选择性催化还原尿素空气预混合喷射系统

摘要

一种柴油机技术领域的选择性催化还原尿素空气预混合喷射系统，包括：控制器、计量泵、尿素溶液罐、尿素溶液稳压腔、回流阀、喷射电磁阀、空气雾化喷嘴、空气电磁阀、空气稳压腔、空气减压阀、压缩空气罐、冷却液电磁阀、集成式热交换装置、管路热交换装置、尿素溶液罐热交换装置。本发明具有能耗低、准确性和稳定性高、结构简单、系统开发成本和制造成本低的特点，能更有效降低柴油机燃油消耗和NOx排放。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机技术领域的装置，具体是一种基于柴油机氮氧化合物NOx排放净化的选择性催化还原尿素空气预混合喷射系统。

背景技术

氮氧化合物NOx是柴油机的主要尾气有害排放物之一，可以采用机内NOx净化，也可以采用机外NOx净化。由于机内NOx净化一般会导致柴油机燃油消耗率增高和颗粒物PM排放量增加，而机外净化NOx则有利于柴油机燃油消耗率降低和PM排放量减少，进而减少温室气体二氧化碳CO₂的排放量，因此对NOx采用机外净化技术更加符合节能和环保的要求。其中，SCR技术为柴油机NOx机外净化的主要方案。SCR系统采用浓度为32.5％的尿素水溶液为还原剂。为了提高净化效率和防止还原剂的低于-11.5℃下结晶或高温水解、氨气NH3逃逸，对还原剂的的可靠精确喷射及其热管理成为其二个核心技术。现有的SCR喷射系统，如德国博世公司的DENOXTRONIC系统，为防止还原剂低温结晶而采用电加热，而且缺少稳定喷射系统压力波动的有效措施，因此能耗高、稳定性和准确性较差；将电控喷嘴安装在排气管上，由于排气高温和振动的影响，需要增加复杂的隔热减振装置，系统复杂、成本高。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN101737127A，公开日2010.06.16，记载了一种“用于柴油机排气后处理的SCR尿素喷射系统”，该技术属于内燃机废气净化系统。它包括尿素溶液箱、输送泵、过滤器、尿素喷嘴、压力传感器、温度传感器，其特征在于：尿素喷射系统中包括一个与系统主管道并联的蓄能器，用于稳定主管道的压力；系统中还包括一个与上述尿素喷嘴直接连接的大容量的喷射容腔；在系统中还包括利用柴油机废气加热尿素溶液的装置，它由废气引入管、温度控制阀和废气出口管等组成；其中尿素喷嘴采用轴针式喷嘴，可防止低温时尿素结晶堵塞喷孔”。其不足之处是：电子控制的喷嘴安装在排气管上，需要增加隔热减振装置；利用柴油机高温废气加热尿素溶液，对该加热装置的耐热性能要求高；被废气加热的尿素溶液处于喷嘴处，不能有效解决系统中其它部位的尿素溶液低温结晶问题，而且容易引起尿素溶液温度局部过高而导致其变质，为实现被加热的尿素溶液在系统中的循环也将消耗更多的能量和增加尿素溶液输送泵的负担；从该专利的说明书来看，该系统还包含一个液体冷却子系统，进一步使系统复杂，难于实现技术经济性的最优化。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种选择性催化还原尿素空气预混合喷射系统，具有能耗低、准确性和稳定性高、结构简单、系统开发成本和制造成本低的特点，能更有效降低柴油机燃油消耗和NOx排放。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：控制器、计量泵、尿素溶液罐、尿素溶液稳压腔、回流阀、喷射电磁阀、空气雾化喷嘴、空气电磁阀、空气稳压腔、空气减压阀、压缩空气罐、冷却液电磁阀、集成式热交换装置、管路热交换装置、尿素溶液罐热交换装置，其中：计量泵的第一连接端与尿素溶液罐的相连接，计量泵的第二连接端与尿素溶液稳压腔的第一连接端相连接，尿素溶液稳压腔的第二连接端经回流阀与尿素溶液罐的回流端相连接，尿素溶液稳压腔的第三连接端经喷射电磁阀的进口端相连接，喷射电磁阀的出口端与空气雾化喷嘴的液体进口端相连接，在喷射电磁阀的出口与空气雾化喷嘴的空气进口端与空气电磁阀的出口端相连接，空气电磁阀的进口端与空气稳压腔的第一连接端相连接，空气稳压腔的第二连接端经空气减压阀与压缩空气罐相连接，空气雾化喷嘴安装在排气管上或将与出口与排气管相连接，冷却液电磁阀的入口端与柴油机节温器前的柴油机冷却液路相连接，冷却液电磁阀的出口端依次连接集成式热交换装置、管路热交换装置和尿素溶液罐热交换装置，尿素溶液罐热交换装置的出口端与柴油机的水泵进口端相连接，计量泵、喷射电磁阀、空气电磁阀、冷却液电磁阀分别与控制器相连接并接收控制指令。

所述的控制器为独立的SCR控制器、柴油机控制器或柴油机与SCR集成控制器。

所述的计量泵具有双向旋转功能，该计量泵的流量及流向通过控制器控制，当计量泵正转时将尿素溶液从尿素溶液罐输送到尿素溶液稳压腔，反转时将尿素溶液稳压腔及与之相连接的管路中的尿素溶液泵回尿素溶液罐。

所述的尿素溶液罐内设有液位传感器、温度传感器和浓度传感器。

所述的尿素溶液稳压腔内设有压力传感器以及温度传感器。

所述的空气稳压腔内设有空气压力传感器。

所述的集成式热交换装置通过热交换安装面与所述的计量泵、第一滤清器、第二滤清器、尿素溶液稳压腔、回流阀、喷射电磁阀以及与这些部件相连接的尿素溶液管路接触安装，实现与其内的冷却液之间的热交换。

所述的管路热交换装置具体是设置于尿素溶液管路上的冷却液管路或热交换器。

所述的压缩空气罐是现有车辆已有的压缩空气罐或专门设置的独立的压缩空气罐。

所述的回流阀是压力限制阀或压差稳定阀。该压差稳定阀的两个压力源分别为尿素溶液稳压腔中的尿素溶液压力和空气稳压腔中的空气压力。

本发明具体工作过程如下：

(1)尿素溶液罐中的尿素溶液经第一滤清器除去杂质后，在计量泵的抽吸作用下进入计量泵，通过控制计量泵正转流量对尿素溶液稳压腔中的尿素溶液压力进行电子控制。当尿素溶液稳压腔压力超过设定值时，回流阀自动打开，尿素溶液稳压腔中的尿素溶液流回尿素溶液罐；当尿素溶液稳压腔压力低于设定值时，回流阀自动关闭。

(2)通过尿素溶液稳压腔的稳压效应避免喷射压力的波动。

(3)压缩空气罐中的压缩空气经空气滤清器去除杂志后，经空气减压阀将压缩空气减压到目标压力，利用空气稳压腔的稳压效应避免空气压力波动，进一步通过空气电磁阀向空气雾化喷嘴和喷射电磁阀出口定量供给压缩空气。空气压力调节孔用于调节进入空气雾化喷嘴的空气的压力。

(4)基于尿素溶液稳压腔的压力、温度传感器信号和空气稳压腔的压力传感器信号，结合尿素溶液的目标喷射量，对喷射电磁阀进行尿素溶液喷射量的精确控制，并在尿素溶液进入喷射电磁阀前经第二滤清器进一步除去杂质。

(5)喷射电磁阀喷出的尿素溶液经来自控制空气稳压腔的压缩空气携带并预雾化混合进入空气雾化喷嘴的液体入口端，来自控制稳压腔的压缩空气同时进入空气雾化喷嘴的空气入口端，在雾化喷嘴内部进一步雾化后喷射到排气管内。

(6)根据尿素溶液稳压腔、尿素溶液罐的温度传感器信号，在尿素溶液温度低而需要对其加热时，控制冷却液电磁阀，将柴油机的节温器前的柴油机冷却液送入集成式热交换装置、管路热交换装置、尿素溶液罐热交换装置，利用柴油机冷却液废热对系统中的尿素溶液进行加热。

(7)柴油机停机时，通过延迟调电，控制计量泵反转，将本发明尿素溶液稳压腔及与之相连接管路中的尿素溶液泵回尿素溶液罐，避免尿素溶液在柴油机停机状态下滞留在管路中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于预混合雾化与空气雾化喷嘴雾化相结合的二次混合效应，相对于已有系统，本发明所述系统具有更小的尿素喷雾粒度且粒度更均匀，提高了对NOx的净化效率26％。

2、采用集成式热交换装置、管路热交换装置、尿素溶液罐热交换装置，利用柴油机冷却液废热对喷射系统的部件和管路进行加热，而不是采用现有系统的利用蓄电池电能进行电加热，达到了节能的目的。由于对空气压力和流量的精确控制，不仅实现了喷射压力与空气压力的最佳匹配，还可减小压缩空气消耗量，实现了进一步节能的效果。相对于已有系统，本发明能耗减少了47％。

3、采用尿素溶液稳压腔，稳定尿素管路压力；利用空气稳压腔，稳定空气压力；避免压力波动对喷射量的影响，提高了尿素喷射的稳定性和准确性。相对于已有系统，本发明的尿素喷射计量精度提高了23％。

4、利用压缩空气将喷射电磁阀喷出的尿素溶液携带到空气雾化喷嘴，减少了尿素溶液在管道上的湿壁沉积，提高了到排气管的尿素喷射的实时性。

5、采用可正反转的计量泵，可在柴油机运行时定量供给尿素溶液，也可在柴油机停机时反转抽干管路中的尿素溶液并输送回尿素溶液罐，不仅简化了系统，而且有效防止了在柴油机停机状态下尿素溶液滞留在管路中而引起的低温结晶而堵塞管路。

6、空气雾化喷嘴安装在排气管上，尿素喷射电磁阀远离排气管，提高了系统的可靠性，解决了已有系统中尿素喷射电磁阀的故障率高的问题。

7、低开发成本和制造成本。本发明开发成本降低48％，制造成本降低55％：利用冷却液废热对喷射系统的部件和管路进行加热，而不是采用现有系统的利用蓄电池电能进行电加热，取消了电加热部件和相应的加热驱动控制单元；不需要设置对喷射电磁阀的隔热减振装置；尿素喷射电磁阀只要求适合于尿素溶液的高速电磁阀，而不是现有系统中的专门开发的专用尿素喷射电磁阀；利用计量泵反转在柴油机停机时反转抽干管路中的尿素溶液并输送回尿素溶液罐，简化了系统。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：计量泵1、第一滤清器2、尿素溶液罐3、回流阀4、第二滤清器5、尿素溶液稳压腔6、喷射电磁阀7、空气雾化喷嘴8、空气压力调节孔9、单向阀10、空气电磁阀11、空气稳压腔12、空气减压阀13、空气滤清器14、压缩空气罐15、冷却液电磁阀17、集成式热交换装置19、管路热交换装置20、尿素溶液罐热交换装置21，其中：计量泵1的第一连接端经第一滤清器2与尿素溶液罐3的相连接，计量泵1的第二连接端经第二滤清器5与尿素溶液稳压腔6的第一连接端相连接，尿素溶液稳压腔6的第二连接端经回流阀4与尿素溶液罐3的回流端相连接，尿素溶液稳压腔6的第三连接端经喷射电磁阀7的进口端相连接，喷射电磁阀7的出口端与空气雾化喷嘴8的液体进口端相连接，在喷射电磁阀7的出口与空气雾化喷嘴8的空气进口端经空气压力调节孔9、单向阀10与空气电磁阀11的出口端相连接，空气电磁阀11的进口端与空气稳压腔12的第一连接端相连接，空气稳压腔12的第二连接端经空气减压阀13、空气滤清器14与压缩空气罐15相连接，空气雾化喷嘴8安装在排气管16上或将与出口与排气管16相连接，冷却液电磁阀17的入口端与柴油机18节温器前的柴油机18冷却液路相连接，冷却液电磁阀17的出口端与集成式热交换装置19、管路热交换装置20、尿素溶液罐热交换装置21相连接，尿素溶液罐热交换装置21的出口端与柴油机18的水泵进口端相连接。

所述的计量泵1、喷射电磁阀7、空气电磁阀11、冷却液电磁阀17在控制器22的控制下运行，该控制器是独立的SCR控制器、或柴油机控制器、或柴油机与SCR集成控制器。

所述的计量泵1可以在控制器22的控制下正转或反转，流量、流向可控制，该泵正转时可将尿素溶液从尿素溶液罐3输送到尿素溶液稳压腔6，该泵反转时可将尿素溶液稳压腔6及与之相连接的管路中的尿素溶液泵回尿素溶液罐3。

所述的尿素溶液罐3设置有能检测尿素溶液的液位、温度和浓度的传感器，并与控制器22相连接。

所述的尿素溶液稳压腔6设置有能检测尿素溶液的压力、温度的传感器，并与控制器22相连接。

所述的空气稳压腔12设置有空气压力传感器，并与控制器22相连接。

所述的集成式热交换装置19通过热交换安装面与所述的计量泵1、第一滤清器2、第二滤清器5、尿素溶液稳压腔6、回流阀4、喷射电磁阀7以及与这些部件相连接的尿素溶液管路接触安装，实现与其内的冷却液之间的热交换。

所述的管路热交换装置20是与尿素溶液管路捆在一起的冷却液管路、或热交换器。

所述的压缩空气罐15是现有车辆已有的压缩空气罐15、或专门设置的独立的压缩空气罐15。

所述的回流阀4是压力限制阀或压差稳定阀。其中，压差稳定阀的一个压力源为尿素溶液稳压腔6中的尿素溶液压力，另一个压力源为空气稳压腔12中的空气压力。

所述的空气压力调节孔9是用于调节进入空气雾化喷嘴8的空气的压力，以满足空气雾化喷嘴8的对空气压力的要求，但在根据空气雾化喷嘴8对该空气压力无需调节时可以取消该空气压力调节孔9。

本实施例的工作原理如下：

(1)尿素溶液罐3中的尿素溶液经第一滤清器2除去杂质后，在计量泵1的抽吸作用下进入计量泵1，通过控制计量泵1正转流量对尿素溶液稳压腔6中的尿素溶液压力进行电子控制。当尿素溶液稳压腔6压力超过设定值时，回流阀4自动打开，尿素溶液稳压腔6中的尿素溶液流回尿素溶液罐3；当尿素溶液稳压腔6压力低于设定值时，回流阀4自动关闭。

(2)通过尿素溶液稳压腔6的稳压效应避免喷射压力的波动。

(3)压缩空气罐15中的压缩空气经空气滤清器14去除杂志后，经空气减压阀13将压缩空气减压到目标压力，利用空气稳压腔12的稳压效应避免空气压力波动，进一步通过空气电磁阀11向空气雾化喷嘴8和喷射电磁阀7出口定量供给压缩空气。空气压力调节孔9用于调节进入空气雾化喷嘴8的空气的压力。

(4)基于尿素溶液稳压腔6的压力、温度传感器信号和空气稳压腔12的压力传感器信号，结合尿素溶液的目标喷射量，对喷射电磁阀7进行尿素溶液喷射量的精确控制，并在尿素溶液进入喷射电磁阀7前经第二滤清器5进一步除去杂质。

(5)喷射电磁阀7喷出的尿素溶液经来自控制空气稳压腔12的压缩空气携带并预雾化混合进入空气雾化喷嘴8的液体入口端，来自控制稳压腔的压缩空气同时进入空气雾化喷嘴8的空气入口端，在空气雾化喷嘴8内部进一步雾化后喷射到排气管16内。

(6)根据尿素溶液稳压腔6、尿素溶液罐3的温度传感器信号，在尿素溶液温度低而需要对其加热时，控制冷却液电磁阀17，将柴油机18的节温器前的柴油机18冷却液送入集成式热交换装置19、管路热交换装置20、尿素溶液罐热交换装置21，利用柴油机18冷却液废热对系统中的尿素溶液进行加热。

(7)柴油机18停机时，通过延迟调电，控制计量泵1反转，将本发明尿素溶液稳压腔6及与之相连接管路中的尿素溶液泵回尿素溶液罐3，避免尿素溶液在柴油机停机状态下滞留在管路中。