УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ЖИДКОЙ ДОБАВКИ И СПОСОБ НАГРЕВА ДОБАВКИ
DEVICE FOR SUPPLY OF LIQUID ADDITIVE AND METHOD OF HEATING ADDITIVE

Настоящее изобретение относится к устройству для подачи жидкой добавки в выпускной трубопровод и к способу нагрева добавки в устройстве. Изобретение используется, прежде всего, в механическом транспортном средстве, который оснащен баком для хранения жидкой добавки.
Считается известным применение способов последующей обработки отработавших газов (ОГ), в которых в ОГ добавляется жидкая добавка. Цель таких способов заключается, прежде всего, в том, чтобы загрязнители, содержащиеся в ОГ, превращались как можно более полно и эффективно.
Например, известно, что в ОГ добавляют окислитель (например, горючее или углеводороды). Такая добавка может использоваться, чтобы непосредственно вступать в реакцию с компонентами в ОГ и таким образом превращать загрязнители. Однако также является возможным использовать окислитель для изменения окружающих условий в выхлопной системе до желательного состояния, подходящего для превращения загрязнителей. Горючее или углеводороды могут подаваться, например, в окислительный каталитический конвертер, в котором температура ОГ в выхлопной системе может быть значительно повышена благодаря экзотермической реакции в окислительном каталитическом конвертере. Это используется, прежде всего, для регенерации фильтра для улавливания твердых частиц с ОГ дизеля.
Кроме того, известно, что в ОГ подается восстановитель. Хотя является в принципе возможным вводить в выхлопную систему твердые или газообразные восстановители, особенно подходящими оказались системы подачи и дозирования, которые предусматривают подачу восстановителя в жидкой форме. Например, известен способ селективного каталитического восстановления (СКВ). Здесь соединения оксидов азота в ОГ превращаются с помощью восстановителя. Для этой цели используется, прежде всего, аммиак или вещества, которые образуют аммиак. Уже широко используемым восстановителем для этой цели является водный раствор мочевины. 32,5%-ный водный раствор мочевины известен под торговым названием AdBlue. Затем указанная жидкая добавка сначала смешивается с ОГ, а затем проводится через подходящий каталитический конвертер, в котором (среди прочего) происходит желательное химическое превращение.
Поскольку, например, происходит так, что жидкая добавка, такая как водный раствор мочевины, замерзает при температурах около -11°C, были предложены нагревательные системы, которые предназначены для осуществления быстрого размораживания жидкой добавки в баке и/или в подсоединенном подающем трубопроводе. Намерение заключается в том, чтобы сделать желательный способ очистки ОГ доступным уже через короткое время после того, как запущен двигатель механического транспортного средства, и/или чтобы предотвратить повреждение компонентов, требуемых для хранения, подачи и/или дозирования жидкой добавки.
В этой области техники в качестве нагревательных устройств уже были предложены нагреватели жидкостного типа (например, теплообменники, которые взаимодействуют с системой охлаждения двигателя), электрические нагреватели, радиационные нагреватели и их комбинации. Однако до сих пор было невозможно удовлетворительным образом достигнуть как можно более быстрого нагрева, и, если это уместно, как можно более равномерного нагрева в емкости. Прежде всего, предложенные системы для нагрева емкости являются технически громоздкими, дорогостоящими и/или трудно поддающимися регулированию или управлению. В случае с указанными нагревательными устройствами существует риск нагрева добавки до температуры выше критической. Например, в случае с AdBlue его компоненты при температуре выше 65°C могут кристаллизоваться, что повышает риск нежелательных отложений и засорений.
Также известно, что нагревательное устройство имеет единственный работающий электрически нагревательный элемент. Работающий электрически нагревательный элемент также может быть активирован и деактивирован в заданные моменты времени. Такой нагрев реализуется, например, на основе нагрева омическим сопротивлением. Известным работающим электрически нагревательным элементом, который используется предпочтительно, является так называемый позистор или нагревательный элемент РТС (положительный температурный коэффициент). Позистор или нагревательный элемент РТС содержит материал, электрическое сопротивление которого увеличивается с ростом температуры.
В случае с такими устройствами, имеющими позистор в качестве нагревательного элемента, после активации посредством приложения постоянного напряжения, из-за первоначально низкого сопротивления происходит пик тока. Таким образом, при активации имеет место интенсивное увеличение тока через позистор. Во время дальнейшей работы позистор нагревается за счет омического нагрева, и поэтому также изменяется электрическое сопротивление позистора. В температурном диапазоне, в котором электрическое сопротивление позистора интенсивно изменяется даже при малых изменениях температуры, ток через позистор принимает постоянный уровень. Через некоторое время, когда достигается характерная температура, происходит то, что через резистор течет практически постоянный ток (в случае постоянного напряжения), причем характерная температура зависит от характеристик позистора. Все токопроводящие элементы, а также, прежде всего, все соединительные точки токопроводящих элементов должны быть рассчитаны на максимальную силу пикового тока. Кроме того, пик тока может привести к электрической неустойчивой неисправности, которая может повлиять на электронику механического транспортного средства. Поэтому является желательным поддерживать пик тока как можно более низким.
Поэтому цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично смягчить проблемы, указанные в отношении уровня техники. Стремление авторов направлено, прежде всего, на то, чтобы указать устройство для подачи жидкой добавки в выпускной трубопровод, в котором ток активации через нагревательный элемент, выполненный из позистора, ограничивается недорогим образом. Кроме того, стремление авторов направлено на то, чтобы указать способ нагрева добавки в устройстве, при котором течет только ток активации, который ограничен по величине.
Указанная цель достигнута посредством устройства и способа в соответствии с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Благоприятные варианты осуществления устройства и способа указаны в зависимых пунктах формулы. Варианты осуществления будут описаны более детально в описании.
Указанные цели достигнуты, прежде всего, посредством устройства для подачи жидкой добавки в выпускной трубопровод, содержащего бак, подающий трубопровод, нагревательный элемент, выполненный из позистора, для нагрева добавки в баке и/или подающем трубопроводе, и дозирующее устройство для дозирования жидкой добавки, причем дозирующее устройство имеет катушку и подвижный компонент, причем подвижный компонент может перемещаться посредством катушки, и катушка может быть электронно последовательно соединена с нагревательным элементом посредством первого переключающего элемента.
Жидкая добавка является, прежде всего, восстановителем, предпочтительно водным раствором мочевины.
Бак является, прежде всего, баком для хранения восстановителя, прежде всего, водного раствора мочевины. Тем не менее, бак также мог бы использоваться для окислителей и других жидких добавок. Бак может быть выполнен из пластика. В любом случае бак должен быть прочным и рассчитанным на хранение жидкой добавки на постоянной основе. Добавка хранится в баке и подается по подающему трубопроводу в выпускной трубопровод.
Нагревательный элемент выполнен, прежде всего, в и/или на баке. В качестве альтернативы или дополнительно, нагревательный элемент выполнен в и/или на подающем трубопроводе. Если добавка затвердела из-за низких температур или близка к затвердеванию из-за низких температур, температура добавки в баке и/или в подающем трубопроводе может быть повышена посредством нагревательного элемента, так что добавка переходит в жидкое состояние или остается в жидком состоянии.
Позистор, также называемый ПТК-элементом (положительный температурный коэффициент), является материалом, электрическое сопротивление которого увеличивается при повышении температуры. Таким образом, позистор имеет положительный температурный коэффициент. Когда прилагается постоянное напряжение, позистор работает саморегулирующимся образом около заданного значения температуры. В качестве позистора используются, например, керамические материалы, такие как, например, керамика из титаната бария и/или легированные полимеры.
Нагревательный элемент, предпочтительно, рассчитан так, что, когда прилагается постоянное напряжение в 12, 24 или 48 вольт, генерируется постоянный ток, с помощью которого нагревательный элемент регулируется до температуры по меньшей мере 10°C, предпочтительно по меньшей мере 50°C.
Выражение «дозирующее устройство для дозирования жидкой добавки» следует понимать как охватывающее все элементы устройства, которые подают добавку, например насос, и такие, которые могут ограничивать поток добавки в подающем трубопроводе, например клапан. Дозирующее устройство содержит катушку или индуктивный элемент, который благодаря току, генерированному в нем, и магнитному полю, созданному им, прилагает электромагнитную силу к подвижному компоненту. Подвижный компонент является, прежде всего, магнитным элементом, который приводится в движение за счет электромагнитной силы, генерированной катушкой. В случае с насосом это может быть, например, стержень, который двигает диафрагму. В случае с клапаном -  это предпочтительно сама игла клапана.
Настоящее изобретение предлагает, чтобы в течение процесса активации нагревательного элемента катушка была электронно последовательно соединена с нагревательным элементом посредством переключающего элемента. В качестве переключающего элемента могут быть использованы, прежде всего, все известные переключающие элементы, такие как транзисторы, предпочтительно (полевые) МОП-транзисторы. Таким образом, во время активации нагревательного элемента ток течет и через катушку, и через нагревательный элемент. Благодаря индуктивному действию катушки сила тока в пике во время активации сильно уменьшается. Таким образом, также является возможным, что все прочие компоненты устройства, по которым течет ток, прежде всего, электрические контакты и/или провода, будут рассчитаны на более низкую силу тока. Кроме того, уменьшается неустойчивая неисправность других электронных компонентов.
Уже известны катушки в качестве индуктивных компонентов для фильтрации высоких частот или для ограничения быстрых колебаний тока, но указанные компоненты до сих пор использовались как пассивные компоненты. Вообще, катушки как импедансы, как правило, предусматриваются в качестве отдельных компонентов в схемах. Настоящее изобретение, впервые, предлагает использование активной катушки для ограничения тока активации нагревательного элемента в устройстве для подачи жидкой добавки.
Согласно одному благоприятному усовершенствованию устройства устройство содержит управляющее устройство, имеющее первый переключающий элемент, который электронно последовательно соединен с катушкой и с нагревательным элементом, и имеющее второй переключающий элемент, который параллельно соединен с первым переключающим элементом и с катушкой, и последовательно - с нагревательным элементом. Управляющее устройство, предпочтительно, выполнено пространственно отдельно от дозирующего устройства.
Таким образом, с помощью второго переключающего элемента является возможным то, что переключающий элемент и катушка шунтируются, так что нагревательный элемент может эксплуатироваться независимо от коммутационного положения первого переключающего элемента. Это является целесообразным, прежде всего, когда нагревательный элемент достиг своей рабочей температуры, и нагревательный элемент должен эксплуатироваться непрерывно. Поэтому в этом случае является возможным то, что катушка, а поэтому и дозирующее устройство эксплуатируются независимо от нагревательного элемента.
Прежде всего, если второй переключающий элемент замыкается в то же время, катушка может быть возбуждена посредством переключающего элемента. Таким образом, является возможным, что после процесса активации нагревательного элемента, катушка, а поэтому и дозирующее устройство эксплуатируются независимо от нагревательного элемента в силу того, что размыкается и замыкается третий переключающий элемент.
Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается способ нагрева добавки в устройстве согласно изобретению, включающий в себя следующие шаги:
- определение температуры добавки,
- сравнение определенной температуры с первой предварительно задаваемой величиной,
- активация нагревательного элемента, если определенная температура ниже, чем первая предварительно задаваемая величина, за счет того, что катушку электронно последовательно соединяют с нагревательным элементом посредством первого переключающего элемента.
Для определения температуры добавки температура может быть измерена непосредственно с помощью температурного датчика. Однако, температура добавки также может быть определена путем измерения температуры в каком-либо другом месте устройства или механического транспортного средства, причем таким образом может быть выведена температура добавки. Первой предварительно задаваемой величиной является, прежде всего, температура замерзания добавки или величина по меньшей мере на 2°C, предпочтительно по меньшей мере на 5°C выше, чем температура замерзания добавки. За счет этого нагревательный элемент активируется, пока добавка замерзает, или когда добавка уже замерзла. Активация нагревательного элемента происходит в силу того, что нагревательный элемент электронно последовательно соединен с катушкой дозирующего устройства. Сила пикового тока ограничена по величине индуктивностью катушки.
Является благоприятным, если нагревательный элемент напрямую соединен с источником напряжения за счет того, что катушку соединяют параллельно с нагревательным элементом с помощью второго переключающего элемента и третьего переключающего элемента.
Указанное параллельное соединение, предпочтительно, происходит после активации нагревательного элемента. За счет этого является возможным то, что нагревательный элемент и катушка работают независимо друг от друга, когда нагревательный элемент достиг своей рабочей температуры.
Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается механическое транспортное средство, имеющее двигатель внутреннего сгорания и имеющий выпускной трубопровод, которое (механическое транспортное средство) содержит устройство согласно изобретению и приспособлен и сконструирован для выполнения способа согласно изобретению.
Высказывания, сделанные относительно устройства, могут быть перенесены и применены к способу, и наоборот.
Ниже изобретение и технический контекст будут пояснены более детально на чертежах. Следует отметить, что варианты осуществления, показанные на чертежах, не подразумеваются как ограничивающие изобретение. Прежде всего, признаки, представленные и поясненные на фигурах совместно, также могут быть рассмотрены отдельно друг от друга и/или комбинированы с другими (отдельными) признаками из других фигур, если это является технически возможным, или если текст, изложенный ниже, явным образом не указывает на то, что признаки императивно связаны друг с другом. Соответственно, для специалиста в данной области возникает множество возможных комбинаций изобретения, проиллюстрированного схематически и в качестве примера на чертежах. В каждом случае схематически, показано на:
фиг. 1: механическое транспортное средство, имеющее устройство для подачи жидкой добавки,
фиг. 2: устройство для подачи жидкой добавки,
фиг. 3: блок-схема конструктивного варианта устройства согласно изобретению.
На фиг. 1 схематически показано механическое транспортное средство 14, имеющее двигатель 15 внутреннего сгорания, к которому подсоединен выпускной трубопровод 2. В выпускном трубопроводе 2 образован каталитический конвертер 16. Выше по потоку от каталитического конвертера 6 в отработавший газ с помощью устройства 1 может быть введена жидкая добавка. Устройство 1 содержит бак, который гидравлически посредством подающего трубопровода 4 соединен дозирующим устройством 6 для дозирования добавки. Дозирующее устройство 6 в показанном примерном варианте осуществления представляет собой клапан, который содержит катушку 7 и подвижный компонент 8, в этом случае иглу клапана. Во время эксплуатации механического транспортного средства 14 жидкая добавка может подаваться в выпускной трубопровод 2 с помощью устройства 1.
На фиг. 2 схематически показано устройство 1, имеющее бак 3. В баке 3 образована емкость 18, в которой расположено дозирующее устройство 6 для дозирования жидкой добавки. В этом случае дозирующее устройство 6 реализовано в виде насоса. Дозирующее устройство 6 (насос) содержит катушку 7 и подвижный компонент 8 для приведения в действие насоса. Дозирующее устройство 6 соединено с подающим трубопроводом 4, по которому жидкая добавка подается из бака 3 через дозирующее устройство 6 в выпускной трубопровод 2 (не показан). В баке 3 также расположен нагревательный элемент 5, выполненный из позистора. Дополнительно или в качестве альтернативы нагревательный элемент 5 также может быть расположен в стенке бака 3. Дозирующее устройство 6 и нагревательный элемент 5 соединены с управляющим устройством 10, которое, в свою очередь, соединено с источником 13 напряжения. С помощью нагревательного элемента 5 добавка в баке 3 может сохраняться в жидком состоянии или быть переведена в жидкое состояние.
На фиг. 3 показана блок-схема устройства 1. Блок-схема содержит источник 13 напряжения, первый переключающий элемент 9, второй переключающий элемент 11, третий переключающий элемент 12 и четвертый переключающий элемент 17, катушку 7 дозирующего устройства 6 и нагревательный элемент 5. Нагревательный элемент 5 может быть последовательно соединен с катушкой 7 или соединен с ней параллельно, в зависимости от положения переключающих элементов 9, 11, 12, 17.
Когда четвертый переключающий элемент 17 замкнут, катушка 7 может быть последовательно соединена с нагревательным элементом 5 в силу того, что первый переключающий элемент 9 замкнут. Таким образом, ток течет, и через катушку 7, и через нагревательный элемент 5, что является благоприятным, прежде всего, во время активации нагревательного элемента 5, потому что тем самым пиковый ток ограничивается по величине.
Когда нагревательный элемент 5 находится при рабочей температуре, нагревательный элемент 5 может работать параллельно с катушкой 7 в силу того, что второй переключающий элемент 11 замкнут, а первый переключающий элемент 9 разомкнут. В этом случае катушка 7 и нагревательный элемент 5 могут быть активированы и деактивированы независимо друг от друга посредством третьего переключающего элемента 12 и четвертого переключающего элемента 17.
Третий переключающий элемент 12 и четвертый переключающий элемент 17 могут быть использованы для эксплуатации катушки 7 в режиме широтно-импульсной модуляции тока.
С помощью настоящего изобретения является возможным недорогим образом ограничивать по величине ток активации через нагревательный элемент 5, состоящий из позисторного материала.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ