CN101103184A - 用于存储添加剂并将其注入到发动机尾气的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于存储添加剂和将其注入到内燃机的尾气中的系统,所述系统包括用于存储添加剂的储罐(1)、注入器(3)以及用于将添加剂从储罐(1)经注入管道(2)输送到注入器(3)的泵(6),所述系统还包括吹扫装置,其适用于使吹扫气体从储罐(1)流向注入器(3)或者从注入器(3)流向储罐(1)而流过整个注入管道(2)。
Description
根据即将强制实施的车辆尾气排放欧IV标准,在车辆上必须安装NOx(或氮氧化物)污染控制装置。
为将NOx排放减少至所需水平,大多数车辆制造商选择的系统通常包括实现与还原剂如脲的选择性催化反应(利用尾气中通过脲分解在原位产生的氨来进行的“脲SCR”或选择性催化还原反应)。
为此,需要在车辆上装配容纳脲溶液的储罐(箱体),以及用于计量待注入排气管道中的脲量的装置。由于用于该目的的脲水溶液(含脲32.5wt%的低共熔物)通常在-11℃会冻结,所以需要提供加热装置来液化该溶液,以便在冷冻条件下启动而将其注入到排气管道中。这样的装置是以申请人名义的共同未决申请的主题。
此外,为了便于操作以及在冷冻条件下的重新启动,定期吹扫用于传送脲的管道以便清除添加剂的液体沉积物(这些沉积物在寒冷条件下易于凝固)是有利的。尤其是,吹扫连接添加剂储罐至注入器的管道(或注入管道)是有利的。这也有助于避免使用复杂的用于加热脲管道的装置。
为实现此目的,现有技术中已有提供了多种系统。
专利US5884475描述了一种系统,在该系统中,注入管道在靠近添加剂储罐的部分和靠近注入器的部分分别被连续吹扫。为此目的,该专利使用了一组复杂和昂贵的阀。
申请WO03/033111描述了一种吹扫系统,在控制/阀方面较简单,但存在绕开注入管道中存在的泵(和相邻的管道部分)的缺点。因此这样的系统的可靠性较低。
本申请的目的是通过提供一种简单、有效和可靠的系统,用于存储还原剂和将其注入到发动机尾气来解决这些问题,将其设计为在温度低于给定温度而冻结和/或每次发动机停止运转的情况下,以单一步骤吹扫整个注入管道。
为实现此目的,本发明涉及一种用于存储添加剂和将其注入到内燃机尾气中的系统,所述系统包括用于存储添加剂的储罐、注入器和用于将添加剂从储罐经注入管道输送到注入器的泵,所述系统还包括吹扫装置,其适合用于使吹扫气体流经从注入器到储罐的整个注入管道,该吹扫气体由尾气组成。
本发明上下文中提到的添加剂优选为适用于还原内燃机尾气中存在的NOx的还原剂。其有利地是直接使用的氨(其具有相关的安全性和腐蚀性缺点),或使用前体如脲在尾气中原位生成的氨(从而避免了上述缺点)。本发明使用脲,尤其是脲的水溶液获得了良好的结果。低共熔溶液(eutectic solution)(包含按重量计32.5%的脲)是合适的。
本发明可应用于易于在其尾气中产生NOx的任何内燃机。该发动机可以具有或没有燃料回流管道(即,将发动机未消耗的剩余燃料返回到燃料箱的管道)。本发明在柴油发动机上应用是有利的,尤其是应用于车辆柴油发动机,以特别优选的方式应用于卡车的柴油发动机。
根据本发明的系统包括至少一个用于存储添加剂的储罐和至少一个用于将添加剂输送至发动机排气管的注入管道。该管道的末端装有用于将添加剂注入尾气中的注入器。在卡车发动机的情况下,该注入器有利地利用在刹车线路中可获得的压缩空气来分散和注入添加剂。
根据本发明的系统还包括用于将添加剂从添加剂储罐输送到注入器的泵。该泵可以位于添加剂储罐内(优点在于可以利用其形成紧凑且内置的模块),或者,考虑到腐蚀性环境,可位于添加剂储罐的外部。其组成材料优选选自耐腐蚀金属(特别是某些等级的不锈钢和铝)。即使是用于连接部件,也不希望使用铜。泵从添加剂储罐中称为吸取点(抽吸点)的点吸取(抽吸)燃料。该点通过称为吸取管道的管道与泵连接。
根据本发明,“整个注入管道”不仅仅指实际的管道,而且指位于其上且注入流经过的任何部件/装置。因此,如果泵位于添加剂储罐外部的注入管道上,其也会被吹扫(因为其形成注入管道整体的一部分)。
相反,位于储罐内部并因此而不直接是注入管道的一部分(即使与管道串联)的部件在本发明的系统中就无需吹扫,因为储罐可以很方便地进行加热(参见下文和上述中的共同未决申请)。因此,如果泵位于添加剂储罐的内部,则就不必要必须进行吹扫。
通常,根据本发明系统包括与注入器连接的计算机,用于将所需量的添加剂注入到尾气中(尤其是根据以下参数:NOx排放和转化速率;温度和压力;发动机转速和负载等)。通过泵排出和未被注入器消耗的添加剂的量(根据计算机的控制)有利地通过称为添加剂回流管道的管道返回到添加剂储罐。该管道通常装配有压力控制器(在泵排出的某个时刻由于注入器关闭导致压力增大时打开的装置)。它将注入器或泵下游的注入管道上其它点连接至添加剂储罐。因此,在泵处于储罐外部的情况下,回流管道也至少部分地在储罐外部。在泵位于添加剂储罐内部的情况下,该管道优选也位于该储罐内部,从而避免需要吹扫(参见下文)。
在添加剂回流管道位于储罐外部的情况下,在本发明的背景下,有利地对其也进行吹扫(而如果它位于储罐内且储罐可以被加热,则这是不必要的:参见下文和上述共同未决申请)。
最后,根据本发明的系统包括吹扫装置,其适用于使吹扫气体从储罐流向注入器或从注入器流向储罐而流过泵和整个注入管道。通常在温度低于给定温度出现冻结和/或每次发动机停止运转的情况下,通常由上述计算机启动这种吹扫。
这样的装置可以是任何已知的类型。实际上,在本发明的背景下,三种具体装置是适合的:
●压缩空气罐和装有阀的吹扫管道,该阀用于使压缩空气流过所述管道;
●或是用于使泵(6)的流向反转的开关;
●或是4/2通阀(14),其使用合适的配件/管道产生相同的效果。
下文将就本发明的“方法”方面,描述这些装置的操作模式。实际上,由上文可以看出,本发明的进一步目的是提供一种使用上文所述装置的方法。
此外,本发明进一步涉及用于存储添加剂和将其注入到内燃机排气管中的方法,所述方法主要包括使用泵并通过注入管道将储罐中存储的添加剂传送到注入器中,以及使用该注入器将其注入到排气管中,所述方法进一步包括通过将吹扫气体从注入器向储罐流过整个管道来偶发地吹扫注入管道,吹扫气由尾气组成。
根据上述,该方法有利地用于添加剂为脲水溶液的情形。
根据本方法的第一种变型,吹扫气体是压缩空气,其可以利用位于与压缩空气罐连接的吹扫管道上的阀而进入注入管道。有利地在车辆上可获得用于其它目的压缩空气时(例如刹车线路,其为货车上经常的情形)使用该变型。在这种情况下,压缩空气的压力高于压力控制器的自压(tare pressure)(如果有的话)。
根据该变型,在吹扫过程中,将压缩空气注入到注入管道中,直接从添加剂储罐的出口(或进入添加剂储罐)直至注入器,以吹扫整个注入管道。因此,有利地,在吹扫期间关闭注入器以避免将压缩空气和所吹扫的添加剂注入到尾气中。因此,在这种情况下,需要将携带了添加剂的压缩空气流返回到添加剂储罐中,使得回流管道必需在储罐外,将注入器连接于所述储罐。因此,该变型有利地用直接从注入器延伸至储罐的回流管道,因而用全部(如果泵位于储罐外部)或部分(如果泵位于储罐内)在储罐外部的回流管道进行操作。在这种情况下,储罐通风装置有利地用来移除在吹扫阶段的过程中通过回流管道返回到储罐的压缩空气。
在该变型中,所述泵有利地是常规泵,运行以便在给定方向(添加剂供给方向)排出。如上所述,如果泵位于添加剂储罐外部,则压缩空气必须流经该泵。因此,在实践中,当泵位于储罐外部时,压缩空气从泵的上游注入泵的吸取管道,并且优选地直接在储罐的出口(或进入添加剂储罐)注入,以吹扫整个注入管道。因此,在这种情况下,优选在吸取管道上设置止回阀以防止压缩空气直接进入添加剂储罐。因此,有利地,当泵位于储罐外部时,压缩空气从泵上游和止回阀下游在位于储罐的吸取管道上的某一点注入。相反,如果泵位于储罐内,则无需进行吹扫,并且压缩空气可以在泵的下游注入,而无需使用止回阀。
根据第二种变型,吹扫气体实际上由发动机尾气或周围空气(其通过合适装置经由排气管道吸入到注入管道中)组成。如果泵能够以两种相对方向运转并产生流向反转(流向变换),则这种装置可以是具有使泵流向反转作用的简单开关,或者4/2通阀(4/2-wayvalve),该阀在普通模式(添加剂注入)下将泵下游的点与注入器连接,并且在吹扫模式下,将注入器与泵上游的点连接,其一定程度上具有等同于使泵的流向反转的效果(上游和下游点通过阀被反转)。
根据该变型(其中尾气可以进入注入管道以实施吹扫),注入器在吹扫期间必需明显地处于打开。因此,在该变型中,回流管道(如果有的话)如果从注入器开始则无需进行吹扫。
发动机在运行时,尾气通常具有高温:例如,温度值可能达到600℃~700℃。在发动机关闭之后吹扫注入管道的情况下,可以观察到例如在发动机关闭时刻和尾气吸入时刻之间有延迟,以防止损坏注入管道。
该延迟这样进行选择,诸如尾气温度降低到与注入管道中的循环相容而不会产生损坏的值。
优选使用本领域的技术人员已知的任何手段来控制和调节尾气温度。
如果吹扫装置包括逆向运行的泵,则回流管道(如果有的话)实际上是轻微或根本没有被吹扫,因为泵会使尾气流入其位于其中的注入管道而不流入回流管道。这意味着,在该变型中,泵优选位于添加剂储罐内部,以使回流管道也位于储罐内部,因此,如果需要的话,可在启动泵之前进行加热(请参见下文)。
相反,如果使用正确连接的4/2通阀(如上所述:为了在添加剂注入模式中将泵下游的点连接至注入器,并在吹扫模式中将注入器连接到泵上游的点),则泵可位于储罐内部或外部而不影响该方法的操作。实际上,其能够连接阀以使在吹扫模式下泵处在回流管道开始点的上游,从而迫使尾气流过该管道。然而,应注意,如果泵处于储罐外部,则吸取管道不会被正确吹扫。
在本发明的背景中,应注意,术语“上游”和“下游”必须是在流体流动方向上考虑的,按定义,上游点处于该管道下游点之前。
如上所述,本发明的目的是为了有利于在内燃机上的脱NOx(氮氧化物净化)单元的操作和启动。为此,有利地在运行中温度降得过低(例如,低于-10℃,优选为低于-5℃或甚至,为更加安全低于0℃)和每次发动机停止运转时系统地启动吹扫,以防止任何添加剂残留物出现冻结。
对于启动方面,很明显地其可以在储罐自身已冻结时发生。为了校正这种情况,根据有利的变型,根据本发明的系统包括在必要时能够解冻添加剂储罐的装置,优选为在发动机启动后尽可能快速地解冻的装置。这样的装置可以是电阻器、发动机冷却回路的旁路,或者是热燃料回路(在直接喷油式发动机的情形下)的旁路。
后一种变型优选在任何时候都可应用。相当于确保由发动机到燃料箱的热燃料回流管道包括至少一个称为加热部件的部件,以热接触储罐中存在的添加剂并适用于在将添加剂注入到发动机尾气之前对其进行加热/解冻。对于加热部件来说具有至少部分为线圈形式(绕组或交替线圈)是尤其有利的。在特别优选的方式中,该线圈至少部分地围绕添加剂吸取点。该线圈可以使用直的不锈钢管或波纹塑料管(其更经济并提供更大的热交换面积,但具有热传导性较差的缺点)形成。其还可加以设计以使只有其“有效”部分(实际线圈,与其端部相对)位于添加剂储罐的底部,以避免在表面上将其加热和由此产生腐蚀或恶臭蒸汽。
根据特别有利的变型、上述共同未决申请的主题,如果温度传感器检测到的温度过高(高于阈值)则加热部件会短路。该传感器在系统中还可提供其它功能,特别地,可与上述计算机通信并提高添加剂计量精度。
由于加热部件可以设有旁路,所以根据本发明的该变型的系统适用于将发动机未消耗的热燃料在将其供给储罐之前易于进行冷却,而无需考虑温度条件。为实现此目的,例如,可在上述旁路管道上设置热交换器。实际上,如果添加剂的温度低于温度传感器的阈值,则燃料将在加热部件中流动,加热添加剂,然后冷却。并且如果添加剂的温度超过该阈值温度,则燃料在旁路管道中流动,在那里其可由热交换器冷却。
图1至图4非限制性说明了本发明,每一个图对应不同的变型。图1示出了吹扫气体为压缩空气的变型,而图2至图4是吹扫气体由尾气组成但吸入方式不同的变型。在这些图中,相同的标号表示相同的部件。
图1示出了根据本发明的系统的一种变型,包括:添加剂储罐(1),其容纳有含脲32.5wt%的脲水溶液(低共熔物);从储罐(1)延伸至位于排气管(4)上的注入器(3)的注入管道(2);以及用于将未消耗的添加剂返回添加剂储罐(1)的回流管道(5)。注入管道(2)包括位于储罐(1)和回流管道外部的泵(6)、以及压力控制器(7)。该控制器(7)包括隔膜和用于只要压力未超过特定值时将隔膜保持在关闭位置的弹簧。
这种系统包括吹扫装置,该吹扫装置包括压缩空气罐(8),用于经过供气管道(9)向注入器(3)提供压缩空气,从而起到蒸发添加剂的作用。该气罐(8)还通过装有阀(11)(其在计算机(未示出)启动吹扫时打开)的吹扫管道(10)与添加剂储罐(1)连通。该管道终止于泵的下游,在位于添加剂储罐(1)内部的吸取管道(12)的一部分上。吸取管道(12)的这部分装有止回阀(13),以防止压缩空气进入储罐(1)。
在普通操作模式(添加剂注入)下,泵(6)启动添加剂从储罐(1)经过注入管道(2)流到注入器(3),并且该添加剂借助于利用通过管道(9)输送压缩空气的注入器而被注入尾气中。注入器(3)未消耗掉的剩余添加剂经由回流管道(5)通过压力控制器(7)返回到储罐。吹扫期间,计算机打开阀(11),并且将压缩空气注入管道(10),然后通过泵(6)进入注入管道(2)。注入器关闭时,所吹扫的添加剂通过回流管道(5)返回到储罐(1)。
图1b也涉及压缩空气吹扫系统,但其中泵(6)位于储罐内部,因此绕开了吹扫,压缩空气在下游注入。该系统的其它部件与图1中的相同。
图2示出了一种变型,其中吹扫气体由车辆尾气组成,并且其中使用位于储罐内部的泵(6)进行吹扫。在普通操作模式(添加剂注入)下,泵(6)启动添加剂从储罐(1)经过注入管道(2)流到注入器(3),剩余的添加剂通过同样位于储罐内部、并且装有压力控制器(7)的回流管道(5)返回储罐。在吹扫期间,泵启动尾气从注入器(3)流到储罐(1),这导致所吹扫的添加剂进入储罐(1)。
图3和图4也示出了变型,其中吹扫气体由车辆尾气组成,但此时由4/2通阀(14)而不是使用泵(6)(此处所说的泵是“普通”泵)引起流向反转,使流体单方向流动。在添加剂注入模式中,该阀(14)一方面起到连接点A和点B的作用,另一方面起到连接点C和点D的作用,并且流体按此顺序流动(即添加剂首先流经点A,然后到点B,接下来到点C,最后到点D)。与之相反的是,在吹扫模式中,该阀分别连接点D和点B,以及点C和点A,流体的流动也是按这个顺序。
在这些变型的每一个中,均以单一步骤来吹扫所有位于容纳有添加剂的储罐(1)外部的管道/部件:可以通过打开与压缩空气罐(8)连通的阀(11)(图1),或者通过使泵(6)的流动方向反转(图2),或者通过使4/2通阀(14)反转的操作模式(图3和图4)。这些系统是简单、有效和快速的。
Claims (9)
1.用于存储添加剂和将其注入到内燃机尾气中的系统,所述系统包括用于存储添加剂的储罐(1)、注入器(3)以及用于将所述添加剂从所述储罐(1)经注入管道(2)输送到所述注入器(3)的泵(6),所述系统还包括适用于使吹扫气体从所述注入器(3)到所述储罐(1)流过所述整个注入管路(2)的吹扫装置,所述吹扫气体由发动机尾气组成。
2.根据前述权利要求所述的系统,其特征在于,所述吹扫装置包括:
或者用于使所述泵(6)的流向反转的开关;
或者4/2通阀(14)。
3.根据前述任一权利要求所述的系统,其特征在于,其包括装配有压力控制器(7)的添加剂回流管道(5),并且当所述泵(6)位于所述储罐(1)外部时所述回流管道(5)位于所述储罐(1)外部,而当所述泵(6)位于所述储罐(1)内部时所述回流管道(5)位于所述储罐(1)内部。
4.用于存储添加剂和将其注入到内燃机的排气管(4)中的方法,所述方法主要包括:使用泵(6)并经注入管道(2)将储存在储罐(1)中的添加剂输送到注入器(3),以及使用所述注入器(3)将所述添加剂注入到所述排气管(4),所述方法进一步包括通过将吹扫气体从所述注入器(3)到所述储罐(1)流过所述整个管道(2)来偶发地吹扫所述注入管道(2),所述吹扫气体由发动机尾气组成。
5.根据前述权利要求所述的方法,其特征在于,所述添加剂为脲的水溶液。
6.根据权利要求4和5任一项所述的方法,其特征在于,所述发动机尾气是通过打开所述注入器(3)并通过致动具有反转所述泵(6)的流向作用的开关而被吸入所述注入管道(2)中的。
7.根据权利要求4和5任一项所述的方法,其特征在于,所述发动机尾气是通过对4/2通阀(14)进行切换而被吸入所述注入管道(2)中的,其中,所述4/2通阀(14)在普通模式(添加剂注入)下将所述泵下游的点与所述注入器连接,而在吹扫模式下,将所述注入器与所述泵上游的点连接。
8.根据权利要求4至权利要求7任一项所述的方法,其特征在于,所述尾气的温度是受控制和/或受调节的。
9.根据权利要求4至权利要求9任一项所述的方法,其特征在于,在出现冻结的情况下,所述添加剂在所述泵(6)启动之前被融化,并且只要所述泵(6)处于运行中,则所述添加剂的温度被保持在给定的范围内。
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