M_UREA/ρ，之后执行步骤12）；

12）利用所需要的尿素溶液的流量和喷嘴的流量计算出喷嘴的占空比，设所需要的尿素溶液的流量为Q_UREA，喷嘴的流量L_INJ，则喷嘴控制阀占空比为Q_UREA／L_INJ，当发动机停止工作时，则本方法结束，否则执行步骤3）。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：通过布置合适的可变容积件，可以降低尿素溶液供给***内部的压力波动，从而提高尿素溶液流量控制精度；在低温下，当尿素溶液结冰膨胀时，可变容积件可以吸收膨胀量，从而防止装置破裂。

附图说明

图1是本发明一种尿素溶液计量喷射装置的结构示意图。

图2是本发明一种尿素溶液计量喷射装置的控制单元流程图。

图中:1、尿素罐2、预过滤器3、第一可变容积件4、第一单向阀5、泵6、第二单向阀7、第二可变容积件8、过滤器9、喷嘴10、传感器11、压力阀12、控制单元13、步进电机。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种尿素溶液计量喷射装置，包括泵5、尿素罐1、步进电机13和喷嘴9，其特征在于所述的尿素罐1的出口依次通过预过滤器2、第一可变容积件3和第一单向阀4连接在泵5的进入端，所述的泵5的输出端依次通过第二单向阀6、第二可变容积件7和过滤器8连接在喷嘴9上，所述的泵5上连接有步进电机13；所述的过滤器8与喷嘴9之间设有压力阀11；所述的喷嘴9与过滤器8之间设有传感器10，所述的步进电机13连接有控制单元12，所述的控制单元12与传感器10和喷嘴9相连接，所述的控制单元12用于通过步进电机13的转速来控制喷嘴9处尿素溶液的压力和开启时间；所述的预过滤器2、过滤器8、第一单向阀4第二单向阀6、泵5和步进电机13上设有加热单元。

如图2所示，一种尿素溶液计量喷射控制方法，其特征在于步骤包括：

1)启动控制单元12并且初始化计量***参数，包括泵5参数、控制电机参数、喷嘴9参数，之后执行步骤2）；

2)控制单元12通过数据总线读入发动机参数，之后执行步骤3）；

3)控制单元12通过传感器10来获得尿素溶液的温度当尿素溶液的温度低于指定温度﹣11℃，则执行步骤4），否则执行步骤5）；

4)控制单元12控制加热单元加热尿素溶液和整个计量***，之后执行步骤5）；

5)当尿素溶液的温度高于指定温度﹣11℃时，则执行步骤6），之后执行步骤7）；

6)关闭加热单元，之后执行步骤7）；

7)控制单元12通过传感器10获取溶液压力，当尿素溶液压力小于10大气压时，则执行步骤8），之后执行步骤9）；

8)增加步进电机13的转速使尿素溶液的压力增加到10大气压，之后执行步骤9）；

9)当尿素溶液的压力大于10大气压，则执行步骤10），否则执行步骤11）；

10)减小步进电机13的转速使尿素溶液的压力减小到10大气压，之后执行步骤11）；

11）根据发动机参数计算尿素溶液的流量，设排气中的氮氧化物的浓度Y_NOX（%质量比）和排气流量计算出氮氧化物的质量流量M_EXH（千克/小时），则氮氧化物的质量流量M_NOX（千克/小时）为M_NOX=Y_NOXM_EXH，设90%NO和10%NO2，能够完全反应掉氮氧化物的尿素溶液的质量流量M_UREA（千克/小时）M_UREA=2.96M_NOX，利用尿素溶液的质量流量M_UREA和密度ρ（千克／升）计算出尿素溶液的容积流量Q_UREA（升／小时）为Q_UREA=M_UREA/ρ，之后执行步骤12）；

12）利用所需要的尿素溶液的流量和喷嘴9的流量计算出喷嘴9的占空比，设所需要的尿素溶液的流量为Q_UREA（升/小时），喷嘴9的流量L_INJ（升/小时），则喷嘴9控制阀占空比为Q_UREA／L_INJ。当发动机停止工作时，则本方法结束，否则执行步骤3）。

尿素罐1中储存车用尿素溶液（32.5%重量比），作为柴油机排气后处理的还原剂。控制单元12控制步进电机13带动泵5从尿素罐1吸取尿素溶液，尿素溶液经预过滤器2后进入第一可变容积件3，通过第一单向阀4进入泵5，然后经第二单向阀6进入第二可变容积件7，再输送到过滤器8，通过喷嘴9的开启进入柴油机排气***。第一单向阀4和第二单向阀6，保证泵5以一个方向输送尿素溶液。

当过滤器8处尿素溶液压力大于预选限定压力时，压力阀11打开，尿素溶液旁通流回尿素罐1。

在喷嘴9之前安装用于确定尿素溶液温度和压力的传感器10，该传感器10通过信号线与控制单元12相连接。控制单元12通过控制步进电机13的转速来反馈控制喷嘴9处尿素溶液的压力。控制单元12根据喷嘴9处的传感器10输出的尿素溶液压力和温度来决定开启的时间，从而精确的控制喷射的尿素溶液体的流量。

控制单元12通过数据总线与柴油机相连接，尿素溶液的流量根据柴油机***提供的参数来确定。当温度低于摄氏零下11度时，控制单元12控制加热单元加热计量***。

柴油机工作时，控制单元12根据控制策略控制步进电机13工作，如果需要，经加热单元预处理后，输送精确的尿素溶液量用于还原氮氧化物。一般尿素溶液喷射压力不超过10个大气压力，此时布置在可变容积件内的阻尼材料的变形可降低泵5脉动而产生的尿素溶液压力波动，使尿素溶液压力信号更加稳定，从而提高尿素溶液流量控制精度。

在停机状态下，当温度低于摄氏零下11度尿素溶液结冰膨胀时，由于较高的膨胀压力，使得可变容积件内的阻尼材料被压缩而体积减少，选择恰当的压缩比和体积参数，可完全抵补尿素溶液的结冰产生的膨胀量，从而防止冻裂计量装置。在这种情况下，当柴油机启动时，控制单元12延缓泵5的启动，经尿素罐1内的加热***工作一段时间化冰后启动泵5，然后给排气系输送精确的尿素溶液量。

本发明的特点是把第一可变容积件3和第二可变容积件7（空心管路，内置可压缩材料）分别安装在泵5的进入端和输出端处，并且第一单向阀4和第二单向阀6分别与进入端和输出端连接。这种结构可以降低因泵5产生的尿素溶液的压力波动，使尿素溶液的压力更加稳定，从而提高尿素溶液流量的控制精度。当低温下尿素溶液结冰膨胀时，因压力增大第一可变容积件3和第二可变容积件7被压缩，体积减少，可抵补因尿素溶液结冰时产生的膨胀量，以防止压力进一步升高而导致计量装置破裂。可变容积件可以选用实心或者中空的塑料、橡胶、泡沫等，正常工作温度范围为-40℃至90℃。

与其他配量装置相比，本发明结构形式简单，简化了***功能结构，减少了控制器的工作，从而提高了***的可靠性和经济性。

Claims (2)

1.一种尿素溶液计量喷射装置，包括泵、尿素罐、步进电机和喷嘴，其特征在于所述的尿素罐的出口依次通过预过滤器、第一可变容积件和第一单向阀连接在泵的进入端，所述的泵的输出端依次通过第二单向阀、第二可变容积件和过滤器连接在喷嘴上，所述的泵上连接有步进电机；所述的过滤器与喷嘴之间设有压力阀；所述的喷嘴与过滤器之间设有传感器，所述的步进电机连接有控制单元，所述的控制单元与传感器和喷嘴相连接，所述的控制单元用于通过步进电机的转速来控制喷嘴处尿素溶液的压力和开启时间；所述的预过滤器、过滤器、第一单向阀第二单向阀、泵和步进电机上设有加热单元。

2.一种尿素溶液计量喷射控制方法，其特征在于步骤包括：

1）启动控制单元并且初始化计量***参数，包括泵参数、控制电机参数、喷嘴参数，之后执行步骤2）；

2）控制单元通过数据总线读入发动机参数，之后执行步骤3）；

3）控制单元通过传感器来获得尿素溶液的温度当尿素溶液的温度低于指定温度﹣11℃，则执行步骤4），否则执行步骤5）；

4）控制单元控制加热单元加热尿素溶液和整个计量***，之后执行步骤5）；

5）当尿素溶液的温度高于指定温度﹣11℃时，则执行步骤6），之后执行步骤7）；

6）关闭加热单元，之后执行步骤7）；

7）控制单元通过传感器获取溶液压力，当尿素溶液压力小于10大气压时，则执行步骤8），之后执行步骤9）；

8）增加步进电机的转速使尿素溶液的压力增加到10大气压，之后执行步骤9）；

9）当尿素溶液的压力大于10大气压，则执行步骤10），否则执行步骤11）；

10）减小步进电机的转速使尿素溶液的压力减小到10大气压，之后执行步骤11）；

11）根据发动机参数计算尿素溶液的流量，设排气中的氮氧化物的浓度Y_NOX和排气流量计算出氮氧化物的质量流量M_EXH，则氮氧化物的质量流量M_NOX=Y_NOXM_EXH，设90%NO和10%NO2，能够完全反应掉氮氧化物的尿素溶液的质量流量M_UREA=2.96M_NOX，利用尿素溶液的质量流量M_UREA和密度ρ计算出尿素溶液的容积流量Q_UREA=M_UREA/ρ，之后执行步骤12）；

12）利用所需要的尿素溶液的流量和喷嘴的流量计算出喷嘴的占空比，设所需要的尿素溶液的流量为Q_UREA，喷嘴的流量L_INJ，则喷嘴控制阀占空比为Q_UREA／L_INJ，当发动机停止工作时，则本方法结束，否则执行步骤3）。

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