内燃机尾气净化系统的制作方法

专利名称：内燃机尾气净化系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及内燃机排放控制，具体地说，涉及一种内燃机尾气净化系统。
背景技术：
由于对改进燃油经济性的迫切需要，柴油机及稀薄燃烧(lean burn)汽油 机的应用近年来迅速增加。然而由于燃烧室及其废气中含有过多的氧，使这些 发动机排出大量氮氧化物而致使采用普通的三元催化剂的方法无法起作用。针 对此问题，人们已经提出多种还原氮氧化物的后处理技术。其中，在尾气中注 入氨作为还原还原剂与选择性还原催化剂(SCR)配合使用被认为是将有毒的 氮氧化物转化为无害气体的一种最有效的方法。然而氨本身是一种有毒气体， 并且在机动车上携带大量压縮氨也存在安全及其它问题。尿素溶液被认为是氨 气的一种很好的替代物，因为尿素在高温时可分解出氨，而且安全性高，对环 境无害。事实上，可向发动机尾气注入尿素水溶液，其产生的氨在SCR作用下 与氮氧化物反应形成水和氮气。目前已有很多关于尿素及SCR催化剂尾气处理 系统的专利。其中，以ChingH. (George) Wu在福特汽车公司以及博世(Bosch) 公司的关于尿素溶液注射系统的专利最具有代表性.Wu的发明采用剂量泵来实 现溶液抽取计量.而博世的专利则采取液体循环的方式来保持液体恒定加力.理 想的尿素还原剂输送系统需具备如下性能及特征1)能精确确定还原发动机尾 气中的氮氧化物所需尿素的剂量，2)能迅速，及时及精确地将雾化溶液注入到 尾气当中。3)在寒冷天气下，当尿素溶液处于或接近冰冻状态时，能在发动机 启动后短时间内迅速，有效地供应足够的尿素溶液。4)在寒冷天气情况下能经 济而有效地保持在液罐里的还原剂溶液及输送装置的温度高于其凝固点。5)为 了防止由于溶液凝固而导致对输送装置的损坏，在发动机关机时，能将所有输 送装置内的剩余溶液全部清除干净。6)将体积，重量及能耗降到最低程度。7) 耐久，维护修理经济，容易，次数少。8)备有智能的随车监测诊断系统(0BD) 来监测所有可能的非正常工作或失效，并且及时通知有关人员。9)产品可靠， 而且经济实用。非常遗憾的是，没有一项背景(先前)技术能提供令人满意的 办法来达到以上要求。它们当中，绝大部分只能解决问题的某一个方面，从而 只能是一些支离破碎的不完全可行的办法。根据这些办法，很难制作出实用的 产品来。其它有些专利有如下问题例如还原剂注射反应时间慢，注射剂量不 准确或者容易受外界工作环境干扰，雾化差或者经常堵塞等等。剩下的硬件结构太复杂，太庞大，而且能耗高，寿命短，制造使用成本昂贵等等。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种内燃机尾气净化系统，包括一个 全新的，全面功能的尿素溶液输送系统，其特点为硬件结构简单，紧凑，节能， 高效，并配备智能清洗，智能随车监测诊断系统，采用无线通讯技术对车辆后 处理系统工作状况及尾气排放指标实现实时跟踪监测。本发明的基本概念是采 用最少的硬件并利用先进的软件来最大程度增加产品的灵活性，普适性，同时 减少产品的开发和制造成本，縮短上市时间；充分利用车载资源(硬件和能源)， 以及尽可能采用工业标准零部件和元器件，从而进一步减少成本；利用先进的 智能车载诊断系统和有线及无线通信功能，当发生故障，失效，损坏和功能正 常时，通过采用各种自我纠错措施和及时发送警报信号给用户及环保部门，进 一步提高系统的可靠性，可操作性与可维修性。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案内燃机尾气净化 装置，包括发动机、还原剂注射系统和发动机排气管上的催化系统；所述还原 注射系统包括还原剂储存罐、剂量泵、空气供给系统和电控器；所述还原剂储 存罐通过还原剂输送管与剂量泵连接相通，所述剂量泵的出口处设有喷嘴，该 喷嘴设置在发动机排气管内；所述电控器通过信号传输线分别和发动机和剂量 泵相连接；所述剂量泵含有至少一个通道将压縮空气与该泵的还原剂入口处相 连结；所述通道由一阀门控制，在需要时可以将压缩空气引入该泵还原剂入口， 以便对该泵及还原剂输送管进行清洗。.
进一步地，所述剂量泵由液泵和剂量阀组成；所述电控器通过信号传输线 和液泵及剂量阀相连接；所述液泵与剂量阀由同步信号控制。。
进一步地，所述还原剂供给系统还设有还原剂储存副液罐，所述还原剂储 存罐与还原剂储存副液罐之间通过管道相连接；所述还原剂储存副液罐通过管 道与空气输送管相连接，在气源供气时对小罐加压，而在气源关闭时小罐内压 力通过喷嘴得以释放；还原剂储存罐与还原剂储存副液罐所述之间的管道包括 至少一个单向阀，只容许流体从大罐流向小罐。
进一步地，本实用新型它还包括内燃机尾气排放状态实时监控系统，该系 统包括随车监测诊断系统、政府部门用户、其它用户及无限通讯网络；其特征 在于所述随车监测诊断系统(0BD)含无线信号发生装置，将信息通过无线网 络发送给有关人员和单位。
—本实用新型的工作方法是采用还原剂，比如尿素水溶液，还原剂计量输 送系统以及催化剂来将Nox还原成氮气和水.催化剂则是包括柴油氧化催化剂(D0C)，选择性还原催化剂(SCR)，柴油机颗粒捕捉器(DPF)和防止氨泄露的 氨氧化催化剂(AM0X)的某种组合。
本实用新型的有益效果说明如下相对于同类其它产品本装置具有众多独 到的功能与特征，例如采用低压低能耗注射方法及时准确的注入还原剂，简 洁有效的设计，在发动机关闭时将所有剩余在输送管道及器件内的还原剂完全
干净地返回到液罐，可遥控电控器(ECU)和具有先进有线与无线通讯功能的智
能随车监测诊断系统等。另外，本装置依赖于计算机软件来完成大量的本来是 属于硬件的工作，这样使得其更容易适应于在各类车型及发动机上的不同应用， 同时最大程度地减少了硬件的数量，减少系统重量与体积，大幅度地降低了能 耗，这就更进一步的提高了本系统的灵活性，适用性与经济性，同时也增强了 装置的可靠性和耐久性，减少了新产品的开发上市时间。由于具备以上特点， 本专利给用户提供了可靠，实用，经济的解决办法。本项专利装置的结构被大 量简化，并提供了比其它同类产品更完整的功能与更优越的性能。本专利装置 体积小，重量轻，维修经济方便，造价低廉，可靠，耐用，高效。本专利采用 硬件与软件的优化集成，这样使得产品体积小，重量轻，制造，维修成本低。 另外本专利装置采用了低能耗的低压注射方法来注入还原剂，使用智能控制系 统，大量利用车辆与发动机现有资源。最后，本装置最大限度采用了工业标准 零部件，从而更进一步降低了开发，制造与维修成本。以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细的说明。


图1是一个示意图，显示后处理装置的一种形式。该装置采用剂量泵来实
现还原剂计量输送；
图2是一个示意图，显示剂量泵的一种形式； 图3是一个示意图，显示剂量泵的一种形式；
图4是一个示意图，显示后处理装置的一种形式。该装置采用同步控制的 液泵与剂量阀来实现还原剂计量输送；
图5是一个示意图，显示液泵与剂量阀同步控制信号；
图6是一个示意图，显示后处理装置的一种形式。该装置将同步控制的液 泵与剂量阀集成为一个部件来实现还原剂计量输送；
图7是一个示意图，显示后处理装置的一种形式。该装置配备一个加压的
副液罐进行前置(予)加压来配合剂量泵或剂量阀来实现还原剂计量输送；
图8是一个示意图，显示催化剂的一种安排方式.它包括催化剂前置装置，SCR催化剂和氨还原催化剂；
图9是一个示意图，显示无线通讯网络的一种形式来实现对后处理系统工 作状态及发动机排气指标进行监控。以上所有图中数字所代表的部件名称解释 如下
l发动机
15还原剂储存罐(储液罐或液罐) 17液面高度传感器(液面高度仪)
23压力释放阀(压力调节阀) 37还原剂三通阀 48液泵 59三通空气阀 62剂量泵 80气源 92传感器
96选择性还原催化器(SCR) 208缸体 215释放阀 230开关阀。
具体实施方式

图1显示本项专利既净化发动机排气的后处理装置主要结构的一种形式。 该装置包含还原剂13，还原剂供给系统，在发动机排气(尾气)系统41中的催 化剂系统96及电控器(ECU) 52。还原剂供给系统则包括储存还原剂13的液罐 15，还原剂输送管33，剂量泵62，喷嘴88，空气供给系统80，系统清洗功能 和加热系统。电控器52则包含随车监测诊断(0BD)与通讯功能。
发动机l可以是柴油机或稀薄燃烧(lean burn)汽油机。发动机1通过某 种接口与电控器52建立联系并可以向电控器传输有关发动机的各种信息，包括 转速，载荷，油门大小，进气量，冷却液温度，排气温度，压力等等。电控器 52将依赖这些信息来控制整个后处理装置的运行以达到所需要的效果。
发动机1通过排气管道41与催化剂系统96相连接。催化剂系统96则包含 至少一个催化剂，比如选择性还原催化剂(SCR)。催化剂系统可以有不同的安
13还原剂(还原剂) 16还原剂储存副液罐
33还原剂输送管 41发动机排气(尾气)管 52电控器(ECU) 60剂量阀
66同步控制泵阀集成的剂量泵 88喷嘴
205活塞 210进液阀 220缸体内腔排包括一个或多个不同的催化剂或过滤器，比如D0C， DPF， SCR，防氨泄露的氨 还原催化剂等。
发动机1或车辆作为一个整体将向后处理装置提供各种资源，包括电源， 压縮空气，热源，等。
还原剂13 (以下称"溶液"或"溶液13"):在催化剂比如SCR的帮助下， 还原剂13能直接或通过转化来产生某种物质，比如氨，将发动机尾气中的NOx 还原成无害的气体。
还原剂储存罐(以下称"液罐"或"液罐15"):液罐15储存溶液13供
装置使用。它包括以下部件及功能
a) 适用于各种环境与气候。适用于移动或非移动车辆或系统。
b) 由耐久，不易破裂的材料制成，能承受任何因溶液13体积变化比如凝固 所引起的各种机械应力。
c) 其形状与大小与可用的空间相配合。液罐15容积最好大些，能使溶液的
添加间隔足够长，这样就可以与一般车辆维修，比如换机油的间隔一致或 稍长。
d) 包含一个压力调节阀23来保持液罐15内的气压与外界大气压大致相同从 而适应溶液13可能发生的体积变化。当该阀门关闭时，液罐15内外不会 有气体交换，避免溶液13中任何物质的蒸发流失而导致溶液浓度的变化。
e) 溶液输送管33安装在液罐15内并从液罐15内抽取溶液13。在装置停止 状态，其所安装的方式将阻止溶液13在重力的作用下流向装置的其它任 何部位。
还原剂供给系统定量将处于适当物理状态还原剂13从液罐15抽取并输送 到喷嘴88。它可以有众多不同的安排方式。
如
图1所显示形式，还原剂的输送与计量由一个集成的剂量泵62来完成。 而剂量泵则可以有各种不同的形式。本专利所描述的剂量泵是由一个活塞在脉 冲宽度模拟(FPM0信号控制下通过往复运动来实现液体输送与计量的(图2)。 其组成包含活塞205和缸体208。活塞205的运动由电磁力，弹簧或其他某种力 及其组合来驱动，并由电控器(ECU) 52控制。当活塞205向上(参照图2)运
动时，阀门210打开，阀门215关闭，液体在负压作用下经阀门210被吸入液腔220;当活塞205向下(参照图2)运动时，阀门210关闭，阀门215打开， 液体在压力作用经阔门215被排出液腔220。活塞205的每次运动行程(冲程) 是固定的，因此，每一周往复运动所吸入和排出液体的体积也是固定的。在某 一固定时间内该剂量泵所输送液体的总量则由活塞205运动的频率来决定。改 变活塞驱动信号(FPWM)的频率或脉宽就可以达到控制剂量的目的。
气源80把压縮空气注入剂量泵，从缸体208外表面流过，可以起到冷却或 加热作用，然后与剂量泵释放的液体混合，经喷嘴注入排气管41内。
当发动机关机时，活塞205运动到最低端，阀门230打开向液管33供气， 将液管33内的液体驱回液罐15内。此后，活塞205继续运动几个周期，直到 所有残留在剂量泵的液体被全部清除。当系统清除完成后，阀门230关闭液管 方向的供气，剂量泵重新回到工作状态，便于下次启动。这个过程同时清洗了 系统的液路和气路，整个过程一般不超过l分钟。
阀门230可以集成在剂量泵62内也可以安置在剂量泵62之外。
图3显示剂量泵的另一种形式进出液口分别开在缸体两端，活塞为空心 活塞，可让液体穿流而过。其工作原理与清洗程序与图2所示剂量泵一样。
图4显示后处理装置的另一种形式，包含一个液泵48和剂量阀60，两者都 由脉冲宽度模拟(FPmO信号控制。液泵48的结构和功能与图l所示排列中剂 量泵62相似，但不具备计量功能。该装置的计量功能是由一个专门的剂量阀60 来实现。用来控制液泵48和剂量阀60的脉冲宽度模拟(FPmO信号相互同步， 以保证液体在一个恒定的压力下有剂量阔60释放。图5显示了这个例子，其中 液泵48启动略早于剂量阀60，停止略晚于剂量阀60。
作为可选方案之一，液泵48和剂量阀60可集成为一个装置剂量泵66 (图6)。
图7显示装置的另一种形式采用一小液罐(副液罐)16安装在比主液罐 15低的位置。当三通阀59将副液罐16与环境空气相接通时，液体经三通阀37 在重力作用下流入副液罐16。当副液罐16加满液体后，三通阀37断开副液罐 与主液罐的连接，将副液罐16与剂量装置(剂量泵或剂量阀)60接通，然后三 通阀59将副液罐16与压縮空气接通实现对副液罐16内液体加压。此时，整个 系统进入工作状态。当发动机关机时，三通阀59将副液罐16与环境空气相接通，释放副液罐16内的压力，系统在压缩空气作用下将剂量装置(剂量泵或剂
量阀)60和还原剂输送管33内的还原剂13驱回到副液罐16内，完成系统清 洗。然后，三通阀37将主副液罐接通，使副液罐16充满，便于下次启动。以 上所有操作均在ECU的控制下自动完成。副液罐16的大小应至少满足车辆一个 连续运行周期的需要，比如12小时或24小时。副液罐16内可安装一个浮动开 关来控制液体加注。当液面达到一定高度时液体加注停止，这样可避免液体过 满溢出，也可以为液体在寒冷天气结冰时预留体积膨胀空间。副液罐内还可有 其他装置，如温度计，加热装置等。如果主液罐能加压，则副液罐是可省去的。
喷嘴88:喷嘴88主要作用是将液气混合体以细雾状喷入发动机排气管41。 喷嘴88位于至少一个催化剂，如SCR，的上方。
空气供给系统压缩空气源可以从车辆现有气动刹车系统获取或由空气压 縮机产生。
压縮空气在此项专利中的作用很多，包括输送雾化还原剂13，冷却/加热还 原剂供给系统，阀门，管道和喷嘴88，完成系统清洗，等等。
系统清洗为防止在寒冷天气下发动机停止后仍停留在液路包括管道和仪
器中的液体溶液13凝固而损坏部件，本专利装置包含一个系统清洗功能。系统 清洗在ECU的控制下自动完成系统清洗，从剂量阀(泵)开始将溶液13完全干 净趋回液罐15或16，同时将极少量的残余液体和液气混合体排出道排气管41 中。此过程即可防止任何溶液13的浪费，也避免了排气系统的污染。整个清洗 及清除过程一般不超过一分钟。
催化剂系统96:催化剂系统可以是一种或多种催化剂和过滤器的组合。常 用催化剂和过滤器包括柴油氧化催化剂(D0C)，选择性还原催化剂(SCR)， 防氨泄漏的氨还原催化剂及颗粒捕捉器(DPF)等。图8显示一种由SCR催化剂 与防氨泄漏的氨还原催化剂的搭配组合。催化剂的确切组合，种类，尺寸，形 式，安装顺序及位置在很大程度上取决于发动机/车辆及所使用的还原剂的特 性。
传感器本专利装置包括多种传感器以满足系统工作需要，包括随车监测 诊断系统(0BD)的需要。传感器包括各类温度和压力传感器，液面位置传感器， 液体浓度传感器等。如果采用闭环控制，本装置还将配有NOx传感器等。
9电控器(ECU) 52:电控器52不必是独立的ECU，也可以用通过软件集成在 现成的用来控制发动机/车辆的ECU中来控制后处理装置，也可制造一种集各种 功能于一体，既可控制发动机/车辆，也可控制后处理装置的全新的电控器52。 此专利包括一个适用于各种不同发动机及车辆的电控器52。取决于不同的应用 场合，电控器可具有如下特点及功能
a) 接收和处理来自任何设备，包括发动机1，仪器及与电控器相连的传感器 的数字与模拟信号，
b) 进行系统自我测试，
c) 具有永久的和临时的数据储存功能，
d) 完成逻辑和分析任务，例如计算，分析和做出判断决定，
e) 对各种仪器实行简单或复杂，实时或非实时，闭路或开路的控制，
f) 提供数字和模拟输出，
g) 具有有线或无线通讯能力，
h) 可利用个人电脑或移动计算装置通过有线和无线接口进行编程和调试，
i) 包含智能型随车监测诊断软件，和
j)软件保密，防盗及防止逆向工程功能。 随车监测诊断(0BD)系统电控器52配有0BD软件系统利用从发动机，车 辆，传感器所得到的信息及储存在电控器52中的数据来监测整个后处理装置的 运行及诊断可能出现的失效。该电控器OBD具有如下特征及功能
a) 监测诊断整个后处理装置及其某个部位各种功能的失常或失效，
b) 通过有线或无线通讯的方式向操作人员，用户，服务中心及生产厂家传递 信息或发出警告信号以便有关人员及时解决出现的问题。这样可以大大避 免或减少系统的停用时间，改进系统的可靠性和可用性。
c) 通过有线或无线通讯方式向政府数据库汇报任何发动机排气超过政府标 准的情况及原因。在某些国家，政府要通过对机动车排放情况的跟踪，监 测及监督等方法来强行使其达到政府规定的标准。d) 采取自我纠正措施.
e) 当OBD诊断出发动机排放超过政府制订的标准时，采取适当惩罚措施强迫
用户与操作者采取纠正措施，比如减少发动机的输出功率及车辆的最大速
度等。当OBD确定问题已得到解决时，则取消纠正措施。
实时在线监控系统图9举例简略介绍了建立实时在线监控系统的一个例 子。其功能有
a) 政府环境监控部门实时掌握被监控车辆的尾气排放状况，
b) 及时通知政府环境监控部门，维修服务中心，生产厂家，操作者及各有关 人员和机构后处理装置及其某个部位各种功能的失常或失效，
c) 及时发出警告，限时纠正命令，处罚单，等
d) 取消警告，纠正命令，处罚等。
实时在线监控系统需要借助于车载随车监测诊断(0BD)系统和政府有关 机关及操作者的无线交流平台。本系统可基于现有的各种无线通讯平台正常工 作。车载随车监测诊断(0BD)系统就像一部手机与有关部门和人员交流信息， 但实际的车载随车监测诊断(0BD)系统和政府有关机关及操作者的无线通讯 远比手机通讯简单。
本文所述仅是本专利的一种形式。而本项专利却包括了多种不同的变化形 式。每一项具体细节可以有无限多种不同的形式，组合或安排，本文没有赘述。 任何对本专利的改动或采用不同方式，方法的组合与安排，其结果也仍属于本 项专利范围之内。
权利要求1、内燃机尾气净化装置，包括发动机(1)、还原剂供给系统和发动机排气管(41)上的催化系统(96)；所述还原剂供给系统包括还原剂储存罐(15)、剂量泵(62)、空气供给系统(80)和电控器(52)；所述还原剂储存罐(15)通过还原剂输送管(33)与剂量泵(62)连接相通，所述剂量泵(62)的出口处设有喷嘴(88)，该喷嘴(88)设置在发动机排气管(41)内；所述电控器(52)通过信号传输线分别和发动机(1)和剂量泵(62)相连接；其特征在于所述剂量泵(62)含有至少一个通道将压缩空气与该泵的还原剂入口处连接相通；所述通道上设有阀门(230)。
2、 根据权利要求1所述内燃机尾气净化装置，其特征在于所述剂量泵(62) 由液泵(48)和剂量阀(60)组成；所述电控器(52)通过信号传输线和液泵(48)及剂量阀(60)相连接；所述液泵(48)与剂量阀(60)由同步信号控 制。
3、 根据权利要求1或2所述内燃机尾气净化装置，其特征在于..所述还原 剂供给系统还设有还原剂储存副液罐(16)，所述还原剂储存罐(15)与还原剂 储存副液罐(16)之间通过管道相连接；所述还原剂储存副液罐(16)通过管 道与空气输送管相连接；还原剂储存罐(15)与还原剂储存副液罐(16)所述之间的管道包括至少一个单向阀。
4、 根据权利要求1或2所述内燃机尾气净化装置，其特征在于它还包括内燃机尾气排放状态实时监控系统，该系统包括随车监测诊断系统、政府部门 用户、其它用户及无限通讯网络；其特征在于所述随车监测诊断系统(0BD) 含无线信号发生装置。
专利摘要包括发动机、还原剂供给系统和发动机排气管上的催化系统；所述还原剂供给系统包括还原剂储存罐、剂量泵、空气供给系统和电控器；所述还原剂储存罐通过还原剂输送管与剂量泵连接相通，所述剂量泵的出口处设有喷嘴，该喷嘴设置在发动机排气管内；所述电控器通过信号传输线分别和发动机和剂量泵相连接；其特征在于所述剂量泵含有至少一个通道将压缩空气与该泵的还原剂入口处连接相通；所述通道上设有阀门。本实用新型具有如下有益效果1)可智能随车监测诊断系统运行状况；2)体积小，重量轻，维修经济方便，造价低廉，可靠，耐用，高效；3)节约资源。
文档编号F01N3/08GK201258777SQ20082011857
公开日2009年6月17日 申请日期2008年5月28日 优先权日2008年5月28日
发明者吴靖雄, 平 李, 郭进端 申请人:张家口百通环保科技有限公司