УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВОДА ЖИДКОЙ СРЕДЫ В ВЫХЛОПНЫЕ ГАЗЫ, ВЫХОДЯЩИЕ ИЗ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F01N3/20 B01F3/04 B01F5/06 

ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения, предназначенному для ввода жидкой среды, например мочевины, в выхлопные газы, выходящие из двигателя внутреннего сгорания.

Для удовлетворения преобладающих требований по очистке выхлопных газов современные автомобили обычно выполняют с катализатором в выхлопной магистрали для осуществления каталитического преобразования экологически опасных компонентов выхлопных газов в экологически менее опасные вещества. Способ, который был использован для обеспечения эффективной каталитической конверсии, базируется на вводе восстановителя в выхлопные газы до катализатора по ходу потока. Восстановительное вещество, которое образует часть восстановителя или образовано посредством восстановителя, переносится выхлопными газами в катализатор и адсорбируется на активных участках в катализаторе, что приводит к накоплению восстановительного вещества в катализаторе. В этом случае накопленное восстановительное вещество может вступать в реакцию с веществом в выхлопных газах и, тем самым, обеспечивать превращение вещества в выхлопных газах в вещество с меньшим воздействием на окружающую среду. Подобный восстановительный катализатор может представлять собой, например, катализатор типа катализатора для селективного каталитического восстановления (SCR). Катализатор данного типа в дальнейшем назван катализатором для селективного каталитического восстановления (SCR-катализатором). SCR-катализатор обеспечивает восстановление оксидов азота NO_x в выхлопных газах. В случае SCR-катализатора восстановитель в виде мочевины обычно вводится под давлением в выхлопные газы до катализатора по ходу потока. Ввод мочевины под давлением в выхлопные газы приводит к образованию аммиака, который затем служит в качестве восстановительного вещества, которое способствует каталитической конверсии в SCR-катализаторе. Аммиак скапливается в катализаторе за счет его адсорбции на активных участках в катализаторе, и NO_x, присутствующие в выхлопных газах, превращаются в газообразный азот и воду, когда они вводятся в контакт в катализаторе с накопленным аммиаком на активных участках в катализаторе.

При использовании мочевины в качестве восстановителя он вводится под давлением в выхлопную магистраль в виде жидкого раствора мочевины через средство ввода под давлением. Средство ввода под давлением содержит сопло, через которое раствор мочевины вводится под давлением в средство ввода под давлением в виде тонкораспыленной струи. При многих рабочих состояниях дизельного двигателя выхлопные газы будут иметь температуру, достаточно высокую для того, чтобы обеспечить возможность испарения раствора мочевины так, чтобы образовался аммиак. Однако при этом трудно избежать ситуации, при которой часть подаваемого раствора мочевины входит в контакт с внутренней поверхностью стенки выхлопной магистрали в неиспарившемся состоянии и прилипает к внутренней поверхности стенки. Когда двигатель внутреннего сгорания работает равномерно в течение некоторого промежутка времени, то есть при установившемся режиме работы, не происходит никаких заметных изменений в потоке выхлопных газов, и раствор мочевины, вводимый под давлением в выхлопные газы, следовательно, будет сталкиваться по существу с одной и той же зоной выхлопной магистрали в течение всего указанного промежутка времени. Сравнительно холодный раствор мочевины может вызвать локальное снижение температуры в данной зоне выхлопной магистрали до температуры ниже 100°С, что может привести к образованию в данной зоне пленки из раствора мочевины, которая затем захватывается потоком выхлопных газов. Когда данная пленка переместится на определенное расстояние в выхлопной магистрали, вода в растворе мочевины будет выкипать под действием горячих выхлопных газов. Твердая мочевина будет оставаться и медленно испаряться под действием тепла в выхлопной магистрали. Если поступление твердой мочевины будет превышать испарение, твердая мочевина будет скапливаться в выхлопной магистрали. Если образующийся в результате слой мочевины становится достаточно толстым, мочевина и продукты ее разложения будут вступать в реакцию друг с другом с образованием простых полимеров на основе мочевины, известных как комки мочевины. Подобные комки мочевины с течением времени могут заблокировать выхлопную магистраль.

Устройство в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения уже известно из документа WO 2007/110575 А1.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание устройства указанного выше типа, которое позволяет создать лучшие возможности для обеспечения хорошего испарения вводимого восстановителя.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретения указанная задача решается посредством устройства, которое имеет признаки, определенные в пункте 1 формулы изобретения.

Устройство в соответствии с изобретением содержит:

- смесительную камеру, которая предназначена для того, чтобы через нее проходил поток выхлопных газов, и которая имеет на своем выходном конце торцевую стенку из теплопроводного материала, которая служит в качестве торцевой поверхности смесительной камеры,

- средство ввода под давлением, предназначенное для ввода жидкой среды под давлением в виде распыленной струи в смесительную камеру или в выхлопные газы, которые направляются в смесительную камеру,

- выхлопной канал, который расположен рядом со смесительной камерой, предназначен для того, чтобы по нему проходил поток выхлопных газов, и отделен от смесительной камеры указанной торцевой стенкой, и

- нагревательные выступы из теплопроводного материала, расположенные, по меньшей мере, на части указанной торцевой стенки на той стороне торцевой стенки, которая обращена к указанному выхлопному каналу, при этом указанные выступы выступают в выхлопной канал и выполнены с возможностью поглощения тепла из выхлопных газов, которые проходят по выхлопному каналу, и с возможностью отдачи данного тепла торцевой стенке.

Выхлопные газы, которые проходят по выхлопному каналу, будут отдавать тепло торцевой стенке, внутренняя сторона которой служит в качестве внутренней поверхности стенки смесительной камеры. Результатом этого является противодействие охлаждению данной внутренней поверхности стенки смесительной камеры и, следовательно, тенденция к предотвращению прилипания введенной среды к данной внутренней поверхности стенки без испарения введенной среды. Нагревательные выступы, выступающие от торцевой стенки в выхлопной канал, гарантированно обеспечивают эффективную передачу тепла торцевой стенке от выхлопных газов, которые проходят по выхлопному каналу.

Один вариант осуществления изобретения характеризуется

- тем, что указанный выхлопной канал соединен с трубчатым участком тракта, представляющего собой выхлопной тракт, который выполнен с возможностью направления выхлопных газов в выхлопной канал, при этом указанный участок тракта ограничен в радиальных направлениях внутрь трубчатой внутренней стенкой, которая соединена с указанной торцевой стенкой, и

- тем, что, по меньшей мере, некоторые из указанных нагревательных выступов выполнены с участками выступов, которые проходят в указанный трубчатый участок тракта. Выполнение нагревательных выступов с участками выступов, которые проходят в трубчатый участок тракта, обеспечивает возможность наличия у нагревательных выступов сравнительно большой теплопоглощающей поверхности.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения указанные участки выступов расположены на расстояниях от трубчатой внутренней стенки. Таким образом, предотвращается ситуация, при которой участки выступов, проходящие в трубчатый участок тракта, будут отдавать тепло трубчатой внутренней стенке участка тракта, так что тепло, поглощенное участками выступов, вместо этого может быть «направлено» к торцевой стенке смесительной камеры для эффективной передачи тепла стенке.

Другие предпочтительные признаки устройства в соответствии с изобретением приведены в независимых пунктах формулы изобретения и в описании, приведенном ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение описано ниже более подробно на основе примеров осуществления со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

фиг.1 - схематическое продольное сечение устройства в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - вид по линии II-II с фиг.1;

фиг.3 - вид в перспективе составных частей устройства согласно фиг.1;

фиг.4 - схематическое продольное сечение устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 - вид по линии V-V с фиг.1; и

фиг.6 - вид в перспективе составных частей устройства с фиг.4.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1-6 иллюстрируют устройство 1 в соответствии с двумя разными вариантами осуществления настоящего изобретения, предназначенное для ввода жидкой среды в выхлопные газы, выходящие из двигателя внутреннего сгорания. Устройство может быть расположено, например, в выхлопной магистрали до SCR-катализатора по ходу потока для ввода жидкого восстановителя в виде мочевины или аммиака в выхлопную магистраль до SCR-катализатора по ходу потока или может быть расположено в устройстве, предназначенном для дополнительной обработки выхлопных газов, для ввода жидкого восстановителя в виде мочевины или аммиака до SCR-катализатора по ходу потока, при этом SCR-катализатор образует часть устройства для дополнительной обработки выхлопных газов.

Устройство 1 содержит смесительную камеру 3, предназначенную для приема выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания и направления их к модулю дополнительной обработки выхлопных газов, например, в виде SCR-катализатора. Таким образом, смесительная камера 3 предназначена для прохода потока выхлопных газов через нее. Смесительная камера имеет входной конец 4 и выходной конец 5. Смесительная камера ограничена в аксиальном направлении торцевой стенкой 7 на ее выходном конце 5. Кроме того, смесительная камера ограничена в радиальных направлениях трубчатой стенкой 6, которая проходит между предназначенным для ввода под давлением, входным концом 4 камеры и выходным концом 5. Смесительная камера имеет впускной канал 8 для приема выхлопных газов на ее входном конце и выпускной канал 9 для выпуска выхлопных газов на ее выходном конце. Выпускной канал 9 расположен у конца трубчатой стенки 6 между данной трубчатой стенкой 6 и периферией торцевой стенки 7. Выпускной канал 9 предпочтительно является кольцевым и выполнен таким, что он проходит вокруг осевой линии 10 смесительной камеры. Впускной канал 8 аналогичным образом предпочтительно является кольцевым и выполнен таким, что он проходит вокруг осевой линии 10 смесительной камеры.

В показанных вариантах осуществления торцевая стенка 7 выполнена со средней частью 7а и кольцевой краевой частью 7b, которая окружает среднюю часть. Та сторона средней части 7а, которая обращена к смесительной камере 3, предпочтительно имеет выпуклую форму, как проиллюстрировано на фиг.1 и 4. Та сторона краевой части 7b торцевой стенки, которая обращена к смесительной камере 3, служит в качестве направляющей поверхности 11, которая выполнена скругленной для направления выхлопных газов, проходящих по направлению к торцевой стенке 7, так, чтобы они проходили в выпускной канал 9 смесительной камеры за счет изменения направления их потока на противоположное.

Средство 12 ввода под давлением, предназначенное для ввода жидкой среды под давлением, расположено в центре входного конца 4 смесительной камеры для ввода жидкой среды под давлением по направлению к выходному концу 5 смесительной камеры. Средство 12 ввода под давлением, которое может содержать, например, впрыскивающее сопло, выполнено с возможностью ввода жидкой среды под давлением в смесительную камеру 3 в виде тонкораспыленной струи под давлением.

Устройство 1 дополнительно содержит выхлопной канал 13, расположенный рядом со смесительной камерой 3 и за ней по ходу потока. Выхлопной канал предназначен для того, чтобы выхлопные газы проходили по нему, и отделен от смесительной камеры вышеуказанной торцевой стенкой 7. Нагревательные выступы 14 из теплопроводного материала выполнены на, по меньшей мере, части той стороны торцевой стенки 7, которая обращена к выхлопному каналу 13. Нагревательные выступы находятся в теплопередающем контакте с торцевой стенкой 7. Они выступают в выхлопной канал 13 и выполнены с возможностью поглощения тепла из выхлопных газов, которые проходят по выхлопному каналу, и с возможностью отдачи данного тепла торцевой стенке 7 для нагрева ее поверхностей, которые обращены к смесительной камере. Торцевая стенка 7 и нагревательные выступы 14 предпочтительно выполнены из металлического материала с хорошей теплопроводностью. В показанных вариантах осуществления нагревательные выступы примыкают к кольцевой краевой части 7b торцевой стенки, в то время как средняя часть 7а свободна от нагревательных выступов. Выступы распределены в направлении вдоль окружности по кольцевой краевой части 7b торцевой стенки. В варианте осуществления, показанном на фиг.1-3, они проходят в радиальном направлении торцевой стенки. Выхлопной канал 13 окружен трубчатой стенкой 15, и нагревательные выступы 14 расположены на некотором расстоянии от данной трубчатой стенки 15 для избежания передачи тепла ей.

В показанных вариантах осуществления смесительная камера 3 соединена с выхлопным каналом 13 посредством выхлопного тракта 16, который имеет кольцевой вход 17 для приема выхлопных газов из смесительной камеры и выход 18, ведущий к верхнему концу выхлопного канала для подачи выхлопных газов в выхлопной канал. Выход 18 выхлопного тракта является кольцевым и проходит вокруг краевой части 7b торцевой стенки. Выхлопной тракт содержит первый участок 16а тракта, который имеет кольцевое поперечное сечение и который имеет вход 17 выхлопного тракта, расположенный на его входном конце. Выхлопной тракт также содержит второй участок 16b тракта, который имеет кольцевое поперечное сечение и расположен по ходу потока за первым участком 16а тракта. Выход 18 выхлопного тракта расположен на выходном конце данного второго участка 16b тракта. Первый участок 16а тракта окружает смесительную камеру и является концентрическим относительно смесительной камеры. Второй участок 16b тракта окружает первый участок 16а тракта и является концентрическим относительно первого участка 16а тракта. Второй участок 16b тракта соединен с первым участком 16а тракта посредством участка 16с, который предназначен для реверсирования потока, представляет собой часть выхлопного тракта и который выполнен с возможностью реверсирования направления потока выхлопных газов, проходящих по выхлопному тракту, так, чтобы был обеспечен их проход по второму участку 16b тракта в направлении, противоположном по отношению к направлению их потока в первом участке 16а тракта. В первом участке 16а тракта выхлопные газы проходят в направлении, противоположном по отношению к направлению их потока в смесительной камере.

Смесительная камера отделена от первого участка 16а тракта, представляющего собой выхлопной тракт, трубчатой стенкой 6. Первый участок 16а тракта, представляющего собой выхлопной тракт, проходит с наружной стороны данной трубчатой стенки. Первый и второй участки 16а, 16b тракта, представляющего собой выхлопной тракт, сами отделены друг от друга трубчатой разделяющей стенкой 19, которая расположена снаружи по отношению к указанной стенке 6 и служит в качестве внутренней стенки второго участка 16b тракта. Второй участок 16b тракта ограничен в радиальных направлениях трубчатой стенкой 20, расположенной снаружи вокруг разделяющей стенки 19 и служащей в качестве наружной стенки второго участка 16b тракта. Разделяющая стенка 19 соединена с краевой частью 7b торцевой стенки, в то время как трубчатая стенка 20 соединена с трубчатой стенкой 15 выхлопного канала 13.

Распыленная струя жидкой среды, вводимая в смесительную камеру 3 под давлением посредством средства 12 ввода под давлением, входит в контакт в смесительной камере с выхлопными газами, которые проходят в камеру по ее впускному каналу 8 в виде потока вокруг данной распыленной струи, по существу симметричного относительно нее. Выхлопные газы, проходящие в смесительную камеру, несут жидкую среду вместе с ними дальше по ходу потока в смесительной камере. Во время перемещения жидкой среды дальше по ходу потока в смесительной камере жидкая среда «распространяется» в выхлопных газах, и часть ее испаряется под действием их тепла. Жидкая среда, которая не испаряется во время перемещения через смесительную камеру, достигает торцевой стенки 7 на выходном конце 5 камеры. Жидкая среда, которая достигает торцевой стенки 7, будет испаряться под действием горячих выхлопных газов. Из смесительной камеры выхлопные газы проходят по выхлопному тракту 16 в выхлопной канал 13. При входе в выхлопной канал они проходят вдоль нагревательных выступов 14 и отдают тепло нагревательным выступам 14. Выступы обеспечивают передачу тепла торцевой стенке 7.

В варианте осуществления, показанном на фиг.1-3, нагревательные выступы 14 выполнены с участками 14а выступов, которые проходят/выступают в вышеуказанный второй участок 16b тракта, представляющего собой выхлопной тракт. Участки выступов проходят в продольном направлении второго участка 16b тракта. Они расположены между трубчатой внутренней стенкой 19 и трубчатой наружной стенкой 20 второго участка 16b тракта и расположены на некотором расстоянии как от внутренней стенки 19, так и от наружной стенки 20, чтобы избежать передачи тепла к данным стенкам. Таким образом, нагревательные выступы 14 не находятся в теплопередающем контакте с трубчатыми стенками 19, 20 второго участка 16b тракта, но находятся в теплопередающем контакте только с торцевой стенкой 7.

Устройство в соответствии с изобретением предназначено для использования в особенности в транспортном средстве большой массы и/или грузоподъемности, например, в автобусе, транспортном средстве, представляющем собой тягач/трактор, или грузовом автомобиле.

Само собой разумеется, изобретение никоим образом не ограничено вариантами осуществления, описанными выше, поскольку множество возможностей для модификаций с большой вероятностью будут очевидными для специалиста в данной области техники при отсутствии необходимости отхода от основной идеи изобретения, такой как определенная в приложенной формуле изобретения.

Изобретение относится к устройству для ввода жидкой среды в выхлопные газы, выходящие из двигателя внутреннего сгорания. Устройство (1) для ввода жидкой среды в выхлопные газы, выходящие из двигателя внутреннего сгорания, содержит смесительную камеру (3), которая предназначена для того, чтобы через нее проходил поток выхлопных газов, и которая имеет на своем выходном конце (5) торцевую стенку (7) из теплопроводного материала, которая служит в качестве торцевой поверхности смесительной камеры (3), средство (12) ввода под давлением, предназначенное для ввода жидкой среды под давлением в виде распыленной струи в смесительную камеру (3) или в выхлопные газы, которые направляются в смесительную камеру (3), выхлопной канал (13), который расположен рядом со смесительной камерой (3), предназначен для того, чтобы по нему проходил поток выхлопных газов, и отделен от смесительной камеры (3) указанной торцевой стенкой (7). Нагревательные выступы (14) из теплопроводного материала, расположенные на, по меньшей мере, части той стороны указанной торцевой стенки (7), которая обращена к выхлопному каналу (13), и выступающие в выхлопной канал (13), выполнены с возможностью поглощения тепла из выхлопных газов, которые проходят по выхлопному каналу, и с возможностью отдачи этого тепла торцевой стенке (7). Выхлопной канал (13) соединен с трубчатым участком (16b) тракта, представляющего собой выхлопной тракт (16), который выполнен с возможностью направления выхлопных газов в выхлопной канал (13). Участок (16b) тракта ограничен в радиальных направлениях внутрь трубчатой внутренней стенкой (19), которая соединена с указанной торцевой стенкой (7). Некоторые из нагревательных выступов (14) выполнены с участками (14а) выступов, которые проходят в трубчатый участок (16b) тракта. Техническим результатом изобретения является обеспечение более эффективного испарения вводимого восстановителя. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство (1) для ввода жидкой среды, например мочевины, в выхлопные газы, выходящие из двигателя внутреннего сгорания, содержащее:
- смесительную камеру (3), которая предназначена для того, чтобы через нее проходил поток выхлопных газов, и которая имеет на своем выходном конце (5) торцевую стенку (7) из теплопроводного материала, которая служит в качестве торцевой поверхности смесительной камеры (3),
- средство (12) ввода под давлением для ввода жидкой среды под давлением в виде распыленной струи в смесительную камеру (3) или в выхлопные газы, которые направляются в смесительную камеру (3),
- выхлопной канал (13), который расположен вблизи смесительной камеры (3), предназначен для того, чтобы по нему проходил поток выхлопных газов, и отделен от смесительной камеры (3) указанной торцевой стенкой (7),
отличающееся тем, что нагревательные выступы (14) из теплопроводного материала, расположенные на, по меньшей мере, части той стороны указанной торцевой стенки (7), которая обращена к выхлопному каналу (13), и выступающие в выхлопной канал (13), выполнены с возможностью поглощения тепла из выхлопных газов, которые проходят по выхлопному каналу, и с возможностью отдачи этого тепла торцевой стенке (7), причем выхлопной канал (13) соединен с трубчатым участком (16b) тракта, представляющего собой выхлопной тракт (16), который выполнен с возможностью направления выхлопных газов в выхлопной канал (13), при этом участок (16b) тракта ограничен в радиальных направлениях внутрь трубчатой внутренней стенкой (19), которая соединена с указанной торцевой стенкой (7), причем, по меньшей мере, некоторые из нагревательных выступов (14) выполнены с участками (14а) выступов, которые проходят в трубчатый участок (16b) тракта.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выхлопной канал (13) окружен трубчатой стенкой (15) и нагревательные выступы (14) расположены на расстоянии от трубчатой стенки (15).

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что участки (14а) выступов расположены на расстоянии от трубчатой внутренней стенки (19).

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что трубчатый участок (16b) тракта ограничен в радиальных направлениях наружу трубчатой наружной стенкой (20), расположенной снаружи вокруг трубчатой внутренней стенки (19), при этом участки (14а) выступов расположены между трубчатой внутренней стенкой (19) и трубчатой наружной стенкой (20) и на расстоянии от трубчатой наружной стенки (20).

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что выхлопной канал (13) окружен трубчатой стенкой (15) и нагревательные выступы (14) расположены на расстоянии от трубчатой стенки (15), причем трубчатая наружная стенка (20) трубчатого участка (16b) тракта соединена с трубчатой стенкой (15) выхлопного канала (13).

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагревательные выступы (14) расположены на кольцевой части (7b) торцевой стенки (7) и распределены в направлении вдоль окружности по кольцевой части (7b).

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выхлопной канал (13) расположен по ходу потока за смесительной камерой (3).

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство (12) ввода под давлением расположено в центре входного конца (4) смесительной камеры и выполнено с возможностью ввода жидкой среды под давлением по направлению к выходному концу (5) смесительной камеры.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что торцевая стенка (7) и нагревательные выступы (14) выполнены из металла.