SE531973C2 - Anordning och förfarande för att spruta in en urealösning i en avgasledning hos en förbränningsmotor - Google Patents

Description

25 30 motor drivs på ett likformigt sätt under en tidsperiod träffar urealösningen väsentligen samma område av avgasledningen under hela tidsperioden. Därmed kan temperaturen i sänkas lokalt i detta område till en lägre temperatur än 100°C så att en film av urealös- ning bildas som dras med av avgasflödet. Efter en viss sträcka kommer vattnet i urea- lösningen att koka bort. Kvar blir fast urea som långsamt forångas av värmen. Är till- förseln av fast urea större än förångningen sker en ansamling av urea i avgasledningen.

Blir skiktet av urea tillräckligt tjockt kommer urean och dess sönderdelningsprodukter att reagera med sig själva. Resultatet blir primitiva polymerer på ureabas, sk. ureak- lumpar. Sådana klumpar av urea kan med tiden blockera en avgasledning.

SANHVIANFATTNTNG AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är tillhandahålla en anordning och ett forfarande för att spruta in en urealösning i en avgasledning där bildandet av ureaklumpar i avgas- ledningen förhindras.

Detta syfie uppnås med anordningen av det inledningsvis nämnda slaget, vilket ut- märks av de särdrag som anges i patentkravets i kännetecknande del. En förutsättning för att ureaklumpar ska kunna bildas inuti avgasledningen är att samma område av avgasledningens invändiga yta träffas av oförångad urealösning under en längre tidspe- riod. Tryckluftsflödet, som tillförs till urealösningen innan den sprutas in i avgasled- ningen, är en parameter som är starkt relaterad till var icke förångad urealösning kom- mer att träffa avgasledningens invändiga väggyta. Genom att variera tryckluftsflödet på ett lämpligt sätt kan icke förångad urealösningen fås att träffa olika områden av avgasledningens invändi ga yta. Med en sådan variation av tryckluftsflödet elimineras risken att samma område träffas av oförångad urealösning under hela tidsperioden och därmed att ureaklumpar bildas i avgasledningen.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning är styrenheten anpassad att styra ventilorganet så att nämnda varierbara tryckluftsfl öde inte underskrider en minimal nivå då urealösning sprutas in i avgasledningen. För att finfördela urealösningen på ett acceptabelt sätt erfordras att tryckluftsflödet överstiger ett bestämt värde. Tryckluñs- flödet bör således aldrig underskrida detta värde av funktionella skäl. Styrenheten kan vara anpassad att styra ventilorganet så att nämnda varierbara tryckluítsflöde inte överskrider en maximal nivå. Ett överdirnensionerat trycklufistlöde leder till en hög 10 15 20 25 30 35 förbrukning av trycklufi utan att det väsentligen förbättrar finfördelningsprocessen av urealösningen. Tryckluftsflodet bör således inte överskrida en övre acceptabel nivå.

Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning är styrenheten anpassad att styra ventilorganet så att nämnda trycklufisflöde varierar väsentligen kon- tinuerligt med tiden Ventilorganet är i detta fall utformat så att det kan variera tryck- lufisflödet steglöst. Därmed kan området, som träffas av icke förångad urealösning, förskjutas steglöst, i avgasledningen. Styrenheten kan vara anpassad att styra ventilor- ganet så att nämnda varierbara tryckluftsflöde följer en vågformad kurva. I detta fall kan området, som träffas av icke förångad urealösning, förskjutas steglöst, fram och tillbaka i avgasledningen längs ett relativt långt parti av avgasledningens invändiga yta, Icke förångad urealösning kan här fördelas över en relativt stor invändig yta hos avgasledningen. Trycklufisflödet kan varieras enligt en kurva som formas av en tre- kantvåg, sinusvåg eller liknande kurva. Icke förångad urealösning tillförs i detta fall till enskilda områden av avgasledningen med periodiska intervall och under en relativt kort tid. Alternativt kan ventilorganet vara ställbart i ett flertal fasta lägen vid vilka olika på förhand bestämda tryckluftsflöden erhålls. I detta fall kan enskilda områden, som träffas av icke förångad urealösning, förflyttas intermittent i avgasledningen ge- nom en reglering av ventilorganet, Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning är Styrenheten anpassad att styra ventilorganet med information om avgasflödet i avgasledningen.

Avgasflödet i avgasledningen är en annan parameter som påverkar var icke förångad urealösning träffar avgasledningens invändiga väggyta. Om avgasflödet i avgasled- ningen ändras sker en förskjutning av området som träffas av icke förångad urealös- ning. Styrenheten kan med hjälp av denna information styra insprutningsorganet så att ett trycklufisflöde med ett värde tillförs så att ett önskat område träffas i avgasledning- en trots nämnda ändring av avgasflödet. Styrenheten kan även vara anpassad att styra ventilorganet med information om den mängd urealösning som avses sprutas in i av- gasledningen. Mängden urealösning som sprutas in i avgasledningen är en annan pa- rameter som påverkar var icke förångad urealösning träffar avgasledningens invändiga väggyta. Styrenheten kan med hjälp av denna information korrigera trycklufizsflödet så att ett önskat område träffas av icke förångad urealösning trots nämnda ändring av mängden urealösning. ' 10 20 25 30 35 53% Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning är styrenheten anpassad att uppskatta ett område på avgasledningens invändiga yta vilket är lämpligt att träffas av icke förångad urealosning. I detta fall kan styrenheten innefatta lagrad information om vilka områden i avgasledningen som nyligen träffats av icke förångad urealösning. Styrenheten kan här välja ett område som inte träffats av icke förångad urealösning på en längre tid. Ett sådant område torde uppvisa en torr och varm invän- dig yta som relativt snabbt förångar urealösningen.

Det ovan angivna syftet uppnås även med förfarandet enligt patentkravets 9 känne- tecknande del.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs såsom exempel föredragna utföringsforrner av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. l visar en anordning för insprutning av urealösning i en avgasledning enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, Fig. 2 visar insprutningsområdet i Fig. 1 mer i detalj, Fig. 3 visar hur trycklufisflödet kan variera med tiden och Fig. 4 visar ett flödesschema som beskriver ett förfarande enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRlNiGSFORh/[ER AV UPPFINNINGEN Fig, l visar en förbranningsmotor i form av en dieselmotor l. Dieselmotorn l kan vara avsedd som drivmotor för ett tyngre fordon. Avgaserna från dieselmotorns l cylindrar leds, via en avgassamlare 2, till en avgasledning 3. Avgasledningen 3 har här försetts med en katalytisk avgasrening enligt den metod som benämns SCR (Selective Cataly- tic Reduction). Denna metod innebär att en urealösning tillförs till avgaserna i diesel- motorns avgasledning 3. Urealösningen lagras i en tank 4 och leds, via en ledning 5, till ett utrymme 6. En styrenhet 7, som kan vara en datorenhet, som är försedd med en lämplig programvara, styr tillförseln av urealösningen som leds till utrymmet 6 genom aktivering av ett doseringsorgan som här är en pump 8. En trycklufiskälla 9 är, via en ledning 10, förbunden med utrymmet 6. Trycklufiskällan 9 kan vara förbunden med fordonets bromssystem. Ledningen 10 innefattar ett ventilorgan ll som har en kon- 10 15 20 25 30 35 struktion så att det steglöst kan tillföra ett varierande tryckluftsflöde fa till utrymmet 6. 1 utrymmet 6 blandas urealösningen med trycklufien. Tryckluftsflödet och urealös- ningen leds från utrymmet 6, via en ledning 12, till en insprutningsanordning 13 som är anpassad att spruta in urealösningen i avgasledningen 3. Den tillförda urealösningen upphettas av avgaserna i avgasledningen 3 så att den förångas och omvandlas till am- moniak. Blandningen av ammoniak och avgaserna leds därefter vidare i avgasledning- en 3 till en katalysator 14 som är av det slag som benämns SCR. I katalysatorn 14 sker en kemisk reaktion. Kvävet hos kväveoxidema i avgaserna reagerar här med kvävet i ammoniaken så att kvävgas bildas. Syret hos kväveoxiderna reagerar med vätet i am- moniaken så att vatten bildas. Kväveoxiderna i avgaserna reduceras således i katalysa- torn 14 till kvävgas och vattenånga, vilket leds ut till omgivande luft.

Fig. 2 visar insprutningsanordningen 13 mer i detalj. Insprutningsanordningen 13 inne- fattar ett rörformigt insprutningsorgan 15 som sträcker sig in i avgasledningen 3. In- sprutningsorganet 15 innefattar en utvändig om avgasledningen belägen ände som är anpassad att förbindas med ledningen 12. Insprutningsorganet 15 sträcker sig inled- ningsvis väsentligen radiellt in i avgasledningen 3 varefter det uppvisar en krökning i avgasfiödets fe riktning. Insprutningsorganet 15 är med fördel tillverkat av rostfritt stål så att det tål den varma och korrosiva miljön som råder inuti avgasledningen 3. Ett främre parti av insprutningsorganet 15 är försett med ett flertal radiella utloppsöpp- ningar 16, som är belägna i en väsentligen central position inuti avgasledningen 3, ge- nom vilka urealösning är avsedd att sprutas in i avgasflödet fe i avgasledningen 3. I detta fall sprutas urealösningen in i en väsentligen radiell riktning i avgasledningen 3.

Urealösningen sprutas in i avgasledningen 3 i finfördelad form med hjälp av trycklutts- flödet f, och insprutningsorganet 15. Den finfördelade urealösningen förångas relativt snabbt av de varma avgaserna i avgasledningen 3. En viss del av urealösningen hinner dock vanligtvis inte förångas innan den träffar en invändig väggyta i avgasledningen 3.

Var urealösningen träffar den invändiga väggytan beror på en rad parametrar såsom avgasflödet fe i avgasledningen 3, mängden urealösning qu som sprutas in i avgasled- ningen 3 och tryckluñsflödet fa. Tryckluftsflödet fa som tillförs till urealösningen kan varieras inom ett relativt brett område utan att det nämnvärt påverkar finfördelningen av urealösningen. Tryckluftsflödet fa bör dock inte underskrida en minimal nivå f a, min för att urealösningen ska kunna finfördelas på ett acceptabelt sätt. Tryckluñsflödet fa bör dock inte heller vara för stort och överskrida en maximal nivå fa, max. 10 15 20 25 30 35 ïztr-'šfi Sïiš Fig. 2 visar med heldragna linjer inspmtningen av urealösning i avgasledningen 3 med ett minimalt tryckluftsflöde f a, min och med streckade linjer insprutningen med ett max- imalt tryckluftsflöde f a, max. Två insprutningsstrålar är visade i de respektive fallen för att åskådliggöra att det sker en viss axiell spridning av urealösningen även då ett och samma tryckluftsflöde tillförs. Då ett minimalt trycklufisflöde f g min tillförs sprutas urealösningen in med en relativt låg hastighet i en radiell riktning i avgasledningen 3. I detta fall förs urealösningen med en relativt långt sträcka av avgaserna som således strömmar i en axiell riktning i avgasledningen 3, innan icke förångad urealösning träf- far en invändig väggyta i avgasledningen 3. Väggytan inuti avgasledningen 3 som träf- fas av vätskeformig urealösning utgörs av ett första väsentligen ringformat område A1.

Med streckade linjer visas insprutningen av urealösningen då ett maximalt trycklufts- flöde f a, max tillförs. I detta fall sprutas urealösningen in med en högre hastighet i av- gasledningen 3. Urealösningen förs därmed med en relativt kort sträcka av avgasflödet fe i avgasledningen 3 innan den träffar en invändig väggyta i avgasledningen 3. I detta fall träffar icke förångad urealösning ett andra väsentligen ringformat område A2 i av- gasledningen 3.

Då konventionell teknik används sprutas urealösning in i avgasledningen genom till- försel av ett konstant tryckluftsflöde. Under i synnerhet perioder då avgasflödet fe i avgasledningen 3 och mängden tillförd urealösning qu även är konstant träffar icke förångad urealösning väsentligen ett och samma område An i avgasledningen 3. Där- med sänks temperaturen lokalt i detta område An. En film av urealosning bildas i detta område An, vilken dras med av avgasflödet fe i avgasledningen 3. Efter att urealös- ningen förts med en sträcka kan vattnet i urealösningen koka bort och så att fast urea bildas. Om den fasta urean ansamlas i allt for stora mängder finns det en risk att per- manenta lumpar av ureaderivat sk. ureaklumpar bildas i avgasledningen 3.

Enligt föreliggande uppfinning är styrenheten 7 anpassad att styra ventilorganet ll så att ett varierbart tryckluttsflöde fa tillförs till urealösningen som sprutas in i avgasled- ningen 3. Tryckluftsflödet fa är en parameter som är starkt relaterad till var den icke förångade urealösningen träffar avgasledningens 3 invändiga väggyta. Genom att vari- era tryckluftsflodet fa kan icke förångad urealösningen fås att träffa olika områden An av avgasledningens 3 invändiga yta. Företrädesvis är styrenheten 7 anpassad att styra ventilorganet l 1 så att tryckluftsflödet f, varieras väsentligen kontinuerligt med tiden t.

Därmed kommer urealösning i ett icke förångat tillstånd att väsentligen kontinuerligt träffa olika områden Ai avgasledningen 3. Fig. 3 visar hur styrenheten 7 kan reglera 10 15 20 25 30 35 ventilorganet 11 under drift av dieselmotorn l. I detta fall är Styrenheten 7 anpassad att styra ventilorganet 11 så att tryckluftsflödet fn varierar med tiden t i form av en våg- formad kurva som här utgörs av en trekantvåg 17. Tryckluftflödet fn varierar i detta fall linjärt med tiden t mellan det maximala trycklufisflödet fn, mnx och det minimala tryck- luñsflódet fa, min. Alternativt kan en sådan kurva även innefatta en överlagrad transient cykel. Det varierbara trycklufisflödet fn kan även utgöras av andra typer av kurvor så- som en sinuskurva. Även om avgasflödet fn i avgasledningen 3 och den tillförda mäng- den urealösning qn ändras med tiden är det ytterst osannolikt att oförångad urealösning träffar samma område An av avgasledningen under en längre period då tryckluñflödet fn varieras enligt ovan.

Styrenheten 7 kan dock vara anpassad att mottaga information om det aktuella avgas- flödet fn i avgasledningen 3 och styra ventilorganet 11 med hjälp om denna informa- tion. Om avgasflödet fn i avgasledningen 3 ändras sker en förskjutning av området An som träffas av icke förångad urealösning. Styrenheten 7 kan med hjälp av denna in- formation styra insprutningsorganet 11 så att det tillför ett tryckluftsflöde fn av ett vär- de så att ett tilltänkt område An träffas trots nämnda ändring av avgasflödet fn i avgas- ledningen 3. Styrenheten 7 kan även vara anpassad att styra ventilorganet ll med in- formation om den mängd urealösning qn som avses sprutas in i avgasledningen 3. Om mängden urealösning qn ändras sker även en förskjutning av det område An som träffas av icke förångad urealösning. Styrenheten 7 kan med hjälp av denna information styra insprutningsorganet ll så att det tillför ett tryckluftsflöde fn av ett värde så att ett till- tänkt område An träffas trots nämnda ändring av mängden urealösning qn.

Pig. 4 visar ett flödesschema som visar ett förfarande enligt uppfinning Förfarandet startar vid 18 då förbränningsmotorn, som här är exemplifierad såsom en dieselmotor 1, startas. Vid 19 mottar Styrenheten 7 information avseende, exempelvis, det aktuella avgasflödet fn och avgasernas temperatur Te i avgasledníngen 3. Med hjälp av denna information beräknar styrenheten 7, vid 20, den mängd urealösning qn som behöver tillsättas for att halten av kväveoxider i avgasema ska reduceras på ett optimalt sätt.

Styrenheten 7 aktiverar därvid pumpen 8 så att den önskade mängden urealösning qn leds, via ledningen 5, till utrymmet 6. Vid 21 bestämmer styrenheten 7 ett område An som är lämpligt att träffas av oförångad urealosning, Området An skiljer sig från det senast träffade området. Området An bör dessutom vara helt fritt från tidigare rester av oförångad urealösning. Vid 22 beräknar Styrenheten det tryckluftsflöde fn som ger det önskade träffområdet An. Styrenheten 7 reglerar därefier ventilorganet 11, vid 23, så 10 rn .le n: w c att den optimala mängden urealö sning q., sprutas in i avgasledningen 3 med hjälp av det beräknade tryckluftsflödet fa. Oforångad urealö sning träffar nu området An som således ar torrt och varmt så att urealösningen forångas väsentligen omedelbart. Pro- cessen startar därefter om vid 18. Trycklufisflödet fa varieras således på ett sätt så att nya områden An väsentligen hela tiden träffas av oforångad urealösning. Tryckluñsflö- det fa varierar i denna utföringsform på ett mer oregelbundet vis än i utforingsformen som visades i Pig. 3.

Uppfinningen är inte begränsad till de på ritningarna visade utforingsforrnerna utan den kan varieras fritt inom patentkravens ramar. Insprutningsorganet 15 behöver inte utformas på det satt som visas i Fig, 2 utan det kan ha en väsentligen godtycklig ut- formning och ett godtyckligt antal öppningar for insprutning av urealosningen i avgas- ledningen.

Claims (15)

10 20 25 30 iaf! Lill ...a LÜ 'Kl DJ Patentkrav

1. Anordning för att spruta in en urealösning i en avgasledning (3) hos en förbrän- ningsmotor (1), varvid innefattar en källa (4) med urealösning, ett insprutningsorgan (15) som innefattar åtminstone en öppning (16) för att spruta in urealösningen i avgas- ledningen (3 ), ett doseringsorgan (8), en styrenhet (7) som är anpassad att styra dose- ringsorganet (8) så att en önskad mängd av urealösningen (qa) sprutas in i avgasled- ningen (3), en tryckluñskälla (9) och ett ventilorgan (ll) som är anpassat att tillföra trycklufl från trycklufiskällan (9) till urealösningen innan den sprutas in i avgasled- ningen (3 ), kännetecknad av att ventilorganet (l l) är utformat så att det möjliggör till- försel av ett reglcrbart tryckluttsflöde (ta) och att styrenheten (7) är anpassad att styra ventilorganet (l 1) så att det under åtminstone en del av förbranningsmotorns (1) drifts- tid tillför ett tryckluftsflöde (fa) med varierande trycklufisflödesvärden till urealösning- en.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att styrenheten (7 ) är anpassad att styra ventilorganet (l l) så att trycklufisflödet (fa) inte underskrider en minimal nivå (fa, maa) då urealösning sprutas in i avgasledningen (3).

3. Anordning enligt krav l eller 2, kännetecknad av att styrenheten (7) är anpassad att styra ventilorganet (l 1) så att tryckluftstlödet (fa) inte överskrider en maximal nivå (fa, max)-

4. Anordning något av föregående krav, känneteeknad av att styrenheten (7) är anpas- sad att styra ventilorganet (l 1) så att tryekluñsflödet (fa) varierar väsentligen kontinu- erligt med tiden,

5. Anordning enligt krav 4, kännetecknacgv att styrenheten (7 ) är anpassad att styra ventilorganet (l 1) så att nämnda varierbara trycklultsflöde (fa) följer en vågformad kurva.

6. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att styrenheten (7) är anpassad att styra ventilorganet (1 l) med information om avgasflödet (fe) i avgasled- ningen (3). 10 15 20 25 30 35 53193

7. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att styrenheten (7) är anpassad att styra ventilorganet (1 1) med information om den mängd urealösning (qu) som avses sprutas in i avgasledningen (3).

8. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att styrenheten (7) är anpassad att uppskatta ett område (An) på avgasledningens (3) invändiga yta vilket är lämpligt att träffas av icke förångad urealösning.

9. Förfarande för att spruta in en urealösning i en avgasledning (3) hos en förbrän- ningsmotor (1), varvid förfarandet innefattar steget att spruta in en önskad mängd av urealösningen (qu) i avgasledningen (3) med hjälp av tillförsel av ett tryckluñsflöde (fa), kännetecknat av steget att under åtminstone en del av förbränningsmotorns (1) driflstid tillföra ett tryokluftsflöde (fa) med varierande tryckluñsflödesvärden till urea- lösningen.

10. Förfarande enligt krav 9, kännetecknat av steget att tillföra ett tryckluftsflöde (fa) som inte underskrider en minimal nivå (fa, min) då urealösning sprutas in i avgasled- ningen (3).

11. ll. Förfarande enligt krav 9 eller 10, kännetecknat av steget att tillföra ett trycklufis- flöde (fa) som inte överskrider en maximal nivå (fi) max).

12. F örfarande något av föregående krav 9 - 11, kännetecknat av att steget att tillföra ett tryckluflsflöde (fa) som varierar väsentligen kontinuerligt med tiden.

13. Förfarande enligt krav 12, kånnetecknat av steget att tillföra ett tryokluftsflöde (fa) som följer en vågformad kurva.

14. Förfarande enligt något av föregående krav 9 - 13, kännetecknat av steget att tillfö- ra ett varierande trycklufisflöde (fa) som är relaterat till avgasflödet (fe) i avgasledning- en (3).

15. Förfarande enligt något av föregående krav 9 - 14, kännetecknat av steget att tillfö- ra ett varierande trycklufisflöde (fa) som är relaterat till den mängd urealösning (qu) som avses sprutas in i avgasledningen (3). 'Å l full .få CD ...d 2G' li 16k Förfarande enligt något av de föregående kraven 9-15, steget att uppskatta ett område (An) på avgasledningens (3) invändiga yta vilket är lämpligt att träffas av icke förångad urealösning.