SE536126C2 - Insprutningssystem för reduktionsmedel till ett avgasflöde från en förbränningsmotor - Google Patents

Abstract

ll Sammanfattning Insprutningssystem (2) for en forbrånningsmotor, dår systemet år anpassat att spruta in ettreduktionsmedel (4) i ett avgasflöde från forbrånningsmotom. Systemet (2) omfattar enbehållare (6) for reduktionsmedlet (4), en pump (8) avsedd att pumpa reduktionsmedlet (4)till en atomiseringsenhet (12), som år anpassad att generera ett luftflöde (14) innehållandedroppar av reduktionsmedlet (4). Systemet omfattar dessutom en sorterings- ochfiltreringsenhet (16) anpassad att sortera droppama i luftflödet och filtrera bort dropparsom har en storlek överstigande en instållbar, forutbeståmd första droppstorleksgråns.Luftflödet (18) med de inte bortfiltrerade droppama tillfors avgasflödet och debortfiltrerade droppama (22) återförs till behållaren via ett återforingsrör (24). (Pig. 1)

Description

535 'IZB 2 För att åstadkomma den beskrivna NOX -reduktionen måste NH; lagras i SCR- katalysatom. För att SCR-katalysatom skall arbeta effektivt måste lagringsnivån ligga på en adekvat nivå. Mera i detalj är NOX -reduktionen, eller omvandlingseffektiviteten, beroende av lagringsnivån. För att bibehålla en hög omvandlingseffektivitet under olika drifttillstånd måste NH3-lagret bibehållas. Emellertid, i takt med att temperaturen för SCR- katalysatom ökar, måste NH3-nivån minskas för att undvika NHg-utsläpp (dvs. att överskott av NH; släpps ut från SCR-katalysatom), vilket kan minska omvandlingseffektiviteten för katalysatom.

Sammanfattningsvis, för att möta striktare miljökrav använder allt fler fordonstillverkare SCR katalysstorsystem för att rena dieselavgaser från kväveoxider (NOX). Detta görs genom att spruta in ammoniaklösning i en SCR katalysator som hjälper till att omvandla NOX -partiklar till kvävgas och vatten. Avgasreningsstrategin bör ta hänsyn till att tillräckligt mycket NOX omvandlas samtidigt som man inte vill spruta in för mycket ammoniak, av hänsyn både till körekonomin och miljön.

Temperaturen för avgasflödet skall normalt ligga inom intervallet 400-500 °C för att reduktionsmedlet skall förångas och för att den efterföljande katalysatom skall fungera optimalt.

Man har noterat att vid insprutning av ett reduktionsmedel vid låga avgasflöden och låga temperaturer hinner inte medlet, t.ex. urea, att förångas utan fastnar på förångriingsväggen och börjar vâxa till ureasten. Om denna tillväxt tillåts fortsätta kommer funktionen att försämras efiersom avgasema inte kommer fram.

En orsak till detta är att det insprutade reduktionsmedlet har olika stora droppar. Om ureadroppama är för stora leder detta till klumpbildning och att exempelvis ureasten bildas i anslutning till förångningsdelen, vilket kan orsaka driftsstömingari värsta fall drifisstopp.

Den önskade storleken på dropparna är beroende på vilken temperatur avgasflödet har. I samband med att motom är kall, och temperaturen för avgaserna är lägre, behöver 538 '125 3 droppama vara förhållandevis mindre än då avgastemperaturen är högre. Dropparnas storlek ligger normalt i intervallet 10-200 pm, och det är önskvärt att de är 20 pm eller mindre och företrädesvis ca 10 pm.

Avgasströmmens hastighet kan vara upp till 100 m/s, och droppama tillsätts med en hastighet på ca 1-20 m/s och sprutas in med ett tryck på ungefär 10 bar. Om droppama är för små är det svårt att skjuta in dem i avgasströmmen.

Droppamas storlek är således viktig, och även att de är relativt lika stora, för att åstadkomma en jämn fördelning av ammoniakmolnet som bildas i avgasströmmen och som skall träffa katalysatom.

Det skulle vara möjligt att åstadkomma en bättre kontroll av droppstorleken så att enbart små droppar genereras men detta kräver ett dyrt insprutningssystem, och som dessutom kräver hög mekanisk effekt.

Syfiet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett förbättrat insprutningssystem för reduktionsmedel med en förbättrad kontroll på droppstorleken och som enbart genererar små droppar utan att använda ett kostsamt och energikrävande insprutningssystem.

Sammanfattning av uppfinningen Ovan nämnda syfien uppnås med uppfinningen definierad av det oberoende patentkravet.

Föredragna utföringsfonner definieras av de beroende patentkraven.

Föreliggande uppfinning bygger på uppfinnarnas insikt att lösa problemet genom att storleksortera och filtrera droppama så att de små droppama användes och de stora retumeras till behållaren. 535 'IZB 4 För att åstadkomma sorteringen och flltreringen utnyttjas, enligt olika utfóringsforrner, den så kallade tröghetseffekten (eng. inertial impactíon), elektrostatisk storlekssortering, eller centrifugering.

Med användning av insprutningssystemet enligt föreliggande uppfinning kan befintliga atomiseringsenheter utnyttjas som kompletteras med en sorterings- och filtreringsenhet.

Därigenom åstadkommes ett system som är relativt enkelt och därför billigt att implementera.

Ytterligare särdrag och fördelar framgår av bifogade beskrivning exemplifierande ett antal olika utföringsforrner av uppfinningen.

Kort ritningsbeskrivning Fig. l visar ett schematiskt blockscherna som illustrerar uppfinningen.

Fig. 2 visar ett schematiskt längdsnitt av en sorterings- och filtreringsenhet enligt en första utföringsform av uppfinningen.

Fig. 3 visar ett schematiskt tvärsnitt av sorterings- och filtreringsenheten visad i figur 2.

Fig. 4 visar ett schematiskt längdsnitt av en sorterings- och filtreringsenhet enligt en andra utfóringsforrn av uppfinningen.

Detalierad beskrivning av föredragna utföringsforrner av uppfinningen I de bifogade figurerna visas samma eller likartade delar med samma hänvisningssiffror.

Med hänvisning först till figur l visas ett blockschema som illustrerar uppfinningen.

Uppfinningen avser således ett insprutningssystem 2 fór en fórbränningsmotor exempelvis for ett fordon, där systemet är anpassat att spruta in ett reduktionsmedel 4, exempelvis urea, i ett avgasflöde från förbränningsmotom. Fordonet är till exempel en lastbil, en buss, eller en personbil. Insprutningssystemet kan emellertid lika väl användas i samband med användningen av en förbränningsmotor i andra sammanhang, exempelvis ett fartyg eller för förbränningsmotorer använda inom industrin. 535 125 Insprutningssystemet 2 omfattar en behållare 6 avsedd att innehålla reduktionsmedlet 4, en pump 8 avsedd att pumpa reduktionsmedlet 4 via ett tillflödesrör 10 till en atomiseringsenhet 12, som är anpassad att generera ett första lufiflöde 14 innehållande droppar av reduktionsmedlet 4 och avge det forsta lufiflödet 14 via ett utflödessrör 15.

Atomiseringsenheten 12 kan exempelvis omfatta en liten öppning i ett munstycke som reduktionsmedlet passerar igenom och därigenom åstadkommes det första lufiflödet 14 med dropparna. Lufiflödet med reduktionsmedlet skall ha ett tryck på ca 10 bar när det sprutas in i avgasflödet. Atomiseringsenheten 12 kan arbeta enligt olika tekniker, t.ex. som en spray eller som en nebulisator, som exempelvis kan realiseras som en trycklufisnebulisator där luft pressas genom ett litet hål och drar med sig vätskan genom hålet.

Systemet omfattar dessutom en sorterings- och filtreringsenhet 16 anpassad att sortera droppama i det första lufiflödet 14 som mottagits via utflödesröret 15 och filtrera bort droppar som har en storlek överstigande en inställbar, förutbestämd första droppstorleksgräns. Den förutbestämda första droppstorleksgränsen ligger exempelvis inom intervallet 15-25 pm, företrädesvis 20 um. Naturligtvis kan denna droppstorleksgräns sättas till ett betydligt högre värde, exempelvis 100 um eller lägre, i vissa driftsfall.

Ett andra lufiflöde 18 med de inte bortfiltrerade droppama är anpassat att tillföras avgasflödet via ett insprutningsrör 20 och de bortfiltrerade droppama 22 återförs till behållaren via ett återföringsrör 24.

I figuren har tillflödesröret 10, insprutningsröret 20 och återföringsröret 24 endast indikerats med pilar. Rören realiseras exempelvis med flexibla gummislangar eller metallrör.

Enligt en utföringsfonn omfattar insprutningssystemet en reglerenhet 26 anpassad att generera en storleksstyrsignal 28 anpassad att påföras storleks- och filtreringsenheten 16, för inställning av den förutbestämda första droppstorleksgränsen. I figur 1 har 536 'lZG 6 reglerenheten och de signaler som genereras av denna streckmarkerats för att indikera att reglerenheten ingår i en utfóringsforrn av systemet. Det är således möjligt att kontinuerligt variera droppstorleksgränsen, exempelvis beroende på temperaturen på avgasema i avgasflödet, vilket kan vara fördelaktigt eftersom det då är möjligt att optimera effekten av det tillfórda reduktionsmedlet.

Enligt en annan utfóríngsforrn är reglerenheten 26 anpassad att generera en pumpstyrsignal 30 anpassad att påföras nämnda pump 8 för inställning av pumpens arbetsnivâ, till exempel trycket fór reduktionsmedlet.

Reglerenheten 26 kan även vara anpassad att generera både en storleksstyrsignal 28 anpassad att påföras storleks- och filtreringsenheten 16, fór inställning av den förutbestämda första droppstorleksgränsen och en pumpstyrsignal 30 anpassad att påfóras nämnda pump 8 fór inställning av pumpens arbetsnivå.

Reglerenheten 26 baserar sin reglering på information mottaget från andra sensorer på fordonets, exempelvis temperatursensorer i avgasflödet, och på information från fordonets centrala reglersystem. lnsprutningssysternet omfattar en sorterings- och filtreringsenhet 16 fór att sortera och ñltrera droppama avseende droppstorlek. Soneringen och filtreringen kan ske i två olika steg eller väsentligen samtidigt. För att åstadkomma en storlekssortering av droppar av den aktuella storleken dvs. i storleksordningen mindre än 100 um kan olika tekniker användas.

Exempelvis kan man utnyttja det faktum att droppar av olika storlekar har olika massor vilket gör att den så kallade tröghetseffekten (eng. inertial impaction) kan användas. En annan sorteringsmetod bygger på att elektriskt ladda droppama och utnyttja den olika laddning som olika stora droppar får. Dessa två metoder kommer nu kortfattat att beskrivas med hänvisning till figurerna 2-4. Det finns ytterligare sorteringsmetoder, exempelvis så kallade centrifugeringsmetoder, som inte kommer att beskrivas närmare här. 538 'l2E 7 Enligt en första utföringsform är sorterings- och filtreringsenheten l6 utformad så att den sorterar och filtrerar droppama med användning av tröghetseffekten. l figur 2 visas ett vertikalt tvärsnitt av en schematisk bild av sorterings- och filtreringsenhet 16 som utnyttjar tröghetseffekten. l figur 3 visas ett horisontellt tvärsnitt vid nivån A-A (se figur 2) av enheten 16.

Principen utnyttjar det faktum att större partiklar (droppar) har större masströghet än mindre vilket gör att de större partiklarna fortsätter att röra sig i stort sett rätlinjigt fastän luftströmmen och de små partiklarna böjer av för att komma runt. När partikeln kolliderar med en vägg fastnar den och "filtreras" därmed bort från lufiströmmen.

Enheten 16 omfattar en cirkulärcylindrisk kammare med en vertikalt placerad yttervägg, med ett inlopp genom ytterväggen där det första luñflödet 14 med droppama tillförs via ovan nämnda utflödesrör 15, placerat så att det första luflflödet 14 tillförs i en horisontell riktning väsentligen i tangentens riktning för ytterväggen. lnsprutningsröret 20 är vertikalt anordnat längs en centrumaxel för kammaren, med en nedre mynning anordnad i en nedre del av kammaren. Återföringsröret 24 är anordnat i den nedre delen av kammaren med en mynning i ytterväggen eller i en nedre begränsningsvägg.

I figur 3 illustreras det hur droppar med en storlek som överstiger nämnda droppstorleksgräns kommer, på grund av tröghetseffekten och hastigheten för luftströmmen, att kollidera med ytterväggens insida och då rinna ner längs insidan och samlas upp i kammarens botten och ledas bort via återfóringsröret 24. Detta luftflöde har betecknats med 32. Ett luftflöde 34 med de inte bortfiltrerade droppama med mindre storlek kommer att föras ut ur kammaren via insprutningsröret 20 och vidare till avgasflödet.

Enligt en andra utföringsform av insprutningssystemet sorterar och filtrerar sorterings- och filtreringsenheten 16 droppama med användning av clektrostatisk sortering och filtrering. 535 125 8 Denna uttöringsforrn illustreras schematiskt i figur 4 som visar ett längsgående snitt av enheten 16. Det första luftflödet 14 som innehåller droppar av olika storlekar passerar förbi en elektriskt uppladdad elektrod 36 som i figuren har en minusladdning. När droppama passerar förbi den negativa laddningen överförs en negativ laddning till droppama som är större ju större droppen är.

De negativt laddade droppama passerar sedan förbi positivt laddade elektroder 38, som exempelvis är anordnade på insidan av röret och har en långsträckt utsträckning. När dropparna passerar den eller de positivt laddade elektrodema 38 attraheras droppama mer ju större laddning de har, dvs. de större droppama attraheras i högre grad än de mindre droppama som har en relativt mindre laddning. Genom att ändra storleken på den positiva laddningen som elektroderna har kan man därigenom ställa in ett storleksgränsvärde för de droppar som tillåts passera förbi. De droppar som överstiger denna storlek dras in mot elektroden och vätskan samlas upp och leds tillbaka till behållaren 6 (se figur 1) via återföringsröret 24 (se figur 1).

Enligt ytterligare en utföringsforrn uppvisar sorterings- och filtreringsenheten 16 en inställbar, förutbestämd andra droppstorleksgräns, och att enheten 16 är anpassad att filtrera bort droppar som understiger nämnda andra droppstorleksgräns och återföra de bortfiltrerade droppama till behållaren 6 via nämnda återföringsrör 24. Den andra droppstorleksgränsen är lägre än den första droppstorleksgränsen och ligger företrädesvis i intervallet 1-5 um. Syftet med att återcirkulera reduktionsmedel som har en droppstorlek mindre än denna gräns är främst för att minska förbrukningen av reduktionsmedel eftersom de allra minsta droppama har för liten massa för att kunna skjutas in i avgasflödet utan ”studsar” tillbaka.

Uppfinningen omfattar även en törbränningsmotor som innefattar ett avgassystem där det ingår ett insprutningssystern 2 enligt någon av utföringsfonnema som beskrivits ovan.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till ovan beskrivna föredragna uttöringsforrner.

Olika altemativ, modifieringar och ekvivalenter kan användas.

Claims (12)

10 15 20 25 30 538 '125 Patentkrav

1. l. Insprutningssystem (2) för en fórbränningsmotor, där systemet är anpassat att spruta in ett reduktionsmedel (4) i ett avgasflöde från fórbränningsmotom, systemet (2) omfattar en behållare (6) avsedd att innehålla reduktionsmedlet (4), en pump (8) avsedd att pumpa reduktionsmedlet (4) till en atomiseringsenhet (12), som är anpassad att generera ett första luftflöde (14, 32) innehållande droppar av reduktionsmedlet (4), i kännetecknad av att systemet dessutom omfattar en sorterings- och filtreringserihet (16) anpassad att sortera droppama i det första luñflödet (14, 32) från atomiseringsenheten (12) och filtrera bort droppar som har en storlek överstigande en inställbar, förutbestämd första droppstorleksgräns, varvid sorterings- och filterenheten (16) är anordnad att avge ett andra lufiflöde (18, 34) med de inte bortfiltrerade droppama till avgasflödet via ett insprutningsrör (20) och är anordnad att återföra de bortfiltrerade droppama (22) till behållaren (6) via ett återföringsrör (24).

2. Insprutningssystem enligt krav l, varvid nämnda förutbestämda första droppstorleksgräns liggeri intervallet 15-25 pm.

3. Insprutningssystem enligt krav 2, varvid nämnda förutbestämda första droppstorleksgräns är 20 pm.

4. lnsprutningssystern enligt något av kraven 1-3, varvid systemet omfattar en reglerenhet (26) anpassad att generera en storleksstyrsigrral (28) anpassad att påföras storleks- och filtreringsenheten (16), fór inställning av den förutbestämda första droppstorleksgränsen.

5. Insprutningssystem enligt något av kraven 1-3, varvid systemet omfattar en reglerenhet (26) anpassad att generera en pumpstyrsignal (30) anpassad att påföras nämnda pump (8) för inställning av pumpens arbetsnivå.

6. Insprutningssystem enligt något av kraven 1-3, varvid systemet omfattar en reglerenhet (26) anpassad att generera en storleksstyrsignal (28) anpassad att påtöras 10 l5 20 25 538 125 10 storleks- och filtreringsenheten (16), för inställning av den förutbestämda första droppstorleksgränsen och att reglerenheten (26) också är anpassad att generera en pumpstyrsignal_ (30) anpassad att påtöras nämnda pump (8) för inställning av pumpens arbetsnivå.

7. Insprutningssystem enligt något av kraven 1-6, varvid nämnda sorterings- och filtreringsenhet (16) sorterar och filtrerar droppama med användning av tröghetseffekten.

8. Insprutningssystem enligt något av kraven l-6, varvid nämnda sorterings- och filtreringserthet (16) sorterar och filtrerar droppama med användning av elektrostatisk sortering och filtrering.

9. Insprutningssystem enligt något av föregående krav, varvid reduktionsmedlet är en urealösning.

10. Insprutningssystem enligt krav 1, varvid nämnda sorterings- och filtreiingsenhet (16) uppvisar en inställbar, förutbestämd andra droppstorleksgräns som är lägre än nämnda första droppstorleksgräns, och att enheten ( 16) är anpassad att filtrera bort droppar som understiger nänmda andra droppstorleksgräns och återföra de bortfiltrerade droppama till behållaren (6) via ett äterföringsrör (24).

11. l l. Insprutningssystem enligt krav 10, varvid nämnda andra droppstorleksgräns liggeri intervallet l-5 pm.

12. Förbränningsmotor innefattande ett avgassystem där det ingår ett insprutningssystem (2) enligt något av kraven l-l 1.