CN103282611A - 用于对内燃机的废气再处理系统供给还原剂的输送装置及方法 - Google Patents

用于对内燃机的废气再处理系统供给还原剂的输送装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于对内燃机的废气再处理系统(10)供给还原剂(14)的输送装置(20)、尤其供给尿素水溶液，以还原内燃机的废气流中的氧化氮(NOX)，该输送装置设有一个用于驱动两个泵(22，24)的马达(32)。根据本发明，第一泵(22)通过第一离合器及第二泵(24)通过第二离合器与马达(32)连接。在一个优选的实施方式中，这些离合器构造为反向作用的自由轮离合器(26，28)，从而能通过马达(32)简单的转向反向在“输送状态”与“回吸状态”之间转换。

Description

用于对内燃机的废气再处理系统供给还原剂的输送装置及方法
背景技术
对于设有内燃机的机动车基于不断严格的废气限值必需愈来愈减小废气流中的对空气有害的物质，例如氧化氮(NOx)。一个在这方面投入使用的公知方法是催化还原法(所谓的“选择性催化还原”，即“SCR”方法)。在该方法中借助一个泵将还原剂由一个容器输送到废气支管的区域中的一个计量组件。用于还原剂喷入所需的计量组件通常被设置在废气支管内催化器的前面，在该催化器中进行氧化氮的还原。作为还原剂通常使用32.5％的尿素水溶液(所谓的“
Figure BDA0000344201230000011
”)。使用多重膜片泵来输送还原剂，这些泵通常具有一个优选的输送方向。
膜片泵的驱动经常通过电动机与偏心轮来实现，该偏心轮通过一个连杆与泵膜片连接。如果偏心轮借助电动机投入转动，则泵膜片被连杆周期性地抬起及降下，由此从储备容器吸出还原剂并将其输送到计量组件。一个连接在膜片泵后面的遮流件或节流件可防止当计量组件关闭时或仅将很小量的还原剂输出到废气支管中时系统中压力的升高。为此目的使不需要的输送量由节流件通过附加的回流管路导回储备容器。该废气再处理系统还设有一个用于控制所有系统流程的高成本的控制和/或调节装置及多个传感器与致动器，它们之间通过一个双向母线系统相互连接。
尿素水溶液在-11℃以下结冰。为了在内燃机停机后保证必要的耐冰压强度，必需由所有长期遭受-11℃或更低温度的区域尽可能完全地抽回还原剂。为了能借助通常使用的膜片泵来实现回吸过程，通常使用一个单独的4/2换向阀。
在常规输送工作、尤其当内燃机常规工作时，4/2换向阀处于未通电的静止状态，以致借助膜片泵输送来自容器的还原剂及通过4/2换向阀可使其到达计量组件。在由废气再处理系统回吸还原剂期间膜片泵的输送方向可保持不变；仅对4/2换向阀进行控制。在常规输送工作中还原剂对流地通过4/2换向阀中的两个平行通道流动，而在回吸工作时还原剂对流地通过4/2换向阀中另外两个相交叉的通道流动。
但这种膜片泵引起一个结构上费事的构造并因此在制造上成本高。此外这种阀易于泄漏，易于磨损及维护工作量大。
因此本发明的任务在于：给出一种用于废气再处理系统的输送装置，它尤其按照所谓的“SCR”方法工作，该输送装置与公知方案相比可结构上简单地构成，具有小的磨损倾向及高的故障防护及此外少维护。
发明内容
本发明公开了一种用于对内燃机的废气再处理系统供给还原剂的输送装置，尤其供给尿素水溶液，以还原内燃机的废气流中的氧化氮，该输送装置设有一个用于驱动两个泵的马达。
根据本发明第一泵通过一个第一离合器及第二泵通过一个第二离合器与马达连接。
离合器优选地被构成自由轮离合器，也可变换地构成可开关(可释放)的离合器。由此以简单的方式可作到：选择地使第一泵(回吸泵)或第二泵(输送泵)与驱动电动机连接及由一个所谓的常规“输送状态”-在该输送状态期间内燃机运行-转换到一个所谓的“回吸状态”，尤其根据内燃机较长的停机时间进行转换。通过由废气再处理系统理想地完全吸回还原剂以准备内燃机的较长的停机时间，则在-11℃或更低的环境温度时可达到所需的耐冰压强度。
在一个优选的实施形式中离合器为反向作用的自由轮离合器。
由此通过马达简单的转向反向可由“输送状态”转换到“回吸状态”。在马达停机时两个泵均不被驱动-不依赖于离合器的开关状态，由此输送装置将处于所谓的“静止状态”中。因此每个相反转动开关的泵与系统状态(“输送状态”/“回吸状态”)无关地总是工作在其输送方向上。
输送装置的另一有利的构型在于：废气再处理系统的一个计量组件通过一个换向阀与第二泵的一个压力管路及与第一泵的一个抽吸管路连接。计量组件用于将一个精确地确定的还原剂量喷射到设有用于氧化氮还原的催化器的废气管内。在催化器中进行将内燃机废气流中的氧化氮变成水(H2O)及氮(N2)的真正选择性化学还原。换向阀允许两个泵之间高效的液压隔离，其中换向阀的转换自行地、仅基于换向阀的压力接口或抽吸接口上具有的压力状况来进行。过滤单元及连接在其后的计量组件通过一个在双向上流过还原剂的(双向的)换向阀的第三接口连接在换向阀上。
在一个优选的实施形式中第二泵的一个抽吸管路及第一泵的一个压力管路与还原剂的一个储备容器连接。
由于这种管路布置在内燃机的常规工作中可借助第二泵由储备容器抽吸还原剂并通过换向阀以高压继续将其输送到计量组件。此外为了导入内燃机的较长停机时间这种管路导向允许借助第一泵由计量组件将还原剂吸回到储备容器中。
该输送装置的另一有利的实施形式在于：这两个泵被构成膜片泵。
膜片泵能使输送装置在结构上简单地构成。此外膜片泵具有良好的耐腐蚀性，因为输送空间与驱动区域通过膜片完全地隔开。通过使用膜片泵提高了用于通常有化学腐蚀性的还原剂的输送装置的工作可靠性并同时显著地减小了维护成本。膜片泵通常能作到在机动车的整个使用寿命上实际无维护的工作。
根据另一有利的构型规定：使用一个电动机，尤其一个外转子马达来驱动这些泵。
马达作为电动机来实施主要具有易于调节及控制的优点。外转子马达的使用还具有其优点，即通过围绕定子旋转的转子的大转动惯量可使输送流变得均匀。
根据该输送装置的另一有利的进一步构型设有至少一个回流节流器。
尤其在使用外转子马达-它的旋转的转子通常具有高的转动惯量-的情况下，电动机在“输送状态”中保持持续开机，以便保证尽可能均匀的输送流并使电动机的加速时间减小。此外一个持久开机的电动机可实现均匀的输送流，由此保证了对计量组件可靠且连续地供给还原剂。然而当由计量组件输出过少的还原剂或根本不输出还原剂时，电动机及所属的第二泵在“输送状态”中的持续工作可导致第二泵、换向阀与计量组件之间的压力管路区域中不希望的压力升高。为了避免这种压力升高，优选地可在第二泵与换向阀之间的压力管路中设置一个回流节流器或回流遮流器，它将使计量组件不需要的过剩还原剂通过一个附加的回流管路导回储备容器。
在一个变换的实施形式中回流节流器可为换向阀的整体组成部分。通常一个节流器或遮流器在技术上用具有一个小横截面的圆柱形孔来实现。
此外给出一种方法，尤其用于这种输送装置运行的方法，该输送装置用于对内燃机的废气再处理系统供给还原剂，尤其供给尿素水溶液，以还原内燃机的废气流中的氧化氮，它设有一个用于驱动两个泵的马达。
根据本发明通过马达的转向反向在一个“输送状态”与一个“回吸状态”之间转换，其中在“输送状态”中借助第二泵由还原剂的储备容器通过一个换向阀将还原剂一直输送到计量组件及在“回吸状态”中借助第一泵由计量组件通过换向阀将还原剂抽吸回到储备容器中。
该方法通过马达转向的简单改变能在“输送状态”与“回吸状态”之间实现快速转换，在“输送状态”中对废气再处理系统的计量组件供给还原剂，而在“回吸状态”中将废气再处理系统中所包含的还原剂几乎完全导回储备容器，以便在较长的停机时间上达到所需的耐冰压强度。在马达关机后系统处于一个“静止状态”，在该静止状态中不进行还原剂的输送。
附图说明
以下借助附图来详细地描述本发明。
图1：用于说明输送装置的基本工作原理的概图；
图2：带有两个自由轮离合器及所属的两个泵的驱动电动机的原理图；
图3：交换阀的一个横截面；及
图4：交换阀的闭合机构的一个透视图。
具体实施形式
图1表示用于说明废气再处理系统的输送装置的基本工作原理的概图，该废气再处理系统按照所谓的“SCR”原理工作。
该废气再处理系统10主要包括一个用于还原剂14的储备容器12，至少一个过滤单元16及一个计量组件18。
为了更清楚明了起见在图1中未表示出内燃机的废气支管，废气支管内用于催化还原所需的催化器，一个用于控制该废气再处理系统10内所有流程所需的控制和/或调节装置及通过双向母线系统与控制和/或调节装置相互连接的多个传感器及致动器。
在废气再处理系统10内还原剂14的基本流动方向通过未设有标号的双箭头来指示。根据本发明构成的用于对废气再处理系统10供给还原剂14的输送装置20主要包括一个第一泵22(回吸泵)及一个第二泵24(输送泵)。泵22，24在机械上各通过一个自由轮离合器26，28与一个(驱动)电动机32的电动机轴30连接。在一个优选实施形式中该电动机32被构成外转子马达。该(连续的)电动机轴30能够同时驱动两个自由轮离合器26，28，根据本发明这两个自由轮离合器被构成相反作用的。
这意味着，当电动机32例如向右(“R”)旋转时，第二泵24被驱动，而在该旋转方向上第一自由轮离合器26处于空转，因此第一泵22处于停机。如果电动机32的转向反向，以致它现在向左(“L”)旋转，则相反地第二自由轮离合器28处于空转。这将引起：第二泵24处于停机及现在第一泵22通过第一自由轮离合器26被驱动，该自由轮离合器在(“L”)旋转方向上处于闭合。因此这两个反向作用的自由轮离合器26，28能使泵22，24每次根据电动机32或电动机轴30的转向交替(两者择一)地工作。
第二泵24的压力管路34与一个换向阀36连接，该阀轴图1的视图中处于无负载的静止位置中。相应地第一泵22的抽吸管路38同样地与换向阀36相连接。该换向阀36通过无标号的管路与与废气再处理系统10的过滤单元16及计量组件18形成液压连接。在本说明书方面无论是管路还是包括有金属套的软管在内的软管路均被理解为管路。两个优选地被构成膜片泵22，24的输送方向被构成相反地定向。因此第二泵24总是通过一个抽吸管路40由储备容器抽吸还原剂14，而第一输送泵22总是通过一个压力管路42将还原剂14送回到储备容器14中。
以下将详细地说明输送装置20运行时的一个示范性的方法流程及随之而来的输送装置的其它结构：
在内燃机运转时或其起动的紧前面由第二泵24抽吸来自储备容器12的还原剂14及通过压力管路34使还原剂到达换向阀36(所谓的“输送状态”)。基于这样建立的输送压力在这里被概要表示为滚珠的闭合机构44抵抗由未标号的弹簧建立的弹簧力从换向阀36的右阀座46上抬起并-抵抗其弹簧力-被压向左阀座48。由此还原剂14可通过换向阀36流动并经过过滤单元到达计量组件18。在此情况下向右(“R”)旋转的电动机32通过电动机轴30及第二自由轮离合器28驱动第二泵24电动机32的转速及转向的控制通过开始部分所述的控制及调节装置来实现。
作为电动机32优选地使用被构成所谓的外转子马达的电动机。该电动机的使用保证了简单的可控制性和/或可调节性。因为在外转子马达的情况下转子取决于结构绕围绕定子旋转，由此引起的电动机32的高转动惯量以有利的方式尤其可用于泵22，24的输送流的均匀化。由于电动机32的高转动惯量其优点在于：无论在还原剂14的“输送状态”中还是在其“回吸状态”中电动机32可尽可能连续地运转，以避免到电动机给定转速达到时的较慢加速时间。在回吸过程完全结束后电动机32可被关机。此外由于通常持续运转的电动机32使计量组件18得到了特别均匀的还原剂14供给。
但这里尤其在“输送状态”中可导致压力管路34的区域、换向阀36、后置的过滤单元16和/或计量组件18中不希望的压力升高。为了防止该压力升高，在所述实施形式中输送装置20构有一个回流节流器50或一个回流遮流器。这里回流节流器50被连接在压力管路34上。在计量组件18中不需要的过剩还原剂14则可通过回流节流器50及一个连接在其后的回流管路52回到储备容器12中。由此可避免不希望的压力升高。变换地也可使回流节流器50或回流遮流器构成换向阀36的整体组成部分(参见图3，4)，由此可减少管路连接部分、密封位置及系统部件的数目。为了准备内燃机较长的停机时间将使还原剂14回吸到储备容器12中。为了该回吸过程使电动机32的旋转方向由向右(“R”)转换到向左(“L”)及由此导入所谓的“回吸状态”。由于转向的反转第二自由轮离合器28处于空转状态，以使第二泵24停机。与此相反地借助在该转向上处于闭合的第一自由轮离合器26使第一泵22处于运动。由此来自计量组件18的还原剂14由第一泵22通过过滤单元16及换向阀36并经过抽吸管路36抽吸及借助压力管路42输送回储备容器12。该“回吸状态”一直被保持，直到还原剂14理想地完全由废气再处理系统10吸回及由此产生所需的耐冰压强度。在回吸过程结束后，可将电动机32关机，由此使两个泵达到停机及使输送装置20处于“静止状态”。
在回吸状态中换向阀36的闭合机构44基于未标号的压簧的作用被固定地压在右阀座46上，由此同时释放左阀座48，以致还原剂14可被第一泵22仅在克服一个很小的阻力的情况下抽吸出。因此换向阀36保证了在输送装置20的两个以“输送状态”与“回吸状态”构型的主状态中两个泵22，24或与它们连接的输送支路的有效的液压分离。
换向阀36将自主地转换，因为在“输送状态”中第二泵24在压力管路34中建立的高至5.0巴的压力明显地高于由第一泵22在抽吸管路38中引起的约0.5巴的抽吸压力。因此换向阀36仅基于压力管路34与抽吸管路38的区域中的相应压力比例即可作出响应。
如果内燃机又再起动，则将由“静止状态”重新导入“输送状态”，其方式是电动机以向右“R”的转向起动，以致第二输送泵24由储备容器12将还原剂14输送到计量组件18。在“输送状态”，“回吸状态”及“静止状态”之间的周期性转换可任意频繁地进行。
也可使用未示出的、例如用电磁铁或以其它方式开关的离合器来取代该优选实施形式中的两个自由轮离合器26，28，所述以其它方式开关的离合器由控制和/或调节装置控制地作出响应。在这种情况下则可以：当计量组件18吸取过少的还原剂14时，两个泵22，24也可这样同时地输送，即过剩的还原剂14借助第一泵22无延时地输送回储备容器12(“循环输送”)。由此可避免电动机32运转时的压力升高。并由此在一定情况下使回流节滤器50与回流管路52分别成为多余。在这种实施形式中换向阀36在一定情况下也可以是多余的，这时两个泵22，24在停机状态中在两侧上足够地耐压或防止流通，以致在停机状态中这些泵本身起到关闭的“阀”的作用。因此需要泵22，24以不同于这里优选使用的膜片泵的泵类型来构成。
图2表示带有两个自由轮离合器及所属的(膜式)泵的电动机的一个可能的实施例的截面图。
优选地构成外转子马达的电动机32通过法兰盘连接在一个壳体60上。电动机32的供电通过插头连接62或插接装置来实现。第一及第二自由轮离合器26，28与电动机轴32固定地连接及由该轴驱动。自由轮离合器26，28与两个偏心轮64，66连接，在这些偏心轮上各套有一个滚珠轴承68，70。在滚珠轴承68，70上可转动地1接收两个连杆72，74，在这些连杆上各铰接一个泵膜片76，78。
通过两个偏心轮64，66及连杆72，74使电动机轴30的旋转运动转变成一个直线运动，该直线运动通过连杆72，74传递到泵22，24的膜片76，78上。由此膜片76，78与两个未标号的空白箭头平行地进行周期性的向上及向下的运动，并-如以上在描述图1的范围中所详细说明的-通过输送装置20输送还原剂。由于两个自由轮离合器26，28相反旋转的作用-根据电动机32的转向-总是仅使两个泵22，24中的那一个处于输送工作，这个泵的自由轮离合器26，28为闭合。在图2中未示出对于泵22，24的输送工作可能还必需的止回阀。
图3表示交换阀36的一个实施形式在一个未负荷的“静止位置”中的详细横截面。
还原剂通过换向阀36的原理上的流动关系通过三个未标号的空白箭头来指示。该换向阀36主要包括一个壳体80，在该壳体中可相对一个垂直纵轴线84平行移动地接收了一个近似罐形的闭合机构82。该闭合机构82设有一个带第一密封件88(密封唇)的环形突出部分86，该密封件基于压簧90的作用被压在一个作为密封面的右壳体壁92上。由此封闭了换向阀36的右压力接口94，该压力接口通常与第二泵24的压力管路34连接(参见图1)。
如果由于第二泵24的输送工作使压力接口94的区域中还原剂的压力升高到这样的程度，以致克服了压簧90的弹簧力，则闭合机构82与阀纵轴线84平行地一直向左移动，直到第二密封件96(密封唇)紧靠在作为密封面的左壳体壁98上。第一密封件88位于突出部分86或闭合机构82的一个未标号的前侧，而第二密封件96则位于突出部分86的一个未标号的后侧。
在闭合机构82的该“打开位置”上还原剂从压力接口94出发通过壳体90内一个大的、近似圆柱形的室100流到一个双向的接口102，该接口通常与过滤单元16或连接其后的计量组件18相连接。为了保证换向阀36按照规则地工作，压簧90将建立一个这样高的弹簧力，以致闭合机构82向左的移动最早从压力接口94的区域中1.5巴的压力起执行。
如果泵24停止其输送工作，则在充分的压力下降后基于压簧90的弹簧力闭合机构82又被压向左，直到密封件88接触在右壳体壁92上为止及又达到图3中所示的“静止位置”。
在“回吸状态”中闭合机构82处于图3所示的“静止位置”中，这时还原剂从上面通过(双向的)接口102可流入大的室100中。还原剂再从那里通过多个回吸孔-其中仅标出一个回吸孔104-流到壳体80的一个小的圆柱形室108中，该室108通入一个插吸接口110。插吸接口110通常与第一泵22相连接，该第一泵用于将还原剂输送回储备容器(参见图1)。
在图3所示的实施形式中换向阀36此外还承担输送装置中一个回流节流器及一个回流管路(参见图1)的功能，由此可取消它们。
为此目的在闭合机构82的底部112中开有一个小横截面的节流孔114，从液压方面看该节流孔表现为一个回流节流器或回流遮流器。通过该构有一个锥形下斜部分的、其余为圆柱形的孔114可使计量组件中例如由于内燃机特定的工作状态不被输送的多余还原液剂由压力接口94通过抽吸接口110被第一泵抽吸回到储备容器12中。由此避免了系统中过度的压力升高。两个密封件88，96由一种充分耐化学剂尤其耐还原剂(“
Figure BDA0000344201230000091
”)的弹性体、例如EPDM(Ethylen-Propylen-Dien-Monomer)来制造。闭合机构82或突出部分86原则上可用合金或塑料材料来制造，只要其具有所需的耐还原剂的稳定性。而在一个优选的实施形式中闭合机构82用一种热塑性或热固性的塑料材料(“TP”/“DP”)来制造，其中热固性的塑料材料优选地用在图3中设有组合的节流功能的情况中，因为它对于在节流孔114中增强地出现的“流动磨损”有抵抗能力。密封件例如可用所谓的“2K”压力注塑方法(“双组分”压力注塑方法)或通过所谓的“模压方法”整体地构成在闭合机构82上。
图4表示图3的闭合机构82的一个放大的透视图。
在闭合机构82的套筒型的筒柱106中在圆周侧上相互均匀间隔地开有多个回吸孔，其中一个回吸孔带有标号104。压簧90被插入在筒柱106中并由该筒柱径向地导向。在环形的突出部分86的上面及下面设有第一及第二密封件88，96。对于闭合机构82由塑料材料构成的情况下，两个密封件88，96例如可用2组分压力注塑方法(所谓的“2K”压力注塑方法)或用所谓的“模压方法”整体地(一体地)制在闭合机构82的主体上。
根据本发明的用于机动车的废气再处理系统的输送装置设有两个泵及一个驱动电动机，在一个优选实施形式中这些泵通过反向的自由轮离合器交替地各被驱动电动机驱动，该输送装置能够对废气再处理系统的计量组件可靠且均匀地供给催化处理废气净化所需的还原剂。
此外该输送装置与设有一个4/2换向阀的公知方案相比可实现废气再处理系统既可靠又少维护的运行，其中通过优化的回吸过程在机动车的低使用温度时还可达到所需的耐冰压强度。

Claims (10)

1.用于对内燃机的废气再处理系统(10)供给还原剂(14)的输送装置(20)、尤其供给尿素水溶液，以还原内燃机的废气流中的氧化氮，该输送装置设有一个用于驱动两个泵(22，24)的马达(32)，其特征在于：第一泵(22)通过第一离合器及第二泵(24)通过第二离合器与马达连接。
2.根据权利要求1的输送装置(20)，其中，离合器为反向作用的自由轮离合器(26，28)。
3.根据权利要求1或2的输送装置(20)，其中，废气再处理系统(10)的一个计量组件(18)通过一个换向阀(36)与第二泵(24)的一个压力管路(34)及与第一泵(22)的一个抽吸管路(38)连接。
4.根据权利要求1至3中任一项的输送装置(20)，其中，第二泵(24)的一个抽吸管路(40)及第一泵(22)的一个压力管路(42)与还原剂(14)的一个储备容器(12)连接。
5.根据权利要求1至4中任一项的输送装置(20)，其中，泵(22，24)优选为膜片泵。
6.根据权利要求1至5中任一项的输送装置(20)，其中，马达(32)优选为电动机，尤其为外转子马达。
7.根据权利要求1至6中任一项的输送装置(20)，其中，设有至少一个回流节流器(50，116)。
8.根据权利要求7的输送装置(20)，其中，回流节流器(50)被设置在第二泵(24)与换向阀(36)之间及通过回流管路(52)与储备容器(12)连接。
9.根据权利要求7的输送装置(20)，其中，回流节流器(116)被组合在换向阀(36)中及与储备容器(12)形成连接。
10.用于运行用于对内燃机的废气再处理系统(10)供给还原剂(14)、尤其供给尿素水溶液的输送装置、尤其为根据权利要求1至9中任一项的输送装置(20)的方法，以还原内燃机的废气流中的氧化氮，该输送装置设有一个用于驱动两个泵(22，24)的马达(32)，其特征在于：通过马达(32)的转向反向在一个输送状态与一个回吸状态之间转换，其中在输送状态中借助第二泵(24)将还原剂(14)由用于还原剂(14)的储备容器(12)出发通过一个换向阀(36)一直输送到计量组件(18)，在回吸状态中借助第一泵(22)将还原剂(14)由计量组件(18)出发通过换向阀(36)抽吸回到储备容器(12)中。
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