Система для смесителя мочевины и смеситель мочевины (варианты) - RU2697895C2

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится, в целом, к смесителю мочевины.

Уровень техники/Сущность изобретения

Одна из технологий по очистке отработавших газов использует селективное каталитическое восстановление СКВ (SCR) для запуска прохождения определенных химических реакций между оксидами азота (NOx) в отработавших газах и аммиаком (NH3). NH3 вводится в систему выпуска отработавших газов двигателя выше по потоку от катализатора СКВ путем впрыска мочевины в выпускной тракт. Мочевина энтропически распадается до NH3 в условиях высоких температур. Катализатор СКВ способствует реакции между NH3 и NOx для превращения NOx в азот (N2) и воду (H2O). Тем не менее, как это признано изобретателем в настоящем документе, при впрыске мочевины в выхлопной тракт могут возникать проблемы. В одном из примеров, мочевина может плохо перемешиваться в потоке отработавших газов (например, первая часть потока отработавших газов имеет более высокую концентрацию мочевины, чем вторая часть потока отработавших газов), что может привести к ухудшению покрытия катализатора СКВ и слабой реакционной способности между выбросами (например, NOx) и катализатором СКВ. Кроме того, чрезмерное смешивание и перемешивание мочевины в отработавших газах может также вызывать проблемы, такие как повышенные отложения.

Попытки преодолеть недостаточное смешивание содержат введение смесительного устройства ниже по потоку от форсунки мочевины и выше по потоку от катализатора СКВ так, чтобы что поток отработавших газов мог быть однородным. Другие попытки решить проблемы со смешиванием мочевины содержат стационарный смесительный аппарат. Один из типовых подходов показан Cho и соавторами в патенте США 2013/0104531. В нем, статический смеситель расположен в выпускном канале ниже по потоку от наружной трубки для впрыска мочевины. Отработавшие газы проходят через выпускной канал и смешиваются с впрыснутой мочевиной перед прохождением через статический смеситель.

Тем не менее, авторы настоящего изобретения в настоящем документе признают потенциальные проблемы, связанные с такими системами. В одном из примеров, вышеописанный статический смеситель представляет ограниченные возможности смешивания из-за того, что направленность вытекания отработавших газов через смеситель не позволяет полностью перемешать ламинарный поток отработавших газов. Статический смеситель внутри выпускного канала также накладывает ограничения на производство и компоновку. Изменяющиеся геометрические параметры выпускного канала требуют изменения в производстве статического смесителя для того, чтобы смеситель плотно помещался в выпускном канале.

В одном из примеров, вышеописанные проблемы могут быть решены с помощью системы для форсунки мочевины, впрыскивающей мочевину в перфорированную трубку, которая является тороидом и выполнена с возможностью приема отработавших газов с помощью впускных отверстий, расположенных на верховой грани, обращенной к направлению входящего потока отработавших газов в выпускном канале. Таким образом, мочевина может перемешиваться с отработавшим газом в перфорированной трубке перед тем, как поступить в выпускной канал.

В качестве одного из примеров, перфорированная трубка дополнительно содержит внутренние и наружные выпускные отверстия, обращенные к направлению, перпендикулярному к входящему потоку отработавших газов. Кроме того, внутренние и наружные выпускные отверстия обращены к центральной области и внешней области выпускного канала. Мочевина может перемешиваться с отработавшим газом в перфорированной трубке, прежде чем вытечь через любые из внутренних и наружных выпускных отверстий. Смесь, вытекающая из внутренних выпускных отверстий, течет в радиальном внутреннем направлении к центральной области, а смесь, вытекающая из наружных выпускных отверстий, течет в радиальном наружном направлении к наружной области. Таким образом, весь поток отработавших газов через выпускной канал может войти в контакт с мочевиной и улучшить смешивание.

Следует понимать, что представленная выше сущность изобретения предназначена для ознакомления в упрощенной форме с выбором концепций, которые описаны ниже в подробном раскрытии. Она не предназначена для идентификации ключевых или основных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определяется пунктами формулы изобретения, следующими после подробного раскрытия. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивается осуществлениями, которые устраняют какие-либо из вышеуказанных недостатков, или в какой-либо части данного изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема двигателя.

На фиг. 2 показан вид в аксонометрии смесителя в выпускном канале, соединенного с форсункой.

На фиг. 3 показан передний вид смесителя.

На фиг. 4 показан боковой вид смесителя.

Фигуры 2-4 показаны в масштабе, хотя при необходимости могут быть использованы другие относительные размеры.

На фиг. 5, показана гидродинамическая модель, сравнивающая продольный смеситель мочевины со смесителем данного изобретения.

Подробное раскрытие

Следующее изобретение относится к типовому смесителю мочевины, содержащему кольцеобразную перфорированную трубку, выступающую в выпускной канал. Двигатель, соединенный со смесителем, показан на фиг. 1. Смеситель может располагаться выше по потоку от катализатора СКВ, где смеситель может повысить перемешивание в потоке отработавших газов. Смеситель представляет собой перфорированное кольцо с продольным каналом, соединенным по текучей среде с форсункой мочевины, как показано на фиг. 2. Кольцо может порождать огромное количество потоков отработавших газов. Передний вид смесителя показан на фиг. 3. Боковой вид смесителя показан на фиг. 4. Смеситель может удлинить путь потока отработавших газов, где длина пути потока отработавших газов увеличивается, когда отработавшие газы задерживаются кольцом. Увеличенная длина пути может повысить перемешивание мочевины без увеличения ограничений на компоновку. Кроме того, впускные и выпускные отверстия кольца могут усилить перемешивание по сравнению с продольным смесителем, как показано на фиг. 5.

На фигурах 1-4 показаны типовые конфигурации с относительным расположением различных компонентов. Элементы, показанные непосредственно в контакте друг с другом, или непосредственно соединенными, могут быть указаны как непосредственно контактирующие или непосредственно соединенные, соответственно, по меньшей мере, в одном из примеров. Аналогичным образом, элементы, показанные смежными или граничащими друг с другом, могут быть смежными или граничащими друг с другом, по меньшей мере, в одном из примеров. В качестве примера, компоненты, лежащие в торцевом контакте друг с другом, могут упоминаться как состоящие в торцевом контакте. В качестве другого примера, элементы, расположенные отдельно друг от друга, имеющие между собой только пространство и никаких других компонентов, могут быть указаны как таковые, по меньшей мере, в одном из примеров.

Рассмотрим фиг. 1, на котором изображена упрощенная схема, показывающая один цилиндр многоцилиндрового двигателя 10 в системе 100 двигателя, которая может содержаться в силовой установке автомобиля. Двигатель 10 может, по меньшей мере, частично управляться системой управления, содержащей контроллер 12, и вводом от водителя 132 автомобиля через устройство 130 ввода. В этом примере, устройство 130 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 положения педали для выдачи сигнала, пропорционального положению педали. Камера 30 сгорания двигателя 10 может содержать цилиндр, образованный стенками 32 цилиндра с расположенным внутри поршнем 36. Поршень 36 может быть соединен с коленчатым валом 40 таким образом, что возвратно-поступательное движение поршня переводится во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен с, по меньшей мере, одним приводным колесом автомобиля через систему промежуточной трансмиссии. Кроме того, стартерный мотор может быть соединен с коленчатым валом 40 через маховик для обеспечения запуска двигателя 10.

Камера 30 сгорания может принимать воздух на впуске из впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и может выпускать выделяющиеся при горении газы через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 могут выборочно сообщаться с камерой 30 сгорания через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых примерах, камера 30 сгорания может содержать два или более впускных клапанов и/или два или более выпускных клапанов.

В данном примере, регулировка впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может осуществляться кулачковым приводом с помощью соответствующих систем 51 и 53 кулачкового привода. Каждая из систем 51 и 53 кулачкового привода может содержать один или более кулачков и использовать одну или более из систем переключения профилей кулачков ППК (CPS), изменения фаз кулачкового распределения ИФКР (VCT), изменения фаз газораспределения ИФГ (WT), и/или изменения высоты подъема клапанов ИВПК (WL), которые могут управляться контроллером 12 для регулирования работы клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 можно определить с помощью датчиков 55 и 57 положения, соответственно. В альтернативных примерах, впускной клапан 52 и/или выпускной клапан 54 могут регулироваться с помощью электропривода клапанов. Например, цилиндр 30 может альтернативно содержать впускной клапан, регулируемый с помощью электропривода клапанов и выпускной клапан, регулируемый с помощью кулачкового привода, содержащего системы ППК и/или ИФКР.

Топливный инжектор 69 прямого впрыска показан соединенным напрямую с камерой 30 сгорания для непосредственного впрыска туда топлива соразмерно ширине импульса сигнала, полученного от контроллера 12. Таким образом, топливный инжектор 69 прямого впрыска обеспечивает так называемый прямой впрыск топлива в камеру 30 сгорания. Топливный инжектор может быть установлен в боковой части камеры сгорания или, например, в верхней части камеры сгорания. Топливо может доставляться в топливный инжектор 69 с помощью топливной системы (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос, и топливную рампу. В некоторых примерах, камера 30 может альтернативно или дополнительно содержать топливный инжектор, расположенный во впускном коллекторе 44 в конфигурации, которая обеспечивает так называемый распределенный впрыск топлива во впускное окно выше по потоку от камеры 30 сгорания.

Подача искры в камеру 30 сгорания осуществляется свечой 66 зажигания. Система зажигания может дополнительно содержать катушку зажигания (не показана) для повышения напряжения, подаваемого на свечу 66 зажигания. В других примерах, таких как дизель, свеча 66 зажигания может не использоваться.

Впускной канал 42 может содержать дроссель 62, имеющий дроссельную заслонку 64. В данном конкретном примере, угол поворота дроссельной заслонки 64 может изменяться контроллером 12 через сигнал, подаваемый на электрический мотор или исполнительный механизм, относящийся к дросселю 62 - такую конфигурацию обычно называют электронной регулировкой дросселя (ЭРД, ETC). Таким образом, дроссель 62 может использоваться для регулирования подачи впускного воздуха в камеру 30 сгорания среди других цилиндров двигателя. Угол поворота дроссельной заслонки 64 может предоставляться контроллеру 12 посредством сигнала угла поворота дросселя. Впускной канал 42 может содержать датчик 120 массового расхода воздуха и датчик 122 давления воздуха в коллекторе для измерения количества воздуха, поступающего в двигатель 10.

Датчик 126 кислорода в отработавших газах показан соединенным с выпускным каналом 48 выше по потоку от устройства 72 контроля выбросов в соответствии с направлением потока отработавших газов. Датчик 126 может быть любым подходящим датчиком для обеспечения индикации воздушно-топливного отношения отработавших газов, таким как линейный датчик кислорода или УДКОГ (UEGO) (универсальный или широкополосный датчик кислорода в отработавших газах), датчик кислорода в двух состояниях ДКОГ (EGO), НДКОГ (HEGO) (ДКОГ с подогревом), датчик NOx, НС, или СО. В одном из примеров, датчик 126 кислорода в отработавших газах, расположенный выше по потоку, является датчиком УДКОГ, выполненным с возможностью обеспечения вывода сигналов, таких как сигнал напряжения, который пропорционален количеству кислорода, присутствующего в отработавших газах. Контроллер 12 преобразует выходной сигнал датчика кислорода в воздушно-топливное отношение отработавших газов с помощью функции преобразования в датчике кислорода.

Устройство 72 контроля выбросов показано расположенным вдоль выпускного канала 48 ниже по потоку от датчика 126 кислорода в отработавших газах и смесителя 68. Устройство 72 может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором ТКН (TWC), уловителем NOx, селективным каталитическим восстановителем СКВ, любыми другими устройствами контроля выбросов, или их комбинациями. В некоторых примерах, во время эксплуатации двигателя 10 устройство 72 контроля выбросов может периодически переустанавливаться, управляя по меньшей мере одним цилиндром двигателя в пределах определенного воздушно-топливного отношения.

Смеситель 68 показан выше по потоку от устройства 72 контроля выбросов и ниже по потоку от датчика 126 кислорода в отработавших газах. В некоторых вариантах осуществления, дополнительно или альтернативно, между смесителем 68 и устройством 72 контроля выбросов может быть расположен второй датчик кислорода в отработавших газах. Смеситель 68 соединен по текучей среде с форсункой 70 мочевины. Смеситель 68 содержит продольную трубку, смежную с тороидальной (бубликообразной) перфорированной трубкой. Трубка выполнена с возможностью приема отработавших газов и дополнительно содержит общий внутренний канал для смешивания мочевины и отработавших газов. Перфорационные отверстия трубки выполнены с возможностью направления смеси мочевины и отработавших газов в области выпускного канала 48, радиально примыкающие к смесителю 48.

Система 140 рециркуляции отработавших газов РОГ (EGR) может направлять требуемую часть отработавших газов из выпускного канала 48 во впускной коллектор 44 через канал 152 РОГ. Количество газов РОГ, поступающих во впускной коллектор 44, может изменяться с помощью контроллера 12 через клапан 144 РОГ. В некоторых условиях система 140 РОГ может использоваться для регулирования температуры воздушно-топливной смеси внутри камеры сгорания, тем самым обеспечивая способ регулирования установки зажигания во время некоторых режимов сгорания.

Контроллер 12 показан на фиг. 1 в виде микрокомпьютера, содержащего микропроцессорное устройство 102, порты 104 входа/выхода, электронный накопитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в виде чипа 106 постоянного запоминающего устройства (например, долговременной памяти) в данном конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимое запоминающее устройство (ЭЗУ) 110, и шину данных. Контроллер 12, в дополнение к ранее упомянутым сигналам, может принимать различные сигналы от датчиков, подсоединенных к двигателю 10, содержащие измерения массового расхода засосанного воздуха МРВ (MAF) от датчика 120 массового расхода воздуха, температуры хладагента двигателя ТХД (ЕСТ) от датчика 112 температуры, соединенного с рукавом 114 охлаждения; сигнал положения двигателя от датчика 118 Холла (или другого типа), измеряющего положение коленчатого вала 40; угол поворота дросселя от датчика 65 угла поворота дросселя; и сигнал абсолютного давления в коллекторе ДВК (MAP) от датчика 122. Сигнал частоты вращения двигателя может генерироваться контроллером 12 от датчика 118 положения коленчатого вала. Сигнал давления в коллекторе также обеспечивает индикацию вакуума или давления во впускном коллекторе 44. Следует отметить, что могут быть использованы различные комбинации вышеуказанных датчиков, таких как датчик МРВ без датчика ДВК, или наоборот. Во время эксплуатации двигателя, крутящий момент двигателя может быть выведен из выходного сигнала датчика 122 ДВК и частоты вращения двигателя. Кроме того, этот датчик, наряду с зарегистрированной частотой вращения двигателя, может быть основой для расчета загрузки смеси (содержащей воздух), засасываемой в цилиндр. В одном из примеров, датчик 118 положения коленчатого вала, который также используется в качестве датчика частоты вращения двигателя, может выдавать заданное число равномерно распределенных импульсов на каждый оборот коленчатого вала.

Носитель 106 с постоянным запоминающим устройством может быть запрограммирован машиночитаемыми данными, представляющими команды в долговременной памяти, исполняемые процессором 102 для осуществления раскрытых ниже способов, а также других предполагаемых, но конкретно не перечисленных вариантов.

Контроллер 12 принимает сигналы от различных датчиков, показанных на фиг. 1, и использует различные исполнительные механизмы на фиг. 1 для регулирования работы двигателя на основе полученных сигналов и инструкций, хранящихся в памяти контроллера. Например, регулировка состояния окисления восстановителя СКВ может содержать регулировку исполнительного механизма форсунки мочевины для впрыска мочевины для восстановления СКВ.

На фиг. 2 показан вид в аксонометрии смесителя 200 в выпускном канале 204. Смеситель 200 является сплошным и полым, с находящимся в нем непрерывным каналом для перемешивания мочевины м отработавшими газами. Смеситель 200 выполнен с возможностью приема отработавших газов через множество входов и выброса отработавших газов к частям выпускного канала 204, радиально примыкающим к смесителю 200. На представленном изображении, смеситель 200 виден сквозь часть выхлопной трубы 202.

Показано, что система 290 координат содержит три оси, ось "х" в горизонтальном направлении, ось "y" в вертикальном направлении, и ось "z" в направлении, перпендикулярном обеим осям "х" и "y". Центральная ось 295 выхлопной трубы 202 изображена линией с длинными штрихами и является, по существу, параллельной оси "х". Центральная ось 295 может также быть центральной осью перфорированной трубки 210. Центральная ось 299 смесителя показана линией со средними штрихами. Центральная ось 299 смесителя является, по существу, параллельной оси "у" и, таким образом, перпендикулярной центральной оси 295. Стрелка 298 изображает общее направление потока отработавших газов в выпускном канале 204. Стрелки с линиями с короткими штрихами изображают направление потока отработавших газов через смеситель 200. Длинные штрихи длиннее средних штрихов, которые длиннее, чем короткие штрихи.

Смеситель 200 может быть единичной механической деталью. Смеситель 200 может быть выполнен из одного или нескольких из керамического материала, металлического сплава, кремниевого материала, или других подходящих материалов, способных выдерживать высокие температуры, и в то же время смягчать трение, испытываемое потоком отработавших газов так, чтобы поддерживать давление отработавших газов. Дополнительно или в качестве альтернативы, смеситель 200 может содержать один или более покрытий и материалов так, чтобы отработавшие газы могли контактировать с поверхностями смесителя 200 без отложения нагара или других компонентов отработавших газов на смесителе 200. Смеситель 200 проходит вниз вдоль центральной оси 299 в выпускной канал 204. Смеситель 200 закреплен неподвижно и не вращается.

Переходник 208 соединяет по текучей среде форсунку 206 со смесителем 200. Переходник 208 имеет трубчатую форму с круглым поперечным сечением вдоль оси "x". Форсунка 206 может использоваться таким же образом как инжектор 70 в варианте осуществления на фиг. 1. Форсунка 206 может быть соединена с баком мочевины и впрыскивать мочевину на основе сигнала, полученного от контроллера (например, контроллера 12). Переходник 208 находится в торцевом контакте с наружной поверхностью выхлопной трубы 202. Внутреннее пространство расположено в переходнике 208 за пределами выхлопной трубы 202, и соединено по текучей среде с форсункой 206 и смесителем 200. В одном из примеров, мочевина может впрыскиваться во внутреннее пространство, в которое отработавшие газы могут протекать и перемещать мочевину в смеситель 200. В другом примере, мочевина может впрыскиваться непосредственно в смеситель 200, минуя внутреннее пространство. Таким образом, форсунка 206 может впрыскивать мочевину внутри перфорированной трубки 210 в направлении, перпендикулярном к центральной оси 295. В выхлопной трубе 202 имеется отверстие, соответствующее внутреннему пространству и смесителю 200, для того чтобы мочевина и/или отработавшие газы могли протекать между обоими. Переходник 208 герметически уплотнен и полностью закрыт от окружающей атмосферы. Отработавшие газы и/или мочевина во внутреннем пространстве могут покинуть внутреннее пространство только через отверстие, которое направляет отработавшие газы и/или мочевину в смеситель 200. Смеситель 200, переходник 208, и форсунка 206 расположены в линию вдоль центральной оси 299 смесителя. В одном из примеров, отработавшие газы и/или мочевина из внутреннего пространства протекают непосредственно в продольную трубку 212.

Продольная трубка 212 выровнена с переходником 208 по центральной оси 299 смесителя. Продольная трубка 212 является верхней частью смесителя 200, которая является смежной с перфорированной трубкой 210. Трубки являются полыми и полностью пересекаются с общим внутренним каналом, расположенным в них. Общий внутренний канал разветвляется от продольной трубки 212 к перфорированной трубке 210, причем общий внутренний канал охватывает полный угол 360° перфорированной трубки 210. Продольная трубка 212 является цилиндрической, в то время как перфорированная трубка 210 является тороидальной. Поперечное сечение продольной трубки является круглым по осям "x" и "z". Поперечное сечение перфорированной трубки 210 состоит из двух кругов вдоль центральной оси 295 в направлении оси "х". Поперечные сечения трубок могут иметь и другую подходящую форму, например, эллиптическую, квадратную, прямоугольную, ромбовидную, треугольную, пятиугольную, шестиугольную и т.п. Поперечное сечение перфорированной трубки 210 является бубликообразным вдоль оси "y". Внутренний диаметр продольной трубки 212 может быть, по существу, равен внутреннему диаметру, взятому вдоль любой части внутри перфорированной трубки 210 в одном из примеров, как показано на фиг. 4. В другом примере, внутренний диаметр продольной трубки 212 может быть больше чем или меньше чем внутренний диаметр тора перфорированной трубки 210.

Перфорированная трубка 210 и продольная трубка 212 выполнены с возможностью приема отработавших газов через множество впускных отверстий 214, расположенных на верховой стороне (торце) относительно направления потока отработавших газов. Перфорированная трубка 210 содержит большее число впускных отверстий, чем продольная трубка 212. Впускные отверстия 214 обращены к направлению входящего потока отработавших газов. Отработавшие газы из выпускного канала 204 могут бесперебойно протекать в общий внутренний канал смесителя 200 через впускные отверстия 214. Отработавшие газы могут протекать через любую часть общего внутреннего канала. Например, отработавшие газы могут протекать по всему спектру направлений (360°) вокруг перфорированной трубки 210 и/или в продольную трубку 212. Отработавшие газы в продольной трубке 212 могут также протекать во внутреннее пространство. Отработавшие газы во внутреннем пространстве и продольной трубке 212 могут не протекать в выпускной канал 204. Поэтому, на перфорированной трубке 210 расположены множество выпускных отверстий 216.

Множество выпускных отверстий содержит внутренние выпускные отверстия 216 и внешние выпускные отверстия 218, расположенные на внутреннем и внешнем радиусах перфорированной трубки 210. Внутреннее пространство и продольная трубка 212 не содержат внутренних отверстий 216 и внешних отверстий 218. Это заставляет отработавшие газы и мочевину в продольной трубке 212 протекать через перфорированную трубку 210 перед тем как поступить в выпускной канал 204. Внутренние выпускные отверстия 216 обращены к направлению радиально внутрь к центральной оси 295. Внешние выпускные отверстия 216 обращены к направлению радиально наружу от центральной оси 295 к выхлопной трубе 202.

Таким образом, внутренние выпускные отверстия 216 выпускают смесь отработавших газов и мочевины в другую область выпускного канала 204 по сравнению с наружными выпускными отверстиями. Кроме того, отработавшие газы, вытекающие из внутренних выпускных отверстий 216 и наружных выпускных отверстий 218, протекают в направлении, перпендикулярном стрелке 298 (поток отработавших газов). Число внутренних выпускных отверстий 216 и наружных выпускных отверстий 218 может быть одинаковым или неодинаковым. Размер внутренних выпускных отверстий 216 и наружных выпускных отверстий 218 может быть одинаковым или неодинаковым.

Впускные отверстия 214 и внутренние выпускные отверстия 216 и наружные выпускные отверстия 218 являются продолговатыми, тем не менее, впускные и выпускные отверстия могут иметь другие подходящие формы (круглая, квадратная, и т.п.). Впускные отверстия 214 могут быть крупнее, чем внутренние выпускные отверстия 216 и наружные выпускные отверстия 218. В одном из примеров, впускные отверстия 214 могут быть ровно в два раза крупнее выпускных отверстий. В другом примере, впускные отверстия 214 могут быть меньше или больше, чем в два раза крупнее выпускных отверстий. Число впускных отверстий 214 может равняться числу внутренних выпускных отверстий 216 и числу наружных выпускных отверстий. Таким образом, может быть в два раза больше выпускных отверстий (внутренних и наружных выпускных отверстий вместе взятых) чем впускных отверстий 214. В качестве другого примера, общее число внутренних выпускных отверстий 216 и наружных выпускных отверстий 218 может равняться числу впускных отверстий 214. Общая площадь поверхности впускных и выпускных отверстий может быть, по существу, равной в одном из примеров таким образом, что количество отработавших газов, поступающих в смеситель 200, по существу, равно количеству выходящих отработавших газов. Таким образом, уменьшается противодавление отработавших газов. В качестве альтернативы, площадь поверхности впускных отверстий может быть больше, чем площадь поверхности выпускных отверстий таким образом, что количество отработавших газов, поступающих в смеситель 200, больше, чем количество выходящих отработавших газов. Таким образом, можно принуждать отработавшие газы к дополнительному смешиванию в смесителе 200. Смеситель 200 не содержит никаких других впускных отверстий или дополнительных выпускных отверстий в выпускной канал кроме тех, которые указаны в настоящем документе. Кроме того, смеситель 200 не содержит никаких выпускных отверстий (перфорационных отверстий), обращенных к направлению вниз по потоку.

Как показано, отработавшие газу могут протекать через впускные отверстия 214 и вытекать из внутренних выпускных отверстий 216 и наружных выпускных отверстий 218. Тем не менее, могут существовать более извилистые пути. Например, отработавшие газы могут поступать через впускные отверстия 214, обтекать любую часть смесителя 200, и вытекать через внутренние выпускные отверстия 216 или наружные выпускные отверстия 218. Отработавшие газы в продольной трубке 212 могут перемешиваться с мочевиной во внутреннем пространстве. Смесь может протекать в перфорированную трубку 210 и перемешиваться с частями отработавших газов, которые не содержат мочевину.

Таким образом, мочевина перемешивается в смесителе 200 перед тем, как протечь в выпускной канал 204. Смесь мочевины и отработавших газов направляется в области выпускного канала 204, где отработавшие газы вряд ли попадут в смеситель 200 (радиально примыкающие к смесителю) как будет описано ниже на фиг. 3. В качестве примера, отработавшие газы могут течь вокруг смесителя 200 путем протекания примыкая к выхлопной трубе 202 или вдоль центральной оси 295. Отработавшие газы в этих областях могут вступать в контакт с отработавшими газами, выталкиваемыми через наружные выпускные отверстия 218 или внутренние выпускные отверстия 216, соответственно. Таким образом, смеситель 200 перенаправляет поток отработавших газов из области, связанной с впускными отверстиями 214 в остальные области выпускного канала 204 через внутренние выпускные отверстия 216 и наружные выпускные отверстия 218. Такое перенаправление может увеличить перемешивание мочевины и может улучшить реакционную способность восстановителя СКВ. Кроме того, можно увеличить педесис (Броуновское движение) мочевины путем протекания отработавших газов с мочевиной в смесителе 200, а также путем вытекания смеси мочевины и отработавших газов из смесителя 200 в направлении 90° к потоку отработавших газов. Может увеличиться энтропия, вызывая, возможно, повышенную турбулентность и перемешивание.

На фиг. 3 показан передний вид 300 смесителя 200. При этом, раннее введенные компоненты имеют одинаковый номер на последующих фигурах. Как показано, смеситель 200 физически соединен с корпусом переходника 208 и инжектором 206. Смеситель 200 выполнен с возможностью приема впрыснутой мочевины и потока отработавших газов так, чтобы внутри общего внутреннего канала смесителя 200 могла образоваться смесь мочевины и отработавших газов перед протеканием к выпускному каналу 204.

Система 390 координат содержит две оси, ось "х", параллельную горизонтальной оси, и ось "y", параллельную вертикальной оси. Центральная ось 395 смесителя 200 параллельна оси "y" показана пунктирной линией.

Смеситель 200 содержит перфорированную трубку 210 и продольную трубку 212, полностью пересекающиеся с общим внутренним каналом, расположенном в них. Обе трубки содержат впускные отверстия 214, обращенные к направлению, противоположному потоку отработавших газов. Перфорированная трубка 210 содержит внутренние выпускные отверстия 216 и наружные выпускные отверстия 218, обращенные противоположно радиальным направлениям. Внутренние выпускные отверстия 216 расположены на противоположной стороне смесителя 200 по сравнению с наружными выпускными отверстиями 216. Выпускные отверстия радиально смещены относительно впускных отверстий 214 на перфорированной трубке. Такое смещение может повысить турбулентность отработавших газов в смесителе 200, что может улучшить перемешивание мочевины. В одном из вариантов осуществления, дополнительно или в качестве альтернативы, внутренние выпускные отверстия 216 могут быть радиально смещены относительно наружных выпускных отверстий 218.

Перфорированная трубка 210 является ой с выхлопной трубой 202. Внешняя область 310 расположена между перфорированной трубкой 210 и выхлопной трубой 202 и может позволять отработавшим газам бесперебойно протекать через себя. Внешняя область 310 радиально примыкает к смесителю 200 и может принимать отработавшие газы и/или мочевину из внешних выпускных отверстий. Поток отработавших газов во внешней области 310 может быть, по существу, перпендикулярным к отработавшим газам и/или мочевине, вытекающим из наружных выпускных отверстий 218.

Перфорированная трубка 210 расположена на расстоянии от выхлопной трубы 202 на расстоянии 305. Расстояние 305 может быть, по существу, одинаковым вокруг всей внешней окружности перфорированной трубки 210. В одном из примеров, расстояние 305 может быть, по существу, равно длине продольной трубки 212. В другом примере, расстояние 305 может быть больше, чем или меньше, чем длина продольной трубки 212. Таким образом, перфорированная (тороидальная) трубка равномерно удалена от внутренней стенки выхлопной трубы относительно наружной стенки перфорированной трубки, имеющей выпускные отверстия, и внутренней стенки перфорированной трубки, имеющей выпускные отверстия.

Центральная область 315 расположена в середине перфорированной трубки 210 вдоль центральной оси (например, центральной оси 295 на фиг. 2) выпускного канала. Внутренние выпускные отверстия 216 расположены с равными интервалами относительно центральной оси на внутреннем расстоянии 320, и на 360° вокруг центральной оси выпускного канала. В одном из примеров, внутреннее расстояние 320 может быть, по существу, равным расстоянию 305. Поток отработавших газов через выпускной канал 204 может быть ламинарным из-за трения, создаваемого выхлопной трубой 202. Внутренние выпускные отверстия 216 выталкивают мочевину и/или отработавшие газы из общего внутреннего канала смесителя 200 в центральную область 315 в направлении, по существу, под 90° (перпендикулярном) к потоку отработавших газов. Это может изменить поток отработавших газов таким образом, что фронт потока отработавших газов является, по существу, равномерным и перестает быть ламинарным. Таким образом, может быть улучшено перемешивание мочевины.

Как было описано выше, внутренние выпускные отверстия 216 и наружные выпускные отверстия 218 подают смесь отработавших газов и мочевины в различные области канала 204 отработавшего газа. Эти области разделены смесителем 200. Отработавшие газы в областях сталкиваются со смесью, вытекающей из смесителя, что может увеличить рассеивание мочевины по всему смесителю. Из-за этого, концентрация мочевины может быть, по существу, одинаковой вдоль всего выпускного канала ниже по потоку от смесителя 200. Это может улучшить реакционную способность устройства СКВ.

На фиг. 4 показан боковой вид 400 смесителя 200. Как показано, переходник 208 находится в торцевом контакте с наружной поверхностью выхлопной трубы 202, связанный по текучей среде с форсункой 206 и со смесителем 200. Форсунка 206 может впрыскивать мочевину во время некоторых режимов для того, чтобы уменьшить степень окисления одного или нескольких соединений в устройстве СКВ, расположенном ниже по потоку от смесителя 200. Смеситель 200 может улучшить перемешивание мочевины с отработавшими газами для того, чтобы доставить мочевину к большей площади поверхности устройства СКВ, что может увеличить окислительные способности СКВ для последующей очистки отработавших газов.

Система 490 координат содержит две оси, ось "х", параллельную горизонтальной оси, и ось "y", параллельную вертикальной оси. Центральная ось 495 выпускного канала 204 параллельна оси "х". Центральная ось 499 смесителя параллельна оси "y" (перпендикулярна центральной оси 495). Стрелка 498 изображает общее направление потока отработавших газов в выпускном канале 204.

Впускные отверстия 214 равномерно разнесены друг от друга. Наружные выпускные отверстия 218 также равномерно разнесены друг от друга и отверстия радиально смещены относительно впускных отверстий 214. Наружные выпускные отверстия 218 обращены к направлению 90° (перпендикулярно) к впускным отверстиям 214. Это заставляет отработавшие газы поворачивать в смесителе 200 чтобы вновь поступить в выпускной канал 204. Это увеличивает длину потока отработавших газов и возмущает поток отработавших газов. Внутренние выпускные отверстия 216 закрыты на боковом виде 400 перфорированной трубкой 210. Как показано на фигуре, продольная трубка 212 не содержит наружные выпускные отверстия 218. Внутренний диаметр 405 продольной трубки, по существу, равен внутреннему диаметру 410 перфорированной трубки, как показано на фигуре.

На фиг. 5 показана гидродинамическая модель 500 смесителя 510 мочевины из известного уровня техники и гидродинамическая модель 550 смесителя из настоящего изобретения (например, смеситель 200 на фиг. 2). Модели изображают способность смесителей распространять мочевину по всему выпускному каналу. Моделирование проводится в, по существу, одинаковых окружениях, которые могут содержать нагрузку двигателя, температуру отработавших газов, скорость отработавших газов, давление отработавших газов, длину выхлопной трубы, материал выхлопной трубы и т.д. Кроме того, смесители расположены в одинаковых местах по выпускному каналу.

Смеситель 510 из известного уровня техники является прямоточной форсункой, выполненной с возможностью приема впрыска мочевины и отработавших газов. Смесь из мочевины и отработавших газов может покидать смеситель 510 из известного уровня техники через выпускное отверстие, обращенное к направлению потока отработавших газов, и расположенное близко к нижней части смесителя 510 из известного уровня техники. Смеситель 510 из известного уровня техники направляет смесь вдоль центральной оси 540 выпускного канала 502.

В гидродинамической модели 500, смесь не входит в контакт с внутренней поверхностью выхлопной трубы 504. Таким образом, внешняя область (например, внешняя область 310) выпускного канала 502 может не содержать смесь. Кроме того, концентрация мочевины вдоль выпускного канала 502 модели 500 неравномерна, причем части отработавших газов вблизи центральной оси 540 содержат большую концентрацию мочевины, чем части отработавших газов вблизи выхлопной трубы 504. Устройство СКВ, расположенное ниже по потоку от смесителя 510 из известного уровня техники не может быть полностью восстановлено из-за недостаточного перемешивания и может работать на уровне ниже требуемого.

В гидродинамической модели 550, смесь входит в контакт с внутренней поверхностью выхлопной трубы 554 на менее чем половине длины выпускного канала 552, обозначенной линией 556. В одном из примеров, эта длина может составлять ровно 50 мм. Смесь протекает через выпускной канал 502 рядом с центральной осью 590, выхлопною трубу 554, и в расположенных между ними областях. Концентрация мочевины вдоль выпускного канала 552 является, по существу, равномерной, причем проба отработавших газов, взятая рядом с центральной осью 590 может содержать по существу равную концентрацию мочевины по сравнению с пробой, взятой непосредственно у выхлопной трубы 554. Таким образом, катализатор СКВ может располагаться ближе к смесителю 200 по сравнению со смесителем 510 из известного уровня техники и обеспечивать более высокую реакционную способность мочевины из-за увеличенного рассеивания мочевины. Это приводит к уменьшению ограничений на компоновку при увеличении реакционной способности катализатора СКВ.

Таким образом, компактный, легко конструируемый смеситель мочевины может быть расположен вдоль выпускного канала выше по потоку от устройства СКВ. Смеситель мочевины может увеличивать перемешивание мочевины путем смешивания отработавших газов и мочевины в смесителе и выпуска смеси в выпускной канал в направлении, по существу, перпендикулярном потоку отработавших газов. Смеситель мочевины дополнительно направляет смесь во внешние и внутренние области выпускного канала, повышая однородность потока смеси отработавших газов и мочевины. Технический эффект от настройки смесителя мочевины для приема впрыска мочевины и потока отработавших газов заключается в улучшении реакционной способности СКВ за счет увеличения рассеивания мочевины. Смеситель может дополнительно снижать ограничение на компоновку за счет перемешивания мочевины по всему выпускному каналу на меньшей длине по сравнению с известным уровнем техники. Это позволяет производителю располагать катализатор СКВ ближе к смесителю мочевины по сравнению с известным уровнем техники.

Система содержит форсунку мочевины, установленную с возможностью впрыска мочевины внутрь перфорированной тороидальной трубки, расположенной в потоке отработавших газов двигателя и выполненной с возможностью приема отработавших газов с помощью впускных отверстий, расположенных на верховой грани, обращенной к направлению входящего потока отработавших газов в выпускном канале. Первый пример системы содержит катализатор СКВ, расположен ниже по потоку от перфорированной трубки, причем форсунка установлена с возможностью впрыска только внутрь трубки из сопла форсунки. Второй пример этой системы, опционально содержащий первый пример, дополнительно содержит, что перфорированная трубка дополнительно содержит внутренние выпускные отверстия, обращенные в радиально внутреннем направлении к центральной оси выпускного канала. Третий пример системы, опционально содержащий один или более из второго и первого примеров, дополнительно содержит, что перфорированная трубка дополнительно содержит наружные выпускные отверстия, обращенные в радиально внешнем направлении от центральной оси, находящиеся на противоположной стороне перфорированной трубки. Четвертый пример системы, опционально содержащий с первого по третий примеры, дополнительно содержит, что перфорированная трубка соосна с выхлопной трубой, причем выпускные отверстия обращены только радиально внутрь и радиально наружу, и при этом нет перфорационных отверстий, обращенных вниз по потоку. Пятый пример системы, опционально содержащий с первого по четвертый примеры, где перфорированная трубка соединена с переходником, вмещающим форсунку, через продольную трубку, при этом трубки имеют общий внутренний канал, разветвляющийся от продольной трубки к перфорированной трубке. Шестой пример системы, опционально содержащий с первого по пятый примеры, который дополнительно содержит, что продольная трубка содержит впускные отверстия и не содержит выпускных отверстий в выпускной канал. Седьмой пример системы, опционально содержащий с первого по шестой примеры, который дополнительно содержит, что перфорированная трубка охватывает полный угол 360° вокруг центральной оси выпускного канала. Восьмой пример системы, опционально содержащий с первого по седьмой примеры, который дополнительно содержит, что перфорированная трубка содержит бубликообразное поперечное сечение, и причем форсунка выполнена с возможностью впрыска перпендикулярно к центральной оси тороида. Девятый пример системы, опционально содержащий с первого по восьмой примеры, который дополнительно содержит, что перфорированная трубка дополнительно содержит выпускные отверстия, радиально смещенные относительно впускных отверстий, и причем центральная ось тороида совмещена с центральной осью выпускного канала, который переносит поток отработавших газов, и в котором расположен смеситель.

Смеситель мочевины содержит верхнюю продольную трубку смежную с более низкой, тороидальной трубкой, впускные отверстия, расположенные на верховых сторонах трубок, и выпускные отверстия, расположенные на радиальных сторонах тороидальной трубки, и форсунку мочевины, соединенную с переходником с размещенным в нем внутренним пространством, причем внутреннее пространство соединяет по текучей среде форсунку мочевины с продольной трубкой. Первый пример смесителя мочевины содержит, что продольная трубка физически соединена с переходником. Второй пример смесителя мочевины, опционально содержащий первый пример, содержит, что отработавшие газы, вытекающие из выпускных отверстий, протекают в направлении, перпендикулярном к направлению отработавших газов, затекающих во впускные отверстия. Третий пример смесителя мочевины опционально содержит первый и/или второй примеры, и содержит, что продольная трубка и тороидальная трубка симметричны относительно центральной оси смесителя. Четвертый пример смесителя мочевины, опционально содержащий с первого по третий примеры, содержит, что количество выпускных отверстий больше, чес количество впускных отверстий. Пятый пример смесителя мочевины, опционально содержащий с первого по четвертый примеры, содержит, что тороидальная трубка равномерно удалена от внутренней стенки выхлопной трубы относительно наружной стенки тороидальной трубки, имеющей выпускные отверстия, и внутренней стенки тороидальной трубки, имеющей выпускные отверстия. Шестой пример смесителя мочевины, опционально содержащий с первого по пятый примеры, и дополнительно содержащий, что продольная и тороидальная трубки являются полыми и полностью пересекают друг друга и содержат общий внутренний канал, расположенный в них. Седьмой пример смесителя мочевины, опционально содержащий с первого по шестой примеры, и дополнительно содержит, что общий внутренний канал разветвляется от продольной трубки к тороидальной трубке, и причем общий внутренний канал охватывает полный угол 360° тороидальной трубки.

Смеситель мочевины содержит переходник, который содержит полое внутреннее пространство, причем переходник соединен с форсункой мочевины и продольной трубкой, тороидальную трубку, соосную с выхлопной трубой, физически соединенную и смежную с продольной трубкой, при этом трубки содержат впускные отверстия, выполненные с возможностью приема отработавших газов выпускного канала, общий внутренний канал трубок, соединенный по текучей среде с внутренним пространством, причем отработавшие газы могут протекать через общий внутренний канал и внутреннее пространство, а также внутренние и внешние выпускные отверстия, расположенные вдоль радиусов тороидальной трубки, причем внутренние выпускные отверстия обращены к направлению радиально внутрь к центральной оси выпускного канала, а наружные выпускные отверстия обращены к направлению радиально наружу от центральной оси. Первый пример смесителя мочевины дополнительно содержит, что нет других впускных отверстий и нет дополнительных выпускных отверстий в продольной или тороидальной трубках, отличных от указанных.

Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти и выполняться системой управления, содержащей контроллер в сочетании с различными датчиками, исполнительными механизмами, и другим оборудованием двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, причем указанные действия выполняются путем исполнения инструкций в системе, содержащей различные компоненты оборудования двигателя в сочетании с электронным контроллером.

Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.

В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.

Реферат

Изобретение может быть использовано в системах по очистке отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Система для смесителя (200) мочевины содержит форсунку (206) мочевины, установленную с возможностью впрыска мочевины внутрь продольной трубки (212). Продольная трубка (212) соединена по текучей среде с перфорированной тороидальной трубкой (210) фиксированного радиуса, расположенной в потоке (298) отработавших газов двигателя. Перфорированная трубка (210) и продольная трубка (212) выполнены с возможностью приема отработавших газов с помощью впускных отверстий (214), расположенных на верховой грани, обращенной к направлению входящего потока (298) отработавших газов в выпускном канале (204). Предусмотрен общий внутренний канал, разветвляющийся от продольной трубки (212) к перфорированной трубке (210). Раскрыты варианты выполнения смесителя мочевины. Технический результат заключается в обеспечении возможности перемешивания мочевины с отработавшим газом в перфорированной трубке перед тем, как поступить в выпускной канал. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула