一種尿素溶液快速水解裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種尿素溶液快速水解裝置,包括尿素溶液的儲存及泵出模塊、尿素溶液水解模塊、NH3噴射模塊及控制模塊和控制模塊,尿素溶液的儲存及泵出模塊包括尿素罐(1)和尿素泵(2),尿素溶液水解模塊包括壓縮缸體(5)、尿素溶液噴射器(4)、活塞(7)以及驅動活塞(7)運動的曲柄連桿機構(8),控制模塊包括能夠采集發(fā)動機(13)尾氣溫度和NOx含量的尿素噴射控制單元DCU(10)。本實用新型的優(yōu)點在于:裝置改變尿素溶液在通過噴嘴之前的壓力和體積就能提高尿素溶液的實際溫度,能全部水解為NH3并最終噴射到排氣管內在SCR催化劑表面與尾氣中的NOx發(fā)生反應,并解決噴嘴及排氣管路的尿素結晶等問題。
【專利說明】一種尿素溶液快速水解裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬發(fā)動機NOx排放控制領域,具體涉及利用熱力學定律以提高尿素溶液的溫度以使尿素溶液快速水解后生成的NH3來還原NOx的裝置。
【背景技術】
[0002]隨著大氣污染物控制法規(guī)的不斷加嚴,De NOx后處理催化器的應用越來越廣泛,尤其是柴油車及工業(yè)脫硝等NOx排放控制領域,通常的做法都是在排氣管道后加裝一套Urea-SCR或NH3-SCR后處理系統(tǒng)來解決NOx排放問題。尤其是在機動車的NOx排放控制上,由于NH3不易儲存及潛在的安全隱患,Urea-SCR成為主流的De NOx后處理配置。其一般的控制原理是將尿素溶液存儲在一個尿素罐里,當排氣中需要還原劑時通過一個尿素泵將尿素溶液從尿素罐中泵出,并通過一個特制的噴嘴將尿素溶液以霧狀噴射進入排氣管內,在尾氣溫度的作用下,霧狀的尿素溶液能迅速水解并生成NH3,在與尾氣中的NOx —起進入催化劑的表面時,NH3就能與NOx發(fā)生還原反應,從而達到降低NOx排放的目的。
[0003]由于尿素的水解溫度一般在180°C以上,現(xiàn)有的尿素噴射系統(tǒng)一般在200°C以上很好的適應實際應用的需求,但是在200°C以下通常尿素均不能完全水解,而且在低溫下,由于水解不完全會生成三聚氰胺等一系列結晶反應物而堵塞噴嘴、排氣管等關鍵部件,最終可能導致整套后處理系統(tǒng)癱瘓。而柴油車,尤其是在城里內運行的柴油車輛實際排氣溫度一般在150°C至400°C之間,這樣就造成在低溫下尿素噴射系統(tǒng)不能適應柴油車的實際運行工況。因此,在低溫下直接將NH3噴入排氣管,從而擺脫尿素水解對于排氣系統(tǒng)溫度的依賴是當前一種熱點研究內容。
[0004]。由于氨氣在工業(yè)中比較容易得到,當前有些工程技術人員會考慮使用工業(yè)中得到氨氣通過一個氨氣存儲罐來進行存儲,但這種存儲方法需要對氨氣進行壓縮以增大存儲量,這樣就會帶來壓縮氨氣爆炸等潛在的危險性,因此在實際中應用的很少。另外,還有一類研究的熱點是采用氨氣吸附材料及裝置來存儲氨氣,這項技術依托于一種對NH3有很大吸附量的特殊材料,目前還處在研究階段,不能投入使用。。從實際應用角度來看,采用尿素溶液進行NH3的存儲是最可靠最常用的方法。在尿素溶液之后,噴嘴之前接入一種裝置,該裝置可以將尿素溶液快速水解并將水解生成的NH3輸入到噴嘴,從而實現(xiàn)直接將NH3噴射入排氣管道內,對于解決目前Urea-SCR面臨的低溫問題具有十分重要的意義。
實用新型內容
[0005]本實用新型的實用新型目的是基于現(xiàn)有技術的不足公開了一種尿素溶液快速水解裝置,該裝置可以在注入尿素溶液后通過腔內壓縮霧狀尿素做功提高尿素溶液的溫度,當溫度達到200°C左右時尿素溶液就能完全水解從而生成NH3,結合發(fā)動機及后處理全套電子控制程序最終將一定量的NH3在一定時刻噴入排氣管道實現(xiàn)對NOx的還原反應。
[0006]本實用新型的具體技術方案是一種尿素溶液快速水解裝置,包括尿素溶液的儲存及泵出模塊、尿素溶液水解模塊、NH3噴射模塊及控制模塊和控制模塊,所述的尿素溶液的儲存及泵出模塊包括可以用于儲存尿素溶液的尿素罐和尿素泵,所述的尿素溶液水解模塊包括一個密封的壓縮缸體、安裝于壓縮缸體側壁上的尿素溶液噴射器、安裝于壓縮缸體內部能夠作直線運動的的活塞以及驅動活塞運動的曲柄連桿機構,所述的活塞的活塞桿伸出壓縮缸體的一端端壁并與曲柄連桿機構連接,所述的NH3噴射模塊包括安裝于發(fā)動機排氣管內的NH3噴射器,所述的NH3噴射器用于將NH3均勻地噴射入發(fā)動機排氣管以在SCR催化劑表面發(fā)生化學反應,在所述的壓縮缸體上,相對于活塞的活塞桿伸出壓縮缸體的一端的另一端端壁上具有尿素回收通孔和NH3噴射通孔,所述的尿素罐通過管路與尿素回收通孔連通,所述的NH3噴射器通過管路與NH3噴射通孔連通,所述的尿素泵的吸入端與尿素罐連通,尿素泵的排出端通過管路與尿素溶液噴射器連接,所述的控制模塊包括安裝于連通尿素泵的排出端和壓縮缸體的管路上的電磁閥1、安裝于連通NH3噴射器和壓縮缸體的管路上的電磁閥I1、安裝于連通尿素罐和壓縮缸體的管路上的的電磁閥II1、安裝于壓縮缸體內的溫度傳感器以及能夠采集發(fā)動機尾氣溫度和NOx含量的尿素噴射控制單元DCU,所述的尿素噴射控制單元DCU分別與尿素泵的控制端、電磁閥I的控制端、電磁閥II的控制端、電磁閥III的控制端和溫度傳感器信號連接。
[0007]更進一步地,所述的曲柄連桿機構與發(fā)動機的輸出軸連接。
[0008]更進一步地,所述的尿素泵型號為BOSCH SM-A38 0444 0220 011,所述的尿素溶液噴射器型號為BOSCH B 444 606 505,所述的NH3噴射器型號為BOSCH B 444 606 505,所述的尿素噴射控制單元D⑶型號為BOSCH Denoxtronic 2.2,所述的溫度傳感器型號為PT1000
[0009]本實用新型的有益效果是基于理想氣體定律,通過本實用新型的尿素溶液快速水解裝置,改變尿素溶液在通過噴嘴之前的壓力和體積就能提高尿素溶液的實際溫度,當達到其完全水解溫度時,其就能全部水解為NH3并最終噴射到排氣管內在SCR催化劑表面與尾氣中的NOx發(fā)生反應,從而滿足全溫度范圍尤其是低溫下的實際需求,并且解決現(xiàn)有技術下噴嘴及排氣管路的尿素結晶等問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型的尿素溶液快速水解裝置的結構及控制示意圖;
[0011]圖2為曲柄連桿機構的結構及工作示意圖;
[0012]其中:1_尿素罐,2-尿素泵,3-電磁閥I ,4-尿素溶液噴射器,5-壓縮缸體,6-溫度傳感器,7-活塞,8-曲柄連桿機構,9-電磁閥II,10-尿素噴射控制單元DOT,11- NH3噴射器,12-電磁閥III,13-發(fā)動機,14-減速機構。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖對本實用新型的技術方案作進一步地說明。
[0014]如圖1所示,本實用新型的尿素溶液快速水解裝置包括尿素溶液的儲存及泵出模塊、尿素溶液水解模塊、NH3噴射模塊及控制模塊。尿素溶液的儲存及泵出模塊包括可以用于儲存尿素溶液的尿素罐1、尿素泵2 (BOSCH SM-A38 0444 0220 011)及與尿素泵2相連接的管路;尿素溶液水解模塊包括一個密封的壓縮缸體5、安裝于壓縮缸體內的尿素溶液噴射器4(B0SCH B 444 606 505)、安裝于壓縮缸體5內部可以上下直線運動的的活塞7以及驅動活塞運動的曲柄連桿機構8,曲柄連桿機構8連接外部動力并驅動活塞7進行直線運動以壓縮壓縮缸體5內的氣體。NH3噴射模塊包括安裝于排氣管內部的一個NH3噴射器11(BOSCH B 444 606 505)及相關 NH3 傳輸管路,NH3 噴射器 11 (BOSCH B 444 606 505)用于將NH3均勻的噴射入排氣管以在SCR催化劑表面發(fā)生化學反應??刂颇K包括安裝于連通尿素罐I及壓縮缸體5的管路上的電磁閥I 3、安裝于NH3噴射模塊管路的電磁閥II 9、安裝于NH3回路的電磁閥III 12、安裝于壓縮缸體5內的溫度傳感器6 (PT1000)及尿素噴射控制單元 DCUlO (BOSCH Denoxtronic 2.2),尿素噴射控制單元 DCUlO (BOSCH Denoxtronic
2.2)可以接收發(fā)動機13尾氣中相關溫度、NOx含量、壓縮缸體5內溫度傳感器6 (PTlOOO)信號等數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)控制尿素泵2泵出尿素的量及各閥的開閉時刻。尿素噴射控制單元ECUlO (BOSCH Denoxtronic 2.2)關于尿素量及各電磁閥的開閉時刻可以由發(fā)動機標定進行優(yōu)化。
[0015]尿素溶液水解模塊保證壓縮缸體5內氣體溫度能夠上升到尿素能完全水解的溫度(200°C以上),其通過一個曲柄連桿結構8接入外部動力,該動力可以來自動力源本身或其他外接動力源,本例中外部動力來自發(fā)動機本。
[0016]結合圖2說明曲柄連桿機構的工作過程。
[0017]在發(fā)動機輸出軸端增加一個減速機構14,由于曲柄連桿的偏心,減速機構14的旋轉運動將轉化為曲柄連桿的直線運動,最終帶動活塞7在壓縮缸體內進行伸縮運動。
[0018]本裝置具體包括尿素罐1、尿素泵2、電磁閥I 3、尿素溶液噴射器4、壓縮缸體5、溫度傳感器6、活塞7、曲柄連桿機構8、電磁閥II 9、尿素噴射控制單元D⑶10、NH3噴射器11、電磁閥III 12、發(fā)動機13。其中,尿素罐I用于儲存尿素溶液;尿素泵2安裝于尿素罐I內部;尿素泵2通過尿素管路與壓縮缸體5連接;連接尿素泵2與壓縮缸體5的尿素管路上設有電磁閥I 3,在尿素管路的末端壓縮缸體5上安裝有尿素噴射器4 ;在壓縮缸體5的下部有可以上下自由運動的活塞7 ;活塞7的下部連接為其傳遞動力的曲柄連桿機構8 ;曲柄連桿機構8通過發(fā)動機13接入動力;壓縮缸體5的頂部設有溫度傳感器6,用于檢測壓縮缸體內部氣體的溫度;壓縮缸體5還通過氣體管路連通外部的NH3噴射器11 ;在連接壓縮缸體5與NH3噴射器的管路上接有電磁閥II 9 ;壓縮缸體5的頂端又通過一套氣體管路與尿素罐I連通,形成氣體回路,在該氣體管路上設有電磁閥III12 ;整套系統(tǒng)通過電子尿素噴射控制單元ECUlO進行控制,尿素噴射控制單元ECUlO可以與發(fā)動機13、溫度傳感器6的通訊,得到實時發(fā)動機NOx排放、排溫等信息并與尿素泵2、電磁閥I 3、尿素噴射器4、電磁閥II 9、NH3噴射器11、電磁閥III 12進行通訊,根據(jù)以上信息計算尿素泵2的尿素噴射量及噴射時刻、控制尿素噴射器4、NH3噴射器11的噴射時刻、控制電磁閥I 3、電磁閥II 9及電磁閥III 12的開啟關閉時刻。
[0019]尿素快速水解裝置的工作需要發(fā)動機13的轉速、NOx濃度、溫度等信號輸入給尿素噴射控制單元DCUlO進行驅動,尿素噴射控制單元DCUlO根據(jù)當前排放的信息如排氣溫度、排氣中NOx的濃度、當前溫度下SCR催化劑的效率等進行計算,以精確計算各執(zhí)行器的開閉時刻及噴射量。當發(fā)動機啟動后,就會帶來NOx的排放,此時需要進行NOx的排放控制。當需要進行排放控制時,發(fā)動機13將排放相關信號輸入至尿素噴射控制單元DCU10,尿素噴射控制單元DCUlO通過計算得出精確的尿素溶液需求量及各閥、噴射器的打開、關閉時亥IJ,并驅動尿素泵2泵出所需要的尿素溶液,電磁閥I 3打開,尿素溶液通過尿素管道進入到尿素噴射器4前端此時尿素噴射器4打開并通過高壓將定量的尿素霧化噴入壓縮缸體5內;在完成定量的尿素溶液噴射后,電磁閥I 3及噴射器4關閉;噴射器4在尿素溶液霧化噴射同時,曲柄連桿8將連接發(fā)動機13的減速機構14的旋轉運動轉變?yōu)榈幕钊?的直線上下運動,即通過曲柄連桿機構8驅動活塞7對壓縮缸體5內的氣體進行壓縮,遵循熱力學原理壓縮缸體5內氣體溫度急劇上升,此時壓縮缸體5內的尿素溶液將迅速水解為NH3與水蒸氣,待溫度傳感器6探測到壓縮缸體氣體溫度升高至200°C時將信號傳輸至尿素噴射控制單元DCT10,尿素噴射控制單元DCTlO驅動電磁閥II 9及NH3噴射器11打開,完全水解的NH3將隨著活塞的壓力被推入NH3傳輸管道內并經(jīng)電磁閥II 9及NH3噴射器11被噴射入發(fā)動機排氣管內與發(fā)動機尾氣均與混合,最終實現(xiàn)在SCR催化劑表面進行化學反應,降低NOx排放。
[0020]進一步說明尿素溶液水解模塊在活塞運動壓縮壓縮缸體內氣體時遵循熱力學第一定律:
[0021]
AU = Q+W
[0022]其中,Λ?/為熱力學能的變化,即內能的變化
[0023]Q為與環(huán)境交換的熱,其中吸熱為正,放熱為負
[0024]W為與環(huán)境交換的功,對外做功為負、外接對物體做功為正
[0025]根據(jù)熱力學第一定律,當曲柄連桿機構8驅動活塞7運動后,活塞7運動壓縮壓縮缸體5內氣體的體積,即對氣體做功,在理想狀態(tài)下,若不考慮氣體與環(huán)境的熱交換,那么壓縮氣體做功的能量將全部轉化為氣體的熱力學能。
[0026]根據(jù)理想氣體內能公式:
[0027]U=Cv*T
[0028]其中,U為氣體的熱力學能
[0029]Cv為氣體的摩爾熱容
[0030]T為氣體的溫度
[0031]氣體的熱能只是溫度的單值函數(shù),這說明當壓縮缸體5內氣體內能增加時,必然伴隨著溫度的上升。
[0032]因此,當壓縮缸體5內氣體被壓縮時,隨著外界對氣體做功,壓縮缸體5內氣體溫度必然上升,溫度上升的多少取決于外部做功及壓縮缸體5內氣體與外部環(huán)境的熱交換。
[0033]在實際應用中,一般根據(jù)發(fā)動機13排放計算出的尿素量一般偏大,故在當發(fā)動機13輸入給尿素噴射控制單兀DCUlO的信號顯不尾氣中NH3排放超標時,控制器可適時進行反饋控制,減小電磁閥II 9及NH3噴射器11的噴射時間,待電磁閥II 9及NH3噴射器11關閉后,在活塞7的壓縮行程的末期,打開連接壓縮缸體5及尿素罐I的管路上的電磁閥III 12,多余的NHJf進入到NH3回路并回到尿素罐I中,NH3極易溶于水,并于氨水的形式存在于尿素溶液中。
[0034]以上僅就在發(fā)動機13排放控制領域中的尿素快速水解裝置的工作情況進行了闡述,若將本例中的發(fā)動機改為其他外部動力,并加入一些采樣的傳感器及控制器,本裝置同樣適用于其他的固定源項目如工業(yè)脫銷、發(fā)電機組NOx排放控制等領域。
[0035]本實用新型所涉及的尿素溶液噴射器可以是空氣輔助式或非空氣輔助式;尿素溶液噴射器及NH3噴射器的閥頭控制可以是占空比控制或其他任何控制形式;曲柄連桿機構8的驅動力來源可以是動力源本體也可以是外接其他動力源;各電磁閥可以是任意原理的電子電磁閥;溫度傳感器可為任何可用溫度測試設備;系統(tǒng)中氣體傳遞管路可為任何可用結構。
【權利要求】
1.一種尿素溶液快速水解裝置,包括尿素溶液的儲存及泵出模塊、尿素溶液水解模塊、NH3噴射模塊及控制模塊和控制模塊,所述的控制模塊包括安裝于連通尿素泵(2)的排出端和壓縮缸體(5)的管路上的電磁閥I (3)、安裝于連通NH3噴射器(11)和壓縮缸體(5)的管路上的電磁閥II (9)、安裝于連通尿素罐(I)和壓縮缸體(5)的管路上的的電磁閥111(12)、安裝于壓縮缸體(5)內的溫度傳感器(6)以及能夠采集發(fā)動機(13)尾氣溫度和NOx含量的尿素噴射控制單元DCU (10),所述的尿素噴射控制單元DCU (10)分別與尿素泵(2)的控制端、電磁閥I (3)的控制端、電磁閥II (9)的控制端、電磁閥III (12)的控制端和溫度傳感器(6)信號連接,其特征在于, 所述的尿素溶液的儲存及泵出模塊包括可以用于儲存尿素溶液的尿素罐(I)和尿素泵(2); 所述的尿素溶液水解模塊包括一個密封的壓縮缸體(5)、安裝于壓縮缸體(5)側壁上的尿素溶液噴射器(4)、安裝于壓縮缸體(5)內部能夠作直線運動的的活塞(7)以及驅動活塞(7)運動的曲柄連桿機構(8),所述的活塞(7)的活塞桿伸出壓縮缸體(5)的一端端壁并與曲柄連桿機構(8)連接; 所述的NH3噴射模塊包括安裝于發(fā)動機(13)排氣管內的NH3噴射器(11),所述的NH3噴射器(11)用于將NH3均勻地噴射入發(fā)動機(13)排氣管以在SCR催化劑表面發(fā)生化學反應; 在所述的壓縮缸體(5 )上,相對于活塞(7 )的活塞桿伸出壓縮缸體(5 )的一端的另一端端壁上具有尿素回收通孔和NH3噴射通孔,所述的尿素罐(I)通過管路與尿素回收通孔連通,所述的NH3噴射器(11)通過管路與NH3噴射通孔連通,所述的尿素泵(2)的吸入端與尿素罐(I)連通,尿素泵(2)的排出端通過管路與尿素溶液噴射器(4)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種尿素溶液快速水解裝置,其特征在于,所述的曲柄連桿機構(8)與發(fā)動機(13)的輸出軸連接。
【文檔編號】F01N3/24GK203925689SQ201420168824
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權日:2014年4月9日
【發(fā)明者】時光, 汪瀾, 孟然, 袁正貴, 馮勝平 申請人:成都沐杰科技有限公司