CN111989466B - 用于排气后处理的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的排气后处理的设备(10)，所述设备包括：排气能在其中从入口流到出口的壳体(11、42)；沿径向方向在空间上被界定的且沿轴向方向可通流的流动路段(12、30、40)，该流动路段布置在壳体(11、42)内部；布置在流动路段(12、30、40)中的、用于通过催化反应转化排气的至少一个催化转化器(15)；和布置在流动路段(12、30、40)中能被排气通流的、用于电加热排气的至少一个加热元件(14)，其中，在流动路段(12、30、40)与壳体(11、42)的内壁之间形成有可通流的环形间隙(13、32、43)，其中，能通过控制元件(17、21、25、31、41)影响排气质量流在流动路段(12、30、40)和环形间隙(13、32、43)上的分布。

Description

用于排气后处理的设备
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的排气后处理的设备，所述设备包括：壳体，排气能在该壳体中从入口通流至出口；沿径向方向在空间上被限制/界定而沿轴向方向可通流的流动路段，该流动路段布置在壳体内部；布置在流动路段中的、用于通过催化反应转化排气的至少一个催化转化器；和布置在流动路段中的能被排气通流的、用于电加热排气的至少一个加热元件。
背景技术
为了更快地加热排气质量流，使用可电加热的催化转化器。除了排气本身的热量之外，通过电加热因此向排气输入热量。在此，这有助于将排气质量流的温度水平更快地提高到允许排气在排气催化转化器中充分转化的水平。通常，从催化转化器上的一定的最低温度起开始排气的包围，必须达到该最低温度以便可以开始化学转化反应。排气质量流的升高的温度也会由于从排气向催化转化器的蜂窝体上的热传递而导致催化转化器上的温度升高。在此，排气质量流的可能的加热一方面取决于每单位时间流过可电加热的催化转化器的排气的量，另一方面取决于用于加热的所使用的电能。
在现有技术中已知的用于电加热内燃机排气质量流的系统的缺点在此特别是仅能很差地或者根本不能调节流过可电加热的催化转化器的排气流。因此，仅通过内燃机的相应运行情况来确定流过可电加热的催化转化器的质量流，因此这特别是在排气质量流较大时可能导致对排气质量流的加热并非最佳，由此可能导致时间上的延迟，直至在排气后处理单元的催化转化器中实现排气的充分转化。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于排气后处理的设备，该设备允许在使用可电加热的催化转化器的情况下改善排气质量流的加热，并且因此确保更快地达到排气质量流的最低温度，以便在相应的催化转化器上充分地转化排气。
在设备方面的目的通过具有权利要求1的特征的设备来实现。
本发明的一个实施例涉及一种用于内燃机的排气后处理的设备，所述设备包括：壳体，排气能在该壳体中从入口通流至出口；沿径向方向在空间上被界定而沿轴向方向可通流的流动路段，该流动路段布置在壳体内部；布置在流动路段中的、用于通过催化反应转化排气的至少一个催化转化器；和布置在流动路段中能被排气通流的、用于电加热排气的至少一个加热元件，其中，在流动路段与壳体的内壁之间形成有可通流的环形间隙，其中，能通过控制元件影响排气质量流在流动路段和环形间隙上的分布。
可通流的壳体优选地由与内燃机的排气管路流体连通的管形成。因此，排气可以直接流入到设备中并流过该设备。在壳体内部形成有流动路段，该流动路段例如同样由管形成。管在径向方向上由其壁界定，由此在壳体内部实际上形成两个流动路段。优选地，形成在壳体中的流动路段同心地布置在壳体内部，因此在流动路段的外壁与壳体的内壁之间形成环形间隙。流动路段可以通过支撑元件相对于壳体固定。
因此流入到壳体中的排气既可以流过所形成的环形间隙，也可以流过流动路段。如果没有设置控制元件，那么基本上通过两个流动路段的横截面积影响排气质量流在环形间隙和流动路段上的分布。
根据本发明，设置有能受到主动影响的至少一个控制元件，以便影响排气质量流在环形间隙和流动路段上的分布。在此，控制元件可以以不同的方式形成。在下面的说明中描述了控制元件的特别优选的设计方案。
特别有利的是，控制元件由可转动地支承的孔板形成，其中，通过孔板的转动，环形间隙的可通流的横截面是可增大的或可减小的。
孔板例如可以由布置在环形间隙中的环形成。环覆盖环形间隙的流动横截面并且因此在可能的位置堵住经过环形间隙的排气流。在这种情况下，流过设备的所有排气都流过布置在壳体内部且被环形间隙包围的流动路段。
孔板根据其功能具有孔，这些孔例如沿周向彼此间隔开地布置。通过孔板相对于壳体或流动路段的转动，可以打开环形间隙的流动横截面，从而提高流过环形间隙的排气质量流的份额。
也有利的是，孔板具有固定不动的部段和相对于该固定不动的部段可转动地支承的部段，其中，两个部段具有沿周向彼此间隔开的开口。
通过这种结构，通过可转动地支承的部段相对于固定不动的部段的转动，多个开口可以被打开，或者被打开的开口可以通过转动被再次封闭。特别通过孔板这样转动，即，在可转动部分中的开口与在固定不动的部分中的开口重合，可以打开特别大的流动横截面。
根据孔板中的开口的类型、数量和大小，可以规定最大可打开的流动横截面。
一个优选的实施例的特征在于，控制元件由可沿壳体的轴向方向移动的环形板形成。当壳体的内壁和/或壳体的外壁锥形地逐渐变细或者锥形地扩宽时，可轴向移动的环特别适合于影响可通流的流动横截面。
通过具有不变地规定的形状的环形板的移动，可以增大或减小环形间隙的可通流的流动横截面。
还优选的是，环形板布置在流动路段与壳体之间的环形间隙内部。
此外有利的是，环形板能相对于壳体和/或流动路段移动，其中，环形板具有规定的开口横截面。通过环形板的移动可以主动地影响环形间隙的可通流的流动横截面。因此存在以下可能性：根据刚好存在的运行条件，产生排气流在环形间隙和流动路段上的尽可能最佳的分布。
此外有利的是，环形板具有导流片，其中，能通过导流片使流过环形间隙的排气质量流转向。导流片是有利的，因为可以有针对性地影响流过环形间隙的排气流。因此例如可以产生紊流，由此可以实现在流过流动路段和环形间隙之后两个排气流的更好混合。环形间隙中的流动也可以通过导流片变成紊流的，由此改善热传递并且可以实现温度分布的均匀化或者不同排气成分的浓度的均匀化。
也适宜的是，沿径向方向界定流动路段的结构具有可转动地支承的活门作为控制元件。可以有针对性地影响可转动的活门/瓣阀/翻板，以便打开开口或封闭开口。根据排气流在流动路段和环形间隙上的当前所期望的分布，可以主动地调节活门，由此调节在流动路段与环形间隙之间的溢流。
此外有利的是，可转动地支承的活门围绕沿轴向方向取向的轴线可转动地支承。沿轴向方向意味着平行于所述设备的主通流方向。通过围绕轴向的转动轴线可转动地支承的活门，可以因此沿径向方向打开开口，从而排气可以从流动路段沿径向方向向外流动到环形间隙中。在该设备的一个有利的实施方案中，排气流入到同心地布置在壳体中的流动路段中并且从那里在活门关闭时完全地在加热元件旁边流入到布置在流动路段中或流动路段之后的催化转化器中。在活门的该位置，未禁止去往流动路段周围的环形间隙中的溢流。在该活门位置环形间隙作为热绝缘的气垫起作用，该气垫降低从流动路段到壳体的周围环境的热损耗。在该活门位置，排气不主动地流过环形间隙。
活门被打开得越多，则从流动路段溢流到环形间隙中的排气质量流的份额就越大。
此外适宜的是，通过活门能打开开口，该开口允许排气质量流至少部分地从流动路段溢流到环形间隙中。这有利于实现将排气质量流分配到流动路段和环形间隙上。
此外适宜的是，流动路段这样布置在壳体中，使得排气流仅能经过可通过活门打开的开口流过环形间隙。这对于能够更好地影响排气流从流动路段到环形间隙上的分布是有利的。
还优选的是，在环形间隙中布置有围绕径向地取向的轴线可转动地支承的涡流阀作为控制元件。此外有利的是，通过转动涡流阀能打开环形间隙的流动横截面。
通过使活门围绕其相应的转动轴线转动，在环形间隙中的涡流阀可以增大或减小环形间隙的可通流的横截面并且也可以与涡流阀的结构相关地完全封闭该环形间隙。
此外有利的是，多个涡流阀沿周向彼此间隔开地布置在环形间隙中。通过涡流阀的数量、其尺寸和彼此间的间距同样可以影响可打开的流动横截面。
还有利的是，流动路段由布置在壳体内部的套管形成。
在从属权利要求和下面的附图说明中描述本发明的有利的改进方案。
附图说明
下面根据实施例参照附图对本发明进行详细说明。图中示出：
图1示出用于排气后处理的传统的设备的剖视图，
图2示出根据本发明的用于排气后处理的设备的剖视图，其中，在所述壳体中，流动路段形成在套管内部，
图3示出控制元件的透视图，该控制元件以可转动的孔板的形式形成，
图4示出用于排气后处理的设备的剖视图，其中，控制元件由可轴向移动的环形板形成，
图5示出用于排气后处理的设备的一个替代的设计方案的剖视图，其中，控制元件由可轴向移动的环形板形成，
图6示出用于排气后处理的设备的剖视图，其中，套管包括多个可转动的活门，这些活门能实现从流动路段到环形间隙中的溢流，和
图7示出用于排气后处理的设备的透视图，其中，在环形间隙的区域中布置有可转动的活门，以便影响环形间隙的可通流的流动横截面。
具体实施方式
图1示出用于排气后处理的设备的剖视图。该设备由具有不同直径区域的壳体形成。在壳体内部布置有用于加热排气流的设备1和在下游布置有用于后处理排气的催化转化器2。附加地，该设备可以具有用于添加运行材料3的部件，以便例如将含水的尿素溶液或燃料引入该设备中。
图1中所示的设备的特征具体在于：从左向右流过该设备的全部排气流完全流过加热元件1和下游的催化转化器2。因此，如果排气质量流的温度不足以将催化转化器2加热至用于其运行的温度，则必须通过加热元件加热整个排气质量流，以便同样加热催化转化器2。为此需要大量的能量，因为必须加热整个质量流。
图2示出根据本发明的设备10的剖视图。该设备具有壳体11和位于该壳体中的管12，该管形成沿径向方向具有边界的流动路段。在管12与壳体11之间形成有可以被排气通流的环形间隙13。
壳体11和流动路段的通流方向是从左至右。
在管12内部布置有加热部件14，用于给排气电加热。此外，在管12内部在下游布置有催化转化器15，该催化转化器用于对流过催化转化器的排气进行后处理。催化转化器15特别是由金属的或陶瓷的蜂窝体形成，该蜂窝体被加载有相应的表面涂层，以便借助于化学反应从排气中去除不期望的成分或降低其浓度或借助于化学反应来转化被添加的运行材料。这包括例如从含水的尿素溶液向氨的转化或从被添加的燃料中产生热量。
在替代的设计方案中，也可以在管内部布置多个催化转化器。可以沿着用附图标记16表示的箭头将运行材料、例如含水的尿素溶液或燃料添加到设备中。
流过所述设备10的排气可以直接流过环形间隙13，该环形间隙因此形成围绕由管12形成的流动路段的旁路。替代地，排气可以直接流入流动路段12中并且绕过或通过布置在流动路段12中的元件。在流过流动路段12之后，两个流动路段再次汇合并且继续在共同的管道中流动。
图2的实施例示出根据本发明的用于排气后处理的设备的基本结构。在图2中未示出控制元件，其用于影响排气质量流在环形间隙13和管12中流动路段上的分布。在以下附图中详细描述可能的实施方式。
图3示出控制元件17的视图，该控制元件被设计为可转动的孔板。孔板17在此由可转动地支承的元件18和固定不动的元件19形成。孔板17的两个元件18、19具有沿周向彼此间隔开的开口20。当这些开口20通过元件18的转动而彼此重合时，排气可以直接流入到位于其后面的环形间隙中。如果开口20完全相对彼此转动，那么进入到环形间隙中的流动路径被闭锁并且排气完全流过在中央的管的内部中的流动路段。
图3中的图示是分解式的，以便确保更好的清晰性。在一个实际的实施方案中，两个元件18、19直接位于彼此上。形成流动路段的管可以突出超过孔板17，或可以与孔板17齐平闭合。孔板17优选地布置在环形间隙的流入侧上。然而，它可以被布置在环形间隙的任何位置上。
图4示出作为可轴向移动的环形板25的控制元件的一个可能的设计方案。环形板25布置在管12的流出侧21上并且这样形成，使得在孔板25的中心处的缺口与管12的内直径相一致。通过将孔板25向左朝向管12移动，可以实现孔板25贴靠在管12上，由此环形间隙13被完全封闭。在这种情况下，流过设备的排气不能流过环形间隙13，并且必须完全流过流动路段12并且因此流过加热元件14和催化转化器15。
通过环形板25的轴向向右、即远离管12的移动，可以打开流动路径，从而排气可以从环形间隙13在孔板25旁边流过并且可以与流过管12的排气混合。环形板25在所示的实施例中在壳体11的内壁上被引导并且可以轴向地沿着设备10的主通流方向移动。通过孔板25的沿轴向方向到管12的最大可实现的距离，可以规定在环形间隙13与孔板25之间的最大可能的开口。
在环形板25上可以布置有产生涡旋的元件24、例如导流片，以便使环形间隙13中的流动变成紊流并且由此实现在环形间隙13内部的更好的充分混合。此外，在排气流在管12或环形间隙13后面相遇时的紊流流动也有助于实现改善的充分混合。此外，通过紊流的边缘流动减少了对壳体11的热传递，由此同样降低了热损耗。
图5示出一种替代的设备，其中，可轴向移动的环形板21布置在设备10内部的替代的位置上。环形板21布置在环形间隙13的内部。环形板21具有中心的缺口22，管12被引导穿过该缺口。环形板21布置在管12的外直径沿流动方向锥形扩大的区域中。通过沿轴向方向移动形状稳定的环形板21，可以增大或减小在环形板21与管12之间的开口间隙23，由此同样可以增大或减小流过环形间隙13的排气的份额。
如果环形板21充分地轴向向右移动，则环形板21贴靠管12的外壁并且环形间隙13被完全封闭。排气随后完全流过管12内部的流动路段。
如果流动路径通过环形间隙完全封闭，则环形间隙就作为在排气与在由管形成的流动路段内部的元件以及设备壳体之间的热绝缘体起作用。由此减少向外的不期望的热损耗。
图6示出一个替代的设计方案，其特征在于，全部排气流完全流入到由管30形成的流动路段中并且从那里根据所示的控制元件31的位置溢流到环形间隙32中或继续流过管30。
控制元件31由可转动地支承的活门形成，所述活门分别具有沿轴向方向取向的转动轴线。通过转动活门31，开口因此可以沿径向方向被打开或封闭，从而能实现或防止在管30与环形间隙32之间的溢流。
有利地，在管30的周部上可以分布有多个活门31。活门31可以具有引导元件，其附加地使流过打开的开口的排气偏转/转向，例如以便产生紊流流动。
图7示出另一个替代的实施方案，其中，在此控制元件41由可转动地支承的活门41形成，该活门41布置在管40与壳体42之间。活门41可围绕沿径向方向延伸的轴线可转动地支承并因此可以沿轴向方向打开开口。活门41布置在环形间隙43中。
在一个有利的设计方案中，多个活门41可以围绕环形间隙43的周部分布地布置。除了在图7中示出的元件之外，另一个元件可以布置在环形间隙43中，该另一个元件覆盖处于活门之间的区域，从而不会产生在活门旁边经过环形间隙43的流动。如果希望环形间隙43可以被完全封闭，则这种可以被设计为具有相应的缺口的环的元件是必要的。
各个实施例的不同特征也可以相互组合。图1至图7的实施例特别不具有限制性的特征并且用于说明本发明构思。

Claims (15)

1.一种用于内燃机的排气后处理的设备(10)，所述设备包括：壳体(11、42)，排气能在该壳体中从入口通流至出口；沿径向方向在空间上被界定具有恒定的入口横截面且沿轴向方向可通流的流动路段(12、30、40)，该流动路段布置在壳体(11、42)内部；布置在流动路段(12、30、40)中的、用于通过催化反应转化排气的至少一个催化转化器(15)；和布置在流动路段(12、30、40)中能被排气通流的、用于电加热排气的至少一个加热元件(14)，
其特征在于，
在流动路段(12、30、40)与壳体(11、42)的内壁之间形成有可通流的环形间隙(13、32、43)，其中，能借助于具有环形形状的控制元件通过改变环形间隙(13、32、43)的可通流的流动横截面而改变进入环形间隙的排气质量，所述环形形状具有内直径和外直径，所述内直径至少在流动路段的一个轴向位置处对应于流动路段的直径，所述外直径对应于壳体的内直径。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，控制元件由可转动地支承的孔板(17)形成，其中，通过孔板(17)的转动，环形间隙的可通流的横截面是可增大的或可减小的。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，孔板(17)具有固定不动的部段(19)和相对于该固定不动的部段(19)可转动地支承的部段(18)，其中，两个部段(18、19)具有沿周向彼此间隔开的开口(20)。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，控制元件由能沿壳体的轴向方向移动的环形板(25，23)形成。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，环形板(23)布置在流动路段(12)与壳体(11)之间的环形间隙(13)内部。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，环形板(23、25)能相对于壳体(11)和/或流动路段(12)移动，其中，环形板(23、25)具有规定的开口横截面。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的设备，其特征在于，环形板(25)具有导流片(24)，其中，能通过导流片(24)使流过环形间隙(13)的排气质量流转向。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，沿径向方向界定流动路段(30)的结构具有可转动地支承的活门(31)作为控制元件。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述可转动地支承的活门(31)围绕沿轴向方向取向的轴线可转动地支承。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，通过活门(31)能打开开口，该开口允许排气质量流至少部分地从流动路段(30)溢流到环形间隙(32)中。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的设备，其特征在于，流动路段(30)这样布置在壳体中，使得排气流仅能经过可通过活门(31)打开的开口流过环形间隙(32)。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在环形间隙(43)中布置有涡流阀(41)作为控制元件，所述涡流阀围绕径向地取向的轴线可转动地支承。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，通过转动涡流阀(41)能打开环形间隙(43)的流动横截面。
14.根据权利要求12或13所述的设备，其特征在于，多个涡流阀(41)沿周向彼此间隔开地布置在环形间隙(43)中。
15.根据权利要求1至6、8至10以及12至13中任一项所述的设备，其特征在于，流动路段(12、30、40)由套管形成，该套管布置在壳体(11、42)内部。
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