CN111828142A - 用于内燃发动机排气系统的排出气体处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃发动机排气系统的排出气体处理装置(1)；处理装置(1)设置有：管状管道(2)，其由第一管状侧壁(4)界定并具有第一排气入口开口(5)、第一排气出口开口(6)和注入开口(7)；以及混合体(9)，其布置在管状管道(2)的内部，在内部为中空的，以便排出气体可以流动通过它，并且混合体(9)具有：具有圆形形状的第一穿孔的基部壁(10)，第一穿孔的基部壁(10)面对第一出口开口(6)；具有部分圆形形状的第二基部壁(11)，第二基部壁(11)面对第一入口开口(5)；以及第二管状侧壁(12)，其将第一基部壁(10)连接至第二基部壁(11)，并具有通到混合体(9)内的第二入口开口(13)。

Description

用于内燃发动机排气系统的排出气体处理装置
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2019年4月18日提交的号为102019000006064的意大利专利申请的优先权，该意大利专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于内燃发动机排气系统的排出气体处理装置。
背景技术
建立逐步减少由汽车产生的污染气体排放的国际指令对可以释放到大气中的NOx分子的量设置了非常低的极限。
遵守这些极限至关重要，尤其是对于柴油发动机而言；出于该原因，制造商具有的想法是为柴油发动机的排气系统提供用于NOx的另一选择性催化还原(SCR)系统，该系统用于将NOx分子(NO2或NO)转化为氮气(N2)(其是一种惰性气体)和水(H2O)。不使用适当的还原剂(通常为氨气(NH3))，很难获得将NOx分子还原为氮气(N2)的反应。还原剂必须被注入到排气系统中以及SCR催化转化器的上游，以便在进入SCR催化转化器之前与排出气体混合。
然而，由于关于氨气有毒这一事实的明显安全原因，将氨气储存在汽车中是不明智的。结果，制造商建议存储和注入尿素的水溶液，因为尿素由于排出气体的热量并且还部分地由于催化作用而分解成氨气。
为了使SCR催化转化器的效率最大化，SCR催化转化器整料表面上的氨气浓度需要尽可能均匀。此外，与将尿素水溶液注入到排气系统中有关的问题是由于以下事实造成的，所述事实即在排气系统的内壁上会存在很难以去除的尿素的和异氰酸(NHCO)(其是尿素分解的可能衍生物)的固体沉积物。
为了最大化SCR催化转化器的整料表面上的氨气浓度的均匀性(并且还为了避免在排气系统内壁上形成固体沉积物)，制造商建议在排气系统中并靠近尿素注入区域插入混合器，该混合器通过在排出气体中形成湍流而有助于氨气在排出气体中的分散。专利申请WO2018001789A1公开了一种排出气体处理装置，该排出气体处理装置在静态混合器的区域(即，没有运动部件)中设置有用于还原添加剂的注入器。
专利US9346017B2公开了一种机动车辆的排气管线，该排气管线包括上游整料和下游整料，用于处理排出气体。在两个整料之间存在用于尿素水溶液的注入器和迫使排出气体沿着圆形路径运动的混合体。
然而，上述类型的已知混合器具有以下缺点：在有效性(即，确保排出气体的适当混合)和效率(即，限制排出气体中的负载损失)的相对需求之间没有理想的平衡。换句话说，上述类型的已知混合器具有低的有效性(即，尽力确保排出气体的适当混合)或低的效率(即，导致排出气体中的高的负载损失)。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于内燃发动机排气系统的排出气体处理装置，所述处理装置不遭受上述缺点的困扰，并且特别是容易且经济地制造。
根据本发明，提供一种用于内燃发动机排气系统的排出气体处理装置。
该处理装置包括：
管状管道，该管状管道由第一管状侧壁界定，并且具有布置在管状管道的第一基部的区域中的第一排出气体入口开口、与第一入口开口相对的并且布置在管状管道的第二基部的区域中的第一排出气体出口开口以及注入开口，所述注入开口穿过在第一入口开口和第一出口开口之间的第一管状侧壁而获得并且被设计成接收用于还原性物质的注入器；以及
混合体，所述混合体布置在管状管道内部，形成要由排出气体遵循的以便从第一入口开口流向第一出口开口的强制路径，并且所述混合体在内部是中空的，因此排出气体可以流动通过它；
其中所述混合体具有：第一穿孔的基部壁，第一穿孔的基部壁具有圆形的形状，第一穿孔基部壁面对管状管道的第一出口开口并完全接合管状管道的横截面；第二基部壁，第二基部壁具有部分圆形的形状，第二基部壁面对管状管道的第一入口开口并且仅部分地接合管状管道的横截面；
该处理装置的特征在于，混合体具有第二管状侧壁，该第二管状侧壁将第一基部壁连接至第二基部壁，并且具有通到混合体内的第二入口开口。
所附权利要求描述了本发明的优选实施例，并且形成说明书的组成部分。
附图说明
现在将参考示出其非限制性实施例的附图来描述本发明，其中：
图1是根据本发明的排出气体处理装置的立体图；
图2是图1处理装置的另一立体图；
图3和图4是图1处理装置的混合体的两个不同的立体图；以及
图5-图8是图3和图4的混合体的变形的四个不同的立体图。
具体实施方式
在图1和图2中，数字1总体上指示用于根据“柴油”循环(即，由柴油燃料等供以动力)运行的内燃发动机排气系统的排出气体处理装置。
排出气体处理装置1包括管状管道2，该管状管道2具有中央纵向轴线3并且具有圆柱形形状(即，具有恒定直径的圆形横截面)。管状管道2由管状侧壁4界定，该管状侧壁4由片材金属制成并且具有排出气体入口开口5(图1中所示)和排出气体出口开口6(图2中所示)，该排出气体入口开口5布置在管状管道2的第一基部的区域中，排出气体出口开口6与入口开口5相对并布置在管状管道2的第二基部(显然与管状管道2的第一基部相对)的区域中；结果，在使用中，排出气体通过开口5流入到管状管道2内，流动通过管状管道2，然后通过出口开口6从管状管道2流出。
管状管道2还具有注入开口7，该注入开口7穿过在入口开口5和出口开口6之间的管状侧壁4而获得，并且被设计成接收还原物质注入器；特别地，在开口7周围有管状壳体8，该管状壳体8从管状侧壁4突出并且构造成接收注入器。注入器被设计成将还原性添加剂以及特别是尿素的水溶液(即尿素和水的溶液)注入到管状管道2中；在使用中，由于存在于管状管道2内部的排出气体的热量，尿素自发地分解为异氰酸(NHCO)和氨气(NH3)，所述氨气在随后的SCR催化转化器内部充当还原剂，从而促进NOx分子分解为氮气(N2)和水(H2O)的反应。
根据图3和图4，处理装置1包括混合体9(静态混合体，即没有运动部件)，其布置在管状管道2内部，形成要由排出气体遵循的以便从入口开口5流向出口开口6的强制路径，并且所述混合体在内部是中空的，因此排出气体可以流动通过它。特别地，混合体9具有在存在于管状管道2内部的排出气体中产生湍流的功能，从而提高随后的SCR催化转化器的效率，从而使氨气在排出气体中的分散更加均匀。
混合体9具有：穿孔的基部壁10，基部壁10具有圆形的形状，基部壁10面对管状管道2的出口开口6并且完全接合(封闭)管状管道2的横截面(即，排出气体不能流过基部壁10，除了通过基部壁10本身的孔)；基部壁11，基部壁11具有部分圆形的形状并且没有孔，该基部壁11面对管状管道2的入口开口5并且仅部分地接合(封闭)管状管道2的横截面(即，排出气体可通过在基部壁11本身旁边流动而流过基部壁11)；和管状侧壁12，管状侧壁12将基部壁10连接到基部壁11并具有入口开口13，入口开口13通到混合体9内。
混合体9的基部壁10和11以及混合体9的管状侧壁12与管状管道2同轴，并且因此与管状管道2共享相同的中央纵向对称轴线3。
混合体9的基部壁10具有单个出口开口14(其具有圆形的形状)，从而通过入口开口13流入到混合体9中的排出气体随后可以流动通过出口开口14从混合体9中流出并迅速到达管状管道2的出口开口6。必须迫使通过入口开口5流入到管状管道2内的排出气体通过入口开口13流入到混合体9内，然后通过出口开口14从混合体9流出(由于它们只能通过流动通过混合体9的内部而从管状体2中流出)。混合体9的入口开口13相对于管状体2的入口开口5并且还相对于混合体9的出口开口14(并且因此也相对于管状管道2的出口开口6)垂直地布置；管状管道2的入口开口5、混合体9的入口开口13和混合体9的出口开口14之间的这种定向变化导致排出气体获得(相关的)径向(圆周)运动分量，这添加到主要轴向运动分量。
此外，也由于混合体9的基部壁11在混合体9的入口开口13的区域中部分地接合(封闭)管状体2的横截面的事实，排出气体还获得了添加到主要轴向运动分量的圆周运动分量；结果，通过入口开口5流入到管状体2内的排出气体不能通过简单地以轴向方式移动而直接到达混合体9的入口开口13，但是首先它们必须围绕混合体9的管状侧壁12移动大约180°，以便到达入口开口13后面的区域(未与混合体9的基部壁11接合)，排出气体可以通过从管状管道2的入口开口5到混合体9的入口开口13的轴向移动而达到该区域。
根据附图所示的优选实施例，混合体9的管状侧壁12的入口开口13布置在注入开口7的相对侧上，使得注入开口7面对管状侧壁12没有孔的一部分；此外，如上已经所述，在混合体9的管状侧壁12的与入口开口13相对的部分中，排出气体具有湍流运动(由于由混合体9的特定构造产生的径向和切向运动分量)，其增强了通过注入开口7注入的还原剂与排出气体的理想混合。
根据图1-4中所示的优选实施例，混合体9的管状侧壁12具有圆锥形的形状，其从基部壁10到基部壁11渐缩；即，混合体9的管状侧壁12在基部壁10的区域中具有最大直径，而在基部壁11的区域中具有最小直径。结果，混合体9的管状侧壁12总体上具有截锥形的形状，其从管状管道2的出口开口6到管状管道2的入口开口5渐缩。
混合体9的管状侧壁12的圆锥形状确定了由流向管状管道2的出口开口6的排出气体流过的横截面的面积的连续变化，并且该连续变化确定了排出气体的涡旋运动的增加(这积极地影响了通过注入开口7注入的还原剂与排出气体的混合)。
根据附图中所示的优选实施例，混合体9的基部壁10具有的外径大于管状侧壁12在其与基部壁10连接的区域中的直径；结果，混合体9的基部壁10的出口开口14具有的直径也小于基部壁10的外径，并且因此小于管状管道2的出口开口6的直径。
根据附图中所示的优选的但非限制性的实施例，混合体9的管状侧壁12的入口开口13被对称地布置在混合体9的基部壁10和基部壁11之间；即，入口开口13处于距混合体9的基部壁10和基部壁11的相等距离处。
根据附图中所示的优选的但非限制性的实施例，混合体9的管状侧壁12的入口开口13围绕管状侧壁12的中心纵向轴线3扩展至少120°(优选180°)。
根据附图中所示的优选的但非限制性的实施例，混合体9的管状侧壁12的入口开口13沿管状侧壁12的轴向尺寸的至少70％(优选地至少85％)扩展。
根据附图中所示的优选的但非限制性的实施例，混合体9的基部壁10具有环形边缘15，该环形边缘15垂直于基部壁10，并且围绕中心纵轴3扩展360°，并搁置抵靠管状管道2的管状侧壁4的内表面并固定(焊接)到管状管道2的管状侧壁4的内表面。
类似地，混合体9的基部壁11还具有环形边缘16，该环形边缘16垂直于基部壁11，围绕中心纵向轴线3扩展150°-210°(优选180°)，并搁置抵靠管状侧壁4的内表面并固定(焊接)到管状侧壁4的内表面。
根据附图中的优选的但非限制性的实施例，混合体9的基部壁11具有：圆形形状的中央部分17，该中央部分17封闭管状侧壁12(即，具有与管状侧壁12相同的直径)，并与管状侧壁4的内表面分开并且相对远离管状侧壁4的内表面；以及具有圆形扇形形状的侧部分18，侧部分18具有的直径大于中央部分17的直径，该侧部分18仅部分地围绕中央部分17，并且一直延伸到管状侧壁4的内表面。边缘16仅布置在混合体9的基部壁11的侧面部分18的区域中。从另一观点来看，混合体9的基部壁11是通过将具有与混合体9的管状侧壁4相同直径的第一半圆和具有与管状管道2的管状侧壁4相同直径的第二半圆连接而获得的；因此，基部壁11的第一半圆较小，相对远离管状侧壁4的内表面，并且不设置有边缘16，而第二半圆较大，其一直延伸到管状侧壁4的内表面，并具有边缘16。
图5至图8示出静态混合体9的不同实施例，该静态混合体9被插入到管状管道2内部并且形成要由排出气体遵循以便从入口开口5流到出口开口6的强制路径。
图5-图8中所示的混合体9具有：具有圆形形状的穿孔基部壁10，其面对管状管道2的出口开口6并且完全接合(封闭)管状管道2的横截面(即，排出气体不能流过基部壁10，除非通过基部壁10本身的出口开口14)；具有部分圆形形状的基部壁11，其面对管状管道2的入口开口5，仅部分地接合(封闭)管状管道2的横截面(即，排出气体可以通过在基部壁11本身旁边流动而流过基部壁11)；以及管状侧壁12，其将基部壁10连接到基部壁11并具有入口开口13，入口开口13通到混合体9内。
在图5至图8中所示的混合体9中，基部壁11具有多个彼此相邻的小通孔19；特别地，存在不同的几十个通孔19(在图5-图8中所示的实施例中，通孔19大约为80-100个)。每个通孔19具有的直径在1至3毫米的范围内，这意味着每个通孔19的直径等于管状管道2的直径的一小部分；例如，每个通孔19的直径等于管状管道2的直径的1％-3％。根据在此未示出的不同实施例，在图5-图8中示出的混合体9的基部壁11没有设置通孔19(如图1-图4中所示的混合体9的基部壁11)。根据一个优选实施例，通孔19布置在基部壁11的专有的侧部分18中，并且特别地，布置在与基部壁11的中央部分17相对且远离其的区域中(即，基部壁11的中央部分17中完全没有通孔)。
应当指出的是，通孔19仅允许来自管状体2的入口开口5的少量排出气体以轴向方式移动流过混合体9的基部壁11，而来自管状体2的入口开口5的排出气体的主要部分被迫绕混合体9的管状侧壁12流动大约180°，以便到达入口开口13后面的区域(未与混合体9的基部壁11接合)，通过从管状管道2的入口开口5轴向移动到混合体9的入口开口13的排出气体可以到达该区域。
在图1-图4中所示的实施例中，混合体9的管状侧壁12具有圆锥形的形状，其从基部壁10到基部壁11渐缩；另一方面，在图5-图8中所示的实施例中，混合体9的管状侧壁12具有圆柱形形状(即，具有恒定的直径)。
在图5-图8中所示的实施例中，基部壁11具有两个面板20，两个面板20在侧壁12的两个相对端部处延长边缘16(即，建立边缘16的局部延伸而没有间隙)，并且相对于侧壁12径向(垂直)布置。即，混合体9包括两个面板20，这两个面板20相对于侧壁12径向(垂直)布置，两个面板20垂直于基部壁11并从侧壁12的相对端部延伸直至管状管道2。显然，两个面板20具有小于侧壁12的轴向延伸，以不完全阻碍排出气体流向混合体9的入口开口13的路径。两个面板20的功能是使排出气体的路径更多地迂回，所述排出气体的路径从管状管道2的入口开口5必须到达混合体9的入口开口13，以便到达管状管道2的出口开口6。
在图5-图8中所示的实施例中，混合体9由彼此连接(焊接)的三个不同且分开的件构成：第一件包括基部壁11，第二件包括侧壁12，以及第三件包括基部壁10。同样，在图5-图8中所示的实施例中，混合体9是通过将三个最初不同且分开的件连接在一起而获得的：第一件包括基部壁11和侧壁12的具有入口开口13的一部分，第二件包括侧壁12的没有入口开口13的其余部分，以及第三件包括基部壁10；构成混合体9的第一件和第二件通过侧壁12的相应部分互锁，所述相应部分被制造成部分地插入到彼此内。
根据本文未示出的不同实施例，管状管道2还可以容纳布置在混合体9上游的氧化催化转化器(即，将由排出气体流过的第一催化转化器)和/或SCR(选择性催化还原)催化转化器，SCR(选择性催化还原)催化转化器用于NOx(NO和NO2)分子的后处理，并布置在混合体9的下游(即，将由排出气体流过的最后一个催化器)；SCR催化转化器还可以集成特定的过滤器。
本文描述的实施例可以与彼此组合，而不会因为该原因而超出本发明的保护范围。
上述处理装置1具有许多优点。
首先，上述处理装置1在有效性(即，确保排出气体的适当混合)和效率(即，导致排出气体中的有限的负载损失)的相对需求之间提供理想的平衡。换句话说，上述处理装置1同时具有高的有效性(即，确保排出气体的适当混合)和高的效率(即，导致排出气体中的有限的负载损失)。
此外，上述处理装置1因为它由几个部分组成而特别结实(因此，提供长的工作寿命和非常低的破裂风险)。
上述处理装置1具有特别小的尺寸(特别是轴向尺寸)和适度的总重量。
最后，上述处理装置1简单且经济地制造，因为它由形状不复杂且易于与标准环形焊缝连接的一些部分组成。
附图标记清单
1处理装置
2管状管道
3中心轴线
4管状侧壁
5入口开口
6出口开口
7注入开口
8管状壳体
9混合体
10基部壁
11基部壁
12管状侧壁
13入口开口
14出口开口
15环形边缘
16边缘
17中央部分
18侧部分
19通孔
20面板

Claims (17)

1.一种用于内燃发动机排气系统的排出气体处理装置(1)，所述处理装置(1)包括：
管状管道(2)，所述管状管道(2)由第一管状侧壁(4)界定，并且具有布置在管状管道(2)的第一基部的区域中的第一排出气体入口开口(5)、与第一入口开口(5)相对的并且布置在管状管道(2)的第二基部的区域中的第一排出气体出口开口(6)以及注入开口(7)，所述注入开口(7)穿过在第一入口开口(5)和第一出口开口(6)之间的第一管状侧壁(4)而获得并被设计成接收用于还原性物质的注入器；以及
混合体(9)，所述混合体(9)布置在管状管道(2)内部，形成要由排出气体遵循的以便从第一入口开口(5)流向第一出口开口(6)的强制路径，并且所述混合体(9)在内部是中空的，因此排出气体可以流动通过它；
其中混合体(9)具有：第一穿孔的基部壁(10)，第一穿孔的基部壁(10)具有圆形的形状，第一穿孔的基部壁(10)面对所述管状管道(2)的第一出口开口(6)并完全接合所述管状管道(2)的横截面；第二基部壁(11)，第二基部壁(11)具有部分圆形的形状，第二基部壁(11)面对管状管道(2)的第一入口开口(5)并且仅部分地接合管状管道(2)的横截面；
所述处理装置(1)的特征在于，混合体(9)具有第二管状侧壁(12)，所述第二管状侧壁(12)将第一基部壁(10)连接至第二基部壁(11)，并且具有通到混合体(9)内的第二入口开口(13)。
2.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二入口开口(13)围绕第二管状侧壁(12)的中心纵向轴线(3)扩展至少120°，优选地180°。
3.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二管状侧壁(12)具有圆锥形的形状，所述圆锥形的形状从第一基部壁(10)到第二基部壁(11)渐缩。
4.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二管状侧壁(12)具有带有恒定直径的圆柱形形状。
5.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二基部壁(11)具有多个彼此相邻的通孔(19)。
6.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二入口开口(13)相对于注入开口(7)设置在相对侧上，使得注入开口(7)面对第二管状侧壁(12)的没有孔的一部分。
7.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第一基部壁(10)在中心处具有一个具有圆形形状的单个第二排气出口开口(14)。
8.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第一基部壁(10)具有第一环形边缘(15)，所述第一环形边缘(15)垂直于所述第一基部壁(10)，围绕中心纵向轴线(3)扩展360°，并且搁置抵靠第一管状侧壁(4)的内表面。
9.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二基部壁(11)具有第二边缘(16)，所述第二边缘(16)垂直于第二基部壁(11)，围绕中心纵向轴线(3)扩展150°-210°，优选地180°，并搁置抵靠第一管状侧壁(4)的内表面。
10.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二基部壁(11)具有中央部分(17)和侧部分(18)，中央部分(17)具有圆形的形状，中央部分(17)封闭所述第二管状侧壁(12)，侧部分(18)具有圆形扇形的形状，侧部分(18)具有大于中央部分(17)的直径，并且仅部分地围绕中央部分(17)。
11.根据权利要求10所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二基部壁(11)的所述侧部分(18)具有第二边缘(16)，所述第二边缘(16)垂直于所述第二基部壁(11)，围绕中心纵向轴线(3)扩展180°，并搁置抵靠第一管状侧壁(4)的内表面。
12.根据权利要求10所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二基部壁(11)的侧部分(18)具有多个彼此相邻的通孔(19)，并且所述第二基部壁(11)的中央部分(17)完全没有通孔。
13.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二基部壁(11)是通过将具有与混合体(9)的第二管状侧壁(12)相同的直径的第一半圆与具有与管状管道(2)的第一管状侧壁(4)相同的直径的第二半圆连接而获得的，并且因此第二半圆大于第一半圆。
14.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第一基部壁(10)具有的外径大于在与第一基部壁(10)连接的区域中的第二管状侧壁(12)的直径。
15.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述第二基部壁(11)在第二入口开口(13)的区域中部分地接合管状管道(2)的横截面。
16.根据权利要求1所述的处理装置(1)，其特征在于所述混合体(9)包括两个面板(20)，所述两个面板(20)相对于所述侧壁(12)径向布置，从所述侧壁(12)的相对端部延伸直到管状管道(2)，并且具有小于侧壁(12)的轴向延伸。
17.根据权利要求16所述的处理装置(1)，其特征在于所述两个面板(20)从第二基部壁(11)开始延伸并且垂直于第二基部壁(11)。
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