CN117980592A - 一种废气子系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的废气子系统1，其具有：催化转化器2，其具有用于将废气流4引入到外部外壳2中的入口区段3；以及用于二次气体5.3的供应管线5，所述供应管线5在其端部处具有流入元件5.1，所述流入元件在所述入口区段3处开放，所述外部外壳2.1具有用于废气的入口开口3.2，在所述流入元件5.1上游在所述供应管线5中设置有用于加热所述二次气体5.3且用于产生热气体的外部加热元件6，所述外部外壳2中的至少一个流入开口5.2分配给所述流入元件5.1，热气体可经由所述流入元件输送到所述入口区段3中。

Description

一种废气子系统
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的废气子系统，其包括：催化转化器外壳，其具有用于将废气流或主废气流引入到所述催化转化器外壳中的入口区段和入口开口；以及不含废气流的用于二次气体的供应管线，所述供应管线在其端部处设置有流入元件，所述二次气体通过所述流入元件输送至所述主废气流；所述流入元件优选地直接放置在所述催化转化器上游或所述催化转化器外壳上游；其中在所述流入元件上游的所述供应管线中设置有用于加热所述二次气体的加热元件。所述废气子系统为从总管延伸到废气端管的排气系统的一部分。内燃机可以是机动车或船舶的固定发动机或机器的一部分。
背景技术
从EP 1 333 169 B1中已知一种废气净化系统，其公开用于环境空气的供应装置，环境空气可通过颗粒过滤器上游的外壳中的导管和环形管供应。
从US 8,991,157 B2中已知一种具有外部空气供应的燃烧器，其用于加热废气流以再生下游颗粒过滤器。
从US10,174,567B2中已知一种具有外部空气供应的等离子体燃烧器，其用于加热废气流以供应位于下游的SCR催化转化器。
从EP 1 333 169 B1中已知一种用于柴油发动机的排气系统，其具有颗粒过滤器和上游氧化催化转化器以及可控制二次空气供应装置。二次空气供应装置具有设置在外壳的入口区段中的带孔环管。
从DE 39 19 343 A1中已知一种用于内燃机的废气子系统，其包括催化转化器外壳，所述催化转化器外壳具有用于引入废气流的一体式入口区段和入口开口。入口开口是用于二次气体的供应管线的一部分，供应管线具有用于加热二次气体的加热元件。
发明内容
本发明是基于以下问题：设计和布置用于内燃机的废气子系统，以使得改进催化转化器的冷启动且最优化其温度控制成为可能。
根据本发明，解决所述问题在于，流入元件包括在入口区段处或入口区段中的至少一个流入开口，加热后的二次气体可经由所述至少一个流入开口输送至废气流，其中流入元件与被设计为外部外壳的入口区段共同界定收集腔室，二次气体可从所述收集腔室经由流入开口被导引或输送至入口区段的废气输送部分中，其中每个流入开口包括开口横截面和开口轴线。这确保外部加热后的气体，特别是用于预加热催化转化器的环境空气，可在内燃机的冷启动期间输送至催化转化器。此外，可以在内燃机的正常操作期间在冷启动之后控制催化转化器的温度。加热元件与内燃机独立，加热元件不是内燃机的一部分。更确切的，加热元件可以独立于内燃机而操作。加热元件可以被主动地控制，即可以被接通和断开。加热元件还可以这样的方式进行控制，即可以将二次气体的温度设置为至少一个或多个预定温度。在此方面，加热元件可被视为外部的，因为它不是排气系统的一部分，因为二次气体而不是废气流过加热元件。加热后的二次气体经由供应管线从外部加热元件穿过环境输送至催化转化器外壳。加热元件是冷启动单元的一部分，冷启动单元独立于内燃机的废气温度以预定的温度将热气体供应到废气流。催化转化器外壳中的催化转化器直接设置在入口区段下游，以便避免热损失。加热元件可被设计为用于产生热气体的燃烧器或用于产生热气体的电加热元件。热气体必须与内燃机的热的或待加热的废气流区分开。供应管线和加热元件布置在废气子系统的废气传导元件外部，且所述供应管线和加热元件将废气从加热元件传导到废气子系统的对应废气传导元件或传导到流入元件的对应位置。流入元件还可以是一个或多个馈送喷嘴。
流入元件可设置在入口区段或设置到入口区段上。以此方式形成的收集腔室可易于从外部接近。另外，发动机废气在入口区段内部的流动路径不会因流入元件而受到应变或减小。相应开口轴线优选地与入口区段的表面垂直对准或与凹部的表面垂直对准。相应开口轴线的倾斜对准也是可能的。在这方面，收集腔室表示用于二次气体的流入腔室和流出腔室。如果入口区段为单壁的，则外部外壳还包括外侧。如果入口区段形成为隔热的气隙，即，双壁的或集成到另一外壳中，则外侧也是入口区段的背对废气的一侧。
所述问题还通过包括如上文所定义的废气子系统的排气系统解决。排气系统另外包括布置在催化转化器外壳中的至少一个催化转化器以及对应的排气管，对应的排气管设置在催化转化器外壳的端部处以用于排气系统连接到排气系统的另外组件。
所述问题还通过用于操作前述排气系统的方法解决，在所述方法中，借助于加热元件加热二次气体，调节催化转化器的温度。将催化转化器加热到其有效操作的温度。在冷启动期间，可借助于加热元件将催化转化器加热到操作温度。在正常操作期间在冷启动之后，可在至少一个额外时间点将催化转化器的温度调节到所需温度。
可为有利的是，流入元件设置在入口区段处和/或流入开口设置在入口区段中。这确保加热后的二次气体流动靠近催化转化器。
还可在相应催化转化器外壳上游的不同位置处设置有多个流入元件。多个流入元件可轴向布置，或可围绕废气子系统的相应废气传导元件的圆周分布。
此外，可为有利的是，所有流入开口包括相同开口横截面，或30％到70％的流入开口的至少第一部分包括大于70％到30％的流入开口的第二部分的开口横截面。流入开口可以是孔或凹部，其中具体地说，孔可具有圆形或椭圆形开口横截面。流入开口可以不含叶片或导引元件。通过改变开口横截面，可优化在混合期间产生的热气体的流动路径或所述热气体在废气中的分布。多个流入开口形成具有如下文借助于实例进一步限定的穿孔图案的穿孔。
还可为有利的是，入口区段包括若干凹部，其中每个凹部中设置有至少一个流入开口。一个或多个流入开口优选地在周向方向U上(即，周向)延伸。可通过形成凹部来增加可用收集空间。因烟尘或颗粒在孔中的沉积物所致的孔堵塞可能损害孔的功能，且因此损害废气子系统的功能。凹部可防止孔被阻塞。可为有利的是，相邻流入开口的开口轴线和/或凹部内的开口轴线彼此以角度α倾斜或设置。通过使用攻角/入射角，可优化在混合期间产生的热气体的流动路径或所述热气体在废气中的分布。所得角平面可与主废气流轴线径向对准。角度α>0，角度α可取决于凹部的横截面形状。在此意义上，流入开口不含导引元件。
对于本发明可能特别重要的是，角度α满足以下条件：20°<＝α<＝170°或70°<＝α<＝90°。依靠现有的流动条件或废气流中所关注的负荷条件，可以用此类角度范围确保热气体的最优流入。在这方面，二次气体与废气流混合得特别好。
结合根据本发明的设计和布置，可为有利的是，相邻流入开口的开口轴线和/或凹部内的开口轴线朝向主废气流中心轴线以不同角度γ1、γ2倾斜或设置，其中70°<＝γ1<＝90°且20°<＝γ2<＝40°。使用此类角度范围，可以依靠现有的流动条件或废气流中所关注的负荷条件来确保热空气的最优流入。这优化二次气体与废气流的混合。主废气流中心轴线对应于催化转化器外壳元件的中心轴线或对应于入口区段的中心轴线。待混合的热气体流的方向还可具有可与废气流相反的定向分量。
还可为有利的是，设置有至少两行流入开口和/或两行凹部，其中每一凹部分别具有至少一个流入开口，其中所述行相对于主废气流轴线在周向方向U上延伸且紧邻彼此而布置。这允许经由第一行和至少第二行将热气体引入至少两个级中。30％到70％的流入开口的至少第一部分具有大于流入开口的另一部分的开口横截面的事实也相对于所述行适用。一行的流入开口或不同行或相邻行的流入开口可因此具有不同的开口横截面。此措施还改善二次气体与废气流的混合。
还可为有利的是，在至少一行内，两个流入开口之间的角度α不同或者角度γ1或角度γ2不同。两个流入开口之间的角度α和/或一行内的角度γ1、γ2也可为相同的。
还可为有利的是，在相邻行之间，角度α不同和/或角度γ1、γ2不同。两个流入开口之间的角度α和/或相邻行的角度γ1、γ2也可为相同的。
可为有利的是，流入元件以角度β相对于主废气流轴线的周向方向U围封入口区段，其中50°<＝β<＝360°。围封角β不应小于最小值，以便实现热气体的规则或均匀流入。因此，角度β还限制相应行的开口或凹部或者凹部的周向范围。
还可为有利的是，加热元件电加热或借助于加热元件的燃烧腔室或燃烧室加热二次气体。电加热将电能转换成热能。以此方式，二次气体被加热。燃料在燃烧腔室内部燃烧。这产生用于加热二次气体的热量。这两种方法都是高效的且允许主动地、单独地和在外部操作加热元件。
还可为有利的是，设置有控制单元以用于主动地控制加热元件，以便调整加热后的二次气体的温度和/或质量流。这允许主动地控制或调节加热元件。
附图说明
本发明的另外的优点和细节在权利要求书和说明书中加以说明，并且在图式中示出。图式示出：
图1其是废气子系统的示意图；
图2a其是具有流入开口的入口区段的示意图；
图2b其是图2a的另一实施例；
图3其是从前部所见的入口区段的示意图；
图4其是机动车排气系统的示意图。
具体实施方式
图1中所示的废气子系统1是图4所示的综合废气系统4的一部分，如图4所示，综合废气系统4用于完全清洁和再处理废气流4.3或内燃机4.6的主废气流。在下文进一步描述的废气子系统1下游，废气系统4还包括催化转化器外壳2以及颗粒过滤器4.1，且在下游进一步包括废气消声器4.2。催化转换器外壳2具有未进一步详细示出的废气催化转化器。废气子系统1连接到内燃机4.6的总管4.5。相应组件经由排气管4.4相互流动耦合。
废气子系统1包括废气输送的入口区段3，其连接到催化转化器外壳2的上游以供应废气。在催化转化器外壳2的对面，将内燃机4.6的废气流4.3经未进一步详细示出的排气管输送至入口区段3。进入入口区段3上游的废气经由入口区段3输送至催化转化器外壳2。入口区段3包括圆锥形基本形状，使得其流动横截面从入口开口3.2到催化转化器外壳2增大。
入口区段3联接到流入元件5.1，如图1所示，所述流入元件被设计为半壳体通道，如图3中所示，所述半壳体通道在周向方向U上放置在入口区段3的外侧3.4上。入口区段3或其外壳壁3.3的外侧3.4与流入元件5.1共同形成收集腔室5.4，所述收集腔室通过供应管线5和连接到所述供应管线上游位置的加热元件供应有加热后的二次气体5.3。加热后的二次气体5.3经由收集腔室5.4和入口区段3内或入口区段3的外壳壁3.3内的对应流入开口5.2流动到入口区段3中，并在入口区段3中与废气流4.3混合或混合到废气流4.3中。外壳壁3.3包括若干流入开口5.2。根据图2a，流入开口5.2各自布置为孔且分布在入口区段3的圆周中或在周向方向U上分布。开口横截面Q为圆形。替代地，它可为椭圆形。由于流入开口5.2处未设置有流动导引元件，因此开口横截面Q不含导引元件。根据图2a，设置有两行5a、5b的流入开口5.2。根据图2b的实施例，设置有两行3a、3b的凹部3.1，其中在外壳壁3.3的每个凹部3.1内设置有两个流入开口5.2。
在根据图1的实施例的截面视图中，相应凹部3.1示出为设置有两个流入开口5.2。
相应流入开口5.2包括与包围外壳壁3.3垂直对准的开口轴线5.5。根据图1的实施例，在相应凹部3.1中设置有两个流入开口5.2，所述相应凹部的开口轴线5.5以角度α设置或倾斜。根据图1下半部的实施例，一开口轴线与废气主流轴线2.1径向对准且与所述废气主流轴线形成大约90°的角度γ1。另一开口轴线与主废气流轴线2.1形成大约30°的角度γ2。这意味着热气体的一部分在径向方向上供应，而废气的另一部分以对应的轴向定向分量供应。角度γ1也可小于90°。这将具有与主废气方向相反的定向分量。
收集腔室5.4经由供应管线从主动、单独的外部加热元件6供应，加热元件6包括燃烧腔室或燃烧室6.1，二次气体5.3流动到所述燃烧腔室或燃烧室中以加热，并且所述二次气体在加热时释放到收集腔室5.4，且因此释放到并进入入口区段3。替代地，可电加热二次气体5.3。此外，设置有控制单元7，其控制主动加热元件6且控制二次气体5.3的温度和质量流。
在图3的实施例中，以正视图示出入口区段3。流入元件5.1在具有大约200°的角度β上延伸。流入元件5.1还经由供应管线5被供应有二次气体5.3，所述二次气体在加热元件6中加热，在此情况下用环境空气加热。
根据图4，机动车的排气系统4包括内燃机4.6，所述内燃机包括总管4.5。废气流4.3被引导通过排气管4.4且被输送至入口区段3。在入口区段3处设置有流入元件5.1，通过所述入口区段，由加热元件6加热的二次气体5.3被输送到废气流3中且与废气流3混合。具体地说，加热元件6不是排气系统4的一部分，且因此被视为外部元件。在入口区段的下游进一步设置有具有催化转化器2.2的催化转化器外壳2，颗粒过滤器4.1连接到所述催化转化器外壳。在排气管4.4的端部处设置有排气消声器4.2。
标号说明
1 废气子系统
2 催化转化器外壳
2.1 主废气流轴线
2.2 催化转化器
3废气流
3.1 凹部
3.2 入口开口
3.3 外壳壁
3.4 外侧
3a 行
3b 行
4 废气系统
4.1 颗粒过滤器
4.2 排气消声器
4.3 废气流
4.4 排气管
4.5 总管
4.6 内燃机
5 供应管线
5.1 流入元件
5.2 流入开口
5.3 二次气体
5.4 收集腔室
5.5 开口轴线
5a 行
5b 行
6 加热元件
7 控制单元
6.1燃烧室
U 相对于主废气流轴线2.1的轴向
Q 开口横截面
α 角
β 角
γ1 角
γ2 角。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于内燃机(4.6)的废气子系统(1)，其包括：
催化转化器外壳(2)，其具有用于将废气流(4)引入到所述催化转化器外壳(2)中的入口区段(3)和入口开口(3.2)，以及
供应管线(5)，其用于输送二次气体(5.3)且不含废气流，所述供应管线(5)包括设置于其端部处的流入元件(5.1)，所述二次气体(5.3)通过所述流入元件输送至所述废气流(4.3)，
所述流入元件(5.1)设置在所述催化转化器外壳(2)上游，
所述流入元件(5.1)上游的所述供应管线(5)中设置有用于加热所述二次气体(5.3)的加热元件(6)，
其特征在于，所述入口区段(3)处的至少一个流入开口(5.2)与所述流入元件(5.1)相连通，加热后的二次气体(5.3)能够经由所述流入元件从所述供应管线(5)输送至所述废气流(4.3)，
其中所述流入元件(5.1)与所述入口区段(3)的外侧(3.4)共同界定收集腔室(5.4)，所述二次气体(5.3)从所述收集腔室(5.4)经由所述流入开口(5.2)进入所述入口区段(3)中，其中每个所述流入开口(5.2)包括开口横截面和开口轴线(5.5)，
其中相邻流入开口(5.2)的开口轴线(5.5)彼此以角度α倾斜，形成朝向主废气流中心轴线(2.1)的不同入射角。
2.根据权利要求1所述的废气子系统(1)，其特征在于，所述流入元件(5.1)设置在所述入口区段(3)处，和/或所述流入开口(5.2)设置在所述入口区段(3)中。
3.根据权利要求1或2所述的废气子系统(1)，其特征在于，所有流入开口(5.2)包括相同的开口横截面，或
30％到70％的所述流入开口(5.2)的至少第一部分包括大于70％到30％的所述流入开口(5.2)的第二部分的开口横截面。
4.根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，所述入口区段(3)包括至少一个或多个凹部(3.1)，在每个凹部(3.1)中设置有至少一个流入开口(5.2)。
5.根据权利要求3或4所述的废气子系统(1)，其特征在于，在凹部(3.1)内的开口轴线(5.5)彼此以角度α倾斜。
6.根据权利要求5所述的废气子系统(1)，其特征在于，所述角度α满足以下条件：20°<＝α<＝170°或70°<＝α<＝90°。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，相邻流入开口(5.2)的开口轴线(5.5)和/或凹部(3.1)内的开口轴线(5.5)朝向废气主流中心轴线(2.1)以不同角度γ1、γ2倾斜，其中70°<＝γ1<＝90°且20°<＝γ2<＝40°。
8.根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，设置有至少两行(5a、5b)的流入开口(5.2)和/或两行(3a、3b)的凹部(3.1)，每行每一凹部(3.1)包括至少一个流入开口(5.2)，所述行(3a、3b、5a、5b)相对于所述废气主流中心轴线(2.1)在周向方向U上延伸且紧邻彼此而布置。
9.根据权利要求8所述的废气子系统(1)，其特征在于，在至少一行(3a、3b、5a、5b)内，两个流入开口(5.2)之间的所述角度α不同和/或所述角度γ1、γ2不同。
10.根据权利要求8所述的废气子系统(1)，其特征在于，在相邻行(3a、3b、5a、5b)之间，所述角度α不同和/或所述角度γ1、γ2不同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，所述流入元件(5.1)以角度β相对于所述废气主流中心轴线(2.1)的所述周向方向U围封所述入口区段(3)，其中50°<＝β<＝360°。
12.根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，所述二次气体(5.3)能够经由所述加热元件(6)电加热或通过所述加热元件(6)的燃烧室(6.1)加热。
13.根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，设置有控制单元(7)以用于主动地控制所述加热元件(6)，所述控制单元，用于控制所述二次气体(5.3)的温度和/或质量流。
14.一种废气系统(4)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)。
15.一种用于操作根据权利要求14所述的废气系统(4)的方法，其特征在于，所述二次气体(5.3)通过所述加热元件加热，以调节催化转化器(2.2)的温度。

Claims (15)

1.一种用于内燃机(4.6)的废气子系统(1)，其包括：
催化转化器外壳(2)，其具有用于将废气流(4)引入到所述催化转化器外壳(2)中的入口区段(3)和入口开口(3.2)，以及
供应管线(5)，其用于输送二次气体(5.3)且不含废气流，所述供应管线(5)包括设置于其端部处的流入元件(5.1)，所述二次气体(5.3)通过所述流入元件输送至所述废气流(4.3)，
所述流入元件(5.1)设置在所述催化转化器外壳(2)上游，
所述流入元件(5.1)上游的所述供应管线(5)中设置有用于加热所述二次气体(5.3)的加热元件(6)，
其特征在于，所述入口区段(3)处的至少一个流入开口(5.2)与所述流入元件(5.1)相连通，加热后的二次气体(5.3)能够经由所述流入元件从所述供应管线(5)输送至所述废气流(4.3)，
其中所述流入元件(5.1)与所述入口区段(3)的外侧(3.4)共同界定收集腔室(5.4)，所述二次气体(5.3)从所述收集腔室(5.4)经由所述流入开口(5.2)进入所述入口区段(3)中，其中每个所述流入开口(5.2)包括开口横截面和开口轴线(5.5)。
2.根据权利要求1所述的废气子系统(1)，其特征在于，所述流入元件(5.1)设置在所述入口区段(3)处，和/或所述流入开口(5.2)设置在所述入口区段(3)中。
3.根据权利要求1或2所述的废气子系统(1)，其特征在于，所有流入开口(5.2)包括相同的开口横截面，或
30％到70％的所述流入开口(5.2)的至少第一部分包括大于70％到30％的所述流入开口(5.2)的第二部分的开口横截面。
4.根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，所述入口区段(3)包括至少一个或多个凹部(3.1)，在每个凹部(3.1)中设置有至少一个流入开口(5.2)。
5.根据权利要求3或4所述的废气子系统(1)，其特征在于，相邻流入开口(5.2)的开口轴线(5.5)和/或在凹部(3.1)内的开口轴线(5.5)彼此以角度α倾斜。
6.根据权利要求5所述的废气子系统(1)，其特征在于，所述角度α满足以下条件：20°<＝α<＝170°或70°<＝α<＝90°。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，相邻流入开口(5.2)的开口轴线(5.5)和/或凹部(3.1)内的开口轴线(5.5)朝向废气主流中心轴线(2.1)以不同角度γ1、γ2倾斜，其中70°<＝γ1<＝90°且20°<＝γ2<＝40°。
8.根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，设置有至少两行(5a、5b)的流入开口(5.2)和/或两行(3a、3b)的凹部(3.1)，每行每一凹部(3.1)包括至少一个流入开口(5.2)，所述行(3a、3b、5a、5b)相对于所述废气主流中心轴线(2.1)在周向方向U上延伸且紧邻彼此而布置。
9.根据权利要求8所述的废气子系统(1)，其特征在于，在至少一行(3a、3b、5a、5b)内，两个流入开口(5.2)之间的所述角度α不同和/或所述角度γ1、γ2不同。
10.根据权利要求8所述的废气子系统(1)，其特征在于，在相邻行(3a、3b、5a、5b)之间，所述角度α不同和/或所述角度γ1、γ2不同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，所述流入元件(5.1)以角度β相对于所述废气主流中心轴线(2.1)的所述周向方向U围封所述入口区段(3)，其中50°<＝β<＝360°。
12.根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，所述二次气体(5.3)能够经由所述加热元件(6)电加热或通过所述加热元件(6)的燃烧室(6.1)加热。
13.根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)，其特征在于，设置有控制单元(7)以用于主动地控制所述加热元件(6)，所述控制单元，用于控制所述二次气体(5.3)的温度和/或质量流。
14.一种废气系统(4)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的废气子系统(1)。
15.一种用于操作根据权利要求14所述的废气系统(4)的方法，其特征在于，所述二次气体(5.3)通过所述加热元件加热，以调节催化转化器(2.2)的温度。
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