一種柴油機尿素溶液添加裝置與方法

2023-05-10 13:58:51 3

專利名稱：一種柴油機尿素溶液添加裝置與方法
技術領域：
本發明屬於發動機排氣處理的附屬裝置，進一步涉及一種柴油機尿素溶液添加的 裝置與方法。
背景技術：
柴油機以較高的熱效率和較低的廢氣排放在世界各地的各行各業得到了廣泛的 應用，但其較高的氮氧化物排放一直是困擾人們的一個問題。選擇催化還原技術(SCR)是 控制柴油機氮氧化物的有效方法。實現精確、快速響應、具有較高可靠性、一致性和霧化效 果的低成本尿素溶液供給裝置，是影響柴油機SCR普及的一個關鍵因素。目前常用的尿素溶液供給裝置分為兩種，一種壓縮空氣輔助噴射形式，另一種是 無壓縮空氣輔助形式。壓縮空氣輔助形式是利用壓縮空氣將尿素計量裝置供給的尿素溶液 霧化後帶入到柴油機排氣中。由於尿素溶液已經提前霧化，因此在排氣中霧化效果好。無 壓縮空氣輔助形式是直接將一定壓力的尿素溶液通過噴嘴噴射進入排氣中，其形式結構簡 單，但由於離柴油機排氣管距離很近，因此對尿素噴射裝置的熱可靠性的要求很高，一般需 要利用尿素溶液或者柴油機冷卻液對噴嘴進行冷卻；此外在柴油機排氣溫度較低時，無壓 縮空氣輔助形式尿素溶液在排氣中的霧化效果有限，容易在排氣管壁或催化劑端面形成尿 素結晶。現階段柴油機尿素溶液添加裝置存在主要以下問題(1)無論壓縮空氣輔助形式或無壓縮空氣輔助形式，常規尿素供給系統都需要尿 素液泵。由於需要考慮尿素的腐蝕性和柴油機或柴油車實際運行中的振動、高低溫等使用 條件，對尿素液泵的可靠性和成本要求較高。(2)尿素供給系統結構複雜，成本高昂，需要消耗部分柴油機電能。(3)在嚴寒環境中，柴油機SCR系統在停機時尿素溶液會結晶，因此需要加熱裝置 對尿素供給系統進行加熱。尿素溶液流經的距離越長、零部件結構越複雜，加熱裝置也就越 複雜。常規尿素供給系統中的尿素液泵是尿素供給系統中熱能量最難傳導的部件，此外尿 素的凍結和結晶會直接影響泵的壽命和性能。(4)為了實現穩定的尿素溶液噴射壓力，需要使用壓力調節器，壓力調節器的使用 增加結構複雜性，此外還需附加了回流管以及回流管和壓力調節器相關的加熱裝置。

發明內容
本發明的目的在於提供一種不需要尿素液泵，且能耗低、結構形式簡單、裝置成本 低廉的尿素溶液添加裝置及方法。一種柴油機尿素溶液添加裝置，該添加裝置包括尿素箱8;與尿素箱8相連的N個壓力腔9，N為大於或等於1的整數，當N大於或等於2時， N個壓力腔之間為並聯連接方式；
每個壓力腔9與尿素箱8之間通過單獨的開關閥10實現控制，且尿素箱8內尿素溶液最低液面高於或等於每個壓力腔9的最高液面；位於壓力腔9頂部的空氣導入導出管，其高度高於尿素箱8工作狀態下的最高液 面；位於空氣導入導出管頂部的三通閥7，三通閥7的另外兩端一端與外部空氣相連， 另一端與第一高壓氣源相連；位於壓力腔9底部的尿素溶液導出管，尿素溶液導出管的另一端依次串接尿素溶 液流量控制裝置和尿素溶液噴嘴12 ；控制單元，與三通閥7、開關閥10和尿素溶液流量控制裝置相連。上述第一高壓氣源包括壓縮空氣罐3 ；與壓縮空氣罐3輸入端相連的打氣泵2 ； 與壓縮空氣罐3輸出端相連的穩壓室5 ；位於壓縮空氣罐3和穩壓室5之間的減壓閥4 ；與 穩壓室5輸出端相連的壓力調節器6 ；壓力調節器6的輸出端形成第一高壓氣源。為了加強霧化效果，該裝置的優化方案還包括位於尿素溶液流量控制裝置與尿 素溶液噴嘴12之間的霧化器，霧化器有兩個輸入端，一端與流量控制裝置的液體輸出端相 連，另一端與第二高壓氣源相連。作為一種優選，系統所需壓縮空氣可取自柴油機壓縮空氣罐，目前重型柴油機大 部分帶有打氣泵，根據需要可以加裝打氣泵或改裝原配的打氣泵。作為另一種優選，系統所需壓縮空氣可取電動打氣泵，由於尿素供給系統需要的 輔助空氣壓力較低，可以採用電打氣泵提供壓縮空氣。壓力腔的體積可以設置成一個較長時間尿素溶液消耗量的體積，從而實現尿素溶 液的連續噴射；或設置成多個壓力腔並聯的形式，通過閥的控制實現尿素溶液的連續噴射。上述減壓閥4、壓力調節器6、穩壓室5、尿素溶液流量控制裝置、霧化器、開關閥10 和三通閥7集成一個模塊，安裝在尿素箱8的內部或外部。上述用於控制尿素溶液加注的開關閥10可以使用電動閥；也可以使用自動式機 械閥，通過壓力腔中尿素液位或者壓力腔中的壓力進行自動開關。一種柴油機尿素溶液添加方法，實現過程如下根據每個壓力腔9中尿素溶液量判斷是否向壓力腔9中加注尿素溶液；當需要加注尿素溶液時，在控制單元的控制下，打開與該壓力腔相連的開關閥10， 控制三通閥7，關斷空氣導入導出管與高壓氣源的連通，同時打開空氣導入導出管與外部空 氣的連通；此時，尿素溶液在自身重力的作用下從尿素箱8流入到壓力腔9中，同時，使壓力 腔9中的空氣通過三通閥7排到空氣中；當壓力腔9中的尿素溶液達到預設容量時，在控制 單元的控制下，關閉開關閥10，關斷三通閥7與外部空氣的連通；然後連通空氣導入導出管 與第一高壓氣源，壓力腔9中的空氣進行壓縮，直至其壓力達到預設的噴射壓力，使該壓力 腔9達到待噴射狀態；當控制單元對某個壓力腔發出噴射指令後，尿素溶液通過尿素溶液流量控制裝 置、尿素溶液噴嘴噴射進入排氣流中；尿素在排氣熱量作用下生成氨氣，氨氣在催化器的作 用下催化還原排氣中的氮氧化物，實現柴油機尾氣中氮氧化物汙染控制。作為一種改進，在尿素溶液流量控制裝置與尿素溶液噴嘴12之間串聯一個霧化器，霧化器有兩個輸入端，一端與壓力腔9相連，另一端與第二高壓氣源相連。上述第一高壓氣源和第二高壓氣源壓力的一種形成過程如下首先由打氣泵2向 壓縮空氣罐3內輸送空氣；壓縮空氣經過空氣罐3後，依次通過減壓閥4、穩壓室5和壓力 調節器6 ；經過壓力調節器6後分為兩股，一股進入壓力腔9，形成第一高壓氣源，另一股進 入霧化器，形成第二高壓氣源。上述第一高壓氣源和第二高壓氣源壓力的另一種形成過程如下首先由打氣泵2 向壓縮空氣罐3內輸送空氣；壓縮空氣經過空氣罐3後，分為兩股，一股依次通過減壓閥4、 穩壓室5和壓力調節器6，然後輸出形成第一高壓氣源；另外一股形成第二高壓氣源，然後 輸入霧化器。這種方案有效地防止了柴油機排氣壓力波動對尿素噴射壓力的影響。本發明柴油機尿素溶液添加方法與裝置相對於現有技術，具有如下優點(一)不需要尿素液泵。不需要複雜的尿素供給系統加熱裝置，具有較好的可控性 和可靠性。(二)不需要常規的尿素噴射壓力調節器和尿素溶液回流管，精簡了結構，提高了系統的可靠性和經濟性。(三)尿素溶液噴射和霧化的動力都來源於柴油機打氣泵，減少了尿素噴射消耗 的柴油機能量，提高了柴油機的經濟性；與此同時，氣動噴射和霧化降低了尿素供給裝置對 柴油機用電的功率需求，具有較高的方案可行性和冗餘度。(四)採用壓縮空氣輔助噴射形式的尿素溶液霧化效果好，提高了柴油機SCR系統 的低溫性能，防止在低溫工況時尿素結晶析出造成的排氣堵塞。(五)本發明柴油機尿素溶液添加的方法與裝置，系統結構簡單，可維護性好，造 價成本低。


圖1是柴油機SCR系統尿素溶液添加裝置外置式方案簡圖；圖中，1為柴油機，2為 打氣泵，3為壓縮空氣罐，4為減壓閥，5為穩壓室，6為壓力調節器，7為三通閥，8為尿素箱， 9為壓力腔，10為開關閥，11為尿素溶液流量控制裝置與霧化器一體化裝置，12為尿素溶液 噴嘴，13為SCR催化器。圖2是柴油機SCR系統尿素溶液添加裝置內置式方案簡圖，圖中，1為柴油機，2為 打氣泵，3為壓縮空氣罐，4為減壓閥，5為穩壓室，6為壓力調節器，7為三通閥，8為尿素箱， 9為壓力腔，10為開關閥，11為尿素溶液流量控制裝置與霧化器一體化裝置，12為尿素溶液 噴嘴，13為SCR催化器。圖3是尿素溶液流量控制裝置與霧化器一體化裝置的剖面圖，圖中，21為尿素溶 液入口，22為計量閥，23為輔助霧化空氣入口，24為霧化後氣液混合物排出口 ；該裝置實現 尿素溶液流量的精確控制並在輔助霧化空氣的作用下，將尿素溶液霧化並帶入到排氣中。圖4是實施例1中尿素溶液噴射流量控制圖，圖中尿素噴射流量控制的線性度和 環境適應性。圖5是實施例1中柴油機ETC工況中原機與尿素溶液噴射時氮氧化物排放曲線 圖。
具體實施例方式第一高壓氣源和第二高壓氣源的形成過程方法一首先由打氣泵2向壓縮空氣罐3內輸送空氣；壓縮空氣經過空氣罐3後， 依次通過減壓閥4、穩壓室5和壓力調節器6 ；經過壓力調節器6後分為兩股，一股進入壓力 腔9，形成第一高壓氣源，另一股進入霧化器，形成第二高壓氣源。方法二 首先由打氣泵2向壓縮空氣罐3內輸送空氣；壓縮空氣經過空氣罐3後， 分為兩般，一股依次通過減壓閥4、穩壓室5和壓力調節器6，然後輸出形成第一高壓氣源； 另外一股形成第二高壓氣源，然後輸入霧化器。這種方案有效地防止了柴油機排氣壓力波 動對尿素噴射壓力的影響。尿素溶液加注與蓄壓系統在正常工作狀態時，壓力腔有尿素溶液，在穩壓室的壓縮空氣作用下具有了噴射 壓力。當某個壓力腔中的尿素溶液消耗到一定程度時，控制單元判定尿素溶液加注開始， 此時在控制單元的控制下，打開與該壓力腔相連的開關閥10，控制三通閥7，關斷空氣導入 導出管與高壓氣源的連通，同時打開空氣導入導出管與外部空氣的連通；然後，尿素溶液在 自身重力的作用下從尿素箱8流入到壓力腔9中，同時，使壓力腔9中的空氣通過三通閥7 排到空氣中；當壓力腔9中的尿素溶液達到預設容量時，在控制單元的控制下，關閉開關閥 10，關斷三通閥7與外部空氣的連通；然後連通空氣導入導出管與第一高壓氣源，壓力腔9 中的空氣進行壓縮，直至其壓力達到預設的噴射壓力，使該壓力腔9達到待噴射狀態；打開開關閥和三通閥，尿素溶液在重力的作用下流入到壓力腔中，當壓力腔中的 尿素溶液充滿時，控制系統判斷尿素溶液加注完畢，此時關閉開關閥和三通閥，進入正常工 作狀態。尿素溶液噴射計量與霧化系統當達到穩定噴射壓力的尿素溶液流入到尿素噴射計量與霧化器中時，在控制單元 的控制下，向尿素溶液噴嘴輸入精確流量的尿素溶液和穩定的輔助壓縮空氣，在噴嘴的作 用下，向柴油機排氣中噴射尿素汽霧。選擇催化還原催化器尿素汽霧在排氣熱量的作用下，生成氨氣，氨氣與排氣中均勻混合，在催化器的作 用下，選擇催化還原排氣中的氮氧化物汙染物。控制單元本發明結構簡單，按照控制參數設計常規的控制單元即可。實施例1 對照圖1-5，尿素溶液流量控制裝置與霧化器採取按照圖3的一體化設計方案。在一臺排量為9. 73L額定功率為276kW某重型高壓共軌增壓柴油機上進行了國家 排放法規規定的標準測試工況試驗，其中SCR催化器體積為20L，柴油機原機氮氧化物排放 測試結果ESC，即歐洲穩態測試循環或稱十三工況法，為8. 59g/kff. h ；ETC,即歐洲瞬態測試 循環，為 9. 67g/kff. h ；使用尿素溶液添加裝置向排氣中噴射尿素溶液後，柴油機氮氧化物排放測試結果 ESC 為 1. 81g/kff. h ；ETC 為 1. 66g/kff. h ；氨氣洩漏峰值低於8ppm。圖5是柴油機ETC工況中原機與尿素溶液噴射時氮氧化物排放曲線圖，從氮氧化物濃度的變化規律看，本發明的精度和響應特性完全滿足了柴油機SCR的系統需求.
權利要求
一種柴油機尿素溶液添加裝置，其特徵在於，該添加裝置包括尿素箱(8)；與尿素箱(8)相連的N個壓力腔(9)，N為大於或等於1的整數，當N大於或等於2時，N個壓力腔之間為並聯連接方式；每個壓力腔(9)與尿素箱(8)之間通過單獨的開關閥(10)實現控制，且尿素箱(8)內尿素溶液最低液面高於或等於每個壓力腔(9)的最高液面；位於壓力腔(9)頂部的空氣導入導出管，其高度高於尿素箱(8)工作狀態下的最高液面；位於空氣導入導出管頂部的三通閥(7)，三通閥(7)的另外兩端一端與外部空氣相連，另一端與第一高壓氣源相連；位於壓力腔(9)底部的尿素溶液導出管，尿素溶液導出管的另一端依次串接尿素溶液流量控制裝置和尿素溶液噴嘴(12)；控制單元，與三通閥(7)、開關閥(10)和尿素溶液流量控制裝置相連。
2.根據權利要求1所述一種柴油機尿素溶液添加裝置，其特徵在於，還包括位於尿素 溶液流量控制裝置與尿素溶液噴嘴(12)之間的霧化器，霧化器有兩個輸入端，一端與流量 控制裝置的液體輸出端相連，另一端與第二高壓氣源相連。
3.根據權利要求1所述一種柴油機尿素溶液添加裝置，其特徵在於，所述第一高壓氣 源包括壓縮空氣罐⑶；與壓縮空氣罐(3)輸入端相連的打氣泵(2)； 與壓縮空氣罐(3)輸出端相連的穩壓室(5)； 位於壓縮空氣罐(3)和穩壓室(5)之間的減壓閥(4)； 與穩壓室(5)輸出端相連的壓力調節器(6)； 壓力調節器(6)的輸出端形成第一高壓氣源。
4.根據權利要求2所述一種柴油機尿素溶液添加裝置，其特徵在於，所述第一高壓氣 源和第二高壓氣源包括壓縮空氣罐⑶；與壓縮空氣罐(3)輸入端相連的打氣泵(2)； 與壓縮空氣罐(3)輸出端相連的穩壓室(5)； 位於壓縮空氣罐(3)和穩壓室(5)之間的減壓閥(4)；與穩壓室(5)輸出端相連的壓力調節器(6)；壓力調節器(6)有兩個輸出端，一端與 三通閥(7)相連，形成第一高壓氣源；另一端與霧化器的一個輸入端相連，形成第二高壓氣 源。
5.根據權利要求2所述一種柴油機尿素溶液添加裝置，其特徵在於，所述第一高壓氣 源和第二高壓氣源包括壓縮空氣罐⑶；與壓縮空氣罐(3)輸入端相連的打氣泵(2)；壓縮空氣罐(3)有兩個輸出端，一個輸出端與穩壓室(5)相連，另外一個輸出端與霧化 器的一個輸入端相連，形成第二高壓氣源；位於壓縮空氣罐(3)和穩壓室(5)之間的減壓閥(4)；與穩壓室(5)輸出端相連的壓力調節器(6)；壓力調節器(6)的輸出端與三通閥(7)相 連，形成第一高壓氣源。
6.根據權利要求1至5任何一項所述一種柴油機尿素溶液添加裝置，其特徵在於，所述 打氣泵可以來自以下任何一種柴油機配備的打氣泵、改裝的打氣泵、加裝的打氣泵或者加 裝的電動打氣泵。
7.根據權利要求4或5所述一種柴油機尿素溶液添加裝置，其特徵在於，所述減壓閥 (4)、壓力調節器(6)、穩壓室(5)、尿素溶液流量控制裝置、霧化器、開關閥(10)和三通閥 (7)集成一個模塊，安裝在尿素箱(8)的內部或外部。
8.應用權利要求1所述一種柴油機尿素溶液添加裝置的一種柴油機尿素溶液添加方 法，其特徵在於，包括如下步驟根據每個壓力腔(9)中尿素溶液量判斷是否向壓力腔(9)中加注尿素溶液；當需要加注尿素溶液時，在控制單元的控制下，打開與該壓力腔相連的開關閥(10)，控 制三通閥(7)，關斷空氣導入導出管與高壓氣源的連通，同時打開空氣導入導出管與外部空 氣的連通；此時，尿素溶液在自身重力的作用下從尿素箱(8)流入到壓力腔(9)中，同時，使壓力 腔(9)中的空氣通過三通閥(7)排到空氣中；當壓力腔(9)中的尿素溶液達到預設容量時， 在控制單元的控制下，關閉開關閥(10)，關斷三通閥(7)與外部空氣的連通；然後連通空氣 導入導出管與第一高壓氣源，壓力腔(9)中的空氣進行壓縮，直至其壓力達到預設的噴射 壓力，使該壓力腔(9)達到待噴射狀態；當控制單元對某個壓力腔(9)發出噴射指令後，尿素溶液通過尿素溶液流量控制裝 置、尿素溶液噴嘴(12)噴射進入排氣流中；尿素在排氣熱量作用下生成氨氣，氨氣在催化 器的作用下催化還原排氣中的氮氧化物，實現柴油機尾氣中氮氧化物汙染控制。
9.應用權利要求4所述一種柴油機尿素溶液添加裝置的一種柴油機尿素溶液添加方 法，其特徵在於，包括如下步驟根據每個壓力腔(9)中尿素溶液量判斷是否向該壓力腔(9)中加注尿素溶液；當需要加注尿素溶液時，在控制單元的控制下，打開與該壓力腔相連的開關閥(10)，控 制三通閥(7)，關斷空氣導入導出管與第一高壓氣源的連通，同時打開空氣導入導出管與外 部空氣的連通；此時，尿素溶液在自身重力的作用下從尿素箱(8)流入到該壓力腔(9)中，同時，使壓 力腔(9)中的空氣通過三通閥(7)排到空氣中；當壓力腔(9)中的尿素溶液達到預設容量 時，在控制單元的控制下，關閉開關閥(10)，關斷三通閥(7)與外部空氣的連通；然後連通 空氣導入導出管與第一高壓氣源，壓力腔(9)中的空氣進行壓縮，直至其壓力達到預設的 噴射壓力，使該壓力腔達到待噴射狀態；在尿素噴射狀態時，尿素溶液流量控制裝置將噴射壓力下的尿素溶液進行流量控制， 尿素溶液和第二高壓氣源輸出的空氣通過霧化器的作用形成穩定的尿素溶液和壓縮空氣 的氣液兩相霧，在尿素溶液噴嘴(12)的作用下，噴射進入排氣流中；尿素在排氣熱量作用 下生成氨氣，氨氣在催化器的作用下催化還原排氣中的氮氧化物，實現柴油機尾氣中氮氧 化物汙染控制；所述第一高壓氣源和第二高壓氣源的壓力通過以下方法實現首先由打氣泵(2)向壓 縮空氣罐(3)內輸送空氣；壓縮空氣經過空氣罐(3)後，依次通過減壓閥(4)、穩壓室(5) 和壓力調節器(6)；經過壓力調節器(6)後分為兩股，一股進入壓力腔(9)，形成第一高壓氣 源，另一股進入霧化器，形成第二高壓氣源。
10.應用權利要求5所述一種柴油機尿素溶液添加裝置的一種柴油機尿素溶液添加方 法，其特徵在於，包括如下步驟根據每個壓力腔(9)中尿素溶液量判斷是否向該壓力腔(9)中加注尿素溶液； 當需要加注尿素溶液時，在控制單元的控制下，打開與該壓力腔相連的開關閥(10)，控 制三通閥(7)，關斷空氣導入導出管與第一高壓氣源的連通，同時打開空氣導入導出管與外 部空氣的連通；此時，尿素溶液在自身重力的作用下從尿素箱(8)流入到該壓力腔(9)中，同時，使壓 力腔(9)中的空氣通過三通閥(7)排到空氣中；當壓力腔(9)中的尿素溶液達到預設容量 時，在控制單元的控制下，關閉開關閥(10)，關斷三通閥(7)與外部空氣的連通；然後連通 空氣導入導出管與第一高壓氣源，壓力腔(9)中的空氣進行壓縮，直至其壓力達到預設的 噴射壓力，使該壓力腔達到待噴射狀態；在尿素噴射狀態時，尿素溶液流量控制裝置將噴射壓力下的尿素溶液進行流量控制， 尿素溶液和第二高壓氣源輸出地空氣通過霧化器的作用形成穩定的尿素溶液和壓縮空氣 的氣液兩相霧，在尿素溶液噴嘴(12)的作用下，噴射進入排氣流中；尿素在排氣熱量作用 下生成氨氣，氨氣在催化器的作用下催化還原排氣中的氮氧化物，實現柴油機尾氣中氮氧 化物汙染控制；所述第一高壓氣源和第二高壓氣源的壓力通過以下方法實現首先由打氣泵(2)向 壓縮空氣罐(3)內輸送空氣；壓縮空氣經過空氣罐(3)後，分為兩股，一股依次通過減壓閥 (4)、穩壓室(5)和壓力調節器(6)，然後輸出形成第一高壓氣源；另外一股形成第二高壓氣 源，然後輸入霧化器。
全文摘要
本發明涉及一種柴油機尿素溶液添加裝置與方法，屬於發動機排氣處理技術領域。該裝置包括尿素箱，與尿素箱相連的N個壓力腔；開關閥實現控制；位於壓力腔頂部的空氣導入導出管；位於空氣導入導出管頂部的三通閥；位於壓力腔底部的尿素溶液導出管，導出管的另一端依次串接尿素溶液流量控制裝置和尿素溶液噴嘴；控制單元，與三通閥、開關閥和尿素溶液流量控制裝置相連。本發明提供一種能源消耗低、結構形式簡單、裝置成本低廉、運行可靠、霧化效果優良的無泵的尿素溶液添加裝置、系統及方法。
文檔編號F01N3/32GK101798946SQ201010112068
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月23日 優先權日2010年2月23日
發明者劉宏威, 卜建國, 姚廣濤, 姜大海, 龐海龍, 張春潤, 徐正飛, 資新運, 鄧成林 申請人:中國人民解放軍軍事交通學院