CN113348298A - 用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线中的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线(10)中的装置(1),装置(1)包括监控器(4)、结合有加热装置(6)的蒸发室(3),加热装置(6)用于加热一定量的还原剂,从而释放气态形式的氨,气态形式的氨通过通向所述排出管线(10)的管道(16)离开蒸发室(3)。控制监控器(4)与容纳在蒸发室(3)中的内部第一压力传感器(12)和旨在容纳在排出管线(10)中的第二压力传感器(14)相关联,其包括计算装置,该计算装置用于根据来自第一和第二压力传感器(12,14)的压力值计算待在给定时刻注入到排出管线(10)中的氨的量。

Description

用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线中的方法
技术领域
本发明涉及一种用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线中的方法,以及一种用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线中的装置,该装置实施这种注入方法。
这种装置包括控制监控器、结合有加热装置的蒸发室,该加热装置用于加热一定量的还原剂从而释放出气态形式的氨,该气态形式的氨通过通向排出管线中的管道离开蒸发室。
背景技术
在不久的将来,超过95%的柴油发动机将配备一种用于处理排出管线中氮氧化物的装置。其也可以在更遥远的未来应用于汽油发动机。
为此,在机动车辆中(特别是在压燃式发动机中),特别是在使用柴油燃料的情况下,已知为热力发动机排出管线配备选择性催化还原***,该选择性催化还原***将还原剂注入到排出管线中,控制单元命令接收至少在选择性催化还原***的下游进行的对通过排出管线离开的氮氧化物的量的估算或测量。
因此,为了对氮氧化物或NOx进行去污,通常使用选择性催化还原(其也以与用于“Sélective Catalytic Reduction”的英文缩写SCR相对应的法文缩写RCS为人所知)***。随后,在本专利申请中,可通过其缩写RSC来提及选择性催化还原***,并且可以其缩写NOx来提及氮氧化物,并且可以其化学式NH3来提及氨。
在RSC***中,通常使用液体还原剂,该液体还原剂旨在以预先限定的量并且通过连续的注入而被引入到机动车辆的排出管线中。
这种去污还原剂的添加实现了对机动车辆热力发动机排出管线中存在的氮氧化物的处理。这种RSC还原剂通常是氨或氨前体,例如尿素或尿素衍生物,特别是以Adblue®商标为人所知的混合物。
RSC***通常具有容纳一定量的液体还原剂的罐、使用通向排出管线中的注入器用于向机动车辆排出管线供应液体还原剂的泵。
液体还原剂分解成气态形式的氨,其化学式为NH3。NH3储存在RSC催化转化器中,以便对存在于由排出管线排放的气体中的氮氧化物进行还原。
RSC***(尤其当还原剂是例如Adblue®的尿素衍生物时)在中等的温度和高的温度之间是有效率的,并且可以连续地转化NOx。还需要优化控制以便提高NOx的处理效率,并且优化燃料和还原剂的消耗,因为这些参数都非线性地取决于存在于排出气体中的条件和在催化过程中的条件。
RCS***的控制可分为两部分:标称控制和自适应控制。标称控制设定待注入的还原剂的量,该量根据RSC***和在开发期间使用的试验车辆进行校准。自适应控制基于与RSC***实际相关联的车辆来设定待注入的还原剂的量的倍增校正因子,以便在批量生产中使***适应于可能源于还原剂注入器、NOx传感器、还原剂质量、计量***、催化温度或排出气体流量等的偏差和离散(dispersion)。
还应该考虑到,该***可能通过产生更多的NOx或NH3的排放而对还原过程产生影响,NH3对应于在排出管线的出口处经转化但未用于催化的还原剂。
通常,自适应控制使用NH3传感器和/或NOx传感器,或者使用浸渍有RSC的颗粒过滤器或RSC催化转化器的出口处的估算值来工作,这样做时并未考虑存在辅助RSC***的情况,或者存在用于氧化未使用的过量NH3的催化转化器的情况,其用于监测排出管线末端处的催化,以避免将NH3释放到机动车辆外部的环境中。
根据现有技术的RSC***的控制使得能够根据体积比或重量浓度或排出管线中的NOx水平(例如以克每秒为单位的质量流量)来适应预定的NOx处理效率。
最普遍的RSC***利用具有或不具有空气添加物的液体还原剂来起作用。具有空气添加物的RSC***的缺点是当热力发动机处于重负荷时不能保证注入还原剂。由于还原剂在低的温度下蒸发不良,不具有空气添加物的RSC***存在还原剂先液态沉积再固态沉积的风险。
文献FR-A-2 953 737描述了一种用于处理排出气体(尤其是热力发动机的排出气体)中所含污染物的方法。在热力发动机出口处的排出管线中,设置了由气体通过的选择性催化还原装置和用于将还原剂注入所述排出管线以便在所述污染物通过催化装置时对其进行处理的装置。
该方法包括加热有机硝化化合物以使其分解成至少一种含有氨的气相还原剂和另一种气相还原剂以及水蒸气的混合物的步骤。
然后,该方法包括压缩和冷却该混合物以便将水蒸气冷凝成液相,并获得两种还原剂中的一者的气相和另一种还原剂的液相的步骤。
最后,该方法包括将还原剂中的一者注入排出管线中、至少与选择性催化还原装置联合以便处理这些气体的污染物。
该文献没有给出任何指示来表明如何进行注入以使得精确地进行被注入到排出管线中的氨的量的计量。
因此,本发明的根本问题是设计一种用于还原通过排出管线从热力发动机排出的排出气体中存在的氮氧化物的***,该***通过计划将气态形式的氨注入到排出管线中并通过精确地控制注入的气态形式的氨的量而不具有上述的缺点。
发明内容
为此,本发明涉及一种用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线中的方法,还原剂在蒸发室中被加热,从而释放出气态形式的氨,然后通过蒸发室的出口处的管道将气态形式的氨引入到排出管线中,其特征在于,测量或估算蒸发室中的压力和排出管线中的排出气体的压力,在给定时刻将根据以下等式估算的气态形式的氨的量Q注入到排出管线中:
[数学式1]
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
P1是存在于蒸发室中的压力,P2是存在于排出管线中的排出气体的压力,且K是常数,其取决于管道的横截面和注入到排出管线中的气态形式的氨的密度。
重要的是准确地知晓进入到排出管线中的气态形式的氨的量。该氨的量是蒸发室内部和排出管线内部的压力差除以常数K的比值的平方根的函数,常数K是将气态形式的氨从蒸发室输送到排出管线内的管道的横截面的函数。
由于压力差而产生了文丘里效应,其将包含在管道中的氨吸入排出管线内。
与传统的RSC***不同,引入到排出管线中的不是还原剂,而是气态形式的氨。在根据现有技术的***中,由于排出管线中的排出气体温度过低,在排出管线内还原剂向氨的转化可能是不完全的,这是由根据本发明的方法避免的。
此外,不存在还原剂沉积在管中的风险,也不存在当机动车辆在非常冷的外部温度下长时间停止时由于管道中包含的还原剂冻结所致的该管道爆裂的风险,其通过不再需要吹洗管道和注射器来提高注入装置的安全性和维护性。
此外,与根据现有技术的RSC***的情况相比,呈气态形式的、且热的氨与排出管线内的氮氧化物反应更快,因为不需要还原剂的任何化学转化。
有利地,测量并控制蒸发室中的温度,使得其高于用于使还原剂在所测量或估算的存在于蒸发室中的压力下转化为氨的温度。
因此,总是在蒸发室中获得气态形式的氨,并且当在由蒸发室和管线中的排出气体压力之间的压力差引起的抽吸作用下一定量的氨被注入到排出管线中时,该气态形式的氨准备好进行氮氧化物的还原。
有利地,测量或估算蒸发室中的气态形式的氨的浓度,并且当气态形式的氨的浓度低于最小浓度时,还原剂被重新引入蒸发室中。
这使得可以确保规律地向蒸发室供应还原剂,以便获得气态形式的氨。
有利地,在排出管线中测量或估算排出气体的流量,从热力发动机排放到排出管线中的氮氧化物的估算取决于所测量或估算的该流量来执行,在确定的时间间隔内估算总的气态形式的氨的量,其用于在该时间间隔期间对排放到排出管线中的氮氧化物的量进行还原,总的气态形式的氨的量在该时间间隔的给定时刻作为连续量的气态形式的氨被注入。
本发明涉及一种用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线中的装置,该装置包括控制监控器、结合有加热装置的蒸发室,该加热装置用于加热一定量的还原剂,从而释放气态形式的氨,气态形式的氨通过通向排出管线中的管道离开蒸发室,该装置实施了这种方法,其特征在于,控制监控器与容纳在蒸发室中的内部第一压力传感器和旨在容纳在排出管线中的第二压力传感器相关联,其包括计算装置,所述计算装置用于根据来自第一和第二压力传感器的压力值计算待在给定时刻注入到排出管线中的氨的量。
有利地,监控器与容纳在蒸发室中的温度传感器和氨传感器相关联,该监控器与旨在容纳在排出管线中的排出气体流的质量流量传感器相关联,并且包括用于基于质量流量估算排出管线中的氮氧化物的流量的装置,或者包括用于根据热力发动机的运行参数估算氮氧化物的流量的模型,这些参数至少包括发动机速度和发动机扭矩。
有利地,出口管道包括与蒸发室连通的连通接口、位于连通接口下游的计量阀以及位于计量阀下游的在管道上的限制装置,其中所述计量阀在监控器的控制下由致动装置控制,以便输送待在给定时刻注入的一定量的氨,限制装置的横截面被认为是管道的横截面,并且监控器包括用于根据由蒸发室中的温度传感器测量的温度估算注入到排出管线中的气态形式的氨的量的密度的装置。
有利地,该管道旨在通过被动注入器通向排出管线中。
有利地,监控器包括用于致动计量阀的致动装置,该计量阀用于计量蒸发室中的还原剂,用于计量还原剂的计量阀定位在用于进入蒸发室的入口接口的上游。
有利地,用于加热蒸发室的加热装置是电加热装置,且还原剂是水和尿素的混合物。
附图说明
通过阅读以下详细描述并参考作为非限制性示例而提供的附图,本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见,其中:
图1是根据本发明一个实施例的用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线中的装置的示意图。
具体实施方式
参照图1,本发明涉及一种用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线10中的方法。排出气体在离开热力发动机时沿由箭头F所指示的方向通过排出管线10。
在该方法中,还原剂(有利地是氨前体还原剂,其是尿素或尿素衍生物,特别是以Adblue®商标为人所知的混合物)在蒸发室3中被加热,以释放气态形式的氨。
然后,该气态形式的氨或NH3在蒸发室3的出口处通过管道16被引入到排出管线10中。
注入的气态形式的氨的量取决于在存在于蒸发室3中的压力和存在于排出管线10中的压力之间的压力差。
根据本发明,测量或估算(有利地测量)蒸发室3中的压力和排出管线10中的排出气体的压力。在给定时刻将气态形式的氨的量Q注入到排出管线10中,气态形式的氨的量Q是根据以下等式估算的:
[数学式1]
Figure 83549DEST_PATH_IMAGE001
呈气态形式的氨的量Q是等于在存在于蒸发室3中的压力和存在于排出管线10中的排出气体的压力之间的压力差除以常数k的比值的平方根的氨的量。
在这个等式中,P1是存在于蒸发室3中的压力,P2是存在于排出管线10中的排出气体的压力,且K是常数,其取决于管道16的横截面和注入到排出管线10中的气态形式的氨的密度。
监控蒸发室3中的温度是重要的,以便控制蒸发室3中的温度,以确保其处于足够高的值,使得在尿素热解和水解后获得的气相中总是存在氨。
由还原剂(通常是一种以Adblue®的名字为人所知的产品,它是32.5%尿素和水的混合物)来形成NH3还原化合物分两个步骤进行。
第一步骤是根据以下化学反应的尿素热解:
[数学式2]
Figure 66549DEST_PATH_IMAGE002
第二步骤是根据以下化学反应的异氰酸水解:
[数学式3]
Figure DEST_PATH_IMAGE003
这两个步骤且尤其是第一步骤需要至少180到200℃的温度。
可以测量和控制蒸发室3中的温度,使得其高于用于使还原剂在所测量或估算的存在于蒸发室3中的压力下转化为氨的温度。
优选地,可以由温度传感器11和压力传感器12测量蒸发室3中的温度和压力,如图1所示。
为了替代在排出管线10中消耗的气态形式的氨,可以测量或估算蒸发室3中的气态形式的氨的浓度。优选地,可以通过氨传感器13来测量气态形式的氨的浓度,如图1所示。
当该气态形式的氨的浓度低于最小浓度时,还原剂可以从距离蒸发室3一定距离的还原剂罐被重新引入蒸发室3中,在图1中未示出该罐。
为了计算在给定时刻引入的气态形式的氨的量Q,可以测量或估算排出管线10中的排出气体的流量。
在第一替代方案中,通过使用上文阐述的第一等式,从热力发动机排放到排出管线10中的氮氧化物的估算可以取决于所测量的该流量来执行,这在确定的时间间隔期间执行,用于在该时间间隔期间对排放的氮氧化物的量进行还原。
在第二替代方案中,可以在确定的时间间隔内估算用于还原氮氧化物的总的气态形式的氨的量,其用于在该时间间隔期间对排放到排出管线10中的氮氧化物的量进行还原。
对于这两种替代方案,总的气态形式的氨的量可以在时间间隔的一些给定时刻作为连续量的气态形式的氨而被注入。
本发明涉及一种用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线10中的装置1。注入装置1包括控制监控器4、结合有加热装置6的蒸发室3,该加热装置6用于加热一定量的还原剂从而释放出气态形式的氨。
气态形式的氨通过通向排出管线10中的管道16离开蒸发室3。
注入装置1实施如上所述的方法。为此,控制监控器4与容纳在蒸发室3中的内部第一压力传感器12和旨在容纳在排出管线10中的第二压力传感器14相关联。
如前所述,排出管线10中的压力也可以通过由发动机控制电子单元提供来进行估算,发动机控制电子单元基于热力发动机的当前运行参数来计算该压力。
这允许同时测量存在于蒸发室3中的压力和存在于排出管线10中的排出气体的压力。
控制监控器4结合有计算装置,其用于根据来自第一和第二压力传感器12、14的压力值计算待在给定时刻注入到排出管线10中的氨的量,这是根据上述第一等式进行的,也考虑常数k。
此外,监控器4可以与容纳在蒸发室3中的温度传感器11和氨传感器13相关联。此外,监控器4可以与旨在容纳在排出管线10中的排出气体流的质量流量传感器15相关联,且其包括用于基于质量流量估算排出管线10中的氮氧化物的流量的装置,这是第一可选实施例。
在第二可选实施例中,监控器4包括用于根据热力发动机的运行参数估算氮氧化物流量的模型,这些参数至少包括发动机速度和发动机扭矩,该模型是考虑运行参数的排出气体排放模型。
可以使用来自排出管线10中存在的氮氧化物探针的测量值来校正该模型。
具体而言,在由模型低估了离开发动机的氮氧化物的量的情况下,则监控器4命令气态形式的氨的欠注入,这导致装置1构成其一部分的RSC后处理***不足够有效以符合去污标准。
在由模型高估了离开发动机的氮氧化物的量的情况下,则监控器4命令气态形式的氨的过量注入,这导致在排气出口处的氨的释放。
估算模型可以在标称发动机上校准,并且可以不考虑机动车辆特有的热力发动机特性且尤其是其老化或其失序(dérèglement)。然而,随着生产的发动机的离散及其老化,估算误差可能会是大的。因此,如果需要的话,明智的是纠正估算模型,而这是通过学习过程来完成的。
出口管道16可以包括与蒸发室3连通的连通接口7,其位于蒸发室3的壁上并局部穿过它。
然后,出口管道16可以包括位于连通接口7下游的计量阀8,并且在监控器4的控制下由致动装置控制,以便输送待在给定时刻注入的一定量的气态形式的氨,其是蒸发室3和排出管线10中的压力差的函数,如根据上文提到的第一等式所估算的。
出口管道16最终可在计量阀8下游包括管道16上的限制装置17。该限制装置17影响第一等式中的常数K的值。因此,在第一等式中,限制装置的横截面被认为是管道16的横截面。
为了计算常数K,监控器4可以另外包括用于根据由蒸发室3中的温度传感器11测量的温度估算注入到排出管线10中的气态形式的氨的密度的装置。
由于在注入器9的上游存在计量阀8,该计量阀8形成管道16和排出管线10之间的接口,因此管道16可以通过被动注入器9通向排出管线10中,所谓被动注入器指的是该注入器不对通过它的气态形式的氨的流量施加任何控制。
在注入装置1中的蒸发室3的上游,监控器4可以包括用于致动计量阀2的致动装置,该计量阀2用于计量蒸发室3中的还原剂。用于计量还原剂的计量阀2因此可以定位用于进入蒸发室3的入口接口5的上游。
用于加热蒸发室3的加热装置6可以是电加热装置6。
本发明绝不限于所描述和示出的实施例,这些实施例仅是作为示例给出的。

Claims (10)

1.一种用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线(10)中的方法,还原剂在蒸发室(3)中被加热,从而释放出气态形式的氨,然后通过蒸发室(3)的出口处的管道(16)将所述气态形式的氨引入到所述排出管线(10)中,其特征在于,测量或估算所述蒸发室(3)中的压力和所述排出管线(10)中的排出气体的压力,在给定时刻将根据以下等式估算的气态形式的氨的量Q注入到所述排出管线(10)中:
[数学式3]
Figure DEST_PATH_IMAGE001
P1是存在于所述蒸发室(3)中的压力,P2是存在于所述排出管线(10)中的排出气体的压力,且K是常数,其取决于所述管道(16)的横截面和注入到所述排出管线(10)中的所述气态形式的氨的密度。
2.根据前一项权利要求所述的方法,其中,测量并控制所述蒸发室(3)中的温度,使得其高于用于使还原剂在所测量或估算的存在于蒸发室(3)中的压力下转化为氨的温度。
3.根据前一项权利要求所述的方法,其中,测量或估算所述蒸发室(3)中的气态形式的氨的浓度,并且当所述气态形式的氨的浓度低于最小浓度时,还原剂被重新引入所述蒸发室(3)中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,在所述排出管线(10)中测量或估算所述排出气体的流量,从所述热力发动机排放到所述排出管线(10)中的氮氧化物的估算取决于所测量或估算的该流量来执行,在确定的时间间隔内估算总的气态形式的氨的量,其用于在该时间间隔期间对排放到所述排出管线(10)中的氮氧化物的量进行还原,所述总的气态形式的氨的量在所述时间间隔的给定时刻作为连续量的气态形式的氨被注入。
5.一种用于将气态形式的氨注入到热力发动机排出管线(10)中的装置(1),所述装置(1)包括控制监控器(4)、结合有加热装置(6)的蒸发室(3),所述加热装置(6)用于加热一定量的还原剂,从而释放气态形式的氨,所述气态形式的氨通过通向所述排出管线(10)中的管道(16)离开所述蒸发室(3),所述装置(1)实施了根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述控制监控器(4)与容纳在所述蒸发室(3)中的内部第一压力传感器(12)和旨在容纳在所述排出管线(10)中的第二压力传感器(14)相关联,其包括计算装置,所述计算装置用于根据来自第一和第二压力传感器(12,14)的压力值计算待在给定时刻注入到所述排出管线(10)中的氨的量。
6.根据前一项述权利要求所述的装置(1),其中,所述监控器(4)与容纳在所述蒸发室(3)中的温度传感器(11)和氨传感器(13)相关联,所述监控器(4)与旨在容纳在所述排出管线(10)中的排出气体流的质量流量传感器(15)相关联,并且包括用于基于质量流量估算所述排出管线(10)中的氮氧化物的流量的装置,或者包括用于根据所述热力发动机的运行参数估算氮氧化物的流量的模型,这些参数至少包括发动机速度和发动机扭矩。
7.根据前一项权利要求所述的装置(1),其中,出口管道(16)包括与所述蒸发室(3)连通的连通接口(7)、位于所述连通接口(7)的计量阀(8)以及位于所述计量阀(8)下游的在管道(16)上的限制装置(17),其中所述计量阀(8)在所述监控器(4)的控制下由致动装置控制,以便输送待在给定时刻注入的一定量的氨,所述限制装置(17)的横截面被认为是管道(16)的横截面,并且所述监控器(4)包括用于根据由所述蒸发室(3)中的所述温度传感器(11)测量的温度估算注入到所述排出管线(10)中的所述气态形式的氨的量的密度的装置。
8.根据前述两项权利要求中任一项所述的装置(1),其中,所述管道(16)旨在通过被动注射器(9)通向所述排出管线(10)中。
9.根据前述三项权利要求中任一项所述的装置(1),其中,所述监控器(4)包括用于致动计量阀(2)的致动装置,所述计量阀用于计量蒸发室(3)中的还原剂,用于计量还原剂的计量阀(2)定位在用于进入所述蒸发室(3)的入口接口(5)的上游。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的装置(1),其中,用于加热所述蒸发室(3)的加热装置(6)是电加热装置(6),并且所述还原剂是水和尿素的混合物。
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