Инжектирование восстановителя в выхлопную систему

Изобретение может быть использовано в выхлопных системах двигателей внутреннего сгорания. Выхлопная система двигателя содержит выхлопную трубу (18) с изгибом, направляющим поток выхлопных газов по криволинейной траектории, инжектор (12), экранирующий элемент (4) и направляющую лопатку (6). Выхлопная труба (18) содержит внутреннюю поверхность и соединена по текучей среде с каталитическим конвертером, расположенным по потоку после изгиба трубы. Инжектор (12) установлен на внешней поверхности выхлопной трубы (18) и содержит наконечник (24), расположенный внутри выхлопной трубы на изгибе, для инжектирования жидкого восстановителя в выхлопную трубу (18). Экранирующий элемент (4) установлен в выхлопной трубе (18) на расстоянии от внутренней поверхности выхлопной трубы (18). Экранирующий элемент (4) имеет или трубчатую структуру или структуру в форме усеченного конуса, имеющую открытый ближний торец (14) и открытый дальний торец (16). Ближний торец (14) расположен таким образом, что наконечник (24) инжектора (12) находится внутри экранирующего элемента (4). Дальний торец (16) расположен или на центральной оси (26) выхлопной трубы или рядом с центральной осью (26). Направляющая лопатка (6) установлена на экранирующем элементе (4). Направляющая лопатка (6) расположена и выполнена с возможностью направления части потока выхлопных газов из области по потоку перед изгибом выхлопной трубы (18) по дугообразной траектории в ближний торец (14) экранирующего элемента (4). Раскрыты узел направления потока и способ инжектирования жидкого восстановителя в выхлопную систему двигателя. Технический результат заключается в предотвращении образования жидкой пленки восстановителя на внутренней поверхности выхлопной трубы. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Объектами настоящего изобретения являются система инжектирования жидкого восстановителя в выхлопную систему, способ эксплуатации системы и направляющее устройство для применения в данной системе.

Уровень техники

Известно, что для снижения уровня содержания оксидов азота в выхлопной системе, в частности в выхлопной системе дизельного двигателя, применяют инжектирование восстановителя в поток выхлопного газа по потоку перед модулем избирательной каталитической нейтрализации (ИКН). В процессе избирательной каталитической нейтрализации восстановитель преобразует оксиды азота в газообразный азот и воду. В качестве типичных восстановителей используют аммиак или мочевину, причем использование мочевины, в целом, является предпочтительным с точки зрения безопасности и простоты обработки. Мочевина превращается в аммиак в процессе термического разложения.

Инжектирование жидкого восстановителя (например, водного раствора мочевины) можно производить с помощью инжектирующей системы только для жидкостей или с помощью инжектирующей системы с использованием воздуха. Инжектирование с использованием воздуха обеспечивает образование более мелких и однородных капелек за счет инжектирования по осевой линии.

Проблема при таком инжектировании восстановителя заключается в том, что туман или мелкие капельки с наконечника инжектора могут оседать на стенке выхлопной трубы. Это понижает эффективность процесса, а в случае использования мочевины при низких температурах может приводить к возникновению отложений, которые могут частично или полностью блокировать выхлопную трубу. Высокая концентрация на стенке или вблизи стенки создает значительные трудности для перемешивания и равномерного распределения восстановителя в выхлопном газе при избирательном катализе.

В документе US 2010/0212292 предлагалось производить инжектирование восстановителя через штуцер подачи, снабженный входным отверстием для создания вспомогательного потока газа вдоль внутренней стенки штуцера подачи с целью создания газового барьера для предотвращения отложения мелких частиц тумана и жидкости на внутренней стенке штуцера подачи или выхлопной трубы. В документе WO 2011/106487 раскрывается система инжектирования жидкого восстановителя в выхлопной газ через внутренний конус, расположенный внутри выхлопной трубы и, в целом, параллельно ей. Инжектор восстановителя соединен по текучей среде с конусом. В конусе выполнены отверстия для обеспечения входного потока выхлопного газа с целью создания усилия для затягивания частиц инжектированного жидкого восстановителя. Данное затягивающее усилие увеличивает время прохождения капелек от инжектора до каталитического конвертера ИКН, позволяя мочевине или какому-либо другому восстановителю больше нагреваться, и, следовательно, лучше испаряться, и/или обеспечивая его лучшее термическое разложение.

Инжектирование жидкого восстанавливающего водного раствора мочевины в месте изгиба выхлопной трубы обеспечивает ряд преимуществ по характеристикам и практическому применению, обеспечивая максимальную длину участка перемешивания внизу по течению, большую компактность устройства и уменьшение проблем, связанных с температурой инжектора. Однако размещение инжектора на изгибе выхлопной трубы приводит к тому, что большая часть инжектированной струи следует за основным газовым потоком, в частности, если частицы жидкости являются мелкими (как это бывает в инжектирующих системах с использованием воздуха). Даже при высокой начальной скорости инжектированной капельки, ее инерция слишком мала по сравнению с затягивающей силой основного потока выхлопных газов. Это приводит к тому, что большинство капелек жидкого восстановителя ударяется в стенку выхлопной трубы, и при этом происходит потеря всех обеспечиваемых малым размером капелек преимуществ по перемешиванию и разложению аммиака (по испарению и турбулентному рассеиванию).

Раскрытие изобретения

Аспекты настоящего изобретения определены в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные отличительные признаки указаны в зависимых пунктах формулы.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится описание настоящего изобретения, только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1-3 показаны перспективные изображения узла для применения в выхлопной системе в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения;

на фиг. 4 - пример исполнения выхлопной системы согласно настоящему изобретению;

на фиг. 5 и 6 - подробное изображение части системы, показанной на фиг. 4;

на фиг. 7 - вид в разрезе по вертикальной плоскости части системы, показанной на фиг. 4; и

на фиг. 8 и 9 - моделирование потока газа в системе, выполненной согласно настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг. 4, выхлопная система двигателя содержит выхлопную трубу 18 с изгибом 30, выводящим поток выхлопных газов по криволинейной траектории. Выхлопная труба 18 имеет внутреннюю поверхность и соединена по текучей среде с каталитическим конвертером ИКН 22, расположенным по потоку после изгиба 30. Направляющий узел 2 (более подробно показан на фиг. 1-3 и 7) используется для инжектирования капелек жидкого восстановителя, такого как водный раствор мочевины, в поток выхлопных газов, где эти капельки дополнительно перемешиваются, в данном конкретном примере, с помощью 8-лопастного смесителя 20 (лучше виден на фиг. 5 и 6).

Инжектор 12 установлен на внешней поверхности выхлопной трубы и содержит наконечник 28 инжектора (см. фиг. 7), расположенный внутри выхлопной трубы 18 на изгибе 30 и служащий для инжектирования жидкого восстановителя в выхлопную трубу 18. В выхлопной трубе 18 на расстоянии от внутренней поверхности выхлопной трубы установлен экранирующий элемент 4. Экранирующий элемент 4 имеет, в целом, трубчатую форму (или, как в данном примере, выполнен в форме усеченного конуса), и содержит открытый ближний торец 14 и открытый дальний торец 16. Ближний торец 14 расположен таким образом, что наконечник 28 инжектора находится внутри экранирующего элемента 4. Дальний торец 16 расположен на центральной оси 26 выхлопной трубы 18 или рядом с ней. На экранирующем элементе 4 установлена направляющая лопатка 6, которая направляет часть потока выхлопных газов 24 (см. фиг. 8) из области перед изгибом выхлопной трубы по практически дугообразной траектории в ближний торец 14 экранирующего элемента 4.

Рассматриваемый в данном примере инжектор 12 представляет собой систему с использованием воздуха, однако настоящее изобретение может быть использовано и для безвоздушных систем, и также может обеспечивать преимущество, заключающееся в уменьшении вероятности образования отложений на наконечнике 28 инжектора.

Предпочтительно, чтобы экранирующий элемент 4 имел форму усеченного конуса, при которой диаметр ближнего торца 14 меньше диаметра дальнего торца 16, чтобы расходящаяся внутренняя поверхность стенки экранирующего элемента соответствовала форме конуса распыляемых частиц жидкости из наконечника 28 инжектора, и капельки жидкости не контактировали со стенкой.

Рассматриваемая система создает более однородное течение вокруг инжектора 12 за счет отделения части потока выхлопных газов, направляя ее в обход инжектора в виде однородного потока. Данному процессу также способствует то, что часть газового потока проходит за экранирующим элементом 4, поступая в пространство 32 (см. фиг. 8) и далее между экранирующим элементом 4 и прилегающей внутренней поверхностью выхлопной трубы на расположенной внизу по течению части экранирующего элемента.

За счет того, что отклоненный поток газа перемещается по плавной траектории из области вверху по течению, входя сзади в ближний торец 14 экранирующего элемента 4, большая часть кинетической энергии отклоненного потока газа расходуется на образование демпфирующего или экранирующего слоя между центральной частью потока капельного тумана жидкого восстановителя из наконечника 28 инжектора и внутренней поверхностью экранирующего элемента 4. Экранированный капельный туман поступает от дальнего торца 16 экранирующего элемента 4 к центральной оси 26 выхлопной трубы 18. Капельки жидкого восстановителя перемещаются практически по продольной оси 26, что уменьшает вероятность их соударения с внутренней поверхностью выхлопной трубы и образования жидкой пленки. Кроме того, это обеспечивает хорошее распределение капелек жидкого восстановителя по объему газа, уменьшая степень необходимого дальнейшего перемешивания, которое требуется для обеспечения равномерного распределения восстановителя по потоку выхлопных газов, что необходимо для обеспечения высокой степени преобразования оксидов азота. Моделирование плавного перехода отклоненного потока газов представлено на фиг. 9; линиями показан поток газа. В целом, отклоненный поток газа проходит по дугообразной траектории за направляющей лопаткой 6, входя в экранирующий элемент 4 с небольшой потерей кинетической энергии.

Направление небольшой части потока через область 32 обеспечивает дополнительный демпфирующий или экранирующий эффект, предотвращающий контактирование частиц жидкого восстановителя с внутренней поверхностью выхлопной трубы 18 по потоку после выхода из дальнего торца 16 экранирующего элемента 4. Уменьшение образования жидкой пленки уменьшает вероятность возникновения на внутренней поверхности выхлопной трубы отложений, уменьшающих степень восстановления оксидов азота.

Таким образом, в месте соединения основного потока выхлопных газов ("внешний поток" на фиг. 8) с потоком выхлопных газов из инжектора ("внутренний поток" на фиг. 8) система обеспечивает равномерное распределение частиц жидкого восстановителя для дальнейшего перемешивания. Основной поток выхлопных газов образует внешний поток вокруг внутреннего потока инжектора, что обеспечивается размерами экранирующего элемента 4 и области 32 под экранирующим элементом.

Отклоняющая лопатка 6 может отклонять 10-30% объема основного потока выхлопных газов, предпочтительно, около 15%.

При моделировании было обнаружено, что сочетание экранирующего элемента 4 и отклоняющей лопатки 6 является достаточным для направления большей части частиц жидкого восстановителя в каталитический конвертер ИКН 22, при условии, что геометрия устройства обеспечивает плавное прохождение газового потока. Однако если геометрия устройства вверху по течению не является идеальной, например, если выхлопная труба содержит один или несколько изгибов вверху по течению, во входящем потоке выхлопных газов могут возникать завихрения, которые будут снижать эффективность системы за счет контакта частиц жидкого восстановителя с внутренней поверхностью выхлопной трубы.

Для уменьшения влияния геометрии системы вверху по течению рядом с экранирующим элементом 4 могут быть установлены один или несколько элементов 8, 10 спрямления потока. В рассматриваемом примере два верхних спрямляющих элемента 8 установлены на направляющей лопатке 6 по потоку перед экранирующим элементом 4, и два нижних спрямляющих элемента 10 установлены на направляющей лопатке 6 по потоку после экранирующего элемента 4. В данном варианте исполнения, каждый спрямляющий элемент представляет собой стенку или пластину, закрепленную на направляющей лопатке 6 и ориентированную практически перпендикулярно локальной плоскости направляющей лопатки. Предпочтительно, основные части плоскостей каждого спрямляющего элемента расположены практически параллельно внутреннему диаметру выхлопной трубы.

Выхлопная система может быть изготовлена с направляющим узлом 2, смонтированным на изгибе выхлопной трубы, и с инжектором, установленным таким образом, чтобы наконечник инжектора находился внутри экранирующего элемента. Однако понятно, что конструкция предлагаемого направляющего узла может быть модифицирована таким образом, чтобы его можно было применять и на других выхлопных системах, с целью получения обеспечиваемых им преимуществ. Соответственно, согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, объектом изобретения является направляющий узел, предназначенный для установки в выхлопной системе.

Аналогично, настоящее изобретение предлагает также систему и способ ее применения для повышения эффективности доставки восстановителя в каталитический конвертер ИКН выхлопной системы двигателя.

Используемые в настоящем описании неопределенные артикли "а" и "an" означают "по меньшей мере", если контекст не требует иного.

1. Выхлопная система двигателя, содержащая:

выхлопную трубу с изгибом, направляющим поток выхлопных газов по криволинейной траектории, причем выхлопная труба содержит внутреннюю поверхность и соединена по текучей среде с каталитическим конвертером, расположенным по потоку после изгиба трубы;

инжектор, установленный на внешней поверхности выхлопной трубы и содержащий наконечник, расположенный внутри выхлопной трубы на изгибе, для инжектирования жидкого восстановителя в выхлопную трубу;

экранирующий элемент, установленный в выхлопной трубе на расстоянии от внутренней поверхности выхлопной трубы, причем экранирующий элемент имеет по существу трубчатую структуру или структуру в форме усеченного конуса, имеющую открытый ближний торец и открытый дальний торец, причем ближний торец расположен таким образом, что наконечник инжектора находится внутри экранирующего элемента, а дальний торец расположен на центральной оси выхлопной трубы или рядом с указанной центральной осью; и

направляющую лопатку, установленную на экранирующем элементе, причем направляющая лопатка расположена и выполнена с возможностью направления части потока выхлопных газов из области по потоку перед изгибом выхлопной трубы по существу по дугообразной траектории в ближний торец экранирующего элемента.

2. Система по п. 1, в которой направляющая лопатка выполнена с возможностью направления части потока выхлопных газов через пространство между ближним торцом конуса и внутренней поверхностью выхлопной трубы, расположенной рядом с инжектором, и через пространство между экранирующим элементом и расположенной рядом внутренней поверхностью выхлопной трубы к расположенной внизу по потоку стороне экранирующего элемента.

3. Система по п. 1, в которой направляющая лопатка расположена и выполнена с возможностью направления 10-30% объема потока выхлопных газов через экранирующий элемент и/или пространство между экранирующим элементом и расположенной рядом внутренней поверхностью выхлопной трубы к расположенной внизу по потоку стороне экранирующего элемента.

4. Система по п. 2, в которой направляющая лопатка расположена и выполнена с возможностью направления 10-30% объема потока выхлопных газов через экранирующий элемент и/или пространство между экранирующим элементом и расположенной рядом внутренней поверхностью выхлопной трубы к расположенной внизу по потоку стороне экранирующего элемента.

5. Система по п. 3, в которой направляющая лопатка расположена и выполнена с возможностью направления около 15% указанного объема.

6. Система по п. 4, в которой направляющая лопатка расположена и выполнена с возможностью направления около 15% указанного объема.

7. Система по п. 1, в которой экранирующий элемент расположен таким образом, что во время работы частицы жидкого восстановителя имеют возможность выхода из дальнего торца экранирующего элемента по существу на центральной оси выхлопной трубы в направлении по существу вдоль указанной центральной оси.

8. Система по п. 2, в которой экранирующий элемент расположен таким образом, что во время работы частицы жидкого восстановителя имеют возможность выхода из дальнего торца экранирующего элемента по существу на центральной оси выхлопной трубы в направлении по существу вдоль указанной центральной оси.

9. Система по п. 3, в которой экранирующий элемент расположен таким образом, что во время работы частицы жидкого восстановителя имеют возможность выхода из дальнего торца экранирующего элемента по существу на центральной оси выхлопной трубы в направлении по существу вдоль указанной центральной оси.

10. Система по п. 4, в которой экранирующий элемент расположен таким образом, что во время работы частицы жидкого восстановителя имеют возможность выхода из дальнего торца экранирующего элемента по существу на центральной оси выхлопной трубы в направлении по существу вдоль указанной центральной оси.

11. Система по п. 5, в которой экранирующий элемент расположен таким образом, что во время работы частицы жидкого восстановителя имеют возможность выхода из дальнего торца экранирующего элемента по существу на центральной оси выхлопной трубы в направлении по существу вдоль указанной центральной оси.

12. Система по п. 6, в которой экранирующий элемент расположен таким образом, что во время работы частицы жидкого восстановителя имеют возможность выхода из дальнего торца экранирующего элемента по существу на центральной оси выхлопной трубы в направлении по существу вдоль указанной центральной оси.

13. Система по любому из пп. 1-12, которая также содержит по меньшей мере один спрямляющий элемент, установленный рядом с экранирующим элементом для уменьшения вихреобразования в потоке выхлопных газов, поступающем из области по потоку перед экранирующим элементом.

14. Система по п. 13, в которой указанный по меньшей мере один спрямляющий элемент представляет собой стенку или пластинку, установленную на направляющей лопатке и расположенную по существу перпендикулярно локальной плоскости направляющей лопатки.

15. Система по п. 13, в которой по меньшей мере один спрямляющий элемент установлен по потоку перед экранирующим элементом, и по меньшей мере один спрямляющий элемент установлен по потоку после экранирующего элемента.

16. Система по п. 14, в которой по меньшей мере один спрямляющий элемент установлен по потоку перед экранирующим элементом, и по меньшей мере один спрямляющий элемент установлен по потоку после экранирующего элемента.

17. Система по п. 13, в которой два спрямляющих элемента установлены по потоку перед экранирующим элементом, и два спрямляющих элемента установлены по потоку после экранирующего элемента.

18. Система по п. 14, в которой два спрямляющих элемента установлены по потоку перед экранирующим элементом, и два спрямляющих элемента установлены по потоку после экранирующего элемента.

19. Система по любому из пп. 1-12, 14-18, в которой экранирующий элемент имеет по существу форму усеченного конуса, диаметр ближнего торца которого меньше диаметра дальнего торца.

20. Система по п. 13, в которой экранирующий элемент имеет по существу форму усеченного конуса, диаметр ближнего торца которого меньше диаметра дальнего торца.

21. Узел направления потока для установки на изгибе выхлопной трубы выхлопной системы двигателя, содержащий инжектор, установленный на внешней поверхности выхлопной трубы, и наконечник инжектора, расположенный внутри выхлопной трубы на изгибе, для инжектирования жидкого восстановителя в выхлопную трубу;

при этом узел направления потока содержит:

экранирующий элемент, имеющий, в целом, трубчатую структуру или структуру в виде усеченного конуса, имеющую открытый ближний торец, в который входит наконечник инжектора, и открытый дальний торец; и

направляющую лопатку, расположенную вокруг ближнего торца экранирующего элемента и служащую для направления части потока выхлопных газов в указанный ближний торец, когда при использовании она установлена в выхлопной трубе на изгибе; и

по меньшей мере один спрямляющий элемент, установленный рядом с экранирующим элементом.

22. Узел по п. 21, в котором указанный по меньшей мере один спрямляющий элемент представляет собой стенку или пластинку, установленную на направляющей лопатке и расположенную по существу перпендикулярно локальной плоскости направляющей лопатки.

23. Узел по п. 21, в котором на направляющей лопатке установлены две пары спрямляющих элементов, по одной паре с каждой стороны экранирующего элемента.

24. Узел по п. 22, в котором на направляющей лопатке установлены две пары спрямляющих элементов, по одной паре с каждой стороны экранирующего элемента.

25. Узел по любому из пп. 21-24, в котором экранирующий элемент имеет по существу форму усеченного конуса.

26. Способ инжектирования жидкого восстановителя в выхлопную систему двигателя, содержащий:

обеспечение выхлопной трубы с изгибом, направляющей поток выхлопных газов по криволинейной траектории, причем выхлопная труба имеет внутреннюю поверхность и соединена по текучей среде с каталитическим конвертером, расположенным по потоку после изгиба;

обеспечение инжектора, установленного на внешней поверхности выхлопной трубы и содержащего наконечник, расположенный внутри выхлопной трубы на изгибе;

обеспечение экранирующего элемента, установленного в выхлопной трубе на расстоянии от внутренней поверхности выхлопной трубы, причем экранирующий элемент имеет по существу трубчатую структуру или структуру в форме усеченного конуса, имеющую открытый ближний торец и открытый дальний торец, причем ближний торец расположен таким образом, что наконечник инжектора находится внутри экранирующего элемента, а дальний торец расположен на центральной оси выхлопной трубы или рядом с указанной центральной осью;

обеспечение направляющей лопатки, установленной рядом с экранирующим элементом, причем направляющая лопатка расположена и выполнена с возможностью направления части потока выхлопных газов из области по потоку перед изгибом по существу по дугообразной траектории в ближний торец экранирующего элемента; и

инжектирование жидкого восстановителя с помощью инжектора в направлении дальнего торца экранирующего элемента.