Scr废气处理装置的制作方法

专利名称：Scr废气处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种废气处理装置，特别是涉及一种用于具有极大废气量和/或多条 废气支管的柴油燃烧发动机的SCR(选择性催化还原)废气处理装置。
背景技术：
在现有技术中，德国专利DE 198 17 994 Al公开了一种废气处理装置的结构型 式，在该装置中，泵以稳定的压力把氨从氨储集器中抽到管道中。该管路分接了 4个计量 阀，每一个计量阀都把氨引导到与燃烧发动机燃烧室相连的排气管分管中。这样，就减少了 废气中的氮氧化合物(NOx)。德国专利DE 699 10 605 T2公开了另一种结构的SCR催化式排气净化器，如该申 请文件中的图2A所示，其利用3个计量阀台阶式地直接在前部、中部和尾部将尿素输送到 该SCR排气净化器中。德国专利DE 41 04 382 Al公开了一种燃气涡轮，它通过3个阀嘴在不同密封处 进给氨-水溶液。未公开的德国专利DE 10 2008 012 780涉及的是一种SCR废气处理装置，其中的 供给单元应用了隔膜泵和压力式过滤器。此外还配置了拥有压力传感器、阀门和喷雾器的 计量元件。用作还原剂的尿素-水溶液以开环方式循环流动。这种开环方式以及其他措施 共同确保了在凝固点下，膨胀的尿素-水溶液不会损坏SCR废气处理装置。尽管在阀门处 采用了开路循环，但为了给喷雾器提供足够压力，在计量元件上配置了反向节流板。

发明内容
本发明的目的是为具有极大废气量和/或多条废气支管的燃烧发动机制造一种 成本低廉的SCR废气处理装置。本发明采取的技术方案是SCR废气处理装置，泵给导管中流向多个计量单元的进口连接件的尿素-水溶液 (HWL)施压，所述计量单元各自设有一个计量阀门和一个喷雾器嘴，将尿素-水溶液喷入废 气管路；同时，计量单元的出口连接件通过比例阀通向液体箱，通过压力传感器测量导管中 的压力。进一步，所述比例阀在尿素_水溶液喷射量最大时是完全关闭的。所述各计量单元分别设有一个压力传感器。通过喷雾器嘴对计量单元进行分类，在本SCR废气处理装置上只能使用同一类别 的计量单元。所述压力传感器输出信号的平均值就是用于调节泵的优选理论值。所述比例阀的开合度由控制装置依据尿素-水溶液的喷射量来调节。所述比例阀在加电状态下是开启的。上述尿素-水溶液(Harnstoff-Wasser- Losung )在下文中简称为HWL。
本发明的主要优点是本发明SCR废气处理装置在运用于船舶柴油发动机、固定式柴油发动机、工程机 械发动机、大型应急发电机和带缸座的分体式发动机(如V和W型发动机)中时，尤其具有 优势。本发明配置了具有计量阀和喷雾器的多个计量单元，这样可以在多个废气量较大 处或分排气系统处喷入尿素-水溶液(HWL)。仅此一点就确保了废气流的良好分配并可以 在单个分排气系统中实现。同时，与注射相比(尤其是与把几乎未分散的HWL射流喷到废 气管的热面上相比)，该发明装置的喷雾器能产生较大的尿素_水溶液HWL反应表面积，从 而具有优异的分配优势，可以彻底反应掉比例极高的尿素-水溶液HWL，在耗用微量HWL情 况下获得良好的废气值。尤其对于应用于目前在混合方面已存在较大问题的大废气量场合 而言，这一点极具优势。同时，本发明的废气处理装置也不必在发动机启动或预热阶段额外 增加加热费用。例如，喷雾器嘴可使用多个圆片构成，这些圆片拥有特定型式的槽沟和/或 洞孔，可多次将HWL旁路迂回，使其在从喷雾器嘴中喷出时呈剧烈旋流状态，这使得HWL在 进入废气流时发生旋流雾化。这类旋流喷嘴与加热燃烧器领域中已知的旋流喷嘴不属于同 一种类，该旋流喷嘴也可以专业表述为压力旋流喷雾器(Pressure Swirl Atomizer)。本发明配有一个压力传感器，与单纯采用机械作用(也就是弹簧控制)的压力调 节相比，可以实现压力的精确调节。这种高精确度的压力调节又可获得特别高的定量精确 度。在该压力传感器中可内置温度传感功能，这是本发明特别具有优势的构造。本发明另 一种优选的构造是压力传感器配置在计量元件上，可直接在HWL喷射入废气流之前的部位 附近测量其温度，这种设置方式可以获得相对更高的压力，支持在较大的废气量中精细雾 化HWL。在本发明优选的构造中，泵可以使用隔膜泵来获得高压，由于隔膜泵采用了特殊尺 寸的密封横隔膜，该泵即使在这种高压下运转，也不会受侵蚀性HWL的影响。作为本发明优 选的结构，隔膜泵的横隔膜由曲轴传动装置以及偏心传动装置来回驱动。这样的隔膜泵驱 动装置可以获得极高的压力，从而在废气流中更精细地雾化HWL，获得如前所述的优点。本发明配置有比例阀，用于调节从计量单元到液体箱(HWL箱)的流量，HWL从该 阀门处再次经过泵和公共管道被抽向接通到泵的计量阀。这一循环确保了始终处于冷却状 态的HWL可以到达计量阀，并消除热废气的热量。同时，通过比例阀可以被动实现循环系统 的凝结保护功能，无凝结时，无动力供给的比例阀处于开启位置。这样一来，在关闭系统后 也可以确保本发明SCR废气处理装置中不再有带压状态的HWL，还可确保流向计量元件的 HWL公共管道不会出现凝结。当泵不再运转时，凝结保护功能起效，例如由于使用了 “紧急 停止”，SCR废气处理装置的电力供给中断。在本发明优选的结构型式中，所有计量元件都拥有自己的压力传感器，通过该压 力传感器的压力值可以得出用于控制泵的平均值。尤其在使用带电机的曲柄传动装置时， 可以对隔膜泵的电机转数进行调节。这样就能以更为经济的成本构成模块化系统，该系统 使用的计量单元与汽车SCR废气处理装置上仅有的一个计量元件相同。多个压力传感器的 使用本身是“不必要”的，但具有经济意义，因为前述提及的特殊发动机(船舶柴油发动机、 固定式柴油发动机、W型发动机等)的压力传感器数量比标准发动机少，而标准发动机包含 带3至6个气缸的直列发动机，主要用于轿车和商用车。本发明优选的结构型式中，对带喷雾器嘴的计量单元进行了分类，在SCR废气处理装置上仅使用同一等级的计量单元，以此可以补偿计量单元的误差，尤其是喷雾器嘴的 误差。所施加压力必须根据工况不断变化，使工作喷雾器嘴喷出预定量的HWL。当然，计量 元件中的压力传感器带有评估电路，该评估电路的特性为输出电压根据压力而变，特性图 可以校准。这样便可测量每个计量元件喷出预定量HWL所需的压力。相应地，要对压力传 感器的特性图进行校验，以便对计量元件进行分类。例如，如果知道喷雾器变化为+/_6%， 则可以通过对压力传感器的评估电路的特性图进行校正，然后按如下划分等级等级A :94%额定压力至96%额定压力；等级B :> 96%额定压力至98%额定压力；等级C > 98%额定压力至100%额定压力；等级D :> 100%额定压力至102%额定压力；等级E :> 102%额定压力至104%额定压力；等级F :> 104%额定压力至106%额定压力。然后，在特定的燃烧发动机上只可以使用等级A至F中的一种计量单元。这也简 化了备件维修和供给工作，因为不必变更设置，而仅需注意使用同一等级的备件。压力传感 器的所有输出电压的平均值就成为泵压力控制回路的设定值。尤其对于上述的使用大多数燃烧发动机市场中几乎相同计量元件的模块化系统 (例如对带多个HWL喷射点的大容积内燃发动机)而言，通常可以在结构上对计量单元配置 一次性调节的不变化的回流隔板。而本发明与此相反，大容积内燃发动机的计量元件没有 在结构上配置有回流隔板，取而代之的是对所有计量单元配置上面所描述过的中心式无级 调节比例阀。本发明的另一优势是在供给装置中配置了一个压力过滤器，它可防止计量单元的 喷雾器嘴堵塞。HWL流中的精细压力过滤器配置在隔膜泵后面。这样，如果将此压力过滤器安置在隔膜泵之前的进气道中，则该精细压力过滤器 上的压力损失会显著降低。通过在进口中使用粗滤器，可以保护薄膜免受严重污染，粗滤器 上仅会出现微小的压力损失。这样也可保护隔膜泵(主要是其止回阀)也免受污染微粒的 影响，从而可极大地确保隔膜泵的功能可靠性。本发明另一优选的结构型式是，控制隔膜泵的控制装置集成在供给装置中。在本 发明防尘壳体内极具优势的结构型式中，该控制装置的耐热电路板可固定在向外的金属板 上，以便将电路板热量从壳体中导出。为增强电路板冷却，壳体外部的金属板上配置有散热 片。在本发明优选的结构型式中，供给装置连接到汽车驱动发动机的冷却水循环系 统。这样还可防止HWL和/或汽车驱动发动机的冷却循环系统的控制装置结冰。在本发明优选的结构型式中，可以给计量单元配置用于快速融化的电加热器。


图1是带供给装置和多个计量单元的SCR废气处理装置的电路图；图2是图1包含带隔膜的隔膜泵的供给装置的详细示意图；图3是图2所示隔膜泵中隔膜区域的详细示意图；图4是图2中供给装置的仰视图，该视图中有泵单元的HWL接口和泄压阀部分的剖视图；图5是图2和图4中供给装置的俯视图，该视图中有供给装置可压缩补偿元件的 剖视图；图6是图2至图5中供给装置的俯视图，该视图中有供给装置冷却水连接元件部 分的剖视图；图7是被供给装置的塑料注塑包覆的冲压电路板；图8是图1中多个计量单元中的第一个计量单元的一个示意图；图9是图8中计量单元的另一个示意图；图10是计量单元中使用的喷雾器嘴的喷嘴圆片；图11是与图10中喷嘴圆片一同构成喷嘴圆片组件的另一喷嘴圆片；图12是喷嘴圆片组件与计量单元阀座之间的适配板。
具体实施例方式图1为本发明SCR废气处理装置的电路图。该SCR废气处理装置将HWL喷入大工 作容积的燃烧发动机155 (特别是柴油发动机)的废气管路177中，为此，给供给装置1配 置了泵2。供给装置1从储箱200中抽取HWL，给其加压，并在压力下通过公共管道50将其 输送到多个计量单元Dp D2、Dn。计量单元Dp D2、Dn通过喷雾器嘴101将一部分HWL喷入热废气流中。计量单元 D1^ D2, Dn也被在供给装置1与和计量单元Dp D2、Dn2间循环流动的HWL冷却。图2说明了供给装置1除了上述提到的泵2之外，还包含压力过滤器3和控制元 件4。泵2为隔膜泵，包含一个无刷电机，该电机带有工作原理类似于曲柄的偏心传动 装置6。此偏心传动装置6来回推动隔膜7的中间部位，该部位夹紧在中间腔8的圆周上。 此外，中间腔里放置了 2个注塑塑料圆片207和208，它们在图3中可以清晰得见。上塑料 圆片207置于下塑料圆片208之上，两个塑料圆片207和208的接触区域成舌形，从而形成 2个止回阀9和10。这两个止回阀9和10构成翼形阀。HWL流的必要通道也设计在塑料圆 片207和208之中。止回阀10向一个方向开启，以便被隔膜7加压的压力腔190释放出带压HWL。另 一止回阀9则向另一方向开启，以便压力腔190可以抽吸HWL。从每个止回阀9、10中接出 一条集成到中间腔8的通道。这些通道由0型环240和241密封。在图2中，这些管道中 只有部件11清晰可见。抽吸HWL的止回阀9通过部件11和另一个管道242相连，并通过 管道242从HWL吸入口抽入HWL。管道242和安置在其前面的吸滤器243在图4中可见。 吸滤器243还保护泵2免受污染，吸滤器243设置在HWL吸入口 12。从压力室190，HWL从隔膜7开始，经过另一个止回阀10和从该阀接出，通过一条 管道(图上未显示)被引导到压力过滤器3。HWL从压力过滤器3被引导到在图5中所示的 HWL压力连接元件153。压力过滤器3使计量单元Dp D2, Dn免受微粒污染，因而不会堵塞。 通过在图1中所示的公共管道50，HWL压力连接元件153与计量单元Dl、D2、Dn连接在一 起。通过HWL管道151，供给装置1的HWL吸入口 12与HWL储箱200连接在一起。每个计 量单元队、D2、Dn都有2条计量单元156a、157a(156b、157b)接管。引导HWL的计量单元接管156a、156b通过平行管道汇聚成另一个HWL导管201。该HWL导管201通过比例阀223 与HWL箱200连接在一起，通过开口度可无级调节的比例阀223形成用于循环冷却计量单 元Dp D2, Dn的HWL循环系统。比例阀223的开口度根据通过计量阀34和喷雾器嘴101喷 入废气管路177的HWL量进行调节，为此，将计量阀34通过控制管道与控制装置4连接在 一起，后者与发动机控制系统ECU(发动机控制器)一起位于信号传输总线(CAN-Bus)上。压力过滤器3含一个安置在气缸盖16中的过滤筒15。该气缸盖16拥有一个旋进 衬套13的内螺纹14的外螺纹17。内螺纹14在衬套13的一端。衬套13在另一端与中间腔8稳固动态相连。这样， 过滤筒15被紧紧抵靠固定在中间腔8上。为来回弯曲隔膜7，旋转为节省空间而设计的外转子电机5，使电机5静止的定片 18呈放射状封闭在转子19范围之内。定片18带有线圈，它连接到控制装置4内发动机控 制电路板205的接线20。转子19在与偏心传动装置6相反一侧和中心钻孔的圆片21连接 在一起，通过其中心孔放置轴22，以便转子19和轴22可以相互抗扭转。轴22在偏心传动 装置6区域滚动支承在2个轴承23、24上。这两个轴承23、24包含在轴承箱25中，该箱与 中间腔8稳固动态连接在一起。为此配置了螺栓连接26。通过螺栓连接26，隔膜7夹紧在 轴承箱25的支承板206与上塑料圆片207之间。在轴承23、24之间的区域内，凸轮27靠 摩擦力压制在轴22上。凸轮27的中心轴平行于轴22的旋转轴偏移。连杆29的轴承28 同轴配置在凸轮27上，其另一端通过螺栓30与支撑轴衬31连接在一起，后者与倒圆的压 紧衬套32稳固活动连接。支撑轴衬31固化在隔膜7中。压紧衬套32用于支撑处于压缩 行程状态的隔膜7。螺栓30居中配置有一个六角垫片33，其两端均有螺纹。轴承23、24和28拥有用于润滑的持久润滑油填充料。控制装置4布置在控制箱37之内，控制箱37与泵壳体38构造为一体。使用隔墙 39将控制箱37与油密封泵壳体38间隔开来，同时，通过泵壳体38的注塑塑料中的印制导 线40，将前述线圈接线20与发动机控制电路板205连接在一起。计量控制、压力调节、传感 器估测和总线(CAN)通信等功能设计在另一电路板41上。电路板41用螺栓连接在氧化铝 基片42 —侧，其另一侧配置有冷却翅片43。氧化铝基片42设置在控制箱37开口位置使得 冷却翅片43向外，以便将带电子元件的电路板41的热量导向外部。用于连接发动机控制电路板205，另一电路板41，以及汽车总线的冲压电路板44 被控制箱37的注塑塑料包覆。冲压电路板44结构可参见图7中所示，并且其上设有4个 刀片状的、垂直于该电路板向前延伸的接触插头45、210、211、212。一个20针插头45将冲 压电路板44与另一电路板41相连。当电路板41插入控制箱37时，就会产生联接。4针插 头210将其连接到发动机控制电路板205。2个插头211、212用于对外联接。8针插头211 将计量单元01、02、0 与以下部件相连计量阀34的控制系统及电源，电加热器265的控制系统及电源，具有温度传感器功能的压力传感器221的电源，以及压力传感器221的信号接收。7针插头212提供到汽车电子系统和电源的连接。通过总线信号进行通信。在与HWL吸入口 12相对的(自动变速器控制盒的)中间腔8 —侧配置了 2个冷却水连接元件46、154，可参见图4至图6所示。这两个冷却水连接元件46、154通向嵌入到 中间腔8中的冷却管道47的两端。元件46、154还连接到燃烧发动机155的冷却水循环系 统，因而可以通过燃烧发动机155冷却水系统的热冷却水防止供给装置1结冰并保持其正
常运转温度。图8和图9为2个截面图，所示为同类计量单元Di、D2、Dn中的第一个计量单元D1， 它包含了电磁计量阀34，该电磁计量阀34拥有一个带电枢159的电磁铁158，它可以压缩 螺旋式压缩弹簧161以对抗其弹力，以便HWL的压力可把针状体160推到打开位置。同时， 螺旋式压缩弹簧161支撑在螺栓191上，通过该螺栓可以调节螺旋式压缩弹簧161的预载 荷。如果电磁铁158没有通过接头162加电，则螺旋式压缩弹簧161将再次向阀座102推 压针状体160到关闭位置。针状体160相对较长，其一端沿直线轴承163滑动。其另一端 由密封隔膜164导向，后者保护电磁铁158免受HWL的侵蚀。在这两种导向装置之间有一 个冷却管道165，它闭合上述两个计量单元连接端156a、157a之间的循环。为此，第一个计 量单元连接端156a连接到导管201上，而第二个计量单元连接端157a连接在导管50上。 从这个作为入口的计量单元连接端157a中，HWL经过过滤筛260，通过前端直线轴承163中 的多处空隙被弓丨导到阀门座102。加电电磁铁158中的HWL穿过阀门座102上的中心孔，然 后通过喷雾器嘴101导出。喷雾器嘴101为旋流喷嘴，拥有两个在图10和图11中所示的 上下叠置的喷嘴圆片167、168。喷嘴圆片167、168通过出口嘴铸模169，压靠在阀门座102 上，同时，图12中可见的适配板170也夹紧在喷嘴圆片167、168与阀门座102之间。为建 立适配板170和喷嘴圆片167、168的张紧力，在出口嘴铸模169上配置了图中未详细显示 的燕尾结合。该出口嘴铸模169拥有一个漏斗形扩径的出口，图上未清楚显示。喷嘴圆片 167、168的孔180、181的形状使流出的HWL形成旋流，然后在HWL出口雾化。如图1所示，HWL被喷入到位于催化转化器178之前的废气管路177区域中。通过上面提及的图1中的比例阀223，确保了计量单元01、02、011不断有冊1^流过。 由此一方面保证了计量单元01、02、011保持较低温度。另一方面，电力供给切断后，废气处理 装置中的压力减弱到容器压力时，无需能量来开启阀门。本发明废气处理装置所有组件的构造保证了无压HWL的凝固不会产生破坏。对于 计量单元01、02、0 也是如此。在电磁计量阀门34中，HWL面对密封隔膜不断膨胀。压力和 温度传感器221中设置有金属制成的波纹管224，它可以抗压缩弹簧225伸展。这种情况也适用于供给装置1，在此装置中，HWL会流向以下部件并推压它们 隔膜7;图4中所示的限位隔膜244 ；以及图5中所示的可压缩补偿元件245。在图4中所示的限位隔膜244也属于图1中所示的泄压阀246。在与泄压阀246 方向相反的限位隔膜244 —侧，配置有接入到中间腔8中的HWL流的支管252。泄压阀246 有一个限位壳体250，用螺栓紧固到中间腔8中。在限位壳体250区域内，限位隔膜244通 过中心的支撑及导向圆片247和螺旋压簧248，弹性地支撑着调节元件249。调节元件249 从外部旋入限位壳体250中，通过旋入和旋出操作可以调节螺旋压簧248的预负荷。图5中所示的可压缩补偿元件245通过盖251夹持在中间腔8的凹槽处。通过穿孔253把可压缩补偿元件245集成到HWL流中HWL压力连接元件153。为防止腐蚀性HWL流出，在盖251与中间腔8之间有一个0型密封环。与可压缩补偿元件245类似的补偿元件也可以布置在压力过滤器3中或其旁侧。废气处理装置的其他主要组件包括箱 200 ；导管50、151、201 ；HWL吸入连接端口 12 ；HWL压力连接端153 ；以及计量单元连接端156a、156b、157a、157b。由于材料选择和/或采用了可压缩补偿元件，它们同样是抗冻结的。作为一种替代的结构型式，如果某些或全部组件没有采用防冻设计，则也可以配 置一个装置将HWL从泵装置中抽出，这样，在低于零点温度情况下，就不会有由于HWL膨胀 产生破坏的危险。还需特别指出，可以使用不锈钢制成的球形止回阀来代替塑料制成的翼型阀。将HWL喷入废气管路的方式可以是每个计量阀将HWL导入燃烧发动机燃烧室废 气支管的局部管路中；也可以选择将多个计量阀配置在废气管路的汇聚管圆周上，使具有 特大截面的废气流几乎均勻地与HWL雾混合。上述结构型式仅作为本发明的实施例说明，也可将所说明的不同结构型式的特征 进行组合。本专利装置部件的其他未具体描述的特征可从装置部件图纸的几何图形中找 到。本发明主要涉及用于具有极大废气量和/或多条废气支管(177)的柴油燃烧发动 机(155)的SCR废气处理装置。为了能够以低廉成本制造这种SCR废气处理装置，使其在废气和HWL混合度很高 情况下也适用，建议配备多个计量单元Di、D2、Dn，每个单元都有一个将尿素-水溶液喷入废 气管路(177)的喷雾器嘴(101)。同时，可以通过压力传感器测量所有计量单元01、02、0 的 公共管道(50)中的压力。
权利要求
SCR废气处理装置，其特征是，泵(2)向导管(50)中流向一个以上计量单元(D1，D2，Dn)的进口连接件(157a、157b)的尿素 水溶液施压，所述计量单元各自设有一个计量阀门(34)和一个喷雾器嘴(101)，将尿素 水溶液喷入废气管路(177)；同时，计量单元(D1，D2，Dn)的出口连接件(156a、156b)通过比例阀(223)通向液体箱(200)，通过压力传感器(221)测量导管(50)中的压力。
2.如权利要求1所述的SCR废气处理装置，其特征是，所述比例阀(223)在尿素-水溶 液喷射量最大时是完全关闭的。
3.如权利要求1所述的SCR废气处理装置，其特征是，所述各计量单元(D1,D2, Dn)分 别设有一个压力传感器(221)。
4.如权利要求3所述的SCR废气处理装置，其特征是，通过喷雾器嘴(101)对计量单元 (D1, D2, Dn)进行分类，在同一 SCR废气处理装置中只使用同一类别的计量单元(D1, D2, Dn)。
5.如权利要求3或4所述的SCR废气处理装置，其特征是，所述压力传感器(221)输出 信号的平均值就是用于调节泵(2)的优选理论值。
6.如权利要求1所述的电磁超声复合式超声波电动机，其特征是，所述比例阀(223)的 开合度由控制装置(ECU)依据尿素-水溶液的喷射量来调节。
7.如权利要求1所述的SCR废气处理装置，其特征是，所述比例阀(223)在加电状态下 是开启的。
全文摘要
SCR废气处理装置，泵(2)给导管(50)中流向计量单元(D1，D2，Dn)的进口连接件(157a、157b)的尿素-水溶液施压，所述计量单元各自设有一个计量阀门(34)和一个喷雾器嘴(101)，将尿素-水溶液喷入废气管路(177)；同时，计量单元(D1，D2，Dn)的出口连接件(156a、156b)通过比例阀(223)通向液体箱(200)，通过压力传感器(221)测量导管(50)中的压力。设置有计量阀和喷雾器的多个计量单元确保了尿素-水溶液的良好分配和充分反应，压力传感器实现压力的精确调节并使泵更精细雾化，比例阀可消除废气热量并实现循环系统的凝结保护，且本装置成本低廉，特别适合应用于具有极大废气量和/或多条废气支管的燃烧发动机系统中。
文档编号B01D53/94GK101988409SQ20101024793
公开日2011年3月23日 申请日期2010年8月3日 优先权日2009年8月3日
发明者亚历山大·布兰科, 弗雷德里希·夏芙, 海科·斯特曼 申请人:海德里克林有限公司