CN111771044B - 混合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个输送气体的气体管道(4)的混合装置(101)，其中，至少一个用于喷射液体的喷射装置(40)被分配给混合装置(101)，并且至少一个第一引导元件(1、1'、1”)设置在喷射装置(40)下游，该喷射装置伸入到气体管道(4)中的气流中。附加地，至少有一些气体转向进入紧邻第一引导元件(1、1'、1”)下游的至少一个凸起(3、3'、3”)，并且气体管道(4)具有位于气体管道(4)的管道壁中、紧邻第一引导元件(1、1'、1”)下游的至少一个凸起(3、3'、3”)。本发明还涉及一种用于混合气体或气体混合物的方法。

Description

混合装置
技术领域
本发明涉及一种混合装置，所述混合装置具有至少一个气体输送气体管道，其中，与混合装置关联有至少一个用于喷射液体的喷射装置，并且在喷射装置下游设置有至少一个第一引导元件，该第一引导元件伸入气体管道的气流中。
此外，本发明涉及一种用于混合气体或气体混合物的方法，其中，气体或气体混合物在至少一个气体管道中被引导，并且液体从喷射装置被喷射到气体管道中，其中，气体或气体混合物由至少一个第一引导元件至少部分地偏转到喷射装置下游。
背景技术
混合装置在机械工程中用于各种应用场合，例如，用于内燃机的排气气体后处理系统，或者根据燃料用于燃料电池中的预热单元。对于排气气体后处理，尤其是车辆的内燃机的排气气体后处理，往往使用液体添加剂，将其喷入到排气管道中以与排气气体反应。尿素溶液尤其已经被建立用于含氮化合物、诸如氮氧化物之类的分解，该分解与用于柴油机排气气体的选择性催化反应的SCR催化转化器(“选择性催化反应”)有关。以下是非常重要的：添加剂在排气气体中的最佳分布、其与排气气体的混合以及防止添加剂在所喷射的排气管道中沉积。特别是对于尿素溶液，存在尿素在管道壁上结晶的风险。这增加了流动阻力，或者尿素晶体可能导致下游部件的损坏。
US 2015/0059319 A1描述了一种混合装置，其中，引导元件在喷射点下游伸入排气管道中。这些引导元件用于使排气气体转向、涡旋和混合。然而，缺点是添加剂的沉积物会在引导元件的向后气流中累积，其不能再次取出或仅能困难地去除，这会导致添加剂在管道壁上的固化和结晶。
US 2014/0230419 A1教导了一种替代方案，其在管道壁中提供了凸起，这些凸起用于引起排气气体的混合或涡旋。然而，湍流通常不够强到足以实现排气气体的或排气气体与添加剂的最佳混合。此外，在周围流动性不强，因此温度较低的凸起中，可能出现不会再次完全蒸发的沉积物。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于排气气体后处理的混合装置或方法，其实现了气体或气体混合物改善的混合以及气体或气体混合物与液体改善的混合。
根据本发明，该目的通过上述混合装置来解决，其中，紧邻第一引导元件下游的气体管道在气体管道的管道壁中具有至少一个凸起。换而言之，至少一部分排气气体在紧邻第一引导元件下游的至少一个凸起中附加地偏转。这一方面使得气体或气体混合物的均匀化，另一方面引起与所喷射的液体的混合。
术语“下游”在此应关于在按规定使用混合装置时在气体通道中被导引的气体或气体混合物的流动方向来理解。
在本公开的上下文中，“凸起”理解为气体管道的外壁的变形，其增加了气体管道的直径。因此，凸起相对于气体管道径向向外延伸，而与气体管道的横截面的形状无关。
“紧邻”是指第一引导元件与凸起的相邻设置，使得凸起与第一导向元件直接相邻。这允许气体或气体混合物附加地被偏转，这在气流中产生湍流并带来更好的混合。第一引导元件和凸起形成循环空间，至少部分气体可以在该循环空间中循环。这引起沿着凸起、逆着气体的主流动方向并且朝向第一引导元件的逆流，由此，沉积的液体被引导到第一引导元件上。
在将根据本发明的混合装置应用于内燃机的排气气体后处理装置中的情况下，热的排气气体逆着第一引导元件流动，由此，从排气气体到引导元件进行良好的热传递，并且其特别好地由引导元件加热，这就促进了所喷射液体的蒸发或者防止或至少减少了所喷射的液体的沉积。如果液体没有完全蒸发，则液体可以沿着第一引导元件行进至其边缘，在该边缘处，其可以被排气气体流移除。此外，所述布置实现了排气气体的高度混合，这是额外的优点。
特别有利的是，至少部分的气体或气体混合物，例如排气气体在凸起中涡旋。湍流使得气体在其本身内混合，并且使得所喷射的液体均匀地分布在气体上，并且还优化了沉积在凸起中的液体的吸收。
如果气体或气体混合物在两侧上围绕第一引导元件流动，则可以进一步减少液体在第一引导元件上的沉积。这就意味着，气体或气体混合物围绕第一引导元件的两个流动表面流动，这尤其是由于流动方向在凸起中的偏转的缘故。
可以规定，当从气体或气体混合物的主流方向投影看时，第一引导元件覆盖整个凸起或仅部分地覆盖它。
有利的是，喷射装置的至少一个喷射喷嘴指向第一引导元件。换言之，至少部分的液体沿第一引导元件的方向被喷洒，或者喷射装置设置为使得喷射喷嘴的出口方向指向第一引导元件。因此，特别有利的是，喷射装置是混合装置的一部分，或者是第一导向元件位于喷射装置的喷射和/或喷嘴范围内。
这进一步改善了液体的分布。沉积在第一引导元件的上游定向的表面上的液体由于在这些表面周围的剧烈流动而迅速被重新吸收到气流中。
在一优选的实施例变型中规定，至少第一引导元件和管道壁被一体地制成。这代表了具有少量的单独的零件的、稳定且易于制造的设计。可以首先将形成凸其的管道壁的一部分与第一引导元件一起制造，然后连接到管道壁的其余部分，或者可以随后将第一引导元件插入到完成的管道壁中，例如，将其焊接在完成的管道壁中。
也有利的是，凸起至少部分地为球形或圆柱形。这具有上述所有优点，有利于在凸起内的流动的循环。
如果第一引导元件相对于凸起具有凹曲率，则可以进一步改善气体或气体混合物的流动。换而言之，引导元件弯曲成远离凸起并且逆着流动方向。这允许逆流沿着第一引导元件的曲率被引导，这改善了对静止的液体沉积物的运输。由曲率和凸起形成特别大的循环空间。
为了进一步改善混合，可以规定，设有至少两个第一引导元件，优选地处于相同的流量水平，其中，紧邻每个第一引导元件下游设有管道壁的凸起，优选地，对于每个第一引导元件设有管道壁的一个凸起。有利地，设有三个第一引导元件，它们沿着气体管道的周缘彼此等距地定位。
流动高度应理解为是正交于气体的主要流动方向的平面，即基本上是正交于气体的主要流动方向或正交于气体管道的纵向轴线的气体管道的横截面。特别地，如果第一引导元件在横截面中均匀分布，则可以确保特别均匀的混合。在这种情况下，特别有利的是，喷射装置的至少一个喷射喷嘴(或喷射喷嘴的出口方向)指向每个第一引导元件。
也有利的是，凸起在其内侧上具有第一流动表面，并且引导板在其面对凸起的一侧上具有第二流动表面，其中，优选地，第一流动表面和第二流动表面彼此连续地融合。凸起部的内侧是指凸起部的一个部段，其中，沿流动方向看，气体管道的直径大于其余的气体管道的直径。这允许液体在表面上良好地流动，并由此促进液体向第一引导元件的运输。这也防止了在流动表面区域中的沉积。
在一个有利的实施例中规定，凸起在气体管道的整个内周上延伸和/或第一引导元件在气体管道的整个内周上延伸。这使得气体或气体混合物与其自身或与液体能够特别均匀地混合。因此，凹槽可以沿着气体引导通道的管道壁改变其形状。第一引导元件还可以沿着气体管道的内管道壁改变其形状。
为了使得气体或气体混合物完全混合，有利的是，当沿气体的主要流动方向的投影观察时，第一引导元件的面积的总和至少为气体管道的横截面面积的25％。这实现了气体与液体之间的高度混合效果，并且防止了在气体管道中被居中引导的气体与剩余的气体或喷射的液体混合。特别有利的是，设置在相同的流动高度上的那些第一引导元件的面积之和当在气体管道中气体的主要流动方向的投影上覆盖气体管道的横截面面积的至少25％。
为了进一步增强混合，可以规定，至少一个第二引导元件设置在第一引导元件的下游，其中，优选地，第二引导元件设置在紧邻凸起的下游。这带来进一步改善了气体和液体的混合。第二引导元件可以设置或成形为使得其影响由第一引导元件和凸起引起的流动和湍流，或者基本上不影响它们。原则上，也可以在第一导向元件上游设置其它导向元件。
通过将第二引导元件设置为紧邻相对于凸起的下游，它可以有助于并加强由第一引导元件和凸起引起的流动。
在本发明的一个变型中，在气体管道中在凸起的高度处设置有至少一个、优选地至少两个同心设置的喷嘴本体，喷嘴本体优选地圆形对称和/或同心设置。喷嘴本体，例如为拉伐喷嘴状的(Lavaldüsenartig)喷嘴本体，用于增强或引导流动和湍流，其中，特别有利的是，在喷嘴本体与引导元件之间仅留一小段距离。在该实施例中，可以从凸起和第一引导元件之间的区域抽吸气体通过引导元件和喷嘴本体之间的空间，因此增加循环流量。
可以同心地设置两个或更多个喷嘴本体，但是也可以想到的是，多个喷嘴体设置在彼此之后或彼此相邻。
本发明的目的还通过上述方法进一步解决，其中，根据本发明，至少一部分气体或气体混合物在紧邻第一引导元件下游的至少一个凸起中附加地偏转。
有利地，至少一部分气体或气体混合物在凸起中涡旋。
在本发明的一个变型中，至少一部分液体沿第一导向元件的方向喷洒。方便地，气体或气体混合物在第一引导元件的两侧周围流动。
附图说明
在下文中，将基于附图中示出的非限制性实施例变型来更详细地阐述本发明，附图中：
图1以部分剖切的斜视图示出了第一实施例中的根据本发明的混合装置的一部分；
图2以沿着图3中的线II-II的横截面示出第一实施例的一个视图；
图3以沿着图2中的线III-III的纵截面示出第一实施例的一个视图；
图4以部分剖切的斜视图示出了第二实施例中的根据本发明的混合装置的一部分；
图5以沿着图6中的线V-V的横截面示出来自图4的第二实施例的该部分；
图6以沿着图5中的线VI-VI的纵截面示出第二实施例的该部分；
图7以斜视图示出了在部分剖切的气体管道的第三实施例中根据本发明的混合装置的一部分；
图8以沿着图9中的线VIII-VIII的横截面示出第三实施例的该部分；
图9以沿着图8中的线IX-IX的纵截面示出第三实施例的该部分；
图10以部分剖切视斜视图或部分透明斜视图示出了在第四实施例中的根据本发明的混合装置的一部分；以及
图11具有带有根据本发明的混合装置的排气后处理设备的内燃机的示意图。
具体实施方式
在下文中，在可能的、在内燃机的排气后处理设备中的应用场合中阐释了根据本发明的混合装置或方法的优点。如开始所述，在其它设置中的使用，例如在燃料电池中的使用也是可能的。
因此，图11示出了内燃机100的一个部段，该内燃机具有设计为排气管道4的气体管道，排气管道4具有带有根据本发明的混合装置101的排气后处理设备。在下文中，气体管道将用术语“排气管道”和附图标记“4”表示。在气体管道中流动的气体或混合气体是排气气体。
排气气体后处理设备具有多个排气气体后处理元件102、103、104，它们例如可以设计为SCR、DOC、LNT、sDPF、DPF或其它部件，并且沿排气气体的流动方向相继设置。喷射装置40设置在根据本发明的混合装置101上游，借助该喷射装置，呈添加剂形式的液体，例如诸如尿素或尿素溶液的还原剂可以被引入排气管道4。
在图1、图2和图3中，示出了根据本发明的混合装置101的第一实施例示例，其具有总共三个第一引导元件1、1'、1”和排气气体流经的排气管道4的管道壁41的三个凸起3、3'、3”，其中未示出设置在喷射装置下游的第一引导元件1、1'、1”。排气气体的主要流动方向5由箭头示出。为了更清楚起见，以局部截面示出了第一引导元件1、1'、1”和凸起3、3'、3”。在凸起3、3'、3”的区域中，排气管道4的直径大于在其之前和之后的区域。在凸起3、3'、3”的区域中，排气管道4的管道壁41沿径向方向远离排气管道4的纵向轴线XX变宽。
第一引导元件1、1'、1”在其上游侧上设置在凸起3、3'、3”的边界边缘12处，并因此与它们紧邻。排气管道4设计为具有三个凸起3、3'、3”的基本为圆形的管道，并且因此沿着排气管道4的纵向延伸范围限定了排气气体的主要流动方向5。应当理解的是，本发明还可以在具有其它横截面的气体管道中实施。
第一引导元件1、1'、1”位于排气管道4的相同高度处，并且因此处于相同的流量水平。它们被焊接到管道壁41上，并因此呈一件式地连接到其上。凸起3、3'、3”至少部分为球形或圆柱形，具有球形段的形状并具有基本连续的第一流动表面31，该第一流动表面在管道壁41的形成凸起3、3'、3”的各部分的整个内侧上延伸。第一引导元件1、1'、1”相对于凸起3、3'、3”凹入弯曲，并且完全覆盖凸起3、3'、3”的上游侧。因此，排气气体必须首先流过第一引导元件1、1'、1”，然后它才能流入凸起3、3'、3”。第一引导元件1、1'、1”具有基本连续的第二流动表面11，该第二流动表面11在第一引导元件1、1'、1”的面向凸起3、3'、3”的整个侧面上延伸。第一流动表面31和第二流动表面11彼此邻接，其中，它们并非连续地彼此融合，而是具有弯折的边缘。由于该实施例，由凸起3、3'、3”和第一引导元件1、1'、1”形成部分开放的循环空间6，在其中可发生回流7，该回流7从凸起3、3'、3”的下游侧到凸起3、3'、3”的上游侧并沿着第一引导部元件1、1'、1”的下游侧输送第一流动表面31和第二流动表面11的排气气体。一方面，这引起围绕第一引导元件1、1'、1”的下游侧的流动，而另一方面，这引起排气气体的涡旋。在图2中，可以看到，在投影到主流方向5上的第一引导元件1的面积之和为排气气体管道4的横截面面积的至少50％以上。
图4、图5和图6示出了第二实施例，其具有仅一个环形的第一引导元件1和单个环面的凸起3。第一引导元件1和凸起3在排气气体管道4的整个内周上延伸。凸起3具有基本上圆柱形的中心段33和在其端部处的弯曲段32、34，弯曲段在横截面中基本上具有圆形段的形状。第一引导元件1设计为上游弯曲段34的延伸，该上游弯曲段34伸入排气管道4的内部，并且朝向凸起3逐渐变窄。这一方面具有第一流动表面31和第二流动表面11因此连续地融合到彼此中的优点，并且另一方面，形成凸起3的管道壁41的这部分可以与第一引导元件1一起制造为一体，并且随后连接到该管道壁的上游部分和下游部分。这代表了一种特别易于制造的实施例变型。
这限定了较大的循环空间6，在该循环空间中，在凸起3下游区域中的回流7从排气管道4的中心沿管道壁41的方向、逆着主要流动方向5、沿着管道壁41、并且在凸起3的上游侧上和第一引导元件1的下游侧上流入排气管道4的中心。在凸起3的高度上设置有同心地设置在彼此内侧的两个环形喷嘴本体8、9，距第一引导元件1一定距离处。具体地，喷嘴本体8、9相对于排气管道4的纵向轴线XX圆形对称地并且同心地设置。
它们也相对于管道壁41是凹入的，并且外部喷嘴本体8在其下游侧在第一引导元件1上突出。这导致了通道间隙10，由此，第一引导元件1和外部喷嘴本体8用作文丘里喷嘴，并从凸起3的上游部分抽吸排气气体。这增加了回流7，并由此增加了混合和湍流。拉瓦尔型(lavalartig)喷嘴本体8、9的下游部分朝着凸起3弯曲，并且将排气气体从排气管道4的中心引向排气管道4的管道壁41，这也有助于回流7。
图7、图8和图9示出了第三实施例，其与第二实施例类似，但是这里设有环形的第二引导元件2，该第二引导元件2设置在凸起3的下游边缘处。像第一导向元件1，第二导向元件2也被制成为一件式，并且设计为形成到凸起3的管道壁41的一部分的延伸，该部分伸入到凸起3的内部。“伸入到…内部”在这里是指第二引导元件2沿着纵向轴线XX延伸到凸起3的区域中。这使得该部段特别易于制造。它相对于凸起3具有凹曲率，因此，第一引导元件1和第二引导元件2朝向彼此倾斜。这进一步增加了凸起3区域中的回流7。
图10示出了本发明的一实施例，其中，在排气管道4的一个部段中示出了具有相关联的喷射装置40的混合装置101。在排气后处理设备的情况下，喷射装置40用于喷射液体，例如液体添加剂。在根据图10的图示中，喷射装置40是混合装置101的一部分，但是在其它示例性实施例中，它也可以定位得更远。
在图10中，在第一部段A中以剖视图示出了排气管道4，在部段B中，排气管道仅从外侧可见。
在图10中，喷射装置40在排气管4中位于三个凸起3、3'、3”上游，并且具有三个喷射喷嘴。每个喷嘴的出口方向面向第一引导元件1、1”的方向，并且在沿喷洒方向变宽的喷洒锥体42中喷洒液体添加剂。如果添加剂沉积在第一引导元件1、上”，则其立即被在它们的边缘处流过或运输通过第一引导元件1、1”的弯曲形状的排气气体吸收，在该边缘处添加剂被排气气体夹带。
如基于在内燃机100的排气后处理设备中的应用所示的，在根据本发明的用于混合气体或气体混合物的方法中，在至少一个气体管道4中引导气体或气体混合物，并且将来自喷射装置40的液体喷射到气体管道4中，其中，气体或气体混合物由至少一个第一引导元件1、1'、1”在喷射装置40的下游至少部分地偏转。气体或气体混合物的至少一部分在紧邻第一引导元件1、1'、1”的下游的至少一个凸起3、3'、3”中附加地偏转或涡旋。至少一部分液体，在排气后处理设备中为尿素或尿素溶液或其它合适的添加剂沿第一引导元件1、1'、1”的方向被喷洒或喷射。如果气体或气体混合物、特别是在排气后处理设备的情况下为热排气气体，在第一引导元件1、1'、1”的两侧周围流动，可以防止液体沉积。

Claims (15)

1.一种混合装置(101)，所述混合装置具有至少一个输送气体的气体管道(4)，其中，用于喷射液体的至少一个喷射装置(40)与所述混合装置(101)相关联，并且在所述喷射装置(40)下游设置有至少一个第一引导元件(1、1'、1”)，所述至少一个第一引导元件伸入到所述气体管道(4)中的气流中，其特征在于，所述气体管道(4)具有紧邻所述第一引导元件(1、1'、1”)下游、所述气体管道(4)的管道壁的至少一个凸起(3、3'、3”)，其中所述凸起(3、3'、3”)在其内侧上具有第一流动表面(31)，并且所述第一引导元件(1、1'、1”)在其面向所述凸起(3、3'、3”)的侧部上具有第二流动表面(11)，其中，所述第一流动表面(31)和所述第二流动表面(11)连续地融合到彼此中。
2.如权利要求1所述的混合装置(101)，其特征在于，所述喷射装置(40)的至少一个喷射喷嘴指向所述第一引导元件(1、1'、1”)。
3.如权利要求1或2所述的混合装置(101)，其特征在于，至少所述第一引导元件(1、1'、1”)和管道壁(41)被制成为一件式。
4.如权利要求1或2所述的混合装置(101)，其特征在于，所述凸起(3、3'、3”)具有至少部分的球形形状或圆柱形形状。
5.如权利要求1或2所述的混合装置(101)，其特征在于，所述第一引导元件(1、1'、1”)相对于所述凸起(3、3'、3”)具有凹曲率。
6.如权利要求1或2所述的混合装置(101)，其特征在于，设有至少两个所述第一引导元件(1、1'、1”)，设置在同一流动高度处，其中，所述管道壁(41)的所述凸起(3、3'、3”)设置在紧邻每个所述第一引导元件(1、1'、1”)下游，其中，为每个所述第一引导元件(1、1'、1”)设置一个所述凸起(3、3'、3”)。
7.如权利要求1或2所述的混合装置(101)，其特征在于，所述凸起(3、3'、3”)在所述气体管道(4)的整个内周上延伸，和/或所述第一引导元件(1、1'、1”)在所述气体管道(4)的整个内周上延伸。
8.如权利要求1或2所述的混合装置(101)，其特征在于，当在气体的主要流动方向的投影中观察时，所述第一引导元件(1、1'、1”)的面积之和是所述气体管道(4)的横截面面积的至少25％。
9.如权利要求1或2所述的混合装置(101)，其特征在于，至少一个第二引导元件(2)设置在所述第一引导元件(1、1'、1”)下游，其中，所述第二引导元件(2)设置在紧邻所述凸起(3、3'、3”)下游。
10.如权利要求1或2所述的混合装置(101)，其特征在于，在所述凸起(3、3'、3”)的水平处，在所述气体管道(4)中设有至少一个同心设置的喷嘴本体(8、9)，其中，所述喷嘴本体以圆形对称的方式设置和/或同心地设置。
11.如权利要求1或2所述的混合装置(101)，其特征在于，在所述凸起(3、3'、3”)的水平处，在所述气体管道(4)中设有至少两个同心设置的喷嘴本体(8、9)，其中，所述喷嘴本体以圆形对称的方式设置和/或同心地设置。
12.一种用于混合气体或气体和添加剂的混合物的方法，其中，在至少一个气体管道(4)中引导混合气体或气体和添加剂的混合物，并且从喷射装置(40)喷射液体到所述气体管道(4)中，其中，所述混合气体或气体和添加剂的混合物由至少一个第一引导元件(1、1'、1”)在所述喷射装置(40)下游至少部分地偏转，其特征在于，所述混合气体或气体和添加剂的混合物的至少一部分在紧邻所述第一引导元件(1、1'、1”)下游的至少一个凸起(3、3'、3”)处附加地偏转，并且所述添加剂在位于所述凸起(3，3'，3”)内侧上的第一流动表面(31)和面向所述凸起(3，3'，3”)侧部上的所述第一引导元件(1，1'，1”)的第二流动表面(11)上输送，其中所述第一流动表面(31)和所述第二流动表面(11)连续地融合到彼此中。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述混合气体或气体和添加剂的混合物的至少一部分在所述凸起(3、3'、3”)中涡旋。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，沿所述第一引导元件(1、1'、1”)的方向喷洒液体的至少一部分。
15.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述混合气体或气体和添加剂的混合物在两侧上围绕所述第一引导元件(1、1'、1”)流动。
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