CN103883377B - 一种尿素溶液快速水解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种尿素溶液快速水解装置，包括尿素溶液的储存及泵出模块、尿素溶液水解模块、NH3喷射模块及控制模块和控制模块，尿素溶液的储存及泵出模块包括尿素罐（1）和尿素泵（2），尿素溶液水解模块包括压缩缸体（5）、尿素溶液喷射器（4）、活塞（7）以及驱动活塞（7）运动的曲柄连杆机构（8），控制模块包括能够采集发动机（13）尾气温度和NOx含量的尿素喷射控制单元DCU（10）。本发明的优点在于：装置改变尿素溶液在通过喷嘴之前的压力和体积就能提高尿素溶液的实际温度，能全部水解为NH3并最终喷射到排气管内在SCR催化剂表面与尾气中的NOx发生反应，并解决喷嘴及排气管路的尿素结晶等问题。
Description
技术领域
本发明属发动机NOx排放控制领域，具体涉及利用热力学定律以提高尿素溶液的温度以使尿素溶液快速水解后生成的NH3来还原NOx的装置。
背景技术
随着大气污染物控制法规的不断加严，DeNOx后处理催化器的应用越来越广泛，尤其是柴油车及工业脱硝等NOx排放控制领域，通常的做法都是在排气管道后加装一套Urea-SCR或NH3-SCR后处理系统来解决NOx排放问题。尤其是在机动车的NOx排放控制上，由于NH3不易储存及潜在的安全隐患，Urea-SCR成为主流的DeNOx后处理配置。其一般的控制原理是将尿素溶液存储在一个尿素罐里，当排气中需要还原剂时通过一个尿素泵将尿素溶液从尿素罐中泵出，并通过一个特制的喷嘴将尿素溶液以雾状喷射进入排气管内，在尾气温度的作用下，雾状的尿素溶液能迅速水解并生成NH3，在与尾气中的NOx一起进入催化剂的表面时，NH3就能与NOx发生还原反应，从而达到降低NOx排放的目的。
由于尿素的水解温度一般在180℃以上，现有的尿素喷射系统一般在200℃以上很好的适应实际应用的需求，但是在200℃以下通常尿素均不能完全水解，而且在低温下，由于水解不完全会生成三聚氰胺等一系列结晶反应物而堵塞喷嘴、排气管等关键部件，最终可能导致整套后处理系统瘫痪。而柴油车，尤其是在城里内运行的柴油车辆实际排气温度一般在150℃至400℃之间，这样就造成在低温下尿素喷射系统不能适应柴油车的实际运行工况。因此，在低温下直接将NH3喷入排气管，从而摆脱尿素水解对于排气系统温度的依赖是当前一种热点研究内容。
由于氨气在工业中比较容易得到，当前有些工程技术人员会考虑使用工业中得到氨气通过一个氨气存储罐来进行存储，但这种存储方法需要对氨气进行压缩以增大存储量，这样就会带来压缩氨气爆炸等潜在的危险性，因此在实际中应用的很少。另外，还有一类研究的热点是采用氨气吸附材料及装置来存储氨气，这项技术依托于一种对NH3有很大吸附量的特殊材料，目前还处在研究阶段，不能投入使用。从实际应用角度来看，采用尿素溶液进行NH3的存储是最可靠最常用的方法。在尿素溶液之后，喷嘴之前接入一种装置，该装置可以将尿素溶液快速水解并将水解生成的NH3输入到喷嘴，从而实现直接将NH3喷射入排气管道内，对于解决目前Urea-SCR面临的低温问题具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的发明目的是基于现有技术的不足公开了一种尿素溶液快速水解装置，该装置可以在注入尿素溶液后通过腔内压缩雾状尿素做功提高尿素溶液的温度，当温度达到200℃左右时尿素溶液就能完全水解从而生成NH3，结合发动机及后处理全套电子控制程序最终将一定量的NH3在一定时刻喷入排气管道实现对NOx的还原反应。
本发明的具体技术方案是一种尿素溶液快速水解装置，包括尿素溶液的储存及泵出模块、尿素溶液水解模块、NH3喷射模块及控制模块和控制模块，所述的尿素溶液的储存及泵出模块包括可以用于储存尿素溶液的尿素罐和尿素泵，所述的尿素溶液水解模块包括一个密封的压缩缸体、安装于压缩缸体侧壁上的尿素溶液喷射器、安装于压缩缸体内部能够作直线运动的的活塞以及驱动活塞运动的曲柄连杆机构，所述的活塞的活塞杆伸出压缩缸体的一端端壁并与曲柄连杆机构连接，所述的NH3喷射模块包括安装于发动机排气管内的NH3喷射器，所述的NH3喷射器用于将NH3均匀地喷射入发动机排气管以在SCR催化剂表面发生化学反应，在所述的压缩缸体上，相对于活塞的活塞杆伸出压缩缸体的一端的另一端端壁上具有尿素回收通孔和NH3喷射通孔，所述的尿素罐通过管路与尿素回收通孔连通，所述的NH3喷射器通过管路与NH3喷射通孔连通，所述的尿素泵的吸入端与尿素罐连通，尿素泵的排出端通过管路与尿素溶液喷射器连接，所述的控制模块包括安装于连通尿素泵的排出端和压缩缸体的管路上的电磁阀Ⅰ、安装于连通NH3喷射器和压缩缸体的管路上的电磁阀Ⅱ、安装于连通尿素罐和压缩缸体的管路上的的电磁阀Ⅲ、安装于压缩缸体内的温度传感器以及能够采集发动机尾气温度和NOx含量的尿素喷射控制单元DCU，所述的尿素喷射控制单元DCU分别与尿素泵的控制端、电磁阀Ⅰ的控制端、电磁阀Ⅱ的控制端、电磁阀Ⅲ的控制端和温度传感器信号连接。
更进一步地，所述的曲柄连杆机构与发动机的输出轴连接。
更进一步地，所述的尿素泵型号为BOSCHSM-A3804440220011，所述的尿素溶液喷射器型号为BOSCHB444606505，所述的NH3喷射器型号为BOSCHB444606505，所述的尿素喷射控制单元DCU型号为BOSCHDenoxtronic2.2，所述的温度传感器型号为PT1000。
本发明的有益效果是基于理想气体定律，通过本发明的尿素溶液快速水解装置，改变尿素溶液在通过喷嘴之前的压力和体积就能提高尿素溶液的实际温度，当达到其完全水解温度时，其就能全部水解为NH3并最终喷射到排气管内在SCR催化剂表面与尾气中的NOx发生反应，从而满足全温度范围尤其是低温下的实际需求，并且解决现有技术下喷嘴及排气管路的尿素结晶等问题。
附图说明
图1为本发明的尿素溶液快速水解装置的结构及控制示意图；
图2为曲柄连杆机构的结构及工作示意图；
其中：1-尿素罐，2-尿素泵，3-电磁阀Ⅰ，4-尿素溶液喷射器，5-压缩缸体，6-温度传感器，7-活塞，8-曲柄连杆机构，9-电磁阀Ⅱ，10-尿素喷射控制单元DCU，11-NH3喷射器，12-电磁阀Ⅲ，13-发动机，14-减速机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地说明。
如图1所示，本发明的尿素溶液快速水解装置包括尿素溶液的储存及泵出模块、尿素溶液水解模块、NH3喷射模块及控制模块。尿素溶液的储存及泵出模块包括可以用于储存尿素溶液的尿素罐1、尿素泵2（BOSCHSM-A3804440220011）及与尿素泵2相连接的管路；尿素溶液水解模块包括一个密封的压缩缸体5、安装于压缩缸体内的尿素溶液喷射器4（BOSCHB444606505）、安装于压缩缸体5内部可以上下直线运动的的活塞7以及驱动活塞运动的曲柄连杆机构8，曲柄连杆机构8连接外部动力并驱动活塞7进行直线运动以压缩压缩缸体5内的气体。NH3喷射模块包括安装于排气管内部的一个NH3喷射器11（BOSCHB444606505）及相关NH3传输管路，NH3喷射器11（BOSCHB444606505）用于将NH3均匀的喷射入排气管以在SCR催化剂表面发生化学反应。控制模块包括安装于连通尿素罐1及压缩缸体5的管路上的电磁阀Ⅰ3、安装于NH3喷射模块管路的电磁阀Ⅱ9、安装于NH3回路的电磁阀Ⅲ12、安装于压缩缸体5内的温度传感器6(PT1000）及尿素喷射控制单元DCU10（BOSCHDenoxtronic2.2），尿素喷射控制单元DCU10（BOSCHDenoxtronic2.2）可以接收发动机13尾气中相关温度、NOx含量、压缩缸体5内温度传感器6(PT1000）信号等数据并根据这些数据控制尿素泵2泵出尿素的量及各阀的开闭时刻。尿素喷射控制单元DCU10（BOSCHDenoxtronic2.2）关于尿素量及各电磁阀的开闭时刻可以由发动机标定进行优化。
尿素溶液水解模块保证压缩缸体5内气体温度能够上升到尿素能完全水解的温度（200℃以上），其通过一个曲柄连杆结构8接入外部动力，该动力可以来自动力源本身或其他外接动力源，本例中外部动力来自发动机本。
结合图2说明曲柄连杆机构的工作过程。
在发动机输出轴端增加一个减速机构14，由于曲柄连杆的偏心，减速机构14的旋转运动将转化为曲柄连杆的直线运动，最终带动活塞7在压缩缸体内进行伸缩运动。
本装置具体包括尿素罐1、尿素泵2、电磁阀Ⅰ3、尿素溶液喷射器4、压缩缸体5、温度传感器6、活塞7、曲柄连杆机构8、电磁阀Ⅱ9、尿素喷射控制单元DCU10、NH3喷射器11、电磁阀Ⅲ12、发动机13。其中，尿素罐1用于储存尿素溶液；尿素泵2安装于尿素罐1内部；尿素泵2通过尿素管路与压缩缸体5连接；连接尿素泵2与压缩缸体5的尿素管路上设有电磁阀Ⅰ3，在尿素管路的末端压缩缸体5上安装有尿素喷射器4；在压缩缸体5的下部有可以上下自由运动的活塞7；活塞7的下部连接为其传递动力的曲柄连杆机构8；曲柄连杆机构8通过发动机13接入动力；压缩缸体5的顶部设有温度传感器6，用于检测压缩缸体内部气体的温度；压缩缸体5还通过气体管路连通外部的NH3喷射器11；在连接压缩缸体5与NH3喷射器的管路上接有电磁阀Ⅱ9；压缩缸体5的顶端又通过一套气体管路与尿素罐1连通，形成气体回路，在该气体管路上设有电磁阀Ⅲ12；整套系统通过电子尿素喷射控制单元DCU10进行控制，尿素喷射控制单元DCU10可以与发动机13、温度传感器6的通讯，得到实时发动机NOx排放、排温等信息并与尿素泵2、电磁阀Ⅰ3、尿素喷射器4、电磁阀Ⅱ9、NH3喷射器11、电磁阀Ⅲ12进行通讯，根据以上信息计算尿素泵2的尿素喷射量及喷射时刻、控制尿素喷射器4、NH3喷射器11的喷射时刻、控制电磁阀Ⅰ3、电磁阀Ⅱ9及电磁阀Ⅲ12的开启关闭时刻。
尿素快速水解装置的工作需要发动机13的转速、NOx浓度、温度等信号输入给尿素喷射控制单元DCU10进行驱动，尿素喷射控制单元DCU10根据当前排放的信息如排气温度、排气中NOx的浓度、当前温度下SCR催化剂的效率等进行计算，以精确计算各执行器的开闭时刻及喷射量。当发动机启动后，就会带来NOx的排放，此时需要进行NOx的排放控制。当需要进行排放控制时，发动机13将排放相关信号输入至尿素喷射控制单元DCU10，尿素喷射控制单元DCU10通过计算得出精确的尿素溶液需求量及各阀、喷射器的打开、关闭时刻，并驱动尿素泵2泵出所需要的尿素溶液，电磁阀Ⅰ3打开，尿素溶液通过尿素管道进入到尿素喷射器4前端此时尿素喷射器4打开并通过高压将定量的尿素雾化喷入压缩缸体5内；在完成定量的尿素溶液喷射后，电磁阀Ⅰ3及喷射器4关闭；喷射器4在尿素溶液雾化喷射同时，曲柄连杆8将连接发动机13的减速机构14的旋转运动转变为的活塞7的直线上下运动，即通过曲柄连杆机构8驱动活塞7对压缩缸体5内的气体进行压缩，遵循热力学原理压缩缸体5内气体温度急剧上升，此时压缩缸体5内的尿素溶液将迅速水解为NH3与水蒸气，待温度传感器6探测到压缩缸体气体温度升高至200℃时将信号传输至尿素喷射控制单元DCU10，尿素喷射控制单元DCU10驱动电磁阀Ⅱ9及NH3喷射器11打开，完全水解的NH3将随着活塞的压力被推入NH3传输管道内并经电磁阀Ⅱ9及NH3喷射器11被喷射入发动机排气管内与发动机尾气均与混合，最终实现在SCR催化剂表面进行化学反应，降低NOx排放。
进一步说明尿素溶液水解模块在活塞运动压缩压缩缸体内气体时遵循热力学第一定律:
其中，为热力学能的变化，即内能的变化
Q为与环境交换的热，其中吸热为正，放热为负
W为与环境交换的功，对外做功为负、外接对物体做功为正
根据热力学第一定律，当曲柄连杆机构8驱动活塞7运动后，活塞7运动压缩压缩缸体5内气体的体积，即对气体做功，在理想状态下，若不考虑气体与环境的热交换，那么压缩气体做功的能量将全部转化为气体的热力学能。
根据理想气体内能公式：
U=Cv*T
其中，U为气体的热力学能
Cv为气体的摩尔热容
T为气体的温度
气体的热能只是温度的单值函数，这说明当压缩缸体5内气体内能增加时，必然伴随着温度的上升。
因此，当压缩缸体5内气体被压缩时，随着外界对气体做功，压缩缸体5内气体温度必然上升，温度上升的多少取决于外部做功及压缩缸体5内气体与外部环境的热交换。
在实际应用中，一般根据发动机13排放计算出的尿素量一般偏大，故在当发动机13输入给尿素喷射控制单元DCU10的信号显示尾气中NH3排放超标时，控制器可适时进行反馈控制，减小电磁阀Ⅱ9及NH3喷射器11的喷射时间，待电磁阀Ⅱ9及NH3喷射器11关闭后，在活塞7的压缩行程的末期，打开连接压缩缸体5及尿素罐1的管路上的电磁阀Ⅲ12，多余的NH3将进入到NH3回路并回到尿素罐1中，NH3极易溶于水，并于氨水的形式存在于尿素溶液中。
以上仅就在发动机13排放控制领域中的尿素快速水解装置的工作情况进行了阐述，若将本例中的发动机改为其他外部动力，并加入一些采样的传感器及控制器，本装置同样适用于其他的固定源项目如工业脱销、发电机组NOx排放控制等领域。
本发明所涉及的尿素溶液喷射器可以是空气辅助式或非空气辅助式；尿素溶液喷射器及NH3喷射器的阀头控制可以是占空比控制或其他任何控制形式；曲柄连杆机构8的驱动力来源可以是动力源本体也可以是外接其他动力源；各电磁阀可以是任意原理的电子电磁阀；温度传感器可为任何可用温度测试设备；系统中气体传递管路可为任何可用结构。
Claims (2)
1.一种尿素溶液快速水解装置，包括尿素溶液的储存及泵出模块、尿素溶液水解模块、NH3喷射模块和控制模块，其特征在于，
所述的尿素溶液的储存及泵出模块包括可以用于储存尿素溶液的尿素罐（1）和尿素泵（2）；
所述的尿素溶液水解模块包括一个密封的压缩缸体（5）、安装于压缩缸体（5）侧壁上的尿素溶液喷射器（4）、安装于压缩缸体（5）内部能够作直线运动的的活塞（7）以及驱动活塞（7）运动的曲柄连杆机构（8），所述的活塞（7）的活塞杆伸出压缩缸体（5）的一端端壁并与曲柄连杆机构（8）连接；
所述的NH3喷射模块包括安装于发动机（13）排气管内的NH3喷射器（11），所述的NH3喷射器（11）用于将NH3均匀地喷射入发动机（13）排气管以在SCR催化剂表面发生化学反应；
在所述的压缩缸体（5）上，相对于活塞（7）的活塞杆伸出压缩缸体（5）的一端的另一端端壁上具有尿素回收通孔和NH3喷射通孔，所述的尿素罐（1）通过管路与尿素回收通孔连通，所述的NH3喷射器（11）通过管路与NH3喷射通孔连通，所述的尿素泵（2）的吸入端与尿素罐（1）连通，尿素泵（2）的排出端通过管路与尿素溶液喷射器（4）连接，
所述的控制模块包括安装于连通尿素泵（2）的排出端和压缩缸体（5）的管路上的电磁阀Ⅰ（3）、安装于连通NH3喷射器（11）和压缩缸体（5）的管路上的电磁阀Ⅱ（9）、安装于连通尿素罐（1）和压缩缸体（5）的管路上的的电磁阀Ⅲ（12）、安装于压缩缸体（5）内的温度传感器（6）以及能够采集发动机（13）尾气温度和NOx含量的尿素喷射控制单元DCU（10），所述的尿素喷射控制单元DCU（10）分别与尿素泵（2）的控制端、电磁阀Ⅰ（3）的控制端、电磁阀Ⅱ（9）的控制端、电磁阀Ⅲ（12）的控制端和温度传感器（6）信号连接；
尿素快速水解装置的工作需要发动机（13）的转速、NOx浓度、温度信号输入给尿素喷射控制单元DCU（10）进行驱动，尿素喷射控制单元DCU（10）根据当前排气温度、排气中NOx的浓度、当前温度下SCR催化剂的效率进行计算，以精确计算各执行器的开闭时刻及喷射量，当发动机启动后，就会带来NOx的排放，此时需要进行NOx的排放控制，当需要进行排放控制时，发动机（13）将排放相关信号输入至尿素喷射控制单元DCU（10），尿素喷射控制单元DCU（10）通过计算得出精确的尿素溶液需求量及各阀、喷射器的打开、关闭时刻，并驱动尿素泵（2）泵出所需要的尿素溶液，电磁阀Ⅰ（3）打开，尿素溶液通过尿素管道进入到尿素喷射器（4）前端，此时尿素喷射器（4）打开并通过高压将定量的尿素雾化喷入压缩缸体（5）内；在完成定量的尿素溶液喷射后，电磁阀Ⅰ（3）及喷射器（4）关闭；喷射器（4）在尿素溶液雾化喷射同时，曲柄连杆（8）将连接发动机（13）的减速机构（14）的旋转运动转变为活塞（7）的直线上下运动，即通过曲柄连杆机构（8）和驱动活塞（7）对压缩缸体（5）内的气体进行压缩，遵循热力学原理压缩缸体（5）内气体温度急剧上升，此时压缩缸体（5）内的尿素溶液将迅速水解为NH3与水蒸气，待温度传感器（6）探测到压缩缸体气体温度升高至200℃时将信号传输至尿素喷射控制单元DCU（10），尿素喷射控制单元DCU（10）驱动电磁阀Ⅱ（9）及NH3喷射器（11）打开，完全水解的NH3将随着活塞的压力被推入NH3传输管道内并经电磁阀Ⅱ（9）及NH3喷射器（11）被喷射入发动机排气管内与发动机尾气均匀混合，最终实现在SCR催化剂表面进行化学反应，降低NOx排放。
2.根据权利要求1所述的一种尿素溶液快速水解装置，其特征在于，所述的曲柄连杆机构（8）与发动机（13）的输出轴连接。
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