一种柴油机尾气后处理SCR碳酸氢铵喷射系统的制作方法

本发明为一种柴油机尾气后处理scr碳酸氢铵喷射系统，其特征是用碳酸氢铵替代传统的尿素溶液，作为scr还原剂氨气的提供物质，通过发动机的热水给固态的碳酸氢铵加热，碳酸氢铵热解生成氨气、二氧化碳和水，三种物质均为气态，将氨气、二氧化碳和水蒸气的混合物通过scr控制器喷入柴油机排气管中，氨气与nox发生还原反应生成无害的氮气和水，从而达到消除柴油机尾气中nox的目的，由碳酸氢铵替代尿素溶液，第一解决了尿素结晶问题，第二解决了尿素在排气温度低于160度时不能处理nox的问题，scr尿素喷射系统不能满足国六b法规要求，固态的碳酸氢铵与尿素溶液的含氨量基本相当，加注一次碳酸氢铵和尿素溶液的车辆行驶里程相当，而固态碳酸氢铵的成本更低。

背景技术：

关于汽车排放法规，欧洲于2014年实施的欧vi标准非常严格，根据欧vi标准，柴油车每公里氮氧化物的排放量不应超过80毫克，比目前标准规定的排放量减少68％，中国也将在2020年执行国六标准，国六a标准作为国六标准的过渡可以执行到2023年，从2023年开始全面执行国六b标准，当前汽车行业常用的scr尿素溶液喷射系统已经不能满足国六b的要求，另外一种技术罐装固态铵(asds)通过二氯化锶存储氨气，再通过加热直接将氨气释放到汽车排气管内，不存在发动机排气温度低不处理nox的问题，能够满足国六b标准要求，但技术还不成熟，后期氨气罐体更换、维护保养等配套设施还不健全，不能满足市场实际需求，为了满足国六b排放法规需求，迫切需要找到scr尿素溶液及罐装固态铵的替代产品。

发明目的及优点

本发明为一种柴油机尾气后处理scr碳酸氢铵喷射系统，其特征是用碳酸氢铵替代传统的尿素溶液，作为scr还原剂氨气的提供物质，通过发动机的热水给固态的碳酸氢铵加热，碳酸氢铵热解生成氨气、二氧化碳和水，三种物质均为气态，在发动机ecu控制下，将氨气、二氧化碳和水蒸气的混合物通过scr控制器喷入柴油机排气管中，氨气与氮氧化物nox发生还原反应生成无害的氮气和水，从而达到消除柴油机尾气中nox的目的，由碳酸氢铵替代尿素溶液，第一解决了尿素结晶问题，第二解决了尿素在发动机排气温度低于160度时不能处理nox的问题，scr尿素喷射系统不能满足国六b法规要求，但scr碳酸氢铵喷射系统可以完全满足国六b法规要求，固态的碳酸氢铵与尿素溶液的含氨量基本相当，加注一次碳酸氢铵和尿素溶液的车辆行驶里程相当，而固态碳酸氢铵的成本更低。

技术实现要素：

本发明是一种柴油机尾气后处理scr碳酸氢铵喷射系统(见图1)，为干法制氨系统，目的是优化柴油机尾气后处理技术，满足国六b法规要求，其特征是scr碳酸氢铵喷射系统由两个大瓶(包含大瓶i和大瓶ii)、一个小瓶、scr控制器和发动机ecu组成，大瓶是可以承受高压的钢瓶，内部装填了固态的碳酸氢铵无水干料，大瓶内部有加热管(8)与发动机出水管连接，给大瓶内的碳酸氢铵加热使其热解产生氨气、二氧化碳和水，碳酸氢铵在30度左右就可以分解，在60度左右分解速度很快，热解后产生的气体经scr控制器内的隔膜泵经过单向阀抽到小瓶内，在小瓶内存储起来，小瓶是耐高压的钢瓶，单向阀可以保持小瓶内的压力，小瓶瓶体上有加热器，小瓶内高压的气体经氨气传感器、减压阀和流量阀，在ecu的控制下按照标定的程序以合适的剂量通过氨气喷管和氨气喷嘴喷入发动机排气管内，整个管路中都是气态的氨气、二氧化碳和水蒸气的混合物，喷入排气管内的混合物质经发动机排气的高温加热瞬间释放出气态的氨气，氨气将nox还原成无害的氮气和水，碳酸氢铵在30度左右就可以分解，不会发生结晶的问题，隔膜泵持续将大瓶内的气体抽走，让大瓶始终处于负压状态，碳酸氢铵热解产生的水蒸气绝大部分被抽走，只有微量水蒸气被碳酸氢铵吸收，因而碳酸氢铵始终处于干料状态，不会吸湿成水溶液，因而此结构叫做干法制氨系统，在干法制氨系统中，两个大瓶互为备份，一个大瓶持续提供氨气，另一个大瓶作为备份不工作，两个大瓶都通过独立的单向阀与隔膜泵连接，相互不串气，当一个大瓶内的碳酸氢铵物料消耗尽时，ecu通过切换发动机水管将这个大瓶关闭，同时启动另一个大瓶，这段时间内可以去加油站或汽车服务店补充碳酸氢铵新料，两个大瓶互为备份可以保证在车辆行驶的任何时间内scr系统都在工作。

如图2所示，为湿法制氨系统，由两个大瓶(包含大瓶i和大瓶ii)、一个小瓶、scr控制器和发动机ecu组成，跟图1相比较scr控制器内少了隔膜泵，发动机的热水给大瓶加热使碳酸氢铵热解产生氨气、二氧化碳和水，大瓶内压力升高，部分水蒸气被碳酸氢铵吸收，大瓶内的碳酸氢铵逐渐变湿，因而叫做湿法制氨系统，大瓶压力高于小瓶压力，大瓶内的气体逐渐被压缩进小瓶内，发动机ecu控制流量阀将适量的气体释放，通过氨气喷管和氨气喷嘴喷入到发动机排气管内，氨气将nox还原成无害的氮气和水，在湿法制氨系统中，两个大瓶互为备份可以保证在车辆行驶的任何时间内scr系统都在工作。

scr碳酸氢铵喷射系统的原理，发动机排气管中的scr载体前布置了上游温度传感器和氨气喷嘴，scr载体之后布置了氮氧化物传感器和下游温度传感器(见图1、图2)，scr控制器内有氨气传感器检测氨气的浓度，大瓶i有压力传感器i，大瓶ii有压力传感器ii，小瓶上有压力传感器iii，发动机ecu采集这些传感器的信号，通过ecu输出端发出指令给电磁阀、隔膜泵、加热器和流量阀，针对尾气中nox的含量多少，喷入最合适剂量的氨气，在整个scr碳酸氢铵喷射系统中，随着碳酸氢铵消耗量的增加以及环境温度的变化，大瓶和小瓶内的物质比例也在不断变化，必须测定氨气的浓度，换算成合适的喷射剂量喷入到排气管中，才能最大限度地去除尾气中的nox，在尾气中查到有nox就要增加氨气喷射量，直到nox的含量低于标准为止。

大瓶结构由大瓶体(1)、大瓶嘴(2)、大瓶盖(3)、加热管(8)、压力传感器(13)、加料盖(9)、泄压阀(10)、抽真空接头(17)组成(见图3、图4)，所有材料都要具备耐氨气、氨水腐蚀的能力，大瓶体(1)是密闭中空的罐体，上部与大瓶嘴(2)焊接在一起，大瓶嘴(2)中心有贯穿的螺纹孔，大瓶盖(3)通过螺纹与大瓶嘴(2)装配在一起，并通过密封垫密封，大瓶盖(3)上加工了进水道(4)、出水道(5)、气压通道(6)和氨气通道(7)，加热管(8)为u形或螺旋形的弯管(见图3和图8)，中间密封不漏水，上部的两个端头分别插入进水道(4)、出水道(5)内并通过焊接密封连接，进水道(4)、出水道(5)的外部出口分别焊接了进水管接头(11)和出水管接头(12)，进水管接头(11)连接发动机出水管，出水管接头(12)连接发动机回水管，滤清器(15)装在氨气通道(7)进口上，过滤掉大瓶内的颗粒物，氨气通道(7)出口上螺纹连接了压力管接头(14)，压力管接头(14)连接氨气管路，气压通道(6)内口与大瓶体(1)内部相通，出口螺纹连接压力传感器(13)探测大瓶内的气体压力，大瓶盖(3)中心有贯通的螺纹孔，加料盖(9)通过螺纹装配在大瓶盖(3)上并通过密封垫密封，拆下加料盖(9)可以直接将碳酸氢铵干料倒进大瓶内，加料盖(9)中心有阶梯通孔，下部通过螺纹装配了泄压阀(10)，上部通过螺纹装配了抽真空接头(17)，压力过高时泄压阀(10)的弹簧被顶开泄压，保证大瓶的安全，抽真空接头(17)连接抽真空机可以将大瓶内残存氨气或空气抽出。

加热管(8)有两种结构，一种为u形管结构(见图3)，由薄壁钢管弯管成型，结构简单成本低，另外一种为螺旋管结构(见图8)，由薄壁钢管卷管成型，结构复杂，但跟碳酸氢铵的接触面积增加，效率高，两种结构的加热管的最大宽度要比大瓶嘴(2)的中心螺纹孔小，便于加热管(8)装配进大瓶内。

小瓶结构由小瓶体(18)、小瓶嘴(19)、小瓶盖(20)组成(见图7)，所有材料都要具备耐氨气、氨水腐蚀的能力，小瓶体(18)是密闭中空的罐体，上部与小瓶嘴(19)焊接在一起，小瓶嘴(19)中心有贯穿的螺纹孔，小瓶盖(20)通过螺纹与小瓶嘴(19)装配在一起，并通过密封垫密封，小瓶盖(20)内部为四通通道，下部开口与小瓶体(18)内部相通，上部装配压力传感器iii(21)，两侧装配了压力管接头(14)，分别与氨气管路连接，小瓶体(18)外部装配加热器(22)，在小瓶出厂时少量预装了碳酸氢铵干料，在汽车下线时，发动机首次点火，加热器(22)通电，在短时间内加热小瓶内的碳酸氢铵，生成氨气并马上喷射到发动机排气管内与nox反应，保证新车下线检测满足排放法规要求，之后，小瓶不需要再填装碳酸氢铵新料，消耗的物料由大瓶来补充，小瓶进气端通过单向阀和隔膜泵与大瓶连接，小瓶出气端通过氨气传感器、减压阀与流量阀连接，流量阀最后通过氨气喷管和氨气喷嘴将氨气喷入到发动机排气管中。

scr控制器由电磁阀、单向阀、隔膜泵、氨气传感器、减压阀、流量阀以及管路组成，发动机出水管与电磁阀进水口连接，电磁阀为三位三通阀，电磁阀两个出水口通过水管分别与大瓶i和大瓶ii的进水管接头(11)连接，电磁阀有电磁阀-1端子和电磁阀-2端子，常态为不通电状态，水路处于断开状态，不给大瓶供热水，当需要给大瓶加热时，发动机ecu发出指令给电磁阀-1端子通电，电磁阀-2端子断电，发动机热水给大瓶i提供热水，当发动机ecu探测到大瓶i压力不足时，即断定为大瓶i内部的碳酸氢铵填料用尽，发动机ecu发出指令给电磁阀-2端子通电，电磁阀-1端子断电，给大瓶ii提供热水，大瓶i及大瓶ii通过单向阀、隔膜泵与小瓶连接，隔膜泵两侧各有一个单向阀，隔膜泵在ecu控制下按照压力传感器i、压力传感器ii和压力传感器iii的数据，控制隔膜泵的开启和关闭，将大瓶内的气体抽到小瓶内，小瓶的作用是保压和快速产生压力满足车辆启动初期的需要，小瓶出气端通过氨气传感器、减压阀和流量阀，再经过氨气喷管和氨气喷嘴与发动机排气管连接，氨气传感器测试氨气的浓度，减压阀将小瓶内的高压气体降低到一定压力，流量阀为比例积分电控阀，在ecu的控制下开启到一定的开度，精确控制气体的流量。

碳酸氢铵包装(见图9、图10、图11)，一种为塑料桶结构，包括桶体(23)和桶盖(24)，桶体形状可以是圆形或方形，桶体要有一定抗压力性能；另外一种包装为塑料袋结构，柔性塑料袋(25)通过塑封区(26)将塑料袋密封，两端或四周塑封，桶体(23)或塑料袋(25)内装填碳酸氢铵干料，在拧紧桶盖或塑封前抽真空处理，避免碳酸氢铵干料中有空气和水分，避免碳酸氢铵吸湿水解，避免氨气跟空气混合造成爆炸。

碳酸氢铵新料填加(见图12)，系统是通过何种方法检测碳酸氢铵原料耗尽呢？就是通过检查压力传感器的压力来判定物料是否耗尽的，当系统给大瓶通入一定时间热水后，发动机ecu如果检测到大瓶i内的压力没有达到设定值，就认为大瓶i内的物料耗尽，ecu发出指令通过电磁阀切换水路，给大瓶ii通热水启动大瓶ii，断开大瓶i的热水关闭大瓶i，系统提示驾驶员需要尽快补充碳酸氢铵新料；到加油站或汽车维修店补充新料，第一步松开大瓶上方的抽真空接头(17)，泄压阀(10)的弹簧压缩量变长压力降低，泄压阀(10)失去做作用，抽真空接头(17)连接抽真空机气管，开始抽气，目的是将大瓶内残存的氨气抽出，抽真空机连接酸溶液以吸收氨气避免氨气造成环境污染，经过多次填料后，需要拧开大瓶盖，清洗大瓶内非挥发性固体杂质，然后再添加新料；第二步用扳手松开加料盖(9)，将加料盖(9)松开拿掉，将桶装的或者袋装的碳酸氢铵干料摇动或轻敲，使其结块粉碎，然后打开桶盖或剪开塑料袋，将漏斗插入加料口上，将碳酸氢铵干料颗粒倒入在漏斗内，通过漏斗给大瓶加料；第三步当填料完成后，用扳手拧紧加料盖(9)；第四步抽真空接头连接抽真空机，将大瓶内的空气抽走，目的是抽走大瓶内的空气，避免空气与氨气混合消除可能爆炸的风险；第五步用扳手拧紧抽真空接头(17)，泄压阀弹簧重新被压缩到设定位置，泄压阀(10)重新起作用。

附图说明

图1是柴油机尾气后处理scr碳酸氢铵喷射系统的原理图，由两个大瓶(包含大瓶i和大瓶ii)、一个小瓶、scr控制器和发动机ecu组成，发动机的热水给大瓶加热使碳酸氢铵热解产生氨气、二氧化碳和水，scr控制器内的隔膜泵将热解的气体抽走存贮在小瓶内，大瓶内保持负压，大瓶内的碳酸氢铵始终保持干燥，此结构叫做干法制氨系统，发动机ecu控制流量阀将适量的气体释放通过氨气喷管和氨气喷嘴喷入到发动机排气管内，氨气将nox还原成无害的氮气和水。

图2是柴油机尾气后处理scr碳酸氢铵喷射系统的原理图，由两个大瓶(包含大瓶i和大瓶ii)、一个小瓶、scr控制器和发动机ecu组成，跟图1相比较scr控制器内少了隔膜泵，发动机的热水给大瓶加热使碳酸氢铵热解产生氨气、二氧化碳和水，大瓶内压力升高，部分水蒸气被碳酸氢铵吸收，大瓶内的碳酸氢铵逐渐变湿，此结构叫做湿法制氨系统，大瓶压力高于小瓶压力，大瓶内的气体逐渐被压缩进小瓶内，发动机ecu控制流量阀将适量的气体释放通过氨气喷管和氨气喷嘴喷入到发动机排气管内，氨气将nox还原成无害的氮气和水。

图3是大瓶的主视图，图4是大瓶的侧视图，大瓶结构包含大瓶体(1)、大瓶嘴(2)、大瓶盖(3)、加热管(8)、压力传感器(13)、加料盖(9)、泄压阀(10)、抽真空接头(17)。

图5是大瓶盖的第一种结构，水管接头朝相反方向布置。

图6是大瓶盖的第二种结构，水管接头朝一个方向布置。

图7是小瓶的结构图，小瓶结构包含小瓶体(18)、小瓶嘴(19)、小瓶盖(20)。

图8是大瓶加热管(8)的第二种结构，由钢管弯成螺旋结构。

图9是碳酸氢铵干料的第一种包装，为塑料桶结构，包括桶体(23)和桶盖(24)，将碳酸氢铵装在桶内，拧紧桶盖密封存贮和运输。

图10是碳酸氢铵干料的第二种包装，为塑料袋包装结构，包括塑料袋(25)和塑封区(26)，塑料袋塑封后将碳酸氢铵包裹在内，密封存储和运输，图11是塑料袋包装的侧视图。

图12是大瓶碳酸氢铵装填新料的流程图，第一步抽残存氨气，第二部填料，第三部拧紧加料盖，第四步抽空气，第五步拧紧抽真空接头。

具体实施方式

冷启动阶段：scr碳酸氢铵喷射系统首先给小瓶加热，通过汽车电源由ecu控制给加热器通电，在很短的时间，一般小于2分钟小瓶就会有氨气产生并达到一定压力，ecu控制流量阀开启，小瓶内的高压气体通过流量阀经氨气喷管和氨气喷嘴，喷入到汽车排气管内，将排气中的nox处理干净，冷启动阶段大瓶不起作用。

正常行驶阶段：当水温升高到一定温度后，至少60度以上，发动机ecu将加热器断电，ecu控制电磁阀给大瓶i或大瓶ii通热水，给其中一个大瓶加热，碳酸氢铵热解产生氨气、二氧化碳和水，并通过隔膜泵将气体抽到小瓶内存储，当大瓶内的压力达到一定值时，发动机ecu控制电磁阀切断热水，减慢碳酸氢铵的热解速度使压力逐渐降低，当大瓶内的压力低于一定值时，发动机ecu控制电磁阀重新接通热水给大瓶加热，加快碳酸氢铵的热解速度，压力逐渐升高，发动机ecu通过控制热水的开通与断开，控制碳酸氢铵的热解速度；当压力太高无法及时释放时，泄压阀会自动泄掉部分气体，保证大瓶的安全。

关机阶段：大瓶和小瓶逐渐降温，大瓶和小瓶内的压力逐渐降低，氨气、二氧化碳和水会发生逆向反应重新生成碳酸氢铵，少量滞留在管路、泵体和阀体内的气体冷却后会结晶再次生成碳酸氢铵。

冬天：防止系统结晶堵塞，整个scr控制器的泵、阀及管路要贴近加热器布置，并且要合理布置热水管给重要部件加热，防止结晶堵塞管路。

夏天：炎热的夏天阳光直射，零件表面温度会升高到70～80度，首先要做好防晒措施，在大瓶小瓶上方做好防晒罩，避免重要部件被阳光直射，大瓶或小瓶温度过高会造成碳酸氢铵的过度热解，造成瓶体内的压力过高甚至有爆炸的风险，泄压阀在超过一定压力值后，主动泄掉部分气体，保证瓶体内的压力控制在安全范围内；另外scr碳酸氢铵喷射系统除了做好密封设计外，还要做好通风处理，整个系统的所有部件必须与外界通风良好，泄露的氨气必须及时散尽，不然氨气堆积到一定浓度会有爆炸的风险。

桶装、袋装碳酸氢铵的储藏及运输：碳酸氢铵不是危险品，运输和储藏没有严格的管制，只要防止包装破裂撒漏、潮解和受热挥发，要存储在阴凉、避光和通风的地方，有条件的做低温冷藏存储。

后期维护填加新料：车辆报警或到一定行驶里程后，要到专业填料服务处去补充消耗掉的碳酸氢铵原料，填料服务处要有抽真空机以及氨气吸收处理设备，抽真空机连接酸溶液罐，抽走的氨气由酸溶液来吸收，避免造成空气污染。