一种柴油机尿素溶液添加装置与方法.pdf

本发明涉及一种柴油机尿素溶液添加装置与方法，属于发动机排气处理技术领域。该装置包括：尿素箱，与尿素箱相连的N个压力腔；开关阀实现控制；位于压力腔顶部的空气导入导出管；位于空气导入导出管顶部的三通阀；位于压力腔底部的尿素溶液导出管，导出管的另一端依次串接尿素溶液流量控制装置和尿素溶液喷嘴；控制单元，与三通阀、开关阀和尿素溶液流量控制装置相连。本发明提供一种能源消耗低、结构形式简单、装置成本低廉、运行可靠、雾化效果优良的无泵的尿素溶液添加装置、系统及方法。

1.  一种柴油机尿素溶液添加装置，其特征在于，该添加装置包括：
尿素箱(8)；
与尿素箱(8)相连的N个压力腔(9)，N为大于或等于1的整数，当N大于或等于2时，N个压力腔之间为并联连接方式；
每个压力腔(9)与尿素箱(8)之间通过单独的开关阀(10)实现控制，且尿素箱(8)内尿素溶液最低液面高于或等于每个压力腔(9)的最高液面；
位于压力腔(9)顶部的空气导入导出管，其高度高于尿素箱(8)工作状态下的最高液面；
位于空气导入导出管顶部的三通阀(7)，三通阀(7)的另外两端一端与外部空气相连，另一端与第一高压气源相连；
位于压力腔(9)底部的尿素溶液导出管，尿素溶液导出管的另一端依次串接尿素溶液流量控制装置和尿素溶液喷嘴(12)；
控制单元，与三通阀(7)、开关阀(10)和尿素溶液流量控制装置相连。

2.  根据权利要求1所述一种柴油机尿素溶液添加装置，其特征在于，还包括：位于尿素溶液流量控制装置与尿素溶液喷嘴(12)之间的雾化器，雾化器有两个输入端，一端与流量控制装置的液体输出端相连，另一端与第二高压气源相连。

3.  根据权利要求1所述一种柴油机尿素溶液添加装置，其特征在于，所述第一高压气源包括：
压缩空气罐(3)；
与压缩空气罐(3)输入端相连的打气泵(2)；
与压缩空气罐(3)输出端相连的稳压室(5)；
位于压缩空气罐(3)和稳压室(5)之间的减压阀(4)；
与稳压室(5)输出端相连的压力调节器(6)；
压力调节器(6)的输出端形成第一高压气源。

4.  根据权利要求2所述一种柴油机尿素溶液添加装置，其特征在于，所述第一高压气源和第二高压气源包括：
压缩空气罐(3)；
与压缩空气罐(3)输入端相连的打气泵(2)；
与压缩空气罐(3)输出端相连的稳压室(5)；
位于压缩空气罐(3)和稳压室(5)之间的减压阀(4)；
与稳压室(5)输出端相连的压力调节器(6)；压力调节器(6)有两个输出端，一端与三通阀(7)相连，形成第一高压气源；另一端与雾化器的一个输入端相连，形成第二高压气源。

5.  根据权利要求2所述一种柴油机尿素溶液添加装置，其特征在于，所述第一高压气源和第二高压气源包括：
压缩空气罐(3)；
与压缩空气罐(3)输入端相连的打气泵(2)；
压缩空气罐(3)有两个输出端，一个输出端与稳压室(5)相连，另外一个输出端与雾化器的一个输入端相连，形成第二高压气源；
位于压缩空气罐(3)和稳压室(5)之间的减压阀(4)；
与稳压室(5)输出端相连的压力调节器(6)；压力调节器(6)的输出端与三通阀(7)相连，形成第一高压气源。

6.  根据权利要求1至5任何一项所述一种柴油机尿素溶液添加装置，其特征在于，所述打气泵可以来自以下任何一种：柴油机配备的打气泵、改装的打气泵、加装的打气泵或者加装的电动打气泵。

7.  根据权利要求4或5所述一种柴油机尿素溶液添加装置，其特征在于，所述减压阀(4)、压力调节器(6)、稳压室(5)、尿素溶液流量控制装置、雾化器、开关阀(10)和三通阀(7)集成一个模块，安装在尿素箱(8)的内部或外部。

8.  应用权利要求1所述一种柴油机尿素溶液添加装置的一种柴油机尿素溶液添加方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据每个压力腔(9)中尿素溶液量判断是否向压力腔(9)中加注尿素溶液；
当需要加注尿素溶液时，在控制单元的控制下，打开与该压力腔相连的开关阀(10)，控制三通阀(7)，关断空气导入导出管与高压气源的连通，同时打开空气导入导出管与外部空气的连通；
此时，尿素溶液在自身重力的作用下从尿素箱(8)流入到压力腔(9)中，同时，使压力腔(9)中的空气通过三通阀(7)排到空气中；当压力腔(9)中的尿素溶液达到预设容量时，在控制单元的控制下，关闭开关阀(10)，关断三通阀(7)与外部空气的连通；然后连通空气导入导出管与第一高压气源，压力腔(9)中的空气进行压缩，直至其压力达到预设的喷射压力，使该压力腔(9)达到待喷射状态；
当控制单元对某个压力腔(9)发出喷射指令后，尿素溶液通过尿素溶液流量控制装置、尿素溶液喷嘴(12)喷射进入排气流中；尿素在排气热量作用下生成氨气，氨气在催化器的作用下催化还原排气中的氮氧化物，实现柴油机尾气中氮氧化物污染控制。

9.  应用权利要求4所述一种柴油机尿素溶液添加装置的一种柴油机尿素溶液添加方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据每个压力腔(9)中尿素溶液量判断是否向该压力腔(9)中加注尿素溶液；
当需要加注尿素溶液时，在控制单元的控制下，打开与该压力腔相连的开关阀(10)，控制三通阀(7)，关断空气导入导出管与第一高压气源的连通，同时打开空气导入导出管与外部空气的连通；
此时，尿素溶液在自身重力的作用下从尿素箱(8)流入到该压力腔(9)中，同时，使压力腔(9)中的空气通过三通阀(7)排到空气中；当压力腔(9)中的尿素溶液达到预设容量时，在控制单元的控制下，关闭开关阀(10)，关断三通阀(7)与外部空气的连通；然后连通空气导入导出管与第一高压气源，压力腔(9)中的空气进行压缩，直至其压力达到预设的喷射压力，使该压力腔达到待喷射状态；
在尿素喷射状态时，尿素溶液流量控制装置将喷射压力下的尿素溶液进行流量控制，尿素溶液和第二高压气源输出的空气通过雾化器的作用形成稳定的尿素溶液和压缩空气的气液两相雾，在尿素溶液喷嘴(12)的作用下，喷射进入排气流中；尿素在排气热量作用下生成氨气，氨气在催化器的作用下催化还原排气中的氮氧化物，实现柴油机尾气中氮氧化物污染控制；
所述第一高压气源和第二高压气源的压力通过以下方法实现：首先由打气泵(2)向压缩空气罐(3)内输送空气；压缩空气经过空气罐(3)后，依次通过减压阀(4)、稳压室(5)和压力调节器(6)；经过压力调节器(6)后分为两股，一股进入压力腔(9)，形成第一高压气源，另一股进入雾化器，形成第二高压气源。

10.  应用权利要求5所述一种柴油机尿素溶液添加装置的一种柴油机尿素溶液添加方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据每个压力腔(9)中尿素溶液量判断是否向该压力腔(9)中加注尿素溶液；
当需要加注尿素溶液时，在控制单元的控制下，打开与该压力腔相连的开关阀(10)，控制三通阀(7)，关断空气导入导出管与第一高压气源的连通，同时打开空气导入导出管与外部空气的连通；
此时，尿素溶液在自身重力的作用下从尿素箱(8)流入到该压力腔(9)中，同时，使压力腔(9)中的空气通过三通阀(7)排到空气中；当压力腔(9)中的尿素溶液达到预设容量时，在控制单元的控制下，关闭开关阀(10)，关断三通阀(7)与外部空气的连通；然后连通空气导入导出管与第一高压气源，压力腔(9)中的空气进行压缩，直至其压力达到预设的喷射压力，使该压力腔达到待喷射状态；
在尿素喷射状态时，尿素溶液流量控制装置将喷射压力下的尿素溶液进行流量控制，尿素溶液和第二高压气源输出地空气通过雾化器的作用形成稳定的尿素溶液和压缩空气的气液两相雾，在尿素溶液喷嘴(12)的作用下，喷射进入排气流中；尿素在排气热量作用下生成氨气，氨气在催化器的作用下催化还原排气中的氮氧化物，实现柴油机尾气中氮氧化物污染控制；
所述第一高压气源和第二高压气源的压力通过以下方法实现：首先由打气泵(2)向压缩空气罐(3)内输送空气；压缩空气经过空气罐(3)后，分为两股，一股依次通过减压阀(4)、稳压室(5)和压力调节器(6)，然后输出形成第一高压气源；另外一股形成第二高压气源，然后输入雾化器。

一种柴油机尿素溶液添加装置与方法
技术领域
本发明属于发动机排气处理的附属装置，进一步涉及一种柴油机尿素溶液添加的装置与方法。
背景技术
柴油机以较高的热效率和较低的废气排放在世界各地的各行各业得到了广泛的应用，但其较高的氮氧化物排放一直是困扰人们的一个问题。选择催化还原技术(SCR)是控制柴油机氮氧化物的有效方法。实现精确、快速响应、具有较高可靠性、一致性和雾化效果的低成本尿素溶液供给装置，是影响柴油机SCR普及的一个关键因素。
目前常用的尿素溶液供给装置分为两种，一种压缩空气辅助喷射形式，另一种是无压缩空气辅助形式。压缩空气辅助形式是利用压缩空气将尿素计量装置供给的尿素溶液雾化后带入到柴油机排气中。由于尿素溶液已经提前雾化，因此在排气中雾化效果好。无压缩空气辅助形式是直接将一定压力的尿素溶液通过喷嘴喷射进入排气中，其形式结构简单，但由于离柴油机排气管距离很近，因此对尿素喷射装置的热可靠性的要求很高，一般需要利用尿素溶液或者柴油机冷却液对喷嘴进行冷却；此外在柴油机排气温度较低时，无压缩空气辅助形式尿素溶液在排气中的雾化效果有限，容易在排气管壁或催化剂端面形成尿素结晶。
现阶段柴油机尿素溶液添加装置存在主要以下问题：
(1)无论压缩空气辅助形式或无压缩空气辅助形式，常规尿素供给系统都需要尿素液泵。由于需要考虑尿素的腐蚀性和柴油机或柴油车实际运行中的振动、高低温等使用条件，对尿素液泵的可靠性和成本要求较高。
(2)尿素供给系统结构复杂，成本高昂，需要消耗部分柴油机电能。
(3)在严寒环境中，柴油机SCR系统在停机时尿素溶液会结晶，因此需要加热装置对尿素供给系统进行加热。尿素溶液流经的距离越长、零部件结构越复杂，加热装置也就越复杂。常规尿素供给系统中的尿素液泵是尿素供给系统中热能量最难传导的部件，此外尿素的冻结和结晶会直接影响泵的寿命和性能。
(4)为了实现稳定的尿素溶液喷射压力，需要使用压力调节器，压力调节器的使用增加结构复杂性，此外还需附加了回流管以及回流管和压力调节器相关的加热装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不需要尿素液泵，且能耗低、结构形式简单、装置成本低廉的尿素溶液添加装置及方法。
一种柴油机尿素溶液添加装置，该添加装置包括：
尿素箱8；
与尿素箱8相连的N个压力腔9，N为大于或等于1的整数，当N大于或等于2时，N个压力腔之间为并联连接方式；
每个压力腔9与尿素箱8之间通过单独的开关阀10实现控制，且尿素箱8内尿素溶液最低液面高于或等于每个压力腔9的最高液面；
位于压力腔9顶部的空气导入导出管，其高度高于尿素箱8工作状态下的最高液面；
位于空气导入导出管顶部的三通阀7，三通阀7的另外两端一端与外部空气相连，另一端与第一高压气源相连；
位于压力腔9底部的尿素溶液导出管，尿素溶液导出管的另一端依次串接尿素溶液流量控制装置和尿素溶液喷嘴12；
控制单元，与三通阀7、开关阀10和尿素溶液流量控制装置相连。
上述第一高压气源包括：压缩空气罐3；与压缩空气罐3输入端相连的打气泵2；与压缩空气罐3输出端相连的稳压室5；位于压缩空气罐3和稳压室5之间的减压阀4；与稳压室5输出端相连的压力调节器6；压力调节器6的输出端形成第一高压气源。
为了加强雾化效果，该装置的优化方案还包括：位于尿素溶液流量控制装置与尿素溶液喷嘴12之间的雾化器，雾化器有两个输入端，一端与流量控制装置的液体输出端相连，另一端与第二高压气源相连。
作为一种优选，系统所需压缩空气可取自柴油机压缩空气罐，目前重型柴油机大部分带有打气泵，根据需要可以加装打气泵或改装原配的打气泵。
作为另一种优选，系统所需压缩空气可取电动打气泵，由于尿素供给系统需要的辅助空气压力较低，可以采用电打气泵提供压缩空气。
压力腔的体积可以设置成一个较长时间尿素溶液消耗量的体积，从而实现尿素溶液的连续喷射；或设置成多个压力腔并联的形式，通过阀的控制实现尿素溶液的连续喷射。
上述减压阀4、压力调节器6、稳压室5、尿素溶液流量控制装置、雾化器、开关阀10和三通阀7集成一个模块，安装在尿素箱8的内部或外部。
上述用于控制尿素溶液加注的开关阀10可以使用电动阀；也可以使用自动式机械阀，通过压力腔中尿素液位或者压力腔中的压力进行自动开关。
一种柴油机尿素溶液添加方法，实现过程如下：
根据每个压力腔9中尿素溶液量判断是否向压力腔9中加注尿素溶液；
当需要加注尿素溶液时，在控制单元的控制下，打开与该压力腔相连的开关阀10，控制三通阀7，关断空气导入导出管与高压气源的连通，同时打开空气导入导出管与外部空气的连通；
此时，尿素溶液在自身重力的作用下从尿素箱8流入到压力腔9中，同时，使压力腔9中的空气通过三通阀7排到空气中；当压力腔9中的尿素溶液达到预设容量时，在控制单元的控制下，关闭开关阀10，关断三通阀7与外部空气的连通；然后连通空气导入导出管与第一高压气源，压力腔9中的空气进行压缩，直至其压力达到预设的喷射压力，使该压力腔9达到待喷射状态；
当控制单元对某个压力腔发出喷射指令后，尿素溶液通过尿素溶液流量控制装置、尿素溶液喷嘴喷射进入排气流中；尿素在排气热量作用下生成氨气，氨气在催化器的作用下催化还原排气中的氮氧化物，实现柴油机尾气中氮氧化物污染控制。
作为一种改进，在尿素溶液流量控制装置与尿素溶液喷嘴12之间串联一个雾化器，雾化器有两个输入端，一端与压力腔9相连，另一端与第二高压气源相连。
上述第一高压气源和第二高压气源压力的一种形成过程如下：首先由打气泵2向压缩空气罐3内输送空气；压缩空气经过空气罐3后，依次通过减压阀4、稳压室5和压力调节器6；经过压力调节器6后分为两股，一股进入压力腔9，形成第一高压气源，另一股进入雾化器，形成第二高压气源。
上述第一高压气源和第二高压气源压力的另一种形成过程如下：首先由打气泵2向压缩空气罐3内输送空气；压缩空气经过空气罐3后，分为两股，一股依次通过减压阀4、稳压室5和压力调节器6，然后输出形成第一高压气源；另外一股形成第二高压气源，然后输入雾化器。这种方案有效地防止了柴油机排气压力波动对尿素喷射压力的影响。
本发明柴油机尿素溶液添加方法与装置相对于现有技术，具有如下优点：
(一)不需要尿素液泵。不需要复杂的尿素供给系统加热装置，具有较好的可控性和可靠性。
(二)不需要常规的尿素喷射压力调节器和尿素溶液回流管，精简了结构，提高了系统的可靠性和经济性。
(三)尿素溶液喷射和雾化的动力都来源于柴油机打气泵，减少了尿素喷射消耗的柴油机能量，提高了柴油机的经济性；与此同时，气动喷射和雾化降低了尿素供给装置对柴油机用电的功率需求，具有较高的方案可行性和冗余度。
(四)采用压缩空气辅助喷射形式的尿素溶液雾化效果好，提高了柴油机SCR系统的低温性能，防止在低温工况时尿素结晶析出造成的排气堵塞。
(五)本发明柴油机尿素溶液添加的方法与装置，系统结构简单，可维护性好，造价成本低。
附图说明
图1是柴油机SCR系统尿素溶液添加装置外置式方案简图；图中，1为柴油机，2为打气泵，3为压缩空气罐，4为减压阀，5为稳压室，6为压力调节器，7为三通阀，8为尿素箱，9为压力腔，10为开关阀，11为尿素溶液流量控制装置与雾化器一体化装置，12为尿素溶液喷嘴，13为SCR催化器。
图2是柴油机SCR系统尿素溶液添加装置内置式方案简图，图中，1为柴油机，2为打气泵，3为压缩空气罐，4为减压阀，5为稳压室，6为压力调节器，7为三通阀，8为尿素箱，9为压力腔，10为开关阀，11为尿素溶液流量控制装置与雾化器一体化装置，12为尿素溶液喷嘴，13为SCR催化器。
图3是尿素溶液流量控制装置与雾化器一体化装置的剖面图，图中，21为尿素溶液入口，22为计量阀，23为辅助雾化空气入口，24为雾化后气液混合物排出口；该装置实现尿素溶液流量的精确控制并在辅助雾化空气的作用下，将尿素溶液雾化并带入到排气中。
图4是实施例1中尿素溶液喷射流量控制图，图中尿素喷射流量控制的线性度和环境适应性。
图5是实施例1中柴油机ETC工况中原机与尿素溶液喷射时氮氧化物排放曲线图。
具体实施方式
第一高压气源和第二高压气源的形成过程：
方法一：首先由打气泵2向压缩空气罐3内输送空气；压缩空气经过空气罐3后，依次通过减压阀4、稳压室5和压力调节器6；经过压力调节器6后分为两股，一股进入压力腔9，形成第一高压气源，另一股进入雾化器，形成第二高压气源。
方法二：首先由打气泵2向压缩空气罐3内输送空气；压缩空气经过空气罐3后，分为两般，一股依次通过减压阀4、稳压室5和压力调节器6，然后输出形成第一高压气源；另外一股形成第二高压气源，然后输入雾化器。这种方案有效地防止了柴油机排气压力波动对尿素喷射压力的影响。
尿素溶液加注与蓄压系统
在正常工作状态时，压力腔有尿素溶液，在稳压室的压缩空气作用下具有了喷射压力。当某个压力腔中的尿素溶液消耗到一定程度时，控制单元判定尿素溶液加注开始，此时在控制单元的控制下，打开与该压力腔相连的开关阀10，控制三通阀7，关断空气导入导出管与高压气源的连通，同时打开空气导入导出管与外部空气的连通；然后，尿素溶液在自身重力的作用下从尿素箱8流入到压力腔9中，同时，使压力腔9中的空气通过三通阀7排到空气中；当压力腔9中的尿素溶液达到预设容量时，在控制单元的控制下，关闭开关阀10，关断三通阀7与外部空气的连通；然后连通空气导入导出管与第一高压气源，压力腔9中的空气进行压缩，直至其压力达到预设的喷射压力，使该压力腔9达到待喷射状态；
打开开关阀和三通阀，尿素溶液在重力的作用下流入到压力腔中，当压力腔中的尿素溶液充满时，控制系统判断尿素溶液加注完毕，此时关闭开关阀和三通阀，进入正常工作状态。
尿素溶液喷射计量与雾化系统
当达到稳定喷射压力的尿素溶液流入到尿素喷射计量与雾化器中时，在控制单元的控制下，向尿素溶液喷嘴输入精确流量的尿素溶液和稳定的辅助压缩空气，在喷嘴的作用下，向柴油机排气中喷射尿素汽雾。
选择催化还原催化器
尿素汽雾在排气热量的作用下，生成氨气，氨气与排气中均匀混合，在催化器的作用下，选择催化还原排气中的氮氧化物污染物。
控制单元
本发明结构简单，按照控制参数设计常规的控制单元即可。
实施例1：
对照图1-5，尿素溶液流量控制装置与雾化器采取按照图3的一体化设计方案。
在一台排量为9.73L额定功率为276kW某重型高压共轨增压柴油机上进行了国家排放法规规定的标准测试工况试验，其中SCR催化器体积为20L，柴油机原机氮氧化物排放测试结果ESC，即欧洲稳态测试循环或称十三工况法，为8.59g/kW.h；ETC，即欧洲瞬态测试循环，为9.67g/kW.h；
使用尿素溶液添加装置向排气中喷射尿素溶液后，柴油机氮氧化物排放测试结果ESC为1.81g/kW.h；ETC为1.66g/kW.h；氨气泄漏峰值低于8ppm。
图5是柴油机ETC工况中原机与尿素溶液喷射时氮氧化物排放曲线图，从氮氧化物浓度的变化规律看，本发明的精度和响应特性完全满足了柴油机SCR的系统需求。