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基本信息

項目名稱:
一種柴油機尿素水溶液供給與霧化裝置
小類:
機械與控制
簡介:
本尿素水溶液供給與霧化裝置是一套與現有采用供給泵的裝置不同的裝置,是以壓縮空氣為驅動源,通過計量閥和霧化噴嘴實現尿素水溶液的精確計量和充分霧化。裝置采用一體化設計,將所有部件集成在尿素箱內形成一整體,通過CAN命令實施控制,能根據發動機工況,實時、精確控制尿素噴射量。
詳細介紹:
在降低NOx排放的技術中,SCR后處理技術已被證明不僅具有較高的NOx轉化率,而且能改善燃油的經濟性。SCR的關鍵技術之一是根據排氣中NOx的濃度向其中精確噴入還原劑(通常是尿素水溶液)。實際上,隨著發動機工況不同,NOx排放量也不同。如果還原劑噴入過量會導致多余的NH3隨廢氣排入大氣,造成二次污染。相反地,還原劑噴入量過少會導致SCR系統NOx轉化效率降低。為了實時地精確控制還原劑的噴入量,SCR后處理裝置的還原劑供給系統起著至關重要的作用。 為達到國Ⅳ排放標準,重型柴油車主要采用SCR后處理技術,但是國內大多采用國外設計生產的SCR系統,出現國外SCR系統壟斷現象,而目前國內還沒有一套能實現所需功能且具有自主知識產權的SCR供給系統。 本項目將設計能實現精確、快速響應、具有較高可靠性、一致性和霧化效果的低成本尿素溶液供給系統,該系統能與不同的機型和車型相匹配,且能縮短設計周期,使NOx排放達到國Ⅳ或國Ⅴ排放標準。 本尿素水溶液供給與霧化裝置是一套與現有采用供給泵的裝置不同的裝置,是以壓縮空氣為驅動源,以兩個壓力罐為載體,通過壓縮空氣擠壓罐內尿素水溶液,實現尿素水溶液的供給。設計兩個二位三通閥、4個單向閥來切換控制2個壓力罐的壓力,實現尿素水連續供給。設計尿素混合器、霧化噴嘴,通過計量閥和霧化噴嘴實現尿素水溶液的精確計量和充分霧化。裝置采用一體化設計,將所有部件集成在尿素箱內形成一整體,通過CAN命令實施控制,能根據發動機工況,實時、精確控制尿素噴射量。本項目具有以下特點:1、無泵,氣壓驅動;2、一體化設計,與尿素箱集成在一起;3、CAN命令驅動;4、防凍加熱措施簡單;5、壓力波動?。?kPa范圍);6、成本低廉。

作品圖片

  • 一種柴油機尿素水溶液供給與霧化裝置
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作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

本作品基于柴油機的排放標準及Urea-SCR系統供給裝置的要求,設計一套能達國Ⅳ排放標準的柴油機尿素水溶液供給裝置。 基本思路:以壓縮空氣為動力源,壓力腔為驅動載體,通過閥的組合控制來實現尿素水溶液的高精度計量噴射與均勻霧化。 創新點:(1)無尿素泵設計。裝置采用無尿素液泵設計,以壓縮空氣及箱體內的壓力腔為驅動源和驅動載體,通過閥門控制以此來替代尿素泵的功能。這與現有的供給裝置有本質的區別。 (2)一體化設計。結構上,裝置將尿素箱、各類閥門、噴嘴、傳感器等零部件集都成在一起,使裝置結構簡單化了。 裝置在設計中主要涉及的技術關鍵點是: (1)裝置集成設計中的結構參數匹配。本設計實現了各部件在實現功能上的優化集成及裝置的簡單化,也做到方便裝卸。 (2)本作品通過控制計量閥的頻率和占空比實現了尿素水溶液的高精度噴射,既有效地降低了NOx排放,又避免了氨泄露造成的二次污染。 (3)本設計采用了模擬仿真優化,實現了裝置的快速響應。 主要的技術指標:(1)尿素噴射流量范圍為50~7000g/h,精度為±0.5%;(2)系統的響應時間在1s以內;(3)裝置的整體重量小于10kg;(4)壓縮空氣消耗量為1.2~3l/h;(5)系統的壓力為6.5bar。

科學性、先進性

首先,本設計中,一個突出的技術亮點是無尿素液泵的結構設計,只需壓縮空氣、壓力腔和相關閥門等就能實現尿素水的供給,不但減少了裝置的尺寸和重量,同時降低了成本。 第二,在嚴寒環境中,柴油機SCR系統在停機時尿素水溶液會結晶,因此需要加熱裝置對尿素供給系統進行加熱。尿素水溶液流經的距離越長、零部件結構越復雜,加熱裝置也就越復雜。常規尿素供給系統中的尿素液泵是尿素供給系統中熱能量最難傳導的部件,此外尿素的凍結和結晶會直接影響泵的壽命和性能。本作品采用了一體化設計,使裝置結構簡單,且尿素水溶液流經的距離短,零部件結構簡單,加熱裝置簡單。 第三,采用了控制計量閥的頻率和占空比方式實現高精度噴射,有效地減少了因尿素水溶液過量造成的二次污染。 第四,控制策略采用模型控制,能實時根據柴油機的排放改變噴射量,實現快速響應。

獲獎情況及鑒定結果

作品所處階段

中試階段

技術轉讓方式

作品可展示的形式

現場演示,圖片,樣品

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

本作品相對于現有技術,具有如下優點:1.不需要尿素液泵。不需要復雜的尿素供給系統加熱裝置。2.不需要常規的尿素噴射壓力調節器和尿素溶液回流管,精簡了結構,提高了系統的可靠性和經濟性。3.尿素溶液噴射和霧化的動力都來源于柴油機打氣泵,減少了尿素噴射消耗的柴油機能量,提高了柴油機的經濟性。 應用前景:我國每年柴油車年產量為大于200萬,國IV標準實施后,后處理裝置產值預計將超過100億元。由于該裝置結構獨立、簡單,不受發動機型號、工況的影響,通用性好,對降低排氣中的NOx有良好的效果。

同類課題研究水平概述

為了滿足日趨嚴格的排放法規,國內外許多汽車及發動機制造商已經開始把SCR技術運用到其產品上,這意味著SCR技術開始進入實用階段。為了提高Urea-SCR體系凈化效率,減少氨氣泄漏,MAN公司提出了基于Urea-SCR體系的VHRO系統。博世(BOSCH)公司針對SCR的應用開發了由噴射模塊和定量配給模塊組成的SCR應用系統DENOXTRONIC。應用DENOXTRONIC系統最多可減少85%的NOx排放和40%的微粒排放,同時保持NH3的泄露在1ppm以下,并可節省5%的油耗。該系統已經能夠滿足歐Ⅳ和歐Ⅴ排放標準所要求的NOx限值。DENOXTRONIC系統已經被歐洲和日本的主要卡車廠商接受,并從2004年起在量產的車輛上使用。日立(Hitachi)公司針對Urea-SCR系統的NOx轉化效率容易受到排氣溫度的影響開發了一種新型的尿素噴射裝置,這種電加熱裝置就是用于加熱Urea,提高低排氣溫度下Urea的分解效率。驗證明這種裝置在200℃的排氣溫度下NOx的轉化效率依然能接近100%。 由于我國的排放法規在歐Ⅴ階段以前比國外發達國家落后,而且國內對SCR技術的研究相對較少,基本處于起步階段,尚未有成熟的,實用化的技術可供使用。玉柴推出了擁有自主知識產權的國Ⅳ柴油發動機YC6L-40,YC6L-40型柴油機在YC6L-30型柴油機基礎上對潤滑系統進行了改進,有效的控制了微粒排放。采用“增壓中冷+電控燃油噴射系統+SCR”的技術路線,整機排放指標滿足國Ⅳ排放標準要求,燃油消耗量比國Ⅲ發動機降低約5%。 國內科技院校對SCR的研究方面,清華大學帥石金、王建昕等人通過數值模擬和發動機臺架試驗的方法對NOx-SCR技術中做了比較深入的研究;武漢理工大學陳輝、劉丙善等人在玉柴柴油機上對Urea-SCR技術進行了系統集成和電控技術方面的研究;軍事交通學院資新運教授詳細研究了Ag/Al2O3催化劑,乙醇還原劑的柴油機SCR還原NOx的一般規律,為柴油車NOx凈化和系統集成與匹配提供了依據,并且為其它柴油機NOx凈化研究提供了理論方法。武漢理工大學的呂林教授對一套自德國引進的SCR硬件系統(PUREM)進行了評價研究,研究搭建了自己的控制裝置,并對還原劑噴射裝置核心部件噴嘴和計量泵提出了替代方案。
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