КОМПАКТНЫЙ УЗЕЛ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННОГО ГАЗА С ДОБАВКОЙ РЕАГЕНТА
COMPACT ASSEMBLY FOR EXHAUST GAS PURIFICATION WITH ADDITION OF REAGENT

Предметом изобретения является компактный узел очистки отработанного газа (ОГ), в котором ОГ многократно изменяет направление. При этом в этом узле очистки ОГ к тому же происходит очистка ОГ с помощью присадки или же реагента и, при необходимости, также с помощью по меньшей мере одного катализатора, фильтра и т.д.
2
В связи с постоянно возрастающим объем автомобильного движения и становящимися все более строгими нормами по ОГ для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) важно, чтобы ОГ ДВС эффективно очищались. Для этого из уровня техники известны системы нейтрализации ОГ, в которых ОГ ДВС проводится мимо каталитически действующей поверхности, и вредные вещества в ОГ, такие как соединения оксидов азота, частицы сажи, окись углерода, углеводороды и т.д. с помощью нанесенного на эту поверхность материала катализатора превращаются в такие вещества, такие как азот, вода и CO. Как правило, для эффективного превращения ОГ требуются относительно высокие температуры ОГ. Как правило, температура ОГ ДВС сразу после того, как ОГ покинули ДВС, являются самыми высокими, так что здесь, поблизости от ДВС (например, в моторном отсеке автомобиля) благоприятное место для размещения системы нейтрализации ОГ. Однако конструктивное пространство поблизости от двигателя в автомобилях, как правило, очень ограничено.
Для того чтобы, тем не менее, можно было использовать ограниченное конструктивное пространство в моторном отсеке для систем нейтрализации ОГ, разработаны особенно компактные узлы очистки ОГ с концентрическим протеканием, которые известны, например, из WO-A1-20055001252. В такой системе выпуска ОГ он сначала проходит через область входного потока, затем поворачивается и проходит через внешнюю область обратного потока. При этом область обратного потока расположена концентрически вокруг области входного потока, так что между областью входного потока и областью обратного потока происходит эффективный теплообмен. Протекающие на поверхностях катализатора системы выпуска ОГ каталитические реакции частично также являются экзотермическими, так что текущие обратно ОГ, как правило, дополнительно нагреваются. В результате эффективного теплообмена между входным потоком и обратным потоком, температура ОГ в системе выпуска ОГ может быть повышена или же поддерживаться высокой, так что происходит особенно эффективное превращение. В то же время, за счет разделения системы выпуска ОГ на область входного потока, область поворота и область обратного потока может быть получена особенно компактная компоновка системы выпуска ОГ, так что может происходить размещение системы в моторном отсеке или же поблизости от ДВС автомобиля.
В таких системах нейтрализации ОГ частично предусмотрена добавка реагента в ОГ. Этот реагент содержит, например, восстановитель или предшественник восстановителя (прежде всего, жидкий водный раствор мочевины), который способствует тому, чтобы преобразовывать вредные вещества в ОГ во взаимодействии со специально предусмотренными для этого покрытиями в безвредные компоненты. При этом такие устройства подачи для этих реагентов расположены так, что достигается наиболее оптимальное распределение в ОГ или же высокая степень испарения подведенного реагента. При этом реагент в направлении потока или против направления потока ОГ, например, прямо наносится на сотовое тело, так что в результате попадания реагента на (горячее) сотовое тело испарение усиливается столкновением, и достигается тонкая дисперсия капель реагента, а также, при необходимости, накопление реагента в структуре или в покрытии сотового тела. Но это нанесение реагента на сотовое тело также может приводить к тому, что покрытие сотового тела, например, в результате гидравлического удара или разности температур между сотовым телом и реагентом повреждается.
Исходя из этого, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить описанные в связи с уровнем техники технические проблемы. Прежде всего, должен быть создан узел очистки ОГ, который, с одной стороны, обеспечивает компактную конструкцию, а с другой стороны, делает возможной особенно подходящую подачу жидкого реагента с щадящим компонентом узла очистки ОГ испарением.
Эти задачи решены с помощью узла очистки ОГ в соответствии с признаками п.1 формулы изобретения. Благоприятные варианты узла очистки ОГ согласно изобретению или же его размещения в автомобиле указаны в сформулированных зависимых пунктах формулы изобретения. Следует указать на то, что приведенные в формуле изобретения по отдельности признаки являются комбинируемыми между собой любым, технологически рациональным, образом и показывают дополнительные варианты осуществления изобретения. Описание, прежде всего, в связи с фигурами, поясняет изобретение дополнительно и приводит дополнительные примеры осуществления изобретения.
Узел очистки ОГ согласно изобретению, по меньшей мере, имеет расположенные гидродинамически друг за другом область входного потока, первую область поворота, область обратного потока, и область выходного потока. При этом область обратного потока и область выходного потока расположены на внешней поверхности области входного потока. При этом устройство подачи для реагента расположено в области выходного потока.
Исходя из ДВС, ОГ течет по выпускному трубопроводу к узлу очистки ОГ и входит в него через область входного потока. После прохождения области входного потока ОГ в первой области поворота поворачивается так, что он, прежде всего, (концентрически) снаружи вокруг области входного потока течет через область обратного потока к области выходного потока. При этом область обратного потока и область выходного потока расположены, прежде всего, на внешней поверхности области входного потока. Протекающий (концентрически) снаружи вокруг области входного потока ОГ после прохождения области обратного потока собирается в области выходного потока и выходит из узла очистки ОГ, прежде всего, по отдельному выпускному трубопроводу. При этом устройство подачи для подачи реагента (прежде всего, водного раствора мочевины) расположено в области выходного потока. Таким образом, реагент вводится, предпочтительно, на последнем участке потока узла очистки ОГ. Именно в этом месте предусмотрено многократно малое поперечное сечение потока и/или скрученное ведение потока, участок потока, который, как следствие, производит, по меньшей мере, частично турбулентное течение и тем самым способствует подаче реагента. В этой области узла очистки ОГ, как правило, не расположены сотовые тела, на которые реагент, соответственно, мог бы попадать. Реагент устройством подачи в области выходного потока вводится в ОГ, где он смешивается с ОГ и посредством горячего ОГ, по меньшей мере, частично испаряется. Лишь после покидания узла очистки ОГ и максимального испарения или же тонкого диспергирования реагента ОГ снова попадает на расположенные, при необходимости, в выпускном трубопроводе компоненты нейтрализации ОГ, которые содержат сотовые тела. Однако здесь имеется уже такая сильная дисперсия реагента в потоке ОГ, что повреждение, например, покрытий, а также структур расположенных в потоке ОГ сотовых тел предотвращается.
Согласно еще одному благоприятному варианту узла очистки ОГ устройство подачи расположено так, что реагент, по меньшей мере, частично является подаваемым на внешнюю поверхность области входного потока. Для этого устройство подачи расположено, прежде всего, радиально вне области входного потока и направлено к области входного потока. Благодаря такому особо благоприятному расположению подающего устройства реагент попадает, по меньшей мере, частично на внешнюю поверхность области входного потока, которая в связи с близостью к ДВС уже заранее имеет довольно высокую температуру и/или благодаря теплопроводности соединена с соседним каталитически активным катализатором. В результате попадания на внешнюю поверхность, прежде всего, по меньшей мере, частично в форме капель выходящий из устройства подачи реагент по размеру капель распыляется мельче и соответственно лучше распределяется в потоке ОГ. За счет увеличивающейся таким образом поверхности реагента ускоряется испарение реагента в потоке ОГ. Поскольку внешняя поверхность области входного потока образуется, например, (массивной) трубой или же корпусом, предотвращается повреждение этой внешней поверхности, как это иначе могло бы быть, например, в случае со структурами сотового тела.
Кроме того, предлагается, что в области входного потока предусмотрены средства улучшения теплопереноса, так что температура стенок внешней поверхности области входного потока, прежде всего, в области, в которой реагент попадает на внешнюю поверхность, особенно быстро достигает высоких температур. Такими средствами могут быть, например, теплопроводящие щитки или же теплообменные щитки в области входного потока, которые могут ускорять нагрев стенок области входного потока в области внешней поверхности посредством ОГ. Кроме того, внешняя поверхность может быть, по меньшей мере, частично обогреваемой, прежде всего, обогреваемой электрически. Прежде всего, обогрев происходит в области внешней поверхности, которая нагружается реагентом. К тому же могут быть приняты меры, которые уменьшают теплоперенос от внешней поверхности области входного потока. Так может быть обеспечено, что достигнутая температура стенок в области внешней поверхности может поддерживаться как можно дольше. Прежде всего, область выходного потока выполнена изолированной наружу, так что тепло ОГ, а также тепло, которое уже накоплено во внешней поверхности, беспрепятственно не отводится.
Поэтому, прежде всего, предлагается узел очистки ОГ, в котором область входного потока имеет по меньшей мере один теплообменник для переноса тепла ОГ к внешней поверхности. Такой «теплообменник» мотивирует, прежде всего, теплоотдачу от ОГ к внешней поверхности области входного потока. Так, например, могут быть предусмотрены завихряющие элементы, направляющие лопатки и/или ребра, которые взаимодействуют с набегающим ОГ так, что достигается улучшение теплопереноса. Таким образом температура внешней поверхности (для испарения восстановителя на обратной стороне) может быть повышена и/или поддерживаться высокой.
К тому же, может быть благоприятным, если область обратного потока имеет по меньшей мере один отклонитель потока для отклонения или успокоения ОГ. Следствием наличия такого отклонителя потока является то, что, прежде всего, область, в которой требуется горячая поверхность на внешней поверхности для испарения восстановителя, ОГ не обтекает вовсе или обтекает лишь с уменьшенной интенсивностью. Для этого могут быть предусмотрены, например, соответствующим образом расположенные отклонители потока, которые устанавливают там что-то типа тени потока и/или медленного граничного слоя потока. Однако также является возможным, что отклонитель потока (только) ламинаризирует ОГ и таким образом уменьшает интенсивность контакта между ОГ и внешней поверхностью. В результате это приводит к тому, что температура стенок посредством обратного потока ОГ снова отводит мало тепла, и тем самым тепло для испарения/превращения восстановителя имеется в распоряжении в увеличенном объеме.
x
2
Кроме того, предлагается, что, по меньшей мере, область обратного потока имеет изменяющееся поперек направления потока ОГ поперечное сечение потока. Как правило, известные компактные узлы очистки ОГ имеют расположенные концентрически области входного или же обратного потока. Как следствие нанесения реагента в области поворота, как правило, весь поток ОГ нагружается реагентом. В настоящем узле очистки ОГ за счет расположения устройства подачи в области выходного потока, прежде всего, является возможным то, что только часть потока ОГ поглощает реагент после выхода из устройства подачи. Прежде всего, область обратного потока может иметь изменяющееся (сужающееся/расширяющееся) поперек направления потока (то есть, прежде всего, в периметрическом направлении вокруг области входного потока) ОГ поперечное сечение потока, если область входного потока расположена эксцентрично относительно области обратного потока. Тем самым на одном участке поперечное сечение области обратного потока уменьшается, в то время как на одном участке это поперечное сечение увеличивается. За счет этого может быть соответственно разделено количество ОГ, которое необходимо для оптимального испарения реагента. Кроме того, за счет лишь последующего смешения с остальным ОГ может быть достигнуто оптимальное перемешивание реагента в потоке ОГ. Следовательно, посредством введения реагента в частичный поток ОГ достигается, по меньшей мере, двухступенчатое перемешивание реагента в ОГ: сначала реагент вводится в первый частичный поток ОГ, а затем достигается уже тонкое диспергирование реагента посредством попадания на внешнюю поверхность области входного потока. Благодаря расположению устройства подачи в зоне области выходного потока, по которой проходит лишь частичный поток ОГ, происходит дальнейшее перемешивание реагента посредством смешивания уже имеющего реагент частичного потока ОГ с остальным потоком ОГ, который выходит из области обратного потока и входит в часть области выходного потока, которая устройством подачи не была нагружена реагентом. Согласно еще одному благоприятному варианту внешняя поверхность области входного потока имеет по меньшей мере одно, по меньшей мере, частичное покрытие или структуру, которое (которая) увеличивает поверхность внешней поверхности. Разумеется, обе меры могут быть предусмотрены и вместе. При этом структура и/или покрытие служит, например, для того, чтобы сделать максимальной поверхность испарения. Кроме того, по меньшей мере, часть внешней поверхности области входного потока, которая нагружается реагентом, также, по меньшей мере, частично, может быть снабжена по меньшей мере одним покрытием, так что, по меньшей мере, частично происходит превращение реагента. Прежде всего, здесь покрытие может иметь гидролизную функцию, так что имеющий предшественник восстановителя (прежде всего, водный раствор мочевины) реагент соответственно превращается в восстановитель (здесь аммиак). За счет этого, при необходимости, можно отказаться от дополнительного сотового тела с покрытием в виде катализатора гидролиза. Этот катализатор гидролиза, прежде всего, в дизельном двигателе, расположен перед катализатором селективного каталитического восстановления (СКВ), чтобы из жидкого, содержащего мочевину предшественника восстановителя генерировать аммиак, который в катализаторе СКВ делает возможным превращение содержащихся в ОГ NO в NO. К тому же, за счет этого покрытия внешней поверхности может быть уменьшен объем расположенных вниз по потоку катализаторов, например, катализатора гидролиза с покрытием из оксида титана. Поскольку нанесение покрытия на внешнюю поверхность области входного потока может быть реализовано очень просто, налицо большой потенциал экономии затрат по сравнению с иначе необходимыми структурами из сотовых тел. Кроме того, покрытие может иметь функцию накопления для реагента, так что реагент, например, в зависимости от температуры ОГ и/или в зависимости от массового потока ОГ снова извлекается из слоя накопления и увлекается в ОГ.
Прежде всего, увеличивающая внешнюю поверхность структура может быть выполнена в виде покрытия (например, тонкого покрытия) и/или с ребрами, шишечками, волнистостью и т.п. Структура увеличивает имеющуюся в распоряжении поверхность, на которую наносится реагент, и тем самым способствует теплопереносу от горячей внешней стенки на реагент. Увеличивающая внешнюю поверхность структура также может быть образована пористым материалом (нетканым материалом, тканью, пеной), который наносится на внешнюю стенку и, при необходимости, может быть снабжен дополнительным покрытием.
Кроме того, предлагается, что в пределах области входного потока расположен катализатор окисления, и ОГ в первой области поворота поворачивается так, что он через область обратного потока, которая окружает область входного потока в области, в которой расположен катализатор окисления, попадает в область выходного потока. Область входного потока имеет расположенную выше по потоку область впуска, которая в форме трубы простирается через область выходного потока, и на внешней поверхности которой с помощью устройства подачи наносится восстановитель или предшественник восстановителя.
Прежде всего, катализатор окисления подходит для экзотермического превращения углеводородов. Кроме того, во внешней области обратного потока могут быть расположены дополнительные и/или составные сотовые тела или же катализаторы, и если является предпочтительным, чтобы эта область обратного потока была выполнена не концентрической и свободной от встроенных элементов. При этом область обратного потока рассчитана так, что она окружает участок области входного потока, в которой расположен катализатор окисления. Это означает, что область выходного потока не содержит участок области входного потока, в которой расположен катализатор окисления. За счет такой компоновки предотвращается повреждение расположенного в области входного потока катализатора окисления в результате нанесения реагента на область входного потока в результате возникающего при определенных условиях охлаждения трубы или же корпуса области входного потока.
Область входного потока имеет расположенную выше по потоку от катализатора окисления область впуска, которая в форме трубы простирается через область выходного потока и тем самым, по меньшей мере, частично расположена в пределах области выходного потока. Через эту область впуска ОГ входит в узел очистки ОГ. Благодаря функциональному разделению (свободной от встроенных элементов) области впуска и (имеющей сотовое тело или же катализатор) области входного потока область впуска может быть специально рассчитана для требований относительно заделки в корпус узла очистки ОГ и относительно нанесения реагента на ее поверхность.
Кроме того, предлагается автомобиль с ДВС, выпускным трубопроводом и устройством для обеспечения реагента, причем выпускной трубопровод имеет по меньшей мере один узел очистки ОГ согласно изобретению. В качестве ДВС здесь предусмотрены, прежде всего, дизельные или бензиновые двигатели. Устройство для обеспечения реагента содержит, прежде всего, резервуар для хранения запаса реагента и систему подачи для транспортировки реагента из резервуара для хранения запаса в устройство подачи, а также соответствующее управляющее устройство для дозирования реагента.
Далее изобретение и технический контекст поясняются более детально на фигурах. Фигуры показывают особо предпочтительные примеры осуществления, которыми изобретение, однако, не ограничено. Показано на:
Фиг.1: автомобиль с выпускным трубопроводом,
Фиг.2: первый конструктивный вариант узла очистки ОГ,
Фиг.3: второй конструктивный вариант узла очистки ОГ.
На фиг.1 схематически показано расположение узла 1 очистки ОГ внутри автомобиля 21. Автомобиль 21 имеет ДВС 18, который по выпускному трубопроводу 19 выводит ОГ в окружающую среду. Внутри выпускного трубопровода 19 предусмотрен узел 1 очистки ОГ, который имеет устройство 7 подачи. Устройство 7 подачи соединено с устройством 20, которое, при необходимости, регулируемым образом, подводит реагент в узел 1 очистки ОГ. Вниз по потоку от узла 1 очистки ОГ внутри выпускного трубопровода 19 расположены дополнительные элементы 22 (по меньшей мере, один из группы: катализаторы, фильтр, сепаратор частиц, турбонагнетатель, абсорбер и т.д.), которые поддерживают нейтрализацию ОГ.
На фиг.2 схематически показан первый конструктивный вариант узла 1 очистки ОГ. При этом ОГ через область 2 входного потока входит в узел 1 очистки ОГ в направлении 9 потока. Область 2 входного потока имеет (например, по меньшей мере, участками цилиндрическую, коническую и т.д.) внешнюю поверхность 6 и множество теплообменников 23 для передачи тепла ОГ на внешнюю поверхность 6. Кроме того, в пределах области 2 входного потока расположен катализатор 15 окисления. ОГ 10 проходит через область 2 входного потока, а затем через катализатор 15 окисления и в первой области 3 поворота поворачивается так, что после этого ОГ 10 направляется концентрически снаружи мимо области 2 входного потока через область 4 обратного потока в направлении области 5 выходного потока. При этом в области 5 выходного потока предусмотрено несколько отклонителей 24 потока для отклонения или успокоения ОГ, так что ОГ достигает области, в которой восстановитель попадает на горячую внешнюю поверхность 6, лишь с уменьшенной интенсивностью.
Область 2 входного потока имеет область 16, в которой расположен катализатор 15 окисления. После покидания области 4 обратного потока ОГ течет в область 5 выходного потока. Часть ОГ 10 перетекает внешнюю поверхность 6 области 2 входного потока, на которую, по меньшей мере, в частичной области наносится реагент 8. Реагент 8 через устройство 7 подачи вводится в область 5 выходного потока. При этом устройство 7 подачи расположено на противолежащей выходу ОГ стороне области 2 входного потока, при определенных условиях, особенно важная деталь, чтобы могло быть предотвращено прямое покидание реагента 8 через выход. ОГ 10 объединяется внутри области 5 выходного потока и выходит из узла 1 очистки ОГ.
На фиг.3 схематически показан второй конструктивный вариант узла 1 очистки ОГ, причем и здесь ОГ 10 в направлении 9 потока входит в область 2 входного потока. В пределах области 2 входного потока расположена область 17 впуска, к которому примыкает область 16. В области 16 расположен катализатор 15 окисления. ОГ 10 в области 3 поворота поворачивается так, что он через область 4 обратного потока концентрически обтекает область 2 входного потока. Здесь показано, что область 2 входного потока расположена внутри узла 1 очистки ОГ не центрировано, так что поперечное сечение 11 потока в верхней части узла 1 очистки ОГ меньше и образует уменьшенную область 4 обратного потока. В нижней части узла 1 очистки ОГ область 4 обратного потока имеет большее поперечное сечение 11 потока. Устройство 7 подачи расположено в области 5 выходного потока узла 1 очистки ОГ и подает реагент 8, по меньшей мере, частично на внешнюю поверхность 6 области 17 впуска. При этом устройство 7 подачи также расположено на противолежащей выходу ОГ стороне области 2 входного потока, чтобы предотвратить прямое покидание реагента 8 через выход. На внешней поверхности 6 нанесена структура 13, которая увеличивает поверхность 14, на которую попадает реагент 8, так что улучшается испарение реагента 8.
Настоящее изобретение со всеми своими вариантами решает указанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, предотвращается повреждение сотового тела или же его покрытия, так как реагент наносится не прямо на сотовое тело или же покрытие. Испарение реагента достигается, прежде всего, посредством многоступенчатого перемешивания ОГ с реагентом или же за счет приготовления массивной поверхности. Кроме того, таким образом особо горячие области выпускного трубопровода могут быть использованы для испарения реагента. Устройство подачи может быть расположено в пределах области выходного потока так, что является возможной и направленная против направления потока ОГ подача, и улучшается соответствующее распределение реагента внутри ОГ.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1
Узел обработки ОГ
2
Область входного потока
3
Область поворота
4
Область обратного потока
5
Область выходного потока
6
Внешняя поверхность
7
Устройство подачи
8
Реагент
9
Направление потока
10
ОГ
11
Поперечное сечение потока
12
Покрытие
13
Структура
14
Поверхность
15
Катализатор окисления
16
Область
17
Область впуска
18
ДВС
19
Выпускной трубопровод
20
Устройство
21
Автомобиль
22
Элемент
23
Теплообменник
24
Отклонитель потока