CN105229272B - 混合腔以及混合的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用以将添加物混合到内燃发动机的排气系统中的混合腔（1），包括单一部分或者多部分的壳体（11），所述壳体包括具有流动截面（S12）以及中心进入轴（M12）的排气的进入口（12）以及位于所述进入口（12）下游且包括具有流动截面（S13）以及中心输出轴（M13）的排气的排出口（13），位于所述壳体（11）内且设置在这两个进入口、排出口（12、13）之间的导流元件（2），所述导流元件（2）是管状的且形成有具有通道轴（K2）的至少一个通道（20），所述通道设有通道壁（21）以及设有至少一个入口（22）与一个出口（23），整个排气流在平行于所述通道轴（K2）的流动方向（S）上被所述通道导向到具有出口截面（A23）的所述出口（23），所述流动方向（S）相对于所述中心输出轴（M13）在角度a为20°至80°的区间内偏转。所述混合腔应当被设计与提供为一种整体长度较小、能够提高排气与添加物在基体表面的分布以及同时避免添加物结晶。为此，下游基体（41）在所述中心输出轴（M13）的方向上被设置为靠近所述出口（23），所述下游基体（41）设有对应于所述出口截面（A23）的基体截面（S23）。

Description

混合腔以及混合的方法
技术领域
本发明涉及一种用以将添加物混合到内燃发动机的排气系统中的混合腔，该混合腔包括单一部分或者多部分的壳体。为此，所述壳体包括具有流动截面以及中心进入轴的排气的进入口，以及位于所述进入口下游且包括具有流动截面以及中心输出轴的排气的排出口。在所述壳体内还设置有位于这两个进入口与排出口之间的导流元件。所述导流元件是管状的且包括沿通道轴的方向延伸的至少一个通道，该通道设有通道壁。所述通道壁设有至少一个入口以及一个出口。整个排气流在平行于所述通道轴的流动方向上，被所述通道导向到具有出口截面的所述出口。所述流动方向相对于所述中心输出轴在角度为20°至80°的区间内偏转。
背景技术
美国专利US 2010/0005790 A1描述了一种管状的流动元件，其将排气流朝向远离主流动方向偏转一个区间在40°至50°之间的角度，且在其内用以将排气流与添加物进行混合。所述流动元件的壁部沿流动方向连续开设有开孔，从而使排气流沿着所述壁部的整个表面穿入到所述流动元件中。
日本专利JP 2009 030560A揭示了一种混合装置，其内设有位于导流元件内的若干用以混合添加物的整流器。
美国专利US 2011/0094206 A1描述了一种喷射装置，其中添加物被喷射到平行排气流中。
德国专利DE 11 2010 002 589 T5早已描述了一种位于两个整块材料（基质）之间的混合腔。该混合腔被设置在整块材料之间用以使排气在排气道内流通。所述混合腔设有由壳体所形成的且围绕中心轴的通道，用以流通所述排气流。在沿所述中心轴的方向上，所述通道的长度至少比混合腔长20%。
发明内容
本发明的目的在于设计与提供一种整体长度较小、能够提高排气与添加物在基体表面的分布以及同时避免添加物结晶的混合腔。
本发明的目的是通过如下方案实现的：下游基体沿中心输出轴的方向被设置于靠近出口。所述下游基体设有对应于出口截面的基体截面。出口截面与基体截面相互之间的区别最多不超过8%。
因此，流动的排气流的所有部分流进入口时都会被导流元件如下偏转：气流的所有部分在所述导流元件的作用下，沿着大致相同的流动方向，与出口呈某一角度被向混合腔之外导出。下游基体被设置于靠近所述出口。由于排气被分布在出口的流动截面上，其同样被分布在下游基体的截面上。所述下游基体贯穿其整个端面因此被暴露于排气部分的斜流，所述斜流大致平行于流动方向。因此，向所述混合腔中导引的尿素能够形成非常好的分布，且不会形成相对严重的添加物结晶。“大致平行于流动方向”对所属技术领域的技术人员而言可以被理解为相较于流动方向作为主流动方向的偏差不超过5°至8°。所述角度a优选的介于55°至75°之间。在角度为65°时能够实现基体润湿的伽玛大于0.9。
就此而言，如果出口的出口截面垂直于所述中心输出轴也是有利的。所述出口截面最多比所述排出口的流动截面小20%。所述导流元件在排出口的方向上，聚集气流以及通道的全部。所述添加物在所述导流元件的作用下与排气流进行混合。
本发明的有益效果通过如下方式来现实：所述通道壁直接或者间接通过所述出口截面与所述下游基体实现流体连通，所述通道壁及/或所述下游基体之间的距离最多为8毫米。
为此，如下设置是有利的：所述导流元件设有具有入口截面的入口，所述入口位于所述通道轴的方向的上游且与所述出口相对，所述入口截面比出口截面小10%至70%。另外，在适应各自的液压截面的下游基板和上游基板中，减小入口截面的尺寸可以从所述通道的开口处就提高进入所述通道中排气流速，从而提高了被导引至入口区域的添加物的混合效果以及减小了液滴尺寸。
如下设置也许是有利的：所述通道设有沿所述通道轴且以所述中心输出轴为起点的长度，所述长度对应于所述进入口的半径除以sin a的至少70%，例如L2≥R12/sin a。如此设置，所述导流元件几乎或者完全在中心进入轴的方向阻挡了排气的流动截面，并迫使排气在流入所述导流元件之前，从起初的轴向朝径向偏转。
如果上游基体的截面积按一定最大数量小于进入口的流动截面，那么所述通道具有减小的长度。所述长度至少对应于所述基体的半径除以sin a，例如L2≥R51/sin a。
在这种情况下，如下设置是有利的：所述壳体设有相对于中心进入轴沿径向凸伸超过流动截面的凸起，所述凸起至少部分形成了所述通道或者所述通道至少部分凸伸入所述凸起内。如此设置，气流中即使位于最外部的部分也能够沿着径向偏转。所述凸起形成了在径向上位于外部的体积，限制了壳体的剩余部分。
在本发明中，如下设置是有利的：在流动方向上位于所述入口的上游，设有安装在所述通道上的喷射装置，以及靠近所述入口及/或位于所述通道内的一个或者多个混合器，用以混合被喷射入所述混合腔内的添加物。无论所述入口是由一个单独的开口或者是由多个开槽或者是由穿孔而形成的，排气都能凭借此被旋入所述通道中。混合器被设置于所述喷射装置的下游。
结合本发明的设计和布局，如下设置可能是有利的：如果设有位于所述凸起或者所述导流元件上的喷射装置，所述喷射装置在喷射方向上将所述添加物导引入所述导流元件内，所述喷射方向相对于所述通道轴最多呈90°。通过与通道轴形成一个可能的角度，添加物能够被喷射入排气流或者反向汇入排气流。
关于排气系统包括的其他部件，如下设置是有利的：设有上游基体的上游转化壳体被设置成位于所述进入口的上游，所述上游基体与所述入口实现流体连接。这种排布在上游基体是催化剂以及下游基体是微粒过滤器时尤其有效。
将排气流与添加物进行混合的基本原则根据方向的不同是变化的，为此所述中心进入轴与所述中心输出轴被设置为相互平行、或者相互同轴、或者以角度b为10°至170°的区间内相互交叉。就此而言，具体实施方式的例子在这方面可参考附图的描述。
根据这种多样性，如下设置是有利的：所述进入口以及所述排出口被设置为在所述中心进入轴的方向上一个位于另一个之后，或者在相比于所述中心进入轴的径向上至少部分相邻。凭借这一点，并根据上述角度的变化，能够确保适应广泛的安装条件。最后，如下设置也许是有利的：如果进入口的流动截面相比于排出口的流动截面具有不同的尺寸。
关于最优可能的混合，如下设置是有利的：所述通道的半径从所述入口至所述出口连续增大。就这一点而言，如下设置是有利的：所述通道被所述通道壁围绕，在流动方向上位于所述入口下游的通道壁是封闭的、或者未开孔的、或者开孔的。鉴于通道的入口的入口截面比出口截面相对要小，提高了进入所述通道的流速。因为这个，进入通道中的添加物能够被很好的混合。
通道截面到对应于下游基体的截面的截面，在尺寸上的随后增加，导致在整个基体上形成混合分布。全部流体或者全部排气流的偏向是通过一个封闭的通道壁来实现的。所述进入以及出口在此情况下形成所述导流元件的仅有的开口。通道的开孔，特别是位于通道旁侧且朝向进入口的开孔，防止在壳体下部三分之一处形成任何排气旋流以及累积，在中心进入轴方向的通道的立即上游。
上述混合腔的优势还能够结合更广范围的排气系统，包括与内燃发动机的系统相结合。
此外，如下设置可能是有利的：如果壳体以及下游转化壳体及/或上游转化壳体是单一部分或者多部分的共有部件。
此外，如下设置可能是有利的：如果混合器被设计为具有一个或者多个混合阶段的静态混合器。
如下设置也可能是有利的：如果混合腔或者导流元件或者它们的部分，面向排气的表面，至少被部分地覆盖有催化剂。
附图说明
本发明其它的优势以及细节，在权力要求和说明书中加以说明且在附图中示出。附图中：
图1显示了具有某一角度的喷射方向以及基体位于出口侧的一个实施方式的剖视图；
图2显示了具有同轴喷射方向以及基体位于入口侧与出口侧的一个实施方式的剖视图；
图3显示了几何关系的示意图；
图4显示了沿着剖面A-A’且与流动方向相反的剖面图；
图5显示了一种实施方式的导流元件中具有槽状开口的混合元件；
图6显示了具有锥形导流元件的一种实施方式；
图7显示了具有开孔导流元件的一种实施方式；
图8显示了相互平行排列且相互错位的基体的一种实施方式；
图9显示了基体相互呈某一角度的一种实施方式；
图10显示了相互平行排列且沿径向相互靠近的基体的一种实施方式。
具体实施方式
图1及图2揭示了一种混合腔1，其包括具有进入口12以及排出口13的壳体11。所述进入口12以及排出口13被设置为与中心进入轴M12以及中心输出轴M13均同轴。
当排气流穿过所述进入口12时，一个设置在所述进入口12与排出口13之间的管状的导流元件2使排气流动方向发生偏转。其中，因为所述导流元件2挡住了朝向所述排出口13的轴向流动截面S12，所以沿着所述中心进入轴M12流动的排气被迫向径向偏转。
为此，所述导流元件2被设计成具有通道壁21的通道20，且所述通道20的出口23靠近安装在上游转化壳体5内的上游基体51。随着径向偏转，所述排气流被所述入口22导引至所述通道20中，并且以相对于排出口13呈65°的角度a被导引到所述下游基体41的端面。
为了使排气的所有部分能够沿着大致平行于通道轴K2的流动方向S尽可能远的导向到所述通道20的末端，所述通道20或者所述导流元件2具有某一长度L2，从而使气流中即使位于最外部的部分也能够沿着径向向外偏转。
沿着径向偏转的排气流被聚集到凸起14内，所述凸起14是由壳体11的至少一部分沿径向凸出所述进入口12而形成的。所述导流元件2的入口22被设置在所述凸起14内。所述入口22是由形成在所述通道壁21上的一个或者多个开口而形成的。所述开口的总和对应于入口截面E22（图4）。根据图示的实施方式，所述开口处设有刀片或者叶片，以产生围绕通道轴K2的旋流。所述凸起14上位于入口22的区域设有用以将添加物沿着喷射方向E进行喷射的喷射装置6。
根据图1所示的实施方式，所述添加物在所述通道20内被从喷射方向E向通道轴K2方向偏转。所述入口22设有入口截面E22，其中一个静态混合器3安装在该入口截面E22中，且添加物被喷射、穿过所述静态混合器3。
根据图2所示的实施方式，所述喷射方向E与所述通道轴K2是同轴的或者至少相互平行。在图2中，上游转化壳体5位于所述壳体11内且位于所述导流元件2的上游，且所述上游转化壳体5内设有上游基体51。
这两个转化壳体4、5被分别插入所述壳体11的进入口12以及排出口13中。所述基体41、51被设置为与所述中心进入轴M12以及中心输出轴M13均同轴。
图3的示意图显示了长度L2所需要的值是如何决定的。为了使整个排气流或者气流的每一部分在进入进口12之后均能够沿径向偏转，所述通道20的通道壁21沿径向凸出所述中心进入轴M12的长度需要大于所述进口12的半径R12或者所述上游基体51的半径R51。考虑到通道轴K2与中心输出轴M13之间具有角度a，长度L2必须至少大于等于半径R51/sina。根据上游转化壳体5的直径与上游基体51的直径或者所应用的构造几何的关系，将长度L2设置为大于半径R12/sin a也许是足够的。
图4显示了沿图2中的剖面A-A’，但未包括基体51。其中，显示出了弯曲的通道壁21。所述通道壁21在中心输出轴M13的方向上靠近所述出口23的整个出口截面A23。所述出口截面A23的半径在这种情况下对应于下游基体41的半径R41。形成所述入口22的开口的总和对应于所述入口截面E22。
图5显示了混合器3位于所述通道20内且位于开口12下游的一种实施方式。所述开口12被构造成摩擦形态，其中所述通道壁21的底部区域沿径向被向内或者向外弯折呈像叶片状的搭接部。
在图6中，开口呈圆锥状。在图7中，用开孔P代替开槽来作为入口22，其中开孔的总和形成所述入口截面E22。
通过这种混合方式，这两个基体41、51也可以被安排在多种位置。在图8中，这两个基体41、51沿轴向平行排列，因此中心进入轴M12与中心输出轴M13相互平行。在图9中，这两个基体41、51的中心轴以呈30°的角度b排列。该角度b可以在0°与180°之间变化，其中0°对应于图1及图2所示的实施方式，180°对应于图10的实施方式。

Claims (15)

1.一种混合腔(1)，用以将添加物混合到内燃发动机的排气系统中，
(a)包括单一部分或者多部分的壳体(11)，所述壳体包括具有流动截面(S12)以及中心进入轴(M12)的排气的进入口(12)以及位于所述进入口(12)下游且包括具有流动截面(S13)以及中心输出轴(M13)的排气的排出口(13)，其中
(b)在所述壳体(11)内设置有位于这两个进入口、排出口(12、13)之间的导流元件(2)，
(c)所述导流元件(2)是管状的且形成有具有通道轴(K2)的至少一个通道(20)，所述通道设有通道壁(21)以及设有至少一个入口(22)与一个出口(23)，整个排气流在平行于所述通道轴(K2)的流动方向(S)上被所述通道导向到具有出口开口截面(A23)的所述出口(23)，其中
(d)所述流动方向(S)相对于所述中心输出轴(M13)在角度a为20°至80°的区间内偏转，
其特征在于：
下游基体(41)在所述中心输出轴(M13)的方向上被设置为靠近所述出口(23)，所述下游基体(41)设有对应于所述出口开口截面(A23)的基体截面(S23)。
2.根据权利要求1所述的混合腔(1)，其特征在于：所述出口开口截面(A23)垂直于所述中心输出轴(M13)，所述出口开口截面(A23)最多比所述排出口(13)的流动截面(S13)小20％。
3.根据权利要求2所述的混合腔(1)，其特征在于：所述通道壁(21)直接或者间接通过所述出口开口截面(A23)与所述下游基体(41)实现流体连通。
4.根据权利要求1所述的混合腔(1)，其特征在于：所述导流元件(2)设有具有入口截面(E22)的入口(22)，所述入口(22)位于所述通道轴(K2)的方向的上游且与所述出口(23)相对，所述入口截面(E22)比出口开口截面(A23)小10％至70％。
5.根据权利要求1所述的混合腔(1)，其特征在于：所述通道(20)设有沿所述通道轴(K2)且以所述中心输出轴(M13)为起点的长度L2，所述长度L2对应于所述进入口(12)的半径(R12)除以sina的至少70％。
6.根据权利要求5所述的混合腔(1)，其特征在于：还包括位于所述进入口(12)上游的基体(51)，所述通道(20)设有沿所述通道轴(K2)且以所述中心输出轴(M13)为起点的长度L2，所述长度L2至少对应于所述基体(51)的半径R51除以sina，即L2≥R51/sina。
7.根据权利要求1所述的混合腔(1)，其特征在于：所述壳体(11)设有相对于中心进入轴(M12)沿径向凸伸超过流动截面(S12、S13)的凸起(14)，所述凸起至少部分形成了所述通道(20)或者所述通道(20)至少部分凸伸入所述凸起内。
8.根据权利要求1所述的混合腔(1)，其特征在于：还包括在流动方向上位于所述入口(22)的上游且安装在所述通道(20)上的喷射装置(6)，以及靠近所述入口(22)及/或位于所述通道(20)内的一个或者多个混合器(3)，用以混合被喷射入所述混合腔(1)内的添加物。
9.根据权利要求7所述的混合腔(1)，其特征在于：还包括位于所述凸起(14)或者所述导流元件(2)上的喷射装置(6)，所述喷射装置(6)在喷射方向(E)上将所述添加物导引入所述导流元件(2)内，所述喷射方向(E)相对于所述通道轴(K2)最多呈90°。
10.根据权利要求6所述的混合腔(1)，其特征在于：所述上游基体(51)被设置在上游转化壳体(5)内，所述上游转化壳体位于所述进入口(12)的上游，所述上游基体(51)与所述入口(22)实现流体连接。
11.根据权利要求1所述的混合腔(1)，其特征在于：所述中心进入轴(M12)与所述中心输出轴(M13)被设置为相互平行、或者相互同轴、或者以角度b为10°至170°的区间内相互交叉。
12.根据权利要求1所述的混合腔(1)，其特征在于：所述进入口(12)以及所述排出口(13)被设置为在所述中心进入轴(M12)的方向上一个位于另一个之后，或者在相比于所述中心进入轴(M12)的径向上至少部分相邻。
13.根据权利要求1所述的混合腔(1)，其特征在于：所述通道的半径(R2)从所述入口(22)至所述出口(23)连续增大，所述通道(20)被所述通道壁(21)围绕，在流动方向上位于所述入口(22)下游的通道壁(21)是封闭的、或者未开孔的、或者开孔的。
14.一种系统，其包括用于内燃发动机的排气系统，其特征在于，所述系统具有前述任一权利要求所述的混合腔(1)。
15.一种通过基体(41)将排气流与添加物进行混合的方法，所述基体设有通道结构且位于中心输出轴(M13)的方向上，
其特征在于：
整个排气流与添加物的混合气流沿着流动方向被直接导向所述基体(41)的端面，所述流动方向相对于所述中心输出轴(M13)在角度a为20°至80°的区间内偏转。
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