專利名稱：用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機排放凈化系統(tǒng)，具體是一種用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著中國汽車產(chǎn)量和保有量的快速增長，汽車尾氣排放污染問題日益嚴(yán)峻，為了應(yīng)對這一突出問題，國家陸續(xù)出臺了不同階段的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，各汽車和發(fā)動機企業(yè)對汽車發(fā)動機也逐步采取了相應(yīng)的技術(shù)措施來滿足逐漸加嚴(yán)的排放法規(guī)。重型車用柴油機方面，在國III排放標(biāo)準(zhǔn)及之前基本上都采用機內(nèi)措施來達(dá)到目標(biāo)，比如使用高壓共軌、提高燃油噴射壓力、精確控制燃油的噴射時間和角度、使用廢氣渦輪增壓提高發(fā)動機充氣效率、使用EGR廢氣再循環(huán)技術(shù)降低燃燒溫度等；但是在國IV排放法規(guī)及之后，僅僅采用發(fā)動機機內(nèi)措施已經(jīng)無法達(dá)到排放法規(guī)的要求，目前在重型車用柴油機排放上比較受關(guān)注的主要有兩種技術(shù)路線，即DPF顆粒捕捉器和SCR選擇還原技術(shù)前者需要與機內(nèi)EGR技術(shù)結(jié)合使用，EGR目的在于降低機內(nèi)的NOx排放，DPF用于在機外降低顆粒物排放；使用SCR選擇還原技術(shù)，則可以借助一些改善燃燒的手段來降低機內(nèi)的顆粒排放物的生成，而在排氣中借助還原劑和催化劑來降低機外的NOx排放。但使用DPF技術(shù)對于燃油中硫含量和DPF的再生有比較高的要求，如果油品中硫含量過高的話則會直接影響到催化劑和DPF的使用壽命，因此國內(nèi)的大部分企業(yè)目前都傾向于使用SCR技術(shù)來滿足國III后排放階段的目標(biāo)要求。SCR是一種選擇性催化還原技術(shù)，SCR技術(shù)利用NH3 (尿素水解之后的生成物)作為還原性物質(zhì)，在一定溫度和催化劑作用下，利用NH3將NOx還原為N2和H20。由于NH3在催化劑的作用下選擇性地優(yōu)先還原NOx而不先與O2反應(yīng)，故稱其為“選擇性催化還原”。NH3是良好的還原劑，但是有很強的刺激性，不便于直接在汽車上使用，而尿素水溶液無毒、無害、儲存和運輸方便且不具有刺激性氣味，因此一般使用32. 5%濃度的尿素水溶液作為車載SCR系統(tǒng)的還原劑，在歐洲被稱之為Adblue，美國被稱為Diesel Exhaust Fluid(DEF)，國際標(biāo)準(zhǔn)IS022241-1 ((Adblue Standard))也對柴油機尾氣處理用的NOx還原劑進(jìn)行了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。使用SCR技術(shù)，則需要設(shè)計一個系統(tǒng)，能夠?qū)⒛蛩貒娚涞桨l(fā)動機排氣管中，該系統(tǒng)需要滿足以下要求I)如何將尿素水溶液定量地噴射到排氣管中，使之高效地與NOx排放物在催化劑上發(fā)生反應(yīng)，這不僅需要尿素噴射系統(tǒng)精確的控制尿素噴射量，而且還需要提供非常好的霧化效果；2)由于尿素水溶液在較低的溫度下(通常在_11°C )會凍結(jié)，因此系統(tǒng)還需要采取解凍措施；3)考慮到市場上的尿素質(zhì)量良莠不齊，并且系統(tǒng)的加工過程中也會有顆粒殘留，需要設(shè)計一些措施以防止系統(tǒng)被堵塞；4)由于在發(fā)動機不同運轉(zhuǎn)工況下生成的NOx排放污染物有較大的變化，發(fā)動機的工況變化非常頻繁，因此需要系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機工況自動調(diào)整并精確控制噴射量；目前，國外有能夠滿足以上要求的車用排氣SCR后處理尿素噴射系統(tǒng)，比如DE102006040411A1公開的I3UREM公司開發(fā)的尿素噴射系統(tǒng)，US6209315B1公開的西門子公司的SCR系統(tǒng)，包括目前國內(nèi)市場上應(yīng)用的格蘭富公司和德國博世公司的系統(tǒng)，其中有些系統(tǒng)采用氣體輔助噴射，設(shè)計比較巧妙，也有比較好的霧化效果，但是以上都是國外的系統(tǒng)，部件的設(shè)計和制造成本很高，不利于SCR系統(tǒng)在國內(nèi)的大面積推廣。國內(nèi)在近幾年內(nèi)也出現(xiàn)了類似的系統(tǒng)，包括CN101737127A公開的無錫油泵油嘴研究所開發(fā)的SCR尿素噴射系統(tǒng)，CN101818677A公開的蘇州派格力減排系統(tǒng)有限公司的定量噴射裝置，但是以上系統(tǒng)都還不太完善，存在一些問題，比如前者系統(tǒng)中提及的借助發(fā)動機排氣進(jìn)行解凍的方案不容易實現(xiàn)控制；后者系統(tǒng)雖比較簡單，但是系統(tǒng)中缺少濾清裝置，無法解決堵塞的問題，而且其設(shè)計的無源穩(wěn)壓氣囊，在氣源關(guān)閉的情況下無法起到蓄能的作用，系統(tǒng)關(guān)閉時無法有效的回流，并且無解凍措施，無法解決尿素低溫下凍結(jié)的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射系統(tǒng)，能夠根據(jù)發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況將尿素定量的噴射到SCR催化器上游的排氣管中，并在高壓空氣的作用下將其很好的霧化，使之在SCR催化器上與發(fā)動機排出的NOx污染物發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到降低發(fā)動機排放的目的；并且，本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)中具有很好的防堵塞結(jié)晶、解凍等措施，能夠滿足發(fā)動機達(dá)到國IV及以上排放目標(biāo)的要求。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明用于實現(xiàn)降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射系統(tǒng)的技術(shù)方案是包括尿素供應(yīng)單元、噴射單元、解凍單元和控制單元；所述尿素供應(yīng)單元包括通過第一管路順次與尿素罐連接的尿素直流泵、二級濾清器、第一電磁閥和氣液混合器；所述尿素罐中設(shè)有一級濾清器、第一溫度傳感器和液位傳感器；所述尿素直流泵與所述二級濾清器之間的管路設(shè)有一三通，自該三通至所述尿素罐之間的管路為第二管路，所述第二管路與一尿素回流氣控閥的一端連接；所述第一管路上，在位于所述二級濾清器和所述第一電磁閥之間設(shè)有第二溫度傳感器、尿素壓力傳感器和蓄能器；所述蓄能器為皮囊式蓄能器，所述蓄能器通過第一單向閥與來自于車載氣源的氣體管路連通；所述氣體管路上自車載氣源至所述第一單向閥之間依次設(shè)有氣體濾清器、氣體減壓閥、第二電磁閥和第二單向閥；所述尿素回流氣控閥的另一端與所述氣體管路連通，該連通節(jié)點是一四通，所述四通還與一氣體節(jié)流孔板、所述第一單向閥和所述第二單向閥連通；所述氣體節(jié)流孔板的另一端連接至所述氣液混合器；所述噴射單元包括噴頭部件，所述噴頭部件用于將氣液混合物噴射到與車輛的SCR催化器上游連通的排氣管路中，所述噴頭部件包括依次連接的噴嘴、管體和管接口，所述管體上套裝有固定螺母，所述固定螺母與所述管體之間設(shè)有固定墊片，所述噴嘴內(nèi)鑲嵌有扇形噴嘴芯，所述噴嘴設(shè)有多個噴射孔，所述噴射孔的軸向與發(fā)動機排氣氣流方向一致；所述管接口與所述氣液混合器連接；所述SCR催化器的下游設(shè)有第三溫度傳感器和NOx傳感器；所述解凍單元包括冷卻水解凍結(jié)構(gòu)和電解凍結(jié)構(gòu)，其中，所述冷卻水解凍結(jié)構(gòu)是利用車輛發(fā)動機上的冷卻水實現(xiàn)尿素罐的解凍，所述冷卻水解凍結(jié)構(gòu)包括與所述尿素罐連接的水解凍管路，所述水解凍管路上設(shè)有第三電磁閥；所述電解凍結(jié)構(gòu)用于系統(tǒng)中第一管路和第二管路的解凍；所述電解凍結(jié)構(gòu)包括電阻絲；所述控制單元由信號處理模塊、功率驅(qū)動模塊、總線驅(qū)動模塊、電源模塊和單片機組成；所述控制單元通過CAN總線與車輛的發(fā)動機控制單元進(jìn)行通訊，以獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩信號；同時，所述控制單元與所述尿素供應(yīng)單元和所述解凍單元中的尿素直流泵、所有電磁閥和所有傳感器連接，所述控制單元接收所有傳感器的信號，所述控制單元控制所述尿素直流泵的運轉(zhuǎn)或停止，所述控制單元控制所有的電磁閥的開啟或關(guān)閉。本發(fā)明用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射控制方法，包括所述控制單元中的信號處理模塊持續(xù)接收來自于第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、液位傳感器和壓力傳感器的信號，并將信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后傳送至單片機；所述控制單元根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)通過功率驅(qū)動模塊進(jìn)行如下控制控制尿素直流泵的啟停，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的啟動；控制尿素直流泵的啟停、第一電磁閥的通斷、第二電磁閥的開啟周期和尿素回流氣控閥的開啟或閉合，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的計量噴射；控制第一電磁閥的通斷、第二電磁閥的通斷和尿素回流氣控閥的開啟或閉合，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的停機及停機過程中的排空；控制第三電磁閥的開啟或閉合、電解凍結(jié)構(gòu)中電阻絲的通電和斷電，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的解凍；控制單元持續(xù)監(jiān)測根據(jù)所述NOx傳感器測得的NOx排放數(shù)據(jù)，并結(jié)合發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩負(fù)荷信息計算出NOx的排放結(jié)果，當(dāng)該結(jié)果高于發(fā)動機正常情況下的限值時，控制單元通過報警進(jìn)行提示。進(jìn)一步講，所述發(fā)動機正常情況下的限值是指要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《GB17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》中的要求。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(I)本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)采用空氣輔助的霧化方式，氣體可以來自車上的空氣壓縮泵，也可以來自外加的壓縮空氣泵；在氣體管路和氣液混合器中間設(shè)計有氣體節(jié)流孔以防止氣體流量過大；2)為了保證尿素直流泵的壽命，該尿素直流泵采用間歇性工作方式；3)本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)的尿素供應(yīng)單元中采用皮囊式蓄能器對尿素壓力進(jìn)行積蓄，在尿素直流泵間歇式工作的情況下，保證尿素噴射系統(tǒng)仍能夠有足夠的壓力進(jìn)行噴射；4)本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)中設(shè)計了多級濾清器結(jié)構(gòu)，用于過濾尿素中的雜質(zhì)和生產(chǎn)中生成的顆粒，防止堵塞；5)本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)中采用氣體回流控制閥，當(dāng)氣體壓力消除時，第一管路和第二管路中的尿素液體能夠回流到尿素罐中；6)本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)設(shè)計了由發(fā)動機冷卻水加熱和電加熱混合方式的解凍措施，可以消除尿素凍結(jié)現(xiàn)象；7)為了達(dá)到良好的霧化效果，本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)設(shè)計有氣液混合器；另外，在噴頭部件內(nèi)設(shè)計有微型的混合霧化結(jié)構(gòu)。


圖1-1是本發(fā)明用于發(fā)動機排氣后處理的尿素噴射系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；圖1-2是本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)中尿素供應(yīng)單元構(gòu)成示意圖；圖1-3是本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)中解凍單元構(gòu)成示意圖；、
圖2是本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)中噴射單元15的剖視圖；圖3-1是圖2中所示扇形噴嘴芯的主視放大視圖；圖3-2是圖3-1所不扇形噴嘴芯的俯視圖；圖3-3是圖3-1所不扇形噴嘴芯的側(cè)視圖；圖4是本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)中控制單元構(gòu)成及與相關(guān)部件的連接框圖；圖5是本發(fā)明尿素噴射控制方法的主流程圖；圖6是本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)的啟動流程圖；
圖7是本發(fā)明尿素噴射系統(tǒng)的停止流程圖。圖中I-液位傳感器 2-第一溫度傳感器3-尿素罐4-一級濾清器 5-第三電磁閥 6-水解凍管路7-尿素直流泵 8-二級濾清器9 -蓄能器10-第一單向閥 11-第一電磁閥12-SCR催化器13-NOx傳感器 14-第三溫度傳感器 15-噴射單元16-氣液混合器 17-控制單元18-氣體節(jié)流孔板19-壓力傳感器 20-第二溫度傳感器 21-回流氣控閥22-第二單向閥 23-第二電磁閥24-氣體減壓閥25-氣體濾清器 26-車載氣源27-第一管路28-第二管路 31-噴嘴32-管體33-管接口34-固定墊片35-固定螺母36-扇形噴嘴芯 37-噴射孔。
具體實施例方式本發(fā)明一種用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射系統(tǒng)主要包括尿素供應(yīng)單元、噴射單元、解凍單元和控制單元，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。如圖1-2所示，本發(fā)明系統(tǒng)中的所述尿素供應(yīng)單元主要包括尿素直流泵7、二級濾清器8、蓄能器9、尿素回流氣控閥21、用于氣路控制的第二單向閥22和第二電磁閥23、用于尿素供給量控制的第一電磁閥11、氣液混合器16、用于監(jiān)測管路中尿素壓力和溫度的壓力傳感器19和第二溫度傳感器20等。如圖1-1，所述尿素罐3通過第一管路27順次與尿素罐3連接的尿素直流泵7、二級濾清器8、第一電磁閥11和氣液混合器16 ;在所述尿素罐3中設(shè)有一級濾清器4、第一溫度傳感器2和液位傳感器I。所述尿素直流泵7與所述二級濾清器8之間的管路設(shè)有一三通，自該三通至所述尿素罐3之間的管路為第二管路28，所述第二管路28與一尿素回流氣控閥21的一端連接。所述第一管路27，在位于所述二級濾清器8和所述第一電磁閥11之間設(shè)有第二溫度傳感器20、尿素壓力傳感器19和蓄能器9 ;所述蓄能器9為皮囊式蓄能器，所述蓄能器9通過第一單向閥10與來自于車載氣源的氣體管路連通；所述氣體管路上自車載氣源26至所述第一單向閥10之間依次設(shè)有氣體濾清器25、氣體減壓閥24、第二電磁閥23和第二單向閥22 ;所述尿素回流氣控閥21的另一端與所述氣體管路連通，該連通節(jié)點是一四通，所述四通還與一氣體節(jié)流孔板18、所述第一單向閥10和所述第二單向閥22連通；所述氣體節(jié)流孔板18的另一端連接至所述氣液混合器16。啟動系統(tǒng)后,尿素直流泵7將尿素從尿素罐3內(nèi)吸出，經(jīng)過尿素二級濾清器8后，供應(yīng)到第一管路中，在第二電磁閥23沒有打開情況下，氣體管路內(nèi)沒有氣體，尿素回流氣控閥21處于常開狀態(tài)，尿素通過尿素回流氣控閥21回流到尿素罐3內(nèi)，第一管路27壓力無法達(dá)到系統(tǒng)噴射的最低要求。當(dāng)?shù)诙姶砰y23打開時，氣體管路內(nèi)有一定的氣體壓力，尿素回流氣控閥21關(guān)閉，第一管路27內(nèi)建立壓力，在該壓力作用下，尿素進(jìn)入蓄能器9內(nèi)，當(dāng)壓力達(dá)到一定上限后，控制單 元17則將尿素直流泵7關(guān)閉。本發(fā)明中的蓄能器9采用皮囊式蓄能器，能夠在尿素直流泵7運轉(zhuǎn)時積蓄一定量的尿素，在該尿素直流泵7停止時，蓄能器9內(nèi)積蓄的尿素為第一管路提供尿素噴射所需要的壓力。同時蓄能器9還可以穩(wěn)定第一管路內(nèi)壓力的波動。皮囊式蓄能器的另外一端通過第一單向閥10連接氣體管路。當(dāng)?shù)诙姶砰y23打開，氣體進(jìn)入系統(tǒng)時，蓄能器皮囊內(nèi)的壓力與氣體壓力相當(dāng)；當(dāng)?shù)诙姶砰y23關(guān)閉，氣體管路壓力下降時，蓄能器皮囊內(nèi)壓力保持不變，避免了因蓄能器長期不用時皮囊內(nèi)的氣體發(fā)生泄漏而無法正常工作的問題。本發(fā)明中采用兩級濾清結(jié)構(gòu)，即在尿素罐3內(nèi)實現(xiàn)一級濾清，在第一管路27中實現(xiàn)二級濾清，設(shè)置在第一管路27上的二級濾清器8主要用于過濾尿素水溶液中的雜質(zhì)，可以防止因雜質(zhì)進(jìn)入液體管路所導(dǎo)致的第一電磁閥11堵塞的現(xiàn)象，消除了影響第一電磁閥11噴射準(zhǔn)確性的不良因素。當(dāng)用于控制氣體通斷的第二電磁閥23打開時，能夠?qū)④嚿系母邏簹怏w通過一個氣體減壓閥24引入到系統(tǒng)管路內(nèi)。一般商用車上都有空氣壓縮泵，以提供給剎車、轉(zhuǎn)向助力等系統(tǒng)使用。引入系統(tǒng)的氣體一方面可以用于尿素水溶液的霧化，另一方面還可以通過控制尿素回流氣控閥21起到中斷尿素回流的作用。本發(fā)明系統(tǒng)中的尿素回流氣控閥21采用膜片式控制閥，其中，膜片的一側(cè)為氣體，膜片的另一側(cè)為液體，由膜片的位移控制第二管路28的通斷。即，在控制端有一定的氣體壓力時，此時第二管路截止，能夠防止第一管路27內(nèi)尿素水溶液通過第二管路28回流到尿素罐3內(nèi)，從而保證尿素主管道的壓力的建立；當(dāng)系統(tǒng)剛剛啟動或者要停止時，第二電磁閥23關(guān)閉，氣體壓力下降，尿素回流氣控閥21打開，蓄能器和第一管路27內(nèi)尿素水溶液通過第二管路28回流到尿素罐3內(nèi)，從而防止在溫度較低的情況下蓄積在噴射系統(tǒng)內(nèi)的尿素溶液凍結(jié)。本發(fā)明系統(tǒng)中的氣液混合器16用于將液體和氣體混合,液體通過第一電磁閥11噴到氣液混合器16內(nèi)，氣液混合器16的另外一個通路連接高壓氣體，氣體是通過氣體節(jié)流孔板18連接到氣液混合器16內(nèi)，以保證氣體流量不要太大，避免過度消耗車用壓縮空氣。氣體和液體在氣液混合器16內(nèi)充分混合后連接到噴射單元15中的噴頭部件。當(dāng)系統(tǒng)不能正常工作時，為了保證液體不會進(jìn)入到氣路中，在第二電磁閥23的后端布置有第二單向閥22。本發(fā)明系統(tǒng)中的第一電磁閥11是用于控制尿素的噴射量，該第一電磁閥11的一端與第一管路的下游連接，另一端連接到氣液混合器16內(nèi)，該第一電磁閥11由控制單元17通過脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行控制，控制單元17根據(jù)發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況和該第一電磁閥11兩端的壓力自動調(diào)整PWM占空比，從而達(dá)到控制噴射量的目的。另外，當(dāng)電源電壓高于第一電磁閥11的額定電壓時，使用脈寬調(diào)制(PWM)的方式對輸入第一電磁閥11的電壓進(jìn)行控制，使其與需求的額定電壓相符，以保護(hù)第一電磁閥11。本發(fā)明系統(tǒng)中的壓力傳感器19和第二溫度傳感器20是用于將氣體管路和液體管路(第一管路27)內(nèi)的信息反饋到控制單元17中，使控制單元17可以根據(jù)系統(tǒng)的情況對尿素直流泵7、第一電磁閥11和解凍單元等進(jìn)行控制。如圖1-3所示，本發(fā)明系統(tǒng)中的解凍單元由冷卻水解凍和電加熱解凍結(jié)構(gòu)組合而成，其中，所述冷卻水解凍結(jié)構(gòu)是利用發(fā)動機的冷卻水來解決尿素罐3的解凍問題，包括與尿素罐3連接的水解凍管路6，在水解凍管路6上設(shè)有第三電磁閥5 ;電加熱解凍結(jié)構(gòu)用于解決系統(tǒng)中用于進(jìn)尿素的管路(第一管路27中連接尿素箱與尿素直流泵的部分)和用于回流尿素的第二管路28及管路上接頭的解凍問題，在管路外面覆蓋電熱裝置，最典型的是在管路外面設(shè)置加熱電阻絲。如圖1-1所示，本發(fā)明系統(tǒng)中的所述噴射單元15包括噴頭部件，所述噴頭部件用 于將氣液混合物噴射到與車輛的SCR催化器12上游連通的排氣管路中，所述SCR催化器12的下游設(shè)有第三溫度傳感器14和NOx傳感器13。如圖2所示，所述噴頭部件包括依次連接的噴嘴31、管體32和管接口 33，所述管體32上套裝有固定螺母35，所述固定螺母35與所述管體32之間設(shè)有固定墊片34，所述噴嘴31內(nèi)鑲嵌有扇形噴嘴芯36，如圖3_1、圖3_2和圖3-3所示，所述扇形噴嘴芯36由兩個交叉的瓣片構(gòu)成，每個瓣片上均設(shè)有矩形缺口的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，噴嘴31中扇形噴嘴芯36的設(shè)計可以達(dá)到分散和疏導(dǎo)尿素和氣體混合流體的作用，可以使霧化效果更加均勻細(xì)密；所述噴嘴31設(shè)有多個噴射孔37，所述噴射孔37的軸向即噴射口的開口方向都與發(fā)動機排氣氣流方向一致，從而可以減小內(nèi)部的壓力波動，增大噴射氣流的連續(xù)性，提高其可靠性。所述管接口 33與所述氣液混合器16連接，所述管接口符合SAE J2044-2002標(biāo)準(zhǔn)，可采用快速接頭，便于與氣液混合器16連接。尿素溶液和氣體的混合流體由氣液混合器16經(jīng)管接口 33和管體32,并通過扇形噴嘴芯36的分散和引流,最后由噴嘴31均勻且連續(xù)的噴射到與SCR催化器12上游連通的排氣管路中，實現(xiàn)尿素水溶液的良好的霧化效果。整個噴射單元部件均采用不銹鋼材質(zhì)加工而成，可以防尿素腐蝕，具有耐高溫、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單實用的特點。如圖5所示，本發(fā)明系統(tǒng)中的控制單元主要用于控制整個系統(tǒng)的啟動、停止，根據(jù)尿素管路壓力控制尿素直流泵的運轉(zhuǎn)和停止；根據(jù)發(fā)動機運行工況，通過控制第一電磁閥的開度以調(diào)整噴射量；根據(jù)尿素和環(huán)境溫度等信息控制解凍單元，并負(fù)責(zé)執(zhí)行對所有各種傳感器和執(zhí)行器件的診斷；與發(fā)動機控制單元和其他車輛控制單元進(jìn)行通訊，將SCR系統(tǒng)運轉(zhuǎn)信息傳遞給其他控制單元、并根據(jù)其他控制單元傳遞的信息進(jìn)行相應(yīng)動作；另外控制單元17還負(fù)責(zé)持續(xù)監(jiān)測發(fā)動機排放，當(dāng)由于某種原因?qū)е掳l(fā)動機排放超標(biāo)時將相關(guān)信息傳遞給發(fā)動機控制單元。控制單元17對噴射系統(tǒng)的基本控制流程如圖5、圖6和圖7所示?？刂茊卧?7處于通電狀態(tài)時，當(dāng)接收到啟動信號后，進(jìn)入系統(tǒng)啟動流程，如圖6所示，啟動尿素噴射系統(tǒng)；通過判斷第一溫度傳感器2、第二溫度傳感器20反饋的溫度值判斷系統(tǒng)是否結(jié)冰，是否需要驅(qū)動解凍單元進(jìn)行解凍；解凍完成或不需要解凍的情況下，通過判斷壓力傳感器反饋的壓力值是否高于設(shè)定的下限值或低于上限值，啟動或停止尿素直流泵7，使第一管路27中的壓力保持在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)，并持續(xù)的控制第一電磁閥11，精確地計量噴射尿素水溶液；當(dāng)控制單元17接收到停止信號后，停止尿素直流泵7，進(jìn)入停機流程，如圖7所示。如圖4所示，本發(fā)明系統(tǒng)中的所述控制單元17由信號處理模塊、功率驅(qū)動模塊、總線驅(qū)動模塊、電源模塊和單片機組成；所述控制單元17通過CAN總線與車輛的發(fā)動機控制單元進(jìn)行通訊，以獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩信號；同時，所述控制單元17與所述尿素供應(yīng)單元和所述解凍單元中的尿素直流泵7、所有電磁閥和所有傳感器連接，所述控制單元17接收所有傳感器的信號，所述控制單元17控制所述尿素直流泵7的運轉(zhuǎn)或停止，所述控制單元17控制所有的電磁閥的開啟或關(guān)閉。所述控制單元17中的信號處理模塊持續(xù)接收來自于第一溫度傳感器2、第二溫度傳感器20、第三溫度傳感器14、液位傳感器I和壓力傳感器19的信號，并將信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后傳送至單片機；所述控制單元17根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)通過功率驅(qū)動模塊進(jìn)行如下控制所述控制單元17控制尿素直流泵7的啟停，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的啟動；如圖
4、圖5和圖6所示，系統(tǒng)啟動過程中，第二電磁閥23關(guān)閉，尿素回流氣控閥21處于開通狀態(tài)；尿素直流泵7運轉(zhuǎn)、系統(tǒng)充滿尿素后停止尿素直流泵7，同時第二電磁閥23打開，尿素回流氣控閥21關(guān)閉。所述控制單元17控制尿素直流泵7的啟停、第一電磁閥11的開啟周期、第二電磁閥23的通斷和尿素回流氣控閥21的開啟或閉合，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的計量噴射。所述控制單元17控制第一電磁閥11的通斷、第二電磁閥23的通斷和尿素回流氣控閥21的開啟或閉合，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的停機及停機過程中的排空；如圖7所示，系統(tǒng)停止過程中，首先將尿素直流泵7關(guān)閉，然后第二電磁閥23和第一電磁閥11先后開啟和關(guān)閉數(shù)次，使系統(tǒng)管道中殘留的尿素沿第二管路徹底回流到尿素罐3內(nèi)。所述控制單元17控制第三電磁閥5的開啟或閉合、電解凍結(jié)構(gòu)中電阻絲的通電和斷電，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的解凍；如圖1-1、圖4和圖5所示，當(dāng)由第一溫度傳感器2測得的尿素罐3內(nèi)和第二溫度傳感器20測得管道內(nèi)溫度低于設(shè)定的下限值時，控制單元17將打開第三電磁閥5，并接通用于加熱管道的電阻絲；當(dāng)由第一溫度傳感器2測得的尿素罐3內(nèi)和第二溫度傳感器20測得管道內(nèi)溫度高于設(shè)定的上限值時，控制單元17關(guān)閉第三電磁閥5，并切斷所述電阻絲的電源?？刂茊卧?7持續(xù)監(jiān)測所述NOx傳感器13測得的NOx排放數(shù)據(jù)，并結(jié)合發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩負(fù)荷信息計算出NOx的排放結(jié)果，當(dāng)該結(jié)果高于發(fā)動機正常情況下的限值時，控制單元17通過報警進(jìn)行提示。所述發(fā)動機正常情況下的限值是指要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《GB17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》中的要求。綜上，本發(fā)明為用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素計量噴射系統(tǒng)，采用空氣輔助的霧化方式，氣體可以來自車上的空氣壓縮泵，也可以來自外加的壓縮空氣泵。在氣體管路和氣液混合器16中間設(shè)計有氣體節(jié)流孔板18以防止氣體流量過大。為了保證尿素直流尿7的壽命，尿素直流泵7采用間歇性工作方式。在尿素供應(yīng)單元中采用皮囊式蓄能器對尿素進(jìn)行積蓄，在尿素直流泵7間歇式工作的情況下，保證系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常噴射。同時蓄能器9還可以穩(wěn)定主管路內(nèi)壓力的波動。另外，本發(fā)明系統(tǒng)中設(shè)計了具有兩級濾清過濾尿素中的雜質(zhì)和生產(chǎn)中生成的顆粒，防止管路、閥體和噴頭出現(xiàn)堵塞；為了防止殘留液體因低溫凍結(jié)、體積膨脹而導(dǎo)致破壞泵體結(jié)構(gòu)，在尿素直流泵7的附近設(shè)置有尿素回流氣控閥21，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)機后氣體壓力消除時可將主管路內(nèi)的液體回流排放至尿素罐3中；還有，在系統(tǒng)關(guān)閉的過程中引入氣體，通過邏輯的控制，實現(xiàn)必要的排空步驟和方法，從而排出系統(tǒng)內(nèi)部殘留的液體。為了防止在寒冷地區(qū)使用時，尿素溶液在尿素箱、管道及尿素直流泵等處發(fā)生凍結(jié)、堵塞，本發(fā)明系統(tǒng)中設(shè)計了由發(fā)動機冷卻水加熱和電加熱混合方式的解凍措施。盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。權(quán)利要求
1.一種用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射系統(tǒng)，包括尿素供應(yīng)單元、噴射單元和控制單元，其特征在于，還包括解凍單元； 所述尿素供應(yīng)單元包括通過第一管路順次與尿素罐(3)連接的尿素直流泵(7)、二級濾清器(8)、第一電磁閥(11)和氣液混合器(16);所述尿素罐(3)中設(shè)有一級濾清器(4)、第一溫度傳感器(2)和液位傳感器(I)；所述尿素直流泵(7)與所述二級濾清器(8)之間的管路設(shè)有一三通，自該三通至所述尿素罐(3)之間的管路為第二管路，所述第二管路與一尿素回流氣控閥(21)的一端連接；所述第一管路上，在位于所述二級濾清器(8)和所述第一電磁閥(11)之間設(shè)有第二溫度傳感器(20)、尿素壓力傳感器(19)和蓄能器(9);所述蓄能器(9)為皮囊式蓄能器，所述蓄能器(9)通過第一單向閥(10)與來自于車載氣源的氣體管路連通； 所述氣體管路上，自車載氣源(26)至所述第一單向閥(10)之間依次設(shè)有氣體濾清器(25)、氣體減壓閥(24)、第二電磁閥(23)和第二單向閥(22)； 所述尿素回流氣控閥(21)的另一端與所述氣體管路連通，該連通節(jié)點是一四通，所述四通還與一氣體節(jié)流孔板(18)、所述第一單向閥(10)和所述第二單向閥(22)連通；所述氣體節(jié)流孔板的另一端連接至所述氣液混合器(16)； 所述噴射單元(15)包括噴頭部件，所述噴頭部件用于將氣液混合物噴到與車輛的SCR催化器(12)上游連通的排氣管路中，所述噴頭部件包括依次連接的噴嘴(31)、管體(32)和管接口(33)，所述管體(32)上套裝有固定螺母(35)，所述固定螺母(35)與所述管體(32)之間設(shè)有固定墊片(34)，所述噴嘴(31)內(nèi)鑲嵌有扇形噴嘴芯(36)，所述噴嘴(31)設(shè)有多個噴射孔(37)，所述噴射孔(37)的軸向與發(fā)動機排氣氣流方向一致；所述管接口(33)與所述氣液混合器(16)連接；所述SCR催化器(12)的下游設(shè)有第三溫度傳感器(14)和NOx傳感器(13)； 所述解凍單元包括冷卻水解凍結(jié)構(gòu)和電解凍結(jié)構(gòu)，其中，所述冷卻水解凍結(jié)構(gòu)是利用車輛發(fā)動機上的冷卻水實現(xiàn)尿素罐(3)的解凍，所述冷卻水解凍結(jié)構(gòu)包括與所述尿素罐(3)連接的水解凍管路(6)，所述水解凍管路(6)上設(shè)有第三電磁閥(5);所述電解凍結(jié)構(gòu)用于系統(tǒng)中第一管路和第二管路的解凍；所述電解凍結(jié)構(gòu)包括電阻絲； 所述控制單元(17)由信號處理模塊、功率驅(qū)動模塊、總線驅(qū)動模塊、電源模塊和單片機組成；所述控制單元(17)通過CAN總線與車輛的發(fā)動機控制單元進(jìn)行通訊，以獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩信號；同時，所述控制單元(17)與所述尿素供應(yīng)單元和所述解凍單元中的尿素直流泵(7)、所有電磁閥和所有傳感器連接，所述控制單元(17)接收所有傳感器的信號，所述控制單元(17 )控制所述尿素直流泵(7 )的運轉(zhuǎn)或停止，所述控制單元(17 )控制所有的電磁閥的開啟或關(guān)閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射系統(tǒng)，其特征在于，所述尿素回流氣體控制閥(21)采用膜片式控制閥，其中，膜片的一側(cè)為氣體，膜片的另一側(cè)為液體，由膜片的位移控制第二管路的開啟與關(guān)閉。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射系統(tǒng)，其特征在于，所述尿素直流泵(7)用于將尿素從尿素罐(3)中抽出，并為第一管路中的液體提供液體壓力。
4.一種用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射控制方法，其特征在于，如權(quán)利要求I所述用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射系統(tǒng)的控制方法，包括所述控制單元(17)中的信號處理模塊持續(xù)接收來自于第一溫度傳感器(2)、第二溫度傳感器(20)、第三溫度傳感器(14)、液位傳感器(I)和壓力傳感器(19)的信號，并將信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后傳送至單片機； 所述控制單元(17)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，通過功率驅(qū)動模塊進(jìn)行如下控制 控制尿素直流泵(7)的啟停，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的啟動； 控制尿素直流泵(7)的啟停、第一電磁閥(11)的通斷、第二電磁閥(23)的開啟周期和尿素回流氣控閥(21)的開啟或閉合，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的計量噴射； 控制第一電磁閥(11)的通斷、第二電磁閥(23)的通斷和尿素回流氣控閥(21)的開啟或閉合，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的停機及停機過程中的排空； 控制第三電磁閥(5)的開啟或閉合、電解凍結(jié)構(gòu)中電阻絲的通電和斷電，用以實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的解凍； 控制單元(17)持續(xù)監(jiān)測根據(jù)所述NOx傳感器(13)測得的NOx排放數(shù)據(jù)，并結(jié)合發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩負(fù)荷信息計算出NOx的排放結(jié)果，當(dāng)該結(jié)果高于發(fā)動機正常情況下的限值時，控制單元(17 )通過報警進(jìn)行提示。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射控制方法，其特征在于，所述尿素直流泵(7 )采用間歇性工作方式，由所述控制單元(17 )根據(jù)壓力傳感器(19 )所測得壓力控制所述尿素直流泵(7)啟停。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射控制方法，其特征在于，所述發(fā)動機正常情況下的限值是指要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《GB17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》中的要求。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射控制方法，其特征在于，系統(tǒng)啟動過程中，第二電磁閥(23)關(guān)閉，尿素回流氣控閥(21)處于開通狀態(tài)；尿素直流泵(7)運轉(zhuǎn)、系統(tǒng)充滿尿素后停止尿素直流泵(7)，同時第二電磁閥(23)打開，尿素回流氣控閥(21)關(guān)閉。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射控制方法，其特征在于，系統(tǒng)停止過程中，首先將尿素直流泵(7)關(guān)閉，然后第二電磁閥(23)和第一電磁閥(11)先后開啟和關(guān)閉數(shù)次，使系統(tǒng)管道中殘留的尿素沿第二管路徹底回流到尿素罐(3)內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射控制方法，其特征在于，當(dāng)電源電壓高于第二電磁閥(11)的額定電壓時，使用脈寬調(diào)制的方式對輸入第二電磁閥(11)的電壓進(jìn)行控制，使其與需求的額定電壓相符，以保護(hù)第二電磁閥(11)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射控制方法，其特征在于，當(dāng)由第一溫度傳感器(2)測得的尿素罐(3)內(nèi)和第二溫度傳感器(20)測得管道內(nèi)溫度低于設(shè)定的下限值時，控制單元(17)將打開第三電磁閥(5)，并接通用于加熱管道的電阻絲；當(dāng)由第一溫度傳感器(2)測得的尿素罐(3)內(nèi)和第二溫度傳感器(20)測得管道內(nèi)溫度高于設(shè)定的上限值時，控制單元(17)關(guān)閉第三電磁閥(5)，并切斷所述電阻絲的電源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于降低發(fā)動機NOx排放的尿素噴射系統(tǒng)，主要包括尿素供應(yīng)單元、噴射單元、解凍單元和控制單元；尿素供應(yīng)單元包括通過第一管路順次與尿素罐連接的尿素直流泵、二級濾清器、第一電磁閥和氣液混合器；噴射單元中的噴頭部件用于將氣液混合物噴射到與SCR催化器上游連通的排氣管路中；本發(fā)明系統(tǒng)將尿素從尿素罐中吸出并形成一定壓力，根據(jù)發(fā)動機運行工況自動調(diào)整尿素的噴射量，并在高壓空氣將其霧化后，通過噴頭噴射到發(fā)動機排氣管中，使之在SCR催化劑上與發(fā)動機中排出的NOx發(fā)生反應(yīng)，從而起到降低NOx排放的目的；控制單元與發(fā)動機控制器通訊，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的正常工作，并監(jiān)測系統(tǒng)和部件的工作狀況。
文檔編號F01N9/00GK102748101SQ20121023763
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者吳建梁, 楊國焱, 王蒸, 董建, 趙中煜, 龍順洪 申請人:天津億利汽車環(huán)?？萍加邢薰? 龍順洪