CN105705742B - 具有分流和混合的导引部件的排气处理单元 - Google Patents

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Abstract

一种排气处理单元(1)，该排气处理单元至少具有：用于排气的输送管(2)，该输送管具有输入孔(3)和输出孔(4)；壳体(5)，输送管(2)借助于输出孔(4)延伸到壳体中并且壳体至少围绕输送管(2)形成中间空间(6)；在壳体(5)中的排出室(7)，该排出室布置在输送管(2)侧面，其中在中间空间(6)与排出室(7)之间还设有分配装置(8)，该分配装置这样设计，使来自中间空间(6)的排气分成至少两个分流(9、10)，它们能够向着排出室(7)通过至少两个借助于分配装置(8)形成的开孔(11、12)彼此反向地导引到排出室(7)中。通过在这里建议的排气处理单元能够以小的结构空间实现排气的良好混合和均匀化，尤其当喷射还原剂的时候，在此不产生多余的堵塞压力。

Description

具有分流和混合的导引部件的排气处理单元
技术领域
本发明涉及一种用于机动运输工具/机动车、优选用于靠近发动机应用的排气处理单元。
背景技术
对于排气处理提高的要求需要，在狭窄的空间上产生尽可能均匀的排气混合物，由此可以实现最佳地处理排气。尤其对于SCR排气处理体(选择性催化反应器)需要，在SCR排气处理体的整个(催化有效的)横截面积上良好地混合排气与添加的还原剂，尤其例如尿素-水溶液。
此外要考虑，在现代内燃发动机的汽车结构中产生的排气相对较冷，因此对于排气后处理的一些转换反应来说，靠近发动机安置排气处理体是有利的。
例如由WO 2010/142647已知上述的用于靠近发动机使用的排气处理单元。通过侧面搭接地布置排气处理单元可以实现特别紧凑的排气处理单元。
在现有技术中也已知不同的其它靠近发动机的方案，但是它们在其结构尺寸、入流排气的均匀性和/或排气组份在排气处理体的横截面积上的分配方面还是需要改进的。
发明内容
由此提出本发明的目的是，至少部分地克服在现有技术中已知的缺陷。尤其要给出一种用于机动运输工具的排气处理单元，它具有特别紧凑的结构尺寸，并且还能够适宜地调整入流的排气均匀性和/或适宜地将排气组份分配在排气处理体的横截面积上。
这个目的通过独立权利要求的特征实现。有利的改进方案是从属权利要求的内容。
因此在这里建议一种排气处理单元，该排气处理单元至少具有下面的部件：
-用于排气的输送管，该输送管具有输入孔和输出孔；
-壳体，输送管借助于输出孔延伸到壳体中并且壳体至少围绕输送管形成中间空间；
-在壳体中的排出室，该排出室布置在输送管侧面，
此外，在中间空间与排出室之间还设有分配装置，该分配装置这样设计，使来自中间空间的排气分成至少两个分流，它们能够向着排出室通过至少两个借助于分配装置形成的开孔彼此反向地导引到排出室中。
所述排气处理单元主要设计成，以微小的结构空间实现均匀的且在整个横截面上(均匀)分配的排气混合。在此排气通过用于排气的输送管导引到(侧面形成的)中间空间中。所述输送管是分开的零部件或者是在排气线路中的排气管段。
所述壳体与输送管这样隔开，使得在输送管与壳体之间形成(至少部分环绕的)中间空间。在此所述输送管完全被壳体包围或者从外部延伸到壳体中，其中，所述壳体能够在穿过部位中与输送管(气密地)连接。特别优选地，所述壳体只在输送管穿过部位中与输送管连接，否则与延伸到壳体中的输送管隔开。所述中间空间优选基本包围在壳体与输送管之间的整个圆周部位，除了排出室以外。
此外所述壳体(也)形成排出室，该排出室布置在输送管侧面。“侧面”布置指的是，所述排出室至少部分被输送管遮盖，或者说整个排出室在外部定位在输送管壳体外表面部位。在此尤其实现，从输送管输出孔到排出室不形成直线的流动路径，而是必需发生至少一次(一次或多次)流动反向，由此使排气从输送管进入到排出室。例如，所述输送管(按照管的形式)具有基本直线的围绕轴线的长度，该轴线对应于排气的中心流动方向。所述壳体在输送管的至少一部分上向外与输送管错开地隔开并且在输出孔前面形成一个罩，它防止排气在流动方向上从输送管直线地继续流出去。现在所述壳体形成一个输出孔，该输出孔在输送管侧面取向，即尤其在壳体的壁体中，该壁体(平行地)相对于输送管向外错开地布置，并因此尤其不在罩中。所述排出室位于输出孔前面，该排出室优选在输送管与输出孔之间延伸。
所述排出室可以与中间空间通过分配装置分开。在此不是指，设有气密的分开，而是将通过分配装置偏转的流体导引到排出室中，其中，所述排出室在输出孔对面在壳体中形成。所述排出室也通过分配装置限制，其中，所述开孔通过其孔表面同样形成排出室的(假想)边界。尤其换言之，排气从输出孔首先进入到中间空间中，并且通过至少一流动反向产生无定向的、复杂的、优选涡流的排气流。这个排气流通过分配装置利用开孔适宜地或者由此导引到排出室中，使这个排气流在过渡时分成至少两个分流并且使得这些分流定向，而且(两个分流分别)彼此相反地取向。这尤其由此实现，即所述分配装置部分地封闭在壳体与输送管之间的中间空间并且在其它部位中形成开孔。
通过(尤其在排出室的横截面中)彼此反向地导引分流使分流特别好地相互混合，无需大的混合室。由此总体上显著减小结构尺寸，同时实现排气的高度均匀性。此外所述排气由于彼此反向的分流在最大供使用的通流横截面上(径向)膨胀，由此使排出室均匀地通过排气充满。倒流同样不是特别大，因为分流被定向并因此无涡流且(几乎)没有流动盲区地在壳体或排出室中混合。
所建议的排气处理单元的排气在分流中优选在壳体积中的方向上是彼此反向的，该壳体积在输送管与壳体之间的中间空间中形成，例如在圆周方向上。
第一排气处理体、例如柴油氧化催化剂优选位于输送管中，由此排气优选分层地在输送管的轴向上进入到中间空间中。为此可以使用蜂窝体。此外，用于还原剂、例如尿素-水溶液或氨的配量单元通到中间空间和/或排出室中，其中，所述还原剂被气状和/或滴状地添加并且基于流体管道在在这里建议的排气处理单元中均匀地与排气混合。
优选的实施例设有用于气态氨的配量单元或者用于(雾化的)液体还原剂添加的配量单元，其中后一种配量单元构成喷洒锥，它在排气流动时至少在排气从发动机到周围环境的排出方向上流动时没有向着第一排气处理体的方向分量。在这种情况下第一排气处理体有利地是纯柴油氧化催化剂。
在另一实施例中，液体(雾化的)还原剂至少部分地与从第一排气处理体排出的排气的主流动方向相反地添加。在此还原剂可以被良好分配地添加到输送管的输出孔上并由此添加到第一排气处理体的输出侧上。在输出孔部位中，第一排气处理体优选具有水解的覆层，该覆层支持还原剂分解成氨和溶剂。尤其特别优选的是，第一排气处理体在这种情况下在其总长的约10％上在靠近输出侧的部位中被水解地覆层并且在(整个)其余部位上通过柴油氧化催化剂覆层。在这个实施例中尽管供使用的混合室很小，但也能够储存或缓冲必需的还原剂量，并且尤其在排气量较少时保护配量单元。
在两种情况下非常提前地、即最迟直接在排出方向上添加还原剂到第一排气处理体的输出孔后面。由此能够将第一排气处理体的输出孔与第二排气处理体的输入孔之间的整个段用于混合。
按照排气处理单元的另一有利的实施例，在排出室上连接有第二排气处理体的输入孔。
在这个优选的实施例中，所述排出室形成用于排气的整个混合室。在此所述排出室通过分配装置这样设计，使排气足够地混合和均匀化，由此在通过其输入孔直接连接在排出室上的第二排气处理体中处理。在一个特别优选的变体中，所述壳体形成管横截面，该管横截面平行地、优选同心地与输送管横截面隔开，其中第二排气处理体的输入孔没有中间件地直接连接在壳体壁上。在此要指出，所述输入孔限制排气处理体的入口，并且从这个输入孔已经开始排气的(催化)处理。例如排气直接邻接排出室碰触到被催化覆层的蜂窝体，优选由金属膜或挤出陶瓷制成。
特别优选的是，第二排气处理体通过其输入孔倾斜于或者横交于壳体的轴向布置，由此在输入孔与输出室之间的过渡部上偏离例如纯圆形的横截面。由此第二排气处理体的优选平面的输入孔形成气密的接头。在此这个实施例的焦点在于，没有其它的中间部件。所述排出室至少形成混合室的端部部位，它由中间空间和排出室组成。由此可以实现良好的充分混合，不产生大的空间膨胀和多余的反压。特别优选的是，排出室的轴向长度、即输送管的开孔和/或外壳面到输入孔的距离小于100mm[毫米]，优选小于65mm或者甚至50mm。在考虑还原剂配量形式和/或排气处理体相互布置的条件下，所述轴向长度也应该具有最小的轴向长度，例如20mm[毫米]或35mm。
第二排气处理体例如是SCR催化剂(选择性催化还原)。与在中间空间和/或排出室中添加还原剂相结合在这里实现特别均匀地分配还原剂到排气中和在排气进入之前最大径向传播混合物到第二排气处理体的进入面中。
按照所述排气处理单元的另一有利的实施例，所述分配装置至少具有第一导引部件和第二导引部件，其中，所述第一导引部件通过第一分开的薄板部件形成，第二导引部件通过第二分开的薄板部件形成，它们被相互隔开。
通过第一导引部件尤其这样防止排气在输出孔与排出室中的排出侧之间直接或最短的流动路径，由此在这里已经支持排气的充分混合。尤其通过第一导引部件防止不期望的短的排气流动路径或者排气在壳体中不期望的短的滞留时间。第二导引部件尤其形成用于，将通过第一导引部件偏转的排气流分成至少两个分流并且输送至少一分流到另一开孔。在此第一导引部件和第二导引部件这样相互布置，使得至少两个分流彼此反向地通过开孔导引。
为了特别简单地制造和灵活地装配而建议，所述导引部件通过分开的薄板部件形成。但是所述薄板部件除了简单的制造以外还具有以下优点：它们在微小的材料厚度的情况下具有良好的稳定性并因此使微小的结构空间不过多地变窄。所述薄板部件优选通过适合的圆度和曲线这样成形，使得避免流体断开和相关的流动盲区。
按照所述排气处理单元的另一有利的实施例，所述分配装置至少具有第一导引部件和第二导引部件，它们布置在排出室两侧。在此优选的是，这些导引部件至少部分相互平行和/或平行于输出孔布置。
通过第一导引部件和第二导引部件使得至少两个分流通过分配装置定向地导引到排出室中，由此至少两个分流彼此反向地相互指向。在此第一导引部件和第二导引部件无需总是设计成，确定分流的最终方向，而是在分流中柔和地偏转流体并且输送到开孔就足够了。在这里特别有利的是，至少一导引部件平行于输送管的输出孔布置，由此实现没有反压地偏转分流。尤其以90°偏转，即偏转到平面中，从输出孔流出的排气的流动方向正交地指向这个平面。由此已经可以发生有利的预混合，其中在这里还没有达到足够的均匀性。
通过在排出室两侧布置导引部件而确保了，使排气适宜地导引到开孔。通过相互间部分平行地布置、并且优选导引部件与排气通过开孔的进入方向的横向布置而确保了，将排气以(几乎)相同的流动特征导入到排出室中，因此在这里有助于特别均匀的充分混合。也特别优选的是，所述导引部件在到各个开孔的过渡部位中相互平行地取向并且开孔也相互平行地取向。通过这种流动偏转尤其可以避免流动断开并由此也避免产生流动盲区。流动盲区不利于充分混合并且使得供使用的混合室变窄并因此增加堵塞的可能性。尤其特别优选这样设计偏转，即在层流式入流时不干扰、即保持层流式流动状态。但是排气在中间空间中并且在排出室中优选以涡流方式流动，因为在这里除了扩散混合以外也发生动态混合。
按照所述排气处理单元的另一有利的实施例，所述分配装置至少具有第一导引部件和第二导引部件，其中，第二导引部件具有导引段，该导引段在输送管侧面倾斜于输出孔在中间空间中延伸。
通过导引段实现，通过输送管的壁体入流的排气被分成两个分流，其中通过导引段关于输出孔的倾斜实现排气流受控的偏转。在这个优选的实施例中通过第一薄板部件这样偏转排气，使至少大部分排气流围绕输送管的外圆周在中间空间中导引，并且在那里遇到导引段，由此分成两个分流。由此能够产生特别微小的反压，同时将排气流分成多个彼此相反地取向的分流。
也能够实现以下实施例，其中，所述导引段没有直线的倾斜，而是以倾斜的角度偏转至少一分流。为此，所述导引段例如可以在第一入流部位中平行于入流方向取向，并且接着直到开孔以至少一曲率半径——优选两个彼此反向的曲率半径——弯曲。也不排除以下情况：所述导引段也具有例如平行于输出孔取向的部位。所述导引段决定性地这样设计，从而能够实现柔和的偏转或者说柔和的分配。
按照所述排气处理单元的另一有利的实施例，形成至少一部分开孔的分配装置一体地由壳体成形。
在这个特别优选的实施例中未设有附加的结构部件，而是所述壳体本身形成分配装置，其中，所述分配装置的导引面通过凹下和凸起在壳体中形成。这能够实现特别简单的制造，尤其适用于大批量制造，因为所述分配装置可以无需附加的拼接过程例如通过模具成形。尤其在这个实施例中能够使输送管容易地形状锁合地插入到壳体中。
按照所述排气处理单元的另一有利的实施例，所述开孔彼此相反地取向。优选所述开孔也相互错开地布置。
通过将开孔彼此相反地布置而实现在小的空间上的特别好的均匀性。尤其通过相互错开地布置开孔可以产生涡流，它能够以特别微小的反压作用来实现均匀性。尤其特别优选设有三个或四个分流，其中两个分流相互间(直径上)彼此反向地取向，并且至少另一分流横交于彼此反向的分流取向。尤其特别优选只两个分流彼此反向地取向并且(略微地)通过横截面缩小而加速，由此产生漩涡，它柔和地混合其它分流。在此两个彼此反向的分流尤其可以具有更微小的体积分量，由此使由于加速度引起的堵塞保持微小，但是漩涡效应还实现突出的(动态的)分流充分混合。
按照所述排气处理单元的另一有利的实施例，在至少一个开孔的部位中设有至少一个导引面、优选一个薄板，其中，所述导引面优选至少部分倾斜于开孔的排出方向布置。
至少一个导引面在流动方向上可以布置在开孔前面和/或后面。在开孔前面的导引面负责特别适宜地在所期望的流动方向上过渡到排出室中，由此避免堵塞流动和类似现象。通过在开孔后面的导引面可以使流动在排出室中继续偏转，或者只有在那里才偏转到所期望的流动方向。如果由此由于位置的原因实现更柔和地偏转排气分流，则后一种布置尤其在非常小的布置结构中是有利的。
由一个或多个薄板组成的导引部件或导引面的优选实施例变体能够实现特别简单的制造。在此所述薄板可以设置为独立的部件，但是也可以与形成分配装置的薄板一体地形成，或者与壳体一体地形成。在此所述薄板可以搭接从壳体直到输送管的中间空间，或者从一侧伸进到中间空间中。
按照所述排气处理单元的另一有利的实施例，所述分配装置包括至少一个导引面，该导引面这样取向，使分流正面地或者成角度地彼此相遇。
通过正面地相互遇到的分流偏转，实现特别强烈的充分混合，它导致在最小的空间上特别好的均匀性。在成角度地彼此相遇的分流偏转时，存在分流的完全交叉，它实现特别柔和的充分混合，其中产生许多小旋流的漩涡，它们引起排气的良好(动态的)充分混合和均匀性。
按照本发明的另一方面提出一种机动运输工具，该机动运输工具具有内燃发动机，该内燃发动机具有排气管，其中，所述排气管包括在这里描述为按照本发明的或者有利的排气处理单元。
用机动运输工具在这里尤其表示载重汽车和乘用车，其中由此也表示船、火车头和飞机。在此所述内燃发动机可以是柴油发动机或者奥托发动机，其中，所述排气处理单元尤其适用于稀燃的内燃发动机。所述排气管直接与燃烧室、通常是气缸或工作容积连接，并且包括所谓的排气腔。在排气管中(催化地)处理排气，缓冲声波并且冷却排气并由此符合标准地释放排气到周围环境中。在这个过程中要产生尽可能微少的反压，由此所述内燃发动机可以实现尽可能高的效率。在这里建议的排气处理单元尤其适用于在小的结构空间中使用，并且特别优选在排气腔部位中。正好在稀燃的内燃发动机中由于低的排气温度难以处理排气，由此期望尽可能靠近发动机的布置。通过在这里建议的排气处理单元可以使排气处理体非常靠近且尤其以相对于燃烧室出口的小于50cm、特别优选小于20cm的距离布置，且在空间上不与发动机室中的其它部件相冲突；因为所述排气处理单元的尺寸几乎不大于排气腔的尺寸。特别优选的是，在燃烧室的出口与排气处理单元之间不布置涡轮增压器，而是必需的涡轮增压器在排出方向上后置于排气处理单元。涡轮增压器正好引起强烈的排气冷却，并因此尤其为了转换氮氧化物而特别有效地靠近燃烧室布置。同时在这里建议的排气处理单元引起特别微小的反压，同时以良好的混合和均匀性，尤其在由于更大程度的稀燃为了选择性还原反应喷射还原剂时，用于减少排气中的氮氧化物。
在权利要求中逐一描述的特征可以通过任何技术上有意义的方式相互组合，并且可以通过说明中解释的特性和附图中的细节补充，其中展示本发明的其它实施例变体。
附图说明
下面利用附图详细解释本发明以及技术领域。附图示出特别优选的实施例，但是本发明不局限于此。尤其要指出，附图且尤其所示的尺寸比例只是示意性的。附图示出：
图1：具有两个薄板部件的排气处理单元，
图2：具有分配装置的输送管，
图3：具有连接的下游的排气处理体的排气处理单元，
图4：壳体，其中排气处理单元的分配装置与壳体一体地构成，
图5：与图4相同的壳体的另一视图，
图6：具有内燃发动机和排气管的示意机动运输工具。
具体实施方式
在图1中示出排气处理单元1，其中分配装置8由第一导引部件16和第二导引部件17形成，它们作为独立的薄板件在排气处理单元1的壳体5中布置在输送管2旁边。第一排气处理体14位于输送管2中，从该第一排气处理体通过输入孔3(在这个视图中右侧)流入排气，并且在输出孔4上(在这个视图中左侧)排气再排出。通过第一导引部件16可以使从输出孔4排出的排气不直接流到排出室7中，而是部分地通过输送管2导引并且通过第一开孔11和第二开孔12作为第一分流9和第二分流10导引到排出室7。为了调整分流9、10还在第一开孔11上设有第一导引面19，并且在第二开孔12上设有第二导引面20。在排出室7上直接连接输入孔13。
在图2中以另一视向仅仅示出输送管2与第一导引部件16和第二导引部件17——如在图1中所示地那样。在此可以看出，排气如何通过输入孔3流入到输送管2中，并且从输出孔4在排出方向21上流入到(在这里由于未示出的壳体5未限定范围的)中间空间6中。通过第一导引部件16使得至少一部分排气围绕输送管2偏转，并且从那里通过第二导引部件17的导引段18分成其它分流。在此导引段18倾斜于输出孔4，约45°。在也未清楚地限定范围的排出室7中通过第一导引部件16和第二导引部件17尤其通过导引段18添加(略微)加速的第一分流9(在图中从右侧)，(略微)加速的第二分流10(在图中从左侧)通过第一开孔11和第二开孔12并且导引地通过第一导引面19或第二导引面20添加。此外第三分流26(在图中从下面)和第四分流27(在图中从上面)通过加速的第一分流9和第二分流10(横交地)抽吸。
在图3中示出与图1中相同的排气处理单元1的结构，其中在这里，第二排气处理体15通过其输入孔13连接在排出室7上。在这个视向上可以清楚地看出，在壳体5与输送管2之间形成中间空间6，而排出室7通过分配装置8和输入孔13限制。
在图4中示出排气处理单元1，其中在这里输送管2只通过输入孔3和输出孔4的虚线表示。在此，排气处理单元1的壳体5一体地形成分配装置8，其中在这里形成通道，该通道在第一开孔11和第二开孔12处邻接于排出室7。
在图5中示出与图4中相同的排气处理单元1的另一立体图，其中在这里可以清楚地看出在壳体5中的第一开孔11和第二开孔12。在这个变体中第一分流9和第二分流10彼此反向地在输送管的圆周方向上取向。
在图6中简示出机动运输工具22，它具有内燃发动机23，在该内燃发动机上连接有排气管24，该排气管包括排气处理单元1，如同例如在前面附图中所示的那样。在这个优选的示例中，排气处理单元1直接连接在排气腔28上并且位于发动机室25中，由此温度在这里特别高并且在稀燃运行的内燃发动机23中实现良好地转换尤其氮氧化物。通过以下方式支持这个效应：涡轮增压器29在排出方向上布置在排气处理单元1的后面，并由此使温度只有在涡轮增压器29后面在排气管24中(明显)下降。
还要预先指出，在附图中所示的技术特征组合通常不是强制的。因此一个附图的技术特征可以与另一附图的另外的技术特征和/或一般性描述组合。否则只能在以下情况时适用：如果在这里已经明确地参照了特征组合，和/或专业人员认识到，否则可能不再满足本装置的基本功能。
通过在这里建议的排气处理单元能够实现，在小的结构空间上实现排气的良好充分混合和均匀性，尤其在喷射还原剂的时候，而在此不产生多余的堵塞压力。
附图标记列表：
1 排气处理单元
2 输送管
3 输入孔
4 输出孔
5 壳体
6 中间空间
7 排出室
8 分配装置
9 第一分流
10 第二分流
11 第一开孔
12 第二开孔
13 输入孔
14 第一排气处理体
15 第二排气处理体
16 第一导引部件
17 第二导引部件
18 导引段
19 第一导引面
20 第二导引面
21 排出方向
22 机动运输工具
23 内燃发动机
24 排气管
25 发动机室
26 第三分流
27 第四分流
28 排气腔
29 涡轮增压器

Claims (8)

1.一种排气处理单元(1)，该排气处理单元至少具有：
-用于排气的输送管(2)，该输送管具有输入孔(3)和输出孔(4)；
-壳体(5)，输送管(2)借助于输出孔(4)延伸到壳体中并且壳体至少围绕输送管(2)形成中间空间(6)；
-在壳体(5)中的排出室(7)，该排出室布置在输送管(2)侧面，
其中，在所述中间空间(6)与排出室(7)之间还设有分配装置(8)，该分配装置这样设计，使来自中间空间(6)的排气分成至少两个分流(9、10)，所述至少两个分流能够向着排出室(7)通过至少两个借助于分配装置(8)形成的开孔(11、12)彼此反向地导引到排出室(7)中，
所述分配装置(8)至少具有第一导引部件(16)和第二导引部件(17)，其中，所述第一导引部件(16)通过第一分开的薄板部件形成，第二导引部件(17)通过第二分开的薄板部件形成，该第一分开的薄板部件和第二分开的薄板部件被相互隔开，
该第一导引部件和第二导引部件布置在排出室(7)两侧。
2.根据权利要求1所述的排气处理单元(1)，其中，在所述排出室(7)上连接有第二排气处理体(15)的输入孔(13)。
3.根据权利要求1或2所述的排气处理单元(1)，其中，第二导引部件(17)具有导引段(18)，该导引段在输送管(2)侧面倾斜于输出孔(4)在中间空间(6)中延伸。
4.根据权利要求1或2所述的排气处理单元(1)，其中，形成至少一部分开孔(11、12)的分配装置(8)一体地由壳体(5)成形。
5.根据权利要求1或2所述的排气处理单元(1)，其中，所述开孔(11、12)彼此相反地取向。
6.根据权利要求1或2所述的排气处理单元(1)，其中，在至少一个开孔(11、12)的部位中设有至少一个导引面(19、20)，其中，所述导引面(19、20)至少部分倾斜于开孔(11、12)的排出方向(21)布置。
7.根据权利要求1或2所述的排气处理单元(1)，其中，所述分配装置(8)包括至少一个导引面(19、20)，该导引面这样取向，使分流(9、10)正面地或者成角度地彼此相遇。
8.一种机动运输工具(22)，该机动运输工具具有内燃发动机(23)，该内燃发动机具有排气管(24)，其中，所述排气管(24)包括根据前述权利要求中任一项所述的排气处理单元(1)。
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