CN108138633A - 用于将添加剂与排气流动混合的混合器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将添加剂与排气流动混合的混合器组件，该混合器组件包括排气管线(1)以及至少一个排气清洁元件(4，4’)，排气沿着主流动方向流过该排气管线(1)，该至少一个排气清洁元件被安排在该排气管线(1)中、并且具有护套(6)以及用于该排气的流过表面(5)，该流过表面被安排在该护套(6)内。该至少一个排气清洁元件(4，4’)的该护套(6)具有引导结构(8)。

Description

用于将添加剂与排气流动混合的混合器组件

本发明涉及一种用于将添加剂与排气流动混合的混合器安排，该混合器安排具有排气管线并且具有至少一个排气净化元件，排气沿着主流动方向流过该排气管线，该至少一个排气净化元件被安排在该排气管线中、并且具有壳体以及安排在该壳体内的用于该排气的流过表面。

在内燃发动机、尤其柴油发动机或稀燃发动机中，不希望的大量氮氧化物被形成。用于消除这些氮氧化物的适当的方法具体为添加添加剂氨，由此在存在过量氧气的情况下，可以减少氮氧化物以形成氮气，并且氨的氢部分结合形成水。

已知将添加剂引入排气管线中。在排气流动的情况下，添加剂被运送至选择性还原催化转化器(SCR催化转化器)。通过将添加剂与排气流动的主流动方向相反地注入，寻求实现添加剂与排气的均匀混合。从DE 10 2011 117 139A1已知的是在排气管线中提供凹部。借助于该凹部，寻求在排气管线中实现排气的涡旋以便进一步改善与添加剂的混合。然而，已经发现，尽管生成了涡旋，但是这种凹部甚至还相对于排气管线的横截面区域生成了添加剂的不均匀液滴负载。为了实现高的氮氧化物还原率，SCR催化转化器的排气管线上游的横截面上的添加剂的高度均匀的浓度分布以及均匀的温度分布(尤其是相对于相对较冷的边缘区域)是必需的。另外的缺点在于，这种凹部与排气管线的横截面的扩大相关联，由此排气管线需要较大的结构空间。

因此，本发明所基于的目的是提供一种装置，使用该装置可以实现高的氮氧化物还原率。

根据本发明，该目的通过以下方式实现：至少一个排气净化元件的壳体具有引导结构。

在此情况下，引导结构不是排气净化元件(尤其安排在壳体内的流过表面)的功能元件。引导结构被安排为至少一个排气净化元件上的附加的功能单元。在壳体上的引导结构的安排的情况下，可以以特别简单且有效的方式实现影响排气流动以及因此使得排气流动起涡旋。涡旋显著地有益于实现以液滴的形式供应至排气流动的添加剂被更均匀地分布在排气管线的整个横截面上，并且因此排气后处理以更均匀地分布在整个横截面上的方式发生。同样，由于混合，端部区域中的温度被增加，由此实现了更均匀的温度分布。由于横截面的改善的利用，排气的后处理率增大，或者排气处理路径的长度可以被缩短，同时实现相同的后处理率。此外，壳体上的安排具有的优点为，以此方式实现了引导结构至排气净化元件的廉价紧固。用于紧固引导结构的附加支架结构因此是不需要的。此外，借助于引导结构的设计，可以实现与相应的排气管线的涡旋的适配。

由于引导结构具有多个引导元件，所以借助于引导结构的设计，可以以特别简单的方式实现排气流动的涡旋的适配。

在另一个有利的实施例中，由于引导结构与壳体一体地形成，所以引导结构可以以特别简单的方式生成。具体地讲，在由金属板生产的壳体的情况下，引导结构可以借助于相同工作步骤中对应的切开金属板壳体而被生成。引导结构至壳体的紧固由此被消除。

在另一个有利的实施例中，该引导元件被连接至该壳体。这个改进具有的优点为，在生产和组装工艺过程中壳体和引导结构的操纵更简单。引导结构至壳体的紧固可以有利地借助于焊接或装钉(例如，通过感应焊接)而实现。同样，可想到的是借助于铆钉或螺钉连接将引导结构紧固至壳体。另外的优点在于，借助于根据本发明的解决方案，现有的排气净化元件可以被增强成包括引导结构。

如果引导结构与壳体压在一起，则在无附加的紧固器件的情况下实现了引导结构至排气净化元件的壳体的紧固。在此，引导结构可以被压到壳体中或者压到壳体上。将引导结构压入壳体中具有的优点为，引导结构不增大排气净化装置的外径，从而使得不需要相对于外径的额外的结构空间。

在特别简单的实施例中，引导结构是圆柱形部件，该圆柱形部件的壳体表面具有至少一个径向向内的凹陷。提供优选地2至10个、特别优选地3至8个凹陷。由于凹陷旨在生成涡旋，对凹陷的尺寸精确度的需求很低，由此根据本发明的引导结构可以以相对较低的成本制造。

在另一个有利的实施例中，实现了与相应的排气管线特别好的适配的排气流动涡旋，因为引导结构具有至少两个引导元件、优选地3至20个引导元件、具体地4至10个引导元件。

如果引导元件沿着排气管线的对称轴的方向至少部分地径向向内弯曲，则排气流动中的涡旋被改善。在此，“至少部分地弯曲”被理解为是指整个引导元件或引导元件的仅一部分是向内弯曲的。在此，在本发明的背景下，弯曲既可以指(比如在扭结的情况下出现的)引导元件的不连续的轮廓，也可以指引导元件的连续轮廓(如果可以使用半径描述弯曲的话)。

由于引导元件被多样地弯曲，所以还可以实现改善的涡旋。在此，可以设想的是，引导元件可以沿着流动方向最初向内弯曲，并且随后还可以沿着排气管线的壁的方向再次向外弯曲。

由于单独的引导元件具有不同的大小和/或弯曲，所以容易实现排气流动的涡旋的进一步的设置。以此方式，相对于周界方向重复的排气流动中的涡旋模式可以被最小化。这些涡旋模式在其他情况下将导致在特定区域上生成涡旋，而阻碍在排气流动的整个周界上的涡旋。

为了使得引导元件尽可能地突伸到排气流动中，这些引导元件必须具有确定的长度。如果引导元件被定向成在未卷绕的壳体的情况下平行于壳体轴线，则用于生产其的金属板的需要的长度由壳体的轴向长度以及引导元件的长度限定。在另一个有利的实施例中，如果引导元件相对于壳体成角度地定向，则出于生产目的所需的金属板壳体的长度可以被显著地减小。借助于这个取向，引导元件具有显著地更小的轴向长度。以此方式，生产成本可以被减少。

在简单的实施例中，所有这些引导元件以相同的形状形成。这具有的优点为，用于引导元件的生产的冲压工具可以被设计成廉价的。

使用不对称地设计的引导元件来实现气体流动的改善的涡旋。不对称是指引导元件具有例如偏离矩形形状的区域。

在另一个实施例中，同样可能的是，通过相应的长度和宽度的变化，两个相邻的引导元件可以分别具有不同的面积。

借助于引导元件的这些不同的形状，寻求防止出现部分相同的涡旋模式，这些部分相同的涡旋模式共同地准许排气流动的整个横截面上的小的涡旋。

在另一个有利的实施例中，为了进一步强化涡旋，引导元件具有子结构。这种子结构可以是隆起部、穿孔或端部区域中的切口，其中，在端部区域中的切口的情况下，单独的区域此外可以被弯曲。

取决于应用领域的引导结构的不同安排(也就是说，具体地，排气管线的几何形式、就流通速率和温度而言的排气流动、所使用的排气净化元件及其安排)可以是有利的。

并且当排气净化元件中存在排气时，排气净化元件中使用的流过表面通常导致排气净化元件内的排气流动的某些层流化。层流流动不仅具有的缺点是，它们导致并且维持在添加剂注射过程中产生的不均匀性。这些层流流动还具有的作用是，它们维持在排气流动中产生的温度梯度。这种温度梯度由于排气净化元件在径向外部处具有相对较低的温度而产生。排气后处理因此在所述区域中较不彻底。在一个有利的实施例中，由于根据本发明的引导结构被安排在排气净化元件的壳体的面向下游的侧面上，所以避免了排气管线的相邻区段中的这种温度梯度的形成。涌出的流动的因此而生成的涡旋抵消了排气管线的相邻区段中的这种温度梯度的形成。排气在排气管线的整个横截面上混合，并且排气后处理因此被改善。

此外，如果使用多个排气净化元件执行排气后处理，并且，如沿着流动方向观察的，引导结构被安排在定位在最后的排气净化元件上游的那些排气净化元件中的至少一者上，则这个实施例也是有利的。

在另一个有利的实施例中，该引导结构在该排气净化元件的面向上游的侧面上被安排在壳体上。具体地讲，如果给送到排气净化元件的排气流动是层流的、并且因此具有相对于排气管线的横截面的温度梯度，则此实施例是有利的。对于这些情况，层流流动可以借助于被安排在上游的引导结构而被变换成湍流流动。以此方式，在没有温度梯度的情况下，流动冲击排气净化元，这导致排气净化元件中的改善的温度分布、以及因此改善的排气后处理。具体地讲，这在催化转化器的情况下是有利的，在该催化转化器中(例如，比如用于甲烷氧化的催化转化器)，温度分布对有效性具有特别大的影响。同样，在从层流流动变成湍流流动的情况下，相对于横截面的供应的添加剂的液滴分布更均匀。

根据本发明的引导结构的安排此外不限于排气净化元件的特定结构形式。除了具有圆柱形蜂窝状本体的排气净化元件之外，在所谓的环形催化转化器的情况下也可以提供引导结构。环形催化转化器是排气净化元件，这些排气净化元件在它们的中央具有呈中空圆柱体的形式的圆柱形凹部，并且蜂窝状本体在所述圆柱形凹部周围延伸。如果引导结构没有延伸超过蜂窝状本体的轴向长度，则排气净化元件在轴向方向上不需要额外的结构空间。此外，具有上述实施例的引导结构可以被应用于中空的圆柱形蜂窝状本体。

将基于多个示例性实施例对本发明进行更详细地讨论。在附图中：

图1是混合器安排的示意图示，

图2至图4示出了根据图1的混合器安排的进一步的安排，

图5示出了具有流过表面的排气净化元件，

图6示出了排气净化元件的壳体，

图7至图9示出了引导结构的引导元件，

图10示出了混合器安排的进一步的实施例。

图1示出了机动车辆(未以任何细节展示)中具有排气管线1的混合器安排。箭头指示流过排气管线1的排气的主流动方向。借助于被安排在排气管线1上的喷射器2，尿素溶液以相对于主流动方向的角度被注入到排气流动中，从而使得射流3近似居中地冲击排气净化元件4。排气净化元件是SCR催化转化器4。SCR催化转化器4由示意性展示的蜂窝状本体5和壳体6构成，该蜂窝状本体形成用于排气的流过表面，该壳体完全包围该蜂窝状本体5。在壳体6的面向下游的侧面7上，引导结构8被紧固至壳体6。将在以下附图中对引导结构8的构造进行描述。在混合器安排的操作过程中，所注射的尿素溶液被喷射到蜂窝状本体5上，并且通过排气运送穿过蜂窝状本体5。由于所述流过表面的结构，排气以及其中仍包含的尿素溶液的液滴基本上作为层流流动从侧面7上的蜂窝状本体5涌出。引导结构8扰乱该层流，从而使得在引导结构8的沿着流动方向的下游使得层流流动涡旋，并且因此使该层流流动变为湍流流动。由于这种涡旋，更多的排气与尿素溶液的液滴相接触，由此提高了排气后处理的效率。

图2中的混合器安排由排气管线1以及作为排气净化元件的两个SCR催化转化器4、4’构成。这两个SCR催化转化器4、4’分别具有一个蜂窝状本体5以及一个包围所述蜂窝状本体的壳体6。如沿着流动方向观察的，被安排在最后的SCR催化转化器4’的上游的SCR催化转化器4在其面向下游的侧面7上具有引导结构8。借助于该引导结构8使得从SCR催化转化器4涌出的流动涡旋，从而使得彻底混合的排气流动进入下游SCR催化转化器4’。由于这种涡旋，来自SCR催化转化器4的中央的热的排气与来自壳体6附近的区域的较不热的排气相混合，从而使得进入SCR催化转化器4’的排气具有相对于横截面的较好的温度均匀性，该较好的温度均匀性提高了第二SCR催化转化器4’的效率。

根据图3的混合器安排可以被认为是来自图1和图2的混合安排的组合。引导结构8使得排气流动的涡旋从SCR催化转化器4涌出，由此进入SCR催化转化器4’的排气流动具有就温度分布、而还就所注射的尿素溶液的液滴分布而言更均匀的分布。具体地讲，在尿素溶液的分布的情况下，引导结构8辅助射流3以便将尿素溶液更均匀地分布在整个横截面上。

图4中示出的混合器安排就排气净化元件4而言不同。该排气净化元件具有位于壳体6的面向上游的侧面9上的引导结构8。因此，通过排气净化元件4使用涡旋作用来影响冲击排气流动，该排气流动被供应给该排气净化元件。

图5示出了排气净化元件4、尤其SCR催化转化器的平面视图。所述排气净化元件由壳体6构成，蜂窝状本体5被安排在该壳体中。蜂窝状本体5由许多相互连接的箔片层构成，这些相互连接的箔片层形成用于排气的流过表面。壳体6具有比蜂窝状本体5更大的长度。引导结构8借助于感应焊接被紧固至自由壳体表面的内侧。引导结构8由环绕环10构成，该环绕环抵靠壳体6的内侧。引导元件11沿着轴线方向从环10延伸。引导元件11都具有相同的面积和形状、并且由于引导元件11以不连续的方式沿着边缘扭结而向内径向地弯曲，从而使得它们以介于0°与90°之间的角度突伸到排气流动中。

在图6中，具有引导元件11的引导结构8与SCR催化转化器4的壳体6一体地形成。壳体管道6是以未卷绕的形式展示的。对于壳体6的生产，壳体管道被卷起，从而使得两个外边缘13、14彼此顶靠。壳体6随后可以被焊接。引导元件11以期望的角度沿着边缘12弯曲。为了强化混合并且避免部分涡旋模式，相邻的引导元件11具有不同的形状。这不仅是通过引导元件11的长度和宽度的变化来实现的，而且是借助于以不同角度的弯曲来实现的。

以下附图示出了不同的引导元件11。图7中的引导元件具有许多孔口15，从而使得排气由于从引导元件11的一侧通到另一侧而强化了排气流动的彻底混合。即使在此安排中，代替孔口安排了凹部15，这些凹部作为引导元件11的相反侧上的凸起而突伸，也实现了彻底混合。这些子结构影响附加的涡旋，并且因此改善了彻底混合。

图8示出了尚未弯曲的引导元件11的侧视图，引导元件在其周界上具有作为子结构的切口，并且单独的区域16以榫舌的方式被弯曲到引导元件11的平面之外。

图9中的引导元件11具有第一区域17，在该第一区域中，引导元件11已经向内径向地弯曲。在第二区域18中，引导元件已经沿着与第一区域相反的方向弯曲。借助于这两个区域17、18，引导元件11具有绕其纵向轴线19的扭曲。

图10示出了混合器安排的进一步的实施例，该混合器安排被基本上引导至排气净化元件4的蜂窝状本体5的实施例。蜂窝状本体5被形成为具有位于中央的圆柱形凹部20的中空圆柱体。引导结构8被安排在圆柱形凹部20中、优选地安排在壳体6的壁上，所述壁在径向向内方向上界定了蜂窝状本体5。在所示出的图示中，引导结构8被安排在排气净化元件4的面向下游的端部处。然而，还可想到的是将以上附图中所描述的示例性实施例应用于根据图10的蜂窝状本体5。

Claims (18)

1.一种用于将添加剂与排气流动混合的混合器安排，该混合器安排具有排气管线并且具有至少一个排气净化元件，排气沿着主流动方向流过该排气管线，该至少一个排气净化元件被安排在该排气管线中、并且具有壳体以及安排在该壳体内的用于该排气的流过表面，该混合器安排的特征在于，该至少一个排气净化元件(4，4’)的壳体(6)具有引导结构(8)。

2.如权利要求1所述的混合器安排，其特征在于，该引导结构(8)具有多个引导元件(11)。

3.如权利要求1或2所述的混合器安排，其特征在于，该引导结构(8)与该壳体(6)一体地形成。

4.如权利要求1或2所述的混合器安排，其特征在于，该引导结构(8)被连接至该壳体(6)。

5.如以上权利要求中至少一项所述的混合器安排，其特征在于，该引导结构(8)借助于感应焊接被连接至该壳体(6)。

6.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，所述引导元件(11)是至少部分地径向向内弯曲的。

7.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，在未卷绕的壳体(6)中，所述引导元件(11)相对于该壳体(6)的轴向长度成角度地安排。

8.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，所有的所述引导元件(11)具有相同的形状。

9.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，所述引导元件(11)具有不对称的设计。

10.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，两个相邻的引导元件(11)分别具有不同的面积。

11.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，所述引导元件(11)具有子结构(15，16)。

12.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，所述引导元件(11)中的所述子结构是隆起部(15)或穿孔(15)。

13.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，所述子结构是处于相应的引导元件(11)的端部区域(16)中的切口。

14.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，在这些端部区域(16)有这些切口的情况下，单独的区域此外能够被弯曲。

15.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，该引导结构(8)被安排在该排气净化元件(4，4’)的壳体(6)的面向下游的侧面(7)上。

16.如以上权利要求1至14中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，该引导结构(8)被安排在该排气净化元件(4，4’)的壳体(6)的面向上游的侧面(9)上。

17.如以上权利要求中至少一项所述的混合器装置，其特征在于，多个排气净化元件(4，4’)被安排在该排气管线(1)中，并且，如沿着流动方向观察的，该引导结构(8)被安排在定位在最后的排气净化元件(4’)上游的那些排气净化元件(4)中的至少一者上。

18.如以上权利要求中至少一项所述的混合器安排，其特征在于，蜂窝状本体(5)被形成为具有径向地位于内部的圆柱形凹部(20)的中空圆柱体。