Устройство для введения жидкой среды в отработавшие газы из двигателя внутреннего сгорания - RU2528933C1

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ, И ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству, согласно преамбуле пункта 1, для введения жидкой среды, например мочевины, в отработавшие газы из двигателя внутреннего сгорания.

Чтобы отвечать требованиям очистки отработавших газов, современные моторные транспортные средства обычно оснащаются катализатором в выпускном трубопроводе, чтобы выполнять каталитическую конверсию экологически опасных компонентов отработавших газов в экологически менее опасные вещества. Способ, который применялся для достижения эффективной каталитической конверсии, основан на впрыскивании восстанавливающего вещества в отработавшие газы выше по потоку относительно катализатора. Восстанавливающий материал, который формирует часть восстанавливающего вещества, или формируется им, переносится посредством отработавших газов в катализатор и адсорбируется на активные ячейки в катализаторе, что приводит к накоплению восстанавливающего материала в катализаторе. Накопленный восстанавливающий материал затем может реагировать и тем самым преобразовывать отработавший материал в материал с меньшим воздействием на окружающую среду. Такой восстанавливающий катализатор может быть, например, типа SCR (избирательного каталитического восстановления). Этот тип катализатора в дальнейшем называется SCR катализатором. SCR катализатор снижает в отработавших газах NO_x. В случае с катализатором SCR, восстанавливающее вещество в виде раствора мочевины, как правило, впрыскивается в отработавшие газы выше по потоку относительно катализатора. Впрыск мочевины в отработавшие газы приводит к образованию аммиака, который затем служит в качестве восстанавливающего материала, который содействует каталитической конверсии в катализаторе SCR. Аммиак накапливается в катализаторе, адсорбируется на активных ячейках в катализаторе, и NO_x, присутствующий в отработавших газах, преобразуется в газообразный азот и воду, когда он приводится в контакт в катализаторе с накопленным аммиаком на активных ячейках в катализаторе.

Когда мочевина используется в качестве восстанавливающего вещества, она впрыскивается через средства впрыска в отработавшие газы в виде жидкого раствора мочевины. Средства впрыска содержат форсунку, через которую раствор мочевины впрыскивается под давлением в средствах впрыска в виде мелкораспыленного аэрозоля. Во многих рабочих состояниях дизельного двигателя отработавшие газы должны будут иметь достаточно высокую температуру, чтобы иметь возможность испарять раствор мочевины так, чтобы образовывался аммиак. Однако трудно предотвратить часть подаваемого раствора мочевины от вступления в контакт и прикрепления к поверхности внутренней стенки выпускном трубопроводе в неиспаренном состоянии. Выпускной трубопровод, который часто контактирует и охлаждается окружающим воздухом, должен быть с температурой более низкой, чем отработавшие газы в пределах выпускного трубопровода. Когда двигатель внутреннего сгорания в период времени обкатывается равномерным способом, то есть во время установившегося режима работы, в потоке отработавших газов не происходят заметные изменения и раствор мочевины впрыскивается в отработавшие газы, поэтому он будет достигать, в основном, той же области выпускного трубопровода в течение всего упомянутого периода времени. Относительно холодный раствор мочевины может вызвать локальное понижение температуры в этой области выпускного трубопровода, которое может вести к образованию в этой области тонкой пленки раствора мочевины, которая затем захватывается потоком отработавших газов. Когда эта пленка движется на определенное расстояние в выпускном трубопроводе, вода в растворе мочевины будет выкипать под воздействием горячих отработавших газов. Отвердевшая мочевина будет оставаться и медленно испаряться при нагревании в выпускном трубопроводе. Если приток отвердевшей мочевины является большим, чем ее испарение, отвердевшая мочевина будет накапливаться в выпускном трубопроводе. Если получающийся слой мочевины становится достаточно толстым, мочевина и продукты ее разложения будут реагировать друг с другом, формируя простые полимеры на основе мочевины, известные как комки (гранулы) мочевины. Такие комки мочевины могут со временем засорять выпускной трубопровод.

Поэтому желательно, чтобы впрыскиваемый раствор мочевины распределялся в отработавших газах так, чтобы исключить его достижение, по существу, той же области выпускного трубопровода. Хорошее распределение раствора мочевины в отработавших газах также способствует его испарению. Также желательно, чтобы впрыскиваемый раствор мочевины был распылен на мелкие капли насколько возможно, поскольку с уменьшением размера капли, скорость испарения увеличивается.

Устройство согласно преамбуле п.1 уже известно из WO 2007/115748 A1. В этом известном устройстве первый поток отработавших газов ведет в смесительный канал таким образом, чтобы отработавшие газы в этом первом потоке отработавших газов вызывали вращение вокруг осевой линии смесительного канала, что в результате приводит к завихрению отработавших газов в смесительном канале. Средства впрыска предоставляют возможность впрыска жидкой среды в трубчатую камеру впрыска, тем самым, принося впрыскиваемую среду в контакт со вторым потоком отработавших газов, который проходит через камеру впрыска. Смесь из отработавших газов и впрыскиваемой среды, образованной в пределах камеры впрыска затем ведет в смесительный канал в центр упомянутого завихрения отработавших газов, чтобы достичь хорошего распределения жидкой среды в отработавших газах.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить дальнейшее развитие устройства типа описанного выше для того, чтобы достичь устройства, с компоновкой которого, по меньшей мере, некоторые аспекты дают преимущество по сравнению с ним.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению, упомянутая цель достигается посредством устройства, которое представлено признаками, определенными в п.1.

Устройство, согласно изобретению, содержит:

- смесительный канал, предназначенный для принятия отработавших газов протекающих по нему,

- первые устройства направления потока для создания первого завихрения отработавших газов в смесительном канале, первые устройства направления потока, которые приспособлены вызывать вращение отработавших газов во время их движения ниже по потоку в смесительном канале в этом первом завихрении отработавших газов в первом направлении вращения,

- средства впрыска для впрыска жидкой среды в виде мелкораспыленного аэрозоля в отработавшие газы, которые приводят в смесительный канал поток отработавших газов в центре первого завихрения отработавших газов, и

- вторые устройства направления потока для создания второго завихрения отработавших газов в смесительном канале концентрически и наружу касательно первого завихрения отработавших газов, при этом вторые устройства направления потока, которые приспособлены вызывать вращение отработавших газов во втором завихрении отработавших газов во втором направлении вращения, которое противоположно упомянутому первому направлению вращения, во время их движения вниз по потоку в смесительном канале.

Первое завихрение отработавших газов содействует центрифугированию жидкой среды в радиальных направлениях наружу, так чтобы она вступала в контакт со вторым завихрением отработавших газов. Тот факт, что первое завихрение отработавших газов и второе завихрение отработавших газов вращаются в противоположных направлениях, приводит к турбулентному потоку, где они вступают в контакт друг с другом. Этот турбулентный поток содействует распространению жидкой среды в отработавших газах. Получившиеся мелкие капли жидкой среды, таким образом, распространяются в смесительном канале в отработавших газах, перед тем как они получат возможность достигнуть какой-нибудь поверхности стенки канала, тем самым устраняя или, по меньшей мере, по существу, ослабляя угрозу вышеуказанного образования комков. Турбулентный поток также способствует разбиению капель жидкой среды на меньшие капли, которые испаряются более быстро.

Согласно варианту осуществления изобретения, средства впрыска приспособлены к впрыскиванию жидкой среды в камеру впрыска, расположенную выше по потоку относительно смесительного канала, канал, который предназначен принимать отработавшие газы, протекающие по нему, соединен со смесительным каналом таким образом, что отработавшие газы, принятые в камере впрыска, приводят в смесительный канал в поток отработавших газов в центре первого завихрения отработавших газов. В камере впрыска, начало распространения жидкой среды в первом объеме отработавших газов происходит перед тем как жидкая среда вступит в контакт с завихрениями в смесительном канале.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, камера впрыска ограничена в радиальных направлениях кожухом с проточными отверстиями, которыми она оснащается, распределенными по его окружности, чтобы предоставлять возможность отработавшим газам проникать в камеру впрыска через эти отверстия. Поток отработавших газов через отверстия кожуха проталкивает среду, впрыснутую в камеру впрыска по направлению к центру камеры так, чтобы исключить ее достижение поверхностей стенки.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, устройство содержит третьи устройства направления потока для создания третьего завихрения отработавших газов в смесительном канале, концентрически и наружу, касательно второго завихрения отработавших газов, причем третьи устройства направления потока приспособлены вызывать вращение отработавших газов в третьем завихрении отработавших газов в упомянутом первом направлении вращения во время его движения вниз по потоку в смесительном канале. Тот факт, что второе завихрение отработавших газов и третье завихрение отработавших газов вращаются в противоположных направлениях, приводит к турбулентному потоку, где они вступают в контакт друг с другом. Этот турбулентный поток вносит вклад в дополнительное распространение жидкой среды в отработавших газах и дополнительное распыление капель.

Другие полезные признаки устройства согласно изобретению показаны независимыми пунктами формулы изобретения и описанием изложенным ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение более подробно описано ниже на основании примеров варианта осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематический продольный разрез устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,

Фиг.2 - схематическое поперечное сечение смесительного канала устройства согласно фиг.1,

Фиг. 3 - схематический вид в перспективе частей устройства согласно фиг.1,

Фиг.4 - схематический продольный разрез устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, и

Фиг.5 - схематическое поперечное сечение смесительного канала устройства согласно фиг.4.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 и 4 иллюстрируют устройство 1 согласно двум различным вариантам осуществления настоящего изобретения для введения жидкой среды в отработавшие газы из двигателя внутреннего сгорания. Устройство может, например, быть расположено в выпускном трубопроводе, выше по потоку относительно катализатора SCR для того, чтобы вводить жидкое восстанавливающее вещество в виде мочевины или аммиака в выпускной трубопровод, выше по потоку относительно катализатора SCR или быть расположено в устройстве дополнительной обработки отработавших газов для того, чтобы вводить жидкое восстанавливающее вещество в виде мочевины или аммиака, выше по потоку, относительно катализатора SCR, который формирует часть устройства дополнительной обработки отработавших газов.

Устройство 1 содержит смесительный канал 2, предназначенный для приема в его входной патрубок отработавших газов из двигателя внутреннего сгорания и направления их в направлении узла дополнительной обработки отработавших газов, например в виде катализатора SCR. Таким образом, смесительный канал 2 предназначен для принятия протекающих по нему отработавших газов.

Устройство 1 дополнительно содержит первые устройства 3 направления потока для создания первого завихрения V1 отработавших газов (см. фиг.2 и 5) в смесительном канале 2, и вторые устройства 4 направления потока для создания второго завихрения V2 отработавших газов (см. фиг.2 и 5) в смесительном канале 2 концентрически и одновременно наружу по отношению к первому завихрению отработавших газов. Устройства 3 направления потока приспособлены вызывать вращение отработавших газов в первом завихрении V1 отработавших газов в первом направлении вращения (указано стрелкой P1 на фиг.2) во время их движения вниз по течению в смесительном канале и вторые устройства 4 направления потока приспособлены вызывать вращение отработавших газов во втором завихрении V2 из отработавших газов во втором направлении вращения (указано стрелкой P2 на фиг.2), которое противоположно упомянутому первому направлению вращения, во время их движения вниз по потоку в смесительном канале. Два завихрения отработавших газов, таким образом, вращаются во взаимно противоположных направлениях так, что отработавшие газы в первом завихрении V1 из отработавших газов будут сталкиваться с отработавшими газами во втором завихрении из отработавших газов, приводя к турбулентному потоку в граничной области между завихрениями отработавших газов.

Устройство 1 дополнительно содержит средства 5 впрыска, приспособленные к впрыску жидкой среды под давлением, в виде мелкораспыленного аэрозоля в отработавшие газы, которые приводят в смесительный канал 2 в поток отработавших газов в центре первого завихрения V1 из отработавших газов. Средства 5 впрыска могут, например, содержать распылитель форсунки.

В вариантах осуществления проиллюстрированных на фиг.1 и 4, устройство 1 содержит камеру 6 впрыска, расположенную выше по потоку относительно смесительного канала 2, и предназначено для приема отработавших газов, протекающих по нему. Эта камера 6 впрыска присоединена к смесительному каналу 2 таким образом, что отработавшие газы, принятые в камере 6 впрыска, приводят в смесительный канал 2 в потоке отработавших газов в центр первого завихрения V1 из отработавших газов. Средства 5 впрыска приспособлены к впрыску жидкой среды в камеру 6 впрыска. Камера 6 впрыска ограничена в радиальных направлениях кожухом 7, который оснащен проточными отверстиями 8 (см. фиг.3), распределенными в их круговом направлении для того, чтобы предоставить возможность отработавшим газам проникать в камеру впрыска 6 через эти отверстия 8. Отверстия 8 распределены симметрично по осевой линии 9 кожуха. Каждое отверстие 8 может, например, принимать форму прорези, проходящей в осевом направлении кожуха, как проиллюстрировано на фиг.3. Отверстия 8 также могут иметь другие альтернативные формы. В изображенных вариантах осуществления, кожух 7 принимает форму усеченного конуса, который уширяется по направлению выходного конца камеры впрыска.

В иллюстрированных вариантах осуществления, камера 6 впрыска имеет закрытый задний конец 10 и открытый передний конец 11. Камера 6 присоединена к смесительному каналу 2 через его открытый передний конец 11. Вышеупомянутый кожух 7 проходит между задним концом 10 камеры и его открытым передним концом 11. Средства 5 впрыска расположены в центре заднего конца 10 камеры для того, чтобы впрыскивать жидкую среду в сторону открытого конца 11 камеры. В проиллюстрированном примере, средства 5 впрыска вытягиваются в камеру 6 впрыска через ее заднюю стенку 10.

Устройства 3 направления потока могут, например, принимать форму набора первых направляющих створок, расположенных на интервалах друг от друга, по кругу, как проиллюстрировано на фиг.3. В проиллюстрированном примере, эти направляющие створки 3 расположены на первой кольцевой поверхности 13 обтекателя 14, который внешне расположен вокруг кожуха 7. Обтекатель 14 присоединен к переднему концу кожуха 7. Первая кольцевая поверхность 13 проходит вокруг открытого переднего конца 11 камеры впрыска. Направляющие створки 3 равномерно распределены вокруг центра первой кольцевой поверхности и каждая проходит наружу под углом через их соответствующие проточные отверстия в первой кольцевой поверхности 13. В проиллюстрированном примере, вторые устройства 4 направления принимают форму набора вторых направляющих створок, расположенных по кругу на интервалах друг от друга. В проиллюстрированном примере, эти направляющие створки 4 расположены на второй кольцевой поверхности 17 обтекателя 14. Направляющие створки 4 равномерно распределены вокруг центра второй кольцевой поверхности и каждая проходит наружу под углом через их соответствующие проточные отверстия 18 во второй кольцевой поверхности 17. В проиллюстрированном примере, первые направляющие створки 3 наклонены против часовой стрелки, тогда как вторые направляющие створки 4 наклонены по часовой стрелке. Вторая кольцевая поверхность 17 является концентрической с первой кольцевой поверхностью 13 и имеет больший внутренний диаметр, чем внешний диаметр первой кольцевой поверхности 13. Стенка 19 в форме усеченного конуса проходит между первой кольцевой поверхностью 13 и второй кольцевой поверхностью 17. Кроме того, обтекатель 14 имеет наружную стенку 20, присоединенную в его переднем конце 21 к наружной кромке второй кольцевой поверхности 17. Эта наружная стенка 20 принимает форму усеченного конуса, который расширяется от переднего конца 21 стенки вверх по потоку в сторону его заднего конца 22.

Камера 23 сбора расположена между кожухом 7 и обтекателем 14. Эта камера 23 окружает кожух 7. Камера 23 сбора имеет впускное отверстие 24 для приема отработавших газов из выпускного трубопровода 25 и присоединяется к камере 6 впрыска через отверстия 8 в кожухе для того, чтобы предоставить возможность отработавшим газам протекать в камеру 6 впрыска из камеры 23 сбора через эти отверстия 8. Камера 23 сбора также присоединена к смесительному каналу 2 через отверстия обтекателя 15, 18 для того, чтобы предоставить возможность отработавшим газам проникать в смесительный канал 2 из камеры 23 сбора через эти отверстия 15, 18, приводящим к вышеупомянутым завихрениям отработавших газов V1, V2.

В проиллюстрированных вариантах осуществления, обводной канал 26 предоставляет возможность вести отработавшие газы в смесительный канал выше по потоку относительно смесительного канала 2 без прохождения через камеру 23 сбора. Обводной канал 26 окружает камеру 23 сбора и отделяется от нее обтекателем 14. Обводной канал 26 окружает и проходит вдоль обтекателя 14.

Впускное отверстие 24 камеры сбора приспособлено к отклонению части отработавших газов, проходящих через выпускной трубопровод 25 для того, чтобы предоставить возможность этим отклоненным отработавшим газам проникать в камеру 23 сбора, наряду с тем обводной канал 26 приспособлен к направлению другой части отработавших газов, проходящих через выпускной трубопровод 25, непосредственно в смесительный канал 2 для того, чтобы смешиваться здесь с упомянутыми отклоненными отработавшими газами. Аэрозоль из жидкой среды впрыскивается в камеру 6 впрыска через средства 5 впрыска, вступает в контакт в камере 6 впрыска с отработавшими газами, которые проникают в камеру впрыска через отверстия 8 в кожухе, главным образом в симметричном потоке, касательно этого аэрозоля. Отработавшие газы, проникающие в камеру 6 впрыска, предотвращают жидкую среду в упомянутом аэрозоле от вступления в контакт с внутренней частью кожуха 7 и переносят жидкую среду с ним в смесительный канал 2, в котором жидкая среда вступает в контакт с завихрениями V1, V2, отработавших газов, распыляется и распространяется в отработавших газах и испаряется от их тепла.

В вариантах осуществления, проиллюстрированных на фиг.1 и 4, устройство 1 содержит выгнутую часть 27, которая имеет кожух 7, выступающий вперед из его верхней стороны. Камера 23 сбора сформирована между этой выгнутой частью 27, кожухом 7 и обтекателем 14. Впускное отверстие 24 камеры сбора, в этом случае, является кольцевым и проходит по кругу выгнутой части 27. Выше по потоку, относительно впускного отверстия 24 камеры сбора выпускного трубопровода 25, имеется кольцевое пространство 28, которое проходит вокруг выгнутой части 27.

В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4 и 5, устройство 1 содержит также третьи устройства 30 направления потока для создания третьего завихрения V3 отработавших газов в смесительном канале 2 концентрически и одновременно наружу касательно второго завихрения V2 отработавших газов. Эти третьи устройства 30 направления потока приспособлены вызывать вращение отработавших газов в завихрении V3 отработавших газов в упомянутом первом направлении вращения, во время их движения в смесительном канале 2 вниз по потоку. Второе и третье завихрения V2, V3 таким образом, вращаются во взаимно противоположных направлениях так, что отработавшие газы во втором завихрении V2 будут сталкиваться с отработавшими газами в третьем завихрении V3 отработавших газов, приводящим к турбулентному потоку в граничной области между завихрениями. Третьи устройства 30 направления потока, например, могут принимать форму направляющих створок описанного выше типа.

Где необходимо, устройство может содержать дополнительные устройства направления потока для создания любого числа заданных завихрений отработавших газов в смесительном канале 2 концентрически и внешне касательно друг друга так, чтобы альтернативные завихрения вызывали вращение по направлению часовой стрелки и соответствующие промежуточные завихрения против часовой стрелки.

Устройство согласно изобретению особенно предназначено для использования в тяжелых моторных транспортных средствах, например автобусах, тракторах или грузовиках.

Конечно, изобретение никоим образом не ограничено вариантами, описанными выше, поскольку многие возможности для его модификаций из этого, вероятно будут очевидны для специалистов в этой области, не отклоняясь от основной идеи изобретения, которая определена в прилагаемой формуле изобретения. Например, устройства 3, 4, 30 могут быть сконфигурированы отлично от того, что описано выше.

Реферат

Изобретение относится к устройству для введения жидкой среды в отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения: устройство (1) для введения жидкой среды в отработавшие газы из двигателя внутреннего сгорания содержит смесительный канал (2), первые устройства (3) направления потока для создания первого завихрения (V1) отработавших газов в смесительном канале (2). Устройство (1) содержит средства впрыска (5) для впрыска жидкой среды в виде мелкораспыленного аэрозоля в отработавшие газы, которые поступают в смесительный канал (2) в потоке отработавших газов в центр первого завихрения (V1). Камера (6) впрыска расположена выше по потоку относительно смесительного канала (2). Камера (6) предназначена для приема отработавших газов, протекающих по ней, и присоединена к смесительному каналу (2). Отработавшие газы, принятые в камере (6) впрыска, поступают в смесительный канал (2) в поток отработавших газов в центре первого завихрения (V1). Средства (5) впрыска приспособлены к впрыску жидкой среды в камеру (6) впрыска. Устройство (1) содержит вторые устройства (4) направления потока для создания второго завихрения (V2) отработавших газов в смесительном канале (2) концентрически и наружу касательно первого завихрения (V1) так, чтобы отработавшие газы во втором завихрении вращались во втором направлении вращения, которое противоположно упомянутому первому направлению вращения. Техническим результатом изобретения является обеспечение увеличения скорости испарения жидкой среды за счет эффективного распыления жидкой среды в отработавших газах. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула