选择性催化还原系统中的收缩型液体还原剂喷射器喷嘴的制作方法

本申请要求于2016年8月7日提交的美国临时专利申请第62/201,337号的优先权，并且出于所有目的通过引用将其内容并入本文。

技术领域

本发明一般涉及用于内燃发动机的后处理系统的领域。

背景技术：

对于内燃发动机，诸如柴油机，氮氧化物(NOx)化合物可能在排气中排出。为了减少NOx排放物，可以实施选择性催化还原(SCR)过程以在催化剂和还原剂的协助下将NOx化合物转化成更中性的化合物，如双原子氮、水或二氧化碳。催化剂可以包含在排气系统的催化剂室中，诸如交通工具或发电单元的排气系统的催化室中。诸如无水氨、氨水、或尿素溶液的还原剂通常在催化剂室之前引入到排气流中。为了将还原剂引入到排气流中以用于SCR过程，SCR系统可以通过将还原剂蒸发或喷洒到催化剂室的上游的排气系统的排气管中的定量供给模块定量供给还原剂或以其它方式引入还原剂。SCR系统可包括一个或多个传感器以监测排气系统内的状况。

概述

本文所描述的实施方式涉及具有收缩区段的液体还原剂喷射器喷嘴。本文所描述的液体还原剂喷射器喷嘴能够将液体还原剂引入到包含污染物的排气流中，以便当施加指定的压差时，产生具有高的部分到部分(part-to-part)和循环到循环(circle-to-circle)的重复性的良好的雾化喷雾。

一个实施方式涉及包括第一部分和第二部分的液体还原剂喷射器喷嘴，第一部分界定中空圆柱形静态室，第二部分界定中空截头圆锥形收缩区段和排出孔口。中空圆柱形静态室与还原剂源在还原剂接收方面连通，并且具有第一开口和第二开口。第二开口在第一开口的下游。中空截头圆锥形收缩区段与中空圆柱形静态室和排出孔口流体连通以排出从还原剂源接收的还原剂。中空截头圆锥形收缩区段经由第二开口与中空圆柱形静态室在还原剂接收方面连通。中空圆柱形静态室的侧壁和截头圆锥形收缩区段的截头锥体侧界定液体还原剂喷射器喷嘴相对于第二开口的平面的收缩角。

在一些实施方式中，液体还原剂喷射器喷嘴包括在静态室的上游并且经由液体输送通道与静态室流体连通的中央入口区段。在一些实施方式中，中空圆柱形静态室的直径是500微米或更小。在一些实施方式中，收缩角在5度和90度之间，包含15度。在一些实施方式中，排出孔口具有200微米或更小的直径。在一些实施方式中，中空圆柱形静态室的第一开口是圆形的。在一些实施方式中，中空圆柱形静态室的第二开口是圆形的。在一些实施方式中，第一开口和第二开口具有相等的直径。在一些实施方式中，排出孔口是尖锐边缘型的。

另一个实施方式涉及包括第一部分、第二部分和第三部分的液体催化剂喷射器喷嘴，第一部分界定两个或更多个中空圆柱形静态室，第二部分界定两个或更多个中空截头圆锥形收缩区段，第三部分界定中央入口区段和两个或更多个液体输送通道。两个或更多个中空圆柱形静态室中的每一个与液体输送通道在还原剂接收方面连通。第一部分界定两个或更多个中空圆柱形静态室中的每一个的第一开口和两个或更多个中空圆柱形静态室中的每一个的第二开口。每个第二开口在每个对应的第一开口的下游。两个或更多个中空截头圆锥形收缩区段各自与两个或更多个中空圆柱形静态室的对应的中空圆柱形静态室流体连通。两个或更多个中空截头圆锥形收缩区段还各自与对应的排出孔口流体连通以排出从还原剂源接收的还原剂。每个中空截头圆锥形收缩区段与对应的中空圆柱形静态室的第二开口在还原剂接收方面连通。中央入口区段在第一部分的上游并且与还原剂源在还原剂接收方面连通。两个或更多个液体输送通道中的每一个在第一端部处与中央入口区段流体连通，并且在第二端部处与两个或更多个中空圆柱形静态室中的对应的中空圆柱形静态室流体连通。两个或更多个中空圆柱形静态室中的每一个的侧壁和两个或更多个截头圆锥形收缩区段中的每一个的截头锥体侧界定液体还原剂喷射器喷嘴相对于第二圆形开口的平面的收缩角。

在一些实施方式中，每个中空圆柱形静态室的直径是500微米或更小。在一些实施方式中，收缩角中的每一个在15度和90度之间，包含15度。在一些实施方式中，排出孔口中的每一个具有200微米或更小的直径。在一些实施方式中，每个中空圆柱形静态室的第一开口是圆形的。在一些实施方式中，每个中空圆柱形静态室的第二开口是圆形的。在一些实施方式中，每个中空圆柱形静态室的第一开口和第二开口具有相等的直径。在一些实施方式中，排出孔口是尖锐边缘型的。

另一个实施方式涉及包括还原剂源、分解室、定量供给器(doser)和液体还原剂喷射器喷嘴的装置。分解室构造成将来自还原剂源的还原剂转变成氨。定量供给器与还原剂源在还原剂接收方面连通。液体还原剂喷射器喷嘴与定量供给器在还原剂接收方面连通。液体还原剂喷射器喷嘴定位成为分解室提供还原剂。液体还原剂喷射器喷嘴包括界定中空圆柱形静态室的第一部分，第一部分界定中空圆柱形静态室的第一开口和中空圆柱形静态室的第二开口，第二开口在第一开口的下游。液体还原剂喷射器喷嘴还包括界定中空截头圆锥形收缩区段的第二部分，中空截头圆锥形收缩区段与中空圆柱形静态室和排出孔口流体连通以将还原剂排到分解室，中空截头圆锥形收缩区段经由第二圆形开口与中空圆柱形静态室在还原剂接收方面连通。中空圆柱形静态室的侧壁和截头圆锥形收缩区段的截头锥体侧界定液体还原剂喷射器喷嘴相对于第二圆形开口的平面的收缩角。在一些实施方式中，第一开口和第二开口具有相等的直径。排出孔口可以是尖锐边缘型的。

附图简要描述

在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。根据描述、附图以及权利要求，本公开的其它特征、方面和优点将变得明显，在附图中：

图1是示例性选择性催化还原系统的示意性框图，该选择性催化还原系统具有用于排气系统的示例性还原剂输送系统；

图2是液体还原剂喷射喷嘴的横截面图；

图3是图2的液体还原剂喷射喷嘴的静态室和收缩区段的三维视图；以及

图4是多室液体还原剂喷射喷嘴的自顶向下的横截面图。

应该意识到的是，为了说明的目的，一些附图或全部附图是示意性表示。为了说明一个或多个实现方式提供了附图，其中要明确理解的是，这些附图将不用于限制权利要求的范围或含义。

详细描述

下文是与具有收缩区段的液体还原剂喷射器喷嘴的方法、装置和系统相关的多种概念及具有收缩区段的液体还原剂喷射器喷嘴的方法、装置和系统的实施方式的更详细地描述。上文所引入的以及在下文更详细讨论的各种概念可以以多种方式中的任何一种方式实施，因为所公开的概念并不限于任何特定的实施方式。提供具体实施方式和应用的示例主要用于说明的目的。

I.综述

在许多移动式SCR系统中，诸如尿素水溶液(DEF)的液体还原剂在SCR催化器(SCR catalyst)的上游被注入。液体还原剂微滴然后经历蒸发、热分解以及水解过程以形成气态氨，气态氨有助于将存在于发动机排气中的有害的氮氧化物化学地还原成较少危害的化合物。SCR催化器用于执行NOx还原过程。本公开涉及液体还原剂喷射器喷嘴设计，当施加指定的压差时，该液体还原剂喷射器喷嘴产生具有高的部分到部分和循环到循环的重复性的良好的雾化喷雾。

在一些示例中，液体还原剂喷射器喷嘴仅具有直区段，意味着该区段的直径从上游至下游是恒定的。然而，仅具有直区段的喷嘴没有加速液体以增强初始雾化。此外，由于正排出的液体的成角度的动量，因此充足的静态室的缺少引起喷射不对称。在其它示例中，液体还原剂喷射器喷嘴在排出孔口的上游具有渐扩的区段。然而，具有在排出孔口的上游的渐扩区段的喷嘴产生不利的压力梯度，导致驱动雾化的压差降低。此外，这些喷嘴可产生再循环区，导致喷雾碰壁以及随后固体沉积形成且部分到部分或循环到循环的变化性增加。

本文所描述的实施方式涉及具有收缩区段的液体还原剂喷射器喷嘴，意味着区段的直径在下游比在其在上游小。本文所描述的液体还原剂喷射器喷嘴能够将液体还原剂引入到包含污染物的排气流中，以便当施加指定的压差时，产生具有高的部分到部分和循环到循环的重复性的良好的雾化喷雾。该能力极大地提高了喷射参数以及因而提高了SCR系统的脱NOx(deNOx)效率，同时降低了形成固体沉积的可能性，并且维持足够的机械强度以当其暴露到低温时承受来自液体还原剂的凝固或冻结的压力增加。

一个实施方式涉及由静态室组成的液体还原剂喷射器喷嘴，静态室流体连接到收缩区段，收缩区段进而流体连接到具有尖锐边缘的排出孔口。来自还原剂源的液体还原剂进入静态室并且穿过收缩区段向下游流动，并且然后作为良好的雾化喷雾穿过排出孔口排到排气流中。收缩区段的添加产生了压力能到动能的有效转化，有助于初始雾化，以及产生了具有低的部分到部分或循环到循环的变化性的良好的雾化喷雾。包括收缩区段还有助于维持排出孔口的耐用性且有助于缓解沉积。

在一些实施方式中，液体还原剂喷射器喷嘴是多室液体还原剂喷射器喷嘴。该多室液体还原剂喷射器喷嘴由入口区段组成，该入口区段流体连接到多个静态室，多个静态室中的每一个流体连接到对应的收缩区段，这些收缩区段进而流体连接到对应的具有尖锐边缘的排出孔口。来自还原剂源的液体还原剂进入入口区段并且向下游流入多个静态室中的每一个中，并且然后流入收缩区段中的每一个中，以及然后以良好的雾化喷雾穿过排出孔口排到排气流中。收缩区段的添加产生了压力能到动能的有效转化，有助于初始雾化，以及产生了具有低的部分到部分或循环到循环的变化性的良好的雾化喷雾。包括收缩区段还有助于维持排出孔口的耐用性且有助于缓解沉积。

II.后处理系统的综述

图1描绘了后处理系统100，其具有用于排气系统190的示例性还原剂输送系统110。后处理系统100包括柴油颗粒过滤器(DPF)102、还原剂输送系统110、分解室或反应器104、SCR催化器106、以及传感器150。

DPF 102构造成从在排气系统190中流动的排气中去除颗粒物质，诸如烟尘。DPF 102包括进口和出口，在进口处接收排气，在大体上从排气中滤除颗粒物质后和/或将颗粒物质转化成二氧化碳后，排气从出口排出。在一些实施方式中，可以省略DPF 102。

分解室104构造成将诸如尿素或柴油机排气处理液(DEF)的还原剂转化成氨。分解室104包括具有定量供给器或定量供给模块112的还原剂输送系统110，定量供给器或定量供给模块112构造成将还原剂定量供给到分解室104中(例如，经由喷射器，诸如下文所描述的喷射喷嘴结构)。在一些实施方式中，还原剂在SCR催化器106的上游被注入。还原剂微滴然后经历蒸发、热分解以及水解过程以在排气系统190内形成气态氨。分解室104包括与DPF 102流体连通以接收包含NOx排放物的排气的进口和用于排气、NOx排放物、氨、和/或剩余的还原剂流动到SCR催化器106的出口。

分解室104包括定量供给模块112，定量供给模块112安装到分解室104，使得定量供给模块112可以将还原剂定量供给到在排气系统190中流动的排气中。定量供给模块112可以包括绝缘体114，绝缘体114置于定量供给模块112的一部分和分解室104的安装有定量供给模块112的该部分之间。定量供给模块112流体联接到一个或多个还原剂源116。在一些实施方式中，泵118可用于对来自还原剂源116的还原剂加压以便输送到定量供给模块112。

定量供给模块112和泵118还电气地或通信地联接到控制器120。控制器120构造成控制定量供给模块112以将还原剂定量供给到分解室104中。控制器120还构造成控制泵118。控制器120可以包括微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等、或其组合。控制器120可以包括存储器，该存储器可以包括但不限于电子存储器、光存储器、磁存储器或能够为处理器、ASIC、FPGA等提供程序指令的任何其它储存设备或传输设备。存储器可以包括存储器芯片、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、快闪存储器、或控制器120可以从其读取指令的任何其它合适的存储器。指令可以包括从任何合适的编程语言产生的代码。

SCR催化器106构造成通过加速氨和排气的NOx之间的NOx还原过程帮助将NOx排放物还原成双原子氮、水和/或二氧化碳。SCR催化器106包括与分解室104流体流通的进口，以及与排气系统190的端部流体连通的出口，从该进口接收排气和还原剂。

排气系统190还可以包括与排气系统190流体流通的柴油机氧化催化器(DOC)(例如，在SCR催化器106的下游或在DPF 102的上游)，以氧化排气中的碳氢化合物和一氧化碳。

在一些实施方式中，DPF 102可以定位在分解室或反应器管104的下游。例如，DPF 102和SCR催化器106可以组合成单一的单元。在一些实施方式中，定量供给模块112可以替代地定位在涡轮增压器的下游或涡轮增压器的上游。

传感器150可以联接到排气系统190以检测流经排气系统190的排气的状况。在一些实施方式中，传感器150可以具有布置在排气系统190内的一部分，比如传感器150的尖端可以延伸到排气系统190的一部分中。在其它实施方式中，传感器150可以通过另一个导管(诸如从排气系统190延伸的一个或多个样品管)接收排气。虽然传感器150被描绘为定位在SCR催化器106的下游，但应该理解的是，传感器150可以定位在排气系统190的任何其它位置，包括DPF 102的上游、DPF 102内、DPF 102和分解室104之间、分解室104内、分解室104和SCR催化器106之间、SCR催化器106内、或SCR催化器106的下游。另外，两个或多个传感器150可用于检测排气的状况，诸如两个、三个、四个、五个或六个传感器150，其中每个传感器150位于排气系统190的前述位置中的一个位置处。

III.示例性液体还原剂喷射喷嘴

图2描绘了液体还原剂喷射喷嘴200的横截面图。图3描绘了相同的液体还原剂喷射喷嘴200的三维视图。液体还原剂喷射喷嘴200包括界定中空圆柱形静态室202的第一部分204、界定中空截头圆锥形收缩区段206的第二部分208、以及尖锐边缘型排出孔口210(即，排出孔口具有在其内周表面处的尖锐边缘)。第一部分204可具有近似2000微米(μm)的高度，包含或小于2000微米(μm)的高度。第二部分208可具有近似1000μm的高度，包含或小于1000μm的高度。

中空圆柱形静态室202与中空截头圆锥形收缩区段206流体连通，中空截头圆锥形收缩区段206进而与尖锐边缘型排出孔口210流体连通。具有尖锐边缘的排出孔口210的直径可具有200μm的直径，包含或小于200μm的直径。

静态室202构造成在第一圆形开口220处经由定量供给器接收来自还原剂源116的液体还原剂224。第一圆形开口220的直径可以是从200μm(包含200μm)到2000μm(包含2000μm)。液体还原剂224的速度在静态室202中减小。当液体还原剂224向下游移动穿过第二圆形开口222并且进入收缩区段206时，液体还原剂224在第二环形开口222和排出孔口210之间受到限制并且逐渐加速至较大的速度。最终，加速的液体还原剂224穿过排出孔口210的中心排到排气流226中，其中其液体压力明显下降(5巴表压值或更高)并且液体还原剂224变得雾化成小微滴。在排出孔口210的下游，液体还原剂224的微滴表现为自由的射流，自由的射流最小化了液体还原剂224经过再循环、冲击或凝聚与第一部分204或第二部分208的外部的不期望的接触。

在特定的实施方式中，静态室202具有小于2毫米的直径，更具体地具有500微米或更小的直径，而排出孔口210具有小于250微米的直径，更具体地具有200微米或更小的直径。静态室202的深度低于500微米。收缩区段206的长度小于1000微米。在收缩区段206中在界定第二圆形开口222的平面和收缩区段206的侧壁208之间测量的收缩角212在15度(包含15度)和90度之间，更具体地85度或低于85度。液体还原剂224可以是尿素水溶液。排气流226可包含污染气体，比如氮的氧化物。

IV.示例性多室液体还原剂喷射喷嘴

图4描绘了多室液体还原剂喷射喷嘴400的自顶向下的横截面图。多室液体还原剂喷射喷嘴400包括界定中央入口区段414和多个液体输送通道430的第三部分402。在一些实施方式中，液体输送通道430相对于中央入口区段414等角度地间隔开。例如，图4中示出的三个液体输送通道430可以彼此间隔120度。

液体输送通道430中的每一个在中空圆柱形静态室202的相应的第一圆柱形开口220处终止，如图2中所示。虽然图4描绘了具有三个液体输送通道430的多室液体还原剂喷射喷嘴400，但是多室液体还原剂喷射喷嘴400可具有任何数量的液体输送通道430(每个都对应一个中空圆柱形静态室202、一个中空截头圆锥形收缩区段206和一个尖锐边缘型排出孔口210)，诸如两个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个等等。

中央入口区段414与多个液体输送通道430流体连通。每个液体输送通道430与相应的中空圆柱形静态室202流体连通，中空圆柱形静态室202进而与相应的中空截头圆锥形收缩区段206流体连通，中空截头圆锥形收缩区段206进而与相应的尖锐边缘型排出孔口210流体连通。因而，这形成了具有相等数量的多个室、收缩区段和排出孔口的喷嘴。

中央入口区段414构造成接收来自还原剂源218的液体还原剂224。液体还原剂224从中央入口区段414穿过液体输送通道430向下游移动到每个静态室202，从而在其第一圆形开口220处进入每个静态室202。液体还原剂224的速度在静态室202中降低。当液体还原剂224向下游移动穿过第二圆形开口222并且进入收缩区段206时，液体还原剂224在第二圆形开口222和排出孔口210之间受到限制并且以最小压力损失逐渐加速至较高的速度。最终，加速的液体还原剂224穿过排出孔口210的中心排到排气流226中，其中其液体压力明显下降(5巴表压值或更高)并且液体还原剂224变得雾化成小微滴。在排出孔口210的下游，液体还原剂224的微滴表现为自由的射流，该自由的射流最小化了液体还原剂224经过再循环、冲击或凝聚与第一部分204或第二部分208的外部的不期望的接触。

在特定的实施方式中，静态室202具有小于2毫米的直径，更具体地具有500微米或更小的直径，而排出孔口210具有小于250微米的直径，更具体地具有200微米或更小的直径。静态室202的深度小于500微米。收缩区段206的长度小于1000微米。在收缩区段206中在界定第二圆形开口222的平面和收缩区段206的侧壁208之间测量的收缩角212在15度(包含15度)和90度之间，更具体地为85度或低于85度。液体还原剂224可以是尿素水溶液。排气流226可包含污染气体，比如氮的氧化物。

虽然本说明书包含很多具体的实施细节，但这些不应该理解为是对可要求保护的范围的限制，而应该理解为是对针对特定实施方式的特征的描述。本说明书中在单独的实施方式的背景中所描述的某些特征还可以以组合的形式在单个实施方式中实施。相反地，单个实施方式的背景中所描述的各个特征也可以在多个实施方式中单独地实现或以任何合适的子组合实现。此外，虽然在上文可以将特征描述为以一定的组合起作用并且甚至最初要求如此保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况中可以从组合中删除并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。

如本文所使用的，术语“大体上”、“近似”以及类似的术语意在具有与本公开的主题所属领域中的普通技术人员普遍和可接受的用法一致的广泛的意义。查阅本公开的本领域的技术人员应当理解，这些术语意在允许对所描述的和所要求保护的某些特征进行描述而没有将这些特征的范围限制到所提供的精确的数值范围。因此，这些术语应该解释为表明所描述和所要求保护的本主题的非实质性或非重要的修改或变化被认为处在如所附权利要求所陈述的本发明的范围内。

术语“联接”、“连接”以及本文中所使用的类似术语意味着两个部件彼此直接或间接地连接。这样的结合可以是固定的(例如，永久性的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这样的结合可以利用彼此一体地形成单个整体式主体的两个部件或两个部件和任何附加的中间部件来实现，或利用彼此附接的两个部件或两个部件和任何附加的中间部件来实现。

术语“流体联接”、“流体连通”以及本文中所使用的类似术语意味着两个部件或对象具有在两个部件或对象之间形成的通路，在该通路中，流体(诸如水、空气、气态还原剂、气态氨等)可以利用或者不利用介入部件或对象而流动。使流体连通成为可能的流体联接件或流体构造的示例可包括管路、通道或能够使流体从一个部件或对象流动到另一个的任何其它合适的部件。

重要的是要注意，在各个示例性实施方式中示出的系统的构造和布置在特性上仅是说明性的而非限制性的。期望保护在所描述实施方式的精神和/或范围内的所有变化和修改。应该理解的是，一些特征可能不是必需的并且缺少各个特征的实施方式可被设想为处在本申请的范围内，该范围由以下权利要求界定。当语言“一部分”被使用时，该项可以包括一部分和/或整个项，除非特别地声明与此相反。