CN102269031A - 通用型scr喷射系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对发动机排出尾气后处理的通用型SCR喷射系统，通过该系统将适量的还原剂喷射到发动机排出的尾气中以降低NOx浓度。它主要包括设置在发动机排气总管上的占空比控制式还原剂喷嘴和SCR催化器、与占空比控制式还原剂喷嘴相连的气动恒压还原剂供给装置、设置在发动机进气总管和排气总管上的进气流量传感器和排气温度传感器和驱动控制上述喷嘴和还原剂供给装置的控制单元。通过SCR催化器后和占空比控制式还原剂喷嘴前的NOx传感器信号及总NOx生成量模型、催化转化器效率模型、氨氮比控制初始MAP，还原剂喷射系统就可以自学习生成相应的还原剂喷射量MAP，通过气动恒压还原剂供给装置实现自适应的定量喷射。该系统可以独立于发动机ECU工作，具有很强的通用性。

Description

通用型SCR喷射系统
技术领域
本发明属于发动机排出的尾气后处理技术，具体涉及一种SCR喷射系统，通过该系统将适量的还原剂喷射到发动机排出的尾气中以降低发动机尾气中的NOx浓度。
背景技术
随着汽车尾气污染的日益严重，汽车尾气排放法规也越来越严格。发动机的机内净化已经满足不了严格的法规，则采用机内净化和后处理系统相结合的技术路线才能达到更为严格的法规标准。
以非均质燃烧为表征的柴油机最难控制且存在矛盾性的是颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)两种。作为后处理技术之一的选择性催化还原技术(SCR)能够有效的处理尾气中的NOx。然而由于历史的原因，我国重型柴油机的电子控制系统大量借鉴或引入了国外的产品，对整机控制算法、信号协议、核心硬件自主开发权限不足。同时，我国的后处理系统产业发展也不容乐观，催化反应器、系统电子控制单元均未见商品型产品出现。在这样的前提下SCR和电控系统是相互耦合的，例如BOSCH公司的第二代SCR喷射系统，控制单元(DCU)需不断与发动机ECU进行实时通信，从而确定发动机的工况信息，然后通过控制计量喷射泵来给喷嘴提供各个工况下所需喷射的还原剂质量，从而实时控制喷嘴进行喷射；目前我国大量自主研发的SCR后处理系统一如既往的沿袭了国外的模式，一机一标，缺乏通用性，无法为全行业的进步提供支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种通用型SCR喷射系统，以解决发动机后处理系统与发动机ECU之间的解耦问题，从而能够使SCR喷射系统独立于发动机ECU之外工作，并且针对不同的SCR催化器，该系统都能够自学习生成相应的还原剂喷射量MAP，使发动机排气中的NOx保持在合理的范围之内，提高系统的通用性。
本发明通用型SCR喷射系统，包括设置在发动机排气总管上的占空比控制式还原剂喷嘴和通过文丘里管与该喷嘴相连接的SCR催化器、气动恒压还原剂供给装置、间歇性补液装置、压缩气体源、还原剂罐和控制单元，所述的还原剂罐的出液口通过第II单向阀与间歇性补液装置的进液口、间歇性补液装置的出液口通过第I单向阀与气动恒压还原剂供给装置的进液口、气动恒压还原剂供给装置的出液口通过第I电磁阀与占空比控制式还原剂喷嘴的入口依次进行管道连接；所述的压缩气体源通过第II三通阀分别经减压阀与气动恒压还原剂供给装置气路连接，经第III电磁阀、第I三通阀与间歇性补液装置气路连接，第I三通阀的另一端通过第II电磁阀与所述的文丘里管气路连通；在所述的占空比控制式还原剂喷嘴之前和SCR催化器之后的发动机排气总管上分别设置一取样支管通过电控三通阀联结在NOx传感器上；占空比控制式还原剂喷嘴出口通过回液管与还原剂罐相连；
在发动机进气总管上和排气总管上分别设置有进气流量传感器和排气温度传感器；在所述还原剂罐、气动恒压还原剂供给装置的下部分别设置第III液位传感器、第II液位传感器；气动恒压还原剂供给装置的上部还设置第I液位传感器；
所述控制单元由一单片机和与单片机的PWM通道I相联接的驱动电路板构成；进气流量传感器和排气温度传感器直接与控制单元中单片机的A/D转换通道I相联接；第III液位传感器、第II液位传感器、第I液位传感器和NOx传感器分别与控制单元中单片机的A/D转换通道II相联接；所述的第I电磁阀、第II电磁阀、第III电磁阀和电控三通阀分别与控制单元中单片机的I/O口联接；占空比控制式还原剂喷嘴通过控制单元中的驱动电路板与单片机的PWM通道I相联接，单片机通过控制PWM波形占空比来实现还原剂的定量喷射。
本发明的原理是：当发动机运转时，控制单元分别通过采集进气流量传感器、排气温度传感器、通过SCR催化器后和占空比控制式还原剂喷嘴前的取样支管采集的NOx传感器信号，利用几个典型工况构建出总NOx生成量、SCR催化器转化效率两个核心模型后，针对不同机型的原始排气特性和预期NOx排放水平就可以构建出氨氮比控制初始MAP。从而还原剂喷射系统就可以自学习生成相应的还原剂喷射量MAP。实现自适应的定量喷射。
本发明的有益效果在于：通用型SCR喷射系统具有自学习能力，对于任何机型只用输入原机排放水平、预期排放目标，经过简单的训练工况后通用型SCR喷射系本身就会评判出机型排放达标的可行性及还原剂喷射量MAP。即通用型SCR喷射控制系统可以独立于发动机ECU工作，具有很强的通用性。
附图说明
图1为通用型SCR喷射系统的结构框图；
图2为图1中所示间歇性补液装置的结构示意图；
图3为图1中所示气动恒压还原剂供给装置的结构示意图；
图4为图1中所示控制单元组成框图。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施例对本发明喷射系统作进一步详细阐述。
参照图1、4，一种通用型SCR喷射系统，包括设置在发动机排气总管8上的占空比控制式还原剂喷嘴7和通过文丘里管6与该喷嘴7相连接的SCR催化器5、气动恒压还原剂供给装置13、间歇性补液装置18、压缩气体源12、还原剂罐21和控制单元9；所述的还原剂罐21的出液口通过第II单向阀19与间歇性补液装置18的进液口、间歇性补液装置18的出液口通过第I单向阀17与气动恒压还原剂供给装置13的进液口、气动恒压还原剂供给装置13的出液口通过第I电磁阀15与占空比控制式还原剂喷嘴7的入口依次进行管道连接；所述的压缩气体源12通过第II三通阀25分别经减压阀26与气动恒压还原剂供给装置13气路连接，经第III电磁阀24、第I三通阀23与间歇性补液装置18气路连接，第I三通阀23的另一端通过第II电磁阀22与所述的文丘里管6气路连通；在所述的占空比控制式还原剂喷嘴7之前和SCR催化器5之后的发动机排气总管8上分别设置一取样支管通过电控三通阀11联结在NOx传感器10上；占空比控制式还原剂喷嘴7出口通过回液管与还原剂罐21相连；
在发动机进气总管3上和排气总管8上分别设置有进气流量传感器2和排气温度传感器4；在所述还原剂罐21、气动恒压还原剂供给装置13的下部分别设置第III液位传感器20、第II液位传感器16；气动恒压还原剂供给装置13的上部还设置第I液位传感器14；
所述控制单元9由一单片机和与单片机的PWM通道I相联接的驱动电路板构成；进气流量传感器2和排气温度传感器4直接与控制单元9中单片机的A/D转换通道I相联接；第III液位传感器20、第II液位传感器16、第I液位传感器14和NOx传感器10分别与控制单元9中单片机的A/D转换通道II相联接；所述的第I电磁阀15、第II电磁阀22、第III电磁阀24和电控三通阀11分别与控制单元9中单片机的I/O口联接；占空比控制式还原剂喷嘴7通过控制单元9中的驱动电路板与单片机的PWM通道I相联接，单片机通过控制PWM波形占空比来实现还原剂的定量喷射。
参照图2，所述的间歇性补液装置18，包括桶体27、密封连接在该桶体27上端的顶盖29、通过柱形环体28固连在顶盖29下面的倒置的碗状板体34、通过固设在桶体27内的导柱30设置一可沿该导柱上下移动的球形浮子31；在球形浮子31上设有与桶体进液口33相配合的锥形塞32；在碗状板体34和柱形环体28上均设有均匀分布的锥形通孔，锥形通孔之大孔径端分别朝向碗状板体34的外侧和柱形环体28的内侧。
参照图3，所述的气动恒压还原剂供给装置13由一罐体36和密封连接该罐体上端的具有气路连接孔的盖板35构成，在罐体36上设有上、下两个液位传感器插孔，进液口和出液口。
本发明通用型SCR喷射系统的工作过程：
选择性催化还原过程：发动机1运行时，控制单元9通过采集进气量传感器2和排温传感器4的信号确定此时发动机的工况，控制单元9可获得SCR催化器后和占空比控制式还原剂喷嘴前的取样支管采集的NOx传感器信号(α，β)，控制单元9根据自学习生成的还原剂喷射量MAP确定此工况下的还原剂喷射量，并且通过占空比控制式还原剂喷嘴7将一定量的还原剂喷入文丘里管6中。
当发动机1运转时，第I电磁阀15打开，压缩气体源12通过第II三通阀25、减压阀26向气动恒压还原剂供给装置13提供6bar的压缩气体；并且压缩气体源12通过第II三通阀25、第III电磁阀24和第I三通阀23向间歇性补液装置18提供8bar压缩气体；气动恒压还原剂供给装置始终保持6bar压力，并经过第I电磁阀15持续给占空比控制式还原剂喷嘴6供应还原剂。当气动恒压还原剂供给装置13内的还原剂液面高度低于第II液位传感器16时，第III电磁阀24开启，压缩气体源12向间歇性补液装置18提供8bar压力，从而压缩还原剂到气动恒压还原剂供给装置13；当气动恒压还原剂供给装置内的液面高于第I液位传感器14后，关闭第III电磁阀24，打开第II电磁阀22，间歇性补液装置18内的气体排到文丘里管6处，由于文丘里管6处的节流作用，会使间歇性补液装置18内压力较快降低；还原剂罐内的还原剂由于重力的作用会经过第II单向阀19流入间歇性补液装置18。当液面到达一定高度时，间歇性补液装置18内的浮子会关闭进液口。一定时间后关闭第II电磁阀22。还原剂罐21内液面高度低于第III液位传感器20时，控制单元9发出及时加入还原剂提示信号。发动机1停止工作后，控制单元发出信号关闭第I电磁阀15。
当第III电磁阀24开启后，压缩气体源12内的压缩气体进入间歇性补液装置18，压缩气体经柱形环体28和倒置的碗状板体34的缓冲作用，压缩还原剂进入气动恒压还原剂供给装置13中；当气动恒压还原剂供给装置13内的页面到达第I液位传感器14所在位置时，电磁阀III24关闭，电磁阀II22打开，间歇性补液装置18内的压缩气体通过柱形环体28和倒置的碗状板体34上的锥形孔流入文丘里管6中，由于气体流出时总是朝着锥形孔孔径增大的方向，压缩气体会不断膨胀，从而使压缩气体流出时携带的还原剂小液滴不断冷凝，最终再次流入间歇性补液装置18中，间歇性补液装置18内的液面下降到一定高度时，设有锥形塞的球形浮子31由于浮力减小向下运动，会将进液口打开，此时第II电磁阀22已经打开，故还原剂罐21内的还原剂会通过进液口流入间歇性补液装置18中，当液面到达一定高度时，设有锥形塞的球形浮子31由于浮力增加向上运动，又会将进液口堵住，使还原剂不能流入。
自学习过程：当发动机1运转时，控制单元9控制电控三通阀11的转换，使NOx传感器分别与SCR催化器5后和占空比控制式还原剂喷嘴7前的取样支管相连通，可分别获得SCR催化器5后和占空比控制式还原剂喷嘴7前的NOx传感器信号值(α，β)。并且发动机的进气流量传感器2和排气温度传感器4可检测到发动机运转时的进气流量和排气温度信号，并将其传送给控制单元9。在整机上测试十三工况点的进气量、排气温度、SCR催化器5后和占空比控制式还原剂喷嘴7前的NOx传感器信号值(α，β)，由十三工况点的进气流量信号值x、排气温度信号值y以及占空比控制式还原剂喷嘴7前的NOx浓度值z可构建出NOx总生成量核心模型f(x，y，z)，由十三工况点的排气温度信号值y、占空比控制式还原剂喷嘴7前的NOx浓度值z和催化器5后的NOx浓度值w可构建出催化转化器效率核心模型g(y，z，w)。根据已构建的发动机1在十三工况点下的NOx总生成量核心模型f(x，y，z)、催化转化器效率核心模型g(y，z，w)和发动机预期的NOx排放水平δ就可以构建出氨氮比控制初始MAP模型。利用催化转化器前后两个NOx传感器信号(α，β)及NOx总生成量核心模型f(x，y，z)、催化转化器效率核心模型g(y，z，w)和氨氮比控制初始MAP模型，还原剂喷射系统控制单元9就可以自学习生成相应的还原剂喷射量MAP。

Claims (3)

1.一种通用型SCR喷射系统，包括设置在发动机排气总管8上的占空比控制式还原剂喷嘴7和通过文丘里管6与该喷嘴7相连接的SCR催化器5、气动恒压还原剂供给装置13、间歇性补液装置18、压缩气体源12、还原剂罐21和控制单元9，其特征在于：所述的还原剂罐21的出液口通过第II单向阀19与间歇性补液装置18的进液口、间歇性补液装置18的出液口通过第I单向阀17与气动恒压还原剂供给装置13的进液口、气动恒压还原剂供给装置13的出液口通过第I电磁阀15与占空比控制式还原剂喷嘴7的入口依次进行管道连接；所述的压缩气体源12通过第II三通阀25分别经减压阀26与气动恒压还原剂供给装置13气路连接，经第III电磁阀24、第I三通阀23与间歇性补液装置18气路连接，第I三通阀23的另一端通过第II电磁阀22与所述的文丘里管6气路连通；在所述的占空比控制式还原剂喷嘴7之前和SCR催化器5之后的发动机排气总管8上分别设置一取样支管通过电控三通阀11联结在NOx传感器10上；占空比控制式还原剂喷嘴7出口通过回液管与还原剂罐21相连；
在发动机进气总管3上和排气总管8上分别设置有进气流量传感器2和排气温度传感器4；在所述还原剂罐21、气动恒压还原剂供给装置13的下部分别设置第III液位传感器20、第II液位传感器16；气动恒压还原剂供给装置13的上部还设置第I液位传感器14；
所述控制单元9由一单片机和与单片机的PWM通道I相联接的驱动电路板构成；进气流量传感器2和排气温度传感器4直接与控制单元9中单片机的A/D转换通道I相联接；第III液位传感器20、第II液位传感器16、第I液位传感器14和NOx传感器10分别与控制单元9中单片机的A/D转换通道II相联接；所述的第I电磁阀15、第II电磁阀22、第III电磁阀24和电控三通阀11分别与控制单元9中单片机的I/O口联接；占空比控制式还原剂喷嘴7通过控制单元9中的驱动电路板与单片机的PWM通道I相联接，单片机通过控制PWM波形占空比来实现还原剂的定量喷射。
2.根据权利要求1所述的通用型SCR喷射系统，其特征在于，所述的间歇性补液装置18，包括桶体27、密封连接在该桶体27上端的顶盖29、通过柱形环体28固连在顶盖29下面的倒置的碗状板体34、通过固设在桶体27内的导柱30设置一可沿该导柱上下移动的球形浮子31；在球形浮子31上设有与桶体进液口33相配合的锥形塞32；在碗状板体34和柱形环体28上均设有均匀分布的锥形通孔，锥形通孔之大孔径端分别朝向碗状板体34的外侧和柱形环体28的内侧。
3.根据权利要求1所述的通用型SCR喷射系统，其特征在于，所述的气动恒压还原剂供给装置13由一罐体36和密封连接该罐体上端的具有气路连接孔的盖板35构成，在罐体36上设有上、下两个液位传感器插孔，进液口和出液口。
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