CN102725490A - 用于将还原剂引入到排气流中的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种将还原剂引到排气流(16)的方法。该方法可以包括指令第一配量事件、响应于指令第一配量事件向分配装置(32)供应还原剂、从分配装置(32)分配还原剂到排气流(16)中，以及从分配装置(32)迫使还原剂朝向还原剂源(30)，其中，充足的还原剂保留在泵送装置(28)和流体通道(34)中，以保持泵送装置(28)灌注。

Description

用于将还原剂引入到排气流中的方法
技术领域
本发明涉及一种包括还原剂配量系统的排气系统。具体地，本发明涉及一种用于吹洗还原剂配量系统的方法。
背景技术
选择性催化还原(SCR)系统提供一种用于从矿物燃料动力系统去除氮氧化物(NOX)排放物的方法。在SCR过程中，催化剂有利于诸如尿素的还原剂与NOX之间的反应以产生水和氮气，由此从排气去除NOX。通常，还原剂与SCR催化剂上游的排气混合。
还原剂配量系统可以用于将诸如尿素的还原剂引入到排气流中。例如，尿素可以与水混合并储存在罐中。随着动力系统运转并产生排气，尿素混合物被从罐泵送并经由喷嘴间歇地喷洒到排气流中。
有关尿素配量系统的挑战涉及相对高的环境温度，尿素混合物在该环境温度下会冻结(即，大约-11℃)。随着尿素冻结，其在配量系统中膨胀并且能够导致对诸如喷射器喷嘴的复杂部件的损坏。附加地，当暴露于升高的温度时，尿素能够分解并且形成能够阻塞配量部件的沉积物。
Gerlach的美国公布的专利申请No.2007/0163238(以下称为‘238申请)公开了一种吹洗尿素的配量系统的方法。‘238申请公开了当发动机停止并且冻结威胁出现时使用加压空气从计量阀和试剂泵吹洗尿素。
虽然‘238申请中公开的方法可以解决配量系统中尿素冻结的问题，但其无法解决在发动机运转的同时尿素在升高的温度下分解的问题。诸如在喷射之间保持在喷嘴中的尿素分解并形成沉积物的可能。
本发明旨在克服现有技术中的一个或多个缺点。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种将还原剂引到排气流的方法。该方法可以包括：指令第一配量事件；响应于指令第一配量事件向分配装置供应还原剂；从分配装置分配还原剂到排气流中；以及从分配装置迫使还原剂朝向还原剂源，其中，充足的还原剂保留在泵送装置和流体通道中，以保持泵送装置灌注。
根据另一方面，本发明还涉及一种吹洗配量系统的方法。该方法可以包括从泵送装置经由第一流体通道向分配装置供应还原剂，第一流体通道的从泵送装置到分配装置的长度是第一长度，从分配装置喷洒还原剂到排气流中，从分配装置迫使还原剂沿着第一流体通道朝向泵送装置，并且当来自分配装置的还原剂是沿着第一流体通道的小于第一长度的第二长度时，停止沿着第一流体通道迫使还原剂。
根据另一方面，本发明涉及一种还原剂配量系统。该还原剂配量系统可以具有控制系统，该控制系统能够在保持泵送装置中有充足的还原剂以确保泵送装置灌注的同时，利用来自加压气体源的加压气体从分配装置沿着第一流体通道朝向泵送装置吹洗还原剂。该控制系统可以在分配装置将还原剂间歇地分配到发动机的排气系统中之间吹洗还原剂。
附图说明
在并入本说明书中并构成本说明书一部分的附图中，图示了本发明的示例性实施方式，其与文字说明一起用于解释本发明系统的原理：
图1是一种示例性公开的动力系统的第一示意图；
图2是动力系统的第二示意图；
图3是图1的配量系统的一种示例性公开的分配装置的示意图；
图4是图3的分配装置的一种示例性公开的喷嘴的截面图；以及
图5是用于一种示例性公开的配量方法的流程图。
具体实施方式
参照图1和2，公开了一种示例性动力系统10。动力系统10包括发动机12和排气系统14。发动机12包括未示出的特征，诸如燃料系统、空气系统、冷却系统、外设、动力传动部件、涡轮增压器等。发动机12可以是任意类型的发动机(内燃式、涡轮式、汽油的、柴油的、气体燃料的、天然气的、丙烷的等)、可以是任意尺寸、具有任意数量的缸，并且是任意构造(V型、直列式、径向等)。发动机12可以用于向任何机器或其它装置供以动力，包括机车应用、道路用卡车或车辆、越野卡车或机器、运土设备、发电机、航天应用、船用、泵、固定设备或其它发动机供以动力的应用。
排气系统14包括被设计用以减少来自发动机12的排气流16的不期望的排放物的一个或多个排气后处理装置。排气后处理装置可以包括多种排放物处理技术，包括但不限于再生装置、热源、氧化催化剂、柴油氧化催化剂(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)、选择性催化还原催化剂(SCR)、稀NOX捕集器(LNT)、消音器、或者需要处理离开发动机12的排气流16的其它装置。
在所描述的实施方式中，排气系统14包括氧化催化系统18、混合器组件20和SCR组件22。氧化催化系统18可以以多种方式构造并且包含用于收集、吸收、吸附和/或转换排气中所含的碳氢化合物、一氧化碳和/或氮氧化物的催化剂材料。这种催化剂材料可以包括例如铝、铂、钯、铑、钡、铈、和/或碱性金属、碱土金属、稀土金属、或者它们的组合。
SCR组件22可以包括任何适当的SCR催化剂，诸如钒钛式、铂式、或沸石式SCR催化剂，并且可以包括蜂窝状基底或者包含这些金属中的一种或多种并且能够辅助还原NOX的其它结构。混合器组件20能够在还原剂已经被引入到排气流16中之后且在将混合物引入到SCR组件22中之前使还原剂与排气流16混合。混合器组件20包括增强混合物分裂和/或提供用于排气和还原剂充分混合的充足时间的结构。所述结构可以包括孔口、导向装置、旋流器、挡板或增强混合的任何其它适当的结构。
配量系统24与排气系统14相联，以向排气流16供应还原剂。配量系统24可以部分地或整体地位于壳体26内，诸如用于保持配量设备的机壳。配量系统24包括泵送装置28、还原剂源30和分配装置32。
还原剂源30例如可以是用于储存还原剂溶液的低压罐。还原剂源30可以与壳体26远程相距或者可以结合到壳体26上或壳体26内。还原剂例如可以是尿素水溶液或者适用作SCR中的还原剂的其它流体。
第一流体通道34将还原剂源30流体地联接到分配装置32。第一流体通道34的长度L1对应于从分配装置32到泵送装置28的通道长度。
泵送装置28被定位和构造成将还原剂从还原剂源30经过第一流体通道34输送到分配装置32，用于引入到排气流16中。泵送装置28可以是能够将还原剂从还原剂源30输送至分配装置32的任何适当的装置。例如，泵送装置28可以是诸如膜片泵的计量泵。泵送装置28可以独立于发动机12例如通过电动马达驱动，或者通过发动机12驱动。
配量系统24可以包括旁通通道38。旁通通道38将还原剂源30流体地连接到第一流体通道34的在泵送装置28和分配装置32之间的位置处。第一阀40与旁通通道38相联。第一阀40可以是能够选择性地允许或阻挡经过旁通通道38流动的任何适当的阀。在所描述的实施方式中，第一阀40是能够在第一位置和第二位置之间运动的气动致动、弹簧偏置的控制阀。第一阀40在第一位置选择性地允许经过旁通通道38流动，并且在第二位置选择性地阻挡经过旁通通道38流动。
配量系统24包括加压气体源42、压力调节器44、第二阀46和第三阀48。第二流体通道50将加压气体源42流体地联接到分配装置32，并且第三流体通道52将加压气体源42流体地联接到第一阀40上的控制端口54。
加压气体源42可以与壳体26远程相距或者结合到壳体26上或壳体26内。加压气体源42可以包括泵和/或包含诸如空气的加压气体的加压容器。加压气体可以在分配装置32处与还原剂结合，以改善还原剂的雾化。
压力调节器44被定位成机械地调节第二流体通道50内的气体压力。压力调节器44可以保持在加压气体源42附近的适当压力，使得在压力损失之后分配装置32处保持适当压力以辅助还原剂喷射。
第二阀46被定位成将加压气体源42经由第二流体通道50选择性地流体联接到分配装置32。第二阀46可以是任何适当的阀，诸如能够在第一位置和第二位置之间运动的螺线圈致动且弹簧偏置的控制阀。第二阀46在第一位置选择性地允许经过第二流体通道50流动，并且在第二位置选择性地阻挡经过第二流体通道50流动。
第三阀48被定位成将加压气体源42经由第三流体通道52选择性地流体联接到第一阀40上的控制端口54。第三阀48可以是任何适当的阀，诸如能够在第一位置和第二位置之间运动的具有三个端口的螺线圈致动且弹簧偏置的定向控制阀。第三阀48在第一位置将控制端口54流体地联接到大气，并且在第二位置将加压气体源42流体地联接到控制端口54。因此，在所描述的实施方式中，当第三阀48处于第一位置时，在控制端口54处和第三流体通道52中的任何加压气体通向大气，允许第一阀40打开。当第三阀48处于第二位置时，来自加压气体源的加压气体用作气动控制信号以强制关闭第一阀40。在另一种实施方式中，第三阀48可以被省略，并且第一阀可以从另一源致动。例如，第一阀40可以是螺线圈致动的。
分配装置32可以是能够将还原剂引入到排气流16中的任何适当装置。参照图3，分配装置32包括第一通路60、第二通路62和喷嘴64。第一通路60流体地连接到第二流体通道50，以允许加压气体进到喷嘴64中。第二通路62流体地连接到第一流体通道34，以允许还原剂溶液进到喷嘴64中。喷嘴64被设置成邻近混合器组件20或者至少部分地位于混合器组件20内。因此，喷嘴64的一部分暴露到排气流16。
参照图4，喷嘴64包括流体地连接到第一通路60的第一喷嘴通道66和流体地连接到第二通路62的第二喷嘴通道68。第一喷嘴通道66和第二喷嘴通道68经由室70流体连接。因此，来自第一喷嘴通道66的加压气体和来自第二喷嘴通道68的加压还原剂溶液在室70内结合。
室70包括经由多个孔口74流体地连接到混合器组件20的一个或多个喷射通路72。孔口74可以具有对流动提供压力限制的相对小的面积。在室70内结合的加压气体和加压还原剂可以具有充足的压力来克服压力限制(压力差)。因此，加压气体和加压还原剂可以流经孔口74并且喷洒到混合器组件20中。
参照图1和2，动力系统10还包括气体压力传感器76和控制系统78。控制系统78包括控制和监视发动机12、排气系统14和配量系统24的多个部分的一个或多个控制器80。控制器80可以是用于自动操作机器加工的本领域已知的任何类型的可编程逻辑控制器，诸如发动机控制单元(ECU)。控制系统78可以具有控制并监视发动机12、排气系统14和配量系统24的单个控制器，或者可以具有多个控制器。例如，控制器80可以经由电气线路82控制泵送装置28的操作，经由电气线路84控制第二阀46的操作，并且经由电气线路86控制第三阀48的操作。
控制器80还可以经由电气线路(未示出)连接到动力系统10的其它部件，诸如发动机12、操作员站(未示出)和排气系统14。例如，控制器80可以电连接到设置在排气系统14中的温度传感器和排放物传感器(例如NOX传感器)。控制器80可以监视在诸如SCR组件22下游的一个或多个位置处排气流中的NOX的量。排放物传感器可以向控制器80发送信号，并且控制器可以控制配量系统24以(i)启动配量系统将还原剂喷射到排气流16中的配量事件，(ii)中止配量，或者(iii)改变间歇配量事件的持续时间或频率(例如，改变每次喷射的长度或者喷射之间的时间量)。
另外，控制器80还可以接收来自温度传感器的指示排气温度的信号。控制器80可以在排气系统14中的温度超过会出现选择性催化还原的例如大约180℃及以上的阈限温度时启动配量事件。当排气温度超过阈限温度时，设置在排气系统中的温度传感器向控制器80发送信号。
气体压力传感器76设置在第二流体通道50中并且经由电气线路88电连接到控制器80。气体压力传感器76向控制器80提供指示第二流体通道50中的气体压力的信号作为输入。当来自气体压力传感器76的信号指示气体压力量不适用于配量系统24的适当操作时，控制器80经由电气线路86控制第二阀46以使其从第一位置运动到第二位置，由此阻挡加压气体流经第二流体通道50。使第二阀46运动到第一位置还将加压气体源42与第一阀40上的控制端口45断开。因此，第一阀40运动到第二位置以允许第一流体通道中的流体返回到还原剂源30。
配量系统24还可以任选地包括定位在第一流体通道34中位于还原剂源30和泵送装置28之间的第一止回阀90和定位在第一流体通道34中位于泵送装置28和旁通通道38之间的第二止回阀92。
工业实用性
本发明的配量系统可以用在将流体输送到排气系统以减少排气排放物的任何系统中，诸如机车或发电机。本发明的配量系统可以用于影响具有排气系统的任何机器中的选择性催化还原，所述任何机器包括机车应用、道路用卡车或车辆、越野卡车或机器、运土设备、发电机、航天应用、船用、泵、固定设备或其它发动机供以动力的应用。
如图1-3所示，分配装置32邻近排气流16。当发动机运转时，特别是在非怠速状态下，来自排气流16的热量形成热区H。热区H是指在发动机运转过程中温度能够超过预定的阈限温度的区域。阈限温度是尿素将结晶或者分解并形成沉积物的温度。在图1和2中，为了示意的目的，热区H被描绘为包围排气系统14、分配装置32以及第一流体通道34的一部分。但是，热区H所包围的可以比附图中图示的更多或更少。例如，热区H可以仅包围分配装置32的一部分。
控制器80控制配量系统24以间歇地喷射还原剂(即，间歇配量事件)到排气流16中，以便有利于SCR。喷射的频率能够根据多种因素改变，诸如但不限于发动机的运转状态、排气温度、SCR组件还原NOX的效率、还原剂的浓度以及其它因素。在间歇配量事件之间，保留在热区中(例如在喷嘴处)的任何还原剂可以分解并形成沉积物。为了减少或消除沉积物形成，配量系统24在间歇配量事件之间从热区吹洗还原剂。
图5提供了一种用于操作配量系统24的方法。所描述的步骤出现在发动机12运转且产生排气并且泵送装置28被灌注且准备将还原剂输送到分配装置32时。由于许多泵送装置不能很好地泵送空气，灌注泵送装置意味着用期望的工作流体(例如还原剂)填充泵送装置，以将空气从泵送装置排出。非灌注的泵送装置不能有效地泵送工作流体，而灌注的泵送装置能够在需要时输送工作流体。
在步骤300中，控制系统78指令配量事件。例如，控制器80接收指示排气温度和排气流16中的NOX的信号，并且确定SCR过程中需要还原剂。在响应中，控制系统78控制配量系统24，以执行配量事件或者以特定频率执行多个间歇配量事件。例如，控制系统78起动泵送装置28并且致动一个或多个阀。
在步骤310中，配量系统24执行第一配量事件，其中，系统将还原剂喷射到排气流16中。参照图1，在配量事件过程中，泵送装置28被起动，第一阀40被置于第一位置以阻挡经过旁通通道38流动，第二阀46被置于第一位置以允许加压气体流经过第二流体通道50，并且第三阀48被置于第二位置以将加压气体源42流体地联接到第一阀40上的控制端口54。
泵送装置28从还原剂源30抽吸还原剂并且在压力下将还原剂经由第一流体通道34传输到分配装置32。另外，加压气体源42将加压气体经由第二流体通道50传输到分配装置32。如图3所示，加压气体和加压还原剂分别经由第一通路60和第二通路62进入分配装置32，并且流向喷嘴64。如图4所示，加压气体和加压还原剂分别经由第一喷嘴通道66和第二喷嘴通道68流动，并且在室70中混合。室70中气体和还原剂的压力可以超过孔口74的压力限制，使得还原剂和空气的混合物经由孔口74喷洒到排气系统14中。
从热区吹洗还原剂出现在步骤315中。在所描述的实施方式中，从分配装置以及第一流体通道34的一部分(即，供应线路)吹洗还原剂。在其它实施方式中，可以仅需要从分配装置或其一部分吹洗还原剂。参照图2，在热区吹洗事件过程中，泵送装置28关闭，第一阀40被置于第一位置以将还原剂源30经由旁通通道38流体地联接到第一流体通道34，第二阀46被置于第一位置以允许加压气体流经第二流体通道50，并且第三阀48被置于第一位置以将第一阀40上的控制端口54经由第三流体通道52流体地联接到大气。
加压气体源42经由第二流体通道50将加压气体传输到分配装置32。如图3所示，加压气体经由第一通路60进入分配装置32并且流向喷嘴64。如图4所示，加压气体还经由第一喷嘴通道66流动并且进入室70中。由于泵送装置28在此时未运转，第二喷嘴通道68对流动提供的阻力小于孔口74的压力限制。加压空气由此流入第二喷嘴通道68并且经由第二通路62从分配装置32流出。加压气体流随后将迫使剩余的还原剂离开分配装置32。
还原剂和加压空气的混合物被迫使向后朝着还原剂源30经过第一流体通道34一长度L2。长度L2对应于在泵送装置28之前沿着第一流体通道34的距离(即，L2小于L1)，但其足够远以使保留在分配装置32和接近分配装置32的第一流体通道34中的还原剂离开热区H。因此，沿着与还原剂在配量过程中的流动方向相反的方向从分配装置32吹洗还原剂。
在第一流体通道34中更靠近泵送装置28的还原剂被迫使沿着旁通通道38，因为旁通通道38能够提供比经过停止的泵送装置28小的流动阻力。
一旦保留的还原剂和加压气体的混合物已经被从热区H完全吹洗，但在泵送装置被吹洗之前，吹洗步骤315停止。停止吹洗步骤315的触发可以基于预定时间间隔、可以基于控制加压气体的压力以确保泵未被吹洗、可以基于控制器80启动随后的配量事件的要求，或者可以基于一些其它因素，诸如返回到还原剂源的还原剂体积。
为了停止吹洗，第二阀46保持在第一位置，其中，加压气体经过第二流体通道50流到分配装置32。同时，第三阀48被置于第二位置。因此，第一阀40将从第一位置改变到第二位置，并且阻挡流体流经旁通通道38。由于第一阀40关闭并且第二止回阀92阻止流体流经泵送装置28，所以流体的进一步吹洗被阻止并且通过加压气体源42输送到分配装置32的加压气体将离开喷射通路72进入混合器组件20中。替代地，为了停止吹洗，第二阀46可以被置于第二位置以停止加压气体到分配装置32的流动。
在步骤314中，配量系统24执行随后的配量事件，其中，系统将还原剂喷射到排气流16中。随后的配量事件步骤314在操作上与第一配量事件步骤310相同，尽管配量事件的持续时间可以不同。
在发动机运转(诸如在非怠速运转状态)并且期望SCR时，配量系统24重复配量事件模式，随后从热区吹洗还原剂。以此方式，在配量事件之间的期间内，系统中的还原剂不会暴露于会导致分解和沉积物形成的升高的温度。此外，系统的吹洗不会导致泵送装置28被吹洗还原剂。因此，泵送装置28保持灌注并且能够根据需要快速地向分配装置32供应还原剂。间歇吹洗事件还比如果整个系统被吹洗回到还原剂源30消耗更少的压缩气体。
虽然图5的方法描述了每两个配量事件之间的吹洗事件，本领域普通技术人员将理解吹洗事件可以以更小的频率、诸如在多个连续配量事件之后发生。
本领域技术人员将清楚可以对本发明的配量系统作出多种变型和改变。通过考量本发明的方法和设备的说明和实践，本领域技术人员将清楚其它实施方式。说明书和例子仅旨在被认为是示例性的，真正的范围由权利要求及其等同物来指明。

Claims (10)

1.一种用于将还原剂引到发动机(12)的排气流(16)的方法，包括：
指令第一配量事件；
响应于指令第一配量事件向分配装置(32)供应还原剂，其中，泵送装置(28)将还原剂从还原剂源(30)经由流体通道(34)朝向所述分配装置(32)传输；
从所述分配装置(32)分配还原剂到所述排气流(16)中；
从所述分配装置(32)迫使还原剂朝向所述还原剂源(30)，其中，充足的还原剂保留在所述泵送装置(28)中以保持所述泵送装置(28)灌注。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
指令第二配量事件；
响应于指令第二配量事件向所述分配装置(32)供应还原剂；
从所述分配装置(32)分配还原剂到所述排气流(16)中，其中，当发动机(12)在非怠速状态下运转时，从所述分配装置(32)迫使还原剂朝向所述还原剂源(30)在所述第一配量事件和第二配量事件之间完成。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体通道(34)的从泵送装置(28)到分配装置(32)的长度是第一长度，并且还包括当来自分配装置(32)的还原剂是沿着流体通道(34)的第二长度时，停止从分配装置(32)迫使还原剂朝向还原剂源(30)，其中，所述第二长度小于第一长度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，从分配装置(32)迫使还原剂还包括停用泵送装置(28)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述排气流(16)形成接近分配装置(32)的热区，并且其中第二长度对应于沿着流体通道(34)在所述热区外的位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，从分配装置(32)迫使还原剂沿着流体通道(34)朝向还原剂源(30)在从分配装置(32)分配还原剂到排气流(16)中的间歇步骤之间完成。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，从分配装置迫使还原剂朝向还原剂源还包括将加压气体传输到分配装置，所述加压气体与保留在分配装置中的还原剂混合。
8.一种用于发动机(12)的还原剂配量系统(24)，包括：
还原剂源(30)；
泵送装置(28)，所述泵送装置(28)流体地连接到所述还原剂源(30)；
分配装置(32)，所述分配装置(32)通过第一流体通道(34)流体地连接到所述泵送装置(28)，并且能够将还原剂分配到发动机(12)的排气流(16)中；
加压气体源(42)，所述加压气体源(42)通过第二流体通道(50)流体地连接到所述分配装置(32)；
控制系统(78)，所述控制系统(78)能够在保持所述泵送装置(28)中有充足的还原剂以确保所述泵送装置(28)灌注的同时，在所述分配装置(32)将还原剂间歇地分配到发动机(12)的排气流(16)中之间利用来自所述加压气体源(42)的加压气体从所述分配装置(32)沿着所述第一流体通道(34)朝向所述泵送装置(28)吹洗还原剂。
9.根据权利要求8所述的还原剂配量系统，其中，所述排气流(16)形成接近所述分配装置(32)的热区，并且其中所述控制系统(78)能够在所述分配装置(32)间歇地分配还原剂之间吹洗还原剂离开所述热区。
10.根据权利要求8所述的还原剂配量系统，还包括将所述还原剂源(30)连接到所述第一流体通道(34)的旁通通道(38)，和能够将还原剂从所述第一流体通道(34)选择性地指引到所述还原剂源(30)的第一阀(40)。
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