CN111677578A - 一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置及控制方法 - Google Patents

一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置及控制方法，在流量调节旋转体的内部沿轴向设置柴油通道、空气通道和尿素通道；流体通道密封端盖上开有两个出口；通过转动流量调节旋转体实现柴油通道、空气通道和尿素通道与流体通道密封端盖上出口之间的角度的调节，实现多种供给模式的切换。工作时通过控制器采集传感器信号，判断柴油机的实时工作状态，根据所选取的DPF、SCR一体化装置的工作模式，SDCU控制器分别控制供应装置和集成式组合喷射装置进行供给模式的切换，从而满足柴油机超低排放及后处理DPF的再生需求。

Description

一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置及控制方法
技术领域
本发明属于柴油机燃烧产物处理技术领域，尤其是一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置及控制方法。
背景技术
柴油机的主要燃烧产物包括CO、HC、CO2、NOx气体和颗粒物，其中运用在NOx气体后处理上的方案主要是选择性催化还原技术SCR(Selective Catalytic Reduction)，此技术主要通过尿素溶液中氨与NOx的还原反应处理排气中的NOx气体，广泛采用在排气管处设置单一尿素喷嘴的方法降低NOx排放，需要按照柴油机的不同运行工况和排出的NOx量对尿素喷射量和喷射时间进行控制。
颗粒物(PM)的后处理方案则是使用颗粒捕集器DPF(Diesel ParticulateFilter)。捕集器在工作过程中，微粒会积存在过滤器内，当达到一定值时，就会导致发动机动力性和经济性等性能下降，必须及时除去沉积的微粒，以保证DPF继续正常工作，这就是所说的DPF再生。
常用的DPF再生方法是通过压差传感器监控排气背压，背压上升到一定数值后，ECU控制专用喷嘴往排气管里喷射柴油，在排气管中形成燃烧火焰使DPF内部温度上升到600℃～620℃，将捕捉到的颗粒物燃烧成CO2排出去。
上述后处理系统中的SCR及DPF装置都需要设置专用喷嘴来实现尿素及柴油的喷射，使得后处理系统结构复杂，控制不方便。为满足更为严苛的排放法规，需要柴油颗粒物捕集器(DPF)、选择性催化还原器(SCR)等集成为一体来控制排放。经过后处理系统优化以及与发动机匹配，后处理系统可以将颗粒物和NOx同时进行有效处理，进而满足更严格的排放要求。因此，本发明提出一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置及控制方法，将尿素、柴油和空气喷射装置进行组合集成，通过一个喷嘴进行喷射，使得整体结构简单，控制方便。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提出了一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置及控制方法，通过控制器采集传感器信号，判断柴油机的实时工作状态，按照发明所提出的工作模式对装置进行调节和控制，从而满足柴油机超低排放及后处理DPF的再生需求。
本发明所采用的技术方案如下：
一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置，集成式组合喷射装置包括筒状外壳体，筒状外壳体的一端依次固定连接流体通道密封端盖、混合腔和喷嘴；在筒状外壳体内部同轴装有流量调节旋转体；流量调节旋转体的一端连接微型驱动电机；流量调节旋转体的另一端与流体通道密封端盖紧密接触；在流量调节旋转体的内部沿轴向设置柴油通道、空气通道和尿素通道；所述流体通道密封端盖上开有两个出口；通过转动流量调节旋转体实现柴油通道、空气通道和尿素通道与流体通道密封端盖上出口之间的角度的调节，实现多种供给模式的切换。
进一步，所述柴油通道、空气通道、和尿素通道、横截面形状分别是大小一样的扇形，且扇形截面的内外两条圆弧分别在同一圆周上；
进一步，柴油通道、空气通道和尿素通道沿顺时针方向依次排列，且柴油通道和空气通道之间的弧度角为θ1，空气通道和尿素通道之间的弧度角为θ2，柴油通道和尿素通道之间的弧度角为θ3，其中，θ1＝θ2＝2θ3＝2θ2a，θ2a为柴油通道的扇形截面的圆心角。
进一步，所述流体通道密封端盖上的2个出口分别是A出口和B出口，且2个出口的横截面形状也是扇形，且与柴油通道、空气通道和尿素通道扇形截面的内外两条圆弧分别对应在同一圆周上。
进一步，所述A出口和B出口之间的弧度角分别是θ4和θ5，且θ4＝θ2a，θA＝2θB＝θ4，θ5＝4θ4，其中，θA、θB分别是A出口和B出口的圆心角。
进一步，所述集成式组合喷射装置安装在DPF、SCR一体化装置的进气管道上，使其沿进气管轴线喷射，喷嘴朝向流体流动方向布置。
一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射控制方法，包括如下步骤：
S1，SDCU控制器分别收集后处理系统传感器和发动机CAN信号；
S2，SDCU控制器基于步骤1中所获取的参数，选取DPF、SCR一体化装置此时所需的工作模式；DPF、SCR一体化装置的工作模式包括“关闭模式”、“助推、助燃模式”、“SCR尿素喷射模式”、“DPF喷油再生模式”。
S3，根据所选取的DPF、SCR一体化装置的工作模式，SDCU控制器分别控制供应装置和集成式组合喷射装置进行供给模式的切换；
S4，利用微型驱动电机转子位置传感器获取此时转子位置，由于转子与流量调节旋转体同步运动，因此可以得到此时柴油通道、空气通道和尿素通道与2个出口之间的位置角度；
S5，根据3个通道分别与A出口和B出口之间位置角度，计算出流通面积；基于集成式组合喷射装置的供给模式，通过微型驱动电机带动流量调节旋转体转动实现转角的调节，通过调节集成式后处理集成式组合喷射装置的工作模式，实现DPF、SCR一体化装置的工作模式的切换。
进一步，所述集成式组合喷射装置的供给模式与DPF、SCR一体化装置的工作模式之间的对应关系为：
当集成式组合喷射装置为关闭模式时，DPF、SCR一体化装置为关闭模式；
当集成式组合喷射装置为空气模式时，DPF、SCR一体化装置为尿素溶液的助推、柴油的助燃模式；
当集成式组合喷射装置为尿素+空气模式时，此时DPF、SCR一体化装置为SCR尿素喷射模式；
当集成式组合喷射装置为柴油+空气模式时，DPF、SCR一体化装置为DPF喷油再生模式；
进一步，所述后处理系统传感器分别采集DPF、SCR一体化装置进气和出气端的氮氧化物浓度、温度和压力差的参数；
本发明的有益效果：
1、本发明所设计的集成式组合喷射装置结构简单，仅需要旋转、改变流量调节旋转体与流体通道密封端盖上两个出口之间的角度，就能实现集成式组合喷射装置多个供给模式之间的切换。
2、本发明提出的一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射控制方法，是基于本发明所设计的集成式组合喷射装置，针对集成式组合喷射装置的四种供给模式与DPF、SCR一体化装置工作模式之间的对应关系，通过对集成式组合喷射装置旋转角度的调节，继而实现对DPF、SCR一体化装置工作模式的选择，控制简便，易于操作。
3、本发明通过尿素/柴油/空气的组合喷射，可同时降低柴油机NOx的排放、满足DPF的再生需求，实现柴油机超低排放。本装置控制变量单一，控制精确，结构简单，体积小，安装方便，稳定性高。
附图说明
图1是为本发明的集成式尿素/柴油/空气组合喷射装置结构示意图；
图2是图1集成式尿素/柴油/空气组合喷射装置A-A、B-B、C-C截面示意图；
图3中，3a-3d是尿素/柴油/空气的通道与出口之间各个角度之间的位置关系图；
图4是本发明的后处理尿素/柴油/空气组合喷射系统结构图；
图5是本发明的控制策略图；
图中，1、连接管口，1a、柴油连接管口，1b、空气连接管口，1c、尿素连接管口，2、流量调节旋转体，2a、柴油通道，2b、空气通道，2c、尿素通道，3、流体通道密封端盖，4、混合腔，5、喷嘴，6、微型驱动电机，7、A出口，8、B出口，9、SDCU控制器，10、点火装置，11、尿素供给装置，12、柴油供给装置，13、空气供给装置，14、后处理系统传感器，15DPF、SCR一体化装置，16、集成式组合喷射装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所设计的一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置如图1所示，包括筒状外壳体，筒状外壳体的右端依次固定连接流体通道密封端盖3、混合腔4和喷嘴5；所述流体通道密封端盖3上开有两个出口，分别是A出口7和B出口8。混合腔4是从左往右渐缩的锥形腔体，在混合腔4的最右端连接喷嘴5。在实际应用时，将本发明所设计的集成式组合喷射装置16安装在DPF、SCR一体化装置15的进气管道上，使其沿进气管轴线喷射，喷嘴5朝向流体流动方向布置如图4。
在筒状外壳体内部同轴装有流量调节旋转体2，所述流量调节旋转体2为封闭的圆柱筒，在流量调节旋转体2左端的端面上设置3个连接管口1，3个连接管口1分别是柴油连接管口1a、空气连接管口1b和尿素连接管口1c。在流量调节旋转体2的内部沿轴向设置3条通道，分别是柴油通道2a、空气通道2b和尿素通道2c；且柴油通道2a、空气通道2b和尿素通道2c的左端分别与柴油连接管口1a、空气连接管口1b和尿素连接管口1c一一对应，3条通道的右端与流量调节旋转体2右端的端面连通。流量调节旋转体2右端的端面与流体通道密封端盖3左侧面紧密接触，实现非工作状态下流体通道的密封。
流量调节旋转体2左端端面与微型驱动电机6的输出轴连接，微型驱动电机6带动流量调节旋转体2在筒状外壳体内旋转，进而改变3条通道与两个出口之间的相对位置，实现3条通道内尿素、柴油、空气的供给进行控制，实现关闭模式、空气模式、尿素+空气模式、柴油+空气模式这四种供给模式的切换。
为了更好地对尿素、柴油、空气的供给进行控制，需要对流量调节旋转体2内3条通道、流体通道密封端盖3上2个出口之间的位置进行优化设计，具体地：
3条通道的横截面形状分别是大小一样的扇形(即3个扇形截面的圆心角θ2a＝θ2bθ2c)，结合附图2，以流量调节旋转体2的中心点为圆心，3个通道的扇形截面的内外两条圆弧分别在同一圆周上，即3个扇形截面内外两条圆弧的半径相同(扇形内径为R1，外径为R2)。在本实施例中，柴油通道2a、空气通道2b和尿素通道2c沿顺时针方向依次排列，且柴油通道2a和空气通道2b之间的弧度角为θ1，空气通道2b和尿素通道2c之间的弧度角为θ2，柴油通道2a和尿素通道2c之间的弧度角为θ3，其中，θ1＝θ2＝2θ3＝2θ2a。
A出口7和B出口8的横截面形状也是扇形，且A出口7和B出口8扇形截面的内外两条圆弧的半径与3个通道的扇形截面相同(即A出口7和B出口8扇形横截面的内径也是R1为R2)。A出口7和B出口8沿顺时针方向依次排列，流体通道密封端盖3上A出口7和B出口8之间的弧度角分别是θ4和θ5，且θ4＝θ2a，θA＝2θB＝θ4，θ5＝4θ4，θA、θB分别是A出口7和B出口8的圆心角。在本实施例中，θ2a＝45°。
表1
序号 转角范围/° 工作模式设定 作用 效果
1 0 关闭 关闭 关闭
2 0～45 仅空气 流体助推、助燃 助推、助燃
3 45～135 变流量尿素+空气 喷射尿素喷雾 SCR尿素喷射
4 0～-45 变流量柴油+空气 喷射柴油 DPF喷油再生
结合上表，集成式组合喷射装置的四种供给模式与DPF、SCR一体化装置15的工作模式之间的对应关系对应如下(附图3以逆时针旋转为例)：
定义沿逆时针方向转过的角度θ为正值，即θ＞0°；对应地，定义沿顺时针方向转过的角度θ为负值，即θ＜0°。
由图3a所示，当转角为0°时，此时A出口7、B出口8、柴油通道2a、空气通道2b和尿素通道2c均处于关闭状态，即集成式组合喷射装置16为关闭模式，此时DPF、SCR一体化装置15为关闭模式。
由图3b所示，当流量调节旋转体2沿逆时针方向旋转0～45°时，空气通道2b与A出口7重合，空气通道开启，此时仅有空气流通，即集成式组合喷射装置16为空气模式，此时DPF、SCR一体化装置15为尿素溶液的助推、柴油的助燃模式。
由图3c可以看出，当流量调节旋转体2沿逆时针方向旋转45°～135°时，此时尿素通道2c与B出口8重合开启，空气通道2b与A出口7重合开启，集成式组合喷射装置为尿素+空气模式，此时DPF、SCR一体化装置15为SCR尿素喷射模式；即可根据转角的变化喷射不同流量的尿素喷雾。当处于尿素+空气工作模式时，定义尿素的流通面积为S1，设置流量调节旋转体的旋转起始位置点为0°，从起始位置沿逆时针方向转过的角度为(本模式θ有效的取值范围为45°＜θ＜135°)，在此之前处于关闭状态，则尿素流通面积S1与转角θ的关系可使用如下公式进行计算：
Figure BDA0002501615720000061
或
Figure BDA0002501615720000062
如图3d所示，当转角为0～-45°时，即流量调节旋转体沿顺时针方向旋转0～45°时，柴油通道2a与A出口7重合开启，空气通道2b与B出口8重合开启，从而实现DPF的喷油再生，集成式组合喷射装置为柴油+空气模式，此时DPF、SCR一体化装置15为DPF喷油再生模式。当处于柴油+空气工作模式时，定义柴油的流通面积为S2，设置流量调节旋转体的旋转起始位置点为0°，从起始位置沿逆时针方向转过的角度为θ(本模式θ有效的取值范围为-45°＜θ＜0°)，在此之前处于关闭状态，则柴油流通面积S2与转角θ的关系可使用如下公式进行计算：
Figure BDA0002501615720000063
综上，当尿素、柴油、空气供给装置维持压力的恒定，则尿素/柴油的流量Q和流通面积S有如下对应关系：Q＝S×v；所以，尿素/柴油的流量Q和转角θ可形成单一关系链：Q∝θ。
为了实现对集成式组合喷射装置更好的控制，本发明还提出了一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射控制方法，具体控制过程如图5所示：
S1，SDCU控制器9分别收集后处理系统传感器14和发动机CAN信号；其中，处理系统传感器14包括设置在DPF、SCR一体化装置15进气管、排气管16两端的氮氧化物传感器、温度传感器和压差传感器，分别通过上述传感器采集DPF、SCR一体化装置15进气和出气端的氮氧化物浓度、温度和压力差等参数，并将上述参数输入SDCU控制器9。同时，SDCU控制器9通过发动机CAN获取发动机运行参数。
S2，SDCU控制器9基于步骤1中所获取的参数，选取DPF、SCR一体化装置15此时所需的工作模式，DPF、SCR一体化装置15的工作模式包括“助推、助燃模式”、“SCR尿素喷射模式”、“DPF喷油再生模式”；所对应的集成式组合装置模式分别为“空气模式”、“尿素+空气模式”、“柴油+空气模式”。
S3，根据所选取的DPF、SCR一体化装置15的工作模式，SDCU控制器9分别控制供应装置和集成式组合喷射装置进行供给模式的切换；具体的，供应装置包括尿素供给装置11、柴油供给装置12和空气供给装置13，且分别与集成式组合喷射装置的柴油连接管口1a、空气连接管口1b和尿素连接管口1c相连；
S4，利用微型驱动电机转子位置传感器获取此时转子位置，由于转子与流量调节旋转体2同步运动，因此可以得到此时柴油通道2a、空气通道2b和尿素通道2c与2个出口之间的位置角度；
S5，根据3个通道分别与A出口7和B出口8之间位置角度，计算出流通面积；基于集成式组合喷射装置的供给模式，通过微型驱动电机6带动流量调节旋转体2转动实现转角的调节，通过调节集成式后处理集成式组合喷射装置的工作模式，实现DPF、SCR一体化装置15的工作模式的切换。
当切换至目标模式之后，若进行DPF再生，则DPF、SCR一体化装置15进气管中的点火装置10启动，集成式组合喷射装置喷射。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置，其特征在于，集成式组合喷射装置(16)包括筒状外壳体，筒状外壳体的一端依次固定连接流体通道密封端盖(3)、混合腔(4)和喷嘴(5)；在筒状外壳体内部同轴装有流量调节旋转体(2)；流量调节旋转体(2)的一端连接微型驱动电机(6)；流量调节旋转体(2)的另一端与流体通道密封端盖(3)接触；在流量调节旋转体(2)的内部沿轴向设置柴油通道(2a)、空气通道(2b)和尿素通道(2c)；所述流体通道密封端盖(3)上开有两个出口；通过转动流量调节旋转体(2)实现柴油通道(2a)、空气通道(2b)和尿素通道(2c)与流体通道密封端盖(3)上出口之间的角度的调节，实现多种供给模式的切换。
2.根据权利要求1所述的一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置，其特征在于，所述柴油通道(2a)、空气通道(2b)和尿素通道(2c)横截面形状分别是大小一样的扇形，且扇形截面的内外两条圆弧分别在同一圆周上。
3.根据权利要求2所述的一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置，其特征在于，柴油通道(2a)、空气通道(2b)和尿素通道(2c)沿顺时针方向依次排列，且柴油通道(2a)、空气通道(2b)之间的弧度角为θ1，空气通道(2b)和尿素通道(2c)之间的弧度角为θ2，柴油通道(2a)和尿素通道(2c)之间的弧度角为θ3，其中，θ1＝θ2＝2θ3＝2θ2a，θ2a为柴油通道(2a)的扇形截面的圆心角。
4.根据权利要求3所述的一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置，其特征在于，所述流体通道密封端盖(3)上的2个出口分别是A出口(7)和B出口(8)，且2个出口的横截面形状也是扇形，且与柴油通道(2a)、空气通道(2b)和尿素通道(2c)扇形截面的内外两条圆弧分别对应在同一圆周上。
5.根据权利要求3所述的一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置，其特征在于，所述A出口(7)和B出口(8)之间的弧度角分别是θ4和θ5，且θ4＝θ2a，θA＝2θB＝θ4，θ5＝4θ4，其中，θA、θB分别是A出口(7)和B出口(8)的圆心角。
6.根据权利要求3所述的一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射装置，其特征在于，所述集成式组合喷射装置(16)安装在DPF、SCR一体化装置(15)的进气管道上，使其沿进气管轴线喷射，喷嘴(5)朝向流体流动方向布置。
7.一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，SDCU控制器(9)分别收集后处理系统传感器(14)和发动机CAN信号；
S2，SDCU控制器(9)基于步骤1中所获取的参数，选取DPF、SCR一体化装置(15)此时所需的工作模式；DPF、SCR一体化装置(15)的工作模式包括“关闭模式”、“助推、助燃模式”、“SCR尿素喷射模式”、“DPF喷油再生模式”。
S3，根据所选取的DPF、SCR一体化装置(15)的工作模式，SDCU控制器(9)分别控制供应装置和集成式组合喷射装置进行供给模式的切换；
S4，利用微型驱动电机转子位置传感器获取此时转子位置，由于转子与流量调节旋转体2同步运动，因此可以得到此时柴油通道(2a)、空气通道(2b)和尿素通道(2c)与2个出口之间的位置角度；
S5，根据3个通道分别与(7)和B出口(8)之间位置角度，计算出流通面积；基于集成式组合喷射装置的供给模式，通过微型驱动电机(6)带动流量调节旋转体(2)转动实现转角的调节，通过调节集成式后处理集成式组合喷射装置的工作模式，实现DPF、SCR一体化装置(15)的工作模式的切换。
8.根据权利要求7所述的一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射控制方法，其特征在于，所述集成式组合喷射装置(16)的供给模式与DPF、SCR一体化装置(15)的工作模式之间的对应关系为：
当集成式组合喷射装置16为关闭模式时，DPF、SCR一体化装置(15)为关闭模式；
当集成式组合喷射装置16为空气模式时，DPF、SCR一体化装置(15)为尿素溶液的助推、柴油的助燃模式；
当集成式组合喷射装置为尿素+空气模式时，此时DPF、SCR一体化装置(15)为SCR尿素喷射模式；
当集成式组合喷射装置为柴油+空气模式时，DPF、SCR一体化装置(15)为DPF喷油再生模式。
9.根据权利要求7所述的一种集成式后处理尿素/柴油/空气组合喷射控制方法，其特征在于，所述后处理系统传感器(14)传感器分别采集DPF、SCR一体化装置(15)进气和出气端的氮氧化物浓度、温度和压差参数。
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