ДОЗИРУЮЩИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ДОЗИРОВАННОГО ВВЕДЕНИЯ ВОССТАНОВИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ МОЧЕВИНЫ В ПОТОК ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2015 года по МПК F01N3/20 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к дозирующему модулю для дозированного введения восстановителя на основе мочевины (например, раствора мочевины в воде) в поток выхлопных газов, генерируемых в двигателе внутреннего сгорания и поступающих в систему последующей обработки (например, устройство SCR или SCRT). Дозирующий модуль согласно изобретению позволяет улучшить смешивание восстановителя с потоком выхлопных газов и, следовательно, повысить эффективность катализатора устройства последующей обработки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как известно, проблема в области двигателей внутреннего сгорания, в частности дизельных двигателей, снабженных турбонаддувом или нет, состоит в формировании оксидов азота в ходе сгорания. Оксиды азота выбрасываются с выхлопными газами двигателя и являются одним из основных источников загрязнения. Для сокращения выбросов оксидов азота приблизительно до 90%, разработаны устройства избирательного каталитического восстановления (SCR). В зависимости от предельно допустимых значений содержания твердых частиц в выбросах, эти системы могут быть снабжены уловителем частиц (системой SCRT).

Функционирование устройства SCR и SCRT основано на реакции, усиливаемой соответствующим каталитическим узлом, между оксидами азота в выхлопных газах и аммиаком, специально вводимым в качестве восстановителя. Аммиак обычно вводится в форме, предпочтительно, жидкого реагента, способного выделять аммиак, при надлежащих температурных условиях или под действием особых катализаторов. Предпочтительным источником обычно является мочевина в водном растворе, например, от 10 до 60% по весу, из которого получается аммиак посредством гидролиза.

Мочевина, в общем случае, распыляется в дозирующем модуле, который располагается перед системой SCR-SCRT. На Фиг.1 и Фиг.2 показаны примеры традиционных конфигураций дозирующего модуля. В частности, на Фиг.1 показан участок линии выпуска выхлопных газов, содержащий катализатор SCR, дозирующий модуль и смесительное устройство, установленное между дозирующим модулем и катализатором SCR. Смесительное устройство служит для усиления и улучшения смешивания. Поток выхлопных газов, поступающий из двигателя, аксиально вводится в дозирующий модуль, и раствор мочевины распыляется в выхлопном газе инжектором, расположенным на центральной линии (оси) корпуса дозирующего модуля. В известном решении, показанном на Фиг.2, водный раствор мочевины вместо этого вводится в дозирующий модуль инжектором, наклоненным относительно направления потока выхлопных газов. Другими словами, в решении, представленном на Фиг.2, восстановитель инжектируется сбоку из участка стенки корпуса дозирующего модуля.

На Фиг.1 также показаны реакции с участием восстановителя на основе мочевины (например, водного раствора мочевины). После распыления упомянутого раствора путем разбрызгивания начинается испарение воды согласно реакции:

(NH₂)₂CO [водный] → (NH₂)₂CO [твердый] + 6,9 H₂O [газ]

После испарения воды начинается разложение мочевины согласно реакциям:

(NH₂)₂CO [твердый] → NH₃ [газ] + HNCO [газ]

HNCO [газ] + H₂O → NH₃ [газ] + CO₂ [газ]

Выяснилось, что способы инжекции, предусмотренные решениями, представленными на Фиг.1 и 2, страдают многими недостатками. В частности, упомянутые способы не позволяют добиться полного разложения мочевины (реакции в отношении фазы 3 на Фиг.1) и равномерного смешивания аммиака (NH₃ [газ]) с выхлопным газом (CO₂ [газ]). Неравномерное смешивание приводит к снижению эффективности системы SCR.

В решении, показанном на Фиг.1, неполное разложение мочевины объясняется тем, что размер капли спрея определяется характеристикой форсунки и тем, что поток выхлопных газов аксиально вводится внутрь корпуса дозирующего модуля. Следовательно, после распыления (фазы 1) не происходит никакого дополнительного аэродинамического дробления капель. Напротив, в решении, показанном на Фиг.2, асимметричная установка инжектора приводит к неправильному распределению мочевинно-водного спрея в корпусе дозирующего модуля, что снижает максимально возможную скорость преобразования NOx.

Следует также заметить, что разложение водного раствора мочевины может приводить к формированию других продуктов, в частности изоциановой кислоты. Это высокореактивное соединение, для которого характерно формирование жидких отложений, например, жидкостных пленок, или твердых отложений на различных частях выхлопной системы (например, трубах, дефлекторах, системе SCR-SCRT). Это обусловлено контактированием раствора реагирующего агента с холодными поверхностями, например стенками корпуса дозирующего модуля или выхлопной трубы.

Конфигурации, представленные на Фиг.1 и 2, а также другие, известные в технике, страдают недостатком сильного взаимодействия спрея со стенкой. Следовательно, известные решения не позволяют избежать формирования жидких отложений на боковой стенке корпуса дозирующего модуля.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является обеспечение дозирующего модуля для дозированного введения восстановителя на основе мочевины в поток выхлопных газов, генерируемых в двигателе внутреннего сгорания транспортного средства, для преодоления вышеупомянутых проблем/недостатков.

В связи с этим, первой задачей настоящего изобретения является обеспечение дозирующего модуля средства восстановления на основе мочевины, который позволяет добиться полного разложения мочевины и равномерного смешивания аммиака с выхлопным газом.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства для дозированного введения восстановителя на основе мочевины в поток выхлопных газов, которое позволяет избежать взаимодействия, после положения дозирования, между восстановителем и холодными стенками системы выпуска выхлопных газов (например, стенками дозирующего модуля и стенками выхлопной трубы).

Кроме того, задачей настоящего изобретения является обеспечение дозирующего устройства, обладающего высокой надежностью и сравнительной простотой в производстве при конкурентоспособной цене.

Эти и другие задачи решаются за счет дозирующего модуля, описанного в прилагаемой формуле изобретения, которая составляет неотъемлемую часть настоящего описания. В частности, дозирующий модуль содержит корпус, ориентированный вдоль оси и снабженный впускным отверстием для переноса выхлопного газа, поступающего из двигателя внутреннего сгорания. Дозирующий модуль также содержит средство дозирования для дозированного введения, внутри упомянутого корпуса, восстановителя на основе мочевины. Согласно изобретению, впускное отверстие является кольцевым и наклонено относительно оси упомянутого корпуса для генерации наклонной кольцевой впускной струи. Средство дозирования предназначено для генерации, внутри корпуса, спрея восстановителя на основе мочевины, который, предпочтительно, коаксиален оси корпуса.

Средство дозирования дозирующего модуля, предпочтительно, содержит форсунку, расположенную внутри корпуса, предпочтительно, в осевом положении. В частности, форсунка располагается в таком положении, что раскрывающийся конус упомянутого спрея восстановителя на основе мочевины находит на направление впуска кольцевой впускной струи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение можно полностью понять из нижеследующего подробного описания, приведенного в порядке иллюстративного и неограничительного примера, снабженного ссылками на фигуры прилагаемых чертежей, в которых:

- Фиг.1 и 2 - традиционные конфигурации дозирующего модуля, используемого для дозированного введения восстановителя на основе мочевины в корпусе дозирующего модуля, пересекаемом потоком выхлопных газов;

- Фиг.3 и 4 - схема первого дозирующего модуля согласно настоящему изобретению.

- Фиг.5 - схема дополнительного дозирующего модуля согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к дозирующему модулю для дозированного введения восстановителя на основе мочевины в поток выхлопных газов, генерируемых в двигателе внутреннего сгорания транспортного средства, например дизельном двигателе. В целях настоящего изобретения, выражение “восстановитель на основе мочевины” подразумевает раствор на основе мочевины, например водный раствор мочевины, способный выделять аммиак, будучи дозирован и инжектирован в поток выхлопных газов, поступающий на устройство последующей обработки, например устройство SCR или SCRT.

Дозирующий модуль 1 согласно изобретению содержит корпус 20, ориентированный вдоль оси X (также наклоненный относительно продольной оси X). В этой связи, на Фиг.3 показана система 2 выпуска выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, которая содержит дозирующий модуль 1 согласно изобретению. В частности, система 2 выпуска выхлопных газов содержит выхлопную трубу 4 и дозирующий модуль 20, который располагается перед смесительным устройством 25. Последнее, в свою очередь, располагается перед каталитическим устройством 30, например устройством SCR или SCRT. Как показано, корпус 20 дозирующего модуля может составлять часть выхлопной трубы 4 и может иметь, предпочтительно, круглое поперечное сечение. В целях изобретения, выражение “поперечное сечение” подразумевает сечение, перпендикулярное оси X корпуса 20.

Дозирующий модуль 1 содержит впускное отверстие 9 для переноса потока выхлопных газов, поступающих из двигателя, в упомянутый корпус 20 дозирующего модуля. Дозирующий модуль 1 также содержит средство дозирования для дозированного введения реагирующего агента на основе мочевины в поток выхлопных газов внутри корпуса 20.

Согласно изобретению, впускное отверстие 9 является кольцевым и наклонено относительно продольной оси X корпуса 20 для генерации кольцевой наклонной впускной струи (обозначенной AJ). Другими словами, благодаря кольцевому впускному отверстию 9, поток выхлопных газов кольцеобразно вводится в корпус 20 согласно направлению Y впуска, наклонному к упомянутой оси X. Таким образом, впускной выхлопной газ представляет радиальную составляющую, перпендикулярную продольной оси X, и аксиальную составляющую, параллельную самой продольной оси.

Согласно изобретению средство дозирования предназначено для генерации, внутри корпуса 20, спрея восстановителя на основе мочевины (обозначенного UWS), внутреннего по отношению к корпусу 20 дозирующего модуля. Предпочтительно, средство дозирования предназначено для генерации спрея восстановителя, раскрывающийся конус которого коаксиален оси X корпуса 20.

С этой целью, средство дозирования предпочтительно содержит форсунку 55, расположенную внутри корпуса 20 в таком положении, что конус спрея восстановителя на основе мочевины находит на направление Y впуска наклонной кольцевой впускной струи AJ. Предпочтительно, положение форсунки 55 является осевым положением. Это означает, что форсунка 55 предпочтительно располагается в точке на оси X корпуса 20.

Положение форсунки 55 устанавливается в зависимости от положения впускного отверстия 9, таким образом, что половинный угол β раскрытия конуса спрея обращен к углу α, образованному между направлением Y впуска и осью X корпуса. В решении, показанном на Фиг.3 и 4, например, впускное отверстие 9 сообщается с корпусом 20 вблизи торцевой поперечной стенки 18, и форсунка 55 располагается в центре самой стенки. Впускное отверстие 9 наклонено так, что угол α, образованный между направлением Y впуска и осью X, меньше 90 градусов.

На Фиг.4 подробно показана кольцевая область корпуса 20, где распыленный восстановитель смешивается с кольцевой впускной струей AJ. В этой области возникает сильная турбулентность. Эта турбулентность усиливает испарение капель реагирующего агента на основе мочевины и, следовательно, усиливает последующее разложение частиц мочевины. Таким образом, скорости реакций преимущественно возрастают.

Опять же, согласно Фиг.4, кольцевая впускная струя AJ позволяет предотвратить удары капель спрея в боковые стенки 20B корпуса 20 дозирующего модуля. Фактически, капли спрея, направляющиеся к боковым стенкам 20B, отклоняются внутрь корпуса 20 дозирующего модуля по причине направления Y впуска кольцевой впускной струи AJ. Таким образом, капли спрея могут попадать в центральное пространство (указанное ссылочной позицией CS) корпуса 20 дозирующего модуля, не контактируя с боковыми стенками 20B. На Фиг.4 упомянутое центральное пространство CS схематически обозначено пунктирными линиями L1. Диаметральная протяженность (обозначенная D1) этого центрального пространства CS зависит от скорости впуска кольцевой струи AJ.

Согласно изобретению, впускная струя AJ наклонена относительно продольной оси X корпуса 20 дозирующего модуля под углом α от 30 до 150 градусов. В частности, весьма значительные результаты наблюдались, когда упомянутый угол α составлял от 30 до 90 градусов, и когда спрей восстановителя имел конус с половинным углом β раскрытия от 5 до 40 градусов.

На Фиг.5 показан альтернативный вариант осуществления дозирующего модуля 1, в котором впускное отверстие 9 имеет такую конструкцию, при которой кольцевая впускная струя AJ наклонена относительно продольной оси X корпуса 20 дозирующего модуля под углом α более 90 градусов. В частности, наблюдалось, что эта конфигурация позволяет преимущественно избегать возникновения отложений вблизи форсунки 55.

Было показано, что настоящее изобретение достигает поставленных целей и решает поставленные задачи. В частности, было показано, что способ дозированного введения восстановителя на основе мочевины обеспечивает полное разложение и равномерное смешивание аммиака с выхлопным газом. Кроме того, способ также позволяет избежать формирования жидкого отложения на внутренней поверхности корпуса дозирующего модуля и выхлопной трубы.

Специалисты в данной области техники могут предложить многочисленные изменения, модификации, вариации и другие варианты использования и применения настоящего изобретения, ознакомившись с описанием изобретения и прилагаемыми чертежами, раскрывающими его предпочтительные варианты осуществления. Считается, что изобретение охватывает все подобные изменения, модификации, вариации и другие варианты использования и применения, которые не выходят за рамки сущности и объема изобретения.

Дополнительные подробности реализации не будут описаны, поскольку специалист в данной области техники способен осуществить изобретение, руководствуясь принципами, изложенными в вышеприведенном описании.

Изобретение относится к дозирующему модулю для введения восстановителя на основе мочевины в поток выхлопных газов. Дозирующий модуль (1) для дозированного введения восстановителя на основе мочевины в поток выхлопных газов, генерируемых двигателем внутреннего сгорания и направленных в систему (30) последующей обработки. Дозирующий модуль (1) содержит корпус (20), впускное отверстие (9) для переноса потока выхлопных газов в корпус (20) дозирующего модуля, средство (55) дозирования для дозированного введения восстановителя на основе мочевины. Корпус (20) проходит симметрично вдоль оси (X), и впускное отверстие (9) является аксиально симметрично кольцевым и наклонено относительно оси (X) корпуса (20) дозирующего модуля для генерации наклонной аксиально симметрично кольцевой впускной струи (AJ). Средство дозирования предназначено для генерации, внутри корпуса (20), спрея восстановителя на основе мочевины (UWS). Техническим результатом изобретения является улучшение смешивания восстановителя с потоком выхлопных газов, повышение эффективности катализатора устройства последующей обработки. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Дозирующий модуль (1) для дозированного введения восстановителя на основе мочевины в поток выхлопных газов, генерируемых двигателем внутреннего сгорания и направленных в систему (30) последующей обработки, причем упомянутый дозирующий модуль (1) содержит
- корпус (20);
- впускное отверстие (9) для переноса потока выхлопных газов в корпус (20) дозирующего модуля,
- средство (55) дозирования для дозированного введения восстановителя на основе мочевины,
отличающийся тем, что корпус (20) проходит симметрично вдоль оси (X), и впускное отверстие (9) является аксиально симметрично кольцевым и наклонено относительно оси (X) корпуса (20) дозирующего модуля для генерации наклонной аксиально симметрично кольцевой впускной струи (AJ), причем средство дозирования предназначено для генерации, внутри корпуса (20), спрея восстановителя на основе мочевины (UWS).

2. Дозирующий модуль (1) по п. 1, в котором упомянутое средство дозирования предназначено для генерации спрея восстановителя на основе мочевины (UWS), который коаксиален упомянутой оси (X) упомянутого корпуса (20).

3. Дозирующий модуль по п. 2, в котором упомянутое средство дозирования содержит форсунку (55), расположенную в упомянутом корпусе (20) дозирующего модуля в таком положении, что раскрывающийся конус упомянутого спрея восстановителя на основе мочевины (UWS) находит на направление впуска (Y) упомянутой кольцевой впускной струи (AJ).

4. Дозирующий модуль (1) по п. 3, в котором положение упомянутой форсунки (55), относительно упомянутого впускного отверстия (9), таково, что угол раскрытия конуса спрея обращен к углу (α), образованному между направлением впуска (Y) упомянутой наклонной кольцевой струи (AJ) и осью (X) упомянутого корпуса (20).

5. Дозирующий модуль (1) по п. 3, в котором упомянутое положение упомянутой форсунки (55) является осевым положением.

6. Дозирующий модуль (1) по п. 1, в котором упомянутое направление впуска (Y) упомянутой наклонной кольцевой струи (AJ) наклонено относительно упомянутой оси (X) упомянутого модуля под углом (α) между 30 и 150 градусами.

7. Дозирующий модуль (1) по п. 6, в котором упомянутое направление впуска (Y) упомянутой наклонной кольцевой струи (AJ) наклонено относительно упомянутой оси (X) упомянутого модуля под углом (α) между 30 и 90 градусами.

8. Дозирующий модуль (1) по п. 3, в котором упомянутая форсунка (55) упомянутого средства дозирования предназначена для генерации спрея восстановителя на основе мочевины, имеющего половинный угол (β) раскрытия конуса между 5 и 40 градусами.

9. Дозирующий модуль (1) по п. 1, в котором упомянутый корпус имеет круглое поперечное сечение.

10. Система (2) выпуска выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, содержащая дозирующий модуль (1) по любому из пп. 1-9.

11. Система (2) выпуска выхлопных газов по п. 10, в которой упомянутая система (2) выпуска выхлопных газов содержит смесительное устройство (25), расположенное после упомянутого дозирующего модуля (1).

12. Транспортное средство, содержащее систему (2) выпуска выхлопных газов по п. 10 или 11.