带优化流体加热的汽车选择性催化还原的还原剂输送单元

摘要

本发明公开了带优化流体加热的汽车选择性催化还原的还原剂输送单元。该还原剂输送单元减少来自车辆的氮氧化物(NOx)排放。输送单元包括具有流体入口和流体出口的螺线管操作的流体喷射器。入口接收还原剂源，并且出口与车辆的排气流路径连通，从而流体喷射器控制还原剂到排气流路径内的喷射。流体喷射器具有用于在入口和出口之间引导还原剂的入口管。线圈加热器与流体喷射器成整体，且被构造并布置成当被激励时感应加热入口管，由此加热还原剂的至少一部分，使得邻近流体出口的入口管内的还原剂的未受热体积少于大约100mm

说明书

技术领域

本发明涉及还原剂输送单元(RDU)，其供应还原剂到发动机排气系统，并 且尤其涉及刚好在喷射之前直接加热还原剂的基本上全部体积的RDU。

背景技术

欧洲和北美洲新一轮严格的排放法规的出现正驱使实施新的排气后处理系 统，尤其针对稀燃技术，例如在稀的和极稀的条件下运行的压缩点火(柴油) 发动机以及分层充质火花点燃发动机(通常带有直喷)。稀燃发动机呈现出高水 平的氮氧化物(NOx)排放，其在稀燃燃烧的富氧排气环境特征下难以处理。 排气后处理技术目前发展到将在这些条件下处理NOx。一种这样的技术包括催 化剂，其促进氨(NH₃)和排气的氮氧化物(NOx)的反应，从而产生氮(N₂) 和水(H₂O)。该技术被称为选择性催化还原(SCR)。

纯氨难以在汽车环境中操作。因此，这些系统习惯使用液体的含水尿素溶 液，典型为32％浓度的尿素溶液(CO(NH₂)₂)。这样的溶液被称为AUS-32，并 且还以它的商业名AdBlue被人熟知。尿素溶液被输送到热的排气流并且在排气 中经历热解作用之后被变成氨，或热分解成氨和异氰酸(HNCO)。该异氰酸然 后和存在于排气中的水进行水解并且被变成氨和二氧化碳(CO₂)。由热解和水 解产生的氨然后与氮氧化物进行如前所述的催化反应。

在现今的生产系统中，RDU通常被安装在车体下面，位于排气管的下游位 置。这引起SCR催化剂相对低的温度、较长的点火时间以及NOx低转换效率。 较低的排气温度(较低的热焓)还抑制了尿素热解反应的热分解，或在热解 HNCO副产物情况下，低温也抑制水解反应。结果就是过多的尿素和/或HNCO 存在于SCR催化剂中和数量不足的氨来参与NOx还原反应。该情形的一个好 的例子呈现在SAE2007-01-1582：“柴油机尿素-SCR后处理系统中的涉及尿素 的沉积物的实验室和发动机研究”(LaboratoryandEngineStudyofUrea-Related DepositsinDieselUrea-SCRAfter-TreatmentSystems)中。来自这些研究的发动机 测功器数据显示在排气温度低于300℃时，喷射的尿素的可测量比例保持未被转 化为HNCO或NH3。

工业中也有活动调查还原剂的潜在替代。一些这样的试剂(例如甲酸胍 (guanidiniumformate))呈现出比尿素高的分解温度。为了使这些替代可行，典 型地，它们需要在一个位于偏离主排气管的旁通流动通道中的专用重整装置 (reformer)中预热。一个这样的方法说明被提供在SAE2012-01-1078：“用于 高效率DeNOx的第三代SCRNH3直接配给系统的发展”(Developmentofa3rd GenerationSCRNH3-DirectDosingSystemforHighlyEfficientDeNOx)中。在起 动阶段期间，这些重整装置方案通常依赖旁通气流的电加热和水解反应催化剂 的使用从而确保用于进入氨的载体转化的正确条件。

参见图1，示出了传统的RDU10，大致用标记10表示，具有流体喷射器 12。喷射器12用作输送流体例如尿素溶液，并且使用感应线圈加热器13，目的 在于将热从线圈加热器13传递给喷射器10的入口管14以及流体。参见图2， 无论如何，由于端口燃料喷射器安装到气缸盖或进气歧管施加的限制，线圈加 热器13没有完全向下延伸到喷射器12的尖端或出口16。结果就是图2中用箭 头A表示的磁通路径，一定程度受限制并且其感应加热终结在喷射器12的计量 点或出口16上面6-8mm处。结果就是未受热的流体体积V有213mm³，其没 有受益于通向感应热源(线圈13)的直接加热路径。该体积V需要在加热的流 体能够以5.2mg/s的流速(排放实验周期中车辆冷启动期间典型的流速)被喷射 之前被排空，理论上要求最少45秒来移除这些未受热的流体。尿素喷射应用中 需要冷启动活动，该延迟降低了系统开始还原发动机之外的NOx排放的效率。

因此，需要更接近计量点直接加热喷射器内的还原剂从而确保更高效的热 传递并且产生要求的还原剂温度以便缩短移除未受热的还原剂所需要的时间。

发明内容

本发明的目的在于满足上述的需求。根据本发明的原理，该目的通过提供 降低来自车辆的氮氧化物(NOx)排放的还原剂输送单元来实现。还原剂输送 单元包括具有流体入口和流体出口的螺线管操作的流体喷射器。流体入口被构 造并布置成接收还原剂源，并且流体出口被构造并布置成与车辆的排气流路径 连通，从而流体喷射器控制还原剂到排气流路径内的喷射。流体喷射器具有用 于在流体入口和流体出口之间引导还原剂的入口管。线圈加热器与流体喷射器 成整体，且被构造并布置成当被激励时感应加热入口管，由此加热入口管内的 还原剂。线圈加热器壳体包围线圈加热器的一部分。包模结构对线圈加热器壳 体进行包模(或称“包胶模”或“二次模制”，overmold)。喷射器壳体覆盖包模 结构的至少一部分，并且被构造和布置成不用O形圈而与包模结构成密封关系， 从而线圈加热器的一端大致邻近喷射器的流体出口布置。

根据公开的实施例的另一方面，一方法输送还原剂以减少来自车辆的氮氧 化物(NOx)排放。该方法将螺线管操作的流体喷射器与排气流路径关联。流 体喷射器具有流体入口和流体出口。流体入口接收还原剂源。流体出口与排气 流路径连通。流体喷射器具有用于在流体入口和流体出口之间引导还原剂的入 口管。在处于入口管内的同时，还原剂的至少一部分被加热，使得邻近流体出 口的入口管内的还原剂的未受热体积少于大约100mm³。操作流体喷射器将还原 剂喷入排气流路径。

考虑下列的所有都构成本说明书的详细说明和附加权利要求并参考所附附 图，本发明其它的目的、特征和特性以及操作方法和结构的相关元件的功能、 部件组合和制造经济性将变得更加明显。

附图说明

通过下列其优选实施例的详细说明并考虑相应附图，本发明将会得到更好 的理解，其中相同的附图标记表示相同部件，其中：

图1为传统的包括流体喷射器的RDU的横截面图。

图2为图1中的传统RDU的喷射器的下部分的视图。

图3为包括根据一个实施例提供的流体喷射器的RDU的横截面图。

图4为图3的RDU的喷射器的下部分的视图。

图5为根据另一实施例的RDU的下部分的视图。

图6为图3中的RDU的下部分的视图。

具体实施方式

参考图3，示出了根据一实施例的大致用10’表示的RDU。RDU10’可以被 用在美国专利申请公开No.2008/0236147A1中所公开类型的系统中，在此以参 考方式将该专利申请公开的内容并入本说明书中。

RDU10’包括螺线管流体喷射器12’，在定量应用中，流体喷射器12’提供流 体的计量功能，并且提供流体进入车辆排气流路径15中的流体喷雾准备，以降 低来自车辆的氮氧化物(NOx)排放。因此，流体喷射器12’以传统方式在SCR 催化转换器的上游被构造并布置成与排气流路径15相关联。流体喷射器12’优 选为汽油、电操作的、螺线管燃料喷射器，例如美国专利No.6,685,112中公开 的那种，因此作为参考，在此将该专利并入本说明书中。因此，当被激励时， 第一电磁线圈20以传统方式操作流体喷射器12’。

流体喷射器12’被布置在喷射器架22内。入口杯结构，通常用24表示，包 括入口杯26和与入口杯26一体或联接到入口杯26的入口连接器28。入口连接 器28限定出喷射器12’的流体入口30。入口连接器28通常与流体还原剂源32 连通，流体还原剂源32例如是尿素溶液，其经由入口管14被供给到喷射器12’ 从而从计量点16或喷射器12的流体出口被喷射。因此，入口管14在流体入口 30和流体出口16之间引导尿素溶液。入口管14还可以被认为是阀体。

喷射器护罩34联接到喷射器架22，由此相对于喷射器12’固定护罩34。护 罩34包围至少喷射器12’的至少一部分并且将其从环境因素例如喷砾、高压水 射流、喷溅等中隔开。护罩34还提供RDU10’的结构支撑。提供多个贯穿护罩 34的开口36用于空气冷却流体喷射器12’。

通过入口30供给尿素溶液32并且将其在一定压力下输送到螺线管流体喷 射器12’。由于螺线管操作的阀38相对于座40的移动，尿素溶液以传统方式被 计量并且在计量点16处离开喷射器12’。利用优选带有V形夹(未示出)的凸 缘18将RDU10’安装到排气系统41。当然，也可以采用其它的安装方法例如采 用螺钉或其它机械连接技术。

为了按要求并且在喷射之前加热尿素溶液，在螺线管喷射器12’内布置有感 应线圈加热器13’。感应线圈加热器13’经由应用到喷射器10’的电力电操作，并 且当被激励时，线圈加热器13’提供电磁场(参见图4中的箭头A’)，从而感应 地加热喷射器入口管14，并由此加热其中的邻近加热区Z’的尿素溶液。参见图 2和图4，在实施例中，同图2中的传统线圈加热器13相比，线圈加热器13’ 被重新定位为更靠近计量点16。因此，入口管14的主要的有效加热区Z’还被 朝着计量点16重新定位。这使得“未受热”流体体积V’减少50％以上，体积 V’小于约100mm³。因为更多体积的尿素溶液在被喷射之前被加热，在发动机起 动之后，更早的开始喷射成为可能，由此进一步降低NOx排放。

作为传统喷射器10(图2)的下部O形圈42的功能分析的结果，线圈加热 器的重新定位是被允许的。在喷射器10打算使用的端口喷射燃料系统中，下部 O形圈42被要求在喷射器安装位置处提供进气歧管或气缸盖的进气密封。在 RDU应用中，不再需要这样的密封功能，所以在实施例中的喷射器10’中，可 以省略O形圈42。参见图3中的包围区域44，要求一些最小的密封来防止水和 污垢的进入。这样的密封可以通过提出的关于对线圈加热器壳体48进行包模的 包模结构46的改变来实现，线圈加热器壳体48包围线圈加热器13’的一部分。 喷射器壳体50覆盖包模结构46的一部分，并且与其协作以便与包模结构46构 成密封关系。可以了解，如果要求更稳固的密封，小横截面的O形圈能够施用 在包模结构46内的凹槽内，其仍然允许重新定位线圈加热器13’。

图4中的实施例的优点是，内部压制的线圈加热器壳体50的几何结构相对 于图2中的传统喷射器10未发生改变。应该承认，其它实施例仍然是可能的， 从而使得当该壳体50的几何结构被修改时，未受热体积减少被更进一步地优化。 与图6中所示的RDU10’的传统壳体50相比，图5示出了壳体50’的一种这样的 修改。因此，作为如在图6中的壳体50那样具有减缩部分52的替代，壳体50’ 包括的一部分52’相对于喷射器10’的纵向轴线B横向延伸，并且被布置成邻近 线圈加热器13’的端部54，端部54通常靠近流体出口16。与图6中的加热器线 圈13’的端部54’相比，这允许线圈加热器13’的端部54能进一步朝着计量点16 移动，并且因此能加热入口管16内的更多体积的流体。

这些实施例的实施预期缩短热流体进入排气的喷射时间，同时冷启动NOx 排放中的生成物减少。

尽管尿素溶液作为还原剂32被公开，但是应该理解也可以使用其它还原剂 例如甲酸胍，因为该试剂目前在喷射时被加热。

尽管公开的RDU10’用于一种SCR系统，但是RDU10’也能被用在稀NOx 捕集(LNT)系统中，其中还原剂是柴油机燃料(烃基燃料)。

出于阐释本发明的结构和功能原理以及阐释采用优选实施例的方法的目 的，示出和公开了前述的优选实施例，并且这些实施例在不脱离这样的原理的 情况下可以发生改变。因此，本发明包括包含在所附权利要求的精神内的全部 修改。