УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ВОССТАНОВИТЕЛЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ
DEVICE FOR FEEDING REDUCING AGENT AND METHOD FOR PRODUCING VEHICLE

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.
x
2
2
4
2
3
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). В ходе такого превращения оксиды азота при добавлении восстановителя восстанавливаются до N (азота) и НО (воды). Восстановитель, в качестве которого преимущественно используют CHNO (мочевину) или NH (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.