CN107859551A - 用于将反应剂馈入内燃机排气流中的反应剂馈入设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将反应剂馈入内燃机排气流中的反应剂馈入设备，其包括：反应剂馈入壳体(16)，其具有被壳体壁(18)包围的反应剂馈入空间(20)，所述壳体壁(18)包括一个能关于排气流动方向(A)定位在上游的流入壁区域(30)、一个能关于排气流动方向(A)定位在下游的流出壁区域(32)和在流入壁区域(30)和流出壁区域(32)之间的两个侧壁区域(34、36)，在至少一个侧壁区域(34、36)中和/或在流出壁区域(32)中设置至少一个通流口(72、74、76)；反应剂喷入装置(28)，其用于将反应剂沿反应剂馈入方向(E)喷入反应剂馈入空间(20)中、到能加热的反应剂馈出元件(48)上。

Description

用于将反应剂馈入内燃机排气流中的反应剂馈入设备
技术领域
本发明涉及一种用于将反应剂馈入内燃机排气流中的反应剂馈入设备。
背景技术
为了减少在机动车中所使用的内燃机、特别是柴油内燃机的排气中的氮氧化物比例，已知设置催化器装置用于进行选择性催化还原(SCR)。因为该反应的进行需要氨，所以借助所谓的喷射器将例如尿素/水溶液作为反应剂与在内燃机排气系统中流动的排气混合。为了实现有效的催化反应，需要将排气与喷入其中的反应剂均匀混合。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于将反应剂馈入内燃机排气流中的反应剂馈入设备，借助该反应剂馈入设备，在简单的结构中在利用待与反应剂混合的排气的流体动力学的情况下实现排气和反应剂的有效混合。
根据本发明，所述任务通过一种用于将反应剂馈入内燃机排气流中的反应剂馈入设备来解决，其包括：
－反应剂馈入壳体，该反应剂馈入壳体具有被壳体壁包围的反应剂馈入空间，所述壳体壁包括一个能关于排气流动方向定位在上游的流入壁区域、一个能关于排气流动方向定位在下游的流出壁区域和在流入壁区域和流出壁区域之间的两个侧壁区域，在至少一个侧壁区域中和/或在流出壁区域中设置至少一个通流口；
－反应剂喷入装置，该反应剂喷入装置用于将反应剂沿反应剂馈入方向喷入反应剂馈入空间中、到能加热的反应剂馈出元件上。
根据本发明构造的反应剂馈入设备利用下述效应：在绕流反应剂馈入壳体或者说其壳体壁时，基于通过通流口建立的连通，在壳体壁外侧上的负压确保实现：喷入反应剂馈入空间中并且由被加热的反应剂馈出元件以蒸汽形式又馈出的或被该反应剂馈出元件反射的反应剂根据吸入泵效应被从反应剂馈入壳体中吸出，并且在此有效地与绕流壳体壁的排气混合。当在此尤其是也在流出壁区域上设有至少一个通流口时，实现已经部分与反应剂混合的排气到反应剂馈入空间中的再循环和因此实现排气与反应剂更好的混合。
在一种确保反应剂均匀分布在反应剂馈入壳体内部的方案中可规定，所述反应剂馈入壳体沿壳体纵轴线方向延伸，并且用于将反应剂喷入反应剂馈入空间中的反应剂喷入装置基本上沿壳体纵轴线方向设置。
为了能够将由反应剂喷入装置馈送的反应剂可靠地朝向反应剂馈出元件的方向导向，规定，为所述反应剂喷入装置配设优选管状的反应剂导向元件。
借助这种反应剂导向元件可遮挡至少一个、优选每个通流口以防止来自反应剂喷入装置的反应剂直接从反应剂馈入空间中排出。为此优选规定，所述反应剂导向元件沿反应剂馈入方向至少部分、优选完全与至少一个、优选每个通流口重叠。
当反应剂馈入方向基本上就是壳体壁的壳体纵轴线延伸所沿的方向时，反应剂到反应剂馈出元件上的有效导向尤其是通过下述措施得以辅助，即，所述反应剂导向元件沿壳体纵轴线的方向延伸到反应剂馈入空间中。
在一种结构上可简单实现的方案中可以规定，所述反应剂馈出元件具有可通过电激励而加热的反应剂馈出板。
为了使反应剂馈出板能够尽可能均匀地被朝向其方向流动的反应剂润湿，规定，所述反应剂馈出板具有基本上垂直于反应剂馈入方向定向的反应剂馈出表面。
由于反应剂馈出板基本上界定反应剂馈入空间，因此规定，至少一个、优选每个通流口沿反应剂馈入方向设置在反应剂喷入装置和反应剂馈出板之间。
为了在将反应剂馈出元件连接到壳体壁上时实现基本上避免反应剂或排气穿过的封闭连接，规定，在壳体壁上设置支撑装置，该支撑装置沿壳体壁的壳体纵轴线方向优选在环周方向上沿整个壳体壁无中断地支撑反应剂馈出元件，和/或所述反应剂馈出元件关于壳体壁内侧借助隔离装置优选在环周方向上沿整个壳体壁无中断地隔离地被保持。此外，为了能够避免向外部的热损失，可规定，反应剂馈出元件在远离反应剂喷入装置的一侧上优选基本上完全被隔离材料覆盖。
为了在最小程度妨碍排气流的情况下尽可能有效地利用上面所描述的、通过在壳体壁外侧上产生负压而出现的吸入泵效应，可规定，所述反应剂馈入壳体是扁形的，以致在流入壁区域和流出壁区域之间的距离大于各侧壁区域之间的距离。例如反应剂馈入壳体可构成有关于壳体纵轴线呈椭圆形、卵形或液滴形横截面的轮廓。
本发明还涉及一种用于内燃机的排气系统，其包括能被排气沿排气流动方向穿流的排气管和在排气管中的能被在排气管中流动的排气绕流的、根据本发明的原理构造的反应剂馈入设备。
所述反应剂馈入设备在反应剂馈入壳体的壳体纵轴线基本上垂直于排气流动方向定向的情况下这样设置在排气管中，使得流入壁区域构成壳体壁的上游端部区域，流出壁区域构成壳体壁的下游端部区域并且各侧壁区域基本上沿排气流动方向在流入壁区域和流出壁区域之间延伸。
为了在绕流壳体壁时能够在两侧实现根据本发明的混合效果，规定，在各侧壁区域中以基本上垂直于排气流动方向彼此对置的方式设置通流口，和/或在各侧壁区域的至少一个顶点区域中设置至少一个通流口。
附图说明
下面参考附图详细说明本发明。附图如下：
图1为构成有反应剂馈入设备的内燃机排气系统的局部纵剖视图；
图2为排气管中的反应剂馈入设备的相应于图1中沿线II-II的剖视图的视图。
具体实施方式
在图1和2中整体以附图标记10表示反应剂馈入设备。该反应剂馈入设备10用于将液态反应剂、如尿素/水溶液馈入到从例如机动车中的内燃机排出的排气流中。为此目的，反应剂馈入设备10设置在整体以附图标记12表示的内燃机排气系统14的排气管中。
反应剂馈入设备10包括反应剂馈入壳体16，其具有沿壳体纵轴线L方向例如大致筒状延伸的壳体壁18。图1和图2的比较表明，壳体壁18可具有不同横截面轮廓。在图1中示出具有关于壳体纵轴线L基本上对称的横截面轮廓的、例如具有椭圆形轮廓的方案，而图2所示的壳体壁18具有横向于壳体纵轴线L延伸的卵形轮廓。也可选择其它横截面轮廓、如液滴形。
形成于反应剂馈入壳体16内或者说被壳体壁18包围的反应剂馈入空间20沿轴向方向(关于壳体纵轴线L沿轴向)通过板状或盖状封闭元件22封闭。在该封闭元件22上承载有例如管状的反应剂导向元件24并且通过突出部26承载有反应剂喷入装置28、如注射器。在此，反应剂喷入装置28和管状反应剂导向元件24彼此基本上同心设置，这在图2中可以看出。这样设置反应剂喷入装置28，使得由其喷出的反应剂具有基本上沿壳体纵轴线L方向定向的反应剂馈入方向E。由于反应剂通常以喷雾形式喷入，因此产生喷雾锥体，对于喷雾锥体而言，根据本发明的原理依然假定，如此喷出的反应剂液滴具有沿反应剂馈入方向E的主流动方向分量。
反应剂馈入壳体16的壳体壁18以其扁形的横截面轮廓这样设置在排气管12中，使得流入壁区域30关于在排气管12中流动的排气的排气流动方向A定位在上游，而流出壁区域32定位在下游。因此，流入壁区域30构成壳体壁18的上游端部区域并且流出壁区域32构成壳体壁18的下游端部区域。在流入壁区域30和流出壁区域32(它们分别包括具有较小曲率半径的壁区域)之间延伸有彼此对置的侧壁区域34、36。侧壁区域34、36大致沿排气流动方向A延伸，并且原则上在与流入壁区域30和流出壁区域32的连接处也构造成弯曲的。如通过流动箭头P1所示，可沿排气流动方向A流到壳体壁18上的排气在流入壁区域30上偏转，偏转当然向两侧进行。排气随后(如通过流动箭头P2所示)分别沿两个侧壁区域34、36流入分别形成于侧壁区域34、36和排气管12管壁38之间的流动间隙40、42中。
与反应剂馈入壳体16相配地，在排气管12管壁38中在两个彼此对置的侧面上构造有优选匹配于壳体壁18环周轮廓的开口44、46。在此，例如这样确定开口44的尺寸，使得壳体壁18可在紧配合下穿过开口44插入排气管12中。这样确定开口46的尺寸，使得该开口基本上相应于由壳体壁18界定的反应剂馈入空间20的横截面轮廓，从而在反应剂馈入壳体16完全插入排气管12中时壳体壁18贴靠在管壁38的包围开口46的区域中。在两个开口44、46的区域中壳体壁18可与排气管12管壁38材料锁合地、例如通过熔焊、钎焊、粘接而气密并且耐热地连接。相应地，封闭元件22也可与壳体壁18连接，以便在该区域中向外部气密并且耐热地封闭反应剂馈入空间20。
在反应剂馈入壳体16中，沿反应剂馈入方向E与反应剂喷入装置28或反应剂导向元件24相对置地设有例如以反应剂馈出板50形式的反应剂馈出元件48。反应剂馈出板50具有反应剂馈出表面52，其可通过由反应剂喷入装置28喷出的反应剂润湿并且基本上垂直于反应剂馈入方向定向。反应剂馈出板50在其环周边缘区域中通过优选完全环状包围该反应剂馈出板的隔离装置54一方面关于壳体壁18径向向外支撑并且另一方面关于该壳体壁隔离。在壳体壁18上承载有环状构造的支撑装置56，反应剂馈出板50可朝向反应剂喷入装置28方向支撑在该支撑装置上。优选支撑装置56无中断地在壳体壁18的整个环周上延伸，从而可在反应剂馈出板50和支撑装置56之间在整个环周上基本上无中断地设置相应的支撑接触，并且因此在反应剂馈出表面52的外边缘区域中基本上阻止润湿该反应剂馈出表面的反应剂朝向隔离装置54方向泄漏。支撑装置56例如可在多个间断的环周区域上例如通过熔焊或钎焊连接到壳体壁18上，以便在该区域中尽可能避免从反应剂馈出板50朝向壳体壁18的热损失。
包括反应剂馈出板50的反应剂馈出元件48可通过电激励而加热。为此例如可在反应剂馈出板50的构造材料中嵌入可电激励的加热元件。替代或附加地，这种可电激励的加热元件可设置在反应剂馈出板50的远离反应剂喷入装置28的背面上，但必要时也可设置在反应剂馈出表面52的区域中。通过电导线58、60可以将配设给反应剂馈出板50的可电激励的加热元件连接到电源上，以便由此在运行中加热反应剂馈出板50。待以液滴形式由反应剂喷入装置28朝向反应剂馈出表面52方向喷射的反应剂因此到达反应剂馈出表面52上。以液滴形式到达该反应剂馈出表面52上的反应剂的一部分可被反应剂馈出表面52反射并且因此仍以液滴形式存在于反应剂馈入空间20中。到达反应剂馈出表面52上的反应剂的大部分润湿该反应剂馈出表面并且基于反应剂馈出板50的加热而以蒸汽形式被反应剂馈出表面52又馈出到反应剂馈入空间20中。为了在此也避免反应剂馈出板50背面上的热损失，该反应剂馈出板优选可基本上完全以隔离材料62覆盖。在隔离材料62背面上可设置另一板状或盖状封闭元件64，该封闭元件通过多个支撑元件66、68将反应剂馈出板50压到支撑装置56上并且例如通过材料锁合、如熔焊、钎焊或粘接而气密并且耐热地固定在壳体壁18上。通过封闭元件64中的开口70和管壁38中的开口46，导线58、60可被引出反应剂馈入设备10区域或排气管12。
在反应剂馈入壳体16的壳体壁18中设有多个通流口。例如在两个侧壁区域34、36中、优选在关于壳体纵轴线L相对置的区域中分别设置通流口72、74。如图1所示，在每个侧壁区域34、36中可分别设置多个这种通流口72或74，它们例如沿反应剂馈入方向E相继设置并且沿排气流动方向A基本上位于相同水平上。在所示实施例中在流出壁区域32中设有通流口76。这些通流口72、74、76这样定位，使得从反应剂喷入装置28区域延伸到反应剂馈入空间20中的管状反应剂导向元件24基本上完全与所有通流口72、74、76重叠或者说防止由反应剂喷入装置28喷出的反应剂直接穿过通流口72、74、76之一排出。因此通过反应剂导向元件24确保：基本上所有由反应剂喷入装置28喷出的反应剂到达反应剂馈出板50上并且由该反应剂馈出板以上面所描述的方式又朝向反应剂馈入空间20方向馈出。
在内燃机运行时并且在排气绕流壳体壁18时，基于排气在流入壁区域30上以及在侧壁区域34、36的上游区域中的转向，排气被导入流动间隙40、42中。在此，用于穿流的流动横截面减小直至侧壁区域34、36的顶点区域，在所述顶点区域中优选设有侧壁区域34、36的通流口72、74。基于减小的流动横截面，在该区域中穿流流动间隙40、42的排气流速增加。增加的流速导致动态压力增加以及相应地排气静压减小。这意味着，在通流口72、74进入流动间隙40、42的区域中出现相对于反应剂馈入空间20中所存在压力的负压。这导致：存在于反应剂馈入空间20中并且含有反应剂的气体(如流动箭头P3所示)被吸出反应剂馈入空间20并且在反应剂馈入壳体16之外与绕流该反应剂馈入壳体的排气混合。因为通过通流口72、74从反应剂馈入空间20中流出的材料的仅一部分是反应剂，所以基于该吸入泵效应而在反应剂馈入空间20中产生负压。但因为反应剂馈入空间20的流出壁区域32中的通流口76区域也是敞开的，所以在此会发生与反应剂混合的排气从排气管12流入反应剂馈入空间20中的再循环，如通过流动箭头P4所示。这意味着，通过反应剂喷入装置28喷出的反应剂或通过反应剂馈出板馈出的反应剂与进入反应剂馈入空间20中的、由排气和反应剂构成的混合物在反应剂馈入空间20中混合并且(如流动箭头P3所示)被吸出反应剂馈入空间并且又与排气流混合。这有助于排气和反应剂的有效、均匀混合，使得在反应剂馈入设备10下游在在那里定位于排气流中的催化器装置中可有效地进行选择性催化还原。
借助上面所描述并且在附图中所示出的反应剂馈入设备10在运行中实现不同优点。一方面通过反应剂馈出板50的热隔离确保：在该区域中可在很大程度上避免热损失，从而即使在相对低的温度下也已经可实现有效的反应剂蒸发并且就此而言在低于200℃的较低排气温度下就已经可确保有效的反应剂混合。另一方面，反应剂馈入壳体16可通过壳体壁18从绕流该反应剂馈入壳体的排气中吸收热量，从而在连续运行中确保实现可靠加热。一方面通过通流口72、74、76的定位并且另一方面通过管状反应剂导向元件24的尺寸和定位来确保：反应剂基本上不能直接从反应剂馈入空间20中排出。反应剂(在其首先到达反应剂馈出板50上之后)首先在反应剂馈入空间20中与存在于那里的气体、如通过通流口76进入并且已经含有反应剂成分的排气混合并且随后才通过通流口72、74馈出到排气流中。
应指出，本发明的原理当然也可在关于所显示和所描述实施方式有所改变的反应剂馈入设备实施方式中实现。如上面已经描述的，可选择不同的壳体壁横截面轮廓，尤其是在考虑流体动力学方面的情况下。通流口的数量和定位也可不同地选择。通流口在侧壁中在绕流壳体壁的排气具有最大流速之处的定位基于有效的吸入泵效应是特别有利的，而替代或附加地也可在各侧壁中或至少在一个侧壁中的更下游和/或更上游设置通流口。在流出壁区域中也可设置多个通流口。作为替代方案，可省却在流出壁区域中设置通流口。虽然流入壁区域中无通流口的设计特别有利于流动情况，但替代或附加地也可在流入壁区域中或侧壁区域更上游的区域中定位至少一个通流口。
通过沿壳体纵轴线方向选择用于反应剂馈出板的支撑装置的定位，反应剂馈出板在反应剂馈入壳体内部的定位可选择得匹配于相应排气导向系统的结构。反应剂馈出板的设计也可与所示出的形状不同。在此也可为板选择网格结构或多孔结构，以便增大用于接纳或馈出反应剂的表面。也可实现反应剂馈出板的波状或设有凸起的结构。

Claims (15)

1.用于将反应剂馈入内燃机排气流中的反应剂馈入设备，包括：
反应剂馈入壳体(16)，该反应剂馈入壳体具有被壳体壁(18)包围的反应剂馈入空间(20)，所述壳体壁(18)包括一个能关于排气流动方向(A)定位在上游的流入壁区域(30)、一个能关于排气流动方向(A)定位在下游的流出壁区域(32)和在流入壁区域(30)和流出壁区域(32)之间的两个侧壁区域(34、36)，在至少一个侧壁区域(34、36)中和/或在流出壁区域(32)中设置至少一个通流口(72、74、76)；
反应剂喷入装置(28)，该反应剂喷入装置用于将反应剂沿反应剂馈入方向(E)喷入反应剂馈入空间(20)中、到能加热的反应剂馈出元件(48)上。
2.根据权利要求1所述的反应剂馈入设备，其特征在于，所述反应剂馈入壳体(16)沿壳体纵轴线(L)方向延伸，并且用于将反应剂喷入反应剂馈入空间(20)中的反应剂喷入装置(28)基本上沿壳体纵轴线(L)方向设置。
3.根据权利要求1或2所述的反应剂馈入设备，其特征在于，为所述反应剂喷入装置(28)配设优选管状的反应剂导向元件(24)。
4.根据权利要求3所述的反应剂馈入设备，其特征在于，所述反应剂导向元件(24)遮挡至少一个、优选每个通流口(72、74、76)以防止来自反应剂喷入装置(28)的反应剂直接从反应剂馈入空间(20)中排出。
5.根据权利要求4所述的反应剂馈入设备，其特征在于，所述反应剂导向元件(24)沿反应剂馈入方向(E)至少部分、优选完全与至少一个、优选每个通流口(72、74、76)重叠。
6.根据权利要求2和权利要求3至5之一所述的反应剂馈入设备，其特征在于，所述反应剂导向元件(24)沿壳体纵轴线(L)方向延伸到反应剂馈入空间(20)中。
7.根据上述权利要求之一所述的反应剂馈入设备，其特征在于，所述反应剂馈出元件(48)具有能通过电激励而加热的反应剂馈出板(50)。
8.根据权利要求7所述的反应剂馈入设备，其特征在于，所述反应剂馈出板(50)具有基本上垂直于反应剂馈入方向(E)定向的反应剂馈出表面(52)。
9.根据权利要求7或8所述的反应剂馈入设备，其特征在于，至少一个、优选每个通流口(72、74、76)沿反应剂馈入方向(E)设置在反应剂喷入装置(28)和反应剂馈出板(50)之间。
10.根据上述权利要求之一所述的反应剂馈入设备，其特征在于，在壳体壁(18)上设置支撑装置(56)，该支撑装置沿壳体壁(18)的壳体纵轴线(L)方向优选在环周方向上沿整个壳体壁(18)无中断地支撑反应剂馈出元件(48)，和/或所述反应剂馈出元件(48)关于壳体壁(18)内侧借助隔离装置(54)优选在环周方向上沿整个壳体壁(18)无中断地隔离地被保持，和/或反应剂馈出元件(48)在远离反应剂喷入装置(28)的一侧上优选基本上完全被隔离材料(62)覆盖。
11.根据上述权利要求之一所述的反应剂馈入设备，其特征在于，所述反应剂馈入壳体(16)是扁形的，以致在流入壁区域(30)和流出壁区域(32)之间的距离大于各侧壁区域(34、36)之间的距离。
12.根据权利要求11所述的反应剂馈入设备，其特征在于，所述反应剂馈入壳体(16)构成有关于壳体纵轴线(L)呈椭圆形、卵形或液滴形的横截面轮廓。
13.用于内燃机的排气系统，包括能被排气沿排气流动方向(A)穿流的排气管(12)和在排气管中的能被在排气管中流动的排气绕流的、根据上述权利要求之一所述的反应剂馈入设备(10)。
14.根据权利要求13所述的排气系统，其特征在于，所述反应剂馈入设备(10)在反应剂馈入壳体(16)的壳体纵轴线(L)基本上垂直于排气流动方向(A)定向的情况下这样设置在排气管(12)中，使得流入壁区域(30)构成壳体壁(18)的上游端部区域，流出壁区域(32)构成壳体壁(18)的下游端部区域并且各侧壁区域(34、36)基本上沿排气流动方向(A)在流入壁区域(30)和流出壁区域(32)之间延伸。
15.根据权利要求14所述的排气系统，其特征在于，在各侧壁区域(34、36)中以基本上垂直于排气流动方向彼此对置的方式设置通流口(72、74)，和/或在各侧壁区域(34、36)的至少一个顶点区域中设置至少一个通流口(72、74)。
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