專利名稱：一種尿素溶液計量噴射裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溶液噴射裝置及其控制方法，特別是一種尿素溶液計量噴射裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)是目前被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型。然而，隨著每年的污染物排放總量持續(xù)攀升，柴油機(jī)排放污染物控制已經(jīng)迫在眉睫。柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)對柴油機(jī)排出氣體中的有害部分比如碳?xì)?HC)，氮氧化物(Ν0Χ)，一氧化碳(CO)和顆粒物(PM)等確定了限值，其中氮氧化物非常難以處理。目前，常用的氮氧化物后處理方法包括選擇性催化還原、碳?xì)溥x擇催化還原、氮氧化物吸附裝置、以及低溫等離子體等方法。在實際的應(yīng)用中，常用以尿素溶液為還原劑的尿素選擇性催化還原方法。選擇性催化還原方法采用選擇性催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理是:尾氣從渦輪出來后進(jìn)入排氣管，在排氣管上安裝有尿素計量噴射裝置，噴入重量比為32.5%的尿素溶液，尿素在高溫下發(fā)生水解和熱解反應(yīng)后生成氨，在催化劑表面，氨和氮氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，生成氮氣和水，從而達(dá)到凈化尾氣的作用。其中，關(guān)鍵技術(shù)是尿素溶液的流量控制、噴霧的控制和催化劑轉(zhuǎn)換效率，而尿素溶液的流量控制是保障催化劑轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。尿素溶液的流量控制是通過尿素溶液供給系統(tǒng)內(nèi)部的壓力傳感器得到尿素溶液的壓力，然后通過控制噴嘴的開啟時間來控制尿素溶液體的流量，而尿素溶液供給系統(tǒng)的原理是采用柱塞結(jié)構(gòu)或薄膜泵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致尿素溶液的壓力幅度有很大的波動，尤其是在小流量的情況下，準(zhǔn)確控制尿素溶液的流量就比較困難。因此，有效地降低管路內(nèi)部的壓力波動就能有助于提高尿素溶液的流量控制精度；其次，車用尿素溶液在-11°C時就開始結(jié)冰，體積會膨脹9%左右，由于柴油機(jī)或柴油車會在低溫條件下工作，因此尿素溶液供給裝置需要采取防止結(jié)冰凍裂的措施。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可以降低尿素溶液供給系統(tǒng)內(nèi)部壓力波動，從而提高尿素溶液流量控制精度和耐低溫的尿素溶液計量噴射裝置及其控制方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種尿素溶液計量噴射裝置，包括泵、尿素罐、步進(jìn)電機(jī)和噴嘴，所述的尿素罐的出口依次通過預(yù)過濾器、第一可變?nèi)莘e件和第一單向閥連接在泵的進(jìn)入端，所述的泵的輸出端依次通過第二單向閥、第二可變?nèi)莘e件和過濾器連接在噴嘴上，所述的泵上連接有步進(jìn)電機(jī)；所述的過濾器與噴嘴之間設(shè)有壓力閥；所述的噴嘴與過濾器之間設(shè)有傳感器，所述的步進(jìn)電機(jī)連接有控制單元，所述的控制單元與傳感器和噴嘴相連接，所述的控制單元用于通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制噴嘴處尿素溶液的壓力和開啟時間；所述的預(yù)過濾器、過濾器、第一單向閥第二單向閥、泵和步進(jìn)電機(jī)上設(shè)有加熱單元。
一種尿素溶液計量噴射控制方法，其特征在于步驟包括:I)啟動控制單元并且初始化計量系統(tǒng)參數(shù),包括泵參數(shù)、控制電機(jī)參數(shù)、噴嘴參數(shù)，之后執(zhí)行步驟2);2)控制單元通過數(shù)據(jù)總線讀入發(fā)動機(jī)參數(shù)，之后執(zhí)行步驟3)；3)控制單元通過傳感器來獲得尿素溶液的溫度，當(dāng)尿素溶液的溫度低于指定溫度-1rc，則執(zhí)行步驟4)，否則執(zhí)行步驟5);4)控制單元控制加熱單元加熱尿素溶液和整個計量系統(tǒng)，之后執(zhí)行步驟5)；5)當(dāng)尿素溶液的溫度高于指定溫度-11°C時，則執(zhí)行步驟6)，之后執(zhí)行步驟7)；6)關(guān)閉加熱單元，之后執(zhí)行步驟7)；7)控制單元通過傳感器獲取溶液壓力，當(dāng)尿素溶液壓力小于10大氣壓時，則執(zhí)行步驟8)，之后執(zhí)行步驟9);8)增加步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使尿素溶液的壓力增加到10大氣壓，之后執(zhí)行步驟9)；9)當(dāng)尿素溶液的壓力大于10大氣壓，則執(zhí)行步驟10)，否則執(zhí)行步驟11)；10)減小步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使尿素溶液的壓力減小到10大氣壓，之后執(zhí)行步驟11);11)根據(jù)發(fā)動機(jī)參數(shù)計算尿素溶液的流量，設(shè)排氣中的氮氧化物的濃度Ynot和排氣流量計算出氮氧化物的質(zhì)量流量Mexh，則氮氧化物的質(zhì)量流量Mnot=YitoxMexh,設(shè)90%N0和10%N02,能夠完全反應(yīng)掉氮氧化物的尿素溶液的質(zhì)量流量Mukea=2.96Mnox,利用尿素溶液的質(zhì)量流量Mukea和密度P計算出尿素溶液的容積流量Qukea=Mukea/P，之后執(zhí)行步驟12)；12)利用所需要的尿素溶液的流量和噴嘴的流量計算出噴嘴的占空比，設(shè)所需要的尿素溶液的流量為Qukea,噴嘴的流量LIW，則噴嘴控制閥占空比為Qukea / Linj,當(dāng)發(fā)動機(jī)停止工作時，則本方法結(jié)束，否則執(zhí)行步驟3)。采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下有益效果:通過布置合適的可變?nèi)莘e件，可以降低尿素溶液供給系統(tǒng)內(nèi)部的壓力波動，從而提高尿素溶液流量控制精度；在低溫下，當(dāng)尿素溶液結(jié)冰膨脹時，可變?nèi)莘e件可以吸收膨脹量，從而防止裝置破裂。


圖1是本發(fā)明一種尿素溶液計量噴射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明一種尿素溶液計量噴射裝置的控制單元流程圖。圖中:1、尿素罐2、預(yù)過濾器3、第一可變?nèi)莘e件4、第一單向閥5、泵6、第二單向閥
7、第二可變?nèi)莘e件8、過濾器9、噴嘴10、傳感器11、壓力閥12、控制單元13、步進(jìn)電機(jī)。
具體實施例方式下面結(jié)合說明書附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1所示，一種尿素溶液計量噴射裝置，包括泵5、尿素罐1、步進(jìn)電機(jī)13和噴嘴9，其特征在于所述的尿素罐I的出口依次通過預(yù)過濾器2、第一可變?nèi)莘e件3和第一單向閥4連接在泵5的進(jìn)入端，所述的泵5的輸出端依次通過第二單向閥6、第二可變?nèi)莘e件7和過濾器8連接在噴嘴9上，所述的泵5上連接有步進(jìn)電機(jī)13 ;所述的過濾器8與噴嘴9之間設(shè)有壓力閥11 ;所述的噴嘴9與過濾器8之間設(shè)有傳感器10，所述的步進(jìn)電機(jī)13連接有控制單元12，所述的控制單元12與傳感器10和噴嘴9相連接，所述的控制單元12用于通過步進(jìn)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速來控制噴嘴9處尿素溶液的壓力和開啟時間；所述的預(yù)過濾器2、過濾器8、第一單向閥4第二單向閥6、泵5和步進(jìn)電機(jī)13上設(shè)有加熱單元。如圖2所示，一種尿素溶液計量噴射控制方法，其特征在于步驟包括:I)啟動控制單元12并且初始化計量系統(tǒng)參數(shù),包括泵5參數(shù)、控制電機(jī)參數(shù)、噴嘴9參數(shù)，之后執(zhí)行步驟2);2)控制單元12通過數(shù)據(jù)總線讀入發(fā)動機(jī)參數(shù)，之后執(zhí)行步驟3)；3)控制單元12通過傳感器10來獲得尿素溶液的溫度當(dāng)尿素溶液的溫度低于指定溫度-11°C，則執(zhí)行步驟4)，否則執(zhí)行步驟5);4)控制單元12控制加熱單元加熱尿素溶液和整個計量系統(tǒng)，之后執(zhí)行步驟5)；5)當(dāng)尿素溶液的溫度高于指定溫度-11°C時，則執(zhí)行步驟6)，之后執(zhí)行步驟7)；6)關(guān)閉加熱單元，之后執(zhí)行步驟7)；7)控制單元12通過傳感器10獲取溶液壓力，當(dāng)尿素溶液壓力小于10大氣壓時，則執(zhí)行步驟8)，之后執(zhí)行步驟9)；8)增加步進(jìn)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速使尿素溶液的壓力增加到10大氣壓，之后執(zhí)行步驟
9)；9)當(dāng)尿素溶液的壓力大于10大氣壓，則執(zhí)行步驟10)，否則執(zhí)行步驟11)；10)減小步進(jìn)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速使尿素溶液的壓力減小到10大氣壓，之后執(zhí)行步驟
11);11)根據(jù)發(fā)動機(jī)參數(shù)計算尿素溶液的流量，設(shè)排氣中的氮氧化物的濃度Ynox (%質(zhì)量比)和排氣流量計算出氮氧化物的質(zhì)量流量Mexh (千克/小時)，則氮氧化物的質(zhì)量流量Mnox (千克/小時)為Mm=YitoxMexh,設(shè)90%N0和10%N02，能夠完全反應(yīng)掉氮氧化物的尿素溶液的質(zhì)量流量Mukea (千克/小時)M_=2.96Mnox,利用尿素溶液的質(zhì)量流量Mukea和密度P (千克/升)計算出尿素溶液的容積流量Qukea (升/小時)為Q_=M_/p，之后執(zhí)行步驟12);12)利用所需要的尿素溶液的流量和噴嘴9的流量計算出噴嘴9的占空比，設(shè)所需要的尿素溶液的流量為Qukea (升/小時)，噴嘴9的流量Liw (升/小時)，則噴嘴9控制閥占空比為Qukea / LIW。當(dāng)發(fā)動機(jī)停止工作時，則本方法結(jié)束，否則執(zhí)行步驟3)。尿素罐I中儲存車用尿素溶液(32.5%重量比)，作為柴油機(jī)排氣后處理的還原劑?？刂茊卧?2控制步進(jìn)電機(jī)13帶動泵5從尿素罐I吸取尿素溶液，尿素溶液經(jīng)預(yù)過濾器2后進(jìn)入第一可變?nèi)莘e件3，通過第一單向閥4進(jìn)入泵5，然后經(jīng)第二單向閥6進(jìn)入第二可變?nèi)莘e件7，再輸送到過濾器8，通過噴嘴9的開啟進(jìn)入柴油機(jī)排氣系統(tǒng)。第一單向閥4和第二單向閥6，保證泵5以一個方向輸送尿素溶液。當(dāng)過濾器8處尿素溶液壓力大于預(yù)選限定壓力時，壓力閥11打開，尿素溶液旁通流回尿素罐I。在噴嘴9之前安裝用于確定尿素溶液溫度和壓力的傳感器10，該傳感器10通過信號線與控制單元12相連接?？刂茊卧?2通過控制步進(jìn)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速來反饋控制噴嘴9處尿素溶液的壓力?？刂茊卧?2根據(jù)噴嘴9處的傳感器10輸出的尿素溶液壓力和溫度來決定開啟的時間，從而精確的控制噴射的尿素溶液體的流量?？刂茊卧?2通過數(shù)據(jù)總線與柴油機(jī)相連接，尿素溶液的流量根據(jù)柴油機(jī)系統(tǒng)提供的參數(shù)來確定。當(dāng)溫度低于攝氏零下11度時，控制單元12控制加熱單元加熱計量系統(tǒng)。
柴油機(jī)工作時，控制單元12根據(jù)控制策略控制步進(jìn)電機(jī)13工作，如果需要，經(jīng)加熱單元預(yù)處理后，輸送精確的尿素溶液量用于還原氮氧化物。一般尿素溶液噴射壓力不超過10個大氣壓力，此時布置在可變?nèi)莘e件內(nèi)的阻尼材料的變形可降低泵5脈動而產(chǎn)生的尿素溶液壓力波動，使尿素溶液壓力信號更加穩(wěn)定，從而提高尿素溶液流量控制精度。在停機(jī)狀態(tài)下，當(dāng)溫度低于攝氏零下11度尿素溶液結(jié)冰膨脹時，由于較高的膨脹壓力，使得可變?nèi)莘e件內(nèi)的阻尼材料被壓縮而體積減少，選擇恰當(dāng)?shù)膲嚎s比和體積參數(shù)，可完全抵補尿素溶液的結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹量，從而防止凍裂計量裝置。在這種情況下，當(dāng)柴油機(jī)啟動時，控制單元12延緩泵5的啟動,經(jīng)尿素罐I內(nèi)的加熱系統(tǒng)工作一段時間化冰后啟動泵5，然后給排氣系輸送精確的尿素溶液量。本發(fā)明的特點是把第一可變?nèi)莘e件3和第二可變?nèi)莘e件7(空心管路，內(nèi)置可壓縮材料)分別安裝在泵5的進(jìn)入端和輸出端處，并且第一單向閥4和第二單向閥6分別與進(jìn)入端和輸出端連接。這種結(jié)構(gòu)可以降低因泵5產(chǎn)生的尿素溶液的壓力波動，使尿素溶液的壓力更加穩(wěn)定，從而提高尿素溶液流量的控制精度。當(dāng)?shù)蜏叵履蛩厝芤航Y(jié)冰膨脹時，因壓力增大第一可變?nèi)莘e件3和第二可變?nèi)莘e件7被壓縮，體積減少，可抵補因尿素溶液結(jié)冰時產(chǎn)生的膨脹量，以防止壓力進(jìn)一步升高而導(dǎo)致計量裝置破裂?？勺?nèi)莘e件可以選用實心或者中空的塑料、橡膠、泡沫等，正常工作溫度范圍為_40°C至90°C。與其他配量裝置相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)形式簡單，簡化了系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，減少了控制器的工作，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
權(quán)利要求
1.一種尿素溶液計量噴射裝置，包括泵、尿素罐、步進(jìn)電機(jī)和噴嘴，其特征在于所述的尿素罐的出口依次通過預(yù)過濾器、第一可變?nèi)莘e件和第一單向閥連接在泵的進(jìn)入端，所述的泵的輸出端依次通過第二單向閥、第二可變?nèi)莘e件和過濾器連接在噴嘴上，所述的泵上連接有步進(jìn)電機(jī)；所述的過濾器與噴嘴之間設(shè)有壓力閥；所述的噴嘴與過濾器之間設(shè)有傳感器，所述的步進(jìn)電機(jī)連接有控制單元，所述的控制單元與傳感器和噴嘴相連接，所述的控制單元用于通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制噴嘴處尿素溶液的壓力和開啟時間；所述的預(yù)過濾器、過濾器、第一單向閥第二單向閥、泵和步進(jìn)電機(jī)上設(shè)有加熱單元。
2.一種尿素溶液計量噴射控制方法，其特征在于步驟包括: 1)啟動控制單元并且初始化計量系統(tǒng)參數(shù)，包括泵參數(shù)、控制電機(jī)參數(shù)、噴嘴參數(shù)，之后執(zhí)行步驟2)； 2)控制單元通過數(shù)據(jù)總線讀入發(fā)動機(jī)參數(shù)，之后執(zhí)行步驟3)； 3)控制單元通過傳感器來獲得尿素溶液的溫度當(dāng)尿素溶液的溫度低于指定溫度-1rC，則執(zhí)行步驟4)，否則執(zhí)行步驟5)； 4)控制單元控制加熱單元加熱尿素溶液和整個計量系統(tǒng)，之后執(zhí)行步驟5)； 5)當(dāng)尿素溶液的溫度高于指定溫度-11°C時，則執(zhí)行步驟6)，之后執(zhí)行步驟7)； 6)關(guān)閉加熱單兀，之后執(zhí)行步驟7)； 7)控制單元通過傳感器獲取溶液壓力，當(dāng)尿素溶液壓力小于10大氣壓時，則執(zhí)行步驟8)，之后執(zhí)彳了步驟9)； 8)增加步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使尿素溶液的壓力增加到10大氣壓，之后執(zhí)行步驟9)； 9)當(dāng)尿素溶液的壓力大于10大氣壓，則執(zhí)行步驟10)，否則執(zhí)行步驟11)； 10)減小步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使尿素溶液的壓力減小到10大氣壓，之后執(zhí)行步驟11)； 11)根據(jù)發(fā)動機(jī)參數(shù)計算尿素溶液的流量，設(shè)排氣中的氮氧化物的濃度Ynot和排氣流量計算出氮氧化物的質(zhì)量流量Mexh，則氮氧化物的質(zhì)量流量Mnot=YitoxMexh,設(shè)90%N0和10%N02，能夠完全反應(yīng)掉氮氧化物的尿素溶液的質(zhì)量流量Mukea=2.96Mnox,利用尿素溶液的質(zhì)量流量M_和密度P計算出尿素溶液的容積流量Qukea=Mukea/P，之后執(zhí)行步驟12)； 12)利用所需要的尿素溶液的流量和噴嘴的流量計算出噴嘴的占空比，設(shè)所需要的尿素溶液的流量為Qukea,噴嘴的流量LIW，則噴嘴控制閥占空比為Qukea / Linj,當(dāng)發(fā)動機(jī)停止工作時，則本方法結(jié)束，否則執(zhí)行步驟3)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種尿素溶液計量噴射裝置，包括泵、尿素罐、步進(jìn)電機(jī)和噴嘴，所述的尿素罐的出口依次通過預(yù)過濾器、第一可變?nèi)莘e件和第一單向閥連接在泵的進(jìn)入端，所述的泵的輸出端依次通過第二單向閥、第二可變?nèi)莘e件和過濾器連接在噴嘴上，所述的泵上連接有步進(jìn)電機(jī)；所述的過濾器與噴嘴之間設(shè)有壓力閥；所述的噴嘴與過濾器之間設(shè)有傳感器，所述的步進(jìn)電機(jī)連接有控制單元，所述的控制單元與傳感器和噴嘴相連接，所述的控制單元用于通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制噴嘴處尿素溶液的壓力和開啟時間；所述的預(yù)過濾器、過濾器、第一單向閥第二單向閥、泵和步進(jìn)電機(jī)上設(shè)有加熱單元。
文檔編號F01N3/20GK103114896SQ20131006647
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者陳強, 王謙, 王榮譽, 何志霞, 田東波, 吳志新 申請人:江蘇大學(xué)