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CN102652210A - 用于将尿素基还原剂喷射到排出气流中的方法 - Google Patents

用于将尿素基还原剂喷射到排出气流中的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于将尿素基还原剂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系统的排出气流中的方法。根据本发明的方法，排出气流输送到沿着纵向轴线发展的喷射壳体中。特别地，气体通过产生关于所述轴线倾斜的环状进口喷流来输送。尿素基还原剂通过在壳体内部产生尿素基还原剂喷雾来喷射，尿素基还原剂喷雾优选地与壳体的所述轴线共轴。

Description

用于将尿素基还原剂喷射到排出气流中的方法
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)的排出气流中的方法。根据本发明的方法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。
现有技术描述
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(dosing module)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用于将还原剂喷射到产生自燃烧发动机并被引导到后处理系统的排出气流中的方法，该方法允许克服上述问题/缺陷。
在此目标内，本发明的第一目的是提供用于将还原剂喷射到排出气流中的方法，该方法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用于将还原剂喷射到排出气流中的方法，该方法避免了还原剂和排气系统的冷壁(例如，喷射模块的壁、排气壁、后处理系统的壁)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执行的方法。
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方法来实现。特别地，根据本发明的方法，所述排出气体被输送到沿着纵向轴线形成的喷射模块壳体(dosing module housing)中。特别地，排出气体通过产生关于喷射壳体的轴线倾斜的环状进口喷流来输送。另外，根据本发明的方法，尿素基还原剂通过产生尿素基还原剂喷雾来喷射，尿素基还原剂喷雾优选地与壳体的所述轴线共轴。
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显示喷射壳体的常规布置，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中；
-图3和4示意性地显示喷射模块的第一布置，其允许执行根据本发明的方法；
-图5示意性地显示喷射模块的第二布置，其允许执行根据本发明的方法。
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燃烧发动机例如柴油机的排出气流中的方法。为了本发明的目的，对于表述“尿素基还原剂”，其意指当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。
根据本发明的方法包括：第一步，提供具有喷射壳体20的喷射模块20，喷射壳体20沿着轴线X(也通过纵向轴线X表示)形成。在此方面，图3显示燃烧发动机的排气系统，其设有排出管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设备的上游。如所示的，喷射壳体20可以是排出管4的一部分并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。
根据本发明的方法，来自发动机的排出气流通过产生关于轴线X倾斜的环状进口喷流(以AJ表示)而被输送到所述喷射壳体20中。换句话说，排出气体根据相对于所述轴线X倾斜的进入方向Y而被环形地引入喷射模块壳体中。以此方式，进入的排出气流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。
根据本发明的方法还提供用于通过产生尿素基还原剂喷雾(以UWS表示)来喷射所述尿素基还原剂，尿素基还原剂喷雾位于喷射壳体20的内部并优选地与壳体自身的轴线X共轴。更详细地，还原剂通过喷雾设备被喷雾，使得喷雾UWS的开口锥面(opening cone)入射到(incident to)排出气体的环状进口喷流AJ的进入方向Y。如图3和4所示，尿素基还原剂喷雾UWS被产生为使得喷雾锥面的开口角面对所述环状喷流AJ的进入方向Y和所述壳体20的轴线X之间的角α。
图4详细显示了喷射壳体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。
如图4中所示，环状喷流AJ优选地通过在端部横向壁18附近连通到喷射壳体20的环状进口9而被输送。喷雾喷射设备优选地包括置于端壁18的中心上的喷雾喷嘴55。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度之间的开口角β的半锥面时，已经观察到极其明显的结果。
图5显示喷射模块的可选择布置，其中环状进口喷流AJ关于喷射壳体模块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 (9)

1.一种用于将尿素基还原剂喷射到排出气流中的方法，所述排出气流由燃烧发动机产生并被引导到后处理系统(30)，所述方法包括以下步骤：
-提供具有壳体(20)的喷射模块，所述壳体(20)沿着轴线(X)形成；
-通过产生关于所述喷射壳体(20)的所述轴线(X)倾斜的环状进口喷流(AJ)，将所述排出气流输送到所述喷射壳体(20)中；以及
-通过在所述壳体(20)内部产生尿素基还原剂喷雾(UWS)，来喷射所述尿素基还原剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述尿素基还原剂喷雾(UWS)被产生为与所述轴线(X)共轴。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述尿素基还原剂喷雾(UWS)通过喷射设备产生，所述喷射设备包括位于所述喷射壳体(20)内部的喷嘴(55)。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中所述尿素基还原剂喷雾(UWS)被产生为具有开口锥面，所述开口锥面入射到所述环状进口喷流(AJ)的进入方向(Y)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述尿素基还原剂喷雾(UWS)被产生为使得喷雾半锥面开口角(β)面对所述环状喷流(AJ)的所述进入方向(Y)和所述壳体(20)的所述轴线(X)之间的角(α)。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其中所述环状进口喷流(AJ)关于所述喷射壳体(20)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所述的方法，其中所述环状进口喷流(AJ)关于所述喷射壳体(20)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1到7中任一项所述的方法，其中所述尿素基还原剂喷雾被产生为具有包括在5和40度之间的半锥面开口角(β)。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的方法，其中所述尿素基还原剂通过尿素在水中的溶液形成。
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