CN103437867A - 一种气体动力的氨气制备及定量喷射系统 - Google Patents

Abstract

一种气体动力的氨气制备及定量喷射系统，包括压缩空气罐（1）、压缩空气管（14）、充气电磁阀（2）、尿素罐（4）、控制单元（13）、尿素管（15）和SCR后处理器（12），尿素罐（4）通过尿素管（15）与尿素反应器（8）相连接，尿素管（15）上设置有电磁阀（7），尿素反应器（8）上设置有压力温度传感器（9），尿素反应器（8）通过输氨管（16）与氨气喷嘴（11）相连接，输氨管（16）上设置比例阀（10），压力温度传感器（9）、充气电磁阀（2）和电磁阀（7）分别与控制单元（13）电连接，比例阀（10）与控制单元（13）或车载ECU电连接。结构简单、成本低廉，可靠性好，适于大规模推广应用。

Description

一种气体动力的氨气制备及定量喷射系统

技术领域

本发明涉及一种喷射系统，更具体的说涉及一种气体动力的氨气制备及定量喷射系统，用于柴油机排气后处理技术的还原剂计量喷射系统，属于内燃机废气净化系统技术领域。

背景技术

SCR，指选择性催化还原；SCR反应以氨作为还原剂，在发动机的排气通路中配置SCR催化剂，通过向SCR催化剂供给氨，使氨与排气中的NOx（氮氧化物）在340-400℃温度范围内发生还原发生，从而形成水蒸气（H2O）和氮（N2），从而有效地降低柴油机NO_X的排放，净化了排气。为了将氨向SCR催化剂供给，通常向排气通路中供给与氨相比处理更容易的尿素水，因此需要使用尿素水喷射器将尿素水溶液经过精细雾化定量喷射进排气管道中，使雾状的尿素水利用排气的热量加水分解而生成氨，从而将生成的氨吸附在SCR催化剂上，使NOx与氨反应分解成水蒸气（H2O）和氮（N2）而排出。如何向排气管中喷射定量雾化良好的尿素溶液是SCR系统的核心技术，目前的技术普遍采用计量泵对尿素溶液加压。由于在汽车和其他车船中都需要由蓄电池向该计量泵供电，泵需要较高压力，以利于尿素的雾化，因次加大了蓄电池电能的损耗；同时，目前计量泵主要由国外厂家控制，还不能实现国产，而且价格较贵，且计量泵属于精密设备，也是SCR系统中最容易出故障的设备之一，出故障后只能更换，因此设备后期维护保养费用也非常高。

中国专利申请公布号：CN101793183A、申请公布日：2010年8月4日、名称为：《一种空气动力雾化尿素还原剂喷射控制系统》的发明专利申请中公开了一种空气动力雾化尿素还原剂喷射控制系统，由气体流量电磁阀、手动液体开关、过滤器、液体流量电磁阀、单向阀、控制单元、温度传感器、氮氧化物传感器、单腔的尿素还原剂喷嘴、发动机排气管、尿素还原剂容器盖、压缩空气主管、尿素还原剂输送管、发动机尾气、尿素还原剂储罐压缩空气分管、吹扫喷嘴用压缩空气分管、尿素还原剂容器、调压阀组成，压缩空气主管的进气端设有调压阀，出气端分别与吹扫喷嘴用压缩空气分管和尿素还原剂储罐压缩空气分管相通，尿素还原剂储罐压缩空气分管连接在尿素还原剂容器上，尿素还原剂容器盖固定在尿素还原剂容器，尿素还原剂储罐压缩空气分管上设有气体流量电磁阀和手动液体开关，吹扫喷嘴用压缩空气分管上设有气体流量电磁阀、过滤器和单向阀并与单腔的尿素还原剂喷嘴相通，尿素还原剂输送管一端设在尿素还原剂容器内，另一端与尿素还原剂喷嘴相通，在尿素还原剂输送管设有过滤器、液体流量电磁阀和单向阀，设在发动机排气管上的温度传感器和氮氧化物传感器与控制单元电连接，控制单元与气体流量电磁阀和液体流量电磁阀电连接。该发明专利申请中经过过滤的尿素还原剂依靠压缩空气的动力驱动，在尿素喷嘴中混合雾化，依靠流量电磁阀的调节和控制，使尿素还原剂在单腔的喷嘴中雾化，以实现对汽车尾气中的NOx净化处理；同时，其成本相当于进口系统的1/2到1/3，可靠性高，容易依靠国内资源实现工业化应用。但是，该发明专利申请存在以下缺陷：一、该发明专利申请中通过液体流量电磁阀将尿素溶液喷入排气管中，目前国内这种精确计量尿素溶液的流量控制阀技术不成熟，很难精确计量液体，导致尿素溶液喷射量的准确性和稳定性较差；二、直接喷射尿素溶液方式，尿素溶液容易在尿素管路和发动机排气管中结晶，引起相关故障。

中国专利号为201020523476.0的“尿素还原剂的一阀二控喷射装置”实用新型专利、 中国专利号为201020523477.5“尿素还原剂的一阀三控喷射装置” 实用新型专利、中国专利号为201020523507.2的“尿素还原剂的多阀喷射装置” 实用新型专利、中国专利号为201020523511.9的“尿素还原剂的一阀五控喷射装置” 实用新型专利，这些专利采用常规的工业电磁流量控制阀或电磁流量比例阀以及精密机械开关阀，依据不同的控制逻辑，解决了原用尿素还原剂剂量的问题，解决了成本较高问题，能一定程度上代替进口产品；但是，这些专利的系统较复杂，喷射精度也不高，可靠性和实用价值不高。

目前也有开发氨储存材料技术，利用一些材料存储氨，然后通过加热释放氨，在将氨气喷入排气管净化发动机排气，但该技术需要定期向储氨材料中充入氨，氨是一种有毒物质，大规模的运输安全要求较高，一旦发生泄漏，后果非常严重。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的SCR反应还原剂计量喷射系统需要计量泵使得成本较高、或者尿素溶液喷射量的准确性和稳定性较差等问题，提供一种气体动力的氨气制备及定量喷射系统。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种气体动力的氨气制备及定量喷射系统，包括压缩空气罐、压缩空气管、充气电磁阀、尿素罐、控制单元、尿素管和SCR后处理器，所述的压缩空气罐和尿素罐之间通过压缩空气管相连通，所述的充气电磁阀设置在压缩空气管上，所述的尿素罐通过尿素管与尿素反应器相连接，所述的尿素管上设置有电磁阀，所述的尿素反应器上设置有压力温度传感器，尿素反应器通过输氨管与氨气喷嘴相连接，所述的输氨管上设置比例阀，所述的压力温度传感器、充气电磁阀和电磁阀分别与控制单元电连接，所述的比例阀与控制单元或车载ECU电连接。

所述的压缩空气管上设置有压力调节电磁阀，所述的压力调节电磁阀与控制单元电连接。

所述的尿素罐上设置有温度传感器、压力传感器和液位传感器，所述的温度传感器、压力传感器和液位传感器分别与控制单元电连接。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、设计新颖，结构简单，提供了一种成本较低、安全性好的气体动力的氨气制备及定量喷射系统。本发明中压缩空气罐和尿素罐之间通过压缩空气管相连通，压缩空气管上设置有充气电磁阀，利用压缩空气给尿素罐充压，使尿素罐内尿素溶液压力升高；尿素罐通过尿素管与尿素反应器相连接，尿素管上设置有电磁阀，尿素反应器通过输氨管与氨气喷嘴相连通，输氨管上设置比例阀，尿素罐通过电磁阀向尿素反应器喷入一定量的尿素溶液，尿素溶液在尿素反应器内分解为氨气和水蒸气混合气，使尿素反应器的压力升高至比例阀的工作压力范围，并利用比例阀计量后处理所需氨气量，因而可以取消计量泵和尿素溶液流量控制阀，从而能大大地降低产品成本及维护费用，摆脱对进口产品的依赖；同时由于采用比例阀计量喷入排气管中的氨气量，计量精度非常高，价格便宜能国产化，设备技术成熟，成本低廉，所有设备都可选用国产化设备，容易依靠国内资源实现工业化应用，有利于大规模推广与应用。

2、尿素溶液在尿素反应器内分解为氨气和水蒸气混合气，氨气喷入排气管中为气态，因而更容易与排气管的废气均匀混合，有利于反应的进行，而且不会存在尿素溶液结晶和堵塞等问题；同时，尿素溶液先分解为氨气和水蒸气且直接向排气管中喷入氨气，不需要空气动力使尿素溶液雾化，因而系统对压力的要求也较低，因此相对较安全。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图中：压缩空气罐1，充气电磁阀2，压力调节电磁阀3，尿素罐4，温度传感器5，压力传感器6，电磁阀7，尿素反应器8，压力温度传感器9，比例阀10，氨气喷嘴11， SCR后处理器12，电控单元13，压缩空气管14，尿素管15，输氨管16，液位传感器17，尿素加注口18。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，一种气体动力的氨气制备及定量喷射系统，包括压缩空气罐1、压缩空气管14、充气电磁阀2、尿素罐4、控制单元13、尿素管15和SCR后处理器12；所述的压缩空气罐1可分为几种:一种是高压储气瓶，例如高压氮气瓶，其压力一般为15～ 50MPa，最高可达100MPa以上，其优点是体积较小，但是由于受到有关高压容器使用安全法规的限制，这种采用高压储气瓶的尿素喷射系统只适用于航空和导弹测控方面的特种车辆；第二种是整车压缩空气，这种方案适用于各种车船；对于采用气刹车的汽车，也可以利用原有的空压机和储气罐作为压缩空气罐1。所述的尿素罐4顶部设置有尿素加注口18，所述的压缩空气罐1和尿素罐4之间通过压缩空气管14相连通，所述的充气电磁阀2设置在压缩空气管14上，充气电磁阀2与控制单元13电连接。本发明工作时利用充气电磁阀2传送压缩空气给尿素罐4充压，使尿素罐4内尿素溶液压力升高，当尿素罐4内压力达到尿素罐4工作压力的最大值后，不再给尿素罐4充气，此时尿素罐4处于工作压力状态，此工作压力状态即指使尿素罐4能够使尿素溶液喷射的状态；随着尿素罐4内尿素溶液的减少，尿素罐4内压力下降，当压力下降到工作压力的最小值时，重新向尿素罐4内充入压缩空气使其到工作压力的最大值。所述的尿素罐4通过尿素管15与尿素反应器8相连接，尿素反应器8设计为能承受一定气体压力的承压容器，所述的尿素管15上设置有电磁阀7，所述的尿素反应器8上设置有压力温度传感器9；所述的压力温度传感器9与控制单元13电连接，使尿素反应器8的温度与压力等参数都反馈给电控单元13。尿素反应器8可布置在SCR后处理器12后的排气管上，也可以布置在SCR后处理器12前的排气管上，也可以布置在其他可利用发动机热量的部位，也可以采用电加热等其他形式的加热方式，其目的都是为尿素反应器8中的尿素反应提供热量。尿素反应器8通过输氨管16与氨气喷嘴11相连接，所述的输氨管16上设置比例阀10；所述的比例阀10与控制单元13或车载ECU电连接，控制单元13或车载ECU控制比例阀10的开启大小从而控制氨气与水蒸气混合物的输送量，由此实现比例阀10精确控制喷入排气管混合气量。SCR后处理器12设置在氨气喷嘴11下游，主要是由载体和催化剂组成，在SCR后处理器中，混合气中的氨气在催化剂作用下将发动机排气中的NOx与喷射的氨气反应生成无害的氮气和水，达到、净化降低排气内NO_X的效果。所述的电磁阀7与控制单元13电连接，控制单元13控制电磁阀7的开闭。优选的，所述的压缩空气管14上设置有压力调节电磁阀3，所述的压力调节电磁阀3与控制单元13电连接；压力调节电磁阀3起到安全阀的作用，可以调节尿素罐4内的气体压力。优选地，尿素罐1上设置有温度传感器5、压力传感器6和液位传感器17，所述的温度传感器5、压力传感器6和液位传感器17分别与控制单元13电连接，尿素溶液压力、温度、液位等参数都反馈给电控单元13。

参见图1，工作过程具体包括如下：一、加注尿素溶液：首先开启压力调节电磁阀3，排空尿素罐4内的气体，使尿素罐4内压力降到大气压，以方便向尿素罐4加注尿素溶液；然后通过尿素加注口18向尿素罐4内加注尿素溶液。二、建压：向尿素罐4加注尿素溶液完成后，尿素加注口18关闭；打开充气电磁阀2、压缩空气给尿素罐4充气使尿素罐4压力达到其工作压力的最大值，此时尿素罐4处于工作压力状态，使尿素溶液能够在打开电磁阀7后自行喷入尿素反应器8中。三、尿素溶液分解：电控单元13通过压力温度传感器9检测尿素反应器8内的温度和压力，当尿素反应器8的压力下降到比例阀10的工作压力最小值时，电控单元13发送指令使电磁阀7打开，尿素罐4通过尿素管15向尿素反应器8内充入一定量的尿素溶液，此处的比例阀10保证正常计量气体时，其通常有一个工作压力范围，在这个工作压力范围内，比例阀10能实现正确计量功能，比例阀10工作压力的最大值和最小值由其设计决定；尿素溶液在尿素反应器8内在制取氨气的催化剂和排气管或电加热器加热的作用下分解为氨气和水蒸气混合气，当尿素反应器8的氨气和水蒸气混合气压力达到比例阀10工作压力范围时，电磁阀7自动关闭。四、氨气喷射：当尿素反应器8压力升高到比例阀10的工作压力范围后，氨气与水蒸气的混合气过输氨管16输送到氨气喷嘴11，然后将氨气与水蒸气的混合气喷入排气管内，比例阀10根据电控单元13或车载ECU指令精确控制氨气与水蒸气混合气喷入排气管内的量，在SCR后处理器12中，混合气中的氨气在催化剂作用下将排气内的NO_X排放还原为氮气，达到降低排气内NO_X的效果。五、尿素罐4充气：当尿素罐4压力降低到其工作压力的最小值，控制单元13发送指令打开充气电磁阀2，使尿素罐4压力达到其工作压力的最大值，尿素罐4的工作压力应能保证尿素喷入尿素反应器8能顺利雾化。六、重新加注尿素溶液：当尿素反应器8内压力下降到比例阀10的工作压力的最小值时，电控单元13发送指令打开电磁阀7向尿素反应器8内喷入一定的尿素溶液，尿素溶液在尿素反应器8内反应生成氨气和水蒸气混合气，使尿素反应器8内压力上升到比例阀10工作压力最大值时，然后关闭电磁阀7，如此循环工作，直到需重新向尿素罐4加注尿素溶液；当需要重新向尿素罐4充入尿素溶液时，需要先排除尿素罐4中的气体，然后再重新加注尿素溶液，尿素溶液加满后再向尿素罐4充气加压至其工作压力的最大值，再循环工作。本发明中电控单元13根据设定的程序通过向尿素罐4充入和排出气体以调节尿素罐4中尿素溶液压力，同时通过向尿素反应器8充入尿素溶液以调节尿素反应器8内的混合气压力，不设置计量泵，不需要价格昂贵的尿素溶液流量控制阀，成本低廉，所有设备都可选用国产化设备，有利于大规模推广与应用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种气体动力的氨气制备及定量喷射系统，包括压缩空气罐（1）、压缩空气管（14）、充气电磁阀（2）、尿素罐（4）、控制单元（13）、尿素管（15）和SCR后处理器（12），所述的压缩空气罐（1）和尿素罐（4）之间通过压缩空气管（14）相连通，所述的充气电磁阀（2）设置在压缩空气管（14）上，其特征在于：所述的尿素罐（4）通过尿素管（15）与尿素反应器（8）相连接，所述的尿素管（15）上设置有电磁阀（7），所述的尿素反应器（8）上设置有压力温度传感器（9），尿素反应器（8）通过输氨管（16）与氨气喷嘴（11）相连接，所述的输氨管（16）上设置比例阀（10），所述的压力温度传感器（9）、充气电磁阀（2）和电磁阀（7）分别与控制单元（13）电连接，所述的比例阀（10）与控制单元（13）或车载ECU电连接。

2.根据权利要求1所述的一种气体动力的氨气制备及定量喷射系统，其特征在于：所述的压缩空气管（14）上设置有压力调节电磁阀（3），所述的压力调节电磁阀（3）与控制单元（13）电连接。

3.根据权利要求1所述的一种气体动力的氨气制备及定量喷射系统，其特征在于：所述的尿素罐（4）上设置有温度传感器（5）、压力传感器（6）和液位传感器（17），所述的温度传感器（5）、压力传感器（6）和液位传感器（17）分别与控制单元（13）电连接。

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