专利名称：内燃机尾气净化的后处理系统过程中用于还原剂溶液抽取、计量并释放的计量泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机排放控制，尤其是涉及内燃机尾气净化的后处理系统过程中用 于还原剂溶液抽取、计量并释放的计量泵。
背景技术：
由于对改进燃油经济性的迫切需要，柴油机及稀薄燃烧(lean burn)汽油机的应 用近年来迅速增加。然而由于燃烧室及其废气中含有过多的氧，使这些发动机排出大量氮 氧化物而致使采用普通的三元催化剂的方法无法起作用。针对此问题，人们已经提出多种 还原氮氧化物的后处理技术。其中，在尾气中注入氨作为还原剂与选择性还原催化剂(SCR) 配合使用被认为是将有毒的氮氧化物转化为无害气体的一种最有效的方法。然而氨本身是 一种有毒气体，并且在机动车上携带大量压缩氨也存在安全及其它问题。尿素溶液被认为 是氨气的一种很好的替代物，因为尿素在高温时可分解出氨，而且安全性高，对环境无害。 事实上，可向发动机尾气注入尿素水溶液，其产生的氨在SCR作用下与氮氧化物反应形成 水和氮气。为了实现该技术，需要一个能输送与计量尿素溶液的装置。剂量泵便是这一种 集抽取、计量、加压并释放尿素溶液等多功能于一体的装置。关于还原剂的输送计量方法与装置已有多项发明与专利。其中，以Ching H. (George)Wu在福特汽车公司以及博世(Bosch)公司的关于尿素溶液注射系统的专利最 具有代表性。Ching H. Wu发明的剂量泵以固定体积抽取溶液来实现计量与输送。而博世的 专利则采取液体循环的方式来保持液体恒定加力然后再通过计量阀或剂量泵来实现计量 与输送。Ching H. Wu的发明虽然具有体积小，省能，剂量准确及制造成本低等优点，但需前 置加压。实践中发现，如果没有前置加压帮助将液体有效供给计量泵，计量泵本身的抽取能 力不足，不能实现精确计量。而Bosch的系统则结构复杂，耗能高，造价高且体积大，与单个 的计量泵系统相比，没有商业化前途。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种内燃机尾气净化的后处理系统过程中用于 还原剂溶液抽取、计量并释放的计量泵。该计量泵能充分地抽取还原剂溶液并精确定量；该 计量泵在抽取时以过量方式抽取以保证将还原剂溶液充分地吸入泵内，然后将过量部分退 回，留下一个固定体积的还原剂溶液并将其释放出来。为解决上述技术问题，本发明一种内燃机尾气净化的后处理系统过程中用于还原 剂溶液抽取、计量并释放的计量泵，该计量泵包含一个液缸，一个在液缸内作往复运动的活 塞，和与液缸相连用来输导液体流动的阀门和管道；活塞的运动由脉冲宽度模拟(FPWM)信
3号控制控制；活塞在缸中作往复运动，每周释放一固定量的液体；最终释放液体的剂量则 由该活塞运动的频率与每运动一次所释放的量来决定。计量泵的工作状态分两部分抽取 液体到液缸内然后从释放阀释放所需量的液体；在抽取过程中，活塞抽取比所需量(剂量) 略多的液体到液缸内以保证充分抽取；在释放过程中，活塞先将多余部分矫正驱回液源并 留下所需剂量的液体，最后将这留下的剂量部分液体释放出去；这部分留下来的液体由缸 内一个固定体积的腹腔所决定；此发明还包括一个利用文丘里原理降低气压的管道与计量 泵的释放阀连接，以减少计量阀释放液体的阻力并可以提高从计量泵到喷嘴的液体传输速 度。本发明给市场提供了 一个经济而有效的还原剂计量输送装置。由于取消了前置加 压，该发明使得整个后处理系统结构更加简单，可靠，制造成本进一步降低，安装空间进一 步缩小；同时，还具有其它计量泵所有的优点，比如剂量供给稳定，抗外界干扰性强，安装体 积小，能耗少，成本低廉等。另外，新的管道使得还原剂输送系统对发动机工况变化反应灵 敏，而且进一步降低了计量泵的能耗。
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细的说明。图1是一个示意图，显示计量泵的一种形式，通过活塞行程实现过量抽取液体，活 塞由电磁与空气驱动。图2是一个示意图，显示同步控制信号的两种种形式。图3是一个示意图，显示计量泵的一种形式，活塞由电磁与弹簧驱动。图4是一个示意图，显示计量泵的一种形式，液体由活塞中间穿过。图5是一个示意图，显示与图4 一样的计量泵形式，但在入口处加一单向阀以提高 剂量准备效率。图6是一个示意图，显示计量泵的一种形式，通过具有不同直径的活塞实现过量 抽取液体上。图7是一个示意图，显示与图6 —样的计量泵，但少一个入口限流阀。图8是一个示意图，显示与图6类似的计量泵形式，但含双槽液缸，而且活塞完全 由电磁驱动。图9是一个示意图，显示计量泵的一种形式，双缸设计。图10是一个示意图，显示气路管道的一种形式，利用文丘里原理降低管壁空气压 力。图11是一个示意图，显示气路管道的一种形式，利用文丘里原理降低管壁空气压 力。以上所有图中数字所代表的部件名称解释如下3:液体供给管 300:缸体305:计量阀活塞 310 抽取
阀315 释放阀 320 剂量液室(下液室) 322 抽取液室(上液室)324 放气孔 326 弹簧330 三通阀332 两通 阀
340:液体回路 342:下液室液体返回槽 344 上液室液体返回槽350 剂量线
具体实施例方式示意图1显示本发明，即计量泵(以下为装置)的一种形式的主要结构。该装置主 要由缸体300与活塞305构成，活塞在缸内作往复运动，每往复一周完成液体的抽取，计量 和释放。缸内有一部分作为剂量液室(以下称下液室或液室)320与液体抽取阀310，液体 释放阀315和液体回路340相连。其中阀门310为单向阀，其开与关由液体流向控制。当 活塞305向上运行，液室320内产生负压，液体抽取阀310被液压打开，液体释放阀315关 闭，液体被吸入液室320。当活塞305运行到缸顶(最高位置)时，活塞305的底部越过了 剂量线350导致比所需剂量多的液体被抽取到缸内。当活塞向下运行时，液室320内产生 正压，液体抽取阀310被液压关闭，此时液体释放阀315仍保持关闭，活塞将剂量线以上的 多余液体经液体返回槽342挤出并通过液体回路340驱回液体供给管33。当活塞底部抵 达剂量线350，所有多余的液体都被排出缸外，所剩下的在剂量线350和液缸底部之间的液 体即为所需的剂量。此时，由于液体不可压缩，活塞将停止向下运行直到液体释放阀315被 打开。一旦释放阀315被打开，活塞将继续向下运行到底部，将一定量体积(剂量)的液体 释放到计量泵外与空气混合。为了将液体排出到有一定气压的空气输送管450中，需要给 活塞305 —个足够的驱动力以克服空气输入管450中的压力。当液体释放过程完成后，释 放阀315关闭，活塞向上运行，下一个周期开始。活塞每往复运行一周，计量泵便释放出一 固定量体积的液体。活塞往复运动频率越快，在某一固定时间内计量泵所释放的剂量就越 多。活塞305的运动可由脉冲幅宽模拟(FPWM)信号控制。活塞305的驱动可以有各种不 同的安排。图1中所示的安排，活塞向下的运动由电磁力驱动，而活塞的返回向上运动则由 活塞与液缸顶部之间的真空负压来驱动。图3 7所示的安排则由弹簧与电磁力联合驱动 活塞的运动。当然，活塞305也可以完全只由电磁力驱动(如图8所示)。如果液体释放阀 315是由电磁力驱动(如图1和图3所示)，其控制信号须与活塞控制信号协调。图2显示 控制信号的两个样板。如果在活塞305向下的一个行程中，释放阀315被打开关闭不止一 次，则可以获得更高精度的剂量。液体释放阀315开关也可以由液/气的压力驱动而不需 要电磁信号来控制(如图4 8所示)。在这种情形下，释放阀315在弹簧(图中省略未显 示)与空气压力的联合作用下在整个活塞305的运行周期中保持关闭直到最后需要释放液 体时，即由于活塞305抵达剂量线350时，液室320的压力增加达到足够大，克服作用在释 放阀315上的弹簧与空气输送管内壁气压的双重阻力将释放阀315打开并将液体释放到空 气输送管450中。当发动机关机时，三通阀330转向液路包括供液管33，液体回路340和液缸内供 气，管道内的液体在压缩空气的压力下被驱回液源，如液体储存罐(图中未显示)，活塞305 继续运行若干次以达到清洗计量泵以及计量泵至喷嘴(图中未显示)的液/气通道。清洗 完成后，三通阀330转到原位(正常工作位置)，停止向液路供气，准备下一次启动。三通阀 330其实也可以由两通阀332来取代(如图6和图7所示)。图3所显示装置与图1所显示的装置类似，所述缸体上部设有开口 324，缸体上部 和活塞之间设有连接弹簧326。只不过活塞305由弹簧和电磁力联合驱动。比如，电磁力驱
5动活塞向下运动，而弹簧驱动活塞向上运动，或者相反。图4显示装置的另一种形式。所述活塞305中部是中空的，活塞305上表面与缸 体300之间设有弹簧326连接，活塞中空管道的下端设有单向阀360 ；安装在活塞305上的 阀门360和释放阀315勻为单向阀，其开与关由液体流向和压力控制。活塞向上运动时，液 体将活塞上的单向阀360打开并穿过活塞305注入液室320。当活塞305越过剂量线350 时致过量填充，液体同时还经返回槽342填充到下液室320。活塞向下运动时，液体经液缸 顶部抽入上液室322，将下液室的多余液体经返回槽342和返回通道340驱回液源。当活塞 抵达剂量线350，剂量准备完毕。液体释放阀315是一个含弹簧(图中简化未显示)的单向 阀。它在活塞的整个往复运动周期中在其弹簧和空气输送管450内压缩空气的联合作用下 保持关闭直到活塞到达剂量线350。当活塞抵达剂量线350，液室320内的液体只留下释放 阀315 —个出口。如果驱动力足够大，能克服释放阀弹簧与压缩空气的阻力，活塞将继续向 下运动，强迫释放阀315打开，将液室320内的液体经释放阀315排出液缸。图5显示的装置与图4所示的装置类似，只不过在液缸顶部加装了一个单向阀 310，避免缸内液体从顶部回流，提高下液室320的填充效率。图6显示装置的另一种形式。所述活塞(305)的外表面设有环形凹槽部，该环形凹 槽部内设有弹簧，该弹簧上端固定在活塞(305)上，下端固定在缸体(300)上。上液室322 的直径比下液室320稍大；相应地，活塞上部分的直径也比下部分稍大。当活塞305从液缸 顶部向下运动时，在液压的作用下，液体释放阀315和单向限流阀370打开，活塞上的单向 阀360关闭，活塞将下液室320中固定量的液体经释放阀315排出到液缸外，同时，将新鲜 液体抽入上液室322。由于上液室直径比下液室直径大，抽入的液体比排出的液体要多。这 样，既使由于某种原因，在上液室322并未完全充满的情况下也能保证抽入上液室322的液 体多于所需剂量，即下液室的体积。下液室320的体积由活塞底部与液缸的底部之间的空 间来确定。当活塞运行到顶部时，下液室320的体积达最大，这就是活塞每往复运行一周所 释放的剂量，即计量泵的单位剂量。当活塞向上运行时，液体释放阀315和单向限流阀370 关闭，单向阀360打开，液体在活塞所产生的压力下从上液室流向下液室并将下液室充满。 但是，由于上液室322的直径比下液室320大，液体又不可压缩，所以上液室的液体除了用 来充满下液室外，还有多余的液体将被返回到供液管33。这就需要有一排泄(回流)通道 让液体在阀门370关闭时从上液室322回流到供液管33。该通道的形成可以有多种方式， 比如可以在阀门370(阀门或阀门座)或上液室322与回流通道340之间任何位置开一小 孔或小槽，可让少量液体流过。该孔(或槽)的大小需适当，既可以使上液室产生一定的压 力以帮助下液室有效填满，又不能对活塞运动形成过大阻力。假如上液室的直径比下液室 设计得足够大，单向限流阀370可以免去(如图7所示)，液体直接由入口返回。此时，液体 入口与返回口为同一口。其实，图6所示装置的功能也可以由两个或多个独立缸体与活塞在协调的控制信 号与驱动力下实现。比如，图6中的缸体可以是两个上下独立的缸体以便于加工制作。活 塞也可以是两个单独的活塞。图8显示的装置与图6所示的装置类似，但缸体开有两个槽，即上下液室个开有一 液体返回槽342和344。上液槽344用于在活塞向上运动初期将多余液体驱回液体供给管 33。当活塞底部高于下液槽342，液体将由下液槽342返回。在该设计中，阀门370为单向
6阀，没有液体返回通道。上述所有的变化形式中，三通阀330或两通开关阀332可以与计量泵集成为一个 装置，也可作为一个单独的装置通过管道和计量泵相连。其实，图1和图3 8所示装置的功能也可以由两个或多个独立缸体与活塞在协 调的控制信号与驱动力下实现。比如，图9所示，在两个上下独立的缸体内各置一活塞也可 达到类似效果。该装置中，两个活塞可以由一个同步控制信号控制向上运动，此时，液体释 放阀315打开，大液缸抽取液体，小液缸释放液体。剂量由小液缸的体积确定。当小液缸内 液体释放完成后，液体释放阀315关闭，大活塞在弹簧作用下向下运动，液体从大液缸流向 小液缸，小活塞在液压作用下向下运行直至缸底。当然，两个液缸也可以是相同的直径，用 两个行程不同的活塞也可达到同样效果，即抽取液体总是稍微多于所需剂量。多余液体可 留在负责抽取的(即上面的)缸内以便下次用，这样下一次抽取活塞的行程可以短一些。其 结果是靠调节抽取缸内的液体量来保证对(下面)具有恒定剂量液缸的充满。另一中方法 是开一液体返回通道将多余液体返回。图10显示空气输送管在计量泵释放阀315处变狭窄，这样使得该处空气流动速度 增加，从而利用文丘里效应降低对释放阀315的压力，减少驱动活塞305所需能量。图11则 显示另外一种类似利用文丘里原理降低释放阀处空气压力的样板。液气混合体既可以直接 喷入发动机排气管内并经过混合器进一步雾化也可以由喷嘴喷入发动机排气管(图10)。本文所述仅是本发明的一种形式。而本项发明却包括了多种不同的变化形式。每 一项具体细节可以有无限多种不同的形式，组合或安排，本文没有赘述。任何对本发明的改 动或采用不同方式，方法的组合与安排，其结果也仍属于本项发明范围之内。
权利要求
内燃机尾气净化的后处理系统过程中用于还原剂溶液抽取、计量并释放的计量泵，包括缸体(300)和活塞(305)，所述缸体(300)外设有电磁线圈；其特征在于所述缸体的下部设有一固定容积剂量液室(320)，所述缸体的侧壁上设有液体返回槽(342)，该液体返回槽(342)下端的水平线即为固定容积剂量液室(320)的剂量线(350)；所述固定容积剂量液室(320)的下部设有液体释放阀(315)，在所述液体释放阀(315)和固定容积剂量液室(320)之间的连通孔道侧面设有单向的液体抽取阀(310)；所述液体抽取阀(310)与还原剂溶液供液管(33)连接相通，所述液体返回槽(342)也与还原剂溶液供液管(33)连接相通。
2.根据权利要求1所述的计量泵，其特征在于所述活塞(305)由脉冲幅宽模拟信号 控制，所述液体释放阀315由电磁力驱动，且该电磁力控制信号与活塞控制信号相协调。
3.根据权利要求1或2所述的计量泵，其特征在于所述缸体上部设有开口(324)，缸 体(300)上部内表面和活塞(305)之间设有连接弹簧(326)。
4.内燃机尾气净化的后处理系统过程中用于还原剂溶液抽取、计量并释放的计量泵， 包括缸体(300)和活塞(305)，所述缸体(300)外设有电磁线圈；其特征在于所述缸体 (300)的下部设有一固定容积剂量液室(320)，所述缸体的侧壁上设有液体返回槽(342)， 该液体返回槽(342)下端的水平线即为固定容积剂量液室(320)的剂量线(350)；所述固 定容积剂量液室(320)的下部设有单向液体释放阀(315)；所述液体返回槽(342)与还原 剂溶液供液管(33)连接相通；所述缸体(300)的顶部设有开口，该开口与还原剂溶液供液 管(33)连接相通；所述活塞(305)中部是中空的，活塞(305)上表面与缸体(300)之间设 有弹簧(326)连接，活塞中空管道的下端设有单向阀(360)。
5.根据权利要求4所述的计量泵，其特征在于所述缸体(300)的顶部开口处设有单 向阀(310)。
6.内燃机尾气净化的后处理系统过程中用于还原剂溶液抽取、计量并释放的计量泵， 包括缸体(300)和活塞(305)，其特征在于所述缸体(300)分为上液室(322)和下部的固 定容积剂量液室(320)；所述上液室(322)比所述固定容积剂量液室(320)的直径大；所述 缸体(300)的顶部开口，该开口与还原剂溶液供液管(33)连接相通；所述缸体(300)的下 部设有液体释放阀(315)；所述缸体(300)的侧面设有放气孔(324)；所述活塞(305)是中 空的，中空管道的下端设有单向阀(360)；所述活塞(305)的外表面设有环形凹槽部，该环 形凹槽部内设有弹簧，该弹簧上端固定在活塞(305)上，下端固定在缸体(300)上。
7.根据权利要求6所述的计量泵，其特征在于所述缸体顶部开口处设有单向限流阀 (370)。
8.根据权利要求6所述的计量泵，其特征在于所述上液室(322)侧壁上设有液体返 回槽(344)；所述固定容积剂量液室(320)侧壁上设有液体返回槽(342)。
全文摘要
本发明公开了内燃机尾气净化的后处理系统过程中用于还原剂溶液抽取、计量并释放的计量泵，包括缸体(300)和活塞(305)，所述缸体(300)外设有电磁线圈；所述缸体的下部设有一固定容积剂量液室(320)，所述缸体的侧壁上设有液体返回槽(342)，该液体返回槽(342)下端的水平线即为剂量线(350)；所述固定容积剂量液室(320)的下部设有液体释放阀(315)，在所述液体释放阀和固定容积剂量液室(320)之间的连通孔道侧面设有单向的液体抽取阀(310)；所述液体抽取阀(310)与还原剂溶液供液管(33)连接相通，所述液体返回槽(342)也与还原剂溶液供液管(33)连接相通。本发明结构简单，可靠，成本低，剂量供给稳定，抗干扰性强，安装体积小，能耗少。
文档编号F01N3/08GK101936276SQ20101024715
公开日2011年1月5日 申请日期2008年11月20日 优先权日2008年11月20日
发明者吴靖雄, 李平, 郭进端 申请人:张家口百通环保科技有限公司