УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННОГО ГАЗА
EXHAUST GAS CLEANER

Изобретение относится к устройству для очистки отработанного газа (ОГ), имеющему устройство подачи для восстановителя. Такие устройства для очистки ОГ с устройством подачи в последнее время все больше применяются для очистки ОГ (мобильных) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей.
За счет добавки восстановителя в ОГ ДВС в устройстве для очистки ОГ часто может происходить особо основательная и эффективная очистка ОГ. Способом, при котором используется такая добавка восстановителя, является, например, селективное каталитическое восстановление [SCR - selective catalytic reduction], при котором восстанавливаются соединения оксидов азота в ОГ. Способ селективного каталитического восстановления является рациональным, прежде всего, в ДВС, работающих на обедненной смеси, в которых для сгорания имеется избыток воздуха относительно стехиометрической топливно-воздушной смеси. ОГ таких ДВС имеют особо высокое содержание соединений оксидов азота. В рамках способа селективного каталитического восстановления содержание оксидов азота в ОГ может быть уменьшено, например, с помощью аммиака в качестве восстановителя. При достаточных температурах соединения оксидов азота вместе с аммиаком восстанавливаются до безвредных компонентов, таких как вода и азот.
Для подачи аммиака в системе выпуска ОГ обычно в автомобиле он хранится не прямо, а в виде предшественника в баке. Говорят о предшественнике восстановителя или о растворе предшественника восстановителя. Такой раствор предшественника восстановителя, из которого может быть получен аммиак, является, например, водным раствором мочевины. В автомобилях применяется, например, 32,5%-ный водный раствор мочевины, который продается под торговым названием AdBlue. Превращение такого предшественника восстановителя в восстановитель может происходить, например, термически и/или с помощью катализатора в потоке ОГ в системе выпуска ОГ или во внешнем по отношению к ОГ реакторе.
Для подачи восстановителя в систему выпуска ОГ он подается через жиклер в устройство для очистки ОГ и в жидком виде. За счет тепла ОГ восстановитель испаряется и одновременно превращается. Для того чтобы это происходило эффективно и надежно, требуется, чтобы восстановитель имелся в потоке ОГ в как можно более мелких каплях или же в как можно более тонкодисперсном виде. Как правило, проблематичным является то, что крупные капли восстановителя испаряются не достаточно быстро.
Кроме того, должно быть обеспечено, чтобы впрыскиваемый восстановитель не попадал на холодные поверхности устройства для очистки ОГ. Еще одна часто возникающая проблема заключается в том, что восстановитель на таких холодных поверхностях конденсируется и, при определенных обстоятельствах, образует нежелательные отложения.
Из уровня техники известна, например, WO 2009/127449 A1, которая раскрывает расположенную в выпускном трубопроводе улавливающую среду, на которой впрыснутый восстановитель пребывает и полностью испаряется. Эта улавливающая среда термически изолирована от холодной внешней стенки выпускного трубопровода. При этом улавливающая среда может быть смонтирована лишь со значительной технической трудоемкостью и в значительной мере подвержена колебаниям.
Исходя из этого уровня техники, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованное устройство для очистки ОГ с устройством подачи для восстановителя. При этом должны быть, по меньшей мере, частично смягчены указанные проблемы уровня техники.
Эти задачи решены посредством устройства для очистки ОГ согласно признакам п. 1 формулы изобретения. Другие благоприятные варианты устройства для очистки ОГ указаны в сформулированных в виде зависимых пунктах формулы изобретения. Указанные в формуле изобретения по отдельности признаки являются комбинируемыми между собой любым технологически рациональным образом и могут быть дополнены поясняющими фактами из описания, причем показываются дополнительные варианты осуществления изобретения.
Изобретение относится к устройству для очистки ОГ, имеющему компонент очистки ОГ, который выполнен проточным в направлении потока от стороны набегающего потока к стороне стекающего потока, причем в направлении потока за компонентом очистки ОГ предусмотрено устройство подачи для восстановителя в устройство для очистки ОГ, причем устройство подачи имеет направление подачи, которое, по меньшей мере, частично проходит противоположно направлению потока, отличающемуся тем, что сторона стекающего потока компонента очистки ОГ, по меньшей мере, частично перекрыта пористым пластом, и между устройством подачи и компонентом очистки ОГ имеется расстояние, которое выбрано так, что впрыснутый восстановитель достигает пористого пласта.
Компонент очистки ОГ может быть, например, катализатором окисления или пылевым фильтром. Он может быть изготовлен с металлической несущей структурой, которая может быть намотана, свита или уложена в стопку по меньшей мере из одного, по меньшей мере, частично структурированного пласта. Компонент очистки ОГ также может быть керамическим, прежде всего экструдированным, носителем.
Предпочтительно, компонент очистки ОГ имеет множество простирающихся от стороны набегающего потока к стороне стекающего потока каналов, которые отделены друг от друга стенками каналов. Стенки каналов участками могут иметь прерывания, так что внутри компонента очистки ОГ является возможным перемешивание ОГ, которые текут по разным каналам. Предпочтительно, компонент очистки ОГ выполнен в виде монолита и/или в виде сотового тела.
Начиная от ДВС, направление потока через устройство для очистки ОГ проходит через полную систему очистки ОГ с устройством для очистки ОГ согласно изобретению к выпуску системы выпуска ОГ.
Устройство подачи может быть, например, инжектором для впрыскивания восстановителя. Такой инжектор распыляет находящийся под давлением, предпочтительно жидкий, восстановитель в устройство для очистки ОГ. При этом устройство подачи (другими словами, направление струи, в котором вводится восстановитель) рассчитано так, что обеспечивается как можно более тонкодисперсное распределение восстановителя в устройстве для очистки ОГ. Отдельные произведенные устройством подачи капли восстановителя являются как можно более мелкими. Предпочтительно, произведенные устройством подачи капли восстановителя имеют средний диаметр менее 200 мкм, предпочтительно менее 100 мкм. Однако для обеспечения и при сильных потоках ОГ целенаправленной подачи капель восстановителя к пористому пласту, кроме того, предпочтительно выбирать средний диаметр не менее 50 мкм.
Сторона стекающего потока компонента очистки ОГ, по меньшей мере, частично перекрыта пористым пластом. Под этим, прежде всего, имеется в виду, что пористый пласт, по меньшей мере, частично покрывает сторону стекающего потока. В соответствии с этим, выходящие из компонента очистки ОГ должны, по меньшей мере, частично проходить пористый пласт, чтобы течь дальше в направлении потока в устройстве для очистки ОГ. Сторона стекающего потока в одном предпочтительном конструктивном варианте устройства согласно изобретению полностью перекрыта или же покрыта пористым пластом. Тогда ОГ, который протекает через компонент очистки ОГ, должен полностью проходить и пористый пласт.
При необходимости, пористый пласт также может быть выполнен в виде многослойного композита, то есть может содержать, например, несколько, прежде всего соединенных между собой, пластов. При этом пласты могут быть выполнены разными, например в отношении их пористости и/или жесткости формы. Также, если является предпочтительным, что все пласты (полностью) перекрываются, многослойный композит также может быть образован тем, что по меньшей мере один частичный участок многослойного композита по сравнению с другим частичным участком имеет большее количество пластов.
Расстояние между компонентом очистки ОГ и устройством подачи выбрано так, что поданный восстановитель при эксплуатации устройства для очистки ОГ достигает пористого пласта. Предпочтительно, впрыснутый восстановитель полностью достигает пористого пласта. В соответствии с этим, расстояние зависит от скорости потока ОГ и скорости впрыскиваемого восстановителя или же от свойств ОГ и впрыскиваемого восстановителя. В соответствии с этим, при малой скорости потока ОГ расстояние может быть увеличено и наоборот - расчет, который специалист может без проблем произвести на основе простых опытов на основе обычных испытаний ОГ для автомобилей. Свойство впрыскиваемого восстановителя, которое важно для перекрываемого расстояния, - это размер капли подведенного восстановителя. Мелкие капли быстро тормозятся за счет трения в потоке ОГ и могут перемещаться лишь на короткие отрезки или же расстояния противоположно направлению потока ОГ. Более крупные капли из-за своей инерции тормозятся медленнее и поэтому могут перемещаться на большие отрезки или же расстояния противоположно направлению потока ОГ. Предпочтительно, расстояние составляет менее 50 мм, прежде всего менее 30 мм, и особо предпочтительно менее 20 мм. За счет этого может быть достигнуто, прежде всего, то, что восстановитель вводится в ламинарный профиль потока ОГ после выхода из компонента очистки ОГ.
Благодаря устройству согласно изобретению является возможным создавать запас восстановителя для контакта с ОГ в подходящей для направленной подачи зоне устройства для очистки ОГ. Кроме того, таким образом возможно конкретное приложение восстановителя к потоку ОГ, например, посредством адаптированных количеств восстановителя в зависимости от пространственного распределения проточного потока ОГ (массовый поток ОГ и/или температура ОГ и т.п.). Следовательно, путем конкретного назначения покидающих компонент очистки ОГ (локальных) частичных потоков ОГ к пористому пласту может быть открыта возможность более экономной подачи восстановителя, так как он превращается более эффективно и более целенаправленно.
В еще одном благоприятном варианте устройства для очистки ОГ согласно изобретению пористый пласт расположен, по меньшей мере, частично параллельно стороне стекающего потока. (Прежде всего, совершенно) параллельное) расположение пористого пласта относительно стороне стекающего потока делает возможным особо компактное и простое размещение пористого пласта на стороне стекающего потока, прежде всего также и в ламинарной области потока за стороной стекающего потока. В то же время такое расположение делает возможным быстрый теплоперенос от компонента очистки ОГ на пористый пласт. Как правило, (каталитически активный) компонент очистки ОГ представляет собой источник тепла, который может нагревать пористый пласт (прямо и/или через поток ОГ). За счет этого становится возможным, что намерзший на пористый пласт восстановитель особо эффективно превращается термически.
Кроме того, в предлагаемом в изобретении устройстве пористый пласт содержит металлическую ткань или металлический нетканый материал. Такой нетканый материал может быть выполнен с точно определенными термическими свойствами и определенным сопротивлением протеканию. Сопротивление протеканию и термические свойства могут быть определены путем выбора материала отдельных металлических нитей нетканого материала или же ткани, путем выбора толщины нитей и/или через плотность и толщину нетканого материала или же ткани. При определенных условиях ткань также может выполнять (лишь) защитную функцию, а нетканый материал, главным образом, временно сохранять (складировать) восстановитель. Ткань (с регулярной структурой проволочных нитей) и нетканый материал (с хаотической или же стохастической структурой проволочных нитей) также могут вместе применяться для образования сложных форм пористого пласта.
Технический результат, достигаемый применением металлической ткани или металлического нетканого материала, заключается в упрощении монтажа и исключении необходимости выполнения пористого пласта свободнонесущим. Кроме того, предлагаемое в изобретении применение пористого пласта, перекрывающего с задней стороны (стороны стекающего потока) компонент очистки ОГ, обеспечивает улучшенное накопление и распределение восстановителя по проходному сечению потока выпускного трубопровода. Таким образом, изобретение позволяет создать усовершенствованное устройство для очистки ОГ с устройством подачи восстановителя на заднюю сторону компонента очистки отработавших газов, которое, с одной стороны, является более долговечным и менее дорогостоящим, а с другой стороны - более эффективным в отношении очистки ОГ.
В одном предпочтительном конструктивном варианте устройства для очистки ОГ согласно изобретению металлический нетканый материал является электрически нагреваемым. Материал для нетканого материала или же для ткани является, прежде всего, электрически проводящим, так что через соответствующий контакт нетканый материал или же ткань может нагреваться электрическим током. Контакт может быть предусмотрен отдельно или же через компонент очистки ОГ.
Кроме того, устройство для очистки ОГ является благоприятным, если пористый пласт, по меньшей мере, частично изготовлен из титановой проволоки. На титановой проволоке в присутствии окисляющих сред образуется слой оксида титана. Такой окисляющей средой являются ОГ ДВС. Слой оксида титана благоприятствует превращению раствора предшественника восстановителя в восстановитель или же в аммиак. Слой оксида титана может быть получен на титановой проволоке еще до очистки в пористом пласте.
Кроме того, устройство для очистки ОГ согласно изобретению является благоприятным, если пористый пласт опирается на компонент очистки ОГ с помощью опорной конструкции. При этом особо предпочтительно, если пористый пласт находится в контакте только с компонентом очистки ОГ. За счет такой опорной конструкции может быть установлено определенное расстояние между стороной стекающего потока компонента очистки ОГ и пористым пластом. Опорная конструкция может быть выполнена, например, в виде опорных штифтов, которые частично простираются в каналы компонента очистки ОГ. Кроме того, по периметру компонента очистки ОГ может быть предусмотрено опорное кольцо, которое образует зажимную рамку по меньшей мере для одного пористого пласта. Предпочтительно, такая опорная конструкция выполнена с определенной теплопроводностью (например, на основе металлического материала), которая может переносить тепловую энергию от компонента очистки ОГ в пористый пласт.
При этом пористый пласт может быть экономичным образом размещен центрально в устройстве для очистки ОГ и в то же время могут быть предотвращены тепловые перемычки к внешней стенке впускного трубопровода. За счет того, что пористый пласт присоединен к компоненту очистки ОГ, тепловой поток от пористого пласта к (более холодной) внешней стенке или к внешней трубе устройства для очистки ОГ является невозможным или, по меньшей мере, сильно затруднен. Предпочтительно, пористый пласт не имеет прямого контакта с внешней стенкой устройства для очистки ОГ. Кроме того, пористый пласт, предпочтительно, закреплен только на стороне стекающего потока компонента очистки ОГ.
Кроме того, устройство для очистки ОГ согласно изобретению является благоприятным, если пористый металлический пласт имеет отличающуюся от плоскости форму, которая адаптирована к рисунку распыления устройства подачи для восстановителя.
Рисунок распыления устройства подачи, прежде всего, определяется распределением капель, направлением подачи, скоростью потока и/или направлением потока выходящего из устройства подачи восстановителя. Под формой пористого пласта, прежде всего, подразумевается форма образуемой пористым пластом поверхности. Следовательно, она, прежде всего, также может быть (частично, например, выпукло и/или вогнуто) искривленной. Для приспособления формы к рисунку распыления форма может быть, например, изогнута так, что выходящий из устройства подачи восстановитель, независимо от направления выхода из устройства подачи, преодолевает по существу одинаковый отрезок пути до пористого пласта.
Например, форма может быть выбрана так, что отрезок пути от устройства подачи до пористого пласта в области конуса распыления устройства подачи при любом направлении подачи отличается максимально на 40%, предпочтительно максимально на 20% и особо предпочтительно максимально на 10%.
При приспособлении формы к рисунку распыления также может быть учтено также и отклонение подведенного восстановителя потоком ОГ. Например, форма может быть выбрана так, что при изменении скорости ОГ от 5 м/сек до 20 м/сек, в любом случае по меньшей мере 60%, предпочтительно по меньшей мере 80%, и особо предпочтительно по меньшей мере 90%, восстановителя попадает на пористый пласт. Предпочтительно, для этого форма пористого пласта выполнена изогнутой в направлении устройства подачи.
Кроме того, является предпочтительным, что форма пористого пласта образует по меньшей мере одно углубление в направлении компонента очистки ОГ. Другими словами, это, прежде всего, означает, что форма образует по меньшей мере одно углубление, так что часть пористого пласта образует что-то типа фланцевого участка или же возвышение вокруг области попадания восстановителя. Фланцевый участок или же возвышение может образовывать изогнутую форму прохождения на пористом пласте, проще говоря, по типу подковы, капли, окружности или тому подобного. Как правило, является рациональным адаптировать количество углублений к числу устройств подачи, так чтобы при наличии одного устройства подачи было предусмотрено и точно одно углубление.
Кроме того, является благоприятным, если устройство подачи расположено таким образом, что оно находится вне простирающегося в направлении потока, начиная от стороны стекающего потока воображаемого цилиндра. Таким образом, устройство подачи выведено в сторону из главного направления потока ОГ через устройство для очистки ОГ и не мешает потоку ОГ через устройство для очистки ОГ. Несмотря на это, пористым пластом на стороне стекающего потока может быть создана подходящая поверхность, на которую попадает восстановитель при подаче в устройство для очистки ОГ, прежде всего, если форма пористого пласта, как указано выше, адаптирована к рисунку распыления устройства подачи.
Разумеется, также является возможным, что пористый пласт имеет покрытие для превращения восстановителя, например гидролизное покрытие, на тот случай, если в качестве восстановителя применяется мочевина.
Кроме того, изобретению соответствует автомобиль, имеющий двигатель внутреннего сгорания и устройство для очистки ОГ согласно изобретению для очистки отработанного газа двигателя внутреннего сгорания.
Также соответствует изобретению компонент очистки ОГ, который выполнен по меньшей мере с одним пористым пластом на стороне стекающего потока. Прежде всего, причем имеется в виду компонент очистки ОГ, который выполнен проточным для ОГ с направлением потока от стороны набегающего потока к стороне стекающего потока, причем сторона стекающего потока компонента очистки ОГ, по меньшей мере, частично перекрыта пористым пластом. Что касается выполнения пористого пласта и/или его фиксации на компоненте очистки ОГ, здесь в полном объеме делается ссылка на приведенные выше пояснения и предпочтительные варианты осуществления. Это касается, прежде всего, признаков, относящихся к форме пористого пласта, которая адаптирована к рисунку распыления устройства подачи для восстановителя, и/или структуры пористого пласта. Кроме того, прежде всего, также предлагается применение такого компонента очистки ОГ в качестве улавливающего элемента для жидкого восстановителя, прежде всего мочевины, в устройстве для очистки ОГ, прежде всего автомобиля.
Далее изобретение, а также технический контекст поясняются на фигурах более детально, причем фигуры представляют особо предпочтительные примеры осуществления, которыми изобретение, однако, не ограничено. Прежде всего, следует указать на то, что фигуры и, прежде всего, представленные пропорции являются лишь схематическими. Показано на:
Фиг. 1: устройство для очистки ОГ согласно изобретению,
Фиг. 2: автомобиль, имеющий устройство для очистки ОГ согласно изобретению,
Фиг. 3: особый вариант выполнения пористого пласта для компонента очистки ОГ согласно изобретению.
На фиг. 1 представлено устройство 1 для очистки ОГ согласно изобретению. Устройство 1 для очистки ОГ согласно изобретению имеет компонент 2 очистки ОГ, который от стороны 4 набегающего потока к стороне 5 стекающего потока в направлении 3 потока выполнен проточным для потока ОГ. В направлении 3 потока за стороной 5 стекающего потока предусмотрено устройство 6 подачи на расстоянии 9 до стороны 5 стекающего потока. На стороне 5 стекающего потока предусмотрен пористый пласт 8. Устройство 6 подачи подает в устройство 1 для очистки ОГ восстановитель 10 в направлении 7 подачи, которое, по меньшей мере, частично проходит противоположно направлению 3 потока. При этом само устройство 6 подачи может быть расположено под наклоном к направлению 3 потока, но также возможно, например, что устройство 6 подачи расположено вертикально на проводящем ОГ трубопроводе и имеет интегрированные средства отклонения потока, которые осуществляют наклонное направление 7 подачи (например, под углом к оси протяженности устройства подачи по меньшей мере 10° или даже по меньшей мере 15°).
Пористый пласт 8 с помощью опорной конструкции 13 опирается на сторону 5 стекающего потока компонента 2 очистки ОГ. Пористый пласт 8 имеет форму 14, которая адаптирована к рисунку 15 распыления устройства 6 подачи. Устройство 6 подачи образовано из области устройства 1 для очистки ОГ, в которой главным образом протекает поток ОГ, частично выдаваясь. Прежде всего, устройство 6 подачи расположено вне воображаемого цилиндра 16, который простирается, начиная от стороны 5 стекающего потока компонента 2 очистки ОГ, в направлении 3 потока. За счет этого может быть предотвращено дополнительное сопротивление потоку через устройство 6 подачи. Форма 14 адаптирована к рисунку 15 распыления устройства 6 подачи таким образом, что отрезок пути 18 от устройства 6 подачи до любого места пористого пласта 8 является по существу постоянным. Пористый пласт 8 рассекает простирающийся, исходя из устройства 6 подачи, конус предпочтительно на по существу постоянном расстоянии до устройства 6 подачи.
Предпочтительно, подведенный устройством подачи восстановитель 10 не попадает на внешнюю трубу 17 (или же внешнюю стенку) устройства 1 для очистки ОГ (или же выпускной трубопровод), чтобы не происходила конденсация восстановителя 10 на внешней трубе 17. Внешняя труба 17 во время эксплуатации из-за температуры окружающей среды является относительно холодной.
На фиг. 2 показан автомобиль 11, имеющий ДВС 12 и устройство 1 для очистки ОГ согласно изобретению, которое предназначено для очистки ОГ ДВС 12.
На фиг. 3 показан особый вариант пористого пласта 8 для компонента очистки ОГ согласно изобретению. Здесь пористый пласт 8 представлен в трех разных видах, которые соответственно откинуты согласно изображенным между видами стрелкам. Пористый пласт 8 имеет проходящее по периметру возвышение 19, которое окружает углубление 20 и на одной стороне имеет прорыв 21. Прорыв 21 предпочтительно расположен так, что он расположен ближе всего к устройству 6 подачи для восстановителя. При этом форма 14 пористого пласта 8 адаптирована к рисунку 15 распыления устройства 6 подачи. Возвышение 19 по существу окружает рисунок 15 распыления устройства 6 подачи или же область попадания восстановителя на пористый пласт 8.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1
Устройство для очистки ОГ
2
Компонент очистки ОГ
3
Направление потока
4
Сторона набегающего потока
5
Сторона стекающего потока
6
Устройство подачи
7
Направление подачи
8
Пористый пласт
9
Расстояние
10
Восстановитель
11
Автомобиль
12
ДВС
13
Опорная конструкция
14
Форма
15
Рисунок распыления
16
Воображаемый цилиндр
17
Внешняя труба
18
Отрезок пути
19
Возвышение
20
Углубление
21
Прорыв