將還原劑引入到排氣流中的裝置的製作方法
2023-10-31 04:54:47 1
本發明涉及依照權利要求1的前序部分的一種將還原劑噴射到排氣中的裝置。
背景技術：
為了減少來自柴油發動機的氮氧化物的排放，使用稱為SCR(選擇性催化還原)的技術。這種方法需要將指定劑量的呈尿素溶液形式的還原劑添加到排氣導管中的柴油發動機排氣中。尿素溶液可以以這樣的方式噴射到排氣導管中，使得其在與熱排氣接觸時被蒸發，並且形成氨。接下來將氨和排氣的混合物引導通過發生化學反應的催化劑。這裡，排氣中的氮氧化物的氮含量與氨中的氮反應，形成氮氣。氮氧化物中的氧與氨中的氫反應，形成水。排氣中的氮氧化物因此被還原為催化劑中的氮氣和水蒸汽。利用正確的尿素劑量，可以在很大程度上降低柴油機的氮氧化物排放。
可以藉助於噴射元件來供給尿素溶液，將尿素溶液以霧化形式噴射到排氣導管中。然而，難以避免添加的尿素溶液的一部分以未蒸發狀態與排氣導管的內壁表面接觸並粘附在排氣導管的內壁表面上。經常與環境空氣接觸的排氣導管具有比排氣導管內部的排氣更低的溫度。因此，尿素溶液的膜可以在排氣導管中形成，所述膜被排氣流拖拉。在一定距離之後，尿素溶液中的水沸騰。殘留有通過熱量緩慢蒸發的固體尿素。如果尿素層足夠厚，則尿素及其分解產物將彼此反應。結果是尿素基質上的原始聚合物，即所謂的尿素團塊。這種尿素團塊隨著時間推移可能阻塞排氣導管。
SE 535 198示出了其包括呈截頭圓錐形式的外殼、具有內部空間的排氣導管，尿素溶液在所述內部空間中被噴射到排氣中。因此，不存在蒸發的尿素溶液可能至少最初碰到排氣導管中的內壁表面的風險。外殼包括外周入口開口，排氣從外周入口開口流入內部空間。流入的排氣強制添加的尿素溶液朝向內部空間的中間。這防止未蒸發的尿素溶液撞擊外殼的內壁表面。然而，不可能完全防止尿素溶液的少量積累在外殼的內壁表面上出現。尿素溶液的這種少量積累可以被外殼中的主要排氣流沿朝向外殼的前邊緣表面的方向拖曳，未蒸發的尿素溶液可以以相對充足的量積累在所述前邊緣表面上。這裡，存在可能形成尿素團塊的風險。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種向排氣供給還原劑的裝置，由此顯著減少團塊形成的危險。
所述目的利用開頭所述類型的裝置來實現，其特徵在於權利要求1的特徵部分中所述的特徵。管狀本體從而包括至少一個細長入口開口，其圍繞由管狀本體限定的噴射空間的中心軸線延伸至少一圈。經由這樣的徑向入口開口流入噴射空間的排氣形成流入氣體的基本圓形的屏障。以有效的方式圍繞噴射空間延伸至少一圈的這樣的排氣屏障防止已經粘附在管狀本體的位於入口開口上遊的表面上的未蒸發的還原劑移動到管狀本體上的位於入口開口下遊的表面。還原劑可以是尿素溶液或含有氨鹽的另一種溶液。有利地，管狀本體配備有幾個這樣的入口開口或配備有圍繞中心軸線以一定角距延伸若干圈的一個入口開口。這以有效的方式防止還原劑的較小局部積累被主排氣流移動並且以更大量積累在設置於管狀本體中的下遊的表面上，特別是積累在管狀本體出口處、在另一端處的表面上。因此，基本上消除還原劑在管狀本體上大量積累的風險，以及團塊形成的風險。
根據本發明的一個實施方式，所述入口開口由平行設置的兩個細長材料段限定，所述兩個細長材料段圍繞中心縱向軸線彼此相距一定距離延伸。藉助於這樣的細長材料段，可以以簡單的方式形成入口開口。
根據本發明的一個實施方式，所述細長材料段以螺旋彈簧形式被包括於一個集合式單元中。螺旋彈簧是相對簡單的部件，利用其可以形成具有根據本發明的內部空間的管狀本體。螺旋彈簧由圍繞中心縱向軸線以一定角距延伸的細長元件組成。在這種情況下，獲得具有沿整個管狀本體的長度的螺旋延伸的集合式入口開口。
根據本發明的一個替代實施方式，所述細長材料段是環形的，並且各細長材料段之間的所述細長入口開口藉助於間隔元件形成。間隔元件可以是任何類型，只要它們具有連接彼此相隔一定距離的相鄰的細長材料段的能力即可。然而，間隔元件應當具有相對小的尺寸，以使得未蒸發的還原劑無法經由間隔元件被引導從兩個相鄰的細長材料段之間橫穿。
根據本發明的一個實施方式，所述管狀本體限定噴射空間，所述噴射空間具有從第一端到第二開口端的連續增加的橫截面區域，還原劑在所述第一端處被噴射到噴射空間中。管狀本體有利地包括入口開口，所述入口開口在距管狀本體的第一端各種各樣的距離處導入排氣。因此，排氣量將會在噴射空間內從管狀本體的第一端到其第二端依次增加。為了使噴射空間也能夠接收與第二端連接的排氣，噴射空間適於沿朝向第二端的方向依次增加。管狀本體從而可以成形為類似截頭圓錐。
根據本發明的一個實施方式，噴射空間具有圓形橫截面區域。因此，還原劑的噴射可以發生在距管狀本體的所有相鄰表面的距離相等的中心位置。因此，這消除在大多數情況下，未蒸發的還原劑積累在管狀本體的特定區域中的風險。然而，噴射空間可以具有任何基本上任意的橫截面面積。其可以例如是橢圓形或具有多邊形形狀。
根據本發明的一個實施方式，所述細長材料段具有圓形的橫截面形狀。具有圓形的橫截面形狀的細長材料段具有不含尖銳邊緣的外表面，未蒸發的還原劑可能積累在所述外表面上。應當避免尖銳邊緣，也是因為它們是在排氣溫度低的期間快速冷卻的區域。粘附在具有圓形的橫截面的細長材料段上的任何潛在的未蒸發的還原劑形成分布在較大表面上的薄膜。這樣的薄膜通常相對快速地蒸發。所述細長材料段可以可選地具有橢圓形的橫截面形狀。在這種情況下，不存在未蒸發的還原劑可能積累的尖銳邊緣。
根據附加替代例，所述細長材料段可以具有呈帶圓角的多邊形形式的橫截面形狀。特別地，如果細長材料段具有三角形或正方形的橫截面形狀，則拐角應當是圓形的，使得還原劑不會積累在拐角中。
根據本發明的一個實施方式，管狀本體由不鏽鋼製成。不鏽鋼是一種材料，其耐受管狀本體經受的與排氣接觸的腐蝕性和溫暖的環境。不鏽鋼還具有相對良好的導熱性，這有利於未蒸發的還原劑在其被粘附在管狀本體上時的蒸發。替代地，管狀本體可以由銅或合適的金屬合金製成。
根據本發明的一個實施方式，所述細長入口開口的寬度在0.5-5mm範圍中。利用這樣的入口開口，在大多數情況下，提供了進入噴射空間中的排氣流，其有效地防止未蒸發的還原劑穿過入口開口。應當注意，排氣流通過較窄的入口開口比通過較寬的入口開口獲得更高的速度。因此，不明顯的是，較寬的入口開口以比較窄的入口開口更有效的方式防止未蒸發的還原劑在兩個細長材料段之間通過。
根據本發明的一個實施方式，所述細長入口開口在管狀本體的第一端和第二端之間具有變化的寬度。通過改變寬度，可以在管狀本體的不同區域中提供期望的排氣流入。替代地，所述細長入口開口可具有恆定寬度。
根據本發明的一個實施方式，所述細長材料段的直徑在2-8mm範圍中。細長材料段可以由細長螺紋構成，所述細長螺紋設置有圍繞中心軸線的合適的曲率。利用這樣的直徑，在大多數情況下提供管狀體，其有效地減少團塊的形成。
根據本發明的一個實施方式，所述裝置適於作為一個集合式單元，其可以成整體地安裝在包括排氣導管的容器內。所述裝置可以包括支撐管狀本體和噴射元件的板狀元件。所述裝置可以裝配在容器中的開口內。在裝配狀態下，板狀元件密封容器中的開口。所述裝置有利地裝配在排氣導管的彎曲段中。排氣導管在這裡可以包括大約90°的彎曲。這有助於排氣經由入口開口流入管狀本體的噴射空間中。足以將排氣導管中的一部分排氣引導到噴射空間中。合適地，總排氣流的5-50％、優選10-20％被引入到噴射空間中。
附圖說明
下面參考附圖描述本發明的優選實施方式作為示例，其中：
圖1示出根據本發明的一個實施方式的一種用於將尿素溶液噴射到排氣導管中的裝置，以及
圖2更詳細地示出所述裝置。
圖3a-b示出圖2中的管狀本體的兩個替代形狀，
圖4a-c示出形成管狀本體的細長元件的三個不同的替代橫截面，以及
圖5示出根據一個替代實施方式的管狀本體。
具體實施方式
圖1示出呈柴油發動機1形式的燃式發動機。柴油發動機1可以用作用於示意性顯示的重型貨物車輛2的驅動馬達。來自柴油發動機1的氣缸的排氣經由排氣歧管被引導到排氣導管3。排氣導管配備有根據稱為SCR(選擇性催化還原)方法的催化排氣淨化器。所述方法需要將還原劑(其可以是尿素溶液)供給到柴油發動機的排氣導管3中的排氣。尿素溶液存儲在罐4中並且經由導管5被引導到適於將尿素溶液噴射到來自燃式發動機1的排氣中的裝置13。可以是計算機單元並且配備有適當軟體的控制器件7通過啟動呈泵形式的劑量元件來控制被引導到裝置13的尿素溶液的供給。裝置13被包括在排氣處理系統11中。
裝置13設置在呈消音器形式的容器14中。容器14還包含微粒過濾器15和SCR催化器16。容器14還可以包括其它排氣淨化部件，例如氧化催化器和氨逃逸催化器。添加的尿素溶液被排氣加熱，使得其被蒸發並轉化成氨。當蒸發的尿素溶液到達SCR催化器16時，發生化學反應，在所述化學反應中，排氣中的氮氧化物中的氮與氨中的氮反應，以使得形成氮。氮氧化物中的氧與氨中的氫反應，形成水。因此，排氣中的氮氧化物在SCR催化器16中被還原成氮氣和水蒸汽。
圖2更詳細地示出裝置13。裝置13包括板狀元件17，其可以安裝在容器14的入口開口內。噴射元件18附接在板狀元件17上的中心位置。噴射元件18適於從導管5接收尿素溶液並且將尿素溶液作為霧化噴霧噴射到排氣中。噴射元件18有利地由不鏽鋼製成，這意味著它可以承受與排氣接觸的熱和腐蝕性環境。因此，容器14包括將排氣引導出燃式發動機1的排氣導管3。裝置13裝配在容器14的側部，排氣已經在顆粒材料過濾器15中被淨化掉材料顆粒之後，排氣導管3通過所述側部。裝置13包括成形為類似截頭圓錐體的管狀本體19。裝置13應用在排氣導管3的彎曲段中，排氣流在所述彎曲段中獲得大約90°的方向變化。
管狀本體19在設置有噴射元件18的第一封閉端19a與第二開口端19b之間延伸。管狀本體19具有中心縱向軸線20，所述中心縱向軸線還可以延伸穿過噴射元件18。管狀本體19限定內部噴射空間21，噴射的尿素溶液被接收在所述內部噴射空間中。噴射空間21具有從管狀本體的第一端19a到其第二端19b依次增加的橫截面區域。管狀本體19由若干細長材料段19c限定，每個細長材料段圍繞中心軸線20延伸一圈。在這個實施方式中，每個細長材料段19c以若干度的角距圍繞中心軸線20延伸。在這種情況下，所有細長材料段19c彼此連接，以使得它們以螺旋彈簧形式形成一個集合式部件。細長材料段19c位於距相鄰細長材料段19c一定距離處，使得細長入口開口19d形成在各細長材料段19c之間。當排氣到達彎曲段時，排氣的第一部分3a與管狀本體19接觸，並且經由細長入口開口19d被引導到噴射空間21中。排氣的第二部分3b被進一步引導到排氣導管3中，而不與管狀本體19接觸。到達噴射空間21的排氣經由管狀本體的第二開口端19b被引出到排氣導管3的接合段。管狀本體19的尺寸可設計成使得其接收排氣導管3中的總排氣流的大約10-20％。
圖3a示出管狀本體19的前視圖。因此，管狀本體19由細長材料段19c組成，限定具有從餅狀本體的第一端19a到第二端19b依次增加的橫截面區域的噴射空間21。在這種情況下，噴射空間21具有圓形橫截面區域。細長材料段19c從而圍繞中心縱向軸線22以圓形方式延伸。圖3b示出管狀本體19的替代實施方式。在這種情況下，管狀本體19限定具有帶圓角的大致正方形橫截面區域的噴射空間21。
圖4a示出了通過管狀本體19的三個相鄰的細長材料段19c的橫截面圖。細長材料段19c彼此隔開一定距離設置，其限定所述入口開口19d。這裡，很明顯，每個細長材料段19c具有圓形的橫截面面積。圖4b示出穿過彼此相隔一定距離設置的三個相鄰的細長材料段19c的橫截面圖，其根據一個替代實施方式限定所述入口開口19d。在這種情況下，細長材料段19c具有橢圓形橫截面區域。圖4c示出穿過彼此相隔一定距離設置的三個相鄰的細長材料段19c的橫截面圖，其根據另一個替代實施方式限定所述入口開口19d。在這種情況下，細長材料段19c具有帶圓角的矩形橫截面區域。
圖5示出管狀本體19的替代實施方式。在這種情況下，管狀本體19由環形的細長材料段19c組成。環形的細長材料段藉助於間隔元件19e彼此保持在一定距離處。該距離限定入口開口19d的寬度。間隔元件19e可以以許多不同的方式形成。然而，它們應當相對較窄，以使得它們基本上不影響穿過入口開口19d的排氣流。環形材料段19c具有從第一端19a到第二端19b依次增加的直徑，使得它們限定在排氣的定向流中具有依次增加的橫截面面積的噴射空間21。在這個實施方式中，入口開口19d的尺寸也隨著與第一端19a的距離而增加。
在車輛1的操作期間，控制器件7接收關於例如當前排氣流和排氣導管3中的排氣的溫度的信息。藉助於這個信息，控制器件7計算需要添加的尿素溶液的量，以便使排氣中的氮氧化物水平最優化地減少。控制器件7從而啟動泵8，使得其將所需量的尿素溶液供給到將尿素溶液噴射到噴射空間21中的噴射元件18。排氣導管3中的排氣的第一部分3a從而經由管狀本體19的入口開口19d被徑向地引導到噴射空間21中。這種徑向向內引導的排氣流的目的是部分地將未蒸發的尿素溶液引導到噴射空間內部的更中心位置，以使得其不會粘附在管狀本體的19的內表面上。另一個目的是產生流入排氣的屏障，防止粘附在細長材料段19c上的未蒸發的尿素溶液經由入口開口19d、藉助於管狀本體19中的主排氣流而移動到設置在下遊的細長材料段19c。這有效地防止粘附在不同的細長材料段19d上的較小量的尿素溶液與排氣一起移動並更大量地積累在管狀本體的第二開口端19b處。
細長材料段19c由具有良好圓形橫截面形狀的螺紋狀元件組成。它們可以具有圓形橫截面形狀、橢圓形橫截面形狀或由具有良好圓形邊緣的多邊形限定的橫截面形狀。細長材料段19c具有不含尖銳邊緣的橫截面區域。尖銳邊緣是未蒸發的尿素溶液可能大量積累的區域，同時存在這樣的區域可能在它們與低溫的排氣接觸時快速冷卻的風險。因此，各個細長材料段19c不具有便於未蒸發的尿素溶液積累的形狀。因此防止粘附在任何單獨的細長材料段19c上的任何潛在的未蒸發的尿素溶液被轉移到相鄰的單獨細長材料段19c，粘附在單獨細長材料段19c上的尿素溶液從而可以僅僅局部累積，並且在圓形表面上形成非蒸發的尿素溶液的薄膜。這樣的薄的聚積物相對快速地蒸發。因此基本上消除長時間積累大量尿素溶液的風險，並且因此也消除尿素結塊形成的風險。
本發明不限於在附圖上顯示的實施方式，而是可以在權利要求的範圍內自由地改變。