CN101563528B - 适于布置在燃烧发动机的排气系统中的筒装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适于布置在燃烧发动机的排气系统中的筒装置。所述筒装置包括外壳(1)、被所述外壳(1)包围的管状元件和用于引导废气通过所述筒装置的排气道。所述排气道包括位于管状元件(4)外部的第一排气通道(14)、位于管状元件(4)内部的第二排气通道(15)和适于将废气从第一排气通道(14)径向向内地导入第二排气通道(15)中的螺旋形排气通道(13)。所述筒装置包括装配在径向地位于螺旋形排气通道(13)外部的区域(24)中的第一引导元件(21)，以使得从螺旋形排气通道(13)的出口孔(13b)中流出的废气在它们被导入到第二排气通道(15)中之前至少部分地围绕所述引导元件(21)被引导。
Description
技术领域
本发明涉及一种适于布置在用于燃烧发动机(内燃机)的排气系统中的筒(container)装置。
背景技术
对于从柴油机驱动的车辆排出的排放物来说，正设定越来越严格的要求。为了能够满足所述要求，由柴油发动机驱动的车辆的排气系统安装有特别地减少氮氧化物量的催化净化器和减少废气中碳烟颗粒量的颗粒过滤器。这种废气净化部件主要起低通过滤器的作用。这意味着作为排气噪声主要部分的低频噪声几乎无抑制地通过所述废气净化部件。因此，有必要为排气系统提供用于抵偿排气系统中由颗粒过滤器和催化净化器所占据的范围的另外的噪音抑制范围。
WO 2004/033866涉及一种适于布置在燃烧发动机的排气系统中的筒装置。所述筒装置包括外壳、被所述外壳包围的管状元件和用于引导废气通过所述筒装置的排气道。排气道包括位于管状元件外部的第一排气通道、位于管状元件内部的第二排气通道和适于在第一排气通道和第二排气通道之间引导废气的两个螺旋形排气通道。这种筒装置具有长排气通道并因此特别对于低频噪声具有良好的噪音抑制特性，并且同时结构紧凑。引导废气通过筒装置的排气道被设置为使得废气在它们被引导通过筒装置时受到相对低的流动损失。排气道中的流动损失主要发生在废气从螺旋形排气通道中导出的位置和被导入到螺旋形排气通道的位置处。
发明内容
本发明的目的是提供一种筒装置，其被构造成使其具有良好的噪音抑制特性并且占据较小的空间，并且同时使流过所述筒装置的废气受到很低的流动损失。
利用前序部分中提及的筒装置实现上述目的，所述筒装置的特征在于权利要求1的特征部分所指出的特征。因此，排气道包括布置在管状元件外部的第一排气通道、布置在所述管状元件内部的第二排气通道和适于将废气从第一排气通道引导到第二排气通道的螺旋形排气通道。这种双向排气道使得可以获得结构非常紧凑的筒装置。排气道在此可以具有足够的长度以提供良好的低频噪声抑制。在按多个方向引导废气流的排气道中，在废气流改变方向的区域中避免高流阻是很重要的。所提及类型的排气道中的高流阻通常出现在废气被导出螺旋形排气通道和被导入第二排气通道的区域中。离开螺旋形排气通道的废气通常在其被导入到第二排气通道中之前形成涡流。在这种涡流的中心处，通常存在引起相当大的流动损失的负压。根据本发明，在所述区域中安装第一引导元件，以使其基本上占据当涡转的废气离开螺旋形排气通道时局部负压通常出现的区域的部分。因此，可以基本上完全阻止在所述区域中这种局部负压的出现。因此，较大程度地减少了所述区域中废气的流动损失。
根据本发明的优选实施方式，第一引导元件具有限定出所述路径的环形周缘。这种引导元件没有当废气沿着所述路径流动时可能导致所述废气产生流动损失的边缘或凸出部分。涡流中心负压产生的区域可能大约具有大致环形的周缘。因此，相应的环形引导元件可以按大致最佳的方式填充所述区域。有利地，第一引导元件具有至少一个带有朝第二排气通道逐渐缩小的周缘的部分。具有按该方式构造的外表面的引导元件可使得排气道朝第二排气通道逐渐变宽，从而便于废气从所述路径向第二排气通道的传送。第一引导元件可以具有圆锥形状，使得可以大致从围绕所述路径的每个点向第二排气通道大致均匀地传送废气。
根据本发明的另一优选实施方式，筒装置包括适于阻断所述路径并且阻止废气在特定距离之后沿所述路径进一步流动的第二引导元件。这种引导元件可以具有横向跨过所述路径以使得没有废气能通过的尺寸。因此，通过所述第二引导元件将所述路径中的其余废气引入第二排气通道中。有利地，第二引导元件适于在废气已经围绕第一引导元件大致环形地流动一圈之后阻止所述废气沿所述路径的流动。因此，已经在路径中环形地流动了一圈的其余废气被阻止与被导入所述路径中的废气汇合。这种第二引导元件可以进一步减少废气在所述区域中的流动损失。
根据本发明的另一优选实施方式，第三引导元件被布置在螺旋形排气通道的进口孔处，以便将废气导入所述螺旋形排气通道中。在所述区域中，废气还受到不可忽略的流动损失。靠近所述进口处的合适地设定形状的引导元件使得废气可以被导入到螺旋形排气通道中而仅有很大程度上被减小的流动损失。第三引导元件可以包括将废气导入螺旋形排气通道中的合适地设定形状的弯曲引导表面。因此，废气被平缓地导入螺旋形排气通道中而具有低流动损失。
根据本发明的另一优选实施方式，螺旋形排气通道具有360°到540°的旋转角。螺旋形排气通道利用相对较小的旋转角即达到显著长度。具有刚刚超过一圈的旋转角的螺旋形排气通道通常足够长以能够提供良好的低频噪声抑制。所述螺旋形排气通道和所述引导元件可以包含在筒装置的可拆卸的模块单元中。所述模块单元使螺旋形排气通道便于被装配到筒装置上和从其上被拆卸下来。这种模块单元可以制造成各种大小和形式。因此，包括不同长度和尺寸的螺旋形排气通道的模块单元可以适于不同类型和大小的燃烧发动机。所述可拆卸的模块单元优选地构成外壳的端壁。所述模块单元大致构成非常易于装配到筒装置的其余部分上和从其上面拆卸下来的侧盖。
附图说明
下面参照附图通过示例的方式描述本发明的优选实施方式，其中：
图1示出了本发明的筒装置，
图2示出了在图1中的平面A-A处穿过筒装置的剖面，和
图3示出了在图1中的平面B-B处穿过筒装置的剖面。
具体实施方式
图1示出了适于布置在用于柴油机驱动的车辆的排气系统中的筒装置。所述筒装置包括大致圆柱形的外壳1。外壳1构成除了为废气所提供的进口2和出口3的位置以外封闭的外表面。带有圆形横截面的管4布置在外壳1的内部，以使得穿过外壳1和管4的中心轴线26重合。管4的长度为使其从第一端壁5延伸到包括外壳1的第二端壁6的模块单元M处。
筒装置包括用于净化流经排气道的废气的废气净化部件，所述排气道具有在筒装置的进口2和出口3之间的尺寸。颗粒过滤器7的形式的第一废气净化部件布置在管4的外部。图2示出了穿过颗粒过滤器7的平面A-A处的剖面。颗粒过滤器7具有围绕管4的环形尺寸。颗粒过滤器7具有使其完全填充管4和外壳1之间的径向空间的径向尺寸。颗粒过滤器7包括适于引导废气大致在第一方向8上通过所述颗粒过滤器的细长通道。颗粒过滤器7在废气的流动方向上具有恒定的横截面形状。颗粒过滤器7包括布置在沿细长通道长度的合适位置的终止表面9。终止表面9使得废气被引导到颗粒过滤器中相邻的细长通道中。此处，废气中的碳烟颗粒将在颗粒过滤器7中被捕集并燃烧。催化净化器10的形式的第二废气净化部件布置在管4的内部。催化净化器10径向地布置在颗粒过滤器7的内部。催化净化器10同样包括适于大致在第二方向11上引导废气通过所述催化净化器10的细长通道。催化净化器10在废气的流动方向11上具有恒定的横截面形状。催化净化器10适于执行催化净化，以便减少废气中的氮氧化物含量。
用于抑制低频噪声的基本原理为在两个空间之间形成长排气线路。带有笔直的所述排气线路的有效低频噪声抑制器占据大量的空间。低频噪声是燃烧发动机所产生的噪声的主要部分。按照该基本原理构造所述筒装置。为了提供长排气通道，筒装置包括螺旋形排气通道13。图3示出了穿过螺旋形排气通道13延伸的平面B中的剖面。螺旋形排气通道13位于外壳1的第二端壁6处。螺旋形排气通道13具有在径向地设置在外部的进口13a和径向地设置在内部的出口13b之间的尺寸。此处，螺旋形排气通道13具有大约11/4圈，即大约450°的尺寸。螺旋形排气通道13采用螺旋形型材12的形式，所述螺旋形型材12构成螺旋形排气通道13的壁表面。穿过所述筒的排气道包括外部轴向排气通道14，废气在所述轴向排气通道14中流经颗粒过滤器7。废气此后在径向方向上被向内引导通过所述螺旋形排气通道13。最后，废气被引导通过位于管4内部的轴向排气通道15。轴向排气通道14、15和螺旋形排气通道13的组合形成了非常长的排气线路，而不必使筒装置本身具有细长形状。因此，筒装置可以结构紧凑，并且同时具有非常好的噪声抑制特性。
如果有必要的话，燃烧器16可以布置在筒装置的进口2的附近。燃烧器16的作用是将废气加热到使得碳烟颗粒可以在颗粒过滤器7中燃烧掉的温度。碳烟颗粒通常在大约600℃的温度下点燃，但是在大多数情况下，即使使用高性能的燃烧器16，也难以保证如此高的排气温度。因此，通常需要降低碳烟颗粒的点燃温度，这可以通过使所产生的各种类型的氮氧化物NOx转化为二氧化氮NO2来实现。这主要有两种方法可以实现。根据被称为CRT(连续再生捕集)的第一种方法，独立的氧化催化净化器为此被布置在废气的流动方向上的颗粒过滤器7之前。在该情况下，颗粒过滤器7中的碳烟颗粒在大约225℃时点燃。根据被称为CSF(催化碳烟过滤器)的第二种方法，颗粒过滤器7衬有合适的衬层材料，以使得从NOx到NO2的氧化催化直接在颗粒过滤器7的表面上发生。在该情况下，碳烟颗粒在大约250℃时点燃。还可以在燃料中使用不同的添加剂以在传统的颗粒过滤器7中获得大约350℃的降低的点燃温度。在使用根据SCR(选择性催化还原)工作的催化净化器10的情况下，未示出的喷射装置适于添加例如为尿素溶液的形式的氨载体物质。在已经添加氨载体之后，其必须被水解并且与废气混合，以便通过催化净化器10来将废气中所含的氨和氮氧化物优化还原为氮气和水。
废气通过进口2被导入到筒装置中。废气从进口2被导入到外部的轴向排气通道14中，所述轴向排气通道14具有沿管4外部的大致环形空间的尺寸。废气在沿轴线方向在管4外部朝颗粒过滤器7被引导之前经历大致均匀的分配。在废气到达颗粒过滤器7中之前，如果有必要的话，其被燃烧器16加热到使得废气中的碳烟颗粒可以在颗粒过滤器7中被点燃和燃烧的温度。废气在第一方向8上被引导通过颗粒过滤器7的细长通道。沿颗粒过滤器7中的细长通道而被布置在合适的位置的终止表面9将废气导入相邻的细长通道中。取决于再生系统和温度，在颗粒过滤器7中因此所捕集的碳烟颗粒被点燃并燃烧。因此，使得废气横向偏离短距离，但是主要沿大致直线而在第一方向8上流经颗粒过滤器7。从颗粒过滤器7中流出的废气基本上不含碳烟颗粒。
此后，废气被导入到可拆卸地被装配的模块单元M中，所述模块单元M包括所述螺旋形排气通道13。在模块单元M中，废气开始被导入径向地位于螺旋形排气通道13外部的区域18中。区域18呈带有逐渐增大的横截面积的圆形管的形式，所述逐渐增大的横截面积用于将废气导入到进口孔13a中以进入螺旋形排气通道13中。导向装置19靠近进口孔被布置以防止区域18中的废气绕过进口孔13a。导向装置19包括带有弯曲表面19a的部分，所述弯曲表面19a适于径向向内地引导区域18中大部分周边处的废气通过进口孔13a导入到螺旋形排气通道13中。因此，废气可以被导入螺旋形排气通道13而只有很小的流动损失。因此，区域18中没有废气被引导越过进口孔13a。废气此后被引导通过螺旋形排气通道13。螺旋形排气通道13构成连接所述筒的两个空间的细长线路，使得可以获得低频噪声的有效消声。螺旋形排气通道13还提供用于氨载体的必需的混合距离，以使其可以与废气大致均匀地混合在一起。废气具有相对平缓的方向变化使得它们在流经螺旋形排气通道13时受到基本上可以忽略的流阻。在螺旋形排气通道13中，废气在大致垂直于废气流动的第一方向8和第二方向11的平面中流动。
模块单元M包括被固定到外壳1的第二端壁6上的圆锥形的引导元件21。圆锥形的引导元件21具有与管4和筒装置的中心轴线重合的中心轴线。圆锥形的引导元件21被固定在第二端壁6中。圆锥形的引导元件21具有紧固件，以使其具有朝第二排气通道15缩小的周缘。在所述区域内的排气道因此具有朝第二排气通道15逐渐增大的横截面，有利于废气流入到第二排气通道15中。圆锥形的引导元件21被装配到径向地位于螺旋形排气通道13内部的区域24中。当废气在所述区域24中从螺旋形排气道的出口13b流出时，其形成涡流，以使得至少废气的主要部分沿围绕圆锥形的引导元件21延伸的路径25流动。圆锥形的引导元件21在此占据所述涡流的中心处的空间。在涡流的中心处通常产生负压，但是在所述空间中应用所述圆锥形的引导元件21来基本上防止带有负压的这种空间的出现。因此，从出口13b中流出的废气在它们沿轴线方向被转向并且被导入管4中和被朝向催化净化器10引导之前，将在一定程度上在围绕圆锥形的引导元件21的所述路径25中环形地流动。为了防止废气围绕圆锥形的引导元件21环形地流动超过一圈并与通过出口孔被导出的废气汇合，在靠近出口孔13b的路径25中布置引导元件22。引导元件22横向延伸跨过路径25，并且使得尚未沿轴线方向被转向的剩余废气被导入到第二排气通道15中。借助于引导元件21和22，区域24中的废气的流动损失可以被保持为非常低的水平。
当废气到达催化净化器10中时，其流入到细长通道中，所述细长通道允许废气在与第一流动方向8平行且反向的第二流动方向11上流动。在催化净化器10中，废气中所含的氮氧化物和氨被还原为氮气和水。此后，基本上不含碳烟颗粒和氮氧化物的废气通过出口3流出。出口3具有将管4与排气系统的狭窄管道相连接的流线型的逐渐缩小的形状。出口3的所述形状使废气在此同样只受到非常小的流阻。螺旋形排气通道13包含在易于装配和拆除的可拆卸独立模块M中。因此，端壁6和带有引导元件19、21、22的螺旋形排气通道13可以作为一个单元来装配和拆卸。所述模块单元M可以被制造成各种形式和大小。因此，特别地取决于燃烧发动机的类型和大小，可以将包括不同数量、长度和横截面的螺旋形排气通道的模块单元M装配到筒装置中。可以通过张紧带23来装配模块单元。
本发明不以任何方式被限制为所描述的实施方式，而是可以在权利要求的范围内随意改变。
Claims (8)
1.一种适于布置在燃烧发动机的排气系统中的筒装置，所述筒装置包括外壳(1)、被所述外壳(1)包围的管状元件(4)和用于引导废气通过所述筒装置的排气道，所述排气道包括位于所述管状元件(4)外部的第一排气通道(14)、位于所述管状元件(4)内部的第二排气通道(15)和螺旋形排气通道(13)，所述螺旋形排气通道(13)适于在废气被引导到第二排气通道(15)中之前将废气从第一排气通道(14)导入到径向地位于螺旋形排气通道(13)内部的区域(24)中，其特征在于，所述筒装置包括第一引导元件(21)和第三引导元件(19)，所述第一引导元件(21)被装配在所述区域(24)中，并且所述第一引导元件(21)的形状和位置被设置为使得从螺旋形排气通道(13)中流出的废气在它们被导入到第二排气通道(15)中之前至少部分地在围绕所述第一引导元件(21)的路径中被引导，所述第三引导元件(19)被布置在所述螺旋形排气通道(13)的进口孔(13a)处，并且所述第三引导元件(19)具有用于将废气导入所述螺旋形排气通道(13)中的弯曲的引导表面(19a)。
2.如权利要求1所述的筒装置，其特征在于，所述第一引导元件(21)具有限定出所述路径(25)的环形周缘。
3.如权利要求1或2所述的筒装置，其特征在于，所述第一引导元件(21)具有至少一个带有朝所述第二排气通道(15)逐渐缩小的周缘的部分。
4.如权利要求3所述的筒装置，其特征在于，所述第一引导元件(21)具有圆锥形状。
5.如权利要求1或2所述的筒装置，其特征在于，所述筒装置包括适于阻断所述路径(25)并且防止在特定距离之后废气沿所述路径(25)进一步流动的第二引导元件(22)。
6.如权利要求5所述的筒装置，其特征在于，所述第二引导元件(22)适于在废气已经围绕所述第一引导元件(21)环形地流动大致一圈之后阻止所述废气沿所述路径(25)流动。
7.如权利要求1或2所述的筒装置，其特征在于，所述螺旋形排气通道(13)具有360°到540°的旋转角。
8.如权利要求5所述的筒装置，其特征在于，所述螺旋形排气通道(13)、所述第一引导元件(21)、所述第二引导元件(22)和所述第三引导元件(19)被包括在所述筒装置的可拆卸模块单元(M)中。
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