УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ ЖИДКОЙ СРЕДЫ В ВЫХЛОПНЫЕ ГАЗЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F01N3/20 

ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству для введения жидкой среды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Для выполнения существующих требований к очистке выхлопных газов современные моторные транспортные средства обычно оснащают каталитическим нейтрализатором в выхлопной трубе для каталитической нейтрализации вредных компонентов выхлопных газов в менее вредные для экологии вещества. Один способ, применяемый для достижения эффективной каталитической нейтрализации, основан на впрыске восстанавливающего агента в выхлопные газы перед каталитическим нейтрализатором. Восстановительное вещество, содержащееся или создаваемое в восстанавливающем агенте вводится в каталитический нейтрализатор выхлопными газами, что приводит к накоплению восстанавливающего агента в каталитическом нейтрализаторе. Этот накопленный восстанавливающий агент может вступать в реакцию с веществом, содержащимся в выхлопных газах, для преобразования этого вещества в вещество с меньшим влиянием на окружающую среду. Такой каталитический восстановительный нейтрализатор может, например, относиться к типу SCR (избирательное каталитическое восстановление). Каталитические нейтрализаторы такого типа далее в настоящем описании именуются SCR-катализатор. SCR-катализатор восстанавливает NO_x в выхлопных газах. В SCR-катализаторе восстанавливающий агент в форме мочевины обычно впрыскивается в выхлопные газы перед каталитическим нейтрализатором. Когда в выхлопные газы впрыскивают мочевину, формируется аммиак, и именно этот аммиак является восстанавливающим агентом, работающим в SCR-катализаторе. Аммиак накапливается в каталитическом нейтрализаторе, поглощается активными ячейками в каталитическом нейтрализаторе и NO_x, присутствующими в выхлопных газах, преобразуется в азот и воду при контакте с накопленным аммиаком в активных ячейках каталитического нейтрализатора.

Когда в качестве восстанавливающего агента применяется мочевина, ее впрыскивают в выхлопную трубу в форме жидкого раствора мочевины с помощью впрыскивающего элемента. Такой впрыскивающий элемент содержит форсунку, через которую раствор мочевины впрыскивают в выхлопную трубу под давлением в распыленной форме аэрозоля. Во время длительной работы дизельного двигателя выхлопные газы имеют достаточно высокую температуру, чтобы испарять раствор мочевины для формирования аммиака. Однако трудно избежать контакта части добавляемого раствора мочевины с внутренней поверхностью стенки выхлопной трубы и прилипания к ней в состоянии, которое не позволяет ему испаряться. Когда двигатель внутреннего сгорания длительное время работает в стабильном режиме, например в стационарных рабочих условиях, поток газов не претерпевает существенных изменений и раствор мочевины, впрыскиваемый в выхлопные газы, следовательно, попадает на одну и ту же область выхлопной трубы в течение всего этого периода времени. При ударе относительно холодного раствора мочевины температура этой области выхлопной трубы может локально снизиться до величины ниже 100°С, что в свою очередь может привести к формированию в этой области пленки раствора мочевины, которая затем выталкивается в направлении потока выхлопных газов. Когда эта пленка сдвинется на некоторое расстояние, вода в растворе мочевины вскипает под действием горячих выхлопных газов. Остается твердая мочевина, медленно испаряющаяся теплотой в выхлопной трубе. Если количество твердой мочевины больше, чем удаляется таким испарением, твердая мочевина накапливается внутри выхлопной трубы. Если слой мочевины становится достаточно толстым, мочевина и продукты ее разложения вступают в реакцию друг с другом для формирования простейших полимеров на основе мочевины, так называемых комков мочевины. Такие комки мочевины со временем могут заблокировать выхлопную трубу.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание устройства описанного выше типа, которое дает расширенные возможности обеспечения хорошего испарения впрыснутого восстанавливающего агента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению вышеуказанная задача решается с помощью устройства, имеющего признаки, определенные в п.1 формулы изобретения.

Устройство согласно настоящему изобретению содержит:

- смесительную камеру, предназначенную для пропускания выхлопных газов, при этом смесительная камера ограничена в ограничена в радиальном направлении снаружи трубчатой металлической стенкой, и

- впрыскивающий элемент для впрыска жидкой среды в форме аэрозоля в эту смесительную камеру и

- канал для выхлопных газов, примыкающий к смесительной камере, предназначенный для пропускания выхлопных газов и проходящий вдоль наружной поверхности первой трубчатой стенки, при этом канал для выхлопных газов отделен от смесительной камеры первой трубчатой стенкой и ограничен в радиальном направлении снаружи второй трубчатой стенкой, которая предназначена для направления выхлопных газов, текущих по каналу для выхлопных газов, так, чтобы они обтекали внешнюю сторону участка первой трубчатой стенки, предназначенного для ударов аэрозоля жидкой среды от впрыскивающего элемента.

Участок первой трубчатой стенки, в которую ударяет аэрозоль от впрыскивающего элемента, таким образом, нагревается с задней стороны выхлопными газами, текущими по этому каналу для выхлопных газов.

Согласно настоящему изобретению в участке канала для выхлопных газов выполнен дроссель, расположенный снаружи от этого участка первой трубчатой стенки для создания ускорения выхлопных газов, текущих по каналу для выхлопных газов на этом участке канала для выхлопных газов, чтобы этот поток тек над этим участком стенки с увеличенной скоростью. С ростом скорости потока выхлопных газов увеличивается коэффициент теплообмена между текущим газом и этой поверхностью. Когда выхлопные газы в этом канале протекают над соответствующим участком стенки с увеличенной скоростью, возникает усиленный теплоперенос от выхлопных газов на этот участок стенки, что способствует эффективному нагреванию этого участка стенки. Таким образом, становится возможным эффективно противодействовать охлаждению, вызванному впрыскиваемой средой, ударяющейся в этот участок стенки. Усиленный теплоперенос от выхлопных газов на соответствующий участок стенки также способствует усиленному испарению впрыснутой среды, ударяющейся в этот участок стенки. Решение согласно настоящему изобретению не требует применения каких-либо нагревающих ребер или любых других переносящих теплоту элементов и, таким образом, является чрезвычайно простым и дающим преимущества.

Согласно одному варианту изобретения первая трубчатая стенка имеет переменную толщину, если смотреть в продольном направлении смесительной камеры, поэтому толщина стенки на этом участке больше, чем толщина стенки на участках, примыкающих к этому участку стенки. Благодаря увеличенной толщине стенки участка первой трубчатой стенки, в который ударяет аэрозоль от впрыскивающего элемента, этот участок стенки становится способным принять больше количество теплоты от проходящих выхлопных газов, чем другие, более тонике участки стенки. Поэтому утолщенный участок стенки получает улучшенную способность противодействовать охлаждению, вызываемому впрыскиваемой средой, ударяющейся в этот участок стенки. Запасенная теплота также способствует усиленному испарению впрыснутой среды, ударяющейся в соответствующий участок стенки. Благодаря увеличенной толщине стенки соответствующий участок стенки также приобретает улучшенную теплопроводность, что означает, что охлаждение, создаваемое впрыскиваемой средой, ударяющейся в этот участок стенки, распространится на большую площадь. Такое распространение охлаждающего действия впрыскиваемой среды приводит к уменьшению охлаждения в области, в которую ударяется аэрозоль от впрыскивающего элемента.

Другие полезные признаки устройства по настоящему изобретению приведены в зависимых пунктах формулы изобретения и описаны ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее следует описание примера настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых

Фиг.1 представляет схематическое продольное сечение устройства согласно одному варианту настоящего изобретения; и

Фиг.2 - сечение по линии II-II с Фиг.1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1-2 показано устройство 1 согласно одному варианту настоящего изобретения для введения жидкой среды в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания. Устройство может быть расположено, например, внутри выхлопной трубы перед SCR-катализатором для подачи жидкого восстанавливающего агента в форме мочевины или аммиака в выхлопную трубу перед SCR-катализатором или внутри устройства дополнительной очистки выхлопных газов для подачи жидкого восстанавливающего агента в форме мочевины или аммиака перед устройством дополнительной очистки выхлопных газов в SCR-катализаторе.

Устройство 1 содержит смесительную камеру 2, предназначенную для приема выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания и направления этих выхлопных газов дальше в направлении устройства дополнительной очистки выхлопных газов, например, в форме SCR-катализатора. Смесительная камера 2, таким образом, предназначена для протекания по ней выхлопных газов. Смесительная камера 2 имеет передний конец 4 и задний конец 5. Смесительная камера ограничена в радиальном направлении снаружи трубчатой металлической стенкой 6, проходящей между передним концом 4 смесительной камеры и ее задним концом 5. Смесительная камера 2 имеет впуск 7 для приема выпускных газов на ее переднем конце 4 и выпуск 8 для вывода выхлопных газов на ее заднем конце. Впуск 7 является кольцевым и расположен вокруг центральной оси 9 смесительной камеры. Смесительная камера 2 предпочтительно имеет круглое сечение, как показано на Фиг.2.

Впрыскивающий элемент 10 для впрыска жидкой среды расположен в центре переднего конца 4 смесительной камеры для впрыска жидкой среды в направлении к заднему концу 5 смесительной камеры. Впрыскивающий элемент 10, который может, например, содержать впрыскивающую форсунку, расположен для впрыска жидкой среды в смесительную камеру 2 под давлением в распыленной форме в виде аэрозоля 11.

Устройство 1 содержит канал 12 для выхлопных газов круглого сечения, примыкающий к смесительной камере 2, предназначенный для пропускания выхлопных газов и проходящий вдоль внешней поверхности первой трубчатой стенки 6. Канал 12 для выхлопных газов охватывает смесительную камеру 2 и расположен соосно с ней, как показано на Фиг.2. Канал 12 для выхлопных газов и смесительная камера 2 отделены друг от друга первой трубчатой стенкой 6. Канал 12 для выхлопных газов ограничен в радиальном направлении внутрь трубчатой стенкой 6, а в радиальном направлении наружу другой трубчатой стенкой 13, предназначенной для направления выхлопных газов, текущих по каналу 12, так, чтобы они попадали на внешнюю сторону утолщенного участка 6а первой трубчатой стенки, предназначенного для приема ударов аэрозоля 11 жидкой среды от впрыскивающего элемента 10.

На участке 12а канала для выхлопных газов выполнен дроссель 14, расположенный снаружи от этого участка 6а стенки для ускорения выхлопных газов, текущих по каналу 12, чтобы они текли с увеличенной скоростью по внешней стороне этого участка 6а стенки. На дросселе 14 площадь сечения канала 12 для выхлопных газов меньше, чем площадь сечения участка канала для выхлопных газов, расположенного перед дросселем.

В показанном примере канал 12 для выхлопных газов расположен после смесительной камеры 2 и соединен со смесительной камерой 2 элементом 15, реверсирующим поток, расположенным для реверсирования направления потока выхлопных газов, текущих из смесительной камеры 2, так, чтобы они текли по каналу 12 для выхлопных газов в направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов в смесительной камере 2. В показанном варианте элемент 15, реверсирующий направление потока, расположен напротив выпуска 8 смесительной камеры и содержит среднюю часть 15а и кольцевую краевую часть 15b, окружающую среднюю часть 15а. Эта средняя часть 15а, обращенная к смесительной камере 2, предпочтительно имеет выпуклую форму, как показано на Фиг.1. Сторона краевой части 15b, обращенная к смесительной камере 2, образует направляющую поверхность 16, которая закруглена, чтобы во время реверсирования направления потока выхлопных газов направлять выхлопные газы, текущие к реверсирующему элементу 15, к кольцевому впуску 17 канала для выхлопных газов.

В показанном варианте трубчатая стенка 6 имеет переменную толщину, если смотреть в продольном направлении смесительной камеры так, чтобы участок 6а этой трубчатой стенки, в который ударяется этот аэрозоль 11 жидкой среды из впрыскивающего элемента 10, имел толщину большую, чем толщина стенок участков 6b трубчатой стенки, примыкающих к участку 6а. В своей самой толстой части утолщенный участок 6а по меньшей мере на 30% и предпочтительно в 1,5-3 раза толще, чем самый тонкий участок 6b стенки. Самый тонкий участок 6b стенки может иметь толщину, например, около 0,5-2 мм. Альтернативно, первая трубчатая стенка 6 может иметь постоянную толщину.

Аэрозоль 11 жидкой среды, впрыскиваемый в смесительную камеру 2 через впрыскивающий элемент 10, вступает в контакт с выхлопными газами, поступающими в смесительную камеру через впуск 7, по существу симметричным потоком вокруг аэрозоля 11. Выхлопные газы, текущие в смесительную камеру 2, уносят жидкую среду из смесительной камеры. Двигаясь из смесительной камеры 2, жидкая среда распределяется по выхлопным газам и испаряется под действием теплоты этих выхлопных газов. Не испарившаяся жидкая среда ударяется в утолщенный участок 6а трубчатой стенки 6. Жидкая среда, ударившаяся в утолщенный участок 6а стенки, испарится благодаря горячей поверхности стенки и горячим выхлопным газам. Из смесительной камеры 2 выхлопные газы поступают дальше в канал 12 для выхлопных газов. Во время прохождения через дроссель 14 в канале 12 выхлопные газы ускоряются и текут с увеличенной скоростью по внешней поверхности утолщенного участка 6а, отдавая ему теплоту.

Устройство по настоящему изобретению предназначено для применения в тяжелых транспортных средствах, таких как автобусы, тягачи или грузовые автомобили.

Настоящее изобретение не ограничивается вариантами, описанными выше. Специалистам очевидны многочисленные возможные изменения, не выходящие за пределы объема изобретения, который определяется приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к очистке отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Устройство (1) для введения жидкой среды, например мочевины, в выхлопные газы, содержит смесительную камеру (2), предназначенную для протекания по ней выхлопных газов, при этом смесительная камера (2) ограничена в радиальном направлении снаружи трубчатой металлической стенкой (6), и впрыскивающий элемент (10) для впрыска жидкой среды в форме аэрозоля (11) в смесительную камеру (2), и канал (12) для выхлопных газов проходящий вдоль наружной стороны первой трубчатой стенки. Этот канал (12) для выхлопных газов ограничен в радиальном направлении снаружи второй трубчатой стенкой (13), которая направляет выхлопные газы, текущие по этому каналу, так, чтобы они проходили снаружи от участка (6а) первой трубчатой стенки, предназначенного для ударов этого аэрозоля. Выхлопные газы текут по каналу (12) в направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов в смесительной камере (2). На участке (12а) канала для выхлопных газов, который расположен снаружи от участка (6а) стенки, имеется дроссель для ускорения выхлопных газов так, чтобы они обтекали этот участок (6а) снаружи с увеличенной скоростью. Использование изобретения позволит обеспечить хорошее испарение впрыскиваемого восстанавливающего агента. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство (1) для введения жидкой среды, например мочевины, в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, содержащее:
- смесительную камеру (2), предназначенную для протекания по ней выхлопных газов, при этом смесительная камера (2) ограничена в радиальном направлении снаружи первой трубчатой металлической стенкой (6), и
- впрыскивающий элемент (10) для впрыска жидкой среды в форме аэрозоля (11) в смесительную камеру (2), отличающееся тем, что оно содержит:
канал (12) для выхлопных газов, расположенный после смесительной камеры (2) и примыкающий к смесительной камере (2), предназначенный для пропускания выхлопных газов и проходящий вдоль внешней стороны первой трубчатой стенки (6) так, что этот канал (12) для выхлопных газов отделен от смесительной камеры (2) первой трубчатой стенкой (6) и соединен со смесительной камерой (2) через элемент (15) реверсирования потока, который выполнен с возможностью реверсирования направления потока выхлопных газов, текущих из смесительной камеры (2) так, чтобы они текли по каналу (12) для выхлопных газов в направлении потока, противоположном направлению потока выхлопных газов в смесительной камере (2),
причем канал (12) для выхлопных газов ограничен в радиальном направлении снаружи второй трубчатой стенкой (13), предназначенной для направления выхлопных газов, текущих по каналу (12) для выхлопных газов так, чтобы они проходили снаружи участка (6а) первой трубчатой стенки (6), предназначенного для ударов аэрозолем (11) жидкой среды от впрыскивающего элемента (10),
при этом в участке (12а) канала для выхлопных газов, который находится снаружи участка (6а) стенки, расположен дроссель (14) для ускорения выхлопных газов, текущих по каналу (12) для выхлопных газов на участке (12а) этого канала так, чтобы этот поток проходил снаружи участка (6а) стенки с увеличенной скоростью.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что канал (12) для выхлопных газов и смесительная камера (2) расположены соосно.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что первая трубчатая стенка (6) имеет переменную толщину, если смотреть в продольном направлении смесительной камеры так, что участок (6а) стенки имеет толщину стенки, превышающую толщину стенки участков первой трубчатой стенки (6), примыкающих к участку (6а) стенки.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что впрыскивающий элемент (10) расположен в центре переднего конца (4) смесительной камеры и выполнен с возможностью впрыска жидкой среды в направлении к заднему концу (5) смесительной камеры.

5. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что впрыскивающий элемент (10) расположен в центре переднего конца (4) смесительной камеры и выполнен с возможностью впрыска жидкой среды в направлении к заднему концу (5) смесительной камеры.