CN101506482A - 用于存储一种添加剂并将它注入发动机排气的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于存储一种添加剂溶液并且将它注入内燃机排气的系统，所述的系统包括一个用于存储该添加剂的罐(1)和一个旋转泵(3)、作为分离的装置的一个计量阀(4)以及一个注入器(8)，这个系统使之有可能按照原样将添加剂溶液计量和注入排出气体而不用一种气体将其稀释。在这个系统，泵的出口压力是通过调节泵的转速来调节的。还有使用这样一个系统的方法。

Description

用于存储一种添加剂并将它注入发动机排气的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于存储添加剂并将它注入发动机排出气体的一种系统和方法。

背景技术

关于柴油车辆排放物的立法的变化特别规定了显著的降低排出气体中氮氧化物的排放量。SCR(选择性催化还原)方法(其中氮氧化物(NOx)被氨还原)是用于实现这个污染控制目标的首选技术之一。于是一种氨前体溶液(通常是一种尿素溶液)被注入SCR催化剂的排气管道上游。这种催化剂的运行要求喷洒精确计量的溶液量。

在一种已知方式中，将泵送、计量和注入操作分开导致了引入在排气管线中的氨前体溶液量的更好的精确度。

因此，专利US 6 041 594和US 6 273 120都描述了包括分离的泵、计量阀和注入器的系统，它们使得每一项功能得以进行。快速计量阀(即用一个可调节的开放频率和持续时间来操作的一种阀)与一个适合的泵出口压力相结合(通过一种压力调节装置)能够进行该氨前体溶液喷洒量的精确计量。然而，这些文件都推荐借助压缩空气，在使用一个注入器注入到排出气体之前将压缩空气与添加剂在一个混合室中进行混合。该压缩空气将特别防止注入器的堵塞，这种堵塞可能由添加剂的固体沉积和/或在排气管附近由高温造成的它的降解产物所致。

这些系统有一种紧凑、简单和可调节结构的优点(例如，泵可以整合到罐中；计量阀可能靠近或远离注入器，这取决于车辆地板之下可供使用的空间)。因此，泵和计量阀可偏离排气管线，这防止了它们过热并且增加了计量阀的准确度。此外，注入器可以随所希望的微滴的尺寸和分布而进行适配。最后，这些系统是具体地适合于对使用中的车辆进行改装。

然而，此类系统要求提供一个压缩空气源，这在车辆上更不一定总是可提供的并且它因此而不得不特意提供，这是昂贵的。此外，稀释该添加剂导致计量准确度的降低。最后，借助于一个混合室增加了这些系统的复杂性和费用。

发明内容

本申请的目标是解决这些问题，并且基于以下事实，即借助压缩空气在这些“分开(操作)”的系统中实际上不是必需的。的确，看起来上述固体沉积在溶液中很快地消失，并且在一次新注入的过程中容易通过溶解而被去除。事实上，计量泵的适当的控制使之有可能防止该注入器的堵塞，并且也使之有可能防止在这个注入器排出孔形成一个液滴。

文件EP 1 656 986也提出了一个没有压缩空气的系统，其中的泵、计量阀和注入器是分离的装置，但是这个系统包括一个压力传感器和一个电磁阀用于调节回流(如果必要的话)，这是相对复杂和昂贵的。

本申请的目标是通过提供一种显著简化、价格比较低廉和同样有效的系统来解决这个问题。因此，本发明涉及用于存储一种添加剂溶液并将其注入内燃机的排出气体的一种系统，所述系统包括用于存储该添加剂的一个罐以及一个旋转泵、一个计量阀和一个注入器，这个系统可以将添加剂溶液按照原样计量并注入排出气体中而不用一种气体(例如压缩空气)将其稀释。特别是，根据本发明的系统不包括一个混合室，也不包括用气体(例如压缩空气)稀释添加剂的无论何种形式的任何装置。在根据本发明的系统中，泵、计量阀和注入器是分离的装置，并且泵的出口压力是通过调节该泵的转速来调节。

与本发明相关的添加剂优选是能够还原存在于内燃机排出气体中的NOx的一种还原剂。有利地，它是直接使用的氨(这伴随有安全和腐蚀的缺点)或是由一种前体如尿素(这使上述缺点能够被避免)在排出气体中原位产生的氨。本发明用尿素(特别是用尿素的水溶液)产生了优良的效果。低共熔的溶液(包括按重量计32.5％的尿素)是很适合的。

本发明可能应用于任何在排出气体中可能产生NOx的内燃机上。它可以是有或没有燃料回流管线的发动机(即，将发动机没有消耗的燃料返回燃料箱的一条管线)。它有利地应用于柴油发动机，并且特别是车辆的柴油发动机，并且特别优选的是重型货车的柴油发动机。

根据本发明的系统包括至少一个旨在用于储存该添加剂的罐。这个罐可由任何材料制造，优选对相关的添加剂有化学耐受性的材料。通常，这是金属或塑料。聚烯烃树脂，特别是聚乙烯(更特别地HDPE或高密度聚乙烯)，构成优选的材料。

根据本发明的系统总体上包括旨在用于将添加剂送到发动机排气管的一个注入管线，为做到这一点，该注入管线连接罐、泵、计量阀和注入器；该泵、计量阀和注入器是分离的装置，被串联地从上游到下游放置(沿着该添加剂的流向，即从罐(上游)到注入器(下游))。

根据本发明的系统的泵被用于使添加剂溶液达到用于对其进行计量和喷雾所需要的压力。不同种类的泵可适合于该应用：齿轮泵、活塞泵、隔膜泵等等。这个泵可位于添加剂罐内(具有与该罐形成一种紧凑并且一体化模块的优势)或考虑到腐蚀性环境，可位于该添加剂罐外部。其构成材料将优选地选自耐蚀金属(尤其某些等级的不锈钢和铝)。使用铜(甚至用于连接部件)是不可取的。

根据本发明，该泵出口压力是通过一个合适的装置来调节，该装置使之有可能直接调节泵的转度。这样的一个装置在本申请人名下的申请WO 2007/023142中描述，为此目的，其内容通过引用被结合到本申请中。根据一个优选的变体，根据本发明的系统包括一条回流管线，该回流管线装备有一个压力限制装置并且该泵排出过量的添加剂(通过有意在一个过高的速度下转动，即具有一个过高的出口压力)，这个过量(该泵的流量与该注入器的流量之间的差)通过该管线返回到罐中。一个简单的校准弹簧阀或隔膜阀给出优良的效果。通过在该回流管上的一种简单的限制器形成一个优选的装置，优选与一个止回阀相结合。这个变体的优点在于允许以一种简单的方法使该计量阀有效冷却。

根据一个第一变体，该压力调节装置位于该计量阀的下游，处于将没有被这个阀消耗的添加剂返回该罐的一条管线中。

根据一个第二变体，该压力调节装置位于该注入器的下游，处于将没有被这个注入器消耗的添加剂返回该罐的一条管线中。

优选该第二变体(在注入器处有过量的计量)，因为它有可能避免注入器过热。然而，在这种情况下有利的是提供一种旁路管线，该旁路管线在罐中添加剂的温度超过一个临界值(例如60℃)时使添加剂返回到计量阀的上游(并且优选到过滤器上游，那里是合适的：见下文)。

这个变体还可以在这些导管中容易地整合一种清洗功能，尤其避免在添加剂溶液冻结的情况下损坏这些导管。为此，在该注入管线中的泵的上游提供一个带有气体(例如空气)进口的清洗阀就够了。于是，在一个合适的位置，这个阀可通过这些导管吸入空气，并迫使它们包含的液体返回该罐。

能够使添加剂注入排出气体的注入器通常位于注入管线的末端。这个注入器可以是任何已知类型。有利地它是一个喷嘴或一个喷头，它可以获得直径在5到100μm之间的液滴。这样的一个喷嘴有利地配备有直径大约在150μm-250μm之间的一个孔。这个孔由多个狭窄通道(3-4)的一个系统来供应，该系统在该喷嘴上游的溶液中产生一种“漩涡”(涡流)效果。通过清洗来去除尿素最后的液滴可以避免堵塞；因此，不存在由蒸发造成的结晶。

优选地，根据本发明的系统还包括位于罐和泵之间的一个过滤器，并且使之有可能截留存在于该溶液中的可能的杂质。

根据本发明，如以上已经解释，泵、阀和注入器是分离的装置，它们位于在该添加剂储罐和发动机的排气管之间的注入管线中。根据一种特别有利的变体，并且如在本申请人名下的申请FR 06/05082中所描述(其内容通过引用结合到本申请中)，至少该泵被整合到存在于在该罐底部的一个法兰中。以一种特别优选的方式，该泵、该压力限制装置以及计量阀全部被整合到这个法兰中，该法兰经由一根注入管线连通到该注入器。因此，获得一个特别紧凑的系统。

本发明还涉及用于存储一种添加剂溶液并将其注入内燃机的排气管中的一种方法，所述方法在于利用一个旋转泵和一个计量阀将存储在一个罐中的溶液运送到一个注入器，其中注入器、泵和计量阀是分离的装置，并且在于将这种溶液按原样注入该排气管中，而没有用一种气体(比如压缩空气)稀释它。

在根据本发明的这个方法中，溶液的量是通过调节计量阀的开放频率和持续时间来计量的。这个阀可以是一个压电阀或电磁阀，它的调节可以是电子的。因此，最经常的是，根据本发明的系统包括一台计算机，它连接到计量阀上并且使之有可能运送所要求量的添加剂(尤其作为以下特征的函数：NOx的排放水平和转化程度；温度和压力；发动机转速和负荷，等等)到该注入器能。这台计算机还可以作用于该泵的压力调节。例如，对低流速增加压力可能是有利的。

在一个第一变体中，由该泵排出并且没有被计量阀消耗的该添加剂的量(作为受计算机控制的一个函数)通过连接在该泵和计量阀之间的一个回流管线返回到添加剂罐。在另一个变体中，该计量阀将过量的添加剂运送到注入器，该过量通过一个起始于该注入器的回流管返回到该罐。在这两个情况中，一个压力限制装置位于该回流管线中，该回流管线将过量的流量返回(由来自该泵和该喷雾的流量的差引起的)到该罐

具体实施方式

本发明以一个非限制方式通过图1至3进行展示，其中每张图涉及本发明的一种不同的变体。在这些图中，同样的数字代表同样的或类似的部件。排出气体的流向通过一个标记“G”的箭头来标明。

图1表示一种简单的系统，其中计量阀4准确地将所需要量的添加剂运送到注入器8，由泵3产生的过量通过一个校准阀6返回到罐1。

该罐1包含一种还原剂前体溶液，在这种情况下：一种

的32.5％尿素水溶液。可能的杂质被一个过滤器2截留。泵3允许溶液从罐中抽出，并且该液体达到产生喷雾所要求的压力和用于冷却计量阀所需的回流所要求的压力。校准阀6提供了在管线部分3中喷雾压力的控制。通过开放计量阀4进行还原剂前体的量的计量，该计量阀是电控的，具有设定的开放频率和持续时间。该计量阀4通过管线7连接到注入器(喷嘴)8。该喷嘴8被设计为以微滴的形式喷洒溶液，其微滴的尺寸分布总体上在5μm到120μm之间。该过量的流量(由来自泵的流量和喷雾的流量的差引起)通过管线5返回罐1。在图1的一个变体中，在回流管5连接至罐1的底部区域的情况下，该校准阀6被与一个简单的止回阀结合的一个限制器所替代。

图2展示了一个更复杂的系统，该系统包括冷却该注入器(通过添加剂的过量的计量)的一种功能以及一种清洗功能。

这个系统包括一个清洗阀(电磁阀)11，当溶液被泵3吸取时，该阀处于打开状态从而将罐1连接到过滤器2。

它还包括安装在回流管5中一个旁路阀(电磁阀)10，该回流管这次起始于注入器8到它与一个旁路管线13的交叉点。这种返回使之有可能避免该喷嘴过度过热。当罐1中测量的溶液的温度超过60℃时，该电磁阀10进行切换并且液体被运送到旁路管线13而不是返回罐1。该阀门11是一种比例阀。它还可以是一种开/关阀或一个简单的双金属片。

如图所示，该系统还包括一种用于送料和回流管线的清洗功能。为此目的，清洗阀11的进气口连接一个空气入口12。利用这个阀11的一个合适的位置，空气可以被泵吸入，迫使包含在这些导管中的液体回到该罐1。另外，所展示的管线配备有一个已知的加热装置。

该系统的全部功能都是电控的。

图3展示了一个系统，它完成与图2相同的功能。然而这些部件(过滤器2、泵3、计量阀4、清洗阀11、标定阀6、旁路阀10)已经被整合到该罐1的内部，结果形成一个特别紧凑的系统。

Claims (13)

1.用于存储一种添加剂溶液并且将它注入一台内燃机的排出气体中的系统，所述的系统包括一个用于存储该添加剂的罐和一个旋转泵、作为分离的装置的一个计量阀和一个注入器，这个系统使之有可能按照原样将该添加剂溶液计量和注入到排出气体中而不用一种气体将其稀释，其特征在于，该泵的出口压力是通过调节该泵的转速来调节。

2.根据以上权利要求所述的系统，其特征在于，该泵排出过量的添加剂溶液(即高于该注入器的一个流量)，并且该系统包括装有一个压力限制装置的一个回流管线，它能够使该过量的溶液返回该罐。

3.根据前一项权利要求所述的系统，其中该压力限制装置是可以与一个止回阀结合的一种限流器。

4.根据权利要求2所述的系统，其中该压力限制装置是一个校准的弹簧阀或隔膜阀。

5.根据权利要求2、3或4所述的系统，其特征在于，该压力限制装置位于该计量阀的下游，在使得没有被这个阀消耗的添加剂流量能够返回该罐的一个管线中。

6.根据权利要求2、3或4所述的系统，其特征在于，该压力限制装置位于该注入器下游，在使得没有被这个注入器消耗的添加剂流量能够返回该罐的一个管线中。

7.根据前一项权利要求所述的系统，其特征在于，它包括一个旁路管线，当该罐内的添加剂的温度超过一个临界值时，该旁路管线能够使没有被该注入器消耗的添加剂流量送回该计量阀上游而不是到该罐。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，它包括一个在该泵上游而且具有一个进气口的清洗阀。

9.根据以上任意一项权利要求所述的系统，其特征在于，它包括位于该罐和该泵之间的一个过滤器。

10.根据权利要求2到8中任意一项所述的系统，其特征在于，该泵、该压力限制装置以及该计量阀被整合在一个法兰中，该法兰通过一个注入管线连接到该注入器。

11.用于存储一种添加剂溶液并且将它注入内燃机的一个排气管中的方法，该方法在于利用一个旋转泵和一个计量阀将存储在一个罐中的溶液运送到一个注入器，其中注入器、泵和计量阀是分离的装置，并且在于将这种溶液按照原样注入该排气管中而不用一种气体将其稀释，该泵的出口压力是通过调节其转速来调节。

12.根据以上权利要求所述的方法，其特征在于该泵排出过量的添加剂溶液(即高于该注入器流量的一个流量)，并且其特征在于这个过量是经由装备有一个压力限制装置的一个回流管线返回该罐。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于该计量阀以一种可调节的持续时间和频率来开放，并且其特征在于添加剂溶液的量是通过电子调节这一持续时间和这一频率来计量的。

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