選擇性催化還原系統中的收縮型液體還原劑噴射器噴嘴的制作方法

本申請要求于2016年8月7日提交的美國臨時專利申請第62/201,337號的優先權，并且出于所有目的通過引用將其內容并入本文。

技術領域

本發明一般涉及用于內燃發動機的后處理系統的領域。

背景技術：

對于內燃發動機，諸如柴油機，氮氧化物(NOx)化合物可能在排氣中排出。為了減少NOx排放物，可以實施選擇性催化還原(SCR)過程以在催化劑和還原劑的協助下將NOx化合物轉化成更中性的化合物，如雙原子氮、水或二氧化碳。催化劑可以包含在排氣系統的催化劑室中，諸如交通工具或發電單元的排氣系統的催化室中。諸如無水氨、氨水、或尿素溶液的還原劑通常在催化劑室之前引入到排氣流中。為了將還原劑引入到排氣流中以用于SCR過程，SCR系統可以通過將還原劑蒸發或噴灑到催化劑室的上游的排氣系統的排氣管中的定量供給模塊定量供給還原劑或以其它方式引入還原劑。SCR系統可包括一個或多個傳感器以監測排氣系統內的狀況。

概述

本文所描述的實施方式涉及具有收縮區段的液體還原劑噴射器噴嘴。本文所描述的液體還原劑噴射器噴嘴能夠將液體還原劑引入到包含污染物的排氣流中，以便當施加指定的壓差時，產生具有高的部分到部分(part-to-part)和循環到循環(circle-to-circle)的重復性的良好的霧化噴霧。

一個實施方式涉及包括第一部分和第二部分的液體還原劑噴射器噴嘴，第一部分界定中空圓柱形靜態室，第二部分界定中空截頭圓錐形收縮區段和排出孔口。中空圓柱形靜態室與還原劑源在還原劑接收方面連通，并且具有第一開口和第二開口。第二開口在第一開口的下游。中空截頭圓錐形收縮區段與中空圓柱形靜態室和排出孔口流體連通以排出從還原劑源接收的還原劑。中空截頭圓錐形收縮區段經由第二開口與中空圓柱形靜態室在還原劑接收方面連通。中空圓柱形靜態室的側壁和截頭圓錐形收縮區段的截頭錐體側界定液體還原劑噴射器噴嘴相對于第二開口的平面的收縮角。

在一些實施方式中，液體還原劑噴射器噴嘴包括在靜態室的上游并且經由液體輸送通道與靜態室流體連通的中央入口區段。在一些實施方式中，中空圓柱形靜態室的直徑是500微米或更小。在一些實施方式中，收縮角在5度和90度之間，包含15度。在一些實施方式中，排出孔口具有200微米或更小的直徑。在一些實施方式中，中空圓柱形靜態室的第一開口是圓形的。在一些實施方式中，中空圓柱形靜態室的第二開口是圓形的。在一些實施方式中，第一開口和第二開口具有相等的直徑。在一些實施方式中，排出孔口是尖銳邊緣型的。

另一個實施方式涉及包括第一部分、第二部分和第三部分的液體催化劑噴射器噴嘴，第一部分界定兩個或更多個中空圓柱形靜態室，第二部分界定兩個或更多個中空截頭圓錐形收縮區段，第三部分界定中央入口區段和兩個或更多個液體輸送通道。兩個或更多個中空圓柱形靜態室中的每一個與液體輸送通道在還原劑接收方面連通。第一部分界定兩個或更多個中空圓柱形靜態室中的每一個的第一開口和兩個或更多個中空圓柱形靜態室中的每一個的第二開口。每個第二開口在每個對應的第一開口的下游。兩個或更多個中空截頭圓錐形收縮區段各自與兩個或更多個中空圓柱形靜態室的對應的中空圓柱形靜態室流體連通。兩個或更多個中空截頭圓錐形收縮區段還各自與對應的排出孔口流體連通以排出從還原劑源接收的還原劑。每個中空截頭圓錐形收縮區段與對應的中空圓柱形靜態室的第二開口在還原劑接收方面連通。中央入口區段在第一部分的上游并且與還原劑源在還原劑接收方面連通。兩個或更多個液體輸送通道中的每一個在第一端部處與中央入口區段流體連通，并且在第二端部處與兩個或更多個中空圓柱形靜態室中的對應的中空圓柱形靜態室流體連通。兩個或更多個中空圓柱形靜態室中的每一個的側壁和兩個或更多個截頭圓錐形收縮區段中的每一個的截頭錐體側界定液體還原劑噴射器噴嘴相對于第二圓形開口的平面的收縮角。

在一些實施方式中，每個中空圓柱形靜態室的直徑是500微米或更小。在一些實施方式中，收縮角中的每一個在15度和90度之間，包含15度。在一些實施方式中，排出孔口中的每一個具有200微米或更小的直徑。在一些實施方式中，每個中空圓柱形靜態室的第一開口是圓形的。在一些實施方式中，每個中空圓柱形靜態室的第二開口是圓形的。在一些實施方式中，每個中空圓柱形靜態室的第一開口和第二開口具有相等的直徑。在一些實施方式中，排出孔口是尖銳邊緣型的。

另一個實施方式涉及包括還原劑源、分解室、定量供給器(doser)和液體還原劑噴射器噴嘴的裝置。分解室構造成將來自還原劑源的還原劑轉變成氨。定量供給器與還原劑源在還原劑接收方面連通。液體還原劑噴射器噴嘴與定量供給器在還原劑接收方面連通。液體還原劑噴射器噴嘴定位成為分解室提供還原劑。液體還原劑噴射器噴嘴包括界定中空圓柱形靜態室的第一部分，第一部分界定中空圓柱形靜態室的第一開口和中空圓柱形靜態室的第二開口，第二開口在第一開口的下游。液體還原劑噴射器噴嘴還包括界定中空截頭圓錐形收縮區段的第二部分，中空截頭圓錐形收縮區段與中空圓柱形靜態室和排出孔口流體連通以將還原劑排到分解室，中空截頭圓錐形收縮區段經由第二圓形開口與中空圓柱形靜態室在還原劑接收方面連通。中空圓柱形靜態室的側壁和截頭圓錐形收縮區段的截頭錐體側界定液體還原劑噴射器噴嘴相對于第二圓形開口的平面的收縮角。在一些實施方式中，第一開口和第二開口具有相等的直徑。排出孔口可以是尖銳邊緣型的。

附圖簡要描述

在附圖和以下描述中闡述了一個或多個實施方式的細節。根據描述、附圖以及權利要求，本公開的其它特征、方面和優點將變得明顯，在附圖中：

圖1是示例性選擇性催化還原系統的示意性框圖，該選擇性催化還原系統具有用于排氣系統的示例性還原劑輸送系統；

圖2是液體還原劑噴射噴嘴的橫截面圖；

圖3是圖2的液體還原劑噴射噴嘴的靜態室和收縮區段的三維視圖；以及

圖4是多室液體還原劑噴射噴嘴的自頂向下的橫截面圖。

應該意識到的是，為了說明的目的，一些附圖或全部附圖是示意性表示。為了說明一個或多個實現方式提供了附圖，其中要明確理解的是，這些附圖將不用于限制權利要求的范圍或含義。

詳細描述

下文是與具有收縮區段的液體還原劑噴射器噴嘴的方法、裝置和系統相關的多種概念及具有收縮區段的液體還原劑噴射器噴嘴的方法、裝置和系統的實施方式的更詳細地描述。上文所引入的以及在下文更詳細討論的各種概念可以以多種方式中的任何一種方式實施，因為所公開的概念并不限于任何特定的實施方式。提供具體實施方式和應用的示例主要用于說明的目的。

I.綜述

在許多移動式SCR系統中，諸如尿素水溶液(DEF)的液體還原劑在SCR催化器(SCR catalyst)的上游被注入。液體還原劑微滴然后經歷蒸發、熱分解以及水解過程以形成氣態氨，氣態氨有助于將存在于發動機排氣中的有害的氮氧化物化學地還原成較少危害的化合物。SCR催化器用于執行NOx還原過程。本公開涉及液體還原劑噴射器噴嘴設計，當施加指定的壓差時，該液體還原劑噴射器噴嘴產生具有高的部分到部分和循環到循環的重復性的良好的霧化噴霧。

在一些示例中，液體還原劑噴射器噴嘴僅具有直區段，意味著該區段的直徑從上游至下游是恒定的。然而，僅具有直區段的噴嘴沒有加速液體以增強初始霧化。此外，由于正排出的液體的成角度的動量，因此充足的靜態室的缺少引起噴射不對稱。在其它示例中，液體還原劑噴射器噴嘴在排出孔口的上游具有漸擴的區段。然而，具有在排出孔口的上游的漸擴區段的噴嘴產生不利的壓力梯度，導致驅動霧化的壓差降低。此外，這些噴嘴可產生再循環區，導致噴霧碰壁以及隨后固體沉積形成且部分到部分或循環到循環的變化性增加。

本文所描述的實施方式涉及具有收縮區段的液體還原劑噴射器噴嘴，意味著區段的直徑在下游比在其在上游小。本文所描述的液體還原劑噴射器噴嘴能夠將液體還原劑引入到包含污染物的排氣流中，以便當施加指定的壓差時，產生具有高的部分到部分和循環到循環的重復性的良好的霧化噴霧。該能力極大地提高了噴射參數以及因而提高了SCR系統的脫NOx(deNOx)效率，同時降低了形成固體沉積的可能性，并且維持足夠的機械強度以當其暴露到低溫時承受來自液體還原劑的凝固或凍結的壓力增加。

一個實施方式涉及由靜態室組成的液體還原劑噴射器噴嘴，靜態室流體連接到收縮區段，收縮區段進而流體連接到具有尖銳邊緣的排出孔口。來自還原劑源的液體還原劑進入靜態室并且穿過收縮區段向下游流動，并且然后作為良好的霧化噴霧穿過排出孔口排到排氣流中。收縮區段的添加產生了壓力能到動能的有效轉化，有助于初始霧化，以及產生了具有低的部分到部分或循環到循環的變化性的良好的霧化噴霧。包括收縮區段還有助于維持排出孔口的耐用性且有助于緩解沉積。

在一些實施方式中，液體還原劑噴射器噴嘴是多室液體還原劑噴射器噴嘴。該多室液體還原劑噴射器噴嘴由入口區段組成，該入口區段流體連接到多個靜態室，多個靜態室中的每一個流體連接到對應的收縮區段，這些收縮區段進而流體連接到對應的具有尖銳邊緣的排出孔口。來自還原劑源的液體還原劑進入入口區段并且向下游流入多個靜態室中的每一個中，并且然后流入收縮區段中的每一個中，以及然后以良好的霧化噴霧穿過排出孔口排到排氣流中。收縮區段的添加產生了壓力能到動能的有效轉化，有助于初始霧化，以及產生了具有低的部分到部分或循環到循環的變化性的良好的霧化噴霧。包括收縮區段還有助于維持排出孔口的耐用性且有助于緩解沉積。

II.后處理系統的綜述

圖1描繪了后處理系統100，其具有用于排氣系統190的示例性還原劑輸送系統110。后處理系統100包括柴油顆粒過濾器(DPF)102、還原劑輸送系統110、分解室或反應器104、SCR催化器106、以及傳感器150。

DPF 102構造成從在排氣系統190中流動的排氣中去除顆粒物質，諸如煙塵。DPF 102包括進口和出口，在進口處接收排氣，在大體上從排氣中濾除顆粒物質后和/或將顆粒物質轉化成二氧化碳后，排氣從出口排出。在一些實施方式中，可以省略DPF 102。

分解室104構造成將諸如尿素或柴油機排氣處理液(DEF)的還原劑轉化成氨。分解室104包括具有定量供給器或定量供給模塊112的還原劑輸送系統110，定量供給器或定量供給模塊112構造成將還原劑定量供給到分解室104中(例如，經由噴射器，諸如下文所描述的噴射噴嘴結構)。在一些實施方式中，還原劑在SCR催化器106的上游被注入。還原劑微滴然后經歷蒸發、熱分解以及水解過程以在排氣系統190內形成氣態氨。分解室104包括與DPF 102流體連通以接收包含NOx排放物的排氣的進口和用于排氣、NOx排放物、氨、和/或剩余的還原劑流動到SCR催化器106的出口。

分解室104包括定量供給模塊112，定量供給模塊112安裝到分解室104，使得定量供給模塊112可以將還原劑定量供給到在排氣系統190中流動的排氣中。定量供給模塊112可以包括絕緣體114，絕緣體114置于定量供給模塊112的一部分和分解室104的安裝有定量供給模塊112的該部分之間。定量供給模塊112流體聯接到一個或多個還原劑源116。在一些實施方式中，泵118可用于對來自還原劑源116的還原劑加壓以便輸送到定量供給模塊112。

定量供給模塊112和泵118還電氣地或通信地聯接到控制器120。控制器120構造成控制定量供給模塊112以將還原劑定量供給到分解室104中。控制器120還構造成控制泵118。控制器120可以包括微處理器、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)等、或其組合。控制器120可以包括存儲器，該存儲器可以包括但不限于電子存儲器、光存儲器、磁存儲器或能夠為處理器、ASIC、FPGA等提供程序指令的任何其它儲存設備或傳輸設備。存儲器可以包括存儲器芯片、電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)、可擦可編程只讀存儲器(EPROM)、快閃存儲器、或控制器120可以從其讀取指令的任何其它合適的存儲器。指令可以包括從任何合適的編程語言產生的代碼。

SCR催化器106構造成通過加速氨和排氣的NOx之間的NOx還原過程幫助將NOx排放物還原成雙原子氮、水和/或二氧化碳。SCR催化器106包括與分解室104流體流通的進口，以及與排氣系統190的端部流體連通的出口，從該進口接收排氣和還原劑。

排氣系統190還可以包括與排氣系統190流體流通的柴油機氧化催化器(DOC)(例如，在SCR催化器106的下游或在DPF 102的上游)，以氧化排氣中的碳氫化合物和一氧化碳。

在一些實施方式中，DPF 102可以定位在分解室或反應器管104的下游。例如，DPF 102和SCR催化器106可以組合成單一的單元。在一些實施方式中，定量供給模塊112可以替代地定位在渦輪增壓器的下游或渦輪增壓器的上游。

傳感器150可以聯接到排氣系統190以檢測流經排氣系統190的排氣的狀況。在一些實施方式中，傳感器150可以具有布置在排氣系統190內的一部分，比如傳感器150的尖端可以延伸到排氣系統190的一部分中。在其它實施方式中，傳感器150可以通過另一個導管(諸如從排氣系統190延伸的一個或多個樣品管)接收排氣。雖然傳感器150被描繪為定位在SCR催化器106的下游，但應該理解的是，傳感器150可以定位在排氣系統190的任何其它位置，包括DPF 102的上游、DPF 102內、DPF 102和分解室104之間、分解室104內、分解室104和SCR催化器106之間、SCR催化器106內、或SCR催化器106的下游。另外，兩個或多個傳感器150可用于檢測排氣的狀況，諸如兩個、三個、四個、五個或六個傳感器150，其中每個傳感器150位于排氣系統190的前述位置中的一個位置處。

III.示例性液體還原劑噴射噴嘴

圖2描繪了液體還原劑噴射噴嘴200的橫截面圖。圖3描繪了相同的液體還原劑噴射噴嘴200的三維視圖。液體還原劑噴射噴嘴200包括界定中空圓柱形靜態室202的第一部分204、界定中空截頭圓錐形收縮區段206的第二部分208、以及尖銳邊緣型排出孔口210(即，排出孔口具有在其內周表面處的尖銳邊緣)。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。

中空圓柱形靜態室202與中空截頭圓錐形收縮區段206流體連通，中空截頭圓錐形收縮區段206進而與尖銳邊緣型排出孔口210流體連通。具有尖銳邊緣的排出孔口210的直徑可具有200μm的直徑，包含或小于200μm的直徑。

靜態室202構造成在第一圓形開口220處經由定量供給器接收來自還原劑源116的液體還原劑224。第一圓形開口220的直徑可以是從200μm(包含200μm)到2000μm(包含2000μm)。液體還原劑224的速度在靜態室202中減小。當液體還原劑224向下游移動穿過第二圓形開口222并且進入收縮區段206時，液體還原劑224在第二環形開口222和排出孔口210之間受到限制并且逐漸加速至較大的速度。最終，加速的液體還原劑224穿過排出孔口210的中心排到排氣流226中，其中其液體壓力明顯下降(5巴表壓值或更高)并且液體還原劑224變得霧化成小微滴。在排出孔口210的下游，液體還原劑224的微滴表現為自由的射流，自由的射流最小化了液體還原劑224經過再循環、沖擊或凝聚與第一部分204或第二部分208的外部的不期望的接觸。

在特定的實施方式中，靜態室202具有小于2毫米的直徑，更具體地具有500微米或更小的直徑，而排出孔口210具有小于250微米的直徑，更具體地具有200微米或更小的直徑。靜態室202的深度低于500微米。收縮區段206的長度小于1000微米。在收縮區段206中在界定第二圓形開口222的平面和收縮區段206的側壁208之間測量的收縮角212在15度(包含15度)和90度之間，更具體地85度或低于85度。液體還原劑224可以是尿素水溶液。排氣流226可包含污染氣體，比如氮的氧化物。

IV.示例性多室液體還原劑噴射噴嘴

圖4描繪了多室液體還原劑噴射噴嘴400的自頂向下的橫截面圖。多室液體還原劑噴射噴嘴400包括界定中央入口區段414和多個液體輸送通道430的第三部分402。在一些實施方式中，液體輸送通道430相對于中央入口區段414等角度地間隔開。例如，圖4中示出的三個液體輸送通道430可以彼此間隔120度。

液體輸送通道430中的每一個在中空圓柱形靜態室202的相應的第一圓柱形開口220處終止，如圖2中所示。雖然圖4描繪了具有三個液體輸送通道430的多室液體還原劑噴射噴嘴400，但是多室液體還原劑噴射噴嘴400可具有任何數量的液體輸送通道430(每個都對應一個中空圓柱形靜態室202、一個中空截頭圓錐形收縮區段206和一個尖銳邊緣型排出孔口210)，諸如兩個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個等等。

中央入口區段414與多個液體輸送通道430流體連通。每個液體輸送通道430與相應的中空圓柱形靜態室202流體連通，中空圓柱形靜態室202進而與相應的中空截頭圓錐形收縮區段206流體連通，中空截頭圓錐形收縮區段206進而與相應的尖銳邊緣型排出孔口210流體連通。因而，這形成了具有相等數量的多個室、收縮區段和排出孔口的噴嘴。

中央入口區段414構造成接收來自還原劑源218的液體還原劑224。液體還原劑224從中央入口區段414穿過液體輸送通道430向下游移動到每個靜態室202，從而在其第一圓形開口220處進入每個靜態室202。液體還原劑224的速度在靜態室202中降低。當液體還原劑224向下游移動穿過第二圓形開口222并且進入收縮區段206時，液體還原劑224在第二圓形開口222和排出孔口210之間受到限制并且以最小壓力損失逐漸加速至較高的速度。最終，加速的液體還原劑224穿過排出孔口210的中心排到排氣流226中，其中其液體壓力明顯下降(5巴表壓值或更高)并且液體還原劑224變得霧化成小微滴。在排出孔口210的下游，液體還原劑224的微滴表現為自由的射流，該自由的射流最小化了液體還原劑224經過再循環、沖擊或凝聚與第一部分204或第二部分208的外部的不期望的接觸。

在特定的實施方式中，靜態室202具有小于2毫米的直徑，更具體地具有500微米或更小的直徑，而排出孔口210具有小于250微米的直徑，更具體地具有200微米或更小的直徑。靜態室202的深度小于500微米。收縮區段206的長度小于1000微米。在收縮區段206中在界定第二圓形開口222的平面和收縮區段206的側壁208之間測量的收縮角212在15度(包含15度)和90度之間，更具體地為85度或低于85度。液體還原劑224可以是尿素水溶液。排氣流226可包含污染氣體，比如氮的氧化物。

雖然本說明書包含很多具體的實施細節，但這些不應該理解為是對可要求保護的范圍的限制，而應該理解為是對針對特定實施方式的特征的描述。本說明書中在單獨的實施方式的背景中所描述的某些特征還可以以組合的形式在單個實施方式中實施。相反地，單個實施方式的背景中所描述的各個特征也可以在多個實施方式中單獨地實現或以任何合適的子組合實現。此外，雖然在上文可以將特征描述為以一定的組合起作用并且甚至最初要求如此保護，但是來自所要求保護的組合的一個或多個特征在一些情況中可以從組合中刪除并且所要求保護的組合可以涉及子組合或子組合的變形。

如本文所使用的，術語“大體上”、“近似”以及類似的術語意在具有與本公開的主題所屬領域中的普通技術人員普遍和可接受的用法一致的廣泛的意義。查閱本公開的本領域的技術人員應當理解，這些術語意在允許對所描述的和所要求保護的某些特征進行描述而沒有將這些特征的范圍限制到所提供的精確的數值范圍。因此，這些術語應該解釋為表明所描述和所要求保護的本主題的非實質性或非重要的修改或變化被認為處在如所附權利要求所陳述的本發明的范圍內。

術語“聯接”、“連接”以及本文中所使用的類似術語意味著兩個部件彼此直接或間接地連接。這樣的結合可以是固定的(例如，永久性的)或可移動的(例如，可移除的或可釋放的)。這樣的結合可以利用彼此一體地形成單個整體式主體的兩個部件或兩個部件和任何附加的中間部件來實現，或利用彼此附接的兩個部件或兩個部件和任何附加的中間部件來實現。

術語“流體聯接”、“流體連通”以及本文中所使用的類似術語意味著兩個部件或對象具有在兩個部件或對象之間形成的通路，在該通路中，流體(諸如水、空氣、氣態還原劑、氣態氨等)可以利用或者不利用介入部件或對象而流動。使流體連通成為可能的流體聯接件或流體構造的示例可包括管路、通道或能夠使流體從一個部件或對象流動到另一個的任何其它合適的部件。

重要的是要注意，在各個示例性實施方式中示出的系統的構造和布置在特性上僅是說明性的而非限制性的。期望保護在所描述實施方式的精神和/或范圍內的所有變化和修改。應該理解的是，一些特征可能不是必需的并且缺少各個特征的實施方式可被設想為處在本申請的范圍內，該范圍由以下權利要求界定。當語言“一部分”被使用時，該項可以包括一部分和/或整個項，除非特別地聲明與此相反。