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Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der Patentanmeldung Nr. 12/275,539 der Vereinigten Staaten, eingereicht am 21. November 2008, welche eine Teilfortführungsanmeldung der Patentanmeldung Nr. 11/112,039 der Vereinigten Staaten, eingereicht am 22. April 2005 ist, welche die Vorteile der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/565,356, eingereicht am 26. April 2004 beansprucht. Diese Anmeldung ist ferner eine Teilfortführungsanmeldung der Patentanmeldung Nr. 11/714,718 der Vereinigten Staaten, eingereicht am 5. März 2007, welche die Vorteile der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/565,356, eingereicht am 26. April 2004 beansprucht. Die vollständigen Offenbarungen der vorstehend genannten Anmeldungen sind hierin durch Bezugnahme eingeschlossen.
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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Reduzierung von Emissionen, die von Magermotoren produziert werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und eine Vorrichtung zur Einspritzung eines Reagens, wie etwa einer wässrigen Harnstofflösung, in einen Abgasstrom, um Stickoxid-Emissionen (NOx) aus Dieselmotorabgasen zu reduzieren. Alternativ kann die vorliegende Erfindung für die Einspritzung eines Kohlenwasserstoff-Reagens in ein Dieselabgas zum Zweck der Partikelreduzierung adaptiert werden.
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Magermotoren bieten einen verbesserten Kraftstoffverbrauch durch den Betrieb mit einem Sauerstoffüberschuss gegenüber der für die vollständige Verbrennung des Kraftstoffs erforderlichen Menge. Derartige Motoren laufen im so genannten ”Magerbetrieb” oder mit einem ”Magergemisch”. Dieser Steigerung der Wirtschaftlichkeit beim Kraftstoffverbrauch stehen jedoch unerwünschte verschmutzende Emissionen gegenüber, insbesondere in Form von Stickstoffoxiden (NOx).
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Ein Verfahren zur Reduzierung der NOx-Emissionen von Magergemisch-Verbrennungsmotoren ist als selektive katalytische Reduktion (SCR) bekannt. Wenn SCR beispielsweise zur Reduzierung von NOx-Emissionen von einem Dieselmotor verwendet wird, wird dabei ein zerstäubtes Reagens in den Abgasstrom des Motors in Relation zu einem oder mehreren ausgewählten Betriebsparametern des Motors eingespritzt, wie etwa Abgastemperatur, Motordrehzahl oder Motorlast, gemessen durch den Kraftstofffluss des Motors, Turbo-Ladedruck oder Abgas-NOx-Massenstrom. Das Reagens-/Abgasgemisch wird durch einen Reaktor geleitet, der einen Katalysator enthält, wie zum Beispiel Aktivkohle oder Metalle, wie etwa Platin, Vanadium oder Wolfram, welche in der Lage sind, die NOx-Konzentration in Anwesenheit des Reagens zu reduzieren. Ein SCR-System dieser Bauart ist in dem
US-Patent Nr. 5,976,475 offenbart.
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Eine wässrige Harnstofflösung ist als wirksames Reagens in SCR-Systemen für Dieselmotoren bekannt. Die Verwendung einer derartigen wässrigen Harnstofflösung bringt jedoch viele Nachteile mit sich. Harnstoff ist stark korrosiv und greift mechanische Bauteile des SCR-Systems an, wie zum Beispiel Einspritzdüsen, die zur Einspritzung des Harnstoffgemischs in den Abgasstrom verwendet werden. Harnstoff neigt auch zur Verfestigung, wenn es über längere Zeiträume hohen Temperaturen ausgesetzt wird, wie sie in einem Diesel-Abgassystem auftreten. Verfestigter Harnstoff sammelt sich in engen Kanälen und Austrittsöffnungen an, die typischerweise bei Einspritzdüsen vorhanden sind. Verfestigter Harnstoff kann bewegliche Teile der Einspritzdüsen beschädigen und Öffnungen verschließen, was die Einspritzdüsen unbenutzbar macht.
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Darüber hinaus bilden sich, wenn das Harnstoffgemisch nicht fein zerstäubt ist, Harnstoffablagerungen in dem Katalysator, was die Wirkung des Katalysators behindert und dadurch die Wirksamkeit des SCR-Systems vermindert. Hohe Einspritzdrücke sind eine Möglichkeit, um das Problem der unzureichenden Zerstäubung des Harnstoffgemischs zu minimieren. Hohe Einspritzdrücke führen jedoch oftmals zum übermäßigen Eindringen des Einspritznebels in den Abgasstrom, was dazu führt, dass der Nebel auf die der Einspritzdüse gegenüberliegende Innenfläche des Abgasrohrs auftrifft. Übermäßiges Eindringen führt zur ineffizienten Nutzung des Harnstoffgemischs und reduziert den Bereich, in welchem das Fahrzeug mit reduzierten NOx-Emissionen betrieben werden kann. In einem Fahrzeug kann nur eine begrenzte Menge wässriger Harnstofflösung mitgeführt werden, und was mitgeführt wird, sollte effizient genutzt werden, um die Reichweite des Fahrzeugs zu maximieren und häufiges Nachfüllen des Reagens überflüssig zu machen.
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Ferner ist wässriger Harnstoff ein schlechtes Schmiermittel. Dieses Merkmal wirkt sich nachteilig auf bewegliche Teile in den Einspritzdüsen aus und macht es erforderlich, dass spezielle Passungen, Spaltmaße und Toleranzen zwischen relativ zueinander beweglichen Teilen in einer Einspritzdüse verwendet werden. Wässriger Harnstoff hat ferner eine starke Neigung zum Austritt. Dieses Merkmal wirkt sich nachteilig auf Passflächen aus, wofür an vielen Stellen verbesserte Abdichtungen erforderlich sind.
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Ein Beispiel einer Einspritzdüse nach dem Stand der Technik zur Einspritzung von wässrigem Harnstoff in den Abgasstrom eines Magergemisch-Dieselmotors ist in dem
US-Patent Nr. 6,279,603 beschrieben. Diese Einspritzvorrichtung nach dem Stand der Technik nutzt einen Zerstäubungshaken außerhalb der Einspritzvorrichtung, um eine Verteilung der aus der Einspritzvorrichtung ausgestoßenen Harnstofflösung zu erreichen. Die Harnstofflösung wird im Bereich der Austrittsöffnung des Körpers der Einspritzvorrichtung zirkuliert, um eine Abkühlung zu erreichen.
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Es wäre vorteilhaft, Verfahren und eine Vorrichtung zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrom eines Magermotors bereitzustellen, bei welchen die Zerstäubung der Harnstofflösung innerhalb der Einspritzvorrichtung vor dem Einspritzen in den Abgasstrom vollzogen wird. Ferner wäre es vorteilhaft, eine Kühlung der Einspritzvorrichtung vorzusehen, um das Verfestigen des Harnstoffs zu verhindern und die Lebensdauer der Bauteile der Einspritzvorrichtung zu verlängern. Es wäre vorteilhaft, die Wärmeübertragung von dem Auspuffrohr auf die Einspritzvorrichtung zu minimieren, um eine minimale Bildung von Ablagerungen innerhalb der Einspritzvorrichtung zu erreichen. Ferner wäre es vorteilhaft, die Wärmeübertragung von dem heißen Gas auf die Austrittsöffnung zu minimieren, um zu verhindern, dass Ruß und Harnstoff an die relativ kühle Austrittsöffnung der Einspritzvorrichtung angezogen werden und Ablagerungen außerhalb der Einspritzvorrichtung bilden. Aus wirtschaftlichen Gründen und zum Schutz der Umwelt wäre es ferner vorteilhaft, eine Einspritzvorrichtung zu schaffen, die keine Undichtigkeit hat.
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Die Verfahren und die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung stellen die vorstehend genannten und weitere Vorteile bereit.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum Einspritzen eines Reagens, wie etwa einer wässrigen Harnstofflösung, in einen Abgasstrom bereit, um Emissionen aus dem Motorabgas zu reduzieren. Insbesondere ist die Einspritzvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung eine Zerstäubungsvorrichtung mit verbesserter Leistungsfähigkeit zur Verwendung mit einem beliebigen Motor, wie etwa einem Diesel-, Erdgas-, Strahl-, Turbinen-, Brennstoffzellen- oder anderen Motortyp.
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Aktuelle Harnstoff-Einspritzvorrichtungen für Dieselmotoren mit kleinerem Hubraum für den Straßen- und Geländebetrieb nutzen duale Reagens-Zerstäubungstechniken. Dieser Prozess erfordert einen separaten Luftkompressor. Weitere Zerstäubungstechniken nach dem Stand der Technik, wie etwa in dem
US-Patent Nr. 6,279,603 (Patent '603) nutzen eine Einspritzvorrichtung, die innerhalb der Einspritzvorrichtung keinen Zerstäubungsprozess aufweist. Die in dem Patent '603 beschriebene Einspritzvorrichtung sprüht einen freien Flüssigkeitsstrahl, der beim Auftreffen auf eine heiße Platte oder einen Haken, die bzw. der außerhalb des Körpers der Einspritzvorrichtung positioniert sind, kleine Tröpfchen produziert.
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Die vorliegende Erfindung schafft Verbesserungen an Einspritzvorrichtungen für wässrigen Harnstoff nach dem Stand der Technik, insbesondere Verbesserungen an einer Einspritzvorrichtung für wässrigen Harnstoff der in dem Patent
'603 beschriebenen Bauart. Die vorliegende Erfindung nutzt Zerstäubungstechniken, die innerhalb der Einspritzvorrichtung ablaufen. Insbesondere nutzt die vorliegende Erfindung mechanische Überlaufrückführungs-Zerstäubungstechniken, um Tröpfchen zu erzeugen, die kleiner sind als von den Erfindern vorhergesehen, insbesondere Tröpfchen mit einem SMD (mittlerer Sauter-Durchmesser) von 50 μm oder kleiner. Dieser Größenbereich ist geeignet, um die Umsetzung von Harnstoff in Ammoniak innerhalb der Verweilzeit im Zusammenhang mit einem Dieselmotor für den Straßenbetrieb zu erreichen, anders als die in dem Patent '603 beschriebene Einspritzvorrichtung. Dieser Effekt wird durch die Verwendung einer Wirbelplatte erreicht, die eine Vielzahl von Wirbelschlitzen aufweist, welche die Austrittsöffnung der Einspritzvorrichtung umgeben, welche einen mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Fluss in der Wirbelkammer erzeugen. Wenn ein Teil des rotierenden Flusses des Reagens durch die Austrittsöffnung in einen Abgasstrom geführt wird, tritt die Zerstäubung durch eine Kombination einer Zentrifugalkraft und Scherung des Reagens durch Luft auf, wenn es in den Abgasstrom eingespritzt wird.
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Zusätzlich schafft die vorliegende Erfindung weitere Verbesserungen gegenüber der Einspritzvorrichtung nach dem Patent
'603 , einschließlich einer verbesserten magnetischen Zugkraft des Dosierzapfens über einen breiten Temperaturbereich, einer verlängerten Lebensdauer des Einspritzventils und der zugehörigen Betätigungsbauelemente und der Kühlung der gesamten Einspritzvorrichtung mit Harnstoff. Zusätzlich umfasst die vorliegende Erfindung eine verstellbare Sprühqualitätscharakteristik online und die Austauschbarkeit von Öffnungsplatten für Anwendungen mit mehreren Größen. Der gerippte Einspritzvorrichtungskörper bietet zusätzliche Kühlfähigkeit.
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Die vorliegende Erfindung kann ferner dafür angepasst werden, eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kohlenwasserstoffen insbesondere zum Zwecke der Partikelreduzierung in einem Dieselabgas bereitzustellen. Die Kombination von Impulsbreitenmodulation, die eine momentane Zeitsteuerung ermöglicht, und mechanischer Zerstäubungstechniken ist dafür geeignet, kleine Mengen Kohlenwasserstoffe mit präziser Zeitgebung bereitzustellen. Die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellten Kühlungsaspekte ermöglichen es, dass die Einspritzvorrichtung die heißen Abgasbedingungen überlebt, und verhindern eine frühzeitige Zündung der Kohlenwasserstoffe.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Verfahren und Vorrichtungen zum Einspritzen von zerstäubtem Reagens geschaffen. Eine Niederdruck-Einspritzvorrichtung wird bereitgestellt, welche einen Einspritzvorrichtungskörper und eine in dem Einspritzvorrichtungskörper angeordnete Wirbelkammer aufweist. Die Wirbelkammer hat eine Austrittsöffnung. Eine Vielzahl von Wirbelschlitzen kann in der Wirbelkammer angeordnet sein, um dem in die Wirbelkammer eingeführten Reagens eine Rotationsgeschwindigkeit zu verleihen. Ein innerhalb der Wirbelkammer angeordneter Ventilsitz umgibt die Austrittsöffnung. Innerhalb des Einspritzvorrichtungskörpers kann ein Dosierzapfen angeordnet sein. Eine Betätigungseinrichtung kann ebenfalls an dem Einspritzvorrichtungskörper angeordnet sein und mit dem Dosierzapfen verbunden sein, um den Dosierzapfen zwischen einer geschlossenen und einer offenen Position zu bewegen. Die Betätigungseinrichtung kann in dem Einspritzvorrichtungskörper angeordnet sein und mit dem Dosierzapfen verbunden sein, um die Bewegung des Dosierzapfens aus der geschlossenen Position in die offene Position zu ermöglichen.
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Der Dosierzapfen kann in dem Einspritzvorrichtungskörper dergestalt angeordnet sein, dass dann, wenn der Dosierzapfen in einer geschlossenen Position ist, der Dosierzapfen auf dem Ventilsitz sitzt und verhindert, dass Reagens aus der Austrittsöffnung abgegeben wird. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Reagens durch die Einspritzvorrichtung zirkuliert werden, um die Einspritzvorrichtung zu kühlen, wenn der Dosierzapfen in der geschlossenen Position ist. Wenn der Dosierzapfen in der offenen Position ist, ist der Dosierzapfen von dem Ventilsitz entfernt, was die Abgabe von Reagens aus der Austrittsöffnung erlaubt. In der offenen Position ist das Ende des Dosierzapfens von dem Ventilsitz entfernt und ein Teil des rotierenden Stromes des Reagens aus der Wirbelkammer wird durch die Austrittsöffnung geleitet, wo die Zerstäubung durch eine Kombination aus Zentrifugalkraft und Scherung des Reagens durch Luft und/oder Abgasstrom vollzogen wird, wenn es in den Abgasstrom abgegeben wird.
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Die Einspritzvorrichtung kann ferner einen Reagenseinlass aufweisen, der sich in die Einspritzvorrichtung erstreckt, sowie einen Reagensauslass, der sich aus der Einspritzvorrichtung erstreckt. Der Reagenseinlass und der Reagensauslass können mit der Wirbelkammer über einen hohlen Abschnitt des Dosierzapfens in Verbindung stehen. Der Reagenseinlass, der Reagensauslass und der hohle Abschnitt des Dosierzapfens können einen Durchflussweg für das Reagens durch die Einspritzvorrichtung schaffen, wodurch sie die Kühlung der Einspritzvorrichtung ermöglichen. Der Durchflussweg für das Reagens durch die Einspritzvorrichtung kann unabhängig von der Position des Dosierzapfens bereitgestellt werden.
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Eine in dem Einspritzvorrichtungskörper angeordnete Dosieröffnung kann die Durchflussmenge von kühlendem Reagens steuern, die bei einem gegebenen Einlassdruck durch die Einspritzvorrichtung fließt.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann eine Vielzahl von Rippen, die den Einspritzvorrichtungskörper umgeben, vorgesehen sein, um Wärme von dem Einspritzvorrichtungskörper abzuleiten. Ein Wärmeschutzschild, welcher die Austrittsöffnung umgibt, kann ebenfalls vorgesehen sein, um die Wärmeübertragung von dem Abgasstrom auf den Einspritzvorrichtungskörper zu reduzieren. Der Wärmeschutzschild kann eine mit der Austrittsöffnung ausgerichtete Öffnung aufweisen, so dass aus der Wirbelkammer freigesetztes Reagens durch den Wärmeschutzschild treten kann. Der Wärmeschutzschild kann eine die Austrittsöffnung umgebende Platte und eine auf der Platte angeordnete Schicht aus Isoliermaterial aufweisen.
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Der Einspritzvorrichtungskörper und der Dosierzapfen können aus rostfreiem Stahl bestehen. Es versteht sich, dass in einigen Ausführungsformen der Einspritzvorrichtungskörper und der Dosierzapfen aus Kunststoff, thermoplastischem Kunststoff, duroplastischem Kunststoff oder einem anderen beliebigen Material bestehen können, das mit Harnstoff oder dem verwendeten Reagens kompatibel ist. Ein Vorspannelement kann vorgesehen sein, um den Dosierzapfen in die geschlossene Position vorzuspannen, um ein bei Versagen geschlossenes Ventil bereitzustellen. Das Vorspannelement kann eine koaxial mit dem Dosierzapfen angeordnete Schraubenfeder sein.
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Die Befestigungseinrichtung kann eine Magnetspule umfassen, die eine Magnetkraft erzeugt. Die Magnetkraft kann eine Schiebebewegung des Dosierzapfens gegen das Vorspannelement bewirken, wenn die Magnetspule mit Energie versorgt wird. Der Dosierzapfen kann dadurch aus der geschlossenen Position in die offene Position innerhalb der Wirbelkammer bewegt werden, wenn die Betätigungseinrichtung mit Energie versorgt wird, was die Abgabe von Reagens aus der Austrittsöffnung der Wirbelkammer erlaubt. Mittel zur Energieversorgung der Magnetspule können vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein impulsbreitenmoduliertes 12 V-Signal die Magnetspule für eine definierte Zeitdauer mit Energie versorgen, um eine bestimmte Menge Reagens einzuspritzen. Andere Mittel zur Energieversorgung der Magnetspule, die für den Durchschnittsfachmann offensichtlich sind, können ebenfalls verwendet werden.
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Ein Verfahren zum Einspritzen von Reagens in einen Gasstrom wird gemäß der Erfindung ebenfalls vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst Einführen eines Reagens in einen Einspritzvorrichtungskörper, Bereitstellen eines vorbestimmten Druck-Sollwertes zur Druckbeaufschlagung des Reagens in dem Einspritzvorrichtungskörper, Erteilen eines mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Flusses für mindestens einen Anteil des druckbeaufschlagten Reagens innerhalb des Einspritzvorrichtungskörpers und Dosieren einer präzisen Menge des Reagens, das eine Rotationsgeschwindigkeit hat, aus einer Austrittsöffnung in einen Gasstrom.
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Das überschüssige Reagens der präzise dosierten Menge kann in der Einspritzvorrichtung zurückgehalten und durch diese zirkuliert werden, um das Reagens in einem gewünschten Temperaturbereich zu halten. Der gewünschte Temperaturbereich kann annähernd 5°C bis 85°C für eine wässrigen Harnstoff enthaltende Harnstofflösung sein. Es versteht sich, dass der gewünschte Temperaturbereich eine Temperatur über dem Gefrierpunkt und unter dem Siedepunkt des Reagens sein kann. Das Reagens kann alternativ ein Kohlenwasserstoff sein. Der Gasstrom kann ein Diesel-Abgasstrom sein, es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Offenbarung mit einem beliebigen einer Anzahl von Abgasströmen und/oder Behandlungsprotokollen anwendbar ist. Der vorbestimmte Druck-Sollwert kann in Reaktion auf Betriebsbedingungen variiert werden, um einen erweiterten Betriebsbereich und/oder verschiedene Sprühmuster bereitzustellen.
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Eine Vorrichtung, die Mittel zur Durchführung der hierin beschriebenen Verfahren bereitstellt, wird ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung der nachfolgend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Dieselmotors für den Straßenbetrieb mit einem Schadstoffausstoß-Regelsystem unter Verwendung einer Einspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine Längsschnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Einspritzvorrichtung gemäß der Erfindung;
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3 (3A, 3B, 3C) zeigt eine Draufsicht, einen Querschnitt und eine Unteransicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Wirbelplatte gemäß vorliegender Erfindung;
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4 (4A und 4B) zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines in der Einspritzvorrichtung aus 2 verwendeten Dosierzapfens; und
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer gemäß vorliegender Erfindung an einem Abgasrohr angebrachten Einspritzvorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung betrifft nur beispielhafte Ausführungsformen und soll nicht den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung einschränken. Vielmehr gibt die nachfolgende detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen dem Durchschnittsfachmann eine Beschreibung, die ihn befähigt, eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung umzusetzen. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen hinsichtlich der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne den Gedanken und den Schutzumfang der Erfindung gemäß der Darlegung in den beigefügten Patentansprüchen zu verlassen. Ferner versteht es sich, dass, obgleich die vorliegende Lehre in Verbindung mit Dieselmotoren und der Reduzierung von NOx-Emissionen beschrieben wird, die vorliegende Lehre in Verbindung mit einem beliebigen einer Vielzahl von Abgasströmen verwendet werden kann, wie etwa als nicht einschränkendes Beispiel diejenigen von Diesel-, Benzin-, Turbinen-, Brennstoffzellen-, Strahl- oder beliebigen anderen Antriebsquellen, die einen Abgasstrom aufweisen. Ferner kann die vorliegende Lehre in Verbindung mit der Reduzierung jeder beliebigen einer Anzahl von unerwünschten Emissionen verwendet werden.
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1 zeigt ein beispielhaftes Schadstoffausstoß-Regelsystem zur Reduzierung von NOx-Emissionen aus dem Abgas eines Dieselmotors 21. In 1 bezeichnen durchgezogene Linien zwischen den Elementen des Systems Fluidleitungen für das Reagens und unterbrochene Linien bezeichnen elektrische Verbindungen. Das System gemäß vorliegender Erfindung kann einen Reagenstank 10 zur Aufnahme des Reagens und ein Abgabemodul 12 zur Abgabe des Reagens aus dem Tank 10 aufweisen. Das Reagens kann eine Harnstofflösung, ein Kohlenwasserstoff, ein Alkylester, Alkohol, eine organische Verbindung, Wasser oder dergleichen sein und kann eine Mischung oder Kombination daraus sein. Es versteht sich ferner, dass ein oder mehrere Reagenzien in dem System verfügbar sein können und einzeln oder in Kombination verwendet werden können. Der Tank 10 und das Abgabemodul 12 können ein integriertes Reagenstank-/Abgabemodul bilden. Als Teil des Systems sind ferner eine elektronische Einspritzregeleinheit 14, ein Niederdruck-Einspritzvorrichtungsmodul 16 und ein Abgassystem 19 mit mindestens einem Katalysatorbett 17 vorgesehen.
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Das Abgabemodul 12 kann eine Pumpe aufweisen, der von dem Tank 10 durch ein Leitungsfilter 23 über eine Versorgungsleitung 9 Reagens zugeführt wird. Der Reagenstank 10 kann aus Polypropylen, mit Epoxid beschichtetem Kohlenstoffstahl, PVC oder rostfreiem Stahl sein und entsprechend der Anwendung (z. B. Fahrzeuggröße, vorgesehene Fahrzeugnutzung und dergleichen) dimensioniert sein. Das Filter 23 kann ein aus starrem Kunststoff oder rostfreiem Stahl aufgebautes Gehäuse mit einer entnehmbaren Patrone aufweisen. Ein Druckregler (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein, um das System unter einem vorbestimmten Druck-Sollwert (z. B. relativ niedrige Drücke von annähernd 60 bis 80 psi oder in einigen Ausführungsformen ein Druck von annähernd 60 bis 150 psi) zu halten, und kann in der Rücklaufleitung 35 von der Reagens-Einspritzvorrichtung 16 vorgesehen sein. Ein Drucksensor kann in der zu der Reagens-Einspritzvorrichtung 16 führenden flexiblen Leitung vorgesehen sein. Das System kann ferner verschiedene Gefrierschutzstrategien aufweisen, um gefrorenen Harnstoff aufzutauen oder das Einfrieren von Harnstoff zu verhindern. Beispielsweise wird während des Betriebs des Systems unabhängig davon, ob die Einspritzvorrichtung Reagens in das Abgas abgibt oder nicht, das Reagens kontinuierlich zwischen dem Tank 10 und der Reagens-Einspritzvorrichtung 16 zirkuliert, um die Einspritzvorrichtung zu kühlen und die Verweilzeit des Reagens in der Einspritzvorrichtung zu minimieren, so dass das Reagens kühl bleibt. Bei temperaturempfindlichen Reagenzien, wie zum Beispiel wässrigem Harnstoff, der zur Verfestigung neigt, wenn er erhöhten Temperaturen von 300°C bis 650°C, wie sie in einem Motor-Abgassystem auftreten, ausgesetzt ist, ist eine kontinuierliche Zirkulation des Reagens erforderlich. Es wurde festgestellt, dass es wichtig ist, das Harnstoffgemisch unter 140°C und vorzugsweise in einem niedrigeren Betriebsbereich zwischen 5°C und 95°C zu halten, um einen Sicherheitsbereich zu schaffen, der sicherstellt, dass die Verfestigung des Harnstoffs verhindert wird. Wenn zugelassen wird, dass sich verfestigter Harnstoff bildet, würden die beweglichen Teile und Öffnungen der Einspritzvorrichtung beschädigt, was die Einspritzvorrichtung schließlich unbrauchbar macht. Es versteht sich, dass die Durchflussmengen von der Motorgröße und NOx-Niveaus abhängig sind.
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Die erforderliche Menge an Reagens kann mit der Last, Motordrehzahl, Motorgeschwindigkeit, Abgastemperatur, dem Abgasfluss, Zeitgebung der Motor-Kraftstoffeinspritzung und der gewünschten NOx-Reduzierung variieren. Alle oder einige der Betriebsparameter des Motors können von der Motorsteuereinheit 27 über den Motor-/Fahrzeug-Datenbus zu der Reagens-Einspritzregeleinheit 14 geleitet werden. Die Reagens-Einspritzregeleinheit 14 könnte auch als Teil der Motorsteuereinheit 27 integriert sein, wenn der Lastwagenhersteller die Bereitstellung dieser Funktionalität zustimmt.
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Die Abgastemperatur, der Abgasfluss und der Abgasstaudruck können durch jeweilige Sensoren gemessen werden.
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Ein Reagens-Mindestpegelschalter oder eine auf Spannung basierende programmierte Logik können verwendet werden, um das Trockenlaufen und die Überhitzung des Einspritzsystems zu verhindern. Sobald ein Mindestpegel des Reagens in dem Tank 10 erreicht wird, wird die Einspritzung unterbrochen und eine Fehlersignallampe und/oder ein Textalarm leuchten in der Fahrerkabine des Fahrzeugs auf.
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Die Einspritzrate kann durch Programmierung der Reagens-Einspritzregeleinheit
14 mit einer Einspritzregelstrategie oder -karte eingestellt werden, wie in dem im Gemeinschaftsbesitz befindlichen, gleichzeitig anhängigen
US-Patent Nr. 6,941,746 ”Mobile Diesel Selective Catalytic Reduction Systems and Methods”, erteilt am 13. September 2005 beschrieben, das durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist und ein Teil dieser Anmeldung wird. Wie darin beschrieben kann die Einspritzstrategie entwickelt werden, indem ein NOx-Detektor
25 zeitweilig an dem Fahrzeug angebracht wird. Der NOx-Detektor
25 kann ein Sensor oder eine Messeinrichtung mit einem Erfassungssystem sein.
1 zeigt eine NOx-Messeinrichtung
25, welche die Gaskonzentration oder Masse an einer Stelle außerhalb des Abgassystems
19 analysiert.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform der Reagens-Einspritzvorrichtung 16 gemäß vorliegender Erfindung, welche in dem in 1 gezeigten System verwendet werden kann. Die Reagens-Einspritzvorrichtung 16 kann einen Einspritzvorrichtungskörper 18 mit einem oberen Abschnitt 18a und einem unteren Abschnitt 18b aufweisen. Eine längliche zylindrische Kammer 30 kann innerhalb des Einspritzvorrichtungskörpers 18 angeordnet sein. Die Kammer 30 kann in Fluidverbindung mit einer Wirbelplatte 50 stehen, welche eine Austrittsöffnung 22 hat, die sich in das Abgas innerhalb des Abgassystems 19 (1) eines Dieselmotors öffnet, wenn sie daran angebracht ist. Die Austrittsöffnung 22 kann ein Ventilsitz 24 umgeben, der jede praxisgerechte Form haben kann, aber vorzugsweise konisch ist (wie beispielsweise in 3B gezeigt). Ein Ventilelement in Form eines länglichen Dosierzapfens 26 kann innerhalb der Kammer 30 verschieblich angeordnet sein.
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3A zeigt eine Draufsicht der Wirbelplatte 50. 3B zeigt eine Querschnittsansicht der Wirbelplatte 50. 3C zeigt eine Unteransicht der Wirbelplatte 50. Wie aus 3A ersichtlich ist, kann die Wirbelplatte 50 eine Vielzahl von Wirbelschlitzen 51 (d. h. zwei oder mehr) aufweisen, welche den Ventilsitz 24 umgeben und eine Wirbelkammer 52 in dem das Ende 28 des Dosierzapfens 26 umgebenden Bereich bilden (siehe 2). Es versteht sich, dass die Wirbelschlitze 51 jede beliebige einer Anzahl von Formeln bilden können, die ausreichen, einen ausreichenden Reagensfluss zur Einführung in den Abgasstrom zu bilden. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Wirbelschlitze 51 in verschiedenen Winkeln, Versätzen und radialen Ausrichtungen angeordnet sein oder Winkelsymmetrien/Winkelasymmetrien und dergleichen bilden. Jeder Wirbelschlitz 51 kann ferner verschiedene Profile bilden, einschließlich gerade, bogenförmig, nicht geradlinig oder dergleichen, sowie verschiedene Größen einschließlich Breiten und Längen. Wie 3B zeigt, kann die Wirbelkammer 52 eine konische Wirbelkammer sein, wenn sie durch einen konisch geformten Ventilsitz 24 gebildet ist. Wie aus den 3A und 3B ersichtlich ist, umgibt der Ventilsitz 24 die Austrittsöffnung 22 zur Abgabe des zerstäubten Reagens aus der Wirbelkammer 52. Die Wirbelplatte 50 kann an dem unteren Einspritzvorrichtungskörper 18b durch eine Haltekappe 74 befestigt sein.
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In der dargestellten beispielhaften Konfiguration kann eine Fluid zurückhaltende Dichtung 60 zwischen die Wirbelplatte 50 und den unteren Einspritzvorrichtungskörper 18b gelegt sein, um zu verhindern, dass Reagens zwischen den Passflächen der Wirbelplatte 50, des Einspritzvorrichtungskörpers 18 und der Haltekappe 74 austritt. Die Dichtung kann ein Silikonmaterial enthalten. Der obere Einspritzvorrichtungskörper 18a kann mehrere abdichtende O-Ringe 76 aufweisen, die zwischen Passflächen des oberen Einspritzvorrichtungskörpers 18a und des unteren Einspritzvorrichtungskörpers 18b, des unteren Einspritzvorrichtungskörpers 18b und der Bodenplatte 75, der Bodenplatte 75 und der Spule 38 und der Spule 38 und des oberen Einspritzvorrichtungskörpers 18a gelegt sind, um den Austritt von Reagens zu verhindern.
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Die 4A und 45 zeigen eine Querschnittsansicht beziehungsweise eine Außenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Dosierzapfens 26. Der Dosierzapfen 26 kann ein Ende 28 haben, das so gebildet ist, dass es in abdichtendem Eingriff mit dem Ventilsitz 24 steht, wodurch die Austrittsöffnung 22 gegen eine Fluidverbindung mit der Wirbelkammer 52 geschlossen wird. Der Dosierzapfen 26 kann innerhalb der Wirbelkammer 52 zwischen der geschlossenen Position, die in 2 gezeigt ist, und einer offenen Position beweglich sein, in welcher das Ende 28 aus dem abdichtenden Eingriff mit dem Ventilsitz 24 entfernt ist. In der offenen Position ist die Austrittsöffnung 22 für die Fluidverbindung mit der Wirbelkammer 52 geöffnet.
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Das Reagens kann zu der Wirbelkammer 52 über einen Reagenseinlass 34 (2) zugeliefert werden. Der Reagenseinlass 34 kann in Fluidverbindung mit der Wirbelkammer 52 stehen und kann außen über die Versorgungsleitung 9 an den Tank 10 angeschlossen sein. Das Reagens kann mit einem vorbestimmten Druck-Sollwert in den Reagenseinlass 34 und die Wirbelkammer 52 gepumpt werden. Das druckbeaufschlagte Reagens kann in den Wirbelschlitzen 52 auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden. Dies erzeugt einen mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Fluss in der Wirbelkammer 52. Wenn das Ende 28 des Dosierzapfens von dem Ventilsitz 24 abgehoben ist, wird ein Anteil des rotierenden Reagensflusses durch die Austrittsöffnung 22 geleitet, wo die Zerstäubung durch eine Kombination aus Zentrifugalkraft und Scherung des Reagens durch Luft auftritt, wenn es in den Abgasstrom gestrahlt wird.
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Der vorbestimmte Druck-Sollwert kann in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen variiert werden, um mindestens entweder einen erhöhten Betriebsbereich oder verschiedene Sprühmuster aus der Austrittsöffnung 22 oder beides bereitzustellen.
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Um das Öffnen und Schließen der Austrittsöffnung 22 zu bewirken, kann eine Betätigungseinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer Magnetspule 38, die in dem Einspritzvorrichtungskörper 18 angeordnet ist. Wenn der Magnet 38 mit Energie versorgt wird, wird der Dosierzapfen 26 aus der geschlossenen Position in die offene Position nach oben gezogen. Die Bodenplatte 75 und der obere Einspritzvorrichtungskörper 18a können aus magnetischem rostfreiem Stahl aufgebaut sein, um eine magnetisierte Oberfläche zu schaffen, während die korrosionsbeständigen Eigenschaften beibehalten werden. Der untere Einspritzvorrichtungskörper 18b kann aus einem nicht magnetischen rostfreien Stahl aufgebaut sein, wie etwa rostfreiem Stahl des Typs 316. Dies verbessert die Isolierung der Magnetcharakteristik an der Bodenplatte 75 und begrenzt die Möglichkeit, dass der Dosierzapfen 26 zu der Austrittsöffnung 22 hin magnetisiert wird. Der Magnet würde beispielsweise ansprechend auf ein Signal von dem elektronischen Regler 14 aus 1 mit Energie versorgt, der auf der Grundlage von Sensor-Eingangssignalen und seinen vorprogrammierten Algorithmen entscheidet, wann Reagens für die wirksame selektive katalytische Reduktion von NOx-Emissionen in dem Abgasstrom erforderlich ist.
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5 zeigt eine Außenansicht der Reagens-Einspritzvorrichtung 16, die mit einem Abgasrohr 80 verbunden ist. Elektrische Anschlüsse können vorgesehen sein, um ein Steuersignal an die Reagens-Einspritzvorrichtung 16 abzugeben, beispielsweise von der Reagens-Einspritzregeleinheit 14 (1). Die Magnetspule 38 kann mit einem 12–24 V Gleichstrom mit einem impulsbreitenmodulierten digitalen Signal mit Energie versorgt werden.
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Wie 4A zeigt, weist der Dosierzapfen 20 einen hohlen Abschnitt 90 auf, der über Bohrungen 92 in dem Dosierzapfen 26 in Fluidverbindung mit der Wirbelkammer 52 stehen kann. Der hohle Abschnitt 90 des Dosierzapfens 26 kann sich zumindest innerhalb des unteren Abschnitts 18b des Einspritzvorrichtungskorpers 18 (2) erstrecken. Das druckbeaufschlagte Reagens aus der Wirbelkammer 52, welches nicht aus der Austrittsöffnung 22 ausgestoßen wird, kann in die Bohrungen 92, in den hohlen Abschnitt 90 und schließlich in den Auslass 36 durch einen Auslassabschnitt in dem hohlen oberen Abschnitt 94 des Dosierzapfens 26 gedrängt werden. Der Reagensauslass 36 kann wie in 2 gezeigt positioniert sein, um Reagens aus dem oberen Abschnitt 94 des hohlen Abschnitts 90 des Dosierzapfens 26 zu entfernen. Der Reagensauslass 36 kann außen an die Rücklaufleitung 35 (5) angeschlossen sein, um so das Zirkulieren des Reagens vom Tank 10 aus 1 durch die Versorgungsleitung 9 durch den Reagenseinlass 34 in die Wirbelkammer 52, durch die Bohrungen 92, durch den hohlen Abschnitt 90 des Dosierzapfens 26, aus dem Auslassabschnitt, in den hohlen oberen Abschnitt 94 und in den Reagensauslass 36, durch die Rücklaufleitung 35 zurück in den Tank 10 aus 1 zu erlauben. Diese Zirkulation hält die Reagens-Einspritzvorrichtung 16 kühl und minimiert die Verweilzeit des Reagens in der Einspritzvorrichtung. Der Reagenseinlass 34, der Reagensauslass 36 und der hohle Abschnitt 90 des Dosierzapfens 26 können einen Durchflussweg für das durch die Reagens-Einspritzvorrichtung 16 fließende Reagens bilden, wodurch sie die Kühlung der Reagens-Einspritzvorrichtung 16 ermöglichen. Der Durchflussweg für das Reagens durch die Reagens-Einspritzvorrichtung 16 kann unabhängig von der Position des Dosierzapfens 26 sein. Es versteht sich, dass die spezielle Reihenfolge eines derartigen Durchflusswegs (und/oder wie in den vorliegenden Figuren veranschaulicht) variiert werden kann, ohne den Gedanken der vorliegenden Lehre zu verlassen. Daher wird davon ausgegangen, dass derartige Variationen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Anmeldung liegen, sofern nicht anders angegeben. Eine Dosieröffnung 37 kann vorgesehen sein, um die Menge des durch die Reagens-Einspritzvorrichtung 16 fließenden kühlenden Reagens zu steuern.
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Somit wird beispielsweise wässriger Harnstoff, wenn er mit dieser gekühlten Reagens-Einspritzvorrichtung verwendet wird, sich nirgendwo innerhalb der Reagens-Einspritzvorrichtung 16 verfestigten, insbesondere nicht im Bereich der Wirbelkammer 52.
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Wenn eine Verfestigung zugelassen wird, könnte der Harnstoff verhindern, dass der Dosierzapfen 26 ordnungsgemäß in seinem Sitz aufliegt, oder könnte ein Festgehen des Dosierzapfens 26 entweder in der offenen oder geschlossenen Position verursachen und/oder könnte die Austrittsöffnung 22 blockieren. Darüber hinaus werden die schädlichen Auswirkungen erhöhter Temperatur auf das Reagens, die beweglichen Teile und die Öffnungen des Ventils vermieden. Beispielsweise durch eine direkte Kühlung der Einspritzvorrichtung eine gesteigerte Leistungsfähigkeit im Vergleich zum Stand der Technik erzielt, nach dem eine Kühlung nur im Bereich des Ventilsitzes erfolgt. Ferner bietet eine erhöhte Kühlung eine verlängerte Lebensdauer der Bauteile der Einspritzvorrichtung einschließlich des Dosierzapfens 26 und zugehöriger Betätigungsbauteile sowie des Ventilsitzes 24. An der Außenseite des oberen Abschnitts des Einspritzvorrichtungskörpers 18a vorgesehene Kühlrippen 72 bieten eine zusätzliche Kühlkapazität.
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Als Beispiel können annähernd 10 Gallonen Reagens pro Stunde durch die Einspritzvorrichtung zirkuliert werden, was mehr ist als die Menge an Reagens, die aus der Austrittsöffnung 22 abgegeben wird. Diese Durchflussrate kann in Abhängigkeit von der Anwendung variiert werden. Wenn das Ende 28 des Dosierzapfens 26 vom Ventilsitz 24 entfernt wird, kann zerstäubtes Reagens mit einer Rate von annähernd 1–600 g/min oder insbesondere mit einer Rate von annähernd 3–500 g/min in Abhängigkeit von der Anwendung und/oder dem verwendeten Regelalgorithmus ausgestoßen werden. Die Sprühcharakteristik des aus der Austrittsöffnung 42 ausgestoßenen Reagens kann in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen des Drucks variiert werden, der in der Rücklauf und Versorgungsleitung aufrechterhalten wird. Beispielsweise kann die Tröpfchengröße durch Variieren des Druckes in der Versorgungsleitung 9 gesteuert werden. Zusätzlich kann die Sprühcharakteristik durch Austauschen unterschiedlicher Sprühplatten variiert werden. Beispielsweise kann die Wirbelplatte 50, die an dem Einspritzvorrichtungskörper durch die Haltekappe 74 befestigt ist, entfernt werden und durch Wirbelplatten mit unterschiedlich dimensionierten Austrittsöffnungen 22, einer unterschiedlichen Anzahl von Wirbelschlitzen 51 oder Wirbelschlitzen mit unterschiedlicher Länge, Tiefe oder Breite ersetzt werden. Ferner können Sqprühplatten so konfiguriert werden, dass sie größere oder kleinere Wirbelkammern 52 bilden, wenn sie an dem unteren Abschnitt des Einspritzvorrichtungskörpers 18a angebracht sind. Die Zirkulationsrate des Reagens kann ebenfalls variiert werden, indem der Innendurchmesser der Dosieröffnung 37 modifiziert wird. Die Variation der Zirkulationsrate des Reagens verändert die Tröpfchengröße und beeinflusst das Ausmaß der Kühlung, die durch das Reagens erreicht wird.
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Ein kreisförmiger Führungsabschnitt 32 des Dosierzapfens 26 kann die Hauptführungsfunktion für die Gleitbewegung des Dosierzapfens 26 innerhalb der Kammer 30 bereitstellen. Die Toleranz zwischen dem kreisförmigen Führungsabschnitt 32 und der Kammer 30 ist ausreichend, um eine Relativbewegung und Schmierung des Dosierzapfens 26 zu ermöglichen, während die Bewegung des Dosierzapfens noch geführt wird.
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Allgemein variieren die spezifischen Toleranzen, die in den verschiedenen Abschnitten zwischen dem Dosierzapfen 26 und der Kammer 30 erforderlich sind, in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur, dem Betriebsdruck, der gewünschten Durchflussrate und Zirkulationsrate des Reagens, den tribologischen Eigenschaften des Reagens und den für den Dosierzapfen 26 und den Einspritzvorrichtungskörper 18 gewählten Materialien. Die Toleranzen für eine optimale Leistungsfähigkeit der Einspritzvorrichtung können experimentell durch Feldversuche erhalten werden.
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Wie 2 zeigt, kann der Dosierzapfen 26 in der geschlossenen Position durch ein Vorspannelement vorgespannt sein, bei welchem es sich beispielsweise um eine Schraubenfeder 42 handeln kann, die koaxial mit dem hohlen oberen Abschnitt 94 des Dosierzapfens 26 angeordnet ist, welcher als ein Federsitz dient, gegen welchen die Feder 42 zur Vorspannung des Dosierzapfens 26 drücken kann.
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In der dargestellten Konfiguration kann ein Wärmeschutzschild 58 außerhalb der Wirbelplatte 50 und der Haltekappe 74 montiert sein und die Übertragung von Wärme vom Abgas auf die Wirbelplatte 50 und den Einspritzvorrichtungskörper 18 verhindern, während er gleichzeitig eine erwärmte Oberfläche bereitstellt, die sicherstellt, dass unbeabsichtigt den Einspritzvorrichtungskörper berührende Tröpfchen keine Ablagerungen bilden. Beispielsweise kann der Wärmeschutzschild 58 aus Inconel gebildet sein. Alternativ kann die Austrittsöffnung 22 gegenüber der Einspritzvorrichtung 16 eingesenkt sein oder zur Außenseite des Einspritzendes der Wirbelplatte 50 verlegt sein, wodurch der Sprühwinkel α vergrößert wird und auch ein größerer Bereich von Sprühwinkeln zugelassen wird, während die Kühlungseigenschaften beibehalten werden. Eine Thermodichtung 70 kann aus einer flexiblen Graphitfolie gebildet sein, die mit rostfreiem Stahlmaterial ummantelt ist, deren niedrige Wärmeleitfähigkeit dazu dient, den Einspritzvorrichtungskörper 18 und die Wirbelplatte 50 von dem heißen Abgasrohr 80 zu isolieren, womit die leitende Wärmeübertragung auf die Reagens-Einspritzvorrichtung 16 reduziert wird und damit dazu beigetragen wird, das in dem Ventil zirkulierende Reagens kühl zu halten.
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Der Dosierzapfen 26 kann aus rostfreiem Stahl des Typs 430C oder 440F hergestellt sein, der vorzugsweise mit einer Beschichtung beschichtet ist, welche die Harnstoff-Korrosionsbeständigkeit und die magnetischen Eigenschaften aufrechterhält, während die über die Lebensdauer der Einspritzvorrichtung verursachte Metallermüdung reduziert wird. Die Wirbelplatte 50 kann aus Inconel oder rostfreiem Stahl des Typs 316 hergestellt sein und mit einer Beschichtung beschichtet sein, welche die Harnstoff-Korrosionsbeständigkeit aufrechterhält, während die über die Lebensdauer der Reagens-Einspritzvorrichtung 16 verursachte Metallermüdung reduziert wird. Die Bodenplatte 75 kann von dem Dosierzapfen 26 getrennt sein und der Dosierzapfen 26 kann auf die für die Herstellung sinnvolle, kürzeste Länge gekürzt werden, um eine beträchtlich reduzierte Masse des Dosierzapfens bereitzustellen. Die verringerte Masse des Dosierzapfens 26 verlängert die Lebensdauer des Zapfens und verlängert insbesondere die Lebensdauer des Endes 28 des Dosierzapfens, das durch das wiederholte Auftreffen auf den Ventilsitz 24 Verschleiß und Verformung unterliegt.
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Es ist nun zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung vorteilhafte Verfahren und Vorrichtungen zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrom eines Dieselmotors für den Straßenbetrieb zur Reduzierung von NOx-Emissionen bereitstellt.
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Obgleich die Erfindung in Zusammenhang mit verschiedenen veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben wurde, sind zahlreiche Modifikationen und Anpassungen daran möglich, ohne den Gedanken und Schutzumfang der Erfindung gemäß der Darlegung in den Patentansprüchen zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5976475 [0004]
- US 6279603 [0008, 0012, 0013]
- JP 6279603 [0014]
- US 6941746 [0038]
