一种具备预混合功能的高能尿素喷射系统

本发明涉及机动车排放控制，尤其是涉及一种具备预混合功能的高能尿素喷射系统。

背景技术：

1、作为空气污染的主要来源之一，柴油机所排放的nox(no和no2)会造成酸雨、光化学烟雾、温室效应和臭氧层空洞等环境破坏，同时对人体健康也具有不利影响。柴油机的排气系统处于富氧环境，目前用于柴油机稀薄燃烧条件下的nox净化技术主要为选择性催化剂还原(selective catalytic reduction，scr)，该技术可使用hc、nh3和h2等作为nox的还原剂，但目前在道路用柴油机上应用最为普遍的是urea-scr技术，该技术通过向具有一定温度的排气中喷射尿素水溶液，利用尿素水解和热解产生的氨气(nh3)，在催化剂作用下将排气中的氮氧化物(nox)转化为氮气(n2)。

2、我国南北方气候差异巨大，北方部分地区冬季气温可达到-35摄氏度以下，如此低温的环境不仅会导致尿素溶液冻结、scr系统无法喷射尿素，而且在该环境下运行的车辆排气温度也普遍偏低，难以达到尿素水溶液蒸发、热解和水解所需的温度。柴油机的nox排放占汽车nox总排放的80％以上，由于冷启动阶段scr系统无法工作，该阶段的nox排放占整个驾驶循环的50％以上，因此缩短系统达到scr反应条件的时间可有效降低冷启动nox排放。

3、尿素溶液中水的含量占比为67.5％，由于水的比热容大，喷射的尿素溶液与排气混合时，排气能量中很大的一部分将会被用于将水加热至沸点，同时水在发生液-气态相变时亦会吸收大量的热量，导致喷射后的scr系统温度下降明显，非常不利于scr催化系统快速进入高效转化温度窗口，同时也大大增加了尿素结晶风险。

4、针对现有scr系统所存在的上述问题，亟需提出一种更优的尿素喷射系统设计方案，能够优化柴油车尿素系统的设计。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具备预混合功能的高能尿素喷射系统，通过小尺寸换热池、储液腔和电加热尿素管的设计，以及在预混合尿素喷嘴末端设置带通孔的文丘里管，使得对尿素水溶液加热效率更高，有利于整个scr系统快速进入工作状态，提高scr转化效率并降低尿素结晶风险。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种具备预混合功能的高能尿素喷射系统，包括发动机、换热池、尿素罐、尿素泵、尿素喷射单元、后处理系统和scr催化器；

4、所述发动机与换热池管路连接，所述发动机用于将燃油的化学能转换为机械能以为车辆提供行驶的动力，并产生排气；

5、所述换热池用于将发动机冷却液的热量交换给尿素水溶液，实现对存储池中尿素水溶液的加热，并储存剩余尿素水溶液；

6、所述换热池通过尿素管与所述尿素罐连接，所述尿素罐用于储存scr系统工作所需的尿素水溶液，并在低温环境下通过加热电阻丝解冻和加热尿素水溶液；

7、所述尿素泵通过尿素管与所述换热池连接，所述尿素泵用于将尿素从尿素罐内抽出并加压，再经过尿素喷射单元输送到排气管内与排气混合，进行反应，同时将尿素喷射单元中剩余溶液倒抽回换热池或尿素罐；

8、所述发动机、后处理系统、scr催化器依次连接，所述后处理系统包括doc和dpf系统；

9、所述scr催化器用于通过喷入的还原剂，在催化剂的作用下，把排气中的nox还原成n2和h2o。

10、进一步地，还包括冷却水泵、冷却液电磁阀、倒抽泵和混合器；

11、所述冷却水泵设于所述发动机与换热池之间，所述冷却水泵用于提供冷却液进出换热池的流动能量；

12、所述冷却液电磁阀设于所述发动机与换热池之间，所述冷却液电磁阀用于控制发动机冷却液进入换热池，使发动机冷却液与尿素溶液进行热交换；

13、所述倒抽泵设于所述换热池与尿素罐之间，所述倒抽泵用于在发动机停止工作后，和尿素泵一起将换热池中多余的尿素水溶液、所有尿素管和尿素喷射单元中剩余的尿素水溶液倒抽回尿素罐；

14、所述混合器设于所述scr催化器的一侧，所述混合器用于将排气和尿素水溶液喷雾进一步混合均匀。

15、进一步地，所述尿素喷射单元包括尿素管接口、定位固定孔、喷射阀、电气接口和预混合尿素喷嘴，所述尿素管接口与尿素管连接，用于将经尿素泵加压后的尿素引入喷射单元内部；

16、所述定位固定孔用于将尿素喷射单元固定于所述后处理系统中的目标位置；

17、所述喷射阀设于所述尿素喷射单元内部，用于执行dcu(分布式控制单元)的喷射指令，并按照一定占空比开闭以控制喷射速率；

18、所述电气接口用于连接dcu，以对预混合尿素喷嘴进行控制；

19、所述预混合尿素喷嘴包括预混合尿素喷嘴主体，所述预混合尿素喷嘴为文丘里管结构，还包括设于预混合尿素喷嘴主体上端的尿素喷雾入口、设于预混合尿素喷嘴主体下端的预混合出口以及设于预混合尿素喷嘴主体中间侧边的排气入口，所述预混合尿素喷嘴用于喷射雾状尿素溶液，并将尿素泵送来的尿素与空气混合物顺利流喷入排气管中，使喷出的尿素均匀雾化。

20、进一步地，所述尿素喷射单元还包括冷却液入口管和冷却液入口管，所述冷却液入口管和冷却液入口管用于引入循环的冷却液，并对预混合尿素喷嘴进行降温，防止高排温条件下预混合尿素喷嘴过热出现故障。

21、进一步地，所述换热池包括外壳主体，所述外壳主体内部依次设有尿素水溶液换热管、冷却液导流板、电热盘和储液腔；

22、所述冷却液导流板用于为进入换热池的冷却液流动提供导向作用，使冷却液获得更长的换热时间和更高的换热效率；

23、所述尿素水溶液换热管用于从物理上隔绝尿素水溶液与冷却液，通过换热管自身材料的导热属性实现尿素水溶液与冷却液的换热过程；

24、所述电热盘设于所述储液腔中，所述电热盘用于加热储液腔中的尿素水溶液；

25、所述储液腔用于存储经过冷却水加热后的尿素水溶液，保证换热池内始终有部分尿素水溶液能快速进入工作状态。

26、进一步地，还包括温度传感器、nox传感器和压力传感器；

27、所述温度传感器分别设于所述冷却水泵出口、尿素罐、换热池出口、预混合尿素喷嘴入口，用于检测水溶液的温度；

28、所述温度传感器还设于发动机出口、scr入口和scr出口，用于检测气体温度；

29、所述nox传感器分别设于所述发动机出口和scr出口，用于检测出口排气的nox浓度；

30、所述压力传感器分别设于尿素泵出口和scr入口，用于检测出口处的尿素水溶液压力和排气压力；

31、所述尿素罐上还设有尿素品质传感器和尿素液位传感器，所述尿素品质传感器用于检测尿素罐内的尿素水溶液浓度；所述尿素液位传感器用于检测尿素罐内的尿素水溶液液位。

32、进一步地，所述换热池外壳主体的顶部设有尿素水溶液入口，所述外壳主体上端一侧设有冷却液出口通道，所述外壳主体下端一侧设有冷却液入口通道，所述冷却液入口通道下方设有尿素罐回流口，所述外壳底部设有尿素水溶液出口，所述冷却液入口通道上设有温度传感器；

33、所述冷却液入口通道、冷却液出口通道、尿素水溶液入口和尿素水溶液出口用于提供水溶液流通通道；

34、所述尿素罐回流口设于储液腔上部，用于在scr停止工作后提供换热管中的尿素水溶液回流至尿素罐的通道，以避免低温结冰堵塞、破坏换热管；

35、所述温度传感器用于检测冷却液和尿素温度。

36、进一步地，所述尿素管包括电加热尿素管和普通尿素管，所述电加热尿素管设于所述尿素泵上游和尿素泵下游，所述尿素泵上游的电加热尿素管用于将管内的尿素水溶液加热至接近沸腾状态；

37、所述尿素泵下游的电加热尿素管用于将经尿素泵加压后的尿素溶液加热至过热状态，并输送加热加压后的尿素溶液至预混合尿素喷嘴。

38、进一步地，在发动机启动后，高能尿素喷射系统对尿素罐内尿素温度进行加热判断，防止加热系统的重复作用，具体为：

39、当尿素罐温度高于设定温度t1时，开启尿素罐与换热池之间的电磁阀，使尿素水溶液流入换热池中；

40、当换热池入口冷却液的温度高于设定温度t2时，开启换热池上游的冷却液电磁阀，发动机冷却液通过换热池的冷却液入口通道进入换热池中，与换热管内的低温尿素水溶液进行换热。

41、进一步地，在发动机启动后，高能尿素喷射系统还对储液腔内的尿素温度进行加热判断，具体为：

42、当储液腔内的尿素温度高于目标温度t3时，尿素泵从换热池中抽取尿素并加压后送至电加热尿素管，电加热尿素管通过预混合尿素喷嘴入口的温度传感器的反馈值对加热功率进行控制，将加压后的尿素进一步加热至目标温度t4后输送到尿素喷射单元中，尿素喷射单元将尿素喷雾和排气在喉管处预混合，随后进入排气系统。

43、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

44、1、本发明通过小尺寸换热池+储液腔+电加热尿素管的设计，使得能量被高效地用于加热需要喷入排气系统的尿素水溶液，避免了传统尿素供给系统对整个尿素罐的尿素水溶液进行加热这一粗放型加热模式的导致的低能效问题；使得对尿素水溶液加热效率更高，还原剂供给系统达到工作状态的时间更短，有利于整个scr系统在冷启动阶段快速进入工作状态。

45、2、本发明通过换热池储液腔中的电热盘实现高效的初级加热，然后通过尿素泵对初级加热后的尿素水溶液加压以提升其沸点，并进一步通过尿素泵下游的电加热尿素管道完成尿素水溶液的二次加热，使得尿素溶液在喷射前进入高压过热状态，具备非常高的内能。这一高能状态可为其之后的预混合过程、蒸发过程、热解过程和水解过程创造更好的相态条件和能量条件。

46、3、本发明通过在预混合尿素喷嘴末端设置带通孔的文丘里管，实现尿素水溶液喷雾与排气的快速预混合。这一设计能够有效促进喷入系统前的尿素水溶液高效蒸发和分解，相比于传统喷射方式，该预混合喷嘴的喷雾在进入混合器前具备更好的混合均匀性，从而降低喷射-混合系统对布置空间的需求、提高scr转化效率并可大大降低尿素结晶风险。