一种用于车用柴油机尾气处理的机械喷嘴式氨气喷射系统的制作方法

本发明属于车用柴油机排气后处理系统，液氨作为柴油机氮氧化物(NOx)的还原剂，特别涉及一种用于车用柴油机尾气处理的机械喷嘴式氨气喷射系统。

背景技术：

随着商用车国Ⅳ排放法规的实施，整车必须加装氮氧化物(NOx)排放后处理装置。

中国中重型柴油机普遍采用选择性催化还原(SCR)技术路线，即将标准车用尿素水溶液喷射到排气中，使用其分解产生的氨气(NH₃)对NOx进行选择性催化还原，生成无害的氮气(N₂)和水(H₂O)。

尿素液作为还原剂有明显的缺点：冬季结冰，需要半个小时以上的加热解冻才能够正常工作；低温性能差，需要较高的排气温度才能充分转化为NH₃，在排气温度较低的城市工况下运行时，需要在排气管外加保温材料，催化器前加装燃烧器以提高温度，保证尿素充分转化，否则极易生成大量结晶，导致排气管路堵塞，影响车辆运行；尿素生产过程高能耗高污染，配比车用尿素水溶液需要纯水，纯水生产过程需要耗费3倍普通水。

技术实现要素：

为了克服了现有技术的上述缺点，本发明提供一种用于车用柴油机尾气处理的电控喷嘴式氨气喷射系统，冬季不结冰，经过简单加热甚至不加热即可工作，效率更高；喷出后直接反应，不需要水解，对排气温度不敏感；氨气是生产尿素的原材料，喷射不需要水，能够显著节省能源与资源。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

本发明提供一种用于车用柴油机尾气处理的机械喷嘴式氨气喷射系统，包括液氨罐、液位温度传感器、电加热棒、氨气减压器、稳压罐、压力温度传感器、电控氨气计量阀、机械氨气喷嘴、控制器；所述液氨罐固定在整车车架上，液氨罐内储存液氨，液位温度传感器和电加热棒集成在液氨罐内，液氨罐通过管路连接氨气减压器，氨气减压器通过管路连接稳压罐，稳压罐固定在整车车架上，压力温度传感器集成在稳压罐上，稳压罐管路连接电控氨气计量阀，电控氨气计量阀与机械氨气喷嘴分开设置，机械氨气喷嘴直接安装在排气管上，电控氨气计量阀管路连接机械氨气喷嘴，控制器分别与液位温度传感器、电加热棒、压力温度传感器及电控氨气计量阀电连接。由液氨饱和蒸汽压提供喷射压力，氨气经减压器、稳压罐、氨气管路后到达氨气计量阀，压力温度传感器集成在稳压罐上，ECU结合压力、温度等信号控制氨气计量阀进行喷射计量，机械氨气喷嘴直接安装在排气管上。计量阀不用布置在排气管上，对计量阀的耐热性能要求大大降低，系统成本较低。

进一步地，所述液氨罐外设有隔热层。

进一步地，所述液氨罐设有5％～15％的剩余容积V1；所述氨气减压器减压比k范围为1:5～1:3，氨气减压器减压后氨气压力为1～4bar；所述稳压罐体积V2、液氨罐剩余容积V1、氨气减压器减压比k、液氨每秒喷射体积V3间满足如下关系：

(V2/k+V1)/V3≤1％

本发明同时提供一种用于车用柴油机尾气处理的机械喷嘴式氨气喷射系统的控制方法，包括以下过程：控制器通过液位温度传感器实时监控液氨罐内部温度，当液氨罐内部温度低于预设的维持温度时，电加热棒加热液氨罐内液氨使之温度升高达到维持温度，液氨罐内部温度升高导致压力增加，加压后的气态氨气通过氨气减压器减压后输送到稳压罐中，控制器根据稳压罐上的压力温度传感器反馈信息并且结合发动机运行状况向电控氨气计量阀发出喷射脉宽及喷射频率信号，将氨气输送到机械氨气喷嘴8中并喷射到排气管中进行反应。

进一步地，所述电控氨气喷嘴喷射采取定频率，控制单次喷射时间占空比的控制方式；控制器内写入喷射压力和喷射温度补偿系数，根据液氨罐内氨气的温度、压力数值，结合当前发动机工况计算所需的氨气喷射量，控制电控氨气计量阀开启一定的时长来满足排放需求。

进一步地，所述电控氨气计量阀的喷射频率控制依据液氨罐内液位和压力柔性调节。

进一步地，所述电控氨气计量阀的喷射频率控制依据发动机工况柔性调节。

进一步地，所述机械氨气喷嘴预设有开启压力值，当低于开启压力值时机械氨气喷嘴不开启。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明的控制方法流程图。

图中：

1-液氨罐 2-液位温度传感器 3-电加热棒 4-氨气减压器 5-稳压罐 6-压力温度传感器 7-电控氨气计量阀 8-机械氨气喷嘴 9-控制器

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方案。

如图1所示，一种用于车用柴油机尾气处理的机械喷嘴式氨气喷射系统，包括液氨罐1，液位温度传感器2，电加热棒3，氨气减压器4，稳压罐5，压力温度传感器6，电控氨气计量阀7，机械氨气喷嘴8，控制器(ECU)9。其中，液氨罐1固定在整车车架上，液氨罐1内储存液氨，液位温度传感器2和电加热棒3集成在液氨罐1内，液氨罐1通过管路连接氨气减压器4，氨气减压器4通过管路连接稳压罐5，稳压罐5固定在整车车架上，压力温度传感器6集成在稳压罐5上，稳压罐5管路连接电控氨气计量阀7，电控氨气计量阀7管路连接机械氨气喷嘴8，机械氨气喷嘴8直接安装在排气管上，控制器9分别与液位温度传感器2、电加热棒3、压力温度传感器6及电控氨气计量阀7电连接。本发明将电控氨气计量阀7与机械氨气喷嘴8分开设置，使得不耐高温的电控氨气计量阀7远离排气管路，提高系统的可靠性及寿命。

当氨气喷射系统工作时，电加热棒3对液氨罐1中的液氨进行加热，液氨遇热汽化，液氨罐1液氨的饱和蒸汽压产生压力，因此液氨罐1具有储存氨气和提供氨气喷射压力的功能。液氨罐外设计隔热层，避免冬季罐内温度过低无法建立喷射压力，也避免夏季罐内温度过高造成罐内压力过高形成危险。

液氨罐1设计5％～15％的剩余容积V1，以保证提供足量的汽化状态氨气，液位温度传感器2用于监控及反馈液氨罐1内液氨气的体积及温度。

液氨罐1供给的氨气经过连接管路输送到氨气减压器4进行减压，减压比k设计为1:5～1:3，减压器4减压后氨气压力为1～4bar，避免管路内压力过高造成危险，并且较低的喷射压力同时能够显著提升喷嘴可靠性；

稳压罐5为一个具有一定容积的容器，稳压罐5上集成温度及压力传感器6；汽化的氨气经过氨气减压器4调压后，通过管路进入稳压罐5，稳压罐5上的压力温度传感器6测量氨气温度及压力情况。

电控氨气喷嘴7的氨气喷射压力波动应小于3％，为实现这一目标，稳压罐5体积V2、液氨罐5剩余容积V1、减压比k、液氨每秒喷射体积V3间存在如下的关系：

(V2/k+V1)/V3≤1％。

如图2所示，本发明提供一种用于车用柴油机尾气处理的电控喷嘴式氨气喷射系统的控制方法：控制器通过液位温度传感器2实时监控液氨罐1内部温度，当液氨罐1内部温度低于预设的维持温度时，电加热棒3加热液氨罐1内液氨使之温度升高达到维持温度，液氨罐1内部温度升高导致压力增加，加压后的气态氨气通过氨气减压器4减压后输送到稳压罐5中，控制器9根据稳压罐5上的压力温度传感器6反馈信息并且结合发动机运行状况向电控氨气计量阀7发出喷射脉宽及频率的信号，将氨气输送到机械氨气喷嘴8中并喷射到排气管中进行反应。

液氨罐1内温度由控制器9控制电加热棒3维持在10℃～30℃间，以提供适宜的饱和蒸汽压，不同排量发动机氨气喷射量不同，需要的饱和蒸汽压即温度也不同，ECU控制不同的维持温度，以节约能源，提高响应。发动机冷启动时，若液氨罐1内温度处于0～10℃，仍可控制喷射，此时喷射压力较低，在ECU写入喷射压力补偿系数，以保证喷射量基本准确；若液氨罐1内温度低于0℃，首先将液氨罐加热至10℃以上，保证足够喷射压力后，才进行喷射。

ECU9根据工况控制电控氨气计量阀7开启。机械氨气喷嘴8直接安装在排气管上，当电控氨气计量阀7开启时，氨气经连接管路通过机械氨气喷嘴8进入排气管内。机械氨气喷嘴8喷射采取定频率，控制单次喷射时间占空比的控制方式；ECU内写入喷射压力和喷射温度补偿系数，根据稳压罐5内氨气的温度、压力数值，结合当前发动机工况计算所需的氨气喷射量，控制电控氨气计量阀7开启一定的时长来满足排放需求。

计量阀7开启频率控制可依据液氨罐1内液位和压力柔性调节，液位、压力适宜时，采用1Hz频率，在保证NOx转化效率的同时提高计量阀7寿命；当液位、压力偏低时，采取2Hz～10Hz频率喷射，增加喷射间隔，使液氨充分汽化，以保证足够的喷射压力。

计量阀7开启频率控制可依据发动机工况柔性调节，当发动机处于高排温高负荷工况下，还原反应较容易实现，采用1Hz频率，以在保证NOx转化效率的同时提高喷嘴7寿命；当发动机处于低排温低负荷工况下，采用较高频率2Hz～10Hz，以保证氨气与排气的混合均匀度，提高反应效率，减少氨气逃逸。

机械氨气喷嘴8设计一定的开启压力值，当低于开启压力值时机械氨气喷嘴8不开启，当车辆熄火后，管路中残余的氨气不会逃逸到大气中，可以减少二次环境污染。