УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕКУЧИХ СРЕД В ГАЗОВЫПУСКНЫХ СИСТЕМАХ Российский патент 2016 года по МПК F01N3/20 F01N3/28 F01N13/18 

Настоящее изобретение относится к устройству для распределения текучих сред, в частности смеси воды с мочевиной или жидкого топлива, в газовыпускных системах двигателя внутреннего сгорания, с впрыскивающим устройством, оканчивающимся в выпускном тракте, в частности, перед так называемым катализатором селективного каталитического восстановления (SCR).

Согласно ужесточающимся нормам токсичности для отработавших газов в двигателях внутреннего сгорания необходимо сокращать количество оксидов азота (NOx) в отработавшем газе. Известная возможность заключается в том, чтобы сокращать количество оксидов азота путем их так называемого селективного каталитического восстановления (SCR) в азот и воду. Это происходит в так называемом катализаторе селективного каталитического восстановления (SCR) при использовании восстановителя, впрыскиваемого в отработавший газ. В частности, для этого может быть использована смесь воды с мочевиной, разлагаемой в аммиак, который вступает в реакцию с оксидами азота. Кроме того, в отработавший газ в виде различных углеводородных соединений (НС) может впрыскиваться также жидкое топливо.

В принципе для таких способов восстановления желательно, чтобы, с одной стороны, восстановитель перемешивался с отработавшим газом возможно более равномерно, а с другой стороны, чтобы для достижения высокой эффективности при восстановлении и для работы без отложений происходило возможно более полное выпаривание, или термолиз, жидкого восстановителя.

Поэтому в основу изобретения положена задача улучшения распределения текучих сред в отработавшем газе, а при необходимости обеспечения полного выпаривания текучих сред без отложений возможно более простым способом.

Решение задачи достигается с помощью устройства с признаками пункта 1 формулы изобретения и, в частности, за счет комбинации множества отдельных мер для достижения равномерного перемешивания текучих сред с отработавшим газом и полного выпаривания текучих сред из отработавшего газа, причем отдельные меры включают по меньшей мере одно вихреобразующее устройство и/или по меньшей мере одно смесительное устройство, предпочтительно, по меньшей мере один катализатор и впрыскивающее сопло впрыскивающего устройства, установленное на заданном удалении от стенки выпускного тракта. Согласно изобретению обнаружено, что хорошее перемешивание и выпаривание текучих сред из отработавшего газа без отложений достижимы лишь тогда, когда несколько мер соответствующим образом комбинируются друг с другом. Решающим для выбора и конфигурации отдельных мер являются, в частности, характеристика впрыскивания или распыления, устройства впрыска, длина участка распределения или выпаривания, температура, а также форма и сечение трубы соответствующего участка газовыпускной системы. Таким образом, путем учета термодинамических условий и монтажных спецификаций, а также соответствующей адаптации различных отдельных мер достигаются желательным образом свободное от отложений распределение и выпаривание текучих сред из отработавшего газа.

Усовершенствованные варианты выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения, в описании, а также на приложенных чертежах.

Согласно одному варианту изобретения предусмотрено по меньшей мере одно вихреобразующее устройство, содержащее несколько турбинообразно установленных направляющих лопаток для газа. Такое вихреобразующее устройство в зависимости от применения может быть предусмотрено выше или ниже по потоку вспрыскивающего устройства. Благодаря направляющим лопаткам для газа достигается хорошее вихреобразование. Кроме того, направляющие лопатки для газа могут действовать как поверхности испарения и тем самым повышать степень выпаривания. Благодаря турбинообразной установке направляющих лопаток получается особенно большая поверхность испарения. Кроме того, турбинообразное выполнение осуществляет хорошую блокировку поперечного сечения отработавшего газа, причем за счет длины и ширины, а также угла установки направляющих лопаток может оптимизироваться соотношение между давлением отработавшего газа и эффективностью перемешивания.

Кроме того, может быть предусмотрено смесительное устройство, содержащее по меньшей мере одно вихреобразующее устройство и трубчатое выпарное устройство. Смесительное устройство, предпочтительно, установлено ниже по потоку относительно впрыскивающего устройства и служит для равномерного перемешивания с отработавшим газом впрыскиваемых текучих сред, а при необходимости предварительно гомогенизированных текучих сред. Благодаря комбинации вихреобразующего устройства, - которое, в свою очередь, может состоять из нескольких турбинообразно установленных направляющих лопаток для газа, - и трубчатого выпарного устройства может быть достигнута особенно высокая степень смешивания, причем последовательность и удаленность обоих компонентов могут быть рассчитаны с соответствующим применением.

Согласно одному другому варианту выполнения изобретения предусмотрен гидролизный катализатор, который, в частности, установлен выше по потоку от так называемого катализатора селективного каталитического восстановления (SCR). Такой гидролизный катализатор может поддерживать превращение изоциановой кислоты в аммиак и диоксид углерода и тем самым разгружать основной катализатор селективного каталитического восстановления (SCR).

Кроме того, может быть предусмотрен потоконаправляющий элемент, установленный внутри выпускного тракта и по меньшей мере на отдельных участках удаленный от стенки выпускного тракта, а также по меньшей мере частично выступающий в гибкий участок развязки выпускного тракта, причем потоконаправляющий элемент заканчивается, в частности, в отклоненной по потоку области участка развязки. Гибкие участки развязки в выпускном тракте служат, в частности, для противодействия передаче колебаний или различных термических расширений компонентов выпускного тракта. Такие участки развязки могут быть выполнены, например, в виде гофрированной оболочки, намотанной оболочки или оболочки с застежкой. В зависимости от применения может иметь место также комбинация указанных видов оболочек, т.е. может быть предусмотрена, например, намотанная оболочка, обвитая гофрированной трубкой. В углублениях и неровностях стены, имеющихся на таких участках развязки, могут скапливаться нежелательные отложения впрыскиваемых текучих сред и/или продуктов реакции отработавшего газа и текучих сред. Эти отложения предотвращаются путем подачи отработавшего газа через, предпочтительно, гладкостенный потоконаправляющий элемент и тем самым путем по меньшей мере на отдельных участках воспрепятствования протеканию потока у неравномерной стены участка развязки. Кроме того, потоконаправляющий элемент может желательным образом воздействовать на поток отработавшего газа путем его специального формообразования, например, с помощью углублений, впадин, вогнутостей и т.п.

Впрыскивающее устройство может быть установлено, в частности, выше по потоку от гибкого участка развязки выпускного тракта. В этом случае эффект предотвращения отложений с помощью потоконаправляющего элемента проявляется особенно заметно. Если этого требует применение, впрыскивающее устройство может быть установлено также между двумя гибкими участками развязки выпускного тракта.

Потоконаправляющий элемент может быть выполнен в виде внутренней трубы, по меньшей мере на отдельных участках коаксиальной выпускному тракту. Такая внутренняя труба называется также «Inliner». Внутренняя труба, предпочтительно, выполнена со сплошной стенкой.

На своем конце, расположенном ниже по потоку, потоконаправляющий элемент может иметь по окружности сплошное продолжение участка, в частности, чашеобразной формы, например, в виде трубчатого элемента, уполовиненного в продольном направлении. Такое продолжение участка может использоваться для целенаправленного улавливания остатков текучей среды с целью их дальнейшего испарения.

Согласно одному варианту выполнения потоконаправляющий элемент, если смотреть в направлении потока отработавшего газа, на отдельных участках сужается. Место сужения, предпочтительно, расположено ниже по потоку смесительного устройства. В порядке альтернативы или дополнения место сужения может быть предусмотрено также выше по потоку относительно смесительного устройства. Сужение благодаря эффекту Вентури увеличивает скорость потока, что способствует перемешиванию текучей среды в отработавшем газе.

Согласно одному варианту выполнения потоконаправляющий элемент заделан в выпускной тракт таким образом, чтобы он с наружной стороны обтекался отработавшим газом. Тем самым отработавший газ при таком исполнении не только пропускается через потоконаправляющий элемент, но и обтекает его снаружи. Таким образом, часть отработавшего газа обходит вихреобразующие и/или смесительные устройства, которые могут быть встроены в потоконаправляющий элемент, в виде побочного потока. С этой целью потоконаправляющий элемент посредством нескольких крепежных перемычек может быть закреплен в соответствующей несущей выпускной трубе таким образом, чтобы между наружной стенкой потоконаправляющего элемента и внутренней стенкой выпускной трубы образовывался воздушный зазор. Таким образом, потоконаправляющий элемент нагревается обтекающим его снаружи горячим отработавшим газом, что способствует выпариванию текучей среды внутри потоконаправляющего элемента.

Кроме того, вихреобразующее и/или смесительное устройства могут быть встроены в потоконаправляющий элемент и/или впрыскивающее устройство может оканчиваться в потоконаправляющем элементе. Благодаря этому можно добиться того, чтобы устройству распределения текучей среды в общем требовалось меньше монтажного пространства за счет того, что потоконаправляющий элемент устанавливается в выпускном тракте с перекрытием с другим функциональным компонентом.

Согласно одному варианту выполнения впрыскивающее сопло установлено на стенке выпускного тракта. Таким образом, текучие среды впрыскиваются вблизи стенки трубы или трубопровода, т.е. по внешнему краю потока. Такая установка впрыскивающего сопла может иметь место, в частности, в устройствах, в которых впрыскивающее сопло установлено на изогнутом или отогнутом участке выпускного тракта. Если этого требует применение, впрыскивающее устройство может быть установлено на заданном относительно незначительном удалении от стенки.

Согласно одному альтернативному варианту выполнения впрыскивающее сопло установлено по центру относительно поперечного сечения выпускного тракта, т.е. текучие среды впрыскиваются в центр потока. Подобным центральным расположением может быть также расположение на заданном незначительном удалении от центра площади поперечного сечения соответствующего участка трубопровода.

Впрыскивающее сопло может быть выполнено для распыления текучих сред по типу внутреннего (пустотелого) или внешнего (сплошного) конусов. Впрыскивающие сопла с характеристикой распыления по типу внутреннего конуса являются относительно дешевыми и имеются в продаже во множестве вариантов, в то время как впрыскивающие сопла с характеристикой распыления по типу внешнего конуса имеют улучшенную степень смешивания распыляемой текучей среды в окружающем газовом потоке.

Для короткоконусного распыления текучих сред могут быть предусмотрены также два противолежащих впрыскивающих сопла. Такое взаимное расположение является предпочтительным, в частности, при овальном поперечном сечении трубопровода на соответствующем участке газовыпускной системы.

Впрыскивающее устройство для распыления текучих сред может быть выполнено с заранее определенным средним размером капель. В качестве критерия размера капель может быть использован, например, диаметр Заутера (SMD). Таким образом, путем целенаправленного варьирования размера капель может быть оптимизирована эффективность распределительного устройства. С этой целью, если размер капель известен, необходимые компоненты распределительного устройства, а также соответствующие параметры согласуются с размером капель. При заданных компонентах и параметрах для обеспечения работы распределительного устройства без отложений может, наоборот, выбираться определенный оптимальный размер капель. Таким образом, в зависимости от применения средним размером капель впрыскивающего устройства может быть входной или выходной параметры конфигурируемого распределительного устройства.

Согласно одному другому варианту выполнения комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство и впрыскивающее сопло впрыскивающего устройства, установленное по центру относительно поперечного сечения выпускного тракта и выполненное для распыления текучих сред по типу внешнего конуса с максимальным размером капель по диаметру Заутера 25 мкм. Собственно говоря, оказалось, что при впрыскивании по центру с характеристикой распыления по типу внешнего конуса и при относительно малых капельках для достижения равномерного распределения жидкостей, выпариваемых из газовой фазы, достаточно лишь одного вихреобразующего устройства, установленного выше или ниже по потоку от впрыскивающего устройства. Таким образом, от других дорогостоящих компонентов распределительного устройства можно отказаться.

Согласно одному варианту выполнения изобретения комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство, которое предусмотрено выше по потоку от впрыскивающего устройства, по меньшей мере одно смесительное устройство, которое предусмотрено ниже по потоку от впрыскивающего устройства и которое содержит по меньшей мере одно трубчатое выпарное устройство, и впрыскивающее сопло впрыскивающего устройства, установленное по центру поперечного сечения выпускного тракта и выполненное для распыления текучих сред по типу внутреннего конуса с максимальным размером капель по диаметру Заутера 25 мкм. Итак, если в дополнение к вихреобразующему устройству предусмотрено установленное ниже по потоку от впрыскивающего устройства смесительное устройство по меньшей мере с одним трубчатым выпарным устройством, можно прибегнуть к простому впрыскивающему соплу с распылением по типу внутреннего конуса.

Согласно одному варианту выполнения изобретения комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство, которое предусмотрено выше по потоку от впрыскивающего устройства, по меньшей мере одно смесительное устройство, которое предусмотрено ниже по потоку от впрыскивающего устройства и которое содержит по меньшей мере одно вихреобразующее устройство, и впрыскивающее сопло впрыскивающего устройства, установленное по центру поперечного сечения выпускного тракта и выполненное для распыления текучих сред по типу внешнего конуса с минимальным размером капель по диаметру Заутера 25 мкм. Таким образом, в случае капель большего крупного размера для равномерного распределения необходимы два вихреобразующих устройства, установленных, соответственно, выше и ниже по потоку от впрыскивающего устройства. При использовании впрыскивающего сопла с распылением по типу внешнего конуса может быть предотвращено появление побочных продуктов.

Согласно одному варианту выполнения комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство, которое предусмотрено выше по потоку от впрыскивающего устройства, по меньшей мере одно смесительное устройство, которое предусмотрено ниже по потоку от впрыскивающего устройства и которое содержит по меньшей мере одно вихреобразующее устройство и трубчатое выпарное устройство, и впрыскивающее сопло впрыскивающего устройства, установленное по центру поперечного сечения выпускного тракта и выполненное для распыления текучих сред по типу внутреннего конуса с минимальным размером капель по диаметру Заутера 25 мкм. При таком взаимном расположении предусмотрены два вихреобразующих устройства и одно трубчатое выпарное устройство. Для них должно быть предусмотрено только одно простое впрыскивающее сопло с распылением по типу внутреннего конуса.

Согласно одному варианту выполнения изобретения комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно смесительное устройство, которое предусмотрено ниже по потоку от впрыскивающего устройства и которое содержит по меньшей мере одно вихреобразующее устройство, и впрыскивающее сопло впрыскивающего устройства, установленное на стенке выпускного тракта и выполненное для распыления текучих сред по типу внешнего конуса с минимальным размером капель по диаметру Заутера 50 мкм. Таким образом, в случае пристеночного распыления текучих сред целесообразно рассчитывать впрыскивающее сопло на более крупные капли. Кроме того, предусмотрено вихреобразующее устройство выше по потоку от впрыскивающего устройства.

Согласно одному варианту выполнения изобретения комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно смесительное устройство, которое предусмотрено ниже по потоку от впрыскивающего устройства и которое содержит по меньшей мере одно вихреобразующее устройство и трубчатое выпарное устройство, и впрыскивающее сопло впрыскивающего устройства, установленное на стенке выпускного тракта и выполненное для распыления текучих сред по типу внутреннего конуса с минимальным размером капель по диаметру Заутера 50 мкм. Таким образом, при использовании впрыскивающего сопла с распылением по типу внутреннего конуса и при пристеночном впрыскивании целесообразно применять смесительное устройство, установленное ниже по потоку от впрыскивающего устройства и содержащее по меньшей мере одно вихреобразующее устройство и по меньшей мере одно трубчатое выпарное устройство.

Согласно изобретению при определении предпочтительного варианта выполнения, в частности, принято во внимание, что впрыснутые капли испаряются тем быстрее, чем они меньше. Правда, вместе с тем капли меньших размеров сложнее подать в поток отработавших газов, т.е. глубина проникновения уменьшается с уменьшением диаметра или импульса капель.

Ниже изобретение описывается на примерах со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 изображает вид участка выпускного тракта в перспективе с встроенным устройством для распределения текучих сред согласно изобретению в частичном разрезе,

фиг. 2 - альтернативный вариант выполнения устройства для распределения текучих сред согласно изобретению, встроенного в отогнутый участок выпускного тракта,

фиг. 3 - другой вариант выполнения устройства для распределения текучих сред согласно изобретению,

фиг. 4-8 - примеры других вариантов выполнения изобретения в схематичном виде.

На фиг. 1 изображен трубчатый участок 11 выпускного тракта, по которому очищаемые отработавшие газы не показанного дизельного двигателя протекают в направлении А потока отработавшего газа. На участке 11 установлена внутренняя труба 12, выполненная в качестве смесительной трубы для отработавших газов, как это более точно описано ниже. Участок 11 с внутренней трубой 12 установлен в направлении А потока отработавшего газа впереди также не показанного катализатора селективного каталитического восстановления (SCR). Во внутреннюю трубу 12 встроено устройство 13 для распределения текучей среды, например смеси воды с мочевиной, в отработавшем газе. Устройство содержит впрыскивающее устройство 15 с впрыскивающим соплом 17, заканчивающимся во внутренней трубе 12. С помощью впрыскивающего сопла 17 впрыскиваемая текучая среда распыляется в протекающем отработавшем газе. Как видно на фиг. 1, впрыскивающее сопло 17 расположено в центре трубчатого участка 11, т.е. на центральной продольной оси L участка 11. Впрыскивающее сопло 17 в зависимости от использования может быть выполнено для распыления текучей среды по типу внутреннего или внешнего конуса. Кроме того, впрыскивающее устройство 15, включая впрыскивающее сопло 17, адаптировано таким образом, чтобы при распылении формировалась капля заданного среднего размера.

Кроме того, устройство 13 содержит первое вихреобразующее устройство 19, установленное впереди впрыскивающего устройства 15 по направлению А потока отработавшего газа, а также смесительное устройство 20, установленное за впрыскивающим устройством 15 в направлении А потока отработавшего газа. Смесительное устройство 20 содержит второе вихреобразующее устройство 21 и трубчатое выпарное устройство 23, установленное за ним в направлении А потока отработавшего газа. Первое вихреобразующее устройство 19 и второе вихреобразующее устройство 21 состоят, соответственно, из турбинообразно установленных и выполненных направляющих лопаток 25 для газа. Направляющие лопатки 25 для газа проходят по существу радиально наружу от центральной продольной оси L трубчатого участка 11, однако сами по себе они изогнуты таким образом, чтобы их линия соприкосновения с трубчатым участком 11 проходила по спирали. В результате создается сильная блокировка поперечного сечения трубчатого участка 11. При обтекании вихреобразующих устройств 19, 21 в потоке отработавшего газа создаются завихрения, способствующие перемешиванию текучей среды с протекающим отработавшим газом. Для дальнейшего улучшения перемешивания направляющие лопатки 25 для газа могут быть отформованы таким образом, чтобы между первым вихреобразующим устройством 19 и вторым вихреобразующим устройством 21 происходило усиливающее турбулентность реверсирование завихрения.

Трубчатое выпарное устройство 23 содержит центральную трубу 27, а также сформированные в виде цветка наружные плоскости 29, улучшающие дальнейшее перемешивание текучей среды и отработавшего газа и, кроме того, действующие как поверхности испарения и/или отражательные пластины, способствуя тем самым выпариванию текучей среды.

Для улучшения распыления и распределения текучей среды поверхности элементов 19, 21 и 23 могут быть структурированы или перфорированы.

Кроме того, в зависимости от использования в любом месте трубчатого участка 11 для разгрузки катализатора селективного каталитического восстановления (SCR) может быть предусмотрен непоказанный гидролизный катализатор.

Отработавший газ протекает во время работы в соответствии с направлением А отработавшего газа через трубчатый участок 11, причем вихреобразующие устройства 19, 21, а также трубчатое выпарное устройство 23 нагреваются. Затем отработавший газ, покидающий трубчатый участок 11, поступает в катализатор селективного каталитического восстановления (SCR). Для создания и/или содействия восстановлению оксидов азота в катализаторе селективного каталитического восстановления (SCR) посредством впрыскивающего устройства 15 в поток отработавшего газа впрыскивается, например, смесь воды с мочевиной. В показанном примере выполнения впрыскивающему устройству 15 придано лишь одно отдельное впрыскивающее сопло 17. Однако в определенных случаях применения впрыскивающее устройство 15 может содержать несколько впрыскивающих сопел 17. Благодаря завихрениям, создаваемым посредством первого вихреобразующего устройства 19, в струе отработавшего газа происходит перемешивание отработавшего газа с впрыскиваемыми капельками смеси воды с мочевиной. Затем полученная таким образом смесь вместе с отработавшим газом поступает во второе вихреобразующее устройство 21, в котором отработавший газ со смесью воды с мочевиной приводится во вращение вокруг центральной продольной оси L участка 11. Благодаря этому происходит дальнейшее улучшение перемешивания отработавшего газа со смесью воды с мочевиной. Кроме того, в качестве поверхности испарения действуют также направляющие лопатки 25 для газа вихреобразующего устройства 21.

В продолжение процесса частично выпаренная смесь воды с мочевиной вместе с отработавшим газом поступает в трубчатое выпарное устройство 23, где происходят дальнейшее перемешивание смеси воды и мочевины с отработавшим газом и дальнейшее выпаривание смеси воды с мочевиной с поверхностей испарения.

После выхода из трубчатого участка 11 отработавший газ при необходимости поступает в следующую испарительную трубу. Здесь могут выпариваться, возможно, еще присутствующие жидкие составляющие смеси воды с мочевиной, так что после этого в катализатор селективного каталитического восстановления (SCR) поступает лишь газообразный восстановитель. Затем в нем происходит восстановление оксидов азота в азот в воде.

Таким образом, устройство 13 распределения текучих сред разделяется на несколько функциональных блоков, установленных по направлению потока А отработавшего газа в несколько ступеней. Какие ступени должны быть предусмотрены в конкретном примере выполнения, в какой последовательности должны быть установлены ступени и какое расстояние между ступенями должно быть предусмотрено, устанавливается в соответствии с пространственными и термодинамическими условиями и может определяться таким образом, чтобы во внутренней трубе 12 происходило именно полное выпаривание впрыснутой жидкости. Естественно, что при этом специалист в принципе стремится предусмотреть по возможности меньше функциональных узлов или по возможности меньшие и недорогие компоненты. Таким образом, всегда желательна такая конфигурация, с которой работа без отложений возможна при использовании возможно более дешевых и возможно более простых средств.

Для показанного на фиг. 1 впрыскивания по центру или вблизи оси и для диаметра внутренней трубы порядка 70 мм оказалось, что для достижения полного и без остатка выпаривания первое вихреобразующее устройство 19 или второе вихреобразующее устройство 21 являются достаточными лишь выборочно, поскольку впрыскивающее сопло 17 выполнено для того, чтобы распылять текучую среду по типу внешнего конуса, а диаметр Заутера капель составляет максимум 25 мкм. При использовании впрыскивающего сопла типа внутреннего конуса, напротив, предпочтительно предусмотреть как первое вихреобразующее устройство 19, так и трубчатое выпарное устройство 23. Поскольку используется впрыскивающее сопло типа внешнего конуса, а диаметр Заутера капель составляет минимум 25 мкм, предпочтительно предусмотреть как первое вихреобразующее устройство 19, так и второе вихреобразующее устройство 21. Если, напротив, используется впрыскивающее устройство типа внутреннего конуса, а диаметр Заутера составляет минимум 25 мкм, предпочтительно предусматривать как первое 19, так и второе вихреобразующее устройство 21, а дополнительно предусмотреть трубчатое выпарное устройство 23. Все вышеописанные взаимные расположения весьма хорошо подходят для достижения выпаривания смеси без остатка. Однако если бы это потребовалось, то могут быть предусмотрены также и дополнительные вихреобразующие и/или выпарные устройства.

На фиг. 2 изображено устройство 13, аналогичное показанному на фиг. 1, но встроенное в отогнутый участок 11' трубы выпускного газопровода. Впрыскивающее сопло 17 установлено в области изгиба (излома) на стенке трубчатого участка 11'. Как в варианте выполнения согласно фиг. 1, последовательно, если смотреть в направлении А отработавшего газа, предусмотрены первое вихреобразующее устройство 19, второе вихреобразующее устройство 21, а также трубчатое выпарное устройство 23. Оказалось, что для достижения полного испарения необходимо лишь второе вихреобразующее устройство 21, поскольку используется впрыскивающее сопло с распылением по типу внешнего конуса, а диаметр Заутера капель составляет минимум 50 мкм. Поскольку, напротив, используется впрыскивающее сопло с распылением по типу внутреннего конуса, а диаметр Заутера капель составляет минимум 50 мкм, предпочтительно предусматривать как второе вихреобразующее устройство 21, так и трубчатое выпарное устройство 23. Оба описанных взаимных расположения весьма хорошо подходят для достижения полного испарения жидкости без остатка. При увеличении диаметра внутренней трубы, например, при диаметре внутренней трубы порядка 140 мм может быть целесообразно увеличивать и размеры капель, например, до 100 мкм. В остальном принцип действия устройства такой же, как и в варианте согласно фиг. 1.

На фиг. 3 изображено устройство 13'' согласно другому варианту выполнения изобретения, встроенное по существу в прямолинейно проходящий выпускной тракт 11'', аналогичный выпускному тракту 11 на фиг. 1. Впрыскивающее устройство 15 выполнено здесь в выпучине 30 выпускного тракта 11'', чтобы впрыскивающее сопло 17 впрыскивало текучую среду в поток отработавшего газа вперед под углом. При этом впрыскивающее сопло 17 оканчивается во внутренней трубе 12, в которую встроено также вихреобразующее смесительное устройство 20''. Как видно на фиг. 3, между внутренней трубой 12 и стенкой выпускного тракта 11'' имеется воздушный зазор 33, так что часть потока отработавшего газа обтекает внутреннюю трубу 12 с внешней стороны, что на фиг. 3 показано стрелками. Ниже по потоку во внутренней трубе 12 часть потока отработавшего газа, протекающая по внутренней трубе 12, и часть потока отработавшего газа, обтекающая внутреннюю трубу 12, снова соединяются. Внутренняя труба 12 на своем конце ниже по потоку имеет сужение 35, которое на основании эффекта Вентури вызывает увеличение скорости потока. В результате обтекания внутренняя труба 12 нагревается и тем самым способствует испарению текучей среды с поверхностей внутренней трубы 12, а также смесительного устройства 20''. Непосредственно ниже по потоку от сужения 35 выпускной тракт 11'' имеет узкое место 37, с помощью которого можно добиться ускорения перемешивания отработавших газов основного и дополнительного потоков.

Выпускной тракт 11'' содержит участок 31 развязки, имеющий в целях противодействия передаче колебаний и деформаций меньшую жесткость по сравнению с предыдущим и последующим участками выпускного тракта 11''. Участок 31 развязки выполнен в виде обмотанной оболочки с застежкой, которая окружена гофрированной трубой из тонколистового металла. Внутренняя труба 12 проходит по всей длине участка 31 развязки и заканчивается лишь непосредственно ниже по потоку от участка 31 развязки. Закрепление внутренней трубы 12 на выпускном тракте 11'' осуществляется исключительно в области неподвижных компонентов трубчатого участка 11'', а не в области гибкого участка 31 развязки. Другими словами, внутренняя труба 12 свободно входит в участок 31 развязки, так что подвижность 31 выпускного тракта 11'', обеспечиваемая за счет участка 31 развязки, сохраняется. Одновременно внутренняя труба 12 экранирует стенку участка 31 развязки от основного потока отработавшего газа и тем самым противодействует отложению текучей среды на неравномерной поверхности участка 31 развязки. Вогнутость 34 внутренней трубы 12 обеспечивает целенаправленную ориентацию потока отработавшего газа в том смысле, что направление потока лучше подстраивается под направление впрыскивания.

Понятно, что смесительное устройство 20'' может содержать другие компоненты, как, например, несколько различных вихреобразующих устройств или трубчатое выпарное устройство. Кроме того, расположение с обтекаемой внутренней трубой 12 в принципе может также комбинироваться с вышеописанными мерами по улучшению перемешивания. Однако оно может использоваться и без принятия таких мер.

На фиг. 4-8 изображены другие примерные варианты выполнения изобретения. Согласно фиг. 4 внутренняя труба 12 может составлять часть дозировочного модуля 39, содержащего впрыскивающее устройство 15, а также смесительное устройство 20'', и лишь частично заходить в участок 31 развязки. На фиг. 5 изображен вариант выполнения, в котором дозирующий модуль 39 установлен между двумя участками 31 развязки. Поскольку смесительное устройство 20'' определенным образом установлено на участке 31 развязки, необходимое монтажное пространство по сравнению с системой с последовательно установленными компонентами сокращается. Согласно фиг. 6 смесительное устройство 20'', согласованное с внутренней трубой 12, может быть установлено также выше по потоку от впрыскивающего устройства 15 и тем самым действовать как чистый завихритель. В варианте выполнения согласно фиг. 7 на конце внутренней трубы 12, расположенном ниже по потоку, предусмотрен чашеобразный выступ 41, защищающий в рабочем положении от выступающих из смесительного устройства 20'' капелек текучей среды, испаряя их, прежде всего нижнюю часть участка 31 развязки. Как видно на фиг. 8, смесительное устройство 20'' может быть предусмотрено также в конце дозирующего модуля 39, причем к смесительному устройству 20'' примыкает удлинительная труба 43.

Перечень позиций

11, 11', 11″ трубчатый участок

12 внутренняя труба

13, 13', 13″ устройство для распределения текучей среды

15 впрыскивающее устройство

17 впрыскивающее сопло

19 первое вихреобразующее устройство

20, 20'' смесительное устройство

21 второе вихреобразующее устройство

23 трубчатое выпарное устройство

25 направляющая лопатка для газа

27 труба

29 внешняя поверхность

30 выпучина

31 участок развязки

33 воздушный зазор

34 впадина

35 сужение

37 узкое место

39 дозирующий модуль

41 чашеобразный выступ

43 удлинительная труба

А направление потока отработавшего газа

L центральная продольная ось

Изобретение относится к устройству для распределения текучих сред, в частности смеси воды с мочевиной или жидкого топлива, в газовыпускных системах двигателя внутреннего сгорания. Устройство (13, 13′, 13″) для распределения текучих сред в газовыпускных системах двигателя внутреннего сгорания с впрыскивающим устройством (15), оканчивающимся в выпускном тракте (11, 11′, 11″), и с комбинацией множества отдельных мер для получения равномерного перемешивания текучих сред с отработавшим газом и полного выпаривания текучих сред из отработавшего газа. Отдельные меры включают в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (19) и/или по меньшей мере одно смесительное устройство (20, 20′′), предпочтительно, по меньшей мере один катализатор и впрыскивающее сопло (17) впрыскивающего устройства (15), расположенное на заданном удалении от стенки выпускного тракта (11, 11′, 11″). Причем предусмотрено по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (19), содержащее несколько турбинообразно установленных направляющих лопаток (25) для газа, и причем впрыскивающее сопло (17) установлено по центру относительно поперечного сечения выпускного тракта (11′′). Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективного распределения текучей среды в отработавшем газе, обеспечение полного выпаривания текучих сред без отложений более простым способом. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство (13, 13′, 13″) для распределения текучих сред в газовыпускных системах двигателя внутреннего сгорания с впрыскивающим устройством (15), оканчивающимся в выпускном тракте (11, 11′, 11″), и с комбинацией множества отдельных мер для получения равномерного перемешивания текучих сред с отработавшим газом и полного выпаривания текучих сред из отработавшего газа, причем отдельные меры включают в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (19) и/или по меньшей мере одно смесительное устройство (20, 20′′), предпочтительно, по меньшей мере один катализатор и впрыскивающее сопло (17) впрыскивающего устройства (15), расположенное на заданном удалении от стенки выпускного тракта (11, 11′, 11″), причем предусмотрено по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (19), содержащее несколько турбинообразно установленных направляющих лопаток (25) для газа, и причем впрыскивающее сопло (17) установлено по центру относительно поперечного сечения выпускного тракта (11′′).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что предусмотрено смесительное устройство (20), содержащее по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (21) и трубчатое выпарное устройство (23).

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что предусмотрен гидролизный катализатор, который, в частности, установлен выше по потоку от так называемого катализатора селективного каталитического восстановления (SCR).

4. Устройство по одному из пп. 1-3, отличающееся тем, что предусмотрен потоконаправляющий элемент (12), установленный внутри выпускного тракта (11′′) и по меньшей мере на отдельных участках удаленный от стенки выпускного тракта (11′′), а также по меньшей мере частично выступающий в гибкий участок (31) развязки выпускного тракта (11′′), причем потоконаправляющий элемент заканчивается, в частности, в находящейся выше по потоку области участка (31) развязки.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что выше по течению от гибкого участка (31) развязки выпускного тракта (11′′) установлено впрыскивающее устройство (15).

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что потоконаправляющий элемент (12) выполнен в виде внутренней трубы, по меньшей мере на отдельных участках коаксиальной выпускному тракту (11′′).

7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что потоконаправляющий элемент (12) на своем конце, расположенном ниже по потоку, имеет по окружности прерывистое продолжение (41) участка, в частности, чашеобразной формы.

8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что потоконаправляющий элемент (12), если смотреть в направлении (А) потока отработавшего газа, на отдельных участках сужается.

9. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что потоконаправляющий элемент (12) заделан в выпускной тракт (11′′) таким образом, что он с наружной стороны обтекается отработавшим газом.

10. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что вихреобразующее устройство (19) и/или смесительное устройство (20) встроены в потоконаправляющий элемент (12) и/или что впрыскивающее устройство (15) оканчивается в потоконаправляющем элементе (12).

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что впрыскивающее сопло (17) установлено на отогнутом участке выпускного тракта (11′′).

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что впрыскивающее сопло (17) выполнено для распыления текучих сред по типу внутреннего или внешнего конуса.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для короткоконусного распыления текучих сред предусмотрены два противолежащих впрыскивающих сопла.

14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что впрыскивающее устройство (15) выполнено для распыления текучих сред с заранее определенным средним размером капель.

15. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (19, 21) и впрыскивающее сопло (17) впрыскивающего устройства (15), выполненное для распыления текучих сред по типу внешнего конуса с размером капель по диаметру Заутера самое большее 25 мкм.

16. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (19), предусмотренное выше по потоку от впрыскивающего устройства (15), по меньшей мере одно смесительное устройство (20), предусмотренное ниже по потоку от впрыскивающего устройства (15) и содержащее по меньшей мере одно трубчатое выпарное устройство (23); и впрыскивающее сопло (17) впрыскивающего устройства (15), выполненное для распыления текучих сред по типу внутреннего конуса с размером капель по диаметру Заутера самое большее 25 мкм.

17. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (19), предусмотренное выше по потоку от впрыскивающего устройства (15); по меньшей мере одно смесительное устройство (20), предусмотренное ниже по потоку от впрыскивающего устройства (15) и содержащее по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (21); и впрыскивающее сопло (17) впрыскивающего устройства (15), выполненное для распыления текучих сред по типу внешнего конуса с размером капель по диаметру Заутера по меньшей мере 25 мкм.

18. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (19), предусмотренное выше по потоку от впрыскивающего устройства (15); по меньшей мере одно смесительное устройство (20), предусмотренное ниже по потоку от впрыскивающего устройства (15) и содержащее по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (21) и трубчатое выпарное устройство (23); и впрыскивающее сопло (17) впрыскивающего устройства (15), выполненное для распыления текучих сред по типу внутреннего конуса с размером капель по диаметру Заутера по меньшей мере 25 мкм.

19. Устройство (13, 13′, 13″) для распределения текучих сред в газовыпускных системах двигателя внутреннего сгорания с впрыскивающим устройством (15), оканчивающимся в выпускном тракте (11, 11′, 11″), и с комбинацией множества отдельных мер для получения равномерного перемешивания текучих сред с отработавшим газом и полного выпаривания текучих сред из отработавшего газа, причем отдельные меры включают в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (19) и/или по меньшей мере одно смесительное устройство (20, 20′′), предпочтительно, по меньшей мере один катализатор и впрыскивающее сопло (17) впрыскивающего устройства (15), расположенное на заданном удалении от стенки выпускного тракта (11, 11′, 11″), причем предусмотрено по меньшей мере два вихреобразующих устройства (19, 21), которые включают в себя несколько турбинообразно установленных направляющих лопаток (25) для газа.

20. Устройство (13, 13′, 13″) для распределения текучих сред в газовыпускных системах двигателя внутреннего сгорания с впрыскивающим устройством (15), оканчивающимся в выпускном тракте (11, 11′, 11″), и с комбинацией множества отдельных мер для получения равномерного перемешивания текучих сред с отработавшим газом и полного выпаривания текучих сред из отработавшего газа, причем отдельные меры включают в себя по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (19) и/или по меньшей мере одно смесительное устройство (20, 20′′), предпочтительно, по меньшей мере один катализатор и впрыскивающее сопло (17) впрыскивающего устройства (15), расположенное на заданном удалении от стенки выпускного тракта (11, 11′, 11″), причем предусмотрено по меньшей мере одно трубчатое выпарное устройство (23) с центральной трубой (27) и сформированными в виде цветка наружными поверхностями (29).

21. Устройство по п. 19 или 20, отличающееся тем, что впрыскивающее сопло (17) установлено на стенке выпускного тракта (11′′).

22. Устройство по п. 21, отличающееся тем, что комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно смесительное устройство (20), предусмотренное ниже по потоку от впрыскивающего устройства (15) и содержащее по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (21); и впрыскивающее сопло (17) впрыскивающего устройства (15), выполненное для распыления текучих сред по типу внешнего конуса с размером капель по диаметру Заутера по меньшей мере 50 мкм.

23. Устройство по п. 21, отличающееся тем, что комбинация из множества отдельных мер включает в себя по меньшей мере одно смесительное устройство (20), предусмотренное ниже по потоку от впрыскивающего устройства (15) и содержащее по меньшей мере одно вихреобразующее устройство (21) и трубчатое выпарное устройство (23); и впрыскивающее сопло (17) впрыскивающего устройства (15), выполненное для распыления текучих сред по типу внутреннего конуса с размером капель по диаметру Заутера по меньшей мере 50 мкм.