CN101405489B - 用于还原机动车废气中的有害物质的方法及计量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将一种流态的还原有害物质的介质、尤其是尿素水溶液(350)计量到机动车废气系统(220)中的方法，在该方法中，该流态的介质被输送到一个喷嘴模块(218，362)、尤其是一个喷嘴或一个阀中并且借助该喷嘴模块导入到该废气系统(220)中，其中，一个设置在该喷嘴模块前面的输送装置(212，214，233，226，216；214，216；214，216，316，318；214，358)被脉宽调制地驱动(404)。该方法和所属的计量系统在使用较少部件的情况下保证了特别是还原剂的精确且相对于冷度相对稳固的设置或计量。

Description

用于还原机动车废气中的有害物质的方法及计量系统
技术领域
一种用于还原低混合比工作的内燃机的废气中的有害物质、尤其是氮氧化物的改进方法是借助适合的化学还原剂来还原氮氧化物。对于公知的方法所共同的是，将流态的(即液态的或气态的)还原有害物质的介质喷射到一个内燃机的废气道中，在这里该介质与废气中的有害物质反应及使其化学转换。因此以下将提出一种用于计量这种流态的还原有害物质的介质的计量系统，该介质被使用来还原机动车废气中的有害物质。
背景技术
在所谓的氨SCR方法中，尤其是在商用车领域中在一个相应的还原剂催化器前面的废气中需要氨作为还原剂。在此，在现在的方法中通常通过借助压缩空气将含水的尿素-空气-浮质吹入到发动机废气中并且通过热解及接着的催化水解被分解成真正的还原剂氨。
但在客车中的可能应用方面，这个使用压缩空气吹入的方法由于高的系统复杂性(成本、结构空间、压缩空气源)被归入为不太符合市场要求的一类。
另一用于避免与压缩空气相关的方法在于将尿素溶液(AdBlue)喷射到发动机废气中。为此目的例如使用了用于压力输送AdBlue的泵。
在此情况下，通常使用阀、如由汽油喷射装置所公知的阀并且这些阀具有各种缺点。对于这种阀来说，例如(通常为电的)阀的冷却必要性将带来困难，所述阀被直接地安装在热的废气装置上。此外，这种系统的冬季适应性被归入有问题的一类。在低于-11°的温度时所使用的尿素水溶液将结冰并膨胀。因此为了达到这种阀及其它相关系统部件(泵，压力调节装置等)的冬季适应性，则必需以显著的结构成本及由此提高系统复杂性(例如抗冰压力的结构，可回吸的阀等)的成本为代价。
在DE 196 46 643 C1中描述了一种用于将氮氧化物还原剂喷射到废气流中的装置。在此，还原剂借助局部脉冲调节的过压发生装置通过多个细小的喷孔以细射束的形式被可控地喷射到废气流中。这里作为喷嘴使用压电控制的喷嘴，它类似于喷墨式打印头中的喷嘴或具有脉冲调节的加热电阻元件的、类似于公知的喷泡式打印头中的喷嘴。但在DE19646643C1中描述的装置的装置成本高，尤其易受腐蚀性流体的影响并且昂贵。
由DE 103 24 482 A1公知了一种计量阀，该计量阀由一个还原剂循环回路的回流供给物料、在设定确定的占空比的情况下被驱动。在此，还原剂循环回路可通过压力调节阀来调节或开关。该阀被安装在废气管上，在控制器与阀之间必需设置或使用机械上稳固的并且可防止短路的电导线及插接连接装置。该可电开关的阀还遭受废气管的加热并且可通过还原剂循环回路形式的流体循环回路来冷却。
发明内容
本发明提出了一种用于计量流态的还原有害物质的介质、尤其是尿素水溶液的计量系统和方法，其中以有利的方式使用至少一个脉宽控制的输送装置。该计量将在机动车的废气系统中进行，该废气系统尤其是可具有一个催化器。由于是一个设置在喷嘴模块前面的脉宽调制地驱动的输送装置形式的致动器，该致动器可被更好地受到保护以防止环境影响、如外部温度、冲击、碰撞及颗粒。此外，可取消连接到阀的外部电导线并且液压系统可被简化(取消冷却回路)，需要更少的部件并且尤其是一个泵模块或一个计量泵的功能可位置节省及成本有利地体现。
此外，该喷嘴模块可在射束的产生及环境条件(耐热性能)方面被优化。所有的部件都可抗冰压力地构成，由此尤其使工作结束后的管道排空成为多余，可保证其冬季适应性。
通过从属权利要求中及说明书中所述的特征或特性可得到其它的优点。
尤其被证明有利的是泵模块或计量泵的脉宽调制的驱动，由此可在一个可电驱动的部件中使压力发生、流体输送及物料量计量的功能合一，而射束处理的机械功能可借助机械的喷嘴来优化。
减压节流孔板形式的减压部件(例如以具有确定直径的孔集成在泵中)能以简单及成本有利的方式实现该计量方法，一个自动打开的喷嘴借助它可很快地例如在10毫秒的时间间隔中可靠地关闭。由此可精确地计量，此外在计量结束时的液滴尺寸更小。由此减小了AdBlue在废气道中不均匀分布的危险或沉积的危险。
附图说明
以下借助附图来描述本发明。但本发明不被限制在所述的实施例上。图中相同的标号表示相同的或在功能上彼此相应的部件。附图中：
图1：商用汽车中的选择性催化还原系统(SCR)的例子，
图2：具有一个脉宽驱动的计量泵及一个自动打开的喷嘴的计量系统，
图3：第二计量系统，
图4：第三计量系统，
图5：第四计量系统，
图6：脉宽调制的计量方法的流程图。
具体实施方式
图1示范地示出一个选择性催化还原系统(SCR)，如尤其是在商用汽车领域中感兴趣的。
在此，废气110由一个内燃机被引入到一个两级的催化器112中。这个两级的催化器112具有一个预催化器114及一个主催化器116。该主催化器又具有一个还原催化器118、一个水解催化器120及一个氧化催化器122。还原剂124例如在空气支持下在还原催化器118的前面被引入到废气系统中。该含水的浮质(Aerosol)124通过热解及接下来的催化水解被分解及形成真正的还原剂氨，该还原剂再与发动机废气110中的氮氧化物反应并且将该废气转换成氮氧化物被还原了的废气。但该SCR方法的使用不被限制在图1中所示的催化器类型上，而也可使用催化器的其它实施形式。例如催化器114、120及122不是强制地必需的。
图2中示出一个计量系统，用于借助一个计量泵216及一个喷嘴单元218来计量流态的还原有害物质的介质。在该例中使用尿素水溶液(AdBlue)，它被储存在一个相应的贮存容器210中。该贮存容器210通过一个过滤器212及一个管道系统214与计量泵216连接。该过滤器212特别是用于防止小颗粒从贮存容器210进入到计量泵216和/或喷嘴单元218中。
在计量泵216中直接集成了一个自动打开的喷嘴单元218，该喷嘴单元在确定的压力下被打开并且使输送的尿素量在喷射部位219上喷射到废气系统220中。如图2中所示，在该实施例中废气系统220具有一个废气管221、一个静态混合器222及一个催化器224。由此，该装置具有输送装置(212，214，233，226，216)，它们在流体技术上被设置在贮存容器210与喷嘴模块或喷嘴218之间。在这里，对于“自动打开的喷嘴”应理解为一种只要供入的流体压力低于一个预给定的最小压力时就被关闭的喷嘴。相反，如果流态的压力达到该最小压力或超过该最小压力时，喷嘴即打开及使将流体计量到机动车的废气系统中。
该喷射在喷射图形及液滴大小方面被这样地优化，使得它最佳地适配所述喷射部位219。变换地，也可考虑具有一个或多个绳索形状的射束，其中至少一个绳索形状的射束在废气系统220中朝着一个(图2中未示出的)折流板或一个折流体定向及由此被相应地被分配。
在计量泵216的紧前面将一个通风阀226放入到该管道系统214中，通过该通风阀，计量泵216及喷嘴单元218可通过一个空气管道系统228及一个空气滤清器230注入空气。这尤其当发动机关断时在环境温度低的情况下可有效地保护计量系统以免其冻坏。
附加地，管道系统214、通风阀226、计量泵216及喷嘴单元218设计成可被加热。管道系统214中尿素溶液的温度必要时可通过一个或多个温度传感器232来监测，这例如可被用于物料流量的通过计算得出的校正并且从而用于补偿由温度引起的密度波动。这些温度传感器232可被设置在系统中的不同部位上。此外，在系统的不同部位上——尤其在贮存容器210上、在过滤器212上、在通风阀226上、在计量泵216上、在计量阀218上及在它们之间的、管道系统214的不同部位上可选择地设置不同的加热元件233(在图2中示意性表示)，这些加热元件既可用于调节温度也可用于在低的环境温度时对系统进行解冻。
此外，在管道系统214及在计量泵216中可设置不同的压力传感器，这些压力传感器可完全或部分地被以电子方式读出及监测。例如尤其在计量泵216与喷嘴单元218之间可设置一个压力传感器，它的测量数据可有助于物料流量计算的改善及系统的监测。
所述的计量系统在内燃机运行时持续地由一个控制器234监测及控制。该控制器234可以是一个独立的控制器或一个在机动车中反正已经存在的发动机控制器(引擎控制单元“ECU”)的组成部分。由此，该控制器234持续地对所有压力信号及温度信号进行分析处理、控制计量泵216的泵功率及控制通风阀226的动作。也可以使用一个(图2中未示出的)加热系统并且由发动机控制器234控制该加热系统，例如以便在低的工作温度时防止管道系统214的冻结。
控制器234脉宽调制地驱动计量泵(脉宽调制的驱动300)。这意味着，电驱动的泵被施加一个工作电流，该工作电流或具有一个预给定的、恒定的、与零不同的值(取决于泵结构的常规工作电流)或具有零值。换句话说，进行工作电流的时间调制，其中该工作电流或为零(即泵不工作)或为一个固定的、预给定的、与零不同的值，当泵工作时该值总是相同的及相应于相关泵的常规工作电流。这意味着，在回转式活塞泵的情况下，泵的转速或为零或具有一个与泵的常规工作电流相应的值。在任何情况下，当泵被施加常规工作电流时，即泵的驱动信号具有值“1”时，所述自动打开的喷嘴才打开。但如果泵的驱动信号具有值“0”，则该泵停止工作并且相应地在泵关闭后至少在短时间内使所述自动打开的喷嘴关闭。控制器根据单位时间所需的还原有害物质的介质的量来调节或调整泵驱动信号的确定的占空比。在此，该占空比是泵被接通(驱动信号具有值“1”)的持续时间与泵被关断(驱动信号具有值“0”)的持续时间的比。在此，在一个工作阶段内可能出现这样的时间，在该时间中连续地喷射还原有害物质的介质，并且可能出现这样的时间，在该时间中由于内燃机工作阶段期间的需要量小仅间歇地或节拍地被喷射到废气道中。
图2中所示的计量系统与传统的系统相比具有一系列显著的优点。例如因为不使用隔膜泵及计量阀而使用成本上有利的部件即计量泵216及自动打开的喷嘴单元218，计量系统可成本上有利地被制造。此外，所述的计量系统能够以小的结构尺寸制造，这尤其可允许使用在客车中。相反，迄今传统的系统由于其结构尺寸大通常仅可使用在载重汽车上。并且也不需要压缩空气供给，这使系统的结构尺寸附加地减小。此外，所述的计量系统与传统的系统相比对于干扰具有显著小的敏感性，尤其在低温度的情况下。这尤其可通过借助通风阀226的通风可能性及计量系统的加热可能性来保证。通过该通风阀可在机动车发动机停机时将空气输送到所述至少一个泵和/或所述至少一个自动打开的喷嘴中。在此情况下可排空泵中和/或喷嘴中的少量流体剩余量，例如排空到该废气系统中。在此所期望的量可被视为非关键的及例如可通过控制器来检测、中间存储并且在机动车发动机重新起动时被计入待计量的流体量的计算中。在此情况下，尤其是所述至少一个计量泵被这样地设计，即该泵也可以用空气或保护气体作为媒介来产生通向所述自动打开喷嘴的压力。
图3示出一个比图2简化的计量系统的实施形式。与图2中的装置相同或类似的组成部分设有相同的标号及不再描述。在这里也从一个贮存容器210抽吸出例如尿素水溶液(AdBlue)，其中，设置在该容器与喷嘴218之间输送装置(214，216)具有一个计量泵216、例如是一个隔膜泵，该隔膜泵被脉宽调制地驱动(300)。在施加流体压力时自动打开的并且与泵通过管道214连接的喷嘴218被设置在废气管221上并且将流态的还原有害物质的介质(AdBlue)喷射到废气流310中(流体射束312)。与图2的装置相比，这里取消了通风装置。控制器在所述脉宽调制的驱动的范围中对于泵被驱动的时间阶段借助一个特性曲线来计算泵通电流的持续时间，在该特性曲线中储存了喷射持续时间与泵通电流的持续时间之间的函数关系。
图4示出一个计量系统，它与图3中的装置不同地具有一个旁通路径形式的减压单元。该旁通路径由一个旁通管道316构成，它将泵216的输出端与输入端相连接，其中，在该旁通管道316中设有一个减压节流孔板(Blende)形式的节流部位，例如以管道316中的缩窄部形式构成的节流装置。
在根据图4的实施形式中，输送装置除管道214及泵216外还设有一个旁通管道316及一个减压节流孔板318。借助泵的压力侧与抽吸侧之间的该减压节流孔板可在喷射后在泵或泵模块(具有集成的减压节流孔板的泵)与废气系统之间的计量管道中实现快速的压力下降，因为少量的AdBlue可通过该减压节流孔板流到抽吸管道、即贮存容器与泵之间的管道中。由此使喷嘴更快地关闭并且在计量结束时液滴尺寸更小。由此减小了AdBlue在废气道中不均匀分布的危险或沉积的危险。该减压节流孔板可被构造成具有确定直径的孔并且例如可被集成在泵(“泵模块”)中。
图5示出一个计量系统，其中，尿素水溶液350借助一个泵216被从一个贮存容器210抽吸出并且通过一个管道系统214和一个设置在该管道上的喷嘴模块362被喷射到SCR催化器352上游的废气道中。该喷嘴模块被构成为管道系统214中的缩窄部并且设在一个喷管的前面，该喷管在SCR催化器的前面延伸到废气管221中。在本实施例中，泵模块358除泵216外还具有一个可电开关的所谓卸载阀360，该卸载阀通过一个回流管道353使泵216的输出端与一个通向贮存容器的容器回流管道354相连接，该容器回流管道通到贮存容器中液面的上方。对于容器回流管道354变换地或补充地，回流管道353也可通过一个回流管道356与泵的输入端相连接。因此这里输送装置214，358除管道214外还包括一个具有一计量泵216及一卸载阀360的泵模块358。
在上述的实施例中，还原有害物质的介质的物料流量也是脉宽调制地通过喷嘴模块上的压力差而非如由现有技术所公知的系统那样通过致动器上的横截面改变而被控制或调节。因为在一个液压系统中的压力理想上到处相同，所以压力变化的地点与计量的地点无关。这就是说，压力变化可在液压系统中的任意地点发生，例如，像这里那样在泵模块中发生。在此情况下，泵模块的泵可以被脉宽调制地驱动，对此变换地或与此组合地，卸载阀可被脉宽调制地驱动。在卸载阀打开并且泵运转时，所述介质被输送回容器及对此变换地或与此组合地被输送回泵的输入侧，通过这种方式，可使泵持续地运转并且通过卸载阀的驱动来进行计量的调制。即可以进行泵的脉冲式驱动，然后仅当需要计量时才产生压力。对此变换地或与此组合地，可在工作中及从而在提供压力时借助卸载阀来执行泵与喷嘴模块之间的管道214的脉冲式减压，由此使计量相应地中断或再开始。泵模块(这里为：泵，卸载阀及部分管道)或者由独立的部件构成(它们在功能及概念上可被归纳为一个“泵模块”)或者卸载阀与泵不仅构成一个抽象概念的、而且也构成一个具体结构的、尤其是一个集成的单元。射束的计量或产生借助喷嘴模块362来实现，该喷嘴模块由于与所述驱动在功能上的分离可被以射束构成优化及耐热的方式被设计，例如被设计成一个喷嘴的形式，该喷嘴借助一个夹持装置被固定在废气道上，即不具有电部件和/或活动部件。
替代所述管缩窄/喷射管的组合地，这里喷嘴模块也可具有一个自动打开的喷嘴，在该喷嘴的后面或者设置一个喷管或该喷嘴直接设置在废气道上或伸入到该废气道中。
在所有的实施例中，对于计量泵除了简单的隔膜泵外还可理解为输送流态的泵，其中被输送的容积流速率能够以预给定的精度来调节。但也可理解为这样一种泵，该泵输送确定的容积，其中待被输送的容积应该能以预给定的精度来调节。此外，对于计量泵也可理解为这样一种泵，在该泵中流态的输送以预给定的压力来实现，其中该压力例如能够以预给定的精度来调节。计量泵的任务在接通状态中尤其是以预给定的压力和/或预给定的容积流速率输送所述至少一个流态的还原有害物质的介质。可使用任何其惯性足够小的泵，由此它可相应地足够快地投入运动并且又足够快地进入停止状态。由此也可用足够的精度计量小的量。
图6示出本发明方法的一个流程图。首先进行工作参数的检测400，例如检测内燃机转速、发动机负载、在废气再处理单元后面的有害物质的剩余含量。在另一步骤402中，计算所述还原有害物质的介质的需要量，尤其是每单位时间的需要量。在另一步骤404中对输送装置、例如泵模块、尤其是一个泵或一个减压阀进行与需要量相关的脉宽调制的驱动。在此，只要内燃机在工作中，步骤400，402及404就重复地进行。
参考标号表
110  内燃机的废气
112  两级的催化器
114  预催化器
116  主催化器
118  还原催化器
120  水解催化器
122  氧化催化器
124  尿素-空气-浮质
126  氮氧化物被还原了的废气
210  贮存容器
212  过滤器
214  管道系统
216  计量泵
218  集成的、自动打开的喷嘴单元
219  喷射部位
220  废气系统
221  废气管
222  静态混合器
224  催化器
226  通风阀
228  空气管道系统
230  空气滤清器
232  温度传感器
233  加热元件
234  空气装置
300  脉宽调制的驱动
310  废气流
312  射束
316  旁通管道
318  减压节流孔板
350  尿素水溶液(Adblue)
352  SCR-催化器
353  回流管道
354  容器-回流管道
356  通往泵输入端的回流管道(替代或者补充地通往354)
358  泵模块
360  卸载阀
362  喷嘴模块
400  检测工作参数
402  计算需求量
404  脉宽调制的驱动

Claims (23)

1.一种用于将一种流态的还原有害物质的介质计量到机动车废气系统(220)中的方法，在该方法中，该流态的介质被输送到一个喷嘴模块(218，362)并且借助该喷嘴模块导入到该废气系统(220)中，其特征在于：一个设置在该喷嘴模块前面的输送装置(212，214，233，226，216；214，216；214，216，316，318；214，358)被脉宽调制地驱动(404)，其中，所述输送装置包括一个具有一个泵的泵模块(216)，其中，输送装置的驱动包括该泵模块的脉宽调制的驱动，该泵模块具有一个减压部件(316，318；353，354，356，360)，该减压部件具有一个旁通路径(316；353)，该旁通路径使泵的输出端与泵的输入端和/或与一个通向一容器(210)的回流管道(354)相连接，其中，至少在泵不工作的时间间隔中，所述流态的还原有害物质的介质至少部分地由泵的输出侧通过所述旁通路径(316；353)回流到泵的输入侧或回流到所述容器(210)，所述喷嘴模块具有一个自动打开的喷嘴(218)，使得所述泵将所述介质输送到该自动打开的喷嘴(218)并且该介质可被通过该喷嘴喷射到机动车废气系统(220)中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：该减压部件具有一个设置在该旁通路径中的节流部位。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：在所述旁通路径(353)中设有一个卸载阀(360)。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于：该卸载阀可通过电进行开关。
5.根据权利要求中1或2的方法，其特征在于：所述驱动(404)通过电来实现；并且该驱动包括泵的工作电流在一个零值与一个非零的预给定值之间的在时间上的调制(300)。
6.根据权利要求4的方法，其特征在于：该驱动包括所述卸载阀(360)的开关电流的脉宽调制。
7.根据权利要求5的方法，其特征在于：所述泵模块(216，360)对废气系统的介质输送的输送能力可通过工作电流的调制的和/或开关电流调制的可变的占空比来改变。
8.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：检测至少一个工作参数(400)。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于：根据检测到的一个或多个工作参数的测量值来计算所述还原有害物质的介质的需要量(402)。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于：根据所述流态的还原有害物质的介质的需要量来调节或者控制所述脉宽调制的驱动(404)。
11.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：所述泵从至少一个容器或从所述容器(210)中抽吸出所述介质。
12.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：所述流态的介质是尿素水溶液(350)。
13.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：所述流态的介质被输送到一个喷嘴或一个阀。
14.根据权利要求2的方法，其特征在于：所述节流部位是一个减压节流孔板(318)或节流阀。
15.根据权利要求8的方法，其特征在于：所述至少一个工作参数(400)包括机动车的内燃机转速、内燃机负载、泵模块与废气系统之间的连接管道中的还原有害物质的介质的温度和/或还原有害物质的介质的压力和/或在进行有害物质还原后的有害物质剩余浓度。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于：所述有害物质剩余浓度是氮氧化物的剩余浓度。
17.根据权利要求8的方法，其特征在于：根据检测到的一个或多个工作参数的测量值来计算单位时间内的还原有害物质的介质的需要量(402)。
18.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述容器(210)用作贮存容器。
19.一种用于将一种流态的还原有害物质的介质计量到一个机动车废气系统(220)中的计量系统，该计量系统用于执行根据以上权利要求中任一项的用于计量的方法，在该计量系统中，该流态的介质能通过输送装置被输送到一个喷嘴模块(218，362)并且可借助该喷嘴模块导入到该废气系统(220)中，其特征在于：设有一个控制器(234)，用于对所述输送装置(212，214，233，226，216；214，216；214，216，316，318；214，358)进行脉宽调制的驱动(404)，其中，所述输送装置包括一个具有一个泵的泵模块(216)，其中，输送装置的驱动包括该泵模块的脉宽调制的驱动，该泵模块具有一个减压部件(316，318；353，354，356，360)，该减压部件具有一个旁通路径(316；353)，该旁通路径使泵的输出端与泵的输入端和/或与一个通向一容器(210)的回流管道(354)相连接，其中，至少在泵不工作的时间间隔中，所述流态的还原有害物质的介质至少部分地由泵的输出侧通过所述旁通路径(316；353)回流到泵的输入侧或回流到所述容器(210)，所述喷嘴模块具有一个自动打开的喷嘴(218)，使得所述泵将所述介质输送到该自动打开的喷嘴(218)并且该介质可被通过该喷嘴喷射到机动车废气系统(220)中。
20.根据权利要求19的计量系统，其特征在于：所述流态的介质是尿素水溶液(350)。
21.根据权利要求19的计量系统，其特征在于：所述流态的介质被输送到一个喷嘴或一个阀。
22.根据权利要求19的计量系统，其特征在于：所述控制器(234)用于对泵模块(358；216，360)进行脉宽调制的驱动(404)。
23.根据权利要求19的计量系统，其特征在于，所述控制器(234)用于对泵(216)进行脉宽调制的驱动(404)。
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