JP5469162B2 - 還元剤の分配装置および自動車の生産方法 - Google Patents

還元剤の分配装置および自動車の生産方法 Download PDF

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Description

本発明は、ライン部によって相互接続される、格納部、分配部、偏向部、検出部、分離部、出口部、を含むグループのうちの少なくとも2つのエレメントを有して、還元剤を分配するための装置に関する。一般的な装置を有する自動車の生産方法もまた、明記される。本発明は、例えば自動車の排気システムのような、移動する内燃機関の排気システムのための、アンモニアおよび/またはアンモニア前駆物質を提供するシステムにおいて、特に用いられる。
排気ガスに含まれる窒素酸化物は、還元剤を使用してかなり減少できることが知られている。ここでは、いわゆるSCR(「選択接触還元」)プロセスが特に使用され、そこにおいて、アンモニアおよび/またはアンモニア前駆物質は、窒素酸化物(NOx)の変換がそこで実行できるように、排気ライン内に直接供給される。ここでは、還元剤の添加にともなって、窒素酸化物は減少して、N2(窒素)およびH2O(水)を形成する。還元剤として、CH4N2O(尿素)またはNH3(アンモニア)が好ましくは使用され、それは、水溶液(時々、商品名「AdBlue」で参照される)として存在して、SCR触媒コンバータの上流側で排気ガス内に注入される。触媒コンバータにおいて、還元は、目下行われて、それは触媒表面によって加速される。実質的に2種類の触媒が、この目的のために存在する。1つの種類は、実質的に、二酸化チタン、五酸化バナジウム、およびタングステン酸化物から成る。他の種類は、ゼオライトを使用する。
この場合、還元剤の供給は、特定の課題を引き起こす。圧縮ガスを使用して、還元剤(例えば尿素)を、微細に分割された液滴として排気ライン内に導入することは、幾度も探求された。還元剤が、液体および/または固体の状態で格納され、それから、排気システム(蒸発および/または熱分解および/または加水分解)内に分配される前に準備されるシステムも、知られている。さらにまた、例えば薬注弁および/または薬注ポンプを使用して、還元剤が、液体状態において排気ライン内に注入される方法および装置も、知られている。
しかしながら、水を含む特に液体状態の還元剤(例えば尿素−水溶液)の供給は、低温で凍結する危険をともなう。尿素−水溶液は、ほぼ−11℃の凍結ポイントを有し、ここでは、水と実質的に同様の方法でふるまう。特に、氷の形成をともない、したがって、尿素−水溶液を含むSCRシステムのそれらの構成要素における体積膨張をともなう。
損害を防止するために、尿素−水溶液用の分配装置が、空にされる、および/または加熱されることは、すでに提案された。前記知られたシステムは、しかしながら、エンジン管理システムの協力によって部分的にのみ実現可能であり、外気温度の同時監視をともなうこのシステムの永続的な監視は、要求される。さらに、いくつかの機能を実行して、および/または別に作動する、駆動装置、分配システムなどは、提供されなければならない。このシステムは、したがって、比較的複雑であり、高価である。
本発明の目的は、先行技術に関して強調される課題を少なくとも部分的に解決することである。特定の尿素−水溶液の場合において、還元剤を分配する装置を特徴づけることは、特に探求される。それは、装置の個々の構成要素のための凍結防止の検出を有する。さらにまた、装置は、比較的単純な構造でなければならず、したがって、また、製造するのに安価でなければならない。さらにまた、還元剤を分配する装置が、極めて冷たい状況の下でさえ、装置の長期間の無事故運転を確実にするような方法で設置されるように、自動車を生産するための方法を特徴づけることもまた、探求される。
前記目的は、請求項1の特徴にしたがう装置によって、および請求項8の特徴を有する自動車の生産方法によって、達成される。本発明の有利な特徴は、それぞれ従属請求項において特徴づけられる。記述は、特に図に関連して、本発明をさらに詳細に説明して、本発明の付加的な構造改良型を特徴づける。
還元剤を分配するための本発明による装置は、格納部、分配部、偏向部、検出部、分離部、出口部、のグループのうちの少なくとも2つのエレメントを有する。前記少なくとも2つのエレメントは、ライン部を介して互いに接続され、少なくとも1つのエレメントは、感圧性であり、前記感圧性エレメントの近くに隣接するライン部は、少なくとも1つの放熱器を形成する。
本発明による装置は、特に、尿素−水溶液が、液状態で、排気ガス流内に、または排気システム内に、測定されるものである。
ここでは、還元剤は、一般に格納部に保存される。この種の格納部は、例えばタンクであり、そのタンクは、適切ならば複数のタンク容積を含んでもよい。タンクは、特にプラスチックから生産される。圧力補償部、充填レベルセンサ、加熱装置などは、前記格納部にさらに提供されてもよい。
格納部に液体状態で一般に保存される還元剤は、分配部によって格納部の外へ輸送される。前記分配部は、従来は、ポンプ(例えば、レシプロピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなど)を含む。
分離部は、例えばフィルタの形態で、前記分配部と格納部との間に提供されることが好ましい。ここでは、分離部にとって、常に一方向だけの流れに委ねられることは好ましく、そして、還元剤からの堆積にとって、常に分離部の一側上に蓄積することは、したがって好ましい。
還元剤は、例えば分配部によって、出口部(例えばインジェクタ、ノズル、出口弁など)へ、目下分配される。
ここでは、少なくとも1つの偏向部(例えば制御可能なまたは調整可能な弁)は、分配部によって分配される還元剤の一部を、例えば格納部への再循環ラインに偏向させるために、分配部と出口部との間の領域に提供されることが、好ましい。
それは、例えば、還元剤を分配するための装置のコースを越える、還元剤の温度および/または圧力および/または濃度を測定するためのセンサのような、検出部にとっても可能である。
個々のエレメントは、上述した提供されるエレメントのうちの、好ましくは2つ以上、特に少なくとも3つ、または少なくとも4つでさえも、ライン部を介して互いに接続される。ライン部は、特に、少なくとも1つのパイプおよび/またはホースを含んでもよい。
ここでとりわけ好ましいのは、還元剤が、排気システムに到達するために、連続した以下の構成要素(1格納部、2ライン部、3分離部、4ライン部、5分配部、6少なくとも1つの検出部を有するライン部、7再循環ラインへの制御可能な偏向部、8ライン部、9出口部)を通って流れる、ラインシステムである。
上述したエレメントの少なくともいくつかは、感圧性の構造でもよい。これは、還元剤によって高圧に委ねられる場合、それらが機能に関して損傷を受けるか、および/または損なわれてもよいことを、特に意味する。還元剤の6〜10バール(0.6〜1.0MPa)の圧力は、装置の(以下では分配部の)オペレーションの間、ライン部に一般に存在する。還元剤がライン部に目下とどまって、凍結する場合、ライン部の前記圧力は、還元剤の容量が増加するため、増加する。ここでは、ライン部で上昇する圧力は、感圧性エレメントに危険を引き起こすことができる。この種の感圧性エレメントは、特に、分配部(特に、ダイヤフラムポンプ)、検出部(特に、圧力センサ)、および/または出口部(特に、噴射ノズル)である。
前記感圧性エレメントの近くで少なくとも1つの感圧性エレメントに隣接するライン部は、少なくとも1つの放熱器を形成することが、ここでは目下提案される。換言すれば、これはまた、感圧性エレメントの直接的な付近で、一方または両方のライン部が、それらが特に急速に熱を環境に放散させるように形成されることを意味する。このことは、特に、ライン部が正確にこの領域において特に急速にクールダウンすることを意味する結果を有する。この目的のために、ライン部の適切な特性(例えば、熱伝導率、熱放散表面積、熱容量、熱浸透、熱伝達、など)を提供することは、この領域において可能である。適切な(ファン、ペルチェ素子、など)場合、能動的な(制御可能な)冷却装置もまた、提供されてもよい。
したがって、還元剤の凝固点温度に達するときに、凝固および、したがって体積膨張は、前記放熱器の領域において正確に開始されるような方法で、確実になされることができる。放熱器は、目下、前記感圧性エレメントの非常に近くに、例えば、最大500mm離れたところに、適切な場合、多くても250mm、または100mm未満にさえ、配置されるので、放熱器とこれに隣接する感圧性エレメントとの間の液柱は、非常に小さい。したがって、前記近距離を越えて、非常に小さい圧力勾配のみが構築されることができる。そうすると、感圧性エレメントの有意な追加的な負荷に結びつくことはありえない。したがって、前記エレメントは、ライン部に位置する還元剤の凍結状態にとって、特に保護される。
本発明の好適な改良によれば、放熱器は、ライン部の他の領域よりも大きい表面積を有するライン部の領域によって、形成される。この目的のために、ライン部の壁は、(少なくとも環境の方向に向けて外側に)、すなわち円周方向に拡大および縮小を有するように、構築されることが、可能である。しかしながら、ライン部は、拡大した表面積を形成する少なくとも1つの追加的な構成要素を有する前記領域において形成されることも、可能である。構成要素は、例えば、適切な場合に、そこに提供される冷却フィンなどを有する、例えばスリーブのような、ライン部を囲む環状の構成でもよい。
放熱器にとって、環境への熱ブリッジを有するライン部の領域によって形成されることは、有利であるとも考えられる。それは、一般に比較的冷たい環境を有する前記領域の、物質的な、熱伝導接点が確実にされることを、特に意味する。この目的のために、例えば、ねじ接続などの方法において、比較的冷たい環境との熱伝導接続が実現されることは、特に可能である。比較的冷たい環境は、車体の構成要素、および/または、比較的冷たい外側の環境と強く接触するように、または周囲温度の影響を受ける領域に、配置される構成要素によって、特に実現される。この目的のために、放熱器は、それから、例えば対応する熱伝導によって、ライン部の領域から比較的冷たい環境への急速な消散が結びつけられるように、造られる。
本発明の1つの改良において、ライン部は、可撓性の壁を有して形成されることが提供される。特に複数の放熱器が1つのライン部と関連して形成される状況にとって、還元剤の凝固により発生する体積の増加が、ライン部それ自体によって補償されることができる場合、それは有利である。この目的のために、ライン部として、対応するゴムまたはフレキシブル特性を有するプラスチック・ホースを選択することは、必要であり、そして、それ自体は、例えば、ほぼ10%(長さに、および/または円周方向に)の体積増加を補償することができる。
1つの改良において、放熱器は、前記ライン部の他の領域とは異なる材料から形成されることも提案される。他の材料(例えば金属)は、ライン部そのものの壁とともに形成されてもよい。しかしながら、他の熱的に非常に伝導性の材料は、ライン部との熱伝導接点において存在するように、ライン部の周囲の外側に配置されることが、可能である。場合によっては、それは、ライン部の壁を通して透過する他の材料のために好都合であってもよい。ライン部にとって、2つのエレメント間のライン部の全長が、所望の領域において正確に提供されるそれからの偏差をともなって、同じ材料から形成されることは、一般に望ましいものである。
活性化可能な加熱装置は、放熱器の領域において提供されることも提案される。この種の加熱装置は、特に電気的性質がある。そうすると、それは急速に、そして要求があり次第、活性化されることができる。前記加熱装置は、特に、システムの再スタートの間、ライン部の比較的低温感受性の領域を加熱するのに役立つ。この目的のために、流れが通過可能な、例えば、電気伝導体、誘導加熱器などを提供することは、可能である。
ライン部にとって、放熱器に隣接して、前記ライン部の他の領域に関して増加した断熱とともに提供されるのが有利であることも、考えられる。換言すれば、それは、放熱器を有する領域に隣接して、ライン部が、それらが緩やかな割合でクールダウンするように造られることを、特に意味する。これにより、ライン部の内部において、還元剤の、したがってまた、目標とされる圧力上昇の、定義された冷却を実現することは、可能である。断熱は、ライン部の壁の構成の一部でもよい。しかしながら、前記断熱は、ライン部の外側および/または内側に提供されることもまた、可能である。
本発明のさらに別の態様では、還元剤を分配するための装置を有する自動車を生産する方法であって、装置は、ライン部を介して互いに接続される、格納部、分配部、偏向部、検出部、分離部、出口部、を含むグループから少なくとも2つのエレメントを有しており、少なくとも以下のステップを含む方法が、提案される:
(a)自動車にエレメントを配置するステップ;
(b)自動車を冷却するステップ;
(c)感圧性エレメントに隣接するライン部において少なくとも1つの凍結ポイントを識別するステップ;
(d)凍結ポイントと感圧性エレメントとの間に少なくとも1つの放熱器を形成するステップ。
この方法は、還元剤を分配するための、本発明による本明細書に記述される装置を構成するために、特に役に立つ。その点で、参照は、前記装置と関連してなされた説明と同様になされる。
本明細書において提案される方法において、還元剤を分配するために必要な装置は、最初に、自動車上に配置される。自動車または車体および/または排気システムなど、上における装置の位置および/または固定点は、目下、明らかに定義される。ステップ(b)において、前記乗物における還元剤を分配する装置の冷却作用は、目下、決定される。この場合、ライン部内のどんな場所に配置される還元剤が、最初に凍って、それから、その凝固プロセスを始めるかが、特に観察される。これにより、凍結ポイントおよび、そこから進む凍結方向は、明らかに決定されることが可能である。それは、ステップ(c)の目的である。そこにおいて、どんなエレメントが凍結ポイントであるか、および/または、凍結方向がどんな課題を引き起こすか、すなわち、どんなエレメントにとって、凝固において感圧性エレメントに隣接するライン部内に望ましくない高い圧力が構築されるか、を同時に識別する。前記ライン部内の還元剤が、目下、感圧性エレメントにとって望ましくない圧力に達する場合、少なくとも1つの放熱器は、適切な領域で形成される(ステップ(d))。この場合、放熱器は、好ましくは、感圧性エレメントの直接的な付近で、凍結ポイントと感圧性エレメントとの間に配置されなければならない。それは、目下、自動車上の装置にとって、変化した凍結するふるまいに至る。識別されたライン部は、目下、放熱器の領域において最初に冷却して、そして今や、ライン部の目標とされる(圧力耐性のある)結果に結びつく凍結するふるまい、および/または、そこから進行している凝固の前縁を呈する。適切な場合、凍結ポイントはまた、凍結プロセスをそこで緩めるために、ライン部上の対応する断熱を有して形成されてもよい。その方法では、自動車上の装置の物理的設置位置のために、凍結するふるまいを確実に識別して、そして、本発明にしたがってそれを変更することを、可能にする。
その接続において、別個の熱ブリッジにとって、放熱器を有する領域のライン部上の外側に置かれることは、特に有利であることが、考えられる。この場合、熱ブリッジは、例えば、ライン部に対して外側で支えるクランプの方法で形成され、そして、車体の急速に冷却する部分に対する熱伝導方法において接続される(例えば、非積極的ロック方法(ドイツ語:「kraftschluessig」)で)。この種の別個の熱ブリッジは、載置するのが容易であり、また、自動車の他の部分に、フレキシブルな方法で接続されてもよい。熱ブリッジはまた、それから、適切な場合、感圧性エレメントのハウジングの外側に接続されてもよい。
本発明および技術分野は、図を基礎としてさらに詳細に説明される。図は、特に好適な構造改良型を示すと指摘されるが、本発明はしかしながら制限されない。この場合、同一の参照番号は、一般に、同じエレメントに関係がある。それは、いずれの場合においても、図式的に示される。
図1は、自動車における装置の好適な構造改良型の基本的な構造を示す図である。 図2は、本発明による装置のさらなる構造改良型の詳細図である。 図3は、還元剤を分配する装置のさらに他の構造改良型の詳細図である。
図1は、還元剤2(例えば、特に尿素−水溶液)を分配するための装置1の好適な構造改良型の構造を概略的に示す。装置1は、自動車18の内部において概略的に図示される。前記の種類の自動車18は、一般に内燃機関19(例えばディーゼル機関)を有し、それは、排気ライン20を介して環境に排出される排気ガスを発生する。複数の排気ガス処理装置(例えば吸着器、触媒コンバータ、フィルタ、フローミキサなど)は、一般に前記排気ライン20の部分に存在する。排気ガスと混合された還元剤を、下流で変換するSCR触媒コンバータ21は、一例として本明細書に示される。そうすると、望まれていない窒素酸化物は、本明細書(SCRプロセス)において排気ガスから取り除かれる。
本発明による装置1は、図の中心に示される。図の右上には、タンクの形態の格納部3が示され、それには、液体還元剤2(この場合は尿素−水溶液)が格納される。要求したとき、および、固定的にあらかじめ定義可能な時点で、還元剤2は、とりわけ分配部4を用いて、格納部3から分配される。分配部4(特にダイヤフラムポンプ)は、格納部3と分配部4との間のライン部10に配置される、フィルタの形態の分離部8を通して、格納部3から、還元剤2を吸い込む。還元剤2が排気ライン20内に分配されることになっている場合、分配部4から発生する還元剤は、出口部9(例えば噴射ノズル)に分配される。
本明細書において示される構造改良型において、偏向部6は、分配部4と出口部9との間に提供される。前記偏向部は、装置1が運転中でないときに、分配部4と出口部9との間のライン部10の中の還元剤2の圧力を、要求したとき減少させるのに特に役立ててもよい。この目的のために、前記ライン部10内に位置している還元剤は、戻りライン5および適切なライン部10を介して、格納部3の中へ戻し送られてもよい。さらに、分配部4と偏向部6との間において、ライン部10は、検出部7(例えば圧力センサ)を備える。
氷点下になるときに、感圧性エレメント(この場合は分配部4、出口部9および検出部7)を、還元剤による極端に高い圧力負荷から目下保護するために、放熱器11は、前記エレメントの片側および/または両側に直接隣接して形成される。ライン部10内の還元剤は、前記放熱器11の領域においてまず凍結する。そうすると、感圧性エレメントの方向には、有意な圧力上昇は起こらない。
放熱器11を有するこの種の領域12の実施例は、図2に示される。ここでは、ライン部10は、熱ブリッジ14を有して形成され、それは、確実にロックする方法(ドイツ語:「formschluessig」)で、そして、ライン部10との熱伝導接点となるように、壁15の外側上に配置される。前記熱ブリッジ14はまた、例えばクランプの形態で、コールドポイント22に、すなわち特に熱接触として、接続される。このことは、自動車が冷えるときに、正確に前記コールドポイント.22が急速に冷えて、これにより、ライン部10の領域12から熱を抜き取る結果を有する。還元剤の比較的初期の凝固または凍結は、したがって、前記領域12において得られる。このことは、それから、隣接する感圧性エレメント(ここでは図示されない)への接続25の方向における圧力上昇が、近距離26のために小さくとどまる結果を有する。その代わりに、圧力上昇は、凍結する方向24に向かって発生する。領域12に隣接した、そして接続25の反対側における緩やかな凍結は、そこに提供されている断熱17によって改善される。
放熱器11のこの種の実施形態のための他の実施例は、図3に示される。ここでは、領域12は、ラジエータ23を有して形成され、それは、同様に確実にロックする方法(ドイツ語:「formschluessig」)で、そして、特にライン部10との熱伝導接点となるように、壁15の外側上に配置される。ラジエータ23は、外表面13の大きさを増加させる多数の冷却フィンを有する。このことはまた、領域12におけるライン部10内の還元剤の初期の凍結を促進するのに役立つ。この目的のために、領域12は、例えば接続25から50mmの最大距離26で、接続25に直接形成されることが好ましい。
図3の左側の一部において、ライン部10は、可撓性の壁15を有して形成されるということを示すこともできる。したがって、そこに位置している還元剤が、凍結する方向24において領域12から凍結し始める場合、可撓性の壁15は、断面積の拡張によって容積の増加を補償することができる。したがって、特に、最も近い放熱器および/または最も近いエレメントの方に向けて補償する容積を提供することは、可能である。
ライン部10が完全に凍結した状況のために、還元剤の急速な液化を確実にすることも有利である。この目的のために、領域12またはラジエータ23は、加熱装置16を有して形成されることが、本明細書において提案される。そうすると、電気エネルギーは、要求があり次第、そして急速に、提供されることができ、その電気エネルギーは、ライン部10に、したがって、還元剤に、熱の供給を保証する。
1…装置
2…還元剤
3…格納部
4…分配部
5…戻りライン
6…偏向部
7…検出部
8…分離部
9…出口部
10…ライン部
11…放熱器
12…領域
13…表面
14…熱ブリッジ
15…壁
16…加熱装置
17…絶縁
18…自動車
19…内燃機関
20…排気ライン
21…SCR触媒コンバータ
22…コールドポイント
23…ラジエータ
24…凍結する方向
25…接続
26…距離

Claims (9)

  1. 還元剤(2)を分配するための装置(1)であって、ライン部(10)を介して互いに接続される、格納部(3)、分配部(4)、偏向部(6)、検出部(7)、分離部(8)、出口部(9)を含むグループから少なくとも2つのエレメントを有し、少なくとも1つのエレメントは、感圧性エレメントであり、前記感圧性エレメントは、還元剤によって高圧に委ねられる場合、前記感圧性エレメントが機能に関して損傷を受けるか、および/または損なわれてもよいものであり、前記少なくとも1つの感圧性エレメントは、分配部(4)、検出部(7)、出口部(9)のグループの1つであり、前記感圧性エレメントに隣接した前記ライン部は、前記感圧性エレメントから100mm未満の距離に少なくとも1つの放熱器(11)を形成し、前記少なくとも1つの放熱器(11)の領域は、前記少なくとも1つの放熱器(11)の領域の熱伝導率、熱放散表面積、熱容量、熱浸透、熱伝達、能動的な冷却装置の特性によって、氷点下になるときに前記少なくとも1つの放熱器(11)の領域において還元剤の温度が凍結温度に置き換わるように熱を環境に放散する、装置。
  2. 前記放熱器(11)は、前記ライン部(10)の他の領域よりも大きい表面積(13)を有する前記ライン部(10)の領域(12)によって形成される、請求項1に記載の装置(1)。
  3. 前記放熱器(11)は、環境への熱ブリッジ(14)を有する前記ライン部(10)の領域(12)によって形成され、前記熱ブリッジ(14)は、比較的冷たい環境への熱伝導接続によって形成される、請求項1または2に記載の装置。
  4. 前記ライン部(10)は、可撓性の壁(15)を有して形成される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置(1)。
  5. 前記放熱器(11)は、前記ライン部(10)の他の領域とは異なる材質から形成される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置(1)。
  6. 活性化可能な加熱装置(16)が、前記放熱器(11)を形成する前記ライン部(10)の領域(12)において提供される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の装置(1)。
  7. 前記ライン部(10)は、前記放熱器(11)に隣接して断熱材(17)を有して提供される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置(1)。
  8. 還元剤(2)を分配するための装置(1)を有する自動車(18)を生産する方法であって、前記装置は、ライン部(10)を介して互いに接続される、格納部(3)、分配部(4)、偏向部(6)、検出部(7)、分離部(8)、出口部(9)、を含むグループから少なくとも2つのエレメントを有しており、前記装置(1)の少なくとも1つのエレメントは、感圧性エレメントであり、前記感圧性エレメントは、還元剤によって高圧に委ねられる場合、前記感圧性エレメントが機能に関して損傷を受けるか、および/または損なわれてもよいものであり、少なくとも以下のステップ:
    (a)前記自動車(18)に前記装置(1)の前記エレメントを配置するステップ;
    (b)前記自動車(18)を冷却するステップ;
    (c)前記感圧性エレメントに隣接するライン部(10)において少なくとも1つの凍結ポイントを識別するステップ;
    (d)前記少なくとも1つの感圧性エレメントは、分配部(4)、検出部(7)、出口部(9)のグループの1つであり、前記凍結ポイントと前記感圧性エレメントとの間に熱を放散させるための少なくとも1つの放熱器(11)を形成するステップ;
    を含む方法。
  9. 別個の熱ブリッジ(14)が、前記放熱器(11)を形成する前記ライン部(10)の領域(12)における前記ライン部(10)の外側上に配置され、前記熱ブリッジ(14)は、比較的冷たい環境への熱伝導接続によって実現される、請求項8に記載の方法。
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