CN101809257A - Scr系统及其清理方法 - Google Patents

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Abstract

用于处理内燃发动机排气的SCR系统，该系统包括用于将尿素溶液送入排气中的一个管线、以及一个泵，该泵既能够将尿素溶液送入所述排气之中也能够借助一个抽吸装置通过抽吸经过其中的一种气体来对该管线的至少一部分进行清理，该系统还包括一个控制单元，该控制单元能够以一种顺序的方式在同一个清理程序的过程中启动和/或解除启动该泵的运行以及该抽吸装置的运行。

Description

SCR系统及其清理方法
本申请涉及一种SCR系统以及用于清理这样一种系统的方法。
除其他事项外，对于车辆和重型货车排放的立法规定了减少释放到大气中的氮氧化物NOx。实现这个目标的一种已知的方式是使用SCR(选择性催化还原)方法，该方法通过将一种还原剂(一般是氨)注入排气管线使氮氧化物能够减少。这种氨可以得自一种氨前体溶液的高温分解，该溶液的浓缩物可以是低共熔的浓缩物。这样一种氨前体通常是一种尿素溶液。
通过SCR方法，发动机在以最佳效率的燃烧过程中所产生的高水平的NOx在离开发动机时在一种催化剂中得到了处理。这种处理要求使用以精确的浓度并具有极端品质的还原剂。因此，将该溶液进行精确计量并注入排气流之中，其中在将这种氮氧化物(NOx)转化为氮气(N2)和水(H2O)之前这种溶液被水解。
为了做到这一点，必须为这些车辆装备有包含一种添加剂(通常是尿素)溶液的一个储箱并且还装备有用于对所希望量值的添加剂进行计量并且将其注入该排气管线的一种装置。
鉴于通常为此目的使用的水性尿素溶液(低共熔的32.5wt％尿素溶液)在-11℃冰冻，必须提供一种加热装置以将这种溶液液化以便在冰冻条件下起动的情况中能够将该溶液注入排气管线之中。
此外，为了便于操作、为了冰冻情况下系统的重新启动以及为了防止运输尿素的通常柔性的管道发生爆裂，有利的是在运行该系统之后清理这些导管。具体地说，如果适当的话，有利的是清理将添加剂储箱连接到喷射器(或喷射管线)以及返回管线上的管线。
现有技术已经提供了用于此目的的几种系统。
因此，以本申请人名义的申请WO 2006/064028提出了一种SCR系统，其中这个或这些管线的清理是使用该系统的泵通过抽吸排气穿过喷射器来进行，为此目的该泵或者在相反的方向中旋转或者与一个阀门相关联，该阀门使之有可能使流动反向。这种系统的优点是其简单性以及减少了为了增加这个功能必须做出的修改的数目(这是因为在该系统中选择一个在两个方向中旋转的泵或者提供一个4通阀即足够了。)
这个文件还提到了以下事实，即优选的是不要直接在关闭发动机之后就进行清理，因为这些气体可能过热并且可能损坏系统的某些部分。为此目的，它推荐了一种温度控制以便调整在清理之前的时间延迟。
然而，看起来这个问题实际上并不是真正关键性的(无疑是因为一旦发动机被关闭，在排气管中的温度即迅速下降)并且，此外，它可以通过选择从排气管外部抽吸空气(并且不是所述管道中的空气/气体)来防止。相反地，如果直接在发动机关闭之后即开始清理，则存在将尿素喷洒到排气管之中和/或催化剂上的危险。这种现象能够导致催化剂的过早老化以及在排气管中跟随氨的释放的腐蚀问题。
本发明旨在通过提供用于清理一个SCR系统的一种简单并且经济的方法来解决该问题，其中，一旦该发动机关闭，即避免了将尿素喷洒到催化剂上和/或发动机的消音器中。
因此，本申请涉及用于处理一台内燃发动机排气的SCR系统，该系统包括将尿素溶液送入排气中的一个管线、以及一个泵该泵即能够将该尿素溶液送入所述排气中也能够借助一个抽吸装置通过抽吸经过其的气体来清理该管线的至少一部分，该系统还包括一个控制单元，该控制单元能够以一种顺序的方式在同一个清理程序过程中启动和/或解除启动该泵的运行以及该抽吸装置的运行。
表述“SCR系统”应该理解为是指用于对来自(优选是车辆的)内燃发动机的排气中的NOx进行催化还原的一个系统，该系统使用将尿素作为一种液态氨前体。本发明有利地应用于柴油发动机，并且特别应用于车辆的柴油发动机，并且特别优选地应用于重型货车的柴油发动机。
术语“尿素”应该理解为是表示任何总体上水性的包含尿素的溶液。本发明给出了使用低共熔的水/尿素溶液的良好结果，对于该溶液存在一个标准质量：例如，根据标准DIN 70070，在溶液(商业的尿素溶液)的情况下，尿素含量是在31.8％与33.2％(按重量计)之间(即32.5+/-0.7wt％)，因此可供使用的氨的量值是在18.0％与18.8％之间。本发明还可以应用于在商品名DenoxiumTM下销售的尿素/氨的甲酸盐的多种混合物(同样为水性溶液)，并且这些组合物(Denoxium-30)之一包含了与
Figure GPA00001075550000032
溶液中的氨的量值相当的氨。后者具有的优点是只从-30℃才开始(而不是-11℃)冰冻，但具有的缺点是与可能的甲酸释放有关的腐蚀问题。本发明在低共熔的水/尿素溶液的情况中是特别有利的。
SCR系统总体上包括用于储存尿素溶液的至少一个储箱并且还包括用于将其送入排气的一组部件，并且这些部件总体上包括多个有源元件，如：一个泵、过滤器、一个或多个阀门、多个尿素输送管道(或者甚至在一些情况下的多个尿素返回管道)。根据本发明的方法使这些部件能够通过穿过它们抽吸气体来驱使它们包含的尿素溶液返回到储箱中而得到清理。
这是因为，如在本申请人名下的一个共同未决的申请中所说明的，在冰冻天气中有利的是清理这些部件，以便能够当该系统被启动时，延迟其加热(相对于该储箱的加热)。同样必要的是清理该系统以避免损坏用于将尿素从该储箱送入该喷射器上的柔性管。
根据本发明，该清理是使用该输送泵以及能够使气体(空气或者排气)被抽吸的一种装置来进行的。这种装置可以是一个喷射器或一个清理阀门。优选地，该清理程序在发动机关闭之后不久即启动。
表述“清理程序”应该理解为是指与该清理相联系的一组操作，一旦发动机关闭即进行该组操作，这包括一种可任选的控制，以确定是否有必要清理该系统。这是因为，在一些短旅途的过程中，该SCR系统也许尚未启动(因为催化剂未处于适当的温度或者因为在冰冻的天气中，系统的加热不足以启动该泵)，于是重要的是不清理这些管线，因为它们是空的(在该发动机前一次关闭时已经被清理)。
因此，根据本发明的一个优选的变体，该SCR系统具有与点火钥匙的一个连接。通过这种连接，发动机的状态(运行或关闭)与该系统沟通并且一旦使用该点火钥匙将该发动机关闭则启动该清理程序。
根据本发明的系统的泵可位于尿素储箱之内(具有的优点是与其形成一种紧凑并且一体化的模块)、或考虑到腐蚀性环境被定在该尿素储箱的外部。其构成材料将优先选自耐蚀金属(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。
任何类型的泵都可以是适用的。本申请人通过一个齿轮泵类型的旋转式正排量泵并且具体的通过这样一个电磁驱动泵(如在本申请人名下的申请FR 0756387中所说明的，为此目的，其内容通过引用被结合在本申请中)已经获得良好的结果。该泵的速度优选地如在本申请人名下的申请PCT/EP2007/057066中所说明的方式来驱动(为此目的，其内容同样通过引用被结合到本申请中)。
该清理气体(空气或者排气)抽吸装置也可是任何已知的类型。例如，它可以是被用于计量的一个阀门或喷射器。总之，SCR系统包括该输送管线末端处的一个喷射器。在此情况下，或者该抽吸阀门被定位为非常接近该喷射器(以便尽可能地限制未清理的长度和/或使空气能够通过发动机消音器被抽入，在此情况下阀门应该位于排气管线内)，或者该喷射器本身起到一种抽吸装置的作用。实践中，通常仅打开该喷射器就是足够的。然而，当该喷射器通过该SCR系统的控制单元之外的一个控制单元(例如，通过发动机的控制单元)来操控时，通常要求使用由该SCR系统的控制单元直接控制的一个阀门或任何其他抽吸装置(除非在这两个控制单元之间提供了一个通信系统，这在某些时候是更复杂和/或是不可取的)。以上提到的这些控制单元总体上是电子单元或ECU(电子控制单元)。
在根据本发明的系统中，该SCR系统的控制单元是这样的：它可以以一种顺序的方式将该泵的运行以及该抽吸装置的运行起动和/或解除启动。
在本发明的背景中，术语“运行”应该理解为是指在清理模式中运行。当运行在“清理”模式中时，该泵可以或者相对于其通常的运行模式(输送模式)在反向方向中旋转，或者如果该系统包括可以使流动反向的一个阀门(即：如先前已经提到的4通阀)则在相同的方向中旋转。换言之，根据一个优选的变体，为了使该系统能够有效地清理：或者该泵能够在两个相反的方向中旋转，或者该系统包括一个4通阀，该阀可以在未改变该泵的旋转方向的情况下使该管线中的流动相反。
根据本发明的一个优选的变体，该泵在“清理”模式中的运行仅在该泵出口压力已经下降到一个参考值以下之后的一个特定时间被启动。这是因为，具体在旋转式正排量泵的情况下，该压力随着电动机的转速降低并且仅当电动机的速度几乎停止时才变得足够低。
这种顺序的启动可以使用一个计时器来实施，该计时器使泵能够在一个预定时间段的末期和/或在该压力(p)已经降低到一个参考值(pref)以下之后被启动，并且可以打开和关闭用于穿过该消音器抽吸空气的装置。
因此，根据本发明的一个优选的变体，该SCR系统包括一个计时器以及能够测量该泵出口处的压力的一个压力传感器。优选地，这种测量是实时(即例如在ms(毫秒)级的规则间隔之下)进行的，并且该控制单元能够实时地检测压力下降到一个参考值以下的时刻，并且在此时，能够以“清理”模式启动该泵并且能够开启计时器，它最终运行到一个给定时间间隔末期，从而允许该空气抽吸装置在预定的时间打开和关闭。
可替代地，当该系统不包括一个压力传感器时，该计时器可以被用于在关闭该发动机之后的一个预先校准的间隔(它以实验方式来确定)的末期以“清理”模式启动该泵，并且于是允许在预定的时间打开和关闭该空气抽吸装置。
在这两个变体中，该泵在“清理”模式中的运行因此是在使空气或气体能够穿过该消音器被抽吸的装置运行之前被启动的，以便防止尿素在清理的开始时(当这些管线充满尿素时)被排入排气管中和/或到催化剂上。一般地，该泵的启动与该抽吸装置的启动之间的时间是短暂的(典型地是ms级)，以便避免在位于该泵与该抽吸装置之间的管线部分中产生过高的真空(这可以导致管线内爆(内坍)，特别是在由塑料制成的管线的情况下)。
根据本发明的SCR系统可以包括一个止回装置，该止回装置在一旦这些元件已经被清理时即防止液体进入它们之中。该止回装置优选地位于泵与尿素储箱之间，并且最特别优选地位于这些清理的元件与储箱的接合处。
具体地讲，它可以是如在本申请人名下的申请FR 0756388中所说明的一种止回装置(其内容通过引用结合在本申请之中)。在结合了这样一个装置的一个系统中，该泵、所述装置以及一个尿素过滤器被组合在一个紧凑的模块中，该过滤器至少部分地环绕该泵并且该止回装置成为环绕该过滤器以及泵的至少一部分的一个公用的壳体的一个整体部分。
这种紧凑模块优选地被整合到在液体储箱中的一个潜没的基板之中并且该公用壳体包括一个盖件以及一个下部的部分，这样：
-该下部的部分由一个密封的罩壳构成，该罩壳包括一个基本上圆柱形的壁，该壁装备有一个底板并且与该基板模制成一体；并且还包括以一种密封的方式与这个圆柱形的壁组装在一起的一个盖件，在该圆柱形的壁上放置该过滤器并且穿过其中以一种密封的方式插入该旋转轴；并且
-该盖件环绕该过滤器以及该机械元件、并且通过一种螺钉与螺母连接被附装到该密封的罩壳上。
该盖件具有一个钟式形状，该形状在其下部的部分中具有至少一个开口并且它被定位为在其内表面与该罩壳/过滤器的外表面之间产生一个环形的空腔，其中该液体可以经过其下部开口被抽吸。
具体地在带有一个止回装置的一个系统中，有利的是以上提到的计时器能够在该抽吸装置运行之前(典型地是几个ms之前)将该泵的运行解除启动。这是因为，在相反的情况下，该泵将能够在连接到抽吸装置上的管线的部分中产生一个真空，并且一旦泵停止(尽管存在该止回装置)该部分于是可能充满液体。
该泵运行在“清理”模式的时间段优选是足够长，以便清除在该喷射器与该止回装置之间的所有液体。在以上所说明的带有一个钟形盖件的变体中，该时间段优选地足够长，以便排出存在于该系统包括在该钟形件之下的所有液体(以使过滤器保持干燥)。该时间段具体取决于这些管线的长度、从一个系统到另一系统而改变。这些值是在校准(预先测试)过程中确定的。
本发明还涉及用于清理一个SCR系统的一种方法，该方法包括一个泵，该泵既能够将尿素溶液送入所述排气中也能够借助一个抽吸装置通过抽吸经过其中的气体来清理该系统，根据该方法能够以一种顺序的方式在同一个的清理程序过程中启动和/或解除启动该泵的运行以及该抽吸装置的运行。
优选地，该方法使用了一种“实时”电子控制系统。换言之：能够在设定的时间段中响应于给定事件的一种系统。
以上在本发明的“系统”部分中说明的这些优选变体是用于在根据本发明方法的背景之内的应用。
具体地讲，根据本发明的一个特别优选的变体，该清理程序依次地并且按顺序地包括以下步骤：
1.检测到发动机的关闭；
2.当发动机正在运行时，检查该泵是否在运行；
3.如果该泵未运行，则停止该程序；
3’.如果该泵运行了，则该程序被依次地并且按顺序地通过执行以下步骤来继续：
4’.测量该泵出口处的压力并且当它低于一个参考值(pref)时，开启一个计时器(t＝0)；
5’.当该计时器检测到一个预定时间间隔(t1)的末期时，它使该泵以清理模式旋转；
6’.当该计时器检测到一个预定时间间隔(t1+t2)的末期时，将该抽吸装置打开；
6’.当该计时器检测到一个预定时间间隔(t1+t2+t3)的末期时，将该泵停止；
7’.当该计时器检测到一个预定时间间隔(t1+t2+t3+t4)的末期时，将该抽吸装置关闭。
检测该泵是否已经运行是可以按以下方式来实施，例如当发动机已经在正常的温度情况下运行时通过自动地设定一个参数为“1”、并且在冰冻情况下仅在如果发动机已经运行一段足够长的时段以使该系统变热并且该泵已经能够启动时将它设置为“1”。
根据本发明的方法由附图1以及图2非限定性地展示出。图1由根据本发明的多个变体应用于一个适当的SCR系统的一个过程的框图构成；并且图2展示了一个齿轮泵出口处的压力变化以及在一个SCR系统中由此导致的逻辑关系。
图1中展示的过程可以应用到一个SCR系统上，该系统包括一个送料泵；在其出口处的压力的一个传感器；由使用一个单个计时器的实时系统驱动的一个电子控制单元(ECU)；以及用于抽吸空气和/或排气的一个阀门。
该过程通过检测与车辆发动机的接触被断开(KO或钥匙关闭)来开始。因此这导致了将该清理程序启动(EPM或启用清理模式)。
从此刻开始，ECU将检查该泵是否已经运行(见以上)或未运行(CP或控制泵)。
如果该泵尚未运行(对问题PW？或泵工作？的否定回答)，则清理程序被停止(DPM或者解除清理模式)。
如果另一方面对该问题(PW？)的回答是肯定的，则继续该清理程序并且ECU将对通过该传感器读取的压力值与一个参考压力(RCP或者读取和比较压力)进行反复地比较。一旦达到该压力(对问题p＜pref？的肯定回答)，则ECU开启一个计时器(ST或者设定计时器)，它将时间设定为零(t＝0)。
在一个间隔t1的末期(它可以等于零)，该系统的送料泵被反向旋转(SPR或者反向开始泵)。
在一个附加的间隔t2的末期(即这个时刻在计时器上t＝t1+t2)，将抽吸阀门打开(OV或者打开阀门)。
在一个附加的间隔t3的末期(即这个时刻在计时器上t＝t1+t2+t3)，将泵停止(SP或者停止泵)。
最终，在一个附加的间隔t4的末期(即这个时刻在计时器上t＝t1+t2+t3+t4)，将抽吸阀门关闭(CV或关闭阀门)并且将清理程序停止(DPM或解除清理模式)。
在图2中，在其上部的部分中，可以看到作为时间的函数一个齿轮泵出口处的压力曲线。
当该泵启动时，可以看到一个压力增加峰值(在所讨论的SCR系统中它典型地约在9bar处达到顶点)，然后稳定在运行压力下(在此情况下约5bar)。当泵被关闭时，该压力逐渐地降低以便降至一个参考值之下(在该实例中等于0.2bar)，但是在某一时间段上有波动。
这些下部图线代表该现象的逻辑关系：第一个图线以一种布尔方式展示了事件“压力低于参考值”(p＜pref)；第二个图线展示了事件“接触断开”(KO或者钥匙断开)；并且第三个图展示了事件“在清理模式中开始该泵”(SP或开始清理)。
如从这些附图中可以看到，有利的是在起动该清理之前使该清理的启动延迟一定的时间段以便确保该压力足够低以防止尿素被排放到排气管中和/或催化剂上。这个时间可以或者通过一个压力传感器来有效地测量出(所展示的情况)或者通过校准测试已经由实验方式获得。在图2的上部的部分中展示的这些压力波动(它们是较小的并且不能够导致排放)被忽略，这是由于如以上说明使用了一个计时器。
能够控制该泵或者送入溶液、或者被停止、或者以清理模式起作用的方法可以是如在本申请人名下的申请WO 2008/087143中所说明的。在该文件中说明的用于控制泵的方法使用了一个单一的PWM信号，该信号具有根据泵所希望的运行情况改变的占空比。在该申请的附图中绘制的实施方案中，该泵控制器包括了一个速度控制器以及一个PID调节器，以便使该泵的速度与希望的输出压力相适配。
图3示出了该方法的另一个实施方案，应用了将一个单一的PWM信号发送到该泵控制器上的相同的想法，但是其中所述控制器仅整合了速度调节器，PID调节器(或者甚至优选地：一个PI调节器)被整合到ECM之中。
如在该图中所示，ECM能够接收4个信号：一个停止信号(ST)、一个反向模式信号(R)、一个工作(测量的)压力信号(MP)、以及一个参考压力信号(RP)。被整合到其中的PI(D)调节器对两个最后的信号(MP，RP)进行比较，并且发出一个PWM信号，该信号给出一个旋转速度信息(RS)，其范围是0到100，分别对应于该泵的最小和最大旋转速度。然后，该ECM将(ST)、(R)以及(RS)信号计算成一个单独的PWM信号(PWMCmd)，该单独的信号指令该泵或者停止、或者在相反模式中旋转、或者在一个给定的速度下在向前模式中旋转。
在以上提及的WO’143申请的图1的实施方案中，ECM仅接收了3个信号(ST、R以及参考压力)并且这些信号被直接计算到发送给该泵控制器的PWM信号之中。

Claims (11)

1.用于处理一台内燃发动机的排气的SCR系统，该系统包括将尿素溶液送入这些排气中的一个管线、以及一个泵，该泵既能够将该尿素溶液送入所述排气中也能够借助一个抽吸装置通过抽吸经过其中的一种气体对该管线的至少一部分进行清理，该系统还包括一个控制单元，该控制单元能够以一种顺序的方式在同一个清理程序过程中启动和/或解除启动该泵的运行以及该抽吸装置的运行。
2.根据前一权利要求所述的系统，其特征在于，在将发动机关闭一定时间之后启动该清理。
3.根据以上权利要求中的任何一项所述的系统，其特征在于，该泵是一种齿轮泵类型的旋转式正排量泵。
4.根据以上权利要求中的任何一项所述的系统，其特征在于，它包括用于将尿素溶液注入这些排气中的一个喷射器，并且其特征在于，该抽吸装置或者是被定位接近该喷射器的一个能够吸取空气和/或排气的阀门、或者是由该喷射器本身构成。
5.根据以上权利要求中的任何一项所述的系统，其特征在于，或者该泵能够在两个相反的方向上旋转，或者该系统包括一个4通阀，该阀可以在不改变该泵的旋转方向的情况下使该管线中的流动反向。
6.根据以上权利要求中的任何一项所述的系统，其特征在于，它包括一个计时器。
7.根据前一权利要求所述的系统，其特征在于，或者该系统包括能够测量该泵出口处的压力的一个压力传感器，并且一旦该压力(p)下降到一个参考值(pref)以下，该计时器被启动并且该泵以“清理”模式被启动；或者一旦该发动机被关闭并且该泵在一个预先校准的间隔(该间隔是由实验确定的)的末期以“清理”模式被启动，则该计时器被启动；并且其特征在于，该计时器允许该抽吸装置在启动该泵之后的预定时间打开和关闭。
8.根据前一权利要求所述的系统，其特征在于，该计时器可以在该抽吸装置的运行之前解除启动该泵的运行。
9.用于清理一个SCR系统的方法，该系统包括将尿素溶液送入排气中的一个管线、以及一个泵，该泵既能够将该尿素溶液送入所述气体中也能够借助一个抽吸装置通过抽吸经过其中的一种气体对该管线的至少一部分进行清理，根据该方法，该泵的运行以及该抽吸装置的运行是以一种顺序的方式在同一个清理程序过程中启动和/或解除启动的。
10.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，它使用了一个“实时”电子控制系统。
11.根据前一权利要求所述的方法，其中，该清理程序依次地并且按顺序包括以下步骤：
1.检测到发动机关闭；
2.当发动机在运行时，检查该泵是否在运行；
3.如果该泵未运行，则停止该程序；
3’.如果该泵在运行，则该程序通过依次地并且按顺序地执行以下步骤来继续：
4’.测量该泵出口处的压力并且当它低于一个参考值(pref)时，开启一个计时器(t＝0)；
5’.当该计时器检测到一个预定时间间隔(t1)的末期时，它使该泵以清理模式旋转；
6’.当该计时器检测到一个预定时间间隔(t1+t2)的末期时，将该抽吸装置打开；
6’.当该计时器检测到一个预定时间间隔(t1+t2+t3)的末期时，将该泵停止；
7’.当该计时器检测到一个预定时间间隔(t1+t2+t3+t4)的结束时，将该抽吸装置关闭。
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