CN104066945A - 用于蒸发排气管路中的流体的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于蒸发排气管路(2)中的流体(7)的装置具有一个被设计用于喷射流体(7)的喷射阀(4)，和一个电热塞(6)。电热塞(6)具有至少一个可加热的区域(6b)。喷射阀(4)如下设计和布置，即至少部分从喷射阀(4)中射出的流体(7)到达电热塞(6)的可加热的区域(6b)上。

Description

用于蒸发排气管路中的流体的装置和方法
技术领域
本发明涉及到一种用于蒸发内燃机的排气管路中的流体的装置和方法。
现有技术
在具有内燃机的汽车上由于尾气排放法规除了其他的有害物质此外还需要减少NOX污染物的排放。这里所使用的一种方法是所谓的SCR方法，在这种方法中借助催化净化器中的一种液态的含有尿素的还原剂(“AdBlue”)减少NOX的排放。
为了在这里达到很好的效率，液态的催化剂应该以尽可能小的液滴，这意味着以雾状物被供给废气。在足够高的温度，特别是在大于200℃的温度下，还原剂蒸发并形成氨，它到达催化净化器中并且将废气中包含的氮氧化物还原为基本的氮气和水蒸气。
这种SCR方法的一个问题是尿素在低于200℃的温度下的结晶。由于这个原因SCR系统通常只有在超过200℃的温度下才起作用。由于在实验循环中也要考虑到低于200℃的“冷运行阶段”，SCR系统必须通过在更高工作温度下的更高的转化效率对该缺点进行补救，从而在平均值上不超过预设的废气值。
因此期望的是，解决所述的冷启动问题。为了解决该问题此外建议蒸发装置，它在冷运行状态下起作用，目的是蒸发尿素。
至今为人熟知的蒸发装置通常包括一个可加热的容器，液态的还原剂在其中聚集并通过热传导转换为蒸汽或者说氨。可选的也可以将液态的还原剂喷射进一个热的容器中，这里它在到达热的表面时转化为蒸汽和氨。在蒸发装置中产生的气体之后可以通过合适的方法与废气混合。
DE 10 2005 063 081 A1公开一种用于安装在内燃机的排气管路中的部件，它具有一个在两个端部设计有连接凸缘的管件和一个被安装在管件外侧上的用于在管件中对先导还原剂进行配量的配量模块。在配量模块和管件的位于下游的端面之间在已配量的先导还原剂的运动路线上布置一个表面蒸发器。
发明公开
本发明的任务是，建议一种可以简单和低成本的实现的装置和一种可靠的和低成本的方法，用于蒸发排气管路中的液态还原剂。
根据本发明蒸发装置由一个被布置在排气管路中的具有至少一个可加热区域的标准电热塞，以及一个标准喷射阀组成。喷射阀和电热塞在这里如下设计和互相间如下布置，即还原剂由喷射阀至少部分的喷射到电热塞的一个在工作时热的区域内。
这里建议的蒸发装置具有的优点是，热源(电热塞)和喷射阀在技术上都已经成熟并可以以很低的成本大批量的使用。根据发明的蒸发装置因此可以特别可靠的并且可以低成本的实现。
在一种结构形式中电热塞在纵轴上具有长度延伸，同时电热塞和喷射阀如下布置，即还原剂在工作时以一个相对于电热塞的纵轴成45°至135°的角度喷射。这可以使液态的还原剂特别有效的喷射到电热塞上。
在一种结构形式上在电热塞的一个在工作时热的区域周围形成用于容纳由喷射阀喷出的还原剂的流体聚集区。由此可以使更多数量的液态还原剂在足够长的时间范围内保持与电热塞的在工作时热的区域的接触并由此被蒸发。
在一种结构形式中流体聚集区通过一个至少部分包围电热塞的套筒限制。一个包围电热塞的套筒提供一种可以简单的和低成本的制造的和有效的流体聚集区。
在一种结构形式上流体聚集区被设计成一个至少部分包围电热塞的(金属)丝网。所喷射的还原剂具有如下可能性，即被捕获和收集在热的(金属)丝网中。以这种方式也可以有效的蒸发更多数量的液态还原剂。
在一种结构形式上套筒具有一个或多个孔。通过这些孔可以通过毛细作用使液态的还原剂进入一个被设计在电热塞和套筒之间的区域中，并且在电热塞的在工作时热的区域的邻近区域内形成一个流体聚集区。
有利的是，套筒的孔具有一个向外打开的漏斗的形状，套筒在一个或多个位置上与电热塞的在工作时热的区域直接接触。可选的套筒也可以在面对喷射阀的一侧上部分打开，而在背对喷射阀的一侧上仅仅具有很小的孔。在这种结构形式中还原剂的喷束还可以更好的通过上述的缝隙进入套筒中并且在蒸发之后通过孔从套筒中逸出。
在一种结构形式上喷射阀如下设计，即它在一个第一时间段内喷射一个散开的线束至电热塞上，而在一个第二时间段内喷射一个细小的宽的雾状喷束。
喷射阀的喷束形状在很大程度上通过由填充系数或者说填充频率确定的喷射压力和喷射量决定。为人熟知的是，具有设计有相应的喷孔结构的喷孔版的阀门在喷射过程的开始首先喷射一个在其表面上散开的线束，它在更长的喷射持续时间内转变为宽的细小的雾状喷束。这种效果主要取决于压力。
这种特性可以在喷射过程进行中改变喷束形状并由此通过选择喷射持续时间影响直接到达电热塞上的还原剂的比例。特别的可以通过很短的喷射脉冲将大部分喷射的还原剂喷到热的电热塞上，相反的在很长的喷射脉冲下仅仅相对更小比例的所喷射的还原剂到达电热塞上并通过它蒸发，而大部分以细小的雾状喷束喷出的还原剂未到达电热塞的热的区域。
在一种结构形式中还原剂在很低的废气温度下以很短的脉冲喷射，而在很高的废气温度下以持续时间更长的脉冲喷射，从而在很低的废气温度下使更大比例的所喷射的还原剂到达电热塞上并由其蒸发，相反的在更高的废气温度下(这时不一定需要通过外部的热源蒸发还原剂)还原剂以细小的雾状被喷射到排气管路中，从而可以使还原剂与废气更好的混合。
特别的喷射阀在冷启动时在很低的压力下以很高的频率和很短的喷射持续时间起作用。由此使在其表面散开的液态还原剂到达电热塞。由于在很低的温度下发动机仅仅产生很少量的NOX，因此仅仅需要很少的还原剂。
当发动机达到工作温度之后，如果转换到热工作模式下，则由于废气中现在更多的NOX量需要通过提高喷射压力和/或延长喷射持续时间提高液态还原剂的喷射量。这导致宽平面的细小的雾状喷束。绝大部分细小的宽的散开的雾状喷束未到达电热塞。仅仅很小一部分到达电热塞。由于在此之间关闭的电热塞被现在热的废气继续剧烈加热，因此到达电热塞上的液态还原剂马上蒸发。
在一种结构形式上排气管路的至少一部分如下设计，即它将废气气流的至少一部分转向到电热塞的方向上。通过转向到电热塞方向上的废气气流可以实现废气气流与从电热塞蒸发的还原剂的特别有效的混合。
附图说明
本发明在下文中将借助图示中展示的结构示例进一步展示。这里展示了：
图1根据发明的用于蒸发排气管路中的液态还原剂的装置的第一结构示例的截面透视图；
图2根据发明的具有一个包围电热塞的套筒的装置的第二结构示例的截面透视图；
图3根据发明的具有一个包围电热塞的线网的装置的第三结构示例的截面透视图；
图4根据发明的具有一个额外的喷气嘴的装置的第四结构示例的截面透视图；
图5根据发明的具有一个用于使排气管路中的废气转向的转向装置的装置的第五结构示例的截面透视图；
图6根据发明的具有一个被布置在排气管路中的用于使废气气流转向的导向板的装置的第六结构示例的截面透视图；和
图7图6的导向板的示意图。
具体实施方式
图1展示根据发明的用于蒸发排气管路2中的还原剂的装置的第一结构示例的截面透视图，在图1中展示的示例中废气气流3从右向左流动。
在排气管路2上在图1的上部展示的一侧上设计一个凸缘5，在其上布置一个电热塞6和一个喷射阀4。
通过一个在图1中未展示的液流管路将待喷射的液态的还原剂引导至喷射阀4上，从而将它喷射到排气管路2中。
电热塞6具有一个被布置在排气管路2外部的外侧区域6a和一个被布置在排气管路2内部的被设计成圆柱形的内侧区域6b。电热塞6如下设计，即被布置在排气管路2内部的内侧区域6b在工作时被加热到一个很高的温度，该温度大于通过喷射阀4喷射的液态还原剂的蒸发温度。
喷射阀4和电热塞6在这里如下设计，即喷射到排气管路2中的液态还原剂的喷束7到达电热塞6的在工作时热的内侧区域6b上并在那里蒸发。特别的喷射阀4和电热塞6如下布置，即电热塞6的纵轴A和所喷射的还原剂的喷束7之间的角度在45°和135°之间。
通过设计在排气管路2上的凸缘5在凸缘5的区域中在排气管2中形成一个循环气流3b，它将一部分废气3引导至电热塞6的在工作时热的内侧区域6b周围，从而使废气3接受由电热塞6蒸发的还原剂并与主废气气流3混合。
图1中展示的装置在很低的废气3的温度下也可以实现气态的还原剂与流过排气管路2的废气3的有效的混合。
图2以示意图展示根据发明的装置的一种改进的结构示例。出于表示清楚的目的这里未展示排气管路2，该图示局限于展示电热塞6和喷射阀4。
在图2中展示的结构示例中电热塞6的在工作时热的内侧区域6b由一个(金属)丝网10包围，液态的还原剂在喷射过程中由喷射阀4至少部分的喷射到线网10上。
一部分所喷射的还原剂被捕获在线网10中，并在那里聚集和逐渐的蒸发。图2中展示的结构示例也可以完全蒸发更大数量的液态还原剂，当它如在图1中所展示的第一结构示例中直接被喷射到电热塞6的热的区域6b时，则不能完全蒸发。
图3展示一种可选的第三结构示例，它同样的可以实现完全蒸发更大数量的液态还原剂。
取代图2中展示的线网10，电热塞6的被布置在排气管路2中的在工作时热的区域6b由一个套筒8包围，它具有穿孔的壁。套筒8的壁和电热塞6的在工作时热的内侧区域6b的外圆周之间的径向距离在这里最好小于0.5mm，特别是小于0.4mm。在套筒8的壁上设计多个孔9，它们可以使由喷射阀4喷入排气管2中的液态还原剂7进入被设计在套筒8和电热塞6的在工作时热的内侧区域6b之间的区域内，并在那里形成流体聚集区。由于电热塞6的内侧区域6b的高温，集聚在流体聚集区中的液态还原剂7逐渐的蒸发。
这里有利的是，孔9在套筒8的壁内具有一个向外打开的漏斗形的结构。同样有利的是，套筒8在一些位置上与电热塞6的热的区域6b直接接触，从而也可以将套筒8加热到一个很高的温度。
在可选的图示中未展示的结构示例上套筒8也可以在面对喷射阀4的一侧上部分打开，这里它在背对喷射阀4的一侧上仅仅具有很小的孔，从而液态还原剂的喷束7通过面对喷射阀4的缝隙进入位于套筒8和电热塞6之间的区域中，而蒸发的还原剂通过设计在套筒8的背对喷射阀4的一侧上的孔9从套筒8逸出到排气管路2中。这可以实现喷射到排气管路2中的液态还原剂的特别有效的蒸发。
图4展示另一种结构示例的截面示意图，这里在凸缘5上布置一个额外的喷嘴12。额外的喷嘴12被设计用于在工作时将额外的气流13引导至电热塞6的在工作时热的内侧区域6b上，从而实现在电热塞6的热的区域6b上蒸发的还原剂与流过排气管路2的废气3的更好的混合。从喷嘴12喷出的气流13可以包含从排气管路2中分出的废气3或者从外界大气引入的空气。
图5展示根据发明的装置的另一种结构示例，这里在排气管路2中在凸缘5的上游布置一个转向装置(混合器)14。转向装置14如下设计，即它使排气管路2中的废气气流3转向到电热塞6的在工作时热的区域6b的方向上。这实现在电热塞6的热的区域6b上蒸发的还原剂与排气管路2中的废气3的更有效的混合。
图6展示另一种结构示例的截面示意图，这里电热塞6的在工作时热的内侧区域6b由一个径向套筒8包围，如它在图3中描述的那样。
图6中展示的结构示例此外具有一个导向板12，它如下设计和布置在排气管路2中，即它容纳流过排气管路2的废气气流3并且对应于连续方程使它们转向和加速到电热塞6的方向上。
特别的导向板12具有一个固定在凸缘5上的上固定区域12a和一个与上固定区域12a有一定距离的下导向区域12b。在固定区域12a和导向区域12b之间设计一个导向孔12c，它与下导向区域12b一起实现将废气气流3按照期望的如上所述转向和加速到电热塞6的方向上。
与导向板12相对的在电热塞6的背对喷射阀4的一侧上如下布置一个蒸发板14，即它与排气管路2具有一个热绝缘的距离。通过热的废气气流3蒸发板14在工作时被加热到一个很高的温度。热的蒸发板14促进液态还原剂的蒸发并阻止在很低的废气温度下的结晶。
图6中展示的结构类似于非直接喷射的柴油机的预燃室或者说涡流室。蒸发室在这里对应于预燃室。蒸发室的壁必须一直具有非常高的温度，从而防止形成氨结晶。这通过一个由蒸发板14和导向板12形成的组件实现，它通过空气间隙与相对较冷的排气管路2热隔离。
图7展示导向板12的前视示意图。在前视图中可以特别清楚的看出下导向区域12b和被设计在其上方的导向孔12c，废气气流3流经它们并被转向。
在一种有利的结构示例上喷射装置包括电热塞6和喷射阀4作为一个单元被安装在一个转接器上，它整体的被安装在排气管路2上。这简化了根据发明的装置的装配和物流运输。图3中展示的套筒8同样可以是该转接器的组成部件，从而将电热塞6借助其在工作时热的下侧区域6b在装配时很简便的推入套筒8中。通过这种转接器可以显著简化根据发明的喷射装置在排气管路2上的装配。

Claims (10)

1.用于蒸发内燃机的排气管路(2)中的流体(7)的装置，这里该装置具有一个喷射阀(4)，它被设计用于将流体(7)喷入排气管路(2)中，
其特征在于，
该装置具有一个带有至少一个可加热区域(6b)的电热塞(6)，该可加热区域被布置在排气管路(2)的内部，和
喷射阀(4)和电热塞(6)如下设计和布置，即由喷射阀(4)喷入排气管路(2)中的流体(7)至少部分到达电热塞(6)的该至少一个可加热区域(6b)上。
2.根据权利要求1的装置，这里在电热塞(6)的该至少一个可加热区域(6b)的周围设计一个流体聚集区，它被构造用于容纳由喷射阀(4)喷入排气管路(2)中的流体。
3.根据权利要求2的装置，这里流体聚集区被设计成一个至少部分包围电热塞(6)的金属丝网(10)的形式。
4.根据权利要求2的装置，这里流体聚集区被设计成一个至少部分包围电热塞(6)的套筒(8)的形式。
5.根据权利要求4的装置，这里套筒(8)具有一个或者多个向外打开的特别是被设计成漏斗形的孔(9)。
6.根据上述任一个权利要求的装置，这里喷射阀(4)如下设计，即它在第一时间段内喷射一个集中的线束，而在紧接第一时间段的第二时间段内喷射一个雾状喷束。
7.根据上述任一个权利要求的装置，这里如下设计排气管路(2)的一个区域，即它使废气气流(3)的至少一部分转向到电热塞(6)的方向上。
8.用于蒸发排气管路(2)中的流体的方法，其特征在于，待蒸发的流体(7)至少部分被喷射到电热塞(6)的热的区域上，该区域被布置在排气管路(2)中。
9.根据权利要求8的方法，这里流体(7)在很低的废气温度下以短脉冲，而在更高的废气温度下以更长的脉冲喷射。
10.根据权利要求8或9的方法，这里至少一部分流经排气管路(2)的废气气流(3)被转向到电热塞(6)的方向上。
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