向内燃机排气管内输入还原剂的设备.pdf

本发明涉及一种向内燃机排气管(4)内输入还原剂的设备(2)，包括一个用于将还原剂从储罐(6)输送到排气管(4)内的输送泵(8)。按本发明将一个计量器(16)设在输送泵(8)与排气管(4)之间，该计量器(16)将由输送泵(8)连续输送的还原剂间歇式输入排气管(4)内。

1.  一种向内燃机排气管内输入还原剂的设备，包括一个用于将还原剂从储罐输送到排气管内的输送泵，其特征在于具有一个设在输送泵(8)与排气管(4)之间的计量器(16)，它将由输送泵(8)连续输送的还原剂间歇式输入排气管(4)内。

2.  按照权利要求1所述的设备，其特征在于具有一个设在所述计量器(16)与排气管(4)之间用于将还原剂喷入排气管(4)的喷嘴(14)，它由供给该喷嘴(14)的还原剂的压力控制。

3.  按照权利要求1或2所述的设备，其特征为，所述计量器(16)将输送泵(8)的压力侧按选择与输送泵(8)的吸入侧连接或与该吸入侧分离。

4.  按照权利要求1至3之一所述的设备，其特征为，所述计量器(16)沿压力管(12)设在输送泵(8)与喷嘴(14)之间以及沿吸入管(10)设在输送泵(8)与储罐(6)之间；以及，所述计量器(16)将压力管(12)与吸入管(10)按选择互相连接或彼此分离。

5.  按照权利要求4所述的设备，其特征为，所述计量器(16)包括一个连接压力管(12)与吸入管(10)的回流通道(22)以及一个用于关闭或打开该回流通道(22)的可控阀(24)。

6.  按照权利要求5所述的设备，其特征为，所述阀是电磁阀(24)以及有一个受弹簧(36)力加载的阀件(34)，它在电磁阀(24)无电流状态时关闭回流通道(22)。

7.  按照权利要求6所述的设备，其特征在于具有一个可弹性变形的膜(48)，它密封围绕所述阀件(34)地封闭一个在电磁阀(24)与回流通道(22)之间被该阀件(34)穿过的孔(46)。

8.  按照权利要求7所述的设备，其特征为，所述膜(48)是环形的，其中，它沿其内圆周液体密封地与所述阀件(34)连接，以及沿其外圆周液体密封地与所述孔(46)的界壁连接。

9.  按照权利要求1至8之一所述的设备，其特征为，所述压力管(12)和吸入管(10)在所述计量器(16)内部至少部分被可弹性变形的压缩体(52)围绕。

10.  按照权利要求1至9之一所述的设备，其特征为，所述计量器(16)是一个与输送泵(8)分开的构件。

11.  按照权利要求2至10之一所述的设备，其特征为，所述喷嘴(14)包括至少一个可弹性变形的压缩体，它在喷嘴(14)内部至少部分围绕一个用于将还原剂输入排气管(4)内的管道。

向内燃机排气管内输入还原剂的设备
技术领域
本发明涉及一种向内燃机排气管内输入还原剂，尤其是尿素-水混合物的设备。
背景技术
在选择性催化还原或SCR(Selective Catalytic Reduction)时，为了减少柴油机废气内的氮氧化物含量，大多往排气管内输入一种通常也称为AdBlue的尿素-水溶液。喷入的溶液中的尿素在排气管内转换成氨(NH₃)，它使包含在废气中的氮氧化物(NO_x)在连接在下游的SCR催化器中还原，生成分子氮(N₂)和水(H₂O)。因为以此方式可以从废气中几乎完全去除氮氧化物(NO_x)，所以允许柴油机用一种比较贫的混合物运行，从而又可以使发动机节省燃料地运行。但同样可以设想使用其他还原剂。
在已知的上述类型的设备中，借助这些设备在排气管线内作为还原剂输入尿素-水混合物，所述的输入或者借助无计量功能的输送泵进行，或者借助计量泵进行。其中，与计量泵相比，首先提到的无计量功能的输送泵的优点在于，它们不仅耐尿素-水混合物中的尿素或游离氨的化学作用，而且在尿素-水混合物冰冻的情况下仍能无损伤地经受住由于其体积膨胀造成的冰压力，这一点在后面提到的那种计量泵中不能保证。
发明内容
由此，本发明的目的在于改进前言所述类型的设备，使之不仅耐还原剂或其成分以及对于含水的还原剂耐冰压力，而且还允许计量。
按本发明为达到此目的建议，在输送泵与排气管之间设一个附加的计量器，它将由输送泵连续输送的还原剂间歇式输入排气管内，并因而承担计量功能。首先，这一方案允许使用已证实可靠的传统的没有计量功能的输送泵，它不仅可以廉价地买到，而且还耐还原剂，如尿素-水混合物和耐冰压力。此外，这种输送泵还可以在内燃机整个运行寿命期间工作，由此可以免去泵的控制，这不仅导致节省费用，而且基于这种输送泵坚固耐用的结构还保证低的故障率。除此之外，这种输送泵必要时也可以直接由内燃机驱动。
为了保证在废气内尽可能均匀地分布还原剂，还原剂优选地借助喷嘴喷入排气管内。为避免提出附加控制喷嘴的要求，喷嘴恰当地由喷嘴前的还原剂压力控制，在这种情况下当所述压力超过规定的开启压力时打开喷嘴，而当该压力降低到小于开启压力时将其关闭。计量器用于控制喷嘴前的还原剂压力，为此按照本发明一种优选的设计，当不应将还原剂供入排气管内时，计量器将泵的压力侧与泵的吸入侧连接，以及，当为了将还原剂供入排气管内应当升高喷嘴前的压力时，计量器将泵的压力侧与吸入侧分隔开。
在泵的压力侧与泵的吸入侧连接或连通时，泵的吸入侧循环输送还原剂。这意味着，在喷嘴前不能建立起足够的超过喷嘴开启压力的压力，并由此使喷嘴保持关闭。若反之，泵的压力侧与吸入侧分离或隔断，则通过泵的连续输送自动地在喷嘴前建立起超过喷嘴开启压力的压力，从而将喷嘴打开并保证将还原剂输入排气管内。
计量器优选地沿连接泵与喷嘴的压力管以及沿连接泵与储罐的吸入管设置，以及，计量器包括一个连接压力管与吸入管的回流通道，它可以借助一个可控阀按需要打开或关闭。
所述阀有利地设计为电磁阀以及有一个阀件，该阀件被弹簧力压靠在处于回流通道内的阀座上，以关闭回流通道。通过给电磁阀供电将阀件从阀座抬起，以打开回流通道。
因为电磁阀的至少有些构件，如线圈和线圈供电装置，并不耐常用的还原剂，如尿素-水混合物或由其释出的氨，所以这些构件不应与还原剂(如尿素-水混合物)或其成分或分解产物(如氨)接触，以避免腐蚀和由此引起运行故障。出于这一原因，优选地一个在电磁阀的线圈腔与回流通道之间被阀件穿过的孔，被一个可弹性变形的膜密封围绕在阀件周围地密闭。
为了使计量器能耐冰压力，从而使之不会由于计量器内冰冻的还原剂如尿素-水混合物的体积膨胀损坏，压力管和/或吸入管在计量器内部至少部分被可弹性变形的压缩体围绕，所述压缩体在由于冰冻引起还原剂体积膨胀时被压缩，并以此方式保证显著降低冰冻压力。
附图说明
下面借助附图表示的实施例详细说明本发明。附图中：
图1示意表示一种按本发明的设备，用于在内燃机排气管内输入形式上为尿素-水混合物的还原剂；
图2放大和部分剖切地表示图1所示本发明设备的局部II。
具体实施方式
在图1中作为整体表示的设备2，用于向沿箭头A的方向流过柴油机(未表示)废气的排气管4内输入还原剂。输入的还原剂优选地是一种尿素-水混合物(AdBlue)，但也可以使用其他还原剂，尤其是液态还原剂。此设备2主要的组成部分包括一个还原剂储罐6，一个传统的用于连续输送液态还原剂如尿素-水混合物的输送泵8，该输送泵8的吸入侧通过吸入管10与储罐6连接，以及它的压力侧通过压力管12与安装在排气管4上的喷嘴14连接，以及包括一个计量器16，用于间歇式计量由输送泵8输送的通过喷嘴14进入排气管4内的还原剂。
为改善与废气的混合将还原剂按照如图1中用箭头B示意地表示的喷雾锥角喷入排气管4内的喷嘴14是一种压力控制式喷嘴，当在喷嘴14前压力管12内的压力超过一个预调的喷嘴14开启压力时，喷嘴被打开。但只要在喷嘴14前压力管12内的压力低于喷嘴14的开启压力，喷嘴便保持关闭。
由图2可以最清楚地看出，不仅从输送泵8通向喷嘴14的压力管12，而且从储罐6通向输送泵8的吸入管10，均通过计量器16延伸，其中，设在计量器16内部的压力管12和吸入管10的管段18、20，相宜地互相平行地定向。这些管段18、20在计量器16内部可通过一个回流通道22连通，该回流通道可借助计量器16的一个电磁阀24按选择打开或关闭。
磁阀24包括一个外壳26、一个装在该外壳26的线圈腔28内可由供电装置(未表示)供电的线圈30、一个被线圈30围绕并可沿线圈30纵轴线L运动的衔铁32、一个与衔铁32刚性连接的阀针形式的阀件34、以及一个装在外壳26与衔铁32背对阀件34那一端侧之间的螺旋压力弹簧36。
为了简化视图，图2中压力管12画在吸入管10上方以及电磁阀24表示在压力管12上方，而在实际上所述压力管12、吸入管10以及回流通道24优选并列地处于一个平面内，磁阀24则设在此平面之外并位于回流通道22的上面或下面。
在线圈30的无电流状态，压力弹簧36将阀件34压靠在回流通道22中的阀座38上，将回流通道22关闭，当向线圈30供电时则促使衔铁32克服压力弹簧36的力沿线圈30纵轴线L的方向移动，并由此从阀座38提升阀件34打开回流通道22。
在回流通道22打开时，输送泵8通过压力管12的一个将输送泵8压力侧与计量器16中的回流通道22连接的管段40、回流通道22以及吸入管10的一个将回流通道22与输送泵吸入侧连接的管段42，将从储罐6抽吸的还原剂循环输送，所以在压力管12的与计量器16连接并通向喷嘴14的管段44中不能建立起压力。喷嘴14因而保持关闭，以及没有还原剂供入排气管4中。一旦发动机的控制器(未表示)要求将还原剂输入排气管4内，便中断向电磁阀24线圈30供电，因此压力弹簧36就将阀件34压靠在回流通道22中的阀座38上，并如图2所示关闭回流通道22。在回流通道22关闭的情况下，当输送泵8如图2中箭头C和D所示将还原剂从储罐6输送到压力管12内时，压力管12内的压力升高，当压力超过喷嘴14的开启压力时，导致还原剂供入排气管4内。
输入排气管4内还原剂的量由输送泵8的功率、喷嘴14的特征曲线以及回流通道22的持续关闭时间决定，因此可以通过改变上述参数加以控制。
若在输送泵8与喷嘴14之间设置一个附加的调压器(未表示)，则输入排气管4内还原剂的量取决于在调压器中所调整的压力以及回流通道22的持续关闭时间，所以为了控制输入排气管4内还原剂的量，同样可以改变回流通道22的持续关闭时间。
因为电磁阀24或电磁阀24的部件如线圈30、在外壳26内部向线圈30供电的供电导线、以及必要时还有衔铁32，通常不耐还原剂或其成分或分解产物的化学作用，所以在电磁阀24与回流通道22的阀座38之间被阀件34穿过的台阶孔46，借助一个可以弹性变形的膜48液体及气体密封地关闭，以防止还原剂或其成分或分解产物从回流通道22侵入电磁阀24的线圈腔28内。
为此，环形膜48将其内圆周边液体及气体密封地嵌入沿阀件34外圆周的一个环形槽中，而其外圆周边则液体及气体密封地夹紧在台阶孔46的环形凸肩与电磁阀24的部分伸入台阶孔46内的线圈支架50之间。当通过向线圈30供电使得衔铁32克服弹簧36的力沿线圈30纵轴线L方向移动，并因此将阀件34从阀座38抬起时，在回流通道22关闭时原本未变形的膜48则发生弹性变形。然而在这种情况下，在阀件34与台阶孔46壁之间的环形间隙，在阀件34的任何阀位置均被膜48密封地关闭。
在输送泵8、压力管12、吸入管10、储罐6和必要时设在储罐6与输送泵8之间的过滤器(未表示)按已知的方式设计时，它们在其中含有的液态还原剂冰冻的情况下能耐受由此造成的冰压力，而在图2中表示的计量器16的耐冰压力能力则需采取下列措施达到，即，压力管12和吸入管10通过计量器16延伸的管段18或20，在其部分长度上被管状的压缩体52围绕。所述压缩体52可以弹性变形，从而当包含在计量器16内的液态还原剂由于其冰冻而体积增大时，压缩体52略被压缩，以及当还原剂解冻时重新恢复其原始形状。
因为采用这种计量器16使设备2的所有部件均能设计为耐冰压力，所以可以取消麻烦地排空管道10、12。此外还避免由于未完全排空管道10、12可能产生的计量误差，因为在管道10、12通风排空时遗留在管道10、12内的液态还原剂残量可能导致不希望的错误计量，并因而导致在结算供入排气管4内的还原剂并因此总结所期望的计量策略时出现偏差。
针对计量器16说明的原理也可以用于喷嘴14，使之耐冰压力，为此在喷嘴14内部至少部分压力管12被一个管状压缩体(未表示)围绕。