CN104066498A - 用于还原剂制备的混合装置 - Google Patents

Abstract

用于将添加剂(2)与废气流(3)混合的混合装置(1)，其中，所述混合装置包括至少一个溢流平面，该溢流平面布置在废气管道的混合段中。所述废气管道(6)具有横截面(7)和废气流(3)的主流动方向(8)。所述混合装置的特征尤其在于，所述至少一个溢流平面(4)布置在所述混合段(5)的中央并沿所述废气流(3)的主流动方向(8)定向，其中在所述溢流平面(4)中形成多个封闭的凹部(9)。所提出的混合装置实现了废气流与添加剂的有效混匀，同时不产生高流动阻力。

Description

用于还原剂制备的混合装置

技术领域

本发明涉及一种用于将废气管道中的废气与添加剂混合的混合装置，其中添加剂被加入到尤其是废气中并在那里被均匀分配。在内燃机中，尤其是柴油发动机和稀燃发动机中，会出现不需要的大量氮氧化物。为了去除所述氮氧化物，尤其适合加入添加剂氨，由此当氧气过量时，氮氧化物能够还原为氮并和氨的氢气部分化合为水。刺激性气体氨的储存被证实并不合适于移动的使用。反之，以溶于水的尿素的形式的氨的储存被证实为适于移动的使用。对此，使用名称为的含有32.5％的尿素的溶液在市场上取得了成功。然而所述尿素水溶液必须通过水解和/或热分解相应地进行制备。添加剂这个概念在下文中尤其作为(液态的或至少部分气态的)用于进行所谓的SCR方法(选择性催化反应方法)的还原剂和/或还原剂前体的同义词被使用。

背景技术

根据一种可能的方法，所述尿素水溶液(必要时借助于载体气体，例如气溶胶)直接喷入所述废气流中。然而在这种情况下产生了各种问题。喷射束或喷雾的相对大的滴尽应当可能不附着在废气管道壁上，因为所述滴在那里会形成化学或机械上稳定的晶体，所述晶体导致常见的管道材料的腐蚀。但是另一方面，也应实现尿素水溶液在废气流中的均匀分布。由此有时形成一用于喷入所述尿素水溶液的狭窄的控制窗。尤其考虑到现代内燃机废气的高动态的流动情况以及变化的气温情况，这种控制窗不总是可以利用技术上和经济上合理的花费进行可靠调节。由此在现有技术中已研发出各种混合装置。

例如，DE102007052262A1中描述了一用于混合和/或蒸发还原剂的装置。在此，一混合器或蒸发器布置在整个废气通道横截面上，在所述废气通道横截面中导流元件位于正交的栅极支杆上。所述还原剂沿废流动方向被加入并且部分地被添加到所述导流元件的引导平面上。由此会避免部分束的射穿并且实现尿素水溶液的均匀分布，而不会在废气通道内壁形成壁膜。同时通过蒸发的反应剂实现氮氧化物几乎完全的转化。在这种装置中，不利的是，必须为还原剂构成碰撞平面，所述碰撞平面横向于所述废气流并且由此引起一显著的压力损失。此外还原剂被强迫沉积，由此产生了在所述混合装置上构成化学上非常稳定的壁膜、团聚体等等的危险。尤其当所述混合装置过冷或过热时，会构成所述不期望的化学上非常稳定的晶体，所述晶体在所述废气系统的条件下实际上不再能够被清除。

在另一已知的用于避免上述问题的对策中，混合通过喷嘴几何形状或喷嘴装置实现。由US2011/0067385A1可知，喷嘴开口基本上逆着废流动方向定位。由此可直接产生涡流，所述涡流促进废气和还原剂的混匀。此外，对于很多操作状态可以确保，所述还原剂的滴在沉积到通道内壁之前由被废气流带走。在这种装置中，不利的是，必须要避免通过废气颗粒和/或尿素反应物在喷嘴开口上形成沉积，这会堵塞喷嘴。此外，尽管所述装置是有利的，通常仍然需要对喷射时间点和/或喷射压力进行高动态控制。

更进一步，通过涡轮产生器或湍流产生器能够改进还原剂和废气在喷嘴前方或喷嘴后方的混合。在该变型方案中，通常通过横向于流动方向定位的导流板形成所述湍流产生器。由此明显增大了所述废气的背压。例如WO2008/061593A1或US2007/0101703A1公开了这种设想。

发明内容

由此出发，本发明的目的在于至少部分地克服由现有技术已知的缺点。尤其旨在提供一种混合装置，利用所述混合装置废气和添加剂彼此充分混合，并且在以液态加入尿素水溶液的情况下，同时避免尿素反应物沉积在所述混合装置或所述废气引导装置内侧上。此外，应避免—如由现有技术中已知的那样—由于混合装置的高流动阻力引起的背压(壅塞回流)。在此处事先说明，推荐的混合装置也同样适合于其他添加剂(例如水、燃油、气体等)，并且因此不应被限制在利用尿素水溶液的应用上。

所述目的通过具有权利要求1所述特征的、用于混合添加剂与废气流的混合装置达到。有利的改进设计为从属权利要求的主题。应注意，在权利要求中被引用的特征能够以任意技术上有意义的方式相互组合，并且产生本发明其他的实施方式。补充地，在说明书中被说明和/或在附图中被示出的特征和功能可考虑用于进一步描述本发明的特性，由此可产生本发明其他的优选的设计方案。

本发明涉及一种用于将添加剂与废气流混合的混合装置，其中所述混合装置包括至少一个溢流平面，所述溢流平面布置在废气管道的混合段中。所述废气管道具有一横截面及一废气流的主流动方向。所述至少一个溢流平面布置在混合段中心并且沿着废气流的主流动方向定向。同时在溢流平面中设置有多个封闭的凹部。

所述用于将添加剂与废气流混合的混合装置用于将添加剂—例如上述还原剂中的一种—尽可能均匀地分布在废气流中。所述废气管道形成了废气设备的一部分，所述废气设备连接在一(移动的)内燃机上。在该废气管道中形成一混合段，在所述混合段中进行添加剂与废气流的混合或为添加剂与废气流的混合产生湍流。所述混合段尤其布置在一SCR催化器或一水解催化器的上游。所述废气管道的横截面为垂直于所述主流动方向的混合段区域中的废气管道的可穿流平面。所述废气流的主流动方向通常表明所述废气流的经过较长时间间隔观察到的流向，即，从内燃机至废气管道的出口的方向。所述至少一个溢流平面的主要特征在于，废气不会穿过该溢流平面，而是基本上沿着该溢流平面流动和/或沿着该溢流平面被引导。多个溢流平面可以布置在所述混合段中，其中所述溢流平面优选相互平行和/或平行于主流动方向定向。溢流平面的数量可有利地保持得较低，优选地，所述溢流平面的数量少于5，尤其优选地，该数量最高为3、2或1。所述至少一个溢流平面布置在混合段中央。在这种情况下，“中央”应尤其如此理解，即所述(多个)溢流平面居中地布置在所述废气的质量流中和/或所述废气管道中，以至于质量流尽可能均匀地被所述溢流平面影响。

在所述至少一个溢流平面中形成多个封闭的凹部。凹部因此尤其仅对排气端开放。凹部优选地仅表现为溢流平面的局部受限的变形。在任何情况下，凹部都不能形成可以使废气穿流的开口、气孔和/或通道，尤其不能穿透溢流平面。凹部可以以凹坑的形态在流动方向划出一圆弧段或者一椭圆段，甚至形成一球形段或者一椭圆体段。但它也可以以一具有基本圆形侧表面的圆柱体的形式，也就是说具有同样椭圆形或任一弧度的底面，被形成。凹部也可以由任何其他几何形状所构成。凹部的特征尤其在于，它由溢流平面的一开放平面、封闭的侧壁和一封闭的底面所组成。同时，所述侧面、底面以及其余的溢流平面相互齐平，以至于任何废气流都不可能通过(闭合时)。对此凹部的各个段可以流动地过度为彼此，就像例如存在于一球段中一样。

凹部数目尤其如此选择，以至于这些凹部还相互间隔(尤其是在主流动方向上)。当各个凹部间具有不同间隔时，优选地，沿主流动方向至相邻凹部的间隔最大。然而尤其应该适用的是，溢流平面应至少50％，尤其是的至少80％由凹部构成。

由上述的混合器装置得到的优点在于，所述流过溢流平面的废气流在多个凹部中至少一个的区域中具有如下性能：

流过来的或进入混合段的废气(具有添加剂)有明显的流动轮廓，所述流动轮廓可以以层状和/或涡流状态存在。所述流动轮廓的特征主要在于，流动轮廓内的压力差较小，尤其可以忽略地小。若所述流动轮廓到达一凹部，压力通过横截面延伸部至少局部下降。流动轮廓由流束形成。在层流情况下，这种流束显示了一单个废气分子的路径。在涡流情况下，所述流束显示了废气分子的彼此对应地走向的统计学上平均的路径。所述与溢流平面具有较小间隔的流束，会在到达横截面扩展部时遵循凹部的走向。由于惯性，一未被流过的区域保持在所述凹部的进入区域中。所述未被流过的区域形成了与倾斜流相比较的一负压。这种的负压区域反过来吸引了流束的一部分，以至于流束逆着所述流入的流动轮廓的流动方向被偏转。所述进一步沿主流动方向流动并且到达闭合凹部的端部的流束，以一偏离到所述流动轮廓的角度被引导回主流动。流束因此在凹部的起始区域和/或底端区域偏转，以至于流束以一偏离的角度(例如30°到150°)撞击在流动轮廓的其余流束上。由此，会产生一横向于主流动方向的脉冲。因此当一层流存在时，所述流动由于脉冲，最迟在多数被溢流经过的凹部之后转变为湍流。如开头所提到的，在层流中通过废气分子平行的流动在不同的流束上基本上只进行废气分子的扩散的交换。这种流动不适用于废气分子和添加剂分子或添加剂液滴的混匀。因此，一涡流(至少部分确定地)存在于溢流平面的一最小段后，目前是有利的。

此外，横向脉冲在湍流中通过逐次越过每个凹部增加。这意味着，这些分子(增强地)朝主流动方向横向运动并因此分布在废气流中。这一效果尤其通过在凹部的起始区域和底端区域出现一涡流和涡迹增强，所述涡迹相对于流动轮廓的非偏转部分的其他流入非常稳定，优选为层流。这种涡流或这种涡迹因此导致废气流中的横向脉冲部分的空间上的延续。用于感应湍流、涡流或涡迹的混合装置的一特殊优点在于，废气偏转发生在混合装置中的可通流平面的横截面扩展部的一区域中。也就是说，首先产生一负压，由于所述负压，压力重新提升到先前的水平。局部压力提升仅通过横向流动的流束，或废气流分子产生。

与前述利用相对于主流动方向横向布置的引导平面形成的湍流产生器不同，不会由于横截面变窄通过对涡流和横向流动的流束的感生而产生显著的压力提升。通过沿着废气流的主流动方向定向的溢流平面也仅导致一较低的压力提升。所述压力提升以溢流平面具有一结构高度为基础，所述结构高度使废气管道横截面变窄或发生变化。然而所述效果能够通过溢流平面区域中的废气管道横截面相应扩展而被减少。由此，相比于混合段外的废气管道，流动横截面能够保持恒定或甚至被扩展。进一步应该注意，由于溢流，产生沉积的可能性很低。因此所述废气流可以与所述添加剂很好地混匀，而同时不会在废气中造成过度的反压力。

在所述混合装置的另一个有利的实施方式中，所述至少一个溢流平面由单件板(单体件式板)形成。尤其优选的，两个溢流平面由一个单件板形成。也就是说，单件板的两侧有多个封闭的凹部，废弃沿着所述凹部流过。在一非常简单的方案中，所述板平行地和/或集中地相对于混合段中的废气管道的壁形成。但是，优选地，所述板平行于废气流的主质量流或主流动方向形成。所述单件板在主流动方向上基本上是扁平(平坦)的。也就是说，一直接流入的流束为了流过所述板必须划出的角度为钝角，优选地高于175°。同时，所述板为了避免局部压力提升也可以形成一溢流平面，所述溢流平面形成一流动最佳的轮廓。进一步地，所述板被形成为滴状和/或翼状，其中，定向对应于方向舵或空挡的飞机或轮廓。若混合装置由多个溢流平面构成，所述多个单件板被如此有利地布置，以至于基本上在混合段不会导致气流横截面变窄。

在上述的混合装置的另一有利的实施方式中，所述溢流平面没有突起。这尤其意味着，在所述溢流平面中没有构成伸入废气流中的引导平面。由此尤其导致，通过所述溢流平面在任何位置首先都不会产生压力提升以及之后的压力下降。但是也不意味着，所述溢流平面必须强制地构成一平坦的平面，而是所述溢流平面可以具有例如一突出的曲面，该曲面允许流入的废气流有规律地不会中断流动地跟随着所述溢流平面的走向。换句话说，所述溢流平面未设置这样的突起，该突起侵入流动横截面以至于其产生了局部涡流。

在上述的混合装置的另一有利的实施方式中，所述板具有一厚度，所述厚度最大对应于所述凹部的最大深度的1.5倍。为了保持板的流动阻力尽量低，然而仍需保持板足够的稳定性，所述稳定性被凹部减弱，板应当最大比凹部厚50％。尤其优选的，凹部的最大深度为2毫米到8毫米。凹部的最大深度越低，湍流和涡流就越平缓地被导入废气流中。凹部开口的(最大的)对角线或凹部的直径优选地为10毫米到20毫米。板的材料应如此选择，以至于所述材料能够持续承受机械负荷和高动态废气流的高温度波动。由于较低的由板感生的反压力，材料的厚度—也就是板的厚度—可以被选择得明显比对于前述混合装置的流束引导面中的更薄。所述板的材料也不必选择成使所述材料对尿素或尿素反应物在化学上具有抵抗性，因为在所述混合装置上沉积以如此程度形成，以至于导致所述板的损坏的这种情况已被排除。

在上述的混合装置的另一有利的实施方式中，所有板的厚度的总量最大占废气管道横截面的5％。与前述通过其对于废气流的流动方向的横向定向占据所述废气管道横截面的大部分平面部分的导流面相反，所述混合装置具有仅仅占据废气管道横截面的一较小部分的可能。在所述废气管道中的流动横截面尤其对于混合段中的区域可以保持恒定。这可以通过为了使流动轮廓的惯性被承受，混合段区域中的废气管道的横截面扩展了所有所述板的厚度的总和，或更多来得到实现。尤其适用的是，给定的极限值适用于所述混合段内部的每一横截面上的混合装置，尤其超过所述溢流平面的总长度。

在上述的混合装置的另一有利的实施方式中，这些凹部分别与所述溢流平面构成一至少部分锋利的边缘。这表示，一相对于溢流平面的边缘特别在凹部的进入区域形成，所述边缘未被液压倒圆，并且因此溢流平面的走向的突然的变化之前邻近的流束不能遵循该边缘。由此，流动的偏转特别有效，因为使流束偏转的负压部分较大并且因此很有影响。边缘的锐度优选地可与所述凹部开口的延展和液体浓度一致，从而避免了在所述加入了添加剂的流动状态中，一凹部未被注意地被流过并且因此变得无用。

在本发明的范围内，还提供了一种机动车，所述机动车具有一内燃机和一连接到所述内燃机上的废气设备。所述废气设备包括一根据按照本说明书的混合装置。这种机动车具有的优点是，内燃机仅仅需要克服一强烈下降的反压，因此所述内燃机更多的功率可用于所述机动车的其他功能，尤其用于驾驶。因此在机动车中的内燃机功率相等的情况下，会实现一更高的有效作用系数或者在取得相同驾驶效率的情况下能源消耗更低并且因此也实现更低的温室气体的排放。

特别优选的，在废气设备的操作中，溢流平面中的凹部产生一流动阻力，所述流动阻力少于混合装置的流动阻力的5％，优选地少于1％。若在所述机动车中安装一不具有凹部或具有填满的凹部的混合装置，与所述在同一机动车中安装的混合装置比较，结果表明，相对于不具有凹部的溢流平面，流动阻力系数仅产生了5％，优选少于1％。然而当密封的溢流平面导致具有添加剂与废气流几乎没有混匀时，通过所述混合装置可实现废气流与添加剂的高效混合。

为了测试该规格，可以准备一具有相应规定内燃机和废气设备的机动车，其中使用不具有有效的凹部的中央溢流平面。随后可以执行典型的行驶循环(例如FTP等)并确定溢流平面的平均压降/流动阻力。随后，重复该测试，然而其中封闭的凹部是有效的或设置有这样的凹部。如果用于增大的、上述给出的极限值未被超出，则找到用于具体的应用的根据本发明的混合装置的特别好的实施方案变型。然而如果极限值被超过，则(至少部分地)尤其减小凹部的数量，增大凹部彼此之间的间距，增大凹部的边缘锐度和/或减小凹部的大小。

总之，本发明提出了一种极有效的混合装置，其实现了添加剂和废气流的极有效的混合并同时仅产生小的流动阻力。

附图说明

下面将参照附图进一步对本发明以及技术领域进行说明。附图示出特别优选的实施例，然而本发明不局限于这些实施例。附图是示意性的且相同的部件使用相同的附图标记，附图示出：

图1示出了一具有内燃机和废气设备的机动车；

图2示出了一具有凹部的溢流平面；

图3示出了一在板中的截球形凹部；

图4示出了一在板中的圆柱形凹部；及

图5示出了一在板上的多个凹部的装置。

具体实施方式

图1示出具有一内燃机15及一废气设备16的机动车14。所述内燃机15优选为一柴油发动机或一稀燃运行的(具有过量空气)汽油发动机。废气设备16中的废气流3在该例子中首先流过(溢出)第一废气净化元件20并且在流经混合段5后流过第二废气净化元件21。在该例子中，一喷油嘴19直接连接到与第一废气净化元件20连接的接口上，所述喷油嘴将添加剂2加入废气流3中。板10布置在邻接的混合装置1中，所述板沿着所述废气流3的主流动方向8定向。该装置是一优选的在现有技术中建立的装置，然而所述装置并不对本发明思路的构成限制。在混合段5的区域中的废气管道6具有一横截面7。在该例子中可很好地认识到，所述混合装置1的板10如此布置，以至于废气流3的主流动方向8没有出现偏转。特别优选地，所述第一废气净化元件20为颗粒过滤器(净化器)和/或氧化催化器。所加入的添加剂2特别优选地为一尿素水溶液。此外，所述第二废气净化元件21包含一选择性还原催化器(SCR催化器)。但原则上，所述第一废气净化元件20布置在混合段5中或后面也是可能的。

图2详细示出一具有凹部9的溢流平面4。流入的废气在溢流平面4处形成一流动轮廓22。该流动轮廓22沿着主流动方向8定向。所述凹部9为碗形、坑形等等，并且与其余的溢流平面4构成了一锋利边缘13。通过流束的惯性在所述凹部9的进入区域从流动轮廓22中产生一负压区域17，所述流束在此处被示意性描绘为具有一第一流束25及一第二流束26。因此第一流束25如此偏转，以至于第一流束25与所述主流动方向8相反地定向。在所述凹部9的端面上，相对于主流动方向8具有横向部分的第二流束26从凹部9中再次逸出。在第二流束26的流程中，该第二流束26始终包含一沿着主流动方向8定向的流动部分。在从凹部9中逸出时，一涡流18或一涡街通过属于其余的流动轮廓22的流束26的横向部分被感应引起，所述涡流18或涡迹显示出一平稳的流动状态，所述流动状态通过对流动轮廓22的高脉冲影响引起所述废气与所述添加剂2(未示出)的良好的混匀。

图3以剖面图示出在一板10中的凹部9的另外一可能的实施方式。在该情况下，凹部9构成了一具有直径23和旋转轴24的截球形。该截球形与所述溢流平面4构成了一锋利边缘13。凹部9具有一最大深度12，所述最大深度在该例子中约为板10的厚度11的三分之二。

图4也示出了在一板10中的凹部9的方案。在这种情况下，凹部9构造为圆柱形并且具有一直径23及一旋转轴24。该凹部9也和所述溢流平面4构成一锋利边缘13。在该例子中，最大深度构成了凹部9的总截面并且约为板10的厚度11的60％。然而为了实现发明构思，也可以为凹部9选择任何其他的参数，其中，可达到如例如在图2中所示的流动效果并且技术消耗保持在尽量低的水平。

图5中以俯视图示出板10，在所述俯视图中多个凹部9一个接一个地相互间隔布置。所述凹部9同时并不像图5的例子中所示严格地以相互间固定的间隔布置，而是可以随意插入板10。但是尤其有利的是，所述间隔是均匀的，并且选择成尽可能高效地达到对所述流动的作用，例如像在图2中所示的。所述板10同时不必如图5所示一样平坦并且扁平，而是可以选择其他自由形状并且尤其选择为具有一较低的流动阻力系数的流动轮廓。所述板10的板状也可以匹配于横截面7(参见图1)。

为了对于本发明的理解和对本发明更准确的说明，也可考虑对于附图的说明也独立于具体描述的实施方案。

本发明因此至少部分解决了相关于现有技术所描述的技术问题。尤其提出一种混合装置，所述混合装置实现了废气流与添加剂—尤其是滴状加入的尿素水溶液—的有效混匀，而同时不产生高流动阻力。

附图标记列表

1 混合装置

2 添加剂

3 废气流

4 溢流平面

5 混合段

6 废气管道

7 横截面

8 主流动方向

9 凹部

10 板

11 厚度

12 最大深度

13 锋利的边缘

14 机动车

15 内燃机

16 废气设备

17 负压区域

18 涡流

19 喷嘴

20 第一废气净化元件

21 第二废气净化元件

22 流动轮廓

23 直径

24 旋转轴

25 第一流束

26 第二流束。

Claims (7)

1.用于将添加剂(2)与废气流(3)混合的混合装置(1)，其中，所述混合装置(1)包括至少一个溢流平面(4)，该溢流平面布置在废气管道(6)的混合段(5)中，所述废气管道(6)具有一横截面(7)和废气流(3)的一主流动方向(8)，

其特征在于，

所述至少一个溢流平面(4)布置在所述混合段(5)的中央并且沿着所述废气流(3)的主流动方向(8)定向，其中，在所述溢流平面(4)中设有多个封闭的凹部(9)。

2.根据权利要求1所述的混合装置(1)，其中，所述至少一个溢流平面(4)借助于单件式板(10)构成。

3.根据权利要求1或2所述的混合装置(1)，其中，所述溢流平面(4)没有突起。

4.根据权利要求2或3所述的混合装置(1)，其中，所述板(10)具有一厚度(11)，所述厚度最大相当于所述凹部(9)的最大深度(12)的1.5倍。

5.根据权利要求2至4之一所述的混合装置(1)，其中，所有板(10)的厚度(11)的总和最多占所述废气管道(6)的横截面(7)的5％。

6.根据前述权利要求之一所述的混合装置(1)，其中，所述凹部(9)各自与所述溢流平面(4)构成一至少部分锋利的边缘(13)。

7.机动车(14)，具有内燃机(15)和连接到该内燃机(15)的废气设备(16)，所述废气设备具有根据权利要求1至6之一所述的混合装置(1)。