CN102439268A - 用于罐的集成加热组件，用于安装和制造该组件的方法以及包括该加热器组件的车辆 - Google Patents

用于罐的集成加热组件，用于安装和制造该组件的方法以及包括该加热器组件的车辆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成的加热器组件(190)，该加热器组件可操作以从罐(200)提供溶液供给。组件(190)包括：用于安装在罐(200)的孔上的顶部装置(290)；以及用于选择性地使罐(200)中的溶液变暖的加热元件(210)，其中加热元件(210)包括管路，用于加热溶液的流体可操作以流过该管路，顶部装置(290)包括用于控制管路内流体流动的阀(220)。阀(220)可选地以卡扣配合方式保持在顶部装置(290)的塑料材料模制件内。此外，阀(220)可选地为电磁螺管阀。组件(109)有益地适于处理罐(200)中的尿素溶液。

Description

用于罐的集成加热组件,用于安装和制造该组件的方法以及包括该加热器组件的车辆
技术领域
本发明涉及用于公路车辆的集成加热器组件，其中，这些组件可操作以将尿素溶液(例如AdBlue)分配到这些车辆的排气处理***，所述组件包括加热器装置和阀装置。此外，本发明涉及操作这些集成加热器组件的方法。而且，本发明涉及包括这些集成加热器组件的车辆。
背景技术
当前的内燃机通过燃烧一个或多个活塞缸中的烃燃料与空气的混合物进行操作，以产生机械功。这些发动机通过在一个或多个缸中进行高燃烧温度的燃烧而操作，从而获得更有效的发动机操作。然而，高燃烧温度下的发动机操作与产生烟灰和氮氧化物排气产物(例如氮氧化物(NOx))相关联。烟灰和氮氧化物排气产物在被喷射到环境时是危险物。因而，当前的方法是在包括在内燃机排气***内的设备中处理这些排气产物。
为了将排气污染物的浓度降低到由法规(例如当前与废气排放相关的欧洲法规)所限定的极限范围内，车辆制造商通常在他们的车辆中采用选择性催化还原(SCR)和/或废气再循环(EGR)。SCR对于吸收氮氧化物是有效的，而EGR确保了存在于废气中的氮氧化物的更充分氧化。
SCR操作通过采用在车辆上运输的化学试剂而得以改进。例如，“AdBlue”是一种化学试剂的商品名，其基本上对应于32.5％含水尿素溶液。这种溶液在二次燃烧过程(post-combustion process)中被注入到现代柴油发动机的废气中，以用于处理发动机废气，从而减小存在于这些废气中的有害氮氧化物(NOx)的比例。AdBlue仅仅曾与SCR联合使用。此外，配备有SCR的车辆除了携带燃料罐之外还携带AdBlue储罐。在操作中，AdBlue从储罐中被传送，并在压力下被注入废气中，在该处，发生如下表1中所列的一系列化学反应。
在图1中，用于内燃机15的排气***总体由10表示。***10依次包括用于从发动机15接收燃烧气体的进口20、氧化催化剂30、AdBlue注射区域40、水解催化剂50、SCR催化剂60、氧化催化剂70和最后的出口80。
表1：
Figure BDA0000105023420000021
基本上，在排气***10中发生的过程包括使AdBlue混合物流到SCR催化剂60的过热的多孔陶瓷顶部，在该处，去离子水蒸发，而所注入的AdBlue的剩余尿素作为反应物被传递，该反应物可操作以将氮氧化物成分(NOx)破坏成主要的氮和水。存在于AdBlue中的任何污染物将聚集在SCR催化剂60上，并最终使其阻塞和失效。所以，绝对必要的是，AdBlue在生产、存储和分配的所有阶段保持没有杂质。
有效的AdBlue传送依赖于安装在车辆上的适当设施。该设施的失效潜在地导致了过早的产品失效，甚至更坏地导致灾难性事件，例如SCR完全失效。AdBlue非常敏感于由异物和不正确材料选择而引起的污染。一个主要的影响涉及溶液的去离子水成分，其从与其接触的材料中提取离子；这改变了AdBlue的化学成分，并且使得盐形成，这进而阻塞SCR催化剂60上的陶瓷顶部。SCR催化剂60的过早失效的最普遍的原因通常是：或者是由已损坏的泵部分被意外地传送到AdBlue罐中的进入而引起的，或者是由不正确的材料选择而引起的。因而，应该总是使用惰性材料来处理AdBlue。
AdBlue传送设施在车辆上的范围在各种操作条件下必须是可靠的，以避免对车辆的相关发动机排气***产生重大损坏。尤其是，AdBlue必须以尿素与水的适当比例从车辆的AdBlue储罐提供给发动机的排气***。实践中的一个问题是，尿素可在低温下使AdBlue冻结掉，并且导致阻塞以及导致供给到排气***的AdBlue太稀。本发明设法解决该问题。
发明内容
本发明设法提供一种组件，该组件可更可靠地操作，以将尿素溶液提供给车辆的排气处理***。
根据本发明的第一方面，提供了一种如所附的权利要求1所要求保护的集成的加热器组件：提供了一种用于从罐中提供溶液供给的集成的加热器组件，其特征在于，该组件包括：用于安装到罐的孔上的顶部装置，以及用于选择性地使罐中的溶液变暖的加热元件，其中该加热元件包括管路，用于加热溶液的流体可操作以流过该管路，以及该顶部装置包括用于控制该管路内流体流动的阀。
本发明的优点在于，阀集成在加热器组件内能够改善尿素供给的可靠性以及减小制造和安装成本。
可选地，集成组件还包括以下部件中的至少一个：
(a)用于测量罐内溶液温度的温度传感器；
(b)用于测量罐内溶液深度的深度传感器；以及
(c)用于测量罐内溶液浓度的浓度传感器。
可选地，该组件适于处理罐内的尿素溶液。
可选地，该集成组件还包括用于从罐的下部部分抽取溶液的管道。
可选地，在该集成组件中，该加热元件以下列至少一种方式来实施：
(a)螺旋形式；
(b)“L形”形式；以及
(c)所述加热元件(200)的直线部分和曲线部分的组合。
更可选的是，螺旋形式包括在2圈到20圈范围内的螺旋圈。
可选地，在集成组件中，阀是电磁螺管阀。
可选地，在集成组件中，阀以卡扣配合方式保持在顶部装置的塑料材料和/或橡胶模制件内。
根据本发明的第二方面，提供了一种如所附的权利要求9所要求保护的安装集成组件的方法：提供一种通过罐中的孔口安装根据本发明的第一方面的集成组件的方法，该方法包括以下步骤：
(a)将组件的加热元件的远端部提供给孔口，并且将该远端部***该孔口一距离；
(b)与加热元件的成角度区域相适应地将组件旋转一角度；以及
(c)将加热元件进一步***孔口中，直到加热元件的近端部包括在罐内，以使得与加热元件连接的顶部装置在近端部处形成与罐的密封邻接。
根据本发明的第三方面，提供了一种如所附的权利要求10所要求保护的制造集成组件的方法：提供了一种制造根据本发明的第一方面的集成组件的方法，该方法包括：
(a)形成集成组件的顶部装置；
(b)将加热元件安装在顶部装置上；
(c)将阀安装在顶部装置上，以用于在操作中选择性地控制加热元件内加热流体的流动。
可选地，在该方法中，包括：当形成顶部装置时，制造操作包括以下方式中的至少一个：橡胶成型，塑料材料注塑。
根据本发明的第四方面，提供了一种如所附的权利要求12所要求保护的车辆：提供了一种车辆，该车辆包括用于推进车辆的内燃机，该内燃机包括用于处理由发动机产生的废气的排气***，该排气***包括尿素溶液排气处理装置，该尿素溶液排气处理装置在操作中被从罐经由根据本发明第一方面的集成组件供给尿素溶液。
将知晓的是，本发明的特征易于在不脱离本发明范围的情况下以任何组合进行组合。
附图说明
现在参照下列附图仅仅通过举例对本发明的实施例进行描述，附图中：
图1是车辆的排气***的示意图，该排气***可操作以采用AdBlue来降低经过排气***的废气中的NOx浓度；
图2是用于车辆的发动机***的示意图，该发动机***包括利用AdBlue的废气处理***，该处理***根据本发明来实施；
图3是用于图2的排气***中的根据本发明的加热器组件的第一实施例的示意图；以及
图4是用于图2的排气***中的根据本发明的加热器组件的第二实施例的示意图。
在附图中，带下划线的数字用来表示带下划线的数字位于部件上的一个部件，或者与带下划线数字邻近的一个部件。不带下划线的数字表示通过将不带下划线的数字与部件相连的直线所指示的部件。当数字不带下划线并且伴随有相应箭头时，该不带下划线的数字用于标识箭头所指的总体部件。
具体实施方式
参见图2，示出了用于车辆的发动机***；发动机***总体由100表示。发动机***100包括内燃机110，该内燃机包括发动机控制模块(ECM)120；可选地，内燃机110是柴油发动机。发动机110的排气出口130经由颗粒过滤器140进而经由分解管150连接到选择性催化还原(SCR)模块160，模块的通向环境大气170的最终排气输出端配备有NOx传感器180。在操作中利用NOx传感器180来监控喷射到环境大气中的废气的氮氧化物(NOx)的含量；有益地，传感器180与ECM 120通信连接，用于控制发动机110的操作参数，该操作参数例如涉及气缸阀的开启/关闭次数和发动机110的一个或多个气缸中的燃料/空气混合物的浓度。
该***100还包括用于存储大量的基本上32.5％浓度的含水尿素溶液的AdBlue罐200。罐200设置有包括加热元件210的加热器组件190，该加热元件实施为用于从发动机110中接收冷却流体(例如从发动机110中接收冷却水)的管。可操作流过加热元件210的管的冷却流体的循环，以使罐200内的大量含水尿素溶液变暖，以减小其尿素在罐200内冻结的含量的风险。加热元件210的管设置有阀220，该阀用于控制加热元件210内冷却流体的流动。组件190还包括：深度传感器230，该深度传感器用于测量保持在罐200内的含水尿素溶液的量；和温度传感器240，该温度传感器用于测量罐200内的含水尿素溶液的温度。深度传感器230有益地通过使用浮动的磁铁来实现，该浮动的磁铁可操作以在被包括在罐200内的含水尿素溶液的液/气表面的分界面处浮动，与此同时沿着中空的非磁性引导管滑动，其中，沿着引导管的中空内部配备有一系列磁簧开关，当浮动磁铁沿着中空管移动以提供存在于罐200内的含水尿素的测量深度时，磁簧开关由浮动磁铁选择性地转换。然而，用于深度传感器230的其他可替代方式是可能的，并且有益地包括以下传感器中的一个或多个：
(a)使用一个或多个超声波传感器；
(b)使用一个或多个光学液面测量传感器；
(c)使用布置在罐200内的一个或多个压力传感器；
(d)使用一个或多个电容传感器，每个传感器包括在罐200内的在空间上布置的电极，并且每个传感器暴露于作为用于传感器的电容电介质的AdBlue，和/或暴露于罐200内的AdBlue上的电介质浮子。
此外，组件190还包括浓度传感器250，该浓度传感器用于测量罐200内的含水尿素溶液中的尿素的浓度；浓度传感器250有益地基于测量导电性或测量罐200内的含水溶液内的差动超声辐射传播。AdBlue抽取管260也包括在组件190中，该抽取管将AdBlue从罐200经由软管270供给到AdBlue配量模块280，该配量模块与分解管150相关联。如之后将更详细描述的，阀220有益地与加热元件210一起集成到组件190中，以及可选地还与深度传感器230、温度传感器240、浓度传感器250以及抽取管260中的一个或多个一起集成到组件190中。
在操作中由发动机110产生的热量加热发动机110内的冷却流体。这种冷却流体中的至少一部分经由加热元件210循环，以加热罐200内的AdBlue；该加热确保了在罐200中没有任何冻结或凝固的尿素，当AdBlue经由软管260提供给用于注入分解管150中以处理由发动机110产生的废气的配量模块270时，任何冻结或凝固的尿素随后可导致AdBlue的尿素含量不足。阀220用于当罐200内的AdBlue处于期望的温度范围内和/或处于给定温度阈值以上时阻止冷却流体在加热元件210内的循环，例如使用罐200内的温度传感器240进行测量；阀220的使用防止了罐200内的AdBlue过热，而且还减小发动机110的不必要冷却，以使得发动机110能够更理想地运行。深度传感器230用于监测包括在罐200内的AdBlue的量，例如涉及在罐200需要重新填充AdBlue时拉响警报。此外，AdBlue浓度传感器250可操作，以测量存在于AdBlue中的尿素的浓度，因而用于控制阀220的操作，以使得在AdBlue中的尿素浓度由于尿素在罐200内的较低温度下冻结或凝固而太低的情况下加热罐200。有益地，阀220、深度传感器230、温度传感器240以及浓度传感器250在操作中与发动机控制模块(ECM)120通信连接；如上所述，控制模块120可操作以控制阀220，用于将罐200中的AdBlue保持在对于发动机110来说适当的状态下，以及用于当罐200需要被重新填充和/或其AdBlue具有不适当的成分时向车辆的驾驶者提供适当的警告。可选地，组件190包括双向数字接口，以使得用于控制阀220的控制信号以及由传感器230、240、250产生的信号经由数字接口而进行通信。
进入配量模块280中的AdBlue的温度有益地处于+5℃到+70℃的范围内。此外，发动机控制模块(ECM)120可操作，以控制冷却流体流过阀220，例如在罐200内的AdBlue温度降到-5℃以下时打开阀220，以使得来自发动机110的冷却流体能够加热罐200内的AdBlue。可选地，发动机控制模块120可有益地操作，以在0％和100％之间的范围内的工作循环使阀200脉动，以在罐200中的AdBlue具有-5℃到0℃的范围内的温度时提供逐渐加热阶段；这种操作使得阀220能够作为廉价且坚固的电磁开/关螺线管阀使用，与此同时，通过控制其开/关工作循环而提供了一种按比例加热控制阶段。阀220可有益的操作，以将流过其中的流量控制在2升/分到10升/分的范围中。此外，阀220有益地被设计成以-40℃到+90℃范围内的冷却流体温度进行操作。此外，阀220被有益地设计成能够在相对于环境压力高达2.5Bar的压力下操作。当实施为电磁阀使用时，阀220有益地包括螺管线圈，该螺管线圈在阀220处于ON(开启)状态时操作，从而由12伏特电源以1.5安培或更少的供电电流进行激励；但是，用于螺管的其他电压和电流额定值也可能用于实施本发明的实施例。
现在将参照图3和图4描述包含在罐200内的加热器组件190的实施例。在图3中，加热器组件190包括顶部装置290，其用于容纳阀220和用于为加热元件210、传感器230、240、250以及AdBlue抽取管260提供锚座(anchorage)。顶部装置290有益地至少部分由下列材料中一种或多种制成：模制橡胶和注塑塑料材料，此外，顶部装置290有益地设置有外周凸缘(未示出)，该外周凸缘用于接收液密的密封件，以便当组件190安装到罐200上时用于防止AdBlue从罐200中不期望地选出以及用于防止污染物进入罐200中。该密封件可有益地实施为腈或硅橡胶垫圈，尽管如果需要的话可使用其他类型的密封材料。该罐200被便利地设计成在罐200的上部区域处接收顶部装置290，用于减小AdBlue在密封件处泄露的风险。实际上，该组件190被实施成使得加热元件210比图3中所示的顶部装置290在空间上更宽广，与在安装期间加热元件210能够***穿过罐200中的孔以及与顶部装置290接合在该孔的外周上以提供密封相符合。
如图所示，用于连接器300和入口管道310、320的终端或者基本上垂直于顶部装置290表面的平面，或者基本上平行于顶部装置290表面的平面，或者为两者的结合。可选地，顶部装置290设置有柔性的快速连接器，其用于连接到安装在车辆上并且基本上靠近罐200的套筒。可选地，顶部装置290实施为塑料材料注塑部件，其中连接器300以及入口管道310、320实施为该部件的一体部分。可选地，阀220以卡扣配合方式保持在在部件内，以便于快速和有效的制造。
如图所示，加热元件210有益地成形为大致“L”形结构，其包括：两个基本上垂直于顶部装置290的平面的第一部段400，以及基本上平行于顶部装置290的平面的第二部段410，且第二部段410包括基本上180°的U形弯曲。组件190的这种实施方式提供了以下优点：第二部段410接合到罐200的下部部分中，以在其中提供AdBlue的有效变暖，与此同时还允许穿过设置在罐200上的较小的安装孔口或孔来安装组件190。可选地，第一部段400和/或第二部段410沿着它们包括各个小角度弯曲部，用于使得组件190更加紧凑和/或更易于穿过罐200中的孔口或孔进行安装。
在安装期间，第二部段410穿过罐200中的孔口或孔提供，其后，组件190旋转基本上90°，以使得第一部段分400能够然后穿过该孔口或孔，直到顶部装置290最终接合在罐200的孔口或孔上。其后，组件190然后被固定到罐200，例如借助于螺钉和/或环扣件和/或夹子。当组件190从罐200移除(例如用于更换、清洁或修理)时，以相反次序执行这一系列步骤。
可选地，如图4中所示，以紧凑的螺旋形式实现加热元件210。有益地，加热元件210包括在5圈到20圈范围内的螺旋圈；基本上，图4中示出了两个这种圈。有益地，加热元件210的这些圈沿着组件190的长度分布，并不仅仅集中在其远离顶部装置290的下端部处。加热元件210的螺旋圈有益地具有小于罐200的孔口或孔的直径的外部直径，组件190被设计成在操作中穿过该孔口或孔进行安装。如先前所述，加热元件210有益地适于从发动机110的冷却装置中接收冷却水。
可替代地，加热元件210实施为折叠结构，其中加热元件210以曲折的之字形方式向后折叠在其自身上。然而，可替代地，加热元件210包括复杂的结构，该复杂的结构既包括元件的弯曲部分又包括元件的直线部分。
组件190有益地由耐酸钢、不锈钢或与注塑塑料部件组合的类似金属合金制造而成。传感器230、240、250的输出端可选地经由汽车***通常所采用的控制器局域网(CanBus)进行设置。此外，阀220通过整体驱动电子部件可选地实施。而且，阀220易于被实施为针阀、回转阀、可替换的滑阀、隔膜阀、叠加式压电元件阀，以便为阀220举出几种可替代的实施例。
从多个角度中来看，有益地是，将阀220集成到组件190中而不是将其单独地安装在车辆上的其他位置处。由此，实现了成本节约，而且通过避免需要连接更多的管而使得安装更简单和更快。因而，该组件190能够提供包括下述优点中的一个或多个的优点：
(a)组件190在车辆底盘上的安装由于阀220集成到顶部装置290中而极大地简化；
(b)由于阀220与传感器230、240、250集成，在安装期间不需要对缆和管线的进行额外的钩住操作；
(c)从外部位置看，消除冷却水循环和传感器230、240、250与阀220之间的相关连接；
(d)减小在组件190的制造期间对连接器和管线材料的消耗；
(e)没有额外的电缆或冷却水管道或管需要铺设到位于车辆底盘上其他位置处的单独安装的阀；以及
(f)可实现总材料节省和重量减小，从而减小总车辆重量。
本发明的实施例除了其以更可靠的方式提供AdBlue的功能之外还能够提供若干优点，从而减小了由潜在的有害车辆排出物所导致的污染和健康危害。
在不脱离所附的权利要求书所限定的本发明范围的情况下，可对与之前所描述的本发明的实施例进行修改。
用于描述本发明和要求保护本发明的表达方式，例如“包括”、“包含”、“结合有”、“由......组成”、“具有”、“是”旨在以非排他方式进行解释，也就是说，允许存在未明确描述的部件、零件或元件。对于单数，其也可解释为涉及复数。
包括在所附的权利要求书中的括号内的数字用来帮助理解权利要求书，而不应当理解为以任何方式限制由这些权利要求所保护的主题。

Claims (12)

1.一种集成的加热器组件(190)，所述组件用于从罐(200)中提供溶液供给，其特征在于，所述组件(190)包括：顶部装置(290)，所述顶部装置用于安装在罐(100)的孔上，以及加热元件(210)，所述加热元件用于选择性地使罐(200)中的溶液变暖，所述加热元件(210)包括管路，用于加热溶液的流体可操作以流过该管路，所述顶部装置(290)包括用于控制管路内流体流动的阀(220)。
2.如权利要求1所述的集成组件(190)，所述组件还包括以下部件中的至少一个：
(a)用于测量罐(200)内溶液温度的温度传感器(240)；
(b)用于测量罐(200)内溶液深度的深度传感器(230)；以及
(c)用于测量罐(200)内溶液浓度的浓度传感器(250)。
3.如权利要求1或2所述的集成组件(190)，所述组件(109)适于处理罐(200)内的尿素溶液。
4.如权利要求1、2或3所述的集成组件(190)，所述组件还包括用于从罐(200)的下部部分抽取溶液的管道。
5.如权利要求1、2、3或4所述的集成组件(190)，其中所述加热元件(210)以下列方式中的至少一种实施：
(a)螺旋形式；
(b)“L形”形式；以及
(c)所述加热元件(200)的直线部分和曲线部分的组合。
6.如权利要求5所述的集成组件(190)，其中所述螺旋形式包括的螺旋圈在2圈到20圈的范围内。
7.如权利要求1-6中任一项所述的集成组件(190)，其中所述阀(220)是电磁螺管阀。
8.如权利要求1-7中任一项所述的集成组件(190)，其中所述阀(220)以卡扣配合方式保持在顶部装置(290)的塑料材料模制件和/或橡胶模制件内。
9.一种通过孔口将如权利要求1所述的集成组件(190)的安装在罐(200)中的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将组件(190)的加热元件(210)的远端部提供给孔口，并且将所述远端部***所述孔口中一距离；
(b)与加热元件(210)的成角度区域相适应地将组件(190)旋转一角度；以及
(c)将加热元件(210)进一步***所述孔口中，直到加热元件(210)的近端部被包括在罐(200)内，以使得与加热元件(210)连接的顶部装置(290)在近端部处形成与罐(200)的密封邻接。
10.一种制造如权利要求1所述的集成组件(190)的方法，所述方法包括：
(a)形成集成组件(190)的顶部装置(290)；
(b)将加热元件(210)安装到顶部装置(290)上；
(c)将阀(220)安装在顶部装置(290)上，以用于在操作中选择性地控制加热元件(210)内加热流体的流动。
11.如权利要求10所述的方法，其中，形成顶部装置包括以下方式中的至少一个：橡胶成型、塑料材料注塑。
12.一种车辆，所述车辆包括用于推进车辆的内燃机(110)，所述内燃机(110)包括用于处理由发动机(110)产生的废气的排气***(100)，所述排气***(100)包括尿素溶液排气处理装置(150、280)，所述尿素溶液排气处理装置在操作中被从罐(200)经由如权利要求1-8中任一项所述的集成组件供给尿素溶液。
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