CN103282613B - 用于试剂的注射装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于向内燃发动机的排气通道中给予试剂的注射装置，该注射装置沿其长度具有轴线(A)并包括向外开口的阀构件(14)，该阀构件具有能够与阀座区域(30)接合的座表面。座构件设置有内部孔(12)，该内部孔(12)限定出所述阀座区域(30)，其中内部孔(12)进一步在阀座区域(30)的下游限定出流动重新定向区域(32)。所述座构件(10)具有端面(36；136)，所述端面设置有特征部(38；138；238；338；438；538)，所述特征部与流动重新定向区域(32)的至少一部分相交，以与流动重新定向区域(32)一起限定出喷射路径，所述喷射路径是在阀构件(10)从孔(12)向外移动离开阀座区域(30)时供试剂离开注射装置的喷射路径。所述喷射路径围绕阀座区域(30)的周缘相对于轴线A具有可变的喷射角度。

Description

用于试剂的注射装置
技术领域
本发明涉及适合于向内燃发动机的排气室或者通道中给予试剂的注射装置，用以例如减少有害物质向大气的排放。
背景技术
催化净化工艺可以用于从内燃发动机的排气中部分地或者完全地去除污染物。具体说，可以使用使排气中的一种或多种污染物(例如，NOx)还原的还原剂来实现排气净化。
为了减少来自内燃发动机的排气排放，可以使用如在例如EP1878887中示出的注射装置，来将还原剂(例如尿素溶液等试剂)喷射到排气通道中。通常，还原剂的活性在与注射点下游的催化剂接触时得到触发。选择性催化还原(SCR)装置使用氨(从尿素得到的)来进行氧化氮(NOx)的选择性催化还原。安装于排气系统的通道的注射装置被用于向排气流中注射尿素。滑移催化剂位于SCR装置的下游，用以清除任何未反应的氨。柴油机微粒过滤器也被设置，用以减少卷入排气流中并且未被SCR装置减少的烟灰和微粒物的水平。
对于用于试剂的注射装置来说已公知的是包括向外开口的提升阀(poppet valve)，来产生良好地雾化的圆锥形喷射物。被投射出的喷射物的圆形截面非常适合于圆形排气管(即具有圆形截面)的圆筒形形状。然而，最近，已发现的是希望使向排气通道中的喷射点移动成更靠近发动机，以便允许SCR催化剂更快地变热。为了以尽可能紧凑的形式结合催化剂和微粒过滤器，位于它们之间的排气通道的流动截面有必要在一个方向比在其它方向更宽。
因此，本发明的一个目的是提供适合于向具有非圆形截面的排气通道中注射试剂的注射装置。
发明内容
一种用于向内燃发动机的排气通道中给予试剂的注射装置沿其长度具有轴线并包括：向外开口的阀构件，所述阀构件具有能够与阀座区域接合的座表面；和座构件，所述座构件设置有限定出所述阀座区域的内部孔。所述座构件的内部孔进一步在阀座区域的下游限定出流动重新定向区域。所述座构件具有端面，所述端面设置有特征部，所述特征部与所述流动重新定向区域的至少一部分相交，以与所述流动重新定向区域一起限定出喷射路径，所述喷射路径是在所述阀构件从所述孔向外移动离开所述阀座区域时供试剂离开注射装置的喷射路径。所述特征部和流动重新定向区域的配置使得所述喷射路径围绕所述阀座区域的周缘相对于装置轴线具有可变的喷射角度。
设置呈非圆锥形并且相对于装置轴线具有可变喷射角度的喷射路径的好处是它兼容于用于以下这种SCR系统的排气通道：即其中排气通道的流动截面在一个方向上比在正交方向上具有更宽的截面(即流动截面为非圆形界面)。这使得向排气通道中的喷射点能够移动成更靠近发动机，因为所产生的流动截面通过喷射路径的可变喷射角度得到良好的匹配。其好处是更靠近发动机的SCR催化剂能够更快地变热。
特别有利的是借助于具有向外开口的阀构件的注射装置来提供呈非圆锥形(即具有非圆形流动截面)的喷射路径。这是因为，在向外开口的阀构件的情况下，设定喷射速度的孔口(即在阀构件打开时位于阀座区域与阀构件的座表面之间的座间隙)只在注射活动期间打开。因此，不太可能被排气或者尿素分解产物(在试剂为尿素溶液的情况下)闭塞。此外，阀构件向着阀座区域的闭合运动将趋于碎裂确已形成的任何沉积物，从而防止它们在注射装置上积累并损害注射装置的功能。
优选地，所述阀座区域和所述阀构件的座表面被配置成使得在使用中当所述阀构件从所述孔向外移动离开所述阀座区域时，由此离开的试剂的喷射物的相对于轴线A的角度和速率围绕所述阀座区域的周缘基本上是均匀的。其好处是不存在由围绕阀座区域的周缘调节喷射角度而引起的喷射动量的显著损失，因此良好的雾化得到维持。
有利地，所述阀座区域和所述阀构件的座表面中的每一者围绕所述轴线A都是旋转对称的。因此，提供了这样一种注射装置，其产生非圆形的喷射形式，它不要机械加工或者制造非旋转对称的阀座区域或者座表面，而这将对装置的制造简易性以及成本和制造时间具有不利影响。
在一个示例中，所述流动重新定向区域是内凹(re-entrant)的，并且额外地或者替代地，可以是球形或者弧形的(radiussed)。
由所述内部孔限定出的阀座区域以及所述阀构件的座表面优选是圆锥形的。替代地，所述阀座区域可以具有球形或者弧形的形式，而所述阀构件的座表面可以具有互补的形状。
在一个实施例中，设置在所述座构件的端面中的特征部呈凹槽或者凹部的形式。例如，所述凹槽可以是弯曲的、三角形的或者矩形的。
在一个实施例中，所述阀座区域与装置轴线一起限定出座角度(seating angle)，所述凹槽成形为使得供试剂在所述凹槽的底部处离开所述注射装置的喷射路径以大致与所述座角度相同的角度离开，而在所述凹槽的顶部处离开所述注射装置的喷射物以比所述座角度更小的角度离开。
所述凹槽可以成形为使得供试剂离开所述注射装置的喷射路径是椭圆形的。
在另一实施例中，所述特征部是设置于所述座构件的端面上的凸起区域。
可能优选的是使所述座构件的端面包括相对于装置轴线倾斜的倾斜区域。在一个示例中，所述座构件的端面可以包括另一区域，该另一区域大致垂直于所述装置轴线，并且其中所述倾斜区域与所述另一区域之间的交接周缘围绕装置轴线限定出椭圆形路径。
在一个优选实施例中，所述座构件的端面与内部孔一起限定出交接边缘，该交接边缘围绕周缘在至少一部分中是尖锐的(并且它可以围绕周缘在大致所有部分中都是尖锐的)。这提供了使喷射沉积物在端面上形成的机会最小化的优点。
在另一些实施例中，可以是这样的，即尖锐的边缘在围绕交接周缘的沿径向相对的点处基本是不存在的。
所述注射装置可以进一步包括弹簧，所述弹簧用于向着所述阀座区域偏置所述阀构件，以中断试剂的输送。所述弹簧优选地设定用于装置的打开压力，在该打开压力，所述阀构件被致使从内部孔向外移动离开座区域。
所述座构件可以与装置壳体一体形成，也可以是以固定方式固定至装置壳体的分离部件。
本发明特别适合于用于将试剂输送至内燃发动机中的排气通道以达到选择性催化还原的目的，但是也可以在燃烧发动机中具有其它应用。
附图说明
现在将参考后续附图只通过示例方式描述本发明，附图中：
图1是本发明第一实施例的注射装置的透视图；
图2是形成图1中的注射装置的一部分的座部件的截面图；
图3-8是用于在图1中的注射装置中使用的替代方案的座部件的截面图；和
图9是图8中的座部件的透视图。
具体实施方式
图1示出了一种注射装置，用于将比如尿素溶液等试剂输送到SCR剂量系统的排气通道中。SCR剂量系统为使用于压缩点火内燃发动机中的类型，并将试剂输送到排气流中，以便使用氨(例如从尿素源得到的)进行氧化氮(NOx)的选择性催化还原。
注射装置包括装置壳体(未示出)，在该装置壳体内以固定方式接收有座部件或者座构件10。座部件10设置有内部孔12，在该内部孔12内接收装置的阀构件14。内部孔12由圆筒形、圆锥形和/或球形区段构成。装置10沿其长度具有轴线A(如图2所示)。
座部件10具有第一注射端16，在该注射端附近尿素离开装置进入排气通道中。座部件的第二上端18远离注射端16，并限定出用于弹簧22的第一抵接表面20。阀构件14沿其长度呈台阶状，以限定出两个不同的区域：具有扩大直径的下侧区域，其与座部件的注射端16协作(如下面将更详细地描述的)；和具有减小直径的上侧区域，其形成杆14a，所述杆14a被以压配合接收在提升阻止构件15内。提升阻止构件15限定出：用于弹簧22的第二抵接表面，该第二抵接表面呈台阶24的形式，朝向其上端；和提升阻止特征部26，所述提升阻止特征部26通过与用于弹簧22的第一抵接表面20的接合来限制阀构件14的打开运动的最大程度。被接合在第一和第二抵接表面20、24之间的弹簧22以公知方式为装置设置打开压力，并且正例如本申请人的欧洲专利No.1878887中如所描述的。
如能够在图2中最清楚地看出的，在座部件10的注射端16，内部孔12限定出座区域30，其在所示实施例中大体为圆锥形形式。在另一实施例中(未示出)，内部孔的座区域不必为圆锥形形式的，而是可以为围绕装置的轴线具有旋转对称性的其它形状(例如球形或者弧形)。相似地，阀构件14在其与座区域30接合的区域不必为圆锥形形式，而是可以为与座区域互补的形状，该形状也围绕装置的轴线具有旋转对称性。
阀构件14b的大体圆锥形的座表面与座区域30是可接合的，以控制试剂从装置向排气通道中的输送。圆锥形地形成的座表面之间的接合确保了当阀构件14闭合时，在部件之间具有精确密封。
在座区域30的下游，座部件10的内部孔12限定出流动重新定向区域32，当阀构件从装置向外移动离开座区域30时，所述流动重新定向区域32与阀构件14的外表面一起限定出用于试剂的喷射路径。在所示实施例中，流动重新定向区域32围绕装置的轴线A是球形的，或者在一替代实施例中，可以是弧形的。从注射装置射出的喷射型式在图1中示出，并以附图标记34标出。
座部件10的端面36设置有呈凹槽38形式的特征部，该特征部在围绕内部孔12的周缘的两个沿径向相对的位置处与流动重新定向区域32相交。凹槽38和流动重新定向区域32的配置以及它们相交的方式导致离开装置的喷射物围绕座部件10的周缘以可变的量被重新定向。这导致喷射型式34围绕座部件10的周缘具有非圆形的形状。在图1和2所示的示例中，离开的喷射型式34围绕轴线A具有非圆形的椭圆形截面，即沿垂直于轴线A的第一方向具有更大的截面，这是与沿垂直于第一方向的第二方向的较小截面相比而言的。
更详细地说，座部件10的端面中的凹槽38具有底部区域38a和顶部区域38b，所述底部区域38a是所述凹槽的井坑，所述顶部区域38b在端面36处突破出来。凹槽38被成形为使得在凹槽的底部区域38a处离开装置的喷射物以与座区域30的锥角相似的角度离开，而在顶部区域38b处离开凹槽的喷射物被重新定向成更靠近装置的轴线A。这提供了具有扇形或者大体椭圆形轮廓的喷射型式34，如在图1中看出的，其具有短轴B，该短轴B小于正交的长轴C。
如果流动重新定向区域32如图2所示那样是内凹的，则离开装置的喷射物的一部分被重新定向成聚集到装置前方的一点上。实际上，其效果是这样的：紧邻装置出口的喷射型式呈椭圆形喷射形状，喷射物相对靠近出口，但是进一步向排气通道中伸入时，呈8字形轮廓。随着喷射物沿B轴更进一步收敛到排气通道中时，喷射型式恢复为更椭圆形的喷射形状。紧邻装置出口的喷射型式34的椭圆形性质在图1的图示中清楚地示出。
在后面的图中，以类似于图1和2所示附图标记的附图标记来标示相似的零部件。
在一替代实施例中，如图3所示，凹槽138没那么深，并具有更开放和更浅的形式(即凹槽38的底部区域138a更靠近凹槽的顶部区域138b)。这提供具有与图1所示椭圆形喷射型式相似的特征的喷射型式，但例外的是短轴B的尺寸被增大(并且短轴B与长轴C的比值增大)。
图1-3中的座部件10的端面36的凹槽状成形在靠近座区域30处和距座区域30显著距离之处都给予特别均匀的喷射形式。用于座部件10的端面36的其它形状也可以被想到。例如，在图4中，凹槽238为三角形形式，而在图5中，凹槽338是弯曲的。在另一替代实施例中，如图6所示，凹槽被凸起区域438代替。凸起区域438围绕其周缘具有倾斜的表面438a，并终结于平台438b。
图1-3的实施例将围绕靠近座区域30的喷射型式的周缘产生喷射物的均匀分布(体积密度)，而在距座部件10显著距离的地方，被凹槽的特定形状修改的是喷射方向。
如果均匀分布并不重要，重要的只是喷射物的正交轴线之间的纵横比，则可以通过简单的矩形凹槽538来形成三个或者四个不同的喷射地点，如图7所示。在图7中，应该理解的是，座部件10的紧邻于凹槽538的表面与端面36是平齐的，因此有效地形成它的延伸部。
通过示例方式，如果在向通道中的喷射点与催化剂之间存在排气通道的短的直线区段，则分布的性质是特别重要的。如果存在下游混合器(即在排气流中生成湍流的特征部)和/或处于喷射点之外的长排气通道区段和/或处于喷射点之外的扭曲通道，则喷射型式分布可能没那么重要，但是仍然重要的是避免喷射到排气通道的壁上。
座部件10的端面36的形状可以借助于公知的工艺来形成，比如磨铣(grilling)、铣削(milling)或者线蚀刻(wire eroding)等。通过比如CNC(计算机数字控制)控制机械设备等更先进的技术，端面36的其它形状也是有可能的。图8和9示出了这样一个示例，其中端面136包括两个不同的区域：垂直于装置轴线A的第一区域136a和相对于装置轴线A倾斜的第二区域136b。端面的第一区域136a与倾斜表面136b之间的交接部的周缘围绕座部件10的内部孔12的周缘沿椭圆形路径延伸，如能够在图9中最清楚地看出的。在本实施例中，座部件10的内部孔12和端面136的倾斜区域136b限定出交接边缘40，该交接边缘40围绕其周缘在所有点都是尖锐的，从而使喷射沉积物形成于端面136上的机会最小化。倾斜表面136b围绕内部孔12的周缘在沿径向相对的一些点处变成基本不存在。
在参见图1-9描述的前述各实施例中，座部件10的座区域30围绕装置的轴线是旋转对称的。同样，阀构件14的与座区域30协作的座表面围绕装置的轴线是旋转对称的。通过这种构造，当阀构件14从内部孔12向外移动时在座区域30与座表面之间产生的孔口或者间隙也是旋转对称的。因此，生成雾化喷射物的速度(即速率和相对于轴线A的角度)围绕座区域30的周缘都是相同的。随后，随着喷射物向下游移动穿过流动重新定向区域32，它被重新定向成产生离开装置的非圆形喷射形式。
因此，借助于定位在阀构件14下游的流动重新定向区域32，有利地产生了非圆形喷射物，而不必修改座区域30或者阀构件14的座表面。具体说，座区域30和阀构件14的座表面这两者的旋转对称性得到保持，这与具有非旋转对称性的配置相比，简化了这些部件的制造，因为圆形截面一般来说更容易加工/制造。当阀构件14处于闭合位置时，阀座区域30以及阀构件14的座表面的旋转对称性还有助于在两者间形成良好的密封。

Claims (18)

1.一种用于向内燃发动机的排气通道中给予试剂的注射装置，所述注射装置沿其长度具有轴线(A)并包括：
向外开口的阀构件(14)，所述阀构件(14)具有座表面，所述座表面能够与阀座区域(30)接合；和
座构件，所述座构件设置有内部孔(12)，所述内部孔(12)限定出所述阀座区域(30)，其中所述内部孔(12)进一步在所述阀座区域(30)的下游限定出流动重新定向区域(32)；并且
其中，所述座构件(10)具有端面(36；136)，所述端面设置有特征部(38；138；238；338；438；538)，所述特征部与所述流动重新定向区域(32)的至少一部分相交，以与所述流动重新定向区域(32)一起限定出喷射路径，所述喷射路径是在所述阀构件(14)从所述孔(12)向外移动离开所述阀座区域(30)时供试剂离开所述注射装置的喷射路径，其中所述喷射路径围绕所述阀座区域(30)的周缘相对于轴线A具有可变的喷射角度。
2.如权利要求1所述的注射装置，其中，所述阀座区域(30)和所述阀构件(14)的座表面配置成使得在使用中当所述阀构件(14)从所述孔(12)向外移动离开所述阀座区域(30)时，由此离开的试剂的喷射的速率和相对于轴线A的角度围绕所述阀座区域(30)的周缘基本上是均匀的。
3.如权利要求2所述的注射装置，其中，所述阀座区域(30)和所述阀构件(14)的座表面中的每一者围绕所述轴线A都是旋转对称的。
4.如权利要求3所述的注射装置，其中，所述阀座区域(30)具有圆锥形、球形或者弧形的形式。
5.如权利要求4所述的注射装置，其中，设置于所述座构件的端面中的所述特征部呈凹槽或者凹部(38；138；238；338；538)的形式。
6.如权利要求5所述的注射装置，其中，所述凹槽是弯曲的(338)、三角形的(238)或者矩形的(538)。
7.如权利要求6所述的注射装置，其中，所述阀座区域(30)与所述轴线(A)一起限定出座角度，所述凹槽(38、138)成形为使得供试剂在所述凹槽的底部(38a)处离开所述注射装置的喷射路径大致以所述座角度离开，而在所述凹槽的顶部(38b)处离开所述注射装置的喷射以比所述座角度更小的角度离开。
8.如权利要求7所述的注射装置，其中，所述凹槽(38、138)成形为使得供试剂离开所述注射装置的喷射路径大致是椭圆形的。
9.如权利要求1所述的注射装置，其中，所述特征部是设置于所述座构件(10)的端面(36)上的凸起区域(438)。
10.如权利要求9所述的注射装置，其中，所述座构件的端面(136)包括相对于所述注射装置的轴线(A)倾斜的倾斜区域(136b)。
11.如权利要求10所述的注射装置，其中，所述座构件的端面(136)还包括另一区域(136a)，该另一区域大致垂直于装置轴线(A)，并且其中所述倾斜区域(136b)与所述另一区域(136a)之间的交接周缘围绕所述装置轴线(A)限定出椭圆形路径。
12.如权利要求11所述的注射装置，其中，所述座构件的端面(136)和所述内部孔(12)限定出交接周缘，所述交接周缘在围绕所述周缘在至少一部分通路上形成尖锐的边缘(40)。
13.如权利要求12所述的注射装置，其中，所述交接周缘围绕所述周缘在基本所有点处形成尖锐的边缘(40)。
14.如权利要求12所述的注射装置，其中，所述尖锐的边缘(40)围绕所述交接周缘在沿径向相对的点处不存在。
15.如权利要求1-14中任一项所述的注射装置，其中，所述流动重新定向区域是内凹的。
16.如权利要求1-14中任一项所述的注射装置，其中，所述流动重新定向区域是球形或者弧形的。
17.如权利要求1所述的注射装置，包括注射装置壳体，所述座构件被接收在所述注射装置壳体内。
18.如权利要求1所述的注射装置，进一步包括弹簧，所述弹簧用于向着所述阀座区域(30)偏置所述阀构件(14)以中断试剂的输送。
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