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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 ein System zum Reinigen von
Abgas eines Verbrennungsmotors unter selektiver katalytischer Reduktion.
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2. Beschreibung des zugehörigen
Stands der Technik
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In
vergangenen Jahren wurde ein Harnstoff-SCR (selektive katalytische
Reduktion) System zum Reinigen von Abgas, das Stickoxide (NOx) enthält,
die von einem Verbrennungsmotor (insbesondere Dieselmotor) emittiert
werden, entwickelt. Bei dem Harnstoff-SCR-System ist ein SCR-Katalysator
in einer Abgasleitung angeordnet und ein Injektor zum Zuführen
von Harnstoffwasser zu dem SCR-Katalysator ist stromaufwärts
des SCR-Katalysators angeordnet. Das in einem Tank enthaltene Harnstoffwasser
wird durch eine in dem Tank eingetauchte Pumpe hochgepumpt und zu
dem Injektor zugeführt. Bei diesem System wird das injizierte
Harnstoffwasser zu dem SCR-Katalysator zusammen mit von dem Motor emittiertem
Abgas zugeführt. Das Abgas wird durch Reduzieren von NOx
an dem SCR-Katalysator gereinigt. Das heißt, dass Ammoniak
(NH3) von dem Harnstoffwasser durch Hydrolysereaktion
unter Wärme des Abgases gebildet wird. Das Ammoniak reagiert mit
in dem Abgas enthaltenem NOx, und reduziert dadurch NOx zu Stickstoff
(N2).
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Üblicherweise
ist das Harnstoffwasser in einem Tank enthalten und das Harnstoffwasser
wird hochgepumpt und zu dem Injektor zugeführt.
JP-A-2002-166130 schlägt
ein System vor, bei welchem fester Harnstoff mit in einem Tank enthaltenem Wasser
gemischt wird. Bei diesem System ist eine Dichte des Harnstoffwassers,
das durch Mischen des festen Harnstoffs mit Wasser gebildet wird,
konstant. Allerdings variiert eine benötigte Menge von
Harnstoffwasser in Übereinstimmung mit den Operationsbedingungen
eines Motors. Entsprechend, wenn eine höhere Menge von
Harnstoffwasser benötigt wird, muss eine Dauer der Harnstoffwasserinjektion verlängert
werden, während die Dauer verkürzt werden muss,
wenn eine geringere Menge von Harnstoffwasser benötigt
wird. Allerdings gab es ein Problem, dass ein Zerstäuben
des Harnstoffwassers durch Verlängerung der Injektionsdauer
geopfert wird und dass die Injektionsdauer genau geregelt werden muss,
um sie zu verkürzen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben genannten Probleme
gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
verbessertes Abgasreinigungssystem bereitzustellen, bei welchem
eine Menge von Reduktionsmittel, das in eine Abgasleitung injiziert
wird, einfach kontrolliert wird.
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Das
Abgasreinigungssystem der vorliegenden Erfindung ist angebracht
in einem Kraftfahrzeug zum Reduzieren von im Abgas enthaltenen Stickoxiden,
um dadurch das Abgas zu reinigen. Das System beinhaltet eine Abgasleitung,
einen in der Abgasleitung angeordneten Katalysator, einen Injektor
zum Zuführen einer Lösung von Reduktionsmittel
zu dem Katalysator, einen Tank zum Enthalten eines Lösungsmittels
wie Wasser, einen Fluiddurchgang, der den Tank mit dem Injektor
verbindet, eine in dem Tank eingetauchte Pumpe zum Hochpumpen des
Lösungsmittels und eine elektronische Regeleinheit zum
Regeln des Betriebs des Systems.
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Eine
Einrichtung zum Bilden einer Lösung von Reduktionsmittel,
wie Harnstoffwasser, ist in dem Fluiddurchgang angeordnet. Die Bildungseinrichtung besteht
aus einem Behälter zum Enthalten eines festen Reduktionsmittels,
wie Harnstoffpulver, und einem Auflösungs-Raum zum Auflösen
des Reduktionsmittels in dem Lösungsmittel. Eine Menge
des Reduktionsmittels, das zum Reduzieren der Stickoxide (NOx) benötigt
wird, variiert in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen
des Motors. Die Menge von zu dem Auflösungs-Raum zugeführten
Reduktionsmittels wird in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen
des Motors durch die elektronische Regeleinheit geregelt. Daher
wird eine Dichte der Lösung in Übereinstimmung
mit den Betriebsbedingungen des Motors geregelt. Die Lösung
von Reduktionsmittel wird von dem Injektor in die Abgasleitung injiziert
und zu dem Katalysator zusammen mit dem Abgas zugeführt.
In dem Abgas enthaltendes NOx wird zu N2 reduziert.
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Bevorzugt
ist das in dem Behälter aufbewahrte Reduktionsmittel fester
Harnstoff, wie Harnstoffpulver (Harnstoff in der Form von Pulver),
und das in dem Tank enthaltene Lösungsmittel ist Wasser.
Durch Auflösen des Harnstoffpulvers in dem Wasser wird
das Harnstoffwasser mit einer benötigten Dichte in dem
in dem Fluiddurchgang angeordneten Auflösungs-Raum gebildet.
Wenn der Motor gestoppt wird, kann die Zufuhr von Harnstoff zu dem Wasser,
das durch den Fluiddurchgang strömt, beendet werden, während
eine Injektion des Harnstoffwassers fortgesetzt wird. Beim Ermitteln
von keinem Harnstoff in dem Wasser, wird die Injektion beendet und
die Pumpe kann in eine entgegengesetzte Richtung gesteuert werden,
um dadurch Wasser in den Fluiddurchgang zu dem Tank zurückzuführen.
Auf diese Weise wird eine Ausfällung von Harnstoff in dem
Fluiddurchgang verhindert, und eine Beschädigung des Fluiddurchgangs
durch Volumenexpansion des Wassers beim Gefrieren wird vermieden.
Eine Schraube oder ein Ultraschallvibrationsgerät kann
in dem Auflösungs-Raum bereitgestellt sein, um eine Auflösung
von Harnstoff in Wasser zu fördern.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird die Dichte von Reduktionsmittel
in der Lösung in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen
des Motors geregelt. Daher wird eine benötigte Menge von
Reduktionsmittel einfach zu der Abgasleitung zugeführt,
ohne Änderung einer Betriebsperiode des Injektors. Andere
Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden einfacher ersichtlich
durch ein besseres Verständnis der bevorzugten Ausführungsformen,
die nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das eine gesamte Struktur eines
Abgasreinigungssystems als eine erste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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2A–2D zeigen
schematisch, wie eine zu einem Katalysator zuzuführende
Menge von Harnstoff gemessen wird;
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3 ist
ein Fließdiagramm, das ein Verfahren zum Zuführen
von Harnstoffwasser zu einem Katalysator in einer Abgasleitung zeigt;
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4 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das eine gesamte Struktur eines
Abgasreinigungssystems als eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ist
eine Zeichnung, die einen Schraubenmischer zum Mischen von Harnstoff
mit Wasser zeigt; und
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6 ist
eine Zeichnung, die eine Ultraschallvibrationseinrichtung zum Mischen
von Harnstoff mit Wasser zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter
Bezugnahme auf 1–3 beschrieben.
Ein System zum Reinigen von Abgas in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung ist als ein Harnstoff-SCR-System aufgebaut,
in welchem Harnstoff zu einem Katalysator zum Reduzieren von im
Abgas enthaltenen Stickoxiden (NOx) zugeführt wird. Wie
in 1 gezeigt, beinhaltet ein Abgasreinigungssystem 1 eine
Abgasleitung 11, das einen Abgasdurchgang 12 bildet,
der zu einem Dieselmotor verbunden ist. Ein Oxidationskatalysator 13,
ein Katalysator 14 zum selektiven Reduzieren von NOx (bevorzugt
als SCR-Katalysator) und ein Ammoniakentferner 15 sind
in der Abgasleitung 11 angeordnet. Ein Injektor 16 zum
Zuführen von Harnstoffwasser zu dem SCR-Katalysator 14 ist stromaufwärts
des Katalysators 14 angeordnet. Ein NOx-Sensor 17 ist
stromabwärts des Katalysators 14 angeordnet. Der
Oxidationskatalysator 13 ist ein Platin-Typ Oxidationskatalysator
zum Fördern einer Oxidation eines Teils von in dem Abgas
enthaltenem NO zu NO2. Der SCR- Katalysator 14 fördert
eine Reduktion von in dem Abgas enthaltenem NOx unter Reaktionen
wie den folgenden: 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 +
3H2O
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Ammoniak
(NH3), der als das Reduktionsmittel wirkt,
wird unter Wärme des Abgases durch Hydrolysereaktion des
von zu dem SCR-Katalysator 14 zugeführten Harnstoffwassers
gebildet. Die Hydrolysereaktion ist durch die folgende Formel ausgedrückt: (NH2)2CO
+ 2H2O → 2NH3 +
CO2
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Der
Ammoniakentferner 15, der stromabwärts des SCR-Katalysators 14 angeordnet
ist, ist ein Oxidationskatalysator zum Verhindern, dass überschüssiges
Ammoniak durch die Abgasleitung 11 ausströmt.
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Der
Injektor 16 hat eine ähnliche Struktur wie ein
bekannter elektromagnetischer Kraftstoffinjektor. Er besteht aus
einem Steuerungsabschnitt mit einem Elektromagneten und einem Ventilkörper
mit einer Nadel. Wenn der Elektromagnet basierend auf Signalen von
einer elektronischen Regeleinheit (ECU) 40 angesteuert
wird, wird eine Injektionsöffnung durch die Nadel geöffnet,
um dadurch Harnstoffwasser zu injizieren. Wenn der Elektromagnet
abgesteuert wird, wird die Injektionsöffnung geschlossen.
Der NOx-Sensor 17, der stromabwärts des SCR-Katalysators 14 angeordnet
ist, ermittelt eine Menge von NOx in dem Abgas.
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Der
Tank 21 ist ein geschlossenes Gefäß mit einem
Verschluss. Wasser ist in dem Tank 21 enthalten, und eine
Pumpe 22 ist in das Wasser eingetaucht. Die Pumpe 22 setzt
das Wasser zu einem vorbestimmten Druck unter Druck und schickt
es in Richtung des Injektors 16 durch die Fluiddurchgänge 28, 29.
Als erklärende Erläuterung wird eine Seite der Pumpe 22 in
den Fluiddurchgängen als eine stromaufwärtige
Seite bezeichnet, während eine Seite des Injektors 16 als
eine stromabwärtige Seite bezeichnet wird. Die Pumpe 22 ist
ein elektrischer Motor, der Dreiphasenankerwicklungen aufweist.
Die Pumpe 22 wird in beide Richtungen, vorwärts
und rückwärts, in Übereinstimmung mit
von der ECU 40 zugeführten Signalen gesteuert.
Das in dem Tank 21 enthaltene Wasser wird ausgeschickt,
wenn die Pumpe 22 vorwärts gesteuert wird, und
das Wasser wird zu dem Tank 21 zurückgeführt,
wenn die Pumpe 22 rückwärts gesteuert
wird. Ein Druckregulator 23, der in dem Fluiddurchgang 28 angeordnet
ist, regelt den Druck des Wassers, und das Wasser wird zu dem Tank 21 zurückgeführt,
wenn sein Druck einen vorherbestimmten Druck übersteigt.
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Der
Fluiddurchgang 28 verbindet die in dem Tank 21 eingetauchte
Pumpe 22 mit einer Harnstoffwasserbildungseinrichtung 30.
Ein Drucksensor 24 und ein Wassertemperatursensor 25 sind
in dem Fluiddurchgang 28 angeordnet. Der Fluiddurchgang 29 verbindet
die Harnstoffwasserbildungseinrichtung 30 mit dem Injektor 16.
Ein Filter 26 und ein Harnstoffsensor 27 sind
in dem Fluiddurchgang 29 angeordnet. Mit anderen Worten
ist die Harnstoffwasserbildungseinrichtung 30 zwischen
zwei Fluiddurchgängen 28 und 29 angeordnet.
Der Filter 26 entfernt Fremdteilchen, die in dem Harnstoffwasser
enthalten sind. Der Harnstoffsensor 27 detektiert eine
Dichte von Harnstoff in dem Harnstoffwasser. Der Harnstoffsensor 27 kann
durch einen durch eine Heizvorrichtung erwärmten elektrischen
Widerstand aufgebaut sein, welcher die Harnstoffdichte basierend
auf einem Widerstand des elektrischen Widerstands detektiert.
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Die
Harnstoffwasserbildungseinrichtung 30 besteht aus einem
Behälter 31, der festen Harnstoff im Pulverzustand
beinhaltet, und einem Auflösungs-Raum 32, in welchem
der von dem Behälter 31 zugeführte feste
Harnstoff im Wasser aufgelöst wird. Eine Menge von Harnstoffpulver,
das zu dem Auflösungs-Raum 32 zugeführt
wird, wird durch die ECU 40 geregelt, wobei Details davon
später beschrieben werden. Es ist bevorzugt, das Harnstoffpulver
in den Behälter nachzufüllen, immer wenn ein Fahrzeug
für z. B. 20.000 km gefahren ist. Der Auflösungs-Raum 32 ist
mit Fluiddurchgängen 28, 29 verbunden
und stellt Harnstoffwasser her, das zu dem Injektor 16 zuzuführen
ist.
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Die
ECU 40 ist durch einen Mikrocomputer aufgebaut, der CPU,
ROM, I/O und Busleitungen beinhaltet. Die ECU 40 regelt
einen Betrieb des Abgasreinigungssystems 1 basierend auf
einem Computerprogramm, das in der ROM gespeichert ist. Signale von
verschiedenen Sensoren werden zu der ECU 40 zugeführt,
und Aktuatoren wie der Injektor 16, die Pumpe 22 und
die Harnstoffwasserbildungseinrichtung 30 sind elektrisch
mit der ECU 40 verbunden. Kennfelddaten, die eine Beziehung
zwischen einer Menge von ausströmendem NOx und Betriebsbedingungen
eines Dieselmotors und eine Beziehung zwischen einer Menge von ausströmendem
NOx und einer Menge von Harnstoff, der zum Reinigen des ausströmenden
NOx benötigt wird, zeigen, sind in der ROM gespeichert.
Die ECU 40 ist kommunizierfähig mit anderen ECUS,
wie einer ECU zum Regeln des Dieselmotors und einer ECU zum Regeln
eines Navigationssystems, durch Kommunikationsleitungen unter Protokollen
wie CAN (Control Area Network) verbunden.
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In
dem Tank 21 enthaltenes Wasser wird zu dem Auflösungs-Raum 32 durch
den Fluiddurchgang 28 durch Vorwärtssteuern der
Pumpe 22 befördert. Das in dem Behälter 31 aufbewahrte
Harnstoffpulver, in einer Menge, die auf eine unten beschriebene
Weise gemessen wird, wird zu dem Wasser in dem Auflösungs-Raum 32 zugeführt.
Das Harnstoffpulver wird durch den Wasserstrom in dem Auflösungs-Raum 32 aufgelöst,
um das Harnstoffwasser zu bilden. Das Harnstoffwasser wird durch
den Filter 26 gefiltert und zu dem Injektor 16 durch
den Fluiddurchgang 29 zugeführt. Das Harnstoffwasser
wird in den Abgasdurchgang 12 von dem Injektor 16 injiziert. Ammoniak
wird in dem Abgasdurchgang 12 unter Wärme des
Abgases von dem Harnstoffwasser gebildet, durch die Hydrolysereaktion
wie unten beschrieben. Das so gebildete Ammoniak wird zu dem SCR-Katalysator 14 zusammen
mit von dem Dieselmotor emittiertem Abgas zugeführt. NOx
in dem Abgas wird durch das Ammoniak reduziert und das Abgas wird
gereinigt.
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Ein
Verfahren zum Messen einer Menge von Harnstoffpulver, das zu dem
Auflösungs-Raum 32 von dem Behälter 31 zuzuführen
ist, wird unter Bezugnahme auf 2A–2D beschrieben.
Bei der Harnstoffwasserbildungseinrichtung 30 ist der Behälter 31 über
dem Auflösungs-Raum 32 angeordnet, sodass das
Harnstoffpulver von dem Behälter 31 zu dem Auflösungs-Raum 32 durch
Schwerkraft zugeführt wird. Drei elektromagnetische Ventile,
ein erstes Ventil 36, ein zweites Ventil 37 und
drittes Ventil 38, sind zwischen dem Behälter 31 und
dem Auflösungs-Raum 32 angeordnet. Drei elektromagnetische
Ventile werden geöffnet oder geschlossen in Übereinstimmung
mit den Regelsignalen von der ECU 40. In 2A–2D zeigen
durchgezogene Linien geschlossene Ventile und gestrichelte Linien zeigen
offene Ventile. Eine Messkammer 311 ist zwischen dem ersten
Ventil 36 und dem zweiten Ventil 37 gebildet,
während eine Pufferkammer 312 zwischen dem zweiten
Ventil 37 und dem dritten Ventil 38 gebildet ist.
Ein Volumen der Pufferkammer 312 ist größer
hergestellt als die Messkammer 311. Der Auflösungs-Raum 32,
der unter dem Behälter 31 angeordnet ist, weist
einen Einlass 281, von welchem Wasser von dem Tank 21 zugeführt
wird, und einen Auslass 282, von welchem Harnstoffwasser
ausströmt, auf. Wenn die Pumpe 22 vorwärts
gesteuert wird, wird ein Wasserstrom gebildet, der von dem Einlass 281 zu
dem Auslass 282 gerichtet ist. Während des ganzen
Verfahrens des Messens einer Menge von Harnstoff wird die Pumpe 22 vorwärts
gesteuert.
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Bei
einem in 2A gezeigten Stadium sind alle
drei Ventile 36, 37, 38 geschlossen.
Die Messkammer 311 ist mit Harnstoffpulver gefüllt,
während kein Harnstoffpulver in der Pufferkammer 312 ist.
Bei einem in 2B gezeigten nächsten
Stadium ist das zweite Ventil 37 geöffnet, während
andere Ventile 36, 38 geschlossen bleiben. Das
Harnstoffpulver in der Messkammer 311 fällt in
die Pufferkammer 312 durch Schwerkraft. Wenn sich das ganze
Harnstoffpulver in der Messkammer 311 in die Pufferkammer 312 bewegt
hat, wird das zweite Ventil 37, wie in 2C gezeigt,
geschlossen. Bei einem in 2D gezeigten nächsten
Stadium werden das erste Ventil 36 und das dritten Ventil 38 geöffnet,
während das zweite Ventil 37 geschlossen bleibt.
Beim Öffnen des ersten Ventils 36 füllt
das in dem Behälter 31 aufbewahrte Harnstoffpulver
erneut die Messkammer 311. Durch Öffnen des dritten
Ventils 38 wird das Harnstoffpulver in der Pufferkammer 312 zu
dem Auflösungs-Raum 32 zugeführt.
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Das
zu dem Auflösungs-Raum 32 zugeführte Harnstoffpulver
wird in Wasser aufgelöst, durch den Wasserstrom von dem
Einlass 281 zu dem Auslass 282. Das so gebildete
Harnstoffwasser strömt von dem Auslass 282 aus
zu dem Fluiddurchgang 29. Dann kehrt das Verfahren zu dem
in 2A gezeigten Zustand zurück, wobei alle
die Ventile geschlossen sind.
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Die
Dichte von Harnstoff in dem Harnstoffwasser wird durch Ändern
einer Wiederholungsgeschwindigkeit des in 2A–2D gezeigten Messverfahrens
geregelt. In einem Zyklus des Verfahrens wird eine Menge von Harnstoffwasser
entsprechend dem Volumen der Messkammer 311 zu dem Wasser zugeführt.
Wenn dichteres Harnstoffwasser benötigt wird, wird der
Zyklus schneller wiederholt, während der Zyklus langsamer
wiederholt wird, wenn dünneres Harnstoffwasser benötigt
wird. Auf diese Weise wird die Harnstoffdichte zu einem gewünschten
Niveau geregelt.
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Unter
Bezugnahme auf ein in 3 gezeigtes Fließdiagramm
wird ein Verfahren des Zuführens von Harnstoff beschrieben.
Dieses Verfahren wird unter Regelung der ECU 40 durchgeführt.
Bei diesem Verfahren wird angenommen, dass ein Druck und eine Strömungsgeschwindigkeit
von durch die Pumpe 22 geschicktem Wasser konstant sind.
Eine Zeitperiode, in welcher das Harnstoffwasser von dem Injektor 16 injiziert
wird, wird auch als konstant angenommen. Die Menge des zu dem Abgasdurchgang 12 zugeführten
Harnstoffs wird durch die Dichte von Harnstoff in dem Harnstoffwasser
bestimmt.
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Bei
Schritt S101 werden Betriebsbedingungen des Motors erhalten. Bei
Schritt S102 wird bestimmt, ob der Motor gestoppt ist oder nicht.
Falls der Motor gestoppt ist, schreitet das Verfahren zu Schritt S111
voran. Wenn der Motor betrieben wird (nicht gestoppt), schreitet
das Verfahren zu Schritt S103 voran. Bei Schritt S103 wird die Pumpe 22 in
die Vorwärtsrichtung gesteuert, um Wasser in dem Tank 21 unter
Druck zu setzen und in den Fluiddurchgang 28 zu befördern.
Bei Schritt S104 wird eine Menge von NOx entsprechend den Betriebsbedingungen
des Motors bestimmt, basierend auf gespeicherten Kennfelddaten,
und eine Menge von Harnstoffstoff, die zum Reinigen des NOx benötigt
wird, wird auch durch ein gespeichertes Kennfeld bestimmt. Die Dichte
des Harnstoffs in dem Harnstoffwasser wird bestimmt von der Menge
des benötigten Harnstoffs, weil die Zeitperiode zum Injizieren
von Harnstoffwasser konstant ist. Eine Menge von Harnstoff, der
von dem Behälter 31 zuzuführen ist, wird
basierend auf der Harnstoffwasserdichte bestimmt, weil die Strömungsgeschwindigkeit
von Wasser, das von der Pumpe 22 befördert wird,
konstant ist.
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Bei
Schritt S105 wird die bestimmte Menge von Harnstoff von dem Behälter 31 zu
dem Auflösungs-Raum 32 zugeführt und
der Harnstoff (Harnstoffpulver) wird in dem durch den Auflösungs-Raum 32 strömenden
Wasser aufgelöst. Dadurch wird das Harnstoffwasser mit
einer benötigten Dichte gebildet und zu dem Fluiddurchgang 29 geliefert.
Bei Schritt S106 wird das Harnstoffwasser von dem Injektor 16 in
den Abgasdurchgang 12 injiziert. Ammoniak (NH3) wird
von dem Harnstoffwasser durch Hydrolysereaktion unter Wärme
des Abgases gebildet. NOx in dem Abgas wird durch das Ammoniak gereinigt.
Dann kehrt das Verfahren zu Schritt S101 zurück.
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Wenn
herausgefunden wird, dass der Motor bei Schritt S102 gestoppt wird,
schreitet das Verfahren zu Schritt S111 voran, wo die Zufuhr des
Harnstoffpulvers von dem Behälter 31 zu dem Auflösungs-Raum 32 beendet
wird. Bei Schritt S112 wird die Pumpe 22 weiterhin in der
Vorwärtsrichtung gesteuert. Bei Schritt S113 wird das Harnstoffwasser weiterhin
von dem Injektor 16 injiziert. Dies bedeutet, dass sich
die Dichte von Harnstoff in dem injizierten Harnstoffwasser graduell
verringert, weil die Harnstoffwasserinjektion fortgeführt
wird, nachdem die Zufuhr des Harnstoffpulvers gestoppt wurde.
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Bei
Schritt S114 wird bestimmt, ob Harnstoff noch in dem Harnstoffwasser,
der von dem Injektor 16 injiziert wird, verbleibt. Diese
Bestimmung wird gemacht, basierend auf der Harnstoffdichte, die
durch einen Harnstoffsensor 27 detektiert wird, der in
dem Fluiddurchgang 29 angeordnet ist. Insbesondere wird
bestimmt, dass kein Harnstoff in dem Injektor 16 verbleibt,
wenn eine vorherbestimmte Zeit verstrichen ist, nachdem der Harnstoffsensor 27 keinen Harnstoff
in dem Fluiddurchgang 29 detektiert. Wenn kein Harnstoff
in dem Injektor 16 verbleibt, schreitet das Verfahren zu
Schritt S115 fort, bei welchem die Harnstoffwasserinjektion von
dem Injektor 16 beendet wird. Wenn bestimmt wird, dass
noch Harnstoff verbleibt, kehrt das Verfahren zu Schritt S112 zurück, um
die Harnstoffwasserinjektion von dem Injektor 16 fortzuführen.
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Dann,
bei Schritt S116, wird die Pumpe 22 in die Rückwärtsrichtung
gesteuert, um Wasser in den Fluiddurchgängen zu dem Tank 21 zurückzugewinnen.
Bei Schritt S117 wird bestimmt, ob die Rückgewinnung des
Wassers in dem Fluiddurchgang 28 vollendet ist. Wenn die
Rückgewinnung des Wassers vollendet ist, schreitet das
Verfahren zu Schritt S118 voran, bei welchem die Pumpe 22 gestoppt
wird und das Verfahren zum Ende kommt. Wenn die Wasserrückgewinnung
nicht vollendet ist, kehrt das Verfahren zu Schritt S116 zurückt,
um die Pumpe 22 in die Rückwärtsrichtung
zu betreiben, bis das ganze Wasser zurückgewonnen ist.
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Erzielte
Vorteile in der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung werden unten zusammengefasst beschrieben. Der Auflösungs-Raum 32 zum
Auflösen von Harnstoffpulver in Wasser ist zwischen den
Fluiddurchgängen 28 und 29 angeordnet.
Eine Menge von Harnstoff, der zum Reinigen von in dem Abgas enthaltenem
NOx benötigt wird, wird basierend auf Betriebsbedingungen
des Motors bestimmt, und solch eine Menge von Harnstoffpulver wird
zu dem Wasser zugeführt, um das Harnstoffwasser zu bilden.
Daher wird die Dichte von Harnstoff in dem Harnstoffwasser passend
in Übereinstimmung mit der Menge von NOx in dem Abgas eingestellt.
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Insbesondere,
wenn die Menge von NOx in dem Abgas hoch ist (unter den Motorbetriebsbedingungen
wie Beschleunigung, einer Hochgeschwindigkeitsfahrt oder einer Fahrt
unter schwerer Last), wird die höhere Menge von Harnstoff
zugeführt, durch Erhöhen der Dichte von Harnstoffwasser,
ohne eine Dauer der Injektion zu verlängern. Daher wird eine
Zerstäubung des Harnstoffwassers in dem Abgasdurchgang 12 nicht
nachteilhaft beeinflusst. Wenn die Menge von NOx in dem Abgas gering
ist (unter den Motorbetriebsbedingungen wie einer Fahrt bei konstanter
Geschwindigkeit), wird eine geringere Menge von Harnstoff zugeführt,
durch Verringern der Dichte von Harnstoffwasser, ohne die Injektionsdauer
zu verkürzen. Daher ist es nicht notwendig, die Injektionsdauer
exakt zu regeln.
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Eine
Menge von Harnstoff, der zu dem Abgas zugeführt wird, wird
durch Verändern der Harnstoffwasserdichte geregelt, ohne
eine Menge von zugeführtem Harnstoffwasser zu ändern.
Daher können ein Injektor und zugehörige Bestandteile
in verschiedenen Motoren allgemein verwendet werden. Ferner, zum
Zuführen einer gleichen Menge von Harnstoff, kann eine
Menge von Harnstoffwasser, das von dem Injektor 16 injiziert
wird, durch Erhöhen der Dichte von Harnstoff in dem Harnstoffwasser
reduziert werden. Daher ist es möglich, einen Injektor
zu verwenden, der eine Injektionsöffnung für angemessenes Zerstäuben
von Harnstoffwasser aufweist, wie eine konische Injektionsöffnung.
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Nur
das Wasser, zu welchem kein Harnstoffpulver zugegeben ist, wird
von dem Injektor 16 für eine Weile zugegeben,
nachdem der Motor gestoppt ist. Daher wird verhindert, dass Harnstoff
in den Fluiddurchgängen verbleibt, nachdem der Motor gestoppt
ist, wodurch eine Ausfällung und Qualitätsveränderungen
des Harnstoffs in den Fluiddurchgängen verhindert werden.
Wasser in den Fluiddurchgängen 28, 29 wird
zurückgewonnen, durch Steuern der Pumpe 22 in
die Rückwärtsrichtung, bis das ganze Wasser zurückgewonnen
ist. Daher verbleibt das Wasser nicht in den Fluiddurchgängen,
wodurch ein Brechen der Durchgänge und anderer Abschnitte durch
Volumenexpansion von gefrorenem Wasser verhindert wird.
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dieser Ausführungsform
ist eine Pumpe 522 nicht in den Tank 21 eingetaucht,
sondern stromabwärts des Filters 26 in einem Fluiddurchgang 522 angeordnet.
Die Harnstoffwasserbildungseinrichtung 30 ist zwischen
Fluiddurchgängen 527 und 528 angeordnet.
Die Pumpe 522 ist mit dem Injektor 16 durch einen
Fluiddurchgang 529 verbunden. Ein Druckregulator 523 ist
zwischen der Harnstoffwasserbildungseinrichtung 30 und
der Pumpe 522 durch einen Rückkehrdurchgang 533 verbunden.
Andere Strukturen der zweiten Ausführungsform sind die gleichen
wie die der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
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Die
Pumpe 522 setzt das Fluid zu einem vorherbestimmten Druck
unter Druck und befördert dieses zu dem Injektor 16.
Der Drucksensor 24 und der Harnstoffsensor 27 sind
in dem Fluiddurchgang 529 angeordnet. Der Druckregulator 523 stellt
den zu dem Injektor 16 zugeführt Fluiddruck ein.
Wenn der Fluiddruck in dem Fluiddurchgang 529 ein vorherbestimmtes
Niveau übersteigt, wird das Fluid in dem Fluiddurchgang 529 zu
dem Fluiddurchgang 528 zurückgeführt.
Das Fluid an der stromaufwärtigen Seite der Pumpe 522 ist
nicht unter Druck gesetzt und sein Druck ist bei Atmosphärendruck.
Der Wassertemperatursensor 25 ist in dem Fluiddurchgang 527 angeordnet
und der Filter 26 ist in dem Fluiddurchgang 528 angeordnet.
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Das
Abgasreinigungssystem 5 als die zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung funktioniert ähnlich zu der
ersten Ausführungsform. Da der Auflösungs-Raum 32 stromaufwärts
der Pumpe 522 angeordnet ist, und unter dem Atmosphärendruck gehalten
wird, ist es nicht notwendig, den Auflösungs-Raum 32 druckbeständig
zu machen. Da das Harnstoffpulver in dem Wasser unter dem Atmosphärendruck
aufgelöst wird, kann eine Struktur der Harnstoffwasserbildungseinrichtung 30 vereinfacht
werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt, sondern kann verschiedenartig modifiziert werden.
Zum Beispiel, obwohl die oben beschrieben Ausführungsformen
auf den Dieselmotor angewendet werden, können sie auch
auf Benzinmotoren angewendet werden. Ein Dieselpartikelfilter (DPF)
zum Abfangen von Partikelmaterialien, die von dem Dieselmotor ausgestoßen
werden, kann zu der Abgasleitung 11 zugefügt werden.
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Das
Harnstoffpulver wird in dem Wasser in dem Auflösungs-Raum 32 aufgelöst,
durch den darin in den Ausführungsformen oben beschriebenen Wasserstrom.
Mischungsvorrichtungen wie ein in 5 gezeigter
Schraubenmischer 51 oder eine in 6 gezeigte
Ultraschallvibrationseinrichtung 52 können in
dem Auflösungs-Raum 32 angeordnet sein. Obwohl
die Menge von Harnstoffpulver durch Betrieb von drei elektromagnetischen
Ventilen 36, 37 und 38 in den oben beschriebenen
Ausführungsformen gemessen wird, so kann sie durch andere
Einrichtungen oder Verfahren gemessen werden. Zum Beispiel kann
sie durch Rotieren einer Schraube oder Messen ihres Gewichts gemessen
werden. Dabei ist der Behälter 31, der das Harnstoffpulver
beinhaltet, integral mit dem Auflösungs-Raum 32 gebildet
und ist aufwärts von dem Auflösungs-Raum 32 angeordnet. Der
Behälter 31 kann aber auch getrennt von dem Auflösungs-Raum 32 angeordnet
sein und eine gemessene Menge des Harnstoffpulvers kann zu dem Auflösungs-Raum 32 zugeführt
werden.
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Wasser,
das als ein Lösungsmittel in den oben beschriebenen Ausführungsformen
verwendet wird, kann mit Alkohol ersetzt werden, der eine geringere
Erstarrungstemperatur als –35°C aufweist, wie Ethanol
oder Methanol. Wenn diese Materialien als das Lösungsmittel
verwendet werden, ist es nicht notwendig, das Lösungsmittel,
das in den Fluiddurchgängen verbleibt, zurückzugewinnen,
weil diese Materialien nicht gefrieren. Wenn Ethanol oder Methanol als
das Lösungsmittel verwendet werden, sind Reduktionsreaktionen
begünstigt, weil das Lösungsmittel schnell evaporiert,
und die Zerstäubung ist begünstigt beim Injizieren
von dem Injektor, weil ihre Viskosität geringer ist als
die von Wasser. Als das Reduktionsmittel können andere
Materialien als der Harnstoff verwendet werden. Obwohl der feste
Harnstoff in dem Pulverzustand zu dem Auflösungs-Raum 32 von
dem Behälter 31 in den oben beschriebenen Ausführungsformen
zugeführt wird, kann Harnstoff auch in anderen Zuständen
verwendet werden.
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Die
Strömungsgeschwindigkeit und der Druck des von der Pumpe
beförderten Wassers und die Injektionsdauer des Harnstoffwassers
von dem Injektor sind in den oben beschriebenen Ausführungsformen
zu einem konstanten Niveau eingestellt. Allerdings können
sie unter der Regelung der ECU 40 in Übereinstimmung
mit den Betriebsbedingungen des Motors variiert werden. Auf diese
Weise kann eine zu dem Katalysator zugeführte Menge an
Harnstoff in einem breiteren Bereich geregelt werden und die Injektion
des Harnstoffwassers kann zu stärker geeigneten Zerstäubungsbedingungen
geregelt werden.
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Die
ECU 40 ist gestaltet, um nur das Abgasreinigungssystem
in den oben beschriebenen Ausführungsformen zu regeln.
Allerdings kann die ECU auch gestaltet sein, um einen ganzen Betrieb
des Fahrzeugs zu regeln. Es ist auch möglich, die Menge von
Harnstoff basierend auf Informationen, die durch CAN erhalten sind,
zu regeln. Zum Beispiel kann die Menge von Harnstoff erhöht
werden, wenn das Fahrzeug eine Mautstelle (die Position der Mautstelle kann
spezifiziert werden basierend auf Kartendaten und einer gegenwärtigen
Position des Fahrzeugs) passierte, weil anzunehmen ist, dass das
Fahrzeug nach der Mautstelle beschleunigt. Ferner kann die Menge
von Harnstoff in Übereinstimmung mit den Fahreigenschaften
des Fahrers, der spezifiziert ist, geregelt werden.
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Während
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die vorhergehend
bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, so
ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass Änderungen
in Form und Detail darin gemacht werden können, ohne von
dem Umfang der Erfindung, wie in den anhängigen Ansprüchen
definiert, abzuweichen.
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Ein
System (1, 5) zum Reinigen von Abgas eines Verbrennungsmotors
ist an einem Kraftfahrzeug angebracht. Ein Wasser enthaltender Tank
(21) ist durch einen Fluiddurchgang (28, 29)
mit einem in einer Abgasleitung (11) angeordneten Injektor
(16) verbunden. Ein Gerät (30) zum Bilden
von Harnstoffwasser, das aus einem Harnstoffpulver aufbewahrenden
Behälter (31) und einem Auflösungs-Raum
(32) besteht, ist in dem Fluiddurchgang angeordnet. Das Harnstoffwasser
wird durch den Injektor (16) injiziert und zu einem Katalysator
(14) zugeführt, zum Fördern der Reduktion
von im Abgas enthaltenem NOx, um dadurch das Abgas zu reinigen.
Eine Harnstoffdichte in dem Harnstoffwasser wird in Übereinstimmung
mit den Betriebsbedingungen des Motors geregelt. Auf diese Weise
wird eine geeignete Menge von Harnstoff, der benötigt wird,
um das NOx zu reduzieren, sicher und einfach zu dem Katalysator
(14) zugeführt. Es ist nicht notwendig, die Dauer
der Harnstoffwasserinjektion zum Zuführen einer geeigneten
Menge von Harnstoff zu verändern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-166130
A [0003]