CN101493027B - 车辆排气处理用的空气混合计量系统 - Google Patents

车辆排气处理用的空气混合计量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种车辆排气处理用的空气混合计量系统，特征是：其包括计量供给单元、计量驱动部、空气电磁阀、溢流阀、尿素罐、蓄压腔温度传感器、混合腔压力传感器、DCU控制部、催化器等，计量供给单元与催化器连接，空气电磁阀与快速接头连接，出口快速接头通过管路与喷嘴相连，尿素罐内尿素溶液由隔膜泵输送至计量供给单元，通过快速接头相连，回流口与溢流阀相连回流至尿素罐，压缩空气入口与压缩空气源相连，混合出口经管路连接将气液混合物经喷嘴喷入排气管道中。本发明结构紧凑，体积小，重量轻，计量精确，为车载布置节约了大量的空间；同时又保持了较高的计量精度和雾化效果，保证了在不同地区和环境下正常工作的可靠性。

Description

车辆排气处理用的空气混合计量系统
技术领域
本发明涉及一种车辆排气处理用的空气混合计量系统，具体地说是将车辆排气后处理用的液体计量和供给装置。
背景技术
目前，Urea-SCR体系已成为满足欧V与US 2007的重型柴油车NOx净化首选技术。该技术路径具有很强的升级潜力，为更高的排放要求留有余地，在我国也逐渐形成了这样的共识，SCR系统逐渐成为各大厂商应对下一轮排放要求的首选路径。SCR系统的关键就在于优化发动机的内部燃烧，然后通过预测NOx的排放量，向排气管路内喷入雾化良好，化学反应当量剂量精确的尿素溶液。在已有技术中，整套系统代价高昂，结构复杂庞大，它主要有DCU控制器，压缩空气输送单元(包括限压器、2/2换向阀及止回阀)，尿素溶液供给单元(止回阀、过滤器、输送泵、压力调节器、压力传感器、排气阀、回流管路及另一止回阀等)以及电磁计量单元和将混合气体导入排气管路的喷射器，各部分内部都是分别独立的零件，通过管路连接之后封装，外部各个总成连接时则通过连接插头将整个系统连接成一个整体，体积较大，集成度不高，不利于在有限的空间内布置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种车辆排气处理用的尿素水溶液和空气混合计量装置，结构紧凑，体积小，重量轻，计量精确，为车载布置节约了大量的空间；同时又保持了较高的计量精度和雾化效果，保证了在不同地区和环境下正常工作的可靠性。
按照本发明提供的技术方案，车辆排气处理用的空气混合计量系统包括隔膜泵、计量供给单元、计量驱动部及DCU控制部，所述计量供给单元分别与计量驱动部、空气电磁阀连接，及通过溢流阀与尿素罐连接；尿素罐上安装的液位传感器、第一温度传感器与DCU控制部连接，尿素罐通过管路与隔膜泵连接；隔膜泵连接单向止回阀，单向止回阀与计量供给单元连接；尿素罐上连接有加热延时继电器，DCU控制部与加热延时继电器连接；引擎通过排气管路与催化器连接，安装在催化器前端的第二温度传感器与DCU控制部连接；计量供给单元与催化器连接，空气电磁阀通过快速接头与计量供给单元连接，出口快速接头通过管路与安装在催化器前端排气管路上的喷嘴相连，尿素罐内尿素溶液由隔膜泵输送至计量供给单元，回流口与溢流阀相连回流至尿素罐，压缩空气入口与压缩空气源相连，混合出口)经管路连接将气液混合物经喷嘴喷入排气管道中；特征是：计量驱动部分别与蓄压腔温度传感器、蓄压腔压力传感器、混合腔压力传感器、DCU控制部及PTC加热器连接；空气电磁阀与压缩机连接。
所述计量供给单元本体上分别设置有蓄压腔温度传感器接口、蓄压腔压力传感器接口、混合腔压力传感器接口。
所述计量供给单元主要由计量单元本体、电磁铁紧帽、法兰、电磁线圈部件、弹簧上座、弹簧、弹簧下座、衔铁、垫圈、调整垫片、衬环、密封环、喷射器体、阀芯组成，阀芯安装在喷射器体内，在阀芯依次安装密封环、垫圈、衬环、衔铁、弹簧下座、弹簧、调整垫片及弹簧上座，电磁铁紧帽与法兰上部螺接，并与电磁线圈部件的外部凸沿配合连接，将喷射器体通过法兰固定在计量单元本体上。
所述计量单元本体内分别设有尿素入口、压缩空气入口、回流口、混合出口，压缩空气入口及混合出口分别与混合腔相连通；尿素入口及回流口分别与蓄压腔相连通。
所述衔铁上有衔铁上端面及衔铁下端面。
所述阀芯上分别设有阀芯上部配合凸沿、阀芯定位及让液体通过的扁位及阀芯头部与阀座的配合端。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
1、本发明由于提供并保证流入液体工作压力的供给部，提供计量和初步雾化的喷射器，用于监控工作环境的压力传感器和温度传感器，用于加热计量泵本体的加热器，用于控制喷射器喷射动作和相应温度传感器输出而将加热电流输送到加热器上的驱动部，用于高速压缩空气和相对低速的液滴进行充分混合的混合部，因此，保持了较高的计量精度和雾化效果，保证了在不同地区和环境下正常工作的可靠性。
2、通用性强，同时结构紧凑便于在有限的空间内进行布置，采用内部环境补偿设计，当DCU控制部给计量驱动部发送喷射量指令时，驱动部根据蓄压腔内的传感器和混合腔内的传感器接收到的温度和压力值，来对喷射量进行补偿，确保获得精确的喷射量。
3、在计量运行前后利用压缩空气对管路进行30秒的冲洗，以使得管路的畅通，压缩空气由空气电磁阀控制开启和关闭时间，并通过文丘里管对空气流量以及速度进行节流，在混合腔内与尿素进行混合，增强尿素的雾化效果，然后由气液混合后由出口流向喷嘴，防止结晶沉积造成管路及排气管内喷嘴的堵塞。
4、压力溶液进入蓄压腔通过小液孔，通过不同占空比控制电磁铁和衔铁的吸合，带动铁芯动作，控制单孔的启闭，完成不同剂量的尿素喷射。
5、计量泵尿素腔内温度可进行自检，当低于设定温度时，加热部件开始工作并加热至预设温度值；当尿素腔内温度低于最低工作温度时，驱动部不允许其进行动作。
6、当开机启动时就对腔内的液体温度进行测量，当低于某一阀值即对整体进行加热，以保证内部液体的流动以及外部接头处的温度，以防止接头被冻结。
7、由于将计量、混合、加热等装置高度集成在了一起，体积小，重量轻，为车载布置节约了大量的空间。
附图说明
图1是本发明整个SCR系统中部件连接布置示意图。
图2是本发明的主机部分外部结构主视图。
图3是本发明的主机部分外部结构侧视图。
图4是本发明的主机部分内部结构示意图。
图5是本发明的喷射器体的阀内部结构分解图。
图6为本发明衔铁、阀芯装配示意图。
图7为本发明衔铁的剖面示意图。
图8为本发明阀芯的装配示意图。
图9为本发明DCU控制部控制方框原理图。
具体实施方式
下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：
如图1～图6所示，包括隔膜泵100、计量供给单元101、空气电磁阀102、PTC加热器103、计量驱动部104、引擎105、尿素罐106、催化器107、DCU控制部108、计量单元本体1、电磁铁紧帽2、法兰3、尿素液入口快速接头4、压缩空气入口快速接头5、四个螺纹口用于安装PTC加热器6、尿素液过压回流快速接头7、混合出口快速接头8、电磁线圈部件9、蓄压腔温度传感器接口10、蓄压腔压力传感器接口11、混合腔压力传感器接口12、弹簧上座13、弹簧14、弹簧下座15、衔铁16(衔铁上端面16A、衔铁下端面16B)、垫圈17、调整垫片18、衬环19、密封环20、第一O型圈21、第二O型圈22、混合腔23、喷射器体24(喷射器体侧面溶液入口孔24A)、阀芯25(阀芯上部配合凸沿25A、阀芯定位及让液体通过的扁位25B、25C、阀芯头部与阀座的配合端25D)、蓄压腔26、尿素入口27、压缩空气入口28、回流口29、混合出口30、蓄压腔温度传感器31、蓄压腔压力传感器32、混合腔压力传感器33及喷嘴34、溢流阀35、单向止回阀36等。
如图1～图3所示，该系统部分所有的实线代表管路连接，虚线代表线路连接。
本发明包括隔膜泵100、计量供给单元101、空气电磁阀102、PTC加热器103、计量驱动部104、引擎105、尿素罐106、催化器107、DCU控制部108、蓄压腔温度传感器31、蓄压腔压力传感器32、混合腔压力传感器33、第一温度传感器、第二温度传感器、液位传感器、ECM、压缩机及加热延时继电器；所述计量供给单元101分别与计量驱动部104、空气电磁阀102连接，及通过溢流阀35与尿素罐106连接；计量驱动部104分别与蓄压腔温度传感器31、混合腔压力传感器33、蓄压腔压力传感器32、DCU控制部108及PTC加热器103连接；空气电磁阀102与压缩机连接；尿素罐106分别通过液位传感器、第一温度传感器与DCU控制部108及隔膜泵100连接；隔膜泵100连接单向止回阀36，且通过单向止回阀36与计量供给单元101连接；尿素罐106上连接有加热延时继电器，DCU控制部108与加热延时继电器连接；在引擎105内设置发动机控制器ECM，DCU控制部108与ECM连接；引擎105通过排气管路与催化器107连接，催化器107前部排气管路上的第二温度传感器与DCU控制部108连接；计量供给单元101通过喷嘴34与催化器107前部的排气管路连接。隔膜泵100在尿素罐106之后，与计量供给单元101通过符合J1939协议标准的快速接头4相连。计量供给单元101通过底部的四个螺纹孔用螺栓固定在车架上。
压缩空气由空压机至空气电磁阀102，空气电磁阀102经过文丘里管降压增速后由管路与快速接头5连接。当压缩空气和尿素溶液在混合腔23内充分混合之后由混合出口快速接头8通过管路与喷嘴34相连。
当发动机开启之后，DCU控制部108即令隔膜泵100工作，形成的压力储存在蓄压腔26内，从喷射器体侧面的尿素溶液入口孔24A进入尿素溶液喷射器体内部。
即从快速接头4到尿素溶液入口至喷射器体侧面的尿素溶液入口孔24A建立尿素溶液传输通道，以及密封环以下的液体区域形成压力储留区即蓄压腔26，并与尿素溶液回流口29相通，通过背压控制部即溢流阀35将回流的尿素溶液经快速接头7连接的管路回流到尿素罐106。
尿素罐106内尿素溶液(尿素溶液即尿素的质量浓度为32.5％的尿素水溶液)由隔膜泵100输送至计量供给单元101，通过快速接头4相连，回流口29与溢流阀35相连回流至尿素罐106，压缩空气入口28与压缩空气源相连，混合出口30经管路连接将气液混合物经喷嘴34喷入排气管道中。
如图2～图6所示，本发明中的计量供给单元101主要由计量单元本体1、电磁铁紧帽2、法兰3、电磁线圈部件9、弹簧上座13、弹簧14、弹簧下座15、衔铁16、垫圈17、调整垫片18、衬环19、密封环20、喷射器体24、阀芯25组成。阀芯25安装在喷射器体24内，在阀芯25依次安装密封环20、垫圈17、衬环19、衔铁16、弹簧下座15、弹簧14、调整垫片18及弹簧上座13。在喷射器体24内分别设置有第一O型圈21及第二O型圈22。电磁铁紧帽2与法兰3上部螺接，并与电磁线圈部件9(市场所购)的外部凸沿配合将喷射器体24及内部组件并紧，整体通过法兰2用螺栓固定在计量单元本体1上。在计量单元本体1内分别设有尿素入口27、压缩空气入口28、回流口29、混合出口30，压缩空气入口28及混合出口30分别与混合腔23相连通；尿素入口27及回流口29分别与蓄压腔26相连通。PTC加热器103通过簧片及夹板用螺栓与6螺接固定。
如图6～图8所示，在喷射器体24内，衔铁16上有衔铁上端面16A及衔铁下端面16B。阀芯25上分别设有阀芯上部配合凸沿25A、阀芯定位25B及让液体通过的扁位25C及阀芯头部与阀座的配合端25D。衔铁16与阀芯25上端为过渡配合，直至衔铁16的下端面16B与阀芯上部配合凸沿25A相抵，使用激光焊接将H1和H2部位环焊，使其能够同步运动。当电磁线圈部件9没有通电时，弹簧14对阀芯25施加向下作用的预紧力，使阀芯头部与阀座的配合端25D与喷射器体单孔喷口的阀座部紧密贴合，保证喷孔封闭。
如图3所示，在计量单元本体1上分别设置有蓄压腔温度传感器接口10、蓄压腔压力传感器接口11、混合腔压力传感器接口12。
如图9所示，为计量系统控制装置DCU控制部的结构原理图。DCU控制部主要由CPU、EEPROM、电源、I/O接口、故障检测单元、驱动单元、12位A/D转换器、故障指示灯等组成。当点火信号通过I/O接口被CPU采集后，CPU从CAN总线接头接收发动机的工作状态(包括转速、油门开度等)，同时通过A/D转换装置和信号调理模块接收来自传感器的信号，由此确定尿素喷射目标量，并经过CAN总线输出控制指令。
本发明的工作原理及工作过程：
当发动机启动后，DCU控制部108即发送要求隔膜泵100工作的指令后，尿素通过管路被隔膜泵100抽取并经过单向止回阀36被输送到计量供给单元101当中，尿素溶液由隔膜泵100经由尿素入口27进入蓄压腔26，保持约3～5bar的压力值，如果超过设定值，尿素溶液会经由尿素回流口29回流至尿素罐106。一旦计量驱动部104接收从DCU控制部108传输来的喷射量信号，通过蓄压腔温度传感器31，蓄压腔压力传感器32，混合腔压力传感器33的接收数据进行二次修正，并控制计量供给单元101以及空气电磁阀102的动作。计量驱动部104控制电磁铁的运动，计量驱动部104给电磁线圈部件9提供驱动信号，电磁铁与衔铁上表面16A吸和，带动与衔铁一体的阀芯25克服弹簧力作用向上运动，溶液经过阀芯定位25B及让液体通过的扁位25C后由喷口进入混合腔23内。压缩空气经过减压加速后高速喷入混合腔23内，与尿素溶液充分混合雾化，由混合出口30进入雾化气体管道，经喷嘴34喷入排气管路中。
DCU控制部根据发动机转速、油门开度以及排气管温度等参数查表可得初步的油量控制信号并传输给计量驱动部，计量驱动部104根据温度及压力传感器的信号对油量信号进行补偿并控制传输给电磁线圈的电流大小以改变阀芯的动作。驱动部还通过温度传感器的信号控制PTC加热器的启闭，当腔内温度低于一阀值时，计量驱动部104控制电流输入，并在腔内温度上升至一定值时停止加热。

Claims (5)

1.一种车辆排气处理用的空气混合计量系统，包括隔膜泵(100)、计量供给单元(101)、计量驱动部(104)、DCU控制部(108)；所述计量供给单元(101)分别与计量驱动部(104)、空气电磁阀(102)连接，及通过溢流阀(35)与尿素罐(106)连接；尿素罐(106)上安装的液位传感器、第一温度传感器与DCU控制部(108)连接，尿素罐(106)通过管路与隔膜泵(100)连接；隔膜泵(100)连接单向止回阀(36)，单向止回阀(36)与计量供给单元(101)连接；尿素罐(106)上连接有加热延时继电器，DCU控制部(108)与加热延时继电器连接；安装在催化器(107)前端的第二温度传感器与DCU控制部(108)连接；计量供给单元(101)与催化器(107)连接，空气电磁阀(102)通过快速接头(5)与计量供给单元(101)连接，出口快速接头(8)通过管路与安装在催化器(107)前端排气管路上的喷嘴(34)相连，尿素罐(106)内尿素溶液由隔膜泵(100)输送至计量供给单元(101)，回流口(29)与溢流阀(35)相连回流至尿素罐(106)，压缩空气入口(28)与压缩空气源相连，混合出口(30)经管路连接将气液混合物经喷嘴(34)喷入排气管道中；所述计量驱动部(104)分别与蓄压腔温度传感器(31)、蓄压腔压力传感器(32)、混合腔压力传感器(33)、DCU控制部(108)及PTC加热器(103)连接；空气电磁阀(102)与压缩机连接；
其特征在于：所述计量供给单元(101)主要由计量单元本体(1)、电磁铁紧帽(2)、法兰(3)、电磁线圈部件(9)、弹簧上座(13)、弹簧(14)、弹簧下座(15)、衔铁(16)、垫圈(17)、调整垫片(18)、衬环(19)、密封环(20)、喷射器体(24)、阀芯(25)组成，阀芯(25)安装在喷射器体(24)内，在阀芯(25)上依次安装密封环(20)、垫圈(17)、衬环(19)、衔铁(16)、弹簧下座(15)、弹簧(14)、调整垫片(18)及弹簧上座(13)，电磁铁紧帽(2)与法兰(3)上部螺接，并与电磁线圈部件(9)的外部凸沿配合连接，喷射器体(24)通过法兰(3)固定在计量单元本体(1)上。
2.根据权利要求1所述的车辆排气处理用的空气混合计量系统，其特征在于所述计量供给单元本体(1)上分别设置有蓄压腔温度传感器接口(10)、蓄压腔压力传感器接口(11)及混合腔压力传感器接口(12)。
3.根据权利要求1所述的车辆排气处理用的空气混合计量系统，其特征在于所述计量单元本体(1)内分别设有尿素入口(27)、压缩空气入口(28)、回流口(29)、混合出口(30)，压缩空气入口(28)及混合出口(30)分别与混合腔(23)相连通；尿素入口(27)及回流口(29)分别与蓄压腔(26)相连通。
4.根据权利要求1所述的车辆排气处理用的空气混合计量系统，其特征在于所述衔铁(16)上有衔铁上端面(16A)及衔铁下端面(16B)。
5.根据权利要求1所述的车辆排气处理用的空气混合计量系统，其特征在于所述阀芯(25)上分别设有阀芯上部配合凸沿(25A)、阀芯定位(25B)、让液体通过的扁位(25C)及阀芯头部与阀座的配合端(25D)。
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