Устройство для подачи жидкой среды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания - RU2538984C2

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 катализатор (нейтрализатор), 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 эффективного каталитического преобразования, основан на впрыске восстанавливающего агента в выхлопные газы перед каталитическим нейтрализатором. Восстанавливающее вещество, которое образует часть восстанавливающего агента или формируется им, приносится выхлопными газами в каталитический нейтрализатор и адсорбируется активными гнездами нейтрализатора, приводя к накоплению восстанавливающего вещества в нейтрализаторе. Накопленное восстанавливающее вещество может затем вступить в реакцию с веществом выхлопных газов и преобразовать его в менее опасное для окружающей среды вещество. Такой восстанавливающий нейтрализатор может быть, например, нейтрализатором, работающим по типу выборочного каталитического восстановления (ВКВ). Нейтрализатор такого типа далее будет именоваться ВКВ-нейтрализатором. ВКВ-нейтрализатор восстанавливает NO_x 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 No_x, присутствующие в выхлопных газах, преобразуются в газообразный 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 неиспаренном 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, 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.

По причине пространственных ограничений не всегда можно создать прямую выхлопную линию между двигателем внутреннего сгорания и выпуском выхлопной системы автомобиля. Прежде чем выхлопные газы достигнут смешивающего патрубка, в котором впрыснутый раствор мочевины смешивается с ними и испаряется, они проходят через один или более изгиб трубы. Прохождение выхлопных газов через изгибы трубы приводит к отклоненному распределению выхлопного потока, если смотреть в плоскости, перпендикулярной направлению потока. Контакт впрыснутого аэрозоля раствора мочевины с таким отклоненно-распределенным потоком ухудшает распределение раствора мочевины в выхлопных газах и одновременно повышает риск попадания раствора мочевины на одно и то же место стенки в смешивающем патрубке.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является решение вышеописанной проблемы отклоненного распределения потока выхлопных газов в смешивающем патрубке, в котором в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания впрыскивают жидкую среду (например, мочевину).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

Конструкция по настоящему изобретению содержит:

- смешивающий патрубок, предназначенный для пропускания выхлопных газов, текущих сквозь него,

- впрыскивающее средство для впрыска жидкой среды в смешивающий патрубок в центре расположенного выше по потоку конца смешивающего патрубка и

- впускной канал, расположенный выше по потоку от смешивающего патрубка, на расположенном выше по потоку конце которого имеется впуск для приема выхлопных газов, а на расположенном ниже по потоку конце которого имеется выпуск, открытый в расположенный выше по потоку конец смешивающего патрубка.

Впускной канал содержит первую секцию канала, имеющую кольцевое сечение и на расположенном ниже по потоку конце которой имеется кольцевой выпуск, вторую секцию канала, имеющую кольцевое сечение и расположенную ниже по потоку от первой секции канала и окружающую смешивающий патрубок. Вторая секция канала соединена своим расположенным ниже по потоку концом с выпуском впускного канала, и на ее расположенном выше по потоку конце имеется кольцевой впуск. Первая секция канала окружает вторую секцию канала. Впускной канал далее содержит секцию реверсирования потока, через которую кольцевой выпуск первой секции канала соединен с кольцевым входом второй секции канала и которая выполнена с возможностью реверсировать направление потока выхлопных газов, текущих через вторую секцию канала в направлении, противоположном направлению выхлопных газов в первой секции канала.

Вышеупомянутые первая и вторая секции впускного канала образуют вращательно-симметричный лабиринт, через который проходят выхлопные газы, прежде чем они будут выпущены в смешивающий патрубок. Когда выхлопные газы проходят через эти секции канала, через некоторое время отклоненное распределение потока выхлопных газов уравновешивается так, что выхлопные газы можно подать в смешивающий патрубок в форме потока, который по существу равномерно распределен, если смотреть в поперечном сечении смешивающего патрубка. Это позволяет получить поток выхлопных газов, который по существу равномерно распределен вокруг аэрозоля жидкой среды, впрыснутой в смешивающий патрубок, что позволяет хорошо рассредоточить жидкую среду по выхлопным газам, в то же время предотвращая попадание этой среды на поверхности стенки смешивающего патрубка в области, ближайшей к впрыскивающему средству. В результате мелкие капли жидкой среды хорошо распределяются в выхлопных газах до того, как у них появится возможность достичь поверхности стенки смешивающего патрубка, тем самым устраняя или, по меньшей мере, существенно уменьшая риск ранее упомянутого формирования сгустков. Тот факт, что секции впускного канала проходят одна снаружи другой и снаружи смешивающего патрубка, также позволяет создать компактную и экономящую пространство конфигурацию.

Согласно варианту изобретения смешивающий патрубок ограничен в радиальных направлениях трубчатой стенкой, и вторая секция впускного канала проходит вдоль внешней стороны этой трубчатой стенки. Выхлопные газы, которые текут по этой второй секции канала, нагревают эту трубчатую стенку, внутренняя сторона которой служит внутренней поверхностью стенки смешивающего патрубка. Это противодействует охлаждению внутренней поверхности стенки смешивающего патрубка, тем самым препятствуя прикреплению впрыснутой среды к этой внутренней поверхности стенки перед испарением.

Другие признаки и преимущества устройства по настоящему изобретению показаны в независимых пунктах формулы и в нижеследующем описании.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее следует более подробное описание иллюстративных вариантов настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:

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

фиг.2 - сечение по линии II-II на фиг.1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показано устройство 1 по настоящему изобретению для введения жидкой среды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания. Устройство может быть, например, расположено в выхлопной линии перед ВКВ-нейтрализатором для введения жидкого восстанавливающего агента в форме мочевины или аммиака в выхлопную линию перед ВКВ-нейтрализатором, или оно может быть расположено в устройстве постобработки выхлопных газов для введения жидкого восстанавливающего агента в форме мочевины или аммиака перед ВКВ-нейтрализатором, который является частью устройства постобработки выхлопных газов.

Устройство 1 содержит смешивающий патрубок 2, предназначенный для приема на своем расположенном выше по потоку конце 3 выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания и для подачи их к устройству постобработки выхлопных газов, например, в форме ВКВ-нейтрализатора. Смешивающий патрубок 2, таким образом, предназначен для протекания сквозь него выхлопных газов.

Устройство 1 далее содержит впрыскивающее средство 4, выполненное с возможностью впрыскивать жидкую среду под давлением в форме мелкодисперсного аэрозоля в смешивающий патрубок 2 в центре расположенного выше по потоку конца 3 смешивающего патрубка. Впрыскивающее средство 4 может, например, содержать впрыскивающую форсунку. Впрыскивающее средство 4 преимущественно расположено в центре расположенного выше по потоку конца 3 смешивающего патрубка и выполнено с возможностью впрыскивать жидкую среду в сторону расположенного ниже по потоку конца смешивающего патрубка, как показано на фиг.1.

Выхлопные газы подаются в смешивающий патрубок 2 по впускному каналу 6, который расположен выше по потоку от смешивающего патрубка, имеет на своем расположенном выше по потоку конце 7 кольцевой впуск 8 для приема выхлопных газов от линии 9 и на расположенном ниже по потоку конце 10 имеет выпуск 11, открытый в расположенный выше по потоку конец 3 смешивающего патрубка для подачи выхлопных газов в смешивающий патрубок. Выпуск 11 впускного канала выполнен кольцевым и проходит вокруг центральной оси 12 смешивающего патрубка. Выпуск 11 впускного канала ведет к кольцевой направляющей поверхности 13, которая проходит вокруг центральной оси 12 смешивающего патрубка. Направляющая поверхность 13 закруглена для того, чтобы выхлопные газы, принятые из впускного канала 6, текли к расположенному ниже по потоку концу смешивающего патрубка.

Впускной канал 6 содержит первую секцию 14, выполненную кольцевой в сечении, и на расположенном ниже по потоку конце которой имеется кольцевой выпуск 16. Впускной канал 6 содержит также вторую секцию 15, которая выполнена кольцевой в сечении, расположена на расположенном ниже по потоку конце первой секции 14 и окружает смешивающий патрубок 2. Вторая секция 15 канала соединена своим расположенным ниже по потоку концом с выпуском 11 впускного канала и на расположенном выше по потоку конце имеет кольцевой впуск 17. Первая секция 14 канала окружает вторую секцию 15 и расположена концентрически с ней. Секции 14, 15 канала также расположены концентрически со смешивающим патрубком 2.

Кольцевой выпуск 16 первой секции 14 канала соединен с кольцевым впуском 17 второй секции 15 канала через секцию 18 реверсирования потока, которая образует часть впускного канала и выполнена с возможностью реверсировать поток выхлопных газов, текущих через впускной канал 6 так, чтобы они текли по второй секции 15 канала в направлении, противоположном направлению выхлопных газов в первой секции 14 канала и противоположном направлению выхлопных газов в смешивающем патрубке 2. Секция 18 реверсирования потока имеет кольцевую направляющую поверхность 19, которая является закругленной для того, чтобы выхлопные газы, принятые из выпуска 16 первой секции канала, текли в направлении впуска 17 второй секции канала.

Смешивающий патрубок 2 радиально окружен трубчатой стенкой 20. Вторая секция 15 впускного канала проходит вдоль внешней стороны этой трубчатой стенки 20. Первая и вторая секции 14, 15 канала сами отделены друг от друга трубчатой разделительной стенкой 21, а первая секция 14 канала радиально снаружи ограничена трубчатой стенкой 22. В показанном варианте направляющая поверхность 13 является продолжением разделительной стенки 21, а направляющая поверхность 19 проходит между трубчатыми стенками 20, 22.

Аэрозоль жидкой среды, впрыснутой в смешивающий патрубок 2 через впрыскивающее средство 4, в смешивающем патрубке входит в контакт с выхлопными газами, которые текут в смешивающий патрубок 2 через выпуск 11 впускного канала по существу симметричным потоком вокруг этого аэрозоля. Выхлопные газы, текущие в смешивающий патрубок 2, препятствуют контакту аэрозоля со стенкой смешивающего патрубка в области, ближайшей к впрыскивающему средству 4, и уносят жидкую среду дальше по смешивающему патрубку 2. Во время этого движения в смешивающем патрубке 2 жидкая среда распределяется по выхлопным газам и испаряется под действием их теплоты.

Устройство по настоящему изобретению особенно предназначено для использования на тяжелых транспортных средствах, таких как автобусы, тягачи или грузовики.

Настоящее изобретение, разумеется, не ограничивается описанными выше вариантами, поскольку существует много возможностей его модификации, понятных специалистам и не выходящих за пределы основной изобретательской идеи, определенной в приложенной формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к устройству для подачи жидкой среды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения: устройство для введения жидкой среды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания содержит смешивающий патрубок (2), впрыскивающее средство (4) для впрыска жидкой среды в смешивающий патрубок и впускной канал (6), расположенный перед смешивающим патрубком. Впускной канал содержит первую кольцевую в сечении секцию (14) и вторую кольцевую в сечении секцию (15), расположенную после первой секции и окружающую смешивающий патрубок. Первая секция окружает вторую секцию. Смешивающий патрубок далее содержит секцию (18) реверсирования потока, через которую кольцевой выпуск (16) первой секции соединен с кольцевым впуском (17) второй секции и которая выполнена с возможностью реверсировать направление потока выхлопных газов, протекающих через впускной канал, так, чтобы они текли через вторую секцию в направлении, противоположном направлению выхлопных газов в первой секции. Техническим результатом изобретения является эффективное распределение раствора мочевины в выхлопных газах, что приводит к снижению риска попадания раствора мочевины на одно и то же место стенки в смешивающем патрубке. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула