CN106795795B - 将还原剂引入到排气流中的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将还原剂喷射到排气中的装置。装置包括设置在排气通道(3)中的管状本体(19)以及适于将还原剂喷射到喷射空间(21)中的喷射元件(18)，所述喷射空间由管状本体(19)中的内部空间限定，排气适于经由管状本体(19)中的至少一个外周入口开口(19d)被引导到喷射空间(21)中，所述入口开口(19d)围绕喷射空间(21)中的中心纵向轴线(20)延伸至少一圈，排气经由所述入口开口被引导到喷射空间(21)中。

Description

将还原剂引入到排气流中的装置
技术领域
本发明涉及依照权利要求1的前序部分的一种将还原剂喷射到排气中的装置。
背景技术
为了减少来自柴油发动机的氮氧化物的排放，使用称为SCR(选择性催化还原)的技术。这种方法需要将指定剂量的呈尿素溶液形式的还原剂添加到排气导管中的柴油发动机排气中。尿素溶液可以以这样的方式喷射到排气导管中，使得其在与热排气接触时被蒸发，并且形成氨。接下来将氨和排气的混合物引导通过发生化学反应的催化剂。这里，排气中的氮氧化物的氮含量与氨中的氮反应，形成氮气。氮氧化物中的氧与氨中的氢反应，形成水。排气中的氮氧化物因此被还原为催化剂中的氮气和水蒸汽。利用正确的尿素剂量，可以在很大程度上降低柴油机的氮氧化物排放。
可以借助于喷射元件来供给尿素溶液，将尿素溶液以雾化形式喷射到排气导管中。然而，难以避免添加的尿素溶液的一部分以未蒸发状态与排气导管的内壁表面接触并粘附在排气导管的内壁表面上。经常与环境空气接触的排气导管具有比排气导管内部的排气更低的温度。因此，尿素溶液的膜可以在排气导管中形成，所述膜被排气流拖拉。在一定距离之后，尿素溶液中的水沸腾。残留有通过热量缓慢蒸发的固体尿素。如果尿素层足够厚，则尿素及其分解产物将彼此反应。结果是尿素基质上的原始聚合物，即所谓的尿素团块。这种尿素团块随着时间推移可能阻塞排气导管。
SE 535 198示出了其包括呈截头圆锥形式的外壳、具有内部空间的排气导管，尿素溶液在所述内部空间中被喷射到排气中。因此，不存在蒸发的尿素溶液可能至少最初碰到排气导管中的内壁表面的风险。外壳包括外周入口开口，排气从外周入口开口流入内部空间。流入的排气强制添加的尿素溶液朝向内部空间的中间。这防止未蒸发的尿素溶液撞击外壳的内壁表面。然而，不可能完全防止尿素溶液的少量积累在外壳的内壁表面上出现。尿素溶液的这种少量积累可以被外壳中的主要排气流沿朝向外壳的前边缘表面的方向拖曳，未蒸发的尿素溶液可以以相对充足的量积累在所述前边缘表面上。这里，存在可能形成尿素团块的风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种向排气供给还原剂的装置，由此显着减少团块形成的危险。
所述目的利用开头所述类型的装置来实现，其特征在于权利要求1的特征部分中所述的特征。管状本体从而包括至少一个细长入口开口，其围绕由管状本体限定的喷射空间的中心轴线延伸至少一圈。经由这样的径向入口开口流入喷射空间的排气形成流入气体的基本圆形的屏障。以有效的方式围绕喷射空间延伸至少一圈的这样的排气屏障防止已经粘附在管状本体的位于入口开口上游的表面上的未蒸发的还原剂移动到管状本体上的位于入口开口下游的表面。还原剂可以是尿素溶液或含有氨盐的另一种溶液。有利地，管状本体配备有几个这样的入口开口或配备有围绕中心轴线以一定角距延伸若干圈的一个入口开口。这以有效的方式防止还原剂的较小局部积累被主排气流移动并且以更大量积累在设置于管状本体中的下游的表面上，特别是积累在管状本体出口处、在另一端处的表面上。因此，基本上消除还原剂在管状本体上大量积累的风险，以及团块形成的风险。
根据本发明的一个实施方式，所述入口开口由平行设置的两个细长材料段限定，所述两个细长材料段围绕中心纵向轴线彼此相距一定距离延伸。借助于这样的细长材料段，可以以简单的方式形成入口开口。
根据本发明的一个实施方式，所述细长材料段以螺旋弹簧形式被包括于一个集合式单元中。螺旋弹簧是相对简单的部件，利用其可以形成具有根据本发明的内部空间的管状本体。螺旋弹簧由围绕中心纵向轴线以一定角距延伸的细长元件组成。在这种情况下，获得具有沿整个管状本体的长度的螺旋延伸的集合式入口开口。
根据本发明的一个替代实施方式，所述细长材料段是环形的，并且各细长材料段之间的所述细长入口开口借助于间隔元件形成。间隔元件可以是任何类型，只要它们具有连接彼此相隔一定距离的相邻的细长材料段的能力即可。然而，间隔元件应当具有相对小的尺寸，以使得未蒸发的还原剂无法经由间隔元件被引导从两个相邻的细长材料段之间横穿。
根据本发明的一个实施方式，所述管状本体限定喷射空间，所述喷射空间具有从第一端到第二开口端的连续增加的横截面区域，还原剂在所述第一端处被喷射到喷射空间中。管状本体有利地包括入口开口，所述入口开口在距管状本体的第一端各种各样的距离处导入排气。因此，排气量将会在喷射空间内从管状本体的第一端到其第二端依次增加。为了使喷射空间也能够接收与第二端连接的排气，喷射空间适于沿朝向第二端的方向依次增加。管状本体从而可以成形为类似截头圆锥。
根据本发明的一个实施方式，喷射空间具有圆形横截面区域。因此，还原剂的喷射可以发生在距管状本体的所有相邻表面的距离相等的中心位置。因此，这消除在大多数情况下，未蒸发的还原剂积累在管状本体的特定区域中的风险。然而，喷射空间可以具有任何基本上任意的横截面面积。其可以例如是椭圆形或具有多边形形状。
根据本发明的一个实施方式，所述细长材料段具有圆形的横截面形状。具有圆形的横截面形状的细长材料段具有不含尖锐边缘的外表面，未蒸发的还原剂可能积累在所述外表面上。应当避免尖锐边缘，也是因为它们是在排气温度低的期间快速冷却的区域。粘附在具有圆形的横截面的细长材料段上的任何潜在的未蒸发的还原剂形成分布在较大表面上的薄膜。这样的薄膜通常相对快速地蒸发。所述细长材料段可以可选地具有椭圆形的横截面形状。在这种情况下，不存在未蒸发的还原剂可能积累的尖锐边缘。
根据附加替代例，所述细长材料段可以具有呈带圆角的多边形形式的横截面形状。特别地，如果细长材料段具有三角形或正方形的横截面形状，则拐角应当是圆形的，使得还原剂不会积累在拐角中。
根据本发明的一个实施方式，管状本体由不锈钢制成。不锈钢是一种材料，其耐受管状本体经受的与排气接触的腐蚀性和温暖的环境。不锈钢还具有相对良好的导热性，这有利于未蒸发的还原剂在其被粘附在管状本体上时的蒸发。替代地，管状本体可以由铜或合适的金属合金制成。
根据本发明的一个实施方式，所述细长入口开口的宽度在0.5-5mm范围中。利用这样的入口开口，在大多数情况下，提供了进入喷射空间中的排气流，其有效地防止未蒸发的还原剂穿过入口开口。应当注意，排气流通过较窄的入口开口比通过较宽的入口开口获得更高的速度。因此，不明显的是，较宽的入口开口以比较窄的入口开口更有效的方式防止未蒸发的还原剂在两个细长材料段之间通过。
根据本发明的一个实施方式，所述细长入口开口在管状本体的第一端和第二端之间具有变化的宽度。通过改变宽度，可以在管状本体的不同区域中提供期望的排气流入。替代地，所述细长入口开口可具有恒定宽度。
根据本发明的一个实施方式，所述细长材料段的直径在2-8mm范围中。细长材料段可以由细长螺纹构成，所述细长螺纹设置有围绕中心轴线的合适的曲率。利用这样的直径，在大多数情况下提供管状体，其有效地减少团块的形成。
根据本发明的一个实施方式，所述装置适于作为一个集合式单元，其可以成整体地安装在包括排气导管的容器内。所述装置可以包括支撑管状本体和喷射元件的板状元件。所述装置可以装配在容器中的开口内。在装配状态下，板状元件密封容器中的开口。所述装置有利地装配在排气导管的弯曲段中。排气导管在这里可以包括大约90°的弯曲。这有助于排气经由入口开口流入管状本体的喷射空间中。足以将排气导管中的一部分排气引导到喷射空间中。合适地，总排气流的5-50％、优选10-20％被引入到喷射空间中。
附图说明
下面参考附图描述本发明的优选实施方式作为示例，其中：
图1示出根据本发明的一个实施方式的一种用于将尿素溶液喷射到排气导管中的装置，以及
图2更详细地示出所述装置。
图3a-b示出图2中的管状本体的两个替代形状，
图4a-c示出形成管状本体的细长元件的三个不同的替代横截面，以及
图5示出根据一个替代实施方式的管状本体。
具体实施方式
图1示出呈柴油发动机1形式的燃式发动机。柴油发动机1可以用作用于示意性显示的重型货物车辆2的驱动马达。来自柴油发动机1的气缸的排气经由排气歧管被引导到排气导管3。排气导管配备有根据称为SCR(选择性催化还原)方法的催化排气净化器。所述方法需要将还原剂(其可以是尿素溶液)供给到柴油发动机的排气导管3中的排气。尿素溶液存储在罐4中并且经由导管5被引导到适于将尿素溶液喷射到来自燃式发动机1的排气中的装置13。可以是计算机单元并且配备有适当软件的控制器件7通过启动呈泵形式的剂量元件来控制被引导到装置13的尿素溶液的供给。装置13被包括在排气处理系统11中。
装置13设置在呈消音器形式的容器14中。容器14还包含微粒过滤器15和SCR催化器16。容器14还可以包括其它排气净化部件，例如氧化催化器和氨逃逸催化器。添加的尿素溶液被排气加热，使得其被蒸发并转化成氨。当蒸发的尿素溶液到达SCR催化器16时，发生化学反应，在所述化学反应中，排气中的氮氧化物中的氮与氨中的氮反应，以使得形成氮。氮氧化物中的氧与氨中的氢反应，形成水。因此，排气中的氮氧化物在SCR催化器16中被还原成氮气和水蒸汽。
图2更详细地示出装置13。装置13包括板状元件17，其可以安装在容器14的入口开口内。喷射元件18附接在板状元件17上的中心位置。喷射元件18适于从导管5接收尿素溶液并且将尿素溶液作为雾化喷雾喷射到排气中。喷射元件18有利地由不锈钢制成，这意味着它可以承受与排气接触的热和腐蚀性环境。因此，容器14包括将排气引导出燃式发动机1的排气导管3。装置13装配在容器14的侧部，排气已经在颗粒材料过滤器15中被净化掉材料颗粒之后，排气导管3通过所述侧部。装置13包括成形为类似截头圆锥体的管状本体19。装置13应用在排气导管3的弯曲段中，排气流在所述弯曲段中获得大约90°的方向变化。
管状本体19在设置有喷射元件18的第一封闭端19a与第二开口端19b之间延伸。管状本体19具有中心纵向轴线20，所述中心纵向轴线还可以延伸穿过喷射元件18。管状本体19限定内部喷射空间21，喷射的尿素溶液被接收在所述内部喷射空间中。喷射空间21具有从管状本体的第一端19a到其第二端19b依次增加的横截面区域。管状本体19由若干细长材料段19c限定，每个细长材料段围绕中心轴线20延伸一圈。在这个实施方式中，每个细长材料段19c以若干度的角距围绕中心轴线20延伸。在这种情况下，所有细长材料段19c彼此连接，以使得它们以螺旋弹簧形式形成一个集合式部件。细长材料段19c位于距相邻细长材料段19c一定距离处，使得细长入口开口19d形成在各细长材料段19c之间。当排气到达弯曲段时，排气的第一部分3a与管状本体19接触，并且经由细长入口开口19d被引导到喷射空间21中。排气的第二部分3b被进一步引导到排气导管3中，而不与管状本体19接触。到达喷射空间21的排气经由管状本体的第二开口端19b被引出到排气导管3的接合段。管状本体19的尺寸可设计成使得其接收排气导管3中的总排气流的大约10-20％。
图3a示出管状本体19的前视图。因此，管状本体19由细长材料段19c组成，限定具有从饼状本体的第一端19a到第二端19b依次增加的横截面区域的喷射空间21。在这种情况下，喷射空间21具有圆形横截面区域。细长材料段19c从而围绕中心纵向轴线22以圆形方式延伸。图3b示出管状本体19的替代实施方式。在这种情况下，管状本体19限定具有带圆角的大致正方形横截面区域的喷射空间21。
图4a示出了通过管状本体19的三个相邻的细长材料段19c的横截面图。细长材料段19c彼此隔开一定距离设置，其限定所述入口开口19d。这里，很明显，每个细长材料段19c具有圆形的横截面面积。图4b示出穿过彼此相隔一定距离设置的三个相邻的细长材料段19c的横截面图，其根据一个替代实施方式限定所述入口开口19d。在这种情况下，细长材料段19c具有椭圆形横截面区域。图4c示出穿过彼此相隔一定距离设置的三个相邻的细长材料段19c的横截面图，其根据另一个替代实施方式限定所述入口开口19d。在这种情况下，细长材料段19c具有带圆角的矩形横截面区域。
图5示出管状本体19的替代实施方式。在这种情况下，管状本体19由环形的细长材料段19c组成。环形的细长材料段借助于间隔元件19e彼此保持在一定距离处。该距离限定入口开口19d的宽度。间隔元件19e可以以许多不同的方式形成。然而，它们应当相对较窄，以使得它们基本上不影响穿过入口开口19d的排气流。环形材料段19c具有从第一端19a到第二端19b依次增加的直径，使得它们限定在排气的定向流中具有依次增加的横截面面积的喷射空间21。在这个实施方式中，入口开口19d的尺寸也随着与第一端19a的距离而增加。
在车辆1的操作期间，控制器件7接收关于例如当前排气流和排气导管3中的排气的温度的信息。借助于这个信息，控制器件7计算需要添加的尿素溶液的量，以便使排气中的氮氧化物水平最优化地减少。控制器件7从而启动泵8，使得其将所需量的尿素溶液供给到将尿素溶液喷射到喷射空间21中的喷射元件18。排气导管3中的排气的第一部分3a从而经由管状本体19的入口开口19d被径向地引导到喷射空间21中。这种径向向内引导的排气流的目的是部分地将未蒸发的尿素溶液引导到喷射空间内部的更中心位置，以使得其不会粘附在管状本体的19的内表面上。另一个目的是产生流入排气的屏障，防止粘附在细长材料段19c上的未蒸发的尿素溶液经由入口开口19d、借助于管状本体19中的主排气流而移动到设置在下游的细长材料段19c。这有效地防止粘附在不同的细长材料段19d上的较小量的尿素溶液与排气一起移动并更大量地积累在管状本体的第二开口端19b处。
细长材料段19c由具有良好圆形横截面形状的螺纹状元件组成。它们可以具有圆形横截面形状、椭圆形横截面形状或由具有良好圆形边缘的多边形限定的横截面形状。细长材料段19c具有不含尖锐边缘的横截面区域。尖锐边缘是未蒸发的尿素溶液可能大量积累的区域，同时存在这样的区域可能在它们与低温的排气接触时快速冷却的风险。因此，各个细长材料段19c不具有便于未蒸发的尿素溶液积累的形状。因此防止粘附在任何单独的细长材料段19c上的任何潜在的未蒸发的尿素溶液被转移到相邻的单独细长材料段19c，粘附在单独细长材料段19c上的尿素溶液从而可以仅仅局部累积，并且在圆形表面上形成非蒸发的尿素溶液的薄膜。这样的薄的聚积物相对快速地蒸发。因此基本上消除长时间积累大量尿素溶液的风险，并且因此也消除尿素结块形成的风险。
本发明不限于在附图上显示的实施方式，而是可以在权利要求的范围内自由地改变。

Claims (14)

1.将还原剂喷射到排气中的装置，其中装置(13)包括设置在排气导管(3)中的管状本体(19)，以及喷射元件(18)，所述喷射元件适于将还原剂喷射到由管状本体(19)中的内部空间限定的喷射空间(21)中，其中排气适于经由管状本体(19)中的至少一个外周入口开口(19d)被引导到喷射空间(21)中，
其中，所述入口开口(19d)围绕喷射空间(21)中的中心纵向轴线(20)延伸至少一圈，排气经由所述入口开口引导到喷射空间(21)中，
其中，所述入口开口(19d)由平行设置的两个细长材料段(19c)限定，所述两个细长材料段围绕中心纵向轴线(20)彼此相距一定轴向距离延伸，
其中，所述细长材料段(19c)以螺旋弹簧形式被包括于一个集合式单元中，
其特征在于，所述入口开口(19d)的宽度从管状本体的第一端(19a)到其第二端(19b)依次增加。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述细长材料段(19c)是环形的，以及各环形材料段(19c)之间的所述入口开口借助于间隔元件(19e)形成。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，管状本体(19)限定喷射空间(21)，所述喷射空间具有从第一端(19a)到第二端(19b)连续增加的横截面区域，还原剂在所述第一端处被喷射到喷射空间(21)中。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，喷射空间(21)具有圆形横截面区域。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述细长材料段(19c)具有圆形的横截面形状。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述细长材料段(19c)具有椭圆形的横截面形状。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述细长材料段(19c)具有呈圆角多边形形式的横截面形状。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，管状本体(19)由不锈钢制成。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述入口开口(19d)的宽度在0.5-5mm范围中。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述细长材料段(18a)的直径在2-8mm范围中。
11.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置适合于作为一个集合式单元，所述集合式单元能够成整体地装配在包括排气导管(3)的容器(14)中。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置包括支撑管状本体(19)和喷射元件(18)的板状元件(17)。
13.车辆(2)，包括根据在前权利要求1-12中任一项所述的装置(13)。
14.排气处理系统(11)，包括根据在前权利要求1-12中任一项所述的装置(13)。
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