CN102317588A - 用于向内燃机的废气流中喷射还原剂的定量供应系统 - Google Patents

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CN102317588A CN2010800074804A CN201080007480A CN102317588A CN 102317588 A CN102317588 A CN 102317588A CN 2010800074804 A CN2010800074804 A CN 2010800074804A CN 201080007480 A CN201080007480 A CN 201080007480A CN 102317588 A CN102317588 A CN 102317588A
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Abstract

本发明涉及一种还原剂定量供应系统以及控制还原剂的喷射的方法，所述还原剂喷射到增压的内燃机的废气流(9)中，以进行选择性催化还原，其中所述还原剂定量供应系统能与还原剂容器(1)连接，还原剂能从所述还原剂容器中获取，其中所述还原剂定量供应系统具有至少一个喷嘴(5)，通过所述喷嘴借助压缩空气能将还原剂喷射到所述废气流(9)中，其中压缩空气的至少一部分从所述内燃机的增压器获取，其中，压缩空气供应装置(6)具有用于产生压缩空气的电动的空气泵(7)和与所述空气泵(7)并联的旁路(19)，从而增压器的增压空气能经由所述旁路(19)溢流越过空气泵(7)。

Description

用于向内燃机的废气流中喷射还原剂的定量供应系统
技术领域
本发明涉及一种还原剂定量供应系统，用于将还原剂喷射到增压的内燃机的废气流中，用于进行选择性催化还原，其中，所述还原剂定量供应系统能与还原剂容器相连，还原剂能够由所述还原剂容器中获取，所述还原剂定量供应系统具有至少一个喷嘴，通过所述喷嘴能够借助于压缩空气将还原剂喷射到废气流中，压缩空气的至少一部分由内燃机的增压器提取。本发明还涉及一种用于控制还原剂的喷射的方法，所述还原剂的喷射通过压缩空气向内燃机的废气中进行，用于选择性催化还原。
背景技术
用于将尿素溶液引入废气流中的定量供应装置是已知的。在这方面，尿素溶液不仅是指氨气而且还是指为尿素溶液、特别是所谓的AdBlue，即根据DIN 70070的尿素溶液。所谓的SCR(选择性催化还原)催化器用于降低柴油发动机的氮氧化物排放。为此，利用定量供应装置将还原剂喷射到废气系统中。氨用作还原剂。
因为在车辆中的携带氨会严重危及安全性，以具有常见的32.5％尿素含量的水溶液使用尿素。在废气中，尿素在温度高于150℃时分解成气态氨和CO2。尿素分解的参数主要是时间(蒸发时间和反应时间)、温度和喷射的尿素溶液的液滴尺寸。在所述SCR催化器中，通过选择性催化还原(英文为：slective catalytic reduction，SCR)将氮氧化合物的排放降低约90％。
已知各种不同的用于喷射作为还原剂的尿素的系统。尿素的喷射可以通过压缩空气来辅助。压缩空气用作供能介质。这对于实现小液滴来说是有利的。尿素溶液借助定量供应系统来定量供应，喷射到废气流中并在SCR催化器中确保发生希望的化学反应。在此，氮氧化合物转换成氮和水蒸汽。
由DE 201 19 514U1已知一种还原剂定量供应装置，其中用于形成气溶胶的压缩空气通过内燃机的增压组件的增压空气提供。这使得即使在这样的车辆和机器中也能使用定量供应系统，所述车辆和机器不具有自己的压缩空气供应装置，但其发动机是增压的。
在此不利的是，为了充分地供应压缩空气，需要发动机具有一最低转速，只有在确定的运行时间之后才能够提供压缩空气。但在其它运行工况点、例如在转速低和/或发动机负载低时，不能确保通过发动机的增压器实现足够的压缩空气供应。
发明内容
本发明的目的是，克服所述缺点并这样来改进这种定量供应装置或运行方法，即，能与内燃机当前的运行工况点无关地来对用于降低废气有害物质的还原剂进行定量供应。
根据本发明通过根据权利要求1所述的定量供应系统以及通过根据权利要求13所述的、用于控制还原剂的喷射的方法来实现所述目的。本发明的有利的设计方案在各从属权利要求中给出。
在用于为了进行选择性催化还原将还原剂喷射到增压的内燃机的废气流中的还原剂定量供应系统中，所述还原剂定量供应系统能与还原剂容器连接，还原剂能从所述还原剂容器中获取，其中所述还原剂定量供应系统具有至少一个喷嘴，能通过所述喷嘴借助压缩空气将还原剂喷射到废气流中，其中压缩空气的至少一部分由所述内燃机的增压器获取，特别有利的是，压缩空气供应装置具有用于产生压缩空气的电动的空气泵和与所述空气泵并联的旁路，使得增压器的增压空气通过所述旁路能溢流越过空气泵。
增压的发动机是具有增压组件的发动机，所述增压组件可以是废气涡轮增压器和/或压缩机。附加地，根据本发明在还原剂定量供应系统的压缩空气供应装置的支线中集成电动的空气泵、例如膜片式压缩机等。通过集成到还原剂定量供应系统的压缩空气供应装置的支线中的在流技术上与空气泵并联的旁路，增压空气、即从发动机的增压器中获取的压缩空气分量与包含空气泵的分支线并行地流动，即溢流越过所述空气泵。就是说，溢流通道、即溢流管道与空气泵并行地延伸。
因此在根据本发明用于将还原剂、例如尿素溶液注射或喷射到废气流中的还原剂定量供应系统中，压缩空气供应由增压的内燃机的增压器和必要时替代地或附加地由可在需要时接通的电动空气泵来提供。由此，在内燃机的所有运行工况点中确保对还原剂定量供应系统的压缩空气供应。该系统可以在所有具有增压的内燃机的车辆和机器中使用，而不需要车辆和机器有自己的压缩空气供应装置，如通常在商用车辆中以附加的压缩空气系统的形式设置的压缩空气供应装置。因此，根据本发明的系统能非常有利地在所有这样的机器和车辆中使用，所述机器和车辆不具有自己的压缩空气供应装置，但其内燃机是增压的。
在发动机的能使用增压器、例如涡轮增压器或压缩机的足够的增压压力的各运行工况点中，增压空气、即为此获取的部分增压空气用于使还原剂溶液雾化，其中根据本发明设置的电动压缩机仅以低负载或低转速工作，以便提供还原剂定量供应系统所需的压缩空气。
在此特别有利的是：空气泵的电机的使用寿命以及空气泵本身的使用寿命没有损失，因为空气泵的运行仅在内燃机的这样的运行工况点进行，在这些运行工况点中在增压的内燃机的增压器方面不能在增压空气中提供足够的增压压力。还通过仅在需要时接通电动空气泵避免了，对车载电路不必要的加载，因为车载电路只需提供泵的运行所需的电功率。
因此下述表述：压缩空气的至少一部分从内燃机的增压器获取，是指：还原剂定量供应系统所需的压缩空气在宽的运行范围内由增压的内燃机的增压组件获取，因此用于压缩空气的电动空气泵仅是暂时和辅助性地、即临时地使用。但电动空气泵也可以与发动机的增压器相累加地用作压缩空气源。
在此，增压器可以是涡轮增压器或由内燃机直接驱动的压缩机。
所述旁路优选具有止回阀。因此一方面防止电动空气泵的压缩空气经由旁路回流，另一方面只要提供足够的增压器的增压压力，则该压力致动的阀自动打开，从而此时增压空气可以用于使还原剂雾化。
在空气泵和旁路的下游特别优选地设置压力传感器，从而根据通过压力传感器测得的压力能接通/断开空气泵或接通/断开空气泵。
通过在还原剂定量供应系统的压缩空气管线中将压力传感器设置在空气泵以及旁路的下游，可以检测所施加的空气压力。如果施加的压力超过空气泵的输送压力，则从内燃机的增压器中提供了足够的增压空气，从而可以断开电动空气泵。相反，如果空气压力低于可预定的值，即当内燃机的增压组件的增压压力过低，则接通空气泵。
在一个特别优选的实施方式中，定量供应系统由发动机控制装置获得废气质量流的信号。废气质量流由发动机控制装置由吸入的空气质量流和燃料质量流算出并作为废气质量流的信号提供。可选地，所述定量供应系统具有用于测量废气质量流的传感器。可选地或附加地，所述定量供应系统优选具有用于测量废气温度的传感器。
由废气质量流信号和/或废气温度可以根据相应的发动机运行工况点检测并通过定量供应系统的相应的控制电子装置分析评估所存在的运行参数：废气温度和/或废气质量流，并根据测得的运行参数调节压力和/或空气量和/或电动空气泵和/或压缩空气供应装置的阀打开时间。
用于对于空气量的定量供应进行适配的影响参数尤其是：
-废气温度
-废气质量流
-尿素质量流
-必需的催化器效率
-催化器尺寸
-在尿素定量供应装置和催化器之间的预备距离
因此利用根据本发明的定量供应系统能够实现，在每个单独的运行工况点根据相应的边界条件优化空气量。
在一个特别优选的实施方式中，压缩空气供应装置具有节流阀。通过设置节流阀在输送给喷嘴前能够相应地降低空气压力系统中的空气压力。
在一个特别优选的实施方式中，所述定量供应系统具有用于输送还原剂溶液、特别是尿素溶液的定量供给泵。这种定量供给泵特别可以是在所输送的尿素溶液质量流方面可控制的定量供给泵，从而尿素溶液的输送量能通过相应地控制定量供给泵适配于相应的运行工况点。
术语“还原剂”构成术语“尿素溶液”的上位概念，但在本说明书的范围内两个术语通常同义地使用，即，术语“尿素溶液”或“尿素”或“还原剂”同义地使用，因为通常尿素溶液用作用于选择性催化还原的还原剂。
在还原剂管道和压缩空气供应装置的管道之间优选设置连接管道，其中连接管道具有转换阀、特别是电磁阀。
为了在定量供应间歇中完全中断空气输送，需要从热的区域去除尿素，以便避免形成沉积。否则尿素会在高温时分解并且导致沉积，并由此导致阻塞。通过设置压缩空气管道，即在还原剂管道、即尿素管道和压缩空气供应装置的管道之间设置连接管道，能这样来防止沉积，即，在定量供应间歇中借助压缩空气来清除尿素形成物。将电磁阀装入连接管道中，该电磁阀在空气管道中存在空气压力时，即优选在接通空气泵时打开，以便吹净尿素管道。
在定量供应运行中，所述转换阀关闭。为了利用压缩空气来吹净尿素管道，关闭通过定量供给泵进行的尿素输送，而转换阀打开。由此在定量供应管道中形成压力降，并且压缩空气将尿素推动到废气系统中。由此管道被吹净。在短时间的空气冲击后，将尿素从定量供应喷嘴吹出，并且能完全切断空气输送。
所述定量供应系统优选具有控制装置，借助于该控制装置，根据由一个或多个所述传感器检测的测量值能控制/控制空气泵和/或节流阀和/或定量供给泵和/或压缩空气压缩机。
所述控制装置根据传感器测量值，即根据当前运行参数来控制定量供应系统的一个或多个部件，通过设置这种控制装置，可以实现对定量供应系统的运行的优化，即特别是能以特别有利的方式实现空气优化。因此借助这种控制装置能够以优化的方式使尿素输送量和空气输送量适配于用于选择性催化还原的催化器和内燃机的实际的运行参数，并且因此对其进行调节。
所述定量供应系统优选具有还原剂溶液容器，特别是尿素溶液容器。由于定量供应系统本身具有这种容器，可以在相应的不存在尿素溶液料箱的情况下改装定量供应系统。
在一个优选的实施例中，所述定量供应系统具有双料喷嘴。所述双料喷嘴特别优选地是外部混合的喷嘴。
根据本发明的方法用于对还原剂、特别是尿素溶液的到增压的内燃机的废气流中的喷射或注射进行控制，以便进行选择性催化还原，所述喷射或注射借助压缩空气进行，所述方法优选设计成，从内燃机的增压器的增压空气中获取用于雾化或喷射还原剂所需的压缩空气量，其中在低于增压空气的最低压力时暂时接通电动的空气泵。
优选地，在还原剂、特别是尿素溶液的喷射中断或结束时，引导还原剂的管道通过压缩空气清洁，以去除还原剂。
问题在于，尿素在超过约200℃的高温时可能会分解并形成难于溶解的沉积。这种沉积可能会阻塞喷嘴。因此，有利地使用压缩空气，以便在高的废气温度下附加地冷却尿素喷嘴。
该方法优选设计成，即在时间上在压缩空气输送结束或中断之前结束或中断尿素溶液输送，并且在中断或结束尿素溶液输送之后将压缩空气用于，通过压缩空气清洁引导尿素溶液的部件。由此，特别是从定量供应系统的热的区域中除去尿素。否则尿素会在高温时分解并形成沉积，并且可能会导致阻塞。
为了利用压缩空气吹净尿素管道，通过定量供给泵来切断尿素输送，并且在压缩空气支线和还原剂支线之间的连接管道中的转换阀打开。因此，在定量供应管道中形成压力降，从而压缩空气将尿素推送到废气系统中，并由此吹净引导尿素的管道。在短时间的空气冲击后，尿素从定量供应喷嘴中吹出，并同样能完全切断空气输送。
因此尿素溶液的喷射的中断或结束能通过断开定量供应泵实现。
在重新接通定量供应之前，合理的是，首先将压缩空气调整至高于正常的定量空气输送的值，以便在尿素进入喷嘴前冷却喷嘴。
当整个系统关闭时，从各管道中吹出尿素同样是有利的。尿素溶液在低于-11℃的温度时结冰。此时尿素水溶液膨胀约10％。这导致冰冻压力，部件可能由于冰冻压力而损坏。因此有利的是，在该系统被完全关闭前，从喷嘴并且必要时从管道和压力传感器中吹出尿素。
这特别是可以这样来实现，在尿素输送结束之后，借助压缩空气来清洁整个系统，即借助压缩空气将尿素从系统中吹出。
优选地在根据本发明用于对尿素溶液的喷射或注射进行控制的方法中，根据运行参数废气温度和废气质量流相关地来控制至少一个定量供给泵和/或至少一个空气泵和/或至少一个空气调节阀和/或转换阀。对此能借助相应的控制装置来评估所检测的不同的运行参数，从而能精确地控制部件。
附图说明
在附图中示意性示出根据本发明的用于将尿素溶液喷射到增压的内燃机的废气流中的定量供应系统的实施例并且在下面对其进行说明。其中：
图1示出根据本发明的还原剂定量供应系统的设备线路图。
具体实施方式
图1示出还原剂定量供应系统的一个实施例的示意图。优选采用根据DIN 70070在水溶液中具有32.5％尿素含量的尿素溶液用作还原剂。
由定量供给泵3经由吸取管道2从容器1中来吸取尿素。定量供给泵3例如是膜片式泵或活塞泵，该膜片式泵或活塞泵以每个冲程输送确定量的尿素溶液并因此进行相同的定量供应。通过压力管道4将尿素引导至双料喷嘴5。该双料喷嘴5优选是外部混合的喷嘴，在该喷嘴中空气射流使尿素雾化。
通过压缩空气管道6从增压的内燃机(同样未示出)的增压器(未示出)获取压缩空气(增压空气)。引导压缩空气的支线具有可开关的电动空气泵7。能通过并联的旁路19以压缩空气溢流越过空气泵7。旁路19具有止回阀18，该止回阀在压缩空气管道6中施加相应的压力时自动打开。
如果在管道6中的增压压力超过在旁路19中的止回阀18的打开压力，则电动空气泵7被溢流越过。在这种情况下，增压空气的较高的压力施加在压力传感器16上，该压力传感器设置在旁路19和空气泵7的下游。压力传感器16测得的值传输给控制电子装置12，从而电动空气泵7可以由控制电子装置12关闭。
用于借助电子控制单元12对定量供应系统进行控制的其它输入参数是发动机数据，如废气质量流，这些发动机数据由发动机电子装置给出。此外，还有由温度传感器17获得的废气温度以及压缩空气在在双料喷嘴5之前的传感器16上的压力。在双料喷嘴5之前的压力是用于衡量通过的空气体积流的尺度。空气经由压缩空气管道和止回阀8被引导至双料喷嘴5。尿素在双料喷嘴5中由压缩空气雾化并被输送至废气流9。
为了检测运行参数：废气质量流、空气压力和废气温度，设置用于检测废气质量流的传感器11、用于检测在双料喷嘴5前面的压缩空气的压力的压力传感器16、以及用于检测在废气流9中的废气温度的温度传感器17。在一个未示出的可选方案中，废气质量流信号由发动机控制装置提供。传感器11、16、17的测量值被输送至控制单元12。
传感器信号流或控制信号流在附图中通过虚线箭头示出。
在控制单元12中分析评估所检测的传感器数据和发动机数据，如果增压空气的压力过低，则控制启动电动空气泵7且根据当前的运行数据控制定量供给泵3。双料喷嘴5的喷嘴顶端设置在废气流9中。尿素通过废气管道引导至SCR催化器10。在此，液滴的大部分蒸发。尿素转化成氨。在催化器10本身中，利用氨来降低发动机的氮氧化合物排放量。
在压缩空气管道中在双料喷嘴5前面的止回阀8防止，在喷嘴5可能的阻塞时能将尿素压入到压缩空气管道中。
压缩空气管道通过管道13与尿素管道4连接。在示出的实施例中，压缩空气支线的分支13设置在空气泵7和旁路19之后。管道13具有可开关的电磁阀14。在定量供应运行期间，在连接管道13中的转换阀14关闭。压缩空气流动通过喷嘴5。在此，定量供应的尿素被雾化。如果在定量供给泵3关闭时转换阀14打开，则空气流入尿素的压力管道4中。在管道4和喷嘴5中的尿素被排出。由此，在关闭发动机后喷嘴5的区域没有尿素并且因此是防冻的。在发动机运行时，在高废气温度时在没有定量供应的情况下不会形成沉积。

Claims (16)

1.还原剂定量供应系统，用于将还原剂喷射到增压的内燃机的废气流(9)中，用于进行选择性催化还原，其中，所述还原剂定量供应系统能与还原剂容器(1)相连，还原剂能够由所述还原剂容器中获取，所述还原剂定量供应系统具有至少一个喷嘴(5)，通过所述喷嘴能够借助于压缩空气将还原剂喷射到废气流(9)中，压缩空气的至少一部分从内燃机的增压器获取，其特征在于，压缩空气供应装置(6)具有用于产生压缩空气的电动的空气泵(7)和与所述空气泵(7)并联的旁路(19)，使得增压器的增压空气通过所述旁路(19)溢流或能够溢流越过所述空气泵(7)。
2.根据权利要求1所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，所述旁路(19)具有止回阀(18)。
3.根据权利要求1或2所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，在空气泵(7)和旁路(19)的下游设置压力传感器(16)，使得空气泵(7)根据压力传感器(16)测得的压力能接通/断开或接通/断开。
4.根据上述权利要求中任一项所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，所述增压器是涡轮增压器或者是由内燃机直接驱动的压缩机。
5.根据上述权利要求中任一项所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，所述还原剂定量供应系统具有用于计算废气质量流的装置或具有用于测量废气质量流的传感器(11)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，所述还原剂定量供应系统具有用于测量废气温度的传感器(17)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，所述压缩空气供应装置(6)具有节流阀(15)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，所述还原剂定量供应系统具有用于输送还原剂的定量供给泵(3)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，在还原剂管道(4)和压缩空气供应装置的管道之间设置连接管道(13)，所述连接管道(13)具有转换阀(14)，特别是电磁阀。
10.根据上述权利要求中任一项所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，所述还原剂定量供应系统具有控制装置(12)，通过所述控制装置根据由一个/多个所述传感器(11、16、17)获得的测量值控制/能够控制空气泵(7)和/或节流阀(15)和/或定量供给泵(3)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，所述还原剂定量供应系统具有还原剂容器(1)、特别是尿素溶液容器。
12.根据上述权利要求中任一项所述的还原剂定量供应系统，其特征在于，所述还原剂定量供应系统具有双料喷嘴(5)、特别是外部混合的喷嘴。
13.用于控制还原剂、特别是尿素溶液的喷射的方法，所述喷射通过压缩空气向增压的内燃机的废气流(9)中进行，以便进行选择性催化还原，其特征在于，还原剂雾化所需的压缩空气量由内燃机的增压器的增压空气中获取，其中在低于增压空气的一最低压力时临时接通电动的空气泵。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在还原剂、特别是尿素溶液的喷射中断或结束时，通过压缩空气清洁引导还原剂的管道，以清除还原剂。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，通过切断定量供给泵(3)来实现还原剂的喷射的中断或结束。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，根据内燃机运行参数、特别是根据参数废气温度和废气质量流来控制或操纵至少一个定量供给泵(3)和/或至少一个空气泵(7)和/或至少一个转换阀(14)。
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