CN107435570B - 柴油发动机尾气后处理***以及流体工作*** - Google Patents

柴油发动机尾气后处理***以及流体工作*** Download PDF

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Abstract

公开了一种柴油发动机尾气后处理***，包括：处理剂箱；喷射尾气处理剂的喷射器(4)；连接在处理剂箱与喷射器之间的泵(3)，用于向喷射器泵送尾气处理剂；连接在喷射器与泵之间的尾气处理剂管；对尾气处理剂管进行加热的加热装置(7)；以及探测尾气处理剂管内的尾气处理剂的状态的状态探测装置(8)；其中至少基于探测出的尾气处理剂的状态控制加热装置的操作，尾气处理剂的状态通过尾气处理剂的含冰量表征，通过预先模拟实验确定尾气处理剂的含冰量与声波从声波发生器传播到相应的声波接收器所经历的时长之间的函数关系，使得能够基于所述函数关系探测出尾气处理剂的含冰量。通过探测到的状态信息，可以给相应的控制提供更多的控制依据。

Description

柴油发动机尾气后处理***以及流体工作***
技术领域
本发明涉及一种柴油发动机尾气后处理***以及一种能够探测工作流体的状态的流体工作***。
背景技术
柴油发动机由于具有可靠性好、热效率高以及输出扭矩大等特性而被广泛用于小型、重型或大型车辆、船舶、发电机以及军用坦克等机器。然而，由于柴油发动机排放的尾气中具有较高含量的氮氧化物，需要通过专用的尾气后处理***对尾气进行处理以后才能排放到大气中，以满足日益严格的环保要求。
换言之，为了减少空气污染，对于柴油发动机的尾气进行后处理已经成为柴油发动机的标准配备。对于尾气的处理，现在一般通过选择性催化还原方法来进行，通过喷射器将液态还原剂(通常为尿素水溶液)呈气雾状喷射进入尾气管，通过选择性的催化还原反应，将尾气中的有害气体变成无害气体后排入大气中，从而减少对于环境的损害。
为此，尾气后处理***通常包括用于储存还原剂的还原剂箱、用于喷射还原剂的喷射器以及连接在还原剂箱与喷射器之间的用于输送还原剂的输送管路。
当环境温度过低(例如低于-11℃)时，尾气后处理***中的某些部位、例如输送管路中的通常为尿素水溶液的液态还原剂会发生结冰现象。结冰不仅会影响还原剂的输送，而且会影响对输送的还原剂的精确计量，严重时甚至会完全堵住输送管路、损坏设置在输送管路处的流量计。为了防止结冰现象的发生，尾气后处理***目前通常设有环绕输送管路布置的加热装置。
然而，对加热装置的精确控制存在巨大困难，这是因为没有能够准确表征还原剂状态的任何反馈信息。通常根据环境温度和加热时间进行粗略控制，这显然不够准确和可靠。当过热时，可能会对尾气后处理***的部件造成损坏且会产生能量浪费。当加热不足时，由于冰产生的膨胀力会损坏一些部件。
因此，迫切需要解决目前的柴油发动机尾气后处理***中的还原剂解冻无法准确、可靠进行的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够至少部分克服上述缺点的柴油发动机尾气后处理***以及一种能够探测工作流体的状态的流体工作***。
根据本发明的第一个方面，提供了一种柴油发动机尾气后处理***，包括：用于储存尾气处理剂的处理剂箱；用于向尾气管喷射尾气处理剂的喷射器；连接在所述处理剂箱与喷射器之间的泵，其用于向所述喷射器泵送尾气处理剂；连接在所述喷射器与泵之间的尾气处理剂管；适于对尾气处理剂管进行加热的加热装置；以及用于探测所述尾气处理剂管内的尾气处理剂的状态的状态探测装置；其中，至少基于所述状态探测装置探测出的尾气处理剂的状态控制所述加热装置的操作，以及其中，所述尾气处理剂的状态通过尾气处理剂的含冰量表征，通过预先模拟实验确定尾气处理剂的含冰量与声波从声波发生器传播到相应的声波接收器所经历的时长之间的函数关系，使得能够基于所述函数关系探测出尾气处理剂的含冰量。
所述尾气处理剂为还原剂、优选为尿素水溶液；和/或所述状态探测装置设置在所述尾气处理剂管处，用于探测尾气处理剂管内的尾气处理剂的状态；和/或所述状态探测装置还被构造成适于探测所述部位处是否存在尾气处理剂。
所述柴油发动机尾气后处理***还包括控制器，所述控制器用于控制所述泵、喷射器以及状态探测装置中的至少一个。
被构造为声学类型的、尤其是超声式状态探测装置包括至少一个声波发生器和至少一个声波接收器，工作时，所述声波发生器发出的声波传播经过所述部位处的尾气处理剂被相应的声波接收器接收。
所述声波发生器和相应的声波接收器设置成在它们之间存在待探测的尾气处理剂或设置在待探测的尾气处理剂的同一侧；和/或所述声波发生器和相应的声波接收器在所述尾气处理剂的流动方向上彼此错开布置。
所述超声式状态探测装置包括多个超声波发生器和至少一个超声波接收器，其中，一个超声波接收器被构造成适于接收多个超声波发生器发出的声波。
通过设置能够探测易于发生结冰的部位处的尾气处理剂的状态的状态探测装置，可以使柴油发动机尾气后处理***更可靠地工作，特别是能够使柴油发动机尾气后处理***更可靠、更准确、更高效地控制其加热装置的操作。
根据本发明的第二个方面，提供了一种工作流体存在结冰风险而需要探测工作流体的状态的流体工作***，其中，所述流体工作***包括超声式状态探测装置，所述超声式状态探测装置包括至少一个超声波发生器和至少一个超声波接收器，工作时，所述超声波发生器发出的声波传播经过待探测的工作流体被相应的超声波接收器接收，以探测待探测的工作流体的状态。
附图说明
下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的柴油发动机尾气后处理***的示意图。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的状态探测装置的原理示意图。
图3示出了根据本发明的另一个示例性实施例的状态探测装置的原理示意图。
图4示出了根据本发明的另一个示例性实施例的状态探测装置的原理示意图。
图5示出了根据本发明的又一个示例性实施例的状态探测装置的原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的柴油发动机尾气后处理***的示意图。
如图1所示，柴油发动机尾气后处理***1包括用于储存还原剂液的还原剂箱2、用于泵送还原剂液的泵3、用于向尾气管喷射还原剂液的喷射器4、连接在还原剂箱2与泵3之间的管路5、连接在泵3与喷射器4之间的还原剂管6、设置在还原剂管6处的加热装置7、用于探测还原剂管6内的还原剂状态的状态探测装置8以及控制器9。
还原剂优选为尿素。工作时，泵3通过管路5从还原剂箱2内抽吸还原剂液，然后通过还原剂管6将还原剂液输送到喷射器4进行喷射。
加热装置7优选环绕着还原剂管6的外周设置，用于在环境温度过低时加热还原剂管6，以防止还原剂管6内的还原剂结冰。
状态探测装置8优选设置在还原剂管6处，以判断还原剂管6内的还原剂是液态、结冰状态还是混合状态。
控制器9用于控制柴油发动机尾气后处理***1中的部件，这些部件可以为泵3、喷射器4、加热装置7和状态探测装置8中的一个或多个。控制器9通过通信线路(图中以虚线示出)接收相应部件的工作状态或测量数据，用以监测或控制柴油发动机尾气后处理***1的工作。所述控制器9可以是柴油发动机的电子控制单元(ECU)或单独设置的部件。
工作时，控制器9通过状态探测装置8判断还原剂管6内的还原剂是液态、结冰状态(固态)还是混合状态。根据判断出的状态，控制器9对加热装置7进行相应控制。例如，当状态探测装置8判断还原剂管6内的还原剂为液态时，说明还原剂状态正常，没有结冰现象发生，此时可关断加热装置7或使加热装置7以最低功率工作。当状态探测装置8判断还原剂管6内的还原剂为固态时，说明还原剂出现结冰现象，此时需要开启加热装置7并优选使加热装置7以最高功率工作。当状态探测装置8判断还原剂管6内的还原剂为混合状态时，说明还原剂出现了部分结冰现象，此时也要开启加热装置7并优选使加热装置7以合适的功率工作。当然，控制加热装置的具体方式并不局限于此。
根据本发明的一个优选实施例，状态探测装置8被构造成声学类型的状态探测装置，即，基于声学探测确定还原剂管6内的还原剂状态。在这种情况下，如图2所示，状态探测装置8包括至少一个声波发生器10和至少一个声波接收器11，使声波发生器10发出的声波行进通过还原剂管6内的还原剂后被声波接收器11接收。通过测量出声波通过还原剂介质的速度，可以确定还原剂介质的密度，进而可以判断还原剂管6内的还原剂状态。
具体地讲，声波速度C是介质密度ρ和体积弹性模量K的函数，具体公式如下：
Figure GDA0003088484290000051
例如，当声波通过水时，声速约为1.48m/s。当声波通过冰时，声速约为3.14m/s。
继续参看图2，在一个优选的实施方式中，状态探测装置8包括一个声波发生器10和一个声波接收器11，它们位于还原剂管6的相对侧，并且之间具有固定距离。工作时，声波发生器10在某一时刻发出声波，声波接收器11延迟一段时间后接收到声波，根据该段时间以及声波发生器10与声波接收器11之间的距离可以确定声波在还原剂介质内的传播速度，进而可以确定还原剂介质密度。
介质密度与介质内的冰的含量有关，因此通过介质密度可以确定介质内的冰的含量，即，可以确定还原剂管6内的还原剂内的冰的含量。为了方便推导出还原剂内的冰的含量，可以预先通过模拟实验建立还原剂内的冰的含量与声波从声波发生器10传播到声波接收器11所经历的时长之间的函数关系，该函数关系可以通过拟合曲线表示。也就是说，只要测量出声波从声波发生器10传播到声波接收器11所经历的时长，即可得出还原剂内的冰的含量。还原剂内的冰的含量可以表征还原剂管6内的还原剂状态。冰的含量为0％时，表示还原剂管6内的还原剂完全为液态，未发生结冰现象。冰的含量为100％时，表示还原剂管6内的还原剂完全结冰。介于0％-100％之间时，表示还原剂管6内的还原剂部分结冰，处于固-液混合状态。显然，通过状态探测装置8还可以判断还原剂管6内是否含有还原剂介质，即，还原剂管6是否为空的。
随后，柴油发动机尾气后处理***1根据探测到的还原剂状态对加热装置7进行相应的控制，以便使加热装置7根据实际需要工作，从而可以避免损坏部件并能节省能量。
如图2所示，声波发生器10和声波接收器11优选在还原剂管6的轴向上彼此错开布置，从而可使声波发生器10发出的声波行进更长的距离到达声波接收器11，即跨越了更大轴向长度的还原剂介质，这显然可提高探测的准确性。当然，对于本领域的技术人员来说，不管声波发生器10和声波接收器11如何布置，只要声波发生器10发出的声波在传播到声波接收器11的过程中能够经过还原剂管6内的还原剂即可。
另外，虽然图2中示出了一个声波发生器10和一个声波接收器11，但这仅是示例性的。例如，也可设置多对声波发生器10和声波接收器11。图3示出了包括两对声波发生器10和声波接收器11的实施方式，此时通过两对声波发生器10和声波接收器11的共同检测，可以更准确地判断还原剂管6内的还原剂状态。甚至可以设置两个声波发生器10和一个声波接收器11，如图4所示，此时两个声波发生器10分时发出声波，均由声波接收器11。
虽然图2-4中示出的声波发生器10和声波接收器11处于还原剂管6的相对侧，然而这仅是示例性的。对于本领域的技术人员来说，甚至可以将声波发生器10和声波接收器11设置在还原剂管6的同一侧。如图5所示，声波发生器10发出的声波传播通过还原剂管6内的还原剂，然后被还原剂管6的相对侧反射，以形成传播到声波接收器11的声波。
以上描述的声学类型的状态探测装置优选为基于超声波的状态探测装置，即，声波发生器10和声波接收器11分别为超声波发生器和超声波接收器。
此外，对于本领域的技术人员来说，状态探测装置并不局限于以上描述的声学类型，而是可以为任何合适的类型，只要能够通过该状态探测装置准确地检测出还原剂管内的还原剂状态即可。
以上虽然描述的是还原剂管6内的还原剂状态的探测，但对于本领域的技术人员来说，柴油发动机尾气后处理***1的其他部位、例如还原剂箱2、泵3、管路5等也可能出现结冰现象，因此，状态探测装置也可应用于这些部位。
本发明的基本思想是，通过设置能够检测柴油发动机尾气后处理***的易于结冰部位的还原剂状态的状态探测装置，可以使柴油发动机尾气后处理***更可靠地工作，特别是能够使柴油发动机尾气后处理***更可靠、更准确、更高效地控制其加热装置的操作。
以上虽然以柴油发动机尾气后处理***为例描述了状态探测装置的应用，但对于本领域的技术人员来说，该状态探测装置也可应用于在低温时存在流体冻结风险的其他任何***中。
尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

Claims (9)

1.一种柴油发动机尾气后处理***(1)，包括：
用于储存尾气处理剂的处理剂箱；
用于向尾气管喷射尾气处理剂的喷射器(4)；
连接在所述处理剂箱与喷射器(4)之间的泵(3)，其用于向所述喷射器(4)泵送尾气处理剂；
连接在所述喷射器(4)与泵(3)之间的尾气处理剂管；
适于对尾气处理剂管进行加热的加热装置(7)；以及
用于探测所述尾气处理剂管内的尾气处理剂的状态的状态探测装置(8)；
其中，至少基于所述状态探测装置(8)探测出的尾气处理剂的状态控制所述加热装置(7)的操作，以及
其中，所述尾气处理剂的状态通过尾气处理剂的含冰量表征，通过预先模拟实验确定尾气处理剂的含冰量与声波从声波发生器传播到相应的声波接收器所经历的时长之间的函数关系，使得能够基于所述函数关系探测出尾气处理剂的含冰量。
2.如权利要求1所述的柴油发动机尾气后处理***(1)，其特征在于，
所述尾气处理剂为还原剂；和/或
所述状态探测装置(8)被构造成适于探测所述尾气处理剂管处是否存在尾气处理剂。
3.如权利要求1或2所述的柴油发动机尾气后处理***(1)，其特征在于，
所述尾气处理剂为尿素水溶液；和/或
所述柴油发动机尾气后处理***(1)还包括控制器(9)，所述控制器用于控制所述泵(3)、喷射器(4)以及状态探测装置(8)中的至少一个。
4.如权利要求1或2所述的柴油发动机尾气后处理***(1)，其特征在于，
所述状态探测装置(8)包括至少一个声波发生器和至少一个声波接收器，工作时，所述声波发生器发出的声波传播经过尾气处理剂被相应的声波接收器接收。
5.如权利要求4所述的柴油发动机尾气后处理***(1)，其特征在于，
所述状态探测装置(8)被构造成包括至少一个超声波发生器和至少一个超声波接收器的超声式状态探测装置。
6.如权利要求5所述的柴油发动机尾气后处理***(1)，其特征在于，
所述超声波发生器和相应的超声波接收器设置成在它们之间存在待探测的尾气处理剂；和/或
所述超声波发生器和相应的超声波接收器在所述尾气处理剂的流动方向上彼此错开布置。
7.如权利要求5或6所述的柴油发动机尾气后处理***(1)，其特征在于，
所述超声式状态探测装置包括多个超声波发生器和至少一个超声波接收器，其中，一个超声波接收器被构造成适于接收多个超声波发生器发出的声波。
8.如权利要求5所述的柴油发动机尾气后处理***(1)，其特征在于，
所述超声波发生器和相应的超声波接收器设置在待探测的尾气处理剂的同一侧。
9.如权利要求3所述的柴油发动机尾气后处理***(1)，其特征在于，
所述状态探测装置(8)包括至少一个声波发生器和至少一个声波接收器，工作时，所述声波发生器发出的声波传播经过尾气处理剂被相应的声波接收器接收。
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