CN104329142A - 多级板式混合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的废气设备的混合和/或蒸发装置，包括一个支承体（19），该支承体在周边方向上包围所述装置（12）的横向于装置（12）轴向方向（20）延伸的、扁的可通流横截面，所述支承体（19）具有两个彼此相对置的长的侧壁（21、22）和两个彼此相对置的短的侧壁（23、24），所述短的侧壁分别将两个长的侧壁（21、22）彼此连接，至少在一个长的侧壁上至少在一个轴向端部（26、27）上设置多个导向叶片（25），所述导向叶片向另一长的侧壁（21、22）方向突起并且相对于轴向方向倾斜，并且在至少一个长的侧壁（21、22）上设置在轴向方向上与一个轴向端部（26）隔开距离（s）的附加导向叶片（29）。

Description

多级板式混合器

技术领域

本发明涉及一种用于尤其是机动车的内燃机的废气设备的混合和/或蒸发装置。本发明还涉及一种装有这种装置的废气设备以及一种装有这种装置的SCR催化器。

背景技术

通常，内燃机的废气设备装有用于净化或后处理由内燃机排出的废气的装置。在此可需要将液态离析物加入废气流中、在废气流中蒸发离析物并使其与废气混合。例如可需要在氧化催化器上游向废气流中混入燃料，以便通过燃料在氧化催化器中的放热反应来加热废气流。然后被加热的废气流可在氧化催化器下游用于将另一废气后处理装置如另一催化器或颗粒过滤器加热到运行温度或者说再生温度上。另外已知SCR系统，其以选择性催化还原法工作并且装有SCR催化器，SCR催化器吸收废气流中的NO_X。在SCR催化器上游向废气流中供应适合的还原剂如氨或尿素、优选尿素水溶液。在SCR催化器中氨使得结合的氮氧化物转化成氮气和水。

对于所有以液态形式被供应到废气流中的离析物而言，只有在液态离析物的输入位置和离析物的消耗位置之间实现离析物的充分蒸发和气态离析物与废气流的充分混合，才能令人满意地达到希望的效果。为此目的，使用开头提到的混合和/或蒸发装置，该装置在废气流动路径上设置在离析物的输入位置和离析物的消耗位置之间。

发明内容

本发明所要解决的任务是，为开头所提类型的装置或装有该装置的SCR催化器或装有该装置的废气设备提供一种改进的或至少是另一种实施方式，该实施方式的特定在于更简单和因此更廉价的结构，另外力求更小的流动阻力或者说背压以及离析物与废气的更好的混合。此外，在废气设备壁上积聚成壁膜的液态离析物可重新被导回废气流。

该任务在本发明中尤其是通过独立权利要求的技术方案来解决。有利的实施方式为从属权利要求的技术方案。

本发明所基于的基本思想在于，为混合和/或蒸发装置装配支承体，该支承体在周边方向上包围所述装置的横向于装置轴向方向延伸的、扁的可通流横截面。支承体因此定义细长的或者说扁的横截面，而非圆形横截面，因而支承体具有两个彼此相对置的长的侧壁和两个彼此相对置的短的侧壁，短的侧壁分别将两个长的侧壁彼此连接。通过根据本发明提出的具有扁的横截面的支承体的方案，可至少在一个长的侧壁上设置多个导向叶片，所述导向叶片向另一长的侧壁方向突起并且相对于轴向方向以一个迎角倾斜。

通过该结构方式，导向叶片横向于轴向方向延伸并且另外既横向于轴向方向又横向于其纵向方向并列设置。该装置的轴向方向在此相应于废气通过装置的主流动方向。该主流动方向在此不考虑可通流横截面中的流动转向、横向流动、回流、漩涡和类似情况。因此，在相应的长的侧壁的相应的轴向端部上形成一排并列设置的、尤其是彼此平行延伸的导向叶片，所述导向叶片分别引起向一个短的侧壁方向的流动转向。

一方面，直线的导向叶片排的导向叶片为在其上游被加入废气流中的液态离析物提供相对大的碰撞面，使得所述液体可碰撞到导向叶片上并在其上蒸发或者说通过碰撞被分为更小的液体。另一方面，导向叶片引起强烈的流动转向，这促进已蒸发的离析物和废气流混合。

为了减小上述混合和/或蒸发装置的背压并且为了改善离析物和废气的混合，可在装置的轴向方向上设置多个导向叶片或导向叶片排.因此在长的侧壁的相应的轴向端部上设置导向叶片排并且附加地在导向叶片排之间、例如在轴向方向上在两个轴向端部之间中心处设置附加导向叶片排。所述附加导向叶片排可围绕平行于轴向方向延伸的轴线弯曲或者相对于轴向方向以一个迎角倾斜。

通过在设置于轴向端部上的导向叶片之间设置附加导向叶片可实现一个附加的过程级，在该过程级中已蒸发的液体或尚存的液滴再次被形成漩涡并且强烈地与废气流混合。另外，尚未蒸发的液滴碰撞到附加导向叶片上并且在其上蒸发。通过这种方式改善了整个装置的效率，由此可在相同的混合下总体上减少导向叶片的数量或导向叶片总体上伸入废气流中的碰撞面。因此可进一步降低背压。

上面描述的“扁”的可通流横截面的特征在于，该横截面在一个垂直于轴向方向延伸的第一方向上的直径大于在一个垂直于轴向方向并且垂直于第一方向延伸的第二方向上的直径。尤其是该直径在收缩一个方向上可至少两倍于在另一方向上。由此排除了圆形横截面，而椭圆形横截面也可以是扁的。术语“长”和“短”在此不能理解为绝对的，而是相对的，即长的侧壁在周边方向上长于短的侧壁。根据装置的可通流横截面的几何形状，长的侧壁适宜是平面的，而短的侧壁则适宜是弯曲的。

根据一种特别优选的实施方式，附加导向叶片从其所在的侧壁以锐角突起并且围绕平行于轴向方向延伸的轴线弯曲。

通过这种实施方式，废气流在支承体内被置于旋转或形成漩涡，由此离析物与废气特别密集地混合。另外尚未蒸发的液滴可碰撞到附加导向叶片上并在其上蒸发。

根据另一种有利的实施方式，这样选择附加导向叶片的长度，使得附加导向叶片的自由端部超出于在长的侧壁之间在中心处延伸的纵向中心平面。

通过这种方式可以少的附加导向叶片获得大的废气流流动横截面并且在设置于轴向端部上的导向叶片之间的区域中使离析物和废气很好地混合。

根据另一种有利的实施方式，这样在相对置的侧壁上分别设置两个附加导向叶片，使得所述附加导向叶片在轴向方向上与相应的侧壁的轴向端部隔开相同距离。

通过这种方式设置在不同侧壁上的两个导向叶片在流动方向上在相同高度上相对置并且可构成一个导向叶片对，该导向叶片对在形成特定流动条件和尤其是旋转流动区段或者说漩涡时共同作用。

在另一有利的实施方式中，沿至少一个长的侧壁在一个轴向端部上横向于轴向方向这样相互设置多个导向叶片，使得最靠近短的侧壁的导向叶片在轴向方向上与相对置的轴向端部的距离大于横向于轴向方向分别更靠近支承体中间设置的导向叶片与相对置的轴向端部的距离。

横向于流动方向的导向叶片表面因此在支承体的上游侧构成支承体的可透过废气的凹入的外表面。因此在支承体的相同的可通流横截面下可在废气流中设置更多的导向叶片或更大的碰撞面。

根据另一种有利的实施方式，附加导向叶片从该长的侧壁基本上垂直地突起并且向相应相对置的壁方向延伸，所述附加导向叶片相对于轴向方向倾斜。

通过导向叶片和附加导向叶片的直线设计，废气流在支承体中不旋转，但在此可通过依次相继的导向叶片排级实现更好的混合。由于避免废气流在支承体中旋转，可减少混合和/或蒸发装置的流动阻力或者说背压。

在另一有利的实施方式中，在至少一个短的侧壁上设置一个另外的导向叶片，所述另外的导向叶片以锐角从该短的侧壁上突起并且围绕垂直于在各长的侧壁之间在中心延伸的纵向中心平面延伸的轴线弯曲。

当废气从直线运动转向时，基于作用于被加入废气流中的或由其携带的液滴的离心力，液滴可被甩到废气设备壁上并且在那里形成液态离析物壁膜。在支承体的短的侧壁上的另外的导向叶片可使液体壁膜离开壁并重新回到废气流中。另外，所述伸入废气流中的另外的导向叶片使流动过程在该区域中重新定向，因而可实现更好的混合和流动分布的优化。通过这种方式提高了混合和/或蒸发装置的效率。

根据另一种有利的实施方式，所有导向叶片一体成型于相应的侧壁上。通过这种方式导向叶片和侧壁可特别简单且廉价地例如被制造为由金属板件构成的冲压和成型件。

在另一种有利的实施方式中，所有侧壁一体成型于支承体上。通过这种方式整个装置可特别简单且廉价地由由金属板件构成的冲压和成型件制成。

根据本发明的废气设备包括至少一个SCR催化器、一个具有至少一个用于将还原剂在SCR催化器的上游供应到废气流中的喷射器的还原剂供应装置和至少一个上述类型的混合和/或蒸发装置，所述混合和/或蒸发装置设置在所述至少一个喷射器和所述至少一个SCR催化器之间。

相反，根据本发明的SCR催化器包括一个在其中设置至少一个SCR催化器元件的壳体和至少一个上述类型的混合和/或蒸发装置，所述混合和/或蒸发装置在SCR催化器的壳体中设置在所述至少一个SCR催化器元件的上游。

本发明的其它重要特征和优点由从属权利要求、附图和有关附图说明给出。

当然，本发明的上述特征不仅可在所说明的组合中，而且也可在其它组合中或单独被使用，而不离开本发明的范畴。

附图说明

在附图中示出并且在下面的说明中详细解释本发明优选的实施例，其中相同的附图标记用于相同或相近或功能相同的构件。附图如下：

图1为具有废气设备的内燃机的高度简化的线路图形式的原理图；

图2为SCR催化器的高度简化的线路图形式的视图；

图3为在不同实施方式A和B中SCR催化器6沿图2的切线III的横截面；

图4为混合和/或蒸发装置的一种实施方式的等轴图；

图5为图4所示的实施方式的俯视图；

图6为沿图5的切线IV的剖面图；

图7为混合和/或蒸发装置的另一种实施方式的等轴图；

图8为混合和/或蒸发装置的另一种实施方式的等轴图。

具体实施方式

根据图1，内燃机1以常见方式包括一个具有多个气缸3的发动机缸体2。新鲜空气装置4为发动机缸体2的气缸3供应新鲜空气。相应的新鲜空气流在此通过箭头11示出。废气设备5在内燃机1运行时将燃烧废气排出发动机缸体2的气缸3。另外，废气设备5进行废气净化或者说废气后处理。为此，废气设备5设有至少一个SCR催化器6，该SCR催化器以适合的方式连接到废气设备5的排气管路7中。SCR催化器在此也可构造为颗粒过滤器或柴油颗粒过滤器，其设有相应的涂层。另外，废气设备5具有一个还原剂供应装置8，该还原剂供应装置具有至少一个喷射器9或管9，借助其可向废气流10中加入还原剂，废气流在内燃机1运行时在排气管路7中流动并且通过箭头示出。向废气流10中喷射液态还原剂在此在SCR催化器6的上游进行。

另外，废气设备5还包括至少一个混合和/或蒸发装置12，该混合和/或蒸发装置在下面简称为装置12。装置12在此在排气管路7中设置在喷射器9和SCR催化器6之间，因此带有被供应的还原剂的废气首先必须流经装置12，在该混合物到达SCR催化器6之前。

与此不同，图2示出一种实施方式，在其中SCR催化器6和装置12构成一个集成单元。为此在SCR催化器6的壳体15中设置至少一个SCR催化器元件16，另外在壳体15中在SCR催化器元件16上游设置装置12。因此装置12和SCR催化器元件16设置在一个共同的壳体15中。

在图2的例子中，壳体15具有一个进入漏斗17和一个排出漏斗18，并且装置12和SCR催化器元件16设置在两个漏斗17、18之间。

根据图3A和3B，壳体15至少可在装置12的区域中具有扁的横截面，相应的装置12匹配该横截面。图3A示出一种实施方式，在其中壳体15的可通流横截面通过一个唯一的装置12填满。与此不同，图3B示出一种实施方式，在其中壳体15的可通流横截面通过两个并列设置的装置12填满。这也适用于装置12在排气管路7中的设置，因而在区域13中也可并列设置至少两个装置12，以便填满排气管路7的可通流横截面。

由于装置12的可通流横截面是扁的，所以支承体19具有两个彼此相对置的长的侧壁21、22以及两个同样彼此相对置的短的侧壁23、24。短的侧壁23、24在此分别连接两个长的侧壁21、22。

另外，装置12设有多个导向叶片25，所述导向叶片在此分别从所述长的侧壁21、22之一向另一长的侧壁21、22方向突起并且在此在装置12或者说支承体19或者说相应长的侧壁21、22的一个轴向端部26、27上突起。当废气流相应于箭头10定向时，首先被流过的第一轴向端部26构成流入侧，其在下面也以26标记，而另一轴向端部27则构成流出侧，其在下面也以27标记。

导向叶片25分别笔直以及彼此平行地延伸。另外在在此所示的实施方式中，导向叶片25分别构造成平面的。另外，导向叶片相对于轴向方向20倾斜。在所示例子中，导向叶片25相对于轴向方向20的迎角在常见的制造公差范围中分别为45°。

导向叶片25横向于轴向方向20延伸并且另外横向于其纵向延伸并且横向于轴向方向20并列设置在一排中，其又可称为叶片排28。

在图4至8所示的实施方式中规定，在两个长的侧壁21、22上至少在一个轴向端部26、27上分别设置导向叶片25，所述导向叶片向另一长的侧壁21、22方向突起。在在此所示的实施方式中，由此在相应的轴向端部26、27上、即在流入侧26或在流出侧27上分别设置两个并列设置的、彼此平行延伸的叶片排28。例如在此这样确定相对置的导向叶片25的大小，使得其从所属长的侧壁21、22起延伸至纵向中心平面，该纵向中心平面在两个长的侧壁21、22之间的中心处延伸。作为替换方案，也可想到这样的实施方式，在其中可以仅在一个长的侧壁21上或仅在一个轴向端部26上设置导向叶片排28。

在另一种替换的实施方式中，两个长的侧壁21、22的导向叶片25向另一侧壁21、22方向延伸，直到一个长的侧壁21的导向叶片25伸入另一侧壁22的相邻的导向叶片25之间的空隙中，从而最终形成一个共同的导向叶片排28，其由两个长的侧壁21、22的导向叶片25构成，并且在该共同的导向叶片排28内两个长的侧壁21、22的导向叶片25相互交替。

在在此所示的实施方式中，分别这样设置并确定导向叶片25的大小，使得导向叶片与相应的长的侧壁21、22——所述导向叶片从其延伸而出——隔开地自由终止或者说具有一个自由端部31。因此，所示实施方式的导向叶片25尤其是与相对置的长的侧壁21、22无接触并且与另外的导向叶片25无接触。

如在图4-8的实施方式中可看出，在两个轴向端部26、27上设置导向叶片25，这些导向叶片可在相同或相反方向上倾斜于轴向方向20。设置在同一轴向端部26、27上、但位于相对置的长的侧壁21、22上的导向叶片25在所示实施方式中相反地倾斜于轴向方向20。换言之，在流入侧26和/或流出侧27上构造在一个长的侧壁21上的叶片排28的导向叶片25与构造在另一长的侧壁22上的另一叶片排28的导向叶片25相反地倾斜于轴向方向20。

在图4-6所示的一种实施方式中，在两个长的侧壁21、22上在与一个轴向端部26在轴向方向20上隔开距离s处设置附加导向叶片29。所述附加导向叶片从相应的长的侧壁21、22以锐角α突起并且围绕平行于轴向方向20延伸的轴线这样弯曲，使得其自由端部31基本上朝向相对置的长的侧壁。在该实施方式中，附加导向叶片29不倾斜于轴向方向20，因为通过附加导向叶片29的弯曲的延伸实现废气流的转向。基于导向叶片25的倾斜，废气流在支承体19内并非层状地平行于轴向方向20，而是以不同角度流动或者说形成漩涡。因此废气流的各个区域这样碰撞到附加导向叶片29的弯曲的表面上，使得形成两个围绕平行于轴向方向20延伸的轴线旋转的流动。通过这种方式可使离析物和废气流极好地混合。

另外，在图4－6所示的实施方式中，在短的侧壁23、24设置另外的导向叶片30。这些导向叶片从短的侧壁23、24以锐角β突起并且在流动方向上围绕垂直于轴向方向20并且垂直于在长的侧壁21、22之间在中心处延伸的纵向中心平面的轴线这样弯曲，使得所述另外的导向叶片向相对置的短的侧壁23、24方向突起。通过所述另外的导向叶片30由附着在废气设备壁上的液滴构成的液态离析物壁膜在此可重新被导回废气流中。

在图7所示的实施方式中，附加导向叶片29构造成直的，而不是弯曲的，所述附加导向叶片相应于导向叶片25基本上垂直地从长的侧壁21、22上突起并且相对于轴向方向20倾斜。相应的附加导向叶片29的迎角在此分别反向于相应上游的导向叶片25。通过这种方式在支承体19内形成一个附加的混合级，在此尚未被蒸发的液滴碰撞到倾斜的导向叶片表面上并且在其上被分成或蒸发成更小的液滴。

在图8中示出另一种实施方式，在其中导向叶片排28在上游的轴向端部26、27上相对于支承体19凹入地延伸。换言之，支承体19外侧上、即最靠近短的侧壁23、24设置的导向叶片25在废气流中与还原剂供应装置8的距离最短。相反，更靠内侧的、即更加远离短的侧壁23、24设置的导向叶片25与还原剂供应装置8的距离较大。通过这种设置可在相同的支承体可通流横截面的情况下在废气流中设置更多的导向叶片或更大的导向叶片25碰撞面。

在所描述的实施例中，支承体19是金属板成型件，其一体地包括四个侧壁21、22、23、24。另外，导向叶片25一体地成型于相应的长的侧壁21、22上，使得最终完整的装置12由一个唯一的金属板成型件制成。在此用伸长的条状金属板坯料来制造，在此首先切出导向叶片25。接着折弯导向叶片25。最后可相应于装置12的扁的可通流横截面弯曲金属带，从而形成支承体19的长及短的侧壁21、22、23、24。坯料的纵向端部可在一个短的侧壁23上相应于连接缝31彼此紧靠地被固定。

Claims (11)

1.一种用于内燃机（1）的废气设备（5）、尤其是用于机动车的内燃机的废气设备的混合和/或蒸发装置，包括一个支承体（19），该支承体在周边方向上包围所述装置（12）的横向于装置（12）轴向方向（20）延伸的、扁的可通流横截面，所述支承体（19）具有两个彼此相对置的长的侧壁（21、22）和两个彼此相对置的短的侧壁（23、24），所述短的侧壁（23、24）分别将两个长的侧壁（21、22）彼此连接，至少在一个长的侧壁（21、22）上至少在一个轴向端部（26、27）上设置多个导向叶片（25），所述导向叶片向另一长的侧壁（21、22）方向突起并且相对于轴向方向（20）倾斜，并且在至少一个长的侧壁（21、22）上设置在轴向方向（20）上与一个轴向端部（26）隔开距离（s）的附加导向叶片（29）。

2.根据权利要求1的混合和/或蒸发装置，其特征在于，所述附加导向叶片（29）从该长的侧壁（21、22）以锐角（α）突起并且围绕平行于轴向方向（20）延伸的轴线弯曲。

3.根据权利要求1至2之一的混合和/或蒸发装置，其特征在于，这样选择附加导向叶片（29）的长度，使得附加导向叶片（29）的自由端部超出于在各长的侧壁（21、22）之间在中心处延伸的纵向中心平面。

4.根据权利要求1至3之一的混合和/或蒸发装置，其特征在于，这样在相对置的侧壁（21、22）上分别设置两个附加导向叶片（29），使得所述附加导向叶片在轴向方向（20）上与相应的侧壁的轴向端部（26、27）隔开相同距离（s）。

5.根据权利要求1至4之一的混合和/或蒸发装置，其特征在于，沿至少一个长的侧壁（21、22）在一个轴向端部（26、27）上横向于轴向方向（20）这样相互设置多个导向叶片（25），使得最靠近短的侧壁（23、24）的导向叶片在轴向方向（20）上与相对置的轴向端部（26、27）的距离大于横向于轴向方向（20）分别更靠近支承体（19）中间设置的导向叶片（25）与相对置的轴向端部（26、27）的距离。

6.根据权利要求1的混合和/或蒸发装置，其特征在于，所述附加导向叶片（29）从该长的侧壁（21、22）基本上垂直地突起并且向相应相对置的壁方向延伸，所述附加导向叶片相对于轴向方向（20）倾斜。

7.根据上述权利要求之一的混合和/或蒸发装置，其特征在于，在至少一个短的侧壁（23、24）上设置一个另外的导向叶片（30），所述另外的导向叶片（30）以锐角（β）从该短的侧壁（23、24）上突起并且围绕垂直于纵向中心平面延伸的轴线弯曲。

8.根据上述权利要求之一的混合和/或蒸发装置，其特征在于，所有导向叶片（25、29、30）一体成型在相应的侧壁（21、22、23、24）上。

9.根据上述权利要求之一的混合和/或蒸发装置，其特征在于，所有侧壁（21、22、23、24）一体成型在支承体（19）上。

10.一种用于内燃机（1）的废气设备、尤其是用于机动车的内燃机的废气设备，包括：至少一个SCR催化器（6）；一个还原剂供应装置（8），其具有至少一个用于将还原剂在SCR催化器（6）的上游供应到废气流（10）中的喷射器（9）；和至少一个根据权利要求1至9之一的混合和/或蒸发装置（12），所述混合和/或蒸发装置设置在所述至少一个喷射器（9）和所述至少一个SCR催化器（6）之间。

11.一种用于内燃机（1）的废气设备（5）、尤其是用于机动车的内燃机的废气设备的SCR催化器，包括一个在其中设置至少一个SCR催化器元件（16）的壳体和至少一个根据权利要求1至9之一的混合和/或蒸发装置（12），所述混合和/或蒸发装置在壳体（15）中设置在所述至少一个SCR催化器元件（16）的上游。