CN109488420A - 柴油机排气处理液系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于还原剂输送系统的热传递系统，包括还原剂储罐，该储罐包括限定内罐腔的壳和设置在内罐腔中的泵组件。散热器设置在壳的外部部分上或与壳的外部部分相邻，并且热导体从散热器延伸穿过壳，终止于与泵组件紧密相邻的位置。热导体用于将热能从与泵组件相邻的位置传递到散热器，从而引起还原剂的加速冻结。

Description

柴油机排气处理液系统
引言
本公开涉及一种具有用于柴油机排气处理液(“还原剂”)的输送系统的车辆，更具体地，涉及一种还原剂供应源和用于在还原剂冻结时释放压力并在车辆操作期间快速解冻液体的系统。
柴油发动机优选用于许多重型车辆应用，例如长途货车运输，举例来说，归因于它们所基于的柴油机循环中固有的性能特征。这种性能是以某些经调节的排气成分增加为代价的。必须控制的一类排气成分是氮氧化物(“NOx”)，并且在汽车应用中这样做的一种方式是通过使用设置在发动机排气系统中的选择性催化还原(“SCR”)装置。典型的SCR装置利用催化剂涂覆的基底，该基底利用还原剂，在其上游位置注入柴油发动机排气中，以减少NOx成分。以已知的方式，还原剂与排气混合并与基底上的催化剂反应。
采用SCR装置的汽车应用可以携带还原剂输送系统，该还原剂输送系统包括还原剂储罐，该还原剂储罐通过供应系统与发动机排气系统液体连接。还原剂储罐和支撑系统的设计中的挑战在于，包含大部分水的液体倾向于在低于-11摄氏度的温度下冻结，这远高于大多数车辆的最低操作温度。还原剂储罐中还原剂的冻结传播可以从罐的外表面向内朝向设置在其中的液体泵组件移动。部分地由液体泵组件的热质量辅助，还原剂的最终液体部分可以位于泵组件的上方或相邻。当最终液体部分冻结时，还原剂经历约10％的膨胀率，导致在泵组件上施加显着的力。可能会造成伤害。希望避免在还原剂泵组件上运用这种冻结力，此外，当还原剂罐冻结后恢复柴油发动机的操作时，加速与泵组件相邻的还原剂液体的解冻。
发明内容
在示例性实施例中，用于还原剂输送系统的热传递系统包括还原剂储罐，该储罐包括限定内罐腔的壳。泵组件设置在内罐腔中，并且散热器设置在壳的外部部分上或与壳的外部部分相邻。热导体从散热器延伸穿过壳，以终止于与泵组件紧密相邻的位置。热导体可操作以将热能从与泵组件相邻的位置传递到散热器，从而引起还原剂的加速冻结。
在热传递系统的一个或多个示例中，散热器固定地附接到罐壳。
在热传递系统的一个或多个示例中，散热器包括车辆结构。
在热传递系统的一个或多个示例中，热导体包括导热杆，该导热杆具有与泵组件相邻定位的第一端和与散热器热连通的第二端。
在热传递系统的一个或多个示例中，导热杆包括热管。
在热传递系统的一个或多个示例中，系统的操作将最终液体部分定位在内罐腔内，以防止在泵组件上施加冻结力。
在热传递系统的一个或多个示例中，热传递系统包括一个以上的热导管。
在热传递系统的一个或多个示例中，该系统包括从还原剂储罐的壳延伸的导管套筒，以终止于与泵组件紧密相邻的位置。轴向延伸的开口延伸导管套筒的长度，并具有液体密封的端部。开口在其中接收导热杆以将第一端定位在与泵组件相邻并且不与还原剂化学连通，并且第二端与散热器热连通。
在热传递系统的一个或多个示例中，套筒的壁具有变化的厚度，以改变沿其长度的热传递到导热杆的速率。
在热传递系统的一个或多个示例中，导管套筒与还原剂储罐的壳是一体的。
在热传递系统的一个或多个示例中，散热器包括支撑泵组件的带凸缘的底座，并且散热器包括泵组件的导热部分。
在热传递系统的一个或多个示例中，泵组件的导热部分包括泵桶。
在热传递系统的一个或多个示例中，热导体可操作以将热能从散热器传递到与泵组件相邻的位置，从而引起还原剂的加速解冻。
在另一个示例性实施例中，内燃发动机的排气处理系统包括排气导管、选择性催化还原(“SCR”)装置和还原剂输送系统。还原剂输送系统包括还原剂储罐、设置在还原剂储罐中的泵组件和热传递系统。热传递系统包括设置在壳的外部部分上或与壳的外部部分相邻的散热器，以及从散热器穿过壳延伸的热导体，以终止于与泵组件紧密相邻的位置。热导体可操作以将热能从与泵组件相邻的位置传递到散热器，从而引起还原剂的加速冻结。
在排气处理系统的一个或多个示例中，热导体包括导热杆，该导热杆具有与泵组件相邻定位的第一端和与散热器热连通的第二端。
在排气处理系统的一个或多个示例中，导热杆是热管。
在排气处理系统的一个或多个示例中，系统的操作将最终液体部分定位在内罐腔内，以防止在泵组件上施加冻结力。
在排气处理系统的一个或多个示例中，热传递系统包括一个以上的热导管。
在排气处理系统的一个或多个示例中，导管套筒从还原剂储罐的壳延伸，以终止于与泵组件紧密相邻的位置，并且轴向延伸的开口延伸导管套筒的长度，并具有液体密封的端部。开口在其中接收导热杆以将第一端定位在与泵组件相邻并且不与还原剂化学连通，并且第二端与散热器热连通。
在排气处理系统的一个或多个示例中，散热器包括支撑泵组件的带凸缘的底座，并且散热器包括泵组件的导热部分。
在排气处理系统的一个或多个示例中，泵组件的导热部分包括泵桶。
在排气处理系统的一个或多个示例中，热导体用于将热能从散热器传递到与泵组件相邻的位置，从而引起还原剂的加速解冻。
通过以下结合附图的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
仅通过举例的方式，在以下详细描述中出现其他特征、优点和细节，参考附图的详细描述为：
图1是结合本公开的特征的用于内燃发动机的排气系统的示意图；
图2A、图2B和图2C是图1的排气系统的还原剂输送系统经历还原剂冻结序列的示意图；
图3是包含热传递系统的还原剂输送系统的示意图；
图4是本公开的热传递系统的部分的示意图；以及
图5是包含热传递系统的还原剂输送系统的示意图或另一个实施方案。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应该理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件或特征。
参见图1，示例性实施例涉及用于减少由内燃发动机12排放的经调节的排气成分的排气处理系统10。本文描述的排气处理系统10可以在各种发动机系统中实施，发动机系统可包括例如柴油发动机系统和汽油发动机系统。
排气处理系统10通常包括排气导管14和一个或多个排气处理装置。排气处理装置可包括但不限于氧化催化剂(“OC”)装置16和选择性催化还原(“SCR”)装置18。SCR装置可包括SCR催化剂19和颗粒过滤器(“PF”)20。如图所示，PF 20可以与SCR催化剂19集成以形成SCR装置。如可以理解的，本公开的排气系统10可以包括一个或多个排气处理装置和/或其他排气处理装置(未示出)的各种组合，并且不限于所示的示例。
可包括若干段的排气导管14将排气22从发动机12输送到排气处理系统10的各种排气处理装置16、18。如可以理解的，OC 16可以是本领域已知的各种流通式氧化催化剂装置之一。在各种实施例中，OC 16可包括流通式金属或陶瓷整料基底26，其包括设置在其上的氧化催化剂化合物。氧化催化剂化合物可以作为涂层涂覆，并且可以含有铂族金属，例如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)或其他合适的氧化催化剂、或其组合。OC装置16可用于处理未燃烧的气态和非挥发性HC和CO，其被氧化形成二氧化碳和水。
SCR装置18可以设置在OC装置16的下游，并且配置成减少排气22中的NOx成分。SCR装置18包括SCR催化剂组分(例如，涂层)并且可以使用还原剂24减少NOx。还原剂24可包括但不限于氨(NH3)和尿素(CO(NH2)2)。SCR催化剂组合物可含有沸石和一种或多种碱金属组分，例如铁(Fe)、钴(Co)、铜(Cu)或钒(V)，其可有效地操作以将排气22中的NOx成分转化为在NH3存在下可接受的副产物(例如，双原子氮(N2)和水(H2O))。SCR装置18使用的还原剂24可以是液体(尿素水溶液)的形式，这将在本文中更详细地讨论。
图1中所示的排气处理系统10还包括还原剂输送系统30，该还原剂输送系统30将还原剂24引入排气22。还原剂输送系统30包括还原剂供应源32、喷射器34和控制模块36。还原剂供应源32储存还原剂24，并且与喷射器34液体连通。还原剂24可包括但不限于NH3、尿素和水。根据示例性实施例，图2A-2C示出了还原剂输送系统30的一部分经历还原剂24的冻结序列。还原剂输送系统30包括还原剂储罐38，该还原剂储罐38中设置有泵组件40。还原剂24可以经由图1的供应系统42液体连接到车辆(未示出)的排气系统10。一些还原剂输送系统的挑战发生在-11摄氏度(-11℃)左右，其中还原剂24倾向于冻结。-11℃高于车辆的最低可操作温度。还原剂储罐38中的还原剂24可基于各种因素冻结。例如，泵组件40(作为热质量)可能比周围的还原剂24花费更长的时间来冷却，并且因此可能导致靠近泵组件40的还原剂最后冻结。如图2B所示，还原剂24倾向于从储罐38的外部冻结到其内部。外-内冻结模式可导致最终液体部分44位于泵组件40上方或与泵组件紧密相邻。如图2C所示，当最终液体部分44冻结时，还原剂24可以经历约10％的膨胀率，这可以导致在泵组件40上施加显着的力Fd。
现在参见图3，可以结合还原剂输送系统30的还原剂储罐38使用热传递系统50，以改变所述的还原剂冻结序列，从而将最终液体部分44从与泵组件40相邻的位置重新定位。将最终液体部分44从与泵组件40相邻重新定位将防止在泵上施加力Fd，从而防止在还原剂24冻结期间的损坏。在一个实施例中，还原剂储罐38包括壁54限定的壳52。壳32限定了内罐腔56，泵组件40和还原剂24存储在该内罐腔56中。泵组件40可以以已知的方式通过壁54中的开口(未示出)安装在还原剂储罐32中。在图3所示的实施例中，泵组件40靠近还原剂储罐38的底部58放置。散热器60设置在还原剂储罐38的壳52的外部部分上或与壳52的外部部分相邻。
在所示的实施例中，散热器固定地附接到罐壳52。然而，散热器60可以是能够如此起作用的任何车辆结构(例如车辆框架)。热导管62从散热器60延伸穿过壳52以终止于与泵组件紧密相邻的位置处。热导管可包括热管，该热管配置成从第一端64传递热量(热能)至第二端66和散热器60。热导管62可包括导热杆，例如铝杆，或本领域已知的专用热管。通过将热导管的第一端64定位在内罐腔56的区域70中，还原剂24的最终液体部分44通常在该区域70中冻结，可以从其传递热量以引起还原剂24的加速冻结。这种快速还原剂冻结的结果是将最终液体部分44重新定位到内罐腔56内的力Fd不会影响泵组件40的一个或多个位置。应该清楚的是，可以使用一个以上的热导管62来实现所需的冻结结果，并且图3中示出了一个导管，是为了简化本公开的教导的目的。
现在参见图4，在一个实施例中，可能期望将热导管62与还原剂24的腐蚀作用隔离。在这种情况下，导管套筒72可以从还原剂储罐38的壳52延伸，终止于内罐腔56的区域70中。导管套筒72限定了轴向延伸的开口74，该轴向延伸的开口74沿其长度延伸并在端部76处密封，从而将开口与包含在内罐腔56内的还原剂隔离。开口74在其中接收热导管62，允许第一端64定于区域70中，第二端66与散热器60热连通；避免与还原剂24的化学作用。在一个实施例中，套筒壁78可以具有变化的厚度(A>B)，以改变沿着长度向热导管62的热传递速率。如图4所示，导管套筒72可以与还原剂储罐38的壳52成一体。这样的整体特征可以在罐38的模制期间形成。另外，可以预期导管套筒72可以插入穿过还原剂罐的壁54中的开口(未示出)。在这种情况下，将在开口周围建立液体密封(未示出)。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，尽管到目前为止已经说明了热传递系统50用于从存储在还原剂储罐的内罐腔56中的还原剂24局部去除热能，但是操作可以颠倒，以加速罐中冻结还原剂的熔化。为了使排气处理系统10返回液态，需要加速还原剂熔化。在一个实施例中，如图1和3所示，诸如排气处理系统10的热源可以定位成使得从其辐射的热能被散热器60吸收。当散热器60从排气处理系统10吸收热能(热量)时，它沿着热导管62从第二端66传导到第一端64，在那里热量被排放到还原剂24中，从而加热内罐腔56的区域70中的还原剂。在关闭内燃发动机12时，排气处理系统10将快速冷却，使热循环颠倒并从区域70吸取热能。
现在参见图5，在另一个实施例中，泵组件40可以插入穿过还原剂储罐38的底部58中的罐开口80。在将泵组件40插入罐32中时，泵组件40可以安装在可操作以密封地关闭开口80的带凸缘的底座82上。此外，带凸缘的底座82可包括散热器60'或与散热器60'连通。散热器60'与泵组件的导热部分(例如泵桶84)热连通。泵桶84由导热材料(例如铝)构成，并围绕泵组件40的周边延伸以支撑在内罐腔56内的泵组件。在操作中，热量可以从围绕泵组件40的还原剂24传递到带凸缘的底座82，从而引起泵组件周围的还原剂的加速冻结。这种快速还原剂冻结的结果是将最终液体部分44重新定位到内罐腔56内的一个或多个位置，其中力Fd不会影响泵组件40。如所示，诸如排气处理系统10的热源与带凸缘的底座相邻定位，将具有颠倒热传递系统50的过程的作用，以加速还原剂储罐38中的冻结还原剂24的熔化。为了使排气处理系统10在冷运行条件下完全运行，需要加速还原剂熔化。
尽管已经参考示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所描述的特定实施例，而是包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于还原剂输送系统的热传递系统，包括：
还原剂储罐，其包括限定内罐腔的壳；
泵组件，其设置在所述内罐腔中；
散热器，其设置在所述壳的外部部分上或与所述壳的外部部分相邻；以及
热导体，其从所述散热器延伸穿过所述壳，终止于与所述泵组件相邻的位置，所述热导体可操作以将热能从与所述泵组件相邻的位置传递到所述散热器，从而引起所述还原剂的加速冻结。
2.根据权利要求1所述的热传递系统，所述热导体包括导热杆，所述导热杆具有与所述泵组件相邻定位的第一端和与所述散热器热连通的第二端。
3.根据权利要求2所述的热传递系统，还包括：
导管套筒，其从所述还原剂储罐的所述壳延伸，终止于与所述泵组件紧密相邻的位置；以及
轴向延伸的开口，其延伸所述导管套筒的长度，并具有液体密封的端部；
其中，所述开口在其中容纳所述导热杆，以允许所述第一端与所述还原剂泵相邻定位并且不与所述还原剂化学连通，并且所述第二端与所述散热器热连通。
4.一种内燃发动机的排气处理系统，包括：
排气导管；
选择性催化还原装置；
还原剂输送系统，包括：
还原剂储罐，其包括限定内罐腔的壳；
泵组件，其设置在所述还原剂储罐中；以及
热传递系统，包括：
散热器，其设置在所述壳的外部部分上或与所述壳的外部部分相邻；以及
热导体，其从所述散热器延伸穿过所述壳，终止于与所述泵组件相邻的位置，所述热导体可操作以将热能从与所述泵组件相邻的位置传递到所述散热器，从而引起所述还原剂的加速冻结。
5.根据权利要求4所述的排气处理系统，所述热导体包括导热杆，所述导热杆具有与所述泵组件相邻定位的第一端和与所述散热器热连通的第二端。
6.根据权利要求5所述的排气处理系统，其中所述导热杆是热管。
7.根据权利要求4所述的排气处理系统，其中所述系统的操作将最终液体部分重新定位在所述内罐腔内，以防止在所述泵组件上施加冻结力。
8.根据权利要求4所述的排气处理系统，其中所述热传递系统包括一个以上的热导体。
9.根据权利要求5所述的排气处理系统，还包括：
导管套筒，其从所述还原剂储罐的所述壳延伸，终止于与所述泵组件紧密相邻的位置；以及
轴向延伸的开口，其延伸所述导管套筒的长度，并具有液体密封的端部；
其中，所述开口在其中容纳所述导热杆，以允许所述第一端与所述还原剂泵相邻定位并且不与所述还原剂化学连通，并且所述第二端与所述散热器热连通。
10.根据权利要求4所述的排气处理系统，所述散热器包括支撑所述泵组件的带凸缘的底座，并且所述散热器包括所述泵组件的导热部分。
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