一种SCR喷射计量模块及控制方法
技术领域
本发明属于发动机排气后处理技术领域,具体涉及发动机排气后处理的NOx选择催化还原(SCR)系统及其控制技术。
背景技术
随着环境问题的日益突出,节能减排已经成为当下热议话题,国家则陆续出台了一系列的车辆排放标准,对此,以内燃机为动力的车辆需要安装排放后处理系统以求满足越来越严格的排放要求。例如,目前主要用于对柴油发动机尾气中NOx等污染物进行催化处理的SCR(Selective Catalytic Reduction)技术等。
SCR技术需要将例如32.5%重量浓度的尿素水溶液(也叫柴油排气处理液DEF=Diesel Exhaust Fluid,或者添蓝液AdBlue)定量喷射进柴油机排气中,通过排气高温分解成氨气,与排气混合后进入SCR催化转换器。在催化剂的作用下,氨气就会与发动机排气中的NOx等发生催化还原反应,使NOx分解为无害的N2、H2O,因此需要精度较高的SCR计量喷射装置。
SCR计量喷射装置是一个电脑控制的执行器,其正常工作受环境的影响较大。在零下11°C时,DEF液体会结冰,此时 SCR计量喷射装置不能正常工作,若有不慎,也有可能会导致输液管路或者装置损坏等情况发生。另外,DEF在一定的温度条件下会因失去水溶剂而结晶,从而导致装置损毁等严重后果。为了解决上述问题,需要较为复杂的辅助装置和控制方法用于融冰和抽排SCR计量喷射装置或者输液管路中的液体。
对于SCR喷射计量系统,由于尿素水溶液具有导电性,传统的以直流旋转电泵为动力源的喷射计量系统不能嵌入在工作液体中工作,因此多数采用以直流电机驱动的外置膜片泵为动力源,这种系统的结构复杂,除了可靠性外,还受环境的影响较大,尤其在低温环境下工作需要复杂的融冰辅助装置,售后服务维护也比较困难,给汽车驾驶者带来诸多的不便。
美国专利US20090301067A1公开了一种DEF喷射计量装置,其中计量喷射装置是一个螺线管驱动的柱塞泵喷嘴,安装在排气管上,需要外加一个低压泵为其从DEF储液罐提供工作液体,并且需要采取冷却措施才能正常工作。
螺线管驱动的柱塞泵是一种可以通过结构设计做到潜入到DEF液体中工作的一种装置。如果将SCR计量泵植入DEF储液罐中,SCR计量泵需要通过结构设计自身解决在无外在动力情况下进液、冷却和蒸汽排除问题。由于DEF工作液的表面张力较高,在加注DEF工作液时,液体往往不能顺利通过过滤器进入SCR计量泵中,从而导致初始进液难的问题。另外,SCR计量泵在工作时会产生大量的蒸汽,如果不能及时排除,会影响其正常工作和冷却。
除此之外,现有技术难以做到在完全没有辅助加热情况下在任何气候条件下正常工作。由于现有的提供喷射动力源的装置过于庞大或者其它原因导致不能植入DEF储液罐中,则需要辅助融冰装置,这使得系统更加复杂和庞大,成本也居高不下。因此解决系统结构复杂的问题是一个现实的迫切问题。
综上,现有技术采用了相当复杂的辅助装置解决SCR喷射计量装置的融冰、冷却和防止结晶等问题,导致制造和使用成本高,生产和维护难度大等新的问题。
发明内容
本发明针对上述问题,之目的在于提供一种控制精度高,结构简单,安装更换、维修方便的SCR喷射计量系统及其控制方法。
本发明之目的之二在于降低发动机排气后处理液体喷射计量系统的成本。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:
一种SCR计量喷射模块,包括一个支架,一个安装在支架一端的脉冲泵,一个固定在支架另一端的上端盖,一个喷嘴和一个控制器,其特征在于:支架从DEF储液罐的上部深入到DEF储液罐的底部,并通过上端盖固定在储液罐上,控制器控制脉冲泵工作,脉冲泵包括螺线管驱动器和柱塞泵,一个轴向贯穿的内流道,工作液(DEF)通过设置在内流道下端入口处的第一过滤器进入到内流道的入口,内流道的出口高于内流道的入口布置,进入内流道的工作液一部分由柱塞泵压送至喷嘴,一部分从内流道的出口排出脉冲泵。
一种SCR计量喷射模块的控制方法,控制器预存有脉冲泵的特性参数,能够以被动模式(Slave Mode)或主控模式(Master Mode)工作。
在被动模式工作时,包括以下步骤,
a)控制器从通讯接口获得目标流量;
b)控制器根据目标流量确定计量参数;
c)控制器根据包括储液罐内温度和液位的信息确定是否当前状态满足SCR计量模块能够工作的条件;
d)如果c)中判断为满足SCR计量模块能够工作的条件,控制器根据计量参数向脉冲泵发送驱动信号;
e)控制器向通信总线发送当前SCR计量模块状态信息。
在主控模式工作时,包括以下步骤,
a)控制器从通讯接口和传感器获取信息,根据包括发动机转速、油门位置和排气温度等信息确定目标流量;
b)控制器根据NOx传感器或氨气传感器信号反馈修正目标流量;
c)控制器根据目标流量确定计量参数;
d)控制器根据包括储液罐内温度和液位的信息确定是否当前状态满足SCR计量模块能够工作的条件;
e)如果d)中判断为满足SCR计量模块能够工作的条件,控制器根据计量参数向脉冲泵发送驱动信号;
f)控制器向通信总线发送当前SCR计量模块以及系统状态有关信息。
本发明能够获得的好处是,根据上述技术方案,工作液作为还原发动机的排气中的NOx的还原剂,例如32.5%浓度的尿素水溶液,储存在储液罐中,螺线管柱塞泵的所有电路都可以与工作液绝缘,因此,脉冲泵以及附属的流道和过滤器等,都能够方便地置于储液罐内部,与储液罐共享同一个融冰装置;脉冲泵由控制器电驱动控制工作,可以以主控或者被动模式工作,包括有判断尿素水溶液是否满足不结冰条件的逻辑,从而确定是否需要喷射工作液以及是否处于可喷射工作液的状态;甚至可以判断发动机是否处于高NOx排放工况的逻辑、计算需要多少喷射工作液的逻辑,然后确定驱动脉冲的大小,发出驱动信号,压缩工作液,将其压送至喷嘴,再喷出至发动机的排气管中。这样,泵出液体量就非常易于控制计量,从而实现对排气中的有害物质NOx的有效净化处理,而且可大幅简化SCR计量喷射系统,达到发明目的。
下面的技术方案,对本发明作进一步的限定或优化。
所述内流道的出口以能够有效防止固体杂物进入内流道且使DEF能够顺利进入内流道的方式设定;例如,所述内流道的出口可位于邻近DEF储液罐最高空间的位置,出口端可有一段弯道,使其出口方向朝向侧下方,或亦可在出口处设置防止外部物质轻易进入内流道的防护套,从而工作液基本不会到达该处或即使到达也不易进入内流道,但气体则可以排到储液罐的上部空间;或者在内流道的出口处设置第二过滤器,第二过滤器的过滤孔大于等于第一过滤器的过滤孔。
脉冲泵的工作受内部气体的影响极大,如果工作液因为内部气体无法排出而不能够进入内流道内,那么脉冲泵将无法泵出工作液。内流道内部气体能否顺利排出,取决于液体表面张力决定的内流道空腔边界的冒泡压力。如上方案中,为防止固体杂物进入内流道,在内流道的出口处可以设置防护套或第二过滤器,但如果防护套或第二过滤器的高度位置,相对于泵体能够正常工作的内流道内液体的最低液面位置,两者间因落差形成的液体压力差小于防护套或第二过滤器的冒泡压力时,那么,在液体湿润了防护套或第二过滤器时,内流道中的气体(可能来自于液体蒸发分解或析出,也可能来自于残留在其内部的空气),将很难排出,形成气泡阻塞。这在工作液用光后重新加液时最容易出现。
将第二过滤器的过滤孔设计为大于等于第一过滤器的过滤孔,就会降低第二过滤器的冒泡压力,配合合适的高度落差,就能够防止气泡阻塞。例如,第二过滤器的最大过滤孔直径可以设为0.2-2mm,冒泡压力小于40mm液柱,但第一过滤器的过滤孔因为必须防止损坏脉冲泵的杂物进入,一般都小于0.1mm。
另外,本发明所述内流道贯通螺线管驱动器中的电枢,可以减少电枢往复运动的阻力。因为电枢是将电磁能转换为机械动能的部件,因此其运动阻力严重影响螺线管驱动器的驱动效率,以及脉冲泵的最高工作频率。而其中的工作液产生的压力阻力的大小占其运动阻力的很大部分,电枢横截面积相对于电枢室越小,则电枢的运动阻力就越小。因此电枢中设置轴向贯通的内流道,就可以大幅减少电枢往复运动的阻力。例如一个较优的方案是,在螺线管驱动器的所有横截面中,电枢流道的几何流通面积与电枢几何截面积之比大于0.2。
按照上述方案,在电枢的运动阻力变小的同时,还能够形成工作液回流,更有利于排除泵内的析出气体。同时还使脉冲泵的工作频率范围大幅提高,从而提高了SCR计量喷射模块的流量动态范围,拓宽了其可工作条件。本发明所述SCR计量喷射模块,通过控制器控制螺线管的加电参数,例如脉冲宽度、电压、脉冲频率等,可以在相当宽的动态范围内准确定量地调节工作液进入发动机排气管的流量。
本发明所述SCR喷射计量模块,还可包括一个位于脉冲泵外部或者内部,与内流道并联的外流道,外流道有两个接口与内流道连通,如上接口与内流道上部接口连接,下接口与内流道入口连接。外流道上接口以上的外流道和内流道上部接口以上的内流道可以合并为一个流道,作为内流道的一部分。在外流道中串联一个分离腔,所述分离腔具有一定容积空间。进一步,所述分离腔由过滤器内部容积形成。
根据上述技术方案,工作液在分离腔中因为重力浮力的作用会分离出气体和液体,气体在上而液体在下,因而进入内流道的工作液将基本不含析出气体。分离出来的气体,会通过外流道的上接口进入内流道内,再通过内流道出口排出到储液罐上部空间,防止了气泡对脉冲泵工作的不利影响。
为了进一步保证这些气体不会聚集以至于影响脉冲泵正常工作,所述外流道和内流道的横截面的最小内切圆直径最好不小于1mm,以使内流道内的气体和液体能够依靠重力浮力作用而自然分离,气体运动到上部并从作为回液通道的内流道的最上方出口排入储液罐上部气体空间,而液体始终趋于充满脉冲泵内部的内流道。
再进一步,本发明还包括一个连接脉冲泵和喷嘴的压力管,压力管与喷嘴之间以可拆卸的方式连接。
该压力管可为一金属或塑料管。由于该压力管的设置,使得脉冲泵和喷嘴的安装布置相对自由方便,特别是对于可任意弯曲变形的压力管,安装更为灵活方便且不会由于振动变形等原因而损坏。
本发明所述的SCR喷射计量模块,还可包括融冰器、液位传感器和温度传感器,其中,融冰器可为一个以发动机冷却液为介质的加热管回路,加热管回路可由金属或者塑料管制成,液位传感器的电路和温度传感器被封装在同一个导管内,所述导管可以为一个塑料管,融冰器和导管沿支架上下布置。所述脉冲泵也可以固定在所述融冰器和(或者)导管上,融冰器和(或者)导管可以替代支架;所述融冰器还可为一个电加热器。无论是依靠发动机冷却液还是电能工作的融冰器,都可以由控制器控制其工作,例如,可以在融冰器加热管回路中串联一个电磁阀以控制融冰器的工作。
根据上述技术方案,SCR喷射计量模块可以作为一个总成安装在储液罐上,外部简洁整齐。在环境温度低于-11°C时,DEF液体就会结冰,这时需要在发动机启动后,随着冷却液温度上升,脉冲泵周围的冰开始融化,当判断液态DEF达到一定量时,脉冲泵就可以工作。在这种条件下,为了能够尽快满足脉冲泵的工作条件,可以采取以下加速措施:1)融冰器围绕脉冲泵布置,2)采用电加热融冰器或者电融冰器辅助加热,3)给脉冲泵的螺线管加入一个安全电流,让脉冲泵自我加热。
本发明所述的SCR喷射计量模块,所述喷嘴可以为一个依靠压力开启的喷嘴,工作液的喷射计量通过控制脉冲泵实现;所述喷嘴也可以为一个靠电磁力开启的喷嘴,工作液的喷射计量可以通过控制脉冲泵和喷嘴实现,脉冲泵和喷嘴以同步的方式工作。
进一步,本发明所述的SCR喷射计量模块,还包括一个气液混合腔,置于储液罐内,或者固定在支架之上端盖上。在气液混合腔置于储液罐内的方案中,喷嘴可以与脉冲泵集成在一起。气液混合腔一端连接一个压缩空气源,另一端通过一个输送管连接喷射器,喷射器固定在发动机排气管上,所述喷嘴将工作液喷入气液混合腔,工作液在气液混合腔中与压缩空气混合并通过喷射器喷入发动机排气管中。在混合腔和压缩空气源之间串联一个电磁阀,在所述SCR喷射计量模块停止工作之后,压缩空气滞后关闭,以确保输送管和喷射器中没有残留工作液。
根据上述技术方案,SCR喷射计量模块通过所述喷嘴喷出的工作液喷雾,进一步在气液混合腔中与压缩空气混合雾化,然后喷入发动机排气管,因此,依靠压缩空气气动雾化液体的原理,工作液的雾化液滴会进一步减小,进入发动机排气中更有利于和排气混合反应。同时,因为气液混合腔以及工作液喷嘴可以远离高温的排气管,所以工作条件优越,可靠性易于得到保证。再者,由于电磁阀的作用,压缩空气滞后关闭将不会在所述输送管及喷射器中残留工作液,也就排除了工作液在其中结晶或结冰堵塞输送管管路和喷射器的可能,这部分管路也就不需要融冰装置。特别是对于气液混合腔置于储液罐内的方案,甚至可以不用专门设计融冰装置,而只需要在有结冰的条件下,预先给脉冲泵的电磁线圈加上超长的驱动脉冲,通过电磁线圈发热热量来融冰。这将使SCR系统更加简洁,成本更低。
本发明所述的SCR喷射计量模块,所述喷嘴也可以固定在发动机排气管上,压力管从支架之上端盖穿过到达喷嘴,工作液通过喷嘴喷入发动机排气管中。或者压力管分成两段,处于储液罐内的第一段压力管在储液罐内部与处于支架之上端盖的压力管接头的一端连接,外部延长的第二段压力管在储液罐外部与支架之上端盖上的压力管接头的另一端连接,并将工作液引接入固定在发动机排气管上的喷嘴。
上述技术方案中,进一步在所述支架之上端盖和喷嘴之间,可沿压力管布置电加热装置,当控制器根据环境温度判断工作液可能结冰时,将启动电加热装置进行融冰。
上述技术方案,通过提升阀喷嘴或旋流喷嘴的压力喷射直接雾化工作液,喷射到发动机排气中,不需要使用压缩空气来雾化工作液或者扫除管道内残留工作液,是一种无压缩空气模式(Air-free Mode),因此可大幅简化SCR系统。
或者,在压力管中串联一个三通接头,三通接头之第三支管接头通过一个电磁阀接入一个压缩空气源,控制器判断满足喷射结束逻辑后,将开启所述电磁阀,用压缩空气扫除残留在从三通至喷嘴之间的工作液。三通可以布置在上端盖附近,也可以布置在尽可能靠近脉冲泵的压力管入口处。
上述所有技术方案中,储液罐内的工作液都可以通过一个加热装置来保证融冰,加热装置布置在所述脉冲泵及其附属的工作液管路附近。所述加热装置可以为电加热装置,也可以为引入发动机冷却液的换热器。
本发明所述的SCR喷射计量模块,所述控制器包括单片机,脉冲泵驱动电路,传感器信号处理电路, CAN总线数据收发器;控制器预存有脉冲泵的特性参数,计量参数与标准流量的二维数据,标准流量对应标准电压和标准温度的流量,控制器同时预存有电压和温度对流量的修正系数。
进一步,本发明所述控制器还可包括一个蓝牙模块,可以通过该蓝牙模块与外界智能设备交换数据。利用该蓝牙功能,可以将控制器内部数据,以及通过CAN获得的发动机管理系统ECU的数据,记录或实时无线传出到外界智能设备,例如智能手机或者智能手表等,进而通过互联网传到任何网址,从而实现车辆以及SCR系统的数据的实时分享,有助于诊断维修车辆、SCR系统,或者监控车辆的排放数据。
本发明所述SCR喷射计量模块以被动的方式工作的优点在于,所有以降低发动机NOx排放的控制逻辑储存在车辆的后处理控制单元ACU(after-treatment control unit)中,ACU可以是一个独立的单元,也可以集成在发动机管理系统的控制单元ECU(electronic control unit)中,这样,车辆可以根据需要灵活地选择SCR喷射计量模块,不需要对ACU做任何改动。本发明所述的SCR喷射计量模块只是ACU的一个执行器。ACU根据NOx排放后处理逻辑,计算得到需要提供SCR工作液的流量后,将该目标流量通过CAN总线下传,SCR喷射计量模块从CAN总线获得目标流量后,按照上述工作模式执行计量喷射。另外,在这种情况下,ACU还可以统一管理包括另一个与排放后处理相关的喷射系统DDS(diesel dosing system),DDS主要用于DPF(diesel particulate filter)再生系统,以降低整个后处理解决方案的成本。
本发明所述的SCR喷射计量模块以主控模式工作的优点在于,发动机ECU可以不含有发动机后处理控制逻辑,所述SCR喷射计量模块的控制器将直接采集或者通过CAN总线获得发动机转速、油门位置、NOx传感器或氨气浓度、排气温度或者催化转化器温度、储液罐温度、工作液液面位置等参数,然后根据内部的计算逻辑确定需要喷射的工作液流量,并输出驱动脉冲泵信号,完成工作液的喷射。
在所述控制器采集排气温度或者催化转化器温度、储液罐内温度和工作液液面位置时,所述控制器如果发现排气温度或者催化转化器温度或者储液罐温度或者工作液位低于各自所定值时,控制器将不发送工作液喷射信号,而给CAN总线发出SCR喷射计量模块非正常状态信息,包括出现非正常状态的原因,可以包括NOx传感器或氨气浓度、排气温度或者催化转化器温度、储液罐温度,工作液位等具体参数值。当然,即使SCR喷射计量模块处于正常状态,也可以发送SCR喷射计量模块正常的状态信息,以及各个具体参数值。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明提供的SCR喷射计量模块之第一实施例示意图。
图2为本发明提供的SCR喷射计量模块之第二实施例示意图。
图3为本发明提供的SCR喷射计量模块之第三实施例示意图。
图4为本发明提供的SCR喷射计量模块之第四实施例示意图。
图5为本发明提供的SCR喷射计量模块之第五实施例示意图。
图6为本发明提供的SCR喷射计量模块之被动工作模式应用实例图。
图7为本发明提供的SCR喷射计量模块之主控工作模式应用实例图。
图8为本发明提供的SCR喷射计量模块之无压缩空气工作模式应用实例图。
图9为本发明提供的SCR喷射计量模块之脉冲泵之一的结构示意图。
图10为本发明提供的SCR喷射计量模块之脉冲泵之二的结构示意图。
图11为本发明提供的SCR喷射计量模块之脉冲泵之三的结构示意图。
图12为本发明提供的SCR喷射计量模块之脉冲泵之四的结构示意图。
图13为本发明提供的SCR喷射计量模块之两种喷嘴总成示意图。
图14为本发明提供的SCR喷射计量模块之一种自开式喷嘴结构示意图。
图15为本发明提供的SCR喷射计量模块之第二种自开式喷嘴结构示意图。
图16为本发明提供的SCR喷射计量模块以被动模式工作时的控制器信号输入输出内容示例图。
图17为本发明提供的SCR喷射计量模块以主控模式工作时的控制器信号输入输出内容示例图。
图18为本发明提供的SCR喷射计量模块之控制器以被动模式工作的逻辑过程图。
图19为本发明提供的SCR喷射计量模块之控制器以主控模式工作的逻辑过程图。
具体实施例
如图1所示,为本发明提供的SCR计量喷射模块之第一实施例结构示意图,包括脉冲泵1,支架7,喷嘴18,气液混合腔16,控制器9,上端盖8,输送管10,过滤调压阀11,压缩空气控制电磁阀12,压缩空气管13。所述脉冲泵1与上端盖8分别安装于支架7的两端,脉冲泵1在支架7的最下端,与支架7通过螺纹3固定连接为一体。上端盖8固定在支架7的上端,两者可以为一个整体。支架7还安装有电加热融冰器6、液位传感器4和温度传感器5。控制器9安装于上端盖8上,位于支架7上的各电气连接线,包括脉冲泵驱动电缆线、电加热驱动电缆线、传感器信号电缆线等,直接引出到上端盖8连接至控制器9上,例如通过液位传感器4的内部管道引出。所述喷嘴18直接安装于脉冲泵1的输出口。所述气液混合腔16上设有进气嘴16a和输送管10的连接嘴16b,其底部开口16c密封套装于脉冲泵1之上,将喷嘴18包围其中,喷嘴18将工作液喷入混合腔16内。进气嘴16a与压缩空气管13连接,将压缩空气引入混合腔16内,与工作液在混合腔16内部混合,然后一起通过输送管10进入发动机排气管(图1中未示出)。脉冲泵1上还装置有一个回流管15,其出口15a处于较高位置,在出口15a处设置有第二过滤网或保护套14。
所述SCR计量喷射模块直接插入SCR系统的储液罐中,通过上端盖8固定在SCR系统的储液罐上。因为压缩空气可以清洗气液混合腔16及输送管10等,所以可以保证喷嘴18开始的下游管道空间内没有残留工作液,包括混合腔16以及输送管10等,也就解决了因为DEF结冰或者结晶堵塞SCR工作管道的问题。另一方面,脉冲泵1可以通过控制器9的长时间大脉冲加电产生热量,也就可以融化脉冲泵1和喷嘴16内部的结冰,因此该实施例甚至可以取消电加热融冰器6。
图1提供的SCR计量喷射模块之脉冲泵之一实例如图9所示。所述脉冲泵1包括一个螺线管驱动器23,一个柱塞泵22,一个过滤器2,一个轴向贯穿的内流道21,一个与内流道21并联的外流道20,外流道20兼做分离腔28,上部为回液嘴20c。泵内工作液在内流道21中的流动方向直接从下至上。图1中的回流管15连接在回液嘴20c上,作为内流道21的延长部分。所述内流道21包含有工作液入口21a和上部接口21b以及电枢室21c,贯穿电枢24的两端,上部接口21b高于内流道21的入口21a布置。内流道21与外流道20通过接口20a和20b连通。过滤器2安装在内流道21的入口21a处。
图1所示实施例及图9所示脉冲泵工作过程如下:
工作液通过设置在内流道21下端入口21a处的过滤器2,经内流道21流入柱塞泵22内。所述螺线管驱动器23通过电接插口19与控制器9电气连接,螺线管驱动器23通电后,将驱动电枢24向上运动,电枢24又推动柱塞25向上运动,压缩压力室27内的工作液,因此出液阀29打开,高压的工作液进入高压通道31及喷嘴18,工作液压力大于喷嘴18的开启压力时,喷嘴18就打开,将工作液喷入气液混合腔16之中。螺线管驱动器23断电后,电枢24和柱塞25将在柱塞回位弹簧的作用下开始向下运动回位,压力室27内的压力降低,出液阀弹簧推动出液阀29关闭,当柱塞25回位到吸液孔27a再次打开时,新的工作液将通过吸液孔27a进入压力室27,完成一个工作循环。在控制器9给螺线管驱动器23不断施加PWM驱动脉冲时,就不断地将工作液喷入气液混合腔16之中。控制器9同时还控制压缩空气控制电磁阀12的开关,从而压缩空气进入气液混合腔16,形成空气和工作液的气雾混合流,经过输送管10进入发动机排气管净化NOx。
如上工作过程中,工作液通过过滤器2进入到内流道21和外流道20,一部分进一步进入柱塞泵22的压力室27,一部分可能通过上部接口21b和接口20a回流到外流道20。分离腔28作为外流道20的一部分,具有一定的容积空间,可以用于实现气液分离,让进液中的气泡移动到外流道20的上部。
脉冲泵1在工作时,需要工作液尽可能充满其内部,并且必须尽可能防止液体以外的杂物进入脉冲泵1的内部,因为杂物可能损坏脉冲泵1。另一方面,还必须让脉冲泵1的内部气体自然排出,防止出现气阻。这些功能通过过滤器2、内流道21、外流道20和回流管15、第二过滤网或保护套14来实现。所述回流管15与上端回液嘴20c连通。工作液主要通过过滤器2进入脉冲泵1的内部空间,偶尔也会有工作液通过第二过滤器或保护套14进入脉冲泵1的内部空间,从而保证了工作液中的杂物不能进入脉冲泵1。脉冲泵1工作时,内部可能会析出气体,在脉冲泵1压缩内部工作液的同时,一部分工作液会形成回流流入外流道20,这些气体会和回流液体一起进入回流管15,并且可能通过回流管15的上部出口15a和第二过滤器(保护套)14排出到脉冲泵1的外部空间。如此,气泡也就难以在脉冲泵1内部聚集。由于设计回流管15的出口15a在较高部位,第二过滤器(防护套)14的透气孔径比过滤器2的过滤孔径要大,其冒泡压力低于回流管总高度H能够形成的落差压力,因此即使液位突然加到淹过第二过滤器(防护套)14,脉冲泵内的气体也能够自然排出,保证脉冲泵1内部不会气阻。进一步,回流管15内径要足够大,例如大于1mm,最好大于6mm,从而能够使工作液和气泡在其中自然分离,气泡总会处于上面,液体总会处于下面,防止回流管15中存在液柱而削弱脉冲泵1内部气体的排出动力。
此外,柱塞上可以设置一个单向阀26,例如鸭嘴式单向阀,当压力室27内部压力小于电枢室21c内的压力时,液体会通过单向阀26进入压力室27,从而减小柱塞22回位时的阻力,并防止压力室气阻,还能够提高脉冲泵1的最高工作频率。
图2所示为本发明提供的SCR计量喷射模块之第二实施例结构示意图,包括支架7,脉冲泵35,喷嘴18,压力管39,冷却液回路36,气液混合腔16,控制器9,上端盖8,过滤调压阀11,压缩空气控制电磁阀12。气液混合腔16安装于上端盖8上部。脉冲泵35可以采用图10、图11或图12所示结构。脉冲泵35位于支架7的下端,与喷嘴18通过压力管39连接,该压力管39可为一能够任意弯曲而弹性或塑性变形的金属或塑料管,可以根据需要任意改变脉冲泵35和喷嘴18之间的相对位置和距离,压力管39两端设有快速插接连接头或者螺纹连接头37、38,可拆卸更换。发动机冷却液回路36在这里就是融冰器,并与所述支架7合二为一,即两者固定连接在一起,或为同一个部件。在发动机运转后,冷却液温度上升,从而自动加热融化结成冰的工作液。所述脉冲泵35通过安装片41与冷却液回路36暨支架7固定。所述喷嘴18如图14或图13b所示,为一个压力驱动自开式喷嘴,包含一个安装环18b(图13b中未示出),可通过安装片40固定于上端盖8上,其喷孔18a深入至气液混合腔16内。所述气液混合腔16包含一个进气口17和一个混合气雾出口16a,进气口17与压缩空气控制电磁阀12连接,混合气雾出口16a通过输送管10与固定于排气管62上的喷射器64连接(见图6)。
图2的示例中,脉冲泵35的高压部分在下部,而低压部分在上部,这与图1中的脉冲泵1正好相反,但内流道中的低压工作液的流动方向仍然是从下到上。不过脉冲泵35也可以如图10的脉冲泵35a所示,为高压部分在上部,而低压部分在下部的结构形式。
图2所示实施例提供的SCR计量喷射模块之脉冲泵35还可为如图11所示的脉冲泵35b,或者如图12所示的脉冲泵35c。包括图10的脉冲泵35a在内,这些脉冲泵与图1及图10所示的脉冲泵1的明显不同点在于:高压通道31上不直接连接喷嘴18,而是通过输出接嘴45连接压力管39。压力管39将高压通道31延长,从而使气液混合腔16和喷嘴18可以布置在上端盖8之上部。压力管39将高压工作液引入喷嘴18。
图11所示脉冲泵35b与图1及图10所示的脉冲泵1的区别还有,没有设置外流道,柱塞22的运动方向相反,即柱塞22在螺线管驱动器23的驱动下向下运动时压缩压力室27内的工作液,而回位时柱塞22向上运动,这时向压力室27吸入新鲜工作液。此外,吸液单向阀47设置在吸液孔27a的下方、压力室27的侧壁上,单向吸液孔47a在柱塞22向上运动回位时,提前打开吸入新鲜工作液,同样起到防止压力室气阻并减小柱塞22回位阻力的作用。因为两个吸液孔27a和47a都处于内流道21的下方,因此即使没有外流道,仍然能够保证通过过滤器2的工作液基本以液体形态进入压力室27,脉冲泵35b内部的气体都会在内流道21中与液体分离流向出口21b,防止气阻现象的发生。回流管15(图2)将连接在内流道出口接嘴21d上,作为内流道21的延伸。这样,脉冲泵35b成为一种结构非常简洁的脉冲泵。
图11所示脉冲泵35b只要将压力管接嘴45改变为喷嘴18的安装结构,并把喷嘴18、气液混合腔16安装在脉冲泵的下方,输送管10仍然连接气液混合腔16的连接嘴,就可以构成如图1所示的本发明提供的SCR计量喷射模块之另一个更为简洁的实施例。
图12所示脉冲泵35c与图11所示脉冲泵35b的区别在于,脉冲泵35c外部包含一个管接外流道48,外流道的上端口48a与内流道出口附近接口21e连接,外流道的下端口48b与安装于内流道21入口之过滤器2相连,外流道48及过滤器2内部具有足够大的空腔,可以分离进入过滤器2的工作液中的气体。这样更有利于排出脉冲泵35c内部气体。
图3为本发明提供的SCR计量喷射模块之第三实施例结构示意图。与本发明提供的第二实施例结构示意图之区别之一在于:所述脉冲泵35之回流管15出口端15a位于上端盖下的较高位置并带有一个折弯圆弧段,使回流管的出口朝向侧下面,以有效防止固体杂物进入内流道且使DEF能够顺利进入内流道内。与本发明提供的第二实施例结构示意图之区别之二在于:本结构中所述控制器9单独安装,但线缆要通过上端盖8接入脉冲泵35及各传感器等。与本发明提供的第二实施例结构示意图之区别之三在于:所述压力管39连接的喷嘴50为一个需要控制器9控制打开关闭的喷射阀,如图13中的图13a所示,可以为普通车用汽油机所用的气道喷射喷嘴阀。所述控制器9在输出脉冲驱动脉冲泵35的同时,也要输出一个驱动脉冲给喷嘴50,喷出工作液的计量受脉冲泵35驱动脉冲和喷嘴50驱动脉冲两者的影响。
图4为本发明的第四个实施例的示意图。与本发明提供的第二实施例之区别在于,不设置气液混合腔,模块向发动机排气管喷射纯工作液液体,但为了防止结冰堵塞喷射管道,将压力管39分为两段,即压力管39a和压力管39b,在支架7之上端盖8上,设有一个三通管接头51,连接压力管39a和压力管39b,连接方式为螺纹或快速接插连接头。压力管39b另一端通过螺纹连接头53与喷嘴54连接,喷嘴54直接安装在发动机排气管(图4中未示出)之上。三通管接头51的第三个管接头接入由电磁阀12控制的压缩空气。在SCR系统正常工作期间,电磁阀12一直关闭,不会有压缩空气流入压力管39b。当发动机停车或者,发动机长时间处于非NOx排放工况工作,即SCR系统较长时间不喷射工作液,那么控制器9给压缩空气控制电磁阀12发送一定时长的打开驱动信号,以清除管道以及喷嘴中的残余工作液,达到除冰及防结晶的目的。
所述喷嘴54也是压力控制的自开式喷嘴,但其开启压力小于压缩空气的压力。喷嘴54可选用如图13b和图15所示喷嘴,特别是图15所示提升阀喷嘴对液体的雾化效果好,并且液体在空间分布范围广,尤其适合于诸如本发明实施例四和下述的实施例五的液体直接喷入发动机排气管的场合。
图5为本发明提供的SCR计量喷射模块的第五个实施例的示意图。与上述第四结构示意图大致相同,其主要区别在于:压力管39a与压力管39b通过一个两通接头连接,压力管39b上分布有电加热装置55,并由控制器9控制其在环境温度过低时,在发动机启动预热阶段给压力管39b融冰,而压力管39a的融冰问题由SCR计量喷射模块上集成的融冰装置例如冷却液回路36解决。这样,SCR系统就完全不需要压缩空气了,特别适用于某些压缩空气来源受限的车辆。
本发明提供的SCR计量喷射模块之脉冲泵之工作过程皆基本相同。
图6所示为本发明提供的SCR计量喷射模块以被动模式应用于发动机NOx排放后处理的系统示例,本发明的SCR计量喷射模块60从储液罐(DEF罐)61上部的开口装入储液罐61,并通过上端盖8固定在储液罐61上。发动机排气管道62上安装有排气温度传感器63、喷射器64,催化转换器65、NOx传感器66及其专用数据处理器66b,传感器(63、66)以及喷射器64通过安装螺纹(63a、64a、66a)固定于排气管62上。排气温度传感器63可安装于喷射器64之前靠近喷射器64处,但最好安装于催化转换器65之上,以提供更可靠的信息,用于判断催化转换器65是否处于起燃状态。SCR计量模块60之支架7的下端固定着脉冲泵35,其深入到DEF储液罐61的底部,储液罐61中存储有选择还原发动机排气中NOx的还原剂,例如32.5%的尿素水溶液(DEF),从而使储液罐61中的DEF能够用尽。
在SCR计量喷射模块以被动模式工作时,发动机或者车辆主控制单元(ECU)或者其中的排气后处理控制单元(ACU)67将与SCR计量模块60之控制器9之间通过通信总线(CAN)交换数据,主控制单元ECU控制发动机及车辆运行,甚至控制排放后处理系统,ACU专门控制排放后处理系统,但无论是ECU还是ACU,都会通过排气温度传感器63、NOx传感器66(专用信号处理器66b)等获得实时的排气温度和NOx浓度,根据车辆的NOx排放工况及目标和其内部逻辑,确定一个SCR系统的DEF目标流量,然后通过CAN总线给控制器9下传具体的DEF喷射指令。控制器9获取DEF目标流量及喷射指令后,按照目标流量以及内部预存的脉冲泵35特性参数、修正系数等计算出工作液喷射计量参数,并判断是否满足工作液喷射条件,例如融冰是否完成、储液罐61中液位是否足够等,如果满足喷射条件,则发出喷射驱动脉冲给脉冲泵35,同时也发出电磁阀的驱动信号,如果不满足条件,则不发出喷射驱动脉冲给脉冲泵35,同时向CAN总线发送一个SCR计量模块处于不可工作状态的信息。脉冲泵35在驱动脉冲的作用下,将压缩泵内的工作液,一部分被压送到压力管39,通过喷嘴18定量喷射到气液混合腔16中,而电磁阀12在驱动信号的作用下也处于打开状态,压缩空气也喷入气液混合腔16中,工作液在气液混合腔16中与压缩空气混合,然后进入输送管10再到达喷射器64,由喷射器64喷入发动机排气管62中,并且与排气混合并蒸发热解成氨气,与发动机排气一同进入NOx催化还原转换器65。在催化转换器65中NOx和氨气反应,被催化还原为无害的N2、H2O等。在SCR喷射计量模块停止工作之后,控制器9将控制电磁阀12继续保持打开一段时间,使压缩空气供应给气液混合腔滞后停止,从而确保输送管10和喷射器64中没有残留工作液,也就不会出现结冰堵塞。
图16更明确地说明了SCR计量模块控制器9在被动模式(Slave Mode)下,与排气后处理控制单元(ACU)67之间的关系。线缆中包括了接入整个系统CAN总线的连接线,以及通过各个传感器测量SCR系统状态的输入线,还有驱动脉冲泵、压缩空气控制电磁阀和电加热器等的输出控制线。控制器9中,包括单片机,数据存储器,脉冲泵驱动电路,传感器信号处理电路,CAN总线数据收发器;控制器9接受ACU下传目标流量,进一步根据数据存储器中预存的脉冲泵的特性参数、计量参数与标准流量的二维数据、电压和温度对流量的修正系数等,来确定脉冲泵的驱动脉宽,以及判断当前SCR计量模块是否处于可工作状态等,如果处于可工作状态,则发出脉冲泵的驱动指令,如果处于不可工作状态,则不发送脉冲泵的驱动指令。无论什么状态,都要通过CAN总线上传液位温度、执行器状态,特别是SCR计量模块工作状态等信息。
图18为控制器9以被动模式(Slave Mode)工作时的内部主要处理步骤逻辑图,适用于要使用压缩空气清洗管路并且有气液混合腔的系统,如实施例1到实施例3。上电(步骤101)后,首先将压缩空气控制电磁阀开启滞后关闭的延长开启目标时间设为0(步骤102),这是因为开机后刚开始是不需要压缩空气的。在步骤103,控制器9已经与发动机控制器10建立了通信关系,立即从CAN总线上读取排气后处理控制单元67下传的有关数据,必须包括SCR工作液目标流量和发动机转速,然后立即判断发动机是否已经启动(步骤104),如果没有启动,发动机转速=0,则转入步骤105,计算延迟时间,因为当前延时目标时间为0,所以在步骤106判断的结果肯定为延时已到,进入步骤107关闭压缩空气控制电磁阀,然后又将延时目标复零,转回步骤103。如果在步骤104发现发动机已经启动,则将转入步骤109,判断发动机控制器是否没有要求一个大于0的SCR工作液目标流量,即目标流量是否为0,如果是,则说明还没有开始或者已经要求停止SCR系统工作,则进入步骤120,将喷射计量参数置为0;如果否,则说明要求SCR系统工作,进入步骤110根据目标流量计算喷射参数。在完成步骤110或者120后,先要检查SCR系统是否处于可工作状态,即进入步骤111。在步骤111,判断工作液温度是否保证没有结冰?如果工作液温度大于预设的保证没有结冰的临界温度,则进入步骤113判断储液罐内工作液液位是否足够高允许SCR系统工作。如果步骤111判断为否,则说明可能DEF有结冰,还不能开始让SCR系统工作,立即进入步骤112,开启除冰电加热器(如果有的话),然后在步骤114确定因为DEF有结冰而SCR系统不能工作的状态码。在步骤113如果判断为否,则说明DEF液位太低不能开始让SCR系统工作,立即进入步骤114确定因为DEF液位问题而SCR系统不能工作的状态码。如果步骤111和113判断都为是,并且确定DEF喷射计量参数不为0,则将确定的喷射计量参数对应的脉冲泵驱动信号输出给脉冲泵(步骤115),然后发出压缩空气控制电磁阀打开(已经打开则保持)信号(步骤117),并确定新的压缩空气控制电磁阀滞后关闭的延长开启目标时间(步骤118),同时让延迟计数器复零,确定SCR模块可以正常工作的状态码。完成了步骤114或者118后,都进入步骤116,向CAN总线发送SCR系统状态码以及DEF液位、DEF温度等信息,最后返回步骤103继续。
在步骤110,将根据预存在控制器的数据存储器中的计量参数(喷射参数)与标准流量关系的二维数据、以及电压和温度对流量的修正系数等,确定实现目标流量的最准确计量参数。
在步骤114和118,控制器要确定一个状态码明确表示SCR模块及系统的当前工作状态,例如下表实例:
对于DEF液体直接喷射到发动机排气管的实施例4,图18所示过程步骤稍有不同,即需要判断何时打开压缩空气控制阀,而压缩空气控制阀打开的持续时间可以为一个预先设计好的确定值。在发动机启动后,一般情况下,压缩空气控制阀都处于关闭状态,只有在SCR系统较长时间没有喷射DEF或者发动机停机后,才发出打开压缩空气控制阀进行扫气的启动信号。具体过程省略。
图7为本发明提供的SCR计量喷射模块以主控模式应用于发动机NOx排放处理的系统示例。系统构成等基本与图6所示的应用例相同,只是控制器9采集SCR系统的所有传感器信号,包括排气温度传感器63、NOx传感器66(专用数据处理器66b)的输出信号,而且不从主控制器(ECU)67读取流量目标数据。
在主控模式下,控制器9将根据获得的各种数据,包括通过CAN总线获得的发动机转速、油门位置,以及从各传感器测得的数据,自主计算出DEF喷射目标流量。其后的处理过程与被动模式完全相同。
图17更加明确地说明了主控模式下,主控制单元(ECU)与SCR控制器9之间的关系和各自的主要功能。这里主控制单元为没有SCR控制功能的发动机控制单元(ECU)90,主控制单元90只通过ECU数据总线下传发动机转速和发动机油门位置(负荷信号)数据,SCR控制器9检测液位、储液罐温度、发动机排气温度等传感器的输出信号,并上传到CAN总线。另外NOx或氨气传感器信号有专门的信号处理器直接将传感器信号数据上传到CAN总线。
图19为控制器9以主控模式工作时的内部主要处理步骤逻辑图。与图17的不同主要在于,增加了步骤200,并且在步骤103,除了发动机转速外,还必须从CAN总线获取发动机负荷(油门位置)参数以及其他发动机运行条件参数,例如冷却液温度等(如果这些参数都由发动机控制单元90处理)。NOx或氨气排放浓度参数一般有专用数据处理器直接上传到CAN总线。当然如果SCR模块控制器直接输入各传感器的信号,就不用从CAN总线读取。在步骤200,最关键的计算是SCR工作液目标流量的确定,其中,首先根据转速、油门位置和排气温度查表确定一个基本SCR工作液目标流量(这些表格数据预存在控制器的数据存储器中,其中包含一些非NOx处理工况,例如排气温度明显低于SCR触媒的可工作温度,或者负荷太小NOx生成浓度很低,等等),然后根据当前实测的NOx或氨气排放浓度进行反馈修正得到最终目标流量。
图19的其他的步骤与图18的被动模式的步骤相同。
图8所示为以本发明提供的无压缩空气SCR计量喷射模块为核心的SCR系统应用例示意图,计量喷射模块70可以采用图5所示实施例的结构,并且以主控模式工作,图中省略了发动机主控单元。带外部电加热装置71的压力管72通过两通接头73及连接螺纹接头72a把液态的高压工作液引向喷嘴74,电加热装置71由控制器9控制,以保证外部管道温度不会导致压力管72内的DEF结冰,并在可能结冰的条件下融冰。而计量喷射模块70内部的压力管39的除冰则由循环冷却液换热装置完成。计量喷射模块70通过DEF罐(储液罐)61的上部开口插入储液罐61并固定在其上。喷嘴74安装在发动机排气管62上,与压力管72通过螺纹接头72b相连接。排气温度传感器63,催化转换器65,NOx传感器66都安装在发动机排气管62上。喷嘴74的详细结构可以如图15所示,为压力开启外开式提升阀喷嘴,通过安装凸台75固定于排气管道上,在脉冲泵35的驱动下,DEF被脉冲式从储液罐61中泵入压力管39和72,压力波的作用也使喷嘴74的内部压力脉冲式增加减小,在脉冲压力大于喷嘴74的开启压力时,从喷嘴74就喷射出中空型工作液喷雾,工作液喷雾流入发动机排气管的主方向与排气方向呈锐角,因此能够与发动机排气以较好的混合状态进入催化转换器65,净化排气中的NOx,生成无害的N2和H2O等。
图8所示系统不需要使用压缩空气来保证DEF喷射系统可靠工作,特别适用于压缩空气来源受限的场合,例如小型柴油卡车的SCR系统。
上述事例仅仅用于说明本发明,但并不限制本发明,凡基于本发明精神实质的进一步的改变方案均属本发明公开和保护的范围。