CN104564256A - 用于选择性催化还原系统的还原剂输送单元的排放系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于选择性催化还原系统的还原剂输送单元的排放系统。一种排放程序，其是喷射器的一部分，所述喷射器可以用作还原剂输送单元(RDU)的一部分，其中RDU是用于向排气系统中喷射柴油排气流体的选择性催化还原系统的一部分，以控制排气排放。RDU将还原剂载体输送至发动机排气系统。排放过程包括控制策略，其用以改善排放循环的质量(即，增加排出的流体量)。调节排放事件的序列，以便在流体供应线路和喷射器中生成强大的真空--这通过增加穿过喷射器的初始流量而增强排放的效率。然而，在打开喷射器时，流体路径内的压力增加至稍低于喷射器外的环境压力的水平，因此气体流量被大幅降低。

Description

用于选择性催化还原系统的还原剂输送单元的排放系统
技术领域
本发明总体上涉及用于作为选择性催化还原系统的一部分的还原剂输送单元的排放程序。
背景技术
欧洲和北美洲的新排放法规驱使实施新的排气后处理系统，特别是用于稀燃技术的，比如压缩点火(柴油)发动机，以及分层进气火花点火发动机(通常为直接喷射)，其在稀薄和超稀薄状态下操作。稀燃发动机呈现出高水平的氧化氮排放(NOx)，其在稀燃燃烧的富氧排气环境特性中难以处理。当前开发了排气后处理技术，其在这些状态下处理NOx。
这些技术之一包括催化剂，其促进氨(NH3)与排气氧化氮(NOx)反应，以产生氮(N2)和水(H2O)。该技术被称为选择性催化还原(SCR)。氨在其处于汽车环境中的纯净形式中难以处理，因此这些系统惯用的是使用液态的含水尿素溶液，尿素(CO(NH2)2)的浓度一般为32%。该溶液被称为AUS-32，并且还以其商用名称AdBlue被知晓。尿素一般是通过使用喷射器被输送至热排气流，并在进入催化剂中之前被转变为氨。更具体地，尿素被输送至热排气流，并在经历热解之后在排气中转变为氨，或热分解为氨和异氰酸(HNCO)。异氰酸然后在排气中存在水的情况下经历水解，并转变为氨和二氧化碳(CO2)，并且源自热解和水解的氨然后如前面描述那样经历与氧化氮的催化反应。
AUS-32或AdBlue具有-11C的冰点，并且在寒冷气候中预期会发生系统冻结。因为这些流体是含水的，所以在冻结时过渡到固态之后发生体积膨胀。这样膨胀的冰可在比如喷射器或流体供应管等任何封闭空间上施加显著的作用力。该膨胀可能对喷射单元造成损坏，因此，喷射系统一般在发动机关闭时排放喷射单元，以移除容纳在其中的流体。
在已知的系统构造中，喷射器排放用于在不使用喷射器时从喷射器移除流体。已发现的是，该方法的效率不是100%的，即，在喷射器单元中会残留一定量的流体。尽管残留流体量可能不会总是足以导致在冻结(对于膨胀的冰可获得膨胀体积)时损坏喷射器，但是还在存在风险，即在发动机热浸期间，残留的流体会暴露于高温。该高温暴露可能导致AUS-32分解，其也会对喷射单元造成损坏。
在其它类型的设计中，已发现的是，残留的流体趋于聚集在喷射器的上部，处于过滤器与入口管之间的空间中。许多类型的喷射器具有O形圈，其与喷射器杯一起使用，以提供密封性能，并防止残留流体泄漏。然而，在一些喷射器中，可能存在AUS-32穿过与喷射器杯协作以提供密封性能的所安装O形圈的泄漏路径。尽管由O形圈生成的该密封路径一般足以应付液体，但是已发现的是，AUS-32溶液易于以蠕变尿素晶体的形式破坏这种类型的密封。在流体边界层处，如果存在密封接头的最小旁路，则流体蒸发并留下处于其固体形态的尿素。这提供芯吸路径来用于更多的液态尿素溶液，其建立另一边界层，蒸发并留下更多的固态尿素。该蠕变机制常常在AUS-32系统上观测到。
相应地，需要一种方法来排放RDU，由此从RDU充分地移除流体，并降低或防止如以上描述的蠕变机制。
发明内容
本发明的排放程序(purge procedure)是喷射器的一部分，所述喷射器可以用作还原剂输送单元(RDU)的一部分，其中RDU是用于向排气系统中喷射柴油排气流体(DEF)的选择性催化还原(SCR)系统的一部分，并用于控制排气排放。
RDU将还原剂载体(例如含水尿素溶液)输送至发动机排气系统。该溶液转变为氨，其然后在催化环境中与排出的氮氧化物反应，以生成氮和H2O。一种类型的尿素，在商业上被称作AdBlue，具有-11℃的冰点。为了防止冻结状态期间的部件损坏，AdBlue喷射系统通过排放(purging)从喷射器移除流体。本发明改善RDU的排放效率。
在一个实施例中，本发明是一种用于排放喷射器的系统，其包括：具有多个操作模式的泵送机构；与所述泵送机构处于流体连通的喷射器；和作为所述喷射器的一部分的阀部，其中所述阀部具有打开位置和关闭位置。所述泵送机构设置在第一操作模式，以便所述泵送机构将加压流体引导至所述喷射器，并且所述阀部在打开位置与关闭位置之间变化，以向排气流动路径中选择性地分配流体。所述泵送机构还可以设置在第二操作模式，以便所述泵送机构在所述阀部处于关闭位置时生成真空，并且所述泵送机构在阀部处于打开位置时引导流体离开喷射器。
在另一实施例中，本发明的系统包括：用于传输流体的泵送机构；喷射器；作为喷射器的一部分的阀部，其中所述阀部可在打开位置、关闭位置与其间的任何位置之间移动；和排放阀，其与泵送机构和喷射器处于流体连通。所述排放阀设置在第一构造，以便所述排放阀将加压流体从所述泵送机构引导至所述喷射器。所述排放阀设置在第二构造，以便所述泵送机构在所述阀部处于所述关闭位置时生成真空，并且所述排放阀在所述阀部处于所述打开位置时将流体从所述喷射器引导至所述泵送机构。
所述排放阀包括第一部分和连接至第一部分的第二部分。当所述排放阀处于所述第一构造时，所述泵送机构引导流体从所述第一部分穿过所述泵送机构、穿过所述第二部分并到达所述喷射器。当所述排放阀处于所述第二构造时，所述泵送机构引导流体穿过所述第一部分并穿过所述泵送机构离开所述喷射器。
本发明的排放过程包括控制策略，其用以改善排放循环的质量(即，增加从RDU排出的流体量)。调节排放事件的序列，以便在流体供应线路和喷射器中生成强大的真空--这通过增加穿过喷射器的初始流量而增强排放的效率。然而，在打开喷射器时，流体路径内的压力增加至稍低于喷射器外的环境压力的水平，因此气体流量被大幅降低。
本发明的排放过程包括排放事件期间的多个真空生成序列。最初，泵送机构和排放控制阀被激活(或在替代实施例中，泵送机构以“逆向”模式被激活)，并且喷射器的阀部保持关闭。在达到预定时间之后，或者如果取得了预定的真空水平，则打开喷射器的阀部。喷射器的阀部保持打开达预定时间，或者直到压力上升至预定水平。
然后可以根据需要重复该循环多次。因此本发明的一个目的是使从喷射器排出的流体体积最大化。本发明的另一目的是提供附加的密封屏障来降低现有密封元件的密封负荷。本发明的另一目的是增加以下过程的时间量：气体流量高，并且有效地用于清扫喷射器，原因是所生成的真空水平高。本发明的又一目的是允许被捕获在离轴空间(比如由喷射器杯和主气流界定出的空间)中的流体流动返回到主气流中--这容许下一波高强度气体流移除该流体，其先前被捕获在喷射器的难以接近的空间中。
从以下提供的详细描述中，本发明的适用性的再一些领域将变得清楚明了。应该明白的是，详细描述和具体示例，在指示本发明的优选实施例的同时，旨在只用于说明的目的而并非旨在限制本发明的范围。
附图说明
从详细描述和附图中，本发明将被更全面地理解，所述附图中：
图1是根据本发明实施例的用作排放程序的一部分的还原剂输送单元的截面侧视图；
图2是根据本发明实施例的连接至用作排放程序的一部分的排气套筒的还原剂输送单元的截面侧视图；
图3是根据本发明实施例的包含排放程序的系统的示意图；并且
图4是示出了根据本发明实施例的排放程序的示意图。
具体实施方式
对优选实施例的以下描述在本质上仅仅是示例性的，并且绝不旨在限制本发明、其应用或者用途。
在图中总体上以10示出了还原剂输送单元(RDU)，其具有阀部，所述阀部在排放事件期间包含多个真空生成序列。RDU 10包括电磁阀流体喷射器，总体上以12示出，其在投配应用中提供流体的定量供应功能并且向交通工具的排气路径中提供流体的喷雾准备。因此，流体喷射器12被构造和配置成在选择性催化还原(SCR)催化转化器的上游与排气流动路径相关联。流体喷射器12优选是被电动操作的电磁阀燃料喷射器。因此，喷射器12具有线圈14和可移动的电枢16。
流体喷射器12设置在内部载体18中。通过将本体24的凸缘22的凸舌折叠到载体18和屏蔽物20的搁板之上，来将喷射器屏蔽物20联接至载体18。因此，屏蔽物20相对于喷射器12固定。总体上以26示出的入口杯结构包括杯28和与杯28一体化的入口管32。杯结构26与喷射器12的入口30流体连通。入口管32与尿素溶液的来源连通，所述尿素溶液被供给至喷射器12，以从喷射器12的喷射器出口34喷出。喷射器出口34与喷射器凸缘38的凸缘出口36流体地连接，所述喷射器凸缘38直接与本体24的端部40联接。喷射器12还包括阀部，其具有密封构件42和阀座44。当线圈14被通电时，电枢16的密封构件42升离阀座44，将阀部移动至打开位置，从而容许尿素溶液穿过喷射器出口34至凸缘出口36。当线圈14被断电时，弹簧46将电枢16的密封构件42偏置为与阀座44密封接合，从而使阀部返回关闭位置。
喷射器凸缘38包括内表面结构，总体上以48示出，其限定出凸缘出口36，其将流体输送到排气流动路径的排气套筒50中。因此，如图2中所示，凸缘38联接至排气套筒50的端部52，且凸缘出口36与套筒50的孔54连通。孔54与排气流动路径56连通。凸缘38提供载置喷射器12的机械支承件，使得尖端相对于热排气设置在远程位置。
内表面结构48还包括锥形表面58，其与至少一个径向表面60结合。在该实施例中，锥形表面58限定出凸缘38的开放端部，并与径向表面60结合，其中径向表面60直接与凸缘38的垫圈搁板表面62结合。因此，锥形表面58在径向表面60的下游。垫圈搁板表面62设置成大体相对于喷射器12的纵向轴线C垂直。垫圈64座置在垫圈搁板表面62上，以相对于载体18密封凸缘38。
被包含到SCR系统中的RDU 10的示意图在图3中示出。该系统包括泵70，其具有与电磁控制阀处于流体连通的泵送机构72，所述电磁控制阀总体上以74示出，其在该实施例中为排放阀。排放阀74具有两个部分，即第一部分74A和第二部分74B。阀74通过使用第一导管78和第二导管80与尿素罐76流体连通。第三导管82也在排放阀74、第四导管84与压力传感器86之间提供流体连通。第四导管84也与排放阀74和RDU 10处于流体连通。RDU 10与排气流动路径88处于流体连通，并且RDU 10的操作由喷射器驱动器90控制。
现在参考图3和4，SCR系统的排放操作的循环的操作涉及数个步骤。排放阀74能以数种方式配置。排放阀74的第一构造在图3中示出，其中第一部分74A提供第一导管78与泵送机构72之间的流体连通，并且第二部分74B提供第四导管84与泵送机构72之间的流体连通。当排放阀74处于第一构造时，泵送机构72将来自尿素罐76的流体泵送穿过第一导管78并穿过排放阀74的第一部分74A，使得流体流动穿过泵送机构72、穿过排放阀74的第二部分74B、穿过第四导管84、并到达RDU 10，其中喷射器12控制分配到排气流动路径88中的流体量。
排放阀74还包括第二构造，其在排放过程的循环期间使用。该循环的第一步骤在图4中总体上以96示出，其中泵送机构72正在操作，并且排放阀74被改变为第二构造。当排放阀74处于第二构造时，第一部分74A提供第三导管82与泵送机构72之间的流体连通，并且第二部分74B提供第二导管80与泵送机构72之间的流体连通。当泵送机构72正在操作时，从第三导管82以及第四导管84的处于第三导管82下游及喷射器12上游的部分84A将流体吸至泵送机构72，从而在阀部处于关闭位置时在第三导管82和第四导管84的部分84A中生成真空。在排放阀74的第二构造中，泵送机构72将从第三导管82和第四导管84的所述部分84A吸来的任何流体泵送穿过排放阀74的第一部分74A、穿过泵送机构72、穿过排放阀74的第二部分74B、并进入第二导管80中。当阀部在图4中总体上以98示出的循环的第二步骤期间改变为打开位置时，在第三导管82和第四导管84中生成的真空生成吸力，并使流体被吸出喷射器12。
在第一步骤96和第二步骤98期间，泵送机构72正在操作，并且排放阀74处于第二构造。当排放阀74改变为第二构造以生成真空时，喷射器12的阀部保持在关闭位置。如果喷射器12的阀部随排放阀74改变为第二构造而同时打开，则不生成真空。
再次参考图1-2，在RDU 10的操作期间，流体主要聚集在总体上以92示出的上腔体中，并围绕上密封件94。一旦阀部在真空生成之后打开，则穿过喷射器12进入第四导管84中的空气流将流体的至少一部分朝排放阀74吸入第四导管84中。在阀部移动至打开位置并且空气流从喷射器12进入第四导管84中之后，真空压力降低，直到最终空气流稳定并且真空变成最小或不存在。
如果希望重复该循环，则使阀部返回关闭位置以生成真空，然后将阀部改变为打开位置，以吸引更多流体离开喷射器12。虽然在图4中示出了两个循环，但是该循环的步骤96、98可以根据需要重复多次，以继续从喷射器12移除流体。
本发明的替代实施例也是可能的。在一个替代实施例中，不使用电磁排放阀74，并且泵送机构72是直接与第一导管78和第四导管84流体连通。在该实施例中，不存在第二导管80或第三导管82，并且压力传感器86只与第四导管84流体连通。
在该实施例中，泵送机构72具有多个操作模式。在一个操作模式中，泵送机构72以正向模式进行操作，并且流体从尿素罐76中被吸出穿过第一导管78，并被泵送穿过泵送机构72，使得流动到第四导管84中的流体被加压。第四导管84中的流体的压力由压力传感器86示出。第四导管84中的流体流动到RDU 10中，并且喷射器12控制被分配到排气流动路径88中的加压流体量。
泵送机构72还具有在排放过程期间使用的另一操作模式，其中泵送机构72以逆向模式操作，并且流体被吸出第四导管84，并被泵送机构72迫使进入第一导管78中。当喷射器12的阀部关闭时，泵送机构72以逆向模式进行操作，在第四导管84和RDU 10中生成真空，使得当喷射器12的阀部打开时，保留在上腔体92中的流体从喷射器12被空气流引出到第四导管84中。
本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，因此不背离本发明的要旨的变化旨在处于本发明的范围内。这种变化不应看作背离本发明的精神和范围。

Claims (17)

1. 一种设备，包括：
用于排放喷射器的系统，其包括：
　具有多个操作模式的泵送机构；
　与所述泵送机构处于流体连通的喷射器；和
　作为所述喷射器的一部分的阀部，所述阀部具有打开位置和关闭位置；
　其中，所述泵送机构设置在第一操作模式，以便所述泵送机构将加压流体引导至所述喷射器，并且所述泵送机构设置在第二操作模式，以便所述泵送机构在所述阀部处于所述关闭位置时生成真空，并且所述泵送机构在所述阀部处于所述打开位置时引导流体离开所述喷射器。
2. 如权利要求1所述的设备，进一步包括：
排气流动路径；
其中，所述阀部选择性地在所述打开位置与所述关闭位置之间变化，以在所述泵送机构处于所述第一操作模式时，将流体选择性地引导到所述排气流动路径中。
3. 如权利要求1所述的设备，进一步包括：
尿素罐；
其中，所述流体是存储在所述尿素罐中的尿素，并且当所述泵送机构处于所述第一操作模式时，所述泵送机构从所述尿素罐吸出流体，并将所述流体引导至所述喷射器。
4. 如权利要求1所述的设备，其中，在所述阀部设置在所述打开位置达预定时间量之后，将所述阀部设置回到所述关闭位置，以在所述泵送机构处于第二操作模式时重新生成真空。
5. 如权利要求1所述的设备，其中，在所述阀部设置在所述打开位置并且取得预定压力水平之后，将所述阀部设置回到所述关闭位置，以在所述泵送机构处于第二操作模式时重新生成真空。
6. 一种用于排放喷射器的程序，包括：
用于传输流体的泵送机构；
喷射器；
作为所述喷射器的一部分的阀部，所述阀部能在打开位置、关闭位置以及其间的任何位置之间移动；
与所述泵送机构和所述喷射器处于流体连通的排放阀；
其中，所述排放阀设置在第一构造，以便所述排放阀将加压流体从所述泵送机构引导至所述喷射器，并且所述排放阀设置在第二构造，以便所述泵送机构在所述阀部处于所述关闭位置时生成真空，并且所述排放阀在所述阀部处于所述打开位置时将流体从所述喷射器引导至所述泵送机构。
7. 如权利要求6所述的用于排放喷射器的程序，所述排放阀进一步包括：
第一部分；和
连接至所述第一部分的第二部分；
其中，当所述排放阀处于所述第一构造时，所述泵送机构引导流体从所述第一部分穿过所述泵送机构、穿过所述第二部分并到达所述喷射器，并且当所述排放阀处于所述第二构造时，所述泵送机构引导流体穿过所述第一部分并穿过所述泵送机构离开所述喷射器。
8. 如权利要求7所述的用于排放喷射器的程序，进一步包括：
第一导管，其与所述排放阀的第一部分选择性地处于流体连通；
第二导管，其与所述排放阀的第二部分选择性地处于流体连通；
第三导管，其与所述第四导管处于流体连通，并且与所述排放阀的第一部分选择性地处于流体连通；和
第四导管，其与所述喷射器处于流体连通，并且与所述排放阀的第二部分选择性地处于流体连通；
其中，当所述排放阀处于所述第一构造时，所述排放阀的第一部分将所述第一导管设置成与所述泵送机构处于流体连通，并且所述排放阀的第二部分将所述第四导管设置成与所述泵送机构处于流体连通，而当所述排放阀处于所述第二构造时，所述排放阀的第一部分将所述第三导管设置成与所述泵送机构处于流体连通，并且所述排放阀的第二部分将所述第二导管设置成与所述泵送机构处于流体连通。
9. 如权利要求6所述的用于排放喷射器的程序，其中，在所述阀部设置在所述打开位置达预定时间量之后，将所述阀部设置回到所述关闭位置，以重新生成真空。
10. 如权利要求6所述的用于排放喷射器的程序，其中，在所述阀部设置在所述打开位置并且取得预定压力水平之后，将所述阀部设置回到所述关闭位置，以重新生成真空。
11. 一种用于排放喷射器的方法，包括以下步骤：
提供泵送机构；
提供喷射器；
提供阀部，其是所述喷射器的一部分；以及
提供电磁控制阀，其与所述泵送机构和所述喷射器处于流体连通；
将所述电磁控制阀设置在第一构造，以便所述排放阀将加压流体从所述泵送机构引导至所述喷射器，并选择性地打开所述阀部，以将所述流体喷射到排气路径中；以及
将所述电磁控制阀设置在第二构造，以便所述泵送机构在所述阀部处于关闭位置时生成真空，当所述阀部处于打开位置时，由所述真空生成的吸力使所述排放阀将流体从所述喷射器引导至所述泵送机构，并吸引流体离开所述喷射器。
12. 如权利要求11所述的用于排放喷射器的方法，进一步包括以下步骤：
提供作为所述电磁控制阀的一部分的第一部分，所述第一部分与所述泵送机构处于流体连通；以及
提供作为所述电磁控制阀的一部分并连接至所述第一部分的第二部分，所述第二部分与所述泵送机构处于流体连通；
当所述电磁控制阀处于所述第一构造时，引导流体从所述第一部分穿过所述泵送机构、穿过所述第二部分并到达所述喷射器；
当所述电磁控制阀处于所述第二构造时，引导流体穿过所述第一部分并穿过所述泵送机构离开所述喷射器。
13. 如权利要求12所述的用于排放喷射器的方法，进一步包括以下步骤：
提供第一导管，其与所述排放阀的第一部分选择性地处于流体连通；
提供第二导管，其与所述排放阀的第二部分选择性地处于流体连通；
提供第三导管，其与所述第四导管处于流体连通，并且与所述排放阀的第一部分选择性地处于流体连通；以及
提供第四导管，其与所述喷射器处于流体连通，并且与所述排放阀的第二部分选择性地处于流体连通；
将所述电磁控制阀设置在所述第一构造，以便所述排放阀的第一部分将所述第一导管设置成与所述泵送机构处于流体连通，并且所述排放阀的第二部分将所述第四导管设置成与所述泵送机构处于流体连通；
将所述电磁阀设置在所述第二构造，以便所述排放阀的第一部分将所述第三导管设置成与所述泵送机构处于流体连通，并且所述排放阀的第二部分将所述第二导管设置成与所述泵送机构处于流体连通。
14. 如权利要求13所述的用于排放喷射器的方法，进一步包括以下步骤：
提供尿素罐，其与所述第一导管和所述第二导管处于流体连通；
当所述电磁控制阀处于所述第一构造时，使流体传输穿过所述第一导管进入所述电磁控制阀的第一部分中；
当所述电磁控制阀处于所述第二构造时，使流体从所述泵送机构传输穿过所述电磁控制阀的第二部分、穿过所述第二导管并进入所述尿素罐中。
15. 如权利要求11所述的用于排放喷射器的方法，进一步包括以下步骤：当所述电磁控制阀处于所述第二构造时，间歇地打开和关闭所述阀部，以重复地生成真空从而生成吸力来从所述喷射器移除过多的流体。
16. 如权利要求11所述的用于排放喷射器的方法，进一步包括以下步骤：在所述阀部设置在打开位置达预定时间量之后，将所述阀部设置在关闭位置，以重新生成真空。
17. 如权利要求11所述的用于排放喷射器的方法，进一步包括以下步骤：在所述阀部设置在打开位置并且取得了预定压力水平之后，将所述阀设置在关闭位置，以重新生成真空。
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