CN102027207A - 用于增加驻留时间的流动反转室 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于增加还原剂在废气清洁系统中的驻留时间的设备。该设备包括具有第一内壁和第一外壁的第一双壁元件，该第一双壁元件与废气流连通。包括具有第二内壁和第二外壁的第二双壁元件。该第二双壁元件是相对于第一双壁元件排列的，以使得第二内壁位于第一内壁和第一外壁之间，第一外壁位于第二内壁和第二外壁之间。这种排列限定出了多个流路，该流路将废气流它本身反转折回，然后再次反转该废气流。

Description

用于增加驻留时间的流动反转室
发明领域
本发明涉及内燃机废气所用的催化还原系统，和更具体的涉及分解室，其具有环状流动反转室，用于提高注入到该废气流中的还原剂的驻留时间。
发明背景
当烃在内燃机例如诸如柴油机或者火花点火发动机中燃烧时，形成了不期望的副产物。一些不期望的副产物会处于氮氧化物(“NOx”)的形式。用还原剂例如尿素或者例如氨来选择性催化还原(“SCR”)NOx在工业应用中是已知的。在SCR系统中，在催化剂之前将还原剂注射到废气流中。水滴从该注射溶液中蒸发，留下尿素，其分解和水解成为氨。氨因此是通过水滴蒸发和尿素分解来生产的。NOx与氨反应，并且在氨存在下催化还原。因此，保证SCR系统正确操作的一个因素是尿素正确的分解来形成足量的氨。
发明内容
本申请的一种实施方案公开了一种具有分解室的废气清洁系统，该室提高了在进入到SCR催化剂之前，注入到废气流中的还原剂的驻留时间，由此保证了该还原剂具有足够的分解时间。其他实施方案包括独特的设备、装置、系统和方法，用于保证还原剂具有足够的分解时间，以使得废气在送到大气之前能够有效的清洁。本申请另外的实施方案、形式、目标、特征、优点、方面和益处从具体实施方式和其中所包括的附图中将变得显而易见。
附图说明
此处的说明是参考附图进行的，其中在几个附图的整个中，同样的附图标记指的是同样的零件，和其中：
图1是一种废气清洁系统的图。
图2是该废气清洁系统的可替换的分解室的透视图。
图3是图2所示的示例性可替换分解室的横截面图。
图4表示了一种可替换的分解室的横截面图，其表示了一种螺旋状废气流动模式，该分解室具有局部横截面表示的主外壳。
图5是具有翅片的分解室的一种示例性内帽盖。
图6是分解室内部元件的透视图。
图7是一种代表性的分解室的示例性双壁元件的透视图。
图8是该分解室的示例性端帽的透视图。
图9a-9c是一部分的代表性的分解室的局部横截面图。
图10是涂覆有催化剂的分解室的壁的视图。
具体实施方式
为了提高对于本发明原理的理解，现在将参考附图所示的实施方案，并且使用具体的术语对其进行描述。不过应当理解本发明的范围不限于此，在所示装置中这样的改变和另外的改进，和其中所示的本发明原理这样的另外的应用将是本领域技术人员通常能够想到的。
参考图1，公开了一种废气清洁系统10，其用于处理内燃机12所散发的或者所产生的废气。在一种形式中，内燃机12是柴油机，但是在其他形式中可以包含汽油机或者火花点火发动机。在内燃机12运行过程中，废气排放或者散发到排气管14a中，在这里它导向或者连通到微粒过滤器16的入口，该过滤器与排气管14a相连。在一个实施例中，微粒过滤器16包含柴油微粒过滤器(“DPF”)，其设计来除去内燃机12的废气中的柴油微粒物质或者烟灰。微粒过滤器16可以是专用过滤器或者是这样的过滤器，其能够通过使用催化剂或者通过活性加工来烧掉所积聚的微粒，例如是燃料燃烧器，其通过内燃机12的选择性控制来将所述过滤器加热到烟灰燃烧的温度。
在一种形式中，过滤器16还包括柴油氧化催化剂，配置来除去一氧化碳、气态烃和液烃(未燃烧的燃料和油)。柴油氧化催化剂是一种流过装置，其典型的组成为含有蜂窝状结构或者基底的小罐。该基底具有活性催化剂层包覆的大的表面积。典型的，该覆层包含小的、良好分散量的贵金属。当废气从该催化剂上通过时，一氧化碳、气态烃和液烃(未燃烧的燃料和油)被氧化，由此减少了有害的排放。
微粒过滤器16的输出端经由排气管14b连接到分解室或者单元18上。同样，离开微粒过滤器16的废气被导向或者连接到分解室18的废气入口。在所示的废气清洁系统10中，在进入到分解室18之前，将还原剂20注射到废气流中。在一种形式中，还原剂20被注入到排气管14b中的废气流中，但是在其他形式中可以注入到分解室18的入口22。分解室18被配置来保证在废气离开分解室18和经由排气管14c流入SCR催化剂单元24之前，还原剂20在该废气流中具有足够的分解时间量。在通过SCR催化剂单元24之后，该清洁的废气经由排气管14d离开系统10。
在图1所示的形式中包括了供料装置或者注射泵26，其具有位于排气管14b内部的喷嘴28。供料装置26与计量装置30相连，该计量装置控制通过供料装置26注入到排气管14b中的还原剂20的量。计量装置30与存储还原剂20的槽或者蓄料池32相连。在一种形式中，还原剂20是尿素，并且槽32存储着作为尿素水溶液的尿素。需要正确运行SCR催化剂24的一种成分是氨，其获自尿素的分解。对于尿素分子在分解室18中分解成氨来说，这里存在着一个临界的驻留或者停留时间。没有正确的驻留时间，尿素将不能完全分解，并且SCR催化剂24将不能有效起作用。分解室18被配置和排列来增加驻留时间量，以使得尿素能够分解来形成氨，而无需增加分解室18的整体长度。
在运行中，基于内燃机12不同的运行参数，控制单元或者电子控制模块34决定了有多少还原剂20应当注入到废气流中。计量装置30通过管道36与槽32相连，并且配置来选择性的从槽32中获得还原剂20。计量装置30然后经由管道38将还原剂20提供给供料装置26。供料装置26(其如前所述包括位于废气流中的喷嘴28)被配置来将还原剂20注入到该废气流中。在一种形式中，喷嘴28雾化了还原剂20，并且包含气雾剂类型的雾化锥体。
参考图2，其表示了一种代表性的分解室18的透视图。在一种形式中，分解室18被设计成在废气清洁系统10中是可替换的。分解室18包括主外壳或者主体50、入口管52和出口管54。在一种示例性的实施例中，主外壳50、入口管52和出口管54通常具有圆形横截面形状，并且包含管状体。端帽56连接到主外壳50的出口端58。端帽56包括孔穴60，并且出口管54的端部62连接到或者保护在端帽56的孔穴60中。
参考图3，表示了图2所示的示例性分解室18的横截面图。主外壳50包含第一双壁元件70，该元件是相对于第二双壁元件72紧密排列的。在一种形式中，第一双壁元件70和第二双壁元件72包含管状元件。第一双壁元件70包括通过在第一双壁元件70的一端80的拐弯78隔开的内壁74和外壁76。第二双壁元件72包括通过在第二双壁元件72的一端88的拐弯86隔开的内壁82和外壁84。如图所示，第一双壁元件70相对于端部80的一端在壁74，76之间限定出了开口90。第二双壁元件72相对于端部88的一端在壁82，84之间限定出了开口92。如下面详述的，当组装时，通过主外壳50限定出不同的流路。
如图3所示，内部元件94连接到第二双壁元件72的内壁82的端部。在这种形式中，内部元件94具有圆锥形平截头体形状，但是在其他形式中内部元件94可以是平的或者子弹形的。内部元件94的底部96连接到双壁元件72的内壁82上。内部元件94的端部或者顶点98连接到内部帽盖100的内端上。内部帽盖100的相对端或者外面端连接到入口管52的端部。在这种形式中，内部帽盖100包括多个孔穴102，其使得废气流过内部帽盖100。内部帽盖100的一端104连接到第一双壁元件70的内壁74。另外，入口管52的端部106连接到或者焊接到内壁74的内表面。
内部元件94的外表面108，第二双壁元件72的内壁82的外表面和第一双壁元件70的内壁74的外表面在主外壳50中限定出了第一流路或者室110。第二双壁元件72所形成的拐弯86使得流过第一流路110的废气转向进入第二流路或者室112中。第二流路112是由第一双壁元件70的内壁74内表面和第二双壁元件72外壁84内表面限定出来的。由第一双壁元件70所形成的拐弯78使得流过第二流路112的废气转向进入第三流路或者室114中。第三流路114是由第二双壁元件72外壁84的外表面和第一双壁元件70的外壁76内表面限定出来的。
同样，在运行中，来自内燃机12的废气通过入口管52进入分解室18中。该废气然后穿过内部帽盖100中的孔穴102，在这里它进入第一流路或者室110。该废气然后通过拐弯86转向，并且导入第二流路或者室112，在这里它朝着入口管52流回。一旦废气到达拐弯78，则它然后再次转向，在这里它进入第三流路或者室114。该废气然后离开第三流路114，并流入出口管54，在这里它离开分解室18，并且导向SCR催化剂24。
给定的还原剂20的分子在分解室18中的驻留时间是通过下面的等式给出的：T＝L/V，这里T是时间，L是室(或者流路110，112，114)的有效长度，和V是分子的速度。为了提高驻留时间，整体室的长度必须提高，废气流的速度必须降低，或者二者兼具。所述室或者流路的长度可以通过两种方法提高。第一种方法是提高流路110，112，114的长度。增加流路110，112，114的长度使得分解室18更长，这会超过分解室18安装到其中的空间限制。如此处所公开的，第二种方法是将废气流折叠或者导向它本身，由此允许更长的室长度，并且具有相同的整体组装长度。
在通过流路110，112，114所限定出的给定的室中，废气流的速度是通过下面的等式给出的：V＝CFM/A，这里CFM是体积流量(立方英尺/分钟(“CFM”))，A是由室110，112，114所限定出的面积。对于内燃机12具体的运行条件来说，给定系统的CFM是恒定的。同样，降低流过流路110，112，114的速度的方式是提高流路110，112，114的面积。
第二流路112(其在将废气流朝着入口管52反转的流路)的面积是用第一双壁元件70的内壁74和第二双壁元件72的外壁84所限定的同心环来表示的。第三流路114(其将废气流朝着出口管54再次反转的流路)的面积是用第二双壁元件72的外壁84和第一双壁元件70的外壁76所限定的同心环来表示的。当废气流向前通过Z形路线(即，第二流路112和第三流路114)时，该流动的圆形特性得以保持，但是该流体的直径增加。第一Z形路线使得废气流以增大的直径朝着入口管52返回。第二Z形路线使得该流体的直径再次增大，并且朝着出口管54返回。该流体每次向着它本身折返时，所述环形尺寸增大，流速降低。全部的这些相组合来增加还原剂20分子在分解室18中的驻留时间量。
每个同心环的面积可以写作：
An＝π(2Rit+(2n-1)t2)
这里An是给定环(或者流路)的面积，R是整个系统的内半径，和t是每个环的厚度(假定相同)。因此，时间表示为T＝(L*A)/CFM。同样，因为期望的是提供足够的驻留时间，但是具有减少的长度来使得分解室18小型化，因此使用上述公式来推出下面的用于反转室长度的公式：
L = L s A s A 1 + A 2 + A 3
这里Ls是直室装置的长度，As是同一装置的面积，A1，A2和A3是反转室各自的面积。这可以进一步归结为：
L = L s R s 2 6 R i t + 9 t 2
这里Ls是直室装置的长度，Rs是同一装置的半径，Ri是最里面的环的内半径。
前述等式证实了在具体长度的室或者流路中的总时间可以通过该室的总直径来控制。因此，4”外径(“OD”)，12”长度的直室可以用6”OD和7.1”长度的反转室来替代。如果该反转室OD是7.5”，则长度将是大约4.1”和如果它是9”OD，则所需的长度将是大约2.7”。从上面可以看出，随着系统的OD变大，该系统的长度变短。也就是说，随着OD增加，废气流接近于径向流动。
使用此处公开的分解室18的两个好处是保温和降低了整体长度。现有技术的分解室使用单个的直管。该管典型的是隔热的，来帮助保温，以有助于尿素分解。此处公开的分解室18使得废气流本身返回流动，由此降低了曝露于大气的面积量和使得该分解室18变成自热式的。结果，可以使用更少量的绝热，或者在一些形式中如果该分解室足够长，则根本不需要绝热。第二个好处是降低了分解室18的整体长度。因为该废气本身折返了两次，因此这里不需要很大的组装长度来实现所需的驻留时间。
分解室18两种可能的构造是直流过式流动和螺旋状流动。流过不同室的面积没有变化。这样如果该流动处于一定的角度，则每个流动区域的速度将必须增加。实际结果是驻留时间将是大致相同的，不管是否使用旋转。但是，使用旋转的一种潜在的好处是在每个Z形路线处的有效半径。使用直流过式流动，该半径是由所述环的厚度决定的。使用旋转流动，该有效半径是增加的，潜在的降低了该Z形路线或者流动反转所产生的回压量。
参考图3，表示了本发明直流式形的轮廓。如所示的，当废气进入到入口管52中时，它进入到第一流路110所限定的内腔中。当该废气穿过第一流路110时，它在拐弯86处转向，并且开始朝着第二流路112中的入口管52返回。在通过第二流路112中的预定长度之后，该废气在拐弯78处转向，并且进入第三流路114。在通过第三流路114中的预定距离之后，该废气离开主外壳50，并且进入出口管54，在这里该废气从分解室18导出到SCR催化剂单元24。
参考图4和5，其表示了一种示例性形式，在其中分解室18使用了螺旋状流动。在该形式中，内帽盖110包括多个翅片120。翅片120在废气流中产生旋转。当废气通过内帽盖110中的多个孔穴或者通道122时，翅片120的内表面124在废气流上诱导产生旋转。同样，如图4所示，该废气在它通过流路110，112，114时遵循着螺旋状流动模式。
参考图6，其示意了一种代表性的内部元件94的透视图。一起参考图5和6，当组装时，内部元件94的端部或者顶点126连接到或者焊接到内帽盖110的中心部分128上。如前所述，入口管52的端部连接到端帽110的内部130上，该内部是通过环绕着端帽110的周边的边缘132限定出来的。内帽盖110的外表面连接或者位于或者焊接到第一双壁元件70的外壁74的外表面上。
参考图7，其示意了第二双壁元件72的透视图。如前所述，第二双壁元件72包括内壁82和外壁84。内壁82和外壁84是通过拐弯86隔开的。如所示的，第二双壁元件72限定出了同心环，该同心环在主外壳50中限定出流路。如前所述，内部元件94的底部96连接到内壁82的端部131。虽然在透视图中没有具体示意，但是第一双壁元件72同样也限定出了同心环，该同心环同样也在主外壳50中限定出流路。如图3和4所示的那样，第一双壁元件70的内壁74位于第二双壁元件72的内壁82和外壁84之间。第二双壁元件72的外壁84位于第一双壁元件70的内壁74和外壁76之间。
参考图8，示意了一种示例性端帽56的透视图。如所示的，端帽56包括外边缘140和内边缘142。外边缘140位于第一双壁元件70的外壁76的端部58周围。内边缘142位于管状出口管54各自端部的周围。内边缘142在端帽56限定出孔穴60，其使得废气从主体50中流出到出口管54。
参考图9a和9b，示意了一部分的分解室18，其证实了直接流过第一，第二，和第三流路110，112，114的废气流。如前所述，分解室18直径的增大会提高必须在分解室18中分解的还原剂20的时间量。同样的，对于废气流来说，因为直径的增加，流过图9b所示的实施例需要花费比图9a所示的实施例更长的时间。这是因为图9b所示的实施例具有比图9b所示的实施例更大的面积。另外，废气流是以轴向模式流动的，或者换句话来说，是沿着分解室18的水平轴前后流动的。从图9a变化到图9b的另外一种结果是可以使用更短的室长度来实现相同的驻留时间。
在图9c中，示意了一种可选择的排列，其同样也会增加还原剂20在分解室18中的驻留时间。在该实施例中，废气流是以相对于分解室18的水平轴放射状的模式来流动的。在该形式中，分解室18包括用第二管状元件162连接的第一管状元件160。分流器元件164位于分解室18中的中心部分，来使得废气在分解室18中放射状流动。
参考图10，在一些形式中，在组装之前，另外方面的任何构造将包括在所述室的壁上增加催化剂170的涂层。在图10所示的实施例中，示意了第一双壁元件70的一部分的内壁74。内壁74已经涂覆有催化剂170。该催化涂层的总表面积(所述室的内部)对于标准的直管系统来说将是大约150平方英寸，对于反转的流动室来说是600平方英寸，增加了400％。内表面积的增加将有助于分解以及NOx还原。
此处所公开的分解室18所提供的其他好处是曝露于大气的外表面积对于现有技术的直管系统来说是大约150平方英寸，对于反转的流动室来说是132平方英寸，下降了大约12％。这种外表面积的降低将减少热损失，这意味着该装置将不需要绝热。
回来参考图1，在该形式中，在第一流路110所限定的初始阶段的底部是包壳174，其带有可取下的塞子176。包括孔穴178，其穿过限定第二和第三流路112，114的壁。如果这里存在着任何没有分解的液体还原剂20，则它会滴落到包壳174中，来以周期性时间间隔来清洁掉。包壳174是通过废气流或者外部装置加热的，来防止还原剂20结晶和有助于另外的分解。
利用此处公开的分解室18明显提高了废气流的流路长度(几乎是三倍)，而不增加整个分解室18的长度。这能够提高许多更紧密的区域中的分解。同样，该设计使得曝露区域要小得多，由此允许更好的保温。如果该分解室18是足够长的，则会不需要绝热。该旋转或者螺旋状流动构造还有助于降低任何的回压。
如前所述，在一种形式中公开了一种系统，其包括位于废气通道中的供料装置，用于将还原剂选择性引入到废气流中；具有废气入口的外壳，该入口与所述废气通道连通，所述外壳具有第一流路、第二流路和第三流路，该第一流路在第一方向上引导所述废气流，该第二流路在第二方向上引导所述废气流，和该第三流路将所述废气流引导回到所述第一方向；和与所述第三流路连通的废气出口。
在另一种形式中，公开了一种设备，其包括具有第一内壁和第一外壁的第一双壁元件，该元件与废气流连通；具有第二内壁和第二外壁的第二双壁元件，所述第二双壁元件是相对于所述第一双壁元件排列的，以使得所述第二内壁位于所述第一内壁和所述第一外壁之间，所述第一外壁位于所述第二内壁和所述第二外壁之间；和这里所述第一内壁和所述第二内壁限定出用于所述废气流的第一室，所述第二内壁和所述第一外壁限定出用于所述废气流的第二室，和所述第一外壁和所述第二外壁限定出用于所述废气流的第三室。
在仍然的另外一种形式中，公开了一种方法，其包含将还原剂注入到废气流中；将所述废气流导入第一流动室中；通过将所述废气流导入第二流动室中，来反转所述废气流的方向；和通过将所述废气流导入到第三流动室中，来再次反转所述废气流的方向。
虽然已经参考目前被认为是最实际和优选的实施方案来描述了本发明，但是应当理解本发明不限于所公开的实施方案，而是相反，其目的是覆盖包括在附加的权利要求的主旨和范围内的不同的改变和等价排列，该范围符合最宽泛的解释，目的是包括法律允许的全部这样的改变和等价结构。此外，应当理解虽然在上述说明书中使用了措词优选的，优选地或者优选来表示所述特征是更令人期望的，但是它不是必需的，并且任何缺少所述特征的实施方案也可以预期处于本发明的范围内，权利要求所定义的范围如下。在阅读权利要求时，当使用措词例如“一个”、“一种”、“至少一种”和“至少一部分”时，它的目的在这里并非是打算将该权利要求限定到仅仅是一个项目，除非在该权利要求中另有相反的明确指示。此外，当使用措词“至少一部分”和/或“一部分”时，所述项目可以包括一部分的和/或整个的该项目，除非另有相反的明确指示。

Claims (29)

1.一种系统，其包含：
位于废气通道中的供料装置，其用于将还原剂选择性引入到废气流中；
具有废气入口的外壳，该入口与所述废气通道连通，所述外壳限定了第一流路、第二流路和第三流路，该第一流路在第一方向上引导所述废气流，该第二流路在第二方向上引导所述废气流，和该第三流路将所述废气流引导回到所述第一方向；和
与所述第三流路连通的废气出口。
2.权利要求1的系统，其中所述第一流路是由第一管状元件的第一内壁和第二管状元件的第二内壁限定出来的，该第二管状元件限定出了所述外壳。
3.权利要求2的系统，其中一部分所述第一内壁具有大致圆锥的形状。
4.权利要求2的系统，其中所述第二流路是由所述第二管状元件的所述内壁和所述第一管状元件的第一外壁限定出来的。
5.权利要求4的系统，其中所述第三流路是由所述第一管状元件的所述第一外壁和所述第二管状元件的第二外壁限定出来的。
6.权利要求1的系统，其中所述第二流路具有小于所述第三流路的整体面积。
7.权利要求1的系统，其中所述第一流路、所述第二流路和所述第三流路中的至少一个涂覆有催化剂。
8.权利要求1的系统，其进一步包含与所述外壳相连的包壳，用于存储多余的还原剂。
9.权利要求1的系统，其进一步包含位于所述废气入口中的扩散器，来诱导所述废气流以螺旋模式流过所述第一、第二和第三流路。
10.权利要求9的系统，其中所述扩散器包括多个翅片。
11.权利要求1的系统，其中所述第一流路在所述外壳中的第一双壁管状元件中的拐弯处过渡到所述第二流路。
12.权利要求11的系统，其中所述第二流路在所述外壳中的第二双壁元件的拐弯处过渡到所述第三流路。
13.一种设备，其包含：
具有第一内壁和第一外壁的第一双壁元件，该元件与废气流连通；
具有第二内壁和第二外壁的第二双壁元件，所述第二双壁元件是相对于所述第一双壁元件排列的，以使得所述第二内壁位于所述第一内壁和所述第一外壁之间，所述第一外壁位于所述第二内壁和所述第二外壁之间；和
其中所述第一内壁和所述第二内壁限定出用于所述废气流的第一室，所述第二内壁和所述第一外壁限定出用于所述废气流的第二室，和所述第一外壁和所述第二外壁限定出用于所述废气流的第三室。
14.权利要求13的设备，其中所述第一双壁元件包括拐弯处，来将所述废气流以反方向从所述第一室导向所述第二室。
15.权利要求13的设备，其中所述第二双壁元件包括拐弯处，来将所述废气流以反方向从所述第二室导向所述第三室。
16.权利要求13的设备，其中所述第一内壁、所述第二内壁、所述第一外壁和所述第二外壁中的至少一个涂覆有催化剂。
17.权利要求13的设备，其中至少一部分所述第一内壁具有大致圆锥形状。
18.权利要求13的设备，其中所述第一和第二双壁元件为管状。
19.权利要求13的设备，其进一步包含与所述第二双壁元件的所述第二外壁相连的包壳。
20.权利要求13的设备，其进一步包含位于所述第一室的废气入口的帽盖。
21.权利要求20的设备，其中所述帽盖包括多个翅片，用于诱导所述废气流以螺旋模式进行流动。
22.一种方法，包含：
将还原剂注入到废气流中；
将所述废气流导入第一流动室中；
通过将所述废气流导入第二流动室中，来反转所述废气流的方向；和
通过将所述废气流导入到第三流动室中，来再次反转所述废气流的方向。
23.权利要求22的方法，其中所述第一流动室是由第一双壁元件的第一内壁和第二双壁元件的第二内壁限定出来的。
24.权利要求23的方法，其中所述第二流动室是由所述第二双壁元件的所述第二内壁和所述第一双壁元件的第一外壁限定出来的。
25.权利要求24的方法，其中所述第三流动室是由所述第一双壁元件的所述第一外壁和所述第二双壁元件的第二外壁限定出来的。
26.权利要求22的方法，其中所述反转是通过所述第一和第二流动室中的拐弯来实现的。
27.权利要求22的方法，其进一步包含步骤：在包壳中捕获多余的还原剂。
28.权利要求22的方法，其中所述第一、第二和第三流动室中的至少一个涂覆有催化剂。
29.权利要求22的方法，其进一步包含诱导所述废气流以螺旋模式流动。
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