Способ дозирования восстановителя на основе мочевины в поток отработавшего газа

Изобретение относится к способу дозирования восстановителя в поток отработавших газов, образующихся в двигателе внутреннего сгорания. Способ дозирования восстановителя на основе мочевины в поток отработавшего газа, образующегося в двигателе внутреннего сгорания и направляемого в систему (30) очистки, включающий в себя обеспечение дозирующего модуля, имеющего дозирующий корпус (20), который продолжается вдоль оси (Х). Подачу указанного потока отработавшего газа в указанный дозирующий корпус (20) посредством образования кольцевой входной струи (AJ), которая наклонена относительно указанной оси (Х) указанного дозирующего корпуса (20). Дозирование указанного восстановителя на основе мочевины посредством образования внутри указанного корпуса (20) струи (UWS) в распыленной форме восстановителя на основе мочевины. Поток отработавшего газа вводят в указанный дозирующий корпус (20) кольцеобразно за счет образования осесимметричной кольцевой входной струи (AJ), наклоненной относительно указанной оси (X) указанного корпуса (20) дозирующего модуля. Техническим результатом изобретения является обеспечение полного разложения мочевины и равномерного смешивания аммиака с отработавшими газами. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу дозирования восстановителя на основе мочевины (например, водный раствор мочевины) в поток отработавшего газа, образующегося в двигателе внутреннего сгорания и направляемого в систему очистки (например, устройство типа SCR или SCRT). Способ согласно изобретению позволяет улучшить смешивание восстановителя с потоком отработавшего газа и, следовательно, улучшить эффективность катализатора устройства очистки.

Уровень техники

В области двигателей внутреннего сгорания, в частности дизельных двигателей, с турбонаддувом или без него известна проблема образования оксидов азота во время сгорания. Оксиды азота выводятся вместе с отработавшими газами двигателя и являются одним из основных загрязняющих веществ. Для уменьшения эмиссии оксидов азота приблизительно на 90% были разработаны устройства селективной каталитической нейтрализации (устройство CSR). В зависимости от конкретных норм на эмиссию эти системы могут быть оснащены сажевым фильтром (система SCRT).

Работа устройства SCR или SCRT основана на реакции, которой способствует соответствующий катализатор, между оксидами азота в отработавших газах и аммиаком, специально введенным в качестве восстановителя. Аммиак обычно вводится в виде предпочтительно жидкого реагента, способного высвобождать аммиак при подходящих температурных условиях или под действием специальных катализаторов. Предпочтительным источником обычно является мочевина в водном растворе, например между 10 и 60 вес.%, из которой аммиак получают путем гидролиза.

Мочевина, как правило, распыляется в дозирующем модуле, который располагается выше по потоку относительно системы SCR-SCRT. На фиг.1 и фиг.2 показаны примеры обычных конструкций для дозирующего модуля. В частности, на фиг.1 показан участок линии обработки отработавшего газа, включающий в себя катализатор типа SCR, дозирующий модуль и смеситель, расположенный между дозирующим модулем и катализатором SCR. Смеситель способствует смешиванию и улучшает его. Поток отработавшего газа, поступающий от двигателя, вводится в дозирующий модуль вдоль его оси, и раствор мочевины впрыскивается в отработавший газ посредством инжектора, расположенного на оси корпуса дозирующего модуля. В известном решении, показанном на фиг.2, вместо этого водный раствор мочевины вводится в дозирующий модуль посредством инжектора, который наклонен относительно направления потока отработавшего газа. Другими словами, в решении согласно фиг.2 восстановитель впрыскивается сбоку из участка стенки корпуса дозирующего модуля. На фиг.1 также приведены химические реакции с восстановителем на основе мочевины (например, водный раствор мочевины). После распыления указанного раствора посредством его впрыскивания начинается испарение воды согласно реакции:

(NH₂)₂CO[водный раствор]→(NH₂)₂CO[твердая фаза]+ 6,9H₂O[газовая фаза]

После испарения воды начинается разложение мочевины согласно реакции:

(NH₂)₂CO[твердая фаза]→NH₃[газовая фаза]+HNCO[газовая фаза]

HNCO[газовая фаза]+H₂O→NH₃[газовая фаза]+CO₂[газовая фаза]

Было обнаружено, что способы впрыскивания, предлагаемые решениями согласно фиг.1 и фиг.2, имеют множество недостатков. В частности, эти способы не обеспечивают возможность полного разложения мочевины (реакции для этапа 3 на фиг.1) и равномерного смешивания аммиака (NH₃[газовая фаза]) с отработавшим газом (CO₂[газовая фаза]). Неравномерное смешивание неблагоприятным образом уменьшает эффективность системы SCR.

В решении, показанном на фиг.1, неполное разложение мочевины обусловлено тем, что размер распыляемых капель задается характеристиками форсунки, и что поток отработавшего газа вводится вдоль оси внутрь корпуса дозирующего модуля. Следовательно, после распыления (этап 1) не происходит никакого дополнительного разбиения капель. Между тем, в решении согласно фиг.2 асимметричная установка инжектора ведет к неоднородному распределению распыленного водного раствора мочевины в корпусе дозирующего модуля, тем самым уменьшая возможную степень преобразования оксидов азота.

Также необходимо отметить, что разложение водного раствора мочевины может привести к образованию других продуктов, в частности изоциановой кислоты. Это очень химически активное соединение, которое стремится к образованию жидкостных осадков, таких как жидкостные пленки, или твердых осадков на различных частях системы выпуска отработавшего газа (например, трубы, дефлекторы, система SCR-SCRT). Это обусловлено контактом раствора реагирующего вещества с холодными поверхностями, такими как, например, стенки корпуса дозирующего модуля и стенки трубы для выпуска отработавшего газа.

Конструкции, представленные на фиг.1 и фиг.2, а также другие известные конструкции демонстрируют проблематичное сильное взаимодействие струи распыляемого вещества и стенок. Следовательно, известные решения не позволяют избежать образования жидкостных осадков на боковых стенках корпуса дозирующего модуля.

Сущность изобретения

Поэтому основной целью настоящего изобретения является создание способа дозирования восстановителя в поток отработавшего газа, образующегося в двигателе внутреннего сгорания и направляемого в систему очистки, который позволяет преодолеть приведенные выше проблемы/недостатки.

В рамках этого первой целью настоящего изобретения является создание способа дозирования восстановителя в поток отработавшего газа, который обеспечивает возможность полного разложения мочевины и равномерного смешивания аммиака с отработавшим газом.

Другой целью настоящего изобретения является создание способа дозирования восстановителя в поток отработавшего газа, который исключает взаимодействие ниже по потоку относительно позиции впрыскивания между восстановителем и холодными стенками системы выпуска отработавшего газа (например, стенки дозирующего модуля, стенки трубы для выпуска отработавшего газа, стенки системы очистки).

Не последней целью настоящего изобретения является создание способа, который является очень надежным и относительно легким для реализации при конкурентоспособных затратах.

Эти и другие цели достигаются способом, описанным в формуле изобретения, которая образует неотъемлемую часть настоящего описания. В частности, в соответствии со способом согласно изобретению отработавший газ подается в корпус дозирующего модуля, который продолжается вдоль продольной оси. В частности, отработавший газ подается посредством образования кольцевой входной струи, которая наклонена относительно оси дозирующего модуля. Кроме того, в соответствии со способом согласно изобретению дозирование восстановителя на основе мочевины осуществляется посредством образования струи в распыленной форме восстановителя на основе мочевины, которая предпочтительно соосна указанной оси корпуса.

Краткое описание чертежей

Изобретение станет полностью понятно из последующего подробного описания, которое не ограничивает изобретение и приводится только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 и фиг.2 - показывают обычные конструкции дозирующего корпуса, используемые для дозирования восстановителя на основе мочевины в дозирующем модуле, через который проходит поток отработавшего газа.

Фиг.3 и фиг.4 - показывают первую конструкцию для дозирующего модуля, которая позволяет реализовать способ согласно изобретению.

Фиг.5 - показывает вторую конструкцию для дозирующего модуля, которая позволяет реализовать способ согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к способу дозирования восстановителя на основе мочевины в поток отработавшего газа, образующегося в двигателе внутреннего сгорания, например дизельном двигателе. В контексте настоящего изобретения под термином «восстановитель на основе мочевины» понимается раствор на основе мочевины, например водный раствор мочевины, способный к образованию аммиака при впрыскивании в поток отработавшего газа, направляемый к устройству очистки, такому как, например, устройство SCR или SCRT.

Способ согласно изобретению включает в себя первый этап обеспечения дозирующего модуля 20, имеющего дозирующий корпус 20, который продолжается вдоль оси Х (также называемой продольная ось Х). В этом отношении на фиг.3 показана система выпуска отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания, включающая в себя трубу 4 для выпуска отработавшего газа и дозирующий модуль 20, который располагается выше по потоку относительно смесителя 25. Последний, в свою очередь, располагается выше по потоку относительно каталитического устройства 30, такого как, например, устройство SCR или SCRT. Как показано на чертеже, дозирующий корпус 20 может являться частью трубы 4 для выпуска отработавшего газа и может иметь предпочтительно круглое поперечное сечение. В контексте настоящего изобретения под термином «поперечное сечение» понимается сечение, перпендикулярное оси Х корпуса 20.

В соответствии со способом согласно изобретению поток отработавшего газа, поступающий от двигателя, подается в указанный дозирующий корпус 20 посредством образования кольцевой входной струи (обозначенной AJ), которая наклонена относительно оси Х. Другими словами, отработавший газ вводится кольцеобразно в корпус дозирующего модуля в соответствии с направлением Y входа, которое наклонено относительно указанной оси Х. Таким образом, входной поток отработавшего газа имеет радиальную составляющую, перпендикулярную продольной оси Х, и осевую составляющую, параллельную его продольной оси.

Способ согласно изобретению также предлагает для дозирования указанного восстановителя на основе мочевины образование струи в распыленной форме восстановителя на основе мочевины (обозначена UWS), которая распыляется внутри дозирующего корпуса 20 и предпочтительно соосно оси Х корпуса. Более подробно, восстановитель распыляется посредством инжекторных средств таким образом, что раствор конуса струи UWS в распыленной форме падает на направление Y входа кольцевой входной струи AJ отработавшего газа.

Как показано на фиг.3 и фиг.4, струя UWS в распыленной форме восстановителя на основе мочевины образована таким образом, что угол раствора конуса струи в распыленной форме обращен к углу между направлением Y входа указанной кольцевой струи AJ и осью Х указанного корпуса 20.

На фиг.4 показана подробно кольцевая область дозирующего корпуса 20, в которой распыленный восстановитель смешивается с кольцевой входной струей AJ. В этой области возникает сильная турбулентность. Турбулентность увеличивает испарение капель восстановителя на основе мочевины и, следовательно, увеличивает последующее разложение частиц мочевины. Таким образом, глубина реакций увеличивается, что является преимуществом.

Обращаясь снова к фиг.4, кольцевая входная струя AJ дает возможность предотвратить попадание капель струи в распыленной форме на боковые стенки 20В корпуса 20 дозирующего модуля. Действительно, капли струи в распыленной форме, направляемые в направлении боковых стенок 20В, отклоняются внутрь дозирующего корпуса 20 за счет направления Y входа кольцевой входной струи AJ. Таким образом, капли струи в распыленной форме могут быть направлены в центральную область (обозначенную CS) дозирующего корпуса 20, без контакта с боковыми стенками 20В. На фиг.4 указанная центральная область CS показана схематично штриховыми линиями L1. Диаметральный размер (обозначенный D1) центральной области CS зависит от скорости входа кольцевой струи AJ.

Как показано на фиг.4, кольцевая струя AJ предпочтительно подается с помощью кольцевого входного отверстия 9, сообщающегося с дозирующим корпусом 20 рядом с торцевой поперечной стенкой 18. Средства для впрыскивания предпочтительно содержат форсунку 55, размещенную в центре торцевой стенки 18. Согласно изобретению входная струя AJ наклонена относительно продольной оси Х дозирующего корпуса 20 на угол α, находящийся в диапазоне от 30 до 150 градусов. В частности, очень значительные результаты наблюдались, когда указанный угол α находится в диапазоне между 30 и 90 градусами и когда струя в распыленной форме восстановителя имеет полуконус с углом β раствора в диапазоне между 5 и 40 градусами.

На фиг.5 показана альтернативная конструкция дозирующего модуля, в которой кольцевая входная струя AJ наклонена относительно продольной оси Х дозирующего корпуса 20 на угол больше 90 градусов. В частности, было обнаружено, что эта конструкция исключает осадки вблизи форсунки 55, что является преимуществом.

Было показано, что настоящее изобретение достигает определенные выше цели. Более подробно было показано, что способ дозирования восстановителя на основе мочевины обеспечивает возможность полного разложения и равномерного смешивания аммиака с отработавшим газом. Кроме того, способ также исключает образование жидкостного осадка на внутренней поверхности дозирующего корпуса и трубки для выпуска отработавшего газа.

Множество изменений, модификаций, вариантов и других областей использования и применения настоящего изобретения будут очевидны специалистам в этой области техники после рассмотрения прилагаемых описания и чертежей, которые раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения. Изобретение включает в себя все эти изменения, модификации, варианты и другие области использования и применения, которые не выходят за пределы сущности и объема изобретения.

Дополнительные подробные детали реализации изобретения не будут описываться, так как специалист в этой области техники может осуществить изобретение после изучения приведенного выше описания.

1. Способ дозирования восстановителя на основе мочевины в поток отработавшего газа, образующегося в двигателе внутреннего сгорания и направляемого в систему (30) очистки, включающий в себя этапы:
- обеспечения дозирующего модуля, имеющего дозирующий корпус (20), который продолжается вдоль оси (Х);
- подачи указанного потока отработавшего газа в указанный дозирующий корпус (20); и
- дозирования указанного восстановителя на основе мочевины посредством образования, внутри указанного дозирующего корпуса (20), струи (UWS) в распыленной форме восстановителя на основе мочевины,
при этом поток отработавшего газа вводят в указанный дозирующий корпус (20) кольцеобразно за счет образования осесимметричной кольцевой входной струи (AJ), наклоненной относительно указанной оси (X) указанного корпуса (20) дозирующего модуля.

2. Способ по п.1, в котором указанную струю (UWS) в распыленной форме восстановителя на основе мочевины образуют так, чтобы она была соосной указанной оси (Х).

3. Способ по п.1, в котором указанную струю (UWS) в распыленной форме восстановителя на основе мочевины образуют с помощью инжекторных средств, содержащих форсунку (55), расположенную внутри указанного дозирующего корпуса (20).

4. Способ по п.1, в котором указанную струю (UWS) в распыленной форме восстановителя на основе мочевины образуют таким образом, чтобы ее раствор конуса падал на направление (Y) входа указанной кольцевой входной струи (AJ).

5. Способ по п.4, в котором указанную струю (UWS) в распыленной форме восстановителя на основе мочевины образуют таким образом, что угол (β) раствора полуконуса обращен к углу (α) между направлением (Y) входа указанной кольцевой струи (AJ) и осью (Х) указанного дозирующего корпуса (20).

6. Способ по п.1, в котором указанная кольцевая входная струя (AJ) наклонена относительно указанной оси (Х) указанного дозирующего корпуса (20) на угол (α), находящийся в диапазоне от 30 до 150 градусов.

7. Способ по п.6, в котором указанная кольцевая входная струя (AJ) наклонена относительно указанной оси (Х) указанного дозирующего корпуса (20) на угол (α), находящийся в диапазоне от 30 до 90 градусов.

8. Способ по п.1, в котором указанную струю в распыленной форме восстановителя на основе мочевины образуют таким образом, что ее угол (β) раствора полуконуса находится в диапазоне от 5 до 40 градусов.

9. Способ по п.1, в котором указанный восстановитель на основе мочевины образуют водным раствором мочевины.