DE102015216563A1

DE102015216563A1 - Flüssigkeitsgekühlte reduktionsmitteldosiereinheit

Info

Publication number: DE102015216563A1
Application number: DE102015216563.9A
Authority: DE
Inventors: Stephen C. Bugos; Christopher Caulkins; Josh Lee Hatfield; James A. Wynn; Michael J. Hornby; Keith Aaron Shaw; Robert Wayne McFarland
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Vitesco Technologies USA LLC
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2016-03-24
Anticipated expiration: 2035-09-01
Also published as: US9617884B2; KR101741242B1; US20160084129A1; CN105443208B; JP2016061297A; KR20160033619A; DE102015216563B4; ITUB20153630A1; JP6099714B2; CN105443208A

Abstract

Eine flüssigkeitsgekühlte Reduktionsmitteleinheit umfasst ein Injektionsventil für Dieselabgasfluid (DEF). Das Ventil umfasst ein Gehäuse, das darin eine längliche Kammer bildet. Das Ventil ist so konfiguriert, dass es ein DEF empfängt und das DEF durch die Kammer zwingt, damit es aus der Kammer austritt und das DEF wird dann zu einem Abgasstrom eines Fahrzeugmotors geleitet und auf diesen angewandt. Ein Kühlmantel wird selektiv mit einem Kühlmittel gefüllt und hat eine Außenseite und eine Innenseite. Die Innenseite des Mantels liegt gegenüber einer Länge des Ventilkörpers und ist durch einen Luftspalt von der Länge des Ventilkörpers getrennt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung bezieht sich allgemein auf Abgassysteme und spezifischer auf die Kühlung von Abgassystemen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Strenge Emissionsstandards in Europa und Nordamerika verlangen von Automobilherstellern, von Fahrzeugen produzierte Emissionen zu reduzieren. Es sind verschiedene Technologien entwickelt worden, um diese Emissionen zu reduzieren.
Zum Beispiel weisen einige Dieselmotoren ein hohes Maß an Stickoxid-(NOx)-Emissionen auf. Es sind Ansätze der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) eingesetzt worden, um Stickoxide in Stickstoff, N₂, und Wasser, H₂O, umzuwandeln.
Bei SCR-Ansätzen wird eine Reduktionsmittelzufuhreinheit (RDU) verwendet, um ein Dieselabgasfluid-(DEF)-Reduktionsmittel in den Abgasstrom eines Motors zu injizieren. Zum Beispiel wird dem Abgasstrom von der RDU Harnsäure hinzugefügt und es bilden sich verschiedene Nebenprodukte wie Kohlendioxid und Wasser. Ammoniak ist ein gewünschtes Nebenprodukt und verwandelt das Stickoxid (NOx) in Verbindung mit einem Katalysator in harmloses Wasser und harmlosen Stickstoff.
Die RDU hat einen DEF-Injektor, der in einigen Fällen von einem Flüssigkeitsmantel gekühlte Flüssigkeit ist. Ein Hot-Soak-Zustand tritt auf, wenn das Fahrzeug läuft, dann aber abgeschaltet wird und kein flüssiges Kühlmittel durch den Mantel fließt. Während Hot-Soak-Zuständen wird die Wärme des Abgassystems in die RDU geleitet. Wenn das Fahrzeug bei hoher Last betrieben und dann abgeschaltet wird, kann dieser Hot Soak das Kühlmittel zum Kochen bringen, was zu uneingeschränkten Temperaturen in der RDU und darauf folgendes Übertemperieren von DEF im Injektor führt. Wenn das DEF übertemperiert ist, bildet es harte unlösliche Nebenprodukte, die sich negativ auf die Leistung des DEF-Injektors auswirken.
DEF gefriert auch bei einer höheren Temperatur als das Kühlmittel. Unter solchen Umständen könnte eine aufgewärmte Harnsäure während ihres Wegs durch einen DEF-Injektor gefroren werden, wenn ein intimer Kontakt zwischen dem Mantel und dem Körper des Ventils besteht, und wenn die Kühltemperatur unter dem Gefrierpunkt des DEF liegt.
In dem Maße, in dem diese Probleme überhaupt angesprochen worden sind, sind die vorstehenden Probleme in früheren Ansätzen unangemessen angesprochen worden. Als Folge hat dies zu einiger Unzufriedenheit der Benutzer geführt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um ein vollständigeres Bild von der Offenbarung zu erhalten, ist auf die folgende detaillierte Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen Bezug zu nehmen, wobei:
1 ein Blockdiagramm einer flüssigkeitsgekühlten SCR-RDU, angebracht an einem Abgasrohr gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 eine Isometrie einer flüssigkeitsgekühlten RDU gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst;
3 eine Nahansicht einer Kühlmantel-/DEF-Injektor-Schnittstelle mit einem Luftspalt zwischen dem inneren Kühlmantel und dem DEF-Injektorventilkörper gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst;
4 ein Blockdiagramm einer flüssigkeitsgekühlten SCR-RDU und den in der Vorrichtung vorhandenen Wärmeübertragungseigenschaften gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst;
Ein Fachmann wird erkennen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit und Klarheit halber dargestellt sind. Es wird weiter anerkannt werden, dass bestimmte Handlungen und/oder Schritte möglicherweise in einer bestimmten Eintrittsreihenfolge beschrieben oder dargestellt werden, während ein Fachmann verstehen wird, dass eine solche Spezifität in Bezug auf die Reihenfolge nicht tatsächlich erforderlich ist. Es wird auch anerkannt werden, dass die in diesem Dokument verwendeten Begriffe und Ausdrücke die übliche Bedeutung haben, wie sie solchen Begriffen und Ausdrücken in Bezug auf ihre entsprechenden jeweiligen Befragungs- und Studiengebieten zugewiesen wird, wenn nicht spezifische Bedeutungen in diesem Dokument anderweitig festgelegt worden sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegenden Ansätze erhöhen die Fähigkeit eines flüssigkeitsgekühlten RDU-Injektors, durch Isolieren des DEF-Injektors vom Kühlmantel zu widerstehen, Dieselabgas-Kraftstoff (DEF) zum Kochen und Gefrieren zu bringen. Die vorliegenden Ansätze verwenden nicht-intimen Kontakt (z. B. wie durch einen Luftspalt geboten) zwischen dem Injektor und dem Kühlmantel, um dem Injektor zu ermöglichen, während Temperaturexkursionen vom Kühlmantel isoliert zu bleiben.
In einem Beispiel und während Hot-Soak-Zuständen ist das DEF im Injektor nicht überhitzt. Unter anderen Umständen, wenn die Temperatur kalt genug ist, um dafür zu sorgen, dass die Temperatur des Kühlmittels innerhalb des Kühlmantels unter dem Gefrierpunkt des DEF ist, verhindert der nicht-intime Kontakt das Gefrieren des DEF, während es das DEF-Ventil passiert.
In vielen dieser Ausführungsformen umfasst eine flüssigkeitsgekühlte Reduktionsmitteleinheit ein Injektionsventil für Dieselabgasfluid (DEF). Das Ventil umfasst ein Gehäuse, das darin eine längliche Kammer bildet. Das Ventil ist so konfiguriert, dass es ein DEF empfängt und das DEF durch die Kammer zwingt, damit es aus der Kammer austritt und das DEF wird dann zu einem Abgasstrom eines Fahrzeugmotors geleitet und auf diesen angewandt.
Ein Kühlmantel wird selektiv mit einem Kühlmittel gefüllt und hat eine Außenseite und eine Innenseite. Die Innenseite des Mantels liegt gegenüber einer Länge des Ventilkörpers und ist durch einen Luftspalt von der Länge des Ventilkörpers getrennt.
Bei einigen Aspekten gibt ein Kühlmitteleinlass Kühlmittel an den Kühlmantel ab. Ein Kühlmittelauslass kann verwendet werden, um dem Kühlmittel zu ermöglichen, aus dem Kühlmantel auszutreten.
In anderen Beispielen gibt ein DEF-Einlass DEF in das DEF-Ventil ab. Das DEF kann ein Reduktionsmittel sein.
In einigen anderen Beispielen verhindert der Luftspalt effektiv, dass Kühlmittel unter Hot-Soak-Zuständen zum Kochen anfängt. Bei anderen Aspekten verhindert der Luftspalt effektiv, dass das DEF durch den Ventilkörper gefriert.
Bei anderen dieser Ausführungsformen umfasst ein Emissionssystem in einem Fahrzeug einen Motor, der einen Abgasstrom erzeugt. Eine flüssigkeitsgekühlte Reduktionsmitteleinheit (RDU) wird bereitgestellt und die Einheit umfasst ein Injektionsventil für Dieselabgasfluid (DEF). Das Ventil hat ein Ventilgehäuse, das darin eine längliche Kammer bildet, und das Ventil ist so konfiguriert, dass es ein DEF empfängt und das DEF durch die Kammer zwingt, damit es aus der Kammer austritt. Das DEF wird dann auf den Abgasstrom eines Fahrzeugmotors gerichtet und auf diesen angewandt.
Ein Kühlmantel wird selektiv mit einem Kühlmittel gefüllt, und der Kühlmantel hat eine Außenseite und eine Innenseite. Die Innenseite des Mantels liegt gegenüber einer Länge des Ventilkörpers und ist durch einen Luftspalt von der Länge des Ventilkörpers getrennt.
Ein Abgasrohr empfängt den Abgasstrom, nachdem das DEF in den Strom injiziert wurde. Durch die Injektion des DEF in den Strom bildet sich ein modifizierter Abgasstrom, der zumindest eine staatliche Emissionsregelung erfüllt.
Jetzt Bezug nehmend auf 1, 2, und 3 wird ein Beispiel für eine flüssigkeitsgekühlte SCR-RDU 100, angebracht an einem Abgasrohr, beschrieben. Die RDU 100 umfasst ein Ventil oder einen DEF-Injektor 102. Die Funktion des Ventils oder DEF-Injektors 102 ist es, Reduktionsmittel (z. B. DEF) in den Abgasstrom des Motors zu injizieren. Das Ventil 102 hat einen Ventilkörper 104. Ein DEF-Einlass 106 liefert DEF an das Ventil 102. Ein Kühlmantel 108 umgibt den Ventilkörper 104.
Der Kühlmantel 108 umfasst eine Innenseite 110 und eine Außenseite 112. Ein Kühlmitteleinlass 114 ermöglicht, dass Kühlmittel 119 in den Kühlmantel 108 fließt. Ein DEF-Injektor-Stromanschluss 118 wird verwendet, um die Einheit mit Strom zu versorgen. Eine Anordnung aus RDU-Flansch, Montagestutzen und Klemme 120 koppelt die RDU an ein Abgasrohr 122. Das Abgasrohr ist an einen Motor 124 gekoppelt. Ein Luftspalt 130 ist zwischen der Innenseite 110 des Kühlmantels 108 und dem Ventilkörper 104 vorhanden. In einem Beispiel ist die Strecke des Luftspalts ungefähr 0,3 mm. Es sind andere Beispiele für Trennungsstrecken möglich. Ein Kühlmitteleinlass 126 lässt Kühlmittel 109 in den Mantel 108, während ein Kühlmittelauslass 128 Kühlmittel austreten lässt.
Der Luftspalt 130 entkoppelt das Ventil 102 effektiv vom Kühlmantel 108 und führt zu einer nicht-intimen Verbindung (nicht berührenden Verbindung) zwischen diesen beiden Elementen. Vorteilhafterweise erhöht diese Konfiguration die Fähigkeit des Injektors, durch Isolieren des DEF-Injektors vom Kühlmantel zu widerstehen, Dieselabgas-Kraftstoff (DEF) zum Kochen und Gefrieren zu bringen.
In einem Beispiel für den Betrieb des Systems in den 1–3 ist der Kühlmantel 108 selektiv mit einem Kühlmittel gefüllt. Die Innenseite 110 des Mantels 108 liegt gegenüber einer Länge des Ventilkörpers 104 und ist durch den Luftspalt 130 von der Länge des Ventilkörpers 104 getrennt. Während des normalen Betriebs der flüssigkeitsgekühlten RDU 100 ist der DEF-Injektor 102 durch den Mantel 108 (der mit Motorkühlmittel versorgt wird) vom umgebenden Umfeld getrennt. Die durch den Luftspalt 130 gebotene Isolierung wird genutzt, um das DEF in einer Spanne unter seinem atmosphärischen Siede- und Wärmezersetzungspunkt zu halten, während es in einer Umgebung ist, die viel heißer als der atmosphärische Siedepunkt des DEF ist.
Spezifischer und während Hot-Soak-Zuständen ist das DEF, das das Ventil 102 passiert, nicht überhitzt. Unter anderen Umständen, wenn die Temperatur kalt genug ist, um dafür zu sorgen, dass die Temperatur des Kühlmittels innerhalb des Kühlmantels 108 unter dem Gefrierpunkt des DEF ist, verhindert der durch den Luftspalt 130 gebotene nicht-intime Kontakt das Gefrieren des DEF, während es durch das Ventil 102 läuft. Diese Vorteile, wie sie von den vorliegenden Ansätzen geboten werden, werden nachfolgend besprochen.
Wie erwähnt kann ein Hot-Soak-Zustand auftreten, wenn das Fahrzeug abgeschaltet wird und kein Kühlmittel durch den Mantel 108 fließt. Während des Hot Soaks wird die Wärme des Abgassystems in die RDU 100 geleitet, wenn die vorliegenden Ansätze nicht angewandt werden. Wenn unter Bedingungen, bei denen das Fahrzeug bei hoher Last läuft und dann abgeschaltet wird, keine Maßnahmen ergriffen werden, könnte dieser Hot Soak das Kühlmittel zum Kochen bringen, was zu uneingeschränkten Temperaturen in der RDU 100 und darauf folgendes Übertemperieren von DEF im Injektor führt. Wenn das DEF übertemperiert ist, würde es harte unlösliche Nebenprodukte bilden, die sich negativ auf die Leistung des DEF-Injektors auswirken.
Es wird anerkannt werden, dass die vorliegenden Ansätze einen nicht-intimen Kontakt zwischen dem Injektor und dem Kühlmantel in der Form des Luftspalts 130 nutzen, um dem Injektor 102 zu ermöglichen, während dieser Temperaturexkursionen vom Kühlmantel 108 isoliert zu bleiben. Der Luftspalt 130 zwischen der inneren Wassermanteloberfläche und der äußeren Oberfläche des DEF-Injektorventilkörpers 104 reduziert Injektortemperaturerhöhungen während Hot Soaks im Vergleich zu konventionellen Entwürfen mit engem Kontakt erheblich. Da anstelle eines Materials ein Luftspalt verwendet wird, sind die Kosten und Komplexität der vorliegenden Ansätze im Vergleich zu früheren Ansätzen reduziert.
Alternativ, wenn die Temperatur kalt genug ist, um dafür zu sorgen, dass die Temperatur des Kühlmittels innerhalb des Kühlmantels 108 unter dem Gefrierpunkt des DEF ist, ist der nicht-intime Kontakt zwischen der RDU 100 und dem DEF-Injektor 102 vorteilhaft. Das DEF gefriert bei einer höheren Temperatur als das Kühlmittel, wodurch eine Situation entsteht, in der erwärmte Harnsäure während ihres Wegs durch einen DEF-Injektor 102 gefrieren könnte, wenn ein intimer Kontakt zwischen dem Ventilkörper und inneren Kühlmantel 108 vorhanden wäre und das Kühlmittel unterhalb des Gefrierpunkts des DEF wäre.
Jetzt Bezug nehmend auf 4 werden Beispiele für die Wärmeübertragungseigenschaften des Systems beschrieben. Ein Kühlmantel 408 erstreckt sich um ein Ventil 412, ist aber vom Körper des Ventils durch einen Luftraum 430 getrennt.
Die Größe der Pfeile spiegelt die Menge der Wärmeübertragung wider. Es kann erkannt werden, dass relativ große Pfeile 402 sich vom Rest des Fahrzeugs zur Anordnung der 4 erstrecken. Die Pfeile 402 repräsentieren eine relativ große Menge an Wärmeübertragung vom Fahrzeug und können zum Beispiel vom Motor des Fahrzeugs oder dem Betrieb einer Fahrzeugkomponente entstammen, um einige Beispiele zu nennen.
Die mittleren Pfeile 404 gehen von der Außenseite quer durch den Kühlmantel 408. Der Kühlmantel und seine Inhalte absorbieren einiges der von den Pfeilen 402 dargestellten Wärmeenergie. Es kann auch erkannt werden, dass sehr kleine Pfeile 406 oder keine Pfeile durch den Luftspalt 430 gehen. Der kleine Pfeil (oder keine Pfeile) stellen die Wirkung dar, die der Luftspalt in den vorliegenden Anordnungen hat. Spezifischer verhindert der Luftspalt 430 die Übertragung von Wärmeenergie vom Mantel 408 zum Ventil 412 (oder reduziert sie deutlich).
In diesem Dokument werden bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben, einschließlich des besten Verfahrens, das den Erfindern zum Durchführen der Erfindung bekannt ist. Es sollte klargestellt werden, dass die dargestellten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind, und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend angesehen werden sollten.

Claims

Flüssigkeitsgekühlte Reduktionsmitteleinheit, wobei die Einheit Folgendes umfasst: ein Injektionsventil für Dieselabgasfluid (DEF), wobei das Ventil ein Ventilgehäuse hat, das darin eine längliche Kammer bildet, wobei das Ventil so konfiguriert ist, dass es ein DEF empfängt und das DEF durch die Kammer zwingt, damit es aus der Kammer austritt, wobei das DEF dann auf einen Abgasstrom eines Fahrzeugmotors gerichtet und auf diesen angewandt wird; ein selektiv mit einem Kühlmittel gefüllter Kühlmantel, wobei der Kühlmantel eine Außenseite und eine Innenseite hat, wobei die Innenseite des Mantels gegenüber einer Länge des Ventilkörpers ist und von der Länge des Ventilkörpers durch einen Luftspalt getrennt ist.
Einheit nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Kühlmitteleinlass zur Abgabe von Kühlmittel an den Kühlmantel.
Einheit nach Anspruch 2, weiter umfassend einen Kühlmittelauslass, um dem Kühlmittel zu ermöglichen, aus dem Kühlmantel auszutreten.
Einheit nach Anspruch 1, weiter umfassend einen DEF-Einlass, der DEF in das DEF-Ventil abgibt.
Einheit nach Anspruch 1, wobei das DEF ein Reduktionsmittel ist.
Einheit nach Anspruch 1, wobei der Luftspalt effektiv verhindert, dass Kühlmittel unter Hot-Soak-Zuständen zum Kochen anfängt.
Einheit nach Anspruch 1, wobei der Luftspalt effektiv verhindert, dass das DEF durch den Ventilkörper gefriert.
Emissionssystem in einem Fahrzeug: ein Motor, der einen Abgasstrom erzeugt; eine flüssigkeitsgekühlte Reduktionsmitteleinheit (RDU), wobei die Einheit Folgendes umfasst: – ein Injektionsventil für Dieselabgasfluid (DEF), wobei das Ventil ein Ventilgehäuse hat, das darin eine längliche Kammer bildet, wobei das Ventil so konfiguriert ist, dass es ein DEF empfängt und das DEF durch die Kammer zwingt, damit es aus der Kammer austritt, wobei das DEF dann auf den Abgasstrom eines Fahrzeugmotors gerichtet und auf diesen angewandt wird; – ein selektiv mit einem Kühlmittel gefüllter Kühlmantel, wobei der Kühlmantel eine Außenseite und eine Innenseite hat, wobei die Innenseite des Mantels gegenüber einer Länge des Ventilkörpers ist und von der Länge des Ventilkörpers durch einen Luftspalt getrennt ist; ein Abgasrohr, das den Abgasstrom empfängt, nachdem das DEF in den Strom injiziert wurde, wobei sich durch die Injektion des DEF in den Strom ein modifizierter Abgasstrom bildet, der zumindest eine staatliche Emissionsregelung erfüllt.
Emissionssystem nach Anspruch 8, weiter umfassend einen Kühlmitteleinlass zur Abgabe von Kühlmittel an den Kühlmantel.
Emissionssystem nach Anspruch 9, weiter umfassend einen Kühlmittelauslass, um dem Kühlmittel zu ermöglichen, aus dem Kühlmantel auszutreten.
Emissionssystem nach Anspruch 8, weiter umfassend einen DEF-Einlass, der DEF in das DEF-Ventil abgibt.
Emissionssystem nach Anspruch 8, wobei das DEF ein Reduktionsmittel ist.
Emissionssystem nach Anspruch 8, wobei der Luftspalt effektiv verhindert, dass Kühlmittel unter Hot-Soak-Zuständen zum Kochen anfängt.
Emissionssystem nach Anspruch 8, wobei der Luftspalt effektiv verhindert, dass das DEF durch den Ventilkörper gefriert.