CN100593074C - 用于机动车废气处理的喷射设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于以断续的周期在受控的脉冲周期内将一液体的雾化物喷射至内燃机废气中的设备，所述液体包含在催化转化器处与废气的成分发生反应的成分，所述设备包括壳体，所述壳体容纳有：第一腔；用于将所述液体供应至第一腔的装置；用于将所述液体从第一腔泵至一压力漩涡雾化器内的泵装置，所述液体在所述压力漩涡雾化器处雾化，所述漩涡雾化器包括出口喷嘴，所述出口喷嘴将所述雾化物引导至排气歧管内，所述废气在催化转化器处转化之前通过该排气歧管引导，所述设备进一步包括一控制装置，该控制装置对所述泵装置进行控制，使得所述雾化物喷射至废气的脉冲周期控制在大约1毫秒至大约1000毫秒的范围内。本发明还公开了一种用于将液体雾化物喷射至内燃机废气中的方法。

Description

用于机动车废气处理的喷射设备
技术领域
本发明涉及一喷射设备，该喷射设备用于向废气，特别是来自内燃机尤其是柴油机的废气，喷射活性成分雾化物以催化地减少废气中的有害成分，特别是减少氨氧化物。
背景技术
对于显著减少如卡车、客车和摩托车等机动车中内燃机，特别是柴油内燃机所排放的氮氧化物的要求日益增加。废气中的氮氧化物含量可通过选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)来降低，其中废气与尿素水溶液(aqueous urea solution)一起被引导到催化转化器中。在该转化器处，催化氮氧化物与尿素溶液反应从而减少有毒化合物。为了获得最高效的转化，需要尿素水溶液在废气中精细地雾化。高效转化所需的尿素溶液量由车辆的工作状况决定。因此，需要将尿素溶液断续地以小剂量喷射至废气中，这需要精确且均一地确定剂量以及重复生成脉冲。
在使用SCR来减少氮氧化物水平的常规废气处理系统中，所需量的尿素水溶液是从一储存罐泵出，并借助于一喷射阀以一定压力施加到废气中。为了高效地转化氮氧化物，在尿素水溶液加入到废气时其必须被精细地雾化。在现有技术领域的喷射阀中，是通过向尿素溶液中导入压缩空气而形成精细的雾化物的方式来使得尿素水溶液雾化。使用压缩空气昂贵而且使得喷射阀需要使用额外元件和特殊结构。
不使用压缩空气的其它设备是通过使用一孔板或金属隔膜来实现雾化的。在这些设备中，尿素溶液以一可形成雾化的高压通过所述孔板或金属隔膜。
此方法有多个缺点。使用孔板或金属隔膜来产生精细雾化，就需要施加一相当高的压力。因而，制造喷射阀的材料必须耐受该压力。所以，不能使用便宜材料，如由塑料或橡胶加工成的元件。而可能需要相当昂贵的材料如钢铁来制造喷射阀或其元件。此外，孔板或隔膜的使用需要喷射阀具有一相当大的内容积以便能达到所需的压力。这可能进一步增加设备的制造成本。还有，用于以SCR方式催化转化废气中氮氧化物的标准尿素溶液可能包含多达65％的水分。由于该高含水量，所以尿素溶液在低温下凝固。所述溶液的凝固会影响效率，甚至会损坏喷射设备的元件。减小喷射阀的容积是避免溶液过早凝固的一种方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于向内燃机特别是柴油内燃机的废气喷射精细的液体雾化物的设备，该设备的结构简单且便宜。
本发明的另一目的是提供一种用于向内燃机特别是柴油内燃机的废气喷射精细的液体雾化物的设备，该设备允许以短的脉冲周期断续地喷射雾化物。
本发明的再一目的是提供一种用于向内燃机特别是柴油内燃机的废气喷射精细的液体雾化物的设备，该设备的工作压力低，即压力高于1巴但低于10巴，优选地低于5巴，从而允许使用便宜的材料(如塑料和橡胶)来制造所述设备。
本发明的另一目的是提供一种用于向内燃机特别是柴油内燃机的废气喷射精细的液体雾化物的方法，其中该液体以小剂量方式断续地喷射。
本发明的又一目的是提供一种用于向内燃机特别是柴油内燃机的废气喷射精细的液体雾化物的方法，其中该设备具有一减小的内容积(即用于从供给装置接收液体且从其中将该液体供给到雾化腔进行雾化的腔的容积减小)以避免溶液的过早凝固。
本发明描述了向内燃机特别是柴油内燃机的废气喷射精细的液体雾化物的设备和方法。
因此，本发明的第一具体实施方式包含一用于向内燃机废气喷射精细的液体雾化物的设备，所述设备包括：一用于供应液体特别是尿素水溶液的装置；一用于将液体导入一压力漩涡雾化器的泵装置，所述液体在所述压力漩涡雾化器处雾化；以及一出口，在将废气引导至催化转化器之前，所述雾化物通过所述出口供给至一排气歧管。该设备进一步包括一控制装置，该控制装置用于对泵装置进行控制，使得所述液体断续且重复地脉冲输送至所述压力漩涡雾化器内，从而可以精确地计量所供给至压力漩涡雾化器内的液体量。该压力漩涡雾化器可以通过以适当的压力和几何结构将所述液体引导通过轴向路径再通过切向路径至所述出口的方式来形成雾化。
本发明的压力漩涡雾化器为一仅含液体的系统(liquid only system)，即形成雾化物无需加入例如压缩空气等第二流体介质。这种仅含液体的(liquid-only)压力漩涡雾化器是已知的但一直仅用于持久性应用或相对长的脉冲周期应用中。合适的仅含液体的压力漩涡雾化器的例子如图2所示。
令人惊奇地发现压力漩涡雾化器可应用于需要短脉冲周期、精确剂量和相对低工作压力的情况。
喷射设备的适当元件——除压力漩涡雾化器和出口喷嘴以外——如泵装置、控制装置、壳体、驱动装置和它们的适当构造在US 2004/0103641A1中公开并也可用于本发明的设备中。US 2004/0103641A1的内容在此引入作为参考。
待喷射的液体可为实现内燃机废气中有毒成分的催化转化所需的任何水溶液、牛顿液体。因此，本发明还设想用于其它催化转化系统的设备，其中所述系统需要向气流中加入雾化物，但不是通过SCR来减少氢氧化物的系统。
根据本发明，优选的液体为尿素水溶液。
废气中的有毒成分可以是任何有毒成分但优选地为氮氧化物，优选地为一氧化氮和二氧化氮的混合物。废气处理优选地包括降低氮氧化物的水平。催化转化器为本领域已知技术的催化还原转化器。本发明还设想其它催化转化系统，在该系统中，断续地加入液体以减少废气中的有害成分的量，优选减少有毒成分的量。
所述雾化的液体向废气的喷射以断续的周期进行。典型的周期为1毫秒至1000毫秒，优选地为10毫秒至100毫秒。
喷射至压力漩涡雾化器的液体量典型地为每毫秒大约0.1毫克至大约10毫克，优选地每毫秒大约0.1毫克至大约2毫克，更优选地每毫秒大约0.5毫克至大约1.5毫克。
喷射至废气的雾化液体量典型地为每毫秒大约0.1毫克至大约10毫克，优选地每毫秒大约0.1毫克至大约2毫克，更优选地每毫秒大约0.5毫克至大约1.5毫克。
工作压力，即液体喷射至压力漩涡雾化器的压力典型地为大于1巴至大约20巴，优选地为约2巴至小于约6巴，优选地小于约5巴。
通过减少将液体喷射至雾化装置即压力漩涡雾化器以实现所述液体的精细雾化所必需的压力值，能够使用例如橡胶、塑料、橡胶管、塑料管之类的材料，从而允许以成本效益高的方式构造所述喷射设备。同样，将泵装置和包括这些泵装置的腔构造成较小尺寸成为可能。因此，所述设备或其一个或多个元件可由较便宜的材料制成，且所述元件或甚至整个设备的尺寸或体积可以减小。优选地，本发明所述装置下列元件中的至少一个由塑料制成：泵装置、泵装置的至少一个元件、压力漩涡雾化器、压力漩涡雾化器的至少一个元件、液体供给装置、液体供给装置中的至少一个元件、管道、密封装置、壳体。
本发明还涉及一种减少机动车内燃机废气中氮氧化物水平的方法，该方法包括以下步骤：
(i)将所述废气引导至一个选择性催化还原转化器，该选择性催化还原转化器在存在至少另一活性成分的情况下将氮氧化物转化为对人的毒性比氮氧化物小的成分，并且其中的其它活性成分以包含所述活性成分的溶液的雾化物的形式加入；
(ii)通过在受控脉冲周期内以受控剂量将包含有所述活性成分的溶液泵入压力漩涡雾化器而形成雾化物；
(iii)在所述废气流接触催化转化器之前将所述雾化物导入废气流内。
对于本发明所述设备的描述也适用于本发明的处理步骤，特别是脉冲周期、工作压力、以及液体的喷射或雾化的量。
附图说明
图1显示本发明喷射设备的具体实施方式的一部分的轴向截面。
图2显示一适当的压力漩涡雾化器的具体实施方式。在顶部处示出所述压力漩涡雾化器的横截面(从其侧面看)，在左下角示出供给部分的俯视图，在右下角示出入口部分的俯视图。
图3显示图2中压力漩涡雾化器的一供给部分(在左侧)和一转接板(在右侧)。
图4显示图1中示出的所述设备中压力漩涡雾化器的一放大断面。
具体实施方式
图1示出一用于向废气流喷射雾化物以处理废气的设备的具体实施方式的一部分。所述雾化物(在该例子中为尿素水溶液的雾化物)经由阀喷雾嘴1喷射至一排气歧管(未示出)。雾化物在压力漩涡雾化器25内产生，所述压力漩涡雾化器25靠在一位于阀座2内的转接板23上。所述歧管(未示出)包括一个催化转化器，用于在存在尿素水溶液雾化物的情况下对氮氧化物进行选择性催化还原。
所述液体(在该例子中为尿素水溶液)经由连接到壳体7的供给装置6供给至第一腔4。附图仅示出一供给装置，但也可考虑采用多个供给装置。可以将已是混合物的液体喷射至第一腔内，但本发明还设想向所述腔导入多种液体以便在所述腔内实现混合。在第一腔有活塞5，用作泵装置。所述活塞在关闭位置压在一转接板23上。所述转接板在图3中示出，并为液体进入压力漩涡雾化器25提供最佳传送。转接板的使用是可选择的，并且可替代地，可以将压力漩涡雾化器构造成能够实现最佳的液体传送。
活塞的位置(即打开位置和关闭位置)由一个或多个可作用于活塞——如经由一弹簧作用于活塞——的控制设备(未示出)来控制。可以使用任何已知的控制设备(如压电元件，磁性元件或电磁元件，可能地与传动元件结合)，只要其可以产生重复且精确的脉冲，即所述活塞朝所述压力漩涡雾化器来回运动(分别导致液体喷射至所述压力漩涡雾化器和使雾化物喷射至废气)的频率与速度。在打开位置，活塞可抵抗一弹簧而被推压(由适当的控制设备引起，例如由一磁性或电磁引力引起)。如果所述抵抗弹簧而推动活塞的力停止(还是由所述控制设备引起的)，所述活塞相应地由弹簧张力朝所述转接板和压力漩涡雾化器驱动，同时迫使已经通过所述供给装置喷射至第一腔的所述液体进入所述压力漩涡雾化器。
图1所示设备进一步包括用于确保该设备不泄漏液体的各种密封元件。
图2示出一压力漩涡雾化器的具体实施方式。所述液体经由供给部分的供给通道导入雾化器。当液体到达入口通道部分时，有切向能量施加于液体上，其中所述入口通道部分的流动路径垂直于供给通道的流动路径。在漩涡腔内，当到达出口部分时，流动路径随后又变得垂直于入口通道路径。切向能量的产生导致在一仅含液体的系统内形成雾化，也就是无需加入压缩空气或存在另一种流体介质。图2所示的压力漩涡雾化器仅代表一特定具体实施方案。任何已知的适用于仅含液体的系统的压力漩涡雾化器都可使用。那些压力漩涡雾化器可以是由单一模件构成的整体结构，或是由多种材料和多个元件构成的组合结构。具有与附图所示的压力漩涡雾化器不同几何构造的压力漩涡雾化器也可采用，例如切向路径可由弯曲扁平通道(curved of flat channels)组成。也可以多于图2中雾化器所示的四个通道。
图3示出从顶部观察的入口通道部分(左)和从顶部观察的转接板(右)。
图4示出一如图2所示的压力漩涡雾化器的具体实施方式，该压力漩涡雾化器位于图1所示设备的阀座内。所述阀座具有用于允许液体经由所述转接板进入所述压力漩涡雾化器的孔。

Claims (26)

1.一种用于以断续、受控的脉冲周期将一液体的雾化物喷射至内燃机废气中的设备，所述液体包含在催化转化器处与该废气的成分发生反应的一种成分，所述设备包括：
壳体；
第一腔；
用于将所述液体供给至第一腔的装置；
压力漩涡雾化器，该压力漩涡雾化器包括：
具有供给通道的供给部分；
入口通道部分；
漩涡腔；和
出口部分；
用于将所述液体从第一腔泵送至所述压力漩涡雾化器的泵装置，所述液体在所述压力漩涡雾化器处雾化，所得雾化物从所述雾化器供给至一排气歧管内，所述废气在所述催化转化器处转化之前通过该排气歧管引导，所述设备进一步包括一控制装置，该控制装置用于对所述泵装置进行控制，使得该液体喷射至所述漩涡雾化器的脉冲周期被控制在从1毫秒至1000毫秒的范围内，
其中所述液体经由所述供给部分的供给通道导入所述漩涡雾化器，当所述液体到达所述入口通道部分时，有切向能量施加于所述液体上，其中所述入口通道部分的流动路径垂直于所述供给通道的流动路径，在所述漩涡腔内，当到达所述出口部分时，流动路径随后又变得垂直于所述入口通道部分的流动路径。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述脉冲周期在10毫秒至100毫秒的范围内。
3.如权利要求1所述的设备，其中，在一个脉冲周期中，每毫秒雾化0.1毫克至5毫克的液体。
4.如权利要求1所述的设备，其中，在一个脉冲周期中，每毫秒雾化0.5毫克至1.5毫克的液体。
5.如权利要求1所述的设备，其中，每毫秒雾化的液体量为0.1毫克至1.5毫克。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述压力漩涡雾化器经由一转接板连接到该第一腔。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述液体以1.2巴至6巴的压力供给至所述压力漩涡雾化器。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述液体以1.2巴至5巴的压力供给至所述压力漩涡雾化器。
9.一种用于以断续的周期在受控的脉冲周期内向内燃机废气中喷射液体的雾化物的设备，所述液体包含在催化转化器处与废气的成分发生反应的一种成分，所述设备包括：
壳体；
第一腔；
用于将所述液体供应至第一腔的装置；
压力漩涡雾化器，该压力漩涡雾化器包括：
具有供给通道的供给部分；
入口通道部分；
漩涡腔；
出口部分；和
出口喷嘴
用于将所述液体从第一腔泵送至所述压力漩涡雾化器的泵装置，所述液体在所述压力漩涡雾化器处雾化，所述漩涡雾化器的出口喷嘴将所得雾化物引导至排气歧管内，所述废气在所述催化转化器处转化之前通过该排气歧管引导，所述设备进一步包括一控制装置，该控制装置对所述泵装置进行控制，使得所述雾化物喷射至废气的脉冲周期位于1毫秒至1000毫秒的范围内，
其中所述液体经由所述供给部分的供给通道导入所述漩涡雾化器，当所述液体到达所述入口通道部分时，有切向能量施加于所述液体上，其中所述入口通道部分的流动路径垂直于所述供给通道的流动路径，在所述漩涡腔内，当到达所述出口部分时，流动路径随后又变得垂直于所述入口通道部分的流动路径。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述脉冲周期在10毫秒至100毫秒的范围内。
11.如权利要求9所述的设备，其中，在一个脉冲周期中，每毫秒雾化0.1毫克至5毫克的液体。
12.如权利要求9所述的设备，其中，在一个脉冲周期中，每毫秒雾化0.5毫克至1.5毫克的液体。
13.如权利要求9所述的设备，其中，所述液体以每毫秒0.1毫克至1.5毫克的量被雾化。
14.如权利要求9所述的设备，其中，所述压力漩涡雾化器经由一转接板连接到所述第一腔。
15.如权利要求9所述的设备，其中，所述液体以1.2巴至6巴的压力供给至所述压力漩涡雾化器。
16.如权利要求9所述的设备，其中，所述液体以1.2巴至5巴的压力供给至所述压力漩涡雾化器。
17.一种在断续的脉冲周期中将一精细的液体雾化物喷射至内燃机废气中的方法，所述方法包括下列步骤：
提供压力漩涡雾化器，该压力漩涡雾化器包括：
具有供给通道的供给部分；
入口通道部分；
漩涡腔；和
出口部分
经由所述压力漩涡雾化器以受控的脉冲周期泵送一种溶液，其中所述脉冲周期在1毫秒至1000毫秒的范围内，
其中所述液体经由所述供给部分的供给通道导入所述漩涡雾化器，当所述液体到达所述入口通道部分时，有切向能量施加于所述液体上，其中所述入口通道部分的流动路径垂直于所述供给通道的流动路径，在所述漩涡腔内，当到达所述出口部分时，流动路径随后又变得垂直于所述入口通道部分的流动路径。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述液体为尿素水溶液。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述液体为一种水溶液，并且在一个脉冲周期中，每毫秒经由所述压力漩涡雾化器泵送0.1毫克至5毫克的所述溶液。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述液体为一种水溶液，并且在一个脉冲周期中，每毫秒经由所述压力漩涡雾化器泵送0.1毫克至1毫克的所述溶液。
21.一种用于降低机动车内燃机废气中氮氧化物水平的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将废气引导到一选择性催化还原转化器，所述选择性催化还原转化器在存在至少一种活性成分的情况下将所述氮氧化物转化为对人的毒性小于氮氧化物的成分，其中所述活性成分以包含所述活性成分的溶液的雾化物的形式加入；
(ii)提供压力漩涡雾化器，该压力漩涡雾化器包括：
具有供给通道的供给部分；
入口通道部分；
漩涡腔；和
出口部分；
(iii)通过在受控的脉冲周期内以受控的量将包含所述活性成分的溶液泵送至所述压力漩涡雾化器内而形成雾化物；
(iv)在所述废气流与所述催化还原转化器接触之前将所述雾化物导至所述废气流中，
其中所述液体经由所述供给部分的供给通道导入所述漩涡雾化器，当所述液体到达所述入口通道部分时，有切向能量施加于所述液体上，其中所述入口通道部分的流动路径垂直于所述供给通道的流动路径，在所述漩涡腔内，当到达所述出口部分时，流动路径随后又变得垂直于所述入口通道部分的流动路径。
22.如权利要求21所述的方法，其中，在所述脉冲周期内每毫秒泵送至所述压力漩涡雾化器内的液体的量为0.1毫克至5毫克。
23.如权利要求21所述的方法，其中，在所述脉冲周期内每毫秒泵送至所述压力漩涡雾化器内的液体的量为0.5毫克至1.5毫克。
24.如权利要求21所述的方法，其中，所述脉冲周期为1毫秒至1000毫秒。
25.如权利要求21所述的方法，其中，所述脉冲周期为10毫秒至100毫秒。
26.如权利要求21所述的方法，其中，所述液体以1.2巴至6巴的工作压力泵送至所述压力漩涡雾化器内。
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