CN103249924B - 用于降低发动机排放的试剂喷射系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于降低发动机的排放的试剂喷射系统包括试剂容器。加热元件定位成与储存于容器内的试剂具有热传递关系。交换管包括接收再循环的液体试剂的第一端部和定位于容器中的开口的第二端部。交换管包括在第一端部与第二端部之间从交换管分支出的泄放管。泄放管的终端定位于试剂表面上方的蒸汽区内。

Description

用于降低发动机排放的试剂喷射系统
技术领域
本发明涉及一种排气处理系统，更具体地，涉及一种用于将试剂喷射至发动机的排气流中的喷射器系统。
背景技术
本节提供与本公开内容相关的背景信息，其未必是现有技术。
内燃机可以输出不期望的污染排放，特别是以氮氧化物(NOx)的形式。用于降低内燃机的NOx排放的一种方法被称为选择性催化还原法(SCR)。当被用于例如降低柴油发动机的NOx排放时，SCR涉及根据一个或更多个选定的发动机运行参数，例如，排气温度、通过发动机燃料流量测量的发动机负载或发动机每分钟转数、涡轮增压压力或排气NOx质量流量，将雾化的试剂喷射至发动机的排气流中。试剂/排气混合物经过包含例如催化剂诸如活性炭或诸如铂、钒或钨的金属的反应器，这些催化剂能够在存在试剂的情况下降低NOx浓度。
诸如尿素水溶液的柴油机排放流体已知为柴油发动机的SCR系统中的一种有效的试剂。然而，使用这种尿素水溶液及其他试剂可能包括弊端。尿素水溶液的冰点大约为-11℃。在某些天气下，尿素水溶液将冻结成固态。可能需要使用一个或更多个加热器以确保排气处理系统的正常运行。
在至少一种已知的布置中，凸缘式加热单元定位于试剂槽内。通过使冻结的试剂解冻而获得液体试剂的中心体积或核心。在一些运行模式期间，在其余的冻结试剂融化之前，液体试剂可能被完全消耗并从槽中泵出。可能发生泵的气蚀。可能导致泵的损坏。此外，试剂将不会被泵送至排气流中，并且车辆可能不会通过排放测试。从与加热元件相邻的腔室中泵出液体试剂可在空出的腔室内形成大致的真空。可能导致对泵或其他排气处理系统部件的损坏。因此，提供一种改进的试剂喷射系统以解决这些问题可能是有利的。
发明内容
本节提供本公开的总体概述，并不是其全部范围或其全部特征的全面公开。
用于降低发动机排放的试剂喷射系统包括试剂容器。加热元件被定位成与储存在容器内的试剂具有热传递关系。交换管包括第一端部和第二开口端部，第一端部接收再循环的液体试剂，第二开口端部定位于容器中。交换管包括在第一端部与第二端部之间从交换管分支的泄放管。泄放管的终端定位于试剂的表面上方的蒸汽区内。
用于降低发动机排放的试剂喷射系统包括喷射器、试剂容器以及用于从容器中泵送液体试剂的泵。供给管线连接泵和喷射器。返回管线设置为用于使试剂从喷射器再循环至容器。加热元件被定位成与储存于容器内的试剂具有热传递关系。交换管包括与返回管线连通以便接收再循环的液体试剂的第一端部。交换管的第二开口端部定位于容器中。交换管包括在第一端部与第二端部之间从交换管分支出的泄放管。泄放管的终端定位于试剂的表面上方的蒸汽区内。
从本文提供的描述中，将更清楚地理解其他应用领域。本概述中的描述和具体示例仅旨在说明目的，并非意在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅是为了对所选择的实施方式而不是所有可能的实施方式进行说明，并且，其并非意在限制本公开的范围。
图1示出示例性的内燃机的示意图，其具有包括试剂槽正常化系统的排气处理系统；以及
图2是试剂槽正常化系统的示意图。
在附图中的所有几个视图中，相应的参考标记指示相应的零件。
具体实施例
现在将参照附图对示例实施方式进行更加全面的描述。
应当理解，虽然可以结合柴油发动机和降低NOx排放对本教示进行描述，但本教示可以与多种排气流中的任意一种结合使用，通过非限制性的示例，例如，来自柴油机、汽油机、涡轮机、燃料电池、喷气机或输出排气流的任意其他动力源的排气流。而且，可以结合降低多种不期望的排放中的任意一种来使用本教示。例如，喷射碳氢化合物以便再生柴油机微粒过滤器也在本公开的范围内。对于附加的描述，应该把注意力转向到2008年11月21日提交的名称为“用于喷射雾化流体的方法及装置(Method And Apparatus For Injecting Atomized Fluids)”的共同受让的美国专利申请公开No.2009/0179087A1，上述申请通过参引并入本文。
参照附图，提供了一种用于降低柴油发动机21的排气中的NOx排放的排气处理系统8。在图1中，系统的元件之间的实线指示用于试剂的流体管线，虚线指示电连接。本教示的系统可包括用于容纳试剂的试剂槽10和用于输送来自槽10的试剂的输送模块12。试剂可以是尿素溶液、碳氢化合物、烷基酯、乙醇、有机化合物、水等并且可以是上述各物质的混合物或其组合。也应当理解，可在系统中使用一种或更多种试剂并且可单独使用或以组合的方式使用。槽10和输送模块12可以形成一体的试剂槽/输送模块。同样被设置为系统8的一部分的是电子喷射控制器14、试剂喷射器16以及排气系统19。排气系统19包括向至少一个催化剂床17提供排气流的排气管路18。
输送模块12可以包括泵22，泵22经由供给管线9供给来自槽10的试剂。试剂槽10可以是聚丙烯、环氧树脂涂覆的碳钢、聚氯乙烯(PVC)、或不锈钢，并且其尺寸可根据应用(例如，车辆尺寸，车辆的预期用途等)而设定。压力调节器(未示出)可被设置为用以保持系统处于预定的压力设定点(例如，约为60-80psi的相对较低的压力，或在某些实施方式中，约为60-150psi的压力)，并且压力调节器可位于从试剂喷射器16返回的返回管线35中。压力传感器可被设置在通向试剂喷射器16的供给管线9中。
所需的试剂量可以随着载荷、发动机每分钟转数(RPM)、发动机速度、排气温度、排气流量、发动机燃料喷射定时、所需的NOx减少量、大气压、相对湿度、EGR(排气再循环)率以及发动机冷却剂温度而变化。NOx传感器或测量仪25定位于催化剂床17的下游。NOx传感器25可操作为用以将表示排气中NOx含量的信号输出至喷射控制器14。发动机运行参数的全部或一些可以从发动机控制单元27经由发动机/车辆数据总线供给至试剂电子喷射控制器14。试剂电子喷射控制器14也可被包含作为发动机控制单元27的一部分。排气温度、排气流量和排气背压以及其他车辆运行参数可由各自的传感器测量。
排气系统8还包括用以解冻冻结的试剂或用以防止试剂冻结的各种冻结保护策略。例如，供给管线9和返回管线35可被加热以保证试剂在管线内不会冻结。可以设想，可使用包围供给管线9和返回管线35并沿它们的长度延伸的电供能的护套对管线进行加热。
图2描述了另一种冻结保护子系统，该子系统由参考标记40标识。更具体地，子系统40可被称为试剂槽正常化系统。正常化系统40用以保证一定体积的液体试剂与供给管线9的入口42保持连通。只要液体试剂的供给保持与入口42连通，泵22就可以正常运行而不会产生气蚀。如果在剩余的冻结试剂融化之前将液体试剂从槽10中泵出，那么入口42就可能与气穴连通。泵22可能气蚀并且试剂可能不会按照需要被喷射至排气中。
正常化系统40包括交换管46，交换管46包括与返回管线35流体连通的第一端部48以及定位于槽10内的第二自由端部50。交换管46关于地面大致竖直地定向并且穿过槽10的上表面52延伸至槽内大于槽的一半的距离。第二端部50从槽10的下表面或底表面54偏移。交换管46还包括泄放管60，泄放管60具有第一端部62和第二开口端部64，第一端部62与交换管46的内部容积连通。交换管46包括多个横向延伸孔72，横向延伸孔72沿轴向彼此间隔开。孔72使得交换管46的内部容积与外部容积之间流体连通。
在寒冷天气工作时，试剂可能冻结为固态。冻结的试剂以图2的参考标记66表示。第一蒸汽区68形成在试剂66的上表面70的上方。当试剂槽10被填充时，第一蒸汽区68包括大约11％的槽10的体积。当液体试剂冻结为固体时，第一蒸汽区68容置试剂体积的增加量。此外，泄放管60定位于第一蒸汽区68内，位于试剂水平面的上方，以保证泄放管60不会被冻结的试剂堵塞。
加热元件76定位成与容纳在槽10内的试剂具有热传递关系。加热元件76可被定位于槽10内接近底表面54的位置处，如图2所示。可替代地，加热元件76可以与泵22结合以限定输送模块12。输送模块可以与槽10间隔开或与槽10一体地形成。
电能可被供给至加热元件76以使冻结的试剂融化。随着能量被传递至试剂，临近于加热元件76形成液体试剂体积80。泵22可以通过入口42抽吸液体试剂80并将加压的试剂提供给供给管线9和喷射器16。在典型的运行期间，仅百分之一至百分之二的泵送试剂经由喷射器16喷射至排气流中。其余大约百分之九十八的液体试剂经由返回管线35再循环。
当经过喷射器16时，由于排气的能量含量，试剂的温度可以略微地升高。此后试剂的温度保持基本恒定，因为供给管线9和返回管线35如前所述地被加热。加压的试剂进入交换管的第一端部48并且开始流入槽10内。如果存在相当数量的冻结试剂66，那么流经返回管线35的已加热和加压的液体试剂将流经泄放管60并排出第二开口端部64。泄放管60和第二开口端部64定向为朝向接近交换管46的外表面的表面70引导液体试剂流。加热的试剂流将开始使冻结试剂66融化。同时，加热和加压的试剂作用于交换管46内的冻结试剂柱上。在相对较短的时间内，将在液体试剂体积80与经由返回管线35返回的液体试剂之间建立流体连通路径。随着交换管46内的冻结试剂柱融化，孔72将与由返回管线35供给的液体试剂流体连通。液体试剂将流经孔72并进一步加快与交换管46的外表面邻近的冻结试剂66的融化。
在泵送操作期间，在液体试剂80的表面84的上方可以形成第二蒸汽区82。孔72及泄放管60使得第一蒸汽区68与第二蒸汽区82之间连通以均衡其间的压力。泄压阀88使得第一蒸汽区68与大气之间能够连通。因此，避免了在第二蒸汽区82内形成真空。
出于例示和描述的目的，已提供对实施方式的上述描述。这并非旨在穷举或限制本公开。具体实施方式的单独的元件或特征通常不限于该具体实施方式，但在适用的情况下，即使未特别示出或说明，它们也可以互换并可被用于选定的实施方式中。同一实施方式也可以以多种方式变型。这些变型不应当被认为偏离本公开，而所有这些修改旨在均包括在本公开的范围内。

Claims (18)

1.一种用于降低发动机排放的试剂喷射系统，所述系统包括：
试剂容器；
加热元件，所述加热元件定位成与储存于所述试剂容器内的试剂具有热传递关系；以及
交换管，所述交换管具有接收再循环的液体试剂的第一端部和定位于所述试剂容器中的开口的第二端部，所述交换管包括在所述第一端部与所述第二端部之间从所述交换管分支出的泄放管，其中，所述泄放管的终端定位于所述试剂的表面上方的蒸汽区内。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述交换管包括多个横向延伸的孔。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述交换管的所述第二端部接近所述加热元件。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述泄放管的所述终端定位成朝向所述试剂的冻结部分引导再循环的液体试剂流。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述交换管提供穿过所述试剂容器的多个通道以均衡所述试剂容器中的间隔开的区域之间的压力。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述加热元件定位成接近所述试剂容器的底部。
7.如权利要求1所述的系统，进一步包括泵，所述泵将通过与所述试剂容器流体连通的供给管线抽吸所述液体试剂。
8.如权利要求7所述的系统，进一步包括返回管线，所述返回管线将未喷射至发动机排气中的泵送和再循环的试剂供给至所述交换管的所述第一端部。
9.如权利要求8所述的系统，进一步包括喷射器，所述喷射器定位于所述供给管线与所述返回管线的结合处，所述喷射器将所述试剂喷射至发动机排气中。
10.如权利要求7所述的系统，其中，所述供给管线包括定位成接近所述试剂容器的底部的入口。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述加热元件在所述试剂容器内定位在所述交换管的所述第二端部与所述入口之间。
12.一种用于降低发动机排放的试剂喷射系统，所述系统包括：
喷射器；
试剂容器；
泵，所述泵用于泵送来自所述试剂容器的液体试剂；
供给管线，所述供给管线连接所述泵与所述喷射器；
返回管线，所述返回管线用于使试剂从所述喷射器再循环至所述试剂容器；
加热元件，所述加热元件定位成与储存于所述试剂容器内的所述试剂具有热传递关系；
交换管，所述交换管具有与所述返回管线连通以便接收再循环的液体试剂的第一端部和定位于所述试剂容器中的开口的第二端部，所述交换管包括在所述第一端部与所述第二端部之间从所述交换管分支出的泄放管，其中，所述泄放管的终端定位于所述试剂的表面上方的蒸汽区内。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述交换管包括多个轴向间隔开并且横向延伸的孔。
14.如权利要求12所述的系统，其中，所述交换管的所述第二端部接近所述加热元件。
15.如权利要求12所述的系统，其中，所述泄放管的所述终端定位成朝向所述交换管的外表面引导再循环的液体试剂流。
16.如权利要求12所述的系统，其中，所述交换管提供穿过所述试剂容器的多个通道，以均衡所述试剂容器中的间隔开的区域之间的压力。
17.如权利要求12所述的系统，其中，所述供给管线包括入口，所述入口定位为接近所述试剂容器的底部。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述加热元件在所述试剂容器内定位在所述交换管的所述第二端部与所述入口之间。
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