Устройство для подачи жидкой среды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания - RU2539220C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения для подачи жидкой среды, например мочевины, в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания.

Для выполнения действующих требований к очистке выхлопных газов современные автотранспортные средства обычно имеют каталитический нейтрализатор (катализатор), установленный в выхлопной системе для выполнения каталитического преобразования вредных для окружающей среды составляющих выхлопных газов в менее вредные для окружающей среды вещества. Способ, применявшийся для эффективной каталитической нейтрализации, основан на впрыске восстанавливающего агента в выхлопные газы перед каталитическим нейтрализатором. Восстанавливающее вещество, которое является частью восстанавливающего агента или формируется им, приносится выхлопными газами в каталитический нейтрализатор, приводя к накоплению восстанавливающего вещества в нейтрализаторе. Накопленное восстанавливающее вещество может затем вступить в реакцию с веществом выхлопных газов и преобразовать его в неопасное вещество. Такой восстанавливающий нейтрализатор может быть нейтрализатором, работающим по типу выборочного каталитического восстановления (ВКВ). Нейтрализатор такого типа далее будет именоваться ВКВ-нейтрализатором. ВКВ-нейтрализатор восстанавливает NOx в выхлопных газах. В случае ВКВ-нейтрализатора восстанавливающий агент в форме раствора мочевины обычно впрыскивают в выхлопные газы перед нейтрализатором. Впрыск мочевины в выхлопные газы приводит к формированию аммиака, который затем служит восстанавливающим веществом, которое способствует каталитическому преобразованию в ВКВ-нейтрализаторе. Аммиак накапливается в нейтрализаторе, поглощаясь активными гнездами катализатора, и NOx, присутствующие в выхлопных газах, преобразуются в азот и воду, входя в контакт в нейтрализаторе с накопившимся аммиаком на активных гнездах нейтрализатора.

Когда в качестве восстанавливающего агента используется мочевина, ее впрыскивают в выхлопную систему в форме жидкого раствора мочевины через впрыскивающее средство. Впрыскивающее средство содержит форсунку, через которую раствор мочевины впрыскивают под давлением во впрыскивающее средство в форме мелкодисперсного аэрозоля. Во многих рабочих состояниях дизельного двигателя выхлопные газы будут иметь достаточно высокую температуру, чтобы испарить раствор мочевины так, чтобы образовался аммиак. Однако трудно предотвратить контакт части впрыснутого раствора мочевины в не испаренном состоянии с внутренней поверхностью стенки выхлопной линии и прилипание к этой поверхности. Выхлопная линия, которая часто находится в контакте и охлаждается атмосферным воздухом, будет иметь более низкую температуру, чем выхлопные газы в этой выхлопной линии. Когда двигатель внутреннего сгорания работает равномерно в течение некоторого периода времени, т.е. в установившемся режиме, никаких заметных изменений потока выхлопных газов не происходит, и раствор мочевины, впрыснутый в выхлопные газы, следовательно, будет попадать в одну и ту же область выхлопной линии на протяжении всего этого периода времени. Относительно холодный раствор мочевины может вызвать локальное понижение температуры в этой области выхлопной линии, что может привести к формированию в этой области пленки раствора мочевины, которая затем захватывается выхлопными газами. Когда эта пленка смещается на определенное расстояние по выхлопной линии, вода в растворе мочевины выкипает под действием горячих выхлопных газов. Твердая мочевина остается и медленно испаряется под действием теплоты в выхлопной линии. Если количество поступающей твердой мочевины больше, чем количество испаряющейся, в выхлопной линии накапливается твердая мочевина. Если образовавшийся слой мочевины станет достаточно толстым, мочевина и продукты ее разложения вступят в реакцию друг с другом с формированием примитивных полимеров на основе мочевины, известных как сгустки мочевины. Такие сгустки мочевины со временем могут забить выхлопную линию.

Следовательно, желательно, чтобы впрыснутый раствор мочевины хорошо распределялся выхлопными газами так, чтобы не попадать по существу на одну и ту же область выхлопной линии. Хорошее распределение раствора мочевины в выхлопных газах также способствует ее испарению.

Устройство по ограничительной части п.1 формулы известно из WO 2009/012885 А1. В этом известном устройстве впрыскивающее средство выполнено с возможностью впрыска жидкой среды в пространство, расположенное внутри трубчатого кожуха, тем самым приводя впрыснутую среду в контакт с выхлопными газами, которые текут в этом пространстве через проточные отверстия, распределенные по окружности кожуха. Сформированная таким образом в кожухе смесь выхлопных газов и впрыснутой среды оттуда подается в смешивающий патрубок. Выхлопные газы также направляются в смешивающий патрубок через отверстия, распределенные вокруг переднего конца кожуха для создания тем самым вдоль стенки смешивающего патрубка потока выхлопных газов, который препятствует контакту впрыснутой среды с этой стенкой.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является дальнейшее развитие конструкции описанного выше типа для получения конструкции с конфигурацией, которая по меньшей мере в некоторых аспектах имеет преимущества перед известными решениями.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению эта цель достигается с помощью конструкции, которая обладает признаками, перечисленными в п.1 формулы изобретения.

Конструкция по настоящему изобретению содержит:

- линию для протекания выхлопных газов,

- камеру впрыска с открытым передним концом,

- впрыскивающее средство для впрыска жидкой среды в камеру впрыска,

- кожух, ограничивающий камеру впрыска в радиальных направлениях и снабженный проточными отверстиями, распределенными по окружности кожуха,

- смешивающий патрубок, образующий часть линии и в котором впрыснутая жидкая среда должна испаряться, и с которой соединена камера впрыска своим открытым передним концом,

- собирающая камера, расположенная выше по потоку от камеры впрыска, которая окружает по меньшей мере часть кожуха, имеет впуск для приема выхлопных газов и соединена с камерой впрыска через проходные отверстия кожуха для приема выхлопных газов в собирающей камере, которые затем входят через эти отверстия в камеру впрыска, и

- байпасный канал для направления выхлопных газов в смешивающий патрубок, без пропускания их через собирающую камеру и камеру впрыска.

Вход собирающей камеры выполнен с возможностью отвода части выхлопных газов, текущих по линии, чтобы заставить эти отведенные выхлопные газы течь в собирающую камеру и, следовательно, в камеру впрыска через эти проточные отверстия, а затем в смешивающий патрубок через открытый передний конец камеры впрыска, тогда как байпасный канал выполнен с возможностью направлять другую часть выхлопных газов, текущих по линии, в смешивающий патрубок для смешивания с отведенными выхлопными газами.

Отвод только части выхлопного потока в собирающую камеру для пропускания через проточные отверстия кожуха позволяет придать этим отверстиям такой размер, чтобы ограничивать эту часть выхлопных газов без заметного влияния на давление той части выхлопного потока, который направляется непосредственно в смешивающий патрубок через байпасный канал, не проходя через собирающую камеру и камеру впрыска. Рост давления выхлопных газов в собирающей камере, таким образом, будет создавать лишь ограниченный вклад в общее противодавление выхлопных газов в выхлопной линии. Повышение давления выхлопных газов, которые скапливаются в собирающей камере, позволяет по существу равномерно распределить поток выхлопных газов в камере впрыска по разным проточным отверстиям. Равномерное распределение этих проточных отверстий по окружности кожуха, таким образом, позволяет обеспечить приток выхлопных газов в камеру впрыска по существу симметрично относительно центральной оси камеры впрыска. Таким образом, появляется возможность направить мелкодисперсную среду к центру камеры впрыска и предотвратить ее попадание на поверхности стенки камеры впрыска и поверхности стенки смешивающего патрубка в области, ближайшей к камере впрыска. В результате мелкие капли жидкой среды хорошо распределяются в выхлопных газах в смешивающем патрубке, прежде чем у них появится возможность попасть на какую-либо поверхность стенки, что исключает или по меньшей мере снижает риск формирования описанных выше сгустков.

Согласно варианту настоящего изобретения впуск собирающей камеры имеет размер, позволяющий отбирать в собирающую камеру 10-20% выхлопных газов, текущих по линии. Это значит, что выхлопной поток, отведенный в собирающую камеру, будет относительно небольшим по сравнению с основным потоком, направляемым непосредственно в смешивающий патрубок через байпасный канал. Давление выхлопных газов, повышающееся в собирающей камере, таким образом, вносит очень небольшой вклад в общее противодавление выхлопных газов в выхлопной линии. По существу желательно удерживать общее противодавление в выхлопной линии как можно ниже, поскольку более высокое противодавление приводит к повышенному расходу топлива.

Другим преимуществом отвода лишь небольшой части общего потока выхлопных газов в собирающую камеру является то, что поток выхлопных газов в собирающей камере будет изменяться лишь в ограниченной степени, когда происходят изменения в общем потоке выхлопных газов. Это значит, что выхлопные газы, направленные в камеру впрыска через проточные отверстия кожуха, будут оказывать по существу одинаковый эффект на впрыскиваемую жидкую среду при разных рабочих условиях, и, таким образом, достигается желаемый эффект при рабочих условиях, изменяющихся в широком диапазоне.

Согласно другому варианту изобретения байпасный канал окружает собирающую камеру и отделен от нее обтекателем, расположенным между собирающей камерой и байпасным каналом. Это позволяет создать устройство с компактной и экономящей пространство конфигурацией.

Другие преимущественные признаки конструкции по настоящему изобретению определены в зависимых пунктах формулы и в приведенном ниже подробном описании.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже следует более подробное описание примеров реализации настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:

фиг.1 - схематическое продольное сечение конструкции по варианту настоящего изобретения,

фиг.2 - схематический вид в перспективе частей конструкции по фиг.1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показана конструкция 1 по настоящему изобретению для ввода жидкой среды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания. Эта конструкция может быть, например, расположена в выхлопной линии, расположенной перед ВКВ-нейтрализатором, для введения жидкого восстанавливающего агента в форме мочевины или аммиака в линию выхлопных газов перед ВКВ-нейтрализатором, или в устройстве для постобработки выхлопных газов для введения жидкого восстанавливающего агента в форме мочевины или аммиака перед ВКВ-нейтрализатором, который является частью устройства для постобработки выхлопных газов.

Конструкция 1 содержит линию 2, предназначенную для приема выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания и подачи их к устройству постобработки выхлопных газов, например, в форме ВКВ-нейтрализатора (катализатора). Конструкция 1 далее содержит камеру 3 впрыска с закрытым задним концом 4 и открытым передним концом 5. Камера 3 впрыска соединена своим открытым передним концом 5 со смешивающим патрубком 6, который образует часть линии 2 и который расположен после камеры 3 впрыска. Впрыскивающее средство 7 для впрыска жидкой среды расположено в центре заднего конца 4 камеры 3 впрыска для впрыска жидкой среды в сторону открытого переднего конца 5 камеры впрыска. В показанном примере впрыскивающее средство 7 входит в камеру 3 впрыска через ее задний конец 4. Впрыскивающее средство 7, которое может, например, содержать впрыскивающую форсунку, выполнено с возможностью впрыска жидкой среды под давлением в камеру 3 впрыска в форме мелкодисперсного аэрозоля.

Камера 3 впрыска радиально ограничена кожухом 8, который проходит между задним концом 4 и открытым передним концом 5 камеры впрыска. В кожухе 8 имеются проточные отверстия 9 (см. фиг.2), которые распределены по окружности кожуха. Проточные отверстия 9 симметрично распределены вокруг центральной оси 18 кожуха. Каждое отверстие 9 может иметь форму, например, щели, проходящей в осевом направлении кожуха, как показано на фиг.2. Однако отверстия 9 могут иметь другие альтернативные формы. В показанном варианте кожух 8 имеет форму усеченного конуса, который расширяется от заднего конца 4 к открытому переднему концу 5 камеры впрыска.

Собирающая камера 10 расположена выше по потоку от камеры 3 впрыска. Эта собирающая камера 10 окружает по меньшей мере часть кожуха 8. В варианте, показанном на фиг.1, собирающая камера 10 окружает весь кожух 8. Собирающая камера 10 имеет впуск 11 для приема выхлопных газов из линии 2 и соединена с камерой 3 впрыска через проточные отверстия 9 кожуха для того, чтобы выхлопные газы, принятые в собирающей камере 10, вошли в камеру 3 впрыска через эти отверстия 9. Совокупная площадь сечения отверстий 9 кожуха преимущественно меньше, чем площадь сечения впуска 11 собирающей камеры, поэтому выхлопные газы, отведенные в собирающую камеру, повышают давление в этой собирающей камере 10.

Байпасный канал 12 расположен в линии 2 выше по потоку от смешивающего патрубка 6 для направления выхлопных газов в смешивающий патрубок, не пропуская их в собирающую камеру 10 и камеру 3 впрыска. Байпасный канал 12 окружает собирающую камеру 10 и отделен от нее обтекателем 13, расположенным между собирающей камерой и байпасным каналом. В показанном варианте обтекатель 13 имеет форму усеченного конуса, который расширяется от своего переднего конца 14 к заднему концу 15. Байпасный канал 12 окружает обтекатель 13 и проходит вдоль него. В показанном варианте передний конец 14 обтекателя соединен с передним концом кожуха 8.

Впуск 11 собирающей камеры 10 выполнен с возможностью отводить часть выхлопных газов, текущих по линии 2, для направления этих отведенных выхлопных газов в собирающую камеру 10, из нее - в камеру 3 впрыска через отверстия 9 в кожухе 8 и затем в смешивающий патрубок 6 через открытый передний конец 5 камеры впрыска, тогда как байпасный канал 12 выполнен с возможностью направлять остальную часть выхлопных газов, текущих по линии 2, непосредственно в смешивающий патрубок 6, где эти выхлопные газы смешиваются с отведенной частью выхлопных газов. Аэрозоль жидкой среды, впрыснутой в камере 3 впрыска через впрыскивающее средство 7 в камере 3 впрыска, вступает в контакт с выхлопными газами, текущими в камеру впрыска через отверстия 9 кожуха по существу симметричным потоком вокруг этого аэрозоля. Выхлопные газы, текущие в камеру 3 впрыска, предотвращают соприкосновение жидкости в этом аэрозоле с внутренней стороной кожуха 8 и уносят с собой жидкую среду в смешивающий патрубок 6, в котором жидкая среда распространяется по выхлопным газам и испаряется за счет их теплоты.

Впуск 11 собирающей камеры 10 преимущественно имеет такие размеры, чтобы отводить в собирающую камеру 5-50%, предпочтительно 10-20% выхлопных газов, текущих по линии 2.

В варианте, показанном на фиг.1, конструкция 1 содержит выпуклый участок 16, который выступает в линию 2, а кожух 8 выступает от его верхней стороны. Собирающая камера 10 сформирована между этим выпуклым участком 16, кожухом 8 и обтекателем 13. Впуск 11 собирающей камеры в этом случае является кольцевым и проходит вокруг выпуклого участка 16. Перед впуском 11 собирающей камеры линия 2 имеет кольцевое пространство 17, которое проходит вокруг выпуклого участка 16.

Конструкция по настоящему изобретению, в частности, предназначена для использования на тяжелых автотранспортных средствах, например автобусах, тягачах или грузовиках.

Изобретение не ограничено описанными выше вариантами, поскольку существуют разнообразные возможности их модификации, очевидные специалистам в данной области, не выходящие за пределы базовой концепции изобретения, определенной в приложенной формуле.

Реферат

Изобретение относится к устройству подачи жидкой среды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания. Конструкция (1) для введения жидкой среды, например мочевины, в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, содержащая впрыскивающее средство (7) для впрыска жидкой среды в камеру (3) впрыска; кожух (8), окружающий камеру (3) впрыска; смешивающий патрубок (6); собирающую камеру (10), окружающую кожух и соединенную с камерой впрыска через отверстия кожуха; и байпасный канал (12) для направления выхлопных газов в смешивающий патрубок без пропускания их через собирающую камеру и камеру впрыска. Впуск (11) собирающей камеры выполнен с возможностью отводить часть выхлопных газов, чтобы направить эту отведенную часть выхлопных газов в собирающую камеру, затем в камеру впрыска через отверстия (9) и затем в смешивающий патрубок, тогда как байпасный канал (12) выполнен с возможностью направлять другую часть выхлопных газов, текущих по линии, в смешивающий патрубок для смешивания с отведенной частью выхлопных газов. При этом совокупная площадь сечения отверстий (9) в кожухе меньше, чем площадь сечения впуска (11) собирающей камеры, так что выхлопные газы, отведенные в собирающую камеру (10), подвергаются повышению давления в ней. Техническим результатом изобретении является обеспечение эффективного испарения за счет равномерного распределения раствора мочевины выхлопными газами. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула