CN202194704U - 发动机及其降低发动机氮氧化合物的排放量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，包括检测装置、电子控制单元、尿素供给单元、尿素喷射单元和催化还原反应单元，检测装置检测发动机的排气管的温度和排气管中氮氧化合物的浓度，得到检测信号，将检测信号传输至电子控制单元，电子控制单元与尿素供给单元和尿素喷射单元连接，并与发动机的控制单元配合控制尿素喷射单元的喷射状态，尿素喷射单元的喷嘴布置在发动机的排气管上，催化还原反应单元设置于喷嘴后方的排气管中，催化还原反应单元包括沿排气管依次设置的第一级氮氧化合物催化器和第二级氮氧化合物催化器。本实用新型所公开的装置可以在保证较低的氨的泄漏的同时，获得在所有工况下较高的氮氧化合物转换效率。本实用新型还公开了一种发动机。

Description

发动机及其降低发动机氮氧化合物的排放量的装置

技术领域

本实用新型涉及发动机尾气处理技术领域，特别是涉及一种降低发动机氮氧化合物的排放量的装置。本实用新型还涉及一种包含降低发动机氮氧化合物的排放量的发动机。

背景技术

随着汽车尾气排放法规的日益严格，发动机排气后处理技术越来越受到人们的关注。

在众多的排气后处理方法中，选择性催化还原(SCR)技术成为发动机氮氧化合物排放控制的关键技术之一。

请参考图1，图1为现有技术中一种降低发动机氮氧化合物的排放量的装置的结构示意图。

发动机11主要包括开设有气缸114的机体113，其进气管111中的气体通过进气歧管112进入气缸114，经过燃烧反应后，废气经过排气歧管115和增压器涡轮311，再经过排气管116进入催化还原反应单元25，将氮氧化合物还原为N₂，以减少氮氧化合物的排放。

现有技术中，以尿素为还原剂的SCR系统主要包括电子控制单元24、尿素的供给单元23、尿素的喷射单元21和催化还原反应单元25四部分，其中，电子控制单元24与发动机的控制单元(ECU)22集成在一起，主要用于完成尿素的供给单元23和尿素的喷射单元21、催化还原反应单元25及发动机11之间的通讯连接和控制；尿素的供给单元23主要包括尿素箱和尿素泵，尿素的喷射单元21主要包括尿素喷嘴和加热组件，用于根据需求定时定量地将尿素溶液喷射到排气气流中，以确保尿素溶液的充分雾化和分解；催化还原反应单元25包括SCR催化器等，用于提供催化条件，将发动机排气中的主要有害成分氮氧化物还原为氮气，SCR催化器是该系统的核心部件，其性能的好坏直接影响到整个后处理系统的转化效率、转化体积、转化成本和可靠性。

其中，SCR系统工作原理是：发动机11的排气从其气缸114流出后流入排气管116中，同时，安装在排气管116上的尿素喷射装置21在恰当的时刻将定量的尿素水溶液以雾状形态喷入排气管116中，尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热解反应生成还原剂氨气，氨气与发动机的尾气混合，在一定的温度和催化条件下把尾气中的氮氧化合物还原为氮气(N₂)，同时还生成水(H₂O)，催化的作用主要是降低氮氧化合物还原反应的活化能，使其反应温度降低至200～550℃之间。

SCR系统的工作效率取决于气体的温度，如果在200℃到550℃的温度范围内工作，它可以将85％的氮氧化合物转化为氮气(N2)和水(H2O)，在气体温度低于200℃的情况下以及发动机冷启动时，SCR催化器的氮氧化合物转化率很低甚至不起作用，而对于欧IV标准来说转化率必须在50％以上，对于欧V标准来说，在测试工况下转化率就必须在70％以上，而对于欧VI标准来说，转化率就必须在90％以上，因此，为了提高转化率，需要喷射更多尿素，而这样又会引起氨气泄漏，造成二次污染。

综上所述，现有的SCR系统主要存在以下问题：一是在冷启动工况和低温工况下的氮氧化合物转化率很低，无法在所有工况下都获得足够高的氮氧化合物转换效率；二是最大氮氧化合物转化率受到可以接受的氨(NH3)泄漏的限制，从而采用现有的SCR系统以同时达到较高的氮氧化合物转化率和较低的氨泄漏变得非常困难，特别是在瞬态测试循环中容易造成排放的瞬时超标或是氨泄漏超标。

因此，如何保证较低的氨的泄漏的基础上，获得在所有工况下较高的氮氧化合物转换效率，就成为本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，该装置可以在保证较低的氨的泄漏的同时，获得在所有工况下较高的氮氧化合物转换效率。本实用新型的另一目的是提供一种包含上述降低发动机氮氧化合物的排放量的装置的发动机。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，包括检测装置、电子控制单元、尿素供给单元、尿素喷射单元和催化还原反应单元，所述检测装置检测所述发动机的排气管的温度和所述排气管中氮氧化合物的浓度，得到检测信号，其输出端与所述电子控制单元连接，将所述检测信号传输至所述电子控制单元，所述电子控制单元与所述尿素供给单元和所述尿素喷射单元连接，并与所述发动机的控制单元配合控制所述尿素喷射单元的喷射状态，所述尿素供给单元与所述尿素喷射单元连接，所述尿素喷射单元的喷嘴布置在所述发动机的排气管上，所述催化还原反应单元设置于所述喷嘴后方的所述排气管中，所述催化还原反应单元包括沿所述排气管依次设置的第一级氮氧化合物催化器和第二级氮氧化合物催化器。

优选地，所述第一级氮氧化合物催化器紧邻涡轮增压器，且体积小于所述第二级氮氧化合物催化器的体积。

优选地，所述检测装置包括排气温度传感器和氮氧化合物传感器

优选地，所述尿素供给单元包括尿素箱和尿素泵，所述尿素泵的入口通过管路与所述尿素箱连接，其出口通过管路与所述尿素喷射单元连接。

优选地，所述尿素供给单元还包括加热组件，所述加热组件与所述尿素箱连接。

为解决上述问题，本实用新型还提供一种发动机，包括机体和降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，所述降低发动机氮氧化合物的排放量的装置为上述任一项所述的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置。

优选地，还包括涡轮增压器，所述涡轮增压器的增压器涡轮设置于所述排气管中，且位于所述发动机机体和所述尿素喷射单元的喷嘴之间。

优选地，所述涡轮增压器包括所述增压器涡轮和压气机，所述增压器涡轮通过其涡轮机轴驱动所述压气机，所述压气机的入口与大气相通，其出口连通所述发动机的进气管。

优选地，还包括颗粒过滤器，所述颗粒过滤器设置于所述催化还原反应单元后方的排气管中。

本实用新型所提供的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，包括检测装置、电子控制单元、尿素供给单元、尿素喷射单元和催化还原反应单元，其中，检测装置检测发动机的排气管的温度和排气管中氮氧化合物的浓度，得到检测信号，其输出端与电子控制单元连接，将检测信号传输至电子控制单元，电子控制单元与尿素供给单元和尿素喷射单元连接，并与发动机的控制单元相互配合，控制尿素喷射单元在适当的时间喷射适当量的尿素，尿素供给单元与尿素喷射单元连接，成为尿素喷射单元的尿素源，尿素喷射单元的喷嘴布置在发动机的排气管上，从而将尿素供给单元中的尿素喷射至发动机的排气管中，使尿素在高温条件下产生还原剂氨气，催化还原反应单元设置于喷嘴后方的排气管中，以降低氮氧化合物与氨气的催化还原反应所需要的反应温度，催化还原反应单元具体包括沿排气管依次设置的第一级氮氧化合物催化器和第二级氮氧化合物催化器。工作过程中，检测装置不断检测排气管中的发动机排气的温度和氮氧化合物的浓度，将检测信号传输至电子控制单元，电子控制单元根据温度信号、浓度信号以及发动机的控制单元所提供的发动机的工作状态信号，控制尿素喷射单元将尿素供给单元中的尿素水溶液以雾状形态喷射至排气管中，排气管中的温度较高，使得尿素发生水解和热解反应，生成氨气，氨气和包含有氮氧化合物的尾气混合进入催化还原反应单元的第一级氮氧化合物催化器中，第一级氮氧化合物催化器中的催化剂降低氮氧化合物还原反应的活化能，提高反应效率，在第一级氮氧化合物催化器中生成的氮气以及未参与反应的氮氧化合物和氨气进入第二级氮氧化合物催化器，进行进一步地催化还原反应。可以看出，本实用新型所提供的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，由于采用了两级催化器，在获得相同的催化效果的基础上，第一级氮氧化合物催化器的体积和第二级氮氧化合物催化器的体积与仅设置一级催化器时的催化器的体积相比均较小，从而当发动机冷启动或者在低温工况下运转时，第一级氮氧化合物催化器的温度能够较快地升高，保证了氮氧化合物与氨气反应所需要的温度，从而可以获得较高的转化率；当发动机在其他情况下运转时，混合气体首先经过第一级氮氧化合物催化器，进行催化还原反应，未经过反应的氮氧化合物和氨气以及在第一级氮氧化合物催化器中生成的氮气进入第二级氮氧化合物催化器。同时，第一级氮氧化合物催化器还会将其中存储的氨气释放，增加进入第二级氮氧化合物催化器的氨气量，进行进一步地催化还原反应，提高了氮氧化合物的转化效率，避免了由于喷射较多的尿素而造成氨泄漏的情况的发生。

本实用新型所提供的发动机的有益效果与降低发动机氮氧化合物的排放量的装置的有益效果类似，在此不再赘述。

附图说明

图1为现有技术中一种降低发动机氮氧化合物的排放量的装置的结构示意图；

图2为本实用新型一种具体实施方式所提供的发动机及其降低发动机氮氧化合物的排放量的装置的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，该装置可以在保证较低的氨的泄漏的同时获得在所有工况下较高的氮氧化合物转换效率。本实用新型的另一核心是提供一种包含上述降低发动机氮氧化合物的排放量的装置的发动机。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图2，图2为本实用新型一种具体实施方式所提供的发动机及其降低发动机氮氧化合物的排放量的装置的结构示意图。

如图2所示，在一种具体实施方式中，本实用新型所提供的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，包括检测装置(图中未示出)、电子控制单元24、尿素供给单元23、尿素喷射单元21和催化还原反应单元25，其中，检测装置检测发动机11的排气管116的温度和排气管116中氮氧化合物的浓度，得到检测信号，其输出端与电子控制单元24连接，将检测信号传输至电子控制单元24，电子控制单元24与尿素供给单元23和尿素喷射单元21连接，并与发动机11的控制单元22相互配合，控制尿素喷射单元21在适当的时间向排气管116内喷射适当量的尿素，尿素供给单元23与尿素喷射单元21连接，成为尿素喷射单元21的尿素源，尿素喷射单元21的喷嘴布置在发动机11的排气管116上，从而将尿素供给单元21中的尿素喷射至发动机11的排气管116中，使尿素在高温条件下产生还原剂氨气，催化还原反应单元25设置于喷嘴后方的排气管116中，以降低氮氧化合物与氨气的催化还原反应所需要的反应温度，催化还原反应单元25具体包括沿排气管116依次设置的第一级氮氧化合物催化器251和第二级氮氧化合物催化器252。

具体地，本文所述的检测装置的输出端与电子控制单元24连接、电子控制单元24与尿素供给单元23连接以及电子控制单元24与尿素喷射单元21连接均既可以是有线连接(即通过电气线路连接)，也可以是无线连接，只要能够保证检测信号或者控制信号的传输即可；电子控制单元24与发动机的控制单元22相互配合是指，电子控制单元24从发动机的控制单元22中获取发动机的工作工况和发动机的各气缸114的排气时间等信号，以便电子控制单元24能够更好地判断，进而发出控制指令。

为了方便检测排气管116中的温度和氮氧化合物的浓度，检测装置具体可以包括排气温度传感器和氮氧化合物传感器，其中排气温度传感器检测排气管116中的温度，氮氧化合物传感器检测发动机尾气中的氮氧化合物的浓度，为电子控制单元24的控制提供基本依据，当然，电子控制单元24中还预设有控制策略，根据所得到的检测信号可以发出较准确的控制指令。

在一种具体实施方式中，尿素供给单元23可以包括尿素箱和尿素泵，尿素泵的入口通过管路与尿素箱连接，其出口通过管路与尿素喷射单元连接；从而尿素泵可以将尿素箱内的尿素泵送至与尿素喷射单元21的管路中，并维持有一定的压力，当电子控制单元24控制尿素喷射单元21的喷嘴打开时，尿素可以以较快的速度经喷嘴喷射至发动机11的排气管116中。

由于尿素在低温的条件下会结晶，从而影响尿素喷射单元21的喷射，因此，尿素供给单元还可以包括加热组件，加热组件设置于尿素箱的周围，以根据需要加热尿素箱中的尿素，使其保持非结晶的状态。

工作过程中，检测装置(具体为排气温度传感器和氮氧化合物传感器)不断检测排气管116中的发动机排气的温度和氮氧化合物的浓度，将检测信号传输至电子控制单元24，电子控制单元24根据温度信号、浓度信号以及发动机11的控制单元22所提供的发动机11的工作状态信号，控制尿素喷射单元21将尿素供给单元23中的尿素水溶液以雾状形态喷射至排气116中，排气管116中的温度较高，使得尿素发生水解和热解反应生成还原剂氨气，氨气和包含有氮氧化合物的尾气混合进入催化还原反应单元25的第一级氮氧化合物催化器251中，第一级氮氧化合物催化器251中的催化剂降低氮氧化合物还原反应的活化能，提高反应效率，在第一级氮氧化合物催化器251中生成的氮气以及未参与反应的氮氧化合物和氨气进入第二级氮氧化合物催化器252，进行进一步地催化还原反应。

可以看出，本实用新型所提供的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，由于采用了两级催化器，在获得相同的催化效果的基础上，第一级氮氧化合物催化器251的体积和第二级氮氧化合物催化器252的体积与仅设置一级催化器时的催化器的体积相比均较小，从而当发动机冷启动或者在低温工况下运转时，第一级氮氧化合物催化器251的温度能够较快地升高，保证了氮氧化合物与氨气反应所需要的温度，从而可以获得较高的转化率；当发动机在其他情况下运转时，混合气体首先经过第一级氮氧化合物催化器251，在其催化作用下进行催化还原反应，未经过反应的氮氧化合物和氨气和在第一级氮氧化合物催化器251中生成的氮气进入第二级氮氧化合物催化器252，第一级氮氧化合物催化器251还会将其中存储的氨气释放，增加进入第二级氮氧化合物催化器252的氨气量，进行进一步地催化还原反应，提高了氮氧化合物的转化效率，避免了由于喷射较多的尿素而造成氨泄漏的情况的发生，当然在低温和冷启动工况以外的其它排气温度较高的工况，第二级氮氧化合物催化器252起主要作用。

为了进一步地提高当发动机冷启动或者在低温工况下运转时的转化效率，可以使第一级氮氧化合物催化器251紧邻涡轮增压器，且其体积小于第二级氮氧化合物催化器252的体积，从而第一级氮氧化合物催化器251的温度能够更快地在发动机尾气的作用下升高，达到发生催化还原反应所需的温度。

进一步地，为解决上述问题，本实用新型还提供一种发动机，包括机体113和降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，降低发动机氮氧化合物的排放量的装置为以上所述的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置。

如图2中所示，发动机包括机体113，设置于机体113上的气缸114，与气缸114的内部空间连通的进气歧管112和排气歧管115，进气歧管112均与进气管111连通，排气歧管115均与排气管116连通，实现发动机的进气和排气要求。

进一步地，为了提高发动机的进气量，本实用新型所提供的发动机还可以包括涡轮增压器31，涡轮增压器31的增压器涡轮311设置于排气管116中，且位于发动机机体113和喷嘴之间。

由于发动机的尾气在排出时具有很高的能量，作用在涡轮增压器31的增压器涡轮311上，从而可以使涡轮增压器31工作，为发动机提供压缩空气。

具体地，涡轮增压器31包括增压器涡轮311和压气机313，增压器涡轮311通过其涡轮机轴312驱动压气机313，压气机313的入口与大气相通，其出口连通发动机的进气管111。在工作过程中，增压器涡轮311在发动机尾气的作用下运转，通过涡轮机轴312将运动传递至压气机313，压气机313将大气中的空气经过压缩以后通入发动机的进气管111中。

由于空气经过压缩以后温度会上升，从而影响发动机的正常燃烧，因此，为了降低压缩空气的温度，还可以在压气机313的出口与发动机11的进气管111之间设置中冷器12。

当然，本实用新型所提供的发动机还可以包括颗粒过滤器41，颗粒过滤器41设置于催化还原反应单元25后方的排气管116中，从而不仅可以降低发动机尾气中的氮氧化合物的排放量，而且可以降低颗粒物的排放量。

以上对本实用新型所提供的发动机及其降低发动机氮氧化合物的排放量的装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，包括检测装置、电子控制单元、尿素供给单元、尿素喷射单元和催化还原反应单元，所述检测装置检测所述发动机的排气管的温度和所述排气管中氮氧化合物的浓度，得到检测信号，其输出端与所述电子控制单元连接，将所述检测信号传输至所述电子控制单元，所述电子控制单元与所述尿素供给单元和所述尿素喷射单元连接，并与所述发动机的控制单元配合控制所述尿素喷射单元的喷射状态，所述尿素供给单元与所述尿素喷射单元连接，所述尿素喷射单元的喷嘴布置在所述发动机的排气管上，所述催化还原反应单元设置于所述喷嘴后方的所述排气管中，其特征在于，所述催化还原反应单元包括沿所述排气管依次设置的第一级氮氧化合物催化器和第二级氮氧化合物催化器。

2.根据权利要求1所述的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，其特征在于，所述第一级氮氧化合物催化器紧邻涡轮增压器，且体积小于所述第二级氮氧化合物催化器的体积。

3.根据权利要求1所述的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，其特征在于，所述检测装置包括排气温度传感器和氮氧化合物传感器。

4.根据权利要求1所述的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，其特征在于，所述尿素供给单元包括尿素箱和尿素泵，所述尿素泵的入口通过管路与所述尿素箱连接，其出口通过管路与所述尿素喷射单元连接。

5.根据权利要求4所述的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，其特征在于，所述尿素供给单元还包括加热组件，所述加热组件与所述尿素箱连接。

6.一种发动机，包括机体和降低发动机氮氧化合物的排放量的装置，其特征在于，所述降低发动机氮氧化合物的排放量的装置为权利要求1至5任一项所述的降低发动机氮氧化合物的排放量的装置。

7.根据权利要求6所述的发动机，其特征在于，还包括涡轮增压器，所述涡轮增压器的增压器涡轮设置于所述排气管中，且位于所述发动机机体和所述喷嘴之间。

8.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述涡轮增压器包括所述增压器涡轮和压气机，所述增压器涡轮通过其涡轮机轴驱动所述压气机，所述压气机的入口与大气相通，其出口连通所述发动机的进气管。

9.根据权利要求8所述的发动机，其特征在于，还包括颗粒过滤器，所述颗粒过滤器设置于所述催化还原反应单元后方的排气管中。

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