CN103547775B - 具有混合区的紧凑式废气处理单元和用于混合废气的方法 - Google Patents

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Abstract

一种废气处理单元(1)，至少具有带第一端面(3)和相反地设置的第二端面(4)的壳体(2)，具有从第一端面(3)延伸至第二端面(4)的用于废气(7)的流入区(6)的管(5)，具有在第二端面区域中的用于废气(7)的偏转区(8)，且具有在管(5)和壳体(2)之间延伸的回流区(9)。在偏转区(8)中，废气(7)被混合且传送到回流区(9)内。还提供了一种用于在废气处理单元(1)中混合废气(7)的方法。

Description

具有混合区的紧凑式废气处理单元和用于混合废气的方法
技术领域
本发明涉及一种在其中发生废气的混合的紧凑式废气处理单元以及一种用于混合废气的方法。特别是，废气的混合与用添加剂或试剂处理废气同时发生。
背景技术
由于交通的持续增长和/或用于废气的标准越来越严格，对于具有内燃机的交通工具的情况来说，应该有效地净化来自内燃机的废气是重要的。为此目的，现有技术提供了废气净化系统，其中来自内燃机的废气经过催化活性的表面，并且在沉积于所述表面上的催化剂材料的帮助下，废气中的污染物如氮氧化物、烟尘颗粒、一氧化碳、碳氢化合物等被转化成例如氢、水和二氧化碳的物质。通常，为了废气的有效转化，需要相对高的废气温度。通常，在废气已经离开内燃机之后，来自内燃机的废气的温度正好是最高的，因此接近内燃机的位置（例如，交通工具的发动机舱内）对于废气净化系统的布置是有利的位置。然而在各种交通工具中，在发动机的附近的安装空间通常是有限的。
虽然如此，为了能用发动机舱中的有限安装空间以用于废气净化系统，已经研发出特别紧凑的带有同心通流的废气处理单元，这例如可从DE10301138A1中了解到。在这种类型的废气净化系统中，起初所有的废气流过同心地设置的流入区，然后偏转且流过外部的回流区。这里，回流区在其外部包围了流入区，确保在流入区和回流区之间有效的热交换。同时，在流入区和回流区中又额外地设置了催化活性的表面，因此通常又可通过相应的催化反应来加热废气。用这种方法，通过在流入区和回流区之间有效的热交换，可以增大排气系统中的废气温度或将其保持为较高的，确保特别地有效的污染物的转化。同时，通过将排气系统分为流入区、偏转区和回流区，可以得到特别紧凑的废气净化系统的设置，且因此系统能设置在发动机舱中或在内燃机的附近。
在这种废气净化系统中，也可设置成在废气中添加试剂。试剂包括至少以下中的一种，例如碳氢化合物、还原剂或还原剂前体（特别是液态的尿素水溶液）。该试剂有助于废气中的污染物转换为无害的成分，特别是与为此目的而专门提供的涂层相互作用。在这里，用于这些试剂的附加单元设置成使得实现了在废气中的尽可能优化的分布或所提供试剂的高度蒸发。在这种情况下，例如沿着废气的流动方向或与废气的流动相反的方向直接地向蜂窝体提供试剂，其结果是，通过试剂在（热）蜂窝体上的冲击和试剂滴的优良分布而促进了蒸发，且如果需要的话还可实现试剂在结构中或蜂窝体的涂层中的存储。然而，对蜂窝体施加试剂也会导致损坏蜂窝体的涂层，例如，通过水冲击或通过蜂窝体和试剂之间的温度差异。
希望得到试剂在废气中的最佳分布，这是因为由此能取得在整个流动横截面之上的特别有效的污染物转化。特别是，这种混合由此推荐在流过废气处理装置（例如催化转化器或相似装置）之前进行，以允许废气处理装置的所有区域被均匀地提供试剂。一旦废气已经进入通常具有导管的废气处理装置中，则在废气处理装置的整个通流横截面之上仅有废气的不充分的分布。为此，试剂和废气的混合程度应该是十分充足的，以便确保即使在进入废气处理装置之前也可以对废气处理装置的催化活性表面提供均匀的试剂。
特别是，如果不添加试剂，废气的混合也是有利的。废气中的污染物同样地在排放管的横截面上不均匀地分布。这里同样的是，（仅）废气的额外混合具有如下效果，即，污染物和其他废气的成分（例如二氧化氮或未燃烃）均匀地分布。这样，即使设置在下游的废气处理装置也能被提供废气，使得废气在废气处理装置的整个横截面上具有尽可能一致的成分。
发明内容
以此为出发点，这里呈现的发明的目的是至少部分地解决在现有技术中解释的技术问题。特别地，本发明详细说明了一种废气处理单元，其一方面能确保紧凑的结构，另一方面允许废气的（尤其是与试剂）的特别高的混合度。同时，本发明详细说明了相应的用于混合废气的方法。
通过依照权利要求1的特征的废气处理装置和通过依照权利要求8的特征的用于混合废气的方法实现该目的。在从属权利要求中详细说明了根据本发明的废气处理单元和根据本发明的方法和/或在交通工具中的布置和使用的优选实施方案。应该注意的是，在权利要求中提及的单独特征能以任何技术上有意义的方法合并，且预示了本发明的进一步的实施方案。说明书特别是结合附图而进一步地解释了本发明，且给出了本发明的补充说明实施方案。
根据本发明的废气处理单元具有至少一个带有第一端和设置于对面的第二端的壳体，以及作为用于废气的流入区的从第一端向第二端延伸的管。此外，废气处理单元在用于废气的第二端的区域内具有偏转区，并且具有在管和壳体之间延伸的返回区。管在第二端的附近具有出口区，第一部分废气流从出口区流入到偏转区，其中管在偏转区内和出口区的上游具有至少一个侧向的开口，其结果是，偏转区中的第一部分废气流与流出至少一个出口的至少一个第二部分废气流碰撞。
从内燃机开始，废气通过排放管向废气处理单元流动，且通过第一端进入其流入区。在流入区或管的后面的、下游的区域中，废气被分成至少一个第一部分废气流和一个第二部分废气流。第二部分废气流经过管中的至少一个侧向开口进入偏转区。第一部分废气流流过该至少一个侧向开口，且在设置为与第二端临近的出口区中离开管。第一部分的废气流从出口区进入偏转区且在那里偏转，使得其基本上沿回流区的方向流动，也就是说，尤其是在与流入区中的废气的流动方向相反的方向上流动。在去回流区的途中，在偏转区内，来自出口区的第一部分废气流然后碰撞来自所述管中的至少一个侧向出口的至少一个第二部分废气流。部分废气流的这种碰撞不是单向的，能以特别有利的方式促进废气的混合。这尤其是由于如下事实，即来自至少一个侧向开口的第二部分废气流具有这样的流动方向，该流动方向定向成大体地在壳体方向上、尤其是至少部分地在第二端的方向上径向地朝外。已经从出口区进入偏转区的第二部分废气流尤其是具有定向为大体地朝向回流区的方向的流动方向。结果，在此产生的第一和第二部分废气流在偏转区中具有至少部分地彼此相反的流动方向，且因此实现了废气的改善的混合。在偏转区的附近，相对于同心设置的管的外部径向地设有回流区，其设置在管和壳体之间且包围了流入区。来自第一部分废气流和第二部分废气流的重新组合的废气流流过这个回流区，尤其是沿着与流入区中的废气相反的方向。在流过回流区之后，废气离开废气处理单元，并且尤其是在这里设有另一个废气的偏转结构以进入到废气歧管。
根据废气处理单元的一个特别有利的实施方案，试剂供给单元尤其是设置于废气处理单元的外部，更特别地在设置在排放管的处于流入区上游的区域中。因此，试剂随着废气经过流入区，其中通过至少一个第一部分废气流和至少一个第二部分废气流的碰撞而在偏转区中发生了试剂和废气的有效的混合。
特别地，第一废气处理装置如水解式催化转化器自身设置在回流区内，以引起所添加试剂如还原剂前体的转化。在废气已经流过这个废气处理装置之后，尤其是可存在有还原剂（例如氨），此后还原剂才在偏转区内在废气中均匀地分布。通过这种还原剂在偏转区内的均匀分布的方式，废气处理装置（例如SCR催化转化器）、尤其是设置在回流区内的废气处理装置能被均匀地供给试剂，因此确保了在废气处理装置的所有区域中污染物的转化。
然而，根据另一个优选实施方案，试剂也可以在废气处理单元自身的流入区和/或在偏转区和/或在废气处理单元的出口区内供给。为此目的，尤其可以在第二端的区域中设置用于试剂的供给单元。特别地，通过这种类型的废气处理单元，可发生特别有效的废气混合，同时确保废气处理单元具有较小的整体体积。在流入区和回流区中用于通流的横截面优选地大体上彼此相符。设置在流入区和回流区之间的分隔面特别是由具有0.2～3mm壁厚的管形成。特别地，在废气处理单元的偏转区中发生废气的混合，这样确保了在进入回流区之前已经有效地混合了废气。因此，混合的废气（尤其和试剂混合的）可然后进入回流区，其中尤其是设置有其它的废气处理装置。由于管的壁厚或包围回流区的壁的壁厚和壳体的厚度是可以忽略的，因此废气处理单元的整体尺寸尤其是仅通过流入区和回流区的通流横截面来限定。这里不需要且未提供其中至少部分径向流可从中通过的废气处理装置的布置，这将大大地增加废气处理单元的整体尺寸。流入区的内径或管的内径尤其为75mm～200mm，其中回流区、即壳体的内径尤其为300mm～600mm。因而，尤其是能够处理或转化质量流量为1500～6000kg/h的废气流。偏转区的深度，即从第二端到回流区的开端的距离尤其是回流区的内径或壳体的内径的0.5倍到1倍。
根据废气处理单元的另一个优选实施方案，至少一个开口具有至少一个挡板件，其偏转至少一个第二部分废气流流出流入区或管且进入偏转区。
特别地，至少一个挡板件延伸到回流区或管内。
也优选地是，通过流入区或管的壁形成至少一个挡板件。
根据一个优选的实施方案，挡板件自身是流入区或管的一部分，例如通过从管壁自身中冲压出且折弯形成。特别是，挡板件仅与开口的下游边缘连接。特别地，这意味着通过从流入区的壁中进行局部分离且随后折弯而形成挡板件，因此在挡板件的上游提供了开口。因此，废气会撞击在挡板件上，且通过挡板件被偏转到偏转区内。
特别地，多个开口设置在如从壳体的第二端看去的同一深度处。如果需要，多个开口可以设置在如从壳体的第二端看去的多个不同的深度处，其结果是第二部分废气流彼此间在下游地流进偏转区内。开口优选地以绕管轴的旋转对称的方式设置。特别地，开口具有第二部分废气流可从中流过的开口横截面。
特别地，至少一个开口具有管（流入区）横截面积的至少150%的开口横截面积。所有开口的总开口横截面积尤其是管横截面积的至少200%，优选地少于管横截面积的220%。
根据另一个优选实施方案，管与第二端相接触，其中至少一个侧向的出口形成了出口区。第一部分废气流流过侧向出口，且因此从流入区流到偏转区内。特别地，至少一个侧向出口同样地由管内的冲孔形成。在废气处理单元的该实施方案中，管可连接到第二端，因此可以确保废气处理单元的特别牢固的设置。特别是，至少一个出口直接邻接于第二端。至少一个出口优选地没有挡板件。第一部分废气流的废气偏转成使得尤其是通过第二端的特殊配置，废气之后大体上沿回流区的方向流动。
根据废气处理单元的一个优选的实施方案，第二端为闭合式设计，因此，尤其是没有其它的部分废气流经第二端流入到废气处理单元中。
根据废气处理单元的一个优选的实施方案，在第二端内或在第二端处可提供用于试剂的计量单元，所述计量单元直接地供给试剂到偏转区内或流入区内。
因此，废气的混合尤其是仅通过在偏转区内（至少一个）第一部分废气流和（至少一个）第二部分废气流的碰撞而发生。
此外，本发明还涉及用于在废气处理单元中混合废气的方法，所述方法至少具有以下步骤：
a）通过流入区从中央提供废气，
b）将废气分为至少一个第一部分废气流和至少一个第二部分废气流，
c）使部分废气流偏转，其中，至少一个第一部分废气流流出流入区的出口区，进入偏转区中并再次在那里偏转，而至少一个第二部分废气流从至少一个设置在出口区上游的开口流进偏转区内，
d）在偏转区内使第一部分废气流与第二部分废气流碰撞和混合，和
e）使第一部分废气流和第二部分废气流共同地向前输送而流过回流区。
特别地，可以参考针对根据本发明的废气处理单元的解释，其也可同样适用于该方法。
根据该方法的一项特别有利的改进，废气的至少30%且至多60%形成了第二部分废气流。
此外还提供了一种交通工具，其具有至少一个内燃机、一个排放管和一个根据本发明的废气处理单元，或具有能够通过根据本发明的方法来操作的废气处理单元。
特别地，由于对于紧凑的结构和污染物的转化也有迫切的需求，因此该废气处理单元可应用于汽车、铁道车辆、船只或飞机。
附图说明
下面参照附图对本发明和其技术领域做更详尽的解释。附图显示了优选实施方案，但本发明并不限于此。在示意性的图中：
图1显示了第一个实施方案中的废气处理单元；
图2显示了根据图1的废气处理单元的横截面；
图3显示了第二个实施方案中的废气处理单元；
图4显示了交通工具。
具体实施方式
图1显示了根据第一个实施方案的废气处理单元1。废气处理单元1由壳体2和管5构成，其中管5同心地设置在壳体2中，且形成了用于废气7的流入区6。废气7通过第一端3进入壳体2。管5相应地朝壳体2的第一端3开放，结果是，已经进入这里的废气7以向着第二端4的方向流经管5。管5或流入区6具有管内部直径25。第二端4是封闭式设计，结果是废气7在这里偏转。在管5的下游部分中，废气7分为第一部分废气流11和多个第二部分废气流13。第一部分废气流11经出口区10而离开管5，该出口区10设置为临近壳体2的第二端4。这样，第一部分废气流11经出口区10而流入偏转区8，由此，废气7偏转为实质上与流入区6中的流动方向相反的流动方向。流入区6内的废气流并不是然后直接地进入回流区9，而是根据本发明在废气处理单元1中进行分离。第二部分废气流13通过出口区10上游的开口12（在流入区6中）进入偏转区8。在偏转区8中，第一部分废气流11与基本上反向地流动到那的第二部分废气流13碰撞。由于在这些部分废气流11、13之间的碰撞，废气7能够广泛地混合。这里，开口12设置于距第二端4为一定的深度26处。仅在部分废气流11、13的碰撞发生之后，此时合成的（且混合的）废气7进入回流区9。在回流区9内设置了废气处理装置21，其例如具有串联的水解式催化转化器和SCR催化剂转化器。作为附加方案或作为替代方案，在已知的布置中可使用存储元件、加热式催化转化器、微粒过滤器和颗粒聚集器。废气7流出回流区9，并离开废气处理单元1的壳体2。
图2示意性地显示了在图1中显示的废气处理单元1的横截面。废气处理单元1包括具有壳体内直径28的壳体2和同心地布置的具有管内直径25的管5。管5具有废气能经其流动的管横截面18。回流区9具有废气能经其流动的回流区横截面27。
图3示意性地显示了废气处理单元1的第二个实施方案。这里，流入区6的管5延伸穿过壳体2的第一端面3。在管5上提供了用于向废气流7中加入试剂22的计量装置24。废气7作为第一部分废气流11经由出口区10中的多个出口16而离开流入区6，或者作为第二部分的废气流13经过开口12离开流入区6。这里，开口12具有挡板件14，其延伸到管5内且引起第二部分废气流13偏转。这里，通过管5的壁15形成了挡板件14。开口12具有开口横截面17，其通过在管5的后壁中的开口12中的剖线显示。包括第一部分废气流11和第二部分废气流13的废气7经过开口12和经过出口16进入偏转区8，所述的偏转区从第二端4开始向回流区9延伸到深度26为止。深度26延伸到开口12的离第二端4最远的边缘29，所述开口设置为在流入区6中的上游的最远点。回流区9临近偏转区8，且包围了流入区6。
图4示意性地显示了具有内燃机20的交通工具19。排放管23携带来自内燃机20的废气7经废气处理单元1到外界。
附图标记列表
1废气处理单元
2壳体
3第一端面
4第二端面
5管
6流入区
7废气
8偏转区
9回流区
10出口区
11第一部分废气流
12开口
13第二部分废气流
14挡板件
15壁
16出口
17开口横截面
18管横截面
19交通工具
20内燃机
21废气处理装置
22试剂
23排放管
24计量装置
25管内部直径
26深度
27回流区横截面
28壳体内直径
29边缘

Claims (9)

1.一种废气处理单元(1)，至少具有包括第一端(3)和设置在对面的第二端(4)的壳体(2)，具有从所述第一端(3)延伸至所述第二端(4)的作为用于废气(7)的流入区(6)的管(5)，具有在所述第二端的区域中的用于所述废气(7)的偏转区(8)，以及具有在所述管(5)和所述壳体(2)之间延伸的回流区(9)，其中，所述管(5)在所述第二端(4)的附近具有出口区(10)，第一部分废气流(11)从所述出口区(10)流到所述偏转区(8)内，其中，所述管(5)在所述偏转区(8)中在所述出口区(10)的上游具有至少一个侧向的开口(12)，使得所述第一部分废气流(11)与至少一个从至少一个所述开口(12)中流出的第二部分废气流(13)在所述偏转区(8)中碰撞，并且其中，至少一个所述开口(12)具有至少一个挡板件(14)，所述挡板件使至少一个第二部分废气流(13)偏转出所述管(5)且进入所述偏转区(8)。
2.根据权利要求1所述的废气处理单元(1)，其特征在于，所述至少一个挡板件(14)延伸至所述管(5)内。
3.根据权利要求1或2所述的废气处理单元(1)，其特征在于，由所述管(5)的壁(15)形成所述至少一个挡板件(14)。
4.根据权利要求1所述的废气处理单元(1)，其特征在于，所述管(5)与所述第二端(4)接触，且至少一个侧向的出口(16)形成所述出口区(10)。
5.根据权利要求4所述的废气处理单元(1)，其特征在于，所述至少一个出口(16)直接地邻接于所述第二端(4)。
6.根据权利要求1所述的废气处理单元(1)，其特征在于，所述至少一个开口(12)具有至少为管横截面积的150％的开口横截面积(17)。
7.一种用于在废气处理单元(1)中混合废气(7)的方法，至少具有以下步骤：
a)通过流入区(6)从中心供给废气(7)，
b)将所述废气(7)分为至少一个第一部分废气流(11)和至少一个第二部分废气流(13)，
c)使所述部分废气流(11,13)偏转，其中，至少一个第一部分废气流(11)流出所述流入区(6)的出口区(10)，进入偏转区(8)中并再次在那里偏转，其中，至少一个第二部分废气流(13)从至少一个设置在所述出口区(10)上游的开口(12)处流进所述偏转区(8)内，
d)在所述偏转区(8)内使所述第一部分废气流(11)与所述第二部分废气流(13)碰撞和混合，和
e)使所述第一部分废气流(11)和所述第二部分废气流(13)经过回流区(9)而共同地向前输送；
其中，至少一个所述开口(12)具有至少一个挡板件(14)，所述挡板件使至少一个第二部分废气流(13)偏转出所述管(5)且进入所述偏转区(8)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述废气(7)的至少30％形成所述第二部分废气流(13)。
9.一种交通工具(19)，具有至少一个内燃机(20)、一个排放管(23)和一个如权利要求1到6中任一项所述的废气处理单元或能够通过如权利要求7或8所述的方法来操作的废气处理单元。
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