CN108278144A - 氨气喷射系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氨气喷射系统及其控制方法，其中，所述氨气喷射系统包括储氨罐、氨气供给模块、氨气调节阀、氨气计量阀、压力传感器、阀座、氨气喷嘴和控制器；所述氨气供给模块与所述储氨罐连通，所述氨气供给模块与所述氨气调节阀连接；储氨罐内的氨气进入氨气调节阀，控制器通过控制氨气调节阀开闭保证氨气喷射压力稳定；控制器结合氨气喷射压力控制氨气计量阀开闭时长来喷射适量的氨气。本发明的氨气喷射系统通过ECU对氨气调节阀与氨气计量阀的双阀控制，能够保证氨气喷射压力稳定，从而实现氨气计量精确，满足国六排放要求；而且氨气调节阀为电控开关阀，结构简单、工艺成熟、成本低廉，较机械调压阀具有显著的成本优势和可靠性优势。

Description

氨气喷射系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种氨气喷射系统及其控制方法，属于柴油机尾气后处理领域。

背景技术

随着商用车国Ⅳ排放法规的实施，整车必须加装氮氧化物(NOx)排放后处理装置。

中国中重型柴油机普遍采用选择性催化还原(SCR)技术路线，即将标准车用尿素水溶液喷射到排气中，使用其分解产生的氨气对NOx进行选择性催化还原，生成无害的氮气和水。

现有的SCR还原剂供给系统以尿素系统为绝对主流，即将标准车用尿素液(以下简称尿素液)喷射到发动机排气中，尿素液受热分解为氨气，在催化器作用下将排气中的NOx转化为无害的氮气。但尿素液需要排气温度250℃以上才能充分分解为氨气，在250℃以下时容易分解为缩二脲、三聚氰酸等中间产物，这些中间产物为白色结晶状物体，大量累积后造成尿素喷嘴、排气管、后处理器等堵塞，进而影响发动机排放。而目前随着国V法规的实施，为满足WHTC循环要求，尿素系统起喷温度一般在200℃以下，因此很容易出现尿素结晶问题，并且尿素转化效率较低，达成排放要求较为困难。尿素液作为还原剂还有其他一些明显的缺点：冬季结冰，需要半个小时以上的加热解冻才能够正常工作；尿素生产过程高能耗高污染，配比车用尿素水溶液需要纯水，纯水生产过程需要耗费3倍普通水。

专利文献1(CN103541796A)涉及到一种固体储氨系统的氨气计量方法，其特征在于具体步骤如下：1)发动机的工况信号由ECU发出，指令DCU根据系统的温度高低输出信号给电磁阀改变开度；控制固体储氨材料中的氨气均匀输出；2)当DCU获得模拟信号的输入，并且当压力传感器的显示内部压力大于200kPa，并且当温度传感器显示内部的温度大于60℃，才启动电磁阀；采用温度传感器、压力传感器、过滤器、稳压阀和电磁阀组合使用，适应于国4以及以上的排放标准所用SCR中，也适用于未来的FCEV技术。

专利文献2(CN202673414U)把发动机的排气管并联分成a和b两路，在其中一路的管路上安装储氨系统，利用余热的方式，加热活性的储氨化合物，释放出氨，根据发动机排气工况水平，依靠控制单元把氨导入SCR后处理器的前端，实现无液体尿素输送喷射和雾化分解的SCR系统；该系统具备灵活的特点，不仅能满足车辆低温冷启动时排放控制目标，价廉，可靠性高，使用方便；适用于轻型柴油车以及中型柴油车SCR国4以上系统，也可以应用于FCEV系统，满足未来汽车工业的应用需求，具有实用价值。

专利文献3(CN202673413U)涉及一种排气管余热方式储氨供氨的系统，其特征在于：外法兰盘套在排气管上，耐压罐内壁筒套在排气管上一侧与外法兰盘固定连接，另一侧与另一片外法兰盘固定连接，内法兰盘套在耐压罐内壁筒上固定连接，耐压罐外壁筒套在内法兰盘上一侧与内法兰盘固定连接，耐压罐外壁筒另一侧与另一片内法兰盘固定连接，两片内法兰盘与耐压罐内壁筒、耐压罐外壁筒形成空腔，空腔内填充固体储氨材料，耐压罐温度传感器感应端插入固体储氨材料内连接在耐压罐外壁筒上，电子控制单元控制端通过信号线连接精密比例阀，进气管连接SCR后处理器进气端，SCR后处理器出气端连接排气管；发动机排气的余热进行加热，依靠控制单元和一组电磁阀或比例阀，实现氨的剂量输送并方便的导入SCR后处理系统，实现对NOx的去除。

对于专利文献1、专利文献2和专利文献3公开的系统，均采用氨气吸附技术直接喷射氨气，直接使用氨气作为还原剂具有显著的优点：冬季不结冰，经过简单加热甚至不加热即可工作，效率更高；喷出后直接反应，不需要水解，对排气温度不敏感；氨气是生产尿素的原材料，喷射不需要水，能够显著节省能源与资源；转化效率高，无结晶。但此技术需要大规模的基础设施推广，实施难度很大，会造成用户使用的极大不便。系统需要大功率加热，结构复杂，成本高。系统都需要稳压阀进行稳压，稳压阀成本高、结构复杂。系统大量使用纯机械部件，OBD功能较弱。

发明内容

本发明目的是设计一种氨气喷射系统及其控制方法，其通过液氨罐储存液氨，将汽化的氨气直接喷射到排气中。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种氨气喷射系统，其包括储氨罐、氨气供给模块、氨气调节阀、氨气计量阀、压力传感器、阀座、氨气喷嘴和控制器；

所述氨气供给模块与所述储氨罐连通，所述氨气供给模块与所述氨气调节阀连接；

氨气调节阀和氨气计量阀均安装在阀座上，阀座内形成有稳压腔，所述氨气调节阀和氨气计量阀均与所述阀座的稳压腔连通，所述压力传感器安装于所述阀座，用于测取阀座的稳压腔内氨气压力；储氨罐内的氨气进入氨气调节阀，控制器通过控制氨气调节阀开闭保证氨气喷射压力稳定；控制器结合氨气喷射压力控制氨气计量阀开闭时长来喷射适量的氨气；

氨气喷嘴安装在排气管上，氨气计量阀喷射的氨气通过氨气喷嘴进入后处理器中参与还原反应。

可选的，在所述储氨罐的上部设置有开口，所述氨气供给模块插入所述储氨罐的开口内。

可选的，所述氨气供给模块包括加热腔和底座；

所述加热腔为上端开口的圆筒形结构，所述加热腔的上端焊接有底座，所述底座密封所述加热腔上端的开口；

所述加热腔插入所述储氨罐的开口内，其外壁面与所述加热腔的开口密封；

所述加热腔的底壁上开设有通孔，且在所述通孔内设置有加热腔单向阀，以通过所述加热腔单向阀使得储氨罐内的液氨进入所述加热腔；

所述加热腔内设置有液位及温度传感器，其用于检测加热腔内的液氨的液位以及加热腔内的温度，并将该液位信号和温度信号传递至所述控制器；

所述底座上设置有出气口，所述出气口与所述氨气调节阀连接；

所述出气口内设置有过流阀。

可选的，所述加热腔包括不锈钢材料制备的内壁和外壁，以及在所述内壁和外壁之间的PTC材料电加热丝，所述电加热丝与所述内壁接触，并且与所述外壁保持一定距离。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种氨气喷射系统的控制方法，其包括：

设定液氨温度Tn保持在一定范围Ta～Tb内，车辆启动后，控制器根据液位及温度传感器的信号判断液氨温度，若Tn≥Tb，则不控制氨气供给模块的加热腔工作；若Tn小于Ta，则控制加热腔开启，对液氨进行加热直至Tn＝Tb，然后停止加热，之后控制器通过控制加热腔，将液氨温度保持在Ta～Tb范围内；

通过标定设定不同环境温度下加热所需时间，若在设定时间内无法达到设定温度，报加热腔的加热部件故障，系统停止工作；

当Tn≥Ta时，判定系统可以正常喷射氨气；设定氨气喷射压力为Pn，控制器控制氨气调节阀开启至氨气喷射压力达到Pn；若在一定时间内无法达到Pn，报建压失败故障，系统停止工作；

若压力达到Pn，关闭氨气调节阀，观察一定时间内压力变化，若产生压力降低，并且该压力降低的值超出设定阈值，报阀座泄漏故障，系统停止工作；若产生压力升高，并且压力升高的值超出设定阈值，报氨气调节阀泄漏故障，系统停止工作；

若压力变化在设定范围内，控制氨气计量阀开启预设时间，若氨气喷射压力产生一定压力降，判断系统建压成功；若未产生足够压力降，报氨气计量阀或氨气管路堵塞故障，系统停止工作；

控制器控制氨气计量阀以预设的频率开启，通过控制开启占空比调节氨气喷射量；同时控制氨气调节阀高频开闭，控制氨气调节阀的开启占空比，从而使氨气喷射压力维持在Pn；

当氨气喷射压力不足时，提高氨气计量阀开启频率，并降低单次喷射时长，使储氨罐有更长的氨气产生时间；若提高氨气计量阀开启频率后氨气喷射压力仍然无法达到Pn，报系统加热部件损坏或氨气泄漏故障；

当氨气喷射压力过高时，控制器根据压力修正调节氨气计量阀开启占空比，同时检测此时NOx排放，若排放正常，报氨气调节阀泄漏故障；若排放超高，报氨气计量阀或氨气管路堵塞故障。

本发明具有如下有益效果：本发明的氨气喷射系统通过ECU对氨气调节阀与氨气计量阀的双阀控制，能够保证氨气喷射压力稳定，从而实现氨气计量精确，满足国六排放要求；而且氨气调节阀为电控开关阀，结构简单、工艺成熟、成本低廉，较机械调压阀具有显著的成本优势和可靠性优势。

附图说明

图1为本发明的氨气喷射系统的结构示意图；

图2为本发明的储氨罐的结构示意图；

图3为本发明的氨气供给模块的结构示意图；

图中标记示意为：1-储氨罐；101-隔热层；102-罐体；2-氨气供给模块；201-出气口；202-过流阀；203-液位及温度传感器；204-加热腔；205-加热腔单向阀；206-底座；3-氨气调节阀；4-氨气计量阀；5-压力传感器；6-阀座；7-氨气喷嘴；8-控制器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种氨气喷射系统，其包括储氨罐1，氨气供给模块2，氨气调节阀3，氨气计量阀4，压力传感器5，阀座6，氨气喷嘴7和控制器(ECU)8。

所述储氨罐1的罐体102为不锈钢结构，在所述罐体的外部包覆隔热层101，当阳光直射时，储氨罐内温度不会过高，不会产生液氨温度过高、压力过大的问题。在所述储氨罐的下部设置有加液口，在所述储氨罐的上部设置有开口，所述氨气供给模块插入所述储氨罐的开口内，并使得储氨罐与氨气供给模块2连通。

所述氨气供给模块2包括加热腔204和底座206。

所述加热腔204为上端开口的圆筒形结构，所述加热腔的上端焊接有底座206，所述底座206密封所述加热腔204上端的开口；本实施例中，所述加热腔插入所述储氨罐的开口内，其外壁面与所述加热腔的开口密封。

所述加热腔的底壁上开设有通孔，且在所述通孔内设置有加热腔单向阀205，以通过所述加热腔单向阀205使得储氨罐1内的液氨进入所述加热腔，即当加热腔204内压力高于储氨罐1内压力时加热腔单向阀205关闭，加热腔204形成与罐体201完全单独的腔体。

所述加热腔204内设置有液位及温度传感器203，其用于检测加热腔内的液氨的液位以及加热腔内的温度，并将该液位信号和温度信号传递至所述控制器8。

所述加热腔204包括不锈钢材料制备的内壁和外壁，以及在所述内壁和外壁之间的PTC材料电加热丝，所述电加热丝与所述内壁接触，并且与所述外壁保持一定距离，从而使得加热丝对加热腔的内部进行快速加热，对储氨罐进行缓慢加热，所述PTC材料电加热丝使得所述加热腔的最高加热温度为30℃。从而避免储氨罐内压力过高。

所述底座上设置有出气口201，所述出气口与所述氨气调节阀3连接。

所述出气口内设置有过流阀202，以当出气口201所接管路出现断裂或其他问题时，储氨罐内氨气迅速流出，触发过流阀202关闭，从而避免危险。

当车辆启动后，ECU通过液位及温度传感器203获取液氨的液位信号及温度信号，当液位低于10％时，ECU提示需加注液氨，由加液口加注液氨。

当液氨温度低于25℃时，ECU控制加热腔204加热。由于加热腔204容积较小，因而使加热腔204内温度升高较为迅速，使腔体内氨气压力迅速升高，加热腔204内外产生压力差，驱动加热腔单向阀205关闭，从而维持加热腔204内的压力。同时加热腔204为双层结构，能够起到较好的隔热作用，使加热腔204内温度保持较高水平，通过以上的工作过程就实现了液氨储存罐迅速提供氨气。

当氨气持续喷射一段时间后，会发生加热腔204内液位低于储氨罐1内液位的现象，若一直维持这种状态，可能导致系统过早报出液氨液位低的错误。通过加热腔单向阀205的设计可以避免这种情况。当氨气持续喷射一段时间后，储氨罐1内液氨温度也被加热升高，加热腔204内外温度趋于一致，压力差消失，加热腔单向阀205打开，内外腔导通，液面恢复一致。可以保证储氨罐内液氨得到充分使用，避免液位误报错。

氨气调节阀3和氨气计量阀4均为电控开关阀，安装在阀座6上，阀座6内加工有一稳压腔，所述氨气调节阀和氨气计量阀均与所述阀座的稳压腔连通，所述压力传感器5安装于所述阀座，用于测取阀座稳压腔内氨气压力。储氨罐内的氨气进入氨气调节阀，ECU8通过控制氨气调节阀3开闭保证氨气喷射压力稳定。ECU8结合氨气喷射压力控制氨气计量阀4开闭时长来喷射适量的氨气。

氨气喷嘴7为机械喷嘴，安装在排气管上，氨气计量阀4喷射的氨气通过氨气喷嘴进入后处理器中参与还原反应。

而且，本实施例中，储氨罐内氨气压力应高于氨气喷射压力2倍以上；储氨罐内预留10％以上的稳压容积；阀座6稳压腔体积设计在氨气计量阀每秒流量的2倍以上；以及机械喷嘴孔径应为计量阀孔径3倍以上，从而实现氨气喷射压力稳定。

本实施例的氨气喷射系统通过ECU8对氨气调节阀3与氨气计量阀4的双阀控制，能够保证氨气喷射压力稳定，从而实现氨气计量精确，满足国六排放要求；而且氨气调节阀3为电控开关阀，结构简单、工艺成熟、成本低廉，较机械调压阀具有显著的成本优势和可靠性优势。

实施例2

本实施例提供了一种氨气喷射系统的控制方法，其包括：

设定液氨温度Tn保持在一定范围Ta～Tb内，车辆启动后，ECU8根据液位及温度传感器202的信号判断液氨温度，若Tn≥Tb，则不控制氨气供给模块2的加热腔204工作；若Tn小于Ta，则控制加热腔201开启，对液氨进行加热直至Tn＝Tb，然后停止加热，之后ECU通过控制加热腔201，将液氨温度保持在Ta～Tb范围内；

通过标定设定不同环境温度下加热所需时间，若在设定时间内无法达到设定温度，报加热腔的加热部件故障，系统停止工作。

当Tn≥Ta时，判定系统可以正常喷射氨气。设定氨气喷射压力为Pn，ECU控制氨气调节阀3开启至氨气喷射压力达到Pn。若在一定时间内无法达到Pn，报建压失败故障，系统停止工作。

若压力达到Pn，关闭氨气调节阀3，观察一定时间内压力变化，若产生压力降，并且该压力降低的值超出设定阈值，报阀座泄漏故障，系统停止工作；若产生压力升高，并且压力升高的值超出设定阈值，报氨气调节阀3泄漏故障，系统停止工作；

若压力变化在设定范围(根据压力降低的设定阈值以及压力升高的设定阈值得到)内，控制氨气计量阀开启0.05s，若氨气喷射压力产生一定压力降，判断系统建压成功。若未产生足够压力降，报氨气计量阀或氨气管路堵塞故障，系统停止工作。

下面介绍喷射过程：

ECU8根据发动机排放需求，控制氨气计量阀4以1Hz的频率开启，通过控制开启占空比调节氨气喷射量。同时控制氨气调节阀3高频开闭(20-50Hz)，通过PID或其他算法，控制氨气调节阀3的开启占空比，从而使氨气喷射压力维持在Pn。

当氨气喷射压力不足时，提高氨气计量阀4开启频率至2Hz以上，以降低单次喷射时长，使储氨罐有更长的氨气产生时间。若提高氨气计量阀开启频率后氨气喷射压力仍然无法达到Pn，报系统加热部件损坏或氨气泄漏故障。

当氨气喷射压力过高时，ECU8根据压力修正调节氨气计量阀4开启占空比，同时检测此时NOx排放，若排放正常，报氨气调节阀泄漏故障；若排放超高，报氨气计量阀或氨气管路堵塞故障。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种氨气喷射系统，其特征在于，包括储氨罐、氨气供给模块、氨气调节阀、氨气计量阀、压力传感器、阀座、氨气喷嘴和控制器；

所述氨气供给模块与所述储氨罐连通，所述氨气供给模块与所述氨气调节阀连接；

氨气调节阀和氨气计量阀均安装在阀座上，阀座内形成有稳压腔，所述氨气调节阀和氨气计量阀均与所述阀座的稳压腔连通，所述压力传感器安装于所述阀座，用于测取阀座的稳压腔内氨气压力；储氨罐内的氨气进入氨气调节阀，控制器通过控制氨气调节阀开闭保证氨气喷射压力稳定；控制器结合氨气喷射压力控制氨气计量阀开闭时长来喷射适量的氨气；

氨气喷嘴安装在排气管上，氨气计量阀喷射的氨气通过氨气喷嘴进入后处理器中参与还原反应。

2.根据权利要求1所述的氨气喷射系统，其特征在于，在所述储氨罐的上部设置有开口，所述氨气供给模块插入所述储氨罐的开口内。

3.根据权利要求2所述的氨气喷射系统，其特征在于，所述氨气供给模块包括加热腔和底座；

所述加热腔为上端开口的圆筒形结构，所述加热腔的上端焊接有底座，所述底座密封所述加热腔上端的开口；

所述加热腔插入所述储氨罐的开口内，其外壁面与所述加热腔的开口密封；

所述加热腔的底壁上开设有通孔，且在所述通孔内设置有加热腔单向阀，以通过所述加热腔单向阀使得储氨罐内的液氨进入所述加热腔；

所述加热腔内设置有液位及温度传感器，其用于检测加热腔内的液氨的液位以及加热腔内的温度，并将该液位信号和温度信号传递至所述控制器；

所述底座上设置有出气口，所述出气口与所述氨气调节阀连接；

所述出气口内设置有过流阀。

4.根据权利要求3所述的氨气喷射系统，其特征在于，

所述加热腔包括不锈钢材料制备的内壁和外壁，以及在所述内壁和外壁之间的PTC材料电加热丝，所述电加热丝与所述内壁接触，并且与所述外壁保持一定距离。

5.一种氨气喷射系统的控制方法，其特征在于，包括：

设定液氨温度Tn保持在一定范围Ta～Tb内，车辆启动后，控制器根据液位及温度传感器的信号判断液氨温度，若Tn≥Tb，则不控制氨气供给模块的加热腔工作；若Tn小于Ta，则控制加热腔开启，对液氨进行加热直至Tn＝Tb，然后停止加热，之后控制器通过控制加热腔，将液氨温度保持在Ta～Tb范围内；

通过标定设定不同环境温度下加热所需时间，若在设定时间内无法达到设定温度，报加热腔的加热部件故障，系统停止工作；

当Tn≥Ta时，判定系统可以正常喷射氨气；设定氨气喷射压力为Pn，控制器控制氨气调节阀开启至氨气喷射压力达到Pn；若在一定时间内无法达到Pn，报建压失败故障，系统停止工作；

若压力达到Pn，关闭氨气调节阀，观察一定时间内压力变化，若产生压力降低，并且该压力降低的值超出设定阈值，报阀座泄漏故障，系统停止工作；若产生压力升高，并且压力升高的值超出设定阈值，报氨气调节阀泄漏故障，系统停止工作；

若压力变化在设定范围内，控制氨气计量阀开启预设时间，若氨气喷射压力产生一定压力降，判断系统建压成功；若未产生足够压力降，报氨气计量阀或氨气管路堵塞故障，系统停止工作；

控制器控制氨气计量阀以预设的频率开启，通过控制开启占空比调节氨气喷射量；同时控制氨气调节阀高频开闭，控制氨气调节阀的开启占空比，从而使氨气喷射压力维持在Pn；

当氨气喷射压力不足时，提高氨气计量阀开启频率，并降低单次喷射时长，使储氨罐有更长的氨气产生时间；若提高氨气计量阀开启频率后氨气喷射压力仍然无法达到Pn，报系统加热部件损坏或氨气泄漏故障；

当氨气喷射压力过高时，控制器根据压力修正调节氨气计量阀开启占空比，同时检测此时NOx排放，若排放正常，报氨气调节阀泄漏故障；若排放超高，报氨气计量阀或氨气管路堵塞故障。