CN210858878U - 一种scr系统用气助尿素喷射计量装置 - Google Patents

Abstract

一种SCR系统用气助尿素喷射计量装置，包括一个尿素箱、一个尿素液计量供给模块、一个控制器、一根尿素液输送管、一个气助喷射器、一个压缩空气控制阀和一根压缩空气输送管，所述计量供给模块包括一个尿素液计量泵、一个模块本体、一个清扫控制阀、一个尿素液液位传感器、至少一个尿素液温度传感器、一个尿素液品质传感器、尿素液加热解冻循环水管。所述气助喷射器包括一个尿素液接嘴、一个压缩空气接嘴、一个气液混合部、一段隔热导管和一个雾化喷嘴。

Description

一种SCR系统用气助尿素喷射计量装置

技术领域

本发明属于发动机排放控制领域，具体涉及发动机排气选择性还原（SCR）技术的尿素液供给计量系统。

背景技术

随着环境问题的日益突出，节能减排已经成为车辆及发动机的永无止境的要求，为此，各国都出台了一系列的车辆排放标准，并且越来越严格。对此，以内燃机为动力的车辆需要安装排放后处理系统以求满足排放要求。例如，目前主要用于对柴油发动机尾气中NOx等污染物进行催化处理的SCR（Selective Catalytic Reduction）技术等已经成为柴油车辆等必需使用的技术。

SCR技术需要将NOx还原反应剂定量喷射进柴油机排气中，其还原剂有32.5%重量浓度的尿素水溶液（也叫柴油排气处理液DEF=Diesel Exhaust Fluid，或者添蓝液AdBlue），或者氨气。在SCR排气催化处理过程中，DEF处理液被定量喷射进柴油机排气中，通过排气高温分解成氨气，与排气混合后进入SCR催化转换器，在催化剂的作用下，氨气就会与发动机排气中的NOx等发生催化还原反应，使NOx分解为无害的N2、H2O。如果DEF喷射量与排气中的NOx含量不相匹配或者尿素溶液品质不能达到要求，那么要么NOx不能够被充分还原分解，排放量增加，要么剩余不少氨气排到大气中，造成二次污染。

尿素计量喷射系统必须对提供到发动机排气管内的尿素量进行精确计量，同时还要对液体尿素进行有效雾化，以增强尿素与发动机排气的混合与热交换，生成尽可能均匀分布于发动机排气中的热解氨气，供SCR催化器还原排气中的NOx。另外为了防止停车期间尿素在管路中失去水分而析出结晶堵塞管路，影响下次的尿素喷射系统的正常工作，以及冬季尿素结冰破坏系统等故障问题的发生，需要尿素计量喷射系统具有尿素清扫功能。

现有的尿素计量喷射系统有气助系统和无气液力系统两类。对于由尿素供给泵和喷嘴构成的无气液力系统，喷射压力稳定装置、尿素液回抽装置、较多的加热尿素管路等结构，使其系统复杂成本高，并且喷射压力低又无空气辅助使尿素液雾化质量较差，尿素喷雾蒸发较慢，在发动机排气管内形成硬结晶的风险较大。而尿素箱内置计量泵的气助尿素计量喷射系统，可以减少尿素管路，并且管路清扫方便可靠，尿素液雾化质量好，排气管内形成硬结晶的风险小，因此成本可以降低，性能更好。但如果气液混合室设置在尿素箱内，由于计量混合后的尿素液需要流经较长的输送管才能够到达发动机排气管，所以控制调节的响应性就比较差，而如果把气液混合室设置在安装于排气管上的喷嘴出口或者喷嘴内部，那么控制调节性能虽然可以保障，但喷嘴变得复杂，管路也比较复杂，尿素计量精度和雾化性能也难以保障，系统成本也增加很多，气助系统的优势大部分丧失。

综上，NOx选择催化还原（SCR）技术中，解决气助尿素计量喷射系统的控制响应性问题，同时保证计量喷射精度和射雾化性能，降低系统成本，就具有重要意义。

发明内容

本发明针对上述问题，之目的在于提供一种结构简单，控制调节响应性好，计量精度和雾化质量不受影响且成本较低的SCR系统用气助尿素喷射计量装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案，一种SCR系统用气助尿素喷射计量装置，包括一个尿素箱、一个尿素液计量供给模块、一个控制器、一根尿素液输送管、一个气助喷射器、一个压缩空气控制阀、一根压缩空气输送管和一段带SCR反应装置的发动机排气管。所述计量供给模块包括一个尿素液计量泵、一个模块本体、一个尿素液液位传感器、至少一个尿素液温度传感器、一个尿素液品质传感器以及尿素液加热解冻循环水管。所述加热解冻循环水管通过进出水接嘴接入高温的发动机冷却液，给所述尿素液供给模块和尿素箱加热解冻。

上述模块本体包括一个带安装卡扣的安装板，安装板以下部分为模块主体，以上部分为塑料盖。所述模块主体部分从尿素箱上部开口装入尿素箱并通过卡扣安装固定于所述尿素箱上，所述尿素液计量泵和尿素液品质传感器位于计量供给模块末端，固定在所述尿素液加热解冻循环水管上，并随模块主体深入至尿素箱底部附近，所述尿素泵进液口布置有滤网，尿素箱内尿素液经滤网过滤后进入尿素液计量模块。

上述尿素液计量泵包括一个输液嘴，所述模块本体上塑料盖一端设置有尿素液出液接嘴，所述输液嘴与出液接嘴通过一段导管连接，出液接嘴另一端由尿素液输送管连接至气助喷射器。所述尿素液计量泵为电磁驱动柱塞套筒泵，在所述控制器控制下脉冲式定量泵出尿素液。

所述气助喷射器安装于发动机排气管上，包括一个连接尿素液输送管的尿素液接嘴、一个压缩空气接嘴、一个气液混合部、一段隔热导管和一个雾化喷嘴。所述控制器还控制所述压缩空气控制阀，压缩空气经过所述压缩空气输送管接入气助喷射器之压缩空气接嘴，所述压缩空气来源可以是模块上单独配置的电动空气泵，也可以直接接入车载气源。

根据上述技术方案，位于尿素箱内部的脉冲式计量泵，在所述控制器的控制下，准确计量尿素液并通过所述尿素液输送管输送到所述气助喷射器中，正常工作后，所述尿素液输送管内始终充满尿素液，因此供给到所述气助喷射器的尿素液基本与所述计量泵泵出尿素液同步变化，滞后时间主要取决于压力波在所述尿素液输送管中的传输时间而不是尿素液体的流动时间，可以忽略不计。而所述气助喷射器就安装在发动机排气管上，所以气助尿素计量喷射系统的控制时间滞后问题得到解决。

所述气助喷射器还包括一个单向阀，所述气液混合部包括一个节流元件，压缩空气经过所述单向阀进入所述节流元件，与从所述尿素液接嘴进入的尿素液在所述混合部进行混合，然后通过隔热导管流向所述雾化喷嘴，其中的尿素液在高速压缩空气流的作用下雾化形成喷雾进入发动机排气管。

所述节流元件上设置空气节流孔和尿素液节流孔，空气节流孔直径大于0.4小于1.5mm，尿素液节流孔直径大于0.5小于2.0mm，空气节流孔和尿素液节流孔之轴线相交成30-95°夹角，以保证压缩空气和尿素溶液有效混合并产生高喷射液，同时保证喷射量精度。

上述技术方案，通过压缩空气辅助将尿素液喷到发动机排气管中，雾化质量得到保证，同时因为节流孔的设计，可以实现所述混合部的压力不至于过高，避免对所述尿素计量泵的计量精度的影响。另外还能够防止计量泵低频小流量工况下的喷嘴喷出尿素液喷雾的非同步失控现象的发生。这种非同步失控现象源于所述混合部的尿素液受表面张力的影响而聚集成大液滴才流动，此时，可能脉冲式计量泵工作多次（2-5次）气助喷嘴才会喷出一次喷雾，从而导致喷雾明显滞后于计量泵计量供给尿素液的变化，虽然累计的总尿素喷射量不受影响，但滞后现象导致的过低频率的喷雾喷射，对SCR系统的准确调节控制还是会产生不利的影响。而细小的空气及尿素液通道有利于尿素液难以形成大液滴，能够解决这个问题。

进一步，所述气助喷射器之隔热导管上设置有安装固定法兰，所述固定法兰包括一个定位销。气助喷射器安装于SCR反应装置上游的排气管上，并通过固定法兰之定位销保证雾化喷嘴之喷射角度，同时确定雾化喷嘴在排气管中的高度位置。所述气液混合部到该法兰的隔热导管长度在30-120mm之间，以保证所述气液混合部的温度不会由于发动机排气管的高温而上升过多出现损坏；所述雾化喷嘴到该法兰的导管长度不大于80mm，以减小排气对导管内部尿素液压缩空气两相流流体的加热，防止内部尿素结晶堵塞导管。

此外，上述气助尿素喷射计量装置包括一个清扫控制阀，所述清扫控制阀设置于所述模块本体上的一个清扫管路中，该清扫管路一端与尿素输送管道连通，一端与尿素箱内部空间连通。当尿素喷射计量装置进行排气处理时，所述控制器控制所述清扫控制阀关闭，所述尿素液计量泵泵出尿素液流向所述气助喷射器，而当尿素喷射计量装置停止工作时，所述控制器控制所述清扫控制阀打开，同时压缩空气控制阀也打开，进入所述气助喷射器的部分压缩空气通过所述尿素液节流孔反向流向清扫管路，从而对尿素流路进行清扫。

上述气助喷嘴的设计，能够保证在尿素液供给模块端的所述清扫控制阀打开后，所述尿素液输送管中的尿素液，能够被所述气液混合部的较高的压缩空气压力吹扫回尿素箱，同时所述气助喷射器中的残留尿素也会被压缩空气从所述喷嘴喷入发动机排气管，因此除尿素计量泵到所述清扫控制阀这段处于尿素液计量供给模块中的管路外，其余尿素液流道都能够被压缩空气清扫干净，从而防止了停车期间的尿素管路结晶堵塞、冻结损坏等故障的发生。

上述技术方案，不需要尿素液回流管路，压缩空气与尿素液在所述气液混合部进行内部混合，然后高速流过隔热导管到达喷嘴喷射雾化，因此管内的尿素液在高温环境下的滞留时间很短，这与外部气助雾化喷嘴相比，尿素管结晶风险大幅降低，雾化效果也容易保证。同时系统成本较低。

附图说明

图1为本发明所提供的SCR系统用气助尿素喷射计量装置实施例结构示意图。

图2为本发明体提供的SCR系统用气助尿素喷射计量装置之气助喷射器结构示意图。

图3为本发明提供的气助喷射器之气液混合部结构示意图。

图4为本发明提供的SCR系统用气助尿素喷射计量装置管路布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，为本发明提供的SCR系统用气助尿素喷射计量装置实施例结构示意图，所述SCR系统用气助尿素喷射计量装置包括一个尿素箱4、一个尿素液计量供给模块1、一个控制器8、一根尿素液输送管107、一个气助喷射器2、一个压缩空气控制阀102、一个清扫控制阀103、一根压缩空气输送管106和一段带SCR反应装置114的排气管3。所述计量供给模块1包括一个尿素液计量泵6、一个模块本体9、一个尿素液液位传感器112、至少一个尿素液温度传感器113、一个尿素液品质传感器111以及尿素液加热解冻循环水管115。

所述模块本体9包括一个安装板117，安装板117一端为模块主体9，另一端为塑料盖10，所述模块主体9部分从尿素箱4上部开口装入，并通过卡扣117a安装固定于所述尿素箱4上，所述尿素液计量泵6和尿素液品质传感器111位于计量供给模块1末端，固定在所述尿素液加热解冻循环水管115上，并随模块主体9深入至尿素箱4底部附近。

所述模块本体9上塑料盖10一端设置有尿素液出液接嘴101、进出水接嘴116、压缩空气控制阀102和清扫控制阀103安装位。所述进出水接嘴116连接发动机冷却水，将发动机冷却液引入尿素液加热解冻循环水管115，给所述尿素液计量供给模块1和尿素箱4加热解冻。尿素液加热解冻循环水管115为一个螺旋形管道，末端大致为“L”型，环绕于尿素品质传感器111和尿素液计量泵6周围，以减少融冰时间。

上述尿素液计量泵6包括一个输液嘴109、一个过滤网110。所述尿素液计量泵6为电磁驱动柱塞套筒泵，所述过滤网110安装在尿素液计量泵6进液口端，尿素箱4中尿素液经过滤网110过滤后进入尿素液计量泵6，在所述控制器8控制下尿素液计量泵6脉冲式定量泵出尿素液。

所述气助喷射器之结构示意图如图2所示，包括一个连接尿素液输送管107的尿素液接嘴201、一个压缩空气接嘴200、一个气液混合部11、一个单向阀202、一段隔热导管207、一个雾化喷嘴209和一个固定法兰208。

所述气液混合部11如图3所示，包括一个节流元件12和一个混合腔腔体205。所述节流元件12上设置空气节流孔204和尿素液节流孔203，压缩空气经过所述单向阀202进入所述节流元件12，再由空气节流孔204进入气液混合部11，尿素水溶液从所述尿素液接嘴201进入，由尿素液节流孔203进入混合腔腔体205，尿素液与压缩空气在所述混合腔腔体205内进行混合，然后通过隔热导管207流向所述雾化喷嘴209，其中的尿素液在高速压缩空气流的作用下雾化形成喷雾进入发动机排气管3（如图1）。空气节流孔204直径大于0.4小于1.5mm，尿素液节流孔203直径大于0.5小于2.0mm，空气节流孔204和尿素液节流孔203之轴线相交成30-95°夹角，以保证压缩空气和尿素溶液在混合腔腔体205中有效混合并产生高压喷射液。

上述单向阀202布置于气液混合部11前端，单向阀包括阀件211、阀座213、阀簧212以及一个与阀件211密封配合的密封元件210，单向阀202朝气流方向单向开启，有效防止尿素液返流，造成装置损坏。为简化结构，所述单向阀202可以集成于压缩空气接嘴200之上。所述压缩空气接嘴200为一个航空接头，保证进气管路的密封性及安全性。

所述固定法兰208设置于隔热导管207上，固定法兰208包括一个带定位销208a。气助喷射器2安装于SCR反应装置114上游的排气管3上，并通过固定法兰208之定位销208a保证雾化喷嘴209之喷射角度，同时确定雾化喷嘴209在排气管3中的高度位置。所述气液混合部11到该法兰的隔热导管207长度L1在30-120mm之间，以保证气液混合部11处的温度不会受排气管3高温的影响而超过材料许可温度。所述雾化喷嘴209到该法兰的导管长度L2不大于80mm，以减少尿素液在导管内部受高温排气的加热而出现结晶堵塞的风险。

所述尿素液接嘴201设计为三通型结构，其余两通道之一201a与压缩空气接嘴200通过螺纹连接，通道之二201b与隔热导管207通过卡扣215固定连接，之间由密封垫214实现密封。由于隔热导管的设置，尿素液接嘴201位置的温度能够保持较低，因此可以使用较低成本的常用密封方案来保证管路连接的密封。所述尿素液接嘴为满足SAE J2044标准的快速接插头，可以实现快速安装拆卸，并保证快速接头接插件可靠密封和寿命。

所述雾化喷嘴209包括一个喷孔217和一个喷孔板216，高压混合汽体经混合汽输送管206输送至雾化喷嘴，经喷孔板217和喷孔216形成良好的喷雾。所述雾化喷嘴209也可以是一个旋流喷嘴。

如图4所示为本发明提供的SCR系统用气助尿素喷射计量装置管路布置示意图，包括一个液体管路401和一个气体管路400，所述液体管路401为尿素液计量泵6至气助喷射器2，所述气体管路400为压缩空气控制阀102至气助喷射器2或者压缩空气控制阀102至气助喷射器2至清扫控制阀103。所述塑料盖10包括一段尿素液通道403和一段气体通道402，所述尿素液计量泵6之输液嘴109与出液接嘴101通过一段导管108以及尿素液通道403连接，出液接嘴101另一端由尿素液输送管107连接至气助喷射器2。所述压缩空气控制阀102与气助喷射器2之间通过气体通道402以及压缩空气输送管106连接。压缩空气经过压缩空气输送管106接入气助喷射器2之压缩空气接嘴200，所述压缩空气来源404可以是模块上单独配置的电动空气泵，也可以直接接入车载气源。所述清扫控制阀103设置于塑料盖10上，用于控制清扫过程中管路405的通断，该清扫管路405一端与尿素液体管路401连通，可以是接近尿素液计量泵6出液接嘴101一端，另一端与尿素箱4内部空间连通。压缩空气控制阀102和清扫控制阀103皆由控制器8控制，所述压缩空气控制阀102可以是一个膜片阀。所述尿素箱4包括一个呼吸口406，以维持尿素箱4内压力恒定。在压缩空气清扫尿素管路时，流入尿素箱4的压缩空气使呼吸口406有向外部呼出的气流，从而有利于清扫呼吸口406，防止呼吸口406被外部脏物堵塞，造成尿素消耗过程中外部空气不能被吸入尿素箱4而发生尿素箱4被真空吸瘪的故障。

所述控制器8还控制所述压缩空气控制阀102的开关。

SCR系统用气助尿素喷射计量装置如图1所示，其工作过程如下。

当发动机系统检测到需要进行尾气处理时，控制器8读取尿素品质传感器111、温度传感器113、液位传感器112等信号，判断可以进行催化剂喷射时，给尿素液计量泵6发出脉冲信号，经过滤网110过滤的尿素水溶液在尿素液计量泵6之螺线管柱塞装置做功下产生压力，由导管经尿素液输送管107进入气助喷射器2之气液混合部11。同时，控制器8控制压缩空气控制阀102开启，来自气源的压缩空气经压缩空气输送管106输送，打开单向阀202（如图2所示）进入气液混合部11（如图2所示）。压缩空气和尿素液体在经过节流元件12（如图3所示）后获得合理的流速，并在混合腔腔体205（如图2所示）中有效混合。高压气液混合物被隔热导管207导向雾化喷嘴209，由喷嘴209雾化喷入发动机排气管3，进行尾气处理。

当系统停止工作时，所述控制器8控制所述清扫控制阀103打开，同时压缩空气控制阀102也打开，进入所述气助喷射器2的部分压缩空气一部分通过所述尿素液节流孔203（如图3所示）反向流向尿素液输送管107，通过清扫控制阀103，将液体管路中残余尿素溶液吹入尿素箱4上部空间。另一部分，进入混合汽输送管206中，将其中的残留尿素液喷入发动机排气管3，以达到有效清扫尿素液流道的作用，从而防止了停车期间的尿素管路结晶堵塞、冻结损坏等故障的发生。

上述实施例仅用于说明本发明的实质，但并不限制本发明。在未背离本发明原理的情况下，所作的任何修改，简化等替换方式，都包括在本发明的保护范围之内。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种SCR系统用气助尿素喷射计量装置，包括一个尿素箱、一个尿素液计量供给模块、一个控制器、一根尿素液输送管、一个气助喷射器、一个压缩空气控制阀和一根压缩空气输送管，所述计量供给模块包括一个尿素液计量泵、一个模块本体、一个清扫控制阀、一个尿素液液位传感器、至少一个尿素液温度传感器、一个尿素液品质传感器、尿素液加热解冻循环水管，其特征在于，所述模块本体部分从尿素箱上部开口装入尿素箱并通过卡扣安装固定于所述尿素箱上；所述尿素液计量泵和尿素液品质传感器位于所述尿素液计量模块的底部，固定在所述尿素液加热解冻循环水管上；在所述模块本体上设置有尿素液出液接嘴，所述尿素液计量泵为电磁驱动柱塞套筒泵，在所述控制器控制下脉冲式定量泵出尿素液，并通过所述尿素液输送管输送到所述气助喷射器；所述气助喷射器包括一个尿素液接嘴、一个压缩空气接嘴、一个气液混合部、一段隔热导管和一个雾化喷嘴；所述控制器还控制所述压缩空气控制阀和所述清扫控制阀，压缩空气经过所述压缩空气输送管接入所述压缩空气接嘴；所述加热解冻循环水管通过进出水接嘴接入高温的发动机冷却液，给所述尿素液供给模块和尿素箱加热解冻。

2.如权利要求1所述的SCR系统用气助尿素喷射计量装置，其特征在于，所述气助喷射器还包括一个单向阀，所述气液混合部包括一个节流元件，压缩空气经过所述单向阀进入所述节流元件，与从所述尿素液接嘴进入的尿素液在所述混合部进行混合，然后通过隔热导管流向所述雾化喷嘴，其中的尿素液在高速压缩空气流的作用下雾化形成喷雾进入发动机排气管。

3.如权利要求2所述的SCR系统用气助尿素喷射计量装置，其特征在于，所述节流元件上设置空气节流孔和尿素液节流孔，空气节流孔直径大于0.4小于1.5mm，尿素液节流孔直径大于0.5小于2.0mm。

4.如权利要求3所述的SCR系统用气助尿素喷射计量装置，其特征在于，所述节流元件上设置的空气节流孔和尿素液节流孔之轴线相交成30-95°夹角。

5.如权利要求4所述的SCR系统用气助尿素喷射计量装置，其特征在于，所述气助喷射器在所述隔热导管上设置有安装固定法兰，所述气液混合部到该法兰的隔热导管长度在30-120mm之间，而所述雾化喷嘴到该法兰的隔热导管长度不大于80mm。

6.如权利要求1所述的SCR系统用气助尿素喷射计量装置，其特征在于，所述清扫控制阀设置于所述模块本体上的一个清扫管路中，该清扫管路一端与尿素输送管道连通，一端与尿素箱内部空间连通，在所述清扫控制阀和压缩空气控制阀开启时，进入所述气助喷射器的部分压缩空气通过所述尿素液节流孔反向流向清扫管路，从而对尿素流路进行清扫。

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