一種用於柴油機尾氣處理的電控噴嘴式氨氣噴射系統的製作方法
2023-12-09 10:45:46 3
本實用新型屬於車用柴油機排氣後處理系統，液氨作為柴油機氮氧化物(NOx)的還原劑，特別涉及一種用於柴油機尾氣處理的電控噴嘴式氨氣噴射系統。
背景技術：
隨著商用車國Ⅳ排放法規的實施，整車必須加裝氮氧化物(NOx)排放後處理裝置。
中國中重型柴油機普遍採用選擇性催化還原(SCR)技術路線，即將標準車用尿素水溶液噴射到排氣中，使用其分解產生的氨氣(NH3)對NOx進行選擇性催化還原，生成無害的氮氣(N2)和水(H2O)。
尿素液作為還原劑有明顯的缺點：冬季結冰，需要半個小時以上的加熱解凍才能夠正常工作；低溫性能差，需要較高的排氣溫度才能充分轉化為NH3，在排氣溫度較低的城市工況下運行時，需要在排氣管外加保溫材料，催化器前加裝燃燒器以提高溫度，保證尿素充分轉化，否則極易生成大量結晶，導致排氣管路堵塞，影響車輛運行；尿素生產過程高能耗高汙染，配比車用尿素水溶液需要純水，純水生產過程需要耗費3倍普通水。
技術實現要素：
本實用新型的目的是提供一種用於車用柴油機尾氣處理的電控噴嘴式氨氣噴射系統，其克服了現有技術存在的以上缺點，冬季不結冰，經過簡單加熱甚至不加熱即可工作，效率更高；噴出後直接反應，不需要水解，對排氣溫度不敏感；氨氣是生產尿素的原材料，噴射不需要水，能夠顯著節省能源與資源。
本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的：
本實用新型提供一種用於柴油機尾氣處理的電控噴嘴式氨氣噴射系統，包括液氨罐、液位溫度傳感器、電加熱棒、氨氣減壓器、穩壓罐、壓力溫度傳感器、電控氨氣噴嘴及控制器；所述液氨罐固定在整車車架上，液氨罐內儲存液氨，液位溫度傳感器和電加熱棒集成在液氨罐內，液氨罐通過管路連接氨氣減壓器，氨氣減壓器通過管路連接穩壓罐，穩壓罐固定在整車車架上，壓力溫度傳感器集成在穩壓罐上，穩壓罐通過管路連接電控氨氣噴嘴，氨氣噴嘴安裝在車輛發動機排氣管上，控制器分別與液位溫度傳感器、電加熱棒、壓力溫度傳感器及電控氨氣噴嘴電連接。噴射壓力由液氨的飽和蒸汽壓提供，氨氣經氨氣減壓器、穩壓罐、氨氣管路後到達電控氨氣噴嘴，壓力溫度傳感器集成在穩壓罐上，控制器結合噴射壓力和發動機工況等控制噴嘴噴射。
進一步地，所述液氨罐外設有隔熱層。
進一步地，所述液氨罐設有5％～15％的剩餘容積V1；所述氨氣減壓器減壓比k範圍為1:5～1:3，氨氣減壓器減壓後氨氣壓力為1～4bar；所述穩壓罐體積V2、液氨罐剩餘容積V1、氨氣減壓器減壓比k、液氨每秒噴射體積V3間存在如下的關係：
(V2/k+V1)/V3≤1％
進一步地，所述電控氨氣噴嘴採用發動機冷卻水冷卻或散熱翅片風冷。
本實用新型同時提供一種用於柴油機尾氣處理的電控噴嘴式氨氣噴射系統的控制方法，包括以下過程：控制器通過液位溫度傳感器實時監控液氨罐內部溫度，當液氨罐內部溫度低於預設的維持溫度時，控制器控制電加熱棒加熱液氨罐內液氨，使之溫度升高達到維持溫度，液氨罐內部溫度升高導致壓力增加，加壓後的氣態氨氣通過氨氣減壓器減壓後輸送到穩壓罐中，控制器根據穩壓罐上的壓力溫度傳感器反饋信息並且結合發動機運行狀況向電控氨氣噴嘴發出噴射脈寬及噴射頻率信號，將氨氣噴射到排氣管中進行反應。
進一步地，所述電控氨氣噴嘴噴射採取定頻率，控制單次噴射時間佔空比的控制方式；控制器內寫入噴射壓力和噴射溫度補償係數，根據液氨罐內氨氣的溫度、壓力數值，結合當前發動機工況計算所需的氨氣噴射量，控制電控氨氣噴嘴開啟一定的時長來滿足排放需求。
進一步地，所述電控氨氣噴嘴的噴射頻率控制依據液氨罐內液位和壓力柔性調節；所述電控氨氣噴嘴的噴射頻率依據發動機工況柔性可調。
附圖說明
圖1是本實用新型的示意圖。
圖2是本實用新型的控制策略。
圖中：
1-液氨罐 2-液位溫度傳感器 3-電加熱棒 4-氨氣減壓器 5-穩定罐 6-壓力溫度傳感器 7-電控氨氣噴嘴 8-控制器
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本實用新型的具體實施方案：
如圖1所示，一種用於柴油機尾氣處理的電控噴嘴式氨氣噴射系統，包括液氨罐1，液位溫度傳感器2，電加熱棒3，氨氣減壓器4，穩壓罐5，壓力溫度傳感器6，電控氨氣噴嘴7，控制器(ECU)8。其中，液氨罐1固定在整車車架上，液氨罐1內儲存液氨且液氨罐1內集成液位溫度傳感器2和電加熱棒3，液氨罐1通過管路連接氨氣減壓器4，氨氣減壓器4通過管路連接穩壓罐5，穩壓罐5固定在整車車架上，穩壓罐5上集成壓力溫度傳感器6，穩壓罐5通過管路連接電控氨氣噴嘴7，氨氣噴嘴7安裝在車輛發動機排氣管上，控制器8分別與液位溫度傳感器2、電加熱棒3、壓力溫度傳感器6及電控氨氣噴嘴7電連接。噴射壓力由液氨的飽和蒸汽壓提供，氨氣經氨氣減壓器、穩壓罐、氨氣管路後到達電控氨氣噴嘴，壓力溫度傳感器集成在穩壓罐上，ECU結合噴射壓力和發動機工況等控制噴嘴噴射。
當氨氣噴射系統工作時，電加熱棒3對液氨罐1中的液氨進行加熱，液氨遇熱汽化，液氨罐1中液氨的飽和蒸汽壓產生壓力，因此液氨罐1具有儲存氨氣和提供氨氣噴射壓力的功能。液氨罐1外設計隔熱層，避免冬季罐內溫度過低無法建立噴射壓力，也避免夏季罐內溫度過高造成罐內壓力過高形成危險。
液氨罐1設計5％～15％的剩餘容積V1，以保證提供足量的汽化狀態氨氣，液位溫度傳感器2用於監控及反饋液氨罐1內液氨氣的體積及溫度。
液氨罐1供給的氨氣經過連接管路輸送到氨氣減壓器4進行減壓，減壓比k設計為1:5到1:3，氨氣減壓器4減壓後氨氣壓力為1～4bar，避免管路內壓力過高造成危險，並且較低的噴射壓力同時能夠顯著提升噴嘴可靠性。
穩壓罐5為一個具有一定容積的容器，穩壓罐5上集成壓力溫度傳感器6；汽化的氨氣經過氨氣減壓器4調壓後，通過管路進入穩壓罐5，穩壓罐5上的壓力溫度傳感器6測量氨氣溫度及壓力情況。
電控氨氣噴嘴7的氨氣噴射壓力波動應小於3％，為實現這一目標，穩壓罐5體積V2、液氨罐1剩餘容積V1、減壓比k、液氨每秒噴射體積V3間存在如下的關係：
(V2/k+V1)/V3≤1％；
如圖2所示，一種用於柴油機尾氣處理的電控噴嘴式氨氣噴射系統的控制方法，包括以下過程：控制器通過液位溫度傳感器實時監控液氨罐內部溫度，當液氨罐內部溫度低於預設的維持溫度時，控制器控制電加熱棒加熱液氨罐內液氨，使之溫度升高達到維持溫度，液氨罐內部溫度升高導致壓力增加，加壓後的氣態氨氣通過氨氣減壓器減壓後輸送到穩壓罐中，控制器根據穩壓罐上的壓力溫度傳感器反饋信息並且結合發動機運行狀況向電控氨氣噴嘴發出噴射脈寬及噴射頻率信號，將氨氣噴射到排氣管中進行反應。
液氨罐1內溫度由控制器8控制電加熱棒3維持在10℃～30℃間，以提供適宜的飽和蒸汽壓，不同排量發動機氨氣噴射量不同，需要的飽和蒸汽壓即溫度也不同，控制器8控制不同的維持溫度，以節約能源，提高響應。發動機冷啟動時，若液氨罐1內溫度處於0～10℃，仍可控制噴射，此時噴射壓力較低，在控制器8寫入噴射壓力補償係數，以保證噴射量基本準確；若液氨罐1內溫度低於0℃，首先將液氨加熱至10℃以上，保證足夠噴射壓力後，才進行噴射。
電控氨氣噴嘴7直接安裝在發動機排氣管上，由發動機冷卻水冷卻或散熱翅片風冷；噴射採取定頻率，控制單次噴射時間佔空比的控制方式；控制器8內寫入噴射壓力和噴射溫度補償係數，根據液氨罐1內氨氣的溫度、壓力數值，結合當前發動機工況計算所需的氨氣噴射量，控制電控氨氣噴嘴7開啟一定的時長來滿足排放需求。
電控氨氣噴嘴7的噴射頻率控制依據液氨罐1內液位和壓力柔性調節，液位、壓力適宜時，採用1Hz頻率，在保證NOx轉化效率的同時提高電控氨氣噴嘴7壽命；當液位、壓力偏低時，採取2Hz～10Hz頻率噴射，增加噴射間隔，使液氨充分汽化，以保證足夠的噴射壓力。噴射頻率依據發動機工況柔性調節，當發動機處於高排溫高負荷工況下，還原反應較容易實現，採用1Hz頻率，以在保證NOx轉化效率的同時提高噴嘴7壽命；當發動機處於低排溫低負荷工況下，採用較高頻率2Hz～10Hz，以保證氨氣與排氣的混合均勻度，提高反應效率，減少氨氣逃逸。