CN111894706B - 一种共轨式阀组控制的尿素喷射系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共轨式阀组控制的尿素喷射系统及其控制方法，尿素喷射系统包括：尿素罐、多个尿素喷嘴、冷却水管道、压缩空气管道、尿素管道、放气管道、多个吹扫管道、阀组喷射单元；所述阀组喷射单元包括冷却水电磁阀、第一空气电磁阀、多个第二空气电磁阀和多个喷射压力传感器、多个吹扫电磁阀、多个喷射电磁阀、压力传感器、放气电磁阀、温度传感器。整个系统通过压缩空气为尿素管道各支管提供动力，通过各电磁阀进行计量，其中还有温度传感器、压力传感器对电磁阀开度进行反馈控制，低成本、高精度的完成共轨式尿素喷射过程；设置专门吹扫管道和吹扫电磁阀，能将尿素管道上喷射电磁阀前方后方分别吹扫，使整条尿素管道在停车后无尿素残留。

Description

一种共轨式阀组控制的尿素喷射系统的控制方法
技术领域
本发明涉及排气后处理，具体地指一种共轨式阀组控制的尿素喷射系统及其控制方法。
背景技术
目前Urea-SCR技术被认为是降低车用柴油机NOX排放最有效的方法，通过尿素喷射系统将质量分数32.5％的尿素水溶液喷入排气管中后，需要经过碰壁、蒸发、水解、热解等过程转化为 NH3，然后与NOx反应。单通道、单喷嘴的SCR系统一是只能在一处位置喷射尿素，二是单一喷嘴的喷射量有限，难以满足大排量发动机的要求和更低排放要求，因此出现了多级并联SCR系统(也称共轨式SCR)，通过多级并联的进气通道和并联的尿素管通向多个喷嘴。
目前尿素喷射系统常见控制方法是将尿素罐中施加高压，采用尿素罐内的压缩气体将尿素泵送到排气管中，无法进行吹扫，容易结晶，专利CN201610083835.7、CN201610084047.X中均在到喷嘴的空气管路上设有吹扫电磁阀，可以在停车后解决尿素管路上从与空气管路连接处至喷嘴的尿素残留，但尿素管路上从尿素罐至与空气管路连接处的残留尿素是无法吹扫到的，因此尿素管路整体仍有余液残留。而且以上专利针对的都是单轨尿素喷射控制，难以运用至多级并联SCR系统。
因此，需要开发出一种低成本、高精度、吹扫无残留的共轨式阀组控制的尿素喷射系统及其控制方法。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种低成本、高精度、吹扫无残留的阀组控制的尿素喷射系统及其控制方法。
本发明的技术方案为：一种共轨式阀组控制的尿素喷射系统，其特征在于，包括尿素罐、多个尿素喷嘴、冷却水管道、压缩空气管道、尿素管道、放气管道、多个吹扫管道、阀组喷射单元；
所述冷却水管道流经尿素罐，所述压缩空气管道包括从气源引出的总空气管道以及总空气管道向后分成并联的一路第一空气管道和多路第二空气管道，所述第一空气管道通向尿素罐，各所述第二空气管道通向各尿素喷嘴，所述尿素管道包括从尿素罐引出的总尿素管道以及总尿素管道向后分成多路并联的尿素支管，各所述尿素支管通向各尿素喷嘴，所述放气管道从尿素罐内引出，各吹扫管道将各尿素支管和第一空气管道连通；
所述阀组喷射单元包括控制器以及设置于冷却水管道上的冷却水电磁阀、设置于第一空气管道上所有与吹扫管道连接处后方的第一空气电磁阀、设置于各第二空气管道上的第二空气电磁阀和空气压力传感器、设置于各吹扫管道上的吹扫电磁阀、设置于各尿素支管上在与吹扫管道连接之后的喷射电磁阀、设置于尿素罐内或总尿素管道上的压力传感器、设置于放气管道上的放气电磁阀、设置于尿素罐内的温度传感器，
所述冷却水电磁阀、第一空气电磁阀、各第二空气电磁阀和各喷射压力传感器、各吹扫电磁阀、各喷射电磁阀、压力传感器、放气电磁阀、温度传感器均与控制器信号连接。
优选的，所述尿素罐内还设有液位传感器、浓度传感器，所述液位传感器、浓度传感器与控制器信号连接。
优选的，所述空气压力传感器为压缩空气传感器或比例电磁阀，所述尿素罐上设有加注口、泄压阀、放残阀。
优选的，所述尿素喷嘴、吹扫管道、第二空气管道、尿素支管均为两个。
本发明还提供上述共轨式阀组控制的尿素喷射系统的控制方法，包括以下步骤：
S1.控制尿素加热解冻
阀组喷射单元内所有电磁阀初态下均为关闭，车辆启动时控制器控制冷却水进行加热解冻；
S2.控制压缩空气对尿素罐内充气
控制器开启第一空气电磁阀将压缩空气充入到尿素罐中，控制器通过控制第一空气电磁阀、放气电磁阀使得尿素罐内压力始终维持在目标值；
S3.控制压缩空气与尿素混合喷射
控制器收到尿素喷射指令，开启各第二空气电磁阀与空气压力传感器配合来控制所在各第二空气管道上压力，开启各喷射电磁阀且根据喷射量和总尿素管道上压力来调节各喷射电磁阀开度，压缩空气将尿素溶液在各尿素喷嘴处雾化喷出；
S4.控制压缩空气吹扫尿素管路
停车后控制器控制冷却水电磁阀、第一空气电磁阀、各第二空气电磁阀、各吹扫电磁阀和各喷射电磁阀为关闭状态，开启放气电磁阀将尿素罐内的压缩空气排出；
然后关闭放气电磁阀，并开启各吹扫电磁阀，压缩空气将各尿素支管上吹扫管道连接处前方的尿素、总尿素管道上尿素吹扫到尿素罐中；再开启各喷射电磁阀，压缩空气将各尿素支管上吹扫管道连接处后方的尿素吹扫到各尿素喷嘴处。
优选的，所述尿素罐内压力P1与总尿素管道上压力P5满足
P1-P5＝8*u*v*l/R2/1000*K
其中，P1为尿素罐内压力，单位为kpa；
P5为总尿素管道上与前端口距离为l处压力，P5单位为kpa，l 单位为m；
u为尿素动力粘度，单位为Pa.S；
v为总尿素管道上尿素流速，单位为m/s；
l为总尿素管道管长，单位为m；
R为总尿素管道管径，单位为m；
K为压力传递系数，K＝0～100；
压力传感器设置于尿素罐内或总尿素管道上，尿素罐内压力以总尿素管道压力当其中一个由压力传感器直接测得时，另一个则由控制器将压力传感器测量值代入上式计算得到。
优选的，当压力传感器设置于总尿素管道上时，
步骤S2中尿素罐内压力根据压力传感器测量值计算得到；
步骤S3中总尿素管道压力由压力传感器直接测得。
优选的，步骤S1中车辆启动时控制冷却水对尿素加热解冻，操作为：温度传感器实时监测尿素罐内温度，若尿素罐内温度低于目标值则控制器开启冷却水电磁阀对尿素进行加热，达到目标值则关闭冷却水电磁阀，使尿素罐内温度始终维持在目标值。
优选的，步骤S2中控制器使得尿素罐内压力始终维持在目标值，操作为：实时监测尿素罐内压力，若尿素罐内压力大于目标值则控制器开启放气电磁阀同时关闭第一空气电磁阀，小于目标值则开启第一空气电磁阀同时关闭放气电磁阀。
优选的，步骤S3中开启各第二空气电磁阀与空气压力传感器配合来控制所在各第二空气管道上压力，操作为：各空气压力传感器实时监测所在第二空气管道上压力，控制器调整各第二空气电磁阀的开度使得所在第二空气管道上压力始终维持在目标值。
本发明的有益效果为：
1.每个尿素支管设置专门的吹扫管道和吹扫电磁阀，能将各尿素支管上喷射电磁阀前方后方分别吹扫，使整条尿素管道在停车后无尿素残留。
2.在尿素罐内与总尿素管道上仅设一个压力传感器，一处压力值靠压力传感器测量，另一处压力值靠压力传感器测量值进行估算，节省成本的同时保证喷射精度。
3.设置专门的放气管道和放气电磁阀，放气电磁阀既能在整个过程中与第一空气电磁阀配合使尿素罐内压力维持目标值，也能在停车后开启放气电磁阀将罐内高压气体安全放出。
4.尿素罐内还设有温度传感器、液位传感器、浓度传感器，可对尿素状态进行实时监控。
5.整个系统通过压缩空气为各尿素支管提供动力，通过各电磁阀进行计量，其中还有温度传感器、压力传感器对各电磁阀开度进行反馈控制，低成本、高精度的完成共轨式尿素喷射过程。
6.尿素罐内的压力保持不变，同时给两路尿素支管提供尿素喷射的压力，两路的喷射压力是一致的，喷射效果相同；两路的尿素喷射也可以各自单独控制，以此实现不同喷射位置的不同喷射量；可以继续增加尿素支管数量，比如3路，4路，5路。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为本发明阀组喷射单元结构示意图
其中：1-尿素罐 2-尿素喷嘴 3-冷却水管道 4-压缩空气管道(41- 第一空气管道42-第二空气管道 43-总空气管道) 5-尿素管道 (51- 总尿素管道 52-尿素支管) 6-放气管道 7-吹扫管道 8-阀组喷射单元 9-控制器 10-冷却水电磁阀 11-第一空气电磁阀 12-第二空气电磁阀 13-空气压力传感器 14-吹扫电磁阀 15-喷射电磁阀 16-压力传感器17-放气电磁阀 18-温度传感器 19-液位传感器 20-浓度传感器 21-加注口 22-泄压阀23-放残阀。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-2所示，本发明提供的一种共轨式阀组控制的尿素喷射系统，包括：尿素罐1、多个尿素喷嘴2、冷却水管道3、压缩空气管道4、尿素管道5、放气管道6、多个吹扫管道7、阀组喷射单元 8。
各管道之间的连接关系为：冷却水管道3流经尿素罐1，压缩空气管道4包括从气源引出的总空气管道43以及总空气管道43向后分成并联的一路第一空气管道41和多路第二空气管道42，第一空气管道41通向尿素罐1，各第二空气管道42通向各尿素喷嘴2，尿素管道5包括从尿素罐1引出的总尿素管道51以及总尿素管道 51向后分成多路并联的尿素支管52，各尿素支管52通向各尿素喷嘴2，放气管道6从尿素罐1内引出，各吹扫管道7将各尿素支管 52和第一空气管道41连通。
阀组喷射单元8包括：阀组喷射单元8包括控制器9以及设置于冷却水管道3上的冷却水电磁阀10、设置于第一空气管道41上所有与吹扫管道7连接处后方的第一空气电磁阀11、设置于各第二空气管道42上的第二空气电磁阀12和空气压力传感器13、设置于各吹扫管道7上的吹扫电磁阀14、设置于各尿素支管52上在与吹扫管道7连接之后的喷射电磁阀15、设置于尿素罐1内或总尿素管道51上的压力传感器16、设置于放气管道6上的放气电磁阀17、设置于尿素罐1内的温度传感器18，本实施例中各管道上从前至后方向同介质流向，压力传感器16设置于总尿素管道51上。
冷却水电磁阀10、第一空气电磁阀11、各第二空气电磁阀12 和各喷射压力传感器13、各吹扫电磁阀14、各喷射电磁阀15、压力传感器16、放气电磁阀17、温度传感器18均与控制器9信号连接。尿素罐1内还设有液位传感器19、浓度传感器20，液位传感器19、浓度传感器20与控制器9信号连接。尿素罐1上设有加注口21、泄压阀22、放残阀23。
本实施例中，尿素喷嘴2、吹扫管道7、第二空气管道42、尿素支管52均为两个。
上述共轨式阀组控制的尿素喷射系统的控制方法，包括以下步骤：
S1.控制尿素加热解冻
阀组喷射单元内所有电磁阀初态下均为关闭，车辆启动时控制器9控制冷却水进行加热解冻，操作为：温度传感器18实时监测尿素罐1内温度，若尿素罐1内温度低于目标值则控制器9开启冷却水电磁阀10对尿素进行加热，达到目标值则关闭冷却水电磁阀 10，使尿素罐1内温度始终维持在目标值；
S2.控制压缩空气对尿素罐内充气加压
尿素罐1内温度到达目标值后，控制器9开启第一空气电磁阀 11将压缩空气充入到尿素罐1中，控制器9通过控制第一空气电磁阀11、放气电磁阀17使得尿素罐1内压力始终维持在目标值，操作为：实时监测尿素罐1内压力，若尿素罐1内压力大于目标值则控制器9开启放气电磁阀17同时关闭第一空气电磁阀11，小于目标值则开启第一空气电磁阀11同时关闭放气电磁阀17；
本实施例中压力传感器16设置于总尿素管道上与前端口距离为l处，尿素罐1内实时压力通过压力传感器16实时测量值P16计算得到，
P1-P5＝8*u*v*l/R2/1000*K
其中，P1为尿素罐内压力，单位为kpa；
P5为总尿素管道上与前端口距离为l处压力，P5＝P16，单位为kpa，l单位为m；
u为尿素动力粘度，单位为Pa.S；
v为尿素流速，单位为m/s；
R为总尿素管道管径，单位为m；
K为压力传递系数，K＝0～100；
若某一时间测量值P16＝100kpa，
则有P1＝P16+8*u*v*l/R2/1000*K，
代入具体参数计算：P16＝100kpa、u＝10-3Pa.S、v＝0.163m/s、 l＝0.5m、R＝0.001m、K＝2，则此时P1＝101.3kpa；
S3.控制压缩空气与尿素混合喷射
控制器9收到尿素喷射指令，开启两个第二空气电磁阀12与两个空气压力传感器13配合控制各第二空气管道42上压力，操作为：两个空气压力传感器13实时监测对应所在第二空气管道42上压力，控制器9调整各第二空气电磁阀12的开度使得所在各第二空气管道42上压力始终维持在目标值；
开启两个喷射电磁阀15且根据喷射量和总尿素管道51上压力 (由压力传感器16直接测得)来调节各喷射电磁阀15开度，压缩空气将尿素溶液在各尿素喷嘴2处雾化喷出；
S4.停车后，控制压缩空气吹扫尿素管路
停车后控制器9控制冷却水电磁阀10、第一空气电磁阀11、各第二空气电磁阀12、各吹扫电磁阀14和各喷射电磁阀15为关闭状态，开启放气电磁阀17将尿素罐内的压缩空气排出；
待尿素罐1内压力与周围环境压力相同，然后关闭放气电磁阀 17，并开启各吹扫电磁阀14，压缩空气将各尿素支管52上吹扫管道7连接处前方的尿素、总尿素管道51上尿素吹扫到尿素罐1中；再开启各喷射电磁阀15，压缩空气将各尿素支管52上吹扫管道7 连接处后方的尿素吹扫到各尿素喷嘴2处，吹扫完毕后关闭所有电磁阀，阀组喷射单元恢复初态。
日常维护中，当需要往尿素罐1内添加尿素时，则打开加注口 21，然后通过加注口21添加尿素。当尿素罐1使用时间较久，则打开放残阀23将尿素罐1底部的杂质放出。
当车辆出现异常情况导致尿素罐内的压力偏高，则将泄压阀22 打开，使罐内的压力降低至大气压。

Claims (5)

1.一种共轨式阀组控制的尿素喷射系统的控制方法，所述共轨式阀组控制的尿素喷射系统，包括尿素罐(1)、多个尿素喷嘴(2)、冷却水管道(3)、压缩空气管道(4)、尿素管道(5)、放气管道(6)、多个吹扫管道(7)、阀组喷射单元(8)；
所述冷却水管道(3)流经尿素罐(1)，所述压缩空气管道(4)包括从气源引出的总空气管道(43)以及总空气管道(43)向后分成并联的一路第一空气管道(41)和多路第二空气管道(42)，所述第一空气管道(41)通向尿素罐(1)，各所述第二空气管道(42)通向各尿素喷嘴(2)，所述尿素管道(5)包括从尿素罐(1)引出的总尿素管道(51)以及总尿素管道(51)向后分成多路并联的尿素支管(52)，各所述尿素支管(52)通向各尿素喷嘴(2)，所述放气管道(6)从尿素罐(1)内引出，各吹扫管道(7)将各尿素支管(52)和第一空气管道(41)连通；
所述阀组喷射单元(8)包括控制器(9)以及设置于冷却水管道(3)上的冷却水电磁阀(10)、设置于第一空气管道(41)上、所有吹扫管道(7)连接处后方的第一空气电磁阀(11)、设置于各第二空气管道(42)上的第二空气电磁阀(12)和空气压力传感器(13)、设置于各吹扫管道(7)上的吹扫电磁阀(14)、设置于各尿素支管(52)上在与吹扫管道(7)连接之后的喷射电磁阀(15)、设置于尿素罐(1)内或总尿素管道(51)上的压力传感器(16)、设置于放气管道(6)上的放气电磁阀(17)、设置于尿素罐(1)内的温度传感器(18)，
所述冷却水电磁阀(10)、第一空气电磁阀(11)、各第二空气电磁阀(12)和各空气压力传感器(13)、各吹扫电磁阀(14)、各喷射电磁阀(15)、压力传感器(16)、放气电磁阀(17)、温度传感器(18)均与控制器(9)信号连接；所述尿素罐(1)内还设有液位传感器(19)、浓度传感器(20)，所述液位传感器(19)、浓度传感器(20)与控制器(9)信号连接，
其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
S1.控制尿素加热解冻
阀组喷射单元内所有电磁阀初态下均为关闭，车辆启动时控制器(9)控制冷却水进行加热解冻；
S2.控制压缩空气对尿素罐内充气
控制器(9)开启第一空气电磁阀(11)将压缩空气充入到尿素罐(1)中，控制器(9)通过控制第一空气电磁阀(11)、放气电磁阀(17)使尿素罐(1)内压力始终维持在目标值；
所述尿素罐(1)内压力与总尿素管道(51)上压力满足
P1-P5＝8*u*v*l/R2/1000*K
其中，P1为尿素罐内压力，单位为kpa；
P5为总尿素管道上与前端口距离为l处压力，P5单位为kpa，l单位为m；
u为尿素动力粘度，单位为Pa.S；
v为总尿素管道上尿素流速，单位为m/s；
R为总尿素管道管径，单位为m；
K为压力传递系数，K＝0～100；
压力传感器(16)设置于尿素罐(1)内或总尿素管道(51)上，尿素罐(1)内压力或总尿素管道(51)压力当其中一个由压力传感器(16)直接测得时，另一个则由控制器(9)将压力传感器(16)测量值代入上式计算得到；
S3.控制压缩空气与尿素混合喷射
控制器(9)收到尿素喷射指令，开启各第二空气电磁阀(12)与空气压力传感器(13)配合来控制所在各第二空气管道(42)上压力，开启各喷射电磁阀(15)且根据喷射量和总尿素管道(51)上压力来调节各喷射电磁阀(15)开度，压缩空气将尿素溶液在各尿素喷嘴(2)处雾化喷出；
S4.控制压缩空气吹扫尿素管路
停车后控制器(9)控制冷却水电磁阀(10)、第一空气电磁阀(11)、各第二空气电磁阀(12)、各吹扫电磁阀(14)和各喷射电磁阀(15)为关闭状态，开启放气电磁阀(17)将尿素罐内的压缩空气排出；
然后关闭放气电磁阀(17)，并开启各吹扫电磁阀(14)，压缩空气将各尿素支管(52)上吹扫管道(7)连接处前方的尿素、总尿素管道(51)上尿素吹扫到尿素罐(1)中；再开启各喷射电磁阀(15)，压缩空气将各尿素支管(52)上吹扫管道(7)连接处后方的尿素吹扫到各尿素喷嘴(2)处。
2.如权利要求1所述的共轨式阀组控制的尿素喷射系统的控制方法，其特征在于，当压力传感器(16)设置于总尿素管道(51)上时，
步骤S2中尿素罐(1)内压力根据压力传感器(16)测量值计算得到；
步骤S3中总尿素管道(51)上压力由压力传感器(16)直接测得。
3.如权利要求1所述的共轨式阀组控制的尿素喷射系统的控制方法，其特征在于，步骤S1中车辆启动时控制冷却水对尿素加热解冻，操作为：温度传感器(18)实时监测尿素罐(1)内温度，若尿素罐(1)内温度低于目标值则控制器(9)开启冷却水电磁阀(10)对尿素进行加热，达到目标值则关闭冷却水电磁阀(10)，使尿素罐(1)内温度始终维持在目标值。
4.如权利要求1所述的共轨式阀组控制的尿素喷射系统的控制方法，其特征在于，步骤S2中控制器(9)使尿素罐(1)内压力始终维持在目标值，操作为：实时监测尿素罐(1)内压力，若尿素罐(1)内压力大于目标值则控制器(9)开启放气电磁阀(17)同时关闭第一空气电磁阀(11)，小于目标值则开启第一空气电磁阀(11)同时关闭放气电磁阀(17)。
5.如权利要求1所述的共轨式阀组控制的尿素喷射系统的控制方法，其特征在于，步骤S3中开启第二空气电磁阀(12)与空气压力传感器(13)配合控制所在各第二空气管道(42)上压力，操作为：各空气压力传感器(13)实时监测所在第二空气管道(42)上压力，控制器(9)调整各第二空气电磁阀(12)的开度使得所在第二空气管道(42)上压力始终维持在目标值。
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