专利名称：具有防通气装置的还原剂剂量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种还原剂剂量系统，并且更特别是涉及一种具有防通气装置的还原剂剂量系统。
背景技术：
还原剂剂量系统通常用来减少例如机动和固定发电应用的大型机械中的NOx排放物，在这些大型机械中，要考虑的空间和重量并不是问题。还原剂存储在位于机械上的罐内，并且随着机械操作并产生废气，还原剂从罐泵送到机械废气系统内。还原剂与废气在高温下反应，以便实现废气内的NOx的选择性催化还原(SCR)。剂量系统的公知缺陷与冷冻一些还原剂的相对高的环境温度(大约12 T )相关。 在还原剂冷冻时，还原剂在剂量系统内膨胀，造成例如喷射器喷嘴的复杂部件损坏和/或堵塞。阻止冷冻的一种方式是在使用之后清洁该系统。为了清洁剂量系统，清洁流体(通常是空气)被引导经过系统通道和部件，以便将剩余的还原剂推出系统。Lecea等人的美国专利申请公开文献No. 2005/0252201 (现在放弃的‘201公开文献)公开一种示例性清洁过程。具体地，‘201公开文献公开一种经由泵和通道连接到废气系统的尿素存储罐。尿素经由位于通道上的喷雾器喷射到废气系统内。‘201公开文献还公开一种使用压缩空气从泵和喷雾器之间的通道清洁还原剂的清洁系统。在压缩空气引入通道之后，空气和还原剂的混合物流回罐，或者经由喷雾器离开系统。
发明内容
根据一个方面，本发明涉及一种还原剂剂量系统。还原剂剂量系统可包括能够保持还原剂的罐、剂量装置以及将罐连接到剂量装置的供应通道。还原剂剂量系统还可包括能够将清洁流体引导到剂量装置和供应通道中的至少一个的清洁装置，以及能够允许还原剂经由供应通道从罐到剂量装置并防止清洁流体进入罐的阀。根据另一方面，本发明涉及一种还原剂剂量系统。还原剂剂量系统可包括能够保持还原剂的罐、剂量装置以及将罐连接到剂量装置的供应通道。还原剂剂量系统还可包括能够将清洁流体引导到剂量装置和供应通道中的至少一个的清洁装置、能够将剂量装置连接到罐的第一返回通道、位于罐内并与第一返回通道流体连通且具有到罐的出口的腔室， 以及能够将腔室与大气连通的排放部。根据又一方面，本发明涉及一种用于减少还原剂存储罐内通气的方法。该方法可包括对还原剂加压，并且将加压的还原剂从还原剂存储罐引导到剂量装置。该方法还包括对清洁流体加压，并且引导加压的清洁流体，以便迫使还原剂回到还原剂存储罐。该方法可另外包括防止加压的清洁流体返回到还原剂存储罐的低于罐内液位的部分。
图1是示例性公开的功率系统的示意图2是可用于图1的功率系统的还原剂源的示意图；图3是可用于图2的还原剂源的阀的截面图；图4是可用于图1的功率系统的替代还原剂源的示意图；以及图5是另一示例性公开的功率系统的示意图。
具体实施例方式图1表示示例性功率系统5，其具有能够产生废气流的发动机306，以及能够将还原剂引入发动机的废气流以影响减少NOx排放物的化学反应的剂量系统10。在一个实施方式中，剂量系统10可以是尿素剂量系统，尿素剂量系统将尿素溶液喷射到发动机306的废气系统12内，以影响选择性催化还原(SCR)。尿素溶液可包括水(H2O)和尿素((NH2)2CO)。 在高于大约250°C的温度下，该溶液分解成用来将发动机306的废气流中的NOx (NO和NO2) 转换成氮(N2)和水的氨(NH3)。剂量系统10可包括泵送装置15、剂量装置20和清洁装置 25。泵送装置15可操作以便将加压还原剂输送到剂量装置20，从而通过剂量装置20对废气系统12按剂量供给(dosing)。清洁装置25可操作，从而选择性地清洁泵送装置15和/ 或剂量装置20的残留还原剂。泵送装置15可包括对还原剂加压并将还原剂引导到剂量装置20的部件。特别是， 泵送装置15可包括泵30、还原剂源35和过滤器40。泵30可在通道42内产生还原剂流， 通道42流体连接到还原剂源35、过滤器40和剂量装置20。泵30可以是计量泵，例如隔膜泵、活塞泵或旋转泵。还原剂源35可以是用于存储还原剂的低压罐。过滤器40可以是能够从还原剂流中移除冰晶体和/或碎片的装置。随着泵30从还原剂源35抽吸还原剂并经由通道42朝着剂量装置20推送还原剂，还原剂的一部分会冷冻或已经被冷冻。这种冷冻的还原剂会在过滤器40处在泵30的上游收集。剂量装置20可包括将还原剂喷射到发动机306的废气系统12内的部件。特别地，剂量装置20可包括经由通道70流体互连的压力源45、压力调节器50、控制阀55、止回阀60和分配装置85。压力源45可包括能够对例如空气的清洁流体加压的泵，和/或能够容纳加压流体的容器。压力源45可经由通道70将加压流体朝着分配装置85引导。压力调节器50可机械地保持通道70内的压力适用于通过分配装置85进行还原剂按剂量供给。控制阀55可以是任何适当的阀，例如能够在打开位置和关闭位置之间运动的螺线管致动和弹簧偏置的控制阀。在打开位置上，控制阀55可选择性地使得流体流从压力源45经过通道70流到分配装置85，并且在关闭位置上，选择性地防止流过通道70。止回阀60可以帮助确保还原剂单向流过通道70。止回阀60可以是任何适当的阀，例如球形止回阀。分配装置85可以将还原剂分配到废气系统12中。通过分配装置85分配的还原剂可有助于减少NOx排放物的化学反应。清洁装置25可以被控制，以便选择性地从剂量系统10的部件中清洁还原剂。清洁装置25可包括传感器115、控制阀120、控制阀125、止回阀130和与传感器115以及控制阀55、120和125通讯的控制器135。控制器135可以经由电线137进一步与泵30通讯。 如果希望，控制器135还可连接到剂量系统10的其他部件，例如与发动机306的废气系统 12热接触的温度传感器。响应于来自传感器115和/或温度传感器的输入，控制器135可选择性地影响泵30以及控制阀55、120和125的操作。控制器135可以是本领域公知的用于自动执行机械程序的任何类型的可编程逻辑控制器，例如发动机控制单元(ECU)。传感器115可布置在通道70内，并且可以是用于测量其中流体的压力的任何适当的传感器。传感器115可以经由电线140电连接到控制器135，以便为控制器135提供作为输入的指示通道70的压力的数值。在传感器115报告不适用于剂量系统10操作的压力数值时，控制器135可经由电线145使得控制阀55从打开位置朝着关闭位置运动，由此防止流体流过通道70。控制阀120和止回阀130可流体布置在将通道70连接到通道42的通道150内。 控制阀120可类似于控制阀55，并且可选择性地允许和防止加压空气流过通道150。控制阀120的操作可经由电线155通过控制器135调节。止回阀130可类似于止回阀60，并有助于确保清洁流体从压力源45朝着泵30的入口单向流过通道150。控制阀125可类似于控制阀55和120，并且可选择性地允许和防止清洁流体和还原剂经由通道160从分配装置85返回流到还原剂源35。控制阀125的操作可以经由电线 165通过控制器135调节。通道160的尺寸可在一个实施方式中大于通道42，以便需要较小的压力来产生流动。如图2所示，还原剂源35可总体体现为罐32，罐32具有入口 290和出口 34，并能够保持还原剂。在一个例子中，入口 290和出口 34都位于罐32的上部(即高于罐32内的液位36的部分)。入口 290能够将通道160与罐32的上部连通，使得在清洁事件的过程中返回到还原剂源35的清洁流体和还原剂的混合物进入罐32。出口 34能够经由通道295 将通道42与位于罐32的下部(即低于罐32内的液位36的部分)的阀200连通。在一个实施方式中，过滤器或过滤器元件300可与通道295的位于罐32的下部的端部相关联。出口 34可在剂量事件的过程中使得还原剂通过泵30经由过滤器元件300从罐32抽吸，并且在清洁事件的过程中使得还原剂和清洁流体返回到罐32。在清洁事件的过程中，加压清洁流体和还原剂的混合物可在罐32的上部内收集。 如果没有考虑到，这种混合物会将罐32的上部内的总体压力增加到希望程度以上。通过包含能够将加压气体从罐32释放到大气的排放出口 M0，剂量系统10可有助于防止罐32内的压力达到极限。排放出口 240可位于上部处，例如在罐32的上表面，并且通过弹簧加载的排放帽250封闭。通过这种构造，在罐32内的压力达到预定程度时，弹簧加载的排放帽 250可克服弹簧的偏置运动，从而将加压气体释放到大气。替代地，如果希望，类似的排放出口配置可以手动释放、根据来自计时器的输入释放或者通过传感器、控制器和/或电子器件的使用来释放。为了有助于减少弹簧加载的排放帽250的打开过程中释放到大气的气态还原剂的量，还原剂源35可包括在罐32的液位36的上方位于入口 290处并与排放出口 240流体连通的总体封闭的腔室230。如上所述，清洁流体和残留还原剂的混合物会在清洁事件的过程中经由入口 290进入罐32和腔室230。随着这种混合物进入腔室230，液体还原剂会与混合物分离，并且通过重力抽吸，从而经由出口 270离开腔室230，同时与混合物分离的气体(即清洁流体和/或气态还原剂)可以经由排放出口 240离开腔室230。为了促使液体还原剂从腔室230经由出口 270流动，腔室230可包括定位在入口 290下方的一个或多个倾斜壁，以便朝着出口 270引导液体还原剂。在一些情况下，返回的清洁流体/还原剂混合物会以这样的速度和/或力进入腔室230使得不希望的混合物量朝着能够离开罐32进入大气的排放出口 240偏离倾斜壁。为了防止还原剂的这种不希望的排放，飞溅减小元件220可被定位成减缓从入口 290进入腔室230的还原剂的流动。飞溅减小元件220可在入口 290的下方总体定位在腔室230的倾斜壁上。飞溅减小元件220可包括由包括塑料、PVC、铝、钢及其组合的材料制成的网状或多孔表面。在清洁事件的过程中，残留的还原剂和清洁流体也可经由通道42和295返回到罐 32。如果允许在浸没在罐32的液位36以下的位置处直接进入罐32，则任何进入罐32的清洁流体(空气)会在罐32内造成气泡，导致罐32内的还原剂的退化。与返回通道201相关的阀200可防止清洁流体返回到罐32的底部。返回通道201可在阀200处从通道295 分支，并且延伸到罐32的上部。在所示实施方式中，返回通道201可经由入口 280延伸到腔室230内。如图2和3所示，阀200可总体体现为分解器，其具有主体206和布置在主体206 内并能够在两个隔开的端部位置之间运动的阀元件204。特别地，阀元件204可从第一位置朝着第二位置运动，在第一位置上，阀元件204接合第一阀座208以便在清洁事件的过程中防止流体从通道295流过阀200，在第二位置上，在剂量事件的过程中，流体可从罐32流过阀200到通道295和42。在阀元件204位于第一位置时，经由通道42返回罐32的流体 (即还原剂和清洁空气)也可以进入罐32，但是仅仅直接到其上部，从通道295到返回通道 201并进入腔室230。以此方式，基本上没有清洁流体可经由阀200直接进入罐32的底部。如图3的例子所示，阀元件204可体现为球元件，虽然例如提升阀或线轴元件的其它结构也是可以的。作为球元件，第一阀座208可总体体现为能够在第一位置上接收阀元件204的凹形锥形阀座。在位于所述的第二位置时，阀元件204可接合具有相关旁通凹槽 202的非密封的第二阀座210。旁通凹槽202可以被构造成使得即使阀元件204可以贴靠第二阀座210，还原剂也可在剂量事件的过程中通过旁通凹槽202从罐32流到通道295和 42。图4表示还原剂源35的替代实施方式。在此实施方式中，螺线管阀215可代替阀 200。螺线管阀215可总体具有第一状态和第二状态，在第一状态下，还原剂可在剂量事件的过程中从罐32的下部流过通道295和42，并且在第二状态下，在清洁事件的过程中，经由通道160返回到罐32的还原剂和清洁流体可经由入口 280直接进入腔室230。如果希望， 设想到螺线管阀215可编程，以便在第一状态和第二状态之间自动转换，或者手动调节。图5表示主要用于例如固定发电应用的固定应用的剂量系统10的替代实施方式。 类似于图1的剂量系统10，图5的剂量系统10可包括泵送装置15、剂量装置20、清洁装置 25和泵送装置25。但是，与图1的实施方式相比，图5的泵送装置25可包括不同的配阀构造，以有助于远程罐90的使用。特别地，除了所述的控制阀55之外，清洁装置25可包括补充控制阀92和剂量控制阀94。控制阀120和125可以从图5的清洁装置25中省略。补充控制阀92可定位成选择性地控制通过通道96从远程罐90向罐32填充还原剂。剂量控制阀94可定位成选择性地控制经过通道160的流体流，由此控制通道42内的压力累积，以及随后的清洁事件的启动。远程罐90可通过通道96流体连接到罐32，从而为罐32补充还原剂。在大多数应用中，远程罐90可具有比罐32大的容量，并且如果希望，甚至同时连接到不同剂量系统10的多个罐32。在一个实施方式中，例如低压传送泵98的压力源可与远程罐90相关联， 以便对还原剂加压，并由此形成从远程罐90到罐32的还原剂流。设想到泵98可以连续操作，或者只响应于罐32内的液位来操作。替代地或另外地，如果希望，还原剂流可以通过重力来辅助(即远程罐90可在重力学角度上定位成高于罐32，使得重力造成或增强还原剂流到罐32)。在一些情况下，具有布置其中的例如止回阀102的阀的旁通线100可以连接在通道96和远程罐90之间，使得在罐32不需要补充时，通过泵98加压的还原剂返回到远程罐 90。补充控制阀92可以是螺线管致动的导引操作的控制阀，其具有流体连接到第二阀元件106的第一阀元件104。第一阀元件104可以是螺线管致动的，从而克服弹簧偏置在第一位置和第二位置之间运动，在第一位置上，来自压力源45的加压空气(或另一种流体)被引导，从而运动第二阀元件106，并且在第二位置上，加压空气从第二阀元件106释放。在加压空气被引导到第二阀元件106时，第二阀元件106可运动到还原剂经过位置，在该位置上，通过泵98加压的还原剂可以被引导，从而对罐32补充。在加压空气从第二阀元件106释放时，第二阀元件106可朝着还原剂阻断位置被弹簧偏置。在一个例子中，第一阀元件104的启动以及随后的第二阀元件106的操作可以响应于来自与罐32相关联的液位传感器108的信号通过控制器135触发。类似于补充控制阀92，剂量控制阀94可体现为螺线管致动的导引操作的控制阀， 其具有流体连接到第二阀元件112的第一阀元件110。第一阀元件110可以是螺线管致动的，从而克服弹簧偏置在第一位置和第二位置之间运动，在第一位置上，来自压力源45的加压空气(或另一种流体)被引导，从而运动第二阀元件112，并且在第二位置上，加压空气从第二阀元件112释放。加压空气被引导到第二阀元件112时，第二阀元件112可运动到还原剂旁通位置，在该位置上，通过泵30加压的还原剂可以被引导回到罐32而不是引导到分配装置85。通过将还原剂引导回到罐32，压力不能在通道42内累积，由此防止分配装置 85喷射。在加压空气从第二阀元件112释放时，第二阀元件112可朝着还原剂阻断位置被弹簧偏置。在位于还原剂阻断位置时，通过泵30运动的还原剂的压力可在通道42内累积， 并由此有助于分配装置85喷射。工业实用性本发明的还原剂剂量系统可用于其中还原剂的冷冻和系统堵塞成为问题的任何功率系统应用中。本发明的还原剂剂量系统可通过提供清洁能力减小冷冻和/或堵塞的可能性。本发明的还原剂剂量系统还可显著地减小相关罐的还原剂内出现的发泡现象，以及造成的气态还原剂到大气的释放。现在将描述剂量系统10的操作。对于图1的实施方式，还原剂剂量可以在废气系统12内的温度超过例如大约 250°C的阈值温度时开始，从而执行选择性催化还原。在废气温度超过阈值温度时，控制器 135可将控制阀55运动到其通流位置，并同时造成泵30对还原剂加压，使得空气和还原剂分别经由通道70和42朝着分配装置85流动。此时，控制阀120和125可保持在或运动到阻断经过通道150和160的流动的位置。在这种情况下，加压空气和还原剂流可以通过分配装置85喷射或以其它方式注射到废气系统12。随着发动机306产生废气，经由分配装置85从罐32引导到废气系统12的还原剂可在高温下与废气内所含的NOx反应，进行NOx的选择性催化还原(SCR)。剂量系统10可以此方式使用，以便减少例如用于机车应用的发动机的大型发动机中的NOx排放物。在废气系统12内的温度落到阈值温度以下时，可以停止剂量，并开始清洁。一旦清洁开始，控制器135可防止发动机306关断，直到清洁过程完成为止。替代地，如果希望，发动机306可完全关断，并且随后可以开始清洁过程。可以开始清洁来防止剂量部件由于冷冻或随着废气系统12冷却形成聚合物所造成的损坏和/或堵塞。清洁过程可以通过控制器135将控制阀120和125运动到其通流位置并通过防止泵30操作来启动。在控制阀120位于其通流位置时，来自压力源45的加压清洁流体可以被引导经过通道150和42到还原剂源35。在控制阀125也运动到其通流位置时，被引导经过控制阀120和通道150和42的加压清洁流体流也可同时被引导经过泵30， 并接着经由控制阀125和通道160回到还原剂源35，和/或经过泵30并接着经过分配装置 85进入废气系统12，从而从这些部件推出还原剂。在清洁过程中，加压清洁流体可经由通道70进入分配装置85，并且在分配装置85内和残留还原剂一起被重新引导经过通道42、 控制阀125和通道160返回到还原剂源35。如果希望，设想到控制阀120和125可以在清洁过程中同时运动到其通流位置，或者在不同时刻选择性地运动到通流位置。对于图2，经由通道160返回到还原剂源35的清洁流体和还原剂可通过入口 290 进入腔室230。从此，返回的流体可与飞溅减小元件220相互作用，并且经由腔室出口 270 进入罐32。飞溅减小元件220可有助于减小返回还原剂不希望地朝着排放部240偏转并排放到环境的可能性。经由通道42返回到还原剂源35的清洁流体和还原剂可经由入口 34 进入罐32，并经由通道295朝着阀200流动。在清洁过程中，阀元件204可通过返回流体的压力贴靠第一阀座208移动，从而阻断流体排放在罐32内的液位36下方，而且替代地使流体转向经过返回通道201，从而在该液位上方且在腔室230内排放。在随后的剂量事件过程中，阀元件204可通过流体压力返回到贴靠第二阀座210的通流位置，在该位置，通过泵 30的操作经由过滤器元件300抽吸的还原剂可经由旁通凹槽202经过阀元件204(参考图 3)，并经由通道295进入通道42。对于图4的实施方式，在清洁过程中经由通道42返回到还原剂源35的清洁空气和还原剂可经由螺线管阀215和返回通道201直接流到腔室230。如上所述，螺线管阀215 在清洁过程中可运动到其第二位置，并且接着在随后剂量事件过程中通过弹簧偏置返回到其第一位置。在位于第一位置时，流体可通过泵30经由过滤器元件300、通道四5、螺线管阀215和通道42抽吸。对于图5的实施方式，还原剂剂量可以在类似于以上描述的情况下开始(即在废气系统12内的温度超过大约250°C )，从而进行选择性催化还原。特别地，在废气系统12 的温度超过阈值温度时，控制器135可将控制阀55运动到其通流位置，并同时激励剂量控制阀94的第一阀元件110，造成第二阀元件112运动到其第二或流动阻断位置。在控制阀 55和第二阀元件112都位于其流动阻断位置时，加压空气和还原剂可经由通道70和42流到分配装置85，从而通过分配装置85喷射。在剂量事件的过程中，在还原剂源35内的通过液位传感器108监控的还原剂高度落到预定高度以下时，控制器135可激励补充控制阀92 的第一阀元件104，以便将第二阀元件106运动到其通流位置，在该位置来自远程罐90的补充还原剂流入还原剂源35。在废气系统12内的温度落到阈值温度以下时，可以停止剂量，并开始清洁。为了开始图5所示的剂量系统10的清洁，控制器135可停止激励剂量控制阀94的第一阀元件 110，使得第二阀元件112被弹簧偏置到其第一或通流位置。此时，控制阀55也可位于或运动到其通流位置，使得来自压力源45的加压空气可经由通道70流入分配装置85，并且与残留还原剂流一起经过通道42、第二阀元件112和通道160返回到罐32的腔室230。在图5 的实施方式中，清洁流体不能经过泵30。在一个例子中，补充控制阀92的第二阀元件106 可以在清洁过程中被保持在其流动阻断位置，使得清洁流体也不流到远程罐90。
本领域的普通技术人员将明白可以对公开的剂量系统进行多种改型和变型。本领域普通技术人员从说明书的考量和公开的剂量系统的实施中将明白其他的实施方式。所打算的是该说明书和例子只作为示例性考虑，而本发明的真实范围通过下面的权利要求及其等同物来指明。
权利要求
1.一种还原剂剂量系统(10)，包括 罐(35)，能够保持还原剂；剂量装置(20)；供应通道(42)，将所述罐连接到所述剂量装置；清洁清洗装置0 ，能够将清洁流体引导到所述剂量装置和所述供应通道中的至少一个；以及阀(200)，能够允许还原剂经由所述供应通道从所述罐到所述剂量装置，并且防止清洁流体进入所述罐。
2.根据权利要求1所述的还原剂剂量系统，其中所述阀包括两个相对的阀座(208、 210)和一个阀元件004)，所述阀元件(204)能够在第一位置和第二位置之间运动，在所述第一位置，所述阀元件(204)贴靠所述两个相对的阀座中的第一个以防止清洁流体进入所述罐，在所述第二位置，所述阀元件(204)贴靠所述两个相对的阀座中的第二个以允许还原剂从所述罐到所述供应通道。
3.根据权利要求2所述的还原剂剂量系统，其中所述阀还包括位于所述两个相对的阀座中的第二个处的凹槽O02)；所述凹槽能够在所述阀元件位于所述第二位置时使得还原剂旁通所述阀元件；以及所述阀能够在所述阀位于所述第一位置时防止清洁流体进入所述罐的低于液位的部分。
4.根据权利要求3所述的还原剂剂量系统，还包括第一返回通道001)，将所述供应通道连接到所述罐的所述液位以上的部分； 入口，其位于所述罐的所述液位以下并经由所述阀流体联接到所述第一返回通道和所述供应通道两者上；以及过滤器元件(300)，位于所述入口处。
5.根据权利要求4所述的还原剂剂量系统，还包括排放室(230)，位于所述罐的所述液位以上，并且流体联接到所述第一返回通道；以及第二返回通道(160)，将所述剂量装置连接到所述排放室。
6.一种减小还原剂存储罐(3 内通气的方法，包括 对还原剂加压；将加压的还原剂从所述还原剂存储罐引导到剂量装置00)； 对清洁流体加压；引导加压的清洁流体，迫使还原剂回到所述还原剂存储罐；以及防止所述清洁流体返回到所述还原剂存储罐的低于所述还原剂存储罐内存在的液位的部分。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括将返回的清洁流体经由所述还原剂存储罐的低于所述液位的部分引导到所述还原剂存储罐的高于所述液位的部分。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括将返回的清洁流体引导到所述还原剂存储罐的高于所述液位的部分。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括将清洁流体从所述还原剂存储罐排放到大气。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括减少来自返回的清洁流体的飞溅。
全文摘要
公开一种用于机械(5)的还原剂剂量系统(10)，该机械具有发动机(306)和废气系统(12)。还原剂剂量系统具有被构造成保持还原剂的罐(35)、剂量装置(20)和将罐连接到剂量装置的供应通道(42)。还原剂剂量系统还具有被构造成将清洁流体引导到剂量装置和供应通道中的至少一个的清洁装置(25)和被构造成允许还原剂从罐到供应通道并防止清洁流体进入罐的阀(200)。
文档编号F01N3/36GK102325972SQ201080008741
公开日2012年1月18日 申请日期2010年2月16日 优先权日2009年2月20日
发明者R·B·格吉斯, S·D·鲁曾布姆, S·P·西亚加拉简, S·玛帕拉普, T·O·威拉斯奎兹, Y·T·伯伊, 孙金辉 申请人:卡特彼勒公司