CN113339112B - 一种防尿素结晶的scr系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种防尿素结晶的SCR系统及其控制方法，系统包括尿素混合器、SCR主体、尿素模块和超声波协频共振模块；尿素混合器与SCR主体连通，尿素模块连接尿素混合器，用于向尿素混合器中喷射尿素；超声波协频共振模块布置在尿素混合器的外侧壁上，用于发出超声波粉碎尿素混合器内的尿素结晶；控制方法中根据SCR系统相关参数和车辆的运行工况控制超声波协频共振模块的工作，以预防结晶和粉碎结晶。与现有技术相比，本发明在尿素混合器外侧壁上布置了超声波协频共振模块，能够发出超声波，预防尿素溶液析出结晶并粉碎尿素混合器内的尿素结晶，极大的避免了因尿素结晶导致的SCR系统损坏问题。

Description

一种防尿素结晶的SCR系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及车辆后处理领域，尤其是涉及一种防尿素结晶的SCR系统及其控制方法。
背景技术
随着排放法规的越来越严，对车辆后处理系统的要求也越来越高。选择性催化还原(英文为“Selective Catalytic Reduction”，缩写为SCR)工艺是一种减少NOx排放的有效方法，通过将还原剂(一般为氨)注入排放线路中来还原尾气中的氮氧化物。还原剂氨一般来自于氨前驱体溶液的热分解，氨前驱体一般是尿素溶液。
目前，SCR系统已经在柴油车上大大普及，但是在SCR系统工作时，尿素溶液晶体析出的问题一直很难解决。SCR的工作原理是在一定的排气温度下，向SCR载体中喷射一定量的尿素，尿素中的NH3在SCR作用下将NOx还原成无害的N2和H2O。但是尿素喷射到SCR载体上时，很容易在温度较低或者排气流速较慢的情况下形成结晶，尿素结晶后会附着在SCR载体表面，降低SCR载体对NOx的转化效率，并且增加发动机本体的排气压力，从而恶化发动机的功率和油耗。尿素结晶问题威胁着SCR系统的使用寿命和性能，结晶会产生背压，腐蚀材料，大大降低SCR系统的性能。如果因为结晶问题导致了SCR系统的损坏，还会带来昂贵的更换费用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种防尿素结晶的SCR系统及其控制方法，在尿素混合器外侧壁上布置了超声波协频共振模块，能够发出超声波，预防尿素溶液析出结晶并粉碎尿素混合器内的尿素结晶，极大的避免了因尿素结晶导致的SCR系统损坏问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种防尿素结晶的SCR系统，包括尿素混合器、SCR主体、尿素模块和超声波协频共振模块；
所述尿素混合器与SCR主体连通，所述尿素模块连接尿素混合器，用于向尿素混合器中喷射尿素；
所述超声波协频共振模块布置在尿素混合器的外侧壁上，用于发出超声波粉碎尿素混合器内的尿素结晶。
进一步的，所述超声波协频共振模块包括超声波发生器和多个超声波能量转换器，超声波发生器与超声波能量转换器之间通过超声波信号传输线连接，超声波发生器用于控制每一个超声波能量转换器的开关、超声频率和超声强度，接收超声波能量转换器的信息反馈。
更进一步的，所述超声波能量转换器包括自下向上依次装配的钛体、铍板、PZT压电晶体和反射板，超声波信号传输线连接至反射板上的超声波入口，钛体内设有超声波分流腔和回纹形超声波出口，所述超声波能量转换器生成的超声波经过超声波分流腔分流后从回纹形超声波出口按回纹状声波发射，作用于尿素混合器。
更进一步的，在尿素混合器的外壁上布置有两组超声波能量转换器，这两组超声波能量转换器沿尿素混合器的径向相对布置并关于尿素混合器的轴向对称，每组超声波能量转换器的数量为多个，沿尿素混合器的轴向布置在尿素混合器的外壁上。
更进一步的，每组超声波能量转换器沿尿素混合器的轴向布置在尿素混合器的外壁上，以尾气在SCR系统中的流动方向区分上游和下游，同一组中相邻的超声波能量转换器之间的间距自上游至下游依次增大，与SCR系统中尿素的结晶特性相配合。
进一步的，所述尿素模块包括尿素箱、尿素喷射泵和尿素喷嘴，所述尿素箱通过尿素箱管道连接尿素喷射泵，尿素箱用于供应尿素溶液，所述尿素喷射泵通过尿素喷射管道连接尿素喷嘴，所述尿素喷嘴通过尿素喷嘴底座安装在尿素混合器的内壁上，并向尿素混合器内喷射尿素，以尾气在SCR系统中的流动方向区分上游和下游，尿素混合器在SCR主体的上游，所述尿素喷嘴安装在尿素混合器的上游。
更进一步的，所述尿素模块还包括冷却单元，所述冷却单元连接冷却管道，用于冷却尿素喷射管道。
进一步的，所述SCR系统还包括DCU控制单元、SCR前侧温度传感器、结晶监测探头、SCR后侧温度传感器和NOx传感器，所述SCR前侧温度传感器布置在SCR系统的尾气入口处，所述结晶监测探头布置在尿素混合器内，所述SCR后侧温度传感器和NOx传感器均布置在SCR系统的尾气出口处；
所述DCU控制单元与SCR前侧温度传感器、SCR后侧温度传感器、NOx传感器、尿素模块和超声波协频共振模块通信连接，DCU控制单元通过SCR前侧温度传感器和SCR后侧温度传感器实时采集的数据获知SCR系统的温度，通过NOx传感器实时采集的数据获知SCR系统的NOx浓度，获知尿素模块的尿素喷射量，并控制超声波协频共振模块工作。
一种防尿素结晶的SCR系统的控制方法，通过控制每一个超声波能量转换器的开关、超声频率和超声强度使得超声波协频共振模块执行不同的模式，包括以下步骤：
S1、获取SCR系统的结晶量和运行参数，如果SCR系统不存在结晶，则DCU控制单元切换至防结晶状态，执行步骤S2，否则，DCU控制单元切换至粉碎结晶状态，执行步骤S3；
S2、如果运行参数满足条件1，则超声波协频共振模块执行模式1——低强度防尿素溶液结晶，如果运行参数满足条件2，则超声波协频共振模块执行模式2——中强度防尿素溶液结晶，如果运行参数满足条件3，则超声波协频共振模块执行模式3——中强度防尿素溶液结晶；超声波协频共振模块完成模式执行后，重复步骤S1；
S3、如果运行参数满足条件4，则超声波协频共振模块执行模式4——低强度粉碎尿素结晶，如果运行参数满足条件5，则超声波协频共振模块执行模式5——高强度粉碎尿素结晶；超声波协频共振模块完成模式执行后，重复步骤S1。
进一步的，步骤S1中，基于结晶监测探头获取SCR系统的结晶量；所述运行参数包括：车辆当前的运行工况、SCR系统的温度、SCR系统的NOx浓度和SCR系统的尿素喷射量；可以从发动机EMS控制器中获取车速、发动机转速、发动机负荷等参数判断当前车辆行驶的拥堵情况，得到车辆当前的运行工况；
所述条件1为：车辆处于非拥堵行驶工况，温度大于300℃且尿素喷射量、NOx浓度值在预设置的正常数值范围内；所述条件2为：车辆处于一般拥堵行驶工况，温度处于180℃～300℃且尿素喷射量、NOx浓度值在预设置的高数值范围内；所述条件3为：车辆处于非常拥堵行驶工况，或温度低于180℃，或尿素喷射量、NOx浓度值在预设置的超高数值范围内；所述条件4为：车辆处于非严重拥堵行驶工况，且结晶量小于预设置的结晶阈值；所述条件5为：车辆处于严重拥堵行驶工况，或结晶量大于等于预设置的结晶阈值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)在尿素混合器外侧壁上布置了超声波协频共振模块，能够发出超声波，预防尿素溶液析出结晶并粉碎尿素混合器内的尿素结晶，极大的避免了因尿素结晶导致的SCR系统损坏问题。
(2)超声波协频共振模块包括超声波发生器和多个超声波能量转换器，超声波能量转换器在尿素混合器的径向相对分布并关于尿素混合器的轴向对称，超声波能量转换器的出口为回纹形超声波出口，两个超声波能量转换器沿着相对的方向同时发出同一频段的回纹形超声波，产生双超声波协频共振效应，可以达到很好的预防尿素溶液结晶和粉碎尿素晶体的效果。
(3)根据尿素结晶特性，超声波能量转换器之间的间距自上游至下游依次增大，与SCR系统中尿素的结晶特性相配合，可达到最优的效果。
(4)根据车辆不同的运行工况以及SCR系统中的温度和NOx浓度，分别控制每一个超声波能量转换器的开关、超声频率和超声强度，使得超声波协频共振模块执行不同的模式，适用于不同的工况。
附图说明
图1为防尿素结晶的SCR系统示意图；
图2为超声波能量转换器结构示意图；
图3为超声波能量转换器剖视图；
图4为超声波能量转换器分布示意图；
图5为双超声波协频共振示意图；
图6为超声波协频共振模块工作示意图；
图7为防尿素结晶的SCR系统的控制方法的流程图；
附图标记：1、SCR前侧温度传感器，2、尿素喷嘴底座，3、尿素喷嘴，4、尿素混合器内壁，5、尿素混合器，6、超声波能量转换器，601、回纹形超声波出口，602、钛体，603、铍板，604、PZT压电晶体，605、反射板，606、超声波入口，607、超声波分流腔，7、超声波信号传输线，8、超声波发生器，9、SCR主体，10、SCR后侧温度传感器，11、NOx传感器，12、DCU控制单元，13、尿素箱管道，14、尿素箱，15、尿素喷射泵，16、尿素喷射管道，17、冷却单元，18、冷却管道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
实施例1：
一种防尿素结晶的SCR系统，如图1所示，包括尿素混合器5、SCR主体9、尿素模块和超声波协频共振模块；尿素混合器5与SCR主体9连通，尿素模块连接尿素混合器5，用于向尿素混合器5中喷射尿素；超声波协频共振模块布置在尿素混合器5的外侧壁上，用于发出超声波粉碎尿素混合器5内的尿素结晶。
参见图1，尿素模块包括尿素箱14、尿素喷射泵15和尿素喷嘴3，尿素箱14通过尿素箱管道13连接尿素喷射泵15，尿素箱14用于供应尿素溶液，尿素喷射泵15通过尿素喷射管道16连接尿素喷嘴3，尿素喷嘴3通过尿素喷嘴底座2安装在尿素混合器5的内壁4上，并向尿素混合器5内喷射尿素，以尾气在SCR系统中的流动方向区分上游和下游，尿素混合器5在SCR主体9的上游，尿素喷嘴3安装在尿素混合器5的上游。尿素模块还包括冷却单元17，冷却单元17连接冷却管道18，用于冷却尿素喷射管道16。
超声波协频共振模块包括超声波发生器8和多个超声波能量转换器6，超声波发生器8与超声波能量转换器6之间通过超声波信号传输线7连接，超声波发生器8用于控制每一个超声波能量转换器6的开关、超声频率和超声强度，接收超声波能量转换器6的信息反馈，发出不同频率、不同强度的超声波，从而预防尿素溶液结晶和粉碎尿素晶体。
如图2、图3所示，超声波能量转换器6包括自下向上依次装配的钛体602、铍板603、PZT压电晶体604和反射板605，超声波信号传输线7连接至反射板605上的超声波入口606，钛体602内设有超声波分流腔607和回纹形超声波出口601，超声波经过超声波分流腔607分流后从回纹形超声波出口601按回纹状声波发射，作用于尿素混合器5。
如图4所示，在尿素混合器5的外壁上布置有两组超声波能量转换器6，这两组超声波能量转换器6沿尿素混合器5的径向相对布置并关于尿素混合器5的轴向对称，每组超声波能量转换器6的数量为多个，沿尿素混合器5的轴向布置在尿素混合器5的外壁上；而且，以尾气在SCR系统中的流动方向区分上游和下游，因为尿素在尿素喷嘴3附近的结晶程度最大，向下游方向依次降低，因此同一组中相邻的超声波能量转换器6之间的间距自上游至下游依次增大，与SCR系统中尿素的结晶特性相配合。
为了实现双超声波协频共振，超声波能量转换器6沿径向相对布置，沿轴向对称布置，如图5所示，在超声波协频共振模块工作时，两个超声波能量转换器6沿着相对的方向同时发出同一频段的超声波，出口为回纹形超声波出口601，产生的超声波为回纹形超声波，相对的两组回纹形超声波发生扩散后又重聚，在二者协同共振的作用下，可以达到很好的预防尿素溶液结晶和粉碎尿素晶体的效果。
如图1所示，SCR系统还包括DCU控制单元12、SCR前侧温度传感器1、结晶监测探头、SCR后侧温度传感器10和NOx传感器11，SCR前侧温度传感器1布置在SCR系统的尾气入口处，结晶监测探头布置在尿素混合器5内，结晶监测探头使一个光学探头，图中未标出，可以实时扫描SCR系统内的结晶情况，输出结晶参数，SCR后侧温度传感器10和NOx传感器11均布置在SCR系统的尾气出口处；
DCU控制单元12与SCR前侧温度传感器1、SCR后侧温度传感器10、NOx传感器11、尿素模块和超声波协频共振模块通信连接，DCU控制单元12通过SCR前侧温度传感器1和SCR后侧温度传感器10实时采集的数据获知SCR系统的温度，通过NOx传感器11实时采集的数据获知SCR系统的NOx浓度，获知尿素模块的尿素喷射量，并控制超声波协频共振模块工作。
如图6所示，本实施例中，控制超声波协频共振模块中的所有超声波能量转换器6同时关闭，此时无超声波作用，尿素喷嘴底座2、尿素喷嘴3及尿素混合器5的内壁4等部位可能会发生尿素溶液结晶析出；控制超声波协频共振模块中的所有超声波能量转换器6同时发出超声波，产生双超声波协频共振效应，可以快速粉碎、雾化尿素晶体，使其参与到催化还原反应当中去，直到晶体全部消失。
实施例2：
本实施例中，单独控制每一个超声波能量转换器6的开关、超声频率和超声强度，使得超声波协频共振模块执行不同的模式，具体应用时可以根据需要预先设置每种模式下各个超声波能量转换器6的开关、超声频率和超声强度，本实施例中设置了5种模式：
模式1：低强度防尿素溶液结晶；
模式2：中强度防尿素溶液结晶；
模式3：高强度防尿素溶液结晶；
模式4：低强度粉碎尿素晶体；
模式5：高强度粉碎尿素晶体。
一种防尿素结晶的SCR系统的控制方法，通过控制每一个超声波能量转换器6的开关、超声频率和超声强度使得超声波协频共振模块执行不同的模式，如图7所示，包括以下步骤：
S1、获取SCR系统的结晶量和运行参数，如果SCR系统不存在结晶，则DCU控制单元切换至防结晶状态，执行步骤S2，否则，DCU控制单元切换至粉碎结晶状态，执行步骤S3；SCR系统的结晶量是基于结晶监测探头获取的；
S2、如果运行参数满足条件1，则超声波协频共振模块执行模式1——低强度防尿素溶液结晶，如果运行参数满足条件2，则超声波协频共振模块执行模式2——中强度防尿素溶液结晶，如果运行参数满足条件3，则超声波协频共振模块执行模式3——中强度防尿素溶液结晶；超声波协频共振模块完成模式执行后，重复步骤S1；
条件1为：车辆处于非拥堵行驶工况，温度大于300℃且尿素喷射量、NOx浓度值在预设置的正常数值范围内，即尿素喷射量、NOx浓度值正常；
条件2为：车辆处于一般拥堵行驶工况，温度处于180℃～300℃且尿素喷射量、NOx浓度值在预设置的高数值范围内，即尿素喷射量、NOx浓度值较高；
条件3为：车辆处于非常拥堵行驶工况，或温度低于180℃，或尿素喷射量、NOx浓度值在预设置的超高数值范围内，即尿素喷射量、NOx浓度值远高于正常数值范围。
S3、如果运行参数满足条件4，则超声波协频共振模块执行模式4——低强度粉碎尿素结晶，如果运行参数满足条件5，则超声波协频共振模块执行模式5——高强度粉碎尿素结晶；超声波协频共振模块完成模式执行后，重复步骤S1；
条件4为：车辆处于非严重拥堵行驶工况，且结晶量小于预设置的结晶阈值，即结晶量较少；
条件5为：车辆处于严重拥堵行驶工况，或结晶量大于等于预设置的结晶阈值，即结晶量较多。
运行参数包括：车辆当前的运行工况、SCR系统的温度、SCR系统的NOx浓度和SCR系统的尿素喷射量。
由于车辆拥堵时发动机燃油往往不能充分燃烧，尾气排放也比较恶劣，将车辆当前的运行工况作为一个判断超声波协频共振模块模式的运行参数，可以从发动机EMS控制器中获取车速、发动机转速、发动机负荷等参数判断当前车辆行驶的拥堵情况，得到车辆当前的运行工况；
SCR系统的温度、SCR系统的NOx浓度和SCR系统的尿素喷射量可以通过SCR前侧温度传感器1、SCR后侧温度传感器10、NOx传感器11和尿素喷射泵15获取，都是实时获取的参数，温度是尿素结晶的一个重要因素，NOx浓度主要用于判断尿素喷射泵15的喷射量，能够根据这些参数预测下一时刻会不会发生结晶，从而预防尿素溶液结晶。
在其他实施方式中，可以为超声波协频共振模块设置更多的模式，以适应复杂多变的工况。
车辆在不同的运行工况及SCR系统内温度在大幅度的变化时，尿素溶液结晶的风险程度也随着波动，针对这种波动性，为超声波协频共振模块设定了不同的防尿素溶液结晶模式以应对不同情况下的尿素溶液结晶问题，实用性高，预防结晶的效果好。
当SCR系统内已经存在尿素晶体时，为超声波协频共振模块设定了高、低不同强度的粉碎尿素晶体模式，可以有效的粉碎、雾化尿素晶体，使其重新参与到催化还原反应当中去，避免了SCR系统的定期维护，大大延长了SCR系统的使用寿命。
本实施例其余内容同实施例1。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种防尿素结晶的SCR系统，其特征在于，包括尿素混合器(5)、SCR主体(9)、尿素模块和超声波协频共振模块；
所述尿素混合器(5)与SCR主体(9)连通，所述尿素模块连接尿素混合器(5)，用于向尿素混合器(5)中喷射尿素；
所述超声波协频共振模块布置在尿素混合器(5)的外侧壁上，用于发出超声波粉碎尿素混合器(5)内的尿素结晶；
所述超声波协频共振模块包括超声波发生器(8)和多个超声波能量转换器(6)，超声波发生器(8)与超声波能量转换器(6)之间通过超声波信号传输线(7)连接，超声波发生器(8)用于控制每一个超声波能量转换器(6)的开关、超声频率和超声强度；
在尿素混合器(5)的外壁上布置有两组超声波能量转换器(6)，这两组超声波能量转换器(6)沿尿素混合器(5)的径向相对布置并关于尿素混合器(5)的轴向对称，每组超声波能量转换器(6)的数量为多个，沿尿素混合器(5)的轴向布置在尿素混合器(5)的外壁上，以尾气在SCR系统中的流动方向区分上游和下游，同一组中相邻的超声波能量转换器(6)之间的间距自上游至下游依次增大。
2.根据权利要求1所述的一种防尿素结晶的SCR系统，其特征在于，所述超声波能量转换器(6)包括自下向上依次装配的钛体(602)、铍板(603)、PZT压电晶体(604)和反射板(605)，超声波信号传输线(7)连接至反射板(605)上的超声波入口(606)，钛体(602)内设有超声波分流腔(607)和回纹形超声波出口(601)，所述超声波能量转换器(6)生成的超声波经过超声波分流腔(607)分流后从回纹形超声波出口(601)按回纹状声波发射。
3.根据权利要求1所述的一种防尿素结晶的SCR系统，其特征在于，所述尿素模块包括尿素箱(14)、尿素喷射泵(15)和尿素喷嘴(3)，所述尿素箱(14)通过尿素箱管道(13)连接尿素喷射泵(15)，所述尿素喷射泵(15)通过尿素喷射管道(16)连接尿素喷嘴(3)，所述尿素喷嘴(3)通过尿素喷嘴底座(2)安装在尿素混合器(5)的内壁(4)上，并向尿素混合器(5)内喷射尿素，以尾气在SCR系统中的流动方向区分上游和下游，尿素混合器(5)在SCR主体(9)的上游，所述尿素喷嘴(3)安装在尿素混合器(5)的上游。
4.根据权利要求3所述的一种防尿素结晶的SCR系统，其特征在于，所述尿素模块还包括冷却单元(17)，所述冷却单元(17)连接冷却管道(18)，用于冷却尿素喷射管道(16)。
5.根据权利要求1所述的一种防尿素结晶的SCR系统，其特征在于，所述SCR系统还包括DCU控制单元(12)、SCR前侧温度传感器(1)、结晶监测探头、SCR后侧温度传感器(10)和NOx传感器(11)，所述SCR前侧温度传感器(1)布置在SCR系统的尾气入口处，所述结晶监测探头布置在尿素混合器(5)内，所述SCR后侧温度传感器(10)和NOx传感器(11)均布置在SCR系统的尾气出口处；
所述DCU控制单元(12)与SCR前侧温度传感器(1)、SCR后侧温度传感器(10)、NOx传感器(11)、尿素模块和超声波协频共振模块通信连接。
6.一种防尿素结晶的SCR系统的控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1-5中任一所述的防尿素结晶的SCR系统，通过控制每一个超声波能量转换器(6)的开关、超声频率和超声强度使得超声波协频共振模块执行不同的模式，包括以下步骤：
S1、获取SCR系统的结晶量和运行参数，如果SCR系统不存在结晶，则DCU控制单元切换至防结晶状态，执行步骤S2，否则，DCU控制单元切换至粉碎结晶状态，执行步骤S3；
S2、如果运行参数满足条件1，则超声波协频共振模块执行模式1——低强度防尿素溶液结晶，如果运行参数满足条件2，则超声波协频共振模块执行模式2——中强度防尿素溶液结晶，如果运行参数满足条件3，则超声波协频共振模块执行模式3——中强度防尿素溶液结晶；超声波协频共振模块完成模式执行后，重复步骤S1；
S3、如果运行参数满足条件4，则超声波协频共振模块执行模式4——低强度粉碎尿素结晶，如果运行参数满足条件5，则超声波协频共振模块执行模式5——高强度粉碎尿素结晶；超声波协频共振模块完成模式执行后，重复步骤S1。
7.根据权利要求6所述的一种防尿素结晶的SCR系统的控制方法，其特征在于：
步骤S1中，基于结晶监测探头获取SCR系统的结晶量；所述运行参数包括：车辆当前的运行工况、SCR系统的温度、SCR系统的NOx浓度和SCR系统的尿素喷射量；
所述条件1为：车辆处于非拥堵行驶工况，温度大于300℃且尿素喷射量、NOx浓度值在预设置的正常数值范围内；所述条件2为：车辆处于一般拥堵行驶工况，温度处于180℃～300℃且尿素喷射量、NOx浓度值在预设置的高数值范围内；所述条件3为：车辆处于非常拥堵行驶工况，或温度低于180℃，或尿素喷射量、NOx浓度值在预设置的超高数值范围内；所述条件4为：车辆处于非严重拥堵行驶工况，且结晶量小于预设置的结晶阈值；所述条件5为：车辆处于严重拥堵行驶工况，或结晶量大于等于预设置的结晶阈值。
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