УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДОБАВКИ В ВЫХЛОП
DEVICE AND SYSTEM FOR DISTRIBUTION OF ADDITIVE INTO EXHAUST

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам для распределения добавки в выхлоп, предназначенным для выхлопных систем двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, настоящее изобретение относится к системам распределения добавки в выхлоп, содержащим такие устройства для распределения добавки в выхлоп, а также к транспортным средствам, содержащим такие устройства или системы для распределения добавки в выхлоп.
Уровень техники
Стандарты по токсичности выхлопных газов автотранспортных средств становятся все более жесткими. Такие стандарты, как правило, определяют максимальные уровни выбросов для ряда загрязнителей, содержащихся в выхлопных газах, включая моноксид углерода (СО), углеводороды (НС), оксиды азота (NOx) и твердые частицы (РМ). Для удовлетворения требований, существующих в настоящее время, и обеспечения соответствия предполагаемым будущим стандартам транспортные средства должны быть предусмотрены с техническими средствами для снижения выбросов вредных веществ. Такие технические средства для снижения выбросов вредных веществ, пригодные для дизельных транспортных средств, включают рециркуляцию выхлопных газов (EGR), сажевые фильтры, дизельные катализаторы окисления (DOC) и селективное каталитическое восстановление (SCR). Каждое техническое решение имеет свои определенные преимущества и недостатки и может привести к увеличению встречаемости одного загрязнителя при уменьшении встречаемости другого. Например, EGR может обеспечить уменьшение выбросов NOx, но привести к снижению эффективности использования топлива и увеличению количества твердых частиц. Следовательно, ряд технических средств часто применяют вместе для обеспечения соответствия стандартам по токсичности выхлопных газов.
2
Селективное каталитическое восстановление (SCR) представляет собой эффективную технологию для уменьшения содержания оксидов азота (NOx) в выхлопных газах. Оно предусматривает добавление восстановителя, такого как аммиак, в поток выхлопных газов транспортного средства. С помощью катализатора восстановитель обеспечивает восстановление NOx в потоке выхлопных газов до газообразного азота (N) и воды. В реализуемых на практике вариантах осуществления в автотранспортных средствах в качестве восстановителя используют водный раствор мочевины, и этот раствор мочевины разлагается на аммиак и диоксид углерода в потоке горячих выхлопных газов.
Поскольку SCR применяют по потоку за двигателем в качестве средства доочистки выхлопных газов, оно не влияет на характеристики сжигания в двигателе так, как, например, EGR. Следовательно, желательно иметь возможность удаления по существу всех NOx из потока выхлопных газов при использовании только SCR без необходимости в EGR. Однако это происходит не без затруднений. Для получения аммиака в количествах, требуемых для восстановления по существу всех NOx, большие количества раствора мочевины должны быть введены в поток выхлопных газов. Если поток выхлопных газов является достаточно горячим, раствор мочевины будет испаряться и разлагаться до аммиака. При неоптимальных температурах раствор мочевины может вместо этого образовывать отложения на поверхностях выхлопного трубопровода. Такие отложения могут включать кристаллизованную мочевину, а также побочные продукты разложения мочевины, такие как циануровая кислота. Эти отложения могут быть удалены за счет нагрева выхлопной системы при температурах, приближающихся к или превышающих 400°С, но такие температуры редко достигаются во время нормальной эксплуатации транспортного средства, и поэтому должны быть введены специальные процедуры для удаления отложений, вызываемых выхлопом.
Дополнительным затруднением, связанным с SCR, является необходимость эффективного смешивания для обеспечения равномерного распределения восстановителя по всей площади поверхности одного или более слоев катализатора SCR. Пространство, доступное для смешивания, чрезвычайно ограничено, и восстановитель обычно вводят в поток выхлопных газов на небольшом расстоянии от слоев катализатора SCR перед ними по ходу потока. Для улучшения смешивания смесительное устройство, часто похожее на лопатку турбины, размещают в выпускной трубе. Однако даже при использовании смесительного устройства трудно обеспечить достаточно равномерное смешивание. Кроме того, смесительное устройство, имеющееся в выпускной трубе, функционирует подобно препятствию для потока, вызывающему создание более высокого давления перед смесителем (противодавления) и приводящему к снижению кпд двигателя.
Эти проблемы могут быть частично решены за счет обеспечения впрыска восстановителя в месте, находящемся ближе по потоку в выхлопной системе, например, в частях выхлопной системы, установленных близкопо отношению к двигателю транспортного средства, например, непосредственно за любым турбонагнетателем или тормозом–замедлителем по ходу потока в выхлопном трубопроводе. В этой зоне температуры выхлопа, как правило, более высокие, и имеет место меньшее время повышения температуры при повышении температуры системы до рабочей температуры после холодного запуска.
Однако размещение средства впрыска восстановителя в данной зоне может вызвать дополнительные проблемы. В выхлопной системе компоненты, расположенные ближе по потоку и ближе всего к двигателю, такие как выпускной коллектор, турбонагнетатель и тормоз–замедлитель, как правило, смонтированы близко по отношению к двигателю. Компоненты, расположенные дальше по потоку в выхлопной системе, такие как глушители и катализаторы доочистки, как правило, установлены близко по отношению к шасси транспортного средства. Для обеспечения возможности перемещения компонентов, расположенных ближе по потоку, и компонентов, расположенных дальше по потоку, друг относительно друга, а также для предотвращения вибраций гибкий элемент, устраняющий связь, часто размещен в выхлопной системе за компонентами, расположенными ближе по потоку, и перед компонентами, расположенными дальше по потоку. Элемент, устраняющий связь, часто представляет собой сильфон или шланг, изготовленный спиральной намоткой ленты. Нежелательное осаждение мочевины в элементе, устраняющем связь, при инжекторе, расположенном ближе по потоку, вызывает постепенное увеличение жесткости элемента, устраняющего связь, что приводит к увеличению вибраций в выхлопной системе и преждевременному отказу компонентов.
Предпринимались попытки устранить осаждение мочевины в элементе, устраняющем связь.
В DE 102010025611 A1 раскрыта магистраль для выхлопных газов, которая может быть использована, в частности, в легковом автомобиле. Магистраль для выхлопных газов содержит, по меньшей мере, одну трубу, которая окружает внутреннюю трубу, по которой может циркулировать выхлопной газ и в которой выхлопной газ может проходить в аксиальном направлении. Инжектор для ввода восстановителя, пригодного для восстановления оксидов азота до азота, во внутреннюю трубу открывается во внутреннюю трубу наклонно по отношению к аксиальному направлению внутренней трубы. В предпочтительном варианте осуществления внутренняя труба расположена в зоне элемента, устраняющего связь, посредством которого первая труба соединена со второй трубой выхлопной трубы. Внутренняя труба защищает элемент, устраняющий связь, от восстановителя, введенного в зону выпуска, так что осаждение ингредиентов восстановителя не может происходить на элементе, устраняющем связь. Смеситель расположен во внутренней трубе или по потоку за выходом внутренней трубы.
Сохраняется потребность в усовершенствованном средстве для добавления восстановителя в поток выхлопных газов.
Сущность изобретения
Авторы настоящего изобретения выявили ряд недостатков, связанных с решениями по предшествующему уровню техники, предназначенными для подачи восстановителя в поток выхлопных газов.
В некоторых решениях по предшествующему уровню техники предусмотрена внутренняя труба, проходящая вдоль по существу всей длины элемента, устраняющего связь. Данное решение имеет ряд недостатков. Длинная внутренняя труба, закрепленная в месте, находящемся ближе к входному концу, имеет резонанс при частоте, которая может обычно возникать в двигателе или окружающей среде, что вызывает вибрацию, шум и риск преждевременного отказа компонентов. Кроме того, во время холодного запуска, когда температуры выхлопа еще низкие, мочевина и побочные продукты могут осаждаться ближе к выходному концу длинной внутренней трубы. Такие отложения могут вызвать ухудшение характеристик теплопередачи во внутренней трубе, что делает более вероятными дополнительные отложения и в конце концов приводит к компоненту, функционирующему неоптимальным образом.
В некоторых решениях по предшествующему уровню техники предусмотрено использование смесителя, расположенного по потоку за инжектором. Как указано ранее, смесительное устройство, имеющееся в выпускной трубе, функционирует подобно препятствию для потока, вызывающему создание более высокого давления перед смесителем (противодавления) и приводящему к снижению кпд двигателя.
Следовательно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить усовершенствованное средство для добавления восстановителя в поток выхлопных газов в выхлопной системе перед устройством, устраняющим связь, по ходу потока. Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить средство для добавления восстановителя, которое является более надежным и менее подверженным накоплению отложений и/или механическому отказу по сравнению с решениями по предшествующему уровню техники.
Эти задачи решаются посредством устройства для распределения добавки в выхлоп, предназначенного для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, согласно приложенной формуле изобретения.
Устройство для распределения добавки в выхлоп содержит выпускной трубчатый элемент, устройство для впрыска добавки в выхлоп и основной испарительный элемент. Устройство для впрыска добавки в выхлоп выполнено с возможностью впрыска жидкой добавки в выхлоп из точки на внутренней поверхности выпускного трубчатого элемента по направлению к внутренней поверхности основного испарительного элемента и представляет собой устройство для впрыска только жидкости. Основной испарительный элемент представляет собой трубчатый элемент, расположенный во внутреннем пространстве выпускного трубчатого элемента, имеет заданный зазор между внутренней поверхностью выпускного трубчатого элемента и наружной поверхностью основного испарительного элемента и выступает из выпускного трубчатого элемента на выходном конце. Основной испарительный элемент имеет длину, которая достаточно мала для обеспечения возможности вытекания впрыснутой жидкой добавки в выхлоп из выходного конца основного испарительного элемента. Это вытекание может быть соответственно определено при типовых условиях эксплуатации, как описано в данном документе.
При использовании основного испарительного устройства, которое является таким коротким, что добавка в выхлоп может вытекать, обеспечивается ряд преимуществ. Короткий основной испарительный элемент в меньшей степени подвержен вибрациям и резонансу в условиях эксплуатации и, следовательно, является более «тихим» и менее подвержен механическому отказу, обусловленному чрезмерной вибрацией. Поскольку добавка в выхлоп вытекает из конца основного испарительного элемента, уменьшается подверженность образованию отложений из мочевины и/или побочных продуктов на поверхности основного испарительного элемента, и, следовательно, уменьшается вероятность ухудшения свойств данного элемента вследствие накопления отложений с течением времени. Кроме того, вследствие вытекания добавки в выхлоп из основного испарительного устройства и ее уноса проходящими выхлопными газами добавка в выхлоп уносится и/или испаряется за несколько этапов. Это обеспечивает возможностью получения надежного и эффективного средства распределения добавки в выхлоп в выхлопном газе.
Добавка в выхлоп может предпочтительно представлять собой восстановитель, такой как водный раствор мочевины. Такие добавки в выхлоп широко используются в данной области техники в сочетании с катализаторами SCR.
Основной испарительный элемент может иметь такую длину L, что основной испарительный элемент будет проходить на расстоянии от 10 мм до 300 мм, например, от 50 мм до 200 мм или от 100 мм до 150 мм в продольном направлении за точкой, в которой ось впрыска устройства для впрыска добавки в выхлоп пересекается с внутренней поверхностью основного испарительного элемента.
Основной испарительный элемент предпочтительно может проходить на расстоянии L в продольном направлении за точкой, в которой ось впрыска пересекается с внутренней поверхностью основного испарительного элемента, при этом данное расстояние приблизительно равно диаметру выпускной трубы на выходном конце выпускной трубы, например, составляет от 50% до 150% от данного диаметра или от 80% до 120% от данного диаметра. Это может обеспечить надлежащую степень вытекания.
Выходной конец основного испарительного элемента может иметь меньшую площадь поперечного сечения, чем входной конец основного испарительного элемента. Это обеспечивает ускорение выхлопного газа в основном испарительном элементе и способствует смешиванию и испарению добавки в выхлоп. Например, площадь выходного поперечного сечения может составлять менее 90% от площади входного поперечного сечения, например, менее 80% от площади входного поперечного сечения или менее 70% от площади входного поперечного сечения. Ускорение выхлопного газа посредством основного испарительного элемента также способствует продувке выходного конца испарительного элемента с целью очистки, в результате чего гарантируется то, что капли добавки не будут прикрепляться и испаряться на выходном крае, при этом данное прикрепление и испарение в противном случае привело бы к отложениям мочевины, образующимся на данном выходном крае. Кроме того, использование сужающегося основного испарительного элемента с меньшим выходным концом по сравнению с входным концом обеспечивает возможность большего перемещения испарительного элемента относительно устройства, устраняющего связь, по сравнению с использованием несужающегося, то есть цилиндрического испарительного элемента. Это означает, что испарительный элемент, имеющий относительно большую площадь входного поперечного сечения, может быть использован без риска нежелательного контакта между испарительным элементом и элементом, устраняющим связь, по сравнению с вариантами осуществления, в которых используется цилиндрический испарительный элемент.
Трубчатый элемент основного испарительного элемента может состоять из неперфорированного металла. Таким образом, основной испарительный элемент может быть изготовлен удобным образом из листового металла или посредством литья.
Не требуется, чтобы устройство для распределения добавки в выхлоп содержало смесительное устройство. Эффективное смешивание на нескольких этапах обеспечивается за счет использования основного испарительного элемента согласно настоящему изобретению. Следовательно, не требуется дополнительное смесительное устройство. Поскольку смесительные устройства имеют тенденцию вызывать повышение противодавления в выхлопной системе и уменьшение экономии топлива, предпочтительно избежать необходимости в использовании смесительного устройства.
Поперечное сечение основного испарительного элемента в плоскости, перпендикулярной к центральной продольной оси основного испарительного элемента, может иметь размеры поперечного сечения, которые не равны, и при этом размер, который соответствует оси впрыска устройства для впрыска, представляет собой больший из размеров поперечного сечения. Например, основной испарительный элемент может иметь частично спрямленные стенки, так что поперечное сечение основного испарительного элемента в плоскости, перпендикулярной к центральной продольной оси основного испарительного элемента, будет иметь форму круга, в котором части, образованные посредством двух параллельных, но диаметрально противоположных хорд, были удалены. Наличие неравных размеров может обеспечить получение большего расстояния, которое должна будет пройти добавка в выхлоп перед «столкновением» с основным испарительным устройством, при этом одновременно ограничивается общий объем, занимаемый основным испарительным устройством в выпускной трубе.
Основной испарительный элемент может быть неподвижно прикреплен к выпускному трубчатому элементу только вблизи входного конца основного испарительного элемента. Это создает возможность легкой сборки и разборки выхлопных систем, содержащих устройство для распределения добавки в выхлоп. Основной испарительный элемент может быть размещен неподвижно относительно выпускного трубчатого элемента посредством распорок между выпускным трубчатым элементом и основным испарительным элементом и/или прикреплен непосредственно к выпускному трубчатому элементу на входном крае основного испарительного элемента.
Устройство для впрыска добавки в выхлоп может быть расположено так, что угол Ɵ установки, образованный между осью впрыска устройства для впрыска добавки в выхлоп и центральной осью основного испарительного элемента, составляет от 10° до 90°, например, от 20° до 40°.
Согласно дополнительному аспекту задачи настоящего изобретения решаются посредством системы распределения добавки в выхлоп согласно приложенной формуле изобретения. Система распределения добавки в выхлоп содержит элемент, устраняющий связь, и устройство для распределения добавки в выхлоп, описанное в данном документе. Элемент, устраняющий связь, расположен рядом с выходным концом выпускного трубчатого элемента так, что выходной конец основного испарительного элемента проходит во внутреннее пространство элемента, устраняющего связь, и так, что остается заданный зазор между внутренней поверхностью элемента, устраняющего связь, и наружной поверхностью основного испарительного элемента.
При использовании устройства для распределения добавки в выхлоп вместе с элементом, устраняющим связь, избегают осаждения добавки в выхлоп на стенках элемента, устраняющего связь, благодаря основному испарительному элементу и потоку выхлопных газов снаружи основного испарительного элемента, обеспечивающему направление траектории прохождения добавки в выхлоп так, чтобы она проходила на удалении от стенок элемента, устраняющего связь.
Основной испарительный элемент может проходить вдоль длины элемента, устраняющего связь, в продольном направлении на расстоянии, составляющем самое большее 60% от его длины, например, самое большее 40%. Комбинация гибкого элемента, устраняющего связь, с коротким основным испарительным элементом облегчает «надевание» элемента, устраняющего связь, на основной испарительный элемент во время сборки или «стягивание» его с основного испарительного элемента во время разборки для обслуживания.
Вспомогательный испарительный элемент может быть размещен рядом с выходным концом элемента, устраняющего связь. Вспомогательный испарительный элемент способствует испарению больших капель, переносимых в потоке выхлопных газов, посредством чего обеспечиваются еще один этап испарения и более высокая надежность системы. Вспомогательный испарительный элемент может представлять собой изолированный трубчатый элемент. Вспомогательный испарительный элемент может представлять собой, например, изолированный трубчатый элемент, содержащий изгиб, выполненный с возможностью изменения среднего направления потока выхлопных газов. Изоляция способствует поддержанию высокой температуры стенок во вспомогательном испарительном элементе для содействия испарению, и изгиб создает возможность столкновения капель, захваченных в выхлопном газе, со стенкой вспомогательного испарительного элемента вследствие инерции.
Элемент, устраняющий связь, может представлять собой сильфонный элемент или элемент в виде шланга, изготовленного спиральной намоткой ленты. Такие элементы, устраняющие связь, хорошо зарекомендовали себя и являются надежными.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения задачи изобретения решаются с помощью транспортного средства, содержащего устройство для распределения добавки в выхлоп или систему распределения добавки в выхлоп, раскрытые в данном документе.
Дополнительные задачи, преимущества и новые признаки настоящего изобретения станут очевидными для специалиста в данной области техники из нижеприведенного подробного описания.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания настоящего изобретения и его дополнительных задач и преимуществ подробное описание, приведенное ниже, следует читать вместе с прилагаемыми чертежами, на которых одни и те же ссылочные позиции обозначают аналогичные объекты на различных схематических изображениях и на которых:
фиг.1 схематически иллюстрирует транспортное средство, содержащее систему распределения добавки в выхлоп согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 схематически иллюстрирует систему распределения добавки в выхлоп согласно варианту осуществления настоящего изобретения, в которой основной испарительный элемент является непрерывно сужающимся;
Фиг.3 схематически иллюстрирует поток выхлопных газов в системе распределения добавки в выхлоп согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 схематически иллюстрирует систему распределения добавки в выхлоп согласно варианту осуществления настоящего изобретения, в которой основной испарительный элемент не является сужающимся;
Фиг.5 схематически иллюстрирует систему распределения добавки в выхлоп согласно варианту осуществления настоящего изобретения, в которой основной испарительный элемент имеет несужающиеся входную и выходную секции и сужающуюся среднюю секцию;
Фиг.6 схематически иллюстрирует систему распределения добавки в выхлоп согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.7а схематически иллюстрирует основной испарительный элемент, имеющий круглую форму поперечного сечения;
Фиг.7b схематически иллюстрирует основной испарительный элемент, имеющий эллиптическую форму поперечного сечения;
Фиг.7с схематически иллюстрирует основной испарительный элемент, имеющий восьмиугольную форму поперечного сечения; и
Фиг.7d схематически иллюстрирует основной испарительный элемент, имеющий усеченную круглую форму поперечного сечения.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству для распределения добавки в выхлоп и к системе распределения добавки в выхлоп, предназначенным для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания. Система распределения добавки в выхлоп содержит выпускную трубу, ведущую к устройству, устраняющему связь, при этом оба данных компонента определяют внешние границы трубопровода для выхлопных газов. Во внутреннем пространстве, образованном выпускной трубой и устройством, устраняющим связь, внутренняя труба размещена так, что образуется заданный зазор между наружной стенкой внутренней трубы и внутренними поверхностями устройства, устраняющего связь, и выпускной трубы. Выхлопной газ, проходящий через систему распределения, проходит не только во внутренней трубе, но и также через данный зазор между наружной стенкой внутренней трубы и внутренними поверхностями устройства, устраняющего связь, и выпускной трубы. Таким образом, внутренняя труба нагревается потоком выхлопного газа, проходящим как через внутреннее пространство трубы, так и снаружи трубы. Сопло устройства для впрыска добавки расположено рядом со стенкой выпускной трубы и выполнено с возможностью распыления добавки в выхлоп по направлению к внутренней поверхности внутренней трубы. Добавка в выхлоп, распыленная на нагретые стенки внутренней трубы, может испаряться и уноситься потоком выхлопных газов к катализатору для доочистки, расположенному дальше по потоку.
Выражения «ближе по потоку/входной» и «дальше по потоку/выходной» соответственно относятся к положениям в выхлопной системе по отношению к типовому направлению потока выхлопного газа от двигателя к выхлопной трубе. Компонент назван расположенным перед другим компонентом по ходу потока, если он расположен в выхлопной системе ближе к двигателю, при этом он назван расположенным дальше по потоку, если он расположен в выхлопной системе ближе к выхлопной трубе.
Настоящее изобретение базируется на обнаружении авторами изобретения того, что внутренняя труба может иметь длину, которая значительно меньше длины устройства, устраняющего связь, причем это не приводит к осаждению добавки на устройстве, устраняющем связь, независимо от того, испаряется ли впрыснутая добавка полностью на или во внутренней трубе или нет. Авторы изобретения обнаружили, что в случае, если внутренняя труба является достаточно короткой, так что добавка вытекает из выходного конца внутренней трубы, вытекающие капли захватываются потоком выхлопного газа, проходящим снаружи внутренней трубы и уносятся данным потоком газа мимо устройства, устраняющего связь, без осаждения на устройстве, устраняющем связь. Таким образом, внутренняя труба служит в качестве основного испарительного элемента, обеспечивающего испарение значительной части, но необязательно всей впрыснутой добавки в выхлоп. Часть добавки в выхлоп, не испарившаяся в основном испарительном устройстве, вытекает из основного испарительного устройства и уносится в виде капель в потоке выхлопного газа, проходящем вокруг наружной стороны основного испарительного устройства. Такие капли затем постепенно испаряются при их перемещении дальше в потоке газа, или они могут сталкиваться с вспомогательной испарительной поверхностью, на которой они испаряются.
Устройство и/или система распределения добавки в выхлоп, имеющие подобную конструкцию, имеют ряд преимуществ. Поскольку добавка в выхлоп испаряется в потоке выхлопного газа как в основном испарительном устройстве, так и вне его, добавка более равномерно распределяется во всем выхлопном газе. В общем случае система распределения добавки в выхлоп обеспечивает очень хорошее смешивание добавки с выхлопным газом, что означает, что не требуется никакого отдельного смесительного компонента. Поскольку не требуется никакой смесительный компонент, имеет место малый перепад давления в устройстве для распределения добавки в выхлоп, что означает, что оно не вызывает чрезмерного противодавления или не оказывает отрицательного влияния на экономию топлива в двигателе. Поскольку чрезмерно большие капли впрыснутой добавки просто вытекают из основного испарительного устройства и уносятся, существует меньшая потребность в тщательном регулировании диаметра и скорости капель при впрыске, что означает, например, что может быть использован безвоздушный инжектор, и могут быть использованы более простые, более надежные устройства для впрыска. Поскольку основное испарительное устройство является достаточно коротким для вытекания добавки, имеет место меньшая тенденция к образованию отложений на выходном конце испарительного устройства. Короткое испарительное устройство также означает то, что существует меньший риск возникновения резонанса, причиняющего вред, несмотря на то, что основное испарительное устройство оперто только на входном конце. Дополнительным преимуществом является простота сборки и разборки при наличии основного испарительного устройства, которое выступает только на короткое расстояние в устройство, устраняющее связь.
Устройство для распределения добавки в выхлоп по настоящему раскрытию изобретения расположено в выхлопной системе для двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может представлять собой любой двигатель внутреннего сгорания, но предпочтительно представляет собой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, даже более предпочтительно четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Двигатель может использоваться в любом применении, общеизвестном для двигателей внутреннего сгорания. Он может продаваться, например, в виде отдельно стоящего двигателя, предназначенного для использования, например, в установках для выработки энергии или в промышленной сфере. Однако предпочтительно применение в транспортном средстве. Под транспортным средством подразумевается любая машина, в которой двигатель внутреннего сгорания используется для создания движущей силы или напрямую, или опосредованно, как в случае серийных гибридных транспортных средств. Транспортные средства включают, среди прочего, автотранспортные средства, такие как легковые автомобили, грузовые автомобили и автобусы, рельсовые транспортные средства, такие как поезда и трамваи, плавучие средства, такие как корабли и лодки, и воздушные транспортные средства. Добавка в выхлоп предпочтительно представляет собой восстановитель, еще более предпочтительно жидкость для дизельного выхлопа, содержащую раствор мочевины в воде, в соответствии со стандартом AUS 32 ISO 22241. Однако добавка в выхлоп также может представлять собой другую жидкую добавку, добавляемую в поток выхлопных газов, такую как углеводородное топливо для «выжигания» дизельного сажевого фильтра, расположенного дальше по потоку в выхлопной системе. Однако в дальнейшем добавка в выхлоп может упоминаться просто как «восстановитель».
Устройство для распределения добавки в выхлоп может быть расположено в выхлопной системе непосредственно за турбонагнетателем и/или тормозом–замедлителем по ходу потока в случае их наличия. Такое место расположения в выхлопной системе значительно ближе по потоку означает, что устройство подвергается воздействию относительно высоких температур выхлопных газов и имеет относительно малое время повышения температуры. Это способствует испарению восстановителя, особенно во время холодного запуска или при эксплуатации в условиях низких температур. Однако устройство для распределения добавки в выхлоп может быть размещено в любом месте в выхлопной системе, в котором требуется впрыск добавки, например, непосредственно перед глушителем или катализатором SCR по ходу потока. Устройство для распределения добавки в выхлоп может предпочтительно использоваться совместно с устройством, устраняющим связь, и при необходимости совместно со вспомогательным испарительным элементом для формирования системы распределения добавки в выхлоп. В таком случае устройство для распределения добавки в выхлоп полезно для предотвращения отложений на устройстве, устраняющем связь, как описано выше. Тем не менее, устройство для распределения добавки в выхлоп само по себе обеспечивает ряд преимуществ, таких как очень хорошее и надежное добавление добавки в поток выхлопных газов, и, следовательно, также может использоваться без устройства, устраняющего связь, или отдельно от любого устройства, устраняющего связь, в выхлопной системе.
Основной испарительный элемент образован из материала, который обеспечивает хорошую теплопередачу и может выдерживать условия, преобладающие в выпускной трубе. Такие материалы включают металлы, такие как сталь и алюминий. Основной испарительный элемент может быть изготовлен из любого материала и любым способом, известным в данной области техники. Например, он может быть изготовлен посредством обработки давлением листового металла, или он может быть получен литьем. Стенки основного испарительного элемента предпочтительно являются сплошными, то есть они не содержат сетки или перфорационных отверстий и не перфорированы каким–либо другим способом.
Основной испарительный элемент имеет трубчатую форму. Основной испарительный элемент может представлять собой цилиндр, простейшим примером которого является прямой круговой цилиндр. Поперечное сечение основного испарительного элемента, образованное в плоскости, перпендикулярной к центральной продольной оси основного испарительного устройства, может быть круглым, овальным, многоугольным, таким как квадратное, пятиугольное, шестиугольное, семиугольное или восьмиугольное, или представлять собой гибрид между кругом/овалом и многоугольником. Например, поперечное сечение может иметь форму, похожую на круг или эллипс, в котором сегменты, образованные двумя параллельными, но диаметрально противоположными хордами, были удалены. Основной испарительный элемент может иметь длину y, соответствующую одному размеру в плоскости поперечного сечения, которая больше длины x, соответствующей размеру в перпендикулярном направлении в плоскости поперечного сечения. Такие формы включают овалы, эллипсы и круги/эллипсы, в которых части, образованные двумя параллельными, но диаметрально противоположными хордами, были удалены. В случае, когда размеры x и y основного испарительного элемента различаются, предпочтительно, чтобы основной испарительный элемент был расположен относительно устройства для впрыска так, чтобы больший из размеров x и y определялся в той же плоскости, в которой находятся центральная продольная ось основного испарительного элемента и ось впрыска устройства для впрыска добавки. Это способствует максимизации расстояния, которое может проходить распыленная жидкость, выпускаемая из устройства для впрыска, перед столкновением с основным испарительным элементом, и содействует обеспечению эффективного и равномерного распределения восстановителя в выхлопных газах.
О
I
О
I
I
О
О
I
I
О
Основной испарительный элемент предпочтительно может быть выполнен с конструкцией, обеспечивающей ускорение выхлопных газов, проходящих через основной испарительный элемент. Это может быть обеспечено посредством выполнения основного испарительного элемента с сужением на выходном конце или – более предпочтительно – посредством сужения основного испарительного элемента от входного конца к выходному концу так, чтобы площадь А выходного поперечного сечения была меньше площади А входного поперечного сечения. Площадь А выходного поперечного сечения может составлять менее 90% от площади А входного поперечного сечения, например, менее 80% или менее 70%. Конусность может быть постоянной вдоль длины элемента или может изменяться вдоль длины элемента. Основной испарительный элемент может, например, содержать три секции: входную секцию, имеющую постоянную площадь А поперечного сечения вдоль всей длины входной секции, выходную секцию, имеющую постоянную площадь А поперечного сечения вдоль всей длины выходной секции, при этом А меньше А, и сужающуюся секцию, расположенную между входной секцией и выходной секцией и имеющую площадь поперечного сечения, которая постепенно уменьшается от площади А вблизи входной секции до площади А вблизи выходной секции.
Основной испарительный элемент имеет длину, которая достаточно мала для обеспечения возможности вытекания впрыснутой жидкой добавки в выхлоп из выходного конца основного испарительного элемента при типовом режиме эксплуатации. Например, некоторая часть вспрыснутой жидкой добавки в выхлоп, например, по меньшей мере, 1% масс. впрыснутой жидкой добавки в выхлоп или, по меньшей мере, 5% масс. впрыснутой жидкой добавки в выхлоп, может вытекать из основного испарительного устройства при работе в типовом режиме эксплуатации, например, при работе в одном из режимов эксплуатации, детализированных ниже. В нижеприведенной таблице представлен диапазон типовых рабочих условий, при которых ожидается вытекание мочевины из основного испарительного устройства.
<b>Массовый поток выхлопного газа, кг/ч</b>
<b>Температура выхлопного газа, °С</b>
<b>Доза AdBlue,</b><b>г/мин</b>
0–500
150–250
> 5
250–350> 350
> 10> 15
500–1000
150–250
> 10
250–350> 350
> 15> 20
> 1000
150–250250–350> 350
> 15> 20> 30
Следует отметить, что при определенных условиях эксплуатации, например, при высокой температуре выхлопных газов и малом массовом расходе добавки в выхлоп, добавка в выхлоп может полностью испаряться посредством основного испарительного элемента и, следовательно, необязательно может вытекать из выходного конца.
Основная испарительная поверхность выполнена с возможностью обеспечения испарительной поверхности для впрыснутой добавки в выхлоп, и, следовательно, основное испарительное устройство должно быть достаточно длинным с тем, чтобы, по меньшей мере, часть конуса распыла из устройства для впрыска «сталкивалась» с внутренней поверхностью основного испарительного устройства. Эта часть может представлять собой, по меньшей мере, часть конуса распыла, находящуюся ближе всего по потоку, так что основной испарительный элемент будет проходить только на короткое расстояние L в продольном направлении, составляющее, например, от 10 мм, за точкой, в которой ось впрыска устройства для впрыска добавки в выхлоп пересекается с внутренней поверхностью основного испарительного элемента. Однако может быть обеспечена возможность «столкновения» по существу всего конуса распыла с основным испарительным устройством, включая часть конуса распыла, находящуюся дальше всего по потоку, так что основной испарительный элемент будет проходить на значительное расстояние L в продольном направлении, составляющее, например, до 300 мм, за точкой, в которой ось впрыска устройства для впрыска добавки в выхлоп пересекается с внутренней поверхностью основного испарительного элемента. То место, где конус распыла будет сталкиваться с основным испарительным элементом, может быть определено при принятии в качестве допущения нулевого потока выхлопного газа для простоты, поскольку при больших потоках выхлопного газа распыляемая струя может сталкиваться с поверхностью основного испарительного элемента еще дальше по потоку или может вообще не сталкиваться с данной поверхностью. Основной испарительный элемент предпочтительно может проходить за точкой, в которой ось впрыска пересекается с внутренней поверхностью основного испарительного устройства, на таком расстоянии L в продольном направлении, которое приблизительно равно диаметру выпускной трубы и/или элемента, устраняющего связь, и составляет, например, от 50% до 150% от данного диаметра или от 80 до 120% от данного диаметра. Если основной испарительный элемент используется совместно с элементом, устраняющим связь, основное испарительное устройство может предпочтительно проходить самое большее на 60% в пределах устройства, устраняющего связь, например, самое большее на 40% в пределах устройства, устраняющего связь. Это обеспечивает возможность более простой сборки и разборки выхлопной системы, поскольку устройство, устраняющее связь, является гибким и может быть легко «надето» на короткое основное испарительное устройство или «стянуто» с него.
Устройство для впрыска добавки в выхлоп представляет собой устройство безвоздушного типа, также известное как устройство для впрыска только жидкости. Это означает, что в дозирующем устройстве не используется сжатый воздух для облегчения впрыска восстановителя в выхлопной трубопровод. Поскольку для работы компрессора требуется энергия, данное решение обеспечивает экономию энергии по сравнению с системами с использованием воздуха. Кроме того, в некоторых применениях, таких как применения для судов, необязательно имеется легкодоступный источник сжатого воздуха, и, таким образом, можно избежать использования дополнительных, дорогостоящих компонентов, таких как компрессоры. Может быть использован любой стандартный безвоздушный инжектор, и такие инжекторы известны в данной области техники. Поскольку устройство для распределения добавки в выхлоп обеспечивает испарение добавки в выхлоп за несколько этапов посредством использования основного испарительного элемента, размер капель, получаемый посредством устройства для впрыска, не является критическим, и могут быть использованы капли со сравнительно большим разбросом размеров и/или сравнительно большие капли. Капли, распыляемые из устройства для впрыска, могут иметь, например, средний диаметр капель от 20 мкм до 150 мкм, определяемый как средний диаметр по Саутеру. Устройство для впрыска установлено на стенке выпускной трубы перед основным испарительным элементом по ходу потока, и устройство для впрыска имеет наклон для гарантирования того, что по существу весь впрыскиваемый восстановитель будет попадать во внутреннее пространство основного испарительного элемента во время нормальной эксплуатации. Устройство для впрыска может быть расположено под углом для максимизации доли распыляемых капель, захватываемых непосредственно потоком выхлопного газа, проходящим через основной испарительный элемент, без попадания на внутренние стенки основного испарительного элемента, то есть угол Ɵ установки, образованный между центральной продольной осью основного испарительного устройства и осью впрыска устройства для впрыска, может быть малым и может составлять, например, от 10° до 40°. Однако устройство для впрыска также может быть расположено так, чтобы максимизировать долю распыляемых капель, попадающих на внутреннюю стенку основного испарительного элемента, то есть угол Ɵ установки, образованный между центральной продольной осью основного испарительного устройства и осью впрыска устройства для впрыска, может быть сравнительно большим и может составлять, например, от 40° до 90°. Угол конуса распыла из устройства для впрыска может представлять собой любой угол конусности, известный в данной области техники, например, от 10° до 90°.
Выпускная труба может быть изготовлена из любого материала, известного в данной области техники, такого как сталь или алюминий. Основной испарительный элемент подвешен по меньшей мере частично в выпускной трубе, например, посредством распорок, проходящих между выпускной трубой и основным испарительным элементом в месте, близком к входному концу. Выпускная труба и основное испарительное устройство также могут быть зафиксированы друг относительно друга посредством общей секции стенки на входном конце основного испарительного устройства или секций стенок, которые проходят без зазора и прикреплены друг к другу с помощью соответствующих средств, таких как сварка. Устройство для впрыска добавки в выхлоп прикреплено к стенке выпускной трубы перед входным концом основного испарительного устройства по ходу потока. Изгиб или заглубленная часть может быть образован (–а) в выпускной трубе вблизи входного конца основного испарительного устройства и смонтированного устройства для впрыска для размещения устройства для впрыска под соответствующим углом относительно центральной продольной оси основного испарительного устройства, как описано выше. Однако выпускная труба необязательно включает в себя такой изгиб или такое углубление и может быть, например, по существу прямой.
Если устройство для распределения добавки в выхлоп, описанное выше, используется в качестве части системы распределения добавки в выхлоп, система также дополнительно содержит элемент, устраняющий связь, и при необходимости вспомогательный испарительный элемент. Может быть использован любой элемент, устраняющий связь, известный в данной области техники. Такие элементы, устраняющие связь, как правило содержат шланги, изготовленные спиральной намоткой ленты, или сильфон. Элемент, устраняющий связь, может быть воздухонепроницаемым, или в случае, если он образован, например, из шланга, изготовленного спиральной намоткой ленты, газ может выходить из стенок элемента, устраняющего связь, при повышении давления. Элемент, устраняющий связь, является гибким для адаптации к перемещению шасси и двигателя транспортного средства друг относительно друга.
Размеры выпускной трубы, элемента, устраняющего связь, и основного испарительного элемента заданы такими, чтобы обеспечить зазор между наружной стенкой основного испарительного устройства и элементом, устраняющим связь/выпускной трубой. Зазор должен быть подходящим для обеспечения возможности достаточного потока выхлопного газа вокруг наружной стороны основного испарительного устройства для нагрева стенок основного испарительного устройства и уноса/захвата любой добавки в выхлоп, вытекающей из выходного конца основного испарительного устройства. Зазор может иметь бóльшую величину рядом с входным концом основного испарительного устройства, чем рядом с выходным концом основного испарительного устройства, и необязательно является одинаковым вокруг всей окружной периферии основного испарительного устройства. Основное испарительное устройство на его входном конце может занимать, например, от 30% до 90% от площади поперечного сечения выпускной трубы, например, от 50% до 80%. Основное испарительное устройство на его выходном конце может занимать от 30% до 90% от площади поперечного сечения выпускной трубы, например, от 30% до 80%. Это гарантирует поток выхлопного газа снаружи основного испарительного устройства, который достаточен для захвата/уноса добавки, вытекающей из испарительного устройства.
Вспомогательный испарительный элемент может быть расположен за элементом, устраняющим связь, по ходу потока. Вспомогательный испарительный элемент обеспечивает вспомогательную поверхность для испарения добавки в выхлоп. Вспомогательный испарительный элемент может представлять собой секцию выпускной трубы, изолированную для поддержания максимальных температур испарения. Изоляция может представлять собой любую изоляцию, известную в данной области техники, такую как изоляция из стекловаты. Вспомогательный испарительный элемент может содержать изгиб или колено для изменения основного направления потока выхлопных газов. Большие капли добавки, захваченные в потоке газа, будут стремиться сталкиваться с внутренней стенкой изогнутого вспомогательного испарительного элемента вследствие их большей инерции по сравнению с окружающими частицами газа. При этом добавка в выхлоп может испаряться с горячей поверхности вспомогательного испарительного элемента. Вспомогательный испарительный элемент предпочтительно не является смесительным устройством, поскольку смесительные устройства, как известно в данной области техники, имеют тенденцию вызывать увеличение противодавления в выхлопной системе. Настоящее изобретение далее будет дополнительно проиллюстрировано со ссылкой на приложенные фигуры.
Фиг.1 схематически показывает вид сбоку транспортного средства 1 согласно варианту осуществления изобретения. Транспортное средство 1 включает в себя двигатель 2 внутреннего сгорания, турбонагнетатель 4 и тормоз–замедлитель 6. Непосредственно за тормозом–замедлителем 6 по ходу потока расположена система 8 распределения добавки в выхлоп. Выхлопной трубопровод 10 обеспечивает подвод выхлопных газов из системы 8 распределения добавки в выхлоп к катализатору SCR 12. Транспортное средство 1 может представлять собой транспортное средство большой грузоподъемности, например, грузовой автомобиль или автобус. В альтернативном варианте транспортное средство 1 может представлять собой легковой автомобиль. Транспортное средство может представлять собой гибридное транспортное средство, содержащее электрическую машину (непоказанную) помимо двигателя 2 внутреннего сгорания.
Фиг.2 схематически показывает систему 8 распределения добавки в выхлоп согласно варианту осуществления изобретения. Система 8 распределения добавки в выхлоп расположена непосредственно за тормозом–замедлителем 6 по ходу потока. Система распределения добавки в выхлоп содержит выпускную трубу 14, внутри которой расположен основной испарительный элемент 16. Основной испарительный элемент 16 непрерывно сужается вдоль всей его длины. Основной испарительный элемент 16 выступает из выходного конца выпускной трубы 14 и проходит во внутреннем пространстве элемента 18, устраняющего связь, на расстоянии d. Вспомогательный испарительный элемент 20 расположен непосредственно за элементом 18, устраняющим связь, по ходу потока. В данном случае вспомогательный испарительный элемент имеет вид изолированной трубы. Устройство 20 для впрыска добавки в выхлоп расположено на верхней стенке выпускной трубы 14. Устройство 20 для впрыска добавки в выхлоп выполнено с возможностью распыления добавки в выхлоп на внутреннюю поверхность основного испарительного элемента 16. Конус 22 распыла, создаваемый устройством для впрыска, показан вместе с осью 24 впрыска устройства для впрыска и центральной продольной осью 26 основного испарительного элемента 16. Показан угол Ɵ, образованный между осью 24 впрыска устройства для впрыска и центральной продольной осью 26 основного испарительного элемента. Основной испарительный элемент 16 проходит на длине L в продольном направлении за точкой, в которой ось 24 впрыска пересекается со стенкой основного испарительного элемента 16.
Фиг.3 схематически показывает различные этапы захвата и/или испарения добавки в выхлоп. Незаштрихованные стрелки показывают поток выхлопного газа, в то время как жирные стрелки показывают процесс захвата/уноса или испарения. Устройство для впрыска создает распыляемую струю добавки в выхлоп, показанную в данном случае в виде конуса 22 распыла, направленную к внутренней поверхности основного испарительного элемента 16. Горячий выхлопной газ, проходящий через внутреннее пространство основного испарительного элемента 16, обеспечивает унос и испарение части добавки в выхлоп до того, как она столкнется к основным испарительным устройством 16. Это показано стрелкой 28. Добавка в выхлоп, не подвергнутая непосредственному захвату или испарению посредством выхлопного газа, попадает на внутреннюю поверхность основного испарительного элемента 16. Стенки основного испарительного элемента нагреваются выхлопным газом, проходящим через зазор между основным испарительным устройством 16 и выпускной трубой 14. Таким образом, часть добавки в выхлоп испаряется на стенке основного испарительного элемента, как показано стрелкой 30. Оставшаяся добавка в выхлоп стекает вдоль поверхности основного испарительного элемента 16, пока она не достигнет выходного конца, где она вытекает и захватывается выхлопным газом, проходящим через зазор между основным испарительным устройством 16 и выпускной трубой 14 (как показано стрелкой 32). Захваченная добавка в выхлоп уносится мимо элемента 18, устраняющего связь, без контакта со стенками элемента, устраняющего связь, что означает, что малое количество добавки в выхлоп будет осаждаться на стенке элемента 18, устраняющего связь, или никакая добавка в выхлоп не будет осаждаться на стенке элемента 18, устраняющего связь. В завершение, капли добавки в выхлоп, не подвергшиеся полному испарению к тому моменту, в который поток выхлопного газа достигает вспомогательного испарительного элемента 20, могут попадать на внутреннюю поверхность вспомогательного испарительного элемента 20, на которой они могут испаряться посредством проходящих горячих выхлопных газов, как показано стрелкой 34. Таким образом, добавка в выхлоп может испаряться на ряде этапов. Это приводит к получению такой системы распределения добавки в выхлоп, которая является надежной, не вызывает чрезмерного падения давления и может работать эффективно в широком диапазоне рабочих параметров.
Фиг.4 схематически показывает вариант осуществления системы 6 распределения добавки в выхлоп, в которой основной испарительный элемент 16 не является сужающимся, то есть площадь поперечного сечения основного испарительного элемента является постоянной на всей длине испарительного элемента.
Фиг.5 схематически показывает вариант осуществления системы 6 распределения добавки в выхлоп, в которой основной испарительный элемент 16 имеет несужающиеся входную и выходную секции и сужающуюся среднюю секцию. Основной испарительный элемент 16 зафиксирован в заданном положении посредством распорок 36, проходящих от выпускной трубы 14 до места, находящегося вблизи входного конца основного испарительного устройства 16.
Фиг.6 схематически показывает вариант осуществления изобретения, похожий на вариант осуществления по фиг.5, при этом различие состоит в том, что основной испарительный элемент 16 прикреплен непосредственно к выпускной трубе 14 на входном крае основного испарительного элемента 16 в непосредственной близости от устройства 20 для впрыска. Основной испарительный элемент 16 прикреплен к выпускной трубе 14 посредством консольного элемента, составляющего одно целое с ним, который может быть приварен к выпускной трубе 14 или прикреплен с помощью любых других средств, известных в данной области техники.
Фиг.7а–7d схематически иллюстрируют разные формы поперечных сечений, которые потенциально может иметь основной испарительный элемент 16. Основной испарительный элемент 16 может быть круглым (фиг.7а), эллиптическим (фиг.7b), многоугольным, например, восьмиугольным (фиг.7с), или его сечение может представлять собой круг или эллипс, в котором части, образованные двумя параллельными, но диаметрально противоположными хордами, были удалены (фиг.7d). Следует отметить, что на фиг.7b и 7d размеры x и y поперечного сечения не являются одинаковыми и что размер y, который соответствует оси 24 впрыска устройства для впрыска, является наибольшим.