基本信息
- 项目名称：
- 一种柴油机尿素水溶液供给与雾化装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本尿素水溶液供给与雾化装置是一套与现有采用供给泵的装置不同的装置，是以压缩空气为驱动源，通过计量阀和雾化喷嘴实现尿素水溶液的精确计量和充分雾化。装置采用一体化设计，将所有部件集成在尿素箱内形成一整体，通过CAN命令实施控制，能根据发动机工况，实时、精确控制尿素喷射量。
- 详细介绍：
- 在降低NOx排放的技术中，SCR后处理技术已被证明不仅具有较高的NOx转化率，而且能改善燃油的经济性。SCR的关键技术之一是根据排气中NOx的浓度向其中精确喷入还原剂（通常是尿素水溶液）。实际上，随着发动机工况不同，NOx排放量也不同。如果还原剂喷入过量会导致多余的NH3随废气排入大气，造成二次污染。相反地，还原剂喷入量过少会导致SCR系统NOx转化效率降低。为了实时地精确控制还原剂的喷入量，SCR后处理装置的还原剂供给系统起着至关重要的作用。 为达到国Ⅳ排放标准，重型柴油车主要采用SCR后处理技术，但是国内大多采用国外设计生产的SCR系统，出现国外SCR系统垄断现象，而目前国内还没有一套能实现所需功能且具有自主知识产权的SCR供给系统。 本项目将设计能实现精确、快速响应、具有较高可靠性、一致性和雾化效果的低成本尿素溶液供给系统，该系统能与不同的机型和车型相匹配，且能缩短设计周期，使NOx排放达到国Ⅳ或国Ⅴ排放标准。 本尿素水溶液供给与雾化装置是一套与现有采用供给泵的装置不同的装置，是以压缩空气为驱动源，以两个压力罐为载体，通过压缩空气挤压罐内尿素水溶液，实现尿素水溶液的供给。设计两个二位三通阀、4个单向阀来切换控制2个压力罐的压力，实现尿素水连续供给。设计尿素混合器、雾化喷嘴，通过计量阀和雾化喷嘴实现尿素水溶液的精确计量和充分雾化。装置采用一体化设计，将所有部件集成在尿素箱内形成一整体，通过CAN命令实施控制，能根据发动机工况，实时、精确控制尿素喷射量。本项目具有以下特点：1、无泵，气压驱动；2、一体化设计，与尿素箱集成在一起；3、CAN命令驱动；4、防冻加热措施简单；5、压力波动小（2kPa范围)；6、成本低廉。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品基于柴油机的排放标准及Urea-SCR系统供给装置的要求，设计一套能达国Ⅳ排放标准的柴油机尿素水溶液供给装置。 基本思路：以压缩空气为动力源，压力腔为驱动载体，通过阀的组合控制来实现尿素水溶液的高精度计量喷射与均匀雾化。 创新点：（1）无尿素泵设计。装置采用无尿素液泵设计，以压缩空气及箱体内的压力腔为驱动源和驱动载体，通过阀门控制以此来替代尿素泵的功能。这与现有的供给装置有本质的区别。 （2）一体化设计。结构上，装置将尿素箱、各类阀门、喷嘴、传感器等零部件集都成在一起，使装置结构简单化了。 装置在设计中主要涉及的技术关键点是： （1）装置集成设计中的结构参数匹配。本设计实现了各部件在实现功能上的优化集成及装置的简单化，也做到方便装卸。 （2）本作品通过控制计量阀的频率和占空比实现了尿素水溶液的高精度喷射，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）本设计采用了模拟仿真优化，实现了装置的快速响应。 主要的技术指标：（1）尿素喷射流量范围为50~7000g/h，精度为±0.5%；（2）系统的响应时间在1s以内；（3）装置的整体重量小于10kg；（4）压缩空气消耗量为1.2~3l/h；（5）系统的压力为6.5bar。
科学性、先进性
- 首先，本设计中，一个突出的技术亮点是无尿素液泵的结构设计，只需压缩空气、压力腔和相关阀门等就能实现尿素水的供给，不但减少了装置的尺寸和重量，同时降低了成本。 第二，在严寒环境中，柴油机SCR系统在停机时尿素水溶液会结晶，因此需要加热装置对尿素供给系统进行加热。尿素水溶液流经的距离越长、零部件结构越复杂，加热装置也就越复杂。常规尿素供给系统中的尿素液泵是尿素供给系统中热能量最难传导的部件，此外尿素的冻结和结晶会直接影响泵的寿命和性能。本作品采用了一体化设计，使装置结构简单，且尿素水溶液流经的距离短，零部件结构简单，加热装置简单。 第三，采用了控制计量阀的频率和占空比方式实现高精度喷射，有效地减少了因尿素水溶液过量造成的二次污染。 第四，控制策略采用模型控制，能实时根据柴油机的排放改变喷射量，实现快速响应。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示，图片，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品相对于现有技术，具有如下优点：1.不需要尿素液泵。不需要复杂的尿素供给系统加热装置。2.不需要常规的尿素喷射压力调节器和尿素溶液回流管，精简了结构，提高了系统的可靠性和经济性。3.尿素溶液喷射和雾化的动力都来源于柴油机打气泵，减少了尿素喷射消耗的柴油机能量，提高了柴油机的经济性。 应用前景：我国每年柴油车年产量为大于200万，国IV标准实施后，后处理装置产值预计将超过100亿元。由于该装置结构独立、简单，不受发动机型号、工况的影响，通用性好，对降低排气中的NOx有良好的效果。
同类课题研究水平概述
- 为了满足日趋严格的排放法规，国内外许多汽车及发动机制造商已经开始把SCR技术运用到其产品上，这意味着SCR技术开始进入实用阶段。为了提高Urea-SCR体系净化效率，减少氨气泄漏，MAN公司提出了基于Urea-SCR体系的VHRO系统。博世（BOSCH）公司针对SCR的应用开发了由喷射模块和定量配给模块组成的SCR应用系统DENOXTRONIC。应用DENOXTRONIC系统最多可减少85%的NOx排放和40%的微粒排放，同时保持NH3的泄露在1ppm以下，并可节省5%的油耗。该系统已经能够满足欧Ⅳ和欧Ⅴ排放标准所要求的NOx限值。DENOXTRONIC系统已经被欧洲和日本的主要卡车厂商接受，并从2004年起在量产的车辆上使用。日立（Hitachi）公司针对Urea-SCR系统的NOx转化效率容易受到排气温度的影响开发了一种新型的尿素喷射装置，这种电加热装置就是用于加热Urea，提高低排气温度下Urea的分解效率。验证明这种装置在200℃的排气温度下NOx的转化效率依然能接近100%。 由于我国的排放法规在欧Ⅴ阶段以前比国外发达国家落后，而且国内对SCR技术的研究相对较少，基本处于起步阶段，尚未有成熟的，实用化的技术可供使用。玉柴推出了拥有自主知识产权的国Ⅳ柴油发动机YC6L-40，YC6L-40型柴油机在YC6L-30型柴油机基础上对润滑系统进行了改进，有效的控制了微粒排放。采用“增压中冷+电控燃油喷射系统+SCR”的技术路线，整机排放指标满足国Ⅳ排放标准要求，燃油消耗量比国Ⅲ发动机降低约5%。 国内科技院校对SCR的研究方面，清华大学帅石金、王建昕等人通过数值模拟和发动机台架试验的方法对NOx-SCR技术中做了比较深入的研究；武汉理工大学陈辉、刘丙善等人在玉柴柴油机上对Urea－SCR技术进行了系统集成和电控技术方面的研究；军事交通学院资新运教授详细研究了Ag／Al2O3催化剂，乙醇还原剂的柴油机SCR还原NOx的一般规律，为柴油车NOx净化和系统集成与匹配提供了依据，并且为其它柴油机NOx净化研究提供了理论方法。武汉理工大学的吕林教授对一套自德国引进的SCR硬件系统（PUREM）进行了评价研究，研究搭建了自己的控制装置，并对还原剂喷射装置核心部件喷嘴和计量泵提出了替代方案。
