CN102650226B

CN102650226B - 一种用于熔融固体尿素并定量喷射的装置

Info

Publication number: CN102650226B
Application number: CN201210139122.XA
Authority: CN
Inventors: 韩炜; 李骏; 韩旭; 张贺; 张克金; 张苡铭; 韩建; 曹雅彬; 周亮; 王磊
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-05-07
Also published as: CN102650226A

Abstract

本发明属于机动车尾气处理过程中的脱硝技术领域，具体涉及一种用于熔融固体尿素并定量喷射的装置。该装置依次由尿素储料罐、尿素颗粒输送导管、尿素输送阀门、尿素熔融箱和尿素喷射装置组成；尿素输送阀门安装在尿素颗粒输送导管上，在尿素熔融箱中设置有温度传感器和尿素加热装置；尿素储料罐中的尿素颗粒经过尿素颗粒输送导管后进入尿素熔融箱中，在尿素熔融箱中被加热至熔融状态后进入尿素喷射装置；在外部ECU电路的控制下，将实际需要量的尿素液体喷射入安装于汽车尾气管道中的SCR催化器上。本发明提供的装置可以有效地用于尿素分解制备氨气领域，具有节能操作简便的特点。

Description

一种用于熔融固体尿素并定量喷射的装置

技术领域

本发明属于机动车尾气处理过程中的脱硝技术领域，具体涉及一种用于熔融固体尿素并定量喷射的装置。

背景技术

近年来，我国汽车产业高速发展，对国民经济和社会发展做出了重大贡献。但与此同时，交通堵塞、空气污染、能源危机等一系列问题也随之出现。在大城市中由于大量使用公共汽车和柴油货车，污染十分严重，我国每年NOx排放量超过1100万吨，并且有增长趋势。机动车尾气中的NOx对人类及环境危害严重，去除尾气中的NOx成为尾气后处理过程中亟需解决的问题。氨选择性催化还原法（NH₃-SCR）是目前应用最广泛、处理效率最高的脱硝技术，其中氨气作为SCR反应的还原剂，与NOx发生氧化还原反应。

常见的氨气制备系统所使用的原料为液氨和氨水，是以氨的液态和水合物的形式存在，只要加热即可通过蒸发或者分解过程获得氨气，但是由于氨气有毒，不易储存，在运输过程中一旦泄露就会造成重大的安全事故。

近年来，人们逐渐使用液体尿素制备氨气，通过对尿素水溶液的热解和水解过程得到氨气。但是尿素水溶液在低温的情况下，容易结冰，不易储存；并且在尿素水溶液热解过程中，为使尿素中的水蒸发，会消耗大部分能量。

而固体尿素选择催化还原技术（SSCR）比传统SCR技术更为先进，解决了液态尿素选择催化还原技术的一些难题。该技术利用固体尿素产生氨气，进入SCR催化器还原NOx，既继承了液态SCR技术的诸多优点，又解决了液态SCR系统占据空间大，存储困难等问题，因此固体尿素选择催化还原技术（SSCR）具有巨大的开发价值和市场应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于熔融固体尿素并定量喷射的装置，该装置解决了现有技术的不足，具有降低能耗、运行费用低、操作简便、设备简单的特点。

本发明所述的用于熔融固体尿素并定量喷射的装置，其结构如图1、2、3、4所示，该装置依次由尿素储料罐1、尿素颗粒输送导管2、尿素输送阀门3、尿素熔融箱4和尿素喷射装置5组成；尿素输送阀门3安装在尿素颗粒输送导管2上，尿素储料罐1中的尿素颗粒经过尿素颗粒输送导管2后进入尿素熔融箱4中，在尿素熔融箱4中尿素颗粒被加热至熔融状态后进入尿素喷射装置5；在外部ECU电路的控制下，尿素输送阀门3、尿素熔融箱4和尿素喷射装置5协同工作，将实际需要量的尿素液体喷射入安装于汽车尾气管道上的SCR催化器7中。

尿素储料罐1为不锈钢材质，其体积视实际车型而定，一般的中重型柴油车（载重量10～60吨）的尿素储料罐1的体积为10～15L；在尿素储料罐1内部的底端设置有尿素余量传感器11，尿素余量传感器11可选用光电传感器等，当尿素余量传感器11检测到尿素余量传感器11内尿素的余量小于某一设定值时（如尿素储料罐1体积的1/20～1/10），尿素余量传感器11通过尿素余量信号传导线110将信号传送至ECU，ECU将该信息反应给汽车仪表，汽车仪表警示灯亮起，从而提醒驾驶员向尿素储料罐1中添加尿素，尿素储料罐1内的尿素一般选择大小相近、球形或接近球形、直径为几十分之一毫米至几毫米且干燥的尿素颗粒；

相对于上面所述的中重型柴油车而言，尿素熔融箱4的体积150～300ml，其是底端为漏斗状的不锈钢容器，在漏斗出口安装尿素喷射装置5；在尿素熔融箱4内部靠近顶端的位置设置有上熔融尿素余量传感器44，在尿素熔融箱4内部靠近底端的位置设置有下熔融尿素余量传感器41，在尿素熔融箱4内部靠近底端的位置还设置有温度传感器42。上熔融尿素余量传感器44可以选用能够检测固体余量的光电传感器，下熔融尿素余量传感器41可以选用液位传感器，两传感器均用于采集尿素熔融箱4内尿素的剩余量M；温度传感器42可以选用热电阻传感器，用于采集尿素熔融箱4内尿素的温度T；当尿素的剩余量M低于某一设定的下限值时（如不足尿素熔融箱4体积的1/20～1/10时），熔融尿素余量传感器41就会通过下熔融尿素余量传送导线410将信号传送至ECU，ECU通过控尿素输送阀传送导线30传送指令至尿素输送阀门3使尿素输送阀门3开启，尿素颗粒开始通过尿素颗粒输送导管2进入尿素熔融箱4内；当尿素含量达到某一提前设定上限值时（如超过尿素熔融箱4体积的90/100～95/100时），熔融尿素余量传感器44就会通过上熔融尿素余量传送导线440将信号传送至ECU，ECU通过尿素输送阀传送导线30传送指令至尿素输送阀门3使尿素输送阀门3关闭。在尿素熔融箱4内部靠近底端的位置同时设置有漏斗状的环形尿素加热装置43，可以选用电加热装置，通过与温度传感器42之间的协同来保持熔融箱内温度为133～150℃之间（尿素的熔融温度是132.7℃，分解温度是150℃以上，所以尿素熔融箱内的温度应控制在133～150℃之间），以保证尿素的熔融但不分解。当温度传感器42感测到尿素的温度低于133℃时，就会通过温度传送导线420将信号传送至ECU，ECU立即通过加热传送导线430将信号传送至尿素加热装置43，开启电加热装置进行加热；当温度传感器42感测到尿素的温度高于150℃时，同样通过ECU控制使电加热装置停止加热。

熔融尿素喷射装置5由外腔51、内腔52及安装在内腔52底部的尿素喷嘴56组成，两腔体均为高磁导材料，可以选用Fe-Co-Ni合金；外腔51为先窄后宽的腔体结构，内腔52的入口尺寸小于内腔52的腔体尺寸，内腔52嵌入安装在外腔51的宽体结构中，内腔52的70～85％体积可以在外腔51内滑动，两腔间通过镶嵌橡胶圈等软体且有韧性的物质加以密封。在外腔51内的宽窄交界处形成台阶，在外腔51内部的台阶与内腔52入口的外表面间设置有弹簧53；在外腔51底端的外侧设置有外腔电磁线圈54，在内腔52底端的外侧设置有内腔电磁线圈55，外腔电磁线圈54和内腔电磁线圈55同向缠绕，当对两个电磁线圈施加同向电流时，两线圈间会由于电磁感应产生引力F；在外腔51内部的台阶处设置有上挡片57，在内腔52入口的内表面设置有下挡片58，挡片均为不锈钢材质；熔融尿素喷射装置5内的尿素经过喷嘴56后其平均喷射粒径为3～5mm；

当两线圈通入同向电流时，在电磁引力作用下，内腔52相对于外腔51向内运动，此过程中上挡片57因为外腔51内的压强增大而关闭，而下挡片58则因外腔51内的压强高于喷嘴56处的压强而开启；当停止通电后，在弹簧弹力作用下，内腔52相对于外腔51向外运动，上挡片57因外腔51内的压强减小而打开，熔融箱4内的熔融尿素进入外腔51内，往复几次熔融尿素就会充满整个外腔51；两线圈再次通入同向电流时，充满整个外腔51的熔融尿素就会通过开启的挡片58被压入喷嘴56中。通过外腔体51和内腔体52之间的不断往复运动，液体尿素就会通过喷嘴56而被喷射入SCR催化器7中。

整个腔体的直径为D，2cm<D<3cm；长度为L，4cm<L<6cm。每一次喷射出去的尿素量为LπD²/4。电磁线圈54、55中电流的通断频率直接决定尿素的喷射频率，即尿素的喷射速度。整流装置6通过导线50给电磁线圈54、55提供一定频率的电流，ECU通过控制线60控制整流装置6的电流频率，整流装置6将电源提供的交流电整合成固定频率f的脉冲直流，电流频率f等于尿素喷射频率f。

ECU可选用型号为EDC7-6DL2的车用ECU（一汽锡柴BOSCH、DENSO系统中均有使用），ECU与本发明装置中的各个子装置相互连接，通过指令传导线传送相应信号或指令，协调各部分工作，以完成本发明装置的整个工作进程。本发明的有益效果为：

1.本发明提供的尿素熔融装置可以有效地用于尿素分解制备氨气领域，节能，操作简便。

2.本发明中的装置通过ECU调节，各部分能够精确控制，当用在车用尾气后处理系统中时，可以通过感测耗油量来实时调节尿素的喷射量。

附图说明

图1：本发明所述的熔融固体尿素并定量喷射装置的剖面结构示意图；

图2：尿素熔融装置内部的剖面结构示意图；

图3：熔融尿素喷射装置的剖面结构示意图；

图4：ECU控制的熔融固体尿素并定量喷射装置的结构示意图；

图5：布置在废气管道外的熔融固体尿素并定量喷射装置示意图；

如图所示，各部件的名称为：尿素储料罐1、尿素颗粒输送导管2、尿素输送阀门3、尿素熔融箱4、尿素喷射装置5、整流装置6、SCR催化器7、尿素余量传感器11、尿素输送阀传送导线30、下熔融尿素余量传感器41、温度传感器42、尿素加热装置43、上熔融尿素余量传感器44、导线50、外腔51、内腔52、弹簧53、外腔电磁线圈54、内腔电磁线圈55、尿素喷嘴56、上挡片57、下挡片58、控制线60、尿素余量信号传导线110、下熔融尿素余量传送导线410、温度传送导线420、加热传送导线430、上熔融尿素余量传送导线440。

具体实施方式

实施例1：

参见图5以及结合图4，其中示出了根据本发明装置的一个方案，在这个方案中，本发明所述的熔融固体尿素并定量喷射的装置安装在位于废气管道中的SCR处理器上。本实施方案中，尿素储料罐1的体积为10L，尿素熔融箱4的体积300ml。当尾气开始排放时，传感器（可选用电化学气体传感器，精度为1ppm，属于电信号传感器，型号可选用A-21气体传感器，生产厂家为上海森创电子科技发展有限公司）采集尾气信号，并将尾气信号传送给ECU，ECU随即向熔融箱加热装置43发送指令，加热装置43开始加热，同时温度传感器42（可选用常用的热电阻温度传感器，精度为0.001℃）检测尿素熔融箱4内的温度，同样通过ECU控制熔融箱加热装置43来保持熔融箱内温度为133～150℃之间。当尿素加热至熔融状态时，ECU控制电磁线圈54、55通有同向电流，电流为整流装置6提供的将交变电流整合成直流的脉冲电流，整流装置6采用频率可调的脉冲方波信号发生器，电流通过电磁感应作用产生引力F，在引力F的作用下压缩腔体；停止电流后，在弹簧弹力G的作用下推起活塞喷嘴，通过电磁线圈54、55和弹簧53的相互作用使熔融状态的尿素按照一定的频率喷射进SCR处理器中。

ECU会根据机动车的行驶功率，从而确定需要喷射出去的尿素液体的量，喷射尿素的量与机动车耗油量的体积比为0.03～0.05∶1，通过控制电磁线圈54、55中电流的供给频率来控制喷头52的喷射频率，最后达到定量喷射的目的。此外，熔融尿素余量传感器41、44（红外剂量传感器，可以选用日本SHARP生产的GP2Y0A41SK0F红外线测距传感器）会随时采集尿素熔融箱4内尿素的剩余量M，当余量M低于某一设定的下限值时（根据实际情况而定，如应用于46DL1-E3系列的车型上的余量下限值可定为1L），余量传感器41就会通过下熔融尿素余量传送导线410将信号传送至ECU，ECU通过尿素输送阀传送导线30传送指令至尿素输送阀门3，阀门3开启，固态尿素开始通过尿素颗粒输送导管2进入尿素熔融箱4；当尿素含量达到某一提前设定上限值时（上限是根据需求设定的），尿素余量传感器44就会将信号通过上熔融尿素余量传送导线440传送至ECU，ECU通过尿素输送阀传送导线30传送指令至尿素输送阀门3，阀门3关闭。43为尿素加热装置，可以选用电加热装置，通过与温度传感器42之间相互作用来保持熔融箱内温度为133～150℃之间（100％尿素的熔融温度是132.7℃，分解温度是150℃以上，所以尿素熔融箱内的温度应控制在133～150℃之间），以保证尿素的熔融但不分解。当温度传感器42感测到尿素的温度低于133℃时，就会通过温度传送导线420将信号传送至ECU，ECU立即通过加热传送导线430将信号传送至43，开启电加热装置进行加热。当温度传感器42感测到尿素的温度高于150℃时，同样通过ECU控制使电解热装置停止解热。喷射出去的尿素液体进入尾气脱硝系统，在尾气的高温下迅速发生如下热解反应：H₂N-CO-NH₂(s)=NH₃(g)+HNCO(g)，反应生成的异氰酸（HNCO）气体与尾气中的水蒸气混合，进入SCR催化系统，在SCR催化系统中金属催化剂表面生成二氧化碳和氨气：HNCO+H₂O=NH₃(g)+CO₂(g)。生成的氨气作为还原剂参与脱硝反应。当尾气排放结束时，ECU控制熔融箱加热装置43开始停止加热。整个装置停止工作。

Claims

1.一种熔融固体尿素并定量喷射的装置，其特征在于：

A.该装置依次由尿素储料罐（1）、尿素颗粒输送导管（2）、尿素输送阀门（3）、尿素熔融箱（4）和尿素喷射装置（5）组成；尿素输送阀门（3）安装在尿素颗粒输送导管（2）上，在尿素熔融箱（4）中设置有温度传感器（42）和尿素加热装置（43）；尿素储料罐（1）中的尿素颗粒经过尿素颗粒输送导管（2）后进入尿素熔融箱（4）中，在尿素熔融箱（4）中被加热至熔融状态后进入尿素喷射装置（5）；

B.熔融尿素喷射装置（5）由外腔（51）、内腔（52）及安装在内腔（52）底部的尿素喷嘴（56）组成，两腔体均为高磁导材料；外腔（51）为先窄后宽的腔体结构，内腔（52）的入口尺寸小于内腔（52）的腔体尺寸，内腔（52）嵌入且密封安装在外腔（51）的宽腔体结构中，内腔（52）的70～85%体积可以在外腔（51）内滑动；在外腔（51）内的宽窄交界处形成台阶，在外腔（51）内部的台阶与内腔（52）入口的外表面间设置有弹簧（53）；在外腔（51）底端的外侧设置有外腔电磁线圈（54），在内腔（52）底端的外侧设置有内腔电磁线圈（55），外腔电磁线圈（54）和内腔电磁线圈（55）同向缠绕；在外腔（51）内部的台阶处设置有上挡片（57），在内腔（52）入口的内表面设置有下挡片（58）；

C.在外部ECU电路的控制下，尿素熔融箱（4）内的温度为133～150℃，尿素喷嘴（56）将实际需要量的尿素液体喷射入安装于汽车尾气管道中的SCR催化器上。

2.如权利要求1所述的一种熔融固体尿素并定量喷射的装置，其特征在于：在尿素储料罐（1）内部的底端设置有尿素余量传感器（11），当尿素余量传感器（11）检测到尿素余量传感器（11）内尿素的余量小于某一设定值时，尿素余量传感器（11）将信号传送至ECU，ECU将该信息反应给汽车仪表，汽车仪表警示灯亮起，从而提醒驾驶员向尿素储料罐（1）中添加尿素。

3.如权利要求1所述的一种熔融固体尿素并定量喷射的装置，其特征在于：尿素熔融箱（4）的底端为漏斗状，在漏斗出口安装尿素喷射装置（5）；在尿素熔融箱（4）内部靠近顶端的位置设置有上熔融尿素余量传感器（44），在尿素熔融箱（4）内部靠近底端的位置设置有下熔融尿素余量传感器（41）；两传感器均用于采集尿素熔融箱（4）内尿素的剩余量M；温度传感器（42）用于采集尿素熔融箱（4）内尿素的温度T；当尿素的剩余量M低于某一设定的下限值时，熔融尿素余量传感器（41）将信号传送至ECU，ECU传送指令至尿素输送阀门（3）使尿素输送阀门（3）开启，尿素储料罐（1）中的尿素颗粒开始通过尿素颗粒输送导管（2）进入尿素熔融箱（4）内；当尿素含量达到某一提前设定上限值时，熔融尿素余量传感器（44）将信号传送至ECU，ECU传送指令至尿素输送阀门（3）使尿素输送阀门（3）关闭。

4.如权利要求1所述的一种熔融固体尿素并定量喷射的装置，其特征在于：在尿素熔融箱（4）内部靠近底端的位置设置有温度传感器（42），在尿素熔融箱（4）内部靠近底端的位置设置有漏斗状的环形尿素加热装置（43），当温度传感器（42）感测到尿素的温度低于133℃时，将信号传送至ECU，ECU立即将信号传送至尿素加热装置（43），开启电加热装置进行加热；当温度传感器（42）感测到尿素的温度高于150℃时，同样通过ECU控制使尿素加热装置（43）停止加热。

5.如权利要求1所述的一种熔融固体尿素并定量喷射的装置，其特征在于：是由整流装置（6）给外腔电磁线圈（54）和内腔电磁线圈（55）提供一定频率的电流，ECU通过控制整流装置（6）的电流频率，控制经由尿素喷嘴（56）喷射入SCR催化器中尿素的喷射速度。