CN204572133U

CN204572133U - 还原剂给料系统

Info

Publication number: CN204572133U
Application number: CN201520198884.6U
Authority: CN
Inventors: K·迪亚; B·E·纳尔逊; B·M·科尔
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2025-04-03
Also published as: US9140166B1; US20150283508A1

Abstract

本实用新型公开了一种用于发动机的还原剂给料系统，包括连接到还原剂泵入口的还原剂流体储存容器；所述还原剂泵具有与储存容器、调压器入口及喷射器入口流体连接的出口；调压器包括还原剂压力控制阀，当还原剂压力控制阀处于打开位置时，所述还原剂压力控制阀将还原剂泵的出口与储存容器流体连接。压缩气体源与供气控制阀流体连接，当供气控制阀处于打开位置时，所述供气控制阀将压缩气体源与储存容器流体连接。供气控制阀还具有关闭位置且通过控制器在打开位置和关闭位置之间切换。本实用新型的还原剂给料系统应用在发动机中，可以阻止或限制还原剂流体在高海拔和/或高温下沸腾或蒸发。

Description

还原剂给料系统

技术领域

本实用新型涉及用于包括还原剂给料系统的内燃机的排气系统。更具体地说，所述还原剂给料系统不易于产生压力脉冲，并可在高海拔及高温下运行而不使还原剂流体明显蒸发或沸腾。

背景技术

内燃机包括本领域中已知的柴油机、汽油机、气体燃料发动机及其它发动机。这些发动机都产生复杂的排放物混合物。这些排放物包括气体化合物，如氮氧化物NO和NO₂或统称NO_x。在大气化学中，术语 NO_x是指NO和NO₂的总浓度。由于环保意识的增强，根据发动机的类型、尺寸和/或种类规定发动机排放到大气中的NO_x。

为了遵守NO_x排放规定，一些发动机制造商实施了一种被称为选择性催化还原（SCR）的策略。SCR是一种排气处理工艺，其中选择性地将还原剂，最常见的为尿素（(NH₂)₂CO）或水/尿素溶液，注入发动机的排气流中并且使其吸附在下游基质上。所吸附的尿素分解为氨气（NH₃），氨气与排气中的NO_x反应形成水（H₂O）和双原子氮气（N₂）。

还原剂给料系统可用于将还原剂（例如尿素）引入排气流中。在一个实例中，尿素水溶液可储存在罐中。尿素水溶液或还原剂流体可被称为DEF（柴油机排气处理液），并可由约32.5 wt%的尿素和约67.5 wt%的水组成。

当动力系统或发动机运行并产生排气时，从罐中泵出DEF并通过喷射器将其间歇地喷射到排气流中。一些还原剂给料系统通过在监测DEF压力的同时改变泵速来控制DEF压力。然而，这种还原剂给料系统可产生压力脉冲，此无法通过更改泵速进行精确控制。此外，结合在高海拔（低环境压力）处和/或在高温下的运行，泵吸管中的压降可导致DEF的明显蒸发或沸腾。DEF的蒸发或沸腾可导致蒸汽和流体的混合物进入泵，从而妨碍将DEF精确给料到排气流中。

CN101818675通过完全取消泵以及加压DEF罐避免了对更改泵速的依赖。虽然这种无泵系统适用于具有柴油机的客运车辆，但是在没有泵的情况下，仅依靠加压DEF罐可能不适合大型柴油动力系统，如卡车、发电机、建筑设备、采矿设备等的柴油动力系统。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于发动机的还原剂给料系统，可以阻止或限制还原剂流体在高海拔和/或高温下沸腾或蒸发。

本实用新型提出了一种还原剂给料系统，用于发动机中，所述还原剂给料系统包括容纳还原剂流体的储存容器，所述储存容器与还原剂泵的入口流体连接；还原剂泵具有与储存容器、调压器入口及喷射器入口流体连接的出口；所述调压器包括还原剂压力控制阀，当还原剂压力控制阀处于打开位置时，所述还原剂压力控制阀将还原剂泵的出口与储存容器流体连接；所述还原剂给料系统还包括压缩气体源，所述压缩气体源与供气控制阀流体连接，当供气控制阀处于打开位置时，所述供气控制阀将压缩气体源与储存容器流体连接；所述供气控制阀还具有关闭位置，所述供气控制阀联接到控制器，所述控制器用于控制供气控制阀在所述打开位置和关闭位置之间切换。

优选的，所述还原剂压力控制阀为常闭定向控制阀，当所述还原剂泵的出口压力超过预定值时，所述常闭定向控制阀切换至打开位置。

进一步的，所述还原剂压力控制阀包括与所述储存容器流体连接的出口，所述还原剂泵的出口也与所述还原剂压力控制阀的出口连接；在所述还原剂泵的出口和所述还原剂压力控制阀的出口之间设置有止回阀，阻止流体从所述还原剂压力控制阀的出口流向所述还原剂泵的出口但允许流体从所述还原剂泵的出口流向所述还原剂压力控制阀的出口。

又进一步的，所述控制器与环境空气压力传感器联接，并且当环境空气压力降到低于预定值时，所述控制器将所述供气控制阀切换到所述打开位置。

其中，所述压缩气体源和所述还原剂泵都由发动机驱动。

进一步的，所述还原剂给料系统还包括压力传感器，所述压力传感器与所述还原剂泵的出口流体连接并与所述控制器联接，其中，当所述还原剂泵的出口压力降到低于预定值时，所述控制器打开所述供气控制阀；当所述还原剂泵的出口压力上升到超过预定值时，所述控制器关闭所述供气控制阀。

再进一步的，所述还原剂给料系统还包括流体连接在所述喷射器和排气流之间的输出孔。

优选的，所述的还原剂给料系统还包括空气压力释放阀，所述空气压力释放阀与所述供气控制阀和所述储存容器流体连接并且设置在所述供气控制阀和所述储存容器之间。

更进一步的，所述还原剂压力控制阀包括与所述还原剂泵的出口流体连接的入口和与还原剂回流管流体连接的出口，当所述还原剂压力控制阀处于打开位置时，所述还原剂回流管将所述还原剂压力控制阀与所述储存容器流体连接；其中，所述储存容器与泄压阀流体连接，且所述喷射器为具有打开位置和关闭位置的常闭定向控制阀并包括与所述控制器联接的螺线管，所述控制器用于控制所述常闭定向控制阀在所述打开位置和所述关闭位置间切换。

另一方面，本实用新型还提出了一种动力源，包括连接到排气系统的发动机。排气通过选择性催化还原（SCR）模块。排气还可与设置在SCR模块上游的还原剂给料系统流体连接。还原剂给料系统可包括容纳还原剂流体的储存容器、压缩气体源和还原剂泵。压缩气体源和还原剂泵可耦接到发动机并由发动机驱动。储存容器可与还原剂泵入口流体连接。还原剂泵可具有出口，所述出口可与储存容器、调压器入口及喷射器入口流体连接。调压器可包括还原剂压力控制阀，当还原剂压力控制阀处于打开位置时，所述还原剂压力控制阀将还原剂泵的出口与储存容器流体连接。压缩气体源可与供气控制阀流体连接。当供气控制阀处于打开位置时，所述供气控制阀可将压缩气体源与储存容器流体连接。供气控制阀还可具有关闭位置，且供气控制阀可与控制器联接，所述控制器控制所述供气控制阀在打开位置和关闭位置之间切换。

本实用新型的还原剂给料系统应用在发动机中，可以阻止或限制还原剂流体在高海拔和/或高温下沸腾或蒸发。

结合附图阅读时，根据以下详细说明，其它优点和特征将显而易见。

附图说明

请参考根据附图更详细说明的实施例，以便更完整地理解所公开的方法和装置，其中：

图1是所公开的示例性动力系统的透视图；

图2是图1的动力系统的示意图，其详细说明了所公开的还原剂给料系统。

应了解，附图并不必按比例绘制并且所公开的实施例有时用图解方式和局部视图方式进行说明。在某些情况下，可以忽略对理解所公开的方法和装置不必要的或使其它细节难以理解的细节。当然，应了解，本实用新型不局限于本文所描述的特定实施例。

具体实施方式

图1和图2示出了具有发动机11和还原剂给料系统12的示例性动力系统10。发动机11可为可操作地燃烧燃料并产生机械动力输出和排气流的内燃机。发动机11的排气在释放到大气中时可被引导通过后处理系统13。在一个实例中，后处理系统13可使用还原催化剂，所述还原催化剂配置为在将排气排放到大气中之前在还原剂存在的情况下将排气成分减少到可接受的程度。如图1中标记13所示的这种后处理系统通常称为选择型催化还原（SCR）系统或模块。还原剂给料系统12可配置为提供还原过程所用的准确量的还原剂，所述还原过程发生在SCR模块或后处理系统13中。

可以设想的是，发动机11可与发电机14相关联，所述发电机14将发动机11的机械动力转换为电力。在一个实施例中，发动机11和发电机14可共同形成固定式发电机组。在另一个实施例中，发动机11和发电机14可共同实施为移动式机器（例如机车）的原动机。在另一实施例中，如在车辆应用、泵送应用和船舶应用中，发动机11可不必与发电机14一起使用。如果发动机11是柴油机，那么还原剂流体可为尿素水溶液（例如，32.5 wt%的尿素和67.5 wt%的水）或DEF。在一些应用中，尿素含量可达到40 wt%。

如图2所示，还原剂给料系统12可配置为将还原剂流体喷射到后处理系统13上游的排气15中或以其它方式将还原剂流体推进到后处理系统13上游的排气15中，引发化学还原反应。在温度高于约250℃时，尿素溶液可分解为氨气（NH₃），氨气用于将发动机11排气15中的NO_x （NO 和 NO₂）转化成双原子氮气（N₂）和水（H₂O）。还原剂给料系统12可包括设置在后处理系统13上游或后处理系统13处的还原剂喷射器16、还原剂储存容器17和与发动机11相关联并配置为向还原剂储存容器17提供压缩空气的压缩气体源18。在一些实施例中，柴油机微粒过滤器（DPF）19还可以设置在还原剂喷射器16和后处理系统13两者的上游。还原剂喷射器16可包括常闭定向控制阀24（下文称为“喷射器控制阀”），当在螺线管25处收到来自控制器26的信号时，常闭定向控制阀24可打开。限制器或输出孔30可设置在喷射器控制阀24和后处理模块或后处理系统13之间。

压缩气体源18可为如图2所示的空气压缩机，或压缩气体源18可由涡轮增压器以压缩空气或压缩排气的形式提供。另外，所属领域的技术人员应清楚了解，压缩气体源18可为压缩气体容器，如CO₂或N₂瓶或储存容器或任何其它方便的压缩气体源。

供气控制阀27可设置在压缩气体源18下游。供气控制阀27可为具有螺线管29的常闭双向双位定向控制阀，所述螺线管29联接到控制器26。响应于从控制器26接收到的信号，供气控制阀27使压缩气体源18与还原剂储存容器17连通。空气压力释放阀31可设置在供气控制阀27和还原剂储存容器17之间。空气压力释放阀31可与消音器或空气排放消声器32流体连通。空气过滤器和调压器28组合可以嵌入方式设置在压缩气体源18与供气控制阀27之间。当然，所属领域的技术人员应清楚了解，分离的部件可用于过滤和调压。

可使用三向两位阀（未示出）代替如图2所示的两向两位供气控制阀27，当阀处于非供能位置时，所述阀将还原剂储存容器17与大气连通。处于供能位置时，当大气与还原剂储存容器17的连通被阻隔时，提供压缩气体源18与还原剂储存容器17之间的连通。所属领域的技术人员应清楚了解，使用这种三向两位供气控制阀可不需要空气压力释放阀31。

环境空气压力传感器33可与控制器26联接用于检测环境空气压力，特别是在较高海拔处。压缩气体源18和还原剂泵21可都由如图2所示的发动机11驱动或提供动力。

调压器23还可包括常闭定向还原剂控制阀34，所述还原剂控制阀34提供可变阀芯位置从而允许变速流通过还原剂控制阀34。当还原剂泵21的泵出口35处的压力超过阈值时，导向管路36中的压力将还原剂控制阀34从如图2中所示的关闭位置切换到打开位置（未示出），从而提供泵出口35与还原剂回流管37之间的连通。如图2所示，还原剂回流管37与还原剂储存容器17连通。相反，当泵出口35的流体压力不足以将还原剂控制阀34切换到打开位置时，还原剂控制阀34保持关闭，并且泵出口35与管路38连通，所述管路38通向还原剂喷射器16，更具体地说是喷射器控制阀24。

回到还原剂控制阀34，当还原剂控制阀34打开时，泵出口35除了还原剂回流管37之外还与回流管路39连通。回流管路39与导向管路41连通。如果回流管路39及导向管路41中的压力达到阈值，那么还原剂控制阀34将切换回到如图2所示的关闭位置。这种情况发生在还原剂储存容器17中具有足够压力致使还原剂回流管37和回流管路39中的流体压力足以关闭还原剂控制阀34的时候。相反，当回流管路37、39中的压力不足以关闭还原剂控制阀34时，泵出口35处的压力被传递到导向管路36，以将还原剂控制阀34切换到打开位置。

当还原剂控制阀34处于如图2所示的关闭位置时，管路38中的压力应足以执行喷射动作。还原剂流体从泵出口35流出，通过管路38，越过还原剂流体压力传感器42并且到达还原剂喷射器16的喷射器控制阀24。由于管路38中的压力由还原剂流体压力传感器42测量并被传递到控制器26，因此如果管路38中的压力足以执行喷射动作，那么控制器26向喷射器控制阀24的螺线管25发送信号打开喷射器控制阀24，从而提供管路38与限制器或孔30之间的连通。流体喷射通过孔30并进入到管路43，所述管路43通向后处理系统13，后处理系统13继而与大气44连通。当喷射器控制阀24关闭时，管路38中的流体经由孔50和回流管60回到还原剂储存容器17。

参考图2的下方，在运行过程中，发动机11耦接到进气口45，所述进气口45与大气44连通。来自进气口45的空气与发动机11内的燃料结合并燃烧生成排气15。排气15可在排气流到达后处理系统13以及释放到大气44中之前通过后处理装置，如DPF19。

来自大气44的空气还可通过空气过滤器46被抽到压缩空气源18中。压缩空气源18可由发动机11驱动。压缩空气源18包括压缩机出口47，所述压缩机出口47可与供气控制阀27或空气过滤器和/或调压器（均显示为28）直接连通，空气过滤器和/或调压器两者可设置在压缩机出口47和供气控制阀27之间。压力传感器48可用于感测还原剂储存容器17中的压力，且压力传感器48可与控制器26联接。当还原剂储存容器17中的压力低于期望阈值时，控制器26可向供气控制阀27的螺线管29发送信号，从而将供气控制阀27从如图2所示的关闭位置切换至打开位置（未示出）以使还原剂储存容器17充压。当还原剂储存容器17中的压力达到阈值时，供气控制阀27可切换回其在图2中所示的常闭位置。为了安全地将还原剂再充入还原剂储存容器17，应从还原剂储存容器17释放压力。为达到此目的，可提供泄压阀51，所述泄压阀51可为如图2所示手动式或可由控制器26致动。

当还原剂储存容器17中有充足的还原剂时，还原剂泵21可通过过滤器22及泵出口35从还原剂储存容器17抽取流体。泵出口35可与管路38以及调压器23连通。如果管路38和导向管路36中的压力低于某一阈值，那么还原剂控制阀34可保持在如图2所示的关闭位置，且流体可通过管路38向还原剂喷射器16传递。如果管路38和导向管路36中的还原剂压力上升超过阈值水平，那么导向管路36中的压力可将还原剂控制阀34切换到打开位置，从而使还原剂从泵出口35再循环经过还原剂回流管37并返回到还原剂储存容器17。如果管路38中有足够压力且要求喷射事件，那么当控制器26接收到从还原剂流体压力传感器42读取的压力值时，控制器26可向喷射器控制阀24的螺线管25发送信号，从而将控制器控制阀24切换到打开位置（未示出），使来自管路38的还原剂流经喷射器控制阀24和孔30，并且到达通向后处理系统13的管路43。

回到调压器23，泵出口35可与防回流止回阀52连通。止回阀52可设置在回流管路39中并与导向管路41的孔53相对。当还原剂控制阀34处于如图2所示的关闭位置时，来自泵出口35的流体可流经止回阀52并通过孔53到达与还原剂回流管37连通的回流管路39。止回阀52和孔53用于吹扫还原剂给料系统12。止回阀52阻止管路39或37中的空气通过止回阀返回还原剂泵21，空气反流将无法完成吹扫。

工业实用性

为阻止或限制还原剂流体（或DEF）在高海拔和/或高温下沸腾或蒸发，可将以压缩气体源18和供气控制阀27的形式的压缩气体源连接到还原剂储存容器17。可包括具有或不具有过滤能力的调压器28来控制传送到还原剂储存容器17的空气的压力。还原剂储存容器17中增大的压力使还原剂流体的沸点上升超过预期操作温度。例如当动力系统10从高海拔移动到低海拔时，为安全起见，还可包括空气压力释放阀31来减轻还原剂储存容器17中的压力。可包括手动或自动卸压阀51，这样可安全填充还原剂储存容器17。调压器23确保经过管路38流向还原剂喷射器16的流体具有适合喷射的压力。如果管路38中的压力过高，那么还原剂控制阀34打开并使还原剂流体回到还原剂储存容器17。如果管路38中的压力并不太高，那么还原剂控制阀34保持关闭且还原剂流体被传送到喷射器控制阀24，所述喷射器控制阀24可由控制器26打开以进行喷射。

所公开的将还原剂喷射到发动机排气流的方法可包括提供还原剂流体的还原剂储存容器17。所述方法还包括使用压缩气体源18来加压还原剂储存容器17，所述压缩气体源18通过供气控制阀27与还原剂储存容器17流体连接。所述方法还可包括命令第一给料事件，所述第一给料事件可由控制器26执行。此外，该方法还包括将还原剂流体从还原剂储存容器17泵到具有还原剂泵21的还原剂喷射器16。所述方法还可包括调整从还原剂储存容器17被泵到还原剂喷射器16的还原剂流体的压力，如果从还原剂储存容器17泵到还原剂喷射器16的还原剂流体的压力低于第一预定值，那么所述方法包括打开供气控制阀27。如果从还原剂储存容器17泵到还原剂喷射器16的还原剂流体的压力高于第二预定值，那么所述方法可包括关闭供气控制阀27。最后，所述方法可包括喷射还原剂流体，使其通过还原剂喷射器16并进入到后处理系统13中。

在一个实施例中，所述方法还可包括当传送到还原剂喷射器16的还原剂流体的压力上升超过预定值时，打开还原剂控制阀34，并且使还原剂流体从还原剂泵21再循环回到还原剂储存容器17。

控制器26可与供气控制阀27、喷射器控制阀34、压力传感器48和环境空气压力传感器33连通。导向致动还原剂控制阀34还可由联接到控制器26的电磁阀取代。控制器26可实施为单个或多个微处理器、现场可编程门阵列（FPGAs）和数字信号处理器（DSPs）等，其包括用于响应于从传感器48、33和阀27、24接收到的信号及来自发动机11、后处理系统13和可能的DPF 19的其它信号来控制还原剂给料系统12的运行的装置。许多市售微处理器可配置来执行控制器26的功能。可以设想到，控制器26可容易地实施为与控制其它非排气相关功能的微处理器分离的微处理器，或可以设想到，控制器26可与通用动力系统微控制器集成在一起并且能够控制多个动力系统功能和操作模式。如果与通用动力系统微控制器分离，那么控制器26可通过数据链路或所属领域的技术人员清楚了解的其它方法与通用动力系统微控制器连通。多种其它线路可与控制器26相关联，包括发动机供油线路、信号调节线路、致动器驱动线路（即线路驱动螺线管、马达或压电致动器）和通讯线路。

在至少一个构型中，一个或多个加热器可与还原剂储存容器17相关联以避免还原剂流体凝固。

Claims

1.一种还原剂给料系统，用于发动机中，其特征在于，包括：

储存容器，其容纳还原剂流体；

所述储存容器与还原剂泵的入口流体连接，所述还原剂泵具有与所述储存容器、调压器入口和喷射器入口流体连接的出口；

所述调压器包括还原剂压力控制阀，当所述还原剂压力控制阀处于打开位置时，所述还原剂压力控制阀将所述还原剂泵的出口与所述储存容器流体连接；

所述还原剂给料系统还包括压缩气体源，其与供气控制阀流体连接，当所述供气控制阀处于打开位置时，所述供气控制阀将所述压缩气体源与所述储存容器流体连接，所述供气控制阀还具有关闭位置，所述供气控制阀与控制器联接，所述控制器用于控制所述供气控制阀在所述打开位置和所述关闭位置之间切换。

2.如权利要求1所述的还原剂给料系统，其特征在于，所述还原剂压力控制阀为常闭定向控制阀，当所述还原剂泵的出口压力超过预定值时，所述常闭定向控制阀切换至打开位置。

3.如权利要求1所述的还原剂给料系统，其特征在于，所述还原剂压力控制阀包括与所述储存容器流体连接的出口，所述还原剂泵的出口也与所述还原剂压力控制阀的出口连接；在所述还原剂泵的出口和所述还原剂压力控制阀的出口之间设置有止回阀，阻止流体从所述还原剂压力控制阀的出口流向所述还原剂泵的出口但允许流体从所述还原剂泵的出口流向所述还原剂压力控制阀的出口。

4.如权利要求1所述的还原剂给料系统，其特征在于，所述控制器与环境空气压力传感器联接，并且当环境空气压力降到低于预定值时，所述控制器将所述供气控制阀切换到所述打开位置。

5.如权利要求1所述的还原剂给料系统，其特征在于，所述压缩气体源和所述还原剂泵都由发动机驱动。

6.如权利要求1所述的还原剂给料系统，其特征在于，还包括压力传感器，所述压力传感器与所述还原剂泵的出口流体连接并与所述控制器联接，其中，当所述还原剂泵的出口压力降到低于预定值时，所述控制器打开所述供气控制阀。

7.如权利要求1所述的还原剂给料系统，其特征在于，还包括压力传感器，所述压力传感器与所述还原剂泵的出口流体连接并与所述控制器联接，其中，当所述还原剂泵的出口压力上升到超过预定值时，所述控制器关闭所述供气控制阀。

8.如权利要求1所述的还原剂给料系统，其特征在于，还包括流体连接在所述喷射器和排气流之间的输出孔。

9.如权利要求1所述的还原剂给料系统，其特征在于，还包括空气压力释放阀，所述空气压力释放阀与所述供气控制阀和所述储存容器流体连接并且设置在所述供气控制阀和所述储存容器之间。

10.如权利要求1所述的还原剂给料系统，其特征在于，所述还原剂压力控制阀包括与所述还原剂泵的出口流体连接的入口和与还原剂回流管流体连接的出口，当所述还原剂压力控制阀处于打开位置时，所述还原剂回流管将所述还原剂压力控制阀与所述储存容器流体连接；

其中，所述储存容器与泄压阀流体连接，且

所述喷射器为具有打开位置和关闭位置的常闭定向控制阀并包括与所述控制器联接的螺线管，所述控制器用于控制所述常闭定向控制阀在所述打开位置和所述关闭位置间切换。