专利名称：一种用于内燃机氮氧化物催化转化器的还原剂供给装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机氮氧化物催化转化器的还原剂供给装置，属于汽车尾气排放控制
背景技术：
内燃机的排气中含有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)等污染物。人们常采用催化转化器等后处理技术，将它们转化为二氧化碳(CO2)、水(H2O)和氮气(N2)等无害成分。CO、HC转化为CO2、H2O的过程是氧化反应，NOx转化为N2的过程是还原反应。常规汽油机可以将空燃比控制在化学计量比附近工作，排气中CO、HC和NOx互为氧化剂和还原剂，在三效催化剂(TWC)的作用下CO、HC和NOx的转化效率非常高，可以满足严格的排放法规要求。但是，柴油机或稀薄燃烧汽油机等是在偏稀的空燃比下工作，由于排气中存在较多的氧气，即富氧环境，CO和HC很容易用技术成熟的氧化催化剂进行转化，而NOx的还原反应却难以进行。目前，富氧环境中NOx的后处理技术正处于研究开发中，还没有实用化产品。在研究中，人们发现如果在NOx催化转化器上游的排气中，加进还原性物质，如碳氢燃料、尿素、乙醇等，就可以提高NOx的转化效率。这种方法称为选择性催化还原(SCR)。
随着汽车排放法规的加严，稀燃NOx的催化转化后处理显得不可避免。还原剂供给装置实用化的研究也在加紧进行。专利EP 1331 373公开了一种“还原剂供给系统”(ReductantSupply System)，它针对直接插入排气管中的还原剂喷嘴易受排气高温而堵塞的情况，提出一种在喷口即将堵塞前加喷一些还原剂以保持喷口畅通的方法。该方法由于将喷嘴直接插入高温排气中，所以容易结焦，尽管多喷一些还原剂可以避免堵塞，但高温会降低喷嘴的使用寿命，而且多喷还原剂使得成本增加，也加大了还原剂的贮存量，不利于在运输车辆上使用。
英国Johnson Matthey公司发表的论文SAE 952489“Development of Test Methods forLean-NOx Catalyst Evaluation”中介绍了在实验室研究中向稀燃NOx催化转化剂供给还原剂的试验方法和装置。该装置用来将还原剂(柴油)喷射到排气管中，即柴油通过一个电磁阀开关流入齿轮泵，流经齿轮泵的柴油在喷嘴中与压缩空气混合进入排气管。该装置的还原剂流量是通过齿轮泵来控制的，喷嘴只是起混合作用，而且齿轮泵只能对还原剂流量进行稳态控制，不能进行瞬态控制，因而不适应内燃机运行中变工况对还原剂喷射量的要求。
发明内容
本发明的目的是针对选择性催化还原系统提供一种实用的向内燃机稀燃NOx催化转化器供给还原剂的装置。该装置既可有效防止喷口处因还原剂高温结焦而阻塞，又可在排气管内充分雾化和均匀分布还原剂，并可对还原剂流量进行定时定量的瞬态控制，从而可以提高喷射装置的使用寿命、催化转化器的转化效率和还原剂的有效利用率。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的一种用于内燃机氮氧化物催化转化器的还原剂供给装置，其特征在于该装置包括固定在内燃机排气管上的还原剂喷射器，还原剂贮存罐和输送泵，压缩空气贮气罐和气体控制阀以及用来控制还原剂供给装置的电子控制器；所述的还原剂喷射器包括喷射器本体，安装在本体内的电磁阀喷嘴，与该喷嘴出口相连的导流环以及带多孔喷头的混合管，该混合管伸入到排气管内；在所述的喷射器本体上分别设有冷却液进口和冷却液出口以及压缩空气进口；所述的还原剂贮存罐、输送泵通过管路与喷射器中的电磁阀喷嘴的进口相连，压缩空气贮气罐、气体控制阀通过管路与所述的压缩空气进口相连；所述的电子控制器通过控制线路分别与所述的电磁阀喷嘴、气体控制阀及内燃机连接。
本发明提出的还原剂供给装置与现有技术相比，具有以下特点及突出性效果①液态还原剂不直接喷入排气管，而是先进入混合管，在混合管中与压缩空气混合、雾化后，再通过混合管的多孔喷头散喷到排气管中；这样还原剂的雾化、散射可使还原剂更广泛地散布到催化剂的表面，提高还原剂的有效利用率。②还原剂喷嘴不直接安装在排气管上，可以避开排气管高温的影响，再加上压缩空气的冷却和冷却液的降温，可有效提高还原剂供应装置的使用寿命和运行的可靠性。③还原剂和空气的混合气通过混合管头部的多孔喷头喷入排气管，使还原剂在排气中均匀分布；压缩空气通过导流环产生旋流，促使还原剂与压缩空气加速混合，压缩空气还可防止喷嘴堵塞。④电磁阀喷嘴能用脉冲电流定时定量地控制还原剂的瞬时喷射量，适应内燃机运行中变工况对还原剂喷射量的要求。⑤压缩空气控制阀是一个能改变空气通道面积大小从而控制空气流量的阀门，既可以与还原剂喷嘴阀同时开闭，也可以在喷嘴关闭时单独开启，单独开启时，压缩空气只用来冷却喷嘴。⑥本发明采用电子控制器控制整个还原剂供给装置，电子控制器能事先根据发动机的运行工况设定还原剂和压缩空气的供给时刻和供应量，因而能适应内燃机运行中变工况对还原剂喷射量的要求。
图1为本发明提供的还原剂供给装置的总体结构示意图。
图2为还原剂喷射器的结构示意图。
图3为导流环实施例的结构示意图。
图4为带有多孔喷头的混合管实施例的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作过程及最佳实施方式。
该还原剂供给装置主要包括还原剂喷射器3，还原剂贮存罐6和输送泵7，压缩空气贮气罐8和气体控制阀9以及用来控制还原剂供给装置的电子控制器5；还原剂喷射器3安装在排气管2上，向催化转化器4供给还原剂。还原剂贮存罐6、输送泵7通过管路与喷射器3连接；压缩空气贮气罐8、气体控制阀9通过管路与和喷射器3连接；电子控制器5通过控制线路分别与还原剂喷射器3、气体控制阀9及内燃机1连接(如图1所示)。
图2为原剂喷射器的结构示意图。所述的还原剂喷射器3包括喷射器本体22，安装在本体内的电磁阀喷嘴15，与该喷嘴出口19相连的导流环17以及带多孔喷头20的混合管18，该混合管伸入到排气管2内；在所述的喷射器本体上分别设有冷却液进口10和冷却液出口11以及压缩空气进口16。在所述的电磁阀喷嘴的出口与混合管之间的导流环17上，至少设有两个切向或螺旋通气槽21。
该供给装置的工作过程如下输送泵7将液体状态的还原剂从贮存罐6以一定的压力输入喷射器3，再从电磁阀喷嘴15的出口19喷出。与此同时，一定压力的压缩空气从贮气罐8经过气体控制阀9进入喷射器3，在混合管18中与从喷嘴出口19喷出的还原剂混合，形成混合气。混合气以雾化状态从混合管18经多孔喷头20喷入排气管2中，进而随发动机排气散布至催化转化器4内NOx催化剂的表面。为防止排气管2的高温影响喷射器3的正常工作，内燃机冷却系统或另外设置的冷却系统(图1未表示)的冷却液从冷却液进口10进入喷射器内腔13，对喷射器进行冷却，再从出口11流回冷却系统。
电子控制器5通过控制线路与电磁阀喷嘴15上的电控接口23相连，电磁阀喷嘴能用脉冲电流定时定量地控制还原剂的瞬时喷射量，适应内燃机运行中变工况对还原剂喷射量的要求。电子控制器用脉冲电流向电磁阀喷嘴发出指令，控制电磁阀的开闭，进而控制还原剂的供给时刻和数量。还原剂从还原剂进口24进入电磁阀喷嘴15，从喷嘴出口19喷出，进入混合管18。与此同时，经气体控制阀9来的压缩空气从压缩空气进口16进入喷射器本体22，沿着空气通道14引到喷嘴出口19的四周，再经过导流环17上的通气槽21使压缩空气形成旋流，与上述喷嘴出口19喷出的还原剂混合，在混合管18中形成混合气，最后经多孔喷头20喷入排气管2中。导流环17是一个圆柱环状的零件，其外圆柱面与喷嘴出口19的外圆相接，内圆柱面与混合管18的内腔相接。导流环上至少设有两个切向通气槽或螺旋通气槽21。该槽的进口通过空气通道14与所述的压缩空气进口16相连通，该槽的出口与所述的混合管18的内腔相通。导流环外的压缩空气，流经该通气槽后，即在内圆柱面内形成旋流，流入混合管18中。图3为导流环一个具体的实施例，可以根据喷出的还原剂的形态和特性，将导流环上的通气槽制成各种形状，使气流形成不同强度的旋流，促使还原剂更好地雾化。
混合管18是喷射器3的重要零件，多孔喷头至少设有两个喷孔；其喷出口的位置及朝向会影响还原剂的有效利用率，一般混合管的喷出口在排气管中的朝向应与排气管中排气的流动方向同向或逆向或呈一角度；多孔喷头应位于排气管的中部或管壁或其间的任一位置，其具体的位置及朝向应根据所在排气管的形状和喷雾进行设定。混合管18管口的多孔喷头20，用焊接或机械方式与混合管固紧，喷头上的喷孔可以制成各种形状，以使气雾状的还原剂沿混合管出口的轴向喷出或向管口四周散射等。图4为带有多孔喷头的混合管实施例的结构示意图。上述进入喷射器3的压缩空气除了雾化和散布还原剂的作用外，还对喷嘴15起冷却作用，使喷嘴不致因还原剂高温结焦而阻塞。压缩空气输入喷油器的时刻和数量由气体控制阀9进行控制。气体控制阀9是一个能改变空气通道面积大小、使压力一定的压缩空气的流量发生变化的阀门，其阀杆可由电磁线圈或步进电机等驱动。此控制阀同样由电子控制器5控制，它既可以与喷嘴电磁阀15同时开闭，也可以在喷嘴关闭时单独开启。单独开启时，压缩空气只用来冷却喷嘴。压缩空气进口16以及冷却液进口10、冷却液出口11可采用内燃机或汽车常用的胶管或钢管等连接方式与喷射器3连接。
电磁阀喷嘴15采用内燃机燃油喷嘴常用的压板或其他连接方式连同导流环17一起装在喷射器本体22上；还原剂混合管18及多孔喷头20伸入到排气管中，用焊接或机械方式与喷射器本体22紧固。整个喷射器部件用螺纹或法兰等机械连接方式安装在内燃机排气管2上。
还原剂供给装置用电子控制器5进行控制。电子控制器根据来自内燃机各种传感器输入的转速、负荷(油门开度)、冷却液温度、进气流量、排气温度、排气成分等信号，结合存贮的各种数据、经过分析运算，以电信号向还原剂喷嘴、气体控制阀等执行器件发出动作指令，控制还原剂和压缩空气的输入时刻及数量。
权利要求
1.一种用于内燃机氮氧化物催化转化器的还原剂供给装置，其特征在于该装置包括固定在内燃机排气管上的还原剂喷射器(3)，还原剂贮存罐(6)和输送泵(7)，压缩空气贮气罐(8)和气体控制阀(9)以及用来控制还原剂供给装置的电子控制器(5)；所述的还原剂喷射器包括喷射器本体(22)，安装在本体内的电磁阀喷嘴(15)，与该喷嘴出口(19)相连的导流环(17)以及带多孔喷头(20)的混合管(18)，该混合管伸入到排气管(2)内；在所述的喷射器本体上分别设有冷却液进口(10)和冷却液出口(11)以及压缩空气进口(16)；还原剂贮存罐(6)、输送泵(7)通过管路与喷射器中的电磁阀喷嘴的进口相连，压缩空气贮气罐(8)、电磁控制阀(9)通过管路与所述的压缩空气进口相连；所述的电子控制器(5)通过控制线路与所述的电磁阀喷嘴、电磁控制阀及内燃机(1)连接。
2.按照权利要求1所述的还原剂供给装置，其特征在于所述的电磁阀喷嘴的出口与混合管之间的导流环(17)上至少设有两个切向通气槽或螺旋通气槽(21)，该槽的进口通过空气通道(14)与所述的压缩空气进口(16)相连通，该槽的出口与所述的混合管(18)的内腔相通。
3.按照权利要求1或2所述的还原剂供给装置，其特征在于所述的带多孔喷头(20)的混合管(18)的喷出口在排气管中的朝向与排气管中排气的流动方向同向或逆向或呈一角度；多孔喷头(20)位于排气管的中部或管壁或其间的任一位置。
4.按照权利要求3所述的还原剂供给装置，其特征在于所述的多孔喷头至少设有两个喷孔。
全文摘要
一种用于内燃机氮氧化物催化转化器的还原剂供给装置，属于汽车尾气排放控制技术。本发明包括还原剂喷射器，还原剂贮存罐和输送泵，贮气罐和气体控制阀以及电子控制器；还原剂喷射器由喷射器本体，电磁阀喷嘴，带多孔喷头的混合管组成，并设有冷却液进口、出口及压缩空气进口。本发明的特点是还原剂在混合管中与压缩空气混合，经多孔喷头散喷到排气管中，均匀地散布到催化剂表面，提高了还原剂的有效利用率；而且还原剂喷嘴不直接安装在排气管上，避开了排气管高温，加上压缩空气和冷却液的降温，可提高供应装置运行的可靠性和使用寿命。电子控制器可对还原剂流量进行瞬态控制，因而适应内燃机运行中变工况的需要，是一种实用的还原剂供给装置。
文档编号F01N3/10GK1560439SQ20041000447
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月27日 优先权日2004年2月27日
发明者帅石金, 徐仲伦, 王建昕, 肖建华 申请人:清华大学