喷射模块和具有喷射模块的废气系统的制作方法

本发明涉及一种喷射模块，尤其是用于将还原剂喷射到内燃发动机的废气系统中的喷射模块，本发明还涉及一种装备有这种喷射模块的废气系统。

背景技术：

为了使柴油发动机的废气脱氮，使用含尿素的液体还原剂的SCR技术(selective catalytic reduction:选择性催化还原)被证明是有效的。在此，在废气-还原剂混合物供给SCR催化器之前，液体还原剂，即尿素水溶液，在还原剂催化器的上游被喷射到废气流中，并且在此精细雾化。

为了在尽可能小的还原剂消耗的情况下实现氮氧化物的高转化率，还原剂必须尽可能均匀地分布在催化器的入口面上。直今，这或通过在排气管中安装的混合器或通过在配量地输入还原剂的位置和催化器之间的长混合路段来实现。

DE 44 17 238 A1公开了一种用于减少内燃机发动机废气中的氮氧化物的装置，该装置具有进口室、水解催化器、脱硝催化器(DeNOx催化剂)和氧化催化器，在该装置中，流入室、水解催化器、脱硝催化器和氧化催化器基本构造成圆柱形的、可被废气流以该顺序流过的单元，并且流入室的直径超过水解催化器的直径。由此实现，在流入室中与还原剂混合的废气以还原剂的均匀分布和在废气系统的横截面上尽可能均匀的废气流密度的方式进入催化器中。

DE 10 2010 039 079 A1描述了一种用于将流体喷射到内燃发动机废气系统中的喷射装置，该喷射装置具有：第一流动区域，该第一流动区域这样构造，使得流体在运行中在第一流动区域中基本沿平行于阀轴线的第一流动方向流动；阀板，该阀板限界下游流动区域，其中，在阀板中构造有阀开口，该阀开口在垂直于阀轴线的平面中具有比所述第一流动区域更小的横截面；至少一个喷孔板，该喷孔板构造在阀开口的上游，并且具有至少一个喷射孔，该喷射孔这样构造，使得流体在运行中沿第二流动方向从喷射孔中流出。在此，第二流动方向具有沿对准到阀轴线上的方向的分量。

为了实现还原剂与废气所希望的均匀化，需要尽可能平的甚至整面的还原剂喷雾(Reduktionsmittel-Spray)。为了在废气设备中避免还原剂的不希望的沉积，仅允许还原剂的限定的量射到废气设备的壁上。

DE 10 2013 223 296公开了一种用于将还原剂喷射到内燃发动机的废气系统中的喷射模块，该喷射模块具有至少两个用于分别排出还原剂一次射流的出口开口。在此，出口开口这样构造，使得通过出口开口流出的还原剂一次射流在废气系统中相互会合，以便产生喷雾。

技术实现要素：

本发明的任务在于，优化通过射流碰撞在废气系统中产生的喷雾，并且尤其产生具有尽可能均匀的质量分布的尽可能整面的喷雾(“Spray”)。

根据本发明的用于将还原剂喷射到内燃发动机的废气系统中的喷射模块具有至少两个用于分别排出至少一个还原剂一次射流的出口开口。

在此，出口开口这样构造，使得通过至少两个出口开口排出的还原剂一次射流不是整面重叠地，而是仅部分重叠地彼此会合，以便通过碰撞在废气系统中产生喷雾。

本发明还包括一种将还原剂喷射到内燃发动机的废气系统中的方法，其中，该方法包括将至少两个还原剂一次射流这样喷射到废气系统中，使得这些还原剂一次射流不是整面重叠地而是仅部分重叠地彼此会合，以便在废气系统中产生合适的喷雾。

以这种方式，通过射流碰撞在废气系统中产生具有非常均匀的质量分布的、扁平的整面的还原剂喷雾，该还原剂喷雾与流经废气系统的废气优化地混合，因此能够在小的还原剂消耗的情况下有效地还原有害物质。

为了实现还原剂一次射流的根据本发明的部分重叠的彼此会合，出口开口尤其能够彼此错位和/或彼此倾斜地布置。通过出口开口的彼此错位和/或彼此倾斜的布置，能够有效地及用简单器件实现还原剂一次射流的部分重叠的彼此会合。

在一个实施方式中，该重叠处于一次射流面积的30％到至70％的范围中，尤其在40％到60％的范围中。在该范围中的重叠对于产生尽可能均匀的喷雾已被证明是特别有利的。

在一个实施方式中，出口开口彼此具有小于5mm、尤其小于2mm的间距，使得一次射流从它们各自的出口开口直至碰撞点都是紧凑的射流，这些射流还未分散成单个液滴。如果一次射流已经分散成单个液滴，那么这些单个液滴一再缺少碰撞对象；通过紧凑的射流因而优化了碰撞。

在一个实施方式中，出口开口这样构造，使得还原剂一次射流以大于30°的角度彼此会合，以便优化在两个一次射流之间的碰撞并引起一次射流的最优雾化。

在一个实施方式中，出口开口这样构造，使得还原剂一次射流在小于10mm、尤其小于5mm的自由路段后彼此会合，以便避免一次射流在碰撞点之前散开成单个液滴。

出口开口优选具有圆形横截面，因为射流的射流直径和出口角在圆形横截面的情况下被准确限定。但是，出口开口也可以构造成具有椭圆形横截面。

本发明还包括内燃发动机的废气系统的一个区段，在该区段中设置有根据本发明的喷射模块。

在一个实施方式中，除喷射模块外，废气系统的区段还具有屏蔽板，该屏蔽板这样构造和布置，使得该屏蔽板阻止喷雾射到废气系统的壁上。以该方式可靠地阻止了在废气系统中可能负面影响流动特性的不希望的还原剂沉积。

屏蔽板可以具有一个或多个开口，这些开口能够限定通过屏蔽板的废气流动，以便在废气系统中有针对地影响废气的流动特性。

在一个实施方式中，屏蔽板这样布置，使得在该屏蔽板和废气系统的至少一个壁之间构造存储室。在运行中，在储存室中形成废气过压力，该废气过压力引起穿过在屏蔽板中构造的孔的废气流动，这导致废气与根据本发明雾化的还原剂的特别有效的混合。

在一个实施方式中，附加的板布置在喷射模块上游，以便阻止还原剂喷雾在一次射流的碰撞点上被废气流吹散，因而保证了可靠地由一次射流产生喷雾。

在一个实施方式中，氧化催化器布置在喷射模块的上游，并且还原催化器布置在喷射模块的下游，以便引起优化的废气净化。喷射模块尤其布置在连接通道中，该连接通道连接氧化催化器的出口与还原催化器的入口，以便在还原催化器前面将还原剂直接供给废气。

在一个实施例中，废气的流动方向由连接通道来改变。这能够实现废气系统的特别紧凑的构型，并且引起废气流动的涡流。废气流动的这种涡流导致废气与还原剂喷雾特别有效的混合。

附图说明

图1示出根据本发明的废气系统的示意性截面视图；

图2示出根据本发明的喷射模块的示意性部分截面视图；

图3a示出两个一次射流的碰撞，这两个一次射流整面地彼此会合；

图3b示出例如通过图3a所示的碰撞所产生的喷雾的图形；

图4a示出两个一次射流的碰撞，这两个一次射流以小的重叠的方式相互会合；

图4b示出例如通过图4a所示的碰撞所形成的喷雾的图形；

图5a示出两个一次射流13的碰撞，这两个一次射流13以显著的但不完全的重叠的方式相互会合；

图5b示出例如通过图5a所示的碰撞所形成的喷雾的图形。

具体实施方式

图1示出具有废气系统22的内燃发动机2的示意性视图。

新鲜空气7a经过涡轮增压器1、3的压缩机1被输送到发动机2的气缸2a-2d中。在运行中在气缸2a-2d中形成的废气通过涡轮增压器1、3的、驱动压缩机1的涡轮机3到达在内燃发动机2下游布置的氧化催化器4中。

在氧化催化器4旁边存在还原剂催化器6。该还原剂催化器能够构造成SCR催化器6或者具有SCR催化器涂层的颗粒过滤器。氧化催化器4的出口和还原剂催化器6的入口通过连接通道5在流动方面相互连接，使得废气从氧化催化器4通过连接通道5流动到还原剂催化器6中。被催化器4、5净化的废气7b从还原剂催化器6中排出到环境中。

在连接通道5上安装有根据本发明的喷射模块10，该喷射模块由常用的因而未详细示出的还原剂配量系统以液体还原剂、尤其以尿素水溶液来供给。

喷射模块10在运行中在氧化催化器4和还原剂催化器6之间的连接通道5中产生还原剂喷雾11。

为了阻止还原剂喷雾11被从氧化催化器4中排出的废气流压抵到连接通道5的与氧化催化器4对置的(在图1中右侧示出)壁24上，并且在那里构成不希望的还原剂沉积，在壁24的前面，尤其在喷射模块10和壁24之间，布置屏蔽板20。该屏蔽板20比连接通道5更狭窄，使得在屏蔽板20的侧面(在图1的图示中在屏蔽板上方)，一部分从氧化催化器4中排出的废气流流动到构造在连接通道5的壁24和屏蔽板20之间的储存室15中，并且在那里产生过压力(“背压”)。

废气从储存室15中穿过在屏蔽板20中构造的开口16流动到屏蔽板20的面向氧化催化器4的一侧上的一区域中，在那里废气与还原剂喷雾11混合。从储存室15中穿过开口16到喷雾11的区域中的废气流动用废气流箭头7c标明。屏蔽板20尤其能够实施成低成本的孔板。

附加的挡板17能够在下游安装在喷射模块10旁边，以便阻止还原剂喷雾11在一次射流的碰撞点P上被吹散，因而保证了可靠的喷雾产生。

图2以局部放大的截面图示出喷射模块10的面向连接通道5的端部。图2中示出的喷射模块10具有用于还原剂的两个出口开口12，在运行中，各一个还原剂一次射流13分别通过这两个出口开口排出。根据本发明的喷射模块10的在视图中未示出其他实施例可以具有附加的出口开口12。

从出口开口12中排出的一次射流13在喷射模块10前面的区域中的、在图2中未示出的连接通道5的内部碰撞。由于这些一次射流13的相应脉冲，在连接通道中通过根据碰撞束原理(Collision-Beam-Prinzip)形成的碰撞产生精细雾化的还原剂喷雾11。以该方式产生的还原剂喷雾11是整面的和扁平的。

这些出口开口12之间的间距d小于5mm，尤其小于2mm。由于这些出口开口12之间的小的间距d，一次射流13在出口开口12和两个一次射流13的碰撞点P之间的区域中是紧凑的、还未被散开成单个液滴的射流；通过紧凑的一次射流13的相互会合优化碰撞，因为第一一次射流13的每个部分会合到第二一次射流13的相应部分上，并且在一次射流13中不存在不产生碰撞的空隙。

出口开口12优选具有圆形横截面，因为一次射流13的射流直径和出口角在圆形横截面的情况下可以被准确限定。但出口开口12也可以构造成具有椭圆形横截面。

也能够存在在图2中未示出的其它出口开口12，以便产生附加的一次射流13，这些附加的一次射流13优选对准同一碰撞点P。替代地可以存在多个碰撞点P，至少两个一次射流13分别对准一个碰撞点P，使得在连接通道5中，借助每个碰撞点存在一个喷雾源。

在一个实施方式中，出口开口12这样构造，使得一次射流13以大于30°的角度α相互会合，以便优化在两个一次射流13之间的碰撞，并且以这种方式引起一次射流13的优化雾化，由此，在连接通道5中产生特别细化的喷雾11，并且还原剂特别有效地与废气在废气系统22中混合。

在一个实施方式中，出口开口12这样构造，使得一次射流13在小于10mm，尤其小于5mm的自由路程L之后，即在从各自的出口开口12排出小于10mm、尤其小于5mm之后互相会合。以该方式可靠地避免一次射流13在碰撞点P之前分散成单个液滴，否则可能会降低喷雾产生的效果。

在图3a中示意性地示出两个整面地相互会合的一次射流13的碰撞。在一次射流13的这种整面碰撞时产生的喷雾11具有不均匀的质量分布，其中，还原剂的绝大部分质量存在于喷雾11的中心。

箭头14示出在碰撞时产生的液滴的优选流动方向，其中，箭头14的长度和强度与沿各个方向的质量密度成比例。在喷雾11下面，在图3a中以图形曲线图示出喷雾11的质量分布δ作为沿喷雾11的宽度的位置x的函数。

图3b示出如在一次射流13整面碰撞时产生的这种喷雾11的示意性图形。在图3b的图示中，点的密度与质量密度δ成比例。不仅在图3a的图形曲线图中，而且在图3b的图示中都能够在喷雾11的中心中清楚地看出增大的质量浓度。

图4a中示出两个一次射流13的碰撞，这两个一次射流以明显比两个一次射流13的各自面积小的重叠来互相会合。

以该方式产生的喷雾11也具有不均匀的质量分布。

在一次射流重叠较小的情况下，还原剂的绝大部分质量存在于喷雾11的边缘上。箭头14重新示出在碰撞时产生的液滴的优选流动方向，其中，箭头14的长度和粗细与沿各个方向的质量密度成比例。在喷雾11下面重新示出喷雾11的质量密度δ，作为关于喷雾11宽度的曲线。

图4b示出这种喷雾11的图形图示，其中，点密度又与质量密度δ成比例。

不仅在图4a的图形图示中而且在图4b的图示中都能够在喷雾11的边缘上清楚地看出更大质量密度δ。

图5a中示出两个一次射流13的碰撞，这两个一次射流以比图4a和图4b中明显更大的、但不是以如图3a和图3b中所示的完全重叠的方式相互会合。

通过两个一次射流13的更大的但不完全的重叠，还原剂的质量不仅均匀地传递到喷雾11的中心，而且均匀地传递到它的边缘区域中。箭头14示出在碰撞时产生的液滴的优选流动方向，其中，箭头14的长度和粗细与沿各流动方向的质量密度δ成比例。箭头14对于所有方向具有基本相同的密度和长度。

在喷雾11下面以图形的方式重新示出关于喷雾11的宽度的喷雾11的质量密度δ。图5b示出这种喷雾11的图形图示，其中，点密度与质量密度δ成比例。

不仅在图5a的图形图示中而且在图5b的图示中，尤其与图3a、3b、4a和4b直接对比能够在喷雾11中清楚地看出非常均匀的质量分布。

一次射流13的重叠在一次射流13的面积的30％到70％的范围中、尤其40％到60％的范围中已证明是特别适合的。利用在该范围中的重叠可以产生具有特别均匀的质量分布的喷雾11。