尾气处理用尿素系统及车辆

技术领域

本发明属于车辆排气系统技术领域，具体涉及一种尾气处理用尿素系统及车辆。

背景技术

针对轻型柴油车对国Ⅵ排放法规的排放路线主要有两种后处理布置处理方式，分别如图1中的a、b所示。SCR(选择性催化还原装置)或者SDPF(具有颗粒捕集器的选择性催化还原装置)均为净化氮氧化物的装置，其必须的反应剂是NH

目前，在实际使用过程中，CO(NH

发明内容

本发明实施例提供一种尾气处理用尿素系统及车辆，旨在解决排气管内的尿素结晶严重的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：第一方面，提供一种尾气处理用尿素系统，包括：

尿素喷射单元，包括尿素喷嘴，尿素喷嘴设于排气管上，用于朝向选择性催化还原装置的进口方向喷射尿素；

水传感器，设于排气管内，且位于尿素喷嘴远离选择性催化还原装置的一侧，用于检测排气管内的水分子含量；

补水单元，包括水喷嘴，水喷嘴设于排气管上，且位于尿素喷嘴和水传感器之间，水喷嘴用于朝向排气管内喷水；

其中，在水传感器检测到排气管内的水分子含量低于设定水阈值时，补水单元朝向排气管内喷水。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，尾气处理用尿素系统还包括温度传感器，温度传感器设于排气管上，用于检测选择性催化还原装置的进口侧温度，温度传感器的温度检测值和水传感器的水分子含量检测值共同控制水喷嘴的开启时机。

一些实施例中，温度传感器对水喷嘴的控制优先级高于水传感器；其中，在进口侧温度处于第一区间时，水喷嘴向排气管内喷水；在进口侧温度处于第二区间时，水传感器控制水喷嘴的开启时机；在进口侧温度处于第三区间时，水喷嘴关闭。

示例性的，在进口侧温度处于第一区间时，水喷嘴以第一流量喷水；在进口侧温度处于第二区间，且水传感器的水分子含量检测值低于设定水阈值时，水喷嘴以第二流量喷水。

举例说明，第一区间的温度值高于第二区间的温度值，第二区间的温度值高于第三区间的温度值；第一流量大于或等于第二流量。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，水传感器包括：

壳体，连接于排气管上；

固体电解质芯，设于壳体内，内部设有相互连通的第一腔室和第二腔室，第一腔室具有与排气管的内腔连通的气体通道；

第一电催化电极，设于第一腔室的腔壁上；

第二电催化电极，设于固体电解质芯的外壁上，且与第一电催化电极之间施加第一电压；

第三电催化电极，设于第二腔室的腔壁上，表面设有用于吸附水分子的颗粒层，第三电催化电极与第二电催化电极之间施加第二电压；

其中，第一电压用于平衡经第一腔室进入第二腔室内的尾气含氧量，第二电压用于产生变量以判断进入第二腔室内的尾气含水量。

一些实施例中，第一电催化电极、第二电催化电极、第三电催化电极均包括Pt颗粒涂层。

一些实施例中，用于吸附水分子的颗粒层为Pt颗粒、SnO

举例说明，固体电解质芯为氧化锆制成。

本发明提供的尾气处理用尿素系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明尾气处理用尿素系统，通过在尿素喷嘴远离选择性催化还原装置的一侧设置水传感器，能够检测排气管内的尾气与尿素热解反应之前的水分子含量，并在检测到水分子含量低于设定水阈值时利用补水单元通过水喷嘴向排气管内喷水，从而保证充足的水分子参与到尿素的热解反应中，以减少尿素在排气管内的结晶现象，尤其是在排气管内SCR前的部位、尿素喷嘴的周壁、混合器(若有)等金属表面上的结晶附着，从而解决因尿素结晶而引发的排气系统堵塞问题，进而提高发动机排气系统的长期工作稳定性。

第二方面，本发明实施例还提供了一种车辆，包括上述尾气处理用尿素系统，具有与上述尾气处理用尿素系统相同的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为现有技术中两种常用的排气系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的尾气处理用尿素系统的结构示意图；

图3为本发明实施例所采用的尿素喷射单元的结构示意图；

图4为本发明实施例所采用的水传感器的结构示意图；

图5为本发明实施例所采用的水传感器的工作原理示意图；

图6为本发明实施例所采用的SnO

图7为本发明实施例所采用的SnO

图中：10、尿素喷嘴；11、尿素箱；12、尿素泵；13、尿素输送管路；20、水传感器；201、第一区域；202、第二区域；203、第一Pt电极；204、第二Pt电极；21、固体电解质芯；211、第一腔室；212、第二腔室；213、气体通道；22、第一电催化电极；23、第二电催化电极；24、第三电催化电极；30、水喷嘴；31、压力水箱；40、温度传感器；50、排气管；60、选择性催化还原装置。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在另一个元件上。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者若干个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图2至图5，现对本发明提供的尾气处理用尿素系统进行说明。所述尾气处理用尿素系统，包括尿素喷射单元、水传感器20，以及补水单元；尿素喷射单元包括尿素喷嘴10，尿素喷嘴10设于排气管50上，用于朝向选择性催化还原装置60的进口方向喷射尿素；水传感器20设于排气管50内，且位于尿素喷嘴10远离选择性催化还原装置60的一侧，用于检测排气管50内的水分子含量；补水单元包括水喷嘴30，水喷嘴30设于排气管50上，且位于尿素喷嘴10和水传感器20之间，水喷嘴30用于朝向排气管50内喷水；其中，在水传感器20检测到排气管50内的水分子含量低于设定水阈值时，补水单元朝向排气管50内喷水。

应当解释的是，本实施例中尿素喷射单元和补水单元的结构本身为现有技术的常用结构，其中，尿素喷射单元如图3所示，包括尿素箱11、尿素泵12、尿素输送管路13，以及尿素喷嘴10，尿素喷嘴10固定在排气管50上，尿素箱11内储存的液态尿素通过尿素泵12加压经尿素输送管路13泵入尿素喷嘴10喷入排气管50内的SCR前方；补水单元如图2中所示，包括压力水箱31(或者储水箱与水泵的组合结构)、输水管，以及水喷嘴30，水喷嘴30连接在排气管50上，压力水箱31内的水在压力作用下经输水管进入水喷嘴30而喷入排气管50；此外，本实施例中涉及到尿素喷射单元、补水单元及水传感器20的电路连接与控制均与车辆ECU连接即可，例如尿素喷射动作的启闭、喷水动作的启闭以及水传感器20的检测结果等。

在此应说明的是，本实施例提供的尾气处理用尿素系统能够减少甚至消除排气系统内部尿素结晶现象的原理在于：

首先，SCR或者SDPF是净化氮氧化物的装置，当然他所必须的反应剂是氨，氨在SCR或者SDPF中与氮氧化物反应包括如下三个反应式：

2NH

8NH

4NH

其次，尿素作为氨的载体，在尿素喷嘴10将尿素喷入SCR前热解生成二氧化碳和氨，从而满足反应式(1)、(2)、(3)对于氨的需求。在理想状态下的热解过程包括如下三个反应式：

CO(NH

HNCO+H

3HNCO→(HNCO)

由反应式(4)、(5)、(6)可见，尿素CO(NH

在实际运行过程中，由于排气系统内的高温条件，尿素会随着水分的蒸发或逃脱，逐渐饱和析出异氰酸，进而形成结晶的必要前提条件，这时若有补充的水分参与反应就能够打破该结晶条件而减少甚至消除结晶现象。

在以上原理支持下，通过设置水传感器20检测排气管50内的水分子含量，从而能够向车辆ECU反馈补水时机，即当水传感器20检测的水分子含量小于设定水阈值时，车辆ECU控制补水单元工作，水喷嘴30向排气管50内喷水以补充水分，从而保证有水能够参与到尿素的热解反应，减少结晶。

本实施例提供的尾气处理用尿素系统，与现有技术相比，通过在尿素喷嘴10远离选择性催化还原装置60的一侧设置水传感器20，能够检测排气管50内的尾气与尿素热解反应之前的水分子含量，并在检测到水分子含量低于设定水阈值时利用补水单元通过水喷嘴30向排气管50内喷水，从而保证充足的水分子参与到尿素的热解反应中，以减少尿素在排气管50内的结晶现象，尤其是在排气管50内SCR前的部位、尿素喷嘴10的周壁、混合器(若有)等金属表面上的结晶附着，从而解决因尿素结晶而引发的排气系统堵塞问题，进而提高发动机排气系统的长期工作稳定性。

在一些实施例中，参见图2，尾气处理用尿素系统还包括温度传感器40，温度传感器40设于排气管50上，用于感应选择性催化还原装置60(即SCR)的进口侧温度，温度传感器的温度检测值和水传感器的水分子含量检测值共同控制水喷嘴的开启时机。

也就是说，补水单元的开启时机不仅受控于上述水传感器20检测的尾气含水量(即尾气中的水分子含量)，还同时受控于温度传感器40针对SCR的进气温度而检测获得的进口侧温度，而且在此应当理解的是，水分子含量和进口侧温度在两者均满足条件时补水单元开启工作，水分子含量和进口侧温度的两者之一满足条件时补水单元也会开启工作，在此通过进口侧温度控制补水时机的原因在于，当SCR的进气温度超过限值后，SCR的催化还原反应会骤降，从而直接导致排气系统故障，此时无论排气系统内的水分子含量多少，都选择开启补水单元，通过水喷嘴30向排气管50内喷水以促使排气系统降温，直至SCR的进气温度恢复至低于限值。

在本实施例中，温度传感器40对水喷嘴30的控制优先级高于水传感器20；其中，在进口侧温度处于第一区间时，水喷嘴30向排气管50内喷水；在进口侧温度处于第二区间时，水传感器20控制水喷嘴30的开启时机；在进口侧温度处于第三区间时，水喷嘴30关闭。

在此考虑到SCR在正常工作时其催化还原反应会受到其进气侧温度的影响，而水分子含量不会影响SCR正常工作，只可能对反应结晶问题产生负面影响，因此在此使温度传感器40的控制优先级高于水传感器20，能够首先通过温度传感器40控制水喷嘴30开启或关闭以保证SCR的正常工作温度，在此基础上，当进口侧温度处于第二区间即SCR可正常工作的温度区间时，即首先保证SCR正常工作的前提下，再利用水传感20控制水喷嘴30的开启时机，从而达到减小或消除的反应结晶的目的，避免因调节水分子含量而影响SCR的正常工作。

具体的，在进口侧温度处于第一区间时，水喷嘴以第一流量喷水；在进口侧温度处于第二区间，且水传感器的水分子含量检测值低于设定水阈值时，水喷嘴以第二流量喷水；其中，第一区间的温度值高于第二区间的温度值，第二区间的温度值高于第三区间的温度值；第一流量大于或等于第二流量。

示例性的，第一区间的温度值范围为400℃以上(包括400℃)；第二区间的温度值范围为230℃(包括)至400℃；第三区间的温度值范围为230℃以下。

经过验证，当进入SCR的尾气温度(即进口侧温度)达到或超过400℃时，SCR的反应会产生骤降，因此此时补水单元直接以第一流量开始喷水工作，不受限于水分子含量的检测值，但是当尾气温度达到或超过230℃且低于400℃时，此时需要结合水分子含量的检测值，若水传感器20检测的尾气中的水分子含量低于设定水阈值，则补水单元开启，水喷嘴30朝向排气管50内以第二流量喷水，从而补充水分子以参与反应，且该补水过程由于喷水而导致的排气管50内的温度下降并不会影响尿素的正常热解反应，但是若此时水分子含量不低于设定水阈值，那么代表尾气中具有充足的水分子参与反应，则补水单元无需开启；另外，当尾气温度低于230℃时，此时补水单元必须关闭，以避免水喷嘴30向喷气管内的喷水导致尾气温度过低而影响尿素正常的热解反应，当然，应理解，若此时水分子含量低于设定水阈值，则尿素的热解反应可能会因水分子不足而产生一定的结晶，但是这种情况并不常用，原因在于尾气温度低时水分子蒸发速度慢，通常不会出现缺水问题，也正是如此，本实施例能够大大减少尿素结晶现象，而并非绝对避免尿素结晶。

同时应当理解的是，将第一流量设计为高于第二流量的目的在于，在温度处于大于或等于400℃时，水喷嘴30的喷水不仅用于增加参与尿素热解反应的水分子，还在于降温，因此对于补水需求量较大，而当温度处在大于或等于230℃且小于400℃时，水喷嘴30的喷水仅用于补充水分子以参与到尿素的热解反应，所以对于补水需求量较小。

作为上述水传感器20的一种具体实施方式，请结合图4及图5理解，水传感器20包括连接于排气管50上的壳体、设于壳体内的固体电解质芯21，以及第一电催化电极22、第二电催化电极23、第三电催化电极24；固体电解质芯21内部设有相互连通的第一腔室211和第二腔室212，第一腔室211具有与排气管50的内腔连通的气体通道213；第一电催化电极22设于第一腔室211的腔壁上；第二电催化电极23设于固体电解质芯21的外壁上，且与第一电催化电极22之间施加第一电压；第三电催化电极24设于第二腔室212的腔壁上，表面设有用于吸附水分子的颗粒层，第三电催化电极24与第二电催化电极23之间施加第二电压；其中，第一电压用于平衡经第一腔室211进入第二腔室212内的尾气含氧量，第二电压用于产生变量以判断进入第二腔室212内的尾气含水量。

需要说明的是，本实施例中可优先将第一电催化电极22和第三电催化电极24分别连接负极电压，第二电催化电极23连接正极电压进行试电，此时若进入第二腔室212的尾气含氧量能够保持平衡，则完成水传感器20的检测调制，若进入第二腔室212的尾气含氧量无法保持平衡，则将各个催化电极的正负极调换重新调制，直至获得能够使进入第二腔室212的尾气含氧量保持平衡的接电状态。

应当理解，若进入第二腔室212的氧气量不同，则因氧气而引起的电势差变化量就不同，而在此通过使进入第二腔室212的尾气含氧量始终保持平衡，即始终具有等量氧进入第二腔室212，那么第二腔室212内由氧气而引起的电势差变化就能够保持稳定不变，从而就能够通过第二腔室212内因水反应而引起的第二电压V2的变量去准确判断尾气含水量，避免氧含量的变化影响尾气含水量的检测准确性。

需要说明的是，在本实施例中，上述第一电催化电极22、第二电催化电极23、第三电催化电极24均包括Pt颗粒涂层。利用Pt颗粒图层的催化作用能够提升第一腔室211和第二腔室212内的氧化还原反应速度，保证反应完全，从而提升检测准确度。

具体的，用于吸附水分子的颗粒层为Pt颗粒、SnO

优选地，本实施例中固体电解质芯为氧化锆制成。

在此对上述水传感器20的工作原理说明如下：

如图5所示，当固体电解质芯21(可以ZrO

在上述基础上，参见图4，将第一电压V1设置为0.45v，当含有CO、H

由于Pt对H

在第一腔室211中，若尾气中的O

具体的，若变化后的第一电压V1＜0.45v，如为0.25v，那么在第一电压V1上增加反向电压，反向电压值为0.45v-0.25v＝0.2v，使得有氧从第二电催化电极23泵到第一电催化电极22，当然，这个过程是瞬时的，周期可以是0.1s。

若第一电压V1＞0.45v，如为0.55v，那么在第一电压V1上增加正向电压，反向电压值为0.55v-0.45v＝0.1v，使得有氧从第一电催化电极22泵到第二电催化电极23，当然，这个过程是瞬时的，周期可以是0.1s。

通过上述过程中增加反向电压或正向电压以补偿反应过程中因消耗或释放电子而引起的第一电压V1的变化量，从而能够保证始终有等量氧从第一腔室211进入第二腔室212，然后即可以等量氧在第二腔室212内的变化量作为判断水分子含量的依据，具体判断过程如下：

对于第二腔室212而言，首先可在第一电催化电极22和第三电催化电极24之间设置第二电压V2＝0.45v。利用与Pt颗粒相混合的SnO

具体的，若一个H

至此，通过第二电压V2相对于其原始值0.45v的变化量就能够准确得出相应的H

进一步需要说明的是，通常SnO

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种车辆，包括上述尾气处理用尿素系统。

本实施例提供的车辆，与现有技术相比，采用了上述尾气处理用尿素系统，通过在尿素喷嘴10远离选择性催化还原装置60的一侧设置水传感器20，能够检测排气管50内的尾气与尿素热解反应之前的水分子含量，并在检测到水分子含量低于设定水阈值时利用补水单元通过水喷嘴30向排气管50内喷水，从而保证充足的水分子参与到尿素的热解反应中，以减少尿素在排气管50内的结晶现象，尤其是在排气管50内SCR前的部位、尿素喷嘴10的周壁、混合器(若有)等金属表面上的结晶附着，从而解决因尿素结晶而引发的排气系统堵塞问题，进而提高发动机排气系统的长期工作稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。