一种发动机尾气尿素喷射装置及其控制方法与流程

本发明属于柴油机尾气处理技术领域，具体涉及一种发动机尾气尿素喷射装置及其控制方法。

背景技术：

当前社会，柴油机以其优良的燃油经济性与动力性能得到了更多的关注，但柴油机存在的一个最大问题就是nox与颗粒排放严重，经济增长与能源、环境可持续发展之间的矛盾也日趋尖锐。在这种形势下，净化效率高而且在排放和油耗经济性方面具有优势的选择性催化还原(scr)系统越来越得到各发动机制造商的青睐，并把它作为机外净化的关键技术之一进行研究和推广，已成为重型柴油机尾气处理的主要技术之一。

改变柴油发动机的某些技术(如高压喷射、喷射正时提前以及加大涡轮增压器的增压压力比等)可使颗粒物排放达到法规要求，但是也会增加nox的排放，这时候就需要在排气管中安装scr排放后处理系统来降低nox的排放。scr排放后处理系统的工作原理是将还原剂(氨水、尿素等)喷入排气管中，在催化剂的作用下，把nox还原成n2，以达到减少nox排放的目的。

然而，在现有的尿素喷射控制过程中，催化温度不同时，催化剂的活性差异较大，同时也影响了氨的储存能力，且可能会引起氨泄漏，带来二次污染。尤其是在发动机增加载荷的工况下，温度剧烈上升会导致氨的储存能力下降，非常容易造成氨的大量泄漏。而低温工况又会导致催化剂活性不足，催化效率下降，nox反应不完全。由此可知，如何提高氮氧转化效率，实现转化效率与降低氨泄漏的动态平衡是目前函待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种发动机尾气尿素喷射装置及其控制方法，提高了催化剂的转换效率，解决氨泄漏的问题。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的，一种发动机尾气尿素喷射控制方法，包括以下步骤：

步骤1)：ecu控制单元根据气压传感器测得的进气管压力pr与混合管压力p0，计算出压差δp＝pr-p0；

步骤2)：计算当前时刻scr催化器内氨的储存量asit；

步骤2.1)：采集进气管(10)内尾气中nox的浓度值以及排气管(12)内反应后nox的浓度值计算当前时刻氨氮的消耗量qs：

其中是尾气中预估的nh3的浓度，feq是发动机的排气流量；

步骤2.2)：利用当前时刻尿素的喷射量、上一时刻氨的储存量以及氨氮的消耗量qs计算得到当前时刻氨的储存量：

asit＝qj+asit-1-qs

其中asit是当前时刻氨的储存量，asit-1是上一时刻氨的储存量；

式中尿素喷射量a为喷孔数量，cμ为调整系数，as为单个喷孔流通面积，ρ为尿素溶液密度；

步骤3)：根据scr催化器中当前氨的存储量asit以及饱和状态下氨的存储量asf之间的差异，ecu控制单元调整催化温度并对调整系数cμ进行修正；

步骤3.1)：若温度调节器8进入低温运转模式，目标温度值设定为220℃～235℃，调整系数cμ设定为2；

步骤3.2)：若温度调节器8处于正常运转模式，目标温度值设为245℃～260℃，调整系数cμ设定为1.5；

步骤3.3)：若温度调节器8进入高温运转模式，目标温度值设为265℃～275℃，并将调整系数cμ设定为1；

步骤3.4)：若此时氨的储存量比例过高，有严重的氨泄漏的可能，调整系数cμ直接设为0，即停止喷射；

步骤4)：利用修正后的调整系数cμ，对尿素喷射量进行控制。

一种发动机尾气尿素喷射装置，包括尿素箱、温度传感器、scr催化器、ecu控制单元、尿素泵、尿素喷嘴、nox传感器、温度调节器、气压传感器、进气管、混合管及排气管；ecu控制单元与尿素箱、温度传感器、温度调节器、尿素泵、尿素喷嘴、nox传感器、气压传感器均电气连接，尿素箱与尿素泵、尿素喷嘴通过管道依次相连；进气管与混合管相连接，且连接处设有温度调节器，混合管与排气管相连接，且连接处设有scr催化器，进气管上设有nox传感器、气压传感器，混合管上设有温度传感器、气压传感器，排气管上设有温度传感器、nox传感器，尿素喷嘴倾斜布置于混合管上；

所述喷嘴包括喷嘴管、衔铁组件、支架、针阀、喷孔、隔热套及联通孔，喷嘴管底端设置有喷孔，喷嘴管被针阀分为上、下两部分，支架位于针阀上部，用于支撑衔铁组件，隔热套卡接在喷嘴管下半部分与针阀之间，隔热套和喷嘴管之间留有缝隙，喷嘴管下半部分的管壁上设有联通孔；所述衔铁组件包括控制线圈、衔铁及导磁体，衔铁和导磁体由支架支撑，衔铁上缠绕有控制线圈，且控制线圈与电池连接，电池与ecu控制单元连接；所述混合管管道直径与内转弯半径之比为0.5。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1.本发明中隔热套和喷嘴管之间形成缝隙，而喷嘴管下半部分与缝隙均设有一定数量的联通孔与外界空气相连，外界空气可由联通孔进入喷嘴管和缝隙中，能够有效对尿素溶液进行冷却。同时喷嘴通过固定套倾斜布置在混合管上，不仅优化了雾化的效果，减弱了喷嘴附近的旋流强度，使得喷射更加均匀；也减小了喷射贯穿距离，防止尿素溶液沉积在管壁上出现结晶结石，避免了混合管出现管路堵塞。

2.ecu控制单元可以根据不同的需求来对电池提供的驱动电流进行控制，比如在喷射量需求较大的时候加大电流输出，产生更大的电磁力使针阀打开更大的缺口，喷射出更多尿素溶液；也可以在开启后维持较小的稳定电流来维持针阀的开启，这样可以有效避免由于电流过大或时间过长等原因所导致线圈过热的问题，系统的稳定性也由此得到提升。

3.本发明在控制尿素喷射的过程中，使用了前馈+储氨量管理的控制方法，将该尿素喷射系统的储氨量以及加热温度控制在了一个优化后的范围之内，充分利用了该装置在低温区域时较大的氨的储存量以及在高温区域时较高的氮氧化物转化效率，进而实现对尿素喷射量的精确控制；既可以提高氮氧化物的转化效率，减少排放，满足欧ⅴ排放限值，也可以避免氨泄漏的可能，降低了出现二次污染的可能。本发明可实现较高的氮氧化物转化率(95％以上)及比较低的氨气逃逸率(均值大约为10ppm)。

附图说明

图1为本发明所述的一种柴油发动机scr尿素喷射系统的结构示意图；

其中：1-尿素箱、2-温度传感器、3-scr催化器、4-ecu控制单元、5-尿素泵、6-尿素喷嘴、7-nox传感器、8-温度调节器、9-气压传感器、10-进气管、11-混合管、12-排气管、601-喷嘴管、602-固定套、603-控制线圈、604-衔铁、605-导磁体、606-支架、607-针阀、608-喷孔、609-隔热套、610-联通孔、611-缝隙、6071-左侧支架、6072-右侧支架；

图2为尿素喷嘴的内部结构示意图；

图3为喷嘴中衔铁组件的示意图；

图4为针阀与支架的连接示意图；

图5为本发明所使用催化剂的催化效率随温度的变化图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明提出的技术方案进行更明确的阐述。

如图1所示，本发明提供了一种发动机尾气尿素喷射装置，包括尿素箱1、两个温度传感器2、scr催化器3、ecu控制单元4、尿素泵5、尿素喷嘴6、两个nox传感器7、温度调节器8、两个气压传感器9、进气管10、混合管11、排气管12；ecu控制单元4与尿素箱1、温度传感器2、温度调节器8、尿素泵5、尿素喷嘴6、nox传感器7、气压传感器9均通过电线束连接，图中电线束以虚线表示，尿素箱1与尿素泵5、尿素喷嘴6通过管道依次相连；进气管10与混合管11相连接，且连接处设有温度调节器8，混合管11与排气管12相连接，且连接处设有scr催化器3，进气管10上设有nox传感器7、气压传感器9，混合管11上设有温度传感器2、气压传感器9，排气管12上设有温度传感器2、nox传感器7，尿素喷嘴6倾斜布置于混合管11上，能够将尿素由上向下倾斜射入混合管11内部，如果尿素喷雾的喷射贯穿距离大于混合管11的内径，喷射出的尿素液滴会沉积在混合管11的管壁处，从而形成结晶结石导致管路堵塞，所以需要减小喷嘴的喷射贯穿距离，而斜置的喷嘴6减小了喷嘴6到混合管11对面壁面的距离。

进气管10和排气管12上设置的nox传感器7分别对处理前的排放尾气以及处理后的气体中nox的浓度进行监控，得到并实时反馈给控制单元ecu4，控制单元ecu4随后会对氨氮的消耗量qs进行计算；进气管10和混合管11上设置的气压传感器9分别测量进气管压力pr与混合管压力p0，并实时反馈给控制单元ecu4。

考虑到混合管11中管路的尺寸对尿素水溶液的雾化效果影响很大，本实施例增大管道直径与内转弯半径之间的比值，从而达到优化的效果；经过试验得知，当比值由0.4增大到0.5时，雾化效果较好，尿素分布也较为均匀；且增大该比值也减弱了喷嘴6附近的旋流强度，从而避免在内壁处形成尿素的回流风险，尿素液滴喷射到管壁上的可能性降低。

温度调节器8内设有加热丝和载体，温度调节器8对尾气进行加热，并将尾气温度控制在所需范围(即目标温度值)内；ecu控制单元4通过调整温度调节器8中载体的通电时间、电压及频率等参数，可以实现对尾气温度即时的、差异性的主动控制，以适应装置对不同工况的需求。

喷嘴6包括喷嘴管601、固定套602、衔铁组件(包括控制线圈603、衔铁604、导磁体605)、支架606、针阀607、喷孔608、隔热套609、联通孔610、缝隙611；如图2所示，尿素从喷嘴管601顶端的接口进入，喷嘴管601底端设置有喷孔608，喷嘴管601与固定套602固定连接，且固定套602下部两侧分别设有安装孔，通过紧固螺栓将喷嘴6安装在混合管11上，喷嘴固定套602的形状通过改造能够使尿素喷嘴6倾斜布置于混合管11上，避免因安装角度不规范造成尿素结晶；喷嘴管601被针阀607分为上、下两部分，衔铁组件位于喷嘴管601上端，支架606设计成“山”字型并固定在喷嘴管601内，支架606位于针阀607上部，支架606和针阀607分别通过穿过喷嘴管601与固定套602形成过盈配合，导磁体605中间加工出孔，支架606的中间支柱可以从孔中伸出并支撑固定衔铁604(衔铁604底端加工有可与中间支柱卡接的凹槽)，支架606的两端支柱支撑导磁体605，控制线圈603缠绕在衔铁604上，且控制线圈603与电池通过导线连接，电池与ecu控制单元4通过导线连接；与支架606底部面积小于喷嘴管601内部横截面积，尿素溶液可以从支架606旁经过；喷嘴6通过针阀607的开闭来实现尿素的喷射与停止，如图4所示，针阀607的b端通过球头连接并固定在右侧支架6072中，而a端则由左侧支架6071凸出的部分支撑，两侧支架均穿过喷嘴管601与固定套602形成过盈配合；不喷射时，针阀及其支架与喷嘴管601紧密接触；隔热套609卡接在喷嘴管601下半部分与针阀两侧支架之间(针阀两侧支架底端加工有与隔热套卡接的凹槽)，所述的隔热套609制作成为“凹”型，“凹”型隔热套609和喷嘴管601之间留有缝隙611，喷嘴管601下半部分的管壁上设有两个联通孔610、缝隙611两侧的管壁上各设有一个联通孔610，联通孔610与外界空气相连，外界空气经由联通孔610进入喷嘴管601下半部分和缝隙611中，从而使得喷嘴管601和外部形成冷却腔体，避免了尿素溶液在喷嘴管601内过早发生气化。

本发明中喷嘴管601和隔热套609均采用管材制造，制作成本较低且喷嘴管601和隔热套609可以一起进行弯管加工，使得喷嘴管601和隔热套609能够根据实际布置需要弯制成需要的形状，从而使得该喷嘴装置能够在混合管11上灵活布置，满足不同的布置需求。

当尿素喷嘴6开始工作时，ecu控制单元4控制电池产生电流信号输入控制线圈603，衔铁604上产生磁通，衔铁在导磁体605产生的极化磁场和控制线圈603产生的控制磁场的相互作用下，从而产生电磁力并克服尿素液体压力，吸引针阀607的a端向上运动，由于针阀b端固定在右侧支架6072上，针阀a端抬起一个角度，尿素可从针阀607打开的缺口中进入喷嘴管601下半部分直至喷孔608。根据喷射量的不同，ecu控制单元4会调整蓄电池产生的电流大小，当喷射量的需求较大时，蓄电池产生的电流增强，导磁体605与控制线圈603产生的电磁力增大，针阀a端向上运动，与针阀左侧支架6071所产生的角度增大，打开的缺口也相应增大，更多的尿素溶液通过缺口进入喷嘴管601下半部分；而电磁力消失时，针阀607在尿素溶液向下压力的作用下向下回落，支架6071凸出的部分挡住针阀a端，针阀回到初始位置，喷射结束。ecu控制单元4可以根据不同的需求来对电池提供的驱动电流进行控制，比如可以在开启后维持较小的稳定电流来维持针阀607的开启，这样可以有效避免由于电流过大或时间过长等原因所导致线圈603过热的问题，系统的稳定性也由此得到提升。

该尿素喷射装置在开始工作时，ecu控制单元4获取发动机实时的转速、扭矩、油耗等信息，从而发出指令使尿素泵5开始建压，为尿素水溶液的运输提供动力，再依据本发明所提出的控制策略发出相应的尿素水溶液流量的控制指令，驱动尿素喷嘴6工作，喷射量为qj，尿素水溶液与加热后的尾气进入混合管11进行混合。

该装置的工作流程为柴油机尾气→尿素喷射→混合管11→scr催化器3内转化→排气管12排出，具体如下：尾气进入进气管10，ecu控制单元4根据当前进气管10与混合管11之间的压差、scr催化器3内氨的储存量，通过温度调节器8调节加热温度加热尾气，尾气进入混合管11，ecu控制单元4控制尿素喷嘴6喷射液态尿素，尾气和尿素水溶液在混合管11中均匀分布，加热后的尾气所带的高温能够将液态尿素转化为气态氨气nh3，气态氨气nh3进入scr催化器3并被其内部的催化剂吸附，nh3与尾气中的nox反应生成n2和h2o并排放到大气中。本发明中的催化剂选用v2o5/tio2，v2o5/tio2金属氧化物型催化剂具有价格低、脱硝效率高、温度适中、对硫化物的适应性强等优点。

本发明同时提供了提供一种发动机尾气尿素喷射控制策略，其步骤如下：

步骤1)：ecu控制单元4根据两个气压传感器9测得的进气管压力pr与混合管压力p0，计算出压差δp＝pr-p0。

步骤2)：计算当前时刻scr催化器3内氨的储存量asit；

步骤2.1)：通过采集进气管10内尾气中nox的浓度值以及排气管12内反应后nox的浓度值计算当前时刻氨氮的消耗量qs，qs的计算公式如下：

其中是尾气中预估的nh3的浓度(本实施例中设定为10ppm)，feq是发动机的排气流量；

步骤2.2)：利用当前时刻尿素的喷射量、上一时刻氨的储存量以及氨氮的消耗量qs计算得到当前时刻氨的储存量，其公式如下：

asit＝qj+asit-1-qs(2)

其中asit是当前时刻(即t时刻)氨的储存量，asit-1是上一时刻(即t-1时刻)氨的储存量，即尾气中预估的nh3的浓度；尿素喷射量qj的计算公式如下：

其中a代表喷孔608数量，cμ代表调整系数，as代表单个喷孔流通面积，ρ代表尿素溶液密度。

步骤3)：根据scr催化器3中当前氨的存储量asit以及饱和状态下氨的存储量asf(固定值，与催化器内容积与催化剂涂层厚度有关)之间的差异，ecu控制单元4调整催化温度并对调整系数cμ进行修正；具体的过程为：

步骤3.1)：如则温度调节器8进入低温运转模式，目标温度值设定为220℃～235℃，另外调整系数cμ设定为2；

步骤3.2)：如则温度调节器8处于正常运转模式，目标温度值设为245℃～260℃，另外调整系数cμ设定为1.5；

步骤3.3)：如则温度调节器8进入高温运转模式，目标温度值设为265℃～275℃，并将调整系数cμ设定为1；

步骤3.4)：如此时氨的储存量比例过高，有严重的氨泄漏的可能，调整系数cμ直接设为0，即停止喷射。

需要说明的是，上述各个模式的温度均是基由实验以及各种人为经验所设定的，根据催化剂材料选择的不同或者行驶工况的差异，工程人员可对温度设定以及调整系数进行修改。

催化器中容积与催化剂涂层厚度对应的饱和储氨量数据如表1所示。

表1氨饱和吸附量

步骤4)：利用修正后的调整系数cμ，对尿素喷射进行控制，即改变cμ值，得到调整后的尿素喷射量qj，其中调整系数cμ的初始值设定为1。

本发明中所提到的调整系数cμ以及asit与asf之间的差异同样只是提出了一种参考方案，工程技术人员可根据表1中数据根据装置的实际构造来进行调整来满足工程上的实际需求。

本发明中控制的原则是将实际储氨量控制在目标储氨量区域内，目标储氨量区域为一个优化的储氨量区域安全限值，优化的原则是系统获得预期的转化效率，同时避免温度剧烈变化造成的氨泄漏。由于在低温运转模式时，催化剂催化效率较低、氨的存储量较少，所以需要增大调整系数cμ以提高喷射量，喷射量提升之后氨的存储量增多，所以此时温度调节器8进入高温运转模式，提高催化效率，让更多的氨与氮氧化物发生反应生成n2和h2o并排放到大气中。通过氨的储存量以及催化温度的变化，不断地对调整系数cμ进行修正，不断地调整尿素喷射量，从而达到优化的控制效果。由此可见，本发明在控制尿素喷射的过程中，使用了前馈+储氨量管理的控制方法，将该尿素喷射系统的储氨量以及加热温度控制在了一个优化后的范围之内，既提高了催化反应的效率，也降低了氨泄漏的可能。

图5为本发明所使用催化剂的催化效率随温度的变化图，此催化剂的活性温度为210℃～290℃，峰值温度在280℃附近，在此温度下，氨氮转化效率最高；温度继续升高，效率迅速下降，氨储存量也会下降，所以需要控制加热温度，避免高于这一温度。

本发明提供的scr喷射装置，可以同时实现较高的氮氧化物转化率(95％以上)及比较低的氨气逃逸率(均值大约为10ppm)。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换均属于本发明的保护范围。