空气辅助式喷嘴、后处理系统及其控制方法.pdf

一种空气辅助式喷嘴，其包括安装部以及凸出所述安装部的主体部，所述主体部设有末端、贯穿所述末端的尿素通道以及环绕在所述尿素通道外围且贯穿所述末端的空气通道，所述尿素通道与所述空气通道在所述喷嘴的外部实现连通；所述喷嘴还包括用以对尿素通道中的尿素溶液进行加热的加热元件。本发明还涉及一种发动机尾气后处理系统及其控制方法。本发明通过增加加热元件对尿素溶液进行加热，当尿素管路中存在尿素晶体时，通过加热可以将晶体消除；当尿素管路中不存在尿素晶体时，可以预防低温工况下形成尿素结晶。

1.  一种空气辅助式喷嘴，其特征在于：所述喷嘴包括安装部以及凸出所述安装部的主体部，所述主体部设有末端、贯穿所述末端的尿素通道以及环绕在所述尿素通道外围且贯穿所述末端的空气通道，所述尿素通道与所述空气通道在所述喷嘴的外部实现连通；所述喷嘴还包括用以对尿素通道中的尿素溶液进行加热的加热元件。

2.  如权利要求1所述的空气辅助式喷嘴，其特征在于：所述加热元件设置在所述尿素通道的内侧。

3.  如权利要求1所述的空气辅助式喷嘴，其特征在于：所述主体部包括位于所述尿素通道外围的加热通道，所述加热元件位于所述加热通道内。

4.  如权利要求3所述的空气辅助式喷嘴，其特征在于：所述加热通道呈环形，位于所述尿素通道与所述空气通道之间；所述加热元件包括位于所述加热通道内的加热丝或者加热片。

5.  如权利要求1所述的空气辅助式喷嘴，其特征在于：所述主体部包括位于所述尿素通道外围的加热通道，所述加热元件包括用以引入所述加热通道内的发动机废气。

6.  如权利要求5所述的空气辅助式喷嘴，其特征在于：所述加热元件包括对所述废气进行加热的废气加热装置。

7.  如权利要求1所述的空气辅助式喷嘴，其特征在于：所述加热元件为感应加热元件，其包裹在所述主体部的外围。

8.  如权利要求7所述的空气辅助式喷嘴，其特征在于：所述喷嘴还包括包裹在所述感应加热元件外围的保护套。

9.  如权利要求1至8项中任意一项所述的空气辅助式喷嘴，其特征在于：所述加热元件设有电源接头。

10.  如权利要求1所述的空气辅助式喷嘴，其特征在于：所述喷嘴包括与所述尿素通道连通的尿素管接头以及与所述空气通道连通的空气管接头，所述尿素通道为直通道且位于所述主体部的中部，所述空气通道包括环形的第一通道以及锥形的第二通道。

11.  一种发动机尾气后处理系统，其包括与所述尿素通道相连且用以泵送尿素溶液的尿素泵、与所述空气通道相连的气源、控制器以及用以安装到排气管上的喷嘴，其特征在于：所述喷嘴为权利要求1至10项中任意一项所述的喷嘴。

12.  一种发动机尾气后处理系统的控制方法，其特征在于：所述发动机尾气后处理系统为权利要求11所述的发动机尾气后处理系统，所述控制方法包括：
在低温工况下，关闭所述空气通道，启动所述加热元件对所述尿素通道中的尿素溶液进行加热，使尿素溶液被蒸发分解为氨气，并以较大的压力将氨气喷射到排气管中；
在高温工况下，关闭所述加热元件，开启空气通道导入压缩空气，并借助空气实现对尿素溶液较好的雾化。

13.  如权利要求12所述的控制方法，其特征在于：所述低温工况是指排气温度低于220℃，所述高温工况是指排气温度高于220℃。

空气辅助式喷嘴、后处理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种空气辅助式喷嘴、具有该喷嘴的发动机尾气后处理系统及该后处理系统的控制方法。
背景技术
利用尿素水解之后产生氨气的原理来处理发动机尾气的技术由来已久。通常，现有技术中有非空气辅助式和空气辅助式两套系统，其中非空气辅助式的系统是利用动力源对尿素溶液进行加压，然后再借助喷嘴将尿素溶液雾化到排气管中；空气辅助式的系统又细分为两种类型，一种是内混式，另一种是外混式。其中，内混式是指系统内设置有位于喷嘴之前的混合腔，尿素溶液和压缩空气在混合腔内混和之后，再通过喷嘴雾化到排气管中；外混式是指尿素溶液与压缩空气不在内部混合，而在喷嘴的外部实现混合。
研究表明，在低温工况下，一旦尿素溶液中的水分被蒸发，尿素晶体就会析出形成尿素结晶，可能堵塞尿素管路、混合器的表面、催化器的表面以及喷嘴等，最终会增加发动机的油耗、降低对尾气中有害物质的净化效率。
非空气辅助式系统和空气辅助式系统有各自的优缺点，在如何解决尿素结晶的问题上所采用的方式也各不相同。
随着排放标准的不断升级，对发动机尾气的处理要求越来越高。随着尿素喷入量的增加，尿素结晶的风险也在增加，如何解决尿素结晶的问题已经成为阻碍后处理技术向前发展的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少尿素结晶风险的空气辅助式喷嘴、后处理系统及其控制方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种空气辅助式喷嘴，其包括安装部以及凸出所述安装部的主体部，所述主体部设有末端、贯穿所述末端的尿素通道以及环绕在所述尿素通道外围且贯穿所述末端的空气通道，所述尿素通道与所述空气通道在所述喷嘴的外部实现连通；所述喷嘴还包括用以对尿素通道中的尿素溶液进行加热的加热元件。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述加热元件设置在所述尿素通道的内侧。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述主体部包括位于所述尿素通道外围的加热通道，所述加热元件位于所述加热通道内。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述加热通道呈环形，位于所述尿素通道与所述空气通道之间；所述加热元件包括位于所述加热通道内的加热丝或者加热片。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述主体部包括位于所述尿素通道外围的加热通道，所述加热元件包括用以引入所述加热通道内的发动机废气。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述加热元件包括对所述废气进行加热的废气加热装置。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述加热元件为感应加热元件，其包裹在所述主体部的外围。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述喷嘴还包括包裹在所述感应加热元件外围的保护套。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述加热元件设有电源接头。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述喷嘴包括与所述尿素通道连通的尿素管接头以及与所述空气通道连通的空气管接头，所述尿素通道为直通道且位于所述主体部的中部，所述空气通道包括环形的第一通道以及锥形的第二通道。
本发明还涉及一种发动机尾气后处理系统，其包括与所述尿素通道相连且用以泵送尿素溶液的尿素泵、与所述空气通道相连的气源、控制器以及用以安装到排气管上的上述喷嘴。
本发明还涉及一种上述发动机尾气后处理系统的控制方法，其包括：
在低温工况下，关闭所述空气通道，启动所述加热元件对所述尿素通道中的尿素溶液进行加热，使尿素溶液被蒸发分解为氨气，并以较大的压力将氨气喷射到排气管中；
在高温工况下，关闭所述加热元件，开启空气通道导入压缩空气，并借助空气实现对尿素溶液较好的雾化。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述低温工况是指排气温度低于220℃，所述高温工况是指排气温度高于220℃。
相较于现有技术，本发明采用了空气辅助式喷嘴，引入空气，提高尿素的雾化效果；在此基础上，通过增加加热元件对尿素溶液进行加热，当尿素管路中存在尿素晶体时，通过加热可以将晶体消除；当尿素管路中不存在尿素晶体时，可以预防低温工况下形成尿素结晶。
附图说明
图1是本发明发动机尾气后处理系统的原理示意图。
图2是图1中的喷嘴在第一实施方式中的剖面示意图。
图3是图1中的喷嘴在第二实施方式中的剖面示意图。
图4是图1中的喷嘴在第三实施方式中的剖面示意图。
图5是图1中的喷嘴在第四实施方式中的剖面示意图。
图6是与图5中的喷嘴相配合的废气加热管路的示意图。
图7是图1中的喷嘴在第五实施方式中的剖面示意图。
具体实施方式
请参图1所示，本发明揭示了一种发动机尾气后处理系统100，其包括尿素筒1、用以从所述尿素筒1中向外泵送尿素溶液的尿素泵2、气源3、控制器（未图示）以及用以安装到排气管7上的空气辅助式喷嘴5。所述气源3可以是空气泵或者气囊。在本发明图示的实施方式中，所述气源3为气囊，所述发动机尾气后处理系统100还包括与所述气源3相连的控制阀4。所述尿素泵2可以是膜片泵、柱塞泵、齿轮泵等。本发明的发动机尾气后处理系统100是一种空气辅助式的后处理系统。
请参图2所示，所述喷嘴5包括安装部51、凸出所述安装部51的主体部52以及连接于所述安装部51的若干接头。
在本发明图示的实施方式中，所述安装部51大致呈平板状，所述主体部52向下凸出所述安装部51。所述主体部52设有位于底部的末端520、向下贯穿所述末端520的尿素通道521以及环绕在所述尿素通道521外围且贯穿所述末端520的空气通道522。所述喷嘴5是外混式的，即所述尿素通道521与所述空气通道522在所述喷嘴5的外部实现连通，在所述喷嘴5的内部是分开的。
在本发明图示的实施方式中，所述尿素通道521为直通道且位于所述主体部52的中部，所述尿素通道521贯穿所述末端520的位置处形成尿素喷射孔5211。所述空气通道522包括环形的第一通道5221以及锥形的第二通道5222，所述第二通道5222贯穿所述末端520的位置处形成空气喷射孔5223。在本发明图示的实施方式中，所述空气喷射孔5223呈圆环状且环绕在所述尿素喷射孔5211的外围，以实现较好的混合。
所述若干接头包括与所述尿素通道521连通的尿素管接头53以及与所述空气通道522连通的空气管接头54。
在本发明中，所述喷嘴5还包括用以对尿素通道521中的尿素溶液进行加热的加热元件6。
请参图2所示，在本发明图示的第一实施方式中，所述主体部52包括位于所述尿素通道521外围的加热通道523。所述加热通道523呈环形，且位于所述尿素通道521与所述空气通道522之间。所述加热元件6为放置在所述加热通道523内的加热丝或者凡是能够起到加热功能的其他元件。
请参图3所示，在本发明图示的第二实施方式中，所述主体部52包括位于所述尿素通道521外围的加热通道523。所述加热通道523呈环形，且位于所述尿素通道521与所述空气通道522之间。所述加热元件6为贴敷在所述加热通道523内侧的加热片或者凡是能够起到加热功能的其他元件。
请参图4所示，在本发明图示的第三实施方式中，所述加热元件6直接设置在所述尿素通道521的内侧，以对尿素溶液进行加热。所述加热元件6可以是加热丝或者加热片等。
请参图5及图6所示，在本发明图示的第四实施方式中，所述主体部52包括位于所述尿素通道521外围的加热通道523。所述加热通道523呈环形，且位于所述尿素通道521与所述空气通道522之间。所述加热元件6包括用以引入所述加热通道523内的发动机废气，利用废气的热量实现对尿素溶液的加热。所述废气在与尿素溶液进行热交换之后，从新回到排气管7中（参废气流动箭头）。优选地，为了提高废气温度，所述加热元件6还包括对所述废气进行加热的废气加热装置61。具体地，请参图6所示，从排气管7的某一位置将废气引出一路，在管路中添加所述废气加热装置61以及用以抽吸废气的动力装置（未图示），再将加热后的废气引入到所述加热通道523内，然后废气再循环到排气管7中。
请参图7所示，所述加热元件6为感应加热元件（例如感应加热线圈），其设置在所述主体部52的外围，加热过程中直接对喷嘴5整体加热，利用磁场的穿透性使尿素溶液升温。此时，所述主体部52无需设置类似第一、第二实施方式中的加热通道523。为了保护所述加热元件6，所述喷嘴5还包括包裹在所述感应加热元件外围的保护套62。
请参图2至图7所示，所述加热元件6设有电源接头63，以对其进行供电。
另外，本发明还涉及一种上述发动机尾气后处理系统100的控制方法，其包括两种工作模式：
在低温工况下，关闭所述空气通道522（例如关闭控制阀4，不引入压缩空气），启动所述加热元件6对所述尿素通道521中的尿素溶液进行加热，使尿素溶液被蒸发分解为氨气，并以较大的压力将氨气喷射到排气管7中。所述低温工况是指例如发动机启动的初期或者怠速状态，此时排气温度通常低于220℃。
在高温工况下，关闭所述加热元件6，开启空气通道522导入压缩空气，并借助空气实现对尿素溶液较好的雾化。在高温工况下，此时排气温度通常高于220℃。
需要说明的是：在低温工况下，尿素结晶的风险比较大，启动加热元件6能够降低结晶风险。低温工况下，尿素溶液被加热形成氨气并具有一定压力的物理化学变化过程，可以简述为：
一、尿素溶液形成氨气
尿素晶体热解：(NH₂)₂CO — NH₃+HNCO
尿素晶体的熔点为132.5℃，高温（例如350℃~650℃）条件下，尿素CN键断裂分解为氨气（NH₃）。研究表明，在190℃~350℃温度区间，尿素也会发生部分热解，但产物比较复杂。
尿素溶液的热解过程（包括水解）为：
(NH₂)₂CO — (NH₂)₂CO +H₂O
(NH₂)₂CO — NH₃+HNCO
HNCO+H₂O — NH₃+CO₂
二、形成一定喷射压力
根据气态方程：PV=nRT（其中：P：气体压强；V：气体体积；n：气体物质的量；T：气体温度；R：气体常数），可以得出压力和温度成比例关系，随着温度的上升，气体压力会逐渐增大。因此，通过对尿素溶液进行加热，提高温度，当尿素溶液生成氨气时，气体能够形成较大压力而喷射出。在此过程中，因为喷入排气管7中的是氨气而不是尿素溶液，因此解决了尿素结晶的问题。
相较于现有技术，本发明不仅仅是增加了加热功能就解决了结晶问题这么简单，而应该从整体系统架构上考虑本发明的优越性。首先，本发明采用外混空气辅助式后处理系统，能够更好的实现尿素清空（purge），从而解决尿素结冰的问题。另外，通过设置加热元件6，结合控制策略，当尿素管路中存在尿素晶体时，通过加热可以将晶体消除（因为尿素晶体在高温下热解成氨气和异氰酸）；当尿素管路中不存在尿素晶体时，可以预防低温工况下形成尿素结晶。
以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，对本说明书的理解应该以所属技术领域的技术人员为基础，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。