CN102482972A - 用于供给还原剂的注射喷嘴和用于处理废气的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将还原剂(2)供给到废气系统(3)的注射喷嘴(1)，具有多个出口开口(4，5)，其中所述出口开口(4，5)设置成使得在各种情况下通过所述出口开口均能产生还原剂(2)的不同液滴(6，7)。还提出了一种用于处理废气的装置(14)，具有废气处理单元(15)和至少一个相应的注射喷嘴(1)，其中，出口开口(4，5)的至少两个组(11，12)在所述废气处理单元(15)上形成了不同的碰撞区(16，17)。

Description

用于供给还原剂的注射喷嘴和用于处理废气的装置

技术领域

本发明涉及一种用于向废气系统供给还原剂的注射喷嘴，还涉及一种用于废气处理的装置，该装置具有废气处理单元和至少一个注射喷嘴。这种类型的系统特别用于以可控的方式将氨水溶液添加到废气系统中，以便尤其是降低废气中的氮氧化物含量。

背景技术

例如，一种使用尿素水溶液和适当的催化剂来转化特别是废气中的氮氧化物的方法称为“选择催化反应(SCR)法”。

通常来说，不直接使用SCR反应所需的氨，即纯氨，而是使用32.5％尿素水溶液形式的氨，该尿素水溶液也可通过商品名AdBlue

获得。例如可通过计量泵或注射器来将这种水溶液注入到SCR催化剂之前的排气部分中。

在此过程中，尿素水溶液转化成氨，并且与废气一起流过SCR催化剂。尿素水溶液到氨的转化可通过热解和/或水解来实现。但是在热解期间尿素水溶液被加热，导致尿素水溶液的相应分解，而水解的目的是尿素的催化激活反应以提供氨。在热解中，可以提供与尿素水溶液相接触的外部加热件。然而，也能通过将尿素水溶液以细小分散的形式注射到热废气中来实现所要求的温度。在水解中必须提供适当的水解催化剂，其中尿素水溶液与废气形成接触，或作为替代在废气系统之外与尿素水溶液形成接触。目前，部分尿素水溶液输送到携带废气的废气系统中，结果是在废气存在下发生尿素到氨的转化。

在此过程期间发生的反应可如下地表示：

尿素溶液的水解：

热解：(NH₂)₂CO→NH₃+HNCO(异氰酸)

水解：HNCO+H₂O→NH₃+CO₂

特别是，从尿素水溶液中形成氨和CO₂。以这种方式产生的氨可在适当的温度下在特定的SRC催化剂中与废气中的氮氧化物反应。基本上有两种类型的SCR催化剂。一种基本上包含二氧化钛、五氧化二钒和氧化钨。另一种使用沸石。

氮氧化物的还原：

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O    (″标准SCR″)；

2NH₃+NO+NO₂→2N₂+3H₂O    (″快速SCR″)；

4NH₃+3NO₂→3.5N₂+6H₂O    (″NO₂SCR″)。

根据内燃机的氮氧化物排放和因此根据发动机的瞬时速度和扭矩来控制所注入的尿素的量。根据柴油机的原始排放，尿素水溶液的消耗为所用柴油燃料的约2到8％。如果计量量过小，那么用以降低氮氧化物浓度的效率会减小。如果计量入的尿素过多，由此形成的氨不能与NO_x反应，并且会进入到外界环境中。由于氨具有刺激性气味且甚至可在非常小的浓度下觉察到，因此在过量计量的情况下将会导致车辆附近有令人不愉快的气味。可通过在SCR催化剂之后提供氧化催化剂来提供补救。

关于还原剂的注入位置，已经讨论过多种变化。因此，例如可在混合件的上游、混合件的下游、涡流室的区域中、SCR催化剂的上游、废气处理单元的下游等处加入尿素水溶液。在各种情况中，这里的关注点是尽可能地实现还原剂在废气流中的均匀或快速的混合，因而保证在反应剂流过催化剂时能获得足量的反应剂。关于这一点，已经有关于下述问题的多次讨论，该问题是，一方面需要使蒸发尽可能快且完全地发生，另一方面需要在废气流中均匀地分布，同时考虑废气中的各自占主导的条件。这里，废气的温度、废气的流动特性和废气的组成起到重要的作用。

对于多种不同的废气系统来说，至今不能以完全令人满意的方式、特别是通过低技术复杂程度的方式来实现这种结果。关于这一点，改进机动车辆结构中的现有废气系统尤为困难。

发明内容

以此作为出发点，本发明的目标是至少部分地解决参阅现有技术所阐述的问题。特别是，本发明的一个目的是提出一种注射喷嘴，其具有简单的结构，并允许供给可改变的或与废气系统中的流动条件相匹配的还原剂。本发明的另一目的是提出一种注射喷嘴在废气系统中的特别优选的布置，以尽可能完全地使还原剂转化或使还原剂蒸发。

这些目的通过根据权利要求1的特征的注射喷嘴来实现。在从属权利要求中限定了进一步的优选实施例和变化。应当注意，在权利要求中单独说明的特征可以任何技术上有意义的方式结合起来，并且构成本发明的进一步的实施例。说明书尤其是与附图相结合，阐述了本发明并类似说明了其它的变体实施例。

根据本发明的用于将还原剂供给到废气系统的注射喷嘴具有多个出口开口，出口开口提供为在各种情况中通过所述出口开口均可产生还原剂的不同液滴。

注射喷嘴通常具有连接区，通过其可将注射喷嘴与还原剂供给系统相连。为此，注射喷嘴通常具有保持区，通过其例如可将注射喷嘴固定在废气系统的废气管道上。这种保持区可具有额外的绝缘部件，以使注射喷嘴与热的废气系统热隔离。注射喷嘴还具有一般设置在废气系统内的添加区域。在该添加区域中提供了多个出口开口，可通过所述出口开口例如在从3到30巴的压力下将还原剂注入废气管道中。

对于这里提出的注射喷嘴，现在提供了通过其可在各种情况下产生还原剂的不同液滴的出口开口。换句话说，这意味着尤其是在还原剂的预定压力下和在促动注射喷嘴时，可从注射喷嘴中同时产生不同尺寸的液滴并例如保持一段预定的时间。在这种情况下，产生了至少两种不同类型的液滴或不同尺寸的液滴。理论上也可以通过出口开口同时形成多种不同的液滴。考虑到废气的参数，由同一注射喷嘴供给不同的液滴能够实现特定的液滴飞行路径。例如，如果指定用于还原剂的相应液滴的碰撞区，则可以选择液滴的类型，使得液滴(例如根据相对于废气流的长度和角度)被喷射，从而以精确定向的方式(沿不同的飞行路径)到达碰撞区。注射喷嘴或不同出口开口的适当对齐允许特别简单的安装，并具有宽范围内的可能变化和高定向精度。

关于这一点，一种特别优选的选择是提供不同横截面的出口开口。例如，如果考虑到出口开口是一种孔口的情况，因此可将不同的出口开口实施为具有不同的孔口横截面。然而，也能够提供至少一些横截面沿还原剂的流动方向收窄或变宽的出口开口。当然，这些类型的横截面的组合也是可行的。此外，例如出口开口的方向或流经横截面的还原剂流向也可以变化。

为了获得特别简单结构的注射喷嘴，还提出通过喷雾盘来形成出口开口。这样，例如注射喷嘴的主体可保持用于多种用途，并且可为特定的应用提供适当的喷雾盘。此外，喷雾盘可相对于注射喷嘴转动，如果合适的话，允许改变出口开口相对于注射喷嘴或相对于废气系统的位置。喷雾盘不必为平状设计；如果合适的话在这里也能使用弯曲的喷雾盘。同样能够直接一个跟着一个地布置多个喷雾盘，以通过相对于彼此转动两个喷雾盘来形成特定横截面的出口开口，或者甚至在注射喷嘴或废气系统的操作期间产生还原剂的不同液滴。

根据一种改进，注射喷嘴上的至少两组出口开口分隔开。换句话说，这也意味着能在各种情况中区分出其中仅提供一种类型的出口开口的区域。关于这一点，“分隔开”尤其意味着至少两组在空间上彼此划出界限或间隔开。在特定的情况中，也能够提供其他的组，尤其是按照在数个组中布置相同的出口开口的方式。通过这种方式，尤其能够保证将注射方向或各自产生的喷射流彼此分开，并且在操作期间彼此间没有显著的不利效果。

还提出了将所有的出口开口通过单个进料导管相连。进料导管为圆柱形和/或环形设计，并且通常沿着注射喷嘴的中心轴线延伸到出口开口。因此，进料通道也与还原剂供给系统相连。由此能够看到在所有出口开口中的进料压力与该共同的单个进料导管中的压力相同。例如可通过销钉、活门等来根据要求地打开和关闭进料导管，因此控制还原剂到出口开口的供给。这也为注射喷嘴提供了特别简单的构造。

在注射喷嘴的一项特别优选的应用中，提出了一种用于处理废气的装置，其具有废气处理单元和至少一个在本发明中所描述类型的注射喷嘴，其中至少两组出口开口在废气处理单元上形成了不同的碰撞区。一般地，这种类型的注射喷嘴倾斜地插入废气管中，其结果是，例如注射喷嘴的中心轴线也倾斜地指向废气处理单元的一个端面。

理论上，在这里能够将这种类型的注射喷嘴布置在废气处理单元的上游和/或下游。如果将注射喷嘴设置在废气处理单元上游的位置，则添加顺着废气流的方向。在相反的情况即还原剂施加到废气处理单元的后端面时，添加则逆着流向。

现在，为了以尽可能均匀的方式使用还原剂实现废气处理单元的润湿，考虑到废气的流动特性，需要允许特别是根据注射喷嘴到废气处理单元的端面的距离来将射流吹出。在这种情况中，现在根据本发明的注射喷嘴提供了这样的可能性，即在废气处理单元上的不同碰撞区或液滴的自由飞行路径提供特定构造的出口开口的组。特别是，出口开口的特定实施例可将废气的流动特性或废气流中的还原剂的飞行特性考虑进来。因此，可使液滴尺寸、喷雾方向等与两组出口开口相匹配。

以均匀的方式(相对于时间)润湿废气处理单元保证了以均匀的方式使用在端面区域中的废气处理单元的热质量，这导致了还原剂的相应的均匀和快速的蒸发。此外，这避免了下面的状况，即废气处理单元的局部区域的尤其强化式润湿导致了废气处理单元的冷却，在某种程度上这尤其会对废气处理单元的催化活性带来负面影响。此外，这种废气处理单元也可形成一种存储涂层，其形成用于供给气态还原剂的一定缓冲。在这一点，其目的是应当尽可能地均匀化废气处理单元的使用。

在将还原剂用在废气处理单元的上游的情况中，废气处理单元例如可为颗粒过滤器和/或水解催化剂。这也优选地适用于还原剂的下游供给，其中(仅在合适的时候)各个碰撞区可具有催化剂或没有催化剂。

在装置中更优选地是，至少一个注射喷嘴可向废气处理单元上的较远的第一碰撞区提供大的第一液滴，而向废气处理单元上的较近的第二碰撞区提供小的第二液滴。在这里由此形成了两组不同的出口开口，其中第一组产生大的第一液滴。这些大的第一液滴必须在废气流中穿过相对长的距离，因此这里的目标是保证通过提供大的液滴保证废气流的影响最小。对于较近的碰撞区产生小的第二液滴，这些液滴可被废气流吹出，因此能够使其甚至到达废气处理单元端面中的靠近边缘的局部区域。

已经发现，如果将至少一个注射喷嘴布置在废气流向中的废气处理单元的下游并且使其朝向废气处理单元的后端面是特别有利的。在此情况中，因此还原剂的添加将逆着流动方向发生，并且这里注射喷嘴的喷射流也尤其会受到影响。在此情况中，通过不同设计的出口开口，可以精确地获得还原剂在废气流中的特定飞行特性，因此保证了以整体均匀的特定方式润湿废气处理单元的后端面。

如果为至少一个注射喷嘴提供导向件，则装置被认为是特别有利的。导向件尤其可用于测定注射喷嘴在废气系统中的安装方向，其中例如可采用调整工具等对注射喷嘴进行调节(如果合适的话为后续调节)。

本发明尤其可用于具有内燃机和下游废气系统的机动车辆中，在下游废气系统中，沿着流动方向首先设置了废气处理单元，然后是至少一个注射喷嘴，接着是SCR催化剂。至少一个注射喷嘴例如通过还原剂管线与泵和还原剂储罐相连。在这种情况下，同样地可提供从注射喷嘴或还原剂管线到储罐的返回管线，其中必须提供适当的阀门。注射喷嘴的控制可包括例如结合于内燃机管理系统中的控制单元的动作。废气系统还可具有传感器、其他废气处理单元等，以允许适当地控制还原剂、特别是尿素水溶液的添加。

附图说明

下面将结合附图来更详细地说明本发明和技术领域。应当指出，附图示出了本发明的特别优选的实施例的变体，然而本发明并不限于此。在附图中示意地示出：

图1是根据本发明的注射喷嘴的第一变体实施例的横截面图，

图2是注射喷嘴在废气系统中的布置详图，

图3是使用这种类型的注射喷嘴的液滴分布的实施例，

图4显示了具有不同出口开口的喷雾盘，和

图5是具有多个注射喷嘴的废气处理单元的后视图。

具体实施方式

图1显示了注射喷嘴1的示意性的正面细节，其中还原剂2沿所示流向(见箭头)穿过一个中心进料导管13朝向注射喷嘴1的尖端进料。在尖端处设有第一出口开口4和第二出口开口5。第一出口开口4具有实施为与第二出口开口5的第二横截面9不同的第一横截面8。在此情况中，第一横截面8制成为明显更大。第一出口开口4和第二出口开口5在喷雾方向(虚线所示)的方面也不同。在预定压力下将还原剂2供给进料导管13的期间，还原剂2同时流过第一出口开口4和第二出口开口5，并且在各个情况中均产生不同的液滴。特别是，这些液滴在废气流中的飞行路径的方面不同。

图2显示了这种类型的注射喷嘴1在用于废气处理的装置14中的优选布置。这里，废气系统3构造成使得废气首先沿流向18流经废气处理单元15。废气处理单元15(优选地)以蜂巢状体的方式实施，并至少部分地实施为颗粒过滤器和/或水解催化剂。因此，也可以特别是(仅)使废气处理单元15的后端面19形成用于还原剂2的存储材料和/或催化材料。

这里，使(单个)注射喷嘴在导向件27中以倾斜的角度指向废气处理单元15的后端面19。由于具有多个出口开口的注射喷嘴的结构，在各种情况中通过所述结构均可产生还原剂2的不同液滴，因此可形成不同的子射流。在图中，源自第一出口开口的第一子射流形成了撞击在第一碰撞区16上的大的第一液滴6，其中第一液滴6必须穿过废气流飞越相对长的距离以到达后端面19的前侧。为了保证废气流对此飞行路径的影响仅为较小，这里优选地使用相对大的液滴。通过由注射喷嘴1的第二出口开口所产生的较小的第二液滴，可在较近的区域中实现相同的效果，该较近的区域如这里所示为废气处理单元15的后端面19上的第二碰撞区17。这样，尤其也能够保证将液滴射流吹出，并且因此也能够润湿靠近边缘的区域，另一替代方式是使用大的角度。在这种情况下，在不同载荷状态中的内燃机的操作期间，为了尽可能产生精确的喷雾模式，优选地将注射喷嘴1布置成使得液滴仍位于来自废气处理单元15的废气流出区域中。这意味着，尤其是在废气流经废气处理单元15后，废气仍基本上为层流，其中该区域特别是延伸过最多60mm的宽度，或者如果合适的话少至40mm。注射喷嘴的这种设计保证了由于出口开口的数量、方向和/或横截面的因素，在废气处理单元15的后端面19上的不同碰撞区会发生均匀的润湿。

图3意在说明这种类型的注射喷嘴的喷雾模式。其显示了将液滴的产生数量26相对于液滴的尺寸25的图形。在左侧可以看到，平均上讲产生了相对大的数量26的预定第二尺寸的第二液滴7。但是，此外并且同时也提供了具有较大尺寸25的(相同)总量的第一液滴6，尽管是以较小的数量26。当然，通过注射喷嘴也能够实现额外的液滴尺寸，并且如果合适的话，也允许相应液滴尺寸的(部分)重叠。然而，优选在液滴尺寸之间有清晰的差异。

为了获得这种不同的液滴，例如可使用图4所示类型的喷雾盘10。在这种情况中为板状形式的圆形喷雾盘10并非在其整个面积上具有出口开口，相反，在这里形成有两个分开的包括不同出口开口的组。因此，例如在一个靠近喷雾盘10边缘的弧段形式的区域中形成了包括第二出口开口5的第二组12。这里，多个第二出口开口5都为相同的设计，并且尤其是具有相同的第二横截面9。在更靠近喷雾盘10的中心区域处，类似地形成包括第一出口开口4的第一组11。在这种情况中，出口开口的数量制成为明显更少，并且第一出口开口4形成有明显更大的第一横截面8。特别是，出口开口的组的非对称布置考虑了注射喷嘴的倾斜安装，因此倾斜安装不是完全必须的。

图5显示了废气处理单元的示意性后视图，所述单元通过多个、这里为四个注射喷嘴来润湿。因此在这种情况中，无法通过单个喷嘴23来均匀地润湿后端面19；相反，这里需要四个喷嘴。也可将至少一个喷嘴23设置成可移动的，例如可枢轴转动，以扩大添加区域20(在各种情况中在后端面19上可达到的最大区域)。特别是，通过管线24将所有的喷嘴23或注射喷嘴1与指定喷嘴的开启时间的控制单元21相连。在底部处显示了一个特定的添加区域20。这里，注射喷嘴1具有多个不同的出口开口，它们尤其是在添加方向22和液滴尺寸方面不同。每组出口开口限定一个添加区域，并且液滴尺寸和/或添加方向22与流动条件相匹配。

通过这里提出的注射喷嘴，特别是当其涉及现存废气系统的适当改装时，能以特别简单和有效的方式实现废气处理单元的后端面的均匀润湿。

附图标记列表

1注射喷嘴

2还原剂

3废气系统

4第一出口开口

5第二出口开口

6第一液滴

7第二液滴

8第一横截面

9第二横截面

10喷雾盘

11第一组

12第二组

13进料导管

14装置

15废气处理单元

16第一碰撞区

17第二碰撞区

18流向

19后端面

20添加区域

21控制单元

22添加方向

23喷嘴

24管线

25尺寸

26数量

27导向件

Claims (9)

1.一种用于将还原剂(2)供给到废气系统(3)的注射喷嘴(1)，具有多个出口开口(4，5)，其中所述出口开口(4，5)设置成使得在各种情况下通过所述出口开口均能产生还原剂(2)的不同液滴(6，7)。

2.根据权利要求1所述的注射喷嘴(1)，其特征在于，提供了具有不同横截面(8，9)的出口开口(4，5)。

3.根据权利要求1或2所述的注射喷嘴(1)，其特征在于，所述出口开口(4，5)通过喷雾盘(10)形成。

4.根据上述权利要求中任一项所述的注射喷嘴(1)，其特征在于，所述注射喷嘴(1)上的出口开口(4，5)的至少两个组(11，12)分隔开。

5.根据上述权利要求中任一项所述的注射喷嘴(1)，其特征在于，所有出口开口(4，5)通过单个进料导管(13)相连。

6.一种用于处理废气的装置(14)，具有废气处理单元(15)和至少一个根据上述权利要求中任一项所述的注射喷嘴(1)，其中，出口开口(4，5)的至少两个组(11，12)在所述废气处理单元(15)上形成了不同的碰撞区(16，17)。

7.根据权利要求6所述的装置(14)，其特征在于，所述至少一个注射喷嘴(1)能将大的第一液滴(6)提供到废气处理单元(15)上的较远的第一碰撞区(16)，并将小的第二液滴(7)提供到废气处理单元(15)上的较近的第二碰撞区(17)。

8.根据权利要求6或7所述的装置(14)，其特征在于，所述至少一个注射喷嘴(1)布置在废气流向(18)中的废气处理单元(15)的下游，并且指向废气处理单元(15)的后端面(19)。

9.根据上述权利要求6到8中任一项所述的装置(14)，其特征在于，为所述至少一个注射喷嘴(1)提供了导向件(27)。

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