CN103946500A - 用于将还原剂施加到内燃机的废气通道中的废气再处理***及方法 - Google Patents

用于将还原剂施加到内燃机的废气通道中的废气再处理***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于将还原剂(42)施加到内燃机(5)的废气通道(20)中的废气再处理***(10)和方法。该废气再处理***(10)包括：一个储备容器(40)，一个定量配给泵(55)，一个混合室(70)及一个压力气体供给装置(30)。定量配给泵(55)将还原剂(42)由储备容器(40)施加到混合室(70)中，其中压力气体供给装置(30)将气体(33)这样地施加到混合室(70)中，以使得还原剂(42)雾化。混合室(70)与定量配给泵(55)间隔开，其中定量配给泵(55)通过还原剂管路(60)对混合室(70)供给还原剂(42)。混合室(70)直接地设置在废气通道(20)的引导废气的区域中。输送给废气通道(20)的还原剂(42)的计量通过定量配给泵(55)来实现。

Description

用于将还原剂施加到内燃机的废气通道中的废气再处理***及方法
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的用于将还原剂施加到内燃机的废气通道中的废气再处理***及方法。
背景技术
对于内燃机的废气的再处理，尤其废气中氧化氮的再处理，已公知了废气再处理***，在这些废气再处理***中将一种还原剂、通常为尿素水溶液定剂量地配给到废气通道中，其中由尿素水溶液通过水解在废气通道中形成氨。借助选择性催化还原氧化氮通过氨转换成对环境无害的物质如氮及水。由DE19856366公知了一种废气再处理***，其中通过泵将尿素水溶液及压缩空气输送给一个混合室，在混合室中借助压缩空气使尿素水溶液雾化及借助一个喷射阀将该雾化气溶胶定量地喷射到废气通道中。
发明内容
相比之下根据本发明的具有独立权利要求的特征的用于将还原剂施加到内燃机的废气通道中的废气再处理***及方法具有其优点，即所述泵被构成道路配给泵，其中对混合室或废气通道的还原剂的输送及符合需要的计量通过定量配给泵来实现。在此情况下根据本发明定量配给泵不具有阀地通过还原剂管路与内燃机的废气通道连接。通过由一个定量配给泵来结合输送功能及计量功能可降低废气再处理***的复杂性并由此降低其成本，因为可取消一个附加的计量单元。通过定量配给泵与废气通道不具有阀地连接该***可“耐冰压”，这意味着，如果处于还原剂管路中的还原剂冻结，则可能作到：该还原剂膨胀，但不会损坏废气再处理***的部件。这可通过弹性的还原剂管路及通过体积补偿来实现，因为还原剂在一定情况下可超过还原剂管路的端部向着混合室或废气通道的方向膨胀。通过使混合室与定量配给泵在空间上的分开该定量配给泵不会遭受通过废气通道的高热负荷，而混合室以有利的方式被废气通道加热。通过混合室无距离地布置在废气通道上可取消一个使混合室与废气通道连接的附加的管路。此外混合室可通过废气通道来加热，例如为了促使还原剂的稀释或熔化混合室中还原剂的沉积。
通过在从属权利要求中所述的措施可得到所给出的废气再处理***及所给出的方法的有利的进一步构型及改进。
一个有利的构型在于：还原剂管路至少在通入混合室的一个区段中被作成毛细管。通过液态还原剂与毛细管壁之间的高粘着力可避免还原剂由还原剂管路不受控制地进入混合室。因此仅当毛细管中的还原剂附加地处于一个相对混合室中的压力升高的压力时，还原剂才进入混合室。此外还原剂的自由表面比与进入混合室的出口的交界面小，以致仅导致还原剂很少的汽化。
在此情况下特别有利的是，在还原剂管路中在定量配给泵与混合室之间设有一个节流器。通过节流器可阻尼还原剂管路中的压力波动，以致不会产生向混合室不合意愿地配给还原剂。
另一有利的构型在于：设有加热装置、尤其与废气通道中的废气加热不同的加热装置，该加热装置将混合室加热到还原剂的结晶体的熔化温度以上的温度。通过该加热装置、例如一个电阻加热器也可在仅通过内燃机废气输入的热量不能满足的内燃机工作点上将混合室加热到还原剂的结晶体的熔化温度以上的温度。由此在内燃机的所有工作点上可靠地防止了因混合室中形成结晶对废气再处理***功能的干扰。
另一有利的构型在于：设有一个输送装置，该输送装置尤对于内燃机有关机要求时使还原剂由还原剂管路往回输送到储备容器中。通过该输送装置、尤其与定量配给泵不同的输送装置可使还原剂由还原剂管路往回输送到储备容器中，由此可取消***的防冰冻的设计及可由划算的材料、例如单一的聚合物材料来制造***的部件。
另一有利的构型在于：混合室通过一个喷射管与内燃机的废气通道相连接。通过一个喷射管可将雾化的还原剂这样地输送给废气通道，以致排出的还原剂不会沉积在废气通道的壁上。此外通过喷射管有针对性的输入还原剂可达到还原剂在废气通道的横截面上良好的均匀分布，由此可改善后置的催化器中的转换率。
此外有利地提出，在使压力供给装置与混合室连接的压力气体管路中设有一个阀，尤其一个单向止回阀。通过该阀可使向混合室的压力气体输入中断或根据需要地打开，由此与混合室的压力气体的连续供给相比减少了压力气体的需要量。在此情况下特别有利的是使用单向止回阀，由此可附加地阻止还原剂由混合室向压力气体供给装置的回流。
在此情况下特别有利的是，压力供给装置中的阀及定量配给泵通过一个共同的控制装置来控制，因为这样可使输入的压力气体量理想地适配于通过定量配给泵输入的还原剂的量。
附图说明
在附图中表示出本发明的实施例及在以下的说明中对其详细地描述。在图1及2中相同的构件或具有相同功能的构件用相同的标号来指示。
图1表示根据本发明的废气再处理***的第一实施例，
图2表示根据本发明的废气再处理***的一个变换的实施例，
图3表示根据本发明的废气再处理***的另一变换的实施形式，
图4表示根据本发明的废气再处理***的另一变换的实施例。
具体实施形式
图1中表示一个根据本发明的废气再处理***10。一个用于还原剂42的储备容器40通过管路43，45与一个输送机组50连接。在管路43，45中设有一个过滤器44。输送机组50包括一个定量配给泵55及一个预过滤器52。输送机组50通过一个还原剂管路60与一个混合室70的第一输入端71相连接。在此情况下输送机组50在空间上与混合室70分开。混合室70具有第二输入端72，一个压力气体供给装置30通过该第二输入端连接到混合室70上。压力气体供给装置30包括一个压力气体源32，处于压力下的气体33可由该压力气体源通过输入管路34，36输入混合室70。在输入管路34，36中设有一个阀35，借助该阀可使压力气体源32与混合室70分开。混合室70具有一个混合腔75，输入管路34，36及还原剂管路60通入该混合腔。在混合室70的第一输入端71与混合腔75之间在还原剂管路60中设有一个过滤器74及一个节流器73。一个喷射管77由混合室75导入一个内燃机5的废气通道20内，其中混合室70或混合腔75可直接地设置在废气通道20的一个引导废气的区域上。在废气通道20中在废气流动方向上喷射管77的下游设有一个用于废气再处理的装置25。一个控制装置80通过一个信号导线82与输送机组50的定量配给泵55相连接。控制装置80通过另一信号导线84与阀35相连接。这里输送机组50的定量配给泵55不具有阀地与废气通道20连接，这就是说在定量配给泵55的输出端与废气通道之间未设置阀，但定量配给泵55本身可具有一个公知的压力侧的、用于关闭定量配给泵55中的一个压缩室的阀。
内燃机5的废气通过废气通道20流到用于废气再处理的装置25。为了提高用于废气再处理的装置25的效能，可通过喷射管77将还原剂42定量地喷射到废气通道20中。废气再处理***10的控制通过控制装置80来实现，通过该控制装置将控制输送机组50的定量配给泵55。在此情况下还原剂42由储备容器40通过管路43输送到第一过滤器44，在该过滤器中由还原剂过滤出颗粒及污物。还原剂42通过管路45继续向输送机组50输送。还原剂42在输送机组50中流过另一过滤器52，在此过滤器中再次地由还原剂42过滤出污物及颗粒，并到达定量配给泵55。定量配给泵55根据控制装置80的信号对还原剂42的量进行计量并将该量值的还原剂42通过还原剂管路60输送到混合室70的第一输入端71。在还原剂进入混合室75之前，在混合室70中还原剂42流过另一过滤器74及一个节流器73。在混合室75中还原剂42借助气体33来雾化，其中气体33通过一个管路36进行输入，该管路与混合室70的第二输入端72相连接。在混合室70的第二输入端72上连接着压力气体供给装置30，其中气体由压力气体源–例如一个压缩空气罐–通过管路34，36流到混合室70的混合腔75。这里气体33–优选为压缩空气–处于一个相对废气通道20中或混合室75中的压力提高的压力下，例如在一个在5与20巴之间的压力下。为了使压力源32与混合室70分离，管路34，36可通过一个受控制装置80控制的阀35来闭合压力源32与混合室70之间的连接。尤其可通过由控制装置80对阀35及定量配给泵55的共同控制也使用于雾化还原剂42的气体33的需要量适配于由定量配给泵55输送到混合室70或混合腔75的还原剂42的量。雾化的还原剂42、尤其是还原剂42的气溶胶(Aerosol)将由混合腔75通过喷射管77输入到废气通道20中及在那里支持用于废气再处理的装置25的废气再处理。作为还原剂42例如使用尿素水溶液或燃料、一起柴油燃料来还原氧化氮。阀35、例如一个电磁阀可通过电来进行控制，但也可通过机械、气动或液压来进行控制。定量配给泵55的控制也可优选地通过电来进行，但它并不局限在电驱动源上。
在一个特别简单的实施形式中可至少部分地取消过滤器44，52，74、尤其是过滤器52，74。也可将整个还原剂管路60或至少还原剂管路60通入混合腔75的部分构成毛细管来代替还原剂管路60中的节流器73。在一个非常简化的实施形式中也可完全取消节流器73。
图2中公开了根据本发明的废气再处理***10的另一实施例。一个直接设置再废气通道20上的混合室70具有2个输入端71，72，其中混合室通过第一输入端71经由还原剂管路60与输送机组50连接。附加地在该实施例中混合室70的第二输入端72通过一个用于气体33的第二管路34与输送机组50连接。输送机组50包括定量配给泵55，借助该定量配给泵可使还原剂42由储备容器40输入到混合室70中。此外输送机组50具有一个带有另一泵90的压力气体供给装置30，其中该另一泵90通过一个管路92与***部分连接。在该另一泵90上设有一个驱动单元91，例如一个电动机。在管路92中设有一个空气过滤器29。连接另一泵30与混合室70的混合腔75的管路34包括一个储存容积37及另一过滤器38，以便从压缩气体33中过滤出污物。输送机组50通过管路43，45与还原剂42的储备容器40连接，其中由将输送机组50的定量配给泵55与混合室70的混合腔75连接的还原剂管路60分支出一个回流管路57，59，为了使还原剂42回流到管路45中该回流管路通到定量配给泵55的前面。在回流管路57，59中设有一个优选为可电开关的第一阀53及一个单向止回阀54。一个控制装置80通过第一信号导线82与定量配给泵55连接及通过第二信号导线84与另一泵90或另一泵90的驱动单元91相连接。
为了定量配给还原剂42将通过控制装置80来控制定量配给泵55，该定量配给泵将还原剂42输送到混合室70的混合腔75中。该控制装置80同时直接地或借助驱动单元91控制另一泵90，由此根据输入的还原剂42的量将相应的气体33的、尤其压缩空气的量输送给混合腔75，借助该气体在混合腔75中使还原剂42雾化。在该第一、以下称为常规工作的工作状态中阀53关闭，由此使回流管路57，59中断及阻止了还原剂42通过回流管路57，59的回流。此外回流管路57，59还通过单向止回阀54来中断，以便不形成定量配给泵55的旁路，以致无还原剂42可通过储备容器40中的过压在定量配给泵55的旁边流到混合室70中。通过还原剂42及为还原剂42的雾化所需的气体33的符合需要的输入将避免多余的流体输送，由此使废气再处理***10在能量上特别高效。如果在废气再处理***10的常规工作中对于内燃机5存在关断需求，则使废气再处理***10的一部分、尤其混合室70及还原剂管路60排空。为此使阀53打开。通过另一泵90或储存容积37对混合腔75输入处于压力下的气体33，该气体将混合室70及还原剂管路60中的还原剂42往回压。通过该气体33将还原剂42通过回流管路57，59及管路45，43往回输送到储备容器40中。在此情况下单向止回阀54通过气体33的或回流还原剂42的压力而打开，由此开放了通过回流管路57，59的连接。
图3中表示根据本发明的废气再处理***10的另一变换的实施例。其结构在很大程度上相应于根据图1的结构，由此在下面仅详细讨论其区别。用于还原剂42的储备容器40通过管路43，45与输送机组50连接，输送装置本身通过还原剂管路60与混合室70的第一输入端71相连接。混合室70具有一个混合腔75，该混合腔被设置在废气通道20的引导废气的一个区域内。在混合室70中还原剂管路60的继续输送部分具有一个过滤器74及一个节流器73、优选为一个超临界的节流器，它们被设置在混合室70的第一输入端71与混合腔75之间。混合腔75通过一个压力供给装置30来加载处于压力下的气体33，该压力供给装置连接在混合室70的第二输入端72上，其中在第二输入端72与混合腔之间设有一个过滤器38，一个节流器79及一个单向止回阀39。在混合腔75上设有一个电加热电阻形式的加热装置78，借助该加热装置可对混合腔75附加地加热。输送机组50除定量配给泵55外还具有一个回流管路57，59，在该回流管路中设有一个回吸泵58。回流管路57，59为相对定量配给泵55的一个旁路，其中还原剂42由还原剂管路60通过回吸泵58并经过回流管路57，59及管路45，43与储备容器40连通。控制装置80通过第一信号导线82与定量配给泵55连接。该控制装置80通过第二信号导线84与管路34，36中的阀35连接，该管路使压力源32与混合室70的混合腔75连接。第三信号导线86由控制装置80导向回吸泵58。
还原剂42的定量配给类似于图1及2的实施例。因为在使用包含可溶物质的还原剂、如尿素水溶液的情况下可导致该物质的结晶，在废气再处理***的引导还原剂42的区域中，例如在混合室70、尤其在通入喷射管77的混合腔75中可形成沉积和/或结晶，它们将使横截面减小或完全堵塞从储备容器40到废气通道20的流体连接，这可导致功能的损失直至该废气再处理***10的失效。通过将混合室70的混合腔75设置再废气通道20的引导废气的区域中在内燃机的一定工作状态中废气可将混合室70、尤其混合室70的混合腔75在这样的程度上加热，以致这些结晶被熔化及流体连接的原始横截面重新被开放。该作用可通过附加的加热装置78如电阻加热器来增强或根据内燃机5的工作状态来扩展，在这些工作状态中仅通过内燃机5的废气输入的热量不足以熔化结晶或分解沉积。相应地附加的加热装置也可依据图3的实施形式组合在图1，图2及图4的实施形式中。在一个简单的实施形式中取消了附加的加热装置78而混合室70或混合腔75及喷射管77仅通过废气的热量这样来加热，以致引起结晶的熔化或沉积的分解。
在常规工作中回流管路57，59通过回吸泵58来封闭，由此不可能形成定量配给泵55的旁路。在内燃机5需要关机的情况下通过回吸泵58使还原剂42由还原剂管路60往回输送到储备容器40中。
变换地回吸泵58或回吸功能又可组合在定量配给泵55中，由此可取消回流管路57，59。
图4表示根据本发明的废气再处理***的另一实施例。根据图4的实施形式与根据图2的实施形式的区别仅在于：另一泵90未组合在输送机组50中，而另一泵90及与该另一泵90形成直接功能关系的空气过滤器29和/或可选择的储存容积37以及另一过滤器38被设置在输送机组以外，尤其在空间上与输送机组分开。另一泵90由驱动单元91驱动，该驱动单元例如为一个电动机。其功能在很大程度上相应于图2的实施例，但输送机组50由于构件数目少在制造及组装上不复杂及另一泵90可设置在任意位置上，尤其可远离废气通道20和/或还原剂42。

Claims (10)

1.用于将还原剂(42)施加到内燃机(5)的废气通道(20)中的废气再处理***(10)，包括：一个储备容器(40)，一个定量配给泵(55)，一个混合室(70)及一个压力气体供给装置(30)，其中定量配给泵(55)将还原剂(42)由储备容器(40)施加到混合室(70)中，及其中压力气体供给装置(30)将气体(33)这样地施加到混合室(70)中，以使得还原剂(42)雾化，其特征在于：混合室(70)与定量配给泵(55)间隔开，其中定量配给泵(55)通过还原剂管路(60)对混合室(70)供给还原剂(42)，混合室(70)直接地设置在废气通道(20)的引导废气的区域中，其中输送给废气通道(20)的还原剂(42)的计量通过定量配给泵(55)来实现。
2.根据权利要求1的废气再处理***(10)，其特征在于：定量配给泵(55)不具有阀地与内燃机(5)的废气通道(20)连接。
3.根据权利要求1或2的废气再处理***(10)，其特征在于：还原剂管路(60)至少在通入混合室(70)的一个区段中被作成毛细管。
4.根据权利要求1至3中任一项的废气再处理***(10)，其特征在于：在还原剂管路(60)中在定量配给泵(55)与混合室(70)之间设有一个节流器(62)。
5.根据权利要求1至4中任一项的废气再处理***(10)，其特征在于：设有加热装置(78)、尤其与废气通道(20)中的废气不同的加热装置(78)，这些加热装置将混合室(70)加热到还原剂(42)的结晶体的熔化温度以上的温度。
6.根据权利要求1至5中任一项的废气再处理***(10)，其特征在于：设有一个输送装置(55，58)，尤其一个回吸泵(58)，该回吸泵尤其是在内燃机有关机要求时使还原剂(42)由还原剂管路往回输送到储备容器(40)中。
7.根据权利要求1至6中任一项的废气再处理***(10)，其特征在于：在混合室(70)上连接一个喷射管(77)，其中该喷射管及混合室(70)的至少混合腔(75)伸入到内燃机(5)的废气通道(20)中。
8.根据权利要求1至7中任一项的废气再处理***(10)，其特征在于：压力气体供给装置(30)包括一个压力气体管路(34，36)，该压力气体管路使一个压力源(32)与混合室(70)连接，其中在压力气体管路(34，36)中设有一个阀(35)，尤其一个单向止回阀。
9.根据权利要求8的废气再处理***(10)，其特征在于：阀(35)及定量配给泵(55)通过一个共同的控制装置(80)来控制。
10.用于将还原剂(42)施加到内燃机(5)的废气通道(20)中的方法，其中还原剂(42)从一个储备容器(40)输送到一个混合室(70)中，及其中还原剂(42)在混合室(70)中通过气体(33)来雾化，其特征在于：通过还原剂管路(60)对与定量配给泵(55)间隔开的混合室(70)供给还原剂(42)；混合室(70)直接地设置在废气通道(20)的引导废气的区域中，其中输送给废气通道(20)的还原剂(42)通过定量配给泵(55)来计量。
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