CN113669137A - 一种尿素喷射装置、尿素喷射系统及尿素喷射控制方法 - Google Patents

一种尿素喷射装置、尿素喷射系统及尿素喷射控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种尿素喷射装置、尿素喷射系统及尿素喷射控制方法，该尿素喷射装置包括尿素喷嘴、压缩空气管路及加热装置，尿素喷嘴的出口与压缩空气管路连通，加热装置设置于压缩空气管路，加热装置用于对压缩空气管路内的压缩空气或者压缩空气与尿素喷雾的混合物进行加热；在冷启动时，加热装置能够在尿素进入排气管路前对尿素喷雾进行加热至预设温度进行汽化分解，这样进入排气管路的将是氨气与空气的混合气体，不会在排气管路中产生尿素结晶以及低温无法完成尿素分解的问题，这样可以降低尿素起喷的温度，由200℃降低至150℃，可以有效降低低温下的氮氧化物排放，并其通过加热装置可以严格控制尿素水溶液分解的温度，降低尿素结晶的风险。

Description

一种尿素喷射装置、尿素喷射系统及尿素喷射控制方法
技术领域
本发明涉及发动机后处理技术领域，特别涉及一种尿素喷射装置、尿素喷射系统及尿素喷射控制方法。
背景技术
现有的后处理系统技术方案由于发动机在冷启动时排气温度比较低，由于尿素水溶液在200℃以下很难分解，所以在排温比较低的时候(一般排温低于200℃)是不进行尿素喷射的，这就会导致柴油机冷启动时排气中的NOX污染物比较高，如图1和图2，不能满足未来国七标准的排放要求；另外，在排气温度200℃～300℃时，喷入排气管路的尿素水溶液很难完全分解，就会形成尿素结晶。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种尿素喷射装置，以使其能够降低冷启动时排气中的NOX污染物的浓度，减少或避免尿素在排气管路中的结晶的目的。
本发明的第二个目的在于提供一种包括上述尿素喷射装置的尿素喷射系统及尿素喷射控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种尿素喷射装置，包括尿素喷嘴、压缩空气管路以及加热装置，所述尿素喷嘴的出口与所述压缩空气管路连通，所述加热装置设置于所述压缩空气管路，所述加热装置用于对所述压缩空气管路内的压缩空气进行加热，或者所述加热装置用于对所述压缩空气管路内的压缩空气与尿素喷雾的混合物进行加热。
优选地，所述加热装置沿所述压缩空气管路内的压缩空气流动方向设置于所述尿素喷嘴与所述压缩空气管路的连通处的上游。
优选地，所述加热装置为设置于所述压缩空气管路内的电加热丝。
优选地，所述加热装置沿所述压缩空气管路内的压缩空气流动方向设置于所述尿素喷嘴与所述压缩空气管路的连通处的下游。
优选地，所述加热装置环绕于所述压缩空气管路外部。
优选地，所述加热装置包括绝缘隔热壳以及电加热丝，所述绝缘隔热壳包裹于所述压缩空气管路外且所述绝缘隔热壳与所述压缩空气管路之间形成空腔，所述电加热丝设置于所述空腔内。
优选地，所述压缩空气管路包括进口段、中间连接段以及出口段，所述进口段、所述中间连接段以及所述出口段相互连接成S形。
优选地，所述进口段与所述中间连接段之间以及所述中间连接段与所述出口段之间圆滑过渡连接。
优选地，所述尿素喷嘴设置于所述进口段与所述中间连接段之间的拐角处，且所述尿素喷嘴的出口朝向与所述中间连接段的轴向之间的夹角小于预设值。
优选地，所述压缩空气管路为不锈钢管路。
一种尿素喷射系统，包括：
如上任意一项所述的尿素喷射装置；
与所述尿素喷射装置的尿素喷嘴连接的尿素供给系统；
与所述尿素喷射装置的压缩空气管路的进气端连通的压缩空气供给系统，所述压缩空气管路的出气端在SCR装置的上游与排气管路连通。
优选地，还包括第一温度传感器、第二温度传感器以及控制器，所述第一温度传感器用于检测SCR装置的上游的排气管路内的排气温度，所述第二温度传感器用于检测所述尿素喷射装置的加热装置下游的所述压缩空气管路内的压缩空气与尿素喷雾的混合物的温度，所述控制器分别与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述尿素喷射装置的加热装置连接、所述尿素喷射装置的尿素喷嘴、所述尿素供给系统以及所述压缩空气供给系统连接。
优选地，所述尿素供给系统包括尿素箱以及尿素泵，所述尿素泵的进液端与所述尿素箱连通，所述尿素泵的出液端通过压力管与所述尿素喷嘴连通。
优选地，还包括第三温度传感器，所述第三温度传感器用于检测所述尿素箱内的尿素温度，所述控制器根据所述第三温度传感器的检测值控制所述压力管加热至预设温度。
优选地，所述压缩空气供给系统包括空气泵以及储气罐，所述空气泵的出口端与所述储气罐的进口端连接，所述储气罐的出口端与所述压缩空气管路的进气端连接。
优选地，所述压缩空气供给系统还包括过滤器，所述储气罐的出口端通过所述过滤器与所述压缩空气管路的进气管连接。
优选地，所述压缩空气供给系统还包括设置于所述储气罐的出口端与所述过滤器之间的限压阀。
一种基于上述任意一项所述的尿素喷射系统的尿素喷射控制方法，包括步骤：
检测排气管路内的排气温度，若排气温度低于预设排气温度值，则进入下一步骤；
控制尿素喷射系统的尿素喷射装置的加热装置开始加热，使尿素喷射装置的压缩空气管路内的气体温度维持在预设气体温度值，所述预设气体温度值不低于尿素水溶液完全分解的温度；
启动压缩空气供给系统进行尿素喷射。
优选地，在控制尿素喷射系统的尿素喷射装置的加热装置开始加热的同时，检测尿素供给系统内的尿素水溶液的温度，若尿素水溶液的温度低于尿素水溶液预设温度值，则加热尿素水溶液至尿素水溶液预设温度值。
优选地，所述预设气体温度值为300℃，所述尿素水溶液预设温度值为25℃。
优选地，还包括步骤：
实时检测排气管路内的排气温度，若排气温度不低于预设排气温度值，则控制尿素喷射系统的尿素喷射装置的加热装置停止加热。
由以上技术方案可以看出，本发明中公开了一种尿素喷射装置，该尿素喷射装置包括尿素喷嘴、压缩空气管路以及加热装置，尿素喷嘴的出口与压缩空气管路连通，加热装置设置于压缩空气管路，加热装置用于对压缩空气管路内的压缩空气进行加热，或者加热装置用于对压缩空气管路内的压缩空气与尿素喷雾的混合物进行加热；在冷启动时，加热装置能够在尿素进入排气管路前对尿素喷雾进行加热至预设温度，比如300℃以上，进行汽化分解，这样进入排气管路的将是氨气与空气的混合气体，不会在排气管路中产生尿素结晶以及低温无法完成尿素分解的问题，这样可以降低尿素起喷的温度，由200℃降低至150℃，可以有效降低低温下的氮氧化物排放，并其通过加热装置可以严格控制尿素水溶液分解的温度，降低尿素结晶的风险。
本发明还提供了一种尿素喷射系统及基于该尿素喷射系统的尿素喷射控制方法，由于尿素喷射装置具有上述有益效果，则采用该尿素喷射装置的尿素喷射系统以及基于该尿素喷射系统的尿素喷射控制方法也应具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为冷启动时排气温度随时间变化的曲线图；
图2为冷启动时排气中NOX浓度随时间变化的曲线图；
图3为本发明一种实施例公开的尿素喷射装置的结构示意图；
图4为本发明另一种实施例公开的尿素喷射装置的结构示意图；
图5为本发明实施例公开的尿素喷射系统的示意图。
图1-图5中：
1为尿素喷嘴；2为压缩空气管路；201为进口段；202为中间连接段；203为出口段；3、3’为加热装置；301’为绝缘隔热壳；302’为电加热丝；4为第一温度传感器；5为第二温度传感器；6为控制器；7为SCR装置；8为排气管路；9为混合器；10为尿素供给系统；1001为尿素箱；1002为尿素泵；1003为压力管；11为压缩空气供给系统；1101为空气泵；1102为储气罐；1103为过滤器。
具体实施方式
本发明的核心之一是提供一种尿素喷射装置，该尿素喷射装置的结构设计使其能够降低冷启动时排气中的NOX污染物的浓度，减少或避免尿素在排气管路中的结晶。
本发明的另一核心在于提供一种包括上述尿素喷射装置的尿素喷射系统及尿素喷射控制方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3和图4，图3为本发明一种实施例公开的尿素喷射装置的结构示意图，图4为本发明另一种实施例公开的尿素喷射装置的结构示意图。
本发明实施例中公开了一种尿素喷射装置，该尿素喷射装置包括尿素喷嘴1、压缩空气管路2以及加热装置。
其中，尿素喷嘴1的出口与压缩空气管路2连通，加热装置设置于压缩空气管路2，加热装置用于对压缩空气管路2内的压缩空气进行加热，或者加热装置用于对压缩空气管路2内的压缩空气与尿素喷雾的混合物进行加热。
可以看出，与现有技术相比，上述实施例中所公开的尿素喷射装置在冷启动时，加热装置能够在尿素进入排气管路8前对尿素喷雾进行加热至预设温度，比如300℃以上，进行汽化分解，这样进入排气管路8的将是氨气与空气的混合气体，不会在排气管路8中产生尿素结晶以及低温无法完成尿素分解的问题，这样可以降低尿素起喷的温度，由200℃降低至150℃，可以有效降低低温下的氮氧化物排放，并其通过加热装置可以严格控制尿素水溶液分解的温度，降低尿素结晶的风险。
作为优选地，在本发明一种实施例中，加热装置沿压缩空气管路2内的压缩空气流动方向设置于尿素喷嘴1与压缩空气管路2的连通处的上游，在这种布局结构下，因为加热装置不会与喷出的尿素喷雾接触，加热装置可以设置于压缩空气管路2外或者设置于压缩空气管路2内。
如图3所示，在本发明一种实施例中，加热装置3为设置于压缩空气管路2内的电加热丝。
在本发明另一种实施例中，加热装置3’沿压缩空气管路2内的压缩空气流动方向设置于尿素喷嘴1与压缩空气管路2的连通处的下游，在这种情况下，尿素喷雾会经过加热装置3’，因此在该实施例中，加热装置3’最好设置于压缩空气管路2外部，环绕压缩空气管路2设置，如图4所示。
在图4所示实施例中，加热装置3’包括绝缘隔热壳301’以及电加热丝302’，绝缘隔热壳301’包裹于压缩空气管路2外且绝缘隔热壳301’与压缩空气管路2之间形成空腔，电加热丝302’设置于空腔内。
作为优选地，如图3和图4所示，在本发明实施例中，压缩空气管路2包括进口段201、中间连接段202以及出口段203，进口段201、中间连接段202以及出口段203相互连接成S形，当然压缩空气管路2根据需要也可以采用其他的形状，在此不做限定。
为减小气流阻力，在上述实施例中，进口段201与中间连接段202之间以及中间连接段202与出口段203之间圆滑过渡连接。
如图3和图4所示，尿素喷嘴1设置于进口段201与中间连接段202之间的拐角处，且尿素喷嘴1的出口朝向与中间连接段202的轴向之间的夹角小于预设值，此处尿素喷嘴1的出口朝向与中间连接段202的轴向之间的夹角可以为0°。
进一步优化上述技术方案，进口段201与中间连接段202之间的拐角处设置有喷嘴安装座，尿素喷嘴1设置于该喷嘴安装座。
作为优选地，上述压缩空气管路2为不锈钢管路，可以耐600℃以上高温及尿素腐蚀。
本发明实施例还提供了一种尿素喷射系统，如图5所示，该尿素喷射系统包括如上述实施例所述的尿素喷射装置、尿素供给系统10以及压缩空气供给系统11，其中，尿素供给系统10与尿素喷射装置的尿素喷嘴1连接；压缩空气供给系统11与尿素喷射装置的压缩空气管路2的进气端连通，压缩空气管路2的出气端在SCR装置7的上游与排气管路8连通。
作为优选地，如图5所示，该尿素喷射系统还包括第一温度传感器4、第二温度传感器5以及控制器6，第一温度传感器4用于检测SCR装置7的上游的排气管路8内的排气温度，第二温度传感器5用于检测尿素喷射装置的加热装置下游的压缩空气管路2内的压缩空气与尿素喷雾的混合物的温度，控制器6分别与第一温度传感器4、第二温度传感器5、尿素喷射装置的加热装置连接、尿素喷射装置的尿素喷嘴1、尿素供给系统10以及压缩空气供给系统11连接，在应用时，当控制器6通过第一温度传感器4监测道排气管路8内的排气温度低于预设排气温度时，该预设排气温度可以为200℃或者300℃，控制器6控制加热装置启动进行加热，并通过第二温度传感器5对加热装置进行闭环控制，直到压缩空气管路2内的温度达到300℃，然后控制器6根据需求喷射量控制尿素喷嘴1进行尿素喷射。
如图5所示，在本发明实施例中，尿素供给系统10包括尿素箱1001以及尿素泵1002，尿素泵1002的进液端与尿素箱1001连通，尿素泵1002的出液端通过压力管1003与尿素喷嘴1连通，控制器6还与尿素泵1002连接以控制尿素泵1002启动或关闭。
进一步优化上述技术方案，上述尿素喷射系统还包括第三温度传感器，第三温度传感器用于检测尿素箱1001内的尿素温度，控制器6根据第三温度传感器的检测值控制压力管1003加热至预设温度，第三温度传感器测得尿素箱1001内的当前尿素温度，当尿素温度小于25℃时，控制器6控制压力管1003进行电加热，加热到目标温度25℃，根据加热能力计算加热时间，开环控制。
如图5所示，压缩空气供给系统11包括空气泵1101以及储气罐1102，空气泵1101的出口端与储气罐1102的进口端连接，储气罐1102的出口端与压缩空气管路2的进气端连接，在应用时，空气泵1101在储气罐1102内空气压力，以实现对压缩空气管路2的稳定供气，在本发明实施例中，空气泵1101在储气罐1102内建立7bar的空气压力。
进一步地，上述压缩空气供给系统11还包括过滤器1103，储气罐1102的出口端通过过滤器1103与压缩空气管路2的进气管连接，过滤器1103可以避免将杂质喷射进压缩空气管路2内。
更进一步地，上述压缩空气供给系统11还包括设置于储气罐1102的出口端与过滤器1103之间的限压阀(图中未示出)，当压力超过预设压力值(比如上述的7bar)时自动打开进行排气。
总上所述，上述实施例中的尿素喷射系统在应用时首先通过第三温度传感器获取尿素箱1001内的尿素的温度以及通过第一温度传感器4获取排气温度，若排气温度低于200℃，比如当排气温度为150℃，尿素箱1001中的尿素温度低于25℃，则控制器6控制压力管1003加热至25℃，然后控制加热装置进行加热，并根据第二温度传感器5的监测值对加热装置进行闭环控制直到第二温度传感器5监测到压缩空气管路2内的气体温度达到300℃，随后启动压缩空气供给系统11进行建压，最后控制器6根据需求喷射量控制尿素喷嘴1进行尿素喷射。
基于上述实施例所述的尿素喷射系统，本发明实施例还提供了尿素喷射控制方法，该控制方法包括步骤：
S10：检测排气管路内的排气温度，若排气温度低于预设排气温度值，则进入步骤S20；
请参阅图5，通过第一温度传感器4获取排气温度，若排气温度低于预设排气温度值，则说明排气温度不足以时尿素水溶液充分分解，需要启动加热。
S20：控制尿素喷射系统的尿素喷射装置的加热装置开始加热，使尿素喷射装置的压缩空气管路内的气体温度维持在预设气体温度值，所述预设气体温度值不低于尿素水溶液完全分解的温度；
这样当尿素水溶液喷雾或者尿素水溶液喷雾与压缩空气的混合物经过加热装置时，可以被加热至预设气体温度值以使尿素水溶液能够完全分解，避免结晶。
S30：启动压缩空气供给系统进行尿素喷射。
作为优选地，上述控制方法中，在控制尿素喷射系统的尿素喷射装置的加热装置开始加热的同时，检测尿素供给系统内的尿素水溶液的温度，若尿素水溶液的温度低于尿素水溶液预设温度值，则加热尿素水溶液至尿素水溶液预设温度值。
进一步优化上述技术方案，上述预设气体温度值为300℃，尿素水溶液预设温度值为25℃。
作为优选地，上述尿素喷射控制方法还包括步骤：
S40：实时检测排气管路内的排气温度，若排气温度不低于预设排气温度值，则控制尿素喷射系统的尿素喷射装置的加热装置停止加热。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (21)

1.一种尿素喷射装置，其特征在于，包括尿素喷嘴、压缩空气管路以及加热装置，所述尿素喷嘴的出口与所述压缩空气管路连通，所述加热装置设置于所述压缩空气管路，所述加热装置用于对所述压缩空气管路内的压缩空气进行加热，或者所述加热装置用于对所述压缩空气管路内的压缩空气与尿素喷雾的混合物进行加热。
2.根据权利要求1所述的尿素喷射装置，其特征在于，所述加热装置沿所述压缩空气管路内的压缩空气流动方向设置于所述尿素喷嘴与所述压缩空气管路的连通处的上游。
3.根据权利要求2所述的尿素喷射装置，其特征在于，所述加热装置为设置于所述压缩空气管路内的电加热丝。
4.根据权利要求1所述的尿素喷射装置，其特征在于，所述加热装置沿所述压缩空气管路内的压缩空气流动方向设置于所述尿素喷嘴与所述压缩空气管路的连通处的下游。
5.根据权利要求4所述的尿素喷射装置，其特征在于，所述加热装置环绕于所述压缩空气管路外部。
6.根据权利要求5所述的尿素喷射装置，其特征在于，所述加热装置包括绝缘隔热壳以及电加热丝，所述绝缘隔热壳包裹于所述压缩空气管路外且所述绝缘隔热壳与所述压缩空气管路之间形成空腔，所述电加热丝设置于所述空腔内。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的尿素喷射装置，其特征在于，所述压缩空气管路包括进口段、中间连接段以及出口段，所述进口段、所述中间连接段以及所述出口段相互连接成S形。
8.根据权利要求7所述的尿素喷射装置，其特征在于，所述进口段与所述中间连接段之间以及所述中间连接段与所述出口段之间圆滑过渡连接。
9.根据权利要求7所述的尿素喷射装置，其特征在于，所述尿素喷嘴设置于所述进口段与所述中间连接段之间的拐角处，且所述尿素喷嘴的出口朝向与所述中间连接段的轴向之间的夹角小于预设值。
10.根据权利要求1-6、8及9任意一项所述的尿素喷射装置，其特征在于，所述压缩空气管路为不锈钢管路。
11.一种尿素喷射系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-10任意一项所述的尿素喷射装置；
与所述尿素喷射装置的尿素喷嘴连接的尿素供给系统；
与所述尿素喷射装置的压缩空气管路的进气端连通的压缩空气供给系统，所述压缩空气管路的出气端在SCR装置的上游与排气管路连通。
12.根据权利要求11所述的尿素喷射系统，其特征在于，还包括第一温度传感器、第二温度传感器以及控制器，所述第一温度传感器用于检测SCR装置的上游的排气管路内的排气温度，所述第二温度传感器用于检测所述尿素喷射装置的加热装置下游的所述压缩空气管路内的压缩空气与尿素喷雾的混合物的温度，所述控制器分别与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述尿素喷射装置的加热装置连接、所述尿素喷射装置的尿素喷嘴、所述尿素供给系统以及所述压缩空气供给系统连接。
13.根据权利要求12所述的尿素喷射系统，其特征在于，所述尿素供给系统包括尿素箱以及尿素泵，所述尿素泵的进液端与所述尿素箱连通，所述尿素泵的出液端通过压力管与所述尿素喷嘴连通。
14.根据权利要求13所述的尿素喷射系统，其特征在于，还包括第三温度传感器，所述第三温度传感器用于检测所述尿素箱内的尿素温度，所述控制器根据所述第三温度传感器的检测值控制所述压力管加热至预设温度。
15.根据权利要求12-14任意一项所述的尿素喷射系统，其特征在于，所述压缩空气供给系统包括空气泵以及储气罐，所述空气泵的出口端与所述储气罐的进口端连接，所述储气罐的出口端与所述压缩空气管路的进气端连接。
16.根据权利要求15所述的尿素喷射系统，其特征在于，所述压缩空气供给系统还包括过滤器，所述储气罐的出口端通过所述过滤器与所述压缩空气管路的进气管连接。
17.根据权利要求16所述的尿素喷射系统，其特征在于，所述压缩空气供给系统还包括设置于所述储气罐的出口端与所述过滤器之间的限压阀。
18.一种基于权利要求14-17任意一项所述的尿素喷射系统的尿素喷射控制方法，其特征在于，包括步骤：
检测排气管路内的排气温度，若排气温度低于预设排气温度值，则进入下一步骤；
控制尿素喷射系统的尿素喷射装置的加热装置开始加热，使尿素喷射装置的压缩空气管路内的气体温度维持在预设气体温度值，所述预设气体温度值不低于尿素水溶液完全分解的温度；
启动压缩空气供给系统进行尿素喷射。
19.根据权利要求18所述的尿素喷射控制方法，其特征在于，在控制尿素喷射系统的尿素喷射装置的加热装置开始加热的同时，检测尿素供给系统内的尿素水溶液的温度，若尿素水溶液的温度低于尿素水溶液预设温度值，则加热尿素水溶液至尿素水溶液预设温度值。
20.根据权利要求19所述的尿素喷射控制方法，其特征在于，所述预设气体温度值为300℃，所述尿素水溶液预设温度值为25℃。
21.根据权利要求18-20任意一项所述的尿素喷射控制方法，其特征在于，还包括步骤：
实时检测排气管路内的排气温度，若排气温度不低于预设排气温度值，则控制尿素喷射系统的尿素喷射装置的加热装置停止加热。
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