CN102465739B - 喷射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空气支持的喷射器(10)，特别是用于将还原剂喷射到内燃机的废气流中以还原氧化氮，其具有接收在壳体(14)中的包围体(12)，其中，设置至少一个空气供给管(26，27)和至少一个还原剂供给管(28)。根据本发明，所述包围体(12)具有环绕的环形间隙(16)，所述环形间隙(16)通到下侧的喷嘴口(18)，其中，所述还原剂可利用至少一个节流阀(34，36，44，46)和空气可利用至少一个空气喷嘴(30，32)输送到所述环形间隙(16)。

Description

喷射器
背景技术
在利用内燃机，特别是柴油机的汽车中，因为要求不断严格的法定废气排放标准，必须尽可能地减少废气流中的大气污染物，例如氧化氮(NOx)。一种用于减少柴油机的氧化氮排出物的已知方法是选择性催化剂还原(“选择性催化剂还原”＝SCR方法)。在这里，还原剂借助于泵从储备容器中输送到在排气系统中布置的喷射器中。还原剂利用喷射器精确地计量并且最精细地雾化，喷射到废气流中。喷射到废气流中的还原剂的量在这里根据内燃机的运行状态精确地进行调整。一般地，用作还原剂的是大约32.5％尿素水溶液，例如为了提高脱氮方法的效率，利用喷射器产生的喷雾的品质具有重要的意义。
从现有技术中已知多种可用于SCR方法的喷射器方案。在这里分为不通气的喷射器变型和空气支持的喷射器变型，其中，空气支持的喷射器方案分为内部混合的喷射器方案和外部混合的喷射器方案。在外部混合的空气环抱的喷射器的情况下，首先雾化尿素水溶液，然后从喷射器外部供给空气。在内部混合的喷射器的情况下，尿素水溶液和空气首先混合，然后进行喷射(verdüsen)或雾化。由此得到额外的优点，即在产生小的微滴尺寸的同时，产生具有高冲量的特别均匀的喷雾。两个最后提到的物理参量(微滴尺寸/冲量)直接对还原剂在废气管中和/或计量地点的区域中的最小的不期望的沉积具有实质的影响。
对空气支持喷射器的前述实施例提出挑战的是，尤其是喷雾的准备开始计量，更少量还原剂的精确导向，喷射器的响应特性和在低温时的冰耐压强度。
发明内容
本发明公开了一种喷射器，尤其是将还原剂喷射到内燃机的废气流中以减少氧化氮，其具有接收在壳体内部的包围体，其中设置至少一个空气供给管和至少一个还原剂供给管。根据本发明，所述包围体具有通到喷嘴口的环绕的环状间隙，其中，所述还原剂利用至少一个节流阀和空气利用至少一个空气喷嘴输送到所述环状间隙中。
所述环形间隙引起从空气喷嘴注射入的空气的流动速度显著增加，进而也使空气流运走的还原剂微滴的速度增加。由此得到空气与从节流阀输送的还原剂的密切的充分混合或湍流的结果，进而得到在催化的废气净化方法的喷射器所有运行条件下最佳的喷雾的结果。另外，在本上下文中，最佳喷雾通过细微的小还原剂微滴进行定义，其分别同样大小而且均匀分布在空气流中，同时还具有相同的速度。更进一步地，利用喷射器产生的喷雾应具有这样的几何形状，即在理想情况下，在计量点的区域中和排气系统中没有或只有些微沉淀物。因为还原剂在SCR方法过程中通常使用32.5％的尿素水溶液，所述尿素水溶液可以是在商业上可购买的商标为“AdBlue”的尿素水溶液。
所述大致圆锥形的环形间隙朝向喷嘴口逐渐缩小。所述环形间隙从两个虚拟的圆锥形侧面撑开，不相互平行并且相互隔开地延伸。所述环形间隙的最小宽度和最大宽度之间的优选数字比例或所述环形间隙的圆锥内表面和圆锥外表面之间的间距的优选数字比例位于从1.0到0.05的区域中。由此得到空气流在锥形的环形间隙中的期望的加速度。
另外，构造在包围体下侧的喷嘴口能够被环形凸出部分包围，以便进一步改善喷雾的射出特性。所述环形凸出部分优选具有小的尺寸和近似三角形的截面几何形状。
在一个优选实施例中，所述包围体具有大致圆柱形的几何造型，其中，在所述喷射器的壳体中通入用于接收所述包围体的特别是圆柱形凸出部分的缺口。所述包围体的凸出部分位于其下侧。构造成大致罐形的壳体具有引入到底部中的圆柱形缺口能够使所述包围体固定地且可靠地坐在壳体中。所述凸出部分与所述缺口共同作用引起所述包围体在所述喷射器的壳体对中。
所述包围体的下侧凸出部分能够在释放所述喷嘴口的情况下由壳体区段遮盖。由此，所述包围体受到保护，免受一般是腐蚀性的废气的直接作用。为了使空气-还原剂混合物从喷嘴口畅通无阻地离开，在壳体区段的喷嘴口的区域中优选设置圆柱形孔。所述下侧的壳体区段优选实施为壳体的整体部件，但替代地，也实施为同此可连接的、分开的部件。
根据本发明设计的喷射器能够直接固定在内燃机的废气管或排气系统上。替代地，所述喷射器的连接也可以间接利用直的或弯曲的管道进行，这在受限的装配空间的情况下是特别有利的。在所述喷射器间接连接到管道上的情况下，在所述实施例中，优选所述包围体在下侧由壳体区段遮盖，以便简化将所述管道集成到所述喷射器的壳体中。
所述包围体优选用疏水的热塑性的和/或硬塑性的塑料材料制成，特别是用聚四氟乙烯(PTFE)制成。由于这个设计方案，所述还原剂在所述环形间隙中的向上蠕行因毛细作用力而被阻止。所述热塑性的塑料材料的机械弹性尤其保证所述喷射器必需的冰耐压强度。所述环绕包围体的壳体可选地用金属材料和/或塑料材料制成。作为疏水的热塑性塑料材料的替代，能够使用具有相应物理性能的硬塑性塑料材料。热塑性塑料材料和硬塑性塑料材料的组合同样是可能的。更进一步地，所述包围体的材料能够具有用于提高机械强度和热强度的增强纤维。为了将空气喷射入所述环形间隙中，能够设置至少一个空气喷嘴，其与至少一个空气供给管相连接。所述空气喷嘴特别地沿切向布置在所述环形间隙上。因为这个布置而使空气流扭转，由此得到空气和还原剂更好地湍流或混合。替代地，所述至少一个空气喷嘴也能够沿径向定位在环形间隙上。在一个优选实施例中，四个空气喷嘴分别以约90°偏移布置在环形间隙上。
在另一替代实施例中设置至少一个用于供给空气的空气收集管，其上连接至少一个用于将空气喷射入所述环形间隙的空气喷嘴，其中，所述空气收集管与所述至少一个空气供给管连接。
所述环形空气收集管优选集成在所述包围体中，并且与所述外部空气供给管连接。所述外部空气供给管穿过所述包围体和壳体向外延伸。在所述空气收集管上连接至少一个用于向所述环形间隙供给空气的空气喷嘴。由此得到另外的优点，即为了供给所有空气喷嘴，只有一个空气供给管从外部穿过壳体和包围体直到所述收集管，由此降低生产费用。所述空气喷嘴同样优选沿切向布置在所述环形间隙上。
所述喷射器还具有至少一个还原剂供给管，其与至少一个还原剂收集管连接并且其上连接至少一个用于将还原剂输送到所述环形间隙中的废气节流阀。因为所述节流阀，所述还原剂首先在超过限定的最小压力后输出或喷射到所述环形间隙中，由此进一步改善空气和还原剂在喷雾中混合，特别是开始计量时。所述节流阀优选径向地布置在所述环形间隙上，其中，所述节流阀位于所述至少一个空气喷嘴下面。所述空气喷嘴能够布置成向是节流阀或还原剂喷嘴偏移。替代地，所述节流阀也可能布置在切向上。在优选实施例中，用于还原剂的四个节流阀在径向方向上分别偏移约90°地布置在环形间隙上，并且与所述还原剂收集管连接，所述节流阀在一侧与还原剂管道连接并且从这儿供给还原剂。所述节流阀和/或空气喷嘴的由此偏离数量和/或布置同样是可能的。
附图说明
下面结合附图，详细说明本发明。在附图中，相同的结构元件分别具有相同的附图标记。在附图中：
图1显示穿过根据本发明的喷射器的截面示意图；
图2显示沿图1中的II-II剖切线剖切喷射器的原理截面图；
图3显示用于沿图1中的III-III剖切线将还原剂注射到空气间隙中的节流阀的布置实例；
图4显示根据图1的喷射器的示意图，其中具有在下侧布置的壳体区段；
图5显示根据图4的喷射器的原理图，其中具有附加的管道；以及
图6显示空气喷嘴的替代布置。
具体实施例
图1显示根据本发明的喷射器的截面示意图。
喷射器10尤其包括包围体12，接收在罐形壳体14或支座中。在包围体12中引入圆锥形的环形间隙16，圆锥形的环形间隙16在朝向喷嘴口18，也向下逐渐缩小。环形间隙16的几何造型相当于两个交错布置的圆锥形侧面，其母线不相互平行地延伸。圆锥形侧面之间的内部间距在朝向喷嘴口18的方向上稳定地增加或线性增加。为了更佳地描绘图示而描绘了两个没有附图标记的圆锥形侧面。由空气和还原剂，尤其是32.5％的尿素水溶液形成的精细分布的喷雾从喷嘴口18离开。此处未显示的喷雾具有优选圆锥形的几何形式。环形间隙16的下部(最小)宽度22和上部(最大)宽度20之间的数字比例或者两个圆锥形侧面之间的间距的数字比例位于从1.0到0.05的范围内。在这里，环形间隙16的上部和下部宽度20、22的绝对值必须确定成，使得保证无缺陷的SCR方法的流程在柴油机的所有运行状态下都能够在废气流中得到足够量的空气-还原剂混合物。
喷嘴口18被具有近似三角形截面形状的小的环形凸出部分24包围，以便优化利用喷射器10产生的喷雾的射流质量，所述喷雾是由空气和还原剂组成的。在喷雾的质量下，还原剂和空气之间的特别密切和均匀的混合以及各个微滴的尽可能小的空间体积尺寸是可以理解的，而且各个微滴应当尽可能大小相等。
喷射器10还具有空气供给管26、27和还原剂供给管28，它们不仅穿过壳体14而且穿过包围体12。空气喷嘴30、32分别连接空气供给管26、27。在图1的图示中，两个另外的空气供给管是完全相同的，分别连接到一个空气喷嘴上。空气喷嘴在这个实施例中除绕圆锥形的环形间隙16外分别以约90°偏移进行布置。相应地，还原剂供给管28在这里示例性地也具有用于连接还原剂的四个节流阀，在图1中清晰地显示其中两个节流阀34、36。所述节流阀将还原剂以首次超过限定的最小压力输送到环形间隙16中。用于输送还原剂的四个节流阀也除围绕环形间隙16外分别以90°偏移进行布置。由此，每个空气喷嘴支配各自的供给管，而且得到供给的空气的非常均匀的流动分布，进而得到空气和还原剂组成的最佳喷雾的结果。一个或多个空气喷嘴的可能阻塞同时对其余空气喷嘴的流量数字比例没有影响。
在未显示的下侧上，包围体12具有凸出部分38，凸出部分38具有近似圆盘形的或圆柱形的造型，在壳体14的未显示的下侧部分中能够引入此相应地设计的缺口40。在凸出部分38和缺口40之间优选存在轻微的压缩端口(Pressschluss)。为了机械地保证包围体12在壳体14中的位置，能够设置未显示的紧固件，例如夹子、端子簧或螺栓。凸出部分38能够用另外的方式紧固到缺口40中，例如粘贴、压入或旋拧入，其中，附加的密封件，如O形环能够定位在包围体12和壳体14之间。
包围体12优选用热塑性塑料材料，特别是聚四氟乙烯(PTFE)制成，或者用硬塑性塑料材料制成，该塑料材料具有疏水特性和足够的机械弹性。环绕包围体12的壳体14能够用金属材料和/或塑料材料制成。在图1所示的实施例中，喷射器10能够直接装配到未显示的内燃机(特别是柴油机)的排气系统上或者排气管上。空气喷嘴和/或节流阀偏离图1中所示实施例的数量和/或空间布置是可能的。
图2显示沿图1中的交线II-II的、用于更好的图示说明空气喷嘴的空间位置的截面示意图。包围体12具有构造在其中的环形间隙16，包围体12接收在壳体14中。除具有所属的空气喷嘴30、32的相对布置的空气供给管26、27外，设置两个另外的、相应地实施的空气供给管，分别绘有在端部上布置的空气喷嘴，为了更清楚地描绘概图，它们没有标注附图标记。由此在环形间隙16中得到尽可能稳定的空气输入流。因为空气喷嘴沿切向布置在环形间隙16上，空气流在环形间隙中得到更强的扭转，这导致供给的还原剂和空气之间密切混合。偏离空气喷嘴的切向布置，也能够沿径向在环形间隙16上布置一个或多个空气喷嘴，其中，空气喷嘴和虚拟的环形间隙16的母线之间存在约0°的角度。在这种情况下，径向布置的空气喷嘴和环形间隙16的母线之间的角度为大约90°。此外，至少一个空气喷嘴以相对于环形间隙16在0°和90°之间的角度在包围体12中进行定向。
图3是沿着图1的剖切线III-III的简化截面图，显示还原剂的供给的示例性空间布置。喷射器10的包围体12接收在壳体14中。对中的还原剂供给管28与环形还原剂收集管42连接，还原剂收集管42完全集成到包围体12中。用于供给未显示的还原剂的节流阀34、36和节流阀44、46连接到还原剂收集管42。每个节流阀34、36、44、46优选定位在包围体12中的空气喷嘴下部(关于计量方向)。替代地，每个节流阀34、36、44、46虽然位于所属的空气喷嘴的下方，但是分别布置在两个相邻的空气喷嘴之间，并且与四个空气喷嘴相互偏移大约45°。因为环形的还原剂收集管42而显著降低了喷射器10的制造费用。替代地，这四个节流阀34、36、44、46中的每一个分别具有单独的还原剂供给管。由于节流阀34、36、44、46的作用，还原剂在首次超过规定的最小压力后到达环形间隙16中。与空气喷嘴相反，节流阀34、36、44、46优选沿径向方向布置在环形间隙16上，也就是说，节流阀34、36、44、46与环形间隙16的虚拟母线分别成约90°的角度。在这里，节流阀34、36、44、46分别围绕环形间隙16附近相互偏移约90°地布置。节流阀34、36、44、46的数量和/或关于环形间隙16的空间布置能够偏离依赖于图3中所示的使用要求。假设节流阀的相应的结构设计方案中，节流阀34、36、44、46能够实现除作为节流阀的主要任务外，还起喷射器的功能，也就是说，供给的还原剂的空间分布(雾化)接收在环形间隙16中。
图4显示图1的喷射器的示意图，其中，喷射器具有附加的布置在下侧的包围体的盖板。包围体12具有向下逐渐缩小的环形间隙16，包围体13又接收在壳体14中。与图1中的图示不同，壳体14向下与圆盘形部分48连接。由此得到如下的特殊优点，即包围体12优选用不吸水的热塑性塑料材料制成，在喷射器10直接装配在内燃机的排气管上的情况下，包围体12不直接与通常具有化学腐蚀性的废气接触。另外，因为这个圆盘形的壳体区段48而增加了包围体12在壳体14中的支撑面。为了能够畅通无阻地排出，在喷嘴口18的区域中的壳体区段48内，在其下部开设圆柱形的孔50，利用喷射器10得到的喷雾52从该孔排出。壳体区段48能够实施为单独的部件或与壳体14一体的组成部分。为了能够使壳体区段48尽可能全面地安装到包围体12的凸出部分38上，取消环形凸出部分24。
图5显示具有在下侧布置的壳体区段48的喷射器10的又一实施例，其中，具有环形间隙16的包围体12坐在壳体14中。与根据图4的实施例不同，在这里，在下侧的圆盘形的壳体区段48中的孔50上连接管道54，喷雾52从所述端部部分离开。因此能够使喷射器10与内燃机的排气管隔开布置，由此因为喷射器集成到内燃机的排气系统中能够得到特别是在狭窄空间的安装情况中的优点。偏离图5中直线所示的管道54，管道54例如也能够实施为至少简单地弯曲的。
图6显示穿过喷射器的替代空气供给装置的截面示意图。
具有环形间隙16的包围体12又集成到壳体14中。与根据图1至5的实施例不同，只具有一个空气供给管26，空气供给管26与环形空气收集管60连接，其中，空气收集管60唯一地延伸到包围体12中。在这里，例如四个空气喷嘴62到68连接到收集管60上，空气喷嘴62到68相对于环形间隙16同样是切向地延伸的。空气喷嘴62到68相对于环形间隙的偏离布置也是可能的，例如相对于环形间隙径向地定向。图2和图6的空气供给系统的组合同样是可以想象的。实施为环形的空气收集管60完全包围环形间隙16，以便在供给的空气中获得尽可能稳定的流动分布。这个实施例的优点特别地在这点上看到，只有空气供给管26穿过壳体14和包围体14，而在根据图2的空气进给变型中，四个相互独立的空气供给管与空气喷嘴是必需的，而且穿过壳体14和包围体12直到环形间隙16。进给的空气在喷射器10的内部，仅仅借助于环形的对中的空气收集管60进行分布。
现在描述的用于催化还原氧化氮的喷射器产生对内燃机的所有运行状态都最适合的包括环境空气和用作还原剂的尿素水溶液的喷雾，其中，所述喷雾是由精细的和均匀的分布在空气中的还原剂微滴组成。利用根据本发明的喷射器产生的喷雾特别地导致在排气系统中和/或计量点上小的沉淀物。此外，在低的环境温度的情况下，所述喷射器具有保证运行所需要的速度必不可少的冰耐压强度。

Claims (16)

1.喷射器(10)，该喷射器具有接收在壳体(14)中的包围体(12)，其中，设置至少一个空气供给管(26，27)和至少一个还原剂供给管(28)，其特征在于，
所述包围体(12)具有环绕的环形间隙(16)，所述环形间隙(16)通到喷嘴口(18)中，其中，所述还原剂利用至少一个节流阀(34，36，44，46)和空气利用至少一个空气喷嘴(30，32)能输送到所述环形间隙(16)中。
2.根据权利要求1所述的喷射器(10)，其中，
所述环形间隙(16)构造成圆锥形的，并且朝向所述喷嘴口(18)逐渐缩小。
3.根据权利要求1或2所述的喷射器(10)，其中，
所述喷嘴口(18)被环形凸出部分(24)包围。
4.根据权利要求1或2所述的喷射器(10)，其中，
所述包围体(12)具有圆柱形的几何形状，并且用于接收所述包围体(12)的凸起部分(38)的缺口(40)设在所述壳体(14)中。
5.根据权利要求4所述的喷射器(10)，其中，
所述包围体(12)的所述凸起部分(38)在释放所述喷嘴口(18)的情况下由壳体区段(48)遮盖。
6.根据权利要求1或2所述的喷射器(10)，其中，
所述包围体(12)用疏水的热塑性的和/或硬塑性的塑料材料制成。
7.根据权利要求1或2所述的喷射器(10)，其中，
为了将空气喷入所述环形间隙(16)中而设置至少一个空气喷嘴(30，32)，所述至少一个空气喷嘴与所述至少一个空气供给管(26，27)连接。
8.根据权利要求7所述的喷射器(10)，其中，
所述至少一个空气喷嘴(30，32)布置在所述环形间隙(16)上。
9.根据权利要求1或2所述的喷射器(10)，其中，
为了供给空气而设置至少一个空气收集管(60)，用于将空气喷入到所述环形间隙(16)中的至少一个空气喷嘴(62-68)连接到该至少一个空气收集管上，其中，所述空气收集管(60)与所述至少一个空气供给管(26)连接。
10.根据权利要求9所述的喷射器(10)，其中，
所述至少一个空气喷嘴(62-68)沿切向布置在所述环形间隙(16)上。
11.根据权利要求1或2所述的喷射器(10)，其中，
所述至少一个还原剂供给管(28)与至少一个还原剂收集管(42)相连接，在所述至少一个还原剂收集管上连接用于将还原剂输送到所述环形间隙(16)中的所述至少一个节流阀(34，36，44，46)。
12.根据权利要求11所述的喷射器(10)，其中，
所述至少一个节流阀(34，36，44，46)沿切向和/或径向布置在所述环形间隙(16)上并且布置在所述至少一个空气喷嘴(30，32，62-68)下方。
13.根据权利要求1所述的喷射器(10)，其中，
该喷射器用于将还原剂喷射到内燃机的废气流中以还原氧化氮。
14.根据权利要求4所述的喷射器(10)，其中，
所述凸起部分(38)为圆柱形。
15.根据权利要求6所述的喷射器(10)，其中，
所述包围体(12)用聚四氟乙烯制成。
16.根据权利要求8所述的喷射器(10)，其中，所述至少一个空气喷嘴(30，32)沿切向布置在所述环形间隙(16)上。
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