CN102575559A - 还原剂喷嘴凹缩部安装件 - Google Patents

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CN102575559A CN2010800450501A CN201080045050A CN102575559A CN 102575559 A CN102575559 A CN 102575559A CN 2010800450501 A CN2010800450501 A CN 2010800450501A CN 201080045050 A CN201080045050 A CN 201080045050A CN 102575559 A CN102575559 A CN 102575559A
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P·F·奥尔森
孙金辉
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Abstract

一种发动机排气后处理系统包括弯曲部，所述弯曲部使排气流沿曲线方向取路于笔直部分。喷嘴安装在所述弯曲部中以将具有对称轴线的流体的喷雾导入排气流中。对称轴线以小于50度的交叉角α与沿曲线方向穿行的排气流相交。

Description

还原剂喷嘴凹缩部安装件
技术领域
本公开涉及在发动机排气后处理系统中喷射还原剂，并且更特别地涉及安装和定位喷射还原剂的喷嘴。
背景技术
选择性催化还原(SCR)系统可包括在排气处理或后处理系统中以去除或减少来自发动机的排气的一氧化氮(NOx或NO)排放物。SCR系统使用诸如尿素的还原剂。这些还原剂可在后处理系统中形成沉积物。
PCT专利申请公开WO 2009071088(’088公开)公开了将来自喷射还原剂的喷嘴的喷雾轴线与排气管的笔直部分的对称轴线对准。然而，’088公开可能不能将喷嘴定位在期望位置处。
发明概述
在一个方案中，本公开提供了发动机排气后处理系统，其包括弯曲部，所述弯曲部使排气流沿曲线方法取路于笔直部分。喷嘴安装在所述弯曲部中以将具有对称轴线的流体喷雾导入排气流中。对称轴线以小于50度的对称轴线和排气流之间的相交角度与沿曲线方向穿行的排气流相交。在另一方案中，本公开提供了发动机排气后处理系统，其中凹缩部延伸到弯曲部的深度的多于10％处。在又一方案中，凹缩部包括上游壁，所述上游壁具有弯曲部入口的深度的至少10％的上游壁长度。
附图说明
图1为后处理系统的示意图。
图2为图1的后处理系统的弯曲部的示意图。
图3为图2的弯曲部的截面图。
图4为图2的弯曲部的截面图，示出了排气流和还原剂喷雾。
图5为图1的弯曲部和笔直部分的截面图，示出了在其自笔直部分向下传递时还原剂喷雾的分布。
图6为图1的弯曲部和笔直部分的截面图，示出了其自笔直部分向下传递并且通过混合器时还原剂喷雾的分布。
图7为图2的弯曲部的截面图，示出了成角度安装的喷嘴。
发明详述
图1中所看到的后处理系统10接收来自发动机或动力系统的排气流12。发动机可以为任何类型的发动机(内燃、燃气、柴油、气体燃料、天然气、丙烷，等等)，可以为任何尺寸，具有任何数量的气缸，并且可具有任何构造(“V”、直列式、径向，等等)。发动机可用于为任何机器或其它装置供给动力，包括公路用卡车或车辆、非公路用卡车或机器、运土设备、发电机、航天应用、机车应用、海运应用、泵、静止设备或其它通过发动机供给动力的应用。
后处理系统10包括SCR催化剂14和还原剂系统16。SCR催化剂14包括布置在衬底上的催化剂材料。催化剂材料配置为利用还原剂19来减少排气流12中的NOx的量。衬底可以包括堇青石、碳化硅、其它陶瓷或金属。衬底可包括多个贯通通道并且可以形成蜂巢式结构。在SCR 14的下游或者覆盖SCR 14的端部的区域还可包括氨氧化催化剂(AMOX)。
还原剂系统16包括喷射器或喷嘴18，喷射器或喷嘴18将还原剂19导入排气流12中。喷嘴18可以包括弹簧、垫圈、冷却通道、喷射器销以及未示出的其它特征件。尽管可使用其它还原剂19，尿素是最常见的还原剂19的源。尿素还原剂19分解为氨(NH3)并且然后被吸收或储存到SCR催化剂14中。
排气流12经由排气管20被导入SCR催化剂14中。排气管20包括笔直部分22和在笔直部分22上游的曲线部分或弯曲部24。喷嘴18安装在弯曲部24中。笔直部分22的长度或者喷嘴18和SCR催化剂14之间的距离可足够长以实现还原剂19与排气流12的混合并且为尿素还原剂19提供转换为NH3的滞留时间。
后处理系统10还可包括柴油氧化催化剂(DOC)26、柴油颗粒过滤器(DPF)28以及清理催化剂或在SCR催化剂14上游或下游的其它排气处理装置。当前所示出的后处理系统10显示DOC 26位于DPF 28的上游，DPF 28位于SCR催化剂14的上游。
后处理系统10还可包括再生DPF 28的热源30。热源30可以具体化为包括燃烧头和收容框架的壳体的燃烧炉。热源30还可具体化为电加热元件、微波器件或其它热源。还可通过将诸如燃料等碳氢化合物喷射到将在DOC 26中放热反应的排气流12中来生成热。热源30还可以具体化为在产生排气流12温度提升的条件下使发动机运转。
DOC 26和DPF 28可容纳在共同的第一滤毒罐32中。DOC 26和DPF
28还可容纳在单独的滤毒罐中。SCR催化剂14可容纳在第二滤毒罐34中。热源30、第一滤毒罐32和第二滤毒罐34可以并排平行的取向布置在安装件36上。热源30、第一滤毒罐32和第二滤毒罐34还可以其它方式布置和安装。
排气管20还可包括位于笔直部分22下游的第二弯曲部38，用于使排气流12取路到第二滤毒罐34中。在其它的实施方案中，可以不包括此第二弯曲部38，并且第二滤毒罐34可与笔直部分22对准。第一和第二滤毒罐32和34还可以包括用于递送和接收排气流12的端40。进入管42使排气流12取路于后处理系统10。第二滤毒罐34或另一端滤毒罐可以包括用于使排气流12离开后处理系统10的出口44。排气管的附加部分(未示出)可使排气流12自热源30取路于接受端40的第一滤毒罐32。在其它实施方案中，可不包括热源30，并且进入管42可使排气流12取路于接受端40的第一滤毒罐32。排气流12沿第一方向46通过进入管42并且接下来通过热源30(如果包括)。接下来，排气流12沿可与第一方向46平行的第二方向48取路以通过第一滤毒罐32。排气流12通过DOC 26、DPF 28、端40，并且通过弯曲部24。接下来，排气流12沿可与第二方向48平行的第三方向50通过笔直部分22。接下来，排气流12沿可与第二方向48平行的第四方向52取路以通过第二弯曲部38并且通过第二滤毒罐34。最后，排气流12通过出口44离开。
还原剂系统16还可包括还原剂源54、泵56和阀57。还原剂19经由泵56自还原剂源54取出并且递送到喷嘴18上的入口连接件58。阀57或泵56可用于控制还原剂19的递送。还可以包括控制器和传感器来控制还原剂系统16。控制器和传感器还可以控制热源30。控制器还可与发动机控制模块(ECM)通信或者可以包括在ECM中。
还原剂系统16还可包括冷却剂源60，冷却剂源60经由冷却剂端口连接件64将冷却剂62递送到喷嘴18。冷却剂源60可具体化为发动机的冷却剂系统或另外的冷却剂源60。冷却剂62还可用于冷却还原剂系统16或后处理系统10的其它部件。冷却剂62还可用于使冷冻的尿素19解冻。
从图4中可最佳地看到，喷嘴18包括尖端或出口66。还原剂19的喷雾68自出口66导入排气流12。喷雾68限定对称轴线70。不受排气流12的任何影响，对称轴线70可与第三方向50大体平行。从图2中可最佳地看到，弯曲部24包括弯曲部入口端72、弯曲部出口端74、弯曲部外曲面76、弯曲部内曲面78和弯曲部侧边80。弯曲部外曲面76、弯曲部内曲面78和弯曲部侧边80与开放式的弯曲部入口端72和弯曲部出口端74形成了弯曲管或盒的结构。弯曲部入口端72与第一滤毒罐32的端40接合并且流体连通。弯曲部出口端74与笔直部分22接合并且流体连通。
上文讨论的弯曲部外曲面76、弯曲部内曲面78和弯曲部侧边80代表暴露于排气流12的壁。从图3和图4中可看出，弯曲部24还可以包括在这些壁外部的双壁82。双壁82提供来自排气流12的热防护。
凹缩部84包括在弯曲部外曲面76中。凹缩部84由凹缩部下游壁86、凹缩部上游壁88和侧壁90限定或者包括凹缩部下游壁86、凹缩部上游壁88和侧壁90。凹缩部下游壁86、凹缩部上游壁88和侧壁90形成了弯曲部24中的凹入部或凹入区域。凹缩部84可具有圆角三角形形状，使得在上游端处的宽度比在下游端处的宽度大。凹缩部84还可具有其它形状，包括矩形、圆筒形或半球形。笔直部分22包括上游端92、下游端94、外壁96、内壁98和侧边100以形成管状管。笔直部分22以及其它部件可包围在绝缘件102中。上游端92与弯曲部出口端74接合。
在图2和图3中可最佳地看到弯曲部24和凹缩部84的尺寸纵横比。图2示出了弯曲部24具有入口宽度101和出口宽度103。弯曲部24的宽度可从弯曲部入口端72至弯曲部出口端74减小，使得出口宽度103小于入口宽度101。
从图3中可看出，弯曲部24具有入口深度104和出口深度106。弯曲部24的深度可从弯曲部入口端72至弯曲部出口端74逐渐增大，使得出口深度106大于入口深度104。因为入口宽度101与出口宽度103以及入口深度104与出口深度106的相对尺寸按相反的关系变化，可保持基本恒定的流面积。
在其它实施方案中，弯曲部24的宽度和深度可以恒定不变或者有不同变化。出口深度106和出口宽度103可与笔直部分22的宽度或直径大体匹配。
图3所示的中心线108延伸通过弯曲部24的中心并且可以继续通过笔直部分22。凹缩部84延伸到弯曲部24中并且包括最大弯曲部延伸点110。最大弯曲部延伸点110可以为凹缩部下游壁86和凹缩部上游壁88汇合的点或线。弯曲部中央平面112延伸通过最大弯曲部延伸点110并且与中心线108成法向。突出的外曲面114沿着与弯曲部外曲面76相同的曲率在凹缩部84上方的空间中延伸。
如果不存在凹缩部84，则突出的中心深度116代表弯曲部24的中央深度。此突出的中心深度116为弯曲部24从内曲面78沿着弯曲部中央平面112通过最大弯曲部延伸点110到达突出的外曲面114的深度。
最小中心深度118代表弯曲部24的中央深度，其中因为凹缩部84的存在所述中央深度为最小的。此最小中心深度118为弯曲部24从弯曲部内曲面78沿着弯曲部中央平面112到达最大弯曲部延伸点110的深度。
凹缩部最大延伸长度120代表凹缩部84的最大深度。凹缩部最大延伸深度120为从最大弯曲部延伸点110沿着弯曲部中央平面112到达突出的外曲面114的长度。
凹缩部84具有下游壁长度122和上游壁长度124。下游壁长度122为从外曲面76沿着下游壁86延伸到最大弯曲部延伸点110的长度。上游壁长度124为从外曲面76沿着上游壁88延伸到最大弯曲部延伸点110的长度。尽管上述许多尺寸被称为最小和最大，突出和其它附加特征不应视为包括在这些尺寸中。
图4示出了在其穿行通过弯曲部24进入笔直部分22时排气流12的流动方向。流动方向包括笔直入口方向126、笔直出口方向128以及在笔直入口方向126和笔直出口方向128之间的中央曲线方向130。还包括在凹缩部84的上游壁88下方的受阻流132。废流134也存在于下游壁86的下游哦以及外曲面76处的下游壁86汇合的角中。
喷嘴18可安装在下游壁86中以将出口66和对称轴线70定位为在其于笔直部分22中延伸时与中心线108对准。
凹缩部84的尺寸也设计为定位对称轴线70以与排气流12的中间方向136相交。中间方向136为在排气流12从中央曲线方向130开始变直而进入布置的出口方向128时排气流12的方向。
中间方向136为与不受上游壁88阻挡的对称轴线70相交的第一排气流12。对称轴线70以近似30度的交叉角138与沿中间方向136穿行的排气流12相交。在一些实施方案中，交叉角138小于50度、45度、40度、35度、35度、30度、25度、20度、15度、10度或5度。在其它实施方案中，交叉角138在5度和50度、5度和35度、5度和25度、20度和40度或者20度和50度之间。在另外的实施方案中，对称轴线70可与沿笔直出口方向128穿行的排气流12相交，并且交叉角138可基本为零。交叉角138是通过凹缩部84相对于弯曲部24的位置和尺寸来实现的。凹缩部最大延伸长度120与突出的中心深度116相比的百分比代表凹缩部84延伸到弯曲部24的深度中的程度。凹缩部最大延伸长度120可以近似为突出中心深度116的50％。在一些实施方案中，凹缩部最大延伸长度120可以至少为突出中心深度116的60％、40％、30％、20％或10％。在其它的实施方案中，凹缩部最大延伸长度120可以在突出中心深度116的10％和80％、30％和70％、40％和60％、30％和60％、或40％和70％之间。
上游壁88阻挡排气流12，需要长的上游壁长度124来实现交叉角138。上游壁长度124可近似为弯曲部入口深度104的70％。然而，在一些实施方案中，上游壁长度124可至少为弯曲部入口深度104的80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％或10％。在其它的实施方案中，上游壁长度124可以在弯曲部入口深度104的10％和90％、30％和90％、50％和90％、40％和90％、或40％和80％之间。
下游壁86定位喷嘴18并且与上游壁88连接，从而需要长的下游壁长度122来实现交叉角138和喷嘴18的位置。下游壁长度122可近似为弯曲部出口深度106的70％。然而，在一些实施方案中，下游壁长度122可以至少为弯曲部出口深度106的80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、或10％。在其它实施方案中，下游壁长度122可以在弯曲部出口深度106的10％和90％、30％和90％、50％和90％、30％和80％、或30％和70％之间。
下游壁长度122还可以提供用于安装喷嘴18的平坦安装表面140。凹缩部84的尺寸或深度以及下游壁长度122和上游壁长度124也为待定位的喷嘴提供了凹入区域。此凹入区域可有助于保护喷嘴18及其连接件58、64。
反压的担心会限制凹缩部84的尺寸。这些担心可至少部分地通过形状来解决，由此在更加进入到弯曲部24中时凹缩部84变窄。反压的担心还可以通过入口和出口宽度101和103与凹缩部84的凹缩部宽度143的比率来解决。凹缩部宽度143可以近似为弯曲部入口宽度101的20％。然而，在一些实施方案中，凹缩部宽度143可以至少为弯曲部入口宽度101的80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、或10％。在其它实施方案中，凹缩部宽度143可以在弯曲部入口宽度101的5％和90％、5％和60％、5％和40％、10％和30％、或20％和40％之间。凹缩部宽度143可近似为弯曲部出口宽度103的40％。然而，在一些实施方案中，凹缩部宽度143可至少为弯曲部出口宽度103的80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、或10％。在其它实施方案中，凹缩部宽度143可以在弯曲部出口宽度103的5％和90％、5％和70％、10％和60％、20％和70％、或20％和50％之间。其它实施方案可使用较长的喷嘴18，喷嘴18延伸到排气流12中以实现交叉角138。然而，此设计会使得还原剂19过热并且在目前暴露于炙热的排气流12时在喷嘴18的内部晶体化。此实施方案也不能够保护喷嘴18的位于弯曲部24外部的部分。此实施方案也不能够提供平坦的安装表面140。
图5示出了液滴142作为喷雾68自喷嘴18喷射出、与排气流12相交并且自笔直部分22向下穿行时液滴142的流。由于低的交叉角138，来自排气流12的较小的向外的力施加到喷雾68上。因此，液滴142可倾向外壁96(因为仍可能存在一些向外的力)，但是不以显著的方式碰撞外壁96。因为由沿曲线方向130穿行的排气流12施加到还原剂喷雾68上的向外的力向量减小，低的交叉角138有助于使液滴沿着比较高的交叉角138或较小的凹缩部84更直的方向自笔直部分22向下突出。
图6示出了包括混合器144的实施方案。可以看出，混合器144有助于分配液滴142并且将液滴142与排气流12混合。混合器144还有助于通过在液滴142已经显著倾向外壁96之前将混合器144定位在笔直部分22中防止液滴142碰撞外壁96。混合板、混合叶片和挡板还可添加在笔直部分22或弯曲部24中。
图7中示出了可选的实施方案，喷嘴18布置在安装角150处。因为安装角150的存在，对称轴线70指向内壁98，这有助于抵消沿中央曲线方向130穿行的排气流12的向外力。安装角150可被限定为喷嘴平面152和法向平面154之间的角。喷嘴平面152被限定为与喷嘴18的出口66或前面成法向，以使对称轴线70将与喷嘴平面152成法向。法向平面154被限定为与笔直出口方向128垂直并且还可与笔直入口方向126平行。
安装角150的期望大小可取决于沿中央曲线方向130穿行的排气流12的向外力的程度。此向外力将取决于弯曲部24和凹缩部84的几何形状。在排气流12的质量流变化时，在发动机运转期间，向外力也变化。安装角必须足够大以具有有意义的碰撞，但是足够小以避免在低排气流12期间还原剂19碰撞内壁98并且在内壁98上形成沉积物。安装角150可大约为15度。在一些实施方案中，安装角大于零但是小于50度、45度、40度、35度、35度、30度、25度、20度、15度、10度、或5度度。在其它实施方案中，安装角150在10度和30度、10度和20度、20度和30度、5度和20度、或30度和50度之间。
图7还示出了，喷嘴18可在下游壁86上移动以便比外壁96更靠近内壁98，从而避免还原剂19碰撞内壁98并且在内壁98上形成沉积物。安装角150可以利用上游壁88来形成。图7还示出了，曲面156可添加到上游壁88中，从而能够保持上游壁88的长度。
安装角150可形成较大的交叉角138。在这种实施方案中，交叉角可大约为45度。在一些这样的实施方案中，安装角150可使得高至90度、80度、70度、60度、50度、40度或30度的交叉角138小于50度、45度、40度、35度、35度、30度、25度、20度、15度、10度或5度。在其它这样的实施方案中，安装角150可使得交叉角138在10度和90度、30度和90度、40度和80度、40度和60度、或50度和80度之间。
工业应用性
还原剂喷雾68通常在后处理系统10中形成沉积物。沉积物可通过多种不同的机构形成在多种不同的条件下。当尿素还原剂19不快速地分解为NH3并且尿素还原剂19的厚层收集时，沉积物会形成。随着越来越多的尿素还原剂19被喷洒或收集，这些层会形成，这样会具有防止分解为NH3的冷却效应。结果，尿素还原剂19升华为晶体或者以其它方式转变为固态组合物以形成沉积物。此组合物可包括缩二脲(NH2CONHCONH2)或氰尿酸((NHCO)3)或取决于温度以及其它条件的另外的组合物。
尽管还原剂系统16可以是或者可以不是通过空气辅助的，但是在无空气的还原剂系统16中更易于形成沉积物。无空气的还原剂系统16趋于生成还原剂喷雾68，液滴尺寸比空气辅助的还原剂系统16中的大。还原剂喷雾68中的较大的液滴尺寸会使得形成沉积物。通常，这些沉积物可形成在后处理系统10的表面上，其中还原剂喷雾68撞击、再循环或沉淀。例如，沉积物可形成在外壁96上或者出口66的周围。
这些沉积物可对动力系统的运行具有负面影响。这些沉积物会阻挡排气流12，引起较高的反压并且降低发动机和后处理系统10的性能和效率。沉积物还可能破坏尿素还原剂19的流动以及与排气流12的混合，从而减弱分解为NH3并且降低NOx还原效率。沉积物还可能阻塞出口66或破坏还原剂喷雾68。沉积物的形成还消耗了尿素还原剂19，使得对喷射的控制更难并且可能降低SCR 14中的NOx还原效率。沉积物还可能腐蚀后处理系统10的部件并且使SCR催化剂14的结构特性和热特性降级。沉积物还可能阻塞SCR催化剂14的通道，也降低了NOx的还原效率。
凹缩部84可有助于通过自笔直部分22向下引导液滴142或喷雾68来防止沉积物的形成。由下游和上游壁86和88形成的低的交叉角138以及上游壁88的阻塞效应减少了碰撞外壁96的还原剂19的量并且可以防止沉积物形成。同样，安装角150也减少了碰撞外壁96的还原剂19的量并且可防止沉积物形成。凹缩部84还可减少还原剂喷雾68在出口66周围的再循环，防止沉积物形成在出口66的周围。
凹缩部84还为待定位的喷嘴18提供了凹入区域或凹入部。此凹入区域为喷嘴18提供了保护级别并且减小了后处理系统10封装的外尺寸。凹缩部84还可提供用于安装喷嘴18的平坦表面140。
尽管如本文所述的此公开的实施方案可以并入，而不会偏离随后的权利要求的范围，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以进行各种改进和变型。通过考虑说明书和公开内容的实践，其它实施方案对于本领域技术人员而言是显然的。目的在于，说明书和实施例被视为仅为了示例，真正的范围由随后的权利要求及其等同内容来表示。

Claims (10)

1.发动机排气后处理系统(10)，包括：
弯曲部(24)，其使排气流(12)沿曲线方向(130)取路；
笔直部分(22)，其接收来自所述弯曲部(24)的所述排气流(12)；以及
喷嘴(18)，其安装在所述弯曲部(24)中以将具有对称轴线(70)的流体(19)的喷雾(28)导入所述排气流(12)中，其中所述对称轴线(70)以小于50度的所述对称轴线(70)和所述排气流(12)之间的交叉角(138)与沿所述曲线方向(130)穿行的所述排气流(12)相交。
2.如权利要求1所述的发动机排气后处理系统(10)，进一步包括在所述弯曲部(24)中的凹缩部(84)，其中所述喷嘴(18)安装在所述凹缩部(84)中。
3.如权利要求2所述的发动机排气后处理系统(10)，其中，所述凹缩部(84)延伸(120)到所述弯曲部(24)的深度(116)的多于10％处。
4.如权利要求2所述的发动机排气后处理系统(10)，其中，所述凹缩部(84)包括：上游壁(88)，其具有至少为弯曲部入口(72)的深度(104)的10％的上游壁长度(124)；以及下游壁(86)，其具有至少为弯曲部出口(74)的深度(106)的10％的下游壁长度(122)。
5.如权利要求4所述的发动机排气后处理系统(10)，其中，所述喷嘴(18)安装在所述下游壁(86)中，并且所述喷嘴(18)被定位以使所述喷雾(68)的所述对称轴线(70)与所述笔直部分(22)中的所述排气流(12)的中心轴线(108)对准。
6.如权利要求1所述的发动机排气后处理系统(10)，其中，所述交叉角(138)小于40度。
7.发动机排气后处理系统(10)，包括：
弯曲部(24)，其使排气流(12)沿曲线方向(130)取路；
笔直部分(22)，其接收来自所述弯曲部(24)的所述排气流(12)；
凹缩部(84)，其延伸到所述弯曲部(24)的深度(116)的多于10％处；以及
喷嘴(18)，其安装在所述凹缩部(84)中以便将流体(19)的喷雾(68)导入所述排气流(12)中。
8.如权利要求7所述的发动机排气后处理系统(10)，其中，所述凹缩部(84)包括：上游壁(88)，其具有至少为弯曲部入口(72)的深度(104)的10％的上游壁长度(124)；以及下游壁(86)，其具有至少为弯曲部出口(74)的深度(106)的10％的下游壁长度(122)，并且所述喷嘴(18)安装在所述下游壁(86)中。
9.如权利要求7所述的发动机排气后处理系统(10)，其中，所述凹缩部(84)延伸到所述弯曲部(24)的深度(116)的多于30％处。
10.如权利要求7所述的发动机排气后处理系统(10)，其中，所述凹缩部(84)延伸到所述弯曲部(24)的深度(116)的大约50％处。
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