CN103256102B - 柴油机scr尿素溶液喷射装置及其喷射量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油机SCR尿素溶液喷射装置及其喷射量控制方法，喷射装置包括喷头、正时机构以及为喷头提供高压尿素溶液的液压泵，喷头的喷嘴包括喷液口以及控制喷液口在排气管内的开启度大小的开度控制开关；正时机构包括与喷嘴对应的喷液凸轮轴以及与喷液凸轮轴传动连接的气门凸轮轴，喷液凸轮轴上装配有与喷嘴的开度控制开关顶推传动配合的喷液凸轮，气门凸轮轴上装配有与柴油机的气缸排气门顶推传动配合的气门凸轮。整个装置是基于柴油机各汽缸的实际排气量来达到对尿素溶液喷射量的机械联动控制，而正时机构又实现了各排气门与各喷嘴之间存在正时关系，实现了喷射量的精确控制，具有开发成本低，可靠性高的优点。

Description

柴油机SCR尿素溶液喷射装置及其喷射量控制方法
技术领域
本发明涉及一种柴油机SCR尿素溶液喷射装置及其喷射量控制方法。
背景技术
节能和环保是我国以及当今世界的工业技术领域的两个重要主题，氮氧化物是柴油机的主要排放物。在柴油机排放的NOx中占多数的是NO，NO是无色气体，本身毒性不大，高浓度时能造成人体中枢神经障碍，且NO在大气中可以缓慢氧化成NO2，NO2是褐色气体，具有强烈的刺激味，毒性是NO的5倍，并可以和水反应形成硝酸。NOx进入植物体内也会产生很多严重的危害，据有关资料介绍，体积百分比浓度为2.5×10－6的氮氧化物7小时就会使豆类、西红柿等作物叶子变成白色，更有许多植物会因伤害而死亡，此外，NOx能使醋酸纤维、棉纱和人造丝等褪色。而且NOx也是酸雨形成的主要原因之一，酸雨对作物同样存在着严重的危害。此外，NOx还是在地面附近形成含有毒臭氧的光化学烟雾的主要原因之一。结合我国非道路柴油机排气后处理技术现状，采用选择性催化还原（SCR）技术是减排氮氧化物的最佳技术途径。
SCR技术原理：当废气流经排气总管时，SCR系统向排气总管中喷入一定量的尿素溶液，尿素溶液由于排气总管中高温高压的环境因素迅速释放出氨（NH3）将废气中的氮氧化物还原成氮气（N2）和水（H2O）排入大气。SCR技术的关键在于：（1）尿素溶液的喷射量需根据废气中的NOx的量进行控制，否则会出现催化不足或浪费催化剂的问题；（2）当排气管内的温度达到250-500℃时，催化反应的程度可以达到90%，因此需要让反应处于排气管温度达到250℃之后进行，保证催化效率。
目前，国内外柴油机SCR系统中普遍采用的催化剂投放量控制方法是基于排气管中的温度以及氮氧化物的浓度，如中国专利CN101929377A公开了一种尿素催化剂的三阀喷射方法，该方法中，温度传感器和NOx传感器分别将排气管内的温度和氮氧化物的浓度信号反馈到电控单元，电控单元根据设定的控制逻辑将信号反馈给三个电磁流量控制阀，从而达到对喷头喷射到排气管内的尿素溶液量的控制。该方法的缺点在于：尿素溶液的喷射量只能由电控单元控制喷嘴的开启时间来决定，因此无法准确获得合适的投放尿素溶液需求量，容易出现催化不足或浪费催化剂的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种根据柴油机实际排放的尾气量以准确控制喷射装置喷射量的控制方法；同时本发明还提供了一种实施该方法的柴油机SCR尿素溶液喷射装置。
本发明的柴油机SCR尿素溶液喷射装置的喷射量控制方法采用如下技术方案：柴油机SCR尿素溶液喷射装置的喷射量控制方法，该方法基于柴油机实际排放的尾气量大小，通过柴油机与喷头之间设置的正时机构，将气缸排气门开启时产生的动力实时传递给气缸对应喷嘴的开度控制开关，以控制喷嘴喷液口的开启度；其中，正时机构的气门凸轮轴与喷液凸轮轴同步动作，气门凸轮轴上装配有与气缸排气门顶推传动配合的气门凸轮，喷液凸轮轴上装配有与开度控制开关顶推传动配合的喷液凸轮。
根据柴油机的气缸数量设置一一对应的喷嘴、气门凸轮和喷液凸轮，即：
当气缸的数量为一个时，喷嘴、气门凸轮和喷液凸轮的数量均为一个；
当气缸的数量为两个以上时，喷嘴、气门凸轮和喷液凸轮的数量均为两个以上；各气门凸轮沿气门凸轮轴的轴向间隔布置，各喷液凸轮压喷液凸轮轴的轴向间隔布置。
所述正时机构的气门凸轮轴和喷液凸轮轴的同步动作依靠二者之间设置的正时泵和正时马达实现，其中，气门凸轮轴同轴固设在正时泵的动力输入轴上，喷液凸轮轴同轴固设在正时马达的动力输出轴上，而正时泵的流体出口与正时马达的流体进口连接。
考虑到尾气由气缸的排气门到达其对应的喷嘴处存在一定的时间差，通过调整气门凸轮轴和喷液凸轮轴的初始相位差来克服时间差影响，即气门凸轮轴与正时泵的动力输入轴同轴可拆固连，喷液凸轮轴与正时马达的动力输出轴同轴可拆固连。
上述方法中的喷嘴开度控制开关包括喷液缸体以及设置在喷液缸体内的用于沿排气管径向导向移动的、一端用于伸入到的排气管内的活塞式喷液管，喷液管的另一端与液压泵的出液口连接，所述喷液口布设在喷液管的侧壁上，喷液口用于进入到排气管内的数量与喷液管伸入到排气管内的长度成正比，喷液缸体与喷液管之间设有对喷液管施加远离排气管的作用力的弹性件。
根据排气管内温度超过250℃时才能确保催化效率要求，所述液压泵与喷头之间的油路上串联有电磁单向阀，所述电磁单向阀与液压泵之间的管路上并联有溢流阀，电磁单向阀和溢流阀均通过温控开关实现通断控制。
本发明的柴油机SCR尿素溶液喷射装置采用如下技术方案：柴油机SCR尿素溶液喷射装置，包括喷头以及为喷头提供高压尿素溶液的液压泵，所述喷头具有用于与柴油机设定的气缸数对应的喷嘴，喷嘴包括喷液口以及用于控制喷液口在排气管内的开启度大小的开度控制开关；该喷射装置还包括用于设置在各喷嘴与柴油机之间的正时机构，正时机构包括与喷嘴对应的喷液凸轮轴以及与喷液凸轮轴传动连接的气门凸轮轴，喷液凸轮轴上装配有与喷嘴的开度控制开关顶推传动配合的喷液凸轮，气门凸轮轴上装配有用于与柴油机的气缸排气门顶推传动配合的气门凸轮。
所述喷嘴的数量为与柴油机的气缸数量一一对应的两个以上，所述喷液凸轮的数量为沿喷液凸轮轴轴向间隔布置的、与各喷嘴一一对应的两个以上，所述气门凸轮的数量为沿气门凸轮轴轴向间隔布置的、与柴油机的各气缸一一对应的两个以上。
所述气门凸轮轴和喷液凸轮轴通过相互连接的正时泵和正时马达传动连接，所述气门凸轮轴同轴固设在正时泵的动力输入轴上，所述喷液凸轮轴同轴固设在正时马达的动力输出轴上。
所述气门凸轮轴通过第一锁紧套与正时泵的动力输入轴同轴可拆固连，所述喷液凸轮轴通过第二锁紧套与正时马达的动力输出轴同轴可拆固连。
所述喷嘴的开度控制开关包括喷液缸体以及设置在喷液缸体内的用于沿排气管径向导向移动的、一端用于伸入到的排气管内的活塞式喷液管，喷液管的另一端与液压泵的出液口连接，所述喷液口布设在喷液管的侧壁上，喷液口用于进入到排气管内的数量与喷液管伸入到排气管内的长度成正比，喷液缸体与喷液管之间设有对喷液管施加远离排气管的作用力的弹性件。
所述液压泵与喷嘴之间的管路上串联有电磁单向阀，电磁单向阀的信号输入端连接有用于控制其通断的第一温控开关；所述电磁单向阀与液压泵之间的管路上并联有溢流阀，溢流阀的信号输入端连接有用于控制其通断的第二温控开关。
采用上述结构的柴油机SCR尿素溶液喷射装置，由于喷头采用对应柴油机排气门个数的喷嘴，可以根据各排气门分别排出的实际废气量实现单独的喷射量控制，具体的即通过正时机构，将单个排气门的开启动作传递给喷嘴的用以控制喷液口开启度的开度控制开关；加上正时机构采用同步传动连接的气门凸轮轴和喷液凸轮轴，各排气门将各自的动作依次通过对应的气门凸轮传递给气门凸轮轴，气门凸轮轴又相应的驱动喷液凸轮轴和喷液凸轮动作，各喷液凸轮相应的将动力传递给喷嘴的开度控制开关，进而实现喷液口喷射量的控制，最终使排气门的开启程度决定喷射量的大小。整个装置是基于柴油机各汽缸的实际排气量来达到对尿素溶液喷射量的机械联动控制，而正时机构又实现了各排气门与各喷嘴之间存在正时关系，在实现精确控制喷射量的同时，又不依赖于电控单元进行控制，不但适于非电控柴油机，也适用于电控柴油机，开发成本低，可靠性高。
进一步的，电磁单向阀和溢流阀均通过温控开关实现通断控制，保证只有当排气管内温度超过250℃时才能喷射尿素溶液，确保了催化反应效率，避免了浪费。
附图说明
图1 为本发明的喷射装置中喷头与液压泵的装配示意图；
图2为本发明的喷射装置中正时机构的结构示意图；
图3为图1中的喷嘴的装配示意图；
图4为正时机构相对应的两个凸轮的运动规律图。
具体实施方式
本发明的柴油机SCR尿素溶液喷射装置的实施例：如图1-4所示，包括喷头、正时机构、液压泵1、电磁单向阀3、溢流阀2和尿素溶液箱（图中未显示）。喷头由用于安装在排气管7上的四个喷嘴8构成，四个喷嘴8沿排气管7轴向的排气方向间隔布置，喷嘴8包括喷液缸体，喷液缸体内密封活动装配有、沿排气管7径向移动的活塞式喷液管81，各喷液管81的远离排气管的一端通过管路与电磁单向阀3的出液口连接、另一端在其移动时能够径向伸入到排气管7内；在喷液管81的侧壁上布设有喷液口，当喷液管81完全收缩到各自对应的喷液缸体内时，各喷液口处于封堵状态，因此不会喷液，在喷液管81逐渐从喷液缸体伸出并进入到排气管7内的过程中，喷液口逐渐从喷液缸体内露出才能喷液，而且喷液口露出的数量会随着喷液管81伸出喷液缸体的长度逐渐增加，喷射量也会随之增加，因此，喷液缸体和喷液管81形成了一个开度控制开关，用以控制喷液口的开启度，具体的为控制喷液口的露出数量。喷液管81伸入到排气管7内的动力是由正时机构提供的，而复位是由套设于喷液管81上的压簧82实现的，压簧82的一端与喷液管81的台阶面顶接、另一端与喷液缸体内孔的台阶面顶接。本实施例中，四个喷嘴8的液压缸体固连形成一体结构。
考虑到尿素溶液的喷射量需根据废气中NOx的量进行控制，否则将会出现催化反应不足或浪费催化剂的问题。而针对拖拉机带负荷进行耕作作业时，在其柴油发动机具体的排气过程中，NOx的量主要取决于排出的废气量和NOx的产生量，而NOx的产生量主要取决于车速，二者存在负相关的关系；但考虑到拖拉机进行耕作时车速较低且较稳定的特点，固可忽略由于车速变化造成的NOx量的变化，因此在此只考虑由于排气管排出废气量的变化造成的NOx量的变化；排气过程中，柴油机各汽缸的排气门的开关是由各自的配气相位决定的，因此排气管中的废气流量并不是时刻相同的；对于单个汽缸而言，废气流量可表示为：，式中：为流量系数； 为几何流通面积；为排气门前压力；为排气门前的气流温度；为理想气体常数；为流函数（取决于排气门前后的压力差和绝热指数）。
针对上式，忽略排气门开启两侧温度压差以及缸体材料的影响，某一时刻的排气量主要取决于该时刻的几何流通面积，因此，为了精确根据各排气门分别排出的废气量进行喷液，本实施例喷嘴8的数量对应于柴油机的汽缸数量，即柴油机为四缸机，每个喷嘴8对应一个排气门；而正时机构的作用就在于将四个排气门开启时的动力分别传递给各自对应的喷嘴8，使对应喷嘴8的喷液管81相应的运动，同时保证两两之间的动作传递互不干涉。正时机构包括正时马达和正时泵，正时马达采用气压马达5，正时泵采用气压泵14且为机械泵，气压泵14的出气口与气压马达5的进气口连接；气压泵14的动力输入轴的末端通过第一锁紧套13同轴固设有气门凸轮轴11，气门凸轮轴11上固设有四个轴向间隔布置的气门凸轮12，四个气门凸轮12分别与柴油机四个汽缸的排气门顶推配合，四个排气门的依次动作实现四个气门凸轮按顺序依次转动，进而实现气压泵14的动力输入轴持续转动，并最终将动力传递给气压马达5，使得气压马达5的动力输出轴相应转动；气压马达5的动力输出轴的末端通过第二锁紧套10同轴固设有喷液凸轮轴9，喷液凸轮轴9上固设有四个轴向间隔布置的喷液凸轮4，四个喷液凸轮4分别与四个喷液管81远离排气管一端同轴固设的喷液推杆6顶推配合，同时在喷嘴的压簧82复位作用下，气压马达5动力输出轴的转动实现四个喷液推杆6以及对应的喷液管81依次往复运动，这样使得四个排气门的开闭动作分别对应控制四个喷液管81的伸缩动作。
如图4所示，废气从排气门到达喷嘴处存在一定时间差△t，该时间差可通过调整气门凸轮和喷液凸轮的初始角度使两两对应的凸轮存在相位差来解决，具体地，由于气门凸轮轴11通过第一锁紧套13可拆固定在气压泵14的动力输入轴上，而喷液凸轮轴9通过第二锁紧套10可拆固定在气压马达5的动力输出轴上，松开两个锁紧套，可实现两个凸轮轴的旋转，通过调整两凸轴初始位置的角度差来调整两凸轴上的凸轮之间的相位差。
电磁单向阀3串联在液压泵1和喷头之间的管路上，其作用在于控制液压泵1与喷头之间的管路的通断，而液压泵1将尿素溶液箱内的尿素溶液以一定压力输送给四个喷嘴8。溢流阀2并联在液压泵1和电磁单向阀3之间的管路上，其作用在于当电磁单向阀3关闭时，使由液压泵1泵出的尿素溶液流回尿素溶液箱。考虑到排气管的温度处于250-500℃时，催化反应的效率可以达到90%,电磁单向阀3的通断由与其串联的第一温控开关控制，溢流阀2的通断由与其串联的第二温控开关控制,第一温控开关和第二温控开关根据排气管的温度分别实现电磁单向阀3和溢流阀2的控制，即在排气管7内温度在250℃以下时，第一温控开关处于断开状态，从而使电磁单向阀3处于断开状态，与此同时，第二温控开关处于闭合状态，从而使溢流阀2处于开启状态；在排气管内温度超过250℃时，第一温控开关闭合，与此同时第二温控开关断开。
上述实施例具体工作时，液压泵1将尿素溶液箱内的尿素溶液以一定压力泵出，当排气管7内温度未达到250℃时，第一温控开关处于断开状态，从而使电磁单向阀3处于关闭状态，与此同时第二温控开关处于闭合状态，从而使溢流阀2处于打开状态，泵出的尿素溶液经溢流阀2流回尿素溶液箱；当排气管内温度超过250后，第一温控开关闭合，从而使电磁单向阀3打开，与此同时第二温控开关断开，从而使溢流阀2关闭，泵出的尿素溶液经电磁单向阀3流向喷头。由于正时机构的作用，尿素溶液喷射量直接取决于各喷嘴的喷液管被对应的喷液推杆推至排气管内的长度。
在其他实施例中，喷嘴也可以为具有一个喷液口的结构，该喷液口与排气管直接连通，而开度控制开关采用一个设置在喷液口处的调节阀，通过调节阀也能实现喷液口的开启度大小调节。
在其他实施例中，在空间允许的情况下，气门凸轮轴和喷液凸轮轴也可以通过皮带传动连接。
上述实施例中，喷嘴数量的与柴油机的汽缸数量相符并与各气缸一一对应，柴油机为四缸机则选择四个喷嘴，相应的，喷液凸轮和气门凸轮也均选择四个，在其它实施例中，喷嘴的数量也可以为一个、两个、三个或更多个，在喷嘴的数量为两个以上时，气门凸轮和喷液凸轮的数量也为两个以上并分别沿各自对应的凸轮轴的轴向间隔布置。
在其它实施例中，正时泵也可以采用液压泵，相应的，正时马达则采用液压马达。
本发明的柴油机SCR尿素溶液喷射装置的喷射量控制方法的实施例：：该方法基于柴油机实际排放的尾气量大小，通过柴油机与喷头之间设置的正时机构，将气缸排气门开启时产生的动力实时传递给气缸对应喷嘴的开度控制开关，以控制喷嘴喷液口的开启度。具体地，该方法所涉及的喷射装置的结构与上述实施例的喷射装置的结构一致，其内容在此不再赘述。

Claims (12)

1. 柴油机SCR 尿素溶液喷射装置，包括喷头以及为喷头提供高压尿素溶液的液压泵，其特征在于：所述喷头具有用于与柴油机设定的气缸数对应的喷嘴，喷嘴包括喷液口以及用于控制喷液口在排气管内的开启度大小的开度控制开关；该喷射装置还包括用于设置在各喷嘴与柴油机之间的正时机构，正时机构包括与喷嘴对应的喷液凸轮轴以及与喷液凸轮轴传动连接的气门凸轮轴，喷液凸轮轴上装配有与喷嘴的开度控制开关顶推传动配合的喷液凸轮，气门凸轮轴上装配有用于与柴油机的气缸排气门顶推传动配合的气门凸轮。
2. 根据权利要求1 所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置，其特征在于：所述喷嘴的数量为与柴油机的气缸数量一一对应的两个以上，所述喷液凸轮的数量为沿喷液凸轮轴轴向间隔布置的、与各喷嘴一一对应的两个以上，所述气门凸轮的数量为沿气门凸轮轴轴向间隔布置的、与柴油机的各气缸一一对应的两个以上。
3.根据权利要求1 所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置，其特征在于：所述气门凸轮轴和喷液凸轮轴通过相互连接的正时泵和正时马达传动连接，所述气门凸轮轴同轴固设在正时泵的动力输入轴上，所述喷液凸轮轴同轴固设在正时马达的动力输出轴上。
4.根据权利要求2所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置，其特征在于：所述气门凸轮轴通过第一锁紧套与正时泵的动力输入轴同轴可拆固连，所述喷液凸轮轴通过第二锁紧套与正时马达的动力输出轴同轴可拆固连。
5.根据权利要求1所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置，其特征在于：所述喷嘴的开度控制开关包括喷液缸体以及设置在喷液缸体内的用于沿排气管径向导向移动的、一端用于伸入到的排气管内的活塞式喷液管，喷液管的另一端与液压泵的出液口连接，所述喷液口布设在喷液管的侧壁上，喷液口用于进入到排气管内的数量与喷液管伸入到排气管内的长度成正比，喷液缸体与喷液管之间设有对喷液管施加远离排气管的作用力的弹性件。
6.根据权利要求1所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置，其特征在于：所述液压泵与喷嘴之间的管路上串联有电磁单向阀，电磁单向阀的信号输入端连接有用于控制其通断的第一温控开关；所述电磁单向阀与液压泵之间的管路上并联有溢流阀，溢流阀的信号输入端连接有用于控制其通断的第二温控开关。
7.根据权利要求1所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置的喷射量控制方法，其特征在于：该方法基于柴油机实际排放的尾气量大小，通过柴油机与喷头之间设置的正时机构，将气缸排气门开启时产生的动力实时传递给气缸对应喷嘴的开度控制开关，以控制喷嘴喷液口的开启度；其中，正时机构的气门凸轮轴与喷液凸轮轴同步动作，气门凸轮轴上装配有与气缸排气门顶推传动配合的气门凸轮，喷液凸轮轴上装配有与开度控制开关顶推传动配合的喷液凸轮。
8.根据权利要求7 所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置的喷射量控制方法，其特征在于：根据柴油机的气缸数量设置一一对应的喷嘴、气门凸轮和喷液凸轮，即：当气缸的数量为一个时，喷嘴、气门凸轮和喷液凸轮的数量均为一个；
当气缸的数量为两个以上时，喷嘴、气门凸轮和喷液凸轮的数量均为两个以上；各气门凸轮沿气门凸轮轴的轴向间隔布置，各喷液凸轮沿喷液凸轮轴的轴向间隔布置。
9.根据权利要求7所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置的喷射量控制方法，其特征在于：所述正时机构的气门凸轮轴和喷液凸轮轴的同步动作依靠二者之间设置的正时泵和正时马达实现，其中，气门凸轮轴同轴固设在正时泵的动力输入轴上，喷液凸轮轴同轴固设在正时马达的动力输出轴上，而正时泵的流体出口与正时马达的流体进口连接。
10.根据权利要求9所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置的喷射量控制方法，其特征在于：考虑到尾气由气缸的排气门到达其对应的喷嘴处存在一定的时间差，通过调整气门凸轮轴和喷液凸轮轴的初始相位差来克服时间差影响，即气门凸轮轴与正时泵的动力输入轴同轴可拆固连，喷液凸轮轴与正时马达的动力输出轴同轴可拆固连。
11.根据权利要求7所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置的喷射量控制方法，其特征在于：上述方法中的喷嘴开度控制开关包括喷液缸体以及设置在喷液缸体内的用于沿排气管径向导向移动的、一端用于伸入到的排气管内的活塞式喷液管，喷液管的另一端与液压泵的出液口连接，所述喷液口布设在喷液管的侧壁上，喷液口用于进入到排气管内的数量与喷液管伸入到排气管内的长度成正比，喷液缸体与喷液管之间设有对喷液管施加远离排气管的作用力的弹性件。
12. 根据权利要求7所述的柴油机SCR 尿素溶液喷射装置的喷射量控制方法，其特征在于：根据排气管内温度超过250℃时才能确保催化效率要求，所述液压泵与喷头之间的管路上串联有电磁单向阀，所述电磁单向阀与液压泵之间的管路上并联有溢流阀，电磁单向阀和溢流阀均通过温控开关实现通断控制。
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