Устройство для подачи восстановителя и способ изготовления автомобиля - RU2496994C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к устройству для подачи восстановителя, имеющему по меньшей мере два элемента из группы, включающей запасное средство, подающее средство, перепускное средство, регистрирующее средство, разделительное средство и выпускное средство, соединенных между собой трубопроводом. Помимо этого изобретение относится к способу изготовления автомобиля с устройством указанного выше типа. Изобретение может использоваться прежде всего в системе обеспечения аммиаком и/или его предшественником для системы выпуска отработавших газов (ОГ), образующихся при работе нестационарной силовой установки с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), такой, например, как система выпуска ОГ, используемая на автомобиле.

Известно, что содержание присутствующих в ОГ оксидов азота можно существенно уменьшать, используя восстановитель. При этом наиболее широко применяется метод селективного каталитического восстановления (СКВ), при котором в выпускной трубопровод подают непосредственно аммиак и/или его предшественник, в результате чего в выпускном трубопроводе может происходить химическое превращение оксидов азота (NO_x). В ходе такого превращения оксиды азота при добавлении восстановителя восстанавливаются до N₂ (азота) и Н₂О (воды). Восстановитель, в качестве которого преимущественно используют CH₄N₂O (мочевину) или NH₃ (аммиак) в виде водного раствора (иногда упоминаемого также под торговым наименованием AdBlue), впрыскивают в ОГ перед СКВ-катализатором. На таком катализаторе затем происходит ускоряемый его каталитически активной поверхностью процесс восстановления оксидов азота. Для селективного каталитического восстановления используют в основном катализаторы двух типов. Катализатор одного типа состоит в основном из диоксида титана, пентаоксида ванадия и оксида вольфрама. К катализаторам другого типа относятся цеолиты.

Особые проблемы создает при этом обеспечение восстановителем. Уже неоднократно предпринимались попытки обеспечить подачу восстановителя, такого, например, как мочевина, в выпускной трубопровод в виде тонкодисперсных жидкостных капелек сжатым газом. Известны также системы, в которых запас восстановителя хранят в жидком и/или твердом виде и затем подготавливают (путем испарения и/или термолиза и/или гидролиза) перед подачей в систему выпуска ОГ. Помимо этого известны также способы и устройства, основанные на подаче жидкого восстановителя путем распыления в выпускной трубопровод, например, с использованием клапана-дозатора и/или насоса-дозатора.

Однако именно обеспечение содержащим воду восстановителем в жидком виде, например, в виде водного раствора мочевины, сопряжено с опасностью его замерзания при низких температурах. Водный раствор мочевины имеет температуру замерзания около -11°С и по своим свойствам при этом в основном аналогичен воде, т.е. замерзает в содержащих его компонентах СКВ-системы с образованием льда и тем самым с увеличением своего объема.

Во избежание повреждения компонентов СКВ-системы уже предлагалось опорожнять и/или нагревать оборудование для подачи водного раствора мочевины. Однако такие известные системы отчасти должны работать лишь во взаимодействии с системой управления двигателем, в связи с чем необходим постоянный контроль системы подачи восстановителя при одновременном контроле наружной температуры. Помимо этого необходимо использовать приводы, подающие системы и иное аналогичное оборудование, выполняющие несколько функций, соответственно управляемые по отдельности. По указанным причинам подобная система подачи восстановителя оказывается сравнительно сложной и дорогостоящей.

В основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично решить проблемы, рассмотренные выше при описании уровня техники. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке устройства для подачи восстановителя, в данном случае главным образом водного раствора мочевины, каковое устройство обеспечивало бы защиту отдельных его компонентов от замерзания в них восстановителя. Помимо этого такое устройство должно иметь относительно простую конструкцию и тем самым быть также недорогим в изготовлении. Кроме того, еще одна задача изобретения состояла также в разработке способа изготовления автомобиля, каковой способ позволял бы интегрировать устройство для подачи восстановителя в автомобиль таким образом, чтобы обеспечивалась длительная бесперебойная работа такого устройства даже в экстремально холодных условиях.

Указанные задачи решаются с помощью устройства, заявленного в п.1 формулы изобретения, а также с помощью способа изготовления автомобиля, заявленного в п.8 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Изобретение более подробно рассмотрено в последующем описании, прежде всего во взаимосвязи с прилагаемыми к нему чертежами, в котором представлены также другие варианты осуществления изобретения.

Предлагаемое в изобретении устройство для подачи восстановителя имеет по меньшей мере два элемента из группы, включающей запасное средство, подающее средство, перепускное средство, регистрирующее средство, разделительное средство и выпускное средство. Такие по меньшей мере два элемента соединены между собой трубопроводом, при этом по меньшей мере один из указанных элементов чувствителен к воздействию давления, а примыкающий к такому чувствительному к воздействию давления элементу участок трубопровода образует рядом с этим элементом по меньшей мере один теплоотвод.

Под предлагаемым в изобретении устройством прежде всего подразумевается таковое, которое предназначено для добавления водного раствора мочевины в жидком состоянии в поток ОГ, соответственно в систему их выпуска.

Запас восстановителя обычно хранится при этом в запасном средстве. Подобное запасное средство представляет собой, например, емкость, которая при необходимости может также иметь несколько отсеков. Такая емкость изготовлена прежде всего из пластмассы. Помимо этого в запасном средстве дополнительно могут быть предусмотрены средства для выравнивания давления, датчики уровня, нагреватели и иные устройства.

Восстановитель, хранящийся в запасном средстве обычно в жидком виде, подается из запасного средства подающим средством. Обычно такое подающее средство представляет собой насос, например, поршневой насос, мембранный насос или иной аналогичный насос.

Между таким подающим средством и запасным средством предпочтительно предусматривать разделительное средство, например, в виде фильтра. При этом предпочтительно, чтобы поток всегда проходил через разделительное средство только в одном направлении и чтобы тем самым отложения из восстановителя скапливались с одной стороны разделительного средства.

Подающим средством восстановитель подается, например, к выпускному средству, такому, например, как форсунка, сопло, выпускной клапан или иное аналогичное устройство.

При этом на участке между подающим средством и выпускным средством в предпочтительном варианте предусмотрено по меньшей мере одно перепускное средство, например, управляемый, соответственно регулируемый клапан, предназначенное для перепуска или отвода части подаваемого подающим средством восстановителя, например, в обратную линию, ведущую к запасному средству.

Помимо этого по протяженности устройства для подачи восстановителя могут быть предусмотрены регистрирующие средства, такие, например, как датчики температуры и/или давления и/или концентрации восстановителя.

Отдельные элементы, предпочтительно более 2-х элементов, прежде всего по меньшей мере 3 или даже по меньшей мере 4 элемента из числа указанных выше, соединены между собой трубопроводом. Такой трубопровод может представлять собой прежде всего по меньшей мере одну трубу и/или по меньшей мере один шланг.

Особенно предпочтительна при этом трубопроводная система, в которой восстановитель на своем пути к системе выпуска ОГ последовательно проходит по меньшей мере следующие компоненты: 1) запасное средство, 2) участок трубопровода, 3) разделительное средство, 4) участок трубопровода, 5) подающее средство, 6) участок трубопровода с по меньшей мере одним регистрирующим средством, 7) управляемое перепускное средство, ведущее в обратную линию, 8) участок трубопровода, 9) выпускное средство.

По меньшей мере некоторые из указанных выше элементов могут быть выполнены чувствительными к воздействию давления. Сказанное означает, в частности, что в результате воздействия повышенного давления восстановителя на такие элементы не исключено их повреждение и/или нарушение их работоспособности. Обычно при работе устройства для подачи восстановителя в трубопроводе (на участке за подающим средством) преобладает давление восстановителя, составляющее от 6 до 10 бар. Остающийся в трубопроводе восстановитель при замерзании увеличивается в объеме, что приводит к возрастанию давления в трубопроводе. При этом нарастающее в трубопроводе давление может привести к повреждению чувствительного к воздействию давления элемента. Подобным чувствительным к воздействию давления элементом являются/является в первую очередь подающее средство (прежде всего мембранный насос), регистрирующее средство (прежде всего датчик давления) и/или выпускное средство (прежде всего впрыскивающее сопло).

Согласно предлагаемому в изобретении решению примыкающий к по меньшей мере одному чувствительному к воздействию давления элементу участок трубопровода образует рядом с этим элементом по меньшей мере один теплоотвод. Сказанное означает также, что непосредственно рядом с чувствительным к воздействию давления элементом один или оба примыкающих к нему участка трубопровода выполнен/выполнены таким образом, что он/они способен/способны особо быстро отдавать тепло своему окружению. Благодаря этому прежде всего происходит особо быстрое охлаждение трубопровода именно в этой зоне. С этой целью трубопровод в такой зоне можно выполнять с соответствующими свойствами, такими, например, как теплопроводность, площадь теплоотдающей поверхности, теплоемкость, теплопроницаемость, теплопередача и иные свойства. При необходимости можно также предусматривать активные (управляемые) охлаждающие устройства (вентилятор, элемент Пельтье и т.д.).

Таким путем, следовательно, можно обеспечить застывание, а тем самым и увеличение в объеме восстановителя по достижении им температуры своего замерзания именно в зоне такого теплоотвода. Поскольку теплоотвод расположен исключительно близко к такому чувствительному к воздействию

давления элементу, например, расположен на расстоянии от него, составляющем максимум 500 мм, а при определенных условиях максимум 250 мм или даже максимум 100 мм, столб жидкости на участке между теплоотводом и примыкающим к нему чувствительным к воздействию давления элементом оказывается очень малым. Поэтому на столь коротком по своей протяженности участке может также создаваться и лишь исключительно малый перепад давления, что исключает возможность создания значительной дополнительной нагрузки на чувствительный к воздействию давления элемент. В соответствии с этим такие элементы оказываются эффективно защищены от воздействия на них повышенного давления, создаваемого находящимся в соответствующих частях трубопровода восстановителем при его замерзании.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения теплоотвод образован зоной трубопровода с увеличенной по сравнению с другими его участками площадью поверхности. С этой целью стенку трубопровода (по меньшей мере с ее наружной, обращенной к окружении стороны) можно выполнять профилированной, т.е., например, с возвышениями и впадинами в окружном направлении. Вместе с тем существует также возможность выполнять участок трубопровода в месте нахождения указанной зоны с по меньшей мере одной дополнительной деталью, увеличивающей площадь поверхности. Такая деталь может быть выполнена, например, в виде охватывающей трубопровод кольцевой детали, например, по типу втулки или хомутика, и при этом при необходимости может быть выполнена с охлаждающими ребрами.

Помимо этого в качестве предпочтительного следует также рассматривать вариант, в котором теплоотвод образован зоной трубопровода, которая имеет соединяющий эту зону с ее окружением тепловой мостик. Сказанное означает, в частности, что указанная зона находится в материальном теплопроводном контакте с ее обычно более холодным окружением. С этой целью можно прежде всего реализовывать теплопроводящие соединения, например, в виде резьбового или иного аналогичного соединения, с более холодным окружением. Более холодное окружение образовано прежде всего деталями кузова и/или деталями, которые интенсивно или тесно контактируют с более холодным внешним окружением, соответственно расположены в зоне влияния температуры окружающей среды. С этой целью теплоотвод в данном случае выполнен таким образом, что обеспечивается быстрый отвод тепла от места нахождения указанной зоны трубопровода к ее более холодному окружению, например, за счет соответствующей теплопроводности.

В еще одном варианте осуществления изобретения трубопровод выполнен с гибкой стенкой. Именно в том случае, когда на одном участке трубопровода выполнено несколько теплоотводов, предпочтительно обеспечивать возможность компенсации происходящего при застывании восстановителя его увеличения в объеме самим трубопроводом. Для этого в качестве трубопровода прежде всего следует использовать полимерный шланг с соответствующими эластичными, соответственно гибкими свойствами, который способен сам компенсировать, например, увеличение объема восстановителя примерно на 10% (в продольном и/или окружном направлении).

В следующем варианте предлагается также выполнять теплоотвод из материала, отличного от материала, из которого выполнены другие участки трубопровода. Таким другим материалом, например, металлом, может служить стенка самого трубопровода. Вместе с тем можно также размещать снаружи на трубопроводе другой охватывающий его, находящийся с ним в теплопроводном контакте и хорошо проводящий тепло материал. В некоторых случаях может также оказаться целесообразным пронизывать стенку трубопровода другим материалом. Обычно трубопровод по длине всего участка между двумя элементами целесообразно выполнять из одного и того же материала и из отличного от него материала именно в требуемой зоне.

Помимо этого предлагается также предусматривать в зоне теплоотвода активизируемую нагревательную систему. В качестве подобной нагревательной системы используется прежде всего электрическая нагревательная система, которую поэтому можно быстро активизировать по мере необходимости. Она предназначена прежде всего для нагрева относительно чувствительного к холоду участка трубопровода при повторном пуске предлагаемого в изобретении устройства. С этой целью можно использовать, например, электрические проводники, по которым пропускается электрический ток, индукционные нагреватели или иные устройства аналогичного назначения.

Предпочтителен далее вариант, в котором трубопровод рядом с теплоотводом снабжен большей по сравнению с другими участками трубопровода теплоизоляцией. Сказанное означает, в частности, что трубопровод рядом с зонами, где расположены теплоотводы, выполнен таким образом, что они охлаждаются медленнее. Таким путем можно обеспечить определенное охлаждение восстановителя, а тем самым и целенаправленное повышение давления внутри трубопровода. Теплоизоляция может представлять собой часть стенки трубопровода. Вместе с тем существует также возможность предусматривать теплоизоляцию с наружной и/или внутренней стороны трубопровода.

Еще одним объектом изобретения является способ изготовления автомобиля с устройством для подачи восстановителя, имеющим по меньшей мере два элемента из группы, включающей запасное средство, подающее средство, перепускное средство, регистрирующее средство, разделительное средство и выпускное средство, соединенных между собой трубопроводом, заключающийся в выполнении по меньшей мере следующих стадий:

а) на автомобиль устанавливают указанные элементы,

б) автомобиль охлаждают,

в) выявляют по меньшей мере одну точку замерзания находящейся в трубопроводе среды рядом с чувствительным к воздействию давления элементом,

г) между точкой замерзания и чувствительным к воздействию давления элементом выполняют по меньшей мере один теплоотвод.

Предлагаемый в изобретении способ предназначен прежде всего для создания предлагаемого в изобретении устройства для подачи восстановителя. В этой связи поэтому можно также сослаться на приведенные выше пояснения, относящиеся к подобному устройству.

В соответствии с предлагаемым в изобретении способом, таким образом, на автомобиле сначала размещают необходимое устройство для подачи восстановителя. Таким путем однозначно задают место расположения и/или точки крепления устройства для подачи восстановителя на автомобиле, соответственно на его кузове и/или в системе выпуска ОГ и т.д. Далее на стадии б) определяют характеристику охлаждения устройства для подачи восстановителя на этом автомобиле. При этом прежде всего выявляют то место, в котором находящийся в трубопроводе восстановитель замерзает в первую очередь и от которого затем распространяется процессе его застывания. Таким путем можно однозначно выявлять точки замерзания восстановителя в трубопроводе и направление, в котором от этих точек распространяется процесс замерзания восстановителя. В этом заключается суть стадии в), при этом одновременно выявляют, для какого чувствительного к воздействию давления элемента точка замерзания и/или направление замерзания восстановителя создают/создает проблемы, т.е. рядом с каким чувствительным к воздействию давления элементом при застывании восстановителя давление в трубопроводе повышается до нежелательно высокого уровня. По достижении давлением восстановителя на этом участке трубопровода уровня, который нежелателен для чувствительного к воздействию давления элемента, в приемлемой зоне выполняют по меньшей мере один теплоотвод (стадия г)). Теплоотвод следует при этом располагать на участке между точкой замерзания и чувствительным к воздействию давления элементом, предпочтительно в непосредственно близости к нему. Таким путем в конечном итоге изменяют характеристику замерзания восстановителя в установленном на автомобиле устройстве для подачи восстановителя. Выявленный участок трубопровода сначала охлаждается в зоне теплоотвода и задает характеристику замерзания восстановителя, которой определяются/определяется целенаправленная закупорка (стойкого к воздействию давления) трубопровода и/или распространяющийся от этого места фронт застывания восстановителя. При необходимости на трубопроводе в точке замерзания можно также предусматривать соответствующую теплоизоляцию для замедления процесса замерзания восстановителя в этом месте. Таким путем для конкретного установочного положения устройства для подачи восстановителя на автомобиле можно надежно выявлять и согласно изобретению изменять характеристику замерзания восстановителя.

В этом отношении особенно предпочтителен вариант, в котором в зоне с теплоотводом снаружи на трубопроводе размещают отдельный тепловой мостик. Такой тепловой мостик при этом выполняют, например, в виде своего рода хомутика, который снаружи прилегает к трубопроводу и теплопроводящим соединением соединен (например, с силовым замыканием), например, с быстро охлаждающейся деталью кузова. Подобный отдельный тепловой мостик легко монтировать, а также его можно гибко соединять с другими компонентами 10 автомобиля. Тепловой мостик при необходимости может быть также снаружи соединен с корпусом чувствительного к воздействию давления элемента.

Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах представлены наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На всех чертежах при этом одни и те же элементы обычно обозначены одинаковыми позициями. На прилагаемых к описанию схематичных чертежах, в частности, показано:

на фиг.1 - принципиальная конструкция выполненного по одному из предпочтительных вариантов предлагаемого в изобретении устройства в автомобиле,

на фиг.2 - увеличенный вид фрагмента предлагаемого в изобретении устройства, выполненного по другому варианту, и

на фиг.3 - увеличенный вид фрагмента выполненного еще по одному варианту устройства для подачи восстановителя.

На фиг.1 схематично показана конструкция выполненного по одному из предпочтительных вариантов устройства 1 для подачи восстановителя 2, прежде всего водного раствора мочевины. Такое устройство 1 схематично показано установленным на автомобиле 18. Подобный автомобиль 18 обычно имеет ДВС 19, например, дизельный двигатель, образующиеся при работе которого ОГ по выпускному трубопроводу 20 выбрасываются в окружающую среду. В отдельных частях такого выпускного трубопровода 20 обычно предусмотрено несколько устройств для снижения токсичности ОГ, таких, например, как адсорберы, каталитические нейтрализаторы, иногда называемые просто катализаторами, фильтры, смесители потоков и иные устройства аналогичного назначения. На чертеже в качестве примера показан СКВ-катализатор 21, на каталитически активном материале которого ниже по ходу потока ОГ происходит химические превращение примешанного к ним восстановителя и тем самым удаление нежелательных оксидов азота из ОГ (СКВ-метод).

В центральной части чертежа показано предлагаемое в изобретении устройство 1. Справа вверху показано запасное средство 3 в виде емкости, в которой хранится запас жидкого восстановителя 2, в данном случае водного раствора мочевины. По мере необходимости и в конкретно заданные моменты времени восстановитель 2 подается из содержащего его запасного средства 3, а именно: с использованием подающего средства 4. Подающее средство 4, прежде всего мембранный насос, всасывает восстановитель 2 из запасного средства 3 через разделительное средство 8 в виде фильтра, расположенное в трубопроводе 10 между запасным средством 3 и подающим средством 4. От подающего средства 4 восстановитель 2, когда он должен подаваться в выпускной трубопровод 20, подается к выпускному средству 9, например, к впрыскивающему соплу.

В показанном на чертеже варианте между подающим средством 4 и выпускным средством 9 предусмотрено перепускное средство 6. Оно может служить прежде всего для снижения по необходимости давления восстановителя 2 в трубопроводе 10 на участке между подающим средством 4 и выпускным средством 9, когда устройство 1 не работает. С этой целью находящийся в этом трубопроводе 10 восстановитель можно вновь возвращать в запасное средство 3 по обратной линии 5 и соответствующему трубопроводу 10. Помимо этого на участке между подающим средством 4 и перепускным средством 6 в трубопроводе 10 предусмотрено регистрирующее средство 7, например, датчик давления.

Согласно изобретению для защиты чувствительных к воздействию давления элементов (в данном случае подающего средства 4, выпускного средства 9 и регистрирующего средства 7) от слишком высокого давления, создаваемого восстановителем при его замерзании, непосредственно рядом с этими элементами по одну и/или по обе стороны от них образованы теплоотводы 11. В зоне таких теплоотводов 11 восстановитель замерзает в трубопроводах 10 в первую очередь, благодаря чему не происходит никакого значительного повышения давления в направлении чувствительных к воздействию давления элементов.

Пример такой зоны 12 с теплоотводом 11 показан на фиг.2. Трубопровод 10 выполнен при этом с тепловым мостиком 14, который расположен снаружи на 5 стенке 15 с геометрическим замыканием и с теплопроводным контактом с трубопроводом 10. Такой тепловой мостик 14, выполненный, например, по типу хомутика, соединен также с холодной точкой 22, т.е. прежде всего находится с ней в теплотехническом контакте. При охлаждении автомобиля именно эта холодная точка 22 быстро охлаждается и тем самым отводит тепло из зоны 12 трубопровода 10. В результате в этой зоне 12 происходит более раннее застывание, соответственно замерзание восстановителя. Благодаря этому повышение давления затем в направлении присоединения 25, к которому подсоединен соседний чувствительный к воздействию давления элемент (не показан), остается из-за короткого расстояния 26 до него небольшим. Вместо этого давление повышается в направлении 24 замерзания восстановителя.

Замедлению замерзания восстановителя рядом с зоной 12 и с противоположной стороны от присоединения 25 способствует наличие предусмотренной в этом месте теплоизоляции 17.

На фиг.3 показан еще один пример подобного выполнения теплоотвода 11. Зона 12 выполнена при этом с радиатором 23, который расположен на трубопроводе 10 также с геометрическим замыканием и прежде всего с теплопроводным контактом с ним. Радиатор 23 имеет множеством охлаждающих ребер, увеличивающих площадь его наружной поверхности 13. Таким путем также создаются условия для более раннего замерзания восстановителя в трубопроводе 10 около зоны 12. С этой целью зона 12 в предпочтительном варианте расположена непосредственно вблизи присоединения 25, например, на максимальном расстоянии от него 26, не превышающем 50 мм.

В левой части на фиг.3 показано также, что трубопровод 10 выполнен с гибкой стенкой 15. Поэтому гибкая стенка 15 может при замерзании находящегося внутри ограниченного ею пространства восстановителя, происходящем начиная от зоны 12 в направлении 24 замерзания, компенсировать увеличение объема восстановителя, увеличиваясь в своем поперечном сечении. Таким путем прежде всего можно создавать компенсационный объем в направлении следующего теплоотвода и/или следующего элемента.

При полном замерзании трубопроводов 10 предпочтительно также обеспечивать быстрый переход восстановителя в жидкое состояние. С этой целью зону 12, соответственно радиатор 23 предлагается в данном случае выполнять с нагревательной системой 16, которая позволяет по мере необходимости и быстро подводить к указанной зоне, соответственно к указанному радиатору электрическую энергию, обеспечивающую подвод тепла к трубопроводу 10, а тем самым и к восстановителю.

Реферат

Изобретение относится к устройству для подачи восстановителя. Сущность изобретения: устройство (1) для подачи восстановителя (2), прежде всего водного раствора мочевины, имеющее по меньшей мере два элемента из группы, включающей запасное средство (3) (например, емкость), подающее средство (4) (например, насос), перепускное средство (6) (например, клапан), регистрирующее средство (7) (например, датчик), разделительное средство (8) (например, фильтр) и выпускное средство (9) (например, сопло, форсунку), соединенных между собой трубопроводом (10), при этом по меньшей мере один из указанных элементов чувствителен к воздействию давления, а примыкающий к такому чувствительному к воздействию давления элементу участок трубопровода образует рядом с этим элементом по меньшей мере один теплоотвод (11). Техническим результатом изобретения является обеспечение заданных характеристик замерзания, обеспечивающих защиту чувствительных к воздействию давления элементов. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула