DE102015215560A1 - Reducing agent supply unit for a selective catalytic reduction with optimized fluid heating in the vehicle area - Google Patents
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Abstract
Eine Reduktionsmittelzufuhreinheit reduziert Stickoxid(NOx)-Emissionen von einem Fahrzeug. Die Zufuhreinheit umfasst eine Spulen-betriebene Fluid-Einspritzdüse mit einem Fluid-Einlass und einem Fluid-Auslass. Der Einlass nimmt eine Menge des Reduktionsmittels auf und der Auslass kommuniziert mit einem Abgasströmungspfad des Fahrzeuges, so dass die Fluid-Einspritzdüse eine Injektion des Reduktionsmittels in den Abgasströmungspfad steuert. Die Fluid-Einspritzdüse weist ein Einlass-Rohr auf, um das Reduktionsmittel zwischen dem Einlass und dem Auslass umzulenken. Eine Spulenheizung ist integral mit der Fluid-Einspritzdüse ausgebildet und ist derart konstruiert und angeordnet, um das Einlass-Rohr und somit wenigstens ein Teil des Reduktionsmittels induktiv zu erhitzen, so dass ein nicht-erhitztes Volumen des Reduktionsmittels in dem Einlass-Rohr, welches an den Fluid-Auslass angrenzt, weniger als etwa 100 Kubikmillimeter beträgt.A reductant delivery unit reduces nitrogen oxide (NOx) emissions from a vehicle. The supply unit comprises a spool-driven fluid injector having a fluid inlet and a fluid outlet. The inlet receives an amount of the reductant and the outlet communicates with an exhaust flow path of the vehicle such that the fluid injector controls injection of the reductant into the exhaust flow path. The fluid injector has an inlet tube for diverting the reductant between the inlet and the outlet. A coil heater is integrally formed with the fluid injector and is constructed and arranged to inductively heat the inlet tube and thus at least a portion of the reductant, such that an unheated volume of the reductant in the inlet tube, which adjacent to the fluid outlet is less than about 100 cubic millimeters.
Description
Gebietarea
Die Erfindung betrifft eine Reduktionsmittelzufuhreinheit (RDU = Reductant Delivery Unit), welche einem Motorabgassystem ein Reduktionsmittel zuführt, und insbesondere eine RDU, welche direkt im Wesentlichen ein gesamtes Volumen des Reduktionsmittels kurz vor dem Einspritzen erhitzt.The invention relates to a reductant delivery unit (RDU) which supplies a reducing agent to an engine exhaust system, and more particularly to an RDU which directly heats substantially a total volume of the reductant just prior to injection.
Hintergrundbackground
Das Aufkommen einer neuen strengen Abgasgesetzgebung in Europa und Nordamerika treibt die Umsetzung neuer Abgasnachbehandlungssysteme voran, insbesondere für Magermotor-Technologien wie zum Beispiel Selbstzünder(Diesel-)-Motoren und Schichtladungs-Otto-Motoren (gewöhnlicherweise mit Direkteinspritzung), welche unter mageren und ultra-mageren Verbrennungsbedingungen arbeiten. Magermotoren weisen hohe Anteile an Stickoxid(NOx)-Emissionen auf, welche in für eine Magermotorverbrennung charakteristischen sauerstoffreichen Abgasumgebungen schwierig zu handhaben sind. Momentan werden Abgasnachbehandlungstechnologien entwickelt, welche NOx unter diesen Bedingungen behandeln. Eine dieser Technologien umfasst einen Katalysator, welcher die Reaktionen von Ammoniak (NH3) mit den Abgas-Stickoxiden (NOx) zur Erzeugung von Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) ermöglicht. Diese Technologie wird als selektive katalytische Reduktion (SCR) bezeichnet.The advent of a new stringent exhaust emissions legislation in Europe and North America is driving the adoption of new exhaust after-treatment systems, particularly for lean-burn engine technologies such as diesels (diesel) engines and stratified charge spark-ignition engines (usually with direct injection) operating under lean and ultra-rich engines. working lean combustion conditions. Lean engines have high levels of nitrogen oxide (NOx) emissions, which are difficult to handle in lean-burn exhaust gas atmospheres that are characteristic of lean-burn combustion. Currently, exhaust aftertreatment technologies are being developed which treat NOx under these conditions. One of these technologies includes a catalyst that enables the reactions of ammonia (NH 3 ) with the exhaust oxides of nitrogen (NOx) to produce nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O). This technology is referred to as Selective Catalytic Reduction (SCR).
Ammoniak ist in seiner reinen Form in der Fahrzeugumgebung schwierig zu handhaben. Daher ist es bei diesen Systemen üblich, eine flüssige wässrige Harnstofflösung zu verwenden, und zwar typischerweise in einer 32%-igen Konzentration der Harnstofflösung (CO(NH2)2). Die Lösung wird als AUS-32 bezeichnet und ist außerdem unter ihrem kommerziellen Namen AdBlue bekannt. Die Harnstofflösung wird dem heißen Abgasstrom zugeführt und wird nach Durchlaufen einer Thermolyse in Ammoniak im Abgas umgewandelt, oder nach Durchlaufen einer thermischen Zersetzung in Ammoniak und Isocyansäure (HNCO) umgewandelt. Die Isocyansäure durchläuft dann mit dem im Abgas vorhandenen Wasser eine Hydrolyse und wird in Ammoniak und Kohlenstoffdioxid (CO2) umgewandelt. Das aus der Thermolyse und der Hydrolyse resultierende Ammoniak durchläuft dann eine katalytische Reaktion mit den Stickoxiden, wie zuvor beschrieben wurde.Ammonia in its pure form is difficult to handle in the vehicle environment. Therefore, it is common in these systems to use a liquid aqueous urea solution, typically in a 32% concentration of the urea solution (CO (NH 2 ) 2 ). The solution is referred to as AUS-32 and is also known by its commercial name AdBlue. The urea solution is fed to the hot exhaust stream and, after undergoing thermolysis, is converted to ammonia in the exhaust gas, or converted into ammonia and isocyanic acid (HNCO) after undergoing thermal decomposition. The isocyanic acid then undergoes hydrolysis with the water present in the exhaust gas and is converted into ammonia and carbon dioxide (CO2). The ammonia resulting from the thermolysis and the hydrolysis then undergoes a catalytic reaction with the nitrogen oxides, as previously described.
Bei heutigen Herstellungssystemen wird die RDU typischerweise unter der Fahrzeugkarosserie an einer stromabwärtigen Stelle am Abgasstrang befestigt. Dies führt zu relativ niedrigen Temperaturen am SCR-Katalysator, längeren Anspringzeiten (des Katalysators), und einer geringen Umwandlungswirksamkeit für das NOx. Die niedrigeren Abgastemperaturen (das heißt geringere Enthalpie) verhindern außerdem die thermische Zersetzung der Harnstoff-Thermolysereaktion, oder, im Fall des Thermolyse-HNCO-Beiprodukts, die niedrigen Temperaturen verhindern außerdem die Hydrolysereaktion. Das Ergebnis ist das Vorhandensein von überschüssigem Harnstoff und/oder HNCO beim SCR-Katalysator und eine unzureichende Menge von Ammoniak für eine Beteiligung bei den NOx-Reduktionsreaktionen. Eine gute beispielhafte Darstellung dieser Situation findet sich in
In der Industrie finden außerdem Untersuchungen hinsichtlich des Potentials alternativer Reduktionsmittel statt. Einige dieser Mittel (zum Beispiel Guanidinium-Formiat) weisen höhere Zersetzungstemperaturen auf als die von Harnstoff. Damit diese Alternativen brauchbar sind, erfordern sie ein Vorerhitzen, typischerweise in einem dedizierten Reformer, welcher in einem Bypassströmungsabschnitt abseits vom Hauptabgasstrang angeordnet ist. Eine Beschreibung einer solchen Vorgehensweise findet sich in
Mit Bezug auf
Somit besteht ein Bedarf zum direkten Erhitzen eines Reduktionsmittels in einer Einspritzdüse näher am Dosierpunkt, um einen effizienteren Wärmetransfer sicherzustellen und die gewünschte Reduktionsmitteltemperatur zu erzeugen, um so die Zeit zu verringern, welche erforderlich ist, um das nicht-erhitzte Reduktionsmittel zu entfernen.Thus, there is a need to directly heat a reductant in an injector closer to the metering point to ensure more efficient heat transfer and to produce the desired reductant temperature so as to reduce the time required to remove the unheated reductant.
ZusammenfassungSummary
Es ist ein Gegenstand der Erfindung, die oben bezeichneten Anforderungen zu erfüllen. In Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel durch Bereitstellen einer Reduktionsmittelzufuhreinheit zur Reduktion von Stickoxid(NOx)-Emissionen von einem Fahrzeug erzielt. Die Reduktionsmittelzufuhreinheit umfasst eine Spulen-betriebene Fluid-Einspritzdüse mit einem Fluid-Einlass und einem Fluid-Auslass. Der Fluid-Einlass ist derart ausgebildet und angeordnet, um eine Menge eines Reduktionsmittels aufzunehmen, wobei der Fluid-Auslass derart ausgebildet und angeordnet ist, um mit einem Abgasströmungspfad des Fahrzeuges zu kommunizieren, so dass die Fluid-Einspritzdüse eine Injektion von Reduktionsmittel in den Abgasströmungspfad steuert. Die Fluid-Einspritzdüse weist ein Einlassrohr auf, um das Reduktionsmittel zwischen dem Fluid-Einlass und dem Fluid-Auslass umzuleiten. Eine Spulenheizung ist integral mit der Fluid-Einspritzdüse ausgebildet und ist derart konstruiert und angeordnet, um bei Energetisierung das Einlassrohr zu erhitzen, um dadurch das Reduktionsmittel innerhalb des Einlassrohrs zu erhitzen. Ein Spulenheizunggehäuse umgibt einen Abschnitt der Spulenheizung. Eine Vergussstruktur bedeckt das Spulenheizunggehäuse in Vergussweise. Ein Einspritzdüsengehäuse bedeckt wenigstens einen Abschnitt der Vergussstruktur und ist derart ausgebildet und angeordnet, um eine dichtende Verbindung mit der Vergussstruktur aufgrund des Fehlens eines O-Rings zu bilden, so dass ein Ende der Spulenheizung im Allgemeinen angrenzend an den Fluid-Auslass der Einspritzdüse angeordnet ist.It is an object of the invention to meet the above-identified requirements. In accordance with the principles of the present invention, this object is achieved by providing a reductant delivery unit for reducing nitrogen oxide (NOx) emissions from a vehicle. The reductant delivery unit includes a coil driven fluid injector having a fluid inlet and a fluid outlet. The fluid inlet is configured and arranged to receive an amount of reductant, wherein the fluid outlet is configured and arranged to communicate with an exhaust flow path of the vehicle such that the fluid injector injects reductant into the exhaust flow path controls. The fluid injector has an inlet tube for diverting the reductant between the fluid inlet and the fluid outlet. A coil heater is integrally formed with the fluid injector and is constructed and arranged to heat the inlet tube upon energization to thereby heat the reductant within the inlet tube. A coil heater housing surrounds a portion of the coil heater. A potting structure covers the coil heater housing in potting. An injector housing covers at least a portion of the potting structure and is configured and arranged to form a sealing connection with the potting structure due to the absence of an O-ring such that an end of the coil heater is disposed generally adjacent the fluid outlet of the injector ,
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt einer offenbarten Ausführungsform führt ein Verfahren ein Reduktionsmittel zu, um Stickoxid(NOx)-Emissionen von einem Fahrzeug zu reduzieren. Das Verfahren ordnet eine Spulen-betriebene Fluid-Einspritzdüse dem Abgasströmungspfad zu. Die Fluid-Einspritzdüse weist einen Fluid-Einlass und einen Fluid-Auslass auf. Der Fluid-Einlass nimmt eine Menge eines Reduktionsmittels auf. Der Fluid-Auslass kommuniziert mit dem Abgasströmungspfad. Die Fluid-Einspritzdüse weist ein Einlassrohr auf, um das Reduktionsmittel zwischen dem Fluid-Einlass und dem Fluid-Auslass umzuleiten. Wenigstens ein Teil des Reduktionsmittels wird erhitzt, während es sich in dem Einlassrohr befindet, so dass ein nicht-erhitztes Volumen des Reduktionsmittels in dem Einlassrohr, welches an den Fluid-Auslass angrenzt, weniger als etwa 100 mm3 beträgt. Die Fluid-Einspritzdüse wird betrieben, um das Reduktionsmittel in den Abgasströmungspfad zu injizieren.In accordance with another aspect of a disclosed embodiment, a method supplies a reductant to reduce nitrogen oxide (NOx) emissions from a vehicle. The method assigns a coil-operated fluid injector to the exhaust flow path. The fluid injector has a fluid inlet and a fluid outlet. The fluid inlet receives an amount of a reducing agent. The fluid outlet communicates with the exhaust gas flow path. The fluid injector has an inlet tube for diverting the reductant between the fluid inlet and the fluid outlet. At least a portion of the reductant is heated while in the inlet tube such that an unheated volume of reductant in the inlet tube adjacent the fluid outlet is less than about 100 mm 3 . The fluid injection nozzle is operated to inject the reducing agent into the exhaust gas flow path.
Weitere Gegenstände, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung als auch die Verfahren zum Betrieb und die Funktionen der entsprechenden Strukturelemente, die Kombination von Teilen und die Wirtschaftlichkeit der Herstellung werden unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung und der angefügten Ansprüche mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich, welche alle einen Teil dieser Spezifikation bilden.Further objects, features and characteristics of the present invention as well as the methods of operation and the functions of the respective structural elements, the combination of parts and the economy of manufacture will become more apparent upon a consideration of the following detailed description and the appended claims, with reference to the accompanying drawings , which all form part of this specification.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen davon in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile kennzeichnen, wobei:The invention will be better understood from the following detailed description of the preferred embodiments thereof, taken in conjunction with the accompanying drawings, wherein like numerals denote like parts, and wherein:
Detaillierte Beschreibung der beispielhaften AusführungsformenDetailed Description of the Exemplary Embodiments
Mit Bezug auf
Die RDU
Die Fluid-Einspritzdüse
Eine Einspritzdüsenabschirmung
Die Harnstofflösung
Um die Harnstofflösung bei Bedarf und vor dem Einspritzen zu erhitzen, ist eine Induktiv-Spulenheizung
Das Umpositionieren der Spulenheizung ist als ein Ergebnis der Funktionsauswertung des unteren O-Rings
Ein Vorteil der Ausführungsform aus
Es ist zu erwarten, dass die Umsetzung dieser Ausführungsformen die Zeitdauer bis zur Injektion des heißen Fluids in das Abgas verringert, mit einer daraus folgenden Reduktion hinsichtlich der Kaltstart-NOx-Emissionen.It is anticipated that the implementation of these embodiments will reduce the time to injection of the hot fluid into the exhaust, with a consequent reduction in cold start NOx emissions.
Obwohl Harnstofflösung als das Reduktionsmittel
Obwohl die RDU
Die vorangegangenen bevorzugten Ausführungsformen wurden für die Zwecke der Darstellung der strukturellen und funktionalen Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgezeigt und beschrieben, als auch zur Darstellung der Verfahren zum Anwenden der bevorzugten Ausführungsformen, und sind ohne einer Abkehr von solchen Prinzipien änderbar. Deshalb umfasst diese Erfindung alle Modifikationen, welche vom Grundgedanken der folgenden Ansprüche umfasst sind.The foregoing preferred embodiments have been shown and described for the purposes of illustrating the structural and functional principles of the present invention, as well as illustrating the methods of practicing the preferred embodiments, and are alterable without departing from such principles. Therefore, this invention includes all modifications which are included within the spirit of the following claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6685112 [0019] US 6685112 [0019]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- SAE 2007-01-1582: „Laboratory and engine study of urea-related deposits in diesel urea-SCR aftertreatment systems” (Labor- und Motorstudie hinsichtlich Harnstoff-bezogener Ablagerungen bei Diesel-Harnstoff-SCR-Nachbehandlungssystemen) [0004] SAE 2007-01-1582: "Laboratory and engine study of urea-related deposits in diesel urea SCR aftertreatment systems" (Laboratory and Engine Study on Urea-Related Deposits in Diesel-Urea SCR Aftertreatment Systems) [0004]
- SAE 2012-01-1078, „Development of a third generation SCR NH3-direct dosing system for highly efficient DeNOx” (Entwicklung eines 3G SCR NH3-Direktdosiersystems für ein hoch-wirksames DeNOx) [0005] SAE 2012-01-1078, "Development of a third generation SCR NH3-direct dosing system for highly efficient DeNOx" (Development of a 3G SCR NH3 Direct Dosing System for a Highly Efficient DeNOx) [0005]
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