專利名稱：一種用于內(nèi)燃機氮氧化物催化轉化器的還原劑供給裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機氮氧化物催化轉化器的還原劑供給裝置，屬于汽車尾氣排放控制
背景技術：
內(nèi)燃機的排氣中含有一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和氮氧化物(NOx)等污染物。人們常采用催化轉化器等后處理技術，將它們轉化為二氧化碳(CO2)、水(H2O)和氮氣(N2)等無害成分。CO、HC轉化為CO2、H2O的過程是氧化反應，NOx轉化為N2的過程是還原反應。常規(guī)汽油機可以將空燃比控制在化學計量比附近工作，排氣中CO、HC和NOx互為氧化劑和還原劑，在三效催化劑(TWC)的作用下CO、HC和NOx的轉化效率非常高，可以滿足嚴格的排放法規(guī)要求。但是，柴油機或稀薄燃燒汽油機等是在偏稀的空燃比下工作，由于排氣中存在較多的氧氣，即富氧環(huán)境，CO和HC很容易用技術成熟的氧化催化劑進行轉化，而NOx的還原反應卻難以進行。目前，富氧環(huán)境中NOx的后處理技術正處于研究開發(fā)中，還沒有實用化產(chǎn)品。在研究中，人們發(fā)現(xiàn)如果在NOx催化轉化器上游的排氣中，加進還原性物質，如碳氫燃料、尿素、乙醇等，就可以提高NOx的轉化效率。這種方法稱為選擇性催化還原(SCR)。
隨著汽車排放法規(guī)的加嚴，稀燃NOx的催化轉化后處理顯得不可避免。還原劑供給裝置實用化的研究也在加緊進行。專利EP 1331 373公開了一種“還原劑供給系統(tǒng)”(ReductantSupply System)，它針對直接插入排氣管中的還原劑噴嘴易受排氣高溫而堵塞的情況，提出一種在噴口即將堵塞前加噴一些還原劑以保持噴口暢通的方法。該方法由于將噴嘴直接插入高溫排氣中，所以容易結焦，盡管多噴一些還原劑可以避免堵塞，但高溫會降低噴嘴的使用壽命，而且多噴還原劑使得成本增加，也加大了還原劑的貯存量，不利于在運輸車輛上使用。
英國Johnson Matthey公司發(fā)表的論文SAE 952489“Development of Test Methods forLean-NOx Catalyst Evaluation”中介紹了在實驗室研究中向稀燃NOx催化轉化劑供給還原劑的試驗方法和裝置。該裝置用來將還原劑(柴油)噴射到排氣管中，即柴油通過一個電磁閥開關流入齒輪泵，流經(jīng)齒輪泵的柴油在噴嘴中與壓縮空氣混合進入排氣管。該裝置的還原劑流量是通過齒輪泵來控制的，噴嘴只是起混合作用，而且齒輪泵只能對還原劑流量進行穩(wěn)態(tài)控制，不能進行瞬態(tài)控制，因而不適應內(nèi)燃機運行中變工況對還原劑噴射量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對選擇性催化還原系統(tǒng)提供一種實用的向內(nèi)燃機稀燃NOx催化轉化器供給還原劑的裝置。該裝置既可有效防止噴口處因還原劑高溫結焦而阻塞，又可在排氣管內(nèi)充分霧化和均勻分布還原劑，并可對還原劑流量進行定時定量的瞬態(tài)控制，從而可以提高噴射裝置的使用壽命、催化轉化器的轉化效率和還原劑的有效利用率。
本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的一種用于內(nèi)燃機氮氧化物催化轉化器的還原劑供給裝置，其特征在于該裝置包括固定在內(nèi)燃機排氣管上的還原劑噴射器，還原劑貯存罐和輸送泵，壓縮空氣貯氣罐和氣體控制閥以及用來控制還原劑供給裝置的電子控制器；所述的還原劑噴射器包括噴射器本體，安裝在本體內(nèi)的電磁閥噴嘴，與該噴嘴出口相連的導流環(huán)以及帶多孔噴頭的混合管，該混合管伸入到排氣管內(nèi)；在所述的噴射器本體上分別設有冷卻液進口和冷卻液出口以及壓縮空氣進口；所述的還原劑貯存罐、輸送泵通過管路與噴射器中的電磁閥噴嘴的進口相連，壓縮空氣貯氣罐、氣體控制閥通過管路與所述的壓縮空氣進口相連；所述的電子控制器通過控制線路分別與所述的電磁閥噴嘴、氣體控制閥及內(nèi)燃機連接。
本發(fā)明提出的還原劑供給裝置與現(xiàn)有技術相比，具有以下特點及突出性效果①液態(tài)還原劑不直接噴入排氣管，而是先進入混合管，在混合管中與壓縮空氣混合、霧化后，再通過混合管的多孔噴頭散噴到排氣管中；這樣還原劑的霧化、散射可使還原劑更廣泛地散布到催化劑的表面，提高還原劑的有效利用率。②還原劑噴嘴不直接安裝在排氣管上，可以避開排氣管高溫的影響，再加上壓縮空氣的冷卻和冷卻液的降溫，可有效提高還原劑供應裝置的使用壽命和運行的可靠性。③還原劑和空氣的混合氣通過混合管頭部的多孔噴頭噴入排氣管，使還原劑在排氣中均勻分布；壓縮空氣通過導流環(huán)產(chǎn)生旋流，促使還原劑與壓縮空氣加速混合，壓縮空氣還可防止噴嘴堵塞。④電磁閥噴嘴能用脈沖電流定時定量地控制還原劑的瞬時噴射量，適應內(nèi)燃機運行中變工況對還原劑噴射量的要求。⑤壓縮空氣控制閥是一個能改變空氣通道面積大小從而控制空氣流量的閥門，既可以與還原劑噴嘴閥同時開閉，也可以在噴嘴關閉時單獨開啟，單獨開啟時，壓縮空氣只用來冷卻噴嘴。⑥本發(fā)明采用電子控制器控制整個還原劑供給裝置，電子控制器能事先根據(jù)發(fā)動機的運行工況設定還原劑和壓縮空氣的供給時刻和供應量，因而能適應內(nèi)燃機運行中變工況對還原劑噴射量的要求。


圖1為本發(fā)明提供的還原劑供給裝置的總體結構示意圖。
圖2為還原劑噴射器的結構示意圖。
圖3為導流環(huán)實施例的結構示意圖。
圖4為帶有多孔噴頭的混合管實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步說明本發(fā)明的具體結構、工作過程及最佳實施方式。
該還原劑供給裝置主要包括還原劑噴射器3，還原劑貯存罐6和輸送泵7，壓縮空氣貯氣罐8和氣體控制閥9以及用來控制還原劑供給裝置的電子控制器5；還原劑噴射器3安裝在排氣管2上，向催化轉化器4供給還原劑。還原劑貯存罐6、輸送泵7通過管路與噴射器3連接；壓縮空氣貯氣罐8、氣體控制閥9通過管路與和噴射器3連接；電子控制器5通過控制線路分別與還原劑噴射器3、氣體控制閥9及內(nèi)燃機1連接(如圖1所示)。
圖2為原劑噴射器的結構示意圖。所述的還原劑噴射器3包括噴射器本體22，安裝在本體內(nèi)的電磁閥噴嘴15，與該噴嘴出口19相連的導流環(huán)17以及帶多孔噴頭20的混合管18，該混合管伸入到排氣管2內(nèi)；在所述的噴射器本體上分別設有冷卻液進口10和冷卻液出口11以及壓縮空氣進口16。在所述的電磁閥噴嘴的出口與混合管之間的導流環(huán)17上，至少設有兩個切向或螺旋通氣槽21。
該供給裝置的工作過程如下輸送泵7將液體狀態(tài)的還原劑從貯存罐6以一定的壓力輸入噴射器3，再從電磁閥噴嘴15的出口19噴出。與此同時，一定壓力的壓縮空氣從貯氣罐8經(jīng)過氣體控制閥9進入噴射器3，在混合管18中與從噴嘴出口19噴出的還原劑混合，形成混合氣?；旌蠚庖造F化狀態(tài)從混合管18經(jīng)多孔噴頭20噴入排氣管2中，進而隨發(fā)動機排氣散布至催化轉化器4內(nèi)NOx催化劑的表面。為防止排氣管2的高溫影響噴射器3的正常工作，內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)或另外設置的冷卻系統(tǒng)(圖1未表示)的冷卻液從冷卻液進口10進入噴射器內(nèi)腔13，對噴射器進行冷卻，再從出口11流回冷卻系統(tǒng)。
電子控制器5通過控制線路與電磁閥噴嘴15上的電控接口23相連，電磁閥噴嘴能用脈沖電流定時定量地控制還原劑的瞬時噴射量，適應內(nèi)燃機運行中變工況對還原劑噴射量的要求。電子控制器用脈沖電流向電磁閥噴嘴發(fā)出指令，控制電磁閥的開閉，進而控制還原劑的供給時刻和數(shù)量。還原劑從還原劑進口24進入電磁閥噴嘴15，從噴嘴出口19噴出，進入混合管18。與此同時，經(jīng)氣體控制閥9來的壓縮空氣從壓縮空氣進口16進入噴射器本體22，沿著空氣通道14引到噴嘴出口19的四周，再經(jīng)過導流環(huán)17上的通氣槽21使壓縮空氣形成旋流，與上述噴嘴出口19噴出的還原劑混合，在混合管18中形成混合氣，最后經(jīng)多孔噴頭20噴入排氣管2中。導流環(huán)17是一個圓柱環(huán)狀的零件，其外圓柱面與噴嘴出口19的外圓相接，內(nèi)圓柱面與混合管18的內(nèi)腔相接。導流環(huán)上至少設有兩個切向通氣槽或螺旋通氣槽21。該槽的進口通過空氣通道14與所述的壓縮空氣進口16相連通，該槽的出口與所述的混合管18的內(nèi)腔相通。導流環(huán)外的壓縮空氣，流經(jīng)該通氣槽后，即在內(nèi)圓柱面內(nèi)形成旋流，流入混合管18中。圖3為導流環(huán)一個具體的實施例，可以根據(jù)噴出的還原劑的形態(tài)和特性，將導流環(huán)上的通氣槽制成各種形狀，使氣流形成不同強度的旋流，促使還原劑更好地霧化。
混合管18是噴射器3的重要零件，多孔噴頭至少設有兩個噴孔；其噴出口的位置及朝向會影響還原劑的有效利用率，一般混合管的噴出口在排氣管中的朝向應與排氣管中排氣的流動方向同向或逆向或呈一角度；多孔噴頭應位于排氣管的中部或管壁或其間的任一位置，其具體的位置及朝向應根據(jù)所在排氣管的形狀和噴霧進行設定?；旌瞎?8管口的多孔噴頭20，用焊接或機械方式與混合管固緊，噴頭上的噴孔可以制成各種形狀，以使氣霧狀的還原劑沿混合管出口的軸向噴出或向管口四周散射等。圖4為帶有多孔噴頭的混合管實施例的結構示意圖。上述進入噴射器3的壓縮空氣除了霧化和散布還原劑的作用外，還對噴嘴15起冷卻作用，使噴嘴不致因還原劑高溫結焦而阻塞。壓縮空氣輸入噴油器的時刻和數(shù)量由氣體控制閥9進行控制。氣體控制閥9是一個能改變空氣通道面積大小、使壓力一定的壓縮空氣的流量發(fā)生變化的閥門，其閥桿可由電磁線圈或步進電機等驅動。此控制閥同樣由電子控制器5控制，它既可以與噴嘴電磁閥15同時開閉，也可以在噴嘴關閉時單獨開啟。單獨開啟時，壓縮空氣只用來冷卻噴嘴。壓縮空氣進口16以及冷卻液進口10、冷卻液出口11可采用內(nèi)燃機或汽車常用的膠管或鋼管等連接方式與噴射器3連接。
電磁閥噴嘴15采用內(nèi)燃機燃油噴嘴常用的壓板或其他連接方式連同導流環(huán)17一起裝在噴射器本體22上；還原劑混合管18及多孔噴頭20伸入到排氣管中，用焊接或機械方式與噴射器本體22緊固。整個噴射器部件用螺紋或法蘭等機械連接方式安裝在內(nèi)燃機排氣管2上。
還原劑供給裝置用電子控制器5進行控制。電子控制器根據(jù)來自內(nèi)燃機各種傳感器輸入的轉速、負荷(油門開度)、冷卻液溫度、進氣流量、排氣溫度、排氣成分等信號，結合存貯的各種數(shù)據(jù)、經(jīng)過分析運算，以電信號向還原劑噴嘴、氣體控制閥等執(zhí)行器件發(fā)出動作指令，控制還原劑和壓縮空氣的輸入時刻及數(shù)量。
權利要求
1.一種用于內(nèi)燃機氮氧化物催化轉化器的還原劑供給裝置，其特征在于該裝置包括固定在內(nèi)燃機排氣管上的還原劑噴射器(3)，還原劑貯存罐(6)和輸送泵(7)，壓縮空氣貯氣罐(8)和氣體控制閥(9)以及用來控制還原劑供給裝置的電子控制器(5)；所述的還原劑噴射器包括噴射器本體(22)，安裝在本體內(nèi)的電磁閥噴嘴(15)，與該噴嘴出口(19)相連的導流環(huán)(17)以及帶多孔噴頭(20)的混合管(18)，該混合管伸入到排氣管(2)內(nèi)；在所述的噴射器本體上分別設有冷卻液進口(10)和冷卻液出口(11)以及壓縮空氣進口(16)；還原劑貯存罐(6)、輸送泵(7)通過管路與噴射器中的電磁閥噴嘴的進口相連，壓縮空氣貯氣罐(8)、電磁控制閥(9)通過管路與所述的壓縮空氣進口相連；所述的電子控制器(5)通過控制線路與所述的電磁閥噴嘴、電磁控制閥及內(nèi)燃機(1)連接。
2.按照權利要求1所述的還原劑供給裝置，其特征在于所述的電磁閥噴嘴的出口與混合管之間的導流環(huán)(17)上至少設有兩個切向通氣槽或螺旋通氣槽(21)，該槽的進口通過空氣通道(14)與所述的壓縮空氣進口(16)相連通，該槽的出口與所述的混合管(18)的內(nèi)腔相通。
3.按照權利要求1或2所述的還原劑供給裝置，其特征在于所述的帶多孔噴頭(20)的混合管(18)的噴出口在排氣管中的朝向與排氣管中排氣的流動方向同向或逆向或呈一角度；多孔噴頭(20)位于排氣管的中部或管壁或其間的任一位置。
4.按照權利要求3所述的還原劑供給裝置，其特征在于所述的多孔噴頭至少設有兩個噴孔。
全文摘要
一種用于內(nèi)燃機氮氧化物催化轉化器的還原劑供給裝置，屬于汽車尾氣排放控制技術。本發(fā)明包括還原劑噴射器，還原劑貯存罐和輸送泵，貯氣罐和氣體控制閥以及電子控制器；還原劑噴射器由噴射器本體，電磁閥噴嘴，帶多孔噴頭的混合管組成，并設有冷卻液進口、出口及壓縮空氣進口。本發(fā)明的特點是還原劑在混合管中與壓縮空氣混合，經(jīng)多孔噴頭散噴到排氣管中，均勻地散布到催化劑表面，提高了還原劑的有效利用率；而且還原劑噴嘴不直接安裝在排氣管上，避開了排氣管高溫，加上壓縮空氣和冷卻液的降溫，可提高供應裝置運行的可靠性和使用壽命。電子控制器可對還原劑流量進行瞬態(tài)控制，因而適應內(nèi)燃機運行中變工況的需要，是一種實用的還原劑供給裝置。
文檔編號F01N3/10GK1560439SQ20041000447
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月27日 優(yōu)先權日2004年2月27日
發(fā)明者帥石金, 徐仲倫, 王建昕, 肖建華 申請人:清華大學