УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ ЖИДКОЙ СРЕДЫ В ВЫХЛОПНЫЕ ГАЗЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F01N3/20 

ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

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, содержащемся 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 (SCR - избирательное каталитическое восстановление). Каталитические нейтрализаторы такого типа далее в настоящем описании именуются SCR-катализаторы. 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, присутствующий в выхлопных газах, преобразуется в азот и воду при контакте с накопленным аммиаком в активных ячейках каталитического нейтрализатора.

Если в качестве восстанавливающего агента применяется мочевина, то 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 указанная 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 радиальном направлении снаружи трубчатой металлической стенкой, и

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

Эта трубчатая стенка имеет переменную толщину, если смотреть в продольном направлении смесительной камеры, поэтому тот участок трубы, который принимает удары этого аэрозоля жидкой среды из впрыскивающего элемента, имеет толщину стенки, которая больше толщины тех участков трубчатой стенки, которые примыкают к этому участку трубы.

Из-за увеличенной толщины участка трубчатой стенки, который подвергается ударам аэрозоля из впрыскивающего элемента этот участок стенки получает возможность принимать и хранить большее количество теплоты от проходящих выхлопных гадов по сравнению с другими, более тонкими участками стенки. Таким образом, утолщенный участок стенки приобретает улучшенную способность противодействовать охлаждению, вызванному впрыскиваемой средой, ударяющейся в этот участок стенки. Сохраняемая теплота также способствует усиленному испарению впрыскиваемой среды, ударяющейся в соответствующий участок стенки. Благодаря повышенной толщине этот участок стенки также получает улучшенную теплопроводную способность, что означает, что охлаждающее действие впрыскиваемой среды, ударяющейся в этот участок стенки, распределяется на большую область. Такое распределение охлаждающего действия впрыскиваемой среды приводит к уменьшению охлаждения в области, в которую ударяет аэрозоль от впрыскивающего элемента. Решение по настоящему изобретению не требует применения, каких-либо нагревающих ребер или других переносящих теплоту элементов и, таким образом, является очень простым и создающим преимущества.

Один вариант настоящего изобретения характеризуется тем, что

- содержит устройство, содержащее канал для выхлопных газов, примыкающий к смесительной камере, сквозь которую протекают выхлопные газы и которая проходит снаружи от этой трубчатой стенки, в котором канал для выхлопных газов отграничен от смесительной камеры трубчатой стенки, и

- канал для выхлопных газов ограничен в радиальном направлении снаружи другой трубчатой стенкой, предназначенной для направления выхлопных газов, текущих через канал для выхлопных газов для прохода снаружи от этого участка стенки.

Таким образом, утолщенный участок стенки нагревается с задней стороны выхлопными газами, текущими через этот канал для выпускных газов.

Согласно другому варианту изобретения в участке канала для выхлопных газов, расположенном снаружи от этого участка стенки, установлен дроссель для ускорения выхлопных газов, текущих по этому участку канала для выхлопных газов, чтобы они текли снаружи этого участка стенки с увеличенной скоростью. Коэффициент теплопереноса относительно теплопереноса от текущего газа на поверхность увеличивается с увеличением расхода газа. Поскольку выхлопные газы в выхлопной трубе текут по утолщенному участку стенки с увеличенной скоростью, на этом участке стенки происходит повышенный теплоперенос, что способствует эффективному нагреву соответствующего участка стенки.

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 - схематическое продольное сечение устройства согласно одному варианту настоящего изобретения;

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

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 и 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.

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.

В показанном варианте устройство 1 содержит канал 12 для выхлопных газов, имеющий кольцевое сечение и примыкающий к смесительной камере 2, предназначенный для пропускания выхлопных газов и проходящий вдоль внешней поверхности 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 трубчатой стенкой 6. Канал 12 для выхлопных газов ограничен в радиальном направлении изнутри трубчатой стенкой 6, а в радиальном направлении снаружи другой трубчатой стенкой 13, предназначенной для направления выхлопных газов, текущих по каналу 12, так, чтобы они проходили снаружи от утолщенного участка 6а стенки.

В участке 12а канала для выпускных газов, расположенном снаружи от утолщенного участка 6а, стенки имеется дроссель для ускорения потока выхлопных газов, текущих по этому участку 12а канала, чтобы этот поток с увеличенной скоростью протекал над внешней частью участка 6а стенки. На дросселе 14 канал 12 имеет площадь сечения 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.

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 согласно 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 обработке отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Устройство для введения жидкой среды, например мочевины, в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания 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). Трубчатая стенка (6) имеет переменную толщину, если смотреть в продольном направлении смесительной камеры, так что участок (6а) трубчатой стенки (6), предназначенный для ударов в него этого аэрозоля (11) от впрыскивающего элемента, имеет толщину, большую чем толщина участка трубчатой стенки (6), примыкающего к этому участку (6а) стенки. При использовании изобретения обеспечивается хорошее испарение впрыснутого восстанавливающего агента. 6 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 и ограниченную в радиальном направлении снаружи первой трубчатой металлической стенкой (6),

впрыскивающий элемент (10) для впрыска жидкой среды в форме аэрозоля (11) в смесительную камеру (2), и

канал (12) для выхлопных газов, примыкающий к смесительной камере (2), предназначенный для пропускания выхлопных газов и проходящий снаружи от первой трубчатой стенки (6) так, что канал (12) для выпускных газов отделен от смесительной камеры (2) первой трубчатой стенкой (6), и ограниченный 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 от указанного участка (6а) стенки, отличающееся тем, что

первая трубчатая стенка (6) имеет переменную толщину, если смотреть в продольном направлении смесительной камеры, так что участок (6а) первой трубчатой стенки (6), предназначенный для ударов в него аэрозоля (11) жидкой среды от впрыскивающего элемента, имеет толщину, превышающую толщину участков первой трубчатой стенки (6), примыкающих к этому участку (6а) стенки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в участке (12а) канала для выхлопных газов, который расположен снаружи от участка (6а) стенки, расположен дроссель (14) для ускорения выхлопных газов, текущих по каналу (12) для выхлопных газов на его участке (12а) для выхлопных газов, чтобы этот поток тек с увеличенной скоростью по внешней поверхности участка (6а) стенки.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что канал (12) для выпускных газов расположен после смесительной камеры (2) и соединен со смесительной камерой (2) через реверсирующий поток элемент (15), который расположен для реверсирования направления

потока выхлопных газов, текущих из смесительной камеры (2), так, чтобы эти выхлопные газы текли через канал (12) для выхлопных газов в направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов в смесительной камере (2).

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что канал (12) для выпускных газов расположен после смесительной камеры (2) и соединен со смесительной камерой (2) через реверсирующий поток элемент (15), который расположен для реверсирования направления потока выхлопных газов, текущих из смесительной камеры (2), так, чтобы эти выхлопные газы текли через канал (12) для выхлопных газов в направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов в смесительной камере (2).

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что канал (12) для выхлопных газов и смесительная камера (2) расположены концентрично.

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

7. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что впрыскивающий элемент (10) расположен в центре переднего конца (4) смесительной камеры и расположен для впрыска жидкой среды в направлении к заднему концу (5) смесительной камеры.