DE102015107802A1

DE102015107802A1 - Injektor für ein Abgasnachbehandlungssystem sowie Steuerung

Info

Publication number: DE102015107802A1
Application number: DE102015107802.3A
Authority: DE
Inventors: Yong Miao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2015-12-03
Also published as: US20150345354A1

Abstract

Bei einem Aspekt ist eine Injektorbaugruppe zum Injizieren eines Fluides in ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen. Die Injektorbaugruppe weist ein Gehäuse, das eine Auslassöffnung und eine Innenwand besitzt, die einen Durchgang definiert, wobei der Durchgang fluidtechnisch mit der Auslassöffnung gekoppelt und derart konfiguriert ist, das Fluid an die Auslassöffnung zu liefern, und ein Ventil mit einer Längsachse auf. Das Ventil ist in dem Durchgang orientiert und derart konfiguriert, dass es entlang der Längsachse zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position verstellt wird. Ein stromabwärtiges Ende des Ventils weist eine verjüngte Wand auf, die unter einem ersten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert ist, und die Gehäuseinnenwand ist unter einem zweiten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung betrifft allgemein Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere Injektoren zum Injizieren von Fluid in eine Abgasströmung in einem Abgasbehandlungssystem.
HINTERGRUND
Ein Dieselmotor bietet eine gute Kraftstoffwirtschaftlichkeit und geringe Emissionen von Kohlenwasserstoffen (KWs) und Kohlenmonoxid (CO). Ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in einem Brennraum wird auf einen äußerst hohen Druck komprimiert, was zur Folge hat, dass eine Temperatur ansteigt, bis eine Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs erreicht ist. Ein Verhältnis der Luft zu Kraftstoff für den Dieselmotor ist wesentlich magerer (mehr Luft pro Einheit des Kraftstoffs), als für einen Benzinmotor, und eine größere Luftmenge unterstützt eine vollständigere Verbrennung und bessere Effizienz des Kraftstoffs. Infolgedessen sind die Emissionen von KWs und CO für den Dieselmotor geringer als für einen Benzinmotor. Jedoch wird mit höheren Drücken und Temperaturen in dem Dieselmotor eine Emission von Stickoxiden (NOx) tendenziell höher, da hohe Temperaturen des Brennraums eine Kombination von Sauerstoff und Stickstoff in Ansaugluft und die Bildung von NOx bewirken.
Geringere Emissionen von NOx können durch Ändern von Betriebseigenschaften des Motors erreicht werden.
Beispielsweise sind zusammen mit einer Reduzierung des Leistungsausgangs und/oder der Temperatur von Ansaugung, Kühlmittel und/oder Verbrennung elektronische Steuerungen und der Injektor so ausgelegt, den Kraftstoff bei einer Kombination von Druck und Zeitpunkt des Injektors und Anordnung des Sprühnebels zu liefern, die ermöglicht, dass der Kraftstoff effizient verbrannt wird, ohne Temperaturspitzen zu bewirken, die die Emission des NOx anheben.
Zusätzlich können Abgasbehandlungssysteme stromabwärts des Motors implementiert sein. Typischerweise werden Katalysatoren dazu verwendet, Abgas von dem Motor zu behandeln und Schmutzstoffe, wie Kohlenmonoxid, KWs und NOx in harmlose Gase umzuwandeln. Insbesondere können zur Reduzierung von NOx-Emissionen die Nachbehandlungssysteme eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) nutzen, die NOx durch Reduzierung von Chemikalien reduziert. SCR-Katalysatoren werden gegenwärtig in Dieselnachbehandlungssystemen verwendet. Die SCR-Vorrichtung, die stromabwärts eines Dieseloxidationskatalysators (DOC) positioniert ist, ist typischerweise fluidtechnisch mit einem Partikelfilter (PF) (z. B. einem Diesel-PF), der zwischen dem SCR und dem DOC vorgesehen ist, verbunden. Jedoch können die Nachbehandlungssysteme andere relative Anordnungen des DOC, PF und der SCR aufweisen. Beispielsweise kann das Nachbehandlungssystem eine DOC/SCR/PF-Anordnung oder eine mit einzelnem Katalysator kombinierte PF und SCR aufweisen. Die Systeme können ein Reduktionsmitteldosiersystem aufweisen, wie ein Dosiersystem für Dieselabgasfluid (DEF), das stromaufwärts der SCR vorgesehen ist. Das Dosiersystem spritzt ein Reduktionsmittel, wie anhydrides Ammoniak (NH₃), wässriges NH₃ und/oder einen Vorläufer, der zu NH₃ umwandelbar ist (z. B. Harnstoff-Ammoniak oder Harnstoff-CO(NH₂)₂), in eine Abgasströmung von dem Motor ein.
Das DEF ist ein Gewichtsprozentsatz von Harnstoff in Wasser und ist in einem Behälter gespeichert, wie einem Tank oder einer entfernbaren und/oder auffüllbaren Kartusche. Das DEF wird von dem Behälter gepumpt und durch eine Zerstäubungsdüse des Injektors in den Abgasstrom gesprüht. Ein vollständiges Mischen des Harnstoffs und des Ammoniaks mit dem Abgas und eine gleichförmige Verteilung der Strömung unterstützen hohe NOx-Reduzierungen.
Ein harnstoffbasiertes SCR-System kann gasförmiges NH₃ verwenden, um NOx zu reduzieren. Während der Thermolyse bricht die Wärme des Gases den Hamstoff auf in NH₃ und Zyanwasserstoffsäure (HCNO). Das NH₃ und HCNO treten dann in den SCR ein, wo das NH₃ absorbiert wird und das HCNO durch Hydrolyse weiter in NH₃ zersetzt wird. Wenn das NH₃ absorbiert wird, reagiert es mit dem NOx und O₂, um Wasser und Stickstoff zu erzeugen. Eine Menge von NH₃, die in den Abgasstrom injiziert ist, ist ein Betriebsparameter. Ein erforderliches Verhältnis von Ammoniak zu NOx ist typischerweise stöchiometrisch und muss beibehalten werden, um hohe Niveaus an NOx-Reduzierung sicherzustellen.
Bei einigen bekannten DEF-Dosiersystemen ist die Größe der Düsenöffnung des Injektors allgemein konstant, was in einer beschränkten volumetrischen Verteilung des Reduktionsmittels resultieren kann. Ferner kann ein Massenstrom des Abgases den Sprühnebel des Harnstoffs und somit seine Verteilung innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems beeinflussen.
Demgemäß ist es erwünscht, eine verbesserte SCR-Effizienz bereitzustellen und Auspuff-NO_x zu reduzieren. Genauer ist es erwünscht, eine DEF-Injektor- und -Dosiersteuerung bereitzustellen, um eine gleichförmige flächige Verteilung und verbesserte Mischung von Reduktionsmittel und Abgas zu erzeugen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Aspekt ist eine Injektorbaugruppe zum Injizieren eines Fluides in ein Abgasbehandlungssystem vorgesehen. Die Injektorbaugruppe weist ein Gehäuse, das eine Auslassöffnung und eine Innenwand, die einen Durchgang definiert, besitzt, wobei der Durchgang fluidtechnisch mit der Auslassöffnung gekoppelt und derart konfiguriert ist, das Fluid an die Auslassöffnung zu liefern, sowie ein Ventil mit einer Längsachse auf. Das Ventil ist in dem Durchgang orientiert und derart konfiguriert, entlang der Längsachse zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position verstellt zu werden. Ein stromabwärtiges Ende des Ventils weist eine verjüngte Wand auf, die unter einem ersten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert ist, und die Gehäuseinnenwand ist unter einem zweiten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert.
Bei einem anderen Aspekt ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor vorgesehen. Das System weist eine Abgasleitung, die derart konfiguriert ist, Abgas von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen, eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die in der Abgasleitung angeordnet und derart konfiguriert ist, dass Abgas aufzunehmen, sowie eine Injektorbaugruppe auf, die mit der Abgasleitung gekoppelt und derart konfiguriert ist, ein Fluid in das Abgas einzuspritzen. Die Injektorbaugruppe weist ein Gehäuse mit einer Auslassöffnung und einer Innenwand, die einen Durchgang definiert, wobei der Durchgang fluidtechnisch mit der Auslassöffnung gekoppelt und derart konfiguriert ist, das Fluid an die Auslassöffnung zu liefern, sowie ein Ventil mit einer Längsachse auf. Das Ventil ist in dem Durchgang orientiert und derart konfiguriert, entlang der Längsachse zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position verstellt zu werden. Ein stromabwärtiges Ende des Ventils weist eine verjüngte Wand auf, die unter einem ersten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert ist, und die Gehäuseinnenwand ist unter einem zweiten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert.
Bei einem noch weiteren Aspekt ein Verfahren zum Dosieren eines Fluides in ein Abgasnachbehandlungssystem, das derart konfiguriert ist, Abgas von einem Verbrennungsmotor aufzunehmen, vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass eine Injektorbaugruppe bereitgestellt wird, die ein Gehäuse und ein Ventil aufweist, das entlang einer Längsachse in dem Gehäuse verstellbar ist, wobei das Ventil eine verjüngte Wand besitzt, die unter einem ersten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert ist, und das Gehäuse eine Auslassöffnung und eine Innenwand, die einen Durchgang definiert, aufweist, wobei der Durchgang fluidtechnisch mit der Auslassöffnung gekoppelt ist und die Innenwand unter einem zweiten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert ist, ein Controller in Signalkommunikation mit der Injektorbaugruppe bereitgestellt wird, wobei der Controller derart programmiert ist, das Ventil zwischen einer geschlossenen Position, einer ersten offenen Position und einer zweiten offenen Position zu verstellen, und das Fluid selektiv durch die Auslassöffnung in das Abgas injiziert wird.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen deutlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 eine Schnittansicht einer DEF-Injektionsbaugruppe nach dem Stand der Technik ist;
2A eine schematische Schnittansicht eines Abschnitts der in 1 gezeigten DEF-Injektionsbaugruppe nach dem Stand der Technik und in einer geschlossenen Position ist;
2B eine schematische Schnittansicht der in 2A gezeigten DEF-Injektionsbaugruppe nach dem Stand der Technik und in einer offenen Position ist;
3A eine schematische Schnittansicht einer beispielhaften Injektionsbaugruppe gemäß der Erfindung und in einer geschlossenen Position ist;
3B eine schematische Schnittansicht der in 3A gezeigten Injektionsbaugruppe und in einer ersten offenen Position ist;
3C eine schematische Schnittansicht der in 3A gezeigten Injektionsbaugruppe und in einer zweiten offenen Position ist;
4A eine Bodenansicht der in 3A gezeigten Injektionsbaugruppe ist;
4B eine Schnittansicht der in 3B gezeigten Injektionsbaugruppe entlang der Linie 4B-4B ist;
4C eine Schnittansicht der in 3C gezeigten Injektionsbaugruppe entlang der Linie 4C-4C ist;
5 eine Schnittansicht einer alternativen Injektionsbaugruppe ist; und
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb der in 3A–5 gezeigten Injektionsbaugruppe ist.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung oder ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Die 1, 2A und 2B zeigen eine bekannte Injektorbaugruppe 10 für Dieselabgasfluid (DEF), die allgemein einen Injektor 11 mit einer Spitze 12 aufweist, die sich entlang einer Längsachse 'A' erstreckt. Die Injektorbaugruppe 10 weist ferner eine Düse 14 mit einem Körper 16 auf, der einen Einlass 18 (2A und 2B) definiert, einen Durchgang 20 sowie eine untere ringförmige Bodenwand 22 besitzt. Die Bodenwand 22 definiert eine Auslassöffnung 24 an einem Zentralbereich der Bodenwand 22. Die Injektorspitze 12, der Einlass 18, der Durchgang 20, die Bodenwand 22 und die Auslassöffnung 24 sind in Bezug aufeinander konzentrisch, und der Durchgang 20 ist derart angepasst, um ein zerstäubendes Fluid 26, wie Harnstoff oder Ammoniak (2B) zu liefern.
Bezug nehmend auf die 2A und 2B ist ein Umfang 27 des Durchgangs 20 zwischen der Injektorspitze 12 und einer Innenwand 28 des Körpers 16 definiert und mit einem zerstäubenden Fluid 26 gefüllt. Die Injektorspitze 12 ist derart angepasst, dass sie entlang der Achse 'A' in dem Durchgang 20 zwischen einer geschlossenen Position (2A) und einer offenen Position (2B) verstellt wird. In der geschlossenen Position behindert die Injektorspitze 12 die Auslassöffnung 24, um eine Fluidströmung hindurch zu verhindern. In der offenen Position erlaubt die Injektorspitze 12 eine Fluidströmung durch die Auslassöffnung 24. Somit wird das Fluid 26 aus der Düse 14 der Injektorbaugruppe 10 in einen Strom von Abgas (nicht gezeigt) gesprüht, wobei das Fluid 26 anschließend mit dem Abgas gemischt wird.
Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, ist ein Äußeres des Körpers 16 zylindrisch, so dass der Durchgang 20 einen konstanten Durchmesser entlang der Achse 'A' aufweist. Gleichermaßen ist die Injektorspitze 12 zylindrisch und weist einen konstanten Durchmesser im Durchgang 20 auf. Somit ist der Umfang 27 zwischen der Injektorspitze 12 und der Innenwand 28 konstant und stellt nur eine konstante Fläche für die Fluidströmung hindurch bereit.
Die 3A, 3B und 3C zeigen eine beispielhafte Injektorbaugruppe 100, die allgemein ein Gehäuse 102 und ein Ventil 104 aufweist. Bei der beispielhaften Ausführungsform wird das Ventil 104 in dem Gehäuse 102 entlang einer Längsachse 'B' verstellt, um selektiv ein Fluid (z. B. Harnstoff, Ammoniak, Kohlenwasserstoff, etc.) in einen Abgasstrom (nicht gezeigt) zur Mischung damit einzuspritzen. Wie gezeigt ist, verstellt sich das Ventil 104 von einer geschlossenen Position (3A) zu einer ersten offenen Position (3B) und einer zweiten offenen Position (3C), wie hier detaillierter beschrieben ist.
Das Gehäuse 102 weist allgemein eine Außenwand 106, eine Innenwand 108 und eine Bodenwand 110 auf. Die Innenwand 108 definiert einen Durchgang 112, der sich durch das Gehäuse 102 zwischen einem Gehäuseeinlassende 114 und einem Gehäuseauslassende 116 erstreckt, und eine Bodenwand 110 weist eine Auslassöffnung 118 auf, die hindurchgeformt ist. Das Gehäuseeinlassende 114 ist fluidtechnisch mit einem Reservoir (nicht gezeigt) gekoppelt, das derart konfiguriert ist, ein Fluid (z. B. Ammoniak, Harnstoff, Kohlenwasserstoff etc.) an den Durchgang 112 zu liefern. Die Innenwand 108 weist einen geradwandigen Abschnitt 120, der Wände 122 besitzt, und einen verjüngten Wandabschnitt 124, der verjüngte Wände 126 aufweist, auf. Wie gezeigt ist, sind die Wände 122 im Wesentlichen parallel, und die Wände 126 sind verjüngt oder zusammenlaufend, wenn sie sich von dem Gehäuseeinlassende 114 zu dem Gehäuseauslassende 116 erstrecken. Die verjüngten Wände 126 sind unter einem Winkel 'α' (3) in Bezug auf die Achse 'B' orientiert. Somit ist der Durchgang 112 in dem geradwandigen Abschnitt 120 im Wesentlichen zylindrisch und in dem verjüngten Wandabschnitt 124 im Wesentlichen kegelstumpfförmig.
Das Ventil 104 weist ein stromaufwärtiges Ende 128 und ein stromabwärtiges Ende 130 auf, das eine Stirnfläche 132 besitzt. Das stromabwärtige Ende 130 weist einen verjüngten Abschnitt 134 auf, der verjüngte Wände 136 besitzt, die unter einem Winkel 'β' in Bezug auf die Achse 'B' orientiert sind. Somit ist der verjüngte Abschnitt 134 des Ventils im Wesentlichen kegelstumpfförmig. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Winkel 'β' kleiner als der Winkel 'α', so dass ein Spalt 138 zwischen den verjüngten Wänden 126 des Gehäuses und den verjüngten Wänden 136 des Ventils definiert ist.
Im Betrieb sitzt in der geschlossenen Position (3A) das Ventil 104 in dem Gehäuse 102, so dass die Ventilstirnfläche 132 die Auslassöffnung 118 blockiert oder behindert. In der geschlossenen Position ist die Stirnfläche 132 im Wesentlichen koplanar mit der Gehäusebodenwand 110, um zu helfen, eine Fluidströmung durch den Durchgang 112 hindurch heraus aus dem Auslass 118 der Injektorbaugruppe und in das Abgas (nicht gezeigt) zu verhindern. Wie in 4A gezeigt ist, sitzt ein Umfang oder ein Außendurchmesser 140 der Ventilstirnfläche 132 an einem Umfang oder einem Innendurchmesser 142 der Gehäusebodenwand 110 (d. h. dem Außendurchmesser der Auslassöffnung 118).
Wenn sich die Injektorbaugruppe 100 von der geschlossenen Position (3A und 4A) zu der ersten offenen Position (3B und 4B) bewegt, wird das Ventil 104 entlang der Achse 'B' zu dem Gehäuseeinlassende 114 verstellt. In der ersten offenen Position ist der Außendurchmesser 140 der Stirnfläche des Ventils von verjüngten Wänden 126 beabstandet, so dass eine ringförmige Öffnung 144 dazwischen gebildet ist. Somit kann Fluid von dem Gehäuseeinlassende 114 durch den Spalt 138 und die Ringöffnung 144 und anschließend durch die Auslassdurchbrechung 118 zum Mischen mit dem Abgas strömen.
Wenn sich die Injektorbaugruppe 100 von der ersten offenen Position (3B und 4B) zu der zweiten offenen Position (3C und 4C) bewegt, wird das Ventil 104 entlang der Achse 'B' weiter zu dem Gehäuseeinlassende 114 verstellt. In der zweiten offenen Position ist der Außendurchmesser 138 der Ventilstirnfläche von verjüngten Wänden 126 beabstandet, so dass eine ringförmige Öffnung 144 dazwischen gebildet wird. Jedoch ist in der zweiten offenen Position die ringförmige Öffnung 144 im Vergleich zu ihrer Größe in der ersten offenen Position vergrößert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass verjüngte Wände 126, 136 unter den verschiedenen Winkeln 'α' und 'β' orientiert sind. Genauer laufen, da der Winkel 'α' größer als 'β' ist, die verjüngten Wände 126 des Gehäuses wie auch die verjüngten Wände 136 des Ventils auseinander, wenn sie sich von der Gehäusebodenwand 110 zu dem Gehäuseeinlassende 114 erstrecken. Somit steigt die Distanz zwischen dem Ventilaußendurchmesser 140 und den verjüngten Wänden 126 des Gehäuses, je weiter das Ventil 104 entlang der Achse 'B' von der Gehäusebodenwand 110 verstellt wird, was den Außendurchmesser der ringförmigen Öffnung 144 erhöht und somit die Fläche erhöht, durch die das Fluid strömen kann.
Aufgrund der Winkelorientierung der verjüngten Wände 126 des Gehäuses in Bezug auf die verjüngten Wände 136 des Ventils steigt der Außendurchmesser der ringförmigen Öffnung 144, wenn das Ventil 104 von der geschlossenen Position zu dem Gehäuseeinlassende 114 verstellt wird. Beispielsweise ist in der geschlossenen Position die ringförmige Öffnung 144 nicht vorhanden (siehe 4A). Wenn das Ventil 104 zu der ersten offenen Position verstellt wird, besitzt die ringförmige Öffnung 144 einen Außendurchmesser 'D1' (siehe 4B). Wenn das Ventil 104 weiter zu dem Einlassende 114 zu der zweiten offenen Position verstellt wird, steigt die Größe der ringförmigen Öffnung 144, so dass sie einen Außendurchmesser 'D2' besitzt.
Wie gezeigt ist, ist 'D2' größer als 'D1', so dass die Größe der ringförmigen Öffnung 144 in der zweiten offenen Position größer als die Größe der ringförmigen Öffnung 144 in der ersten offenen Position ist. Somit kann sich das Sprühmuster (z. B. Größenverteilung von Fluidtröpfchen) mit den verschiedenen Öffnungsflächen der ringförmigen Öffnung 144 ändern. Obwohl die Injektorbaugruppe 100 nur in der ersten und zweiten offenen Position gezeigt ist, kann das Ventil 104 in eine beliebige gewünschte Position von der geschlossenen Position zu dem Gehäuseeinlass 114 zu einer maximal offenen Position (nicht gezeigt) verstellt oder geöffnet werden. Demgemäß kann der Durchmesser der ringförmigen Öffnung 144 und somit der Volumenstrom von Fluid selektiv zur Injektion eines gewünschten Sprühmusters (Tröpfchengrößenverteilung) in das Abgas gesteuert oder variiert werden. Überdies können die Winkel 'α' und 'β' variiert werden, um eine gewünschte Größe der ringförmigen Öffnung 144 an einer gegebenen Stelle des Ventils 104 entlang der Achse 'B' bereitzustellen. Bei der beispielhaften Ausführungsform sind die Winkel 'α' und 'β' spitze Winkel. Alternativ dazu können die Winkel 'α' und 'β' schräg sein, was ein Einstellen der ringförmigen Öffnung 144 mit einer relativ kleineren Änderung in der Vertikalposition des Ventils 104 unterstützt.
Der Controller 150 kann einen Betrieb der Injektorbaugruppe 100 steuern. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der Controller 150 eine dedizierte Steuerung für die Injektorbaugruppe 100. Jedoch kann die Steuerung 150 eine beliebige geeignete Steuerung sein, die ermöglicht, dass die Injektorbaugruppe 100 funktioniert, wie hier beschrieben ist. Beispielsweise kann der Controller 150 ein Fahrzeugcontroller sein. Wie hier verwendet ist, betrifft der Begriff Controller eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Der Controller 150 ist derart programmiert, ein Ventil 104 entlang der Achse 'B' zu verstellen, um die Größe der ringförmigen Öffnung 144 zu variieren und das Fluid zu einer Injektorbaugruppe 100 bei einem gewünschten Druck zu liefern. Bei einer Ausführungsform ist der Controller 150 so programmiert, die offene Fläche 144 der Düse direkt proportional zu einem Druckbetrag des Fluides zu bemessen, den die Injektorbaugruppe 100 in das Abgas injiziert. Alternativ dazu kann der Controller 150 das Fluid an die Injektorbaugruppe 100 bei einem konstanten Druck liefern.
Da die offene Fläche 144 der Düse und der Injektionsdruck variabel sind, ist eine Eindringlänge des Sprühnebels des zerstäubten Fluides aus der Auslassöffnung 118 variabel. Zusätzlich sind der Injektionsdruck und die offene Fläche 144 der Düse variabel, um verschieden bemessene Tröpfchen des Fluides in das Abgas bereitzustellen. Beispielsweise kann der Controller 150 eine Harnstoffdosierung basierend auf einem Durchfluss des Abgases steuern. Bei einer geringen Abgasströmung kann sich Fluid gleichförmiger Mit dem Abgas mischen, wenn die Fluidtröpfchengröße relativ klein ist. Somit kann der Controller 150 programmiert sein, die Größe der offenen Fläche 144 der Düse und den Injektionsdruck zu reduzieren, um die Sprüheindringungsdistanz zu reduzieren, was die SCR-Effizienz in der geringen Abgasströmung verbessert. Umgekehrt kann bei einer hohen Abgasströmung Fluid sich gleichförmiger mit dem Abgas mischen, wenn die Fluidtröpfchengröße relativ groß ist. Somit kann der Controller 150 programmiert sein, die Größe der offenen Fläche 144 der Düse zu erhöhen, was die Sprüheindringdistanz erhöht, was die SCR-Effizienz in der hohen Abgasströmung verbessert.
5 zeigt eine alternative Injektionsbaugruppe 160, die ähnlich der Injektionsbaugruppe 10, die in den 3A bis 3C gezeigt ist, ist, mit der Ausnahme, dass das Gehäuse 102 einen zweiten geradwandigen Abschnitt 162 aufweist und das Ventil 104 stromabwärtige Wände 164 aufweist. Der geradwandige Abschnitt 162 weist Wände 166 stromabwärts des verjüngten Wandabschnitts 124 und nahe der Auslassöffnung 118 auf, und stromabwärtige Wände 164 sind stromabwärts der verjüngten Wände 136 und nahe der Ventilstirnfläche 132 orientiert. Bei der beispielhaften Ausführungsform sind die stromabwärtigen Wände 164 und Wände 166 im Wesentlichen parallel zu der Achse 'B'. Jedoch können die Wände 164, 166 unter einem beliebigen geeigneten Winkel orientiert sein, der ermöglicht, dass die Injektionsbaugruppe 160 funktioniert, wie hier beschrieben ist.
6 zeigt ein Harnstoffdosiersteuerverfahren 200 zum Verbessern der Harnstoff-Abgas-Mischung. Der Betrieb der Injektorbaugruppe 100 (betreffend die offene Fläche 144 der Düse wie auch den Fluidinjektionsdruck) kann basierend auf dem Abgasdurchfluss variiert werden, und das beispielhafte Verfahren kompensiert einen Einfluss einer derartigen Rate auf den Sprühnebel, um eine gleichförmigere Verteilung des Harnstoffsprühnebels in einem größeren Bereich der Rate zu ermöglichen. Somit steuert das Verfahren den Betrieb der Injektorbaugruppe 100 basierend auf einem Motorbetriebszustand.
Das Verfahren 200 weist bei Schritt 202 ein Bestimmen des Abgasdurchflusses auf. Bei der gezeigten Ausführungsform wird der Durchfluss durch einen beliebigen geeigneten Sensor bestimmt, wie eine elektronische Steuereinheit (ECU) oder einen Massenstromsensor (nicht gezeigt). Bei Schritt 204 bestimmt der Controller 150 basierend auf dem gemessenen Durchfluss, ob der gemessene Massendurchfluss des Abgases ein geringer gemessener Durchfluss oder ein hoher gemessener Durchfluss ist.
Wenn der Controller 150 bestimmt, dass der gemessene Durchfluss ein niedriger Abgasdurchfluss ist, stellt bei Schritt 206 der Controller 150 die Injektorbaugruppe 100 so ein, dass sie eine relativ kleinere offene Fläche 144 der Düse besitzt. Beispielsweise kann der Controller 150 das Ventil 104 in der ersten offenen Position (3B) positionieren. Wenn jedoch der Controller 150 bestimmt, dass der gemessene Durchfluss ein hoher Abgasdurchfluss ist, stellt bei Schritt 208 der Controller 150 die Injektorbaugruppe 100 so ein, damit sie eine relativ größere offene Fläche 144 der Düse besitzt. Beispielsweise kann der Controller 150 das Ventil 104 in der zweiten offenen Position (3C) positionieren.
Somit stellt bei Schritt 206 und/oder Schritt 208 der Controller 150 die Injektorbaugruppe 100 ein, um die Fluidtröpfchengröße als eine Funktion von zumindest dem Injektionsdruck und/oder der offenen Fläche 144 der Düse zu variieren. Alternativ oder zusätzlich können bei Schritt 210 die gewünschte offene Fläche der Düse und der Injektionsdruck durch Verwendung einer Kalibrierungstabelle berechnet werden.
Es ist hier eine Injektorbaugruppe und ein Verfahren zum Variieren einer Fluidinjektion in einen Abgasstrom beschrieben. Die Injektorbaugruppe weist Gehäuseinnenwände und Ventilwände auf, die unter verschiedenen Winkeln orientiert sind, so dass die Innenwände und die Ventilwände auseinanderlaufen. Die Position des Ventils kann variiert werden, um die Größe einer ringförmigen Öffnung, die zwischen den Ventil- und Gehäuseinnenwänden gebildet ist, zu variieren. Somit kann der Betrag an Fluidströmung durch eine Auslassöffnung variiert werden. Zusätzlich kann der Fluidinjektionsdruck variiert werden. Somit kann die Fluidtröpfchengröße und die Sprühnebeleindringung in das Abgas abhängig von Bedingungen in dem Abgasnachbehandlungssystem variiert werden. Das System kompensiert somit den Einfluss des Abgasdurchflusses auf die Harnstoffsprühnebelverteilung und erlaubt eine gleichförmigere Sprühverteilung in einem größeren Abgasdurchflussbereich. Dies resultiert in einer reduzierten Auspuff-NO_x-Emission mit verbesserter Harnstoffmischung bei variierenden Abgasströmungsbedingungen.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann zu verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente davon ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang davon abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen, die offenbart sind, beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der Anmeldung fallen.

Claims

Injektorbaugruppe zum Injizieren eines Fluids in ein Abgasnachbehandlungssystem, wobei die Injektorbaugruppe umfasst: ein Gehäuse, das eine Auslassöffnung und eine Innenwand besitzt, die einen Durchgang definiert, wobei der Durchgang fluidtechnisch mit der Auslassöffnung gekoppelt und derart konfiguriert ist, das Fluid an die Auslassöffnung zu liefern; und ein Ventil, das eine Längsachse aufweist, wobei das Ventil in dem Durchgang orientiert und derart konfiguriert ist, dass es entlang der Längsachse zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position verstellbar ist, wobei ein stromabwärtiges Ende des Ventils eine verjüngte Wand aufweist, die unter einem ersten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert ist, und die Gehäuseinnenwand unter einem zweiten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der zweite Winkel größer als der erste Winkel ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Winkel spitze Winkel sind.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Ventil ferner eine Stirnfläche aufweist, und das Gehäuse ferner eine Bodenwand aufweist, und wobei in der ersten Position das Ventil so orientiert ist, dass die Stirnfläche in der Auslassöffnung positioniert ist und die Ventilstirnfläche im Wesentlichen koplanar zu der Gehäusebodenfläche liegt.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 4, wobei in der zweiten Position das Ventil so orientiert ist, dass eine ringförmige Öffnung zwischen dem stromabwärtigen Ende des Ventils und der Gehäuseinnenwand definiert ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 5, wobei das Ventil so konfiguriert ist, dass es zu einer dritten Position zwischen der ersten Position und der zweiten Position verstellbar ist, und wobei in der dritten Position das Ventil so orientiert ist, dass eine zweite ringförmige Öffnung zwischen dem stromabwärtigen Ende des Ventils und der Gehäuseinnenwand definiert ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 6, wobei die zweite ringförmige Öffnung kleiner als die ringförmige Öffnung in der zweiten Position ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Fluid zumindest eines von Ammoniak, Harnstoff und Kohlenwasserstoff ist.
Injektorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Fluid Harnstoff ist und ferner mit einem Harnstoffreservoir, das fluidtechnisch mit dem Durchgang gekoppelt ist, um Harnstoff daran zu liefern.
Verfahren zum Dosieren eines Fluides in ein Abgasnachbehandlungssystem, das derart konfiguriert ist, Abgas von einem Verbrennungsmotor aufzunehmen, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Injektorbaugruppe bereitgestellt wird, die ein Gehäuse und ein Ventil aufweist, das entlang einer Längsachse in dem Gehäuse verstellbar ist, wobei das Ventil eine verjüngte Wand aufweist, die unter einem ersten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert ist, und das Gehäuse eine Auslassöffnung und eine Innenwand, die einen Durchgang definiert, besitzt, wobei der Durchgang fluidtechnisch mit der Auslassöffnung gekoppelt ist und die Innenwand unter einem zweiten Winkel in Bezug auf die Längsachse orientiert ist; ein Controller in Signalkommunikation mit der Injektorbaugruppe bereitgestellt wird, wobei der Controller derart programmiert ist, das Ventil zwischen einer geschlossenen Position, einer ersten offenen Position und einer zweiten offenen Position zu verstellen; und das Fluid durch die Auslassdurchbrechung und in das Abgas selektiv injiziert wird.