專利名稱：一種用于混合尿素和空氣的混合裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及將尿素與空氣混合，并且把空氣和尿素的混合物引進內燃機的 排氣系統，特別是柴油機的排氣系統。
背景技術：
根據本發明，可以發現，當尿素與壓縮空氣混合時，溶解在比如水的液體 中的尿素可能產生結晶，該結晶通常導致用于混合尿素和空氣的混合裝置產生 堵塞，以致于混合不能進行。還可以發現，結晶會向氣流的上游方向增長(甚 至在高速下)。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種裝置，其中使這種堵塞最小化或者避免。 從這項發明的廣義上講，提供了 一種用于混合尿素和 一種氣體的混合裝置，所述尿素更適宜溶解在一種液體里，尤其是水；并且所述氣體更適宜是空 氣。該混合裝置優選包括一個尿素入口和一個氣體入口，分別提供尿素和氣體 進入到該混合裝置的混合室內；和一個從混合室排出尿素和氣體混合物的出 口 。這些入口和出口優選擁有一個液體狀擴張并且優選進入混合室和從混合室 優選產生的出口。更可取的是，至少用于提供空氣進入混合室的氣體入口設計 成了所述入口的被選擇表面的尿素結晶的沉積大多(主要是在沉積的結晶不堵 塞入口的意義上)或全部被避免了 。正如在權利要求和首選的實施例描述中出 現的那樣，這可以通過把這些表面加工得很光滑或者使用無粘性材料，使結晶 不會在被選擇的表面上沉積，以優選達到堵塞被避免的程度。
從另一個方面或總體上講，此氣體入口可以設計成沉積在被選擇表面的結 晶被除去，比如在混合設備的混合過程中。
按照本發明，提出了諸多不同的實施例，以尋求去除因產生結晶而造成的 堵塞影響；并且和在附加的權利要求里一樣，在附錄中可以發現詳細的描述， 概述了本發明首選實施例的不同細節。
應該指出的是，盡管本描述著眼于混合溶解于水和空氣中的尿素，本發明也是適用的；并且包括其它材料混合以及由于產生或可能產生結晶而發生堵塞的情況。
下面，本發明，特別是其優選實施例將結合附圖來描述，其中
圖1示出了將尿素添加進入內燃機、特別是柴油內燃機的廢氣的總原理；
圖2示出了本發明的用于混合空氣和尿素的混合裝置的優選實施例的剖 面圖3A-B示出了用于混合空氣和尿素的混合裝置的另一個實施例的剖面圖4示出了用于混合空氣和尿素的混合裝置的又一個實施例的剖面圖5示出了圖2所示的實施例的一個詳細的剖面圖6A-C示出了圖5所示的實施例的一個剖面圖， 一個詳細的剖面圖和一 個分解圖7示出了圖3所示的實施例的一個詳細的剖面圖8A-C示出了圖7所示的實施例的一個剖面圖， 一個詳細的剖面圖和一 個分解圖9示出了圖4所示實施例的一個詳細的剖面圖；和
圖IOA-C示出了圖9所示實施例的一個剖面圖， 一個詳細的剖面圖和一 個分解圖。
具體實施例方式
在圖1中， 一個系統，包括優選根據柴油機原理工作的內燃機100;容納 尿素液體溶液箱101 (已知為商標名稱AdBlue)和催化系統(圖中標為SCR) 102。發動機的排氣裝置通過排氣管道連接于催化系統，并且其連接到容納尿 素液體溶液箱。該系統還包括計量裝置104,用于將液體尿素輸入排氣系統， 以便于其能和廢氣發生反應，以使NOx氣體向環境排放的最小化。該計量裝 置典型是或者包括用于將壓縮空氣與液體尿素混合的混合裝置和優選提供壓 縮空氣的壓縮才幾105。
離開內燃機的廢氣103包含氧化氮。在廢氣進入催化系統以前，在圖l表示為106，氣體包括氨、水蒸氣和氧化氮。在廢氣進入經過催化系統(圖1中 的107)以后，通常要排入到環境中的氣體包括氮和水。
在本發明的許多優選實施例中，發動機是卡車的柴油機，并且在這些實施 例中卡車裝備了用于制動裝置、懸浮系統或類似裝置的壓縮機，并且在這些實 施例中壓縮空氣由該壓縮機提供。為了避免尿素進入制動裝置和/或者懸浮系 統，向用于將尿素與空氣混合的混合裝置提供的空氣通常通過單向閥(未示出) 提供，以^^空氣只能進入混合裝置。當卡車行駛過程中(尿素正被混合)和在 沒有尿素流的情況的停止過程中，該功能是很重要的。
已經發現，在用于混合尿素和壓縮空氣的混合裝置內的尿素結晶的形成， 會妨礙裝置執行，導致無法用裝置進行混合。該結晶具有向壓縮氣流的上游方 向上增長的趨勢。這些問題已由本發明通過設計混合裝置解決了，因此其單獨 包含一個或多個下列特征，或包括其結合
1. 機械動作，閥的典型的往復運動。該閥的運動包括兩個動作，首先閥 門對閥座的碰撞將打碎結晶，以便能通過閥門和/或者混合裝置利用典型地是 空氣和/或尿素流的氣流，把結晶從閥沖掉。其次，由閥門運動產生的振動可 使位于閥門或混合裝置表面上的結晶松散，以使結晶可以通過閥和/或混合裝 置由流體流洗掉。
2. 混合裝置的通道和特別是引導空氣進入用于混合空氣和尿素的混合室 的通道可以由不粘材料制成或由不粘材料涂覆，比如聚四氟乙烯(Teflon)。在 產生結晶的情況下，不粘材料表面會防止結晶粘于表面，因此它們會被從混合 裝置沖掉。
3. 該混合裝置或者至少其部分被加熱，以使尿素結晶熔解，從而通過該 混合裝置的流體流動就可以將其沖掉。
4. 混合室的尿素入口和空氣入口可設置為，使尿素將沖洗空氣入口周圍 的區域，以致使可能形成的尿素結晶將被浸透，并且因此溶解而被沖洗掉。
下面詳細公開包括這些特征中的 一個或多個特征的不同的實施例。 在圖2中，示出了本發明的混合裝置1的第一個實施例。混合裝置1包括 外殼2。外殼2作為一個單獨的整體部件示出，但也可包括一些零件，如圖6 所示。混合裝置1還包括兩個入口 一個引進尿素的入口 IO和一個將壓縮空
氣引進混合室的入口 12。該混合裝置還包括出口 14，空氣和尿素的混合物通 過該出口離開混合室并進入排氣系統。
在該混合裝置內設置有兩個閥； 一個用于控制尿素流的閥16，和一個用 于控制氣流進入混合室20的閥18。該混合裝置設計成當閥18被加壓時，閥 18會產生往復運動，從而破壞至少在空氣進入混合室的閥附近可能已產生的 任何結晶。閥16被故意布置在引入空氣的位置的上游。這樣布置的原因在于 在一些結晶已經產生的情況下，濕尿素流體將有溶解這些形成的結晶的趨勢。 因此根據圖2的混合裝置通過兩個方法，即通過閥18的往復運動產生的振動 和在空氣被引進尿素流的位置的下游位置，來防止會堵塞閥和/或混合室的結 晶沉積。
在下面本發明可選擇實施例的描述中，相同的參照符號用于相同的部件， 盡管細節會有所不同。
在圖3A-B中，揭示了混合裝置1的第二個實施例。該混合裝置包括含有 混合室20的外殼2。該外殼2作為單獨的整體部件顯示，但也可包括幾個零 件，如圖6所示。
尿素入口 IO設置在混合裝置1上，以從尿素容器(未示出)將尿素供應 至混合室。相應地，空氣入口 12設置在混合裝置1上，以從壓縮源(未示出) 向混合室20提供壓縮空氣。閥16優選布置在開向混合室的尿素入口 10。這 個實施例的尿素入口 IO相對于混合室20布置在中心。混合室一般優選為圓柱 形，并設置成，圓柱形的混合室20的縱軸線基本上是水平布置的。
出口 14設置成離開混合室用來將混合室20連接至排氣管，以便于從混合 裝置1向內燃機的排氣裝置供應尿素/空氣的混合物。空氣入口 12和出口 14 優選設置成其正相反地位于圓柱形混合室20的壁上，并且使空氣入口位于壁 的上部，出口14位于壁的下側。空氣入口 12設置于室20的頂部，將減少在 入口 12區域的結晶的堆積。
空氣入口 12設置成使進入混合室20的空氣在混合室20內被迫形成氣旋 運動，以提高清洗效果。這是由設置至少一個空氣入口通道來獲得，入口 12 的縱向軸設置成基本與混合室20的圓柱形壁成切線，如可以在圖3B中體會 到的。混合室內氣體的氣旋運動會減少混合室20內結晶生成的可能性，因為
其將使潮濕的尿素沖洗整個混合室，以致潛在的結晶形成將被浸透(并因此溶 解)，并被機械地沖走。
空氣入口 12和混合室20的整個內壁或者可選擇性的部分優選由不粘材料 形成或覆蓋，例如聚四氟乙烯(PTFE)。這樣減少了結晶形成的危險。
因為混合物出口 14位于混合室20的下部，所以在尿素入口閥16前面的 形成混合室20的腔室被排干，以致當關閉發動機并且不需向排氣裝置添加尿 素混合物時，結晶生成物的存在就會遠離空氣入口 12。
圖4揭示了第三個實施例。同樣，在這個實施例中混合裝置1包括分別輸 入尿素和空氣的兩個入口 10和12, —個排出混合的尿素和空氣的出口 14,和 一個設置在外殼2內的混合室20。如圖2和3所示，外殼2表示為一個單獨 的整體部件，但可以由幾個零件組成，如圖10所示。
混合裝置1也包括分別傳輸尿素和空氣的兩個閥16和18。閥門16可以 是一個常規的閥，而閥18被設計成防止或者限制結晶的增長。閥18包括扁 平元件18a，在扁平元件18a的中心具有小滲透口或孔19。當入口 12的壓力 低于一個^見定極限時，扁平元件18就靠在鄰接元件18b上。當入口 12的壓力 超過規定壓力時，扁平元件18會向外彎曲，從而使提供在其中心的小滲透口 將會揭開，以使氣流通過該小滲透口。在圖4中，顯示了扁平元件18a緊靠在 鄰接元件18b的位置上，例如在空氣入口 12處的壓力低于上面提到的極限的 位置。
扁平元件18a可以圓盤形，并且最好是很薄的，比如大約O.lmm，以減少 在孔19內的形成結晶的危險，因為由于在口/孔19內小的厚度而沒有提供用 于生成結晶的固體表面。響應于壓力的變化的扁平元件的彎曲會松散扁平元件 上的結晶組織。扁平元件優選由不銹鋼薄板沖壓并沖孔。它可用不粘材料覆蓋， 例如聚四氟乙烯(Teflon )，或者不用覆蓋。
如果結晶組織堵塞孔洞19,那么在扁平元件18a上就會產生壓力差，直 到扁平元件18a的彎曲發生為止，這樣使結晶組織松散，從而使結晶能被沖洗 掉。
扁平元件18a會發生變形，以致在一個元件上的壓力差時它會打開，在另 一個不同的較底的壓力差時其會關閉，比如其在1.3巴時打開，在0.8巴時關
閉。因此，可以知道，由于扁平元件18a上的壓力壓力差的變化，扁平元件 18a不會一直打開和關閉，其將會由于從壓力源傳送的壓力的波動和由于例如 發動機的狀態引起的扁平元件的排放管側上的壓力波動而自然發生。
尿素入口 10優選i殳置于混合室20的頂部，在混合室20的空氣入口 12的 上面，以使尿素由于重力會流過空氣入口 12，這樣就可以浸透并溶解在扁平 元件18a上產生的結晶。
形成混合室20的腔室因為混合物出口 14位于混合室20的下部而被排空， 以使當發動機關閉并且不再需要向排放裝置添加尿素混合物時，結晶生成物存 在就會遠離空氣入口 12。
權利要求
1.用于將尿素和氣體混合的混合裝置，所述尿素優選溶解在最好是水的流體中，并且所述氣體優選是空氣，所述裝置包括分別將尿素和氣體輸入混合裝置的混合室的尿素入口和氣體入口，和用于從混合室排出尿素和氣體混合物的出口，其中至少將空氣輸入混合室的氣體入口設計成避免在所述入口的選定的表面上的尿素結晶的沉積和/或在混合裝置使用過程中從表面上去除在所述表面上沉積的結晶。
2. 根據權利要求1的混合裝置，還包括在所述氣體入口的閥。
3. 根據權利要求2的混合裝置，其中，在氣體入口的選定的表面上結晶 的去除通過包括在氣體入口內的閥提供，所述閥用于執行往復運動，以便于松 散沉積在混合裝置內的尿素結晶，并且特別是沉積在和/或在通向混合室的閥 的出口附近的結晶。
4. 根據權利要求2或3的混合裝置，其中所述閥包括通過彈力裝置偏壓 于閥座上的活塞，以便當閥上的壓力差超過預選的極限時，閥打開以使氣流進 入混合室。
5. 根據權利要求4的混合裝置，其中所述彈力裝置用于當氣體流過岡時 引起活塞的往復運動，以使活塞接連地坐落于閥座和離開閥座。
6. 根據權利要求2的混合裝置，其中所述岡包括帶有滲透口的扁平元件，， 當該扁平元件上的壓力差低于第一預選極限時，所述扁平元件在滲透口的附近 緊靠入口內的上游元件，從而提供氣體入口的密封；其中當所述扁平元件上的 壓力差高于第二預選極限時，所述扁平元件不緊靠上游元件，從而使空氣通過 滲透口流入混合室。
7. 根據權利要求6的混合裝置，其中，所述扁平元件用于當氣體流經滲 透口時，產生朝向上游元件的往復運動，以使扁平元件接連地坐落于上游元件 和離開上游元件。
8. 根據前述權利要求中任一項的混合裝置，其中所述氣體入口在尿素入 口延伸進混合室的位置的下游延伸進混合室。
9. 根據前述權利要求中任一項的混合裝置，其中至少氣體入口表面的部分是光滑的和/或者是不粘的，以便避免結晶在其上沉積。
10. 根據權利要求9的混合裝置，其中所述光滑通過磨光和/或涂覆提供。
11. 根據權利要求IO的混合裝置，其中涂覆是聚四氟乙烯涂層(PTFE)的形式，或者至少裝置的一部分是由聚四氟乙烯(PTFE)制成。
12. 根據權利要求9-11中任一項的混合裝置，其中光滑的表面部分是流入混合室的孔。
13. 根據權利要求12的混合裝置，其中孔將氣流導入混合室，從而產生或增強渦流。
14. 根據前面任一項權利要求的混合裝置，其中至少所述混合室表面的一部分是光滑的和/或是不粘的，以便于避免結晶在其上沉積。
15. 根據前面任一項權利要求的混合裝置，還包括加熱裝置，用于將至少氣體入口的一部分和/或部分混合室的一部分加熱到132℃ 以上的溫度，優選是 140℃ 以上，并且特別要加熱到尿素結晶熔點以上；其中加熱裝置優選用于永 久或周期性加熱。
16. 根據權利要求15的混合裝置，其中所述加熱裝置用于加熱氣體入口延伸進入混合室的區域。
17. 根據權利要求15或16的混合裝置，其中所述加熱裝置包括當加載電流時產生熱量的電子元件。
18. 根據權利要求17的混合裝置，其中所述加熱裝置包括PTC元件。
19. 根據前面任一項權利要求的混合裝置，還包括用于計量溶解的尿素并將溶解的尿素泵送到尿素入口的計量泵。
20. 根據前面任一項權利要求的混合裝置，還包括用于向氣體入口供應壓縮氣體的氣源。
21. —種發動機，包括權利要求19或20的混合裝置，其中所述混合裝置的出口連接到發動機的排放系統。
22. 根據權利要求21的發動機，其中所述發動機是柴油機。
23. 根據權利要求21或者22的發動機，還包括一個測量和控制裝置，所述測量和控制裝置測量與該發動機產生的動力有關的發動機的性能，比如廢氣的溫度、RPM和/或燃料消耗量，并且其中測量和控制裝置決定添加到廢氣中的尿素量并相應地控制計量泵。
24. —種車輛，包括權利要求21-23中任一項的發動機。
25. 根據權利要求24的車輛，其中所述氣源是不僅向混合室提供壓縮空 氣的空氣壓縮機。
全文摘要
本發明提供了一種將氣體混合尿素的混合裝置(1)，所述尿素優選溶解在最好是水的流體中，并且所述氣體優選是空氣。混合裝置優選包括分別將尿素和氣體輸入混合裝置(1)的混合室(20)的尿素入口(10)和氣體入口(12)，和用于從混合室(20)排出尿素和氣體混合物的出口(14)；這些入口(10，12)和出口(14)可以優選擁有一個流動式擴張(astreamwiseextension)并且優選延伸進入混合室(20)，以及從混合室(20)優選起始的出口(14)。優選地，至少用于提供空氣進入混合室的氣體入口(12)設計成在所述入口的被選擇的表面上的尿素結晶的沉積基本(通常在沉積的結晶不堵塞入口的意義上)或全部被避免。
文檔編號F01N3/20GK101203664SQ200680016528
公開日2008年6月18日 申請日期2006年4月10日 優先權日2005年4月13日
發明者卡里姆·林貝爾, 尼爾斯·托爾普·馬森, 尼爾斯·斯圖巴格·基默爾, 斯蒂恩·卡勒, 漢斯·亨里克·約胡姆森, 湯姆·約翰森, 賈納斯·尤爾·拉斯穆森, 馬丁·埃布羅·克里斯坦森 申請人:格蘭富Nonox公司