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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsvorrichtung
für eine Brennkraftmaschine, und genauer gesagt auf eine
derartige Vorrichtung, die einen Katalysator zum Reduzieren von
Stickoxiden unter Verwendung von Harnstoff als ein Reduktionsmittel
aufweist (als SCR-Katalysator bezeichnet).
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Bisher
war eine Abgasreinigungsvorrichtung zum Reinigen von in Abgas enthaltenen
Stickoxiden schon bekannt, bei der Harnstoff als ein Reduktionsmittel
verwendet wird. Ein typisches Beispiel einer üblichen Vorrichtung
ist in 5 gezeigt, die hier angefügt ist. Der
SCR-Katalysator 102 zum Reduzieren von Stickoxiden im Abgas
unter Verwendung von Harnstoff als ein Reduktionsmittel ist in einem
Abgasrohr 101 angeordnet. Ein Injektor 103 zum
Zuführen von Harnstoffwasser, das in einem Tank 104 enthalten
ist, ist in dem Abgasrohr 101 stromaufwärts des SCR-Katalysators 102 angeordnet.
Das Harnstoffwasser wird durch einen Harnstoffwasserdurchgang 105 und
einen Filter 106 zu dem Injektor 103 befördert.
Ammoniak entsteht durch Hydrolyse aus dem Harnstoffwasser unter
Wärmeeinwirkung in dem Abgasrohr 101. In Abgas
enthaltene Stickoxide werden durch Ammoniak an dem SCR-Katalysator 102 zu Stickstoff
und Wasser reduziert.
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Harnstoffwasser
wird in dem SCR-System als ein Reduktionsmittel verwendet, da Harnstoffwasser
einfacher als Ammoniak zu handhaben ist und ungiftig ist. Gewöhnlich
wird Harnstoffwasser verwendet, das 32,5% Harnstoff enthält,
da es die niedrigste Gefriertemperatur aufweist, nämlich –11°C.
In einem sehr kalten Winter besteht jedoch die Möglichkeit,
dass eine Temperatur unter –11°C sinkt. Das bedeutet,
dass eine Möglichkeit besteht, dass das Harnstoffwasser
teilweise oder vollständig gefriert, falls eine Temperatur
unter eine Erstarrungstemperatur des Harnstoffwassers sinkt. Ein
Volumen des Harnstoffwassers, das in dem Tank enthalten ist, nimmt
zu, wenn es gefriert, und der Tank kann durch das gefrorene Harnstoffwasser
beschädigt werden.
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Um
dieses Problem zu bewältigen, schlägt das Dokument
JP-A-2004-324651 einen
Tank zum Aufnehmen des Harnstoffwassers vor, in dem ein bestimmter
Bereich zum Absorbieren einer Volumenzunahme des Harnstoffwassers
vorgesehen ist. Des Weiteren wird vorgeschlagen, eine Heizeinrichtung
in dem Tank oder außerhalb des Tanks vorzusehen, um zu
verhindern, dass das Harnstoffwasser gefriert. Wenn die Volumenzunahme des
Harnstoffwassers in dem Tank ein bestimmtes Niveau erreicht, wird
eine Heizeinrichtung betrieben, um das gefrorene Harnstoffwasser
zu schmelzen. Mehrere Schläuche, durch die ein Kühlmittel
einer Maschine strömt, können als die Heizeinrichtung
verwendet werden. Alternativ kann eine elektrische Heizeinrichtung
als die Heizeinrichtung verwendet werden.
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Das
nachfolgende Problem tritt jedoch bei dem vorhergehend beschriebenen
herkömmlichen System auf. Sowie das Harnstoffwasser in
dem Tank einmal teilweise gefroren ist, weist ein Teil des Harnstoffwassers,
der nicht gefroren ist, eine hohe Harnstoffdichte auf. In diesem
Fall wird nur der nicht gefrorene Teil des Harnstoffwassers mit
einer hohen Dichte zu dem Abgasrohr zugeführt. Mit einem
Voranschreiten des Gefrierens des Harnstoffwassers wird die Harnstoffdichte
in dem nicht gefrorenen Teil höher. Wenn die Harnstoffdichte
in dem nicht gefrorenen Teil höher als eine Sättigungsdichte
(beispielsweise höher als 50%) wird, wird kristallförmiger
Harnstoff ausgefällt. Sowie das Ausfällen einmal
auftritt, wird es schwierig, das ausgefällte Harnstoffkristall durch
Erwärmen wieder zu Harnstoffwasser zu schmelzen. Demnach
enthält das Harnstoffwasser, das teilweise gefroren und
wieder geschmolzen wird, den Harnstoff in einer Dichte, die niedriger
ist als ein Ursprungsniveau. In diesem Fall wird das Harnstoffwasser
mit einer niedrigeren Dichte zu dem Abgasrohr zugeführt.
Das bedeutet, dass die Harnstoffdichte in dem Harnstoffwasser, das
zu dem Abgasrohr zugeführt wird, unbeständig wird.
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Es
ist möglich, die Heizeinrichtung zu betreiben, bevor das
Harnstoffwasser teilweise gefriert. In diesem Fall ist es jedoch
schwierig, das Harnstoffwasser in dem Tank gleichmäßig
zu erwärmen. Ein Teil des Harnstoffwassers, der der Heizeinrichtung nahe
ist, wird mit einer höheren Temperatur als ein Teil des
Harnstoffwassers erwärmt, der sich weg von der Heizeinrichtung
und nahe an den Wänden des Tanks befindet. Das bedeutet,
dass die Harnstoffdichte in dem Harnstoffwasser in dem Tank ungleichmäßig
wird. Wenn das Harnstoffwasser auf einer sehr niedrigen Temperatur
gehalten wird, ohne gerührt zu werden, kann das Harnstoffwasser
ferner vollständig gefrieren, und es braucht eine lange
Zeit, um das Harnstoffwasser wieder zu schmelzen und um es zu dem
Abgasrohr zuzuführen. Zudem wird die Harnstoffdichte im
Zuge des Schmelzens unbeständig, wie es vorhergehend angemerkt
worden ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde anbetrachts des vorhergehend genannten
Problems gemacht, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
es, eine Abgasreinigungsvorrichtung bereitzustellen, bei der ein
Gefrieren oder ein Erstarren des Harnstoffwassers bei einer niedrigen
Temperatur verhindert wird und bei der eine Temperatur des Harnstoffwassers
in einem Tank gleichmäßig gehalten wird.
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Die
Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einer Brennkraftmaschine verwendet, wie zum Beispiel
einer Dieselmaschine, um im Abgas enthaltene Stickoxide zu reduzieren.
Die Abgasreinigungsvorrichtung hat einen in einem Abgasrohr angeordneten
Katalysator, einen in dem Abgasrohr stromaufwärts des Katalysators
angeordneten Injektor und einen Tank, der Harnstoffwasser enthält,
das durch einen Harnstoffwasserdurchgang zu dem Injektor zugeführt
wird. Die Stickoxide werden an dem Katalysator unter Verwendung von
aus dem Harnstoffwasser gebildetem Ammoniak, das in das Abgasrohr
eingespritzt wird, zu harmlosen Komponenten reduziert.
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Das
in dem Tank enthaltene Harnstoffwasser wird durch eine Vorrichtung
gerührt, die beispielsweise aus Flügeln und einem
Motor zum Antreiben der Flügel besteht, um die Temperatur
und die Dichte des Harnstoffwassers in dem Tank gleichmäßig
zu machen, wodurch das Harnstoffwasser daran gehindert wird, bei
einer niedrigen Temperatur teilweise zu gefrieren. Ein Betrieb der
Rührvorrichtung wird durch eine elektronische Steuerungseinheit
basierend auf der Temperatur gesteuert, die durch eine Sensorvorrichtung
erfasst wird, wie zum Beispiel einen Temperatursensor. Wenn die
Harnstoffwassertemperatur auf eine Temperatur fällt, bei
der das Harnstoffwasser teilweise gefriert, wird das Harnstoffwasser
durch die Flügel gerührt, um das teilweise Gefrieren
des Harnstoffwassers zu unterdrücken. Durch Rühren
des Harnstoffwassers wird die Harnstoffdichte in dem Harnstoffwasser
gleichmäßig gemacht.
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Zusätzlich
zu der Rührvorrichtung kann eine Heizvorrichtung in dem
Tank eingebaut sein. Sowohl die Rührvorrichtung als auch
die Heizeinrichtung werden angeschaltet, wenn die Harnstoffwassertemperatur
auf eine Temperatur fällt, bei der das Harnstoffwasser
teilweise gefriert. Wenn die Harnstoffwassertemperatur auf eine
Temperatur steigt, bei der keine Möglichkeit des teilweisen
Gefrierens besteht, wird der Betrieb der Rührvorrichtung
und der Heizvorrichtung beendet. Wenn die Rührvorrichtung
und die Heizvorrichtung betrieben werden, wenn die Maschine nicht
in Betrieb ist, werden sie umsichtig betrieben, um nicht die Batterie
aufzubrauchen, während die Bedingungen der Batterie kontrolliert
werden.
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Durch
Rühren des in dem Tank enthaltenen Harnstoffwassers kann
dessen Temperatur und Dichte in dem Tank gleichmäßig
gemacht werden, wodurch ein teilweises Gefrieren des Harnstoffwassers verhindert
wird. Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind
durch ein besseres Verständnis des bevorzugten Ausführungsbeispiels
ersichtlich, das nachfolgend in Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen
beschrieben ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein gesamtes System inklusive einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das einen Vorgang des Steuerns einer Rührvorrichtung
und einer Heizvorrichtung zeigt, die in einem Tank eingebaut sind,
der Harnstoffwasser enthält;
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3 ist
ein Flussdiagramm, das einen Vorgang des Steuerns einer Rührvorrichtung
und einer Heizvorrichtung zeigt, wenn die Maschine betrieben wird;
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4A ist
ein schematisches Schaubild, das eine Temperatur und eine Dichte
des Harnstoffwassers zeigt, das in einem Tank einer herkömmlichen Vorrichtung
enthalten ist, wobei das Harnstoffwasser auf einer niedrigen Temperatur
gehalten wird;
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4B ist
ein schematisches Schaubild, das eine Temperatur und eine Dichte
des Harnstoffwassers in demselben herkömmlichen Tank wie
in 4A zeigt, wobei das Harnstoffwasser erwärmt wird,
nachdem es auf einer niedrigen Temperatur gehalten wurde; und
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5 zeigt
ein typisches Beispiel einer üblichen Vorrichtung gemäß dem
Stand der Technik.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Abgasreinigungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung bei einer Dieselmaschine mit einem Turbolader
verwendet. Es ist natürlich möglich, die Abgasreinigungsvorrichtung
bei anderen Brennkraftmaschinen zu verwenden.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, ist ein Abgasrohr 11 mit
einer Maschine 1 verbunden. Ein Turbolader 12 ist
in dem Abgasrohr 11 stromabwärts eines Abgaskrümmers
der Maschine eingebaut. Eine Turbine des Turboladers 12 wird
durch Abgas angetrieben, und ein Verdichter (nicht gezeigt) des
Turboladers, der in einem Einlassluftdurchgang angeordnet ist, verdichtet
Luft, die zu der Maschine zugeführt wird. Das von der Maschine 1 abgegebene
Abgas tritt durch das Abgasrohr 11 und wird durch eine
Abgasreinigungsvorrichtung gereinigt, die in dem Abgasrohr 11 angeordnet
ist.
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Die
Abgasreinigungsvorrichtung weist einen Oxidationskatalysator 12 und
einen NOx-Katalysator 22 auf, der
aus einem SCR-Katalysator 23 und einem weiteren Oxidationskatalysator 24 besteht.
Diese Katalysatoren sind in dem Abgasrohr 11 in dieser
Reihenfolge von dessen stromaufwärtigen Ende an angeordnet.
Der Oxidationskatalysator 21 wandelt NO (Stickstoffmonoxid),
das in dem Abgas enthalten ist, zu NO2 (Stickstoffdioxid)
um, um ein NO2-Verhältnis in NOx zu erhöhen, und dadurch eine Reduktionsreaktion
von NOx in dem stromabwärtigen Abschnitt des
Abgasrohres 11 einfacher zu machen. Zur selben Zeit oxidiert
der Oxidationskatalysator 21 HC (Kohlenwasserstoff) und
CO (Kohlenmonoxid).
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Der
SCR-Katalysator 23 reduziert NOx unter Verwendung
eines Reduktionsmittels. Um das Reduktionsmittel zu dem SCR-Katalysator 23 zuzuführen,
wird Harnstoffwasser von einem Injektor 3 zugeführt,
der in dem Abgasrohr 11 stromaufwärts des SCR-Katalysators 23 eingebaut
ist. Das Harnstoffwasser wird von einem Tank 4 durch einen
Harnstoffwasserdurchgang 30 zugeführt. Ammoniak
entsteht aus dem Harnstoffwasser in dem Abgasrohr 11 durch Hydrolyse
unter Wärmeeinwirkung. Das Harnstoffwasser wird zum Ausbilden
von Ammoniak verwendet, da Harnstoffwasser einfach zu handhaben
und harmlos ist. NOx in dem Abgas wird durch
Reaktion mit dem Ammoniak in Gegenwart des SCR-Katalysators 23 reduziert.
Ammoniak, das nicht mit dem NOx reagiert,
wird in den Oxidationskatalysator 24 oxidiert, um dadurch
Ammoniak in harmlose Komponenten umzuwandeln.
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Das
Harnstoffwasser ist in dem Tank 4 enthalten. Das Harnstoffwasser
wird durch eine Pumpe 41 nach oben gepumpt und durch den
Harnstoffwasserdurchgang 31 und einen in dem Durchgang 31 angeordneten
Filter (nicht gezeigt) zu dem Injektor 3 zugeführt.
Eine Druckreguliereinrichtung 32 ist mit dem Harnstoffwasserdurchgang 31 verbunden.
Wenn ein Druck des Harnstoffwassers ein vorbestimmtes Niveau übersteigt,
wird eine Rückführoffnung 33 der Druckreguliereinrichtung 32 geöffnet,
um das Harnstoffwasser zu dem Tank 4 zurückzuführen.
Als der Injektor 3 kann ein luftunterstützter
Injektor verwendet werden. In diesem Fall wird Druckluft zu dem
Injektor 3 zugeführt, um das Harnstoffwasser in
das Abgasrohr 11 einzuspritzen.
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Der
Injektor 3 ist an dem Abgasrohr 11 mit einem geneigten
Winkel so installiert, dass das Harnstoffwasser, das von dem Injektor 3 eingespritzt
wird, gleichmäßig zu einer Einlassöffnung
des SCR-Katalysators 23 zugeführt wird. Das eingespritzte
Harnstoffwasser wird durch Hydrolyse unter Wärmeeinwirkung
zu Ammoniak (NH3) umgewandelt, wie es in der
nachfolgenden Formel gezeigt ist: (NH2)2CO + H2O → NH3 + NHCO; NHCO + H2O → NH3 + CO2
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Das
Ammoniak reagiert mit NOx an dem SCR-Katalysator 23,
und NOx wird gemäß der
nachfolgenden Formel reduziert: NO + NO2 +
2NH3 → 2N2 +
3H2O Ammoniak, das nicht an der Reduktion
von NOx mitwirkt und das andernfalls in
die Atmosphäre abgegeben wird, wird in dem Oxidationskatalysator 24 gemäß der
nachfolgenden Formel zu harmlosen Komponenten umgewandelt: 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
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Die
Harnstoffdichte in den Harnstoffwasser, das in dem Tank 4 enthalten
ist, ist auf 32,5% festgesetzt, was die niedrigste Gefriertemperatur
ergibt, nämlich –11,5°C. Falls die Umgebungstemperatur
jedoch unterhalb der Gefriertemperatur sinkt, gefriert das Harnstoffwasser
teilweise an Abschnitten nahe der Bodenwand und den Seitenwänden,
die durch die Umgebungstemperatur am meisten gekühlt werden.
An diesen Abschnitten fällt der Harnstoff in einem kristallinen
Zustand aus. Falls dies eintritt, wird die Harnstoffdichte eines
nicht gefrorenen Anteils des Harnstoffwassers höher als
das ursprüngliche Niveau. Wenn der gefrorene Anteil des
Harnstoffwassers wieder geschmolzen wird, wird die Harnstoffdichte
in dem geschmolzenen Anteil niedriger als das ursprüngliche
Niveau, da das Harnstoffkristall nicht einfach zu schmelzen ist,
wenn es einmal gefroren ist. Als ein Ergebnis kann die Harnstoffdichte
in dem zu dem Injektor 3 zugeführten Harnstoffwasser
nicht auf einem konstanten Niveau beibehalten werden.
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Um
das vorhergehend genannte Problem zu bewältigen ist eine
Rührvorrichtung 5 zum Rühren des Harnstoffwassers
in dem Tank 4 gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen. Durch Rühren des Harnstoffwassers
kann die Harnstoffwassertemperatur gleichmäßig
gemacht werden, und ein teilweises Gefrieren des Harnstoffwassers
kann verhindert werden. Die Rührvorrichtung 5 wird
gemäß Signalen von einer Sensorvorrichtung betrieben,
wie z. B. von einem Temperatursensor 71, der die Harnstoffwassertemperatur
erfasst.
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Die
Rührvorrichtung 5 kann aus Rührflügeln 51,
die an einem mittleren Abschnitt einer Bodenwand des Tanks 4 angeordnet
sind, und einer Antriebsvorrichtung bestehen, wie z. B. einem Elektromotor 52 zum
Antreiben der Flügel 51.
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Es
ist wünschenswert, eine Heizeinrichtung 42 zum
Erwärmen des Harnstoffwassers zusätzlich zu der
Rührvorrichtung 5 vorzusehen. In diesem speziellen
Ausführungsbeispiel ist die Heizeinrichtung 42 an
der Bodenwand des Tanks 4 um die Rührflügel 51 herum
angeordnet. Die Heizeinrichtung 51 kann aus einer elektrischen
Heizeinrichtung bestehen, die durch eine bordeigene Batterie 6 angetrieben
wird. Ein Betrieb des Motors 52 und der Heizeinrichtung 42 wird
durch eine elektronische Steuerungseinheit 7 basierend
auf Signalen von dem Temperatursensor 71 gesteuert.
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Die
Heizeinrichtung 42 ist vorzugsweise in einer Scheibenform
ausgebildet, die ein Mittelloch an der Stelle aufweist, an der die
Rührflügel 51 positioniert sind. Das
durch die Heizeinrichtung 42 erwärmte Harnstoffwasser
bildet einen Konvektionsstrom in dem Tank 4 in der vertikalen
Richtung aus, und die Rührflügel 51 bilden
einen Strom in der horizontalen Richtung um die Flügel 51 aus.
Das Harnstoffwasser in dem Tank 4 wird durch die Flügel
in sowohl der vertikalen als auch der horizontalen Richtung gut
gerührt, wodurch die Harnstoffwassertemperatur und -dichte
in dem Tank 4 gleichmäßig gemacht wird.
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Es
ist vorzuziehen, die Pumpe 41 über der Heizeinrichtung 42 zu
positionieren, wie es in 1 gezeigt ist, sodass das gut
gerührte Harnstoffwasser, das eine gleichmäßige
Dichte aufweist, durch die Pumpe 41 angesaugt und durch
den Injektor 3 in das Abgasrohr 11 zugeführt
wird. Als eine Vorrichtung zum Erfassen einer Möglichkeit
des Gefrierens ist ein Temperatursensor 71 in dem Tank 4 in
diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen. Der Betrieb des
Rührmotors 52 und der Heizeinrichtung 42 wird
durch die ECU 7 basierend auf Signalen von dem Temperatursensor 71 gesteuert.
Es ist möglich, zusätzlich dazu einen Umgebungstemperatursensor 72 zum
Erhalten von Referenzinformationen vorzusehen. Es ist möglich,
den Motor 52 durch Öldruck anzutreiben.
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Vorteile,
die in dem vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
erlangt werden, sind nachfolgend zusammengefasst. Da das Harnstoffwasser
in dem Tank 4 durch die Rührvorrichtung 5 gerührt
wird, kann die Harnstoffwassertemperatur und -dichte gleichmäßig
gemacht werden, wodurch ein teilweises Gefrieren des Harnstoffwassers
verhindert wird. Durch ein zusätzliches Verwenden der Heizeinrichtung 42 wird
Harnstoffwasser, das nahe den Wänden des Tanks 4 positioniert
ist, die durch die niedrige Umgebungstemperatur am meisten gekühlt werden,
daran gehindert, teilweise zu gefrieren. Da die Heizeinrichtung 42 an
der Bodenwand des Tanks 4 angeordnet ist, wird das Harnstoffwasser
mit einer Konvektionsströmung in dem Tank 4 gut
gerührt.
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Da
die Pumpe 41 und die Rückführöffnung 33 der
Druckreguliereinrichtung 32 eine zweite Rührvorrichtung
zusätzlich zu den Rührflügeln 51 ausbilden,
wird das Harnstoffwasser des Weiteren effektiv gerührt.
Es ist am meisten vorzuziehen, die Rückführöffnung 33 und
eine Saugöffnung der Pumpe 41 auf einer diagonalen
Linie in dem Tank 4 zu positionieren, wie es in 1 gezeigt
ist. Da das heiße Harnstoffwasser, das durch die Heizeinrichtung 42 erwärmt
wird, zu einem oberen Abschnitt des Tanks 4 rückgeführt
wird, wird die Konvektion des Harnstoffwassers weiter begünstigt.
Da die vertikale Strömung, die durch die Pumpe 41 und
die Konvektion auf Grund des Erwärmens der Heizeinrichtung 42 erzeugt
wird, und die horizontale Strömung, die durch die Rührflügel 51 verursacht
wird, miteinander in Wechselwirkung treten, wird das Harnstoffwasser
gut gerührt und die Harnstoffdichte und die Temperatur
in dem Harnstoffwasser können gleichmäßig
gemacht werden.
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Die
Heizeinrichtung 42 kann an anderen Stellen positioniert
werden. Beispielsweise kann sie sich außerhalb des Tanks 4 befinden
oder kann in der Wand des Tanks 4 eingebettet sein. Die
Wände des Tanks 4 können mit einem wärmeisolierenden
Material bedeckt sein, um einen Temperaturabfall zu unterdrücken.
Die Bedingungen zum Betreiben der Rührvorrichtung 5 und
der Heizeinrichtung 42 können Bedingungen umfassen,
die von der Harnstoffwassertemperatur und der Umgebungstemperatur verschieden
sind. Beispielsweise können Betriebsbedingungen der Maschine
und/oder der Pumpe 41 umfasst sein. Es ist vorzuziehen,
einen Batteriesensor 41 vorzusehen, der eine Restkapazität
der bordeigenen Batterie 6 erfasst, sodass die Rührvorrichtung 5 und
die Heizeinrichtung 42 so betrieben werden, dass sie nicht
die Batteriekapazität aufbrauchen. Wenn die Maschine nicht
in Betrieb ist, kann beispielsweise die Rührvorrichtung 5 mit
Unterbrechungen betrieben werden. Die Rührvorrichtung 5 kann
zudem nur dann betrieben werden, wenn die Pumpe 41 nicht
betrieben wird, da ein Rühren des Harnstoffwassers einigermaßen
durch Betrieb der Pumpe 41 erreicht wird.
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Ein
Vorgang des Steuerns der Rührvorrichtung ist in Bezug auf 2 beschrieben.
Bei Schritt S1 wird bestimmt, ob ein Verhindern des Gefrierens des
Harnstoffwassers erforderlich ist, oder nicht. Die Gefrierverhinderung
kann beispielsweise erforderlich sein, wenn der Zündschlüssel
der Maschine abgeschaltet ist, oder es kann erforderlich sein, wenn
ein Fahrer dieses bestimmt. Derartige Bedingungen zum Anfordern
des Verhinderns des Gefrierens sind in der ECU 7 voreingestellt.
Falls die Gefrierverhinderung angefordert wird, geht der Schritt
zu S2 über. Falls nicht, wird der Vorgang direkt beendet.
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Bei
Schritt S2 wird die Harnstoffwassertemperatur T durch den Temperatursensor 71 erfasst. Bei
Schritt S3 wird bestimmt, ob die Harnstoffwassertemperatur T niedriger
als eine vorgegebene Temperatur Tb ist, bei der ein Betrieb der
Rührvorrichtung 5 und der Heizeinrichtung 42 erforderlich
ist, oder nicht. Die Temperatur Tb ist eine Temperatur, bei der
ein teilweises Gefrieren des Harnstoffwassers angenommen wird. Tb
ist beispielsweise auf –5°C festgesetzt. Der Grund,
warum Tb auf eine Temperatur höher als eine Gefriertemperatur
(–11°C) des Harnstoffwassers (mit einer Dichte
von 32,5%) festgesetzt ist, ist der, dass ein teilweises Gefrieren
auf Grund einer Temperaturabweichung in dem Tank 4 verhindert wird.
Falls T niedriger als Tb ist, geht der Vorgang zu Schritt S4 über.
Falls nicht, wird der Vorgang direkt beendet (Rückkehr).
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Bei
Schritt S4 werden die Rührvorrichtung 5 und die
Heizeinrichtung 42 angeschaltet. Anschließend
wird bei Schritt S5 bestimmt, ob T höher als eine Temperatur
(Tb + ΔT) wird. Die Temperatur ΔT ist eine Grenztemperatur,
um die Harnstoffwassertemperatur ausreichend hoch zu bringen. Falls
T höher als (Tb + ΔT) ist, kann das Harnstoffwasser
einen normalen Zustand vollständig zurückerlangen,
auch dann, wenn ein teilweises Gefrieren aufgetreten ist. ΔT
ist beispielsweise auf 5°C festgesetzt. Falls T höher
als (Tb + ΔT) ist, geht der Vorgang auf Schritt S6 über,
indem die Rührvorrichtung 5 und die Heizeinrichtung 42 abgeschaltet
werden. Falls T niedriger als (Tb + ΔT) ist, kehrt der
Schritt S4 zurück, um den Betrieb der Rührvorrichtung 5 und
der Heizeinrichtung 42 vorzusetzen, bis T höher
als (Tb + ΔT) wird.
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Der
Steuerungsvorgang, der in 2 gezeigt
ist, wird immer dann durchgeführt, wenn die Gefrierverhinderung
angefordert bzw. erforderlich ist, unabhängig davon, ob
die Maschine in Betrieb ist oder nicht. Ein Betrieb der Rührvorrichtung 5 und
der Heizeinrichtung 42 wird beendet, wenn die Harnstoffwassertemperatur
ausreichend hoch wird. Daher wird das Harnstoffwasser effektiv an
einem Frieren gehindert, während eine Energie der Batterie
gespart wird. Falls die Rührvorrichtung 5 und
die Heizeinrichtung 42 jedoch über eine lange
Zeit betrieben werden, während die Maschine nicht in Betrieb
ist, kann die Batterieenergie aufgebraucht werden. Um dieses Problem
zu bewältigen, kann eine Zeitdauer, in der die Rührvorrichtung 5 und
die Heizeinrichtung 42 betrieben werden, auf eine bestimmte
Länge begrenzt werden, wenn die Maschine nicht in Betrieb
ist. Falls der Batteriesensor 61 erfasst, dass die Restkapazität der
Batterie 6 niedriger als ein vorbestimmtes Niveau ist,
kann alternativ ein Betrieb der Rührvorrichtung 5 und
der Heizeinrichtung abgeschaltet werden.
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3 zeigt
einen Vorgang des Verhinderns eines Gefrierens des Harnstoffwassers,
der durchgeführt wird, wenn die Maschine in Betrieb ist.
Der Vorgang geht zu den nachfolgenden Schritten über, wenn
der Zündschalter bei Schritt S11 angeschaltet ist. Bei
Schritt S12 wird eine Temperatur des Harnstoffwassers durch den
Temperatursensor 71 erfasst. Bei Schritt S13 wird bestimmt,
ob die Harnstoffwassertemperatur, die durch den Temperatursensor 71 erfasst
worden ist, höher als eine Temperatur Ta ist, bei der die
Pumpe 41 betrieben werden kann. Die Temperatur Ta ist auf
eine Gefriertemperatur des Harnstoffwassers festgesetzt, beispielsweise –11°C, wenn
die Harnstoffdichte in dem Harnstoffwasser 32,5% beträgt.
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Falls
die Temperatur T höher als Ta ist, geht der Vorgang zu
Schritt S14 über, in dem bestimmt wird, ob eine Zufuhr
des Harnstoffwassers angefordert ist, oder nicht. Falls eine Harnstoffwasserzufuhr angefordert
ist, geht der Vorgang zu Schritt S15 über, in dem ein Betrieb
der Pumpe 41 ausgelöst wird. In Schritt S16 wird
bestimmt, ob die Harnstoffwassertemperatur T höher als
Ta und niedriger Tb ist. Tb ist eine Temperatur, bei der das Harnstoffwasser
teilweise gefriert und ein Betrieb der Rührvorrichtung 5 und der
Heizeinrichtung 42 erforderlich ist. Falls T höher als
Ta und niedriger als Tb ist (Ta < T < Tb), geht der Vorgang
zu Schritt S17 über, bei dem die Rührvorrichtung 5 und
die Heizeinrichtung 42 betrieben werden. Bei dem nächsten
Schritt S18 wird bestimmt, ob T höher als (Tb + ΔT)
geworden ist. Temperatur (Tb + ΔT) ist eine Temperatur,
bei der ein Betrieb der Rührvorrichtung 5 und
der Heizeinrichtung 42 beendet werden kann. Falls T höher
als (Tb + T) ist, geht der Vorgang zu Schritt S18 über,
bei dem der Betrieb der Rührvorrichtung 5 und
der Heizeinrichtung 42 beendet wird. Anschließend
geht der Vorgang zu Schritt S20 über.
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Demgegenüber,
falls die Antworten auf Schritte S13, S14 und S16 negativ sind,
geht der Vorgang direkt zu Schritt S20 über, während
die Pumpe 41 in einem nicht betriebenen Zustand beibehalten wird.
In Schritt S20 wird bestimmt, ob der Zündschlüssel
abgeschaltet ist. Falls der Zündschlüssel abgeschaltet
ist, wird der Vorgang beendet. Falls nicht, werden Schritte S12
bis S19 wiederholt. In dem in 3 gezeigten
Vorgang wird das Harnstoffwasser effektiv gerührt, da das
Harnstoffwasser durch die Rührvorrichtung 5 und
durch eine durch die Heizeinrichtung 42 verursachte Konvektion
zusätzlich zu der durch einen Betrieb der Pumpe 41 verursachten
Zirkulation gerührt wird, wenn eine Zufuhr des Harnstoffwassers
erforderlich ist.
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4A und 4B zeigen
schematisch die Temperatur und die Dichte des Harnstoffwassers in dem
Tank einer herkömmlichen Vorrichtung, die keine Rührvorrichtung
aufweist. 4A zeigt einen Zustand des Harnstoffwassers,
nachdem der Tank auf einer niedrigen Temperatur über eine
lange Zeit gehalten worden ist. Wie es in 4A gesehen
werden kann, ist die Harnstoffwassertemperatur an Positionen niedrig,
die sich näher an der Bodenwand und Seitenwänden
des Tanks befinden. Etwas von dem festen Harnstoff ist auf der Bodenwand
des Tanks ausgefällt. Die Harnstoffwasserdichte ist an
Positionen niedrig, an denen seine Temperatur höher ist.
An den Bodenecken des Tanks hat sich Eis (100% Wasser) ausgebildet.
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4B zeigt
den Zustand des Harnstoffwassers in dem Tank, nachdem der Tank aus
dem in 4A gezeigten Zustand erwärmt
worden ist. Wie es in 4B gezeigt ist, wird die ungleichmäßige Dichte
des Harnstoffwassers nicht durch Erwärmen beseitigt. Wenn
das Harnstoffwasser einmal teilweise gefroren ist, ist es schwierig,
die Dichte des Harnstoffwassers gleichmäßig zu
machen, da es schwierig ist, den einmal gefrorenen festen Harnstoff
wieder zu schmelzen.
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Die
Rührvorrichtung 5 ist gemäß der
vorliegenden Erfindung vorgesehen, um das Harnstoffwasser zu rühren
und seine Temperatur und Dichte in dem Tank gleichmäßig
zu machen. Auf diese Weise wird ein Ausfällen des Harnstoffs
unterdrückt, das durch teilweises Gefrieren hervorgerufen
wird, wie es bei der herkömmlichen Vorrichtung auftritt.
Die Wirkungen der Rührvorrichtung 5 werden durch
Platzieren der Rührflügel 51 an einem
mittleren Abschnitt der Bodenwand des Tanks 4 erhöht,
wie es in 1 gezeigt ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorhergehend beschriebene
Ausführungsbeispiel begrenzt, sondern kann verschieden
abgewandelt werden. Beispielsweise kann eine Energiequelle für
die Rührvorrichtung 5 und die Heizeinrichtung 42 separat
von der bordeigenen Batterie 6 vorgesehen sein, um zu verhindern,
dass die Batterie 6 durch Betrieb der Rührvorrichtung 5 und
der Heizeinrichtung 42 aufgebraucht wird, während
die Maschine nicht in Betrieb ist. Die Rührvorrichtung 5 und
die Heizeinrichtung 42 können durch einen Heimelektrostecker durch
einen Gleichstrom/Wechselstromwandler versorgt werden, wenn die
Maschine nicht betrieben wird. Alternativ kann der Motor 52 der
Rührvorrichtung 5 durch eine Solarbatterie versorgt
werden, sodass die Rührvorrichtung 5 betrieben
werden kann, ohne die bordeigene Batterie 6 zu verwenden,
wenn die Maschine nicht in Betrieb ist. Die bordeigene Batterie 6 kann
durch die Solarbatterie geladen werden.
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Während
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf das vorhergehende bevorzugte
Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben worden ist,
ist es dem Fachmann ersichtlich, dass Änderungen in der
Form und in Einzelheiten darin durchgeführt werden können,
ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie in den angehängten
Ansprüchen definiert ist.
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Eine
Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wandelt Stickoxide,
die im Abgas einer Brennkraftmaschine enthalten sind, durch Reduzieren
von diesen mit Ammoniak an einem Katalysator zu harmlosen Komponenten
um. Ammoniak wird aus in einem Tank enthaltenen Harnstoffwasser ausgebildet
und in ein Abgasrohr eingespritzt. Das in dem Tank enthaltene Harnstoffwasser
wird durch eine Rührvorrichtung gerührt, um dessen
Temperatur und Dichte in dem Tank gleichmäßig
zu machen, wodurch ein teilweises Gefrieren des Harnstoffwassers in
dem Tank verhindert wird. Das Harnstoffwasser kann zusätzlich
zu dem Rühren von diesem erwärmt werden, wodurch
ein Gefrieren des Harnstoffwassers sicher verhindert wird. Die Rührvorrichtung
und die Heizeinrichtung können betrieben werden, während Bedingungen
einer bordeigenen Batterie kontrolliert werden, um ein Aufbrauchen
einer Batterieleistung zu verhindern. Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird das Harnstoffwasser mit einer gleichmäßigen Dichte
in das Abgasrohr zugeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-324651
A [0004]