CN101779012B - 具有清洁加热器的还原剂喷射器 - Google Patents

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Abstract

一种将还原剂引入废气流的方法包括使用还原剂喷射器(18)将还原剂喷射到废气流中。该方法还包括选择性地加热还原剂喷射器(18)的喷嘴(44)以便减少喷嘴(44)上的残留物。

Description

具有清洁加热器的还原剂喷射器
技术领域
本发明涉及一种流体喷射器，并且更特别是涉及一种具有被加热喷嘴的流体喷射器系统。
背景技术
包括柴油机、汽油机、气态燃料供能发动机以及本领域公知的其它发动机的内燃机会排放包括空气污染物的复杂混合物。这些空气污染物会包括氮的氧化物(NOX)。由于对环保的日益关注，废气排放标准变得越来越严格。从发动机排放的NOX的含量可以根据发动机的类型、尺寸和/或等级来调节。
一种发动机制造商已经采用的与排放规定相符的方法是使用所谓的选择性催化还原(SCR)过程来减小发动机废气中的NOX水平。在SCR中，气态或液态还原剂可被添加到发动机废气中。混合物可被吸收到催化剂上。还原剂可与废气中的NOX反应，以便形成水和氮气。
为了有助于增强还原剂和废气之间混合，还原剂可通过还原剂喷射器引入废气。还原剂喷射器可包括延伸到废气流路内的喷嘴。可使用喷嘴将还原剂喷射到废气中，使得还原剂和废气混合，这有助于促进还原反应。但是，随着时间过去，碎片可形成在喷嘴上或形成在喷嘴内，造成喷嘴堵塞。如果喷嘴被堵塞，会难以或不能将还原剂引入废气，并且可最终妨碍SCR发生。
一种用于清洁喷射器的方法在授予Linna等人(“Linna”)的美国专利No.6913005中描述。Linna公开了一种喷射器，该喷射器包括毛细管流路和沿着毛细管流路配置以加热其中的液体的热源。被施加的热量足以将液体的一部分从液体状态转换成蒸气状态。被转换成蒸气状态的液体燃料的部分受到控制，以实现最小的废气排放。在发动机的冷启动和暖机过程中，蒸气化的燃料可被供应到内燃机的燃烧室，以实现减小的排放。然而，Linna的喷射器用于燃料喷射，而不是还原剂喷射。另外，Linna的热源适用于蒸发液体燃料，并且没有披露能够烧掉会堵塞喷射器的固体残留物。
本发明的系统和方法解决了上面提出的一个或多个问题。
发明内容
在一个方面，本发明的实施方式针对一种将还原剂引入废气流的方法。该方法可包括使用还原剂喷射器将还原剂喷射到废气流中。该方法还包括选择性地加热还原剂喷射器的喷嘴，以便减少喷嘴上的残留物。
在另一方面，本发明的实施方式针对一种从后处理系统的还原剂喷射器清理残留物的方法。该方法包括针对一个触发条件来监测后处理系统，该触发条件表示存在残留物，残留物与还原剂喷射器喷射还原剂的操作干涉。该方法还包括在检测到触发条件时启动加热器。该方法还包括通过加热器加热还原剂喷射器的喷嘴以便从喷嘴去除残留物。
在又一方面，本发明的实施方式针对一种用于执行选择性催化还原的系统。该系统可包括能够将还原剂喷射到废气通道内的废气中的还原剂喷射器。该系统还可包括连接到还原剂喷射器的喷嘴上的加热器。该系统还包括能够接收还原剂和来自于废气通道的废气的混合物的催化器。该系统还可包括连接到加热器的控制器。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施方式的动力单元和后处理系统的示意图。
图2是根据本发明的示例性实施方式的清洁还原剂喷射器的方法的流程图。
具体实施方式
图1表示动力单元10和后处理系统11。为了公开的目的，动力单元10可包括四冲程柴油发动机。然而，本领域普通技术人员可以认识到，动力单元10可以是任何类型的内燃机，例如汽油发动机或气态燃料供能发动机。动力单元10可包括至少部分限定多个燃烧室14的发动机缸体12。在所示实施方式中，动力单元10可包括四个燃烧室14。然而，可以考虑到，动力单元10可包括数量比四个更多或更少的燃烧室，并且燃烧室14可布置成“直列”构造、“V形”构造或任何其它适当的构造。
燃烧室14可从动力单元10的吸气歧管(未示出)接收空气、燃料、废气和/或其任何适当组合的燃烧混合物。空气、燃料和/或废气的混合物可以使用活塞组件(未示出)和本领域普通技术人员明白的其它部件在燃烧室14内压缩和燃烧。废气和其它的燃烧副产品可离开燃烧室14，并进入废气通道16。废气和其它副产品可流入经过废气通道16的流体流中。
流过废气通道16的废气可包括污染物的复杂混合物，污染物例如是NOX。后处理系统11可使用SCR过程来减少废气中NOX的含量。在该过程中，气态或液态还原剂(例如氨或尿素水溶液)可通过还原剂喷射器18喷射到废气通道16中。废气和还原剂的混合物可接着通过还原剂喷射器18下游的催化器20来吸收。在催化器20处，还原剂会与废气中的NOX反应，以便形成水和氮气，因此减少废气中NOX的水平。
还原剂喷射器18可在入口22处接收来自于例如存储罐或槽的还原剂源24的还原剂供给。还原剂源24可使用将还原剂喷射器18与还原剂源24流体连接的通道26将还原剂引导到还原剂喷射器18。还原剂可存储在还原剂喷射器18的主体30内的一个或多个通道28内。主体30可包括大致圆柱形的构件，大致圆柱形的构件的壁可限定一个或多个通道。
还原剂喷射器18还可包括滑动地接收在主体30内的柱塞32。柱塞32可通过弹簧或类似的偏压机构38偏压到闭合位置。在柱塞32位于闭合位置时，柱塞32可用作防止还原剂离开主体30的阻挡件。在从控制器34接收信号时，连接到柱塞32的致动器36可抵抗偏压机构38施加的偏压力将柱塞32压迫到打开位置。在柱塞32位于打开位置时，通道28可被配置成通过主体30的出口42与还原剂喷射器18的喷嘴44流体连通。
致动器36可包括电磁致动器组件、液压致动器组件、机械致动器组件和/或能够克服通过偏压机构38施加在柱塞32上的偏压力以便将柱塞32运动到打开位置的任何其它适当的致动器组件。例如，致动器36可包括电子控制的电磁致动器组件。在致动器36被通电时，电磁体(未示出)可将柱塞32运动到打开位置。在致动器36断电时，偏压机构将柱塞返回到闭合位置。控制器34可控制致动器36何时通电以及致动器36保持通电多长时间。从还原剂喷射器18释放到废气通道16内的还原剂的量可随着致动器36通电时间增加而增加，并且随着致动器36通电频率增加而增加。
还原剂源24可存储加压的还原剂，并且可将加压的还原剂供应到还原剂喷射器18。压力在柱塞32缩回时有助于还原剂在喷嘴44处雾化，这是由于还原剂由于压力被迫离开喷嘴44内的一个或多个小喷嘴孔口46。还可设想到，还原剂源24和/或还原剂喷射器18可流体连接到加压空气源40。加压空气源40可为还原剂源24和/或还原剂喷射器18提供加压空气，以便通过将还原剂压迫经过喷嘴孔口46而有助于还原剂雾化。附加或作为替代，加压空气源40可在喷嘴孔口46处或附近引导加压空气，以有助于离开喷嘴孔口46的还原剂雾化。
喷嘴44可至少部分延伸到废气通道16内。喷嘴孔口46可配置在喷嘴44的端部上，以便在大致垂直于废气通道16的纵向流动轴线的方向上将还原剂从喷嘴44内引导到废气通道16内。喷嘴孔口46还可围绕喷嘴44周向配置，以便在大致平行于废气通道16的纵向流动轴线的方向上将还原剂从喷嘴44内引导到废气通道16。然而，还可设想到，喷嘴孔口46可被配置成以任何其它角度将还原剂引入废气通道16。可以选择喷嘴孔口46的类型和数量，以便形成任何适当的喷射图案。以此方式喷射还原剂可有助于确保还原剂与废气通道16内流动的废气基本上均匀地混合。喷嘴44可具有线性构造、曲线构造、弯曲构造和/或任何其它适当的构造。虽然设想到喷嘴44可具有任何适当的长度，但是在一些情况下，会希望将喷嘴44延伸到废气通道16的中心，以确保还原剂与废气通道16内的废气基本上均匀地混合。
废气和还原剂的混合物可朝向催化器20流动。催化器20包括壳体48，壳体48具有用于接收混合物的入口50和用于在已经出现还原反应之后排出废气、水和氮气的出口52。催化器20可由包括例如铂、钒、沸石的材料制成和/或由适用于吸收废气和还原剂的混合物并增强还原剂和废气中的NOX之间还原反应的任何其它材料制成。
控制器34可检测和控制SCR过程。控制器34可包括单个微型处理器或多个微型处理器。多种可以购买到的微型处理器能够执行控制器34的功能。应该理解到，控制器34容易体现为能够控制多种动力单元功能的通用动力单元微处理器。多种其它公知的电路可与控制器34相关，这些公知的电路包括电源电路、信号调整电路、电磁驱动器电路、通信电路和其它适当的电路。
控制器34可连接到一个或多个传感器上，传感器包括例如上游NOX传感器54、下游NOX传感器56以及压力传感器57。上游NOX传感器54可以定位在催化器之前，即位于催化器20的上游，而下游NOX传感器可以定位在催化器之后，即位于催化器20的下游。上游NOX传感器54和下游NOX传感器56都可以在其相应的位置处检测废气中NOX的水平。如果检测的NOX水平超过预定阈值一定量，控制器34会启动设计用来减少检测的NOX水平的过程。例如，响应来自于上游NOX传感器54和下游NOX传感器56的指示废气中存在过量水平NOX的信号，控制器34可喷射更多的还原剂，将警报发送给用户或技术人员，和/或清洁还原剂喷射器18，该警报指示需要维护以便将NOX水平恢复到阈值水平或阈值水平以下。压力传感器57可定位在还原剂喷射器18的主体30内、定位在通道26内、定位在喷嘴44内、或定位在用于检测喷嘴孔口46上游、下游和/或喷嘴孔口46处或附近的压力的任何其它合适位置内。如果检测的压力超过预定阈值一定量，控制器34可以启动清洁过程，以清除系统中的任何堵塞或栓塞。
清洁是有利的，这是由于NOX水平升高的一个可能的原因是在喷嘴44的内部和/或周围形成了碎片。碎片会与经过喷嘴并进入废气的还原剂的流动干涉。随着时间推移，会由于废气通道16内的热量造成喷嘴44内部或喷嘴孔口46周围的液态还原剂蒸发，因此留下固体残留物，从而形成碎片。该固体残留物会积累并最终堵塞喷嘴44。
加热器58可被连接到还原剂喷射器18，以有助于疏通被堵塞的喷嘴，或者首先防止喷嘴44堵塞。加热器58可包括与还原剂喷射器18的包括例如喷嘴44的一个或多个部件邻近或接触的加热元件60。在一个实施方式中，加热器58和/或加热元件60可基本上围绕喷嘴44。加热元件60可包括线圈绕组，线圈绕组在接收电流时会产生热量。电流可从控制器34或任何其它的来源供应到加热元件60，导致加热元件60的温度升高。加热元件60可接着用来将喷嘴44加热到通过例如蒸发、焚化、燃烧、点燃或用于去除碎片的任何其它适当机制来减少堵塞喷嘴44或喷嘴孔口46的任何碎片的温度下。该温度会降低到70-550℃，或降低到70-550℃之间。在一个示例性实施方式中，可以使用大约150℃的温度。然而，应该理解到，所选温度会根据喷嘴44所使用的环境来变化。加热器58还可包括温度传感器62，温度传感器62能够检测加热元件60和/或喷嘴44的温度，并且向控制器34报告备份数据。温度传感器62可被连接到加热元件60和/或喷嘴44。还可设想到，加热元件60可接触喷嘴44，并位于喷嘴孔口46处或附近。通过使用来自于温度传感器62的数据，控制器34可确定何时实现所需温度。
控制器34可在接收或识别到一个或多个触发条件时选择性地启动加热器58。一个触发条件可以是通过上游NOX传感器54和/或下游NOX传感器56检测到的在废气中存在不希望的NOX水平。另一触发条件可以是通过压力传感器57检测到的在堵塞部分上游的位置存在过大压力。又一触发条件可以是同样通过压力传感器57检测到的堵塞部分下游出现欠压。再一触发条件可以是经过了预定时间间隔，和/或任何其它适当的触发条件或触发条件的组合。在温度传感器62向控制器34发送加热元件60和/或喷嘴44已经达到预定温度、加热元件60和/或喷嘴44已经保持预定温度长达预定时间长度(例如在3-5分钟处或之间)的信号时，控制器34使得加热器58断电。另外或作为替代，在压力传感器57向控制器34发送压力水平已经返回一些阈值量、指示已经清除了堵塞或栓塞的信号时，控制器34使得加热器57断电。
控制器34可使用定时器64来追踪时间间隔。定时器64包括数字或模拟式装置，数字或模拟式装置能够指示自前一喷嘴清洁事件起流逝的时间、到下一个喷嘴清洁事件的剩余时间、喷嘴清洁事件的持续时间或者任何其它类似的时间测量值。定时器64可产生指示时间测量值的信号，并通过通信线66将该信号发送到控制器34。
工业实用性
本发明的流体喷射器可适用于多种废气处理装置，这些废气处理装置包括例如需要喷射尿素或任何其它适当的还原剂的SCR装置以及本领域公知的其它类似装置。本发明的喷射器可应用于得益于无堵塞的喷射器操作的任何发动机系统。
参考图1，尿素水溶液可被抽吸到还原剂喷射器18，以用于SCR。具体地，尿素水溶液可被喷射到废气通道16，以便在被引导到催化器20中之前与废气通道中的废气混合，在催化器20处完成还原反应。遗憾的是，来自于废气的热量会使得尿素水溶液蒸发，造成固体材料在喷嘴44内部和/或附近积累。如果未经过检查，这种积累会累积到足以限制或甚至妨碍将尿素水溶液喷射到废气通道16的程度。这种情况还妨碍了还原反应，并造成废气中的NOX水平升高。
喷嘴44可被清洁以便清理喷嘴44和/或喷嘴孔口46。喷嘴清洁可周期地进行，或者根据例如还原剂喷射器18处或上游的压力不希望的增加、废气中的NOX水平不希望的增加或者任何其它不希望的条件的触发条件更加随机地执行。
一个示例性清洁过程在图2的流程图中表示。清洁过程会以控制器34确定是否已经接收或识别清洁触发条件(步骤70)来开始(步骤68)。如果还没有接收或识别到清洁触发条件(否)，控制器34可不启动清洁程序，而是可以继续进行监测，直到其发生。如果控制器34已经接收或识别到清洁触发条件(是)，下一个步骤包括通过加热器58加热喷嘴44(步骤72)。控制器34可确定是否已经实现所需加热条件(步骤74)。例如，喷嘴44可被加热，直到控制器34确定其温度达到大约70-550℃长达大约3-5分钟。可以根据动力单元10的特性、动力单元10内燃烧的燃料、后处理系统11的特性、还原剂的性能、和/或任何其它适当的性能来可选择地调整加热条件。如果没有达到所需加热条件(否)，加热器58可继续加热喷嘴44。如果已经达到所需的加热条件(是)，控制器34可确定是否还存在清洁触发条件(步骤76)。如果还存在清洁触发条件(是)，控制器34可再次加热喷嘴44。一旦不再存在清洁触发条件(否)，清洁过程可以终止(步骤78)。可以设想到，如果还有堵塞，会采用需要较高温度和/或加热持续时间的清洁事件。还可以设想到，清洁过程可以通过车辆操作者从车辆驾驶室手动触发。
本发明喷射器的构造可通过以有效方式去除还原剂积累来确保继续和成功的再生事件。具体地，通过加热还原剂喷射器18的喷嘴44，喷嘴44和/或喷嘴孔口46内积累的残留液体和固体可被有效地烧除。通过去除液体和固体，可以延长本发明喷射器的成功操作。另外，由于可以在实际上不移除还原剂喷射器18的情况下进行清洁，可以减少用于清理还原剂喷射器18的时间和成本。
本领域普通技术人员将明白，可以在本发明的系统和方法中进行多种变型和改型，而不偏离本发明的范围。另外，本领域的普通技术人员将从说明书的阅读中明白本发明系统和方法的其它实施方式。所打算的是所述说明书和实例只是示例性的，其真实范围通过权利要求及其等同物来限定。

Claims (6)

1.一种将还原剂引入废气流的方法，所述方法包括：
使用具有喷嘴的还原剂喷射器(18)将所述还原剂喷射到所述废气流中；以及
基于压力传感器(57)检测的所述喷嘴上游以及所述还原剂喷射器内的还原剂的超过阈值压力水平的压力水平，检测到所述喷嘴上的残留物；
在所述压力传感器(57)检测的压力水平超过阈值压力水平时产生触发条件；以及
响应于所述触发条件，选择性地加热所述还原剂喷射器(18)的喷嘴(44)，以便减少所述喷嘴(44)上的残留物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述喷嘴(44)包括加热所述喷嘴(44)的具有一个或多个喷嘴(44)孔口(46)的部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述喷嘴(44)包括启动连接到所述喷嘴(44)的加热元件(60)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述喷嘴(44)包括使得所述喷嘴(44)达到去除残留物的温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中加热所述喷嘴(44)还包括将所述喷嘴(44)保持在所述温度下长达预定时间长度。
6.一种从后处理系统(11)的还原剂喷射器(18)清洁残留物的方法，所述方法包括：
基于压力传感器(57)检测的还原剂的在预定范围之外的压力水平，检测到所述还原剂喷射器的喷嘴上的残留物；
在所述压力传感器(57)检测的所述喷嘴上游以及所述还原剂喷射器内的压力水平落在所述预定范围之外时产生触发条件，所述触发条件表示出存在残留物，所述残留物与所述还原剂喷射器(18)喷射还原剂的操作干涉；
在检测到所述触发条件时启动加热器；以及
通过所述加热器加热所述还原剂喷射器(18)的喷嘴(44)以便从所述喷嘴(44)去除残留物。
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