CN105464762B - 选择性催化还原*** - Google Patents

Abstract

一种选择性催化还原***包括：还原剂罐；计量喷射模块，其包括还原剂计量阀和还原剂喷射通道；连接在还原剂罐与计量阀之间的还原剂供应线路；压缩空气源；与还原剂供应线路同时操作的辅助空气线路，其上游端连接着压缩空气源，下游端通向还原剂喷射通道的出口，以向还原剂流喷射来自压缩空气源的压缩空气；以及还原剂清理线路，其上游端连接着压缩空气源，下游端通向还原剂喷射通道，还原剂清理线路被控制成在还原剂供应线路和辅助空气线路操作结束后操作，以向计量阀喷射来自压缩空气源的压缩空气，从而迫使计量阀中的残余还原剂朝向还原剂罐的方向回流。这种选择性催化还原***可降低成本和缩短残余还原剂的清空时间。

Description

选择性催化还原***

技术领域

本申请涉及一种用于对发动机尾气进行后处理的选择性催化还原(SCR)***，其具有在工作后使还原剂回流的还原剂清理模块。

背景技术

为了降低车辆中的有害成分，目前的车辆通常配备有适当的尾气后处理***，用以降低发动机排出的有害气体量。例如，选择性催化还原***是一种有效的发动机尾气后处理***，其通过向车辆排气管中喷射作为还原剂的尿素溶液而将尾气中的NOx减少50％以上。

在发动机运行结束后，排气***温度下降，而尿素溶液在低温下会结晶或冰冻，而这会导致问题。举例而言，用作标准还原剂的32.5％含量的尿素水溶液在低于-11℃的环境温度下会冻结。在车辆熄火后，残余在尿素供应模块或中的尿素溶液可能会在驻车期间结冻，这会导致尿素供应模块中的某些部件受损。为了保护尿素供应模块中的部件不会因尿素溶液的结冰压力而撑裂，必须采用专门的措施在发动机运行结束后排空尿素供应模块。

例如，在图1所示的现有技术中，一种选择性催化还原***主要包括还原剂供应线路和辅助空气线路。所述还原剂供应线路用于将还原剂罐1中的还原剂依次经预过滤器2、主泵模块3、主过滤和压力脉冲阻尼模块4供应到计量阀5，该计量阀5用于将还原剂喷射到排气管中。还原剂供应线路中还装有还原剂压力传感器6。所述辅助空气线路由压缩空气源7引出并且带有空气开关阀8，用于将压缩空气供应到计量阀5喷出的还原剂流中，以有助于还原剂的雾化和定形。

此外，所述选择性催化还原***还包括由还原剂供应线路引出的彼此并联的还原剂回流线路和还原剂清理线路。所述还原剂回流线路中装有回流模块10，用于使得还原剂供应线路中的多余还原剂回流到还原剂罐1。所述还原剂清理线路中装有清理泵模块11，用于在发动机熄火后将残留在计量阀5中的还原剂抽回到还原剂罐1中。

上述清理泵模块11中的清理泵通常采用电磁控制的膜片泵，由脉冲宽度调制控制信号控制其电枢沿直线移动，从而将残留的还原剂从计量阀5抽出并且输送回还原剂罐1。这种清理泵需要在行程控制、密封保护和降低噪音等方面精心设计。此外，清理泵具有非常复杂的结构，因而会导致整个选择性催化还原***的成本增加。

发明内容

出于上面描述的原因，本申请的目的是提供一种至少能降低成本的选择性催化还原***。

根据本申请的一个方面，提供了一种选择性催化还原***，包括：容纳着还原剂的还原剂罐；计量喷射模块，其包括用于计量还原剂的计量阀和将还原剂喷出的还原剂喷射通道；连接在还原剂罐与计量阀之间的用于向计量阀供应还原剂的还原剂供应线路；压缩空气源；与还原剂供应线路同时操作的辅助空气线路，其上游端连接着所述压缩空气源，下游端通向所述还原剂喷射通道的出口，以向还原剂流喷射来自所述压缩空气源的压缩空气；以及还原剂清理线路，其上游端连接着所述压缩空气源，下游端通向所述还原剂喷射通道，所述还原剂清理线路被控制成在还原剂供应线路和辅助空气线路操作结束后操作，以向所述计量阀喷射来自所述压缩空气源的压缩空气，从而迫使计量阀中的残余还原剂朝向还原剂罐的方向回流。

根据本申请的一种可行实施方式，所述辅助空气线路中设有控制其通断的第一空气开关阀，所述还原剂清理线路中设有控制其通断的第二空气开关阀。

根据本申请的一种可行实施方式，所述辅助空气线路包括位于计量喷射模块内的附加气流通道，所述附加气流通道的末端带有截止阀。

根据本申请的一种可行实施方式，所述附加气流通道由金属管件构成。

根据本申请的一种可行实施方式，在还原剂清理线路操作时，所述压缩空气源内的压力在5巴或以上。

根据本申请的一种可行实施方式，所述辅助空气线路通过切换元件与所述计量阀的出口相连，所述切换元件构造成，在还原剂清理线路的非操作状态下保持所述还原剂喷射通道的出口畅通，而在还原剂清理线路的操作状态下关闭所述还原剂喷射通道的出口。

根据本申请的一种可行实施方式，所述切换元件为气压控制型切换阀，其利用还原剂清理线路中的空气压力实现阀位切换。

根据本申请的一种可行实施方式，还包括从还原剂供应线路分支出来并且通向还原剂罐的还原剂回流线路。

根据本申请的一种可行实施方式，所述还原剂回流线路与所述还原剂供应线路的上游段并联，所述还原剂供应线路的所述上游段中包含主泵模块以及主过滤和压力脉冲阻尼模块。

根据本申请的一种可行实施方式，所述辅助空气线路被构造成以下述方式与计量喷射模块相连，即通过辅助空气线路输送的压缩空气与通过还原剂喷射通道喷出的还原剂混合以使得还原剂以预定角度和液滴尺寸进入排气管。

根据本申请的选择性催化还原***中包括使用压缩空气的辅助空气线路和还原剂清理线路，取消了现有技术中昂贵的清理泵，从而整个选择性催化还原***的成本可以降低。

同时，根据本申请的选择性催化还原***在采用了基于压缩空气的还原剂清理线路后，残余还原剂的清空时间可以缩短，从而能够降低车辆电池的能耗。

附图说明

图1是一种现有的发动机尾气选择性催化还原***的示意图。

图2是根据本申请的一个实施方式的发动机尾气选择性催化还原***的示意图。

图3是图2中的选择性催化还原***的一种改型的局部示意图。

图4、5是图3中的选择性催化还原***的计量喷射模块中可以使用的一种切换阀的示意图。

图6是本申请的选择性催化还原***与现有技术的选择性催化还原***在还原剂清空时间方面的对比图。

具体实施方式

下面参照附图描述本申请的优选实施方式。

图2示出了根据本申请的一个实施方式的选择性催化还原***，用于向发动机、尤其是柴油机的尾气中以一定压力和计量的流量喷射还原剂。所述还原剂可以是通常使用的尿素溶液，例如AdBlue，其存储在还原剂罐1中。

所述选择性催化还原***包括一个还原剂供应线路，其包括起始于还原剂罐1的管线或通道(还原剂供应通道)L1和从靠近还原剂罐1的一侧开始依次布置在通道L1中的预过滤器2、主泵模块3、主过滤和压力脉冲阻尼模块4，通道L1终止于由发动机的排气管承载的计量喷射模块(未示出其总体结构)，所述计量喷射模块包括位于其本体内的计量阀5，所述计量阀5的输出端由通道(还原剂喷射通道)5a和位于通道末端的出口5b构成。

在主泵模块3启动后，还原剂罐1中的还原剂经通道L1沿箭头所示的正向方向F1供应到计量喷射模块中。在通道L1中安置在主泵模块3上游的预过滤器2过滤掉还原剂中的粗颗粒。

主泵模块3包括主泵3a和布置在主泵3a上下游的单向阀3b和3c。这两个单向阀定向为使得通道L1中的还原剂只能沿正向方向F1流动。可以理解，在简化的实施方式中，主泵模块3中可以只布置一个单向阀。

在主泵模块3的下游侧安置着主过滤和压力脉冲阻尼模块4，其主要包括主过滤器4a和连接于主过滤器4a的压力脉冲阻尼4b。主过滤器4a用于过滤掉还原剂中的细颗粒。压力脉冲阻尼4b可以是蓄压器的形式，当通道L1中的压力升高或降低时，可以吸收或释放其储存的压力，以缓解通道L1中的压力波动。还原剂压力传感器6在主过滤和压力脉冲阻尼模块4的下游连接着通道L1，用于检测通道L1的下游段中的压力，即计量喷射模块的输入压力。

所述选择性催化还原***还包括由还原剂供应线路引出的还原剂回流线路。所述还原剂回流线路包括管线或通道(回流通道)L2和安装在通道L2中的回流模块10，用于在选择性催化还原***工作时使得还原剂供应线路中的多余还原剂沿着箭头所示的回流方向F2回流到还原剂罐1。通道L2与通道L1的上游段(即包含主泵模块3与主过滤和压力脉冲阻尼模块4的那一段)并联。回流模块10包括沿回流方向F2依次布置在通道L2中的回流过滤器10a、节流器10b和单向阀10c。该单向阀10c定向为使得通道L2中的还原剂只能沿回流方向F2流动。

所述选择性催化还原***还包括压缩空气源7和连接着压缩空气源7的辅助空气线路。压缩空气源7可以是单独的空气泵或车辆中的压缩空气源。所述辅助空气线路在图示的例子中主要体现为管线或通道(第一压缩空气通道)L3的形式，通道L3的上游端连接着所述压缩空气源7，通道L3的下游端通向计量喷射模块的通道5a的出口5b中，用于将来自压缩空气源7的压缩空气供应到由计量阀5喷出的还原剂流，以有助于将还原剂雾化为具有很小的液滴尺寸和定形为具有适宜喷射的角度。在压缩空气源7的下游在通道L3中装有第一空气开关阀8，用于控制通道L3的通断，由此控制压缩空气向计量阀5喷出的还原剂流的供应。

经通道L1从还原剂罐1接收的还原剂被计量阀5喷出后与来自通道L3的压缩空气混合，所产生的还原剂与压缩空气的混合物被喷射到排气管中。发动机的尾气在排气管中流动，并与还原剂与压缩空气的混合物进一步混合以便发生还原反应而消除部分NOx。

各种结构的计量阀5都适用于本申请，图2中仅仅示意性绘出了计量阀5，其输入端口连接着通道L1的下游端，输出端口(即通道5a及其出口5b)朝向排气管。通道5a的出口5b构造成使得喷出的还原剂流呈扩散的形式。从通道5a排出的还原剂与从通道L3排出的压缩空气混合，以使还原剂雾化，并形成还原剂与压缩空气的混合物而进入排气管中。

本申请的选择性催化还原***还包括从压缩空气源7引出的还原剂清理线路，其在图示的例子中主要体现为管线或通道(第二压缩空气通道)L4的形式，所述通道L4的上游端在第一空气开关阀8的上游与通道L3会合，通道L4的下游端位于通道5a中，并且通道L4的下游端带有截止阀，该截止阀允许通道L4中的压缩空气喷出，但不允许通道5a中的还原剂进入通道L4中。

通道L4中装有第二空气开关阀12，用于控制通道L4的通断。还原剂清理线路的作用是在选择性催化还原***的催化还原工作结束后利用来自压缩空气源7的压缩空气将计量喷射模块中的残余还原剂沿着箭头所示反向方向F3推回到还原剂罐1中。

通道L4在计量喷射模块本体内的部分由附加气流通道、例如金属管件构成。所述附加气流通道的末端构成通道L4的下游端。

下面简要介绍本申请的选择性催化还原***的工作。在发动机启动后(例如通过驾驶员用车钥匙启动车辆)，主泵模块3的主泵3a启动，以使得还原剂罐1中的还原剂经通道L1沿正向方向F1供应到计量阀5中，并且经通道5a喷射出来。此时，辅助空气线路中的第一空气开关阀8打开，而还原剂清理线路中的第二空气开关阀12关闭，压缩空气源7工作而将压缩空气经通道L3供应到计量阀5的还原剂喷流中。此时，还原剂清理线路不工作，即通道L4没有空气流动。通道L3输出的压缩空气引导经由通道5a输出到出口5b中的还原剂流以预定角度和液滴尺寸进入排气管，实现尾气的催化还原处理。

当发动机关闭后(例如通过驾驶员用车钥匙将车辆熄火)，还原剂供应线路和辅助空气线路结束工作，而还原剂清理线路开始工作。具体而言，主泵模块3的主泵3a关闭，不再有还原剂从还原剂罐1抽入通道L1。压缩空气源7保持工作，但辅助空气线路中的第一空气开关阀8关闭，而还原剂清理线路中的第二空气开关阀12打开。由于通道L4的下游端通入通道5a中，因此，经通道L4喷出的压缩空气的一部分喷入计量阀5中，迫使计量阀5中以及通道L1下游段中的还原剂沿着反向方向F3经通道L1下游段回流，然后经通道L2沿回流方向F2回流到还原剂罐1中。这样，计量喷射模块中(甚至通道L1下游段以及通道L2中)的残余还原剂被清理。

试验表明，尽管在通道L4的下游端开口与通道5a的出口5b之间存在缝隙会导致压缩空气泄漏，但仍能利用压缩空气源7提供的压缩空气将计量喷射模块中的残余还原剂清空，如后面所述。

在图2所示的例子中，还原剂清理线路具有简单的结构。然而，可以理解，上述结构并非完美。例如，通道L4的下游端开口与通道5a的出口5b之间存在缝隙，这会导致压缩空气的泄漏。在压缩空气源7的气压较高的情况下，这种泄露是有利的，因为能够避免过强的压缩空气吹入通道L1的下游段和通道L2中、甚至进入还原剂罐1中。

然而，如果压缩空气源7的气压较低，这种泄露必然导致还原剂清理的效率低、时间长。在压缩空气源7的气压较低的情况下，为了避免上述问题，根据图3所示的改型，可以将通道L4的下游端以可切换状态的方式连接到通道5a，即在还原剂清理线路工作时，在通道L4与通道5a之间建立连通，并且关闭通道5a的出口，而在还原剂清理线路不工作时，通道5a的出口保持畅通。

计量阀5中的这种催化还原操作与清理操作的切换功能可以通过各种方式实现，例如，通过专门设计的位于通道L4与通道5a之间的切换阀14实现。

图4、5示出了一种可以用于实现上述切换的二位切换阀的示意图。该切换阀包括两个阀芯段，即第一阀芯段(图中所示右侧那一段)和第二阀芯段(图中所示左侧那一段)。该切换阀是气压控制型的，其阀芯可在通道L4中的气压的作用下在两个阀位之间切换。阀芯包括两个阀芯段。第一阀芯段依次具有两个输入端口A、B和一个输出端口C。输入端口A关闭，输入端口B与输出端口C连通。第二阀芯段依次具有两个输入端口A1、B1和一个输出端口C1。输入端口A1与输入端口B1连通，输出端口C1关闭。

在常态下，即在发动机工作状态下，阀芯在弹簧作用下使其第一阀芯段中的输入端口A、B分别与通道L4、通道5a对接，输出端口C与通道5a的出口对接，如图4所示。在这种状态下，所述切换阀保持通道5a畅通至其出口，选择性催化还原***的还原剂供应线路和辅助空气线路工作，以实现尾气的催化还原处理。

在发动机关闭后，还原剂供应线路和辅助空气线路结束工作，而还原剂清理线路开始工作。此时，压缩空气源7的压缩空气进入通道L4，通道L4中的气压控制阀芯移动而使得第二阀芯段移动到原来第一阀芯段的位置，其中第二阀芯段中的输入端口A1、B1分别与通道L4、5a对接，输出端口C1与通道5a的出口对接，如图5所示。在这种状态下，通道L4与通道5a连通，通道5a的出口被关闭，这使得来自通道L4的压缩空气能够在通道5a中逆向流动，以实现还原剂的清理操作。

可以理解，本领域技术人员在阅读了本申请后，可以构想出其它实现计量喷射模块中的上述催化还原操作与清理操作之间切换的切换元件。例如，采用简单的具有复位功能(例如弹簧复位)的转动型或滑动型闸门，其在通道L4中没有压缩空气时保持通道5a畅通至其出口，而在通道L4中有压缩空气时运动到将通道5a的出口截断的位置。

在采用了上述利用压缩空气的还原剂清理线路后，尾气选择性催化还原***的控制程序中需要去掉清理泵控制逻辑，并且添加新的压缩空气清理控制逻辑，包括压缩空气开关阀的控制。为了对辅助空气线路和还原剂清理线路中的气压进行监控，可在压缩空气源7的下游设置连接着通道L3的空气压力传感器13，如图2所示。

为了验证本申请的选择性催化还原***的还原剂清理能力，清空时间当作性能标准之一进行检验。为此，进行了试验用于比较本申请与现有技术的还原剂清空时间。

在试验中，在试验台上测试图2所示本申请的采用空气辅助清理方案的选择性催化还原***的样机以及现有技术的带有清理泵的选择性催化还原***。对于充有还原剂的3米长的管件，对现有技术的带有清理泵的选择性催化还原***进行清空时间测试，并且以不同的空气压力范围2巴至6巴对本申请的选择性催化还原***进行清空时间测试。

图6显示了现有技术的带有清理泵的选择性催化还原***和本申请的采用空气辅助清理方案的选择性催化还原***的清空时间比较。图中气压为0巴处表示的是现有技术选择性催化还原***的清空时间，气压分别为2、3、4、5、6巴处表示的是本申请的选择性催化还原***的清空时间，清理用压缩空气取自室温下的实验室空气源。可以看出，本申请的选择性催化还原***利用空气辅助清理的清空时间比清理泵短。例如，在6巴空气压力下，与带有清理泵的选择性催化还原***相比，清空时间从55秒减小到8秒。

基于实验结果可以看出，本申请的空气辅助清理方案能够以更短的时间清理还原剂。

可以理解，在通道L4与通道5a之间没有设置切换元件时，通道L4中用于还原剂清理的压缩空气存在泄露。因此，如果压缩空气源7的压力较低，则还原剂清理时间会较长。为此，在这种构造中，希望在还原剂清理操作时压缩空气源7内的压力在5巴或以上。

在本申请的采用空气辅助清理方案的选择性催化还原***中，取消了图1所示现有技术中的清理泵模块11，添加一个空气开关阀12，并且改造了计量喷射模块本体使之具有附加气流通道和可能有的切换结构。由于清理泵模块的成本很高，因此本申请的空气辅助清理方案可以显著降低成本。此外，清理泵模块由于具有复杂的塑料/橡胶结构而难以制造。本申请的空气辅助清理方案使用了标准空气阀和计量喷射模块本体中改造出的金属制附加气流通道，因而容易制造。

本申请的空气辅助清理方案的另一个优点是节约车辆电池能量。在现有技术中，在发动机关闭后，清理泵利用来自车辆电池的电能工作，需要消耗较大的电能。利用本申请的空气辅助清理方案，空气开关阀的电能消耗远低于清理泵，这导致车辆电池能耗降低。

虽然这里参考具体的实施方式描述了本申请，但是本申请的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本申请的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改。

Claims (10)

1.一种选择性催化还原***，包括：

容纳着还原剂的还原剂罐；

计量喷射模块，其包括用于计量还原剂的计量阀和将还原剂喷出的还原剂喷射通道；

连接在还原剂罐与计量阀之间的用于向计量阀供应还原剂的还原剂供应线路；

压缩空气源；

在发动机工作期间与还原剂供应线路同时操作的辅助空气线路，其上游端连接着所述压缩空气源，下游端通向所述还原剂喷射通道的出口，用于在发动机工作期间向还原剂流喷射来自所述压缩空气源的压缩空气；以及

还原剂清理线路，其上游端连接着所述压缩空气源，下游端位于所述还原剂喷射通道内并且带有截止阀，所述还原剂清理线路被控制成用于在发动机关闭而还原剂供应线路和辅助空气线路操作结束后操作，朝向所述计量阀喷射来自所述压缩空气源的压缩空气，从而迫使计量阀中的残余还原剂朝向还原剂罐的方向回流，所述截止阀允许所述还原剂清理线路中的压缩空气喷出，但不允许所述还原剂喷射通道中的还原剂进入所述还原剂清理线路中。

2.如权利要求1所述的选择性催化还原***，其中，所述辅助空气线路中设有控制其通断的第一空气开关阀，所述还原剂清理线路中设有控制其通断的第二空气开关阀。

3.如权利要求1所述的选择性催化还原***，其中，所述辅助空气线路包括位于计量喷射模块内的附加气流通道，所述附加气流通道的末端带有所述截止阀。

4.如权利要求3所述的选择性催化还原***，其中，所述附加气流通道由金属管件构成。

5.如权利要求1至4中任一项所述的选择性催化还原***，其中，在还原剂清理线路操作时，所述压缩空气源内的压力在5巴或以上。

6.如权利要求1所述的选择性催化还原***，其中，所述辅助空气线路通过切换元件与所述计量阀的出口相连，所述切换元件构造成，在还原剂清理线路的非操作状态下保持所述还原剂喷射通道的出口畅通，而在还原剂清理线路的操作状态下关闭所述还原剂喷射通道的出口。

7.如权利要求6所述的选择性催化还原***，其中，所述切换元件为气压控制型切换阀，其利用还原剂清理线路中的空气压力实现阀位切换。

8.如权利要求1至4中任一项所述的选择性催化还原***，其中，还包括从还原剂供应线路分支出来并且通向还原剂罐的还原剂回流线路。

9.如权利要求8所述的选择性催化还原***，其中，所述还原剂回流线路与所述还原剂供应线路的上游段并联，所述还原剂供应线路的所述上游段中包含主泵模块以及主过滤和压力脉冲阻尼模块。

10.如权利要求1至4中任一项所述的选择性催化还原***，其中，所述辅助空气线路被构造成以下述方式与计量喷射模块相连，即通过辅助空气线路输送的压缩空气与通过还原剂喷射通道喷出的还原剂混合以使得还原剂以预定角度和液滴尺寸进入排气管。