一种气体辅助式计量喷射系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种车辆SCR后处理系统及其控制方法，具体的涉及一种气体辅助式计量喷射系统及其控制方法。

背景技术：

选择性催化还原(SCR)技术是在20世纪50年代由美国人首先提出的,至70年代最先在日本得到开发应用,于1978年实现工业化。由于此方法效率高,去除NO_X的能力可达90％以上,在世界各地被广泛应用于对机动车的NO_X排放控制。柴油机排出的有害气体包含氮氧化物(NO_X)，在SCR后处理系统中用尿素溶液作为还原剂来去除柴油机尾气中的氮氧化物(NO_X)，从而达到国家的相应排放法规的要求。该系统的工作原理是：尾气进入排气管，在排气管上安装有尿素喷嘴，喷入车用尿素溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成氨，经过催化器内部，氨和氮氧化物发生还原反应，生成氮气和水，从而达到净化尾气的作用。公知的是，尿素计量泵装置是SCR后处理系统的核心部件，关键技术是尿素溶液的喷射精度、喷雾效果的控制，尿素溶液的喷射精度和雾化效果是保障催化剂转换效率的关键，而在现有技术中，是利用压缩空气与尿素溶液在尿素计量泵内进行混合雾化，这会使的尿素溶液在气液混合状态易结晶，从而造成尿素溶液的喷射雾化的效果和喷射精度降低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种喷射雾化效果好、喷射精度高的气体辅助式计量喷射系统及其控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种气体辅助式计量喷射系统,包括计量泵、双流体喷嘴、还原剂存贮装置、压缩空气源和后处理控制器，所述计量泵内设有相互独立的还原剂通路和压缩空气通路，所述还原剂通路的进口与所述还原剂存贮装置相连，所述压缩空气通路的进口与所述压缩空气源相连，所述还原剂通路的出口和压缩空气通路的出口分别对应连接所述双流体喷嘴的液体通道和气体通道，所述还原剂通路中设有液体调控机构，所述压缩空气通路中设有气体调控机构，所述液体调控机构和气体调控机构分别与所述后处理控制器电连接。

本发明的有益效果是：在本发明一种气体辅助式计量喷射系统中，在计量泵中采用相互独立的还原剂通路和压缩空气通路，所述还原剂存贮装置中的还原剂和所述压缩空气源中的压缩空气分别经由所述计量泵内相互独立的还原剂通路和压缩空气通路，并经由所述双流体喷嘴内部的液体通道和气体通道后在所述双流体喷嘴的端面进行气液混合雾化；本发明的计量泵内部不含有液体与气体的混合腔，极大的避免了还原剂在气液混合状态易结晶的风险，从而提高了还原剂喷射雾化的效果和喷射精度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述液体调控机构包括从进口到出口依次分布的膜片泵头、流量计量单元、液体脉动缓冲单元和液体压力传感器，所述气体调控机构包括从进口到出口依次分布的导通电磁阀、调压单元和气体压力传感器。

进一步，所述计量泵内还设有循环水加热解冻通路，所述循环水加热解冻通路中设有断水电磁阀，所述断水电磁阀与所述后处理控制器电连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：由于还原剂在气温低于-11℃的时候会结冰，为了保证本发明的系统在低温时的正常使用，计量泵内配置有循环水加热解冻通路，循环水加热解冻通路中的化冰的热源来源于发动机的冷却液，当整车的电控单元通过尿素罐温度传感器感应到尿素温度较低时，后处理控制器根据尿素罐温度传感器感应的温度打开断水电磁阀，热的发动机冷却液将顺着管道流向循环水加热解冻通路，使尿素罐中的冰融化及加热计量泵。

进一步，所述还原剂通路和压缩空气通路之间设有一个常闭电磁阀，所述常闭电磁阀用于在发动机关闭时导通还原剂通路和压缩空气通路，并使压缩空气通路中的压缩空气吹扫还原剂通路中的还原剂以排空还原剂通路和双流体喷嘴气体通道中的还原剂。

基于上述一种气体辅助式计量喷射系统，本发明还提供一种气体辅助式计量喷射系统的控制方法。

一种气体辅助式计量喷射系统的控制方法，对上述所述的一种气体辅助式计量喷射系统进行控制，包括以下步骤：

S1，当计量泵接通电源时，计量泵进入停止状态：压缩空气通路启动并使压缩空气源中的压缩空气流入压缩空气通路中，还原剂通路暂停启动，当压缩空气通路与还原剂通路中的压力差达到预设值时，后处理控制器触发还原剂通路开启；

S2，启动发动机，计量泵进入填充状态：后处理控制器根据发动机的工况电信号控制液体调控机构定量的从还原剂存贮装置内抽吸还原剂填充至还原剂通路中，排空还原剂通路中的空气；

S3，填充状态完成后计量泵进入喷射状态：后处理控制器根据还原剂通路中还原剂的流量控制气体调控机构调节压缩空气通路中压缩空气的压力，同时使还原剂和压缩空气分别通过双流体喷嘴的液体通道和气体通道进行喷射并在在双流体喷嘴的端面雾化；

S4，关闭发动机，计量泵进入排空状态：后处理控制器控制还原剂通路停止运作，压缩空气通路继续运作，压缩空气通路中的压缩空气将还原剂通路和双流体喷嘴的液体通道中剩余的还原剂在双流体喷嘴的端面处进行吹洗排空。

本发明的有益效果是：在本发明一种气体辅助式计量喷射系统的控制方法中，计量泵存在停止状态，填充状态，喷射状态和排空状态四种状态，后处理控制器根据发动机的工况电信号计算所需还原剂量，控制计量泵按需抽吸还原剂至还原剂通路内，提高了还原剂的喷射精度和可靠性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，在步骤S1中，当计量泵接通电源时，压缩空气通路中的导通电磁阀开启，使压缩空气源中的压缩空气流入压缩空气通路中。

进一步，步骤S2具体为，后处理控制器根据发动机的工况电信号驱动电机带动计量泵内部的膜片泵头工作，膜片泵头产生吸力将还原剂存贮装置内的还原剂抽吸到还原剂通路中，且后处理控制器控制流量计量单元定量的导流还原剂，同时，后处理控制器控制液体脉动缓冲单元对还原剂进行缓冲处理，液体压力传感器对还原剂进行压力检测，并将检测到的液体压力值反馈给后处理控制器。

进一步，计量泵在填充状态时，后处理控制器根据液体压力传感器反馈的还原剂的压力值监控还原剂通路的状态，

若液体压力传感器检测的压力值大于第一预设值而不持续增加，则后处理控制器反馈计量泵的填充状态完成；

若液体压力传感器检测的压力值小于第二预设值，则后处理控制器控制计量泵进入停止状态；

若液体压力传感器检测的压力值不在第三预设值与第四预设值之间时，则后处理控制器发出故障报文，并控制计量泵停止运作。

采用上述进一步方案的有益效果是：液体压力传感器给后处理器反馈还原剂通路中还原剂的压力，能有效提高计量泵的计量精度和可靠性。

进一步，在步骤S3中，后处理控制器根据流量计量单元计量的还原剂的流量控制调压单元调整压缩空气通路中的压缩空气的压力，使还原剂的流量与压缩空气的压力相匹配；同时，通过气体压力传感器检测压缩空气通路中压缩空气的压力，并将检测到的压缩空气的压力值反馈给后处理控制器。

采用上述进一步方案的有益效果是：后处理控制器根据流量计量单元计量的还原剂的流量控制调压单元调整压缩空气通路中的压缩空气的压力，使还原剂的流量与压缩空气的压力相匹配，使得双流体喷嘴端面处的雾化效果达到良好的状态。

进一步，当计量泵在低于预设温度值T的状态时，后处理控制器控制断水电磁阀打开，解冻计量泵并同时解冻还原剂存贮装置中的还原剂。

采用上述进一步方案的有益效果是：当计量泵处于低温状态时，后处理控制器控制断水电磁阀打开，解冻计量泵和还原剂存贮装置中的还原剂，保证计量泵在低温时正常运行。

附图说明

图1为本发明一种气体辅助式计量喷射系统的结构框图；

图2为本发明一种气体辅助式计量喷射系统的控制方法的流程图；

图3为本发明一种气体辅助式计量喷射系统的控制方法的逻辑图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种气体辅助式计量喷射系统,包括计量泵、双流体喷嘴、还原剂存贮装置、压缩空气源和后处理控制器，所述计量泵内设有相互独立的还原剂通路和压缩空气通路，所述还原剂通路的进口与所述还原剂存贮装置相连，所述压缩空气通路的进口与所述压缩空气源相连，所述还原剂通路的出口和压缩空气通路的出口分别对应连接所述双流体喷嘴的液体通道和气体通道，所述还原剂通路中设有液体调控机构，所述压缩空气通路中设有气体调控机构，所述液体调控机构和气体调控机构分别与所述后处理控制器电连接。所述液体调控机构包括从进口到出口依次分布的膜片泵头、流量计量单元、液体脉动缓冲单元和液体压力传感器，所述气体调控机构包括从进口到出口依次分布的导通电磁阀、调压单元和气体压力传感器。所述计量泵内还设有循环水加热解冻通路，所述循环水加热解冻通路中设有断水电磁阀，所述断水电磁阀与所述后处理控制器电连接；由于还原剂在气温较低的时候会结冰，为了保证本发明的系统在低温时的正常使用，计量泵内配置有循环水加热解冻通路，循环水加热解冻通路中的化冰的热源来源于发动机的冷却液，当整车的电控单元通过尿素罐温度传感器感应到尿素温度较低时，后处理控制器根据尿素罐温度传感器感应的温度打开断水电磁阀，热的发动机冷却液将顺着管道流向循环水加热解冻通路，使尿素罐中的冰融化及加热计量泵。所述还原剂通路和压缩空气通路之间设有一个常闭电磁阀，所述常闭电磁阀用于在发动机关闭时导通还原剂通路和压缩空气通路，并使压缩空气通路中的压缩空气吹扫还原剂通路中的还原剂以排空还原剂通路和双流体喷嘴气体通道中的还原剂；只有在排空阶段常闭电磁阀会打开，压缩空气通路的气压大于还原剂通路的液压，压缩空气通路中的压缩空气会将还原剂通路中残余的还原剂吹扫干净，达到排空的目的。

在本发明中，计量泵可以是尿素计量泵，还原剂可以是尿素溶液。

在本发明一种气体辅助式计量喷射系统中，后处理控制器根据发动机的工况电信号控制电机带动计量泵内部的膜片泵头工作，产生吸力将还原剂存贮装置里面的还原剂吸入计量泵的还原剂通路中，根据还原剂通路中的流量计量单元的计量控制流入还原剂通路中的还原剂的量，同时，后处理控制器控制液体脉动缓冲单元对还原剂进行缓冲处理，进而将还原剂推送到双流体喷嘴的液体通道中。对于压缩空气源中的压缩空气，压缩空气经过导通电磁阀进入计量泵的压缩空气通路中，再经过调压单元的调压处理后导通到双流体喷嘴的气体通道中，并在双流体喷嘴的端面处和还原剂进行喷射雾化。还原剂通路中的液体压力传感器检测还原剂通路中的还原剂的压力值并反馈给后处理控制器，方便后处理控制器进行调节控制。压缩空气通路中的气体压力传感器检测压缩空气通路中压缩空气的压力值并反馈给后处理控制器，方便后处理控制器进行调节控制，基于计量泵液体压力传感器和气体压力传感器的反馈处理逻辑提高了计量泵的计量精度和可靠性。

还原剂和压缩空气在双流体喷嘴的端面处喷射雾化原理为：压缩空气和还原剂经由双流体喷嘴内部通道在气液混合雾化面(端面)相遇，还原剂在高压作用下，以很高的速度喷射出喷嘴，进入到静止或低速的压缩空气气流中；还原剂经过加压后获得较大的动能，经过小孔后还原剂将以很大的速度喷射出去，在还原剂表面张力、粘性及空气阻力的相互作用下，还原剂由滴落，平滑流、波状流向喷雾流逐渐转变，加之压缩空气在双流体喷嘴内部的气体通道的导流下形成环状压缩空气气流，并包围还原剂喷出，辅助提高了还原剂的雾化效果。公知的是对雾化效果改善较大的因素是气液压力差，而本发明所述的还原剂计量泵通过压缩空气通路中的调压单元调整压缩空气的气压值来匹配计量泵中还原剂的喷射量，以达到更理想的雾化效果，最佳效果可以得到索特尔平均直径SMD≤15um的雾化颗粒。

本发明涉及一种气体辅助尿素计量系统用于将还原剂和压缩空气雾化混合后定量喷入汽车尾气处理系统中，使雾化后还原剂与发动机排气进行均匀混合并进行化学反应，净化排气中的氮氧化物。本发明优势在于使得计量泵计量精确，雾化精细，同时本发明所述的计量泵内部不含有液体与气体的混合腔，极大的避免了还原剂在气液混合状态易结晶的风险。

基于上述一种气体辅助式计量喷射系统，本发明还提供一种气体辅助式计量喷射系统的控制方法。

如图2所示，一种气体辅助式计量喷射系统的控制方法，对上述所述的一种气体辅助式计量喷射系统进行控制，包括以下步骤：

S1，当计量泵接通电源时，计量泵进入停止状态：压缩空气通路启动并使压缩空气源中的压缩空气流入压缩空气通路中，还原剂通路暂停启动，当压缩空气通路与还原剂通路中的压力差达到预设值时，后处理控制器触发还原剂通路开启；

S2，启动发动机，计量泵进入填充状态：后处理控制器根据发动机的工况电信号控制液体调控机构定量的从还原剂存贮装置内抽吸还原剂填充至还原剂通路中，排空还原剂通路中的空气；

S3，填充状态完成后计量泵进入喷射状态：后处理控制器根据还原剂通路中还原剂的流量控制气体调控机构调节压缩空气通路中压缩空气的压力，同时使还原剂和压缩空气分别通过双流体喷嘴的液体通道和气体通道进行喷射并在在双流体喷嘴的端面雾化；

S4，关闭发动机，计量泵进入排空状态：后处理控制器控制还原剂通路停止运作，压缩空气通路继续运作，压缩空气通路中的压缩空气将还原剂通路和双流体喷嘴的液体通道中剩余的还原剂在双流体喷嘴的端面处进行吹洗排空。

在步骤S1中，当计量泵接通电源时，压缩空气通路中的导通电磁阀开启，使压缩空气源中的压缩空气流入压缩空气通路中。

步骤S2具体为，后处理控制器根据发动机的工况电信号驱动电机带动计量泵内部的膜片泵头工作，膜片泵头产生吸力将还原剂存贮装置内的还原剂抽吸到还原剂通路中，且后处理控制器控制流量计量单元定量的导流还原剂，同时，后处理控制器控制液体脉动缓冲单元对还原剂进行缓冲处理，液体压力传感器对还原剂进行压力检测，并将检测到的液体压力值反馈给后处理控制器。

计量泵在填充状态时，后处理控制器根据液体压力传感器反馈的还原剂的压力值监控还原剂通路的状态，

若液体压力传感器检测的压力值大于第一预设值而不持续增加，则后处理控制器反馈计量泵的填充状态完成；

若液体压力传感器检测的压力值小于第二预设值，则后处理控制器控制计量泵进入停止状态；

若液体压力传感器检测的压力值不在第三预设值与第四预设值之间时，则后处理控制器发出故障报文，并控制计量泵停止运作。

在步骤S3中，后处理控制器根据流量计量单元计量的还原剂的流量控制调压单元调整压缩空气通路中的压缩空气的压力，使还原剂的流量与压缩空气的压力相匹配；同时，通过气体压力传感器检测压缩空气通路中压缩空气的压力，并将检测到的压缩空气的压力值反馈给后处理控制器。

在步骤S4中，排空的过程为：在排空状态时，常闭电磁阀会打开压缩空气通路和还原剂通路会连通，此时，压缩空气通路的气压大于还原剂通路的液压，压缩空气通路中的压缩空气会将还原剂通路中残余的还原剂吹扫干净，达到排空的目的。

当计量泵在低于预设温度值T的状态时，后处理控制器控制断水电磁阀打开，解冻计量泵并同时解冻还原剂存贮装置中的还原剂；由于还原剂在气温较低的时候会结冰，为了保证本发明的系统在低温时的正常使用，计量泵内配置有循环水加热解冻通路，循环水加热解冻通路中的化冰的热源来源于发动机的冷却液，当整车的电控单元通过尿素罐温度传感器感应到尿素温度较低时，后处理控制器根据尿素罐温度传感器感应的温度打开断水电磁阀，热的发动机冷却液将顺着管道流向循环水加热解冻通路，使尿素罐中的冰融化及加热计量泵。

在本发明一种气体辅助式计量喷射系统的控制方法中，

计量泵进入填充状态，目的是为了排除还原剂通路中的空气，使泵腔内快速建立压力。填充成功后，计量泵进入喷射等待状态，当发动机的转速和排温达到预先标定好的条件后，后处理控制器控制还原剂计量泵按要求的喷射量准确的抽吸还原剂，同时将一直有压缩空气从双流体喷嘴喷出。还原剂的喷射量由后处理控制器根据发动机的工况来精确计算。还原剂雾化后被喷射到排气管中，与发动机排气进行均匀混合并进行化学反应，净化排气。

当发动机关闭后，依然有压缩空气流经双流体喷嘴以进行吹洗，该吹洗动作可以预设持续X秒，因此当发动机关闭X秒后方可切断整车电源时后处理控制器掉电，我们可以设定X＝30，即该吹洗动作可以预设持续30秒，因此当发动机关闭30秒后方可切断整车电源时后处理控制器掉电。

后处理控制器控制计量泵定量抽吸还原剂的过程为：后处理控制器采集发动机的工况电信号(发动机的工况电信号宝包括发动机的转速和扭矩信号)后(为了计算更加精确，后处理控制器还可以以采集排气管中的排气温度信号和催化器温度信号再结合发动机的转速和扭矩信号来作为计算条件)，然后通过整车的电控系统根据输入参数查找存储的尿素喷射脉谱图，计算出此时所需的尿素量；再经过驱动电路，转化为喷射脉冲信号，控制计量泵内部膜片泵动作，膜片泵将一定量的尿素从尿素罐中抽出，加压过滤后形成具有一定压力的还原剂待用。当发动机的排气温度达到要求时，后处理控制器将一定量还原剂与压缩空气混合雾化喷入SCR催化器入口前端参与化学反应，以达到降低尾气排放中的氮氧化物含量。

图3是本发明一种气体辅助式计量喷射系统的控制方法的逻辑图，其反应本发明一种气体辅助式计量喷射系统的控制方法的整体逻辑关系：由图3可以看出，计量泵在“停止”“填充”“喷射”“排空”四个状态的工作逻辑关系，由开始的后处理控制器上电，计量泵进入停止状态，此时判断系统是否正常，如果不正常则停留在停止状态，如果正常则进入填充状态；在填充状态时，判断填充是否完成，如果填充没有完成，则返回至停止状态，如果填充完成，则进入喷射状态；在喷射状态时，监控喷射状态是否正常，如果不正常，则进入停止状态，如果正常，则判断有无断电和信号丢失或接受到排空指令，如果没有，则继续进行喷射状态，如果有，则进入排空状态，然后结束。本发明以简单的逻辑控制方法，实现了后处理系统中计量泵的“停止”“填充”“喷射”“排空”的工作；基于计量泵压力传感器的反馈处理逻辑提高了计量泵的计量精度和可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。