ИНЖЕКТИРОВАНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЯ В ВЫХЛОПНУЮ СИСТЕМУ
INJECTING REDUCING AGENT INTO EXHAUST SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Объектами настоящего изобретения являются система инжектирования жидкого восстановителя в выхлопную систему, способ эксплуатации системы и направляющее устройство для применения в данной системе.
Уровень техники
Известно, что для снижения уровня содержания оксидов азота в выхлопной системе, в частности в выхлопной системе дизельного двигателя, применяют инжектирование восстановителя в поток выхлопного газа по потоку перед модулем избирательной каталитической нейтрализации (ИКН). В процессе избирательной каталитической нейтрализации восстановитель преобразует оксиды азота в газообразный азот и воду. В качестве типичных восстановителей используют аммиак или мочевину, причем использование мочевины, в целом, является предпочтительным с точки зрения безопасности и простоты обработки. Мочевина превращается в аммиак в процессе термического разложения.
Инжектирование жидкого восстановителя (например, водного раствора мочевины) можно производить с помощью инжектирующей системы только для жидкостей или с помощью инжектирующей системы с использованием воздуха. Инжектирование с использованием воздуха обеспечивает образование более мелких и однородных капелек за счет инжектирования по осевой линии.
Проблема при таком инжектировании восстановителя заключается в том, что туман или мелкие капельки с наконечника инжектора могут оседать на стенке выхлопной трубы. Это понижает эффективность процесса, а в случае использования мочевины при низких температурах может приводить к возникновению отложений, которые могут частично или полностью блокировать выхлопную трубу. Высокая концентрация на стенке или вблизи стенки создает значительные трудности для перемешивания и равномерного распределения восстановителя в выхлопном газе при избирательном катализе.
В документе US 2010/0212292 предлагалось производить инжектирование восстановителя через штуцер подачи, снабженный входным отверстием для создания вспомогательного потока газа вдоль внутренней стенки штуцера подачи с целью создания газового барьера для предотвращения отложения мелких частиц тумана и жидкости на внутренней стенке штуцера подачи или выхлопной трубы. В документе WO 2011/106487 раскрывается система инжектирования жидкого восстановителя в выхлопной газ через внутренний конус, расположенный внутри выхлопной трубы и, в целом, параллельно ей. Инжектор восстановителя соединен по текучей среде с конусом. В конусе выполнены отверстия для обеспечения входного потока выхлопного газа с целью создания усилия для затягивания частиц инжектированного жидкого восстановителя. Данное затягивающее усилие увеличивает время прохождения капелек от инжектора до каталитического конвертера ИКН, позволяя мочевине или какому-либо другому восстановителю больше нагреваться, и, следовательно, лучше испаряться, и/или обеспечивая его лучшее термическое разложение.
Инжектирование жидкого восстанавливающего водного раствора мочевины в месте изгиба выхлопной трубы обеспечивает ряд преимуществ по характеристикам и практическому применению, обеспечивая максимальную длину участка перемешивания внизу по течению, большую компактность устройства и уменьшение проблем, связанных с температурой инжектора. Однако размещение инжектора на изгибе выхлопной трубы приводит к тому, что большая часть инжектированной струи следует за основным газовым потоком, в частности, если частицы жидкости являются мелкими (как это бывает в инжектирующих системах с использованием воздуха). Даже при высокой начальной скорости инжектированной капельки, ее инерция слишком мала по сравнению с затягивающей силой основного потока выхлопных газов. Это приводит к тому, что большинство капелек жидкого восстановителя ударяется в стенку выхлопной трубы, и при этом происходит потеря всех обеспечиваемых малым размером капелек преимуществ по перемешиванию и разложению аммиака (по испарению и турбулентному рассеиванию).
Раскрытие изобретения
Аспекты настоящего изобретения определены в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные отличительные признаки указаны в зависимых пунктах формулы.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится описание настоящего изобретения, только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1-3 показаны перспективные изображения узла для применения в выхлопной системе в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения;
на фиг. 4 - пример исполнения выхлопной системы согласно настоящему изобретению;
на фиг. 5 и 6 - подробное изображение части системы, показанной на фиг. 4;
на фиг. 7 - вид в разрезе по вертикальной плоскости части системы, показанной на фиг. 4; и
на фиг. 8 и 9 - моделирование потока газа в системе, выполненной согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг. 4, выхлопная система двигателя содержит выхлопную трубу 18 с изгибом 30, выводящим поток выхлопных газов по криволинейной траектории. Выхлопная труба 18 имеет внутреннюю поверхность и соединена по текучей среде с каталитическим конвертером ИКН 22, расположенным по потоку после изгиба 30. Направляющий узел 2 (более подробно показан на фиг. 1-3 и 7) используется для инжектирования капелек жидкого восстановителя, такого как водный раствор мочевины, в поток выхлопных газов, где эти капельки дополнительно перемешиваются, в данном конкретном примере, с помощью 8-лопастного смесителя 20 (лучше виден на фиг. 5 и 6).
Инжектор 12 установлен на внешней поверхности выхлопной трубы и содержит наконечник 28 инжектора (см. фиг. 7), расположенный внутри выхлопной трубы 18 на изгибе 30 и служащий для инжектирования жидкого восстановителя в выхлопную трубу 18. В выхлопной трубе 18 на расстоянии от внутренней поверхности выхлопной трубы установлен экранирующий элемент 4. Экранирующий элемент 4 имеет, в целом, трубчатую форму (или, как в данном примере, выполнен в форме усеченного конуса), и содержит открытый ближний торец 14 и открытый дальний торец 16. Ближний торец 14 расположен таким образом, что наконечник 28 инжектора находится внутри экранирующего элемента 4. Дальний торец 16 расположен на центральной оси 26 выхлопной трубы 18 или рядом с ней. На экранирующем элементе 4 установлена направляющая лопатка 6, которая направляет часть потока выхлопных газов 24 (см. фиг. 8) из области перед изгибом выхлопной трубы по практически дугообразной траектории в ближний торец 14 экранирующего элемента 4.
Рассматриваемый в данном примере инжектор 12 представляет собой систему с использованием воздуха, однако настоящее изобретение может быть использовано и для безвоздушных систем, и также может обеспечивать преимущество, заключающееся в уменьшении вероятности образования отложений на наконечнике 28 инжектора.
Предпочтительно, чтобы экранирующий элемент 4 имел форму усеченного конуса, при которой диаметр ближнего торца 14 меньше диаметра дальнего торца 16, чтобы расходящаяся внутренняя поверхность стенки экранирующего элемента соответствовала форме конуса распыляемых частиц жидкости из наконечника 28 инжектора, и капельки жидкости не контактировали со стенкой.
Рассматриваемая система создает более однородное течение вокруг инжектора 12 за счет отделения части потока выхлопных газов, направляя ее в обход инжектора в виде однородного потока. Данному процессу также способствует то, что часть газового потока проходит за экранирующим элементом 4, поступая в пространство 32 (см. фиг. 8) и далее между экранирующим элементом 4 и прилегающей внутренней поверхностью выхлопной трубы на расположенной внизу по течению части экранирующего элемента.
За счет того, что отклоненный поток газа перемещается по плавной траектории из области вверху по течению, входя сзади в ближний торец 14 экранирующего элемента 4, большая часть кинетической энергии отклоненного потока газа расходуется на образование демпфирующего или экранирующего слоя между центральной частью потока капельного тумана жидкого восстановителя из наконечника 28 инжектора и внутренней поверхностью экранирующего элемента 4. Экранированный капельный туман поступает от дальнего торца 16 экранирующего элемента 4 к центральной оси 26 выхлопной трубы 18. Капельки жидкого восстановителя перемещаются практически по продольной оси 26, что уменьшает вероятность их соударения с внутренней поверхностью выхлопной трубы и образования жидкой пленки. Кроме того, это обеспечивает хорошее распределение капелек жидкого восстановителя по объему газа, уменьшая степень необходимого дальнейшего перемешивания, которое требуется для обеспечения равномерного распределения восстановителя по потоку выхлопных газов, что необходимо для обеспечения высокой степени преобразования оксидов азота. Моделирование плавного перехода отклоненного потока газов представлено на фиг. 9; линиями показан поток газа. В целом, отклоненный поток газа проходит по дугообразной траектории за направляющей лопаткой 6, входя в экранирующий элемент 4 с небольшой потерей кинетической энергии.
Направление небольшой части потока через область 32 обеспечивает дополнительный демпфирующий или экранирующий эффект, предотвращающий контактирование частиц жидкого восстановителя с внутренней поверхностью выхлопной трубы 18 по потоку после выхода из дальнего торца 16 экранирующего элемента 4. Уменьшение образования жидкой пленки уменьшает вероятность возникновения на внутренней поверхности выхлопной трубы отложений, уменьшающих степень восстановления оксидов азота.
Таким образом, в месте соединения основного потока выхлопных газов ("внешний поток" на фиг. 8) с потоком выхлопных газов из инжектора ("внутренний поток" на фиг. 8) система обеспечивает равномерное распределение частиц жидкого восстановителя для дальнейшего перемешивания. Основной поток выхлопных газов образует внешний поток вокруг внутреннего потока инжектора, что обеспечивается размерами экранирующего элемента 4 и области 32 под экранирующим элементом.
Отклоняющая лопатка 6 может отклонять 10-30% объема основного потока выхлопных газов, предпочтительно, около 15%.
При моделировании было обнаружено, что сочетание экранирующего элемента 4 и отклоняющей лопатки 6 является достаточным для направления большей части частиц жидкого восстановителя в каталитический конвертер ИКН 22, при условии, что геометрия устройства обеспечивает плавное прохождение газового потока. Однако если геометрия устройства вверху по течению не является идеальной, например, если выхлопная труба содержит один или несколько изгибов вверху по течению, во входящем потоке выхлопных газов могут возникать завихрения, которые будут снижать эффективность системы за счет контакта частиц жидкого восстановителя с внутренней поверхностью выхлопной трубы.
Для уменьшения влияния геометрии системы вверху по течению рядом с экранирующим элементом 4 могут быть установлены один или несколько элементов 8, 10 спрямления потока. В рассматриваемом примере два верхних спрямляющих элемента 8 установлены на направляющей лопатке 6 по потоку перед экранирующим элементом 4, и два нижних спрямляющих элемента 10 установлены на направляющей лопатке 6 по потоку после экранирующего элемента 4. В данном варианте исполнения, каждый спрямляющий элемент представляет собой стенку или пластину, закрепленную на направляющей лопатке 6 и ориентированную практически перпендикулярно локальной плоскости направляющей лопатки. Предпочтительно, основные части плоскостей каждого спрямляющего элемента расположены практически параллельно внутреннему диаметру выхлопной трубы.
Выхлопная система может быть изготовлена с направляющим узлом 2, смонтированным на изгибе выхлопной трубы, и с инжектором, установленным таким образом, чтобы наконечник инжектора находился внутри экранирующего элемента. Однако понятно, что конструкция предлагаемого направляющего узла может быть модифицирована таким образом, чтобы его можно было применять и на других выхлопных системах, с целью получения обеспечиваемых им преимуществ. Соответственно, согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, объектом изобретения является направляющий узел, предназначенный для установки в выхлопной системе.
Аналогично, настоящее изобретение предлагает также систему и способ ее применения для повышения эффективности доставки восстановителя в каталитический конвертер ИКН выхлопной системы двигателя.
Используемые в настоящем описании неопределенные артикли "а" и "an" означают "по меньшей мере", если контекст не требует иного.