CN102971501B - 排气处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种排气处理装置（1），所述排气处理装置具有排气处理部件（2），排气可沿流动方向（3）从流入侧（4）至流出侧（5）流经所述排气处理部件，其中沿流动方向（3）在流出侧（5）下游设置有用于使还原剂进入排气处理装置（1）的添加装置（6）。所述添加装置（6）具有添加方向（7），所述添加方向至少部分地反向于流动方向（3）延伸。排气处理部件（2）的流出侧（5）至少部分地被多孔层（8）覆盖且在添加装置（6）和排气处理部件（2）之间存在距离（9），该距离（9）被选择成使得所喷射的还原剂（10）到达多孔层（8）。

Description

排气处理装置

技术领域

本发明涉及一种排气处理装置，其具有用于还原剂的添加装置。这种具有添加装置的排气处理装置近来越来越多地用于清洁机动车中（移动的）内燃机的排气。

背景技术

通过在排气处理装置中将还原剂添加至内燃机的排气中通常可以特别彻底且有效地清洁排气。使用这种添加还原剂的方法例如是选择催化还原（SCR=selectivecatalyticreduction），其中减少了排气中的氮氧化合物。选择催化还原的方法尤其适合用在稀燃内燃机中，在该内燃机中在燃烧时相对于化学计算的燃料-空气混合物来说存在空气过剩。这种内燃机的排气具有特别高份额的氮氧化合物。在选择催化还原的方法的框架内，例如可以借助于作为还原剂的氨来减小排气中的氮氧化物份额。在温度足够时，氮氧化合物和氨一起被还原为无害的成分，例如水和氮气。

为了为排气系统提供氨，氨通常不直接储存在机动车中，而是以前体的形式储存在容器/箱中。这被称为还原剂前体或还原剂前体溶液。可从中获得氨的这种还原剂前体溶液例如是尿素水溶液。在机动车领域中使用例如32.5%的尿素水溶液，可买到商标名称为AdBlue的这种尿素水溶液。例如可以在排气系统中在排气流内部或在排气外部的反应器中通过加热和/或借助于催化剂进行这种还原剂前体至还原剂的转化。

为了将还原剂添加至排气系统，还原剂也以液态形式喷射至排气处理装置中。还原剂由于排气余热而蒸发并同时被转化。为了高效且可靠地实现这一点，要求还原剂在排气流中以尽可能细小的液滴存在或者尽可能精细地分布。然而问题通常在于，大的还原剂滴不能足够快地蒸发。

此外应该确保喷射的还原剂不触及排气处理装置的冷的表面。另一个经常出现的问题是，还原剂在这种冷的表面上冷凝并在某些情况下形成不期望的沉积物。

在已知的现有技术例如WO2009/127449A1中公开了布置在排气管路中的捕集介质，所喷射的还原剂停留在该捕集介质上且完全蒸发。该捕集介质与排气管路的冷的外壁热绝缘。在此仅能以巨大的技术花费安装捕集介质，且捕集介质需要承受不可忽略的振动。

发明内容

由该现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种具有用于还原剂的添加装置的改进的排气处理装置。应至少部分地克服现有技术中存在的问题。

该目的通过具有权利要求1所述的特征的排气处理装置来实现。在从属权利要求中给出了排气处理装置的其它有利的设计方案。在权利要求中单个描述的特征能以任意技术上有意义的方式彼此组合并能通过说明书中阐述的事实补充，其中描述了本发明的其它实施方式变型。

本发明涉及一种排气处理装置，其具有排气处理部件，排气可沿流动方向从流入侧至流出侧流经所述排气处理部件，其中沿流动方向在流出侧下游/后方设置有用于使还原剂进入排气处理装置的添加装置，其中所述添加装置具有添加方向，所述添加方向至少部分地反向于流动方向延伸，其中排气处理部件的流出侧至少部分地被多孔层覆盖且在添加装置和排气处理部件之间存在距离，该距离被选择成使得所喷射的还原剂到达该多孔层。

例如，排气处理部件可以是氧化催化器或颗粒过滤器。可以由金属的载体结构制成该排气处理部件，该载体结构可以由至少一个至少部分结构化/具有纹理的层——尤其是波纹的和光滑的金属层——卷绕、缠绕或层叠而成。排气处理部件也可以是陶瓷的、尤其是挤压出的载体。

排气处理部件优选具有多个从流入侧延伸至流出侧的通道，所述通道通过通道壁彼此隔开。通道壁可以逐段地具有中断部，从而可以在排气处理部件内部实现流经不同的通道的排气的混合。排气处理部件优选设计为一个整体和/或为蜂窝体。

流经排气处理装置的流动方向从内燃机出发经过具有根据本发明的排气处理装置的完整的排气处理系统延伸至排气系统的出口。

例如，添加装置可以是用于喷射还原剂的喷射器。这种喷射器将处于压力下的、优选液态的还原剂喷射至排气处理装置中。添加方向（换句话说添加还原剂的射束方向）被设计成保证了在排气处理装置中还原剂尽可能精细的分布。由添加装置产生的单个的还原剂滴尽可能得小。由添加装置产生的还原剂滴优选具有小于200μm、优选小于100μm的平均直径。为了即使在排气流较大时也恰好保证还原剂向多孔层的有针对性的添加，还优选将平均直径选择为不小于50μm。

排气处理部件的流出侧至少部分地被多孔层覆盖。这尤其表明，多孔层至少部分地覆盖了流出侧。因此，由排气处理部件流出的排气必须至少部分地经过多孔层，以便沿流动方向继续流入排气处理装置中。在根据本发明的装置的优选的实施方案变型中，流出侧完全被多孔层覆盖或遮盖。于是流经排气处理部件的排气必须也完全经过多孔层。

适当时，多孔层也可以设计为层复合结构，即包括多个层，尤其彼此连接的多个层。在此，这些层例如在其多孔性和/或形状刚性方面可以是不同的。即使优选所有层（完全）彼此覆盖，也可以如此形成层复合结构，即层复合结构的至少一个部段相对于另一个部段具有多个层。

排气处理部件与添加装置之间的距离被选择成使得在排气处理装置工作时添加的还原剂到达多孔层。喷射的还原剂优选全部到达多孔层。因此，距离取决于排气流速度和喷射的还原剂的速度或者排气的和喷射的还原剂的特性。因此当排气流速度小时距离可以增大且反之亦然，本领域技术人员根据简单的尝试和用于机动车的常见的排气试验可以容易地采取这种设计方案。喷射的还原剂的、对可克服的距离来说重要的特性是供给的还原剂滴的大小。小的液滴由于排气流中的摩擦可快速地减速并仅可以反向于排气的流动方向移动短的路程或距离。较大的液滴由于其惯性而更缓慢地减速，并因此可以反向于排气的流动方向移动较长的路程或距离。该距离优选小于50mm，尤其小于30mm，且尤其优选小于20mm。因此尤其可以实现，还原剂被添加在从排气处理部件排出之后的排气的层状流动截面/流态中。

通过根据本发明的装置实现了，在排气处理装置的适合针对性的添加的区域中储存用于与排气接触的还原剂。此外，例如借助于适合于流经的排气的空间分布的、还原剂的合适的量（排气质量流和/或排气温度等）实现还原剂至排气流的具体的施加。因此，通过将离开排气处理部件的（局部的）部分排气流具体地分配给多孔层可以实现一种可能性，即更经济地添加少量的还原剂，因为还原剂被有效且有针对性地使用。

在根据本发明的排气处理装置的另一个有利的设计方案中，多孔层至少部分地平行于流出侧布置。多孔层相对于流出侧的（尤其完全地）平行的布置实现了多孔层在流出侧上、尤其在流出侧下游的层状的流动区域中特别节省空间且简单的定位。同时这种布置实现了从排气处理部件到多孔层的快速的热传递。通常（催化活性的）排气处理部件表现为温度源，其可以（直接和/或通过排气流）加热多孔层。由此实现了特别有效地热转化撞击到多孔层上的还原剂。

当多孔层包括金属织物或金属无纺布时，根据本发明的装置是特别有利的。这种无纺布可以具有精确限定的热特性和具有限定的穿流阻力。穿流阻力和热特性可以通过选择无纺布或织物的单个金属长丝的材料、通过选择长丝的厚度和/或通过无纺布或织物的密度和厚度来确定。适当时，织物也可以（仅）满足支承功能而无纺布首先暂时储存还原剂。织物（具有金属长丝的规则结构）和无纺布（具有金属长丝的混合或随机的结构）也可以用于一起形成多孔层的复杂的形状。

在根据本发明的排气处理装置的优选的设计方案中，可以电加热金属无纺布。用于无纺布或用于织物的材料尤其是导电的，因此可以通过合适的接触以电流加热无纺布或织物。接触可以设计为单独的或也可以通过排气处理部件进行。

此外，当多孔层至少部分由钛丝制成时，根据本发明的排气处理装置是有利的。当存在氧化介质时，在钛丝上形成钛氧化物层。内燃机的排气是这种氧化介质。钛氧化物层有助于还原剂前体溶液向还原剂或氨的转化。可以在行进到多孔层中之前已经在钛丝上形成钛氧化物层。

此外，当多孔层借助于支承结构支承在排气处理部件上时，根据本发明的排气处理装置是有利的。更尤其优选的是，多孔层仅与排气处理部件接触。通过这种支承结构可以设定排气处理部件的流出侧和多孔层之间的限定的距离。例如，支承结构的形式可以是支承销，该支承销部分地延伸至排气处理部件的通道中。此外，可以在排气处理部件的圆周上设置支承环，该支承环形成了用于至少一个多孔层的夹持架。这种支承结构优选具有限定的导热性（例如由于金属材料），可以将热能从排气处理部件传输至多孔层中。

因此，多孔层可以特别价廉地定位在排气处理装置中央且同时可以避免至排气管的外壁的热桥。通过将多孔层连接至排气处理部件上，防止或至少强烈阻碍了热流从多孔层至排气处理装置的（较冷的）外壁或外管。多孔层优选与排气处理装置的外壁不直接接触。此外，多孔层优选仅连接在排气处理部件的流出侧上。

此外，当多孔金属层具有与平面不同的且与用于还原剂的添加装置的喷射图案/图像匹配的形状时，根据本发明的排气处理装置是有利的。

添加装置的喷射图案尤其通过液滴分布、添加方向、由添加装置出来的还原剂的流动速度和/或流动方向确定。多孔层的形状主要是指由多孔层形成的区域的形状。因此，该形状尤其也可以是（部分地，例如凸形地和/或凹形的）弯曲的。为了使形状与喷射图案匹配，例如形状可以弯曲成使得由添加装置出来的还原剂与从添加装置出来的排出方向无关地经过基本上相同的至多孔层的路程。

例如，可以如此选择形状，使得从添加装置至多孔层的路程对任意添加方向来说在添加装置的喷射锥体的区域中的区别为最大40%，优选最大20%，且尤其优选最大10%。

当匹配形状与喷射图案时，也可以考虑由于排气流动而产生的输入的还原剂的偏转。例如可以如此选择形状，使得当排气速度在5m/s和20m/s之间变化时，至少60%、优选至少80%、且尤其优选至少90%的还原剂达到多孔层。为此，多孔层的形状优选沿朝向添加装置的方向弯曲。

此外优选的是，多孔层的形状形成至少一个朝向排气处理部件的凹部。换句话说，这尤其表示，所述形状形成至少一个凹部，从而多孔层的一部分形成一种颈部段/凸缘部段或围绕还原剂的撞击区域的突起部。颈部段或突起部可以形成多孔层上的弯曲的走向，简单地说，例如马掌类型的、液滴类型的、圆形类型等的走向。通常有意义的是，多个凹部与多个添加装置匹配，从而在提供一个添加装置时也精确设置了一个凹部。

此外有利的是，添加装置如此布置，使得添加装置位于沿流动方向从流出侧出发延伸的虚拟的圆柱体外部。因此，添加装置从通过排气处理装置的排气的主流动方向沿侧向偏移且因而不干扰通过排气处理装置的排气流。此外，通过流出侧上的多孔层还实现了合适的目标区域，尤其在像上述那样多孔层的形状与添加装置的喷射图案匹配时，在添加至排气处理装置中时还原剂撞击到该目标区域上。

当然还可行的是，多孔层具有用于还原剂转化的涂层，例如对尿素作为还原剂的情况来说是水解涂层。

此外，本发明还涉及一种具有内燃机和根据本发明的、用于清洁内燃机的排气的排气处理装置的机动车。

本发明还涉及一种排气处理部件，其在流出侧上具有至少一个多孔层。在此，尤其指的是一种排气处理部件，排气可沿流动方向从流入侧至流出侧流经排气处理部件，其中排气处理部件的流出侧至少部分地被多孔层覆盖。关于多孔层的设计和/或多孔层在排气处理部件上的固定，全面参阅前述说明和优选设计方案。这尤其涉及于多孔层的形状和/或多孔层的结构相关的特征，该形状适合于用于还原剂的添加装置的喷射图案。此外，本发明尤其还涉及这种排气处理部件作为用于液态还原剂、尤其是尿素的捕集元件在尤其是机动车的排气处理装置中的应用。

附图说明

下面参照附图进一步描述本发明以及技术领域，其中附图示出特别优选的实施例，然而本发明并不局限于这些实施例。尤其应该指出，附图和尤其是示出的大小关系仅为示意性的。附图示出：

图1示出根据本发明的排气处理装置，

图2示出具有根据本发明的排气处理装置的机动车，以及

图3示出用于根据本发明的排气处理部件的多孔层的特殊设计方案。

具体实施方式

图1示出根据本发明的排气处理装置1。根据本发明的排气处理装置1具有排气处理部件2，排气可沿流动方向3从流入侧4至流出侧5流经排气处理部件。沿流动方向3在流出侧5下游设置了距流出侧5一距离9的添加装置6。在流出侧5上设置了多孔层8。添加装置6以添加方向7将还原剂10输入排气处理装置1，该添加方向7至少部分地反向于流动方向3延伸。添加装置6本身可以布置为朝着流动方向3倾斜，然而例如也可以将添加装置6垂直于引导排气的管路布置且添加装置6具有内置的流动偏转装置，该流动偏转装置实现了倾斜的添加方向7（例如以相对于添加装置的延伸轴成至少10°或甚至至少15°的角度）。

多孔层8用支承结构13支承在排气处理部件2的流出侧5上。多孔层8具有形状14，该形状与添加装置6的喷射图案15匹配。添加装置6设计成部分地从排气处理装置1的、排气流主要流经的区域中伸出。添加装置6尤其布置在虚拟的圆柱体16外部，该圆柱体从排气处理部件2的流出侧5出发沿流动方向3延伸。由此可以避免源自添加装置6的额外的流动阻力。形状14如此与添加装置6的喷射图案15匹配，使得从添加装置6至多孔层8上的任意位置的路程18基本上不变。多孔层8优选以相对于添加装置6基本恒定的距离与从添加装置6开始延伸的锥体相交。

由添加装置输入的还原剂10优选未到达排气处理装置1（或排气管）的外管17（或外壁）上，因此在外管17上不出现还原剂10的冷凝。在工作期间外管17由于外部温度而相对较冷。

图2示出具有内燃机12和根据本发明的排气处理装置1的机动车11，该排气处理装置1设置成用于清洁内燃机12的排气。

图3示出用于根据本发明的排气处理部件的多孔层8的特殊设计方案。在此以三个不同视角示出多孔层8，这些视角分别对应于视角之间示出的箭头折叠。多孔层8具有环绕的突起部19，该突起部围绕凹部20且在一位置上具有开口部21。优选如此布置开口部21，使得其布置为紧挨用于还原剂的添加装置6。因而，多孔层8的形状14与添加装置6的喷射图案15匹配。突起部19基本上包围添加装置6的喷射图案15或还原剂在多孔层8上的撞击区域。

附图标记列表

1排气处理装置

2排气处理部件

3流动方向

4流入侧

5流出侧

6添加装置

7添加方向

8多孔层

9距离

10还原剂

11机动车

12内燃机

13支承结构

14形状

15喷射图案

16虚拟的圆柱体

17外管

18路程

19突起部

20凹部

21开口部

Claims (7)

1.一种排气处理装置(1)，所述排气处理装置具有排气处理部件(2)，排气能够沿流动方向(3)从流入侧(4)至流出侧(5)流经所述排气处理部件，其中沿所述流动方向(3)在所述流出侧(5)的下游设置有用于使还原剂进入所述排气处理装置(1)的添加装置(6)，其中所述添加装置(6)具有添加方向(7)，所述添加方向至少部分地反向于所述流动方向(3)延伸，其特征在于，所述排气处理部件(2)的所述流出侧(5)被多孔层(8)覆盖成使得流经所述排气处理部件(2)的排气必须也经过该多孔层(8)，且在所述添加装置(6)和所述排气处理部件(2)之间存在距离(9)，所述距离(9)被选择成使得所喷射的还原剂(10)到达所述多孔层(8)，其中，所述多孔层(8)具有金属织物或金属无纺布，

并且其中，所述距离(9)小于50mm，使得还原剂(10)被添加在从所述排气处理部件(2)排出之后的排气的层状流动截面中。

2.根据权利要求1所述的排气处理装置(1)，其中，所述多孔层(8)布置成至少部分地平行于所述流出侧(5)。

3.根据权利要求1或2所述的排气处理装置(1)，其中，所述多孔层(8)借助于支承结构(13)支承在所述排气处理部件(2)上。

4.根据权利要求1或2所述的排气处理装置(1)，其中，所述多孔层(8)具有与平面不同的形状(14)，所述形状与用于还原剂的所述添加装置(6)的喷射图案(15)匹配。

5.根据权利要求4所述的排气处理装置(1)，其中，所述多孔层(8)的所述形状(14)形成朝向所述排气处理部件(2)的至少一个凹部(20)。

6.根据权利要求1或2所述的排气处理装置(1)，其中，所述多孔层(8)至少部分地由钛丝制成。

7.一种机动车(11)，所述机动车具有内燃机(12)和根据权利要求中1至6任一项所述的排气处理装置(1)，所述排气处理装置用于清洁所述内燃机(12)的排气。