Устройство для обработки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания - RU2455504C1
Код документа: RU2455504C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к устройству для обработки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в частности двигателей внутреннего сгорания автомобилей на обедненной горючей смеси, согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Использование SCR-катализаторов для восстановления оксидов азота в потоке выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания хорошо известно. В рамках проводимого при помощи этих SCR-катализаторов селективного каталитического восстановления (SCR) в поток выхлопного газа вводится непосредственно действующее восстанавливающее соединение, такое как аммиак или промежуточный продукт, который высвобождается первым из восстанавливающих выхлопной газ веществ. В качестве промежуточного продукта может быть использован, например, водный раствор мочевины.
У двигателей внутреннего сгорания, используемых в автомобилях, разработка восстановления оксидов азота с помощью способа SCR является трудоемкой, так как там преобладают изменяющиеся рабочие условия, которые затрудняют количественную дозировку восстанавливающего агента. При этом необходимо, с одной стороны, достичь наиболее высокой степени конверсии оксидов азота, с другой стороны, также необходимо следить за тем, чтобы не происходило лишнего выпуска неиспользованного восстанавливающего агента, такого, например, как аммиак.
В связи с разложением мочевины на аммиак известно, что таковое проводится при оптимальных условиях, то есть при температурах выше 350°С, в два этапа. Согласно
(NH2)2CO → NH3 + HNCO
сначала происходит термолиз, то есть термическое разложение мочевины. Впоследствии, согласно
HNCO + H2O → NH3 + CO2
происходит гидролиз, то есть каталитическое разложение изоциановой кислоты (HNCO) на аммиак (NH3) и диоксид углерода (CO2).
Так как восстанавливающий агент, например, при использовании восстанавливающей жидкости, называемой AdBlue®, присутствует в растворенной воде форме, эта вода должна испариться до и во время собственно термолиза и гидролиза. Если температуры вышеуказанных реакций находятся ниже 350°С или нагревание происходит медленно, то путем тримеризации изоциановой кислоты образуется преимущественно твердая неплавкая циануровая кислота, что приводит к отложению твердых наслоений или даже к забиванию SCR-катализатора. Способом устранения этого может быть, как описано в DE 4038054 A1, то, что снабженный восстанавливающим агентом поток выхлопного газа прогоняется над катализатором гидролиза. Температура выхлопного газа, при которой возможен количественный гидролиз, может быть таким образом снижена до 160°С.
С целью уменьшения размера катализаторов, но при этом сохранения постоянным времени пребывания в катализаторах, можно использовать катализаторы гидролиза в части потока выхлопного газа, взятой из потока выхлопного газа и возвращенной в него после того, как будет проведен гидролиз. Соответствующее устройство показано в EP 1052009 A1. Однако этот способ все еще не вполне решает проблему лишь частичного гидролиза мочевины при низких температурах выхлопного газа.
Поэтому предпочтителен отбор частичных потоков выхлопного газа как можно ближе к двигателю, чтобы можно было использовать катализатор гидролиза при более высоком уровне температур. В двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом предпочтительно также отводить часть потока выхлопного газа практически перед турбонагнетателем и вновь возвращать его в поток за турбонагнетателем.
Несмотря на все эти меры, часто не удается предотвратить образование циануровой кислоты, меламина или других нежелательных твердых продуктов реакции, в частности, если вещество-предшественник NH3, такое как мочевина или водный раствор мочевины, и выхлопной газ не распределены равномерно по всему поперечному сечению потока. В этом случае является особенно критичным, когда встречаются локальные большие количества восстанавливающего агента на стенках трубы или катализаторах разложения мочевины и в то же время в этом месте обнаруживается локальный минимум скорости потока. В результате выхлопной газ не может иметь достаточного количества тепла для того, чтобы уверенно обеспечить количественное разложение восстанавливающего агента до NH3. Более того, в этих местах образуются вышеуказанные отложения из нежелательных продуктов разложения восстанавливающего агента.
Этот эффект усиливается еще и тем фактом, что в транспортных средствах для внесения восстанавливающих агентов имеется лишь крайне ограниченное конструкционное пространство, в результате чего, особенно при набегающем потоке катализаторов, входной участок оказывается весьма небольшим, что, в свою очередь, влечет за собой крайне плохое равномерное распределение по поперечному сечению катализатора из-за мертвых зон потока, скачкообразных изменений поперечного сечения и/или срыва потока.
Другие устройства для обработки выхлопного газа показаны, например, в DE 4203807 А1 или в DE 4308542 А1, в которых в поток выхлопного газа через форсунку дозировочного устройства вводится водный раствор мочевины в качестве восстанавливающего агента, который затем превращается в СО2 и NH3 путем последующей термической и каталитической реакции в катализаторе гидролиза. Затем расположенный по направлению потока ниже катализаторов гидролиза SCR-катализатор (селективного каталитического восстановления) восстанавливает содержащиеся в большом количестве в потоке выхлопного газа оксиды азота NOx в азот и пары воды.
Задачей изобретения является предложить устройство для обработки выхлопных газов в системе отвода выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в частности, работающих на обедненной горючей смеси двигателей внутреннего сгорания автомобилей, таких, как, например, грузовых автомобилей, которое простым и надежным в эксплуатации способом сделало бы возможным эффективное, в частности, количественно улучшенное разложение восстанавливающего агента в выхлопном газе и требовало бы лишь небольшого конструкционного пространства.
Эта задача решается отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные и особенно целесообразные усовершенствованные варианты изобретения являются предметами зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно п.1 предусмотрено устройство для обработки выхлопных газов в системе отвода выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в частности, работающих на обедненной горючей смеси двигателей внутреннего сгорания для грузовых автомобилей, по меньшей мере с одним катализатором разложения восстанавливающего агента, расположенным в потоке выхлопного газа, в частности катализатором гидролиза. Далее, выше по течению в выпускном трубопроводе расположено дозировочное устройство для введения восстанавливающего агента, в частности для введения водного раствора мочевины. Далее, предпочтительно предусмотреть за катализатором разложения восстанавливающего агента последовательно подключенное катализаторное устройство, которое образовано по меньшей мере одним SCR-катализатором. Согласно настоящему изобретению перед катализатором разложения восстанавливающего агента предусмотрен, по меньшей мере, один имеющий область поворота потока впускной участок для выхлопного газа, который сконструирован так, что выхлопной газ подается поперечно вне присоединенной к катализатору разложения восстанавливающего агента впускной трубы в окружающем эту впускную трубу участке корпуса и направляется в противотоке через торцевое впускное отверстие впускной трубы в катализатор разложения восстанавливающего агента, причем восстанавливающий агент вводится в область поворота потока выхлопного газа, связанную со впускным отверстием.
При помощи этого относительно простого конструкционного приема удается достичь того, что впускной участок по сравнению с обычной впускной трубой со стороны корпуса или водной воронкой значительно увеличивается, при одновременном хорошо распределенном натекании, равно как и интенсивном нагревании внутренней впускной трубы и катализатора разложения восстанавливающего агента, так что они очень быстро могут достичь температур, при которых начинается эффективное и действенное разложение восстанавливающего агента. Остатков и отложений восстанавливающего агента можно в весьма значительной степени избежать благодаря прогреванию входной воронки при помощи выхлопного газа, вводимого снаружи в противотоке. При помощи одно- или многократного поворота потока достигается возможность того, что впускной участок пути выхлопного газа благоприятно удлиняется, благодаря чему, по сравнению с коротким, обычным впускным путем, образуется более равномерный поток.
В дополнение к этому, равномерное распределение потока может быть улучшено путем дросселирования или регулирования. Для этого в области впускного участка по потоку выше места подачи восстанавливающего агента предусматривается, по меньшей мере, одно дросселировочное устройство для дросселирования или регулирования потока выхлопного газа, и/или поперечное сечение потока выше места ввода восстанавливающего агента может быть выполнено меньшим, нежели ниже по потоку.
Система обработки выхлопного газа согласно изобретению позволяет, таким образом, количественно разложить восстанавливающий агент благоприятным образом без ухудшения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.
Далее, предпочтительно предусмотреть, чтобы обтекаемый объем впускного участка трубопровода снаружи впускной трубы был меньше, чем обтекаемый объем внутри впускной трубы. Это гарантирует, наряду с максимально компактной конструктивной формой, в том числе, высокую скорость потока выхлопного газа в области, например, форсунки для ввода восстанавливающего агента с эффективным завихрением восстанавливающего агента и вызывает затем успокоение потока или выравнивание с гомогенным распределением восстанавливающего агента внутри впускной трубы.
Кроме того, можно сделать ввод выхлопного газа во впускной участок снаружи впускной трубы таким, что в потоке образуется вихрь, благодаря чему на поток еще раз можно будет оказать воздействие. Это может быть достигнуто предпочтительным образом за счет того, что подача во впускной участок осуществляется под определенным углом, в частности не под прямым углом к стенке впускного участка, и/или осуществляется не посередине относительно расположенной(ых) в плоскости поперечного сечения корпуса центральной(ых) оси(ей) корпуса.
На поток можно дополнительно влиять через вмонтированные устройства, находящиеся в передней области впускной трубы, однако ниже по потоку, чем дозировочное место для восстанавливающего агента. При этом речь может идти, например, о лопастях, которые выступают в поток и, тем самым, повышают турбулентность. Однако является важным следить за тем, чтобы восстанавливающий агент не попадал на эти вмонтированные устройства, чтобы избежать отложений на них. Альтернативным образом может быть, в принципе, предусмотрено, чтобы впускное отверстие было ограничено при помощи образующей завихрение потока окружной кромки, которая может быть образована, например, при помощи окружной кромки, имеющей зубцы. Число и геометрия зубцов, точно так же, как и расстояние между ними, выбираются соответственно каждому конкретному случаю.
Помимо равномерного распределения потока необходимо и максимально гомогенное распределение восстанавливающего агента в линии выхлопного газа. Все вышеуказанные меры могут быть также использованы для улучшения равномерного распределения восстанавливающего агента в потоке выхлопного газа, причем на распределение восстанавливающего агента косвенным образом влияет подходящее проведение потока выхлопного газа.
Однако часто возникает проблема в том, что с увеличивающимся диаметром капель или частиц восстанавливающего агента последний следует за потоком выхлопного газа лишь условно, и его траектория вместо этого определяется собственным импульсом капель или частиц. Это приводит к тому, что может произойти локальное сильное повышение концентрации восстанавливающего агента. Это становится тем более проблематичным, чем ниже находятся температуры выхлопного газа, так как по причине эндотермической реакции и при растворении восстанавливающего агента в воде возникающая энтальпия испарения может локально привести к такому сильному охлаждению выхлопного газа, что на последующих катализаторах, в частности на катализаторах разложения восстанавливающего агента, могут образоваться отложения.
По этой причине предпочтительно отказаться от равномерного распределения потока и вместо этого так согласовать профиль скоростей потока, чтобы в области более высоких концентраций или количеств восстанавливающего агента имелись более высокие скорости потока. Благодаря этой мере локально оказывается в распоряжении большая энтальпия выхлопного газа для разложения восстанавливающего агента и испарения воды, содержащейся в растворе восстанавливающего агента.
Впускная труба, в принципе, может иметь любую форму поперечного сечения, так, например, она может быть выполнена цилиндрической или многогранной. Особенно предпочтительной, однако, является впускная труба, образованная воронкообразной или конусообразной впускной воронкой, которая сужается по направлению к впускному отверстию, так что впускное отверстие одновременно образует поперечное сечение дросселя.
На внутренние стенки впускной трубы предпочтительно может быть нанесено каталитически активное покрытие. Покрытие может, предпочтительно, состоять из TiO2, SiO2 или AlO2 либо быть образовано из цеолита и способствовать дальнейшему улучшенному разложению восстанавливающего агента до NH3 (аммиака) и к предотвращению отложений на имеющихся, проводящих выхлопной газ частях.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что по потоку ниже места ввода восстанавливающего агента устанавливается испаритель и/или смеситель. В соответствии с конкретным вариантом осуществления предусмотрено, что во впускной трубе располагается испаритель и/или смеситель, который находится на определенном расстоянии от впускного отверстия, предпочтительно устанавливается приблизительно на 2/3 длины впускной трубы от впускного отверстия. Такого рода необязательный испаритель и/или смеситель делает возможным более интенсивное равномерное распределение дозированно введенного восстанавливающего агента в области впускной трубы.
Согласно другому особенно предпочтительному конкретному варианту осуществления предложено, что форсунка дозировочного устройства для ввода восстанавливающего агента располагается в относящейся к впускному отверстию области поворота потока выхлопного газа и/или направлена в сторону впускного отверстия. Таким образом, простым и надежным способом может быть обеспечено, чтобы восстанавливающий агент надежным образом и полностью поступал во впускную трубу и, таким образом, в катализатор разложения восстанавливающего агента.
При этом является конструктивно и аэродинамически благоприятным, если форсунка расположена на торцевой стенке окружающей впускную трубу части корпуса, на определенном расстоянии напротив впускного отверстия впускной трубы. Форсунка, в отношении направления ее впрыска во впускное отверстие впускной трубы, может быть установлена коаксиально по отношению к продольной центральной оси впускной трубы, благодаря чему делается возможным надежно функционирующая центральная дозировка внутрь впускной трубы. Альтернативно этому форсунка может быть и смещена относительно середины продольной центральной оси впускной трубы, благодаря чему удается простое согласование дозы восстанавливающего агента с локальными скоростями потока, что способствует хорошему смешиванию восстанавливающего агента и выхлопного газа.
В соответствии с предпочтительным усовершенствованным вариантом изобретения, на впускной трубе могут быть выполнены одно или несколько, в частности несколько распределенных по периметру байпасных отверстий, при помощи которых впускной участок или область порота потока может быть предпочтительно обойден и/или при помощи которых противодавление выхлопного газа по потоку выше впускного участка может быть в желаемой степени уменьшено. В частности, для случая, когда скорость потока в области ввода восстанавливающего агента, например в области форсунки, станет слишком высокой, существует опасность сильного отклонения струи восстанавливающего агента. Чтобы этого избежать, можно через по меньшей мере одно байпасное отверстие сбросить давление с целью ослабления скорости потока в области ввода восстанавливающего агента, например в области форсунки. Байпасные отверстия вызывают улучшенное равномерное распределение в непосредственной близости от входной поверхности катализатора разложения восстанавливающего агента и создают его прямой, повышающий температуру набегающий поток. Для достижения благоприятных характеристик потока в окружающей впускную трубу части корпуса выше по потоку, чем область поворота потока, относящаяся к впускному отверстию впускной трубы, и, тем самым, выше по потоку, чем впуск восстанавливающего агента также снаружи впускной трубы, может быть также предусмотрен, по меньшей мере, еще один дроссельный элемент для втекающего выхлопного газа. Через этот дроссельный элемент или несколько таких дроссельных элементов на скорость потока можно локально и направленно оказывать такое влияние, что характеристики потока и турбулентности, получаемые в области поворота, в частности в области форсунки дозировочного устройства в термическом впускном участке, могут точно выдерживаться или устанавливаться. Предпочтительно дроссельный элемент образован, например, при помощи, по меньшей мере, одного образованного в окружающем впускную трубу кольцевом пространстве сужения поперечного сечения, причем это сужение поперечного сечения, в частности, образовано при помощи оставляющей проточную щель кольцевой стенки и/или перфорированного листа. В частности, для вышеописанного случая, когда скорость потока в области впуска восстанавливающего агента, а следовательно, например, в области форсунки может быть слишком большой, из-за чего существует опасность слишком сильного отклонения струи восстанавливающего агента, можно альтернативно или в дополнение к обдуву через, по меньшей мере, одно байпасное отверстие предусмотреть, чтобы дроссельный элемент был расположен на определенном расстоянии от впускного отверстия впускной трубы. Предпочтительно дроссельный элемент расположен, например, приблизительно на половине расстояния между, по меньшей мере, одним байпасным отверстием и впускным отверстием.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения в части корпуса, радиально снаружи впускной трубы может располагаться, по меньшей мере, еще одна газонаправляющая трубка, которая создает меандрообразную газовую струю с многократным поворотом потока выхлопного газа между входящим выхлопным трубопроводом и катализатором разложения восстанавливающего агента, в частности, внутри впускного участка трубопровода. Тем самым, можно осуществить с незначительными конструкционными затратами дальнейшее удлинение впускного участка трубопровода, так что в данном случае можно отказаться от использования дросселей.
При этом газонаправляющая труба может быть прикреплена предпочтительно к торцевой стенке окружающей впускную трубу части корпуса и иметь, например, угол конусности, по существу сходный с углом конусности впускной трубы. Альтернативно этому, по меньшей мере, одна газонаправляющая трубка может быть также образована при помощи нескольких вложенных одна в другую и/или соединенных вместе труб, в частности, при помощи нескольких вложенных одна в другую и/или соединенных вместе конических труб. В случае конического исполнения по меньшей мере одной газонаправляющей трубки предпочтительным является, чтобы окружающая газонаправляющую трубку часть корпуса предпочтительно также выполнялась конической, причем определяющие меандрообразную газовую струю площади поперечного сечения либо по существу все одинаково, либо образуя, по меньшей мере, один дроссельный элемент, по меньшей мере, на отдельных участках были бы выполнены суженными.
Быстрое нагревание может быть достигнуто также вследствие того, что катализатор разложения восстанавливающего агента, по меньшей мере, в одной окружающей впускную трубу части корпуса и/или в области впускного участка трубопровода снабжен внешней теплоизоляцией, так что потери тепла в окружающую среду снижаются.
Описанное устройство может быть интегрировано в выхлопной трубопровод, через который проводится поток выхлопного газа. Однако предпочтительно предлагается известным самим по себе способом проводить лишь часть потока выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания над катализатором разложения восстанавливающего агента через отводную трубу. Для этого в отводной трубе и/или в выхлопном трубопроводе может быть предусмотрено, по меньшей мере, одно управляющее частью потока дроссельное устройство. Через вызванное дроссельным устройством обратное давление выхлопного газа можно относительно простым способом установить желаемый расход выхлопного газа этой части потока.
Катализатор окисления и/или сажевый фильтр может быть расположен в выхлопном трубопроводе в качестве дроссельного устройства конструктивно особенно простым способом, причем отводная труба ответвляется по потоку выше расположения окислительного катализатора и/или сажевого фильтра. Таким образом, без дополнительных затрат созданное этими устройствами противодавление выхлопного газа используется для того, чтобы в сочетании с конструктивным исполнением отводной трубы, катализатора разложения восстанавливающего агента и впускного участка отводить желаемое количество выхлопного газа.
В принципе, часть потока может быть, например, отведена выше и/или ниже по потоку, чем турбина включенного в выхлопной трубопровод приводимого в действие выхлопными газами турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания.
Особенно предпочтительным является вариант осуществления, при котором, альтернативно или в дополнение к вышеописанному варианту осуществления дроссельного устройства, дроссельным устройством может быть турбина работающего в выхлопном трубопроводе приводимого в действие выхлопными газами турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания, причем в таком случае отводная труба ответвляется выше по потоку, чем работающая на выхлопном газе турбина.
Кроме того, в отводной трубе, расположенной выше по потоку, чем катализатор разложения восстанавливающего агента, может размещаться пневмодроссель для переменной регулировки объема части потока выхлопного газа в зависимости от определенных параметров двигателя внутреннего сгорания и/или рабочих параметров, в частности, по меньшей мере, в зависимости от сигналов датчика, пропорциональных нагрузке и/или частоте вращения, при помощи которого, например, может быть учтен особенно нестационарный режим работы двигателей внутреннего сгорания автомобилей. При помощи этих и, при необходимости, других рабочих параметров можно целенаправленно регулировать как количество выхлопного газа, так и количество дозируемого восстанавливающего агента. Пневмодроссель может быть альтернативным образом расположен также и в выхлопном трубопроводе.
Наконец, у двигателя внутреннего сгорания с несколькими, в частности с двумя, группами или рядами цилиндров и несколькими, в частности двумя, частично разделенными выхлопными трубопроводами над катализатором разложения восстанавливающего агента можно проводить только часть потока выхлопного трубопровода и/или эксплуатировать связанную с выхлопным трубопроводом группу или ряд цилиндров с рабочими параметрами и/или параметрами двигателя иными, нежели, по меньшей мере, остальную часть групп или рядов цилиндров, в частности, в режиме с повышенной температурой выхлопного газа. Часть потока выхлопного газа выхлопных трубопроводов затем предпочтительно снова в противотоке проводится над, по меньшей мере, одним SCR-катализатором. Группы цилиндров или ряды цилиндров могут приводиться в действие при помощи блока управления двигателем так, что, например, в периоде пуска и прогрева и/или в режиме малых нагрузок у группы цилиндров с подключенным катализатором гидролиза и дозировочным устройством для восстанавливающего агента температура выхлопного газа будет повышенной, чтобы обеспечить быстро начинающееся и эффективное разложение, в то время как коэффициент полезного действия другой группы цилиндров будет оптимизироваться.
Далее, по меньшей мере, к одному SCR-катализатору может быть подключен катализатор блокировки NH3 с целью предотвращения проскакивания аммиака.
Несколько примеров осуществления изобретения объяснены ниже более детально. На схематических чертежах показано:
На фиг.1 - в сильно обобщенном виде выхлопной трубопровод для двигателей внутреннего сгорания в автомобилях с введенным в отводную трубу катализатором гидролиза в качестве катализатора разложения восстанавливающего агента, дозировочным устройством для восстанавливающего агента и расположенным ниже них по потоку SCR-катализатором;
На фиг.2 - катализатор гидролиза согласно фиг.1 с расположенным передним выхлопным трубопроводом и форсункой дозировочного устройства, в увеличенном виде;
На фиг.3 - альтернативное исполнение катализатора гидролиза согласно фиг.2 с дополнительной газонаправляющей трубкой;
На фиг.4 - альтернативное исполнение катализатора гидролиза с отклоняющей пластиной, расположенной в зоне впускного отверстия впускной воронки;
На фиг.5 - схематический вид спереди впускного отверстия впускной воронки с расположенной там отклоняющей пластиной, а также с расположенным не под прямым углом внецентренным впуском потока выхлопного газа в области впускной воронки;
На фиг.6 - альтернативное исполнение катализатора гидролиза со смещенной от центра форсункой.
На фиг.1 под позицией 1 показан условно обозначенный двигатель внутреннего сгорания, выхлопные газы которого направляются в данном случае из четырех камер сгорания через выпускной коллектор 2 выхлопного трубопровода 3.
В выхлопном трубопроводе 3 в направлении движения потока выхлопного газа расположены окислительный катализатор 4, сажевый фильтр 5 и, наконец, SCR-катализатор 6 с катализатором блокировки NH3 7. Если эти устройства 4, 5, 6, 7 обработки выхлопного газа не описаны, то они имеют известную конструкцию и компоновку.
Выше окислительного катализатора 4 по потоку к выхлопному трубопроводу 3 присоединена отводная труба 8, которая ниже сажевого фильтра 4 по потоку и выше SCR-катализатора по потоку снова возвращается в выхлопной трубопровод 3.
В отводной трубе 8 установлен катализатор 9 гидролиза с включенным передним впускным участком 10, которые расположены в общем для них, приблизительно цилиндрическом корпусе 11. Корпус 11 является термически изолированным снаружи при помощи термоизоляционного слоя 12.
На лицевой стороне 11а корпуса 11 выступает форсунка 13, при помощи которой через не показанное дозировочное устройство отмеряется восстанавливающий агент, например водный раствор мочевины.
На фиг.2 показан катализатор 9 гидролиза с включенным передним впускным участком 10, которые расположены в общем корпусе 11 (термоизоляционный слой 12 не показан).
При этом отводная труба 8 поперечно впадает рядом с катализатором 9 гидролиза в лежащую ниже по потоку, присоединенную к торцевой стенке 11а коническую часть корпуса 11b снаружи конической впускной воронки 14. Впускная воронка 14 сужается, начинаясь от равного катализатору 9 гидролиза сечения потока в направлении торцевой стенки 11а корпуса 11 и заканчиваясь там в качестве дроссельного элемента со значительно меньшим проходным сечением во впускном отверстии 15, которое расположено на определенном расстоянии а от торцевой стенки 11а, соответственно, от расположенной там форсунки 13 дозировочного устройства.
Сечение потока во впускном участке 10 снаружи впускной воронки 14 выполнено меньшим, нежели сечение потока внутри впускной воронки 14, что в дополнение к максимально компактной конструктивной форме, среди прочего, также еще вызывает и высокую скорость потока выхлопного газа в области форсунки 13, равно как и успокоение потока или гомогенизацию восстанавливающего агента с гомогенным распределением внутри впускной воронки 14.
Форсунка 13, как показано, расположена на торцевой стенке 11а противоположно впускной воронке 14, а также в данном примере на ее продольной оси 11с, так что струя форсунки 13а может быть равномерно распределена внутри впускной воронки 14.
Лишь для примера, также внутри впускной воронки 14, расположен еще и испаритель и/или смеситель 22, который отстоит от впускного отверстия 15 на определенное расстояние, предпочтительно примерно на 2/3 длины впускной трубы 14, если смотреть со стороны впускного отверстия 15.
Снаружи впускной воронки 14 и примерно посередине ее длины (чтобы иметь возможно большее расстояние от впускного отверстия 15) на конически выполненной части 11b корпуса установлен образованный кольцевой стенкой и/или перфорированным листом 16 дроссельный элемент 17, который соответственно уменьшает сечение потока в этой области.
Далее, в данном случае показаны необязательные, выполненные во впускной воронке, а также поблизости от поверхности втекания катализатора 9 гидролиза с распределением по периметру впускной воронки 14 байпасные отверстия 14a, которые, например, могут быть круглыми или щелевидными.
Отведенная через отводную трубу 8 часть потока выхлопного газа втекает радиально в образованную снаружи впускной воронки 14 и между частью корпуса 11а кольцевую камеру 18, чей проточный объем может быть меньше, нежели проточный объем внутри впускной воронки 14. При помощи дроссельного элемента 17, образованного кольцевой стенкой и/или перфорированным листом 16, равномерное распределение потока дополнительно улучшается.
Получающееся за счет этого увеличение давления ниже дроссельного элемента 17 по потоку приводит далее к тому, что определенная доля части выхлопного газа направляется прямо в катализатор 9 гидролиза через байпасные отверстия 14a, благодаря чему гомогенизация потока выхлопного газа далее улучшается.
Поступающий горячий выхлопной газ нагревает снаружи впускную воронку 14 еще до того, как он в качестве еще одной части термического впускного участка 10 в образующем дроссельный элемент впускном отверстии 15 в области 15а поворота потока отклонится приблизительно на 180° и после этого попадет внутрь впускной воронки 14 в противотоке с увеличивающимся поперечным сечением потока и обусловленной этим падающей скоростью потока в катализатор 9 гидролиза. В области 15а поворота потока через форсунку 13 и дозировочное устройство к тому же разбрызгивается водный раствор мочевины.
Во впускной воронке 14 и в катализаторе 9 гидролиза дозированная мочевина разлагается при помощи термолиза и гидролиза на NH3 (аммиак) и через отходящую отводную трубу 8 проводится далее по выхлопному трубопроводу 3 выше по потоку, чем SCR-катализатор 6, в котором при помощи восстанавливающего агента NH3 восстанавливает содержащиеся во всем выхлопном газе оксиды азота до азота и водяного пара. Наконец, катализатор 7 блокировки NH3 предотвращает возможный выброс NH3 в атмосферу.
Впускная воронка 14, например, аналогично катализатору 9 гидролиза покрыта на ее внутренних стенках каталитически эффективным слоем, например, TiO2 с целью противодействия возникновению остатков и отложений мочевины, в частности, при недостаточно высоких температурах выхлопного газа.
На фиг.3 показано альтернативное исполнение впускного участка 10, включенного перед катализатором 9 гидролиза, внутри корпуса 11, и оно описано только в той части, в какой оно отличается от исполнения согласно фиг.2. Функционально одинаковые части показаны под одинаковыми позициями.
В отличие от фиг.2, проводящая выхлопной газ отводная труба 8 в области торцевой стенки 11а корпуса 11 впадает дальше в часть 11b корпуса.
Далее, на торцевой стенке 11а закреплена коническая газонаправляющая трубка 19, которая проходит почти параллельно, соответственно, примерно под тем же углом конусности, а также по существу симметрично впускной воронке 14 примерно на половине ее длины, и, таким образом, кольцевая камера 18 снаружи впускной воронки 14 разделяется на два пути 18а и 18b потока.
Проводимый через отводную трубу 8 выхлопной газ течет, таким образом, дважды меняя направление в областях 15a и 15b поворота потока, а именно один раз по свободной торцевой стороне 20 газонаправляющей трубки 19 и второй раз через впускное отверстие 15 впускной воронки 14, во впускную воронку 14 и затем в катализатор 9 гидролиза. Очевидно, что из-за использования газонаправляющей трубки 19 впускной участок 10 снова увеличивается с минимальным использованием конструкционного пространства.
Часть выхлопного газа и в этом случае может течь через необязательные байпасные отверстия 14a прямо по направлению потока 18a в катализатор 9 гидролиза.
Как уже говорилось, впускная воронка 14 согласно фиг.2 и 3 может быть при необходимости выполнена без байпасных отверстий 14а, так что прямой обдув катализатора 9 гидролиза предотвращается, и весь поток части выхлопного газа направляется через впускной участок 10.
На фиг.4 показано еще одно альтернативное исполнение и описано только в той части, в какой оно отличается от исполнения согласно фиг.2 и 3. Функционально одинаковые части показаны под одинаковыми позициями. В частности, на фиг.4 показан пример использования отклоняющих пластин 15c в области впускного отверстия 15 впускной воронки 14, которые служат для повышения турбулентности ниже по потоку, чем ввод для восстанавливающего агента. Отклоняющие пластины 15c, в отличие от испарителя или смесителя 22, для предотвращения отложений на этих конструктивных элементах расположены таким образом, что восстанавливающий агент на них не попадает.
Отклоняющие пластины могут иметь любую геометрию. Особенно предпочтительной является зубчатая, веерообразная или кольцеобразная геометрия. На фиг.5 показан вид сверху на впускную воронку 14, лишь для примера с двумя полукруглыми отклоняющими пластинами 15с, которые показаны здесь заштрихованными перекрестно. Вдобавок, показан ввод 8' выхлопного газа, который осуществляется со смещением по отношению к центральным осям М1, М2и/или под углом, то есть, например, не под прямым углом к периметру корпуса впускного участка 10. За счет этого потоку выхлопного газа придается завихрение, при помощи которого можно влиять на распределение выхлопного газа и восстанавливающего агента.
Наконец, на фиг.6 показано исполнение, при котором впрыск осуществляет форсунка 13, расположенная со смещением по отношению к продольной центральной оси 11с впускной трубы 14, вследствие чего происходит согласование локального расхода восстанавливающего агента со скоростью потока, что способствует хорошему смешиванию восстанавливающего агента и потока выхлопного газа. Естественно, такого рода конструкция с расположенной не по центру форсункой 13 может быть, в принципе, предусмотрена и при исполнении по фиг.2, 3 и 4. Подобным же образом, естественно, возможно, что расположение форсунки в исполнении, например, по фиг.2 может быть перенесено и на выполнение по фиг.6.
Согласно фиг.1 в отводной трубе 8 далее вниз по потоку от катализатора 9 гидролиза вставлен управляемый пневмодроссель 21, который, в соответствии с рабочими параметрами двигателя внутреннего сгорания 1, такими, например, как требования по нагрузке, числу оборотов, температуре и т.д., регулирует отводимую часть потока выхлопного газа так, что ее расход более или менее соответствует конкретному общему расходу выхлопного газа.
При необходимости может быть достаточным, когда по функциональным причинам производящий противодавление выхлопного газа окислительный катализатор 4 и сажевый фильтр 5 используются в качестве дроссельных устройств, причем отводная труба 8, соответственно, отходит выше по потоку и обратно впадает ниже по потоку в выхлопной трубопровод 3.
В качестве еще одного дроссельного устройства у двигателей внутреннего сгорания с наддувом с находящейся в линии выхлопного газа, работающей на выхлопном газе турбиной Т турбонагнетателя (показано лишь крайне схематичным образом пунктиром на фиг.1) отводная труба 8 может быть подключена к выхлопному трубопроводу 3 также по потоку выше работающей на выхлопном газе турбины.
Если двигатель внутреннего сгорания 1 имеет, например, секционированную систему выхлопных газов с соответствующими группами цилиндров или, в случае V-образного двигателя, с соответствующими рядами цилиндров, так, что имеются, например, два выпускных коллектора 2 и выхлопных трубопровода 3 с соответствующими турбонагнетателями выхлопного газа и/или катализаторами 4, 5, 6, 7, то отводная труба 8 с катализатором 9 гидролиза и впускным участком 10 может, предпочтительно, отходить от выхлопных трубопроводов 3. Это имеет преимущество в том, что эта группа цилиндров или ряд цилиндров могут при помощи блока управления двигателем так приводиться в действие, что в этой линии выхлопного газа, в зависимости от рабочих параметров, таких как пуск холодного двигателя, холостой ход или невысокая нагрузка, температура выхлопного газа повышается для достижения рано начинающегося, эффективного разложения дозированного восстанавливающего агента, соответственно, водного раствора мочевины. Другая группа цилиндров или ряд цилиндров может приводиться в действие с оптимизированным коэффициентом полезного действия и/или при более низких нагрузках.
Отведенная часть выхлопного газа после обработки в катализаторе 9 гидролиза подается в обе секционированные линии выхлопного газа или в оба выхлопных трубопровода 3 выше по потоку выше SCR-катализатора 6.
Следует отметить, что система катализатора 9 гидролиза с впускным участком 10 не обязательно должна выполняться так, как показано, в отдельном корпусе 11. Конструктивные элементы 9 и 10 при необходимости могут быть собраны в одном корпусе также и с окислительным катализатором 4 и/или сажевым фильтром 5.
Для окислительного катализатора 4 для окисления моноксида азота в качестве активных каталитических материалов предпочтительно используются платина, и/или палладий, и/или родий, и/или церий, и/или их оксиды, и/или цеолиты. В качестве активных компонентов для SCR-катализаторов для восстановления оксидов азота с помощью аммиака предпочтительно подходят ванадий, и/или пятиокись ванадия, и/или диоксид титана, и/или оксид вольфрама, и/или медьсодержащие цеолиты, и/или железосодержащие цеолиты, и/или кобальтсодержащие цеолиты.
Реферат
Изобретение относится к устройству для обработки выхлопных газов в системе выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: устройство для обработки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, работающих на обедненной горючей смеси двигателей внутреннего сгорания для автомобилей, содержащее в потоке выхлопного газа катализатор разложения восстанавливающего агента, в частности, катализатор гидролиза, и расположенное выше него по потоку в выхлопном трубопроводе дозировочное устройство для ввода восстанавливающего агента, в частности для ввода водного раствора мочевины, причем к катализатору разложения восстанавливающего агента последовательно подключено одно дополнительное катализаторное устройство, в частности один SCR-катализатор, причем перед катализатором (9) разложения восстанавливающего агента включен имеющий область (15а, 15b) поворота потока впускной участок (10) для выхлопного газа, выполненный так, что выхлопной газ вводится радиально снаружи присоединенной к катализатору (9) разложения восстанавливающего агента впускной трубы (14) в окружающей впускную трубу (14) части (11а, 11b) корпуса и проводится в противотоке через торцевое впускное отверстие (15) впускной трубы (14) в катализатор (9) разложения восстанавливающего агента, причем восстанавливающий агент вводится в относящуюся к впускному отверстию (15) область (15а) поворота потока выхлопного газа. Техническим результатом изобретения является количественно улучшенное разложение восстанавливающего агента, уменьшение габаритов устройства. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.
