DE102010016654B4

DE102010016654B4 - Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102010016654B4
Application number: DE102010016654.5A
Authority: DE
Inventors: Keiji Ohshima; Yoshiaki Nishijima
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2020-04-09
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: JP2010255608A; JP4911193B2; CN101876265A; DE102010016654A1

Abstract

Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, wobei dieser umfasst:eine Pumpe (13a), die in einem Tank (12) gespeicherte Urea-Lösung pumpt;ein Saugrohr (P1), das an einer Ansaugseite der Pumpe (13a) angeschlossen ist;ein Ausspeiserohr (P2), das an eine Ausspeiseseite der Pumpe (13a) angeschlossen ist;ein Beigabeventil (20), das Urea-Lösung, die durch das Ausspeiserohr (P2) gepumpt wird, in ein Abgasrohr (10) des Verbrennungsmotors beigibt;eine Steuerungseinrichtung (15), die umschaltet zwischen einem Normalbetrieb zum Speisen der Urea-Lösung an das Beigabeventil (20) durch Veranlassung der Pumpe (13a), einen Normaldrehvorgang oder Normalhubvorgang auszuführen, und einem Rückführbetrieb zum Rückführen der Urea-Lösung im Ausspeiserohr (P2) zum Tank (12) durch Veranlassung der Pumpe, einen Rückdrehvorgang oder Rückhubvorgang auszuführen; undein Übertragungsrohr (P3), das den Tank (12) mit dem Ausspeiserohr (P2) verbindet, wobei sich ein nachgelagerter Bereich (P2a) des Ausspeiserohrs (P2) von einem Punkt (Q), an dem das Übertragungsrohr (P3) angeschlossenen ist, zu dem Beigabeventil und zu einem inneren Durchlassbereich des Beigabeventils erstreckt, wobeidas Abgasreinigungssystem so konstruiert ist, dass Dampf im Tank (12) durch eine Saugkraft der Pumpe (13a), die während des Rückführbetriebs einen Rückdrehvorgang ausführt, durch das Übertragungsrohr (P3) hindurch zum Ausspeiserohr (P2) gesaugt wird,dadurch gekennzeichnet , dass das Saugrohr (P1) so ausgelegt ist, dass es länger ist, als die Weglänge des in Flussrichtung nachgelagerten Bereichs (P2a) des Ausspeiserohrs (P2) und der Beigabeventil-Innenpassage, wobei die Steuerungseinrichtung (15) einen Ausspeisebetrieb ausführt nachdem der Rückführbetrieb endet, um die Pumpe (13a) für eine vorbestimmte Zeit einen Normaldrehvorgang ausführen zu lassen, in einem Zustand, bei dem eine Injektionsöffnung (25b) des Beigabeventils (20) geöffnet wird, sodass die restliche Urea-Lösung in dem inneren Durchlassbereich des Beigabeventils und in dem in Flussrichtung nachgelagerten Bereich (P2a) durch den Dampf in dem Ausspeiserohr herausgedrückt und aus der Injektionsöffnung ausgelassen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, das Abgas durch Beigabe einer Urea-Lösung (Harnstoff-Lösung) in das Abgasrohr eines Verbrennungsmotors aufreinigt.
In den letzten Jahren ist ein Urea SKR System (SKR = Selektive katalytische Reduktion) als Abgasreinigungssystem entwickelt worden, das NO_x (Stickoxide) im Abgas in einem bei einem Kraftfahrzeug o.Ä. eingesetzten Verbrennungsmotor (insbesondere einem Dieselmotor) zu einem hohen Reinigungsgrad aufreinigt.
Das System hat eine Pumpe, die in einem Tank gespeicherte Urea-Lösung (wässrige Urea-Lösung) fördert, ein Ausspeiserohr, das an eine Ausspeiseseite der Pumpe angeschlossen ist, und ein Beigabeventil, das die durch das Ausspeiserohr gepumpte Urea-Lösung in das Abgasrohr des Verbrennungsmotors beigibt. Durch Beigabe der Urea-Lösung aus dem Beigabeventil in das Abgasrohr wird die Urea-Lösung zusammen mit dem Abgas an einen SKR-Katalysator gespeist. Auf diese Weise wird das Abgas durch eine Reduktionsreaktion von NO_x auf dem SKR-Katalysator aufgereinigt. Aufgrund der Abgaswärme wird bei der Reduktion von NO_x durch Hydrolyse der Urea-Lösung Ammoniak (NH₃) erzeugt. Der Ammoniak wird dem NO_x im selektiv an den SKR-Katalysator angelagerten Abgas beigegeben. NO_x wird durch die auf dem Ammoniak basierende Reduktionsreaktion auf dem SKR-Katalysator reduziert und aufgereinigt.
Die Urea-Lösung hat eine solche Eigenschaft, dass die Urea-Lösung eine Volumenausdehnung verursacht, wenn die Urea-Lösung gefriert. Eine Urea-Lösung, deren Konzentration 30% beträgt, gefriert beispielsweise bei -11°C und expandiert um etwa 10%. Wenn die Urea-Lösung in einem Zustand belassen wird, bei dem die Urea-Lösung in verschiedenen Rohren, wie z.B. einem Abgasrohr (P2) verbleibt, nachdem der Betrieb des Verbrennungsmotors endet, so ist zu erwarten, dass die restliche Urea-Lösung gefriert und unter Beschädigung der Rohre expandiert.
Als Gegenmaßnahme führt eine in 9(a) dargestellte konventionelle Technik nach dem Ende des Betriebs des Verbrennungsmotors einen Rückdrehvorgang der Pumpe aus, wobei ein Rückführbetrieb zum Rückführen der restlichen in dem Ausspeiserohr (P2) verbliebenen Urea-Lösung zu dem Tank (12) ausgeführt wird, wie durch Pfeilmarkierungen in 9(a) dargestellt ist. Allerdings wird der Rückführbetrieb in einem Zustand ausgeführt, bei dem eine Injektionsöffnung (25b) des Beigabeventils (20) geöffnet ist, sodass die Innenseite des Ausspeiserohrs (P2) keinem Unterdruck ausgesetzt wird. Folglich werden Abgasbestandteile (z.B. Schwefel und Ruß) in dem Abgasrohr (10) in das Beigabeventil (20) oder das Ausspeiserohr (P2) eingesogen, wobei verschiedene Probleme hervorgerufen werden, wie zum Beispiel die folgenden. So sammelt sich der Ruß auf einem Gleitbereich des Beigabeventils (20) an und verursacht eine Störung der Gleitfähigkeit. Das Ausspeiserohr (P2) wird mit einer durch eine Reaktion zwischen dem Schwefel und Wasser erzeugten schwefeligen Säure korrodiert.
Wie in 9(b) dargestellt ist, sieht eine Technik aus der zitierten Vorveröffentlichung (PCT-Anmeldung WO 2006 / 051 017 A1 , bzw. JP 2008 - 519 932 A ) ein dem Beigabeventil (20) in Flussrichtung vorgelagertes Außenluft-Einleitungsventil (50) vor. Während dem Rückführbetrieb wird das Außenluft-Einleitungsventil (50) zur Aufnahme der Außenluft betätigt und die Injektionsöffnung (25b) des Beigabeventils (20) wird geschlossen. Folglich wird der Rückführbetrieb unter Vermeidung des Einströmens der Abgasbestandteile in das Ausspeiserohr (P2) realisiert.
Jedoch haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass folgende Probleme selbst im Falle des vorgenannten Standes der Technik auftreten.
Der durch das Außenluft-Einleitungsventil (50) eingeführte Dampfdruck der Außenluft (Atmosphäre) ist grundsätzlich niedriger als der Sättigungsdruck. Wenn solche Außenluft (trockene Außenluft) bei dem niedrigen Dampfdruck in das Ausspeiserohr (P2) eingeführt wird, verdunstet ein Wasseranteil in der Urea-Lösung und die Urea-Lösung schlägt sich nieder. Wenn ein solcher Niederschlag in einem Betätigungsteil wie der Pumpe (13) stattfindet, tritt eine Betätigungsstörung des Betätigungsteils (Pumpe 13) auf.
Ein gattungsgemäßes Abgasreinigungssystem ist aus EP 1 656 986 Al bekannt.
DE 10 2007 000 538 A1 offenbart ein Abgasreinigungsgerät eines Verbrennungsmotors mit einem Tank zur Aufnahme einer Harnstofflösung und einer im Tank angeordneten Harnstofflösungspumpe. Der Tank wird durch ein Heizelement oder eine thermische Isolierung gegen das Einfrieren der Harnstofflösung geschützt. Die Harnstofflösungspumpe kann die Harnstofflösung von einer Harnstofflösungszufuhrleitung zurücksaugen, deren eines Ende mit der Harnstofflösungspumpe im Tank und deren anderes Ende mit einem Harnstofflösungszugabeventil verbunden ist. Beim Zurücksaugen wird die Harnstofflösungszufuhrleitung gemäß der obigen Erläuterung mit Luft oder mit Abgas befüllt.
Weitere Abgasreinigungssysteme sind aus DE 10 2006 046 900 A1 und US 2005 / 0 235 632 A1 bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors vorzusehen, das eine Unterdrückung des Niederschlags eines Urea-Bestandteils bezweckt, während ein Einfließen von Abgasbestandteilen in ein Rohr vermieden wird, wenn ein Rückführbetrieb zur Rückführung von restlicher Urea-Lösung in einen Tank ausgeführt wird.
Gemäß einem ersten beispielhaften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors eine Pumpe, die eine in einem Tank gespeicherte Urea-Lösung pumpt, ein Ausspeiserohr, das an eine Ausspeiseseite der Pumpe angeschlossen ist, ein Beigabeventil, das die Urea-Lösung, die durch das Ausspeiserohr gepumpt wird, in ein Abgasrohr des Verbrennungsmotors beigibt, eine Steuerungseinrichtung, die umschaltet zwischen einem normalen. Betrieb zum Zuspeisen der Urea-Lösung an das Beigabeventil, wobei die Pumpe zur Ausführung einer normalen Drehbewegung oder Hubbewegung gebracht wird, und einem Rückführbetrieb zum Rückführen der Urea-Lösung in dem Ausspeiserohr zum Tank, wobei die Pumpe zur Ausführung eines Rückdrehvorgangs oder Rückhubvorgangs gebracht wird, und ein Übertragungsrohr, das den Tank mit dem Ausspeiserohr verbindet. Das Abgasreinigungssystem ist derart konstruiert, dass durch einen Saugdruck der Pumpe, die einen Rückdrehvorgang oder Rückhubvorgang während des Rückführbetriebs ausführt, Dampf im Tank durch das Übertragungsrohr hindurch zum Ausspeiserohr gesaugt wird.
Folglich wird der Dampf in dem Tank dazu gebracht, während des Rückführbetriebs in das Ausspeiserohr zu fließen. Dementsprechend kann der Rückführbetrieb so realisiert werden, dass die Innenseite des Ausspeiserohrs (P2) keinem Unterdruck ausgesetzt wird, während das Einfließen des Abgases und der Außenluft verhindert werden. Der Dampfdruck des Dampfs im Tank ist höher als der Dampfdruck der Außenluft. Das bedeutet, der Dampf im Tank ist nasser Dampf. Somit kann die Verdunstung des Wasseranteils in der Urea-Lösung vermindert werden und der Niederschlag des Urea-Anteils kann vermindert werden. Also kann der Niederschlag des Urea-Anteils unterdrückt werden, während das Einfließen der Abgasbestandteile zur Innenseite des Rohrs vermieden wird, wenn der Rückführbetrieb zum Rückführen der restlichen Urea-Lösung zum Tank ausgeführt wird.
Gemäß einem zweiten beispielhaften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat das Abgasreinigungssystem weiterhin ein Öffnungs-/Schließ-Ventil, das an dem Übertragungsrohr vorgesehen ist und das zum Öffnen des Übertragungsrohrs während des Rückführbetriebs und zum Verschließen des Übertragungsrohrs während des Normalbetriebs dient.
Falls das Öffnungs-/Schließ-Ventil entgegen dem obigen, beispielhaften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung nicht vorgesehen ist, wird ein Teil der aus der Pumpe während des Normalbetriebs gepumpten Urea-Lösung nicht zu dem Beigabeventil gespeist, sondern durch das Übertragungsrohr zum Tank rückgeführt. In diesem Fall tritt eine Verschwendung in einer Pumpen-Treibkraft auf. Gemäß dem in Anbetracht dieses Punktes gemachten, vorbeschriebenen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird das Übertragungsrohr mit dem Öffnungs-/Schließ-Ventil während des Normalbetriebs verschlossen, wobei die vorbeschriebene Verschwendung verhindert wird.
Gemäß einem dritten beispielhaften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat das Abgasreinigungssystem weiterhin ein an dem Übertragungsrohr angeschlossenes Umgehungsrohr, um die Urea-Lösung so zu leiten, dass die Urea-Lösung das Öffnungs-/Schließ-Ventil umgeht, und einen Drosselabschnitt (z.B. eine Drosselblende), der an dem Umgehungsrohr angeordnet ist, um die Durchflussmenge der Urea-Lösung auf eine vorbestimmte Menge oder darunter zu drosseln.
Gemäß dem vorbeschriebenen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird das Übertragungsrohr während des Normalbetriebs mit dem Öffnungs-/Schließ-Ventil verschlossen, jedoch wird die durch den Drosselabschnitt auf eine vorbestimmte Menge oder darunter beschränkte Urea-Lösung (geringe Menge an Urea-Lösung) durch das Übertragungsrohr zum Tank rückgeführt. Folglich fließt die geringe Menge an Urea-Lösung während des Normalbetriebs ständig durch das Übertragungsrohr über. Demgemäß kann ein in dem Ausspeiserohr hervorgerufenes Druckpulsieren verhindert werden. Dadurch kann der Druck der Urea-Lösung in dem Ausspeiserohr während des Normalbetriebs mit hoher Genauigkeit gesteuert werden. Schließlich kann eine Beigabemenge der Urea-Lösung aus dem Beigabeventil mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.
Das Druckpulsieren in dem Ausspeiserohr tritt insbesondere deutlich auf, wenn als Pumpe eine Kolbenpumpe eingesetzt wird. Also wird in einem solchen Fall von der Wirkung der Vermeidung des Druckpulsierens durch den vorbeschriebenen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft Gebrauch gemacht.
Gemäß einem vierten beispielhaften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung führt die Steuerungseinrichtung in dem Abgasreinigungssystem einen Ausspeisevorgang aus, um die Pumpe für einen vorbestimmten Zeitraum den Normaldrehvorgang oder Normalhubvorgang in einem Zustand ausführen zu lassen, bei dem eine Injektionsöffnung des Beigabeventils geöffnet wird, nachdem der Rückführbetrieb endet.
Der Dampf im Tank kann nicht dazu gebracht werden, während des Rückführbetriebs in einen in Flussrichtung nachgelagerten Bereich des Übertragungsrohrs (in 1 mit P2a bezeichnet) zu fließen, der sich von einem Punkt an dem das Übertragungsrohr angeschlossenen ist zu dem Beigabeventil und zu einem inneren Durchlassbereich des Beigabeventils erstreckt. Demzufolge ist es schwierig, die restliche Urea-Lösung in dem in Flussrichtung nachgelagerten Bereich (P2a) des Ausspeiserohrs und dem inneren Durchlassbereich des Beigabeventils nur durch die Ausführung des Rückführbetriebs abzuführen. Insbesondere treten Probleme auf, wenn die restliche Urea-Lösung in dem inneren Durchlassbereich des Beigabeventils gefriert, wie zum Beispiels das Problem, dass Betätigungsteile im inneren Durchlassbereich nicht bedient werden können.
In Anbetracht dieses Punktes, wird gemäß dem vorbeschriebenen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung der Ausspeisebetrieb nach dem Ende des Rückführbetriebs ausgeführt, um die Pumpe den Normaldrehvorgang oder Normalhubvorgang für eine vorbestimmte Zeit in einem Zustand ausführen zu lassen, in dem die Injektionsöffnung des Beigabeventils geöffnet ist. Daher kann die restliche Urea-Lösung in dem inneren Durchlassbereich des Beigabeventils und in dem in Flussrichtung nachgelagerten Bereich (P2a) durch den Dampf in dem Ausspeiserohr herausgedrückt und aus der Injektionsöffnung ausgelassen werden.
Gemäß einem fünften beispielhaften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht das Abgasreinigungssystem einen Zirkulationsweg des Dampfes während des Rückführbetriebs vor. Der Zirkulationsweg umfasst zumindest den Tank, das Übertragungsrohr, das Beigabeventil und die Pumpe. Der Zirkulationsweg ist hermetisch (luftdicht), um das Einfließen von Gas von außen zu verhindern.
Unter konventionellen, gebräuchlichen Tanks gibt es einen Tank, der ein Entlüftungsloch aufweist für die Vermeidung eines Anstiegs eines inneren Dampfdrucks und zur Herabsetzung der erforderlichen Druckbeständigkeit des Tanks. Wenn allerdings das Entlüftungsloch bei dem System der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, was den Dampf im Tank dazu bringt während des Rückführbetriebs in das Ausspeiserohr zu fließen, fließt während des Rückführbetriebs durch das Entlüftungsloch trockene Außenluft in den Zirkulationsweg. Folglich kann von den Wirkungen, wie beispielsweise der Verringerung des Niederschlags des Urea-Bestandteils nicht voll Gebrauch gemacht werden.
In Anbetracht dieses Punktes ist gemäß dem vorbeschriebenen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung der Zirkulationsweg des Dampfes während des Rückführbetriebs in einem hermetischen Zustand, um das Einfließen von Gas von außen zu vermeiden. Das vorbeschriebene Entlüftungsloch ist nicht vorgesehen. Folglich kann das Einfließen von trockener Außenluft in den Zirkulationsweg während des Rückführbetriebs vermieden werden. Demzufolge kann von den Wirkungen, wie beispielsweise der Verringerung des Niederschlags des Urea-Bestandteils voll Gebrauch gemacht werden.
Merkmale und Vorteile werden, genauso wie Betriebsvorgänge und die Funktion der jeweiligen Teile aus dem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung, den anhängenden Ansprüchen und den Zeichnungen ersichtlich, die jeweils einen Teil dieser Anmeldung bilden. In den Zeichnungen sind:

1: ein Konfigurationsplan, der ein Abgasreinigungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt, wobei Teil (a) den Normalbetrieb und Teil (b) den Rückführbetrieb verdeutlichen;
2: eine Schnittzeichnung, die ein Beigabeventil gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
3: ein Ablaufdiagramm, das Steuerungsinhalte des Normalbetriebs gemäß der dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
4: ein Ablaufdiagramm, das Steuerungsinhalte des Rückführbetriebs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
5: ein Konfigurationsplan, der ein Abgasreinigungssystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt, wobei Teil (a) den Normalbetrieb und Teil (b) den Rückführbetrieb verdeutlichen;
6: ein Konfigurationsplan, der ein Abgasreinigungssystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt;
7: ein Konfigurationsplan, der ein Abgasreinigungssystem gemäß einem Abwandlungsbeispiel des zweiten Ausführungsbeispiels darstellt;
8: ein Konfigurationsplan, der ein Abgasreinigungssystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt; und
9: ein Konfigurationsplan, der ein konventionelles Abgasreinigungssystem darstellt.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der jeweiligen Ausführungsbeispiele wird für identische oder äquivalente Teile in den Zeichnungen dasselbe Kennzeichen verwendet.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Nachstehend wird ein Abgasreinigungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben. Ein Abgasreinigungssystem gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel reinigt Abgas auf, das aus einer Brennkammer eines im Fahrzeug angeordneten Diesel-Motors (Verbrennungsmotors) ausgespeist wird und das durch eine Abgaspassage (10a) eines Abgasrohrs (10) fließt.
Eine Katalysatoreinrichtung (11) zur Förderung einer Reduktionsreaktion von NO_x (Abgasreinigungsreaktion) ist in dem Abgasrohr (10) angeordnet. Ein Beigabeventil (20) zum Beigeben von Urea-Lösung (wässrige Urea-Lösung) an das Abgas in der Abgaspassage (10a) ist in dem Abgasrohr (10) der Katalysatoreinrichtung (11) in Flussrichtung vorgelagert angeordnet.
In dem Abgasreinigungssystem mit der obigen Konstruktion wird Urea-Lösung durch das Beigabeventil (20) in das Abgas beigegeben und die Urea-Lösung wird zusammen mit dem Abgas zu der in Flussrichtung nachgelagerten Katalysatoreinrichtung (11) unter Nutzung des Fließens des Abgases (Abgasstrom) gespeist. Das Abgas wird durch die auf dem Katalysator hervorgerufene Reaktion von NO_x aufgereinigt. Der Ammoniak wird dem NO_x im Abgas beigegeben, das selektiv an den Katalysator angelagert wird. NO_x wird auf dem Katalysator durch die auf dem Ammoniak basierende Reduktionsreaktion reduziert und aufgereinigt.
In dem Fahrzeug ist ein Tank (12) zum Speichern der Urea-Lösung angebracht. Die in dem Tank (12) gespeicherte Urea-Lösung wird durch eine Pumpeinheit (13) gesogen und zu dem Beigabeventil (20) gepumpt und gespeist. Ein Saugrohr (P1) ist an einer Ansaugseite der Pumpeinheit (13) angeschlossen und in dem Saugrohr (P1) ist ein Filter (14) angeordnet. Ein Ausspeiserohr (P2) zur Führung der ausgespeisten Urea-Lösung zu dem Beigabeventil (20) ist an eine Ausspeiseseite der Pumpeinheit (13) angeschlossen.
Die Pumpeinheit (13) hat eine Pumpe (13a) zum Ansaugen, Pumpen und Ausspeisen der Urea-Lösung, einen elektrischen Motor (13b) zum Antreiben der Pumpe (13a), und einen Drucksensor (13c) zum Erfassen des Ausspeisedrucks und dergleichen. Als die Pumpe (13a) des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird eine Kolbenpumpe genutzt. Eine ECU (15) (Steuerungseinrichtung) führt eine elektronische Steuerung (z.B. Leistungssteuerung, duty control) des Betriebs des elektrischen Motors (13b) aus. Die ECU (15) führt eine Rückkopplungsregelung auf Grundlage eines Messwerts des Drucksensors (13c) aus, um den Druck der Urea-Lösung in dem Ausspeiserohr (P2) an den gewünschten Druck anzugleichen.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Übertragungsrohr (P3) vorgesehen, das den Tank (12) und das Ausspeiserohr (P2) verbindet. Das Übertragungrohr (P3) dient der Führung des Dampfs (gasförmige Urea-Lösung) in dem Tank (12) zu dem Ausspeiserohr (P2). Deshalb ist ein offenes Ende des Übertragungsrohrs (P3) in einem oberen Bereich einer Innenseite des Tanks (12) (nahe dem oberen Deckel (12b) des Tanks (12)) angeordnet, sodass die flüssige Urea-Lösung in dem Tank (12) nicht in das Übertragungsrohr (12) eingebracht wird.
Ein in dem Übertragungsrohr (P3) vorgesehenes Rückschlagventil (16) (Öffnungs-/Schließ-Ventil) hält die Urea-Lösung, die aus der Pumpe (13a) ausgespeist wird, davon ab, durch das Übertragungsrohr (P3) zum Tank (12) zurückzulaufen. Das Rückschlagventil (16) hat eine allgemein bekannte Konstruktion, wie nachfolgend erklärt wird. Das Rückschlagventil (16) hat ein Ventilelement (16a) und ein Vorspannelement (16b), das das Ventilelement (16a) in einer Ventil-Verschlussrichtung vorspannt. Das Rückschlagventil (16) hat eine solche mechanische Struktur, dass das Rückschlagventil gegen eine Spannkraft des Vorspannelements (16b) öffnet, wenn ein Differenzdruck über dem Rückschlagventil (16) einen festgesetzten Wert überschreitet.
Elektroerhitzer (17) (Heizeinrichtungen) zum Erhitzen der Urea-Lösung sind in dem Saugrohr (P1), dem Ausspeiserohr (P2) und im Tank (12) befestigt. Die ECU (15) steuert die Bestromung (Energiezufuhr) der Elektroerhitzer (17). Insbesondere werden die Elektroerhitzer (17) unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors bestromt, wobei sie Wärme erzeugen. Folglich wird in Saugrohr (P1), Ausspeiserohr (P2) und Tank (12) gefrorene Urea-Lösung aufgetaut.
Als nächstes wird eine Konstruktion des Beigabeventils (20) unter Bezugnahme auf 2 erläutert. Das Beigabeventil (20) hat ein Gehäuse (21). Ein Zuflusselement (22) ist an einem Ende des Gehäuses (21) befestigt. Das Ausspeiserohr (P2) ist an einen Speiseanschluss (22a) angeschlossen, der in das Zuflusselement (22) eingeformt ist. Die aus der Pumpe (13a) ausgespeiste und aus dem Speiseanschluss (22a) gespeiste Urea-Lösung fließt durch einen Filter (23) zu einer inneren Umfangsseite des Gehäuses (21).
Am anderen Ende des Gehäuses (21) ist eine Düsenhalterung (24) mit zylindrischer Form vorgesehen. Ein Düsenkörper (25) mit zylindrischer Form ist in die Düsenhalterung (24) eingepasst. Der Düsenkörper hat eine konische innere Wandfläche, deren Innendurchmesser zum spitzen Ende des Düsenkörpers (25) abnimmt. Der Düsenkörper (25) hat einen Ventilsitz-Abschnitt (25a) in der konischen inneren Wandfläche. Mehrere Injektionsöffnungen (25b) zum Injizieren der Urea-Lösung sind in eine Endfläche des Düsenkörpers (25) eingeformt. Die an den Speiseanschluss (22a) gespeiste Urea-Lösung fließt durch eine Innenseite des Zuflusselements (22), eine Innenseite des Gehäuses (21), eine Innenseite der Düsenhalterung (24) und eine Innenseite des Düsenkörpers (25) in dieser Reihenfolge und wird dann aus den Injektionsöffnungen (25b) in die Abgaspassage (10a) injiziert.
Eine Nadel (26) (Ventilelement) ist in eine Einpasskammer, die in das Gehäuse (21), die Düsenhalterung (24) und den Düsenkörper (25) eingeformt ist, eingepasst, sodass sich die Nadel (26) in einer axialen Richtung hin und her bewegen kann. Ein Raum zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Nadel (26) und einer inneren Umfangsfläche des Düsenkörpers (25) fungiert als ringförmiger Durchlassbereich (27), durch den die Urea-Lösung fließt. Ein Dichtungsabschnitt (26a), der zur Berührung des Ventilsitz-Abschnitts (25a) des Düsenkörpers (25) imstande ist, ist in einem Endbereich der Nadel (26) eingeformt.
Das Beigabeventil (20) hat einen Antriebsabschnitt (40) zum Antreiben der Nadel (26). Der Antriebsabschnitt hat eine Spule (41), einen festen Magnetkern (42), einen beweglichen Magnetkern (43) und dergleichen. Der bewegliche Magnetkern (43) ist derart in dem Gehäuse (21) angeordnet, dass jener bewegliche Magnetkern (43) sich in einer axialen Richtung hin und her bewegen kann. Ein Endbereich der Nadel (26) ist mit dem beweglichen Magnetkern (43) durch Presspassung, Schweißung oder dergleichen verbunden. Die Nadel (26) und der bewegliche Magnetkern (43) bewegen sich einstückig in der axialen Richtung. Der bewegliche Magnetkern (43) wird durch eine Spannkraft einer Feder (48) in Richtung auf den Ventilsitz-Abschnitt (25a) hin gedrückt.
Die ECU (15) steuert einen Bestromungszustand (Energiezufuhr-Zustand) der Spule (41), um die Ausführung und Beendigung der Injektion von Urea-Lösung aus den Injektionsöffnungen (25b) zu steuern. Insbesondere werden der bewegliche Magnetkern (43) und die Nadel (26) in Richtung des Ventilsitz-Abschnitts (25a) gedrückt und der Dichtungsabschnitt (26a) sitzt auf dem Ventilsitz-Abschnitt (25a), wenn die Spule (41) unbestromt ist. Folglich wird der ringförmige Durchlassbereich (27) verschlossen und die Urea-Lösung-Injektion aus den Injektionsöffnungen (25b) wird abgebrochen. Wenn die Spule (41) bestromt wird, wird der bewegliche Magnetkern (43) durch den festen Magnetkern (42) angezogen und die Nadel (26) trennt sich von dem Ventilsitz-Abschnitt (25a). Folglich wird der ringförmige Durchlassbereich (27) geöffnet und die Urea-Lösung wird aus den Injektionsöffnungen (25b) injiziert.
Ein NO_x-Sensor (11a) zur Messung einer NO_x-Menge im Abgas ist der Katalysatoreinrichtung (11) in Flussrichtung nachgelagert angeordnet. Die ECU (15) steuert den Betrieb des Beigabeventils (20) auf der Grundlage eines Messwerts des NO_x-Sensors (11a), um Überschuss und Mangel einer Beigabemenge der Urea-Lösung aus dem Beigabeventil (20) zu vermeiden.
Die Pumpeinheit (13) ist dazu strukturiert, zwischen einem Normalbetrieb zum Ausspeisen der Urea-Lösung zu dem Ausspeiserohr (P2) und einem Rückführbetrieb zum Ausspeisen der Urea-Lösung zu dem Saugrohr (P1) zu wechseln. Beziehungsweise wird der zum Umschalten zwischen einem Normaldreh-Antrieb (Normaldrehvorgang) und einem Rückdreh-Antrieb (Rückdrehvorgang) fähige elektrische Motor (13b) genutzt. Die ECU (15) steuert die Drehrichtung des elektrischen Motors (13b).
Während eines Betriebs des Verbrennungsmotors wird der Normalbetrieb ausgeführt, um den elektrischen Motor (13b) den Normaldrehbetrieb ausführen zu lassen, wobei die Urea-Lösung-Beigabe aus dem Beigabeventil aktiviert wird. Im Normalbetrieb wird, wie durch verkettete Linien in 1(a) gezeigt ist, die Urea-Lösung im Tank (12) in die Pumpe (13a) gesogen und von der Pumpe (13a) zum Ausspeiserohr (P2) ausgespeist. Danach wird die Urea-Lösung zum Beigabeventil (20) gespeist. Während des Normalbetriebs wird das Rückschlagventil (16) in einen Sperrzustand gebracht. Folglich wird die aus der Pumpe (13a) zum Ausspeiserohr (P2) ausgespeiste Urea-Lösung nicht durch das Übertragungsrohr (P3) zum Tank (12) rückgeführt.
Unmittelbar nachdem der Betrieb des Verbrennungsmotors beendet wird, wird der Rückführbetrieb ausgeführt, um den elektrischen Motor (13b) den Rückdrehvorgang ausführen zu lassen, und ein Ventil-Verschlussvorgang der Injektionsöffnungen (25b) des Beigabeventils (20) wird ausgeführt. Also wird die Urea-Lösung im Ausspeiserohr (P2), wie durch verkettete Linien in 1(b) gezeigt, in die Pumpe (13a) gesogen und aus der Pumpe (13a) durch das Saugrohr (P1) zum Tank (12) rückgeführt. Folglich können Beschädigungen an verschiedenen Teilen verhindert werden, die verursacht werden können, wenn die Urea-Lösung gefriert und sich im Ausspeiserohr (P2), der Pumpe (13a) und dem Saugrohr (P1) ausdehnt.
Während des Rückführbetriebs ist das Rückschlagventil (16) aufgrund einer Sogkraft (z.B. Unterdruck) der Pumpe (13a) in einen Ventil-Öffnungszustand gebracht. Folglich wird der Dampf im Tank (12) durch das Übertragungsrohr (P3) zum Ausspeiserohr (P2) gesogen und die im Ausspeiserohr (P2) verbliebene flüssige Urea-Lösung wird durch die Pumpe (P2) angesogen und zum Tank (12) rückgeführt.
Das bedeutet, dass ein Zirkulationsweg derart geformt wird, dass der Dampf im Tank (12) durch das Übertragungsrohr (P3), das Ausspeiserohr (P2), die Pumpe (13a) und das Saugrohr (P1) fließt und während des Rückführbetriebs zum Tank (12) rückgeführt wird. Der Zirkulationsweg ist in einem hermetischen (luftdichten) Zustand, um das Einfließen von Gas von außen zu verhindern. Beziehungsweise wird das Einfließen von Abgasbestandteilen in der Abgaspassage (10a) durch Verschließen der Injektionsöffnungen (25b) des Beigabeventils (20) und folglich durch Bildung eines hermetischen Zustands verhindert. Ein am Tank (12) vorgesehenes Lüftungsventil (12a) führt einen Ventil-Verschlussvorgang aus, um den hermetischen Zustand zu bilden und das Einfließen von Außenluft in den Tank (12) zu verhindern.
Während des Normalbetriebs ist das Rückschlagventil (16) in einen Verschlusszustand gebracht, und folglich wird der Zirkulationsweg nicht gebildet. Demzufolge ist das Lüftungsventil (12a) am Tank (12) vorgesehen, um die Innenseite des Tanks (12) davor zu bewahren, einem Unterdruck aufgrund des Betriebs der Pumpe (13a) ausgesetzt zu werden. Das Lüftungsventil (12a) hat eine solche mechanische Struktur, dass das Lüftungsventil (12a) einen Ventil-Öffnungsvorgang ausführt, wenn der Druck im Tank (12) zu einem Unterdruck unterhalb eines festgesetzten Wertes wird. Da der vorbeschriebene Zirkulationsweg während des Rückführbetriebs gebildet wird, wird der Druck im Tank (12) nicht zu einem Unterdruck unterhalb des festgesetzten Wertes und folglich wird der Ventil-Verschlusszustand des Lüftungsventils (12a) aufrechterhalten.
Folgend werden unter Bezugnahme auf die 3 und 4 Steuerungsinhalte des Betriebs des Verbrennungsmotors erläutert. Die in 3 und 4 gezeigte Verarbeitung wird wiederholt durch einen Microcomputer der ECU (15) in einem vorbestimmten Zyklus ausgeführt.
Zunächst werden den Normalbetrieb betreffende Steuerungsinhalte unter Bezugnahme auf 3 erklärt.
In (S10) (S bedeutet „Schritt“) wird zunächst festgestellt, ob ein Anschaltvorgang des Verbrennungsmotors durch den Fahrer ausgeführt worden ist. Falls der Anschaltvorgang ausgeführt worden ist (S10: JA), wird die Bestromung (Energie-Zufuhr) der Elektroerhitzer (17) im folgenden Schritt (S11) angeschaltet, wobei die Innenseiten des Saugrohrs (P1), des Ausspeiserohrs (P2) und des Tanks (12) erhitzt werden. Im folgenden Schritt (S12) wird festgestellt, ob das Auftauen der Innenseiten der Rohre (P1, P2) und des Tanks (12) abgeschlossen wurde. Es kann beispielsweise festgestellt werden, dass das Auftauen abgeschlossen wurde, wenn eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, nachdem die Bestromung der Elektroerhitzer (17) eingeschaltet wurde. Alternativ kann festgestellt werden, dass das Auftauen abgeschlossen wurde, wenn der Messwert des Drucksensors (13c) in dem Zustand, bei dem die Pumpe (13a) in Betrieb ist, gleich dem vorbestimmten Wert oder höher als dieser ist.
Falls nicht festgestellt wird, dass das Auftauen abgeschlossen wurde (S12: NEIN), kehrt die Verarbeitung zu Schritt (S10) zurück. Falls festgestellt wurde, dass das Auftauen abgeschlossen worden ist (S12: JA), schreitet die Verarbeitung zu Schritt (S13) fort, in dem festgestellt wird, ob das Abgasreinigungssystem normal ist. Es wird beispielsweise festgestellt, ob eine Abnormität, wie beispielsweise eine Trennung oder ein Kurzschluss in einem elektrischen System der Pumpeinheit (13), des Beigabeventils (20) und der Elektroerhitzer (17) aufgetreten ist.
Falls festgestellt wird, dass eine Abnormität im System besteht (S13: NEIN), wird ein Diagnosesignal ausgegeben und eine Fail-safe-Verarbeitung wird im folgenden Schritt (S14) ausgeführt. Beispielsweise wird der Betriebszustand des Verbrennungsmotors eingeschränkt, sodass die zur Katalysator-Einrichtung (11) fließende NO_x-Menge gleich oder kleiner einer vorbestimmten Menge wird und das Auftreten der Abnormität an den Fahrer gemeldet wird. Falls festgestellt wird, dass das System normal ist (S14: JA), wird im folgenden Schritt (S15) der Druck im Ausspeiserohr (P2), z.B. der Messwert des Drucksensors (13c), ermittelt.
Im folgenden Schritt (S16), wird auf der Grundlage des ermittelten Drucks im Ausspeiserohr (P2) ein Steuerbetrag der Pumpe (13a) (Leistungsverhältnis (duty ratio) des elektrischen Motors (13b)) berechnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Rückkopplungsregelung des elektrischen Motors (13b) zur Korrektur des Leistungsverhältnisses auf Grundlage einer Abweichung des Messwerts des Drucksensors (13c) vom Solldruck ausgeführt. Im folgenden Schritt (S17) (Normalbetrieb-Steuerungsabschnitt) wird der elektrische Motor (13b) angetrieben und gesteuert, um den Normaldrehvorgang zu dem in Schritt (S16) berechneten Steuerbetrag auszuführen.
Dann wird in Schritt (S18) eine Anfragemenge an aus dem Beigabeventil (20) beizugebender Urea-Lösung auf Basis des Messwerts des NO_x-Sensors (11a) berechnet. Beziehungsweise wird die Anfrage-Beigabemenge korrigiert, um anzusteigen, wenn die gemessene NO_x-Menge ansteigt. Im folgenden Schritt (S19) wird eine Bestromungszeit (Energiezufuhrzeit) der Spule (41) des Beigabeventils (20) (bspw. Ventilöffnungszeit der Injektionsöffnungen (25b)) auf Grundlage der in Schritt (S18) berechneten Anfrage-Beigabemenge berechnet. Im folgenden Schritt (S20) wird ein Steuersignal an die Spule (41) des Beigabeventils (20) auf der Grundlage der in Schritt (S19) berechneten Bestromungszeit ausgegeben. Falls im folgenden Schritt (S21) festgestellt wird, dass der AN-Zustand des Zündschalters beibehalten wurde (S21: JA), kehrt die Verarbeitung zu Schritt (S13) zurück.
Folgend werden Steuerungsinhalte des Rückführbetriebs unter Bezugnahme auf 4 erläutert.
Zunächst wird in Schritt (S30) festgestellt, ob ein Abschaltvorgang des Zündschalters des Verbrennungsmotors durch den Fahrer ausgeführt wurde. Falls der Abschaltvorgang ausgeführt worden ist (S30: JA), wird ein Stop-Zeitzähler (stoppage timer) im folgenden Schritt (S31) inkrementiert. Das bedeutet, in Schritt (S31) wird eine Zeit gemessen, nachdem der Abschaltvorgang ausgeführt wurde (z.B. Zeit nach Betriebsende des Verbrennungsmotors). Falls der Zündschalter im AN-Zustand ist (S30: NEIN), wird der in Schritt (S31) genutzte Zeitzähler (timer) in Schritt (S41) auf null zurückgesetzt.
Im anschließenden Schritt (S32) wird aufgrund der in Schritt (S31) ausgeführten Zeitmessung festgestellt, ob eine erste vorbestimmte Zeit (T1), die zuvor gesetzt wurde, nach dem Betriebsende des Verbrennungsmotors abgelaufen ist. Es erfordert eine gewisse Zeit, um das Ausspeiserohr (P2), die Pumpe (13a) und das Saugrohr (P1) mit Urea-Lösung nachzufüllen, nachdem die Urea-Lösung aus dem Ausspeiserohr (P2), der Pumpe (13a) und dem Saugrohr (P1) durch den Rückführbetrieb ausgelassen wurde. Folglich kann zu diesem Zeitpunkt die Urea-Lösung nicht sofort aus dem Beigabeventil (20) injiziert werden. Schritt (S32) ist die unter Berücksichtigung dieses Punktes ausgeführte Verarbeitung. Das bedeutet, Schritt (S32) ist die Verarbeitung zur Kontrolle, dass der Fahrer den Verbrennungsmotor nicht innerhalb einer kurzen Zeit erneut starten wird.
Wenn festgestellt wird, dass die vorbestimmte Zeit (T1) nicht abgelaufen ist (S32: NEIN), kehrt die Verarbeitung zu Schritt (S30) zurück. In diesem Fall wird der Zeitzähler durch die Verarbeitung des folgenden Schritts (S31) inkrementiert. Wenn festgestellt wird, dass die erste vorbestimmte Zeit (T1) abgelaufen ist (S32: JA), wurde festgestellt, dass der Neustart nicht unmittelbar nach dem Abstellen des Motors ausgeführt wurde. In diesem Fall wird der vorerwähnte Rückführbetrieb im folgenden Schritt (S33) (Rückführbetrieb-Steuerungsabschnitt) gestartet. Das bedeutet, der Rückdrehvorgang der Pumpeinheit (13) wird ausgeführt.
Im Normalbetrieb in Schritt (S17) von 3 wird der Antrieb des elektrischen Motors (13b) (durch Rückkopplungsregelung) gesteuert, um den Rohr-Innendruck an den Soll-Wert anzugleichen. Im Rückführbetrieb in Schritt (S33) wird der Antrieb des elektrischen Motors (13b) derart (durch Steuerung) gesteuert, dass die Pumpe (13a) die maximale Ausspeisemenge ausschöpft, um die Urea-Lösung in einer kurzen Zeit auszuspeisen.
Im folgenden Schritt (S34) wird festgestellt, ob der AUS-Zustand des Zündschalters fortgesetzt wird. Falls der Anschaltvorgang während des Rückführbetriebs ausgeführt wird (S34: NEIN), wird festgestellt, dass der Fahrer beabsichtigte, den Motor erneut zu starten. In diesem Fall wird der Rückdrehvorgang der Pumpe (13a) angehalten (S42). Falls der AUS-Zustand fortgesetzt wird (S34: JA), wird im folgenden Schritt (S35) festgestellt, ob der Rückdrehvorgang der Pumpe (13a) für eine zweite vorbestimmte Zeit (T2), die vorher festgelegt wird, fortgesetzt wurde. Die zweite vorbestimmte Zeit (T2) wird auf die Zeitdauer festgelegt, die durch den Rückführbetrieb zum Ausspeisen der in dem Ausspeiserohr (P2), der Pumpe (P2) und dem Saugrohr (P1) verbleibenden Urea-Lösung benötigt wird.
Falls der AUS-Zustand des Zündschalters fortgesetzt wird (S34: JA) und die zweite vorbestimmte Zeit (T2) nicht abgelaufen ist (S35: NEIN), wird der Rückführbetrieb fortgesetzt. Danach, wenn festgestellt wurde, dass die zweite vorbestimmte Zeit (T2) abgelaufen ist (S35: JA), wird der Normaldrehvorgang (Ausspeisebetrieb) der Pumpe (13a) für eine dritte vorbestimmte Zeit (T3) in einem Zustand ausgeführt, bei dem die Injektionsöffnungen (25b) des Beigabeventils (20) im folgenden Schritt (S36) (Ausspeisebetrieb-Steuerungsabschnitt) geöffnet werden. Im folgenden Schritt (S37) wird die Spule (41) des Beigabeventils (20) bestromt, um die Nadel (26) einen Ventil-Öffnungsvorgang ausführen zu lassen.
Ein in Flussrichtung nachgelagerter Bereich (siehe P2a in 1) des Ausspeiserohrs (P2), der sich von einem Anschluss-Punkt (Q in 1) an das Verbindungsrohr (P3) zu dem Beigabeventil (20) und einer Innenpassage des Beigabeventils (20) erstreckt (wie beispielsweise einem Raum (Aufnahme-Zwischenraum) zwischen Ventilsitz-Abschnitt (25a) und Dichtungsabschnitt (26a) und ringförmigem Durchlassbereich (27)), wird nicht von dem Zirkulationsweg umfasst, der während des Rückführbetriebs gebildet wird. Folglich ist es unmöglich, den Dampf im Tank (12) dazu zu bringen, während des Rückführbetriebs in den in Flussrichtung nachgelagerten Bereich (P2a) und die Beigabeventil-Innenpassage zu fließen. Demzufolge kann die restliche Urea-Lösung in dem in Flussrichtung nachgelagerten Bereich (P2a) und in der Beigabeventil-Innenpassage nicht nur durch Ausführung des Rückführbetriebs ausgespeist werden. Speziell können die Injektionsöffnungen (25b) nicht geöffnet und die Urea-Lösung nicht beigegeben werden, falls zwischen dem Ventilsitz-Abschnitt (25a) und dem Dichtungsabschnitt (26a) auch nur geringfügiges Einfrieren auftritt.
Der Ausspeisebetrieb in Schritt (S36) wird unter Berücksichtigung dieses Punktes ausgeführt. Das bedeutet, unmittelbar nachdem der Rückführbetrieb abschließt, wird der Normaldrehvorgang der Pumpe (13a) für die vorbestimmte Zeit in dem Zustand ausgeführt, bei dem die Injektionsöffnungen (25b) des Beigabeventils (20) geöffnet werden. Folglich kann die restliche Urea-Lösung in der Beigabeventil-Innenpassage und dem in Flussrichtung nachgelagerten Bereich (P2a) durch den Dampf im Ausspeiserohr (P2) herausgedrückt und aus den Injektionsöffnungen (25b) abgelassen werden.
Während des Rückführbetriebs wird das Rückschlagventil (16) in den verschlossenen Zustand gebracht. Um die Urea-Lösung in einer kurzen Zeit auszuspeisen, wird der Antrieb des elektrischen Motors (13b) im Ausspeisebetreib (durch Steuerung) derart gesteuert, dass die Pumpe (13a) die maximale Ausspeisemenge ausschöpft.
Wenn der Ausspeisebetrieb ausgeführt wird, besteht Besorgnis, dass die Urea-Lösung im Tank (12) in das Saugrohr (P1) läuft und die Pumpe (13a) erreicht, so die Urea-Lösung innerhalb der Pumpe (13a) gefriert und die Pumpe (13a) beim nächsten Motorstart nicht funktioniert. Es besteht auch Besorgnis, dass es eine lange Zeit in Anspruch nimmt, die in der Pumpe (13a) gefrorene Urea-Lösung mit dem Elektroheizer (17) aufzutauen.
Demzufolge wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Saugrohr (P1) so ausgelegt, dass es länger ist, als die Weglänge des in Flussrichtung nachgelagerten Bereichs (P2a) und der Beigabeventil-Innenpassage. Mit einer solchen Konstruktion kann verhindert werden, dass die Urea-Lösung die Pumpe (13a) erreicht, wenn die dritte vorbestimmte Zeit (T3) abläuft und der Ausspeisebetrieb abschließt.
Im folgenden Schritt (S38) wird festgestellt, ob der AUS-Zustand des Zündschalters fortgesetzt wurde. Falls der Einschaltvorgang während des Ausspeisebetriebs ausgeführt wurde (S38: NEIN), wird festgestellt, dass der Fahrer beabsichtigte, den Motor erneut zu starten. In diesem Fall wird der Normaldrehvorgang (Ausspeisebetrieb) der Pumpe (13a) beendet und die Bestromung des Beigabeventils wird beendet, um die Injektionsöffnungen (25b) zu schließen (S43).
Falls der AUS-Zustand fortgesetzt wird (S38: JA), wird im folgenden Schritt (S39) festgestellt, ob der Ausspeisebetrieb der Pumpe (13a) für die dritte vorbestimmte Zeit (T3) fortgesetzt wurde, die zuvor bestimmt wird. Die dritte vorbestimmte Zeit (T3) wird auf die Zeit festgesetzt, die während des Ausspeisebetriebs zum Ausspeisen der restlichen Urea-Lösung in der Beigabeventil-Innenpassage und dem in Flussrichtung nachgelagerten Bereich (P2a) notwendig ist.
Falls der AUS-Zustand des Zündschalters fortgesetzt ist (S38: JA) und die dritte vorbestimmte Zeit (T3) nicht abgelaufen ist (S39: NEIN), wird der Ausspeisebetrieb fortgesetzt. Danach, wenn festgestellt wurde, dass die dritte vorbestimmte Zeit (T3) abgelaufen ist (S39: JA), wird der Normaldrehvorgang (Ausspeisebetrieb) der Pumpe (13a) beendet und die Bestromung des Beigabeventils (20) wird beendet, um die Injektionsöffnungen (25b) im folgenden Schritt (S40) zu schließen.
Also wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Dampf im Tank (12) dazu gebracht, während des Rückführbetriebs in das Ausspeiserohr (P2) zu fließen. Auf diese Weise kann der Rückführbetrieb so realisiert werden, dass die Innenseite des Ausspeiserohrs (P2) keinem Unterdruck ausgesetzt wird, während das Einfließen von Abgas und Außenluft verhindert wird. Da der Dampf im Tank (12) bei Sättigungsdampfdruck vorliegt, ist der Dampfdruck im Tank (12) höher als der Dampfdruck der Außenluft. Demzufolge kann ein Verdunsten des Wasseranteils in der Urea-Lösung vermindert werden und der Niederschlag des Urea-Anteils innerhalb des Ausspeiserohrs (P2), der Pumpe (13a) und dem Saugrohr (P1) kann unterdrückt werden. Folglich kann der Niederschlag des Urea-Anteils unterdrückt werden, während das Einfließen von Abgasbestandteilen zur Innenseite des Rohrs vermieden wird, wenn der Rückführbetrieb zum Rückführen der restlichen Urea-Lösung zum Tank (12) ausgeführt wird.
Das Übertragungsrohr (P3) wird während des Normalbetriebs mit dem Rückschlagventil (16) verschlossen. Folglich kann eine Verschwendung der Pumpentreibkraft vermieden werden, die hervorgerufen werden kann, wenn ein Teil der von der Pumpe (13a) gepumpten Urea-Lösung nicht zum Beigabeventil (20) gespeist, sondern durch das Übertragungsrohr (P3) zum Tank rückgeführt wird.
Unmittelbar nachdem der Rückführbetrieb endet, wird der Normaldrehvorgang (Ausspeisebetrieb) der Pumpe (13a) für die dritte vorbestimmte Zeit in dem Zustand ausgeführt, bei dem die Injektionsöffnungen (25b) geöffnet werden. Folglich kann die restliche Urea-Lösung in dem inneren Beigabeventil-Durchlassbereich und dem in Flussrichtung nachgelagerten Bereich (P2a) herausgedrückt und aus den Injektionsöffnungen (25b) abgelassen werden.
Der während des Rückführbetriebs gebildete Zirkulationsweg ist in dem hermetischen Zustand, da das Lüftungsventil (12a) schließt und die Injektionsöffnungen (25b) geschlossen werden. Demzufolge kann das Einfließen von trockener Außenluft in den Zirkulationsweg während des Rückführbetriebs vermieden werden. Dementsprechend kann von den Wirkungen, wie beispielsweise der Verringerung des Niederschlags des Urea-Anteils voll Gebrauch gemacht werden.
Der Zirkulationsweg wird während des Rückführbetriebs gebildet. Folglich können im Vergleich zu dem Fall, wo, wie in 9(a) gezeigt, das Ansaugen aus den Injektionsöffnungen (25b) ausgeführt wird, der Druckabfall verringert und die Ausspeisemenge der Pumpe (13a) erhöht werden. Demzufolge kann der Rückführbetrieb in einer kurzen Zeit abgeschlossen werden und der Energieverbrauch für den Pumpentrieb kann reduziert werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Als nächstes wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. In dem in 5 gezeigten, vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Umgehungsrohr (P4) zum Weiterführen der Urea-Lösung durch Umgehung des Rückschlagventils (16) an das Übertragungsrohr (P3) angeschlossen. An dem Umgehungsrohr (P4) ist eine Drosselblende (18) (Drossel) als Drosselabschnitt befestigt, um eine Durchflussmenge der Urea-Lösung auf eine vorbestimmte Menge oder darunter zu begrenzen. Die sonstige Konstruktion außer dem Umgehungsrohr (P4) und der Drosselblende (18) ist die gleiche wie bei dem vorbeschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist. Auch die Steuerungsinhalte des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die gleichen wie die in 3 und 4 gezeigten.
Da das Umgehungsrohr (P4) in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, fließt die aus der Pumpe (13a) ausgespeiste Urea-Lösung während des Normalbetriebs wie durch verkettete Linien in 5(a) dargestellt. Das bedeutet, ein großer Anteil aus der aus der Pumpe (13a) ausgespeisten Urea-Lösung wird an das Beigabeventil (20) gefördert und eine kleine Menge der Urea-Lösung läuft durch das Umgehungsrohr (P4) zum Tank (12) zurück. Also fließt ein Teil der aus der Pumpe (13a) ausgespeisten Urea-Lösung ständig durch das Übertragungsrohr (P4) über.
Ein Öffnungsgrad der Drosselblende (18) ist geringer gesetzt als ein Öffnungsgrad des Rückschlagventils (16) im Ventil-Öffnungszustand im Rückführbetrieb. Der Öffnungsgrad der Drosselblende (18) ist geringer gesetzt als ein Öffnungsgrad zwischen dem Ventilsitz-Abschnitt (25a) und dem Dichtungsabschnitt (26a) oder dem Öffnungsgrad der Injektionsöffnungen (25b) im Ventil-Öffnungszustand im Normalbetrieb.
Während des Rückführbetriebs wird das Rückschlagventil durch die Saugkraft (Unterdruck) der Pumpe (13a) in den Ventil-Öffnungszustand gebracht. Demzufolge, wie durch verkettete Linien in 5 dargestellt, wird der Dampf im Tank (12) durch das Übertragungsrohr (P3) zum Ausspeiserohr (P2) gesaugt und die im Ausspeiserohr (P2) verbleibende, flüssige Urea-Lösung wird durch die Pumpe (13a) angesaugt und in den Tank (12) zurückgeführt. Das bedeutet, während des Rückführbetriebs wird ein Zirkulationsweg derart gebildet, dass der Dampf im Tank (12) durch das Übertragungsrohr (P3), das Ausspeiserohr (P2) die Pumpe (13a) und das Saugrohr (P1) in dieser Reihenfolge fließt und zum Tank (12) zurückgeführt wird.
Da in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kolbenpumpe als Pumpe (13a) genutzt wird, tritt während des Normalbetriebs eine Druckpulsation im Ausspeiserohr (P2) auf. Wenn die Druckpulsation groß ist, variiert die Injektionsmenge aus den Injektionsöffnungen (25b) sogar, wenn die Ventilöffnungszeit des Beigabeventils (20) dieselbe ist, und dadurch wird eine genaue Steuerung der Beigabemenge behindert. Folglich verringert sich die Steuerbarkeit wenn die Rückkopplungs-Regelung des Antriebs des elektrischen Motors (13b) ausgeführt wird.
Im Hinblick auf diesen Punkt fließt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ständig ein Teil der aus der Pumpe (13a) ausgespeisten Urea-Lösung während des Normalbetriebs aus dem Übertragungsrohr (P3) über. Demgemäß kann die Druckpulsation der Urea-Lösung gehemmt werden, die in dem Ausspeiserohr (P2), der Innenpassage des Beigabeventils (20) und dergleichen hervorgerufen wird. Folglich kann die Beigabemenge an Urea-Lösung aus dem Beigabeventil (20) mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Als nächstes wird ein drittes Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird das Rückschlagventil (16) als das an dem Übertragungsrohr (P3) vorgesehene Öffnungs-/Schließ-Ventil benutzt. In dem in 6 gezeigten, dritten Ausführungsbeispiel wird anstelle des Rückschlagventils (16) ein elektromagnetisches Ventil (160) benutzt. Das elektromagnetische Ventil (160) wird durch die ECU (15) so gesteuert, dass das elektromagnetische Ventil (160) während des Normalbetriebs und des Ausspeisebetriebs schließt und sodass das elektromagnetische Ventil (160) während des Rückführbetriebs öffnet.
Die sonstige Konstruktion ist dieselbe wie bei dem vorbeschriebenen, in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Auch Steuerungsinhalte des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die gleichen wie jene in 3 und 4 gezeigten. Auch mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann von Wirkungen Gebrauch gemacht werden, die jenen des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich sind.
Das Umgehungsrohr (P4) und die Drosselblende (18) gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel können mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kombiniert werden, um eine in 7 gezeigte Konstruktion als modifiziertes Beispiel des vorliegenden Ausführungsbeispiels vorzusehen.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Als nächstes wird ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem vierten Ausführungsbeispiel wird die vorliegende Erfindung auf ein Abgasreinigungssystem angewendet, das, wie in 8 gezeigt, eine Kühlungseinrichtung (19) zum Kühlen des Beigabeventils (20) hat. Die in 8 dargestellte Kühlungseinrichtung (19) hat eine Einlassöffnung (19a) zum Einführen eines Motorkühlmittels zu einer Innenseite und eine Auslassöffnung (19b). Die Kühlungseinrichtung (19) ist dazu strukturiert, das Beigabeventil (20) durch Ausführung eines Wärmeaustauschs zwischen dem über die Einlassöffnung (19a) eingeführten Motorkühlmittel und dem Beigabeventil (20) zu kühlen.
Das elektromagentische Ventil (160) (Öffnungs-/Schließ-Ventil) ist in der Kühleinrichtung (19) vorgesehen. Folglich wird die Montierbarkeit des Öffnungs-/SchließVentils verbessert. Das Rückschlagventil kann als Öffnungs-Schließ-Ventil des vorliegenden Ausführungsbeispiels benutzt werden. Das Umgehungsrohr (P4) und die Drosselblende (18) gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel können mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kombiniert werden. In diesem Fall kann die Drosselblende (18) in der Kühlungseinrichtung (19) vorgesehen sein, um die Montierbarkeit der Drosselblende (18) zu verbessern.
(Andere Ausführungsbeispiele)
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sonder kann wie beispielsweise folgend modifiziert und implementiert werden. Weitere charakteristische Konstruktionen der jeweiligen Ausführungsbeispiele können beliebig kombiniert werden.
Bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist die vorliegende Erfindung auf einen in-line Typus angewandt, bei dem die Pumpeinheit (13) außerhalb des Tanks (12) angeordnet ist. Alternativ kann die vorliegende Erfindung bei einem im-Tank Typus angewandt werden, bei dem die Pumpeinheit innerhalb des Tanks (12) angeordnet ist.
In den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird Leistungssteuerung (duty control) des elektrischen Motors (13b) ausgeführt. Alternativ kann eine AN-AUS Steuerung ausgeführt werden, wie unten dargestellt. Das bedeutet, die Bestromung des elektrischen Motors (13b) wird ausgeschaltet, wenn der Messwert des Drucksensors (13c) (momentaner Druck) um zumindest einen vorbestimmten Betrag höher wird als der Solldruck. Die Bestromung des elektrischen Motors wird angeschaltet, wenn der momentane Druck um zumindest einen vorbestimmten Betrag geringer wird als der Solldruck.
In den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird eine Kolbenpumpe als die Pumpe (13a) benutzt. Alternativ kann eine andere Pumpe, wie beispielsweise eine Flügelradpumpe benutzt werden.
In der Pumpeinheit (13) der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele wird der elektrische Motor (13b) als Antriebsquelle für die Pumpe (13a) benutzt. Die Antriebsquelle ist nicht auf einen elektrischen Motor (13b) beschränkt. Alternativ kann die Pumpe (13a) zum Beispiel mit einer Triebkraft des Verbrennungsmotors angetrieben werden.
In einer nicht dargestellten Variante kann die Pumpeinheit (13) eine andere Kinematik aufweisen und zum Beispiel statt Drehungen lineare Hubbewegungen ausführen. Der Antrieb der Pumpeinheit kann variieren und zum Beispiel als fluidischer Antrieb (Zylinder o.dgl.) ausgebildet sein, wobei die Umschaltung zwischen Förder- oder Hubrichtungen über Ventile erfolgt. Maßgeblich ist, dass die Pumpeinheit einen Förderhub für die Urea-Lösung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ausführen kann.
Die vorliegende Erfindung sollte nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt werden, sondern sie kann auf viele andere Arten implementiert werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den Ansprüchen definiert ist.
Bezugszeichenliste

P1: Saugrohr
P2: Ausspeiserohr
P2a: In Flussrichtung nachgelagerter Bereich
P3: Übertragungsrohr
P4: Umgehungsrohr
10: Abgasrohr
10a: Abgaspassage
11: Katalysatoreinrichtung
11a: NO_x Sensor
12: Tank
12a: Lüftungsventil
12b: Oberer Deckel
13: Pumpeinheit
13a: Pumpe
13b: Elektrischer Motor
13c: Drucksensor
14: Filter
15: ECU (Steuerungseinrichtung)
16: Rückschlagventil
16a: Ventilelement
16b: Vorspannelement
160: Elektromagnetisches Ventil
17: Elektroerhitzer (Heizeinrichtung)
18: Drosselblende (Drossel)
19: Kühlungseinrichtung
19a: Einlassöffnung
19b: Auslassöffnung
20: Beigabeventil
21: Gehäuse
22: Zuflusselement
22a: Speiseanschluss
23: Filter
24: Düsenhalterung
25: Düsenkörper
25a: Ventilsitz-Abschnitt
25b: Injektionsöffnung
26: Nadel (Ventilelement)
26a: Dichtungsabschnitt
27: Ringförmiger Durchlassbereich
40: Antriebsabschnitt
41: Spule
42: Fester Magnetkern
43: Beweglicher Magnetkern
48: Feder
50: Außenluft-Einleitungsventil

Claims

Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, wobei dieser umfasst: eine Pumpe (13a), die in einem Tank (12) gespeicherte Urea-Lösung pumpt; ein Saugrohr (P1), das an einer Ansaugseite der Pumpe (13a) angeschlossen ist; ein Ausspeiserohr (P2), das an eine Ausspeiseseite der Pumpe (13a) angeschlossen ist; ein Beigabeventil (20), das Urea-Lösung, die durch das Ausspeiserohr (P2) gepumpt wird, in ein Abgasrohr (10) des Verbrennungsmotors beigibt; eine Steuerungseinrichtung (15), die umschaltet zwischen einem Normalbetrieb zum Speisen der Urea-Lösung an das Beigabeventil (20) durch Veranlassung der Pumpe (13a), einen Normaldrehvorgang oder Normalhubvorgang auszuführen, und einem Rückführbetrieb zum Rückführen der Urea-Lösung im Ausspeiserohr (P2) zum Tank (12) durch Veranlassung der Pumpe, einen Rückdrehvorgang oder Rückhubvorgang auszuführen; und ein Übertragungsrohr (P3), das den Tank (12) mit dem Ausspeiserohr (P2) verbindet, wobei sich ein nachgelagerter Bereich (P2a) des Ausspeiserohrs (P2) von einem Punkt (Q), an dem das Übertragungsrohr (P3) angeschlossenen ist, zu dem Beigabeventil und zu einem inneren Durchlassbereich des Beigabeventils erstreckt, wobei das Abgasreinigungssystem so konstruiert ist, dass Dampf im Tank (12) durch eine Saugkraft der Pumpe (13a), die während des Rückführbetriebs einen Rückdrehvorgang ausführt, durch das Übertragungsrohr (P3) hindurch zum Ausspeiserohr (P2) gesaugt wird, dadurch gekennzeichnet , dass das Saugrohr (P1) so ausgelegt ist, dass es länger ist, als die Weglänge des in Flussrichtung nachgelagerten Bereichs (P2a) des Ausspeiserohrs (P2) und der Beigabeventil-Innenpassage, wobei die Steuerungseinrichtung (15) einen Ausspeisebetrieb ausführt nachdem der Rückführbetrieb endet, um die Pumpe (13a) für eine vorbestimmte Zeit einen Normaldrehvorgang ausführen zu lassen, in einem Zustand, bei dem eine Injektionsöffnung (25b) des Beigabeventils (20) geöffnet wird, sodass die restliche Urea-Lösung in dem inneren Durchlassbereich des Beigabeventils und in dem in Flussrichtung nachgelagerten Bereich (P2a) durch den Dampf in dem Ausspeiserohr herausgedrückt und aus der Injektionsöffnung ausgelassen werden.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein Öffnungs-/Schließ-Ventil (16,160), das an dem Übertragungsrohr (P3) vorgesehen ist und das zum Öffnen des Übertragungsrohrs (P3) während des Rückführbetriebs und zum Verschließen des Übertragungsrohrs (P3) während des Normalbetriebs wirkt.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: ein an dem Übertragungsrohr (P3) angeschlossenes Umgehungsrohr (P4), zum derartigen Leiten der Urea-Lösung, dass die Urea-Lösung das Öffnungs-/Schließ-Ventil (16,160) umgeht; und einen am Umgehungsrohr (P4) vorgesehenen Drosselabschnitt (18) zum Drosseln einer Durchflussmenge der Urea-Lösung auf eine vorbestimmte Menge oder darunter.
Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Abgasreinigungssystem während des Rückführvorgangs einen Zirkulationsweg vorsieht, wobei der Zirkulationsweg zumindest den Tank (12), das Übertragungsrohr (P3), das Ausspeiserohr (P2), das Beigabeventil (20) und die Pumpe (13a) umfasst und wobei der Zirkulationsweg hermetisch ist, um das Einfließen von Gas von außen zu verhindern.
Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerungseinrichtung (15) den Rückführbetrieb (S33) unter der Bedingung (S32) ausführt, dass eine vorbestimmte Zeit (T1) nach dem Betriebsende des Verbrennungsmotors abgelaufen ist.