CN105587383A - 一种scr计量模块 - Google Patents

Abstract

一种SCR计量喷射装置，其特征在于，包括尿素罐，螺线管驱动泵，控制器，喷嘴，过滤器，支架以及托盘，工作液体经过滤器进入螺线管驱动泵，由出液道输出后的高压液体通过喷嘴呈雾状喷出，所述喷嘴可以是一个由弹簧力关闭的单向阀，亦可以是一个电磁阀。其目的在于是提供一种计量精度高，喷射效果好，结构简单，更换、维修方便的计量喷射装置，并进一步降低排气后处理计量喷射***的成本。

Description

一种SCR计量模块

技术领域

本发明属于排气后处理技术领域，具体涉及发动机排气净化NOx选择性催化还原（SCR）计量喷射***。

背景技术

伴随着环境问题的日益突出，节能减排已经成为发动机行业最为重要的主题，世界许多国家都不断推出一系列的发动机及车辆排放标准，对此，以内燃机为动力的车辆需要更好的燃烧控制***，并且安装排放后处理***以求满足越来越严格的排放要求。例如，包括火花点火式小型发动机在内的发动机也像汽车发动机一样采用电控燃油喷射技术和排气三元催化处理技术；柴油发动机或者稀薄燃烧的缸内直喷汽油机，为降低尾气中的NOx等有害污染物，采用能够在富氧环境下进行催化还原处理的NOx选择催化还原（SCR=SelectiveCatalyticReduction）技术。

SCR技术通过在催化器上游计量喷射NOx选择性还原剂，例如32.5%重量浓度的尿素水溶液（也叫柴油排气处理液DEF=DieselExhaustFluid，或者添蓝液AdBlue）对排气进行处理。具体，当DEF进入发动机排气管后，通过排气高温分解成氨气，与排气混合后进入SCR催化转换器。在催化剂的作用下，氨气就会与发动机排气中的NOx等发生催化还原反应，使NOx分解为无害的N2、H2O。如果DEF喷射量与排气中的NOx含量不相匹配，那么要么NOx不能够被充分还原分解，排放量增加，要么剩余不少氨气排到大气中，造成二次污染。因此SCR***必然需要精度较高的SCR计量喷射装置。

美国专利US20090301067A1公开了一种计量喷射装置及其方法。计量喷射装置是一个螺线管驱动的柱塞泵喷嘴，安装在排气管上，需要外加一个低压泵为其从DEF储液罐提供工作液体，并且需要采取冷却措施才能正常工作。此外，美国专利US8356471B2公开的SCR计量喷射之操作、***及方法中提供了一种泵-嘴端分别控制的方案。除计量精度要求外，由于尿素本身的特性，对装置的温度控制以及管路化冰也有一定要求。

例如，由于尿素水溶液具有导电性，传统的以直流旋转电泵为动力源的喷射计量***不能潜入在工作液体中工作，因此多数现有技术采用以直流电机驱动的外置膜片泵为动力源，这种***的结构复杂，除了可靠性外，还受环境的影响较大，尤其在低温环境下工作需要复杂的融冰辅助装置，售后服务维护也比较困难。

现有技术采用了相当复杂的***解决上述问题，例如特制的计量泵置于尿素水溶液储存罐之外，依靠复杂的管路连接各个装置，所有管路都必须包裹电加热装置来融冰，导致***复杂而成本很高。此外，喷射单元以及其相关设备管路的布置安装、维修更换方便性也是一个重要问题，***越复杂这方面的成本也就越高。因此，关于SCR计量喷射装置无论简洁结构和应用方式，还是其计量喷射***的精度以及稳定性都是非常有价值的研究工作。

发明内容

本发明针对上述问题，之目的在于是提供一种计量精度高，喷射效果好，结构简单，更换、维修方便的计量喷射装置，并进一步降低排气后处理计量喷射***的成本。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种SCR计量喷射装置，其特征在于，包括尿素罐，螺线管驱动泵，控制器，喷嘴，过滤器，支架以及托盘。

所述螺线管驱动泵包括一个螺线管驱动装置和一个柱塞组件。所述螺线管装置包括线圈、磁轭、磁阻和电枢，其中磁轭与电枢由导磁材料构成，磁阻由非导磁材料构成。所述柱塞组件包括柱塞，套筒以及回位弹簧，柱塞与套筒配合形成压送容积，压送容积连接进液阀和出液阀，液体从进液道进入进液阀，通过压送容积从出液阀输入出液道。所述回位弹簧可作用于柱塞或者套筒之上。

所述控制器为螺线管装置提供驱动信号，最常见的控制方法是采取PWM驱动的方式。由于驱动信号和回位弹簧的作用，柱塞与套筒处于相对往复运动状态，使得压送容积大小交替变化。

上述方案中的回位弹簧可以被另外一个螺线管装置所取代以提供套筒或者柱塞回位所需要的力。

工作液体经过滤器进入螺线管驱动泵，由出液道输出后的高压液体通过喷嘴呈雾状喷出，所述喷嘴可以是一个由弹簧力关闭的单向阀，亦可以是一个电磁阀。

进一步，出液道与螺线管泵之间可以包括一个高压管，所述高压管由金属或者高分子材料制成，可以是定型的刚性管，也可以是可弯曲的柔性管。所述螺线管泵可以是喷嘴也可以是安装于排气管道上的喷射器。另外，来自尿素箱的液体需要经过一个过滤器才能进入螺线管驱动泵的内部空间。

所述支架为一个不锈钢材料的连接架，包括温度传感器、液位传感器等。支架一端是一个螺线管驱动泵固定台，另一端用于固定托盘。托盘上安装有控制器以及包含各种引线孔道以管道。支架也可以一个由融冰管构成的支架，融冰液体为发动机冷却液，其进、出液口设置在托盘上。螺线管泵可以通过支架垂直或者水平放置于储液箱中，其中固定托盘的一端固定在储液箱上，控制器外露于储液箱，固定螺线管喷射泵的一端位于储液箱内的底部。

一种可选择的方案是：包括一个气液混合腔，液体由喷嘴首先喷入气液混合腔中，液体与气体混合后再经一个喷射器喷入发动机的排气管内，以增强雾化效果。另外，液体喷射完成后，高压空气可以延后关闭，以扫除混合输送管内的残余液体，避免其结冰或者结晶体析出对输送管路造成堵塞和损坏。所述喷射器可以为一个简单的节流孔式喷嘴，也可以为一个不含喷嘴阀的旋流喷嘴。此方案有利于液体雾化和增加排气管氧气的含量以及可以避免液体结冰对输送管路的堵塞和损坏。

另外一种应用于SCR***的喷射方案是：喷嘴直接安装于排气管道上，液体通过高压管由喷嘴直接喷入发动机排气管中，所述喷嘴可以是一个抗结焦和污染能力强的提升阀也可以是一个电磁阀。为了防止高压管结冰，需要沿高压管布置融冰装置，例如用电加热或者发动机冷却水加热的方式进行融冰。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明提供的SCR计量模块实施例结构示意图之一。

图2为本发明提供的SCR计量模块实施例结构示意图之二。

图3为本发明提供的SCR计量模块实施例结构示意图之三。

图4为本发明提供的SCR计量模块之螺线管驱动泵结构之一。

图5为本发明提供的SCR计量模块之螺线管驱动泵结构之二。

图6为本发明提供的SCR计量模块之喷嘴结构之一。

图7为本发明提供的SCR计量模块之喷嘴结构之二。

具体实施例

图1为本发明提供的SCR计量装置实施例结构示意图之一，示例包括一个尿素罐1，一个螺线管驱动泵2，一个喷嘴3，一个控制器4，一个与螺线管驱动泵2设置为一体的气液混合腔5，一个混合输液管10，一个包含温度传感器12、液位传感器11的支架6，一个托盘7，一个喷射器8，一个带有SCR催化转换器18的排气管道9，沿排气流方向依次布置有温度传感器17以及NOx或者氨气传感器19，分别位于催化转换器18两侧。

所述螺线管驱动泵2固定于支架6一端，可以通过支架6垂直或者水平放置于尿素箱1中，具体结构示意图如图4所述，包括螺线管驱动装置104，柱塞组件103，回位弹簧101，泵端113，过滤器110，低压容积119以及输出端壳体118。

螺线管驱动装置104包括线圈116，第一内磁轭121a，第二内磁轭121d，外部磁轭121b，外部磁轭端部121c，磁隙117和电枢102a。外部磁轭121b通过凸起121b1的塑性变形与外部磁端部121c锁紧，同时线圈116也被固定在其中，第一内磁轭121a包括一个可通过流体的内部排气道120。外部磁轭121b、外部磁轭端部121c、第一内磁轭121a和第二内磁轭121d均由导磁材料制成，磁隙117为非导磁材料。电枢102a开有若干个沿周向分布的直槽102e，以减少往复运动的阻力。

柱塞组件103包括套筒114，柱塞102，进液阀106和出液阀115。套筒114与柱塞102密切配合，形成压送容积107。所述套筒114可与电枢102a设计为一体，并采用相同或者不同的材料，套筒114位于电枢102a内侧，包括柱塞孔105，溢流孔106b1，进液道109。柱塞102包括一个端面106b2，一个出液道102d，一个位于出液道102d下游的限流孔102b，一个位于端部的凸起102c。进液阀106为一个由单向阀106a和一个滑阀106b形成的组合阀。所述单向阀106a由阀件106a1、阀簧106a2以及阀座106a3组成，阀座106a3可与套筒114连为一体，为一个位于进液道109处并与之连通的圆锥形座面。所述滑阀106b包含溢流孔106b1以及柱塞102之端面106b2。滑阀106b的开闭由柱塞102的相对位置决定，当柱塞102运动至端面106b2超过溢流孔102b最高点时滑阀106b关闭。若所述单向阀106a的关闭迟于溢流孔106b1被遮挡的时刻，开始压送液体的过程取决于单向阀106a的关闭，反之，开始压送液体的过程取决于溢流孔106b1的遮挡。所述出液阀115为一个单向阀，包括出液阀件115a，出液阀簧115b和出液阀座115c。出液阀座115c固定在柱塞102上，固定可以采用紧配或者焊接等方式。

泵端113包括一个泵端进液口113c，一个支撑杆113a和一个限位件113b，进液道109允许支撑杆113a伸入并接触到单向阀件106a1，限位件113b用于限制电枢102a回位，在电枢102a离开泵端113的一段距离内，支撑杆113a保持与单向阀件106a1接触并阻止其落座，这样一方面可以在电枢102a回位到初始位置时，单向阀106a保持开启状态，使得液体有更充足的时间进入压送容积107，另一方面，在电枢102a离开泵端113前行运动的一段距离内，压送容积107内的气体可以继续通过单向阀106a排出，从而保证了液体的计量精度。

过滤器110包括内部骨架108，过滤网布111，过滤器内腔112。

所述螺线管驱动泵之工作过程如下：

在运动初始位置，由于回位弹簧101的作用与限位件113b靠紧，此时单向阀106a由于支撑杆113a作用处于开启状态，并且溢流孔106b1与压送容积107处于连通状态，所含气体成分容易逃逸压送容积107，压送容积107中充满液体。当电枢102a在电磁力的作用下连同套筒114开始向前运动，压送容积107中的部分流体通过进液道109和溢流孔106b1排出，其中包括部分气体。当电枢102a运动一定距离后，溢流孔106b1被柱塞102的表面遮挡。电枢102a继续运动，压送容积106不断减小，当单向阀件106a1之球表面落座于锥形阀座106a3时，进液单向阀106a关闭，压送过程开始。压送容积107中的液体压力逐渐升高，当作用于出液阀件115a的压力可以克服出液单向阀弹簧115b之作用力时，出液单向阀115开启，液体进入出液道102d，并由限流孔102b输出。

当作用在电枢102a上的电磁力消失后，在回位弹簧101的作用下电枢102a开始回位行程，此时因压送容积107的膨胀导致压力下降继而出液单向阀115关闭，单向阀106a打开，液体在压差的作用下迅速进入压送容积107，电枢102a继续运动一定行程后，首先是进液阀件106a1的运动被支撑杆113a阻挡，接下来是溢流孔106b1与压送容积107再次连通，部分液体也可以从溢流孔106b1进入压送容积107，电枢102a的继续回位被限位件113b阻挡而终止，本次循环结束。

在上述过程中，也可以重新设计溢流孔106b1，以至于溢流孔106b1的关闭与进液阀106a的关闭时刻顺序相互颠倒。

在上述工作过程中，液体从过滤器内腔112通过泵端进液道113c进入整个电枢空间102d，并通过进液道109进入压送容积106，因电能的耗散发热，导致部分液体在电枢空间102d中蒸发，所蒸发的蒸汽从内部排气道120进入低压容积119，并通过位于输出端壳体118上的排气泡口119a排出体外。所述排气泡口119a包含一个安装台阶119b，可用于安装排气泡管20（如实施例所示），排气泡管20延伸至溶液顶部，使气体更有效的排出泵体。管道出口有一段折弯圆弧（也可以是在出口处安装一个过滤套，如实施例2所示），以保证螺线管驱动泵2内洁净溶液不被污染，防止脏物进入。

喷嘴3为一个球阀式喷嘴，具体结构如图6a和6b所示，包括喷嘴前阀座301，阀件307，喷嘴后阀座306，喷嘴阀弹簧305，喷孔303，喷嘴前阀座301包括可以与阀件307之球面密封的圆锥形座面，喷嘴后阀座306包括一个可以与阀件307之平面可以形成密封的平面（图6b中喷嘴后座306平面为一个限位面），喷嘴前阀座301与喷嘴后阀座306通过焊接连接，连接后在其中留有供阀件307开启所需要的运动空间，在球阀式喷嘴3之入口处设有过滤网308。出液道中高压尿素通过过滤网308到达阀件307，当阀件307之前后压差升高到可以克服喷嘴阀弹簧305的作用力时，阀件307离开喷嘴前阀座301之密封锥面并且与喷嘴后阀座306之密封平面贴紧，这时尿素溶液通过喷孔303喷出。

所述控制器4为螺线管泵2提供驱动信号，最常见的控制方法是采取PWM驱动的方式。由于驱动信号和回位弹簧101的作用，柱塞102与套筒114处于相对往复运动状态，使得压送容积107大小交替变化。控制器3可以是一个用于接收主控制单元工作信号的计量模块，也可以是一个包含SCR***的控制单元，安装于托盘7上。托盘7固定于支架6位于尿素罐1顶部的一端，由密封件15密封，控制器4外露于尿素罐。

本实施例所给SCR***之工作过程如下。

控制器3根据发动机主控单元（图中未示出）发来的发动机工况，以及排气温度传感器17，NOx或者氨气传感器19，尿素罐1内温度传感器12、液位传感器11等的信号，计算出所需的尿素液流量，然后判断尿素液喷射***是否可以正常工作，如果可以，就控制螺线管喷射泵2工作，将尿素罐1内的尿素液泵至喷嘴3，喷射入混合腔5。与此同时，高压空气经压力表13、电磁阀14、进气管22以及进气道21输入混合腔5与其中喷射液混合，电磁阀14与进气管22之间可安装一个单向阀，使得气流单向通行。混合液通过出液道23进入混合输液管10a和10b。最后，由喷射器8将混合液以雾化的形式喷射进入排气管9中，尿素液在发动机排气16高温的作用下热解为氨气，与发动机排气16混合均匀进入SCR催化转换器18，结果其中的NOx将被高效分解为无害的N₂和H₂O，达到进化尾气的目的。喷射完成后，空气电磁阀14可以延时关闭，以清扫管道中残余尿素溶液。

上述方案中喷射器8可以为一个简单的节流孔式喷嘴，也可以为一个不含喷嘴阀的旋流喷嘴。此方案有利于液体雾化和增加排气管氧气的含量以及可以避免液体结冰对输送管路的堵塞和损坏。

图2所示为本发明提供的SCR计量装置第二实施例示意图，与本发明提供第一实施例区别之一在于：所述支架6为一个由融冰管6a构成的支架，融冰液体可为发动机冷却液，融冰液体进液口30和出液口31设置在托盘7上。本示例与本发明提供第一实施例区别之二在于：包括一段带有快速接头的高压管32，通过快速接头35与螺线管泵出液道102d连接，并由o圈33密封。喷嘴3可以以注塑的形式与高压管连接，也可以通过快接方式连接。本示例与本发明提供第一实施例区别之三在于：气液混合腔5与托盘7设计为一体，位于尿素罐1外部。

本实施例所述螺线管驱动泵如图5所示，与图4所提供实施例之主要区别在于：本实施例螺线管驱动泵1采用了柱塞102与电枢102a同步运动，而套筒114固定不动的结构。电枢102a大致为一个圆柱体，包括贯通两端面的通孔201。所述通孔201可以具有一定的锥度，带锥度的孔向液体压送方向扩展，以实现液体在内部空间的定向流动，提高其工作的稳定性。

所述电枢102a与柱塞102可以是一个整体，也可以通过连接件203进行运动传递。套筒114同轴固定在输出端壳体118上，套筒114上设有侧向的溢流孔106b1和轴向的直塞孔105连通。柱塞102精密滑动配合装在套筒114内，其上部通过连接件203与电枢102a始终接触。溢流孔106b1与柱塞端面106b2形成进液阀106。出液阀115由出液阀件115a、出液阀簧115b和出液阀座115c组成，出液阀座115c为一个与出液阀件115a配合的锥面，位于套筒114末端114a处。回位弹簧101设置在柱塞102和电枢空间102d底部之间。

由进液口202进入的液体通过溢流孔106b1进入压送容积107，当电枢102a受电磁力驱动下行，通过连接件102b推动柱塞102下行，一旦吸溢流孔106b1被柱塞102之壁面遮挡，进液阀106关闭，压送行程开始，压送容积107内液体压力升高，进而打开出液阀115，压力液体到达出液口。

本实施例所给SCR***之工作过程与第一实施例基本相同。在本方案工作过程中，控制器13根据储液箱内温度传感器144的信号判断是否出现了尿素液结冰，如果存在结冰，则控制水阀（图中未示出）使发动机的冷却水进入储液箱内的循环水加热器161以加热融冰。

图3所示为以本发明提供的无压缩空气SCR计量喷射模块为核心的SCR***实施例示意图，图示带外部电加热装置41的压力管32b通过两通接头43及连接螺纹接头43a把液态的高压工作液引向喷嘴3，电加热装置41由控制器4控制，以保证外部管道温度不会导致压力管32b内的DEF结冰，并在可能结冰的条件下融冰。而螺线管驱动泵内部的压力管32a的除冰则由循环冷却液换热装置完成。

所述喷嘴可以是依靠压力开启的提升阀结构，如图7a所示，也可以是一个电磁阀，如图7b所示。喷嘴通过安装凸台9a固定于排气管道上9。排气温度传感器17，催化转换器18，NOx传感器19都安装在发动机排气管9上。在螺线管驱动泵2的驱动下，DEF被脉冲式从尿素罐1中泵入压力管32a和32b，进而从喷嘴3喷射出中空型工作液喷雾，工作液喷雾流入发动机排气管9的主方向与排气16方向呈锐角，因此能够与发动机排气以较好的混合状态进入催化转换器18。

上述事例仅仅用于说明本发明，但并不限制本发明，凡基于本发明精神实质的进一步的改变方案均属本发明公开和保护的范围。

Claims (8)

1.一种SCR计量模块，其特征在于：包括一个螺线管驱动泵，一个过滤器，一个支架，一个托盘，液体经过过滤器进入所述螺线管驱动泵，所述螺线管驱动泵固定于支架的一端，所述托盘固定于支架的另一端。

2.如权利要求1所述的SCR计量模块，其特征在于：所述支架为一个加热融冰装置，融冰装置包括加热管，加热管中溶液为发动机冷却液，冷却液的出入口分别固定在所述托盘上。

3.如权利要求2所述的SCR计量模块，其特征在于：包括一个喷嘴阀。

4.如权利要求3所述的SCR计量模块，其特征在于：所述喷嘴阀为一个由弹簧力关闭的单向阀。

5.如权利要求3所述的SCR计量模块，其特征在于：所述喷嘴阀为一个电磁阀。

6.如权利要求4所述的SCR计量模块，其特征在于：所述喷嘴阀直接固定在所述螺线管驱动泵上。

7.如权利要求4或者5所述的SCR计量模块，其特征在于：包括一个高压管，高压管连接螺线管驱动泵与喷嘴阀。

8.如权利要求1-7所述的SCR计量模块，其特征在于：包括一个气液混合腔，所述喷嘴阀与混合腔连接，液体通过喷嘴阀喷入混合腔中。