ES2209531T3 - Injector para fluido refrigerante. - Google Patents

Abstract

Un aparato para inyectar un chorro de reactivo líquido (7) en forma atomizada en un sistema de escape que tiene un conducto de escape (4) que contiene gases calientes (16) y un reactor (5) que contiene un catalizador, estando el reactor (5) en comunicación de fluido con el conducto de escape (4), comprendiendo dicho aparato: Un depósito (6) que contiene el reactivo líquido (7); una válvula (18, 26) montada én el conducto (4) y que tiene un orificio (22) que suministra una comunicación de fluido entre dicha válvula (18, 26) y el conducto (4); una línea de suministro (9) que se extiende entre dicho depósito (6) y dicha válvula (18, 26) para suministrar el reactivo líquido (7) a dicha válvula (18, 26) para inyección; una entrada (34) dispuesta en dicha válvula (18, 26) y en comunicación de fluido con dicha línea de suministro (9); caracterizado por una línea de retorno (12) que se extiende entre dicho depósito (6) y dicha válvula (18, 26) para retornar el reactivo líquido (7) desde dicha válvula (18, 26) hasta dicho depósito (6); medios (11) para circular (7a) el reactivo líquido (7) desde dicho depósito (6) a través de dicha válvula (18, 26) a una presión predeterminada; suministrando dicha entrada (34) el reactivo (7) a una región de dicha válvula contigua a dicho orificio (22); una salida (36) dispuesta en dicha válvula (18, 26) y en comunicación de fluido con dicha línea de retorno (12), permitiendo dicha salida (36) la retirada del reactivo (7) de dicha región de dicha válvula (18, 26) contigua a dicho orificio (22); y medios (38) para accionar dicha válvula (18, 26) entre una posición abierta en la que dicho orificio (22) está abierto y al menos una parte del reactivo líquido (7) que circula a través de dicha válvula (18, 26) es expelido a través de dicho orificio (22) hacia dicho conducto (4) a dicha presión predeterminada, y una posición cerrada en la que dicho orificio (22) está cerrado por dicha válvula (18, 26), permitiendo dichos medios de circulación (11) la circulación de dicho líquido (7) independientemente de la posición de dicha válvula (18, 26).

Description

Injector para fluido refrigerante.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a un aparato y a un método de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 8, respectivamente.

Antecedentes de la invención

Se puede conseguir una mejora en el rendimiento del combustible para vehículos que tengan motores de combustión interna mediante el empleo de motores diesel o motores de gasolina que funcionan con un exceso de oxígeno respecto a la cantidad necesaria para una combustión completa del combustible. Se dice que tales motores funcionan "pobres" o sobre una "mezcla pobre". El aumento en la economía del combustible, sin embargo, se compensa por las no deseadas emisiones contaminantes, específicamente en forma de óxidos de nitrógeno (NOx).

Un método usado para reducir las emisiones de NOx en los motores de combustión interna es el conocido como reducción catalítica selectiva (SCR). El empleo del SCR, por ejemplo, para reducir las emisiones de NOx de un motor diesel, conlleva la inyección de un reactivo pulverizado en el flujo de escape del motor en relación a uno o más parámetros de funcionamiento del motor elegidos, tales como temperatura del gas de escape, rpm del motor o carga del motor medida por el flujo de combustible del motor, presión del turbosoplante o masa del flujo de NOx de escape. La mezcla gaseosa reactivo/gas de escape pasa a través de un reactor que contiene un catalizador, tal como, por ejemplo, carbón activado, o metales, tales como platino, vanadio o tungsteno, que son capaces de reducir la concentración de NOx en la presencia del reactivo. En la patente de EE.UU Aplicación No. 08/831,209, incorporada aquí mediante referencia, se describe un sistema SCR de este tipo.

Se sabe que una solución acuosa de urea es un eficiente reactivo en sistemas SCR para motores diesel pero sufre varias desventajas. La urea es altamente corrosiva y tiende a atacar a los componentes mecánicos del sistema SCR, tales como los inyectores usados para inyectar la mezcla de urea en el flujo de gas de escape. La urea también tiende a solidificarse cuando, de forma prolongada, está expuesta a temperaturas elevadas, como las que se encuentran en sistemas de escape diesel. La urea solidificada tiende a acumularse en los estrechos conductos y en las aberturas de los orificios que típicamente se encuentran en los inyectores. La urea solidificada inutiliza las partes móviles del inyector y tapona cualquier orificio, consiguiendo así que el inyector quede inútil.

Además, si la mezcla de urea no está finamente pulverizada, se formarán depósitos de urea en el reactor catalítico, inhibiendo la acción del catalizador y por tanto reduciendo la efectividad del sistema SCR. Las elevadas presiones de inyección son una forma de lidiar con el problema de una insuficiente pulverización de la mezcla de urea, pero las inyecciones de alta presión a menudo dan lugar a una penetración excesiva de la pluma del inyector en el flujo de escape, provocando que la pluma choque con la superficie interior del tubo de escape opuesta al inyector. La penetración excesiva conduce a un uso ineficiente de la mezcla de urea y reduce el intervalo en el que puede funcionar el vehículo con emisiones reducidas de NOx. Al igual que con el combustible para el vehículo, sólo puede llevarse una cantidad finita de urea acuosa y lo que se lleva debe usarse eficientemente para maximizar el intervalo del vehículo y reducir la necesidad de reponer frecuentemente el reactivo.

Adicionalmente, la urea acuosa en un lubricante pobre. Esta característica afecta negativamente a las partes móviles del inyector y requiere el empleo de montajes, márgenes y tolerancias especiales entre las partes móviles relativas del inyector.

La patente de EE.UU. 5 522 218 A muestra un aparato purificador de los gases de escape de la combustión y un método de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 8, respectivamente. El enfriamiento del inyector se consigue bien mediante circulación de un refrigerante por el sistema de refrigeración del motor o mezclando el reactivo con aire fresco antes de que entre el gas de escape. Ambas realizaciones necesitan un sistema extra de refrigeración y por tanto son complicados.

De DE-A-26 44 135 se conoce la utilización específica de combustible, suministrado a través de una válvula de inyección a una cámara de combustión, para refrigerar la válvula.

Compendio y objeto de la invención

La invención proporciona un aparato con un inyector para suministrar un fluido a un flujo de gas caliente, estando diseñado el inyector para funcionar eficientemente con un reactivo corrosivo, sensible a la temperatura, como urea acuosa. Cuando se emplea en un sistema para reducir las emisiones de NOx, el inyector está montado sobre un conducto de escape de un motor de combustión interna donde inyecta el reactivo en el flujo de gas de escape.

El inyector comprende una válvula y un mecanismo para mover la válvula entre una posición cerrada y una posición abierta. Los mecanismos accionadores aceptables incluyen, por ejemplo, un accionador tipo solenoide. Preferiblemente los componentes de la válvula expuestos a un calor excesivo o los reactivos corrosivos como la urea están hechos de un material resistente a la corrosión como acero inoxidable.

La válvula incluye un orificio a través del cual se expele el reactivo cuando la válvula está en la posición abierta. Sea cual sea el estado de la válvula (p.e., abierto o cerrado), el reactivo es circulado continuamente a su través cuando está funcionando el sistema, siendo expulsado al menos una parte del reactivo circulante cuando se abre la válvula. La circulación del reactivo enfría la válvula y minimiza el tiempo de secado del reactivo en la válvula, minimizando así la exposición del reactivo al calor y la creación de depósitos de urea. Así, la urea acuosa, por ejemplo, puede usarse eficientemente con un inyector de este tipo sin taponar o estropear el inyector. Se disponen mecanismos independientes de los mecanismos accionadores de la válvula para circular continuamente el reactivo a través de la válvula, como se describe en detalle posteriormente.

Preferiblemente la válvula comprende un cuerpo que tiene una cámara cilíndrica alargada en comunicación mediante fluido con el orificio. Se coloca un asiento de válvula en la cámara rodeando el orificio. Un empujaválvula alargado está montado en la cámara con posibilidad de deslizar. Un extremo del pistón es intercambiable con el asiento de válvula para cerrar el orificio. El pistón está conectado con los mecanismos accionadores y puede moverse desde la posición cerrada donde el extremo del pistón se une mediante sellado al asiento de válvula y la posición abierta donde se quita el extremo del pistón de la interunión de sellado con el asiento de válvula para abrir el orificio.

El mecanismo para circular fluido independientemente a través de la válvula comprende una porción del pistón que está dispuesta contigua al extremo del pistón. Esta parte del pistón tiene un diámetro menor que el diámetro de la cámara y forma un espacio fluido anular o conducto en la válvula contigua al asiento de válvula y al orificio. El conducto anular, así, permite tanto la circulación continua de fluido a través de la válvula y la expulsión de una parte del fluido a través del orificio cuando la válvula está en la posición abierta.

Preferiblemente, los mecanismos independientes de circulación del fluido comprenden además una entrada de fluido y una salida de fluido dispuestas en el cuerpo de la válvula en comunicación fluida con el conducto anular. El fluido, como el reactivo de urea acuosa, es suministrado desde una reserva y fluye en la válvula a través de la entrada, continúa a través del conducto anular y sale de la válvula a través de la salida, enfriando de esta forma al inyector. Cuando la válvula se abre mediante el accionador, se mueve el pistón de la válvula a la posición abierta, y se expele una parte del fluido de la cámara a través del orificio.

Para proporcionar en el inyector una protección adicional frente al calor, se interpone un escudo de calor entre la válvula y el flujo de gas caliente. El escudo de calor tiene un abertura que está alineada con el orificio. La abertura del escudo de calor permite que el fluido expelido de la válvula pase a través del escudo de calor y al chorro de gas caliente. El escudo de calor comprende preferiblemente una placa de metal y una capa de material aislante interpuesto entre la placa y la válvula. La abertura del escudo de calor pasa tanto a través de la capa de material aislante, como a través de la placa de metal.

Para mejorar la pulverización de los reactivos líquidos, especialmente con presiones de inyección relativamente bajas, se monta preferiblemente un gancho pulverizador sobre la válvula. El gancho pulverizador tiene un extremo que está separado respecto al orificio. El reactivo líquido expelido a través del orifico golpea sobre la superficie del extremo del gancho donde tiene lugar una mayor pulverización del reactivo. La forma y la posición de la superficie del extremo del gancho afecta directamente a las características de dispersión del reactivo inyectado.

Es un objeto de la invención proporcionar un inyector para inyectar un fluido en un chorro de gas caliente, siendo enfriado el inyector de una manera simple.

Otro objeto de la invención es proporcionar un inyector que se pueda usar con líquidos corrosivos tales como urea acuosa.

Un objeto más de la invención es proporcionar un inyector en el que no solidifique urea acuosa cuando el inyector está expuesto al calor.

Otro objeto de la invención es proporcionar un inyector que consiga una fina pulverización de los reactivos líquidos con presiones de inyección relativamente bajas.

Es otro objeto de la invención el proporcionar un inyector en el que una parte del fluido que se inyecta también circule continuamente a través del inyector para enfriar el inyector.

Otro objeto de la invención es proporcionar un inyector en el que se minimice el tiempo de secado del fluido en el inyector.

Otro objeto de la invención es proporcionar un inyector que pueda emplearse en un sistema de control de la contaminación para reducir las emisiones NOx de los motores de combustión interna.

Estos y otros objetos se van a hacer obvios al tener en cuenta los siguientes dibujos y la descripción detallada de la invención.

Breve Descripción de los Dibujos

La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de un sistema de control de la emisión de contaminación que usa un inyector de acuerdo con la invención;

La Figura 2 muestra un corte en sección transversal longitudinal de un inyector de acuerdo con la invención; y

La Figura 3 muestra una vista lateral del cuerpo de la válvula del inyector de acuerdo con la invención.

Descripción detallada de la realización preferida

La Figura 1 ilustra un sistema de control de la contaminación que puede emplearse para reducir las emisiones de NOx del tubo de escape de un motor diesel 3. El sistema incluye un conducto de escape del motor 4 en comunicación mediante fluido con un reactor catalítico 5, una reserva de reactivo 6 que contiene reactivo 7, una unidad central de procesamiento 8 y un inyector 10. El inyector 10 está montado sobre el conducto de escape 4 y se alimenta de reactivo, por ejemplo, una solución de urea acuosa a través de una línea de suministro 9 que se extiende desde la reserva 7 hasta el inyector. Se usa una bomba 11 para bombear el reactivo al inyector con una presión predeterminada. El reactivo 7 es recirculado a la reserva a través de la línea de retorno 12, la circulación del reactivo se muestra mediante las flechas 7a.

Durante el funcionamiento, las señales 13, que representan los parámetros de funcionamiento del motor tales como temperatura del gas de escape, velocidad del motor y velocidad del chorro de combustible están controlados mediante la unidad central de proceso 8. En respuesta a estas señales y a los algoritmos preprogramados, la unidad central de proceso 8 envía señales de control 14 y 15 al inyector 10 y a la bomba 11 respectivamente, las señales de control impelen a la bomba 11 a circular el reactivo y inyector 10 a inyectar o dejar de inyectar reactivo en los gases de escape 16 en el conducto de escape 4. El reactivo se pulveriza al inyectarlo en el conducto y forma una mezcla con los gases de escape. Esta mezcla entra en el reactor catalítico 5 que contiene un catalizador, como carbón activado, o metales, como platino, tungsteno o vanadio, que reducen NOx en los gases de escape en la presencia del reactivo. Los gases de escape salen del conducto 4 y pasan a la atmósfera.

Durante el funcionamiento del sistema, tanto si el inyector libera reactivo en los gases de escape 16 como si no lo hace, se circula el reactivo 7 de forma continua entre la reserva 6 y el inyector 10 para refrigerar el inyector y minimizar el tiempo de secado del reactivo en el inyector de forma que el reactivo permanezca frío. La continua circulación del reactivo es necesaria para los reactivos sensibles a la temperatura, tales como urea acuosa, que tienden a solidificarse al exponerse a elevadas temperaturas de 300ºC a 650ºC como se experimentaría en un sistema de escape de un motor. Se ha encontrado que es importante mantener la mezcla de urea por debajo de 140ºC y preferiblemente en un intervalo de funcionamiento inferior entre 5ºC y 95ºC para proporcionar un margen de seguridad que asegure que se previene la solidificación de la urea. La urea solidificada, si se permite su formación, estropearía las partes móviles y los orificios del inyector, haciendo que al final el inyector fuera inútil. En el caso de un motor diesel de 310 caballos de vapor (231kw) con un nivel base de emisiones de NOx de 8 gramos/bHp-hr (10,7 gramos/kw-hr) a plena carga, las velocidades de circulación de la urea acuosa entre 0,5 galones (1,893 litros) por minuto y 0,75 galones (2,839 litros) por minuto a través de un inyector de acuerdo con la invención han demostrado enfriar de forma eficiente la urea acuosa y evitar la solidificación. Se reconocerá que las velocidades del flujo dependen del tamaño del motor y de los niveles de NOx. Es una ventaja de la invención que las soluciones más concentradas puedan utilizarse, p.e., 25-35%, porque a través del sistema, la solución no está sometida a condiciones que pudieran causar una hidrólisis significante de problemas de solubilidad.

La figura 2 muestra una vista en sección transversal de la realización preferida del inyector 10 de acuerdo con la invención. El inyector se muestra montado sobre un conducto de gas de escape 4, representado solo parcialmente, en sección transversal. El inyector 10 comprende un cuerpo de válvula 18 que tiene una cámara cilíndrica alargada 20 dispuesta allí. La cámara 20 está en comunicación fluida con un orificio 22 que se abre en los gases de escape en el conducto 4. El orificio que rodea 22 es un asiento de válvula 24 que puede tener prácticamente cualquier forma pero que preferiblemente es cónica. Un miembro de válvula en la forma de un pistón de la válvula alargado 26 está montado con posibilidad de deslizamiento en la cámara 20. El pistón de la válvula 26 tiene un extremo 28 formado para engancharse sellando al asiento de válvula 24, como se muestra en la Figura 2, cerrando de esta forma el orificio 22 impidiendo la comunicación mediante fluido con la cámara 20.

El pistón de la válvula 26 puede moverse en la cámara entre la posición cerrada mostrada en la Figura 2 y una posición abierta en la que se quita el extremo 28 de la unión sellada con el asiento de válvula 24. En la posición abierta, el orificio 22 se abre a la comunicación mediante fluido con la cámara 20.

La cámara 20 junto con el pistón de la válvula 26 proporcionan un medio para circular un fluido, tal como el reactivo, a través de la válvula para enfriar la válvula y para minimizar el tiempo de secado del reactivo en la válvula. El mecanismo de circulación comprende un conducto anular de paso del fluido 30 formado entre el relativamente mayor diámetro interior de la cámara 20 y el relativamente menor diámetro exterior de una sección 32 del pistón de la válvula 26. Preferiblemente, la sección del pistón 32 está dispuesta contigua al extremo del pistón 28 y cerca del asiento de válvula 24 y del orificio 22. El colocar el conducto del fluido 30 cerca del orificio permite que el fluido circulante refrigere directamente una parte que estaba caliente del cuerpo de la válvula que es más sensible a los efectos adversos del calor. Así, por ejemplo, la urea acuosa, cuando se emplea con esta válvula enfriada, no se solidificará en ningún lado de la cámara 20. Si se permite que solidifique, la urea podría evitar que el pistón 26 se asiente apropiadamente o podría hacer que el pistón agarre tanto en la posición abierta como en la cerrada y/o el orificio 22 podría taponarse. Al enfriar directamente esta región de la válvula, sin embargo, se evita el detrimento de los efectos de la temperatura elevada sobre el reactivo, las partes móviles, y los orificios de la válvula.

Como se ve en la Figura 2, el pistón 26 también comprende una sección guía 33 dispuesta contigua a la sección 32 del pistón de la válvula. La sección guía 33 tiene preferiblemente una sección transversal poligonal formada por una pluralidad de placas 33a que se cortan en una pluralidad de esquinas 33b. Las placas 33a proporcionan espacios de circulación de fluidos contiguos a la cámara 20 y aumentan la función refrigerante del conducto de fluido 30. Las placas también proporcionan espacio para cualquier residuo formado en o introducido en la cámara 20 para limpiar la cámara con el fluido circulante.

Las esquinas 33b de la sección guía 33 proporcionan una función estabilizadora y de guía para el pistón 26. Las esquinas pueden estar próximas o en ligero contacto con la pared de la cámara 20 para proporcionar puntos soporte que puedan guiar el pistón en la cámara para asegurar un alojamiento apropiado del extremo del pistón 28.

La sección guía anterior 33 es una sección transversal circular reducida 35 del pistón 26. La sección reducida 35 proporciona un espacio anular para que el fluido fluya a la cámara a través de una entrada, descrita en detalle posteriormente. Encima de la sección reducida hay sección guía circular 37. La sección guía circular 37 proporciona la principal función guía para el movimiento de deslizamiento del pistón 26 en la cámara 20. La tolerancia entre la sección guía circular y la cámara es suficiente para permitir el movimiento relativo y la lubricación del pistón mientras todavía guía el movimiento del pistón y forma un sellado hidráulico parcial entre el pistón y la cámara.

Generalmente las tolerancias específicas requeridas en las varias secciones entre el pistón de la válvula y la cámara variarán de acuerdo con la temperatura de funcionamiento, la presión de funcionamiento, la velocidad deseada del flujo y la velocidad de circulación del reactivo, las propiedades tribológicas del reactivo y los materiales seleccionados para el pistón de la válvula y para el cuerpo de la válvula. Las tolerancias para un funcionamiento óptimo del inyector se obtienen mejor experimentalmente mediante unos pocos ensayos prácticos.

Se suministra el fluido refrigerante al conducto anular del fluido 30 a través de la entrada de fluido 34. La entrada de fluido 34 está dispuesta en el cuerpo de la válvula 18 en comunicación fluida con la cámara 20 y está conectada externamente a la línea de suministro 9 (Figura 1). Se prefiere que la entrada de fluido esté situada para suministrar fluido a la cámara 20 en una región alejada del asiento de la válvula 24 contiguo a la sección reducida 25 y a la sección guía 33, como se muestra en la Figura 2. La colocación de la entrada de fluido por encima del asiento, como se muestra, permite al fluido entrar en contacto con el pistón de la válvula 26 en una longitud sustancial antes de que se encuentre con el asiento de la válvula, aumentando así la función refrigerante del fluido. El fluido, como el reactivo 7, es bombeado a través de una bomba 11 a una presión predeterminada hasta la entrada de fluido 34 desde la que fluye a lo largo del pistón de la válvula 26 hasta el conducto anular de fluido 30.

Se dispone una salida de fluido 36 para eliminar el fluido del conducto anular de fluido. La salida de fluido 36 está dispuesta en el cuerpo de la válvula 18 en comunicación fluida con la cámara 20. Preferiblemente, la salida de fluido 36 está colocada como se muestra en la Figura 2 para eliminar el fluido de la cámara 20 en la región del asiento de la válvula 24. La salida de fluido 36 está conectada exteriormente a la línea de retorno 12 (Figura 1), permitiendo así que el fluido (como el reactivo 7) circule desde la reserva 6, a través de la línea de suministro 9, a través de la entrada de fluido 34, hasta el conducto anular de fluido 30, a través de la salida de fluido 36, a través de la línea de retorno 12 y de nuevo a la reserva 6. Esta circulación mantiene frías a las regiones críticas del cuerpo de la válvula 18 y minimizan el tiempo de secado del fluido en el inyector.

Cuando el pistón de la válvula 26 se mueve desde la posición cerrada, mostrada en la Figura 2, hasta una posición abierta, se quita el extremo del pistón 28 de la unión sellada con el asiento 24. Esta acción abre el orificio 22 y permite expeler al menos una parte del fluido circulatorio a través del orificio y al conducto de escape 4. Para conseguir abrir y cerrar el orificio, se disponen mecanismos accionadores, preferiblemente en forma de un solenoide 38 montado encima del cuerpo de la válvula 18. El solenoide 38 tiene una armadura 40 conectada al pistón de la válvula 26. Cuando se suministra energía al solenoide, la armadura 40 se lleva hacia arriba, haciendo así que el pistón de la válvula 26 dentro de la cámara 20 deslice desde la posición cerrada hasta la posición abierta. El solenoide sería activado, por ejemplo, en respuesta a una señal 14 (ver Figura 1) de la unidad central de procesamiento 8, que decide, en base a señales de entrada del sensor 13 y a sus algoritmos preprogramados, cuando se necesita reactivo para una reducción catalítica efectiva y selectiva de las emisiones de NOx en el gas de escape.

Como se ve en la Figura 2, el pistón de la válvula 26 está desviado en la posición cerrada por un mecanismo desviador, preferiblemente en la forma de un muelle enrollado 42 dispuesto coaxialmente alrededor del pistón de la válvula 26. El pistón de la válvula tiene un soporte 44 que sirve como un asiento inferior del muelle sobre el que puede empujar el muelle para desviar el pistón de la válvula. Una placa superior 46 está fija al cuerpo de la válvula 18 y sirve como asiento superior del muelle, así como tope para limitar el movimiento en dirección ascendente del pistón de la válvula.

El muelle 42 está situado en una cámara de muelle 48 que está aislada de la cámara 20 mediante sellado 50. El sellado 50 está hecho preferiblemente de carbón armado Teflon® o cristal armado Teflon® y evita que cualquier reactivo corrosivo penetre en la cámara del muelle y pueda atacar o estropear el muelle y el solenoide.

Se muestra el inyector 10 montado sobre un conducto de escape 4 por medio de un manguito 52 que está soldado a una abertura en el conducto mediante soldadura 54. Preferiblemente, el cuerpo de la válvula 18 tiene fibras externas 19 que se unen con fibras internas correspondientes 53 en el manguito 52 para unir el inyector al manguito. Para minimizar la transferencia conductiva de calor entre el manguito y el cuerpo de la válvula, las fibras externas 19 no son continuas alrededor de la circunferencia del cuerpo de la válvula 18 si no que están interrumpidas o son discontinuas, como se ve en la Figura 3. Preferiblemente, el área de contacto de fibras se minimiza usando arcos de fibras intermitentes subtendiendo ángulos del orden de 20º dispuestos circularmente alrededor del cuerpo de la válvula 18, con regiones planas 21 dispuestas entre cada arco de fibra. Las regiones planas tienen una dimensión en la dirección plana que es inferior que la raíz del diámetro de la fibra del cuerpo de la válvula 18 y, por lo tanto, no está en contacto con el manguito 52.

En la configuración mostrada, se evita que los gases de escape en el conducto choquen directamente con el cuerpo de la válvula 18 por la interposición del escudo de calor 56 entre el cuerpo de la válvula y los gases de escape. El escudo de calor 56 incluye una placa de metal exterior 58 y una capa de material aislante en la forma de una empaquetadura metálica térmica 60 interpuesta entre la placa exterior 58 y el cuerpo de la válvula 18. Preferiblemente la placa exterior 58 está hecha de acero inoxidable para resistir el ambiente corrosivo del gas de escape. La empaquetadura metálica 60 está hecha preferiblemente de un material grafítico flexible cuya baja conductividad térmica sirve para aislar el cuerpo de la válvula 18 de la placa exterior 58, reduciendo la transferencia conductiva de calor al inyector y ayudando así a mantener el fluido circulando dentro de la válvula.

El escudo de calor 56 rodea al orificio 22 y tiene una abertura 62 que pasa a través tanto de la placa exterior como de la empaquetadura metálica térmica aislante y permite que el fluido expelido del inyector pase a través del escudo de calor y al conducto. El escudo de calor tiene una superficie sustancialmente plana que está preferiblemente orientada perpendicular al chorro de fluido expelido del inyector.

Se suministra protección térmica adicional al inyector mediante un reflector de calor radiante 70 visto desde el borde en la Figura 2. El reflector 70 es preferiblemente un disco redondo de aluminio pulido que tiene un diámetro exterior de extensión suficiente de forma que la superficie 70a del disco bloque la transferencia de calor radiante desde el conducto de escape 4 a partes del inyector que tienen una línea de visión directa al conducto. El reflector tiene una abertura colocada centralmente 72 que encaja alrededor del cuerpo de la válvula 18 y descansa sobre el manguito 52 para montar el reflector entre las partes expuestas del inyector y el conducto 4. El reflector 70 queda retenido en posición mediante una tuerca 74 que se enrosca sobre el cuerpo de la válvula 18.

Es deseable mantener la presión de inyección relativamente baja para evitar que el chorro de fluido o la pluma del inyector penetre en el chorro del gas de escape y golpee sobre la pared lateral del conducto. Las presiones de inyección en el intervalo de 30 a 100 psi (0,21 a 0,69 MPa) han demostrado evitar la sobrepenetración. Se prefiere una presión de inyección de 67 psi (0,46 MPa) para el inyector de acuerdo con la invención.

Sin embargo, presiones de inyección inferiores pueden no pulverizar el fluido inyectado hasta un tamaño suficientemente fino para conseguir una reducción catalítica eficiente de NOx. Para ayudar a la dispersión y pulverización del fluido en el conducto y mantener todavía presiones de inyección razonablemente bajas se dispone un gancho pulverizador 64. Es una ventaja de la invención el no requerir fluido secundario de pulverización.

El gancho 64 está montado sobre la válvula, preferiblemente sobre la placa de metal 58 del escudo de calor 56 como se ve en la Figura 2. Preferiblemente, el gancho está hecho de acero inoxidable para soportar el ambiente corrosivo del conducto de escape. El montar el gancho sobre el escudo de calor sirve para aislar térmicamente el gancho del cuerpo de la válvula 18. Debido a que el gancho se extiende en el chorro de escape, va a estar caliente, y siendo metal, tenderá a conducir el calor rápidamente. Sin embargo, al montar el gancho sobre el escudo de calor el calor conducido por el gancho va a estar bloqueado por la empaquetadura metálica térmica 60, y la transferencia de calor desde el gancho hasta el cuerpo de la válvula será minimizada por este montaje preferido del gancho 64.

El gancho 64 tiene una superficie del extremo 66 que está separada y mirando al orificio 22. Cuando el pistón de la válvula 26 es accionado a su posición abierta por el solenoide 38, expeliendo fluido a una presión predeterminada del orificio 22, el chorro de fluido chocará sobre la superficie del extremo 66. Este choque provocará una mayor pulverización del fluido. Las características de dispersión del fluido son una función de la forma de la superficie del extremo, que está diseñado según un tamaño y una forma particular del chorro de escape para asegurar una dispersión y penetración máximas del fluido sin sobrepenetración.

Un inyector en el que los componentes críticos de la válvula se refrigeran directamente al circular el fluido de acuerdo con la invención proporciona un componente para un sistema de control de la contaminación que permite un reactivo corrosivo y sensible al calor, como urea acuosa, para ser empleada efectivamente para reducir las emisiones de NOx y por tanto conseguir finalmente un gran rendimiento del combustible sin los efectos adversos de aumento de emisiones no deseadas.

Claims (12)

1. Un aparato para inyectar un chorro de reactivo líquido (7) en forma atomizada en un sistema de escape que tiene un conducto de escape (4) que contiene gases calientes (16) y un reactor (5) que contiene un catalizador, estando el reactor (5) en comunicación de fluido con el conducto de escape (4), comprendiendo dicho aparato:

Un depósito (6) que contiene el reactivo líquido (7);

una válvula (18,26) montada én el conducto (4) y que tiene un orificio (22) que suministra una comunicación de fluido entre dicha válvula (18,26) y el conducto (4);

una línea de suministro (9) que se extiende entre dicho depósito (6) y dicha válvula (18,26) para suministrar el reactivo líquido (7) a dicha válvula (18,26) para inyección;

una entrada (34) dispuesta en dicha válvula (18,26) y en comunicación de fluido con dicha línea de suministro (9);

caracterizado por una línea de retorno (12) que se extiende entre dicho depósito (6) y dicha válvula (18,26) para retornar el reactivo líquido (7) desde dicha válvula (18,26) hasta dicho depósito (6);

medios (11) para circular (7a) el reactivo líquido (7) desde dicho depósito (6) a través de dicha válvula (18,26) a una presión predeterminada;

suministrando dicha entrada (34) el reactivo (7) a una región de dicha válvula contigua a dicho orificio (22);

una salida (36) dispuesta en dicha válvula (18,26) y en comunicación de fluido con dicha línea de retorno (12), permitiendo dicha salida (36) la retirada del reactivo (7) de dicha región de dicha válvula (18,26) contigua a dicho orificio (22); y

medios (38) para accionar dicha válvula (18,26) entre una posición abierta en la que dicho orificio (22) está abierto y al menos una parte del reactivo líquido (7) que circula a través de dicha válvula (18,26) es expelido a través de dicho orificio (22) hacia dicho conducto (4) a dicha presión predeterminada, y una posición cerrada en la que dicho orificio (22) está cerrado por dicha válvula (18,26), permitiendo dichos medios de circulación (11) la circulación de dicho líquido (7) independientemente de la posición de dicha válvula (18,26).

2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha válvula (18,26) está hecho de acero inoxidable.

3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha presión predeterminada está en el intervalo entre 30 psi (0,21 MPa) y 100 psi (0,69 MPa).

4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha presión predeterminada está en el intervalo entre 60 psi (0,42 MPa) y 75 psi (0,52 MPa).

5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha presión predeterminada vale alrededor de 67 psi (0,46 MPa).

6. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende un escudo de calor (56) montado sobre dicha válvula (18,26) y rodeando a dicho orificio (22), teniendo dicho escudo de calor (56) una superficie prácticamente plana orientada perpendicularmente al chorro de reactivo líquido (7).

7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un reflector de calor radiante (70) que tiene una superficie (70a) colocada entre dicho conducto de escape (4) y dicho inyector (10) para bloquear el calor radiante de dicho conducto de escape (4).

8. Un método para reducir emisiones de óxidos de nitrógeno de un proceso de combustión usando un reactivo líquido (7) sensible a la temperatura inyectado en un chorro de gases de escape (16) de dicho proceso de combustión y haciendo pasar dichos gases de escape (16) y dicho reactivo (7) a través de un reactor catalítico (5) que reduce los óxidos de nitrógeno en presencia del reactivo (7), comprendiendo dicho método los pasos de:

suministrar un inyector (10) que tiene un orificio (22) para atomizar dicho reactivo líquido (7);

colocar una parte de dicho inyector (10) que tiene dicho orificio (22) en dicho chorro de gases de escape (16);

caracterizado por enfriar dicho inyector (10) mediante la circulación continua de dicho reactivo (7) a su través y entre un depósito (6) que contiene el reactivo líquido (7), manteniendo así tanto dicho inyector (10) como dicho reactivo (7) dentro de dicho inyector (10) por debajo de una temperatura a la cual dicho reactivo (7) solidificará; e

inyecta una parte de dicho reactivo (7) en dicho chorro de escape (16) agudo arriba de dicho reactor (5).

9. Un método de acuerdo con la Reivindicación 8, en el que dicho reactivo (7) es una solución de urea acuosa.

10. Un método de acuerdo con la Reivindicación 9, en el que dicha urea tiene una concentración entre 25% y 35%.

11. Un método de acuerdo con la Reivindicación 8, en el que dicho proceso de combustión ocurre dentro de un motor de combustión interna (3).

12. Un método de acuerdo con la Reivindicación 11, en el que dicho motor (3) es un motor diesel.