СМЕСИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ МОЧЕВИНЫ И ВОЗДУХА, ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ СМЕСИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
MIXING DEVICE FOR MIXING OF UREA AND AIR, ENGINE COMPRISING MIXING DEVICE AND TRANSPORT VEHICLE

Настоящее изобретение относится к смешиванию мочевины с воздухом и введению смеси воздуха и мочевины в систему выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности дизеля.
В связи с настоящим изобретением установлено, что мочевина, растворенная в жидкости, такой как вода, при смешивании с воздухом под давлением может кристаллизоваться, что обычно приводит к тому, что смесительное устройство, используемое для смешивания мочевины с воздухом, забивается, и дальнейшее смешивание невозможно. Кроме того, установлено, что рост кристаллов происходит в направлении, встречном потоку воздуха (даже при высокой скорости).
Целью настоящего изобретения является, таким образом, создание устройства, в котором забивание сведено к минимуму или исключено.
В соответствии с широким аспектом настоящего изобретения предлагается смесительное устройство для смешивания мочевины с газом, причем указанная мочевина предпочтительно растворена в текучей среде, предпочтительно воде, а указанным газом предпочтительно является воздух. Смесительное устройство предпочтительно содержит впускной канал мочевины и впускной канал газа для подачи соответственно мочевины и газа в смесительную камеру смесительного устройства и выпускной канал для выпуска смеси мочевины и газа из смесительной камеры. Эти впускные каналы и выпускной канал могут предпочтительно иметь удлинение в сторону потока и предпочтительно проходят в смесительную камеру, а выпускной канал предпочтительно начинается из смесительной камеры. Предпочтительно, по меньшей мере, часть впускного канала газа для подачи воздуха в смесительную камеру выполнена таким образом, что отложение кристаллов мочевины на выбранных поверхностях указанного впускного канала значительно (обычно в том смысле, что отложившиеся кристаллы не забивают впускной канал) или полностью предотвращено. Это может обеспечиваться, как явствует из формулы изобретения и описания предпочтительных вариантов осуществления, путем придания этим поверхностям гладкости или использования не допускающих прилипания материалов с таким расчетом, чтобы кристаллы не могли откладываться на выбранных поверхностях, предпочтительно в такой мере, чтобы предотвратить забивание. Альтернативно этому или в сочетании с этим впускной канал газа может быть выполнен таким образом, чтобы кристаллы, откладывающиеся на выбранных поверхностях, удалялись при использовании, например во время смешивания, смесительного устройства.
В соответствии с настоящим изобретением клапан смесительного устройства содержит поршень, который смещается к гнезду клапана пружинным средством таким образом, что когда разница давлений на клапане выше предварительно выбранного порогового значения, клапан открывается, позволяя газу протекать в смесительную камеру. Пружинное средство выполнено таким образом, чтобы вызывать возвратно-поступательное движение поршня, когда газ протекает через клапан, и при этом поршень последовательно садится в гнездо и выходит из него. Клапан смесительного устройства содержит плоский элемент, имеющий отверстие, причем когда разница давлений на плоском элементе ниже первого предварительного выбранного порогового значения, указанный плоский элемент упирается в элемент перед ним во впускном канале вблизи отверстия, чтобы обеспечить уплотнение впускного канала газа, и когда разница давлений на плоском элементе выше второго предварительного выбранного порогового значения, плоский элемент не упирается в элемент перед ним, чтобы позволить воздуху протекать в смесительную камеру через отверстие. Плоский элемент выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения относительно элемента, расположенного перед ним, когда газ протекает через отверстие, и при этом плоский элемент последовательно садится на элемент перед ним и отходит из него.
В соответствии с настоящим изобретением впускной канал газа проходит в смесительную камеру после места, в котором в смесительную камеру проходит впускной канал мочевины и, по меньшей мере, часть поверхности впускного канала газа является гладкой и (или) не допускающей прилипания во избежание отложения кристаллов на ней. Частью поверхности, являющейся гладкой, является отверстие, через которое газ может протекать в смесительную камеру. Отверстие направляет поток газа в смесительную камеру таким образом, что создается или усиливается вихрь.
Также смесительное устройство дополнительно содержит средство для нагревания, по меньшей мере, части впускного канала газа и (или) части смесительной камеры до температуры выше +132°С, предпочтительно выше +140°С, и, в частности, выше точки плавления кристаллов мочевины, причем нагревательное средство (средства) предпочтительно предназначено (предназначены) для постоянного или периодического нагревания. Нагревательное средство (средства) предпочтительно предназначено (предназначены) для нагревания зоны, где впускной канал газа проходит в смесительную камеру. Нагревательное средство (средства) содержит (содержат) электрический элемент, создающий тепло при пропускании через него электрического тока.
Смесительное устройство дополнительно содержит дозировочный насос, предназначенный для дозирования сжиженной мочевины и перекачивания сжиженной мочевины во впускной канал мочевины. А также смесительное устройство дополнительно содержит источник воздуха для подачи газа под давлением во впускной канал газа.
В соответствии с настоящим изобретением двигатель, содержащий смесительное устройство, дополнительно содержит дозировочное и управляющее устройство, причем указанное дозировочное и управляющее устройство измеряет характеристики двигателя, связанные с вырабатываемой мощностью двигателя, такие как температура отработавших газов, частота вращения и (или) расход топлива, и дозировочное и управляющее устройство определяет количество мочевины, которое необходимо добавлять в отработавшие газы, и соответственно управляет дозировочным насосом.
В соответствии с настоящим изобретением в транспортном средстве, содержащем двигатель, источником воздуха является воздушный компрессор, подающий воздух под давлением не только в смесительное устройство.
В соответствии с настоящим изобретением предложен ряд разных вариантов осуществления, цель которых заключается в том, чтобы исключить забивание в результате роста кристаллов. Их подробное описание можно найти в последующем разделе, в котором описываются различные детали предпочтительных вариантов осуществления изобретения, а также в прилагаемой формуле изобретения.
Следует отметить, что хотя в приведенном описании основное внимание уделено смешиванию мочевины, растворенной в воде, и воздуха, изобретение применимо и к случаям, когда смешиваются другие материалы, и когда происходит или может произойти забивание в результате образования кристаллов.
Ниже настоящее изобретение и, в частности, его предпочтительные варианты осуществления описываются со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
на фиг.1 представлена общая концепция добавления мочевины в отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания, в частности дизеля;
фиг.2 представляет собой разрез предпочтительного варианта осуществления предлагаемого смесительного устройства для смешивания мочевины с газом;
фиг.3a,b представляет собой разрез еще одного предпочтительного варианта осуществления предлагаемого смесительного устройства для смешивания мочевины с газом;
фиг.4 представляет собой разрез еще одного предпочтительного варианта осуществления предлагаемого смесительного устройства для смешивания мочевины с газом;
фиг.5 представляет собой детальный разрез варианта осуществления, показанного на фиг.2;
фиг.6а-с представляют собой разрез, детальный разрез и перспективное изображение с пространственным разделением деталей варианта осуществления, показанного на фиг.5;
фиг.7 представляет собой детальный разрез варианта осуществления, показанного на фиг.3;
фиг.8а-с представляют собой разрез, детальный разрез и перспективное изображение с пространственным разделением деталей варианта осуществления, показанного на фиг.7;
фиг.9 представляет собой детальный разрез варианта осуществления, показанного на фиг.4;
фиг.10а-с представляют собой разрез, детальный разрез и перспективное изображение с пространственным разделением деталей варианта осуществления, показанного на фиг.9.
X
На фиг.1 представлена система, содержащая двигатель внутреннего сгорания 100, предпочтительно действующий по принципу Дизеля, бак, содержащий раствор мочевины 101 (известный также под торговым наименованием «AdBlue»), и каталитическую систему (обозначенную на фигуре как SCR) 102. Выпуск двигателя соединен с каталитической системой выхлопной трубой, которая подключена к баку, содержащему жидкий раствор мочевины. Кроме того, система содержит дозировочное устройство 104, предназначенное для подачи жидкой мочевины в систему выпуска с тем, чтобы она могла реагировать с отработавшими газами для снижения выбросов газов NO в окружающую среду. Дозировочное устройство обычно будет представлять собой или содержать смесительное устройство для смешивания жидкой мочевины с воздухом под давлением, причем воздух под давлением предпочтительно подается компрессором 105.
Отработавший газ 103, выходящий из двигателя, содержит окиси азота. Перед тем как отработавший газ, обозначенный на фиг.1 позицией 106, поступает в каталитическую систему, этот газ содержит аммиак, водяной пар и окиси азота. После того как отработавший газ (107 на фиг.1) прошел через каталитическую систему, этот газ содержит азот и воду, которые обычно выбрасываются в окружающую среду.
Во многих из предпочтительных вариантов осуществления в соответствии с настоящим изобретением двигателем является дизель грузового автомобиля, и в этих вариантах осуществления грузовой автомобиль оснащен компрессором для тормозов, системой подвески и (или) т.п., и в этих вариантах осуществления воздух под давлением подается этим компрессором. Во избежание попадания мочевины в тормозную систему и (или) систему подвески воздух, подаваемый в смесительное устройство для смешивания мочевины с воздухом, обычно подается через однопутевой клапан или распределитель (не показан), чтобы воздух мог попадать только в смесительное устройство. Этот момент важен как при движении грузового автомобиля (и при смешивании мочевины), так и во время стоянок, когда поток мочевины отсутствует.
Установлено, что образование кристаллов мочевины в смесительных устройствах для смешивания мочевины с воздухом под давлением может приводить к забиванию устройства, в результате чего дальнейшее смешивание устройством невозможно. Рост кристаллов обычно происходит в направлении, встречном потоку газа под давлением. Настоящее изобретение решило эти проблемы благодаря предлагаемому смесительному устройству, которое содержит один или несколько отличительных признаков - по одному или в сочетании:
1. Механическое действие, обычно возвратно-поступательное движение клапана. Это движение клапана может оказывать два действия. Во-первых, ударное воздействие клапана на гнездо клапана будет разбивать кристаллы, после чего они будут вымываться из клапана потоком газа, которым обычно будет поток воздуха и (или) мочевины, через клапан и (или) смесительное устройство. Во-вторых, вибрация, вызываемая перемещением клапана, может ослабить кристаллы, находящиеся на поверхностях клапана или смесительного устройства, и кристаллы будут вымываться потоком текучей среды через клапан и (или) смесительное устройство.
2. Каналы смесительного устройства и, в частности, канал, проводящий воздух в смесительное устройство для смешивания воздуха с мочевиной, может изготавливаться из не допускающего прилипания материала, такого как тефлон, или покрываться им. В случае образования кристаллов поверхности, не допускающие прилипания, предотвратят прилипание кристаллов к поверхностям, и они будут вымываться из смесительного устройства.
3. Смесительное устройство или, по меньшей мере, его части подогреваются, чтобы расплавить кристаллы мочевины, и текучая среда, протекающая через устройство, сможет смыть их.
4. Впускной канал мочевины и впускной канал воздуха могут располагаться таким образом, что мочевина будет промывать зону, окружающую впускной канал воздуха, и при этом возможные образовавшиеся кристаллы мочевины будут смачиваться мочевиной, растворяться ею и смываться.
Ниже приводится подробное описание разных вариантов осуществления, воплощающих один или несколько из этих отличительных признаков.
На фиг.2 представлен первый вариант осуществления предлагаемого смесительного устройства. Смесительное устройство 1 содержит корпус 2. Корпус 2 показан как одна цельная деталь, но может содержать несколько деталей, как показано на фиг.6. Кроме того, смесительное устройство 1 содержит два впускных канала: один впускной канал 10 для впуска мочевины и один впускной канал 12 для впуска воздуха под давлением в смесительное устройство. Кроме того, смесительное устройство содержит выпускной канал 14, через который смесь воздуха и мочевины выходит из смесительного устройства и поступает в систему выпуска отработавших газов.
Внутри смесительного устройства находятся два клапана: один клапан 16 для регулирования потока мочевины и один клапан 18 для регулирования потока воздуха в смесительную камеру 20. Смесительное устройство выполнено таким образом, что клапан 18 при прикладывании к нему давления будет совершать возвратно-поступательное движение, и при этом любые кристаллы, которые могли образоваться, по меньшей мере, вблизи клапана, где воздух поступает в смесительную камеру 20, разрушаются. Клапан 16 произвольно расположен до точки, где вводится воздух. Причиной этому является то, что в случае образования кристаллов поток влажной мочевины обычно будет растворять эти образовавшиеся кристаллы. Таким образом, смесительное устройство в соответствии с фиг.2 предотвращает отложение кристаллов, которые могли бы забивать клапаны и (или) смесительную камеру, двумя средствами, а именно: вибрацией, вносимой возвратно-поступательным движением клапана 18, и расположением далее по потоку точки, где воздух вводится в поток мочевины.
В последующем описании альтернативных вариантов осуществления изобретения одинаковые части обозначаются одинаковыми позициями, хотя в деталях они могут отличаться.
На фиг.3a,b представлен второй вариант осуществления смесительного устройства 1. Смесительное устройство содержит корпус 2, содержащий смесительную камеру 20. Корпус 2 показан как одна цельная деталь, но может содержать несколько деталей, как показано на фиг.6.
В смесительном устройстве 1 предусмотрен впускной канал мочевины 10, предназначенный для подачи мочевины из бака мочевины (не показанного) в смесительную камеру. Соответственно в смесительном устройстве 1 предусмотрен впускной канал воздуха 12, предназначенный для подачи воздуха под давлением из источника (не показанного) в смесительную камеру 20. Во впускном канале мочевины 10 в смесительную камеру предпочтительно расположен клапан 16. Впускной канал мочевины 10 в этом варианте осуществления предпочтительно расположен по центру смесительной камеры 20. Смесительная камера предпочтительно является цилиндрической и расположена с практически горизонтальной продольной осью цилиндрической смесительной камеры 20.
Из смесительной камеры выходит выпускной канал 14, предназначенный для сообщения смесительной камеры 20 с выхлопной трубой для подачи смеси мочевины и воздуха из смесительного устройства 1 в отработавшие газы из двигателя внутреннего сгорания. Впускной канал воздуха 12 и выпускной канал 14 предпочтительно расположены так, что находятся диаметрально противоположно в стенке цилиндрической смесительной камеры 20, и так, что впускной канал воздуха находится в верхней части этой стенки, а выпускной канал 14 находится в нижней части этой стенки. Расположение впускного канала воздуха 12 вверху камеры 20 уменьшит скапливание кристаллов в зоне впускного канала 12.
Впускной канал воздуха 12 расположен так, что воздух, поступающий в смесительную камеру 20, совершает вихревое движение в камере 20 для улучшения продувки. Это достигается путем расположения по меньшей мере одного впускного канала воздуха таким образом, что продольная ось впускного канала 12 проходит практически касательно к цилиндрической стенке смесительной камеры 20, как показано на фиг.3b. Вихревое движение воздуха внутри смесительной камеры уменьшит вероятность образования кристаллов в смесительной камере 20, поскольку оно будет приводить к тому, что влажная мочевина будет промывать всю смесительную камеру, и при этом возможное образование кристаллов будет смачиваться (и при этом растворяться) и механически смываться.
Впускной канал воздуха 12 и, факультативно, части и вся внутренняя стенка смесительной камеры 20 предпочтительно изготавливаются из не допускающего прилипания материала, например из тефлона, или покрываются им. Тем самым снижается риск образования кристаллов.
Полость, образующая смесительную камеру 20 перед клапаном 16 во впускном канале мочевины, опорожняется, поскольку выпускной канал 14 для смеси находится на более низком уровне в смесительной камере 20, и при остановке двигателя и когда добавка смеси мочевины в отработавшие газы уже не требуется, присутствие во впускном канале 12 образующего кристаллы материала исключается.
На фиг.3 представлен третий вариант осуществления. И в этом варианте осуществления смесительное устройство 1 содержит впускные каналы 10 и 12 для впуска мочевины воздуха соответственно, выпускной канал 14 для выпуска смеси мочевины и воздуха и смесительную камеру 20, находящуюся в корпусе 2. Корпус 2, как и на фиг.2 и 3, показан как одна цельная деталь, но может содержать несколько деталей, как показано на фиг.10.
Кроме того, смесительное устройство 1 содержит два клапана 16 и 18 для подачи мочевины и воздуха соответственно. В то время как клапаном 16 может быть обычный клапан, клапан 18 специально разработан для предотвращения или ограничения роста кристаллов. Клапан 18 содержит плоский элемент 18а, имеющий посредине малый врез или отверстие 19. Когда давление во впускном канале 12 ниже заданного порогового значения, плоский элемент 18 упирается в упорный элемент 18b. Когда давление во впускном канале 12 превысит заданное давление, плоский элемент 18 выгнется наружу, и при этом малый врез, выполненный посредине него, раскроется, позволяя воздуху протекать через него. На фиг.4 плоский элемент 18 показан для случая, когда он упирается в упорный элемент 18b, т.е. когда давление во впускном канале 12 ниже вышеупомянутого порогового значения.
Плоский элемент 18а может быть в форме диска и предпочтительно является очень тонким, например, толщиной порядка 0,1 мм, чтобы уменьшить риск образования кристаллов в отверстии 19, поскольку из-за малой толщины в отверстии 19 нет твердой поверхности для образования кристаллов. Изгиб плоского элемента в ответ на изменения давления расслабит образования кристаллов на плоском элементе. Плоский элемент предпочтительно изготавливается штамповкой с пробивкой из листовой нержавеющей стали. Он может покрываться не допускающим прилипания материалом, например тефлоном, или может быть без покрытия.
Если в результате образования кристаллов отверстие 19 забивается, разница давлений на плоском элементе 18а будет увеличиваться, пока не произойдет изгиб плоского элемента 18а, который расслабит образование кристаллов, после чего кристаллы смоются.
Плоский элемент 18а может выполняться таким, что открывается при одной разнице давлений на нем и закрывается при другой, меньшей, разнице давлений, например, он открывается при разнице давлений 1,3 бара и закрывается при разнице давлений 0,8 бара. При этом обеспечивается, что плоский элемент 18а не будет открываться и закрываться постоянно в результате изменений разницы давлений на плоском элементе 18а, которые будут естественно возникать из-за колебаний давления, подаваемого из источника, и из-за колебаний давления со стороны выхлопной трубы плоского элемента, вызываемых, например, состоянием двигателя.
Впускной канал мочевины 10 предпочтительно расположен вверху смесительной камеры 20 выше впускного канала воздуха 12 в смесительной камере 20, благодаря чему мочевина под действием силы тяжести будет протекать по впускному каналу воздуха 12 и при этом смачивать и растворять кристаллы на плоском элементе 18а.
Полость, образующая смесительную камеру 20, опорожняется, поскольку выпускной канал 14 для смеси находится на более низком уровне в смесительной камере 20, и при остановке двигателя и когда добавка смеси мочевины в отработавшие газы уже не требуется, присутствие во впускном канале 12 образующего кристаллы материала исключается.