DE102007047862A1

DE102007047862A1 - Fluiderwärmungsvorrichtung und Abgasreinigungsgerät

Info

Publication number: DE102007047862A1
Application number: DE102007047862A
Authority: DE
Inventors: Kazunori Kariya Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2008-10-23
Also published as: US20080256937A1; JP2008267682A; FR2915344A1

Abstract

Eine Fluiderwärmungsvorrichtung (10, 10b, 10c) hat einen Erwärmungsabschnitt (115) und viele Wärmeübertragungsbereiche (116). Der Erwärmungsbereich (115) ist in einem Fluid angeordnet, das in einem Behälter gespeichert ist, und er ist in einer axialen Richtung länglich angeordnet, um das Fluid zwischen einem unteren Abschnitt und einem oberen Abschnitt des Behälters zu erwärmen, indem er mit elektrischem Strom versorgt wird. Die Wärmeübertragungsbereiche (116) sind entlang der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts (115) angeordnet. Jeder Wärmeübertragungsbereich (116) hat eine Plattenform, die sich von dem Erwärmungsabschnitt (115) zu einer radialen Außenseite des Erwärmungsabschnitts (115) annähernd senkrecht zu der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts (115) erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluiderwärmungsvorrichtung und auf ein Abgasreinigungsgerät einschließlich der Fluiderwärmungsvorrichtung.
Üblicherweise wird ein Abgasreinigungsgerät unter Verwendung eines Harnstoffreduktionskatalysators wie zum Beispiel ein Harnstoff-SCR-System (selektives katalytisches Reduktionssystem) in geeigneter Weise zum Reduzieren von Stickoxiden (NOx) in dem Abgas von einer Fahrzeugkraftmaschine verwendet. Bei einem Beispiel des herkömmlichen Harnstoff-SCR-Systems 9, wie es in der 9 gezeigt ist, ist ein SCR-Katalysator 620 in einem Abgasrohr 60 angeordnet. Der SCR-Katalysator 620 reduziert Harnstoff wahlweise durch eine Wirkung eines Reduktionsmittels. Ein Einspritzventil 40 ist an einer Einlassseite des SCR-Katalysators 620 angeordnet, um eine wässrige Harnstofflösung 20 aus einem Tank 900 zuzuführen. Die wässrige Harnstofflösung 20, die in das Abgasrohr 60 zugeführt wird, wird thermisch zerlegt und hydrolysiert, und dadurch wird Ammoniak erzeugt. Das erzeugte Ammoniak beseitigt NOx an dem SCR-Katalysator 620.
Die wässrige Harnstofflösung 20 als ein Reduktionsmittel wird in dem Tank 900 gespeichert, und sie wird über einen Zuführungskanal 904 zu dem Einspritzventil 40 zugeführt, nachdem es durch einen Filter (nicht gezeigt) hindurchgetreten ist. Die wässrige Harnstofflösung 20 ist harmlos und im Vergleich mit Ammoniak leicht zu handhaben. Somit kann die wässrige Harnstofflösung 20 in geeigneter Weise für das Harnstoff-SCR-System 9 verwendet werden.
Insbesondere wird hauptsächlich ungefähr 32,5% der wässrigen Harnstofflösung verwendet, da sie den niedrigsten Gefrierpunkt (das heißt ungefähr –11°C) hat.
Wenn jedoch das Harnstoff-SCR-System 9 in einer Umgebung mit äußerst niedriger Temperatur verwendet wird, das heißt ein kalter Bereich oder im tiefen Winter, dann kann sich eine Temperatur der wässrigen Harnstofflösung 20 unter den Gefrierpunkt (ungefähr –11°C) an Abschnitten angrenzend an einem Boden und einer Wand des Tanks 900 verringern. Somit kann die wässrige Harnstofflösung 20 örtlich oder insgesamt in dem Tank 900 gefrieren. Daher ist es erforderlich, das Gefrieren der wässrigen Harnstofflösung 20 bei niedriger Temperatur zu beschränken.
Zum Beispiel kann eine elektrische Heizvorrichtung 910 in dem Tank 900 zum Erwärmen der wässrigen Harnstofflösung 20 angeordnet sein. Jedoch kann die elektrische Heizvorrichtung 910 nur einen Teil der gefrorenen, wässrigen Harnstofflösung 20 schmelzen, die sich an einer Position nahe der elektrischen Heizvorrichtung 910 befindet.
US-2007/0059222 A (entsprechend JP-2005-351253 A ) offenbart ein Abgasreinigungsgerät, bei dem ein Wärmetransfermedium, das durch eine Kraftmaschine erwärmt wird, zirkuliert und Wärme mit einem flüssigen Reduktionsmittel austauscht, das in einem Behälter gespeichert ist, und dadurch wird das Gefrieren des flüssigen Reduktionsmittels beschränkt. Wenn ein Fahrzeug stabil fährt, ist die Wärme von der Kraftmaschine zum Beschränken des Gefrierens des flüssigen Reduktionsmittels ausreichend. Direkt nach einem Start der Kraftmaschine ist jedoch eine Temperatur der Kraftmaschine als eine Wärmequelle niedrig. Somit ist ebenfalls eine Temperatur eines Kühlmittels wie zum Beispiel das Wärmeübertragungsmedium niedrig und kann keine ausreichende Wärmemenge haben, um das flüssige Reduktionsmittel zu schmelzen.
Alternativ offenbart US-2007/0035832 A (entsprechend JP-2005-282413 A ) ein Abgasreinigungsgerät, das einen Haupttank, der darin eine wässrige Harnstofflösung aufweist, und einen Nebentank hat, der eine kleinere Kapazität als der Haupttank hat, und der in dem Haupttank angeordnet ist. Der Nebentank speichert die wässrige Harnstofflösung, die von dem Haupttank zugeführt wird, und sie schmilzt eine gefrorene, wässrige Harnstofflösung unter Verwendung einer elektrischen Heizvorrichtung. Die gefrorene wässrige Harnstofflösung wird in dem kleinen Nebentank schnell geschmolzen. Jedoch hat das Abgasreinigungsgerät eine komplizierte Struktur. Zusätzlich kann die wässrige Harnstofflösung in dem Nebentank eine unterschiedliche Konzentration zu der Konzentration in dem Haupttank haben, und eine Konzentration der wässrigen Harnstofflösung kann instabil werden, die dem Abgas zugeführt wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluiderwärmungsvorrichtung vorzusehen, die einen hohen thermischen Wirkungsgrad mit einer einfachen Struktur aufweist. Es gehört auch zur Aufgabe der Erfindung, ein Abgasreinigungsgerät zum Reinigen von Abgas von einer Kraftmaschine vorzusehen, das ein Reduktionsmittel zu einem Abgas auch direkt nach einem Start der Kraftmaschine in einer Umgebung mit niedriger Temperatur stabil zuführen kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung hat eine Fluiderwärmungsvorrichtung einen Erwärmungsabschnitt und viele Wärmeübertragungsbereiche. Der Erwärmungsabschnitt ist in einem Fluid angeordnet, das in einem Behälter gespeichert ist, und er ist in einer axialen Richtung länglich ausgebildet, um das Fluid zwischen einem unteren Abschnitt und einem oberen Abschnitt des Behälters zu erwärmen, indem er mit elektrischem Strom versorgt wird. Die Wärmeübertragungsbereiche sind entlang der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts angeordnet. Jeder Wärmeübertragungsbereich hat eine Plattenform, die sich von dem Erwärmungsabschnitt zu einer radialen Außenseite des Erwärmungsabschnitts annähernd senkrecht zu der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts erstreckt.
Wenn der Erwärmungsabschnitt mit elektrischem Strom versorgt wird, wird Wärme von dem Erwärmungsabschnitt zu den Wärmeübertragungsbereichen übertragen. Somit wird das Fluid durch die Wärmeübertragungsbereiche zusätzlich zu dem Erwärmungsabschnitt erwärmt, und dadurch kann ein gefrorenes Fluid in dem Behälter schnell geschmolzen werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung hat eine Fluiderwärmungsvorrichtung einen Erwärmungsabschnitt und einen Wärmeübertragungsbereich. Der Erwärmungsabschnitt ist in einem Fluid angeordnet, das in einem Behälter gespeichert ist, und er ist in einer axialen Richtung länglich ausgebildet, um das Fluid zwischen einem unteren Abschnitt und einem oberen Abschnitt des Behälters zu erwärmen, indem er mit elektrischem Strom versorgt wird. Der Wärmeübertragungsbereich befindet sich an dem Erwärmungsabschnitt, und er hat eine Spiralform, die sich entlang der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts erstreckt.
Wenn der Erwärmungsabschnitt mit elektrischem Strom versorgt wird, wird eine Fluidströmung aufgrund einer Wärmekonvektion erzeugt, und das Fluid strömt spiralförmig entlang der Spiralform des Wärmeübertragungsbereiches. Somit wird das Fluid in dem Behälter gerührt, und ein gefrorenes Fluid wird wirksam geschmolzen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung hat ein Abgasreinigungsgerät einen Reduktionskatalysator, eine Reduktionsmittelzuführungsvorrichtung, einen Tank zum Speichern des Reduktionsmittels darin, einen Zuführungskanal, der die Reduktionsmittelzuführungsvorrichtung mit dem Tank verbindet, und eine der vorstehend beschrieben Fluiderwärmungsvorrichtungen zum Erwärmen des Fluids in dem Tank. Der Reduktionskatalysator ist in dem Abgasrohr angeordnet, und die Reduktionsmittelzuführungsvorrichtung ist so angeordnet, dass sie sich in das Abgasrohr an einer stromaufwärtigen Seite einer Abgasströmung hinsichtlich des Reduktionskatalysators erstreckt, um ein Reduktionsmittel in das Abgasrohr zuzuführen.
Das Abgasreinigungsgerät kann das Reduktionsmittel zu dem Abgas auch direkt nach dem Start der Kraftmaschine in einer Umgebung mit niedriger Temperatur stabil zuführen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in einfacher Weise aus der folgenden, detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Zu den Zeichnungen:
1 zeigt eine ausschnittartige Schnittansicht einer Erwärmungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Abgasreinigungsgeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Zustands einer wässrigen Harnstofflösung in der Erwärmungsvorrichtung, wenn die wässrige Harnstofflösung nahezu gefroren ist;
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Zustands der wässrigen Harnstofflösung in der Erwärmungsvorrichtung, nachdem die gesamte wässrige Harnstofflösung geschmolzen wurde;
5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Zustands der wässrigen Harnstofflösung in einer Erwärmungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
7 zeigt eine Querschnittansicht einer Erwärmungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8A und 8B zeigen schematischen Ansichten einer Erwärmungsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
9 zeigt eine schematische Ansicht eines Abgasreinigungsgerätes gemäß dem Stand der Technik.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 1 wird nun eine Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Erwärmungsvorrichtung 10 wird in geeigneter Weise zum Beispiel zum Erwärmen einer wässrigen Harnstofflösung 20 verwendet. Die Erwärmungsvorrichtung 10 hat einen Tank 100 und eine Wärmeerzeugungsvorrichtung 110. Die Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 hat einen Erwärmungsabschnitt 115 mit einer zylindrischen Form, die mit einem Boden versehen ist, ein Isolierelement 114, das in dem Erwärmungsabschnitt 115 angeordnet ist, ein Wärmeerzeugungselement 111 mit einer Stangenform, das in dem Erwärmungsabschnitt 115 durch das Isolierelement 114 hindurch angeordnet ist, und viele Wärmeübertragungsbereiche 116. Jeder Wärmeübertragungsbereich 116 hat eine Plattenform, die sich von einer Außenumfangsseite des Erwärmungsabschnitts 115 zu einer radialen Außenseite des Erwärmungsabschnitts 115 erstreckt. Eine Länge der Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 ist so festgelegt, dass die Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 die wässrige Harnstofflösung 20 zwischen einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt des Tanks 100 erwärmen kann. Jeder Wärmeübertragungsbereich 116 hat viele Öffnungsabschnitte 117.
Die Wärmeübertragungsbereiche 116 sind Platten, die zum Beispiel in einer axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts 115 in vielen Schichten so angeordnet sind, dass sie parallel zueinander sind. Zum Beispiel kann ein unterer Wärmeübertragungsbereich 116 der Wärmeübertragungsbereiche 116 den größten Außendurchmesser haben. Alternativ kann der untere Wärmeübertragungsbereich 116 der Wärmeübertragungsbereiche 116 die meisten Öffnungsabschnitte 117 aufweisen. Die Anzahlen der Wärmeübertragungsbereiche 116 und der Öffnungsabschnitte 117 sind nicht auf jene beschränkt, die in dem Beispiel der 1 gezeigt sind. Die vielen Wärmeübertragungsbereiche 116 können in der axialen Richtung in gleichen Abständen oder in unterschiedlichen Abständen voneinander getrennt sein.
Das Wärmeerzeugungselement 111 ist in dem Erwärmungsabschnitt 115 durch ein Dichtelement 113 befestigt. Das Wärmeerzeugungselement 111 ist mit einer Steuervorrichtung (ECU) 50 gemäß der 2 durch ein Paar Drahtleitungen 112 verbunden.
An oberen Abschnitten des Tanks 100 sind ein Öffnungsabschnitt 103 und ein Einlassabschnitt 101 vorgesehen. Die Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 ist in dem Tank 100 durch den Öffnungsabschnitt 103 eingefügt und an einer Abdeckung 118 befestigt. Die Abdeckung 118 dichtet den Öffnungsabschnitt 103 durch ein Dichtelement 120 unter Verwendung von Schrauben 119 ab, nachdem die Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 in den Tank 100 eingefügt wurde.
Die wässrige Harnstofflösung 20 wird in den Tank 100 durch den Einlassabschnitt 101 gefüllt. Der Einlassabschnitt 101 ist durch eine Kappe 102 mit einer Entlüftung 121 abgedichtet. Die Entlüftung 121 hat ein Rückschlagventil 122 zum Bereitstellen einer Entlüftung für den Tank 100. An einem unteren Abschnitt des Tanks 100 ist ein erster Zuführungskanal 104 zum Zuführen der wässrigen Harnstofflösung 20 zu einem Einspritzventil 40 angeordnet. Es ist vorzuziehen, dass der erste Zuführungskanal 104 angrenzend an der Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 angeordnet ist.
Der Tank 100, der Erwärmungsabschnitt 115 und die Wärmerübertragungsbereiche 116 können aus einem Material mit einer Korrosionsbeständigkeit hinsichtlich der wässrigen Harnstofflösung bestehen, wie zum Beispiel Edelstahl. Alternativ können die Wärmeübertragungsbereiche 116 aus einer Keramik bestehen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit zusätzlich zu einer Korrosionsbeständigkeit aufweist, wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrit.
Ein Abgasreinigungsgerät gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird nun unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben. Das Abgasreinigungsgerät 1 kann in geeigneter Weise zum Reinigen eines Abgases aus einer Kraftmaschine verwendet werden, wie zum Beispiel eine Mehrzylinder-Kraftmaschine (nicht gezeigt).
Ein Abgas aus der Kraftmaschine tritt durch das Abgasreinigungsgerät 1 hindurch, das an einem Abgasrohr 60 angeordnet ist, und es strömt zu einer Außenseite des Fahrzeugs. Das Abgasreinigungsgerät 1 hat einen ersten Oxidationskatalysator 610, einen Harnstoffreduktionskatalysator (SCR-Katalysator) 620 und einen zweiten Oxidationskatalysator 630, um NOx in dem Abgas zu reinigen. Der erste Oxidationskatalysator 610 der SCR-Katalysator 620 und der zweite Oxidationskatalysator 630 sind in dem Abgasrohr 60 in dieser Reihenfolge von einer stromaufwärtigen Seite einer Gasströmung angeordnet. Der erste Oxidationskatalysator 610 oxidiert Stickstoffmonoxid (NO) in dem Abgas zu Stickstoffdioxid (NO₂), um ein NO₂-Verhältnis in dem NOx zu vermehren und eine Reduktionsreaktion von NOx durch den SCR-Katalysator 620 zu erleichtern. Zusätzlich oxidiert der erste Oxidationskatalysator 610 Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxide (CO). Der SCR-Katalysator 620 und der zweite Oxidationskatalysator 630 können einstückig oder getrennt ausgebildet sein.
Der SCR-Katalysator 620 reduziert und reinigt NOx unter Verwendung eines Reduktionsmittels. Somit ist ein Einspritzventil 40 zum Zuführen des Reduktionsmittels zu dem SCR-Katalysator 620 so angeordnet, dass es sich in das Abgasrohr 60 an einer Position zwischen dem ersten Oxidationskatalysator 610 und dem SCR-Katalysator 620 erstreckt.
Bei dem Abgasreinigungsgerät 1 wird Harnstoff als ein Vorläufer von Ammoniak als das Reduktionsmittel verwendet. Somit wird die wässrige Harnstofflösung 20, die im Vergleich mit Harnstoff leicht zu handhaben ist, in das Abgasrohr 60 aus dem Einspritzventil 40 zugeführt. Der zweite Oxidationskatalysator 630 oxidiert und reinigt Ammoniak, das aus dem Harnstoff erzeugt wird und durch den SCR-Katalysator 620 hindurchtritt, ohne dass es mit NOx reagiert, und dadurch wird kein Ammoniak zur Außenseite des Fahrzeugs ausgelassen.
Die wässrige Harnstofflösung 20, die dem Einspritzventil 40 zuzuführen ist, ist in dem Tank 100 gespeichert. Der Tank 100 und das Einspritzventil 40 sind durch den ersten Zuführungskanal 104, eine Pumpe 30 und einen zweiten Zuführungskanal 106 verbunden. Die wässrige Harnstofflösung 20 wird aus dem Tank 100 durch einen Betrieb der Pumpe 30 eingezogen, die an einer stromabwärtigen Seite einer Strömung der wässrigen Harnstofflösung 20 angeordnet ist, und sie wird zu dem Einspritzventil 40 durch einen Filter (nicht gezeigt) zugeführt, der an dem zweiten Zuführungskanal 106 angeordnet ist.
An einem oberen Abschnitt des Tanks 100 ist ein erster Rückführungskanal 105 angeschlossen. Wenn ein Zuführungsdruck des Einspritzventils 40 größer ist als ein vorbestimmter Druck, wird das Einspritzventil 40 geöffnet, und eine überschüssige wässrige Harnstofflösung 20 strömt in den Tank 100 durch einen zweiten Rückführungskanal 107 und den ersten Rückführungskanal 105 zurück. Das Einspritzventil 40 kann zum Beispiel eine luftunterstützte Ventilstruktur haben. Wenn das Einspritzventil 40 die luftunterstützte Ventilstruktur hat, wird das Einspritzventil 40 mit dem zweiten Zuführungskanal 106 und einem Luftzuführungskanal (nicht gezeigt) verbunden. Das Einspritzventil 40 wird mit Luft von dem Luftzuführungskanal versorgt und ein Düsenabschnitt an einem Ende des Einspritzventils 40 wird geöffnet oder geschlossen, um die wässrige Harnstofflösung 20 in das Abgasrohr 60 zuzuführen.
Wie dies in der 2 gezeigt ist, ist das Einspritzventil 40 so angeordnet, dass es hinsichtlich des Abgasrohrs 60 geneigt ist. Somit ist eine Einspritzrichtung des Düsenabschnitts, der sich in das Abgasrohr 60 erstreckt, ungefähr parallel zu einer Richtung der Gasströmung, so dass die wässrige Harnstofflösung 20 der gesamten Oberfläche des SCR-Katalysators 620 an einer Einlassseite zugeführt werden kann. Die eingespritzte wässrige Harnstofflösung 20 wird thermisch zerlegt und durch Wärme des Abgases hydrolysiert, und dadurch wird Ammoniak erzeugt, wie dies in den Formeln (1) und (2) gezeigt ist. (NH2)2 CO + H2O → NH3 + NHCO (1) NHCO + H2O → NH3 + CO2 (2)
Das erzeugte Ammoniak dient als das Reduktionsmittel für NOx an dem SCR-Katalysator 620 und es fördert eine Reduktionsreaktion, die in der Formel (3) gezeigt ist. NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O (3)
Ammoniak, das durch den SCR-Katalysator 620 hindurchtritt, ohne dass es mit dem NOx reagiert, wird an dem zweiten Oxidationskatalysator 630 beseitigt, wie dies in der Formel (4) gezeigt ist. 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O (4)
Der Tank 100 ist ein geschlossener Behälter mit einer vorbestimmten Kapazität, und er hat darin die wässrige Harnstofflösung 20 als ein Vorläufer von Ammoniak. Als die wässrige Harnstofflösung 20 wird im Allgemeinen eine 32,5% wässrige Harnstofflösung verwendet, die den kleinsten Gefrierpunkt hat (ungefähr –11°C). Wenn das Abgasreinigungsgerät 1 in einer Umgebung mit einer äußerst niedrigen Temperatur verwendet wird, zum Beispiel in einem kalten Bereich, dann kann sich eine Temperatur der wässrigen Harnstofflösung 20 unter den Gefrierpunkt verringern, und ein Teil der wässrigen Harnstofflösung 20 kann gefrieren. Dadurch kann eine Konzentration der wässrigen Harnstofflösung 20 instabil werden, die dem Einspritzventil 40 zuzuführen ist. In der Umgebung mit der niedrigen Temperatur wird eine Temperatur der wässrigen Harnstofflösung 20 von Abschnitten angrenzend an einer Bodenflächen und einer Wandfläche des Tanks 100 verringert, die einer Außenluft ausgesetzt sind, und fester Harnstoff kann aufgrund des Gefrierens oder einer ungleichmäßigen Temperatur erzeugt werden. In diesem Fall kann eine Konzentration einer nicht gefrorenen, wässrigen Harnstofflösung 20, die aus dem Tank 100 eingezogen wird, größer sein als eine vorbestimmte Konzentration. Wenn im Gegensatz dazu die gesamte wässrige Harnstofflösung 20 geschmolzen ist, kann die Konzentration niedriger als die vorbestimmte Konzentration sein.
Somit wird die Erwärmungsvorrichtung 10 zum Erwärmen der wässrigen Harnstofflösung 20 in dem Tank 100 vorgesehen. Die Steuervorrichtung 50 steuert den elektrischen Strom, der der Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 zuzuführen ist, und zwar auf der Grundlage von überwachten Gefrierinformationen der wässrigen Harnstofflösung 20, so dass die wässrige Harnstofflösung 20 in dem Tank 100 nicht gefriert. Als eine Leistungsquelle der Erwärmungsvorrichtung 10 kann eine Fahrzeugbatterie (nicht gezeigt) oder ein Wechselrichter (nicht gezeigt) verwendet werden.
Zum Beispiel kann eine Gefrierüberwachungsvorrichtung zum Überwachen eines Gefrierzustands der wässrigen Harnstofflösung 20 eine Temperaturerfassungsvorrichtung (nicht gezeigt) zum Erfassen der Temperatur der wässrigen Harnstofflösung 20 an einem unteren Abschnitt des Tanks 100 sein, und die erfasste Temperatur kann zu der Steuervorrichtung 50 abgegeben werden. Alternativ kann die Gefrierüberwachungsvorrichtung eine andere Temperaturerfassungsvorrichtung (nicht gezeigt) zum Erfassen einer Temperatur der Außenluft sein, und die erfasste Temperatur kann zu der Steuervorrichtung 50 abgegeben werden.
Die Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 wird mit einem elektrischen Strom zum Erwärmen der wässrigen Harnstofflösung 20 in dem Tank 100 versorgt, wenn die Steuervorrichtung 50 bestimmt, dass die wässrige Harnstofflösung 20 möglicherweise gefriert und ein Betrieb der Erwärmungsvorrichtung 100 erforderlich ist, und zwar auf der Grundlage der erfassten Temperatur der wässrigen Harnstofflösung 20 oder der Außenluft.
Wie dies in der 3 gezeigt ist, wird eine gefrorene, wässrige Harnstofflösung 21 weitgehend durch Aufnehmen von Wärme von einer Oberfläche des Erwärmungsabschnitts 115 und von Oberflächen der Wärmeübertragungsbereiche 116 geschmolzen, die sich von dem Erwärmungsabschnitt 115 radial nach außen erstrecken, wenn die wässrige Harnstofflösung 20 in dem Tank 100 nahezu gefriert und die Wärmeerzeugungsvorrichtung 100 dann mit einem elektrischen Strom versorgt wird. Zusätzlich ist das Maß des unteren Wärmeübertragungsbereiches 116 von den Wärmeübertragungsbereichen 116 größer als das Maß des oberen Wärmeübertragungsbereiches 116 der Wärmeübertragungsbereiche 116 in der radialen Richtung. Wenn die wässrige Harnstofflösung 20, die durch den unteren Wärmeübertragungsbereich 116 von den Wärmeübertragungsbereichen 116 erwärmt wird, der nach oben konvektiert, wird die wässrige Harnstofflösung 20 nicht durch den oberen Wärmeübertragungsbereich 116 der Wärmeübertragungsbereiche 116 unterbrochen. Somit wird die wässrige Harnstofflösung 20 aufgrund einer Wärmekonvektion von dem unteren Abschnitt zu dem oberen Abschnitt des Erwärmungsabschnitts 115 gerührt, und eine Ungleichmäßigkeit der Temperatur und der Konzentration der wässrigen Harnstofflösung 20 kann reduziert werden. Infolgedessen wird die wässrige Harnstofflösung 20 in einfacher Weise geschmolzen, und deren erneutes Gefrieren wird beschränkt.
Zusätzlich hat jeder Wärmeübertragungsbereich 116 die vielen Durchgangslöcher 117. Somit ist ein Flächeninhalt des Wärmeübertragungsbereiches 116 vergrößert und eine Schmelzrate der wässrigen Harnstofflösung 20 ist weiter erhöht. Zusätzlich tritt die wässrige Harnstofflösung 20 durch die Durchgangslöcher 117 hindurch, und dadurch konvektiert die wässrige Harnstofflösung 20 schnell, und eine Schmelzrate der wässrigen Harnstofflösung 20 ist weiter erhöht. Da darüber hinaus der erste Zuführungskanal 104 direkt unter der Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 vorgesehen ist, kann die wässrige Harnstofflösung 20 auch direkt nach dem Start der Kraftmaschine zugeführt werden. Wenn die gesamte wässrige Harnstofflösung 20 in dem Tank 100 geschmolzen ist, wie dies in der 4 gezeigt ist, wird eine Strömung der wässrigen Harnstofflösung 20 durch die Wärmekonvektion erzeugt. Somit wird die Ungleichmäßigkeit der Temperatur und der Konzentration der wässrigen Harnstofflösung 20 weiter reduziert, und das Gefrieren der wässrigen Harnstofflösung 20 wird beschränkt.
Der Tank 100 kann durch ein thermisches Isolationselement (nicht gezeigt) so abgedeckt werden, dass eine Verringerung der Temperatur in dem Tank 100 beschränkt wird.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Bei der Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 gemäß der 1 sind die vielen Wärmeübertragungsbereiche 116, die sich von dem Erwärmungsabschnitt 115 zu der radialen Außenseite des Erwärmungsabschnitts 115 erstrecken, so angeordnet, dass sie entlang der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts 115 parallel zueinander sind. Alternativ können die vielen Wärmeübertragungsbereiche 116 so angeordnet sein, dass sie ohne eine Beschränkung der Form angeschlossen sind, wie dies bei dem Beispiel in der 1 gezeigt ist.
Bei einer Wärmeerzeugungsvorrichtung 110a eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wie es in der 5 gezeigt ist, hat ein Wärmeübertragungsbereich 116a eine einzige Spiralplattenform, die sich an dem Erwärmungsabschnitt 115 befindet und sich entlang der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts 115 erstreckt.
Der Wärmeübertragungsbereich 116a erstreckt sich kontinuierlich mit einer Spiralform, so dass er einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt in der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts 115 hat. Der obere Abschnitt des Wärmeübertragungsbereichs 116a kann ein Maß aufweisen, das kleiner ist als ein Maß des unteren Abschnitts in der radialen Richtung des Erwärmungsabschnitts 115. Der Wärmeübertragungsbereich 116a kann viele Durchgangslöcher 117 aufweisen.
Wie dies in der 6 gezeigt ist, hat eine Erwärmungsvorrichtung 10a gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Wärmeerzeugungsvorrichtung 110a anstelle der Wärmeerzeugungsvorrichtung 110 gemäß der 1. Wenn die Erwärmungsvorrichtung 10a in Betrieb ist, wird die Strömung der wässrigen Harnstofflösung 20 aufgrund der Wärmekonvektion erzeugt, und die wässrige Harnstofflösung 20 strömt spiralförmig entlang der Form des Wärmeübertragungsbereiches 116a. Somit wird die wässrige Harnstofflösung 20 in dem Tank 100 gerührt, und die Temperatur und die Konzentration der wässrigen Harnstofflösung 20 werden homogenisiert.
Der Wärmeübertragungsbereich 116a kann in viele Abschnitte geteilt sein, die jeweils eine Spiralform haben, die sich entlang des Erwärmungsabschnitts 115 erstrecken, und die in der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts 115 voneinander getrennt sind.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Bei einer Erwärmungsvorrichtung 10b bei einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Wärmeerzeugungsvorrichtung 110b an einem Bodenabschnitt eines Tanks 100b angeordnet, wie dies in der 7 gezeigt ist. Die Wärmeerzeugungsvorrichtung 110b ist nämlich in dem Tank 100b über dem Bodenabschnitt eingefügt und an dem Bodenabschnitt befestigt. Eine Abdeckung 118b, Schrauben 119b, ein Dichtelement 120b und ein erster Zuführungskanal 104b gemäß der 7 sind ähnlich der Abdeckung 118, den Schrauben 119, dem Dichtelement 120 und dem ersten Zuführungskanal 104 der Erwärmungsvorrichtung 10 gemäß der 1. Die Erwärmungsvorrichtung 10b hat ähnliche Wirkungen wie die Erwärmungsvorrichtung 10.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Eine Erwärmungsvorrichtung 10c gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat eine Wärmeerzeugungsvorrichtung 110c mit vielen Wärmeerzeugungselementen 111c und einen Niveausensor 130 zum Überwachen eines Volumens der wässrigen Harnstofflösung 20. Der Niveausensor 130 gibt ein erfasstes Volumen zu einer Steuervorrichtung 50c ab, und die Steuervorrichtung 50c steuert den elektrischen Strom, der der Wärmeerzeugungsvorrichtung 110c zugeführt wird, so dass eine Wärmemenge für das Volumen der wässrigen Harnstofflösung 20 angemessen ist. Wenn zum Beispiel ein Niveau der wässrigen Harnstofflösung 20 hoch ist, steuert die Steuervorrichtung 50c den zugeführten elektrischen Strom derart, dass die Wärmeerzeugungsvorrichtung 110c Wärme von einem oberen Abschnitt zu einem unteren Abschnitt erzeugt. Wenn im Gegensatz dazu das Niveau der wässrigen Harnstofflösung 20 niedrig ist, steuert die Steuervorrichtung 50c den zugeführten elektrischen Strom derart, dass die Wärmeerzeugungsvorrichtung 110c Wärme nur an dem unteren Abschnitt erzeugt. In diesem Fall ist ein energetischer Wirkungsgrad der Erwärmungsvorrichtung 110c verbessert, und überschüssige Wärme kann verhindert werden, wenn das Niveau der wässrigen Harnstofflösung 20 niedrig ist, und eine Verschwendung von Harnstoff wird beschränkt.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die Erwärmungsvorrichtungen 10, 10a, 10b und 10c üblicherweise für das Abgasreinigungsgerät wie zum Beispiel für das Harnstoff-SCR-System verwendet, das in der 2 gezeigt ist. Jedoch können die Erwärmungsvorrichtungen 10, 10a, 10b und 10c für irgendein SCR-System verwendet werden.
Der Wärmeübertragungsbereich 116a, der bei dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, kann außerdem für die Wärmeerzeugungsvorrichtung 110b oder 110c verwendet werden.
Derartige Änderungen und Abwandlungen sind innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung zu verstehen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
Eine Fluiderwärmungsvorrichtung (10, 10b, 10c) hat einen Erwärmungsabschnitt (115) und viele Wärmeübertragungsbereiche (116). Der Erwärmungsbereich (115) ist in einem Fluid angeordnet, das in einem Behälter gespeichert ist, und er ist in einer axialen Richtung länglich angeordnet, um das Fluid zwischen einem unteren Abschnitt und einem oberen Abschnitt des Behälters zu erwärmen, indem er mit elektrischem Strom versorgt wird. Die Wärmeübertragungsbereiche (116) sind entlang der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts (115) angeordnet. Jeder Wärmeübertragungsbereich (116) hat eine Plattenform, die sich von dem Erwärmungsabschnitt (115) zu einer radialen Außenseite des Erwärmungsabschnitts (115) annähernd senkrecht zu der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts (115) erstreckt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2007/0059222 A [0007]
- JP 2005-351253 A [0007]
- US 2007/0035832 A [0008]
- JP 2005-282413 A [0008]

Claims

Fluiderwärmungsvorrichtung (10, 10b, 10c) mit: einem Erwärmungsabschnitt (115), der in einem Fluid angeordnet ist, das in einem Behälter gespeichert ist, und der in einer axialen Richtung länglich ausgebildet ist, um das Fluid zwischen einem unteren Abschnitt und einem oberen Abschnitt des Behälters zu erwärmen, indem er mit elektrischer Energie versorgt wird; und vielen Wärmeübertragungsbereichen (116), die entlang der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts (115) angeordnet sind, wobei jeder Wärmeübertragungsbereich (116) eine Plattenform aufweist, die sich von dem Erwärmungsabschnitt (115) zu einer radialen Außenseite des Erwärmungsabschnitts (115) annähernd senkrecht zu der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts (115) erstreckt.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10, 10b, 10c) gemäß Anspruch 1, wobei: einer der Wärmeübertragungsbereiche (116), der sich von einem unteren Abschnitt des Erwärmungsabschnitts (115) erstreckt, ein Maß in einer radialen Richtung des Erwärmungsabschnitts (115) aufweist, das größer ist als ein Maß von einem anderen Wärmeübertragungsbereich (116), der sich von einem oberen Abschnitt des Erwärmungsabschnitts (115) erstreckt.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10, 10b, 10c) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: jeder Wärmeübertragungsbereich (116) viele Durchgangslöcher (117) aufweist.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10, 10b, 10c) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die Wärmeübertragungsbereiche (116) aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10, 10b, 10c) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, des Weiteren mit: einem Tank (100, 100b) zum Definieren des Behälters, wobei der Tank (100, 100b) einen Einlassabschnitt (101), von dem das Fluid eingeführt wird, und einen Auslassabschnitt (104, 104b) aufweist, von dem das Fluid heraus strömt, wobei: der Erwärmungsabschnitt (115) sich an einer Position nahe dem Auslassabschnitt (104, 104b) befindet.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10, 10b, 10c) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: der Erwärmungsabschnitt (115) eine annähernd zylindrische Form aufweist, die in der axialen Richtung länglich ausgebildet ist; und die Wärmeübertragungsbereiche (116) in der axialen Richtung voneinander getrennt sind.
Abgasreinigungsgerät (1) zum Reinigen eines Abgases, das durch ein Abgasrohr (60) von einer Kraftmaschine hindurch tritt, mit: einem Reduktionskatalysator (620), der in dem Abgasrohr (60) angeordnet ist; einer Reduktionsmittelszuführungsvorrichtung (40), die so angeordnet ist, dass sie sich in das Abgasrohr (60) an einer stromaufwärtigen Seite einer Abgasströmung hinsichtlich des Reduktionskatalysators (620) erstreckt, um ein Reduktionsmittel (20) in das Abgasrohr (60) zuzuführen; einem Tank (100, 100b) zum Speichern des Reduktionsmittels (20) darin; einem Zuführungskanal (104, 106), der die Reduktionsmittelzuführungsvorrichtung (40) und den Tank (100, 100b) verbindet; und einer Fluiderwärmungsvorrichtung (10, 10b, 10c) gemäß Anspruch 1, die in dem Tank (100, 100b) angeordnet ist, um das Reduktionsmittel (20) zu erwärmen.
Abgasreinigungsgerät (1) gemäß Anspruch 7, wobei: das Reduktionsmittel (20) eine wässrige Harnstofflösung (20) beinhaltet.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10a) mit: einem Erwärmungsabschnitt (115), der in einem Fluid angeordnet ist, das in einem Behälter gespeichert ist, und der in einer axialen Richtung länglich ausgebildet ist, um das Fluid zwischen einem unteren Abschnitt und einem oberen Abschnitt des Behälters zu erwärmen, indem er mit elektrischem Strom versorgt wird; und einem Wärmeübertragungsbereich (116a), der sich an dem Erwärmungsabschnitt (115) befindet und eine Spiralform aufweist, die sich entlang der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts (115) erstreckt.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10a) gemäß Anspruch 9, wobei: der Wärmeübertragungsbereich (116a) einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt in der axialen Richtung des Erwärmungsabschnitts (115) aufweist, und der obere Abschnitt ein Maß in einer radialen Richtung des Erwärmungsabschnitts (115) aufweist, das kleiner ist als ein Maß des unteren Abschnitts.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10a) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei: der Wärmeübertragungsbereich (116a) viele Durchgangslöcher (117) aufweist.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10a) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei: der Wärmeübertragungsbereich (116a) aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10a) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, des Weiteren mit: einem Tank (100) zum Definieren des Behälters, wobei der Tank (100) einen Einlassabschnitt (101), von dem das Fluid eingeführt wird, und einen Auslassabschnitt (104) aufweist, von dem das Fluid heraus strömt, wobei: sich der Erwärmungsabschnitt (115) an einer Position nahe dem Auslassabschnitt (104) befindet.
Fluiderwärmungsvorrichtung (10a) gemäß einem der Ansprüchen 9 bis 13, wobei: sich der Wärmeübertragungsbereich (116a) mit der Spiralform kontinuierlich entlang der axialen Richtung erstreckt.
Abgasreinigungsgerät (1) zum Reinigen eines Abgases, das durch ein Abgasrohr (60) von einer Kraftmaschine hindurch tritt, mit: einem Reduktionskatalysator (620), der in dem Abgasrohr (60) angeordnet ist; einer Reduktionsmittelzuführungsvorrichtung (40), die so angeordnet ist, dass sie sich in das Abgasrohr (60) an einer stromaufwärtigen Seite einer Abgasströmung hinsichtlich des Reduktionskatalysators (620) erstreckt, um ein Reduktionsmittel (20) in das Abgasrohr (60) zuzuführen; einem Tank (100) zum Speichern des Reduktionsmittels (20) darin; einem Zuführungskanal (104, 106), der die Reduktionsmittelzuführungsvorrichtung (40) und den Tank (100) verbindet; und die Fluiderwärmungsvorrichtung (10a) gemäß Anspruch 9, die in dem Tank (100) angeordnet ist, um das Reduktionsmittel (20) zu erwärmen.
Abgasreinigungsgerät (1) gemäß Anspruch 15, wobei: das Reduktionsmittel (20) eine wässrige Harnstofflösung (20) beinhaltet.