DE112010000666T5

DE112010000666T5 - Reduktionsmitteldosierungssystem mit eineranti-belüftungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112010000666T5
Application number: DE201011000666
Authority: DE
Inventors: Sairam P. Thiagarajan; Tetsu 0. VELASQUEZ; Stephan D. Roozenboom; Raymond B. Gerges; Jinhui Sun; Shashank Mupparapu; Yung T. Bui
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2013-01-10
Also published as: WO2010096386A3; CN102325972A; WO2010096386A2; US20100212290A1; DE112010000666T8; US8291926B2; CN102325972B

Abstract

Ein Reduktionsmitteldosierungssystem für eine Maschine mit einem Motor und einem Abgassystem wird offenbart. Das Reduktionsmitteldosierungssystem hat einen Tank, der konfiguriert ist, um ein Reduktionsmittel zu enthalten, eine Dosierungsanordnung und einen Lieferdurchlass, der den Tank mit der Dosierungsanordnung verbindet. Das Reduktionsmitteldosierungssystem hat auch eine Spülanordnung, die konfiguriert ist, um Spülströmungsmittel zu der Dosierungsanordnung und/oder dem Lieferdurchlass zu leiten, und ein Ventil, welches konfiguriert ist, um zu gestatten, dass Reduktionsmittel vom Tank zum Lieferdurchlass läuft und zu verhindern, dass Spülströmungsmittel in den Tank eintritt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Reduktionsmitteldosierungssystem gerichtet und insbesondere auf ein Reduktionsmitteldosierungssystem mit einer Anti-Belüftungsvorrichtung.
Hintergrund
Reduktionsmitteldosierungssysteme werden typischerweise verwendet, um NO_x-Emissionen in großen Maschinen zu verringern, wo Überlegungen bezüglich Raum und Gewicht kein Problem sind, wie beispielsweise in Lokomotiven und stationären Leistungserzeugungsanwendungen. Das Reduktionsmittel ist in einem Tank gespeichert, der an der Maschine gelegen ist, und wenn die Maschine arbeitet und Abgas erzeugt, wird das Reduktionsmittel vom Tank in das Abgassystem der Maschine gepumpt. Das Reduktionsmittel reagiert mit dem Abgas bei hohen Temperaturen, um eine selektive katalytische Reduktion (SCR) von NO_x im Abgas zu beeinflussen.
Ein bekannter Nachteil von Dosierungssystemen bezieht sich auf die relativ hohen Umgebungstemperaturen, bei denen einige Reduktionsmittel gefrieren (ungefähr bei 12°F). Wenn das Reduktionsmittel gefriert, dehnt es sich innerhalb des Dosierungssystems aus, was einen Schaden an komplizierten Komponenten verursacht und/oder diese verstopft, wie beispielsweise Einspritzvorrichtungsdüsen. Ein Weg, ein Gefrieren zu verhindern, ist es, das System nach dem Gebrauch zu spülen. Zum Spülen des Dosierungssystems wird ein Spülströmungsmittel (typischerweise Luft) durch Systemdurchlässe und Komponenten geleitet, um restliches Reduktionsmittel aus dem System zu drücken.
Die US-Patenanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2005/0252201 (die '201-Veröffentlichung, nicht weiter verfolgt) von Lecea u. a. offenbart einen beispielhaften Spülvorgang. Insbesondere offenbart die '201-Veröffentlichung einen Urea- bzw. Harnstoffspeichertank, der mit einem Abgassystem über eine Pumpe und einen Durchlass verbunden ist. Harnstoff wird in das Abgassystem über einen Zerstäuber eingespritzt, der in dem Durchlass gelegen ist. Die '201-Veröffentlichung offenbart auch ein Spülsystem welches Reduktionsmittel aus dem Durchlass zwischen der Pumpe und dem Zerstäuber unter Verwendung von komprimierter Luft spült. Nachdem die komprimierte Luft in den Durchlass eingeleitet wurde, fließt die Mischung aus Luft und Reduktionsmittel zurück in den Tank oder tritt durch den Zerstäuber aus dem System aus.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Reduktionsmitteldosierungssystem gerichtet. Das Reduktionsmitteldosierungssystem kann einen Tank aufweisen, der konfiguriert ist, um Reduktionsmittel zu enthalten, eine Dosierungsanordnung und einen Lieferdurchlass, der den Tank mit der Dosierungsanordnung verbindet. Das Reduktionsmitteldosierungssystem kann auch eine Spülanordnung aufweisen, die konfiguriert ist, um Spülströmungsmittel zu der Dosierungsanordnung und/oder dem Lieferdurchlass zu leiten, und ein Ventil, welches konfiguriert ist, um zu gestatten, dass Reduktionsmittel vom Tank zur Dosierungsanordnung über den Lieferdurchlass fließt, und zu verhindern, dass Spülströmungsmittel in den Tank eintritt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Reduktionsmitteldosierungssystem gerichtet. Das Reduktionsmitteldosierungssystem kann einen Tank aufweisen, der konfiguriert ist, um ein Reduktionsmittel zu enthalten, eine Dosierungsanordnung und einen Lieferdurchlass, der den Tank mit der Dosierungsanordnung verbindet. Das Reduktionsmitteldosierungssystem kann auch eine Spülanordnung aufweisen, die konfiguriert ist, um Spülströmungsmittel zur Dosierungsanordnung und/oder dem Lieferdurchlass zu leiten, einen ersten Rückleitungsdurchlass, der konfiguriert ist, um die Dosierungsanordnung mit dem Tank zu verbinden, eine Kammer, die in dem Tank in Strömungsmittelverbindung mit dem ersten Rückleitungsdurchlass gelegen ist und einen Auslass zum Tank hat, und eine Entlüftung, die konfiguriert ist, um die Kammer mit der Atmosphäre in Verbindung zu setzen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Verringern einer Belüftung in einem Reduktionsmittelspeichertank gerichtet. Das Verfahren kann aufweisen, Reduktionsmittel unter Druck zu setzen und unter Druck gesetztes Reduktionsmittel vom Reduktionsmittelspeichertank zu einer Dosierungsanordnung zu leiten. Das Verfahren kann weiter aufweisen, Spülströmungsmittel unter Druck zu setzen und unter Druck gesetztes Spülströmungsmittel zu leiten, um Reduktionsmittel zurück in den Reduktionsmittelspeichertank zu drücken. Das Verfahren kann zusätzlich aufweisen, die Rückkehr von unter Druck gesetztem Spülströmungsmittel zu einem Teil des Reduktionsmittelspeichertanks zu verhindern, der unter einem Strömungsmittelniveau ist, das im Tank vorhanden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften offenbarten Leistungs- bzw. Antriebssystems;
2 ist eine schematische Veranschaulichung einer Reduktionsmittelquelle, die mit dem Antriebssystem der 1 verwendet werden kann;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Ventils, welches mit der Reduktionsmittelquelle der 2 verwendet werden kann;
4 ist eine schematische Veranschaulichung einer alternativen Reduktionsmittelquelle, die mit dem Antriebssystem der 1 verwendet werden kann; und
5 ist eine schematische Veranschaulichung eines weiteren beispielhaften offenbarten Antriebssystems.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Leistungs- bzw. Antriebssystem 5 mit einem Motor 306, der konfiguriert ist, einen Abgasfluss zu erzeugen, und mit einem Dosierungssystem 10, welches konfiguriert ist, um Reduktionsmittel in den Abgasfluss des Motors einzuleiten, um eine chemische Reaktion zu bewirken, die NO_x-Emissionen reduziert. In einem Ausführungsbeispiel kann das Dosierungssystem 10 ein Urea- bzw. Harnstoffdosierungssystem sein, welches eine Harnstofflösung in ein Abgassystem 12 des Motors 306 einspritzt, um eine selektive katalytische Reduktion (SCR) zu beeinflussen bzw. zu bewirken. Die Harnstofflösung kann Wasser (H₂O) und Harnstoff ((NH₂)₂CO) aufweisen. Bei höheren Temperaturen als ungefähr 250°C kann sich die Lösung in Ammoniak (NH₃) zersetzen, welcher verwendet wird, um NO_x (NO und NO₂) im Abgasfluss des Motors 306 in elementaren Stickstoff (N₂) und Wasser umzuwandeln. Das Dosierungssystem 10 kann eine Pumpanordnung 15, eine Dosierungsanordnung 20 und eine Spülanordnung 25 aufweisen. Die Pumpanordnung 15 kann dahingehend arbeiten, dass sie unter Druck gesetztes Reduktionsmittel zur Dosierungsanordnung 20 liefert, und zwar zur Dosierung in das Abgassystem 12 durch diese. Die Spülanordnung 25 kann dahingehend arbeiten, dass sie selektiv die Pumpanordnung 15 und/oder die Dosierungsanordnung 20 von restlichem Reduktionsmittel spült.
Die Pumpanordnung 15 kann Komponenten aufweisen, die Reduktionsmittel unter Druck setzen und zur Dosierungsanordnung 20 leiten. Insbesondere kann die Pumpanordnung 15 eine Pumpe 30, eine Reduktionsmittelmittelquelle 35 und einen Filter 40 aufweisen. Die Pumpe 30 kann einen Fluss von Reduktionsmittel innerhalb eines Durchlasses 42 erzeugen, der strömungsmittelmäßig mit der Reduktionsmittelquelle 35, dem Filter 40 und der Dosierungsanordnung 20 verbunden ist. Die Pumpe 30 kann eine Zumesspumpe sein, wie beispielsweise eine Membranpumpe, eine Kolbenpumpe oder eine Drehpumpe. Die Reduktionsmittelmittelquelle 35 kann ein Niederdrucktank zum Speichern von Reduktionsmittel sein. Der Filter 40 kann eine Vorrichtung sein, die konfiguriert ist, um Eiskristalle und/oder Schmutz aus einem Fluss von Reduktionsmittel zu entfernen. Wenn die Pumpe 30 Reduktionsmittel aus der Reduktionsmittelmittelquelle 35 zieht und das Reduktionsmittel zur Dosierungsanordnung 20 über einen Durchlass 42 drückt, kann ein Teil des Reduktionsmittels gefrieren oder schon gefroren sein. Dieses gefrorene Reduktionsmittel kann stromaufwärts der Pumpe 30 beim Filter 40 gesammelt werden.
Die Dosierungsanordnung 20 kann Komponenten aufweisen, die Reduktionsmittel in das Abgassystem 12 des Motors 306 einspritzen. Insbesondere kann die Dosierungsanordnung 20 eine Druckwelle 45, einen Druckregler 50, ein Steuerventil 55, ein Rückschlagventil 60 und eine Verteilungs- bzw. Auslassvorrichtung 85 aufweisen, die strömungsmittelmäßig über einen Durchlass 70 verbunden sind. Die Druckquelle 45 kann eine Pumpe aufweisen, die konfiguriert ist, um ein Spülströmungsmittel unter Druck zu setzen, beispielsweise Luft, und/oder ein Gefäß, welches konfiguriert ist, das unter Druck gesetzte Strömungsmittel aufzunehmen. Die Druckquelle 45 kann das unter Druck gesetzte Strömungsmittel zur Auslassvorrichtung 85 über den Durchlass 70 leiten.
Der Druckregler 50 kann mechanisch einen Druck innerhalb des Durchlasses 70 aufrechterhalten, der für die Reduktionsmitteldosierung durch die Auslassvorrichtung 85 geeignet ist. Das Steuerventil 55 kann irgendein geeignetes Ventil sein, wie beispielsweise ein Elektromagnet betätigtes und federvorgespanntes Steuerventil, welches zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist. Das Steuerventil 55 kann selektiv gestatten, dass Strömungsmittel von der Druckquelle 45 durch den Durchlass 70 zur Auslassvorrichtung 85 fließt, wenn es in der offenen Position ist, und es kann selektiv einen Fluss durch den Durchlass 70 verhindern, wenn es in der geschlossenen Position ist. Das Rückschlagventil 60 kann dabei helfen, einen in einer Richtung weisenden Fluss von Reduktionsmittel durch den Durchlass 70 sicherzustellen. Das Rückschlagventil 60 kann irgendein geeignetes Ventil sein, wie beispielsweise ein Kugelrückschlagventil. Die Auslassvorrichtung 85 kann Reduktionsmittel in das Auslasssystem 12 auslassen. Das Reduktionsmittel, welches von der Auslassvorrichtung 85 ausgelassen wurde, kann eine chemische Reaktion erleichtern, welche NO_x-Emissionen verringert.
Die Spülanordnung 25 kann gesteuert werden, um selektiv Reduktionsmittel aus Komponenten des Dosierungssystems 10 zu spülen. Die Spülanordnung 25 kann einen Sensor 115, ein Steuerventil 120, ein Steuerventil 125, ein Rückschlagventil 130 und eine Steuervorrichtung 135 in Verbindung mit dem Sensor 115 und den Steuerventilen 55, 120 und 125 aufweisen. Die Steuervorrichtung 135 kann weiter über eine elektrische Leitung 137 in Verbindung mit der Pumpe 30 sein. Die Steuervorrichtung 135 kann auch mit anderen Komponenten des Dosierungssystems 10 verbunden sein, beispielsweise mit einem Temperatursensor in thermischem Kontakt mit dem Abgassystem 12 des Motors 306, falls erwünscht. Ansprechend auf Eingangsgrößen vom Sensor 115 und/oder vom Temperatursensor kann die Steuervorrichtung 135 selektiv den Betrieb der Pumpe 30 und der Steuerventile 55, 120 und 125 beeinflussen. Die Steuervorrichtung 135 kann irgendeine Art einer programmierbaren Logiksteuervorrichtung sein, die in der Technik zur Automatisierung von Maschinenprozessen bekannt ist, wie beispielsweise eine Motorsteuereinheit (ECU-Engine Control Unit).
Der Sensor 115 kann im Durchlass 70 angeordnet sein und irgendeinen geeigneten Sensor zur Messung eines Strömungsmitteldrucks darin verkörpern. Der Sensor 115 kann elektrisch mit der Steuervorrichtung 135 über eine elektrische Leitung 140 verbunden sein, um Werte, welche den Druck des Durchlasses 70 anzeigen, als Eingangsgröße an die Steuervorrichtung 135 zu liefern. Wenn der Sensor 115 Druckwerte berichtet, die nicht für den Betrieb des Dosierungssystems 10 geeignet sind, kann die Steuervorrichtung 135 über eine elektrische Leitung 145 bewirken, dass sich das Steuerventil 55 von der offenen Position zur geschlossenen Position hin bewegt, wodurch ein Strömungsmittelfluss durch den Durchlass 70 verhindert wird.
Das Steuerventil 120 und das Rückschlagventil 130 können strömungsmittelmäßig in einem Durchlass 150 angeordnet sein, der den Durchlass 70 mit dem Durchlass 42 verbindet. Das Steuerventil 120 kann ähnlich sein wie das Steuerventil 55 und kann selektiv einen Fluss von unter Druck gesetzter Luft durch den Durchlass 150 gestatten und verhindern. Der Betrieb des Steuerventils 120 kann durch die Steuervorrichtung 135 über eine elektrische Leitung 155 geregelt werden. Das Rückschlagventil 130 kann ähnlich dem Rückschlagventil 60 sein und kann dabei helfen, einen Fluss von Spülströmungsmittel durch den Durchlass 150 in einer Richtung von der Druckquelle 45 zu einem Einlass der Pumpe 30 sicherzustellen.
Das Steuerventil 125 kann ähnlich den Steuerventilen 55 und 120 sein und kann selektiv einen Rückfluss von Spülströmungsmittel und Reduktionsmittel durch einen Durchlass 160 von der Auslassvorrichtung 85 zur Reduktionsmittelquelle 35 gestatten und verhindern. Der Betrieb des Steuerventils 125 kann durch die Steuervorrichtung 135 über die elektrische Leitung 165 geregelt werden. Der Durchlass 160 kann in einem Ausführungsbeispiel größer bemessen sein als der Durchlass 42, so dass weniger Druck erforderlich ist, um einen Fluss zu erzeugen.
Wie in 2 veranschaulicht, kann die Reduktionsmittelquelle 35 im Allgemeinen einen Tank 32 mit einem Einlass 290 und einem Auslass 34 verkörpern und konfiguriert sein, um Reduktionsmittel zu enthalten. In einem Ausführungsbeispiel können sowohl der Einlass 290 als auch der Auslass 34 in einem oberen Teil des Tanks 32 gelegen sein (d. h. einem Teil über einem Strömungsmittelniveau 36 innerhalb des Tanks 32). Der Einlass 290 kann konfiguriert sein, um den Durchlass 160 mit dem oberen Teil des Tanks 32 zu verbinden, um zu gestatten, dass eine Mischung aus Spülströmungsmittel und Reduktionsmittel, welche zur Reduktionsmittelquelle 35 während eines Spülereignisses zurückgeleitet werden kann, in den Tank 32 eintritt. Der Auslass 34 kann konfiguriert sein, um den Durchlass 42 mit einem Ventil 200 zu verbinden, welches innerhalb eines unteren Teil des Tanks 32 gelegen ist (d. h. einem Teil unter dem Strömungsmittelniveau 36 innerhalb des Tanks 32), und zwar über einen Durchlass 295. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Filter oder ein Siebelement 300 mit einem Ende des Durchlasses 295 assoziiert sein, der im unteren Teil des Tanks 32 gelegen ist. Der Auslass 34 kann gestatten, dass Reduktionsmittel aus dem Tank 32 durch das Siebelement 300 durch die Pumpe 30 während eines Dosierungsereignisses gezogen wird und kann gestatten, dass Reduktionsmittel und Spülströmungsmittel zum Tank 32 während eines Spülereignisses zurückkehren.
Während eines Spülereignisses kann eine Mischung aus komprimiertem Spülströmungsmittel und Reduktionsmittel sich im oberen Teil des Tanks 32 sammeln. Wenn dies nicht berücksichtigt wird, könnte diese Mischung einen Gesamtdruck innerhalb des oberen Teils des Tanks 32 über ein erwünschtes Niveau steigern. Das Dosierungssystem 10 kann dabei helfen, zu verhindern, dass der Druck im Tank 32 eine Grenze erreicht, in dem ein Entlüftungsauslass 240 vorgesehen wird, der konfiguriert ist, um unter Druck gesetzte Gas vom Tank 32 in die Atmosphäre freizugeben. Der Entlüftungsauslass 240 kann an dem oberen Teil gelegen sein, beispielsweise an einer Oberseite des Tanks 32 und kann durch eine federbelastete Entlüftungskappe 250 abgeschlossen werden. Wenn der Druck innerhalb des Tanks 32 ein vorbestimmtes Niveau erreicht, kann bei dieser Konfiguration die federbelastete Entlüftungskappe 250 gegen die Vorspannung einer Feder bewegt werden, um unter Druck gesetzte Gase in die Atmosphäre freizugeben. Alternativ könnten ähnliche Entlüftungsauslassanordnungen manuell freigegeben werden, basierend auf einer Eingabe von einem Timer bzw. Zeitzähler freigegeben werden oder durch Verwendung von Sensoren, Steuervorrichtungen und/oder Elektronik freigegeben werden, falls erwünscht.
Um dabei zu helfen, eine Menge von gasförmigem Reduktionsmittel zu verringern, welche in die Atmosphäre während des Öffnens der federbelasteten Entlüftungskappe 250 freigegeben wird, kann die Reduktionsmittelquelle 35 eine im Allgemeinen geschlossene Kammer 230 aufweisen, die am Einlass 290 über dem Strömungsmittelniveau 36 im Tank 32 gelegen ist und in Strömungsmittelverbindung mit dem Entlüftungsauslass 240 ist. Wie oben beschrieben, kann eine Mischung aus Spülströmungsmittel und restlichem Reduktionsmittel in den Tank 32 und in die Kammer 230 über den Einlass 290 während eines Spülereignisses eintreten. Wenn diese Mischung in die Kammer 230 eintritt, kann flüssiges Reduktionsmittel sich von der Mischung trennen und kann durch die Schwerkraft angezogen werden, um aus der Kammer 230 über einen Auslass 270 auszutreten, während Gase (d. h. Spülströmungsmittel und/oder gasförmiges Reduktionsmittel), die sich von der Mischung trennen, aus der Kammer 230 über den Entlüftungsauslass 240 austreten können. Um den Fluss von flüssigem Reduktionsmittel aus der Kammer 230 durch den Auslass 270 zu begünstigen, kann die Kammer 230 eine oder mehrere geneigte Wände aufweisen, die unter dem Einlass 290 positioniert sind, um flüssiges Reduktionsmittel zum Auslass 270 zu leiten.
In einigen Situationen kann es möglich sein, dass die zurückfließende Spülströmungsmittel/Reduktionsmittel-Mischung in die Kammer 230 mit solcher Geschwindigkeit und/oder mit solcher Kraft eintritt, dass eine unerwünschte Menge der Mischung von den geneigten Wänden zum Entlüftungsauslass 240 abgelenkt wird, wo sie aus dem Tank 32 in die Atmosphäre austreten kann. Um dieses unerwünschte Auslassen von Reduktionsmittel zu verhindern, kann ein Spritzverringerungselement 220 angeordnet sein, um den Fluss des Reduktionsmittels zu verlangsamen, der in die Kammer 230 aus dem Einlass 290 eintritt. Das Spritzreduktionselement 220 kann im Allgemeinen an der geneigten Wand (den geneigten Wänden) der Kammer 230 unter dem Einlass 290 positioniert sein. Das Spritzreduktionselement 220 kann eine gitterartige oder poröse Oberfläche aufweisen, die aus Materialien hergestellt ist, die aus Plastik, PVC, Aluminium, Stahl und Kombinationen daraus bestehen.
Während eines Spülereignisses können restliches Reduktionsmittel und Spülströmungsmittel auch zum Tank 32 über die Durchlässe 42 und 295 zurückgeleitet werden. Wenn es direkt in den Tank 32 an einer Stelle zurücklaufen kann, die Unter dem Strömungsmittelniveau 36 im Tank 32 liegt, könnte irgendwelches Spülströmungsmittel (Luft), welches in den Tank 32 eintritt, Blasen im Tank 32 verursachen, die eine Verschlechterung des Reduktionsmittels im Tank 32 zur Folge haben könnten. Das Ventil 200 kann in Assoziation mit einem Rückleitungsdurchlass 201 die Rückkehr des Spülströmungsmittels in den unteren Teil des Tanks 32 verhindern. Der Rückleitungsdurchlass 201 kann sich vom Durchlass 295 beim Ventil 200 abzweigen und kann sich zum oberen Teil des Tanks 32 erstrecken. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann sich der Rückleitungsdurchlass 201 in die Kammer 230 über den Einlass 280 erstrecken.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, kann das Ventil 200 im Allgemeinen einen Resolver mit einem Körper 206 und einem Ventilelement 204 verkörpern, welches in einem Körper 209 angeordnet ist und zwischen zwei voneinander beabstandeten Endpositionen bewegbar ist. Insbesondere kann das Ventilelement 204 von einer ersten Position, in der das Ventilelement 204 mit einem ersten Sitz 208 in Eingriff steht, um einen Strömungsmittelfluss vom Durchlass 295 durch das Ventil 200 während eines Spülereignisses zu verhindern, zu einer zweiten Position bewegbar sein, in der Strömungsmittel vom Tank 32 durch das Ventil 200 zu Durchlässen 295 und 42 während eines Dosierungsereignisses laufen kann. Wenn das Ventilelement 204 in der ersten Position ist, kann Strömungsmittel (d. h. Reduktionsmittel und Spülluft), welches zum Tank 32 über den Durchlass 42 zurückkehrt, immer noch in den Tank 32 eintreten, jedoch nur direkt zum oberen Teil davon, und zwar vom Durchlass 295 zum Rückleitungsdurchlass 201 und in die Kammer 230. In dieser Weise kann im Wesentlichen kein Spülströmungsmittel direkt in den unteren Teil des Tanks 32 über das Ventil 200 eintreten.
Wie im Beispiel der 3 gezeigt, kann das Ventilelement 204 ein Kugelelement verkörpern, obwohl andere Konfigurationen, beispielsweise ein Sitzelement oder ein Kolbenelement, möglich sein können. Bei einem Kugelelement kann der erste Sitz 208 im Allgemeinen einen konkaven konischen Sitz verkörpern, der konfiguriert ist, um das Ventilelement 204 in der ersten Position aufzunehmen. Wenn es in der zweiten oben beschriebenen Position ist, kann das Ventilelement 204 mit einem zweiten nicht dichtenden Sitz 210 in Eingriff kommen, der assoziierte Bypass- bzw. Überleitungsnuten 202 hat. Die Überleitungsnuten 202 können so konfiguriert sein, dass, auch wenn das Ventilelement 204 gegen den zweiten Sitz 210 anliegen kann, Reduktionsmittel immer noch vom Tank 32 zu den Durchlässen 295 und 42 während eines Dosierungsereignisses über die Überleitungsnuten 202 fließen kann.
4 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel der Reduktionsmittelquelle 35. In diesem Ausführungsbeispiel kann ein Elektromagnetventil 215 des Ventil 200 ersetzen. Das Elektromagnetventil 215 kann im Allgemeinen einen ersten Zustand haben, in dem ein Reduktionsmittel vom unteren Teil des Tanks 32 durch die Durchlässe 295 und 42 während eines Dosierungsereignisses fließen kann, und einen zweiten Zustand, in dem das Reduktionsmittel und das Spülströmungsmittel, die zum Tank 32 über den Durchlass 160 zurückkehren, direkt in die Kammer 230 über den Einlass 280 während eines Spülereignisses eintreten können. Es wird in Betracht gezogen, dass das Elektromagnetventil 215 programmiert werden kann, um automatisch zwischen den ersten und zweiten Zuständen umzuschalten, oder dass es manuell eingestellt wird, falls erwünscht.
5 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel des Dosierungssystems 10, welches in erster Linie für stationäre Anwendungen vorgesehen ist, beispielsweise für stationäre Anwendungen zur Erzeugung elektrischer Leistung. In ähnlicher Weise wie das Dosierungssystem 10 der 1 kann das Dosierungssystem 10 der 5 eine Pumpanordnung 15, eine Dosierungsanordnung 20, eine Spülanordnung 25 und eine Pumpanordnung 25 aufweisen. Jedoch kann die Spülanordnung 25 der 5 im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 1 eine andere Konfiguration der Ventile aufweisen, um die Anwendung eines entfernten Tanks 90 zu ermöglichen. Insbesondere kann die Spülanordnung 25 zusätzlich zum Steuerventil 55 ein Auffüllsteuerventil 92 und ein Dosierungssteuerventil 94 aufweisen. Die Steuerventile 120 und 125 können bei der Spülanordnung 25 der 5 weggelassen werden. Das Auffüllsteuerventil 92 kann angeordnet sein, um selektiv die Füllung des Tanks 32 mit Reduktionsmittel vom entfernten Tank 90 mittels eines Durchlasses 96 zu steuern. Das Dosierungssteuerventil 94 kann angeordnet sein, um selektiv den Strömungsmittelfluss durch den Durchlass 160 zu steuern, wodurch ein Druckaufbau innerhalb des Durchlasses 42 gesteuert wird, und darauf folgend die Einleitung eines Spülereignisses.
Der entfernte Tank 90 kann strömungsmittelmäßig mit dem Tank 32 mittels des Durchlasses 96 verbunden sein, um den Tank 32 wieder mit Reduktionsmittel aufzufüllen. In einigen Anwendungen kann der entfernte Tank 90 eine größere Kapazität haben als der Tank 32 und kann auch gleichzeitig mit mehreren Tanks 32 von unterschiedlichen Dosierungssystemen 10 verbunden sein, falls erwünscht. In einem Ausführungsbeispiel kann eine Druckquelle, beispielsweise eine Niederdrucktransferpumpe 98, mit dem entfernten Tank 90 assoziiert sein, um das Reduktionsmittel vom entfernten Tank 90 zum Tank 32 zu erzeugen. Es wird in Betracht gezogen, dass die Pumpe 98 kontinuierlich betreibbar sein kann oder nur ansprechend auf ein Strömungsmittelniveau innerhalb des Tanks 32 betreibbar sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Fluss von Reduktionsmittel durch Schwerkraft erleichtert werden (d. h. der entfernte Tank 90 kann in Schwerkraftrichtung höher gelegen sein als der Tank 32, so dass die Schwerkraft bewirkt oder begünstigt, dass das Reduktionsmittel zum Tank 32 fließt), falls erwünscht. In einigen Situationen kann eine Bypass-Leitung bzw. Überleitung 100, in der ein Ventil angeordnet ist, beispielsweise ein Rückschlagventil 102, zwischen dem Durchlass 96 und dem entfernten Tank 90 angeschlossen sein, so dass Reduktionsmittel, welches von der Pumpe 98 unter Druck gesetzt wird, zum entfernten Tank 90 zurückkehren kann, wenn der Tank 32 nicht aufgefüllt werden muss.
Das Auffüllsteuerventil 92 kann ein elektromagnetaktiviertes Pilot- bzw. vorsteuerbetriebenes Steuerventil mit einem ersten Ventilelement 104 verkörpern, welches strömungsmittelmäßig mit einem zweiten Ventilelement 106 verbunden ist. Das erste Ventilelement 104 kann elektromagnetbetätigt sein, um sich gegen eine Federvorspannung zwischen einer ersten Position, in der unter Druck gesetzte Luft (oder ein anderes Strömungsmittel) von der Druckquelle 45 geleitet wird, um das zweite Ventilelement 106 zu bewegen, und einer zweiten Position zu bewegen, in der die unter Druck gesetzte Luft vom zweiten Ventilelement 106 freigegeben wird. Wenn unter Druck gesetzte Luft zum zweiten Ventilelement 106 geleitet wird, kann das zweite Ventilelement 106 sich zu einer Reduktionsmitteldurchlassposition bewegen, in der Reduktionsmittel, welches von der Pumpe 98 unter Druck gesetzt wird, geleitet werden kann, um den Tank 32 aufzufüllen. Wenn die unter Druck gesetzte Luft vom zweiten Ventilelement 106 freigegeben wird, kann das zweite Ventilelement 106 zu einer Reduktionsmittelblockierungsposition federvorgespannt sein. In einem Beispiel können die Aktivierung des ersten Elementes 104 und die darauf folgende Betätigung des zweiten Ventilelementes 106 durch die Steuervorrichtung 135 ansprechend auf ein Signal von einem Strömungsmittelniveausensor 108 ausgelöst werden, der mit dem Tank 32 assoziiert ist.
Das Dosierungssteuerventil 94, ähnlich wie das Auffüllsteuerventil 92, kann ein elektromagnetbetätigtes vorsteuerbetriebenes Steuerventil verkörpern, welches ein erstes Ventilelement 110 hat, das strömungsmittelmäßig mit einem zweiten Ventilelement 112 verbunden ist. Das erste Ventilelement 110 kann durch Elektromagneten aktiviert werden, um sich gegen eine Federvorspannung zwischen einer ersten Position, in der unter Druck gesetzte Luft (oder ein anderes Strömungsmittel) von der Druckquelle 45 geleitet wird, um das zweite Ventilelement 112 zu bewegen, und einer zweiten Position bewegen, in der die unter Druck gesetzte Luft vom zweiten Ventilelement 112 freigegeben wird. Wenn unter Druck gesetzte Luft zum zweiten Ventilelement 112 geleitet wird, kann sich das zweite Ventilelement 112 zu einer Reduktionsmittel-Bypass- bzw. Reduktionsmittelüberleitungsposition bewegen, in der Reduktionsmittel, welches von der Pumpe 30 unter Druck gesetzt wird, zurück zum Tank 32 anstatt zur Auslassvorrichtung 85 geleitet wird. Durch das Zurückleiten des Reduktionsmittels zum Tank 32 wird nicht gestattet, dass sich ein Druck innerhalb des Durchlasses 42 aufbaut, wodurch eine Einspritzung durch die Auslassvorrichtung 85 verhindert wird. Wenn die unter Druck gesetzte Luft vom zweiten Ventilelement 112 freigegeben wird, kann das zweite Ventilelement 112 zu einer Reduktionsmittelblockierungsposition federvorgespannt sein. Wenn es in der Reduktionsmittelblockierungsposition ist, kann sich der Druck des Reduktionsmittels, welches durch die Pumpe 30 bewegt wird, innerhalb des Durchlasses 42 aufbauen und dadurch die Einspritzung durch die Auslassvorrichtung 85 erleichtern bzw. ermöglichen.
Industrielle Anwendbarkeit
Das offenbarte Reduktionsmitteldosierungssystem kann in irgendeiner Antriebssystemanwendung verwendet werden, wo das Gefrieren von Reduktionsmittel und die Verstopfung des Systems ein Problem sind. Das offenbarte Reduktionsmitteldosierungssystem kann die Wahrscheinlichkeit des Gefrierens und/oder Verstopfens durch Vorsehen von Spülfähigkeiten verringern. Das offenbarte Reduktionsmitteldosierungssystem kann auch beträchtlich das Auftreten von Blasen im Reduktionsmittel eines assoziierten Tanks und das daraus resultierende Freigeben von gasförmigem Reduktionsmittel in die Atmosphäre verringern. Der Betrieb des Dosierungssystems 10 wird nun beschrieben.
Bezüglich des Ausführungsbeispiels der 1 kann eine Reduktionsmitteldosierung eingeleitet werden, wenn die Temperaturen innerhalb des Abgassystems 12 eine Schwellentemperatur überschreiten, beispielsweise ungefähr 250°C, um eine selektive katalytische Reduktion auszuführen. Wenn die Abgastemperaturen die Schwellentemperatur überschreiten, kann die Steuervorrichtung 135 das Steuerventil 55 zu seiner Flussdurchlassposition bewegen und gleichzeitig bewirken, dass die Pumpe 30 Reduktionsmittel unter Druck setzt, so dass Luft und Reduktionsmittel zur Auslassvorrichtung 85 über die Durchlässe 70 bzw. 42 fließen. Zu dieser Zeit können die Steuerventile 120 und 125 in Positionen gehalten werden oder zu Positionen bewegt werden, die einen Fluss durch die Durchlässe 150 und 160 blockieren. Unter diesen Bedingungen können die Flüsse von unter Druck gesetzter Luft und Reduktionsmittel durch die Auslassvorrichtung 85 in das Abgassystem 12 gesprüht oder in anderer Weise eingespritzt werden.
Wenn der Motor 306 Abgas erzeugt, kann das Reduktionsmittel, welches aus dem Tank 32 in das Abgassystem 12 über die Auslassvorrichtung 85 gespritzt wird, bei hohen Temperaturen mit NO_x reagieren, welches in dem Abgas enthalten ist, was eine selektive katalytische Reduktion (SCR) des NO_x beeinflusst. Das Dosierungssystem 10 kann in dieser Weise verwendet werden, um NO_x-Emissionen in großen Motoren zu reduzieren, wie beispielsweise in Motoren, die für Lokomotivenanwendungen verwendet werden. Die Dosierung kann gestoppt werden und ein Spülvorgang kann eingeleitet werden, wenn eine Temperatur innerhalb des Abgassystems 12 unter die Schwellentemperatur fällt. Sobald das Spülen beginnt, kann die Steuervorrichtung 135 verhindern, dass der Motor 306 abgeschaltet wird, bis der Spülprozess vollendet ist. Alternativ kann der Motor 306 vollständig abgeschaltet werden, und danach kann der Spülprozess initialisiert werden, falls erwünscht.
Das Spülen kann initialisiert werden, um einen Schaden und/oder eine Verstopfung der Dosierungskomponenten auf Grund Einfrierens oder der Bildung von Polymeren zu verhindern, wenn das Abgassystem 12 sich abkühlt. Der Spülprozess kann von der Steuervorrichtung 135 initialisiert werden, welche die Steuerventile 120 und 125 zu ihren Flussdurchlasspositionen bewegt, und durch Abstellen des Betriebs der Pumpe 30. Wenn das Steuerventil 120 in seiner Flussdurchlassposition ist, kann unter Druck gesetztes Spülströmungsmittel von der Druckquelle 45 durch die Durchlässe 150 und 42 zur Reduktionsmittelquelle 35 geleitet werden. Wenn das Steuerventil 125 auch in seine Flussdurchlassposition bewegt wird, kann der Fluss von unter Druck gesetztem Spülströmungsmittel, der durch das Steuerventil 120 und die Durchlässe 150 und 42 geleitet wird, auch gleichzeitig durch die Pumpe 30 und dann zurück zur Reduktionsmittelquelle 35 über das Steuerventil 125 und den Durchlass 160 und/oder die Pumpe 30 und dann durch die Auslassvorrichtung 85 in das Abgassystem 12 geleitet werden, um Reduktionsmittel aus diesen Komponenten zu drücken. Während des Spülprozesses kann unter Druck gesetztes Spülströmungsmittel in die Auslassvorrichtung 85 über den Durchlass 70 eintreten und in der Auslassvorrichtung 85 zusammen mit restlichem Reduktionsmittel zurück durch den Durchlass 42, durch das Steuerventil 125 und den Durchlass 160 zur Reduktionsmittelquelle 35 geleitet werden. Es wird in Betracht gezogen, dass die Steuerventile 120 und 125 gleichzeitig in ihre Flussdurchlasspositionen während des Spülprozesses bewegt werden oder selektiv zu anderen Zeiten zu den Flussdurchlasspositionen bewegt werden, falls erwünscht.
Mit Bezug auf 2 kann das Spülströmungsmittel und das Reduktionsmittel, die zur Reduktionsmittelquelle 35 über den Durchlass 160 zurückkehren, in die Kammer 230 durch den Auslass 290 eintreten. Von dort können die zurückkehrenden Strömungsmittel mit dem Spritzreduktionselement 220 in Wechselwirkung treten und sich in den Tank 32 durch den Kammerauslass 270 entleeren. Das Spritzreduktionselement 220 kann dabei helfen, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass zurückkehrende Reduktionsmittel in unerwünschter Weise zur Entlüftung 240 hin abgelenkt wird und in die Umgebung ausgelassen wird. Das Spülströmungsmittel und das Reduktionsmittel, die zur Reduktionsmittelquelle 35 über den Durchlass 42 zurückkehren, können in den Tank 32 über den Einlass 34 eintreten und zum Ventil 200 über den Durchlass 295 fließen. Durch den Spülprozess kann das Ventilelement 204 durch den Druck der zurückkehrenden Strömungsmittel gegen den Sitz 208 verschoben werden, um zu verhindern, dass die Strömungsmittel unter dem Strömungsmittelniveau 36 in dem Tank 32 ausgelassen werden, und kann stattdessen die Strömungsmittel durch den Rückleitungsdurchlass 201 ableiten, so dass sie über dem Strömungsmittelniveau und in die Kammer 230 ausgelassen werden. Während eines darauf folgenden Dosierungsereignisses kann das Ventilelement 204 durch Strömungsmitteldruck in seine Flussdurchlassposition gegen den zweiten Sitz 210 gebracht werden, in der Reduktionsmittel, welches durch das Filter- bzw. Siebelement 300 durch den Betrieb der Pumpe 30 gezogen wird, durch das Ventilelement 204 über die Bypass- bzw. Überleitungsnuten 202 (siehe 3) und den Eingangsdurchlass 42 über den Durchlass 295 laufen kann.
Mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 4 können die Spülluft und das Reduktionsmittel, die zur Reduktionsmittelquelle 35 über den Durchlass 42 während des Spülprozesses zurückkehren, zur Kammer 230 über das Elektromagnetventil 215 und den Rückleitungsdurchlass 201 fließen. Wie oben beschrieben, kann das Elektromagnetventil 215 während des Spülprozesses in seine zweite Position bewegt werden und dann während eines darauf folgenden Dosierungsereignisses mittels einer Federvorspannung in seine erste Position zurückgebracht werden. Wenn es in der ersten Position ist, kann Strömungsmittel durch das Siebelement 300, den Durchlass 295, das Elektromagnetventil 215 und den Durchlass 42 durch die Pumpe 30 gezogen werden.
Bezüglich des Ausführungsbeispiels der 5 kann eine Reduktionsmitteldosierung unter ähnlichen Bedingungen initialisiert werden wie oben beschrieben (d. h. wenn die Temperaturen innerhalb des Abgassystems 12 ungefähr 250°C überschreiten), um eine selektive katalytische Reduktion auszuführen. Insbesondere, wenn die Temperaturen des Abgassystems 12 die Schwellentemperatur überschreiten, kann die Steuervorrichtung 135 das Steuerventil 55 zu seiner Flussdurchlassposition bewegen und gleichzeitig das erste Ventilelement 110 des Dosierungssteuerventils 94 erregen, um zu bewirken, dass sich das zweite Ventilelement 112 zu seiner zweiten Position oder Flussblockierungsposition bewegt. Wenn sowohl das Steuerventil 55 als auch das zweite Ventilelement 112 in ihren Flussblockierungspositionen sind, können unter Druck gesetzte Luft und Reduktionsmittel zur Auslassvorrichtung 85 über die Durchlässe 70 und 42 zur Einspritzung durch die Auslassvorrichtung 85 fließen. Wenn das Niveau des Reduktionsmittels innerhalb der Reduktionsmittelquelle 35 unter ein vorbestimmtes Niveau abfällt, wie von dem Strömungsmittelniveausensor 108 überwacht, kann die Steuervorrichtung 135 während Dosierungsereignissen das erste Ventilelement 104 des Auffüllsteuerventils 92 erregen, um das zweite Ventilelement 106 in seine Flussdurchlassposition zu bewegen, in der Auffüllreduktionsmittel vom entfernten Tank 90 in die Reduktionsmittelquelle 35 fließt.
Die Dosierung kann gestoppt werden und das Spülen kann initialisiert werden, wenn die Temperaturen innerhalb des Abgassystems 12 unter die Schwellentemperatur fallen. Um eine Spülung des Dosierungssystems 10 zu initialisieren, wie in 5 gezeigt, kann die Steuervorrichtung 135 das erste Ventilelement 110 des Dosierungssteuerventils 94 entregen, um zu gestatten, dass das zweite Ventilelement 112 zurück in seine erste Position oder Flussdurchlassposition durch Federvorspannung bewegt wird. Zu dieser Zeit kann das Steuerventil 55 immer noch in seiner Flussdurchlassposition sein oder zu dieser bewegt werden, so dass unter Druck gesetzte Luft von der Druckquelle 45 in die Auslassvorrichtung 85 über den Durchlass 70 fließt und zusammen mit restlichem Reduktionsmittel durch den Durchlass 42, das zweite Ventilelement 112 und den Durchlass 160 in die Kammer 230 des Tanks 32 fließt. Im Ausführungsbeispiel der 5 kann Spülströmungsmittel nicht durch die Pumpe 30 laufen. In einem Beispiel kann das zweite Ventilelement 106 des Auffüllsteuerventils 92 während des Spülprozesses in seiner Flussblockierungsposition gehalten werden, so dass Spülströmungsmittel auch nicht zum entfernten Tank 90 läuft.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Dosierungssystem vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann bei einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung des offenbarten Dosierungssystems offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei der wahre Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

Reduktionsmitteldosierungssystem (10), welches Folgendes aufweist: einen Tank (35), der konfiguriert ist, um Reduktionsmittel zu enthalten; eine Dosierungsanordnung (20); einen Lieferdurchlass (42), der den Tank mit der Dosierungsanordnung verbindet; eine Spülanordnung (25), die konfiguriert ist, um Spülströmungsmittel zu der Dosierungsanordnung und/oder den Lieferdurchlass zu leiten; und ein Ventil (200), welches konfiguriert ist, zu gestatten, dass Reduktionsmittel vom Tank zur Dosierungsanordnung über den Lieferdurchlass läuft, und zu verhindern, dass Spülströmungsmittel in den Tank eintritt.
Reduktionsmitteldosierungssystem nach Anspruch 1, wobei das Ventil zwei gegenüberliegende Sitze (208, 210) und ein Ventilelement (204) aufweist, welches bewegbar ist zwischen einer ersten Position gegen einen ersten der zwei gegenüberliegenden Sitze, um zu verhindern, dass Spülströmungsmittel in den Tank eintritt, und einer zweiten Position gegen einen zweiten der zwei gegenüberliegenden Sitze, um Reduktionsmittel aus dem Tank in den Lieferdurchlass zu lassen.
Reduktionsmitteldosierungssystem nach Anspruch 2, wobei das Ventil weiter Nuten (202) aufweist, die in dem zweiten der zwei gegenüberliegenden Sitze gelegen sind; wobei die Nuten konfiguriert sind, um zu gestatten, dass Reduktionsmittel an dem Ventilelement vorbeiläuft, wenn das Ventilelement in der zweiten Position ist; und wobei das Ventil konfiguriert ist, zu verhindern, dass Spülströmungsmittel in einen Teil des Tanks unter einem Strömungsmittelniveau eintritt, wenn das Ventil in der ersten Position ist.
Reduktionsmitteldosierungssystem nach Anspruch 3, welches weiter Folgendes aufweist: einen ersten Rückleitungsdurchlass (201), der den Lieferdurchlass mit einem Teil des Tanks über dem Strömungsmittelniveau verbindet; einen Einlass, der unter dem Strömungsmittelniveau des Tanks gelegen ist und strömungsmittelmäßig mit sowohl dem ersten Rückleitungsdurchlass als auch dem Lieferdurchlass über das Ventil gekoppelt ist; und ein Filterelement (300), welches am Einlass gelegen ist.
Reduktionsmitteldosierungssystem nach Anspruch 4, welches weiter Folgendes aufweist: eine Entlüftungskammer (230), die über dem Strömungsmittelniveau des Tanks gelegen ist und strömungsmittelmäßig mit dem ersten Rückleitungsdurchlass gekoppelt ist; und einen zweiten Rückleitungsdurchlass (160), der die Dosierungsanordnung mit der Entlüftungskammer verbindet.
Verfahren zum Verringern einer Belüftung in einem Reduktionsmittelspeichertank (35), welches Folgendes aufweist: Unter-Druck-Setzen von Reduktionsmittel; Leiten von unter Druck gesetztem Reduktionsmittel von dem Reduktionsmittelspeichertank zu einer Dosierungsanordnung (20); Unter-Druck-Setzen von Spülströmungsmittel; Leiten von unter Druck gesetztem Spülströmungsmittel, um Reduktionsmittel zurück zum Reduktionsmittelspeichertank zu drücken; und Verhindern eines Rückflusses des Spülströmungsmittels zu einem Teil des Reduktionsmittelspeichertanks, der unter einem Niveau des Strömungsmittels ist, welches in dem Reduktionsmittelspeichertank vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 6, welches weiter aufweist, zurückkehrendes Spülströmungsmittel durch einen Teil des Reduktionsmittelspeichertanks unter dem Strömungsmittelniveau zu einem Teil des Reduktionsmittelspeichertanks über dem Strömungsmittelniveau zu leiten.
Verfahren nach Anspruch 7, welches weiter aufweist, zurückkehrendes Spülströmungsmittel zu dem Teil des Reduktionsmittelspeichertanks über dem Strömungsmittelniveau zu leiten.
Verfahren nach Anspruch 8, welches weiter aufweist, Spülströmungsmittel aus dem Reduktionsmittelspeichertank in die Atmosphäre zu entlüften.
Verfahren nach Anspruch 8, welches weiter aufweist, Spritzanteile aus dem zurückkehrenden Spülströmungsmittel zu reduzieren.