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CN102652211A - 用于将尿素基还原剂喷射到排出气流中的喷射模块 - Google Patents

用于将尿素基还原剂喷射到排出气流中的喷射模块 Download PDF

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CN102652211A CN2010800561627A CN201080056162A CN102652211A CN 102652211 A CN102652211 A CN 102652211A CN 2010800561627 A CN2010800561627 A CN 2010800561627A CN 201080056162 A CN201080056162 A CN 201080056162A CN 102652211 A CN102652211 A CN 102652211A
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Abstract

本发明涉及一种喷射模块(1)，用于将尿素基还原剂喷射到燃烧发动机的排出气流中并引导到后处理系统(30)例如SCR或SCRT系统。模块(1)包括沿着纵向轴线(X)形成的壳体(20)和用于输送排出气体的进口(19)。喷射装置(55)被提供用于喷射还原剂。根据本发明，进口是环状的并关于壳体(20)的轴线(X)倾斜，以产生排出气体进口喷流(AJ)。另外，喷射装置被设计为在壳体(20)内部产生与壳体(20)的轴线(X)共轴的尿素基还原剂喷雾(UWS)。

Description

用于将尿素基还原剂喷射到排出气流中的喷射模块
发明领域
本发明涉及一种用于将尿素基还原剂(例如尿素在水中的溶液)喷射到产生自燃烧发动机并被引导到后处理系统(例如SCR或SCRT设备)的排出气流中的喷射模块(dosing module)。根据本发明的喷射模块允许改进还原剂混合到排出气流中并因此改进后处理设备的催化剂效率。
背景技术
如所已知的，无论是否用涡轮增压的内部燃烧发动机特别是柴油发动机领域中的难题是燃烧期间氧化氮的形成。氧化氮和发动机排出气体一起被排放并代表主要污染物之一。为了将氧化氮的排放物减小到几乎高达90％，已经开发了选择性催化剂还原(SCR)设备。取决于微粒排放物的极限，这些系统可以设有微粒收集器(SCRT系统)。
SCR和SCRT设备的功能基于排出气体中的氧化氮和特别地引入为还原剂的氨之间的通过适当的催化单元促进的反应。在适当的温度条件下或者通过特定催化剂的作用，氨经常以能够释放氨的优选液态试剂的形式引入。优选的来源经常是水溶液中的尿素，例如在10％和60％的重量之间，从中通过水解得到氨。
尿素通常在位于SCR-SCRT系统上游的喷射模块中形成喷雾状。图1和图2是喷射模块的常规布置的实例。特别地，图1显示排气线路的一部分，包括SCR催化剂、喷射模块以及插在喷射模块和SCR催化剂之间的混合设备。混合设备具有促进和提高混合的功能。来自发动机的排出气流被轴向地引入喷射模块中，并且尿素溶液通过置于喷射模块的壳体的中心线(轴线)上的喷射器来喷雾在排出气体中。在图2所示的已知解决方案中，尿素-水溶液被替代地通过关于排出气流的方向倾斜的喷射器引入喷射模块中。换句话说，在图2所示的解决方案中，还原剂从喷射模块的壳体的壁的一部分横向地喷射。
图1中还显示了关于尿素基还原剂(例如，尿素-水溶液)的反应。在通过喷雾将所述溶液雾化之后，根据以下反应开始水的蒸发：
(NH2)2CO[含水的]→(NH2)2CO[固体]+6.9H2O[气体]
水蒸发以后，根据以下反应开始尿素的分解：
(NH2)2CO[固体]→NH3[气体]+HNCO[气体]
HNCO[气体]+H2O→NH3[气体]+CO2[气体]
图1和2中的解决方案建议的喷射方法已经被发现具有很多缺陷。特别是所述方法不允许尿素的完全分解(相对于图1中阶段3的反应)和氨(NH3[气体])与排出气体(CO2[气体])的均匀混合。不均匀的混合不利地降低了SCR系统的效率。
在图1所示的解决方案中，尿素的不完全分解是由于喷雾液滴的尺寸通过喷嘴的特征固定和排出气流被轴向地引入喷射模块壳体内部的事实。因此，在雾化(阶段1)以后，不再发生空气动力的液滴破碎。替代地，在图2的解决方案中，喷射器的不对称安装在喷射模块壳体中产生不规则的尿素-水喷雾分布，从而降低了最大可能的NOx转化率。
还要注意到，尿素-水溶液的分解可导致其他产物尤其是异氰酸的形成。这是高度反应性化合物，其易于在排出系统的各个部件(例如管、偏转器、SCR-SCRT系统)上形成液体沉积物例如液膜、或固体沉积物。这是由于将反应剂溶液与冷表面例如诸如喷射模块壳体的壁或排气管的壁相接触而引起的。
图1和2中所建议的布置以及本领域已知的其他布置显示了不方便的喷雾-壁的强相互作用。因此，已知的解决方案不允许避免液体沉积物在喷射模块壳体的壁上的形成。
发明概述
因此，本发明的主要目的是提供一种用于将尿素基还原剂喷射到产生自交通工具的燃烧发动机的排出气流中的喷射模块，该喷射模块允许克服上述问题/缺陷。
在此目标内，本发明的第一目的是提供一种尿素基还原装置的喷射模块，该喷射模块允许尿素的完全分解以及氨与排出气体的均匀混合。
本发明的另一目的是提供一种用于将尿素基还原剂喷射到排出气流中的设备，该设备避免了在还原剂和排气系统的冷壁(例如，喷射模块的壁和排气管壁)之间在喷射位置下游的相互作用。
本发明的非最后一个目的是提供一种高度可靠且以有竞争力的成本相对容易制造的喷射设备。
这些和另外的目的通过如构成本说明书的整体部分的所附权利要求中所述的喷射模块来实现。特别地，喷射模块包括壳体，该壳体沿着轴线形成并设有用于输送来自燃烧发动机的排出气体的进口。喷射模块还包括用于在所述壳体内部喷射尿素基还原剂的喷射装置(dosage means)。根据本发明，进口是环形的并关于所述壳体的轴线倾斜，以产生倾斜的环状进口喷流。喷射装置被设计为在壳体内部产生尿素基还原剂喷雾，尿素基还原剂喷雾优选地与壳体的轴线共轴。
喷射模块的喷射装置优选地包括置于壳体内部，优选地处于轴向位置的喷嘴。特别地，喷嘴被放置在某一位置，使得所述尿素基还原剂喷雾的开口锥面入射到(incident to)环状进口喷流的进入方向。
附图简述
本发明将从作为纯粹阐述性且非限制性实例给出并参照附图阅读的以下详细描述中而变得完全清楚，附图中：
-图1和2显示喷射模块的常规布置，其用于将尿素基还原剂喷射在被排出气流交叉的喷射模块壳体中；
-图3和4示意性地显示根据本发明的第一喷射模块。
-图5示意性地显示根据本发明的另一喷射模块。
优选实施方式的详细描述
本发明涉及一种用于将尿素基还原剂喷射到产生自交通工具的燃烧发动机例如柴油发动机的排出气流中的喷射模块。为了本发明的目的，对于表述“尿素基还原剂”，其意指当被喷射或注入被引导到后处理设备例如诸如SCR或SCRT设备中的排出气流中时，能够产生氨的尿素基溶液例如水-尿素溶液。
根据本发明的喷射模块1包括壳体20，壳体20沿着轴线X(也通过纵向轴线X表示)形成。在此方面，图3显示了燃烧发动机的排气系统2，其包括根据本发明的喷射模块1。特别地，排气系统2包括排出管4和位于混合设备25上游的喷射模块20。混合设备25又位于催化设备30例如诸如SCR或SCRT系统的上游。如所示，喷射模块壳体20可以是排出管4的一部分且可以优选地具有圆形横截面。为了本发明的目的，对于表述“横截面”，其意指垂直于壳体20的轴线X的截面。
喷射模块1包括用于将来自发动机的排出气流输送到所述喷射壳体20中的进口9。喷射模块1还包括在壳体20的内部用于将尿素基还原剂喷射到排出气流中的喷射装置。
根据本发明，进口9是环状的并关于壳体20的纵向轴线X倾斜，以产生环状倾斜的进口喷流(以AJ表示)。换句话说，通过环状进口9，排出气流根据相对于所述轴线X倾斜的进入方向Y而被环形地引入壳体20中。以此方式，进入的排出气体呈现垂直于纵向轴线X的径向分量和平行于纵向轴线自身的轴向分量。
根据本发明，喷射装置被设计为在壳体20内部产生在喷射壳体20内的尿素基还原剂喷雾(以UWS表示)。优选地，喷射装置被设计为产生其开口锥面与壳体20的轴线X共轴的还原剂喷雾。
为此目的，喷射装置优先地包括喷嘴55，其置于壳体20内部的某一位置，使得尿素基还原剂喷雾的锥面入射到倾斜的环状进口喷流AJ的进入方向Y。优选地，喷嘴55的位置为轴向位置。这意味着，喷嘴55优选地置于壳体20的轴线X的一点上。
喷嘴55的位置随进口9的位置变化来建立，使得喷雾的半锥面开口角β面对进入方向Y和壳体的轴线X之间界定的角α。在图3和4所示的解决方案中，例如，进口9在端部横向壁18附近与壳体20连通，且喷嘴55置于壁自身的中心上。进口9被倾斜为使得在进入方向Y和轴线X之间界定的角α小于90度。
图4详细显示了壳体20的环状区域，其中被喷雾的还原剂混合到环状进口喷流AJ中。在此区域中，产生强的湍流。此湍流增加了尿素基反应剂的液滴蒸发并因此增加了接下来的尿素微粒的分解。以此方式，有利地增加了反应速率。
再次参照图4，环状进口喷流AJ允许防止喷雾的液滴击中喷射模块壳体20的侧壁20B。事实上，由于环状进口喷流AJ的进入方向Y，引向侧壁20B的喷雾液滴朝喷射壳体20的内部偏转。以此方式，喷雾液滴能够在喷射壳体20的中间空间(通过标记CS表示)内流动而不接触侧壁20B。图4中，所述中间空间CS通过虚线L1图示。此中间空间CS的直径范围(以D1表示)取决于环状喷流AJ的进入速度。
根据本发明，进口喷流AJ关于喷射壳体模块20的纵向轴线X倾斜包括在30和150度之间的角α。特别地，当所述角α包括在30和90度之间并且当还原剂喷雾具有带有包括在5和40度之间的开口半角β的锥面时，已经观察到极其明显的结果。
图5显示喷射模块1的可选择实施方式，其中进口9被设计为使得环状进口喷流AJ关于喷射模块壳体20的纵向轴线X倾斜大于90度的角α。特别地，已经观察到此布置有利地避免了喷嘴55附近的沉积物。
已经显示了本发明实现了以上提出的目标和目的。更详细地，已经显示用于喷射尿素基还原剂的方法允许氨的完全分解和氨与排出气体的均匀混合。另外，该方法还避免了液体沉积物在喷射壳体的内表面和排气管的内表面上形成。
本领域技术人员在考虑公开了本发明优选实施方式的说明书和附图后，本主题发明的很多改变、修改、变化以及其他用途和应用将变得明显。不偏离本发明的精神和范围的所有这些改变、修改、变化以及其他用途和应用被认为被本发明覆盖。
将不描述另外的实施细节，因为本领域技术人员从以上描述的教导中开始能够执行本发明。

Claims (12)

1.一种喷射模块(1)，用于将尿素基还原剂喷射到由燃烧发动机产生并引导到后处理系统(30)的排出气流中，所述喷射模块(1)包括：
-壳体(20)，所述壳体(20)沿着轴线(X)形成；
-进口(9)，所述进口(9)用于将所述排出气流输送到所述喷射壳体(20)中；
-喷射装置(55)，所述喷射装置(55)用于喷射所述尿素基还原剂，
其中所述进口(9)是环状的并关于所述喷射壳体(20)的所述轴线(X)倾斜以产生倾斜的环状进口喷流(AJ)，并且其中所述喷射装置被设计为在所述壳体(20)内部产生尿素基还原剂喷雾(UWS)。
2.根据权利要求1所述的喷射模块(1)，其中所述喷射装置被设计为产生尿素基还原剂喷雾(UWS)，所述尿素基还原剂喷雾(UWS)与所述壳体(20)的所述轴线(X)共轴。
3.根据权利要求2所述的喷射模块，其中所述喷射装置包括喷嘴(55)，所述喷嘴(55)置于所述喷射壳体(20)内的某一位置，使得所述尿素基还原剂喷雾(UWS)的开口锥面入射到所述环状进口喷流(AJ)的进入方向(Y)。
4.根据权利要求3所述的喷射模块(1)，其中所述喷嘴(55)关于所述进口(9)的位置为使得喷雾锥面开口角面对在所述倾斜的环状喷流(AJ)的所述进入方向(Y)和所述壳体(20)的所述轴线(X)之间界定的角(α)。
5.根据权利要求3或4所述的喷射模块(1)，其中所述喷嘴(55)的所述位置是轴向位置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的喷射模块(1)，其中所述倾斜的环状喷流(AJ)的所述进入方向(Y)关于所述模块的所述轴线(X)倾斜包括在30和150度之间的角(α)。
7.根据权利要求6所述的喷射模块(1)，其中所述倾斜的环状喷流(AJ)的所述进入方向(Y)关于所述模块的所述轴线(X)倾斜包括在30和90度之间的角(α)。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的喷射模块(1)，其中所述喷射装置的所述喷嘴(55)被设计为产生具有包括在5和40度之间的半锥面开口角(β)的尿素基还原剂喷雾。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的喷射模块(1)，其中所述壳体具有圆形横截面。
10.一种交通工具的燃烧发动机的排气系统(2)，包括根据权利要求1至9中任一项所述的喷射模块(1)。
11.根据权利要求10所述的排气系统(2)，其中所述排气系统(2)包括置于所述喷射模块(1)下游的混合设备(25)。
12.一种交通工具，包括根据权利要求10或11所述的排气系统(2)。
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