內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)和用來準(zhǔn)備引入到內(nèi)燃機(jī)排氣中的還原劑的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)和一種用來準(zhǔn)備引入到內(nèi)燃機(jī)排氣中的還原劑的方法。根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)包含帶有第一圓柱形排氣管管段(2)的還原劑準(zhǔn)備段(1)，所述第一圓柱形排氣管管段近似垂直地通過第二排氣管管段(3)的圓柱周面中的開口(8)通入到第二排氣管管段(3)中，其中在位于第一排氣管管段(2)上的開口(8)前設(shè)置有注射單元(4)，用于將還原劑添加到排氣中。根據(jù)本發(fā)明規(guī)定，第二排氣管管段(3)的圓柱周面中的開口(8)在第二排氣管管段(3)的縱向延伸方向上的延展大于橫向于所述縱向延伸方向的方向上的延展。針對(duì)根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，在第二排氣管管段(3)內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的排氣流。
【專利說明】?jī)?nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)和用來準(zhǔn)備引入到內(nèi)燃機(jī)排氣中的還原劑的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)，所述排氣系統(tǒng)為了引導(dǎo)排氣包含第一圓柱形排氣管管段和第二圓柱形排氣管管段，其中添加了還原劑的排氣可從第一排氣管管段轉(zhuǎn)移到第二排氣管管段中。此外本發(fā)明還涉及一種用來準(zhǔn)備引入到內(nèi)燃機(jī)排氣中的還原劑的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]為進(jìn)行排氣后處理，通常在原始狀態(tài)中向內(nèi)燃機(jī)排氣中添加液態(tài)還原劑，如礦物油燃料或含水的尿素溶液。其中在準(zhǔn)備以液體狀態(tài)引入的還原劑方面，在需要達(dá)到的均勻分布和蒸發(fā)方面存在問題。此外對(duì)含水的尿素溶液來說，還存在一問題，即通過水解和/或熱分解從尿素中釋放在選擇性催化的氮氧化物還原中需要的氨。為解決這個(gè)問題，已經(jīng)建議了多種帶有準(zhǔn)備段、混合器、蒸發(fā)器和水解催化器的排氣系統(tǒng)變型。雖然已經(jīng)有大量解決方案建議，但特別是在上述意義上在以液體狀態(tài)添加到排氣中的還原劑的準(zhǔn)備方面還存在改進(jìn)需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]因此本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種裝置和方法，通過它們能夠盡可能好地準(zhǔn)備添加到內(nèi)燃機(jī)排氣中的還原劑。
[0004]通過具有權(quán)利要求1所述特征的排氣系統(tǒng)以及具有權(quán)利要求10所述特征的方法來解決上述任務(wù)。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)包含第一圓柱形排氣管管段和第二圓柱形排氣管管段，用于引導(dǎo)排氣。其中在第一排氣管管段上設(shè)置注射單元，用于將還原劑添加到流經(jīng)第一排氣管管段的排氣中。第二排氣管管段包含圓柱周面、閉合的第一端部和開放的第二端部以及位于圓柱周面中的與閉合端部相鄰的開口。第一排氣管管段的開放端部與第二排氣管管段形鎖合地連接，使得從第一排氣管管段的開放端部中流出的排氣可以在相對(duì)于第二排氣管管段的縱向延展至少近似垂直的方向上通過位于第二排氣管管段的圓柱周面中的開口流入第二排氣管管段中。由此在緊鄰第一排氣管管段與第二排氣管管段的連接位置的位置，添加有還原劑的排氣的主流動(dòng)方向發(fā)生了至少近似90°的偏轉(zhuǎn)，由此形成排氣旋流，使排氣中的還原劑得到充分混合。第二排氣管管段的圓柱周面中的開口在第二排氣管管段的縱向延展方向上的延展大于橫向于所述縱向延展的方向上的延展。優(yōu)選地，開口具有卵形或橢圓形的形狀。但是在圓柱周面中也可設(shè)置近似矩形的橫截面。其中優(yōu)選地，縱向延展是橫向延展的約1.5至4倍。由于該實(shí)施方式，在第二排氣管管段中實(shí)現(xiàn)了形成特別穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)的排氣旋流。這反過來又使得第二排氣管管段的短結(jié)構(gòu)或直至隨后的排氣清潔單元的短的管道長度成為可能，并由此實(shí)現(xiàn)了具有短的還原劑準(zhǔn)備段的排氣系統(tǒng)的緊湊結(jié)構(gòu)。憑借旋流和由此導(dǎo)致的混合，可以有利地放棄用于在還原劑準(zhǔn)備段中分配引入到排氣中的還原劑的單獨(dú)的混合器，并避免由此產(chǎn)生的壓力損失。優(yōu)選如此形成注射單元，使得它能夠?qū)?yōu)選地以液態(tài)方式存在的還原劑以精細(xì)霧化的方式注入或噴入排氣中。
[0006]優(yōu)選地，第一排氣管管段的開放端部的邊緣形狀與第二排氣管管段的圓柱周面中的開口的邊緣形狀相符合，兩個(gè)排氣管管段的(例如通過焊接完成的)形鎖合連接是沿著上述形狀存在的。優(yōu)選地，第一排氣管管段在第二排氣管管段的圓柱周面上終止，因此不伸入第二排氣管管段的內(nèi)腔中。第二排氣管管段的圓柱周面中的開口直接相鄰地或以帶有優(yōu)選地為幾毫米的短間距的方式設(shè)置在第二排氣管管段的端側(cè)封口上。由此可避免出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)。為在其第一端部上閉合第二排氣管管段，可設(shè)置遮蓋管道橫截面的、特別是平坦的蓋子，蓋子的法線方向與第二排氣管管段的圓柱軸線(Zylinderachs)方向取向相同。第一排氣管管段和第二排氣管管段的橫截面至少在它們的連接位置的區(qū)域內(nèi)是至少近似相同的，但是優(yōu)選地，它們之間的區(qū)別不超過系數(shù)1.5。優(yōu)選地，從第二排氣管管段的開放端部流出的排氣被引導(dǎo)至催化排氣凈化單元，如SCR催化器、水解催化器、氧化催化器、氮氧化物存儲(chǔ)式催化器或微粒過濾器。
[0007]在本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案中，所述注射單元以小的間距設(shè)置在第一排氣管管段和第二排氣管管段的連接位置的上游。優(yōu)選地，所述間距小于排氣管管段中的任意一個(gè)的直徑，特別地，小于上述直徑的一半或三分之一。因此，可將還原劑準(zhǔn)備段的結(jié)構(gòu)體積或還原劑準(zhǔn)備使用的、用于引導(dǎo)還原劑的管道長度保持為特別小。
[0008]在本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)計(jì)方案中，以小的間距在第一排氣管管段和第二排氣管管段的連接位置的上游處在第一排氣管管段內(nèi)設(shè)置有至少一個(gè)板狀的沖擊元件，通過注射單元引入第一排氣管管段中的還原劑碰撞到該沖擊元件上。其中，板狀的沖擊元件作為蒸發(fā)器元件起作用。用于氣化液態(tài)的、優(yōu)選以小滴形式存在的還原劑所需的熱能優(yōu)選地通過與流入的排氣之間的熱交換來吸收。但是也可設(shè)計(jì)沖擊元件的單獨(dú)的加熱。通過還原劑液滴在加熱的沖擊元件上的碰撞，產(chǎn)生還原劑的至少部分的蒸發(fā)，并額外地出現(xiàn)彈回的還原劑滴的液滴大小的變小。由此與主要以液滴形狀存在還原劑相比，改進(jìn)了還原劑在排氣中的分布。此外，憑借與僅僅來自排氣的熱傳導(dǎo)相比經(jīng)改進(jìn)的、從蒸發(fā)器板到碰撞的還原劑之間的熱傳遞改進(jìn)了蒸發(fā)過程。在沖擊元件上就已經(jīng)出現(xiàn)的至少部分還原劑的蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步縮短還原劑準(zhǔn)備段。優(yōu)選地，沖擊元件直接設(shè)置在第二排氣管管段的圓柱周面中的開口的上方或前方。沖擊元件的朝向第二排氣管管段的端部例如可設(shè)置在開口面中或以在第一排氣管管段的方向上相對(duì)于該方向錯(cuò)開幾毫米(然而優(yōu)選最多幾厘米)的方式布置。該沖擊元件可設(shè)計(jì)為平坦的或具有增大表面的壓紋的金屬板。此外，上述金屬板可開槽或穿孔，或設(shè)有促進(jìn)尿素水解或減少薄膜形成的涂層，例如二氧化鈦涂層，或?qū)饘侔暹M(jìn)行粗糙化處理。
[0009]在優(yōu)選的進(jìn)一步實(shí)施方式中，沖擊元件設(shè)計(jì)為至少近似平坦，其中沖擊元件平面的法向量至少近似垂直于排氣流動(dòng)方向。因此排氣流動(dòng)方向的方向向量大致位于沖擊元件的平面中。由此可實(shí)現(xiàn)小的流動(dòng)阻力。優(yōu)選地，在第二排氣管管段的圓柱周面中的開口的區(qū)域中，法向量的方向至少近似平行于第二排氣管管段的圓柱軸線方向。
[0010]當(dāng)在本發(fā)明的進(jìn)一步的設(shè)計(jì)方案中設(shè)有多個(gè)沖擊元件時(shí)，通過注射單元引入到排氣中的還原劑的蒸發(fā)率可進(jìn)一步提高。優(yōu)選的，沖擊元件互相平行，特別是相繼齊平地并設(shè)置在第二排氣管管段的圓柱周面中的開口上方。根據(jù)第二排氣管管段的圓柱周面中的開口大小可設(shè)置兩個(gè)至八個(gè)沖擊元件。優(yōu)選地，設(shè)置四個(gè)沖擊元件。在由注射單元噴射的還原劑的錐形噴霧方面，如此設(shè)置沖擊元件，即每個(gè)沖擊元件都至少部分處在錐形噴霧的范圍內(nèi)并由此會(huì)有助于還原劑的蒸發(fā)。而為此優(yōu)選的是，沖擊元件的平面延展選擇成不同的。在這種情況下，特別優(yōu)選的是，隨著與注射單元的間距增大，沖擊元件的面積擴(kuò)大。沿面法線的方向觀察，在這個(gè)實(shí)施方式中，沖擊元件僅覆蓋臨近的、緊跟著的沖擊元件的面積范圍的一部分。
[0011]在本發(fā)明的進(jìn)一步的設(shè)計(jì)方案中，第一排氣管管段的圓柱軸線在與第二排氣管管段的連接位置的區(qū)域內(nèi)對(duì)準(zhǔn)第二排氣管管段的橫截面的中間區(qū)域。因此可以這樣說，添加了還原劑的排氣往第二排氣管管段中的輸送是在第二排氣管管段的中間進(jìn)行的。根據(jù)這一實(shí)施方式，在第二排氣管管段內(nèi)形成兩個(gè)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的排氣流動(dòng)旋流。這就使得還原劑在廢氣中的特別充分的混合。此外還相對(duì)于第二排氣管管段的幾何長度增大了實(shí)際的排氣流動(dòng)路徑。由此改善了在排氣中存留的還原劑液滴的蒸發(fā)。如果采用尿素作為還原劑，也改善尿素的水解或熱解。
[0012]在本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)計(jì)方案中，當(dāng)?shù)诙艢夤芄芏卧趫A柱周面中的開口區(qū)域內(nèi)還包含卵形的橫截面形狀時(shí)，還原劑在排氣中的分布還能進(jìn)一步得到改善。在這種情況下形成兩個(gè)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的排氣流動(dòng)旋流，它們?cè)诟┮晥D中分別近似為圓形。因此排氣流動(dòng)旋流特另Ij穩(wěn)定。
[0013]在本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)計(jì)方案中，第一排氣管管段的圓柱軸線在與第二排氣管管段的連接位置的區(qū)域內(nèi)對(duì)準(zhǔn)第二排氣管管段的橫截面的偏心區(qū)域。由此相對(duì)于第二排氣管管段將排氣偏心地，特別是近似正切地引入到第二排氣管管段中。與為此優(yōu)選設(shè)置的位于開口區(qū)域內(nèi)的第二排氣管管段的圓形橫截面形狀相結(jié)合，可形成幾乎覆蓋整個(gè)橫截面的排氣流動(dòng)旋流。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的、用來準(zhǔn)備引入到內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)的第一排氣管管段中的還原劑的方法規(guī)定:在設(shè)置于第一排氣管管段中的蒸發(fā)器裝置上至少部分地蒸發(fā)被引入的還原劑，緊接著還原劑與內(nèi)燃機(jī)的排氣一起在一方向上通過第二排氣管管段的圓柱周面中的開口流入到第二排氣管管段中，該方向至少幾乎垂直于第二排氣管管段的軸向方向，其中在第二排氣管管段內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的排氣流。憑借通過蒸發(fā)器裝置實(shí)現(xiàn)的至少部分的蒸發(fā)并結(jié)合緊接著的旋流在將排氣輸送入第二排氣管管段后可特別好地準(zhǔn)備還原劑。其中可保持短的還原劑準(zhǔn)備段的管道長度，這樣實(shí)現(xiàn)了緊湊的結(jié)構(gòu)。
[0015]在本方法的設(shè)計(jì)方案中，設(shè)計(jì)了多個(gè)蒸發(fā)器板作為蒸發(fā)器裝置，并將還原劑注入到第一排氣管管段中，使還原劑碰撞到所有蒸發(fā)器板上。由此改進(jìn)了還原劑的蒸發(fā)，其中如果以最大的銳角相對(duì)于蒸發(fā)器板的法線方向?qū)⑦€原劑噴入到第一排氣管管段中，可實(shí)現(xiàn)特別高的蒸發(fā)率。由此這樣注入還原劑，使其至少近似垂直地撞擊到蒸發(fā)器板上，由此實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器板表面的充分濕潤。噴入的還原劑在蒸發(fā)器板上的入射角優(yōu)選相對(duì)于蒸發(fā)器板的法線方向小于45度。
[0016]此外優(yōu)選的是，在本方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)方案中，還原劑至少近似垂直地相對(duì)于排氣流動(dòng)方向上噴射到第一排氣管管段中。
[0017]在本方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)方案中，使流入到第二排氣管管段中的排氣形成兩個(gè)相對(duì)于第二排氣管管段的軸向觀察呈反向轉(zhuǎn)動(dòng)的旋流。由此實(shí)現(xiàn)了排氣中的還原劑的特別有效和均勻的混合。爭(zhēng)取穩(wěn)定的旋流形成，優(yōu)選地，至少部分地直至到達(dá)位于旋流混合段下游的排氣凈化部件的入口側(cè)或排氣凈化部件的必要時(shí)設(shè)置的殼體進(jìn)料漏斗的入口側(cè)都存在所述旋流形成。這特別可由此實(shí)現(xiàn)，即通過第二排氣管管段的卵形橫截面形狀來形成兩個(gè)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的、具有至少近似圓形形狀的旋流。
[0018]根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式的后續(xù)說明以及附圖得到本發(fā)明的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，特征和細(xì)節(jié)。上文在本說明書中列出的特征和特征組合以及后續(xù)在【專利附圖】

【附圖說明】中列出的和/或在附圖中單獨(dú)顯示的特征以及特征組合不僅可以相應(yīng)給出的組合應(yīng)用，也可以其他組合或單獨(dú)應(yīng)用，這些都不偏離本發(fā)明的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的、構(gòu)成還原劑準(zhǔn)備段的部分的示意圖；
[0020]圖2根據(jù)圖片I的還原劑準(zhǔn)備段中的排氣流動(dòng)模型的示意圖；
[0021]圖3與圖1類似的根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的、構(gòu)成還原劑準(zhǔn)備段的部分的另一有利的實(shí)施方式的示意圖；
[0022]圖4根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的、構(gòu)成還原劑準(zhǔn)備段的部分的另一有利的實(shí)施方式的不意圖；
[0023]圖5根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的沖擊元件的有利的實(shí)施方式；以及
[0024]圖6包含通過還原劑準(zhǔn)備段連接的排氣后處理組件的、根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的部分區(qū)域的圖示。

【具體實(shí)施方式】
[0025]在圖1中示意性示出的、根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的部分形成用于待引入到排氣系統(tǒng)中的還原劑的還原劑準(zhǔn)備段I。還原劑準(zhǔn)備段I包含第一圓柱形排氣管管段2，它的出口側(cè)的開放端部9通入到第二圓柱形排氣管管段3中。通入口設(shè)置在第二排氣管管段3的圓柱周面中的開口 8處。在通入口上，第一排氣管管段2的開放端部9沿著其邊緣形狀對(duì)接地和形鎖合地以及材料鎖合地與第二排氣管管段3的圓柱周面中的開口 8的邊緣形狀相連接。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的第一排氣管管段2的橫截面以及第二排氣管管段3的橫截面在匯合點(diǎn)處都具有卵形或橢圓形形狀。相應(yīng)地，開口 8也具有卵形或橢圓形形狀，其中橢圓形狀的開口 8的長軸與第二排氣管管段3的圓柱軸線12平行。因此，橢圓形開口 8的在第二排氣管管段3的圓柱軸線12的方向上延伸的較長的延展a以及位于第一排氣管管段2和第二排氣管管段3的連接位置的第一排氣管管段2的較長的延展a都大于在此垂直定向的橫向延展b。其中優(yōu)選地，a/b的比例在1.5和4之間的范圍內(nèi)。
[0027]第一排氣管管段2至少近似垂直地通入到第二排氣管管段3中，與此相符地，橢圓形開口 8或第一排氣管管段2的短軸在匯合點(diǎn)處至少近似平行于第二橢圓形排氣管管段3的較長的橫截面軸d。因此，第二排氣管管段3的橢圓形橫截面的短軸c在匯合點(diǎn)處被定向?yàn)槠叫杏诘谝慌艢夤芄芏?的圓柱軸線11。優(yōu)選地，第二排氣管管段3的長橫截面軸d和短橫截面軸c的比例d/c位于1.5和2之間的范圍內(nèi)。其中優(yōu)選地，開口 8的短橫向尺寸b小于第二排氣管管段3的短橫截面軸C。針對(duì)位于約1.6升至3.5升范圍內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)排量大小，優(yōu)選地，選擇在30mm至IOOmm范圍內(nèi)的短橫截面軸。
[0028]未示出的內(nèi)燃機(jī)的排氣，特別是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣從圖1中同樣未示出的排氣凈化單元(優(yōu)選為氧化催化器)中流出，并流入第一排氣管管段2中，然后流經(jīng)第一排氣管管段2。其中通過虛線箭頭5顯示與第一排氣管管段2的圓柱軸線11至少近似平行的排氣流動(dòng)方向。在第一排氣管管段2的流經(jīng)過程中，向排氣中添加還原劑，優(yōu)選地為一種可分離出氨的物質(zhì)的溶液。下面在不限制普遍適用性的情況下假定，還原劑為含水的尿素溶液，縮寫為HWL。向排氣中添加HWL的方式是通過注射單元4來噴入，所述注射單元設(shè)置在第一排氣管管段2上靠近第一排氣管管段2通入到第二排氣管管段3的通入口處。優(yōu)選地，注射單元4至排氣管管段2、3的連接點(diǎn)的距離明顯小于長橫截面尺寸a，特別優(yōu)選地，上述距離小于第一排氣管管段2的短橫截面尺寸b。
[0029]如虛線箭頭所示，噴射入的還原劑擊中作為蒸發(fā)器板的沖擊元件10，所述沖擊元件設(shè)置在第二排氣管管段3的圓柱周面中的開口 8上方。蒸發(fā)的或從蒸發(fā)器板上彈回的液體還原劑被排氣流吸收并一起流動(dòng)。關(guān)于還原劑噴射和蒸發(fā)的特征以及沖擊元件的設(shè)計(jì)、設(shè)置和功能，下文進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0030]吸收了 HWL后的排氣隨后以相對(duì)于第二排氣管管段3的圓柱軸線12基本上垂直的方向通過開口 8流入所述第二排氣管管段中。流入第二排氣管管段3的排氣被引導(dǎo)通過第二排氣管管段，并從開放端部7中流出。在開放端部上未示出的排氣凈化部件優(yōu)選地通過進(jìn)料漏斗與第二排氣管管段3相連接。優(yōu)選地，排氣凈化部件為催化和/或過濾技術(shù)上起作用的組件。優(yōu)選地，在第二排氣管管段3的開放端部7上連接有殼體，在殼體中安裝有顆粒過濾器。
[0031]與開放端部7相對(duì)地，第二排氣管管段3包含閉合端部6。為此例如可焊接平坦的密封蓋。因此，通過第二排氣管管段3的圓柱周面中的開口 8從第一排氣管管段2流到第二排氣管管段中的排氣在其主流動(dòng)方向上轉(zhuǎn)向約90°。優(yōu)選地進(jìn)行設(shè)計(jì)，開口 8的、相對(duì)于排氣的轉(zhuǎn)向后的主流動(dòng)方向位于上游的端部設(shè)置為直接緊鄰或至少靠近閉合端部6。由此避免在第二排氣管管段3的閉合端部6上形成流動(dòng)死區(qū)。
[0032]流入第二排氣管管段3中的排氣撞擊到第二排氣管管段3的內(nèi)壁的與開口 8對(duì)置的區(qū)域上，并轉(zhuǎn)向。其中，特別由于橢圓形的管橫截面形狀形成兩個(gè)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的旋流，如虛線箭頭5’所示。在還原劑的準(zhǔn)備方面，形成兩個(gè)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的排氣旋流被證明是完全特別有利的。一方面改善了液體(在此可能主要以液滴形式存在的)還原劑，特別是已經(jīng)蒸發(fā)的還原劑的均勻分布。另一方面通過旋流大大增強(qiáng)了 HWL的蒸發(fā)。最終通過水解和/或熱解增強(qiáng)了氨的釋放。進(jìn)一步地，通過排氣撞擊到與開口 8對(duì)置的管內(nèi)壁上使排氣中存在的液滴進(jìn)一步破裂，由此有利于后續(xù)的蒸發(fā)。只要出現(xiàn)管內(nèi)壁的濕潤，那么濕潤的管面還能作為蒸發(fā)器面，由此進(jìn)一步增強(qiáng)HWL的蒸發(fā)。
[0033]為說明雙旋流的形成，在圖2中示出了從計(jì)算流動(dòng)模擬中得出的流動(dòng)圖。流動(dòng)圖以還原劑準(zhǔn)備段I的剖面的俯視圖沿第二排氣管管段3的圓柱軸線12的方向顯示了流絲。如圖顯示，在第二排氣管管段3中形成兩個(gè)近似圍繞著橢圓形橫截面的各中心反向轉(zhuǎn)動(dòng)的旋流，它們隨著直徑的減小越來越近似理想的圓形。如
【發(fā)明者】確定的那樣，如果旋流近似圓形，那么這對(duì)所追求的旋流的穩(wěn)定性是有利的。這特別可由此實(shí)現(xiàn)，即第二排氣管管段3的橢圓形橫截面的長軸d約為短軸c的兩倍。如圖2所示，也可如此設(shè)計(jì):第一排氣管管段2的短橫截面尺寸b隨著到兩個(gè)排氣管管段2、3的連接位置的距離的增加而增大。通過此方式可持續(xù)過渡至用于連接的排氣凈化元件的、一種可能設(shè)置的進(jìn)料漏斗的更大尺寸。這當(dāng)然同樣適用于其它橫截面尺寸a、c和d。
[0034]為形成盡可能近似圓形的排氣旋流，也可選擇第二排氣管管段3的一種橫截面形狀，它與兩個(gè)互相連接的弓形相符合，如在圖3中大致示意性所示。通常對(duì)排氣管管段2、3的橫截面尺寸如此進(jìn)行選擇，使得與第二排氣管管段3中的占優(yōu)勢(shì)的排氣質(zhì)量流相結(jié)合形成雙旋流，所述雙旋流至少近似在沿著超過200mm，優(yōu)選地超過300mm的管道長度上存在。優(yōu)選地，設(shè)計(jì)為任何情況下都保持雙旋流，直到到達(dá)下游的排氣凈化元件或?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)的排氣進(jìn)料漏斗。為使產(chǎn)生的旋流結(jié)構(gòu)盡可能晚得被打破，如此選擇橫截面尺寸，使得至少在第二排氣管管段3中的排氣入口區(qū)域內(nèi)對(duì)每個(gè)單個(gè)旋流來說排氣的旋流數(shù)達(dá)到至少0.3。特別地可根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的排量設(shè)計(jì)排氣管管段2、3的橫截面尺寸a、b、c、d，使得入口旋流數(shù)達(dá)到至少0.3。
[0035]上文說明的還原劑準(zhǔn)備段I的實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)必要時(shí)可通過排氣管管段2、3的修改后的橫截面形狀和更改后的橫截面幾何形狀以及更改后的流動(dòng)情況來實(shí)現(xiàn)。但是其中必須基本上保持那些形成旋流的特性。圖4顯示了在這個(gè)意義上同樣優(yōu)選的實(shí)施方式，其中下文僅說明與上文說明的實(shí)施方式之間的根本區(qū)別。
[0036]圖4中顯示的根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的還原劑準(zhǔn)備段I的有利的另一個(gè)實(shí)施方式與圖1所示的實(shí)施方式的區(qū)別基本上在于，從第一排氣管管段2到第二排氣管管段3中的切向的排氣輸送。為此第一排氣管管段2相對(duì)于第二排氣管管段3偏心地設(shè)置。因此流入第二排氣管管段3中的排氣不對(duì)準(zhǔn)第二排氣管管段3的橫截面的中心區(qū)域，而是對(duì)準(zhǔn)非中心區(qū)域。因此添加有HWL的排氣與第二排氣管管段3近似相切地流入到其中。
[0037]在本實(shí)施方式中，第二排氣管管段3具有圓形橫截面，因此代替雙旋流而形成了單旋流，如圖示。第二排氣管管段3的直徑D優(yōu)選地位于圖1所示的橢圓形實(shí)施方式的橫截面直徑c和d之間的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，針對(duì)典型的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸，上述直徑D位于30mm至150mm的范圍內(nèi)。
[0038]進(jìn)一步地，第一排氣管管段的橫截面在此選擇為矩形。其中適用的是針對(duì)圖1的實(shí)施方式做出的尺寸說明以及關(guān)于在第二排氣管管段3中形成的排氣旋流的旋流強(qiáng)度的說明。優(yōu)選的，在排氣管管段2、3的連接位置處第一排氣管管段2的橫截面的長邊a選擇為至少與第二排氣管管段的直徑D—樣大。特別優(yōu)選的是，a/D比例在1.5至3的范圍內(nèi)選擇。當(dāng)然，在圖1的實(shí)施方式中也可設(shè)計(jì)第一排氣管管段的矩形橫截面。
[0039]下文說明了根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器裝置，它設(shè)置在第一排氣管管段2和第二排氣管管段3的連接位置的上游。為此參考圖1，其中上述說明同樣適用于在圖4中顯示的還原劑準(zhǔn)備段I的實(shí)施方式。
[0040]蒸發(fā)器裝置包含至少一個(gè)、但是優(yōu)選地直至8個(gè)沖擊元件10。圖1中僅示例性顯示了三個(gè)沖擊元件10。也作為蒸發(fā)器板起作用的沖擊元件10被設(shè)計(jì)為平坦的金屬板，其法線方向被定向?yàn)橹辽俳拼怪庇诘谝慌艢夤芄芏?的圓柱軸線11以及進(jìn)而近似垂直于排氣流動(dòng)方向。優(yōu)選地，沖擊元件10相對(duì)彼此等距離設(shè)置。因?yàn)檫@種定向有利于流動(dòng)，所以沖擊元件10不造成流動(dòng)阻力，或者最多導(dǎo)致可忽略的流動(dòng)阻力。優(yōu)選地，沖擊元件10的下游端部位于第二排氣管管段3的圓柱周面中的開口 8的平面中，或與排氣流動(dòng)方向形成幾毫米的錯(cuò)位。沖擊元件10的上游端部基本位于設(shè)置在第一排氣管管段2上的注射單元4的高度上。注射單元4如此設(shè)置，使其可以大致垂直于圓柱軸線11的方式噴射HWL。但是也可設(shè)計(jì)噴射方向在排氣流動(dòng)方向上的輕微傾斜。由此，從注射單元4噴出的HWL以近似垂直的，最多相對(duì)于沖擊元件平面的法線方向形成銳角的方式撞擊到?jīng)_擊元件10上。
[0041]撞擊到?jīng)_擊元件10上的HWL液滴根據(jù)沖擊元件10的溫度重新從沖擊元件上彈回或通過后續(xù)的蒸發(fā)潤濕沖擊元件的表面。兩種過程都有助于HWL在排氣中的分布。當(dāng)沖擊元件10的溫度高于萊頓弗羅斯特溫度時(shí)，主要發(fā)生的是撞擊到?jīng)_擊元件10上的液滴的彈回。在此表明，與碰撞液滴相比，彈回液滴的大小縮小，并由此改進(jìn)其分布。此外在添加有HWL的排氣的進(jìn)一步運(yùn)輸中液滴還會(huì)進(jìn)一步碰撞到與第二排氣管管段3中的開口 8相對(duì)置的管內(nèi)壁。其中出現(xiàn)反復(fù)的彈回，伴隨著液滴的進(jìn)一步縮小，或者輸送入排氣中的HWL的其他部分的蒸發(fā)。
[0042]為了能夠盡可能優(yōu)化地在沖擊元件10上進(jìn)行HWL的準(zhǔn)備，如此設(shè)計(jì)或相對(duì)于注射單元4的噴射方向設(shè)置沖擊元件，使得所有沖擊元件10以及優(yōu)選還有第一排氣管管段2的與注射單元4相對(duì)置的內(nèi)壁至少部分地被噴霧射束或錐形噴霧覆蓋并被潤濕。為此有利的是，在排氣流動(dòng)方向上相對(duì)彼此錯(cuò)開地布置沖擊元件10，使得它們的上游和/或下游端部相對(duì)于排氣流動(dòng)方向以沖擊元件10距注射單元4的距離不斷增大的方式越來越多地移動(dòng)?？砂殡S著與注射單元4之間的距離的增大設(shè)計(jì)沖擊元件的不斷增大的長度，也就是說，沖擊元件10沿著和/或逆著排氣流動(dòng)方向的增大的延展。在圖5a中顯示了上述有利階梯形布置的一個(gè)示例。其中如圖5a所示，可設(shè)計(jì)為，沖擊元件10的面積大小同樣隨著沖擊元件10與注射單元4之間距離的增加而增大。通過這一方式增加了噴射的HWL中、碰撞到距離注射單元4更遠(yuǎn)的沖擊元件10上的HWL的份額，并由此特別改善了這些“后面的”沖擊元件10的準(zhǔn)備效果。如圖5a所示，也可至少局部地設(shè)計(jì)沖擊元件10在沿著或逆著排氣流動(dòng)方向上的增大的寬度。關(guān)于噴射的HWL的、根據(jù)本發(fā)明設(shè)置在排氣旋流前、主要由沖擊元件10支持的蒸發(fā)還需指出，優(yōu)選設(shè)計(jì)是，第一排氣管管段2的與注射單元4相對(duì)置的內(nèi)壁也被噴霧射束或錐形噴霧覆蓋并被潤濕。管內(nèi)壁的潤濕后的平面作為額外的蒸發(fā)器面起作用，其中在此也可出現(xiàn)擊中的液體液滴的彈回。
[0043]如果沖擊元件10的表面包含穿孔，那么可實(shí)現(xiàn)沖擊元件的蒸發(fā)器作用的進(jìn)一步改進(jìn)。圖5b中示例性顯示了打孔的實(shí)施方式。圖5c中示意性示出開槽形式。其中有利的是，沖擊元件面積的穿孔占到總面積的約5%至約50%。此外可例如以拉毛(Noppen)形式設(shè)計(jì)沖擊元件的表面成型。額外地或替代地，可設(shè)計(jì)噴砂和/或涂層。表面粗糙度的優(yōu)選值位于5 μ m至50 μ m的范圍內(nèi)。作為涂層，可設(shè)計(jì)催化涂層用于促進(jìn)尿素的水解和/或熱解。也可設(shè)計(jì)涂層，它額外地或替代地防止由于尿素分解產(chǎn)物的沉積而形成薄膜。
[0044]特別是通過帶有后續(xù)的流動(dòng)方向轉(zhuǎn)變的噴射和蒸發(fā)與旋流形成相結(jié)合，還原劑準(zhǔn)備段I實(shí)現(xiàn)了極其高效的還原劑準(zhǔn)備。在使用HWL作為還原劑時(shí)，憑借短的管道長度實(shí)現(xiàn)氨的有效釋放，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)特別好的均勻分布。此外還原劑準(zhǔn)備段I還具有流動(dòng)阻力特別低的優(yōu)勢(shì)?？煞艞売糜诨旌匣蛐纬尚鞯妮o助安裝元件，例如在將HWL輸送入排氣中之前的(特別是之后的)靜態(tài)混合器。因此，如圖所示和說明的形成的還原劑準(zhǔn)備段I使得根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)即使在復(fù)雜構(gòu)造中也能夠具有特別緊湊的結(jié)構(gòu)。因此在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙中可在起到排氣凈化作用的組件方面完全或至少大部分地安裝復(fù)雜構(gòu)造的排氣系統(tǒng)。特別地，可設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的發(fā)動(dòng)機(jī)組的側(cè)面，這反過來又能夠形成排氣凈化系統(tǒng)的熱性能方面的優(yōu)勢(shì)。下文根據(jù)圖6對(duì)此進(jìn)行說明。
[0045]圖6中顯示了一緊湊的排氣后處理系統(tǒng)，其中用于排氣后處理組件的兩個(gè)殼體
13、18通過還原劑準(zhǔn)備段I互相連接。在此在位于上游的殼體13中設(shè)置有氧化催化器。在此在位于下游的殼體18中相繼設(shè)置有顆粒過濾器和與顆粒過濾器之間存在小的距離的SCR催化器，其中顆粒過濾器優(yōu)選地具有SCR催化器涂層。位于上游的殼體13的排氣進(jìn)料漏斗15接收未示出的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣并為此優(yōu)選地與同樣未示出的排氣渦輪增壓器出口相連接。將經(jīng)過氧化催化器處理后的排氣從殼體13通過殼體出料漏斗14輸送到還原劑準(zhǔn)備段I的第一排氣管管段2中。在第一排氣管管段2中，通過在圖6中未顯示的、設(shè)置在接口 16上的注射單元將HWL注入排氣中。憑借上述的特別有效的處理，可將含尿素或含氨的排氣至殼體18的輸入管道設(shè)計(jì)成特別短。明顯地，上述說明的在第一排氣管管段2到第二排氣管管段3的過渡時(shí)約90°的排氣轉(zhuǎn)向使得排氣后處理系統(tǒng)可具有特別緊湊的結(jié)構(gòu)。熱和壓力損失都最小化，這實(shí)現(xiàn)了特別高效的排氣凈化。根據(jù)本發(fā)明的排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被證明是特別有利和緊湊的，其中如圖6所示，位于上游的殼體13至少近似垂直地取向，直接位于下游并通過還原劑準(zhǔn)備段I與殼體13相連接的下游殼體18至少近似水平地設(shè)置。尤其有一種設(shè)置特別緊湊并節(jié)省空間，其中位于下游的殼體18至少部分地設(shè)置在與位于上游的殼體相同的測(cè)量高度上。特別優(yōu)選的是，殼體18的中軸設(shè)置在等同或高于殼體13的下游端部的測(cè)量高度的位置上。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)，所述排氣系統(tǒng)為引導(dǎo)排氣而包含圓柱形的第一排氣管管段(2)和圓柱形的第二排氣管管段(3)，其中 -在第一排氣管管段(2)上設(shè)有注射單元(4)，該注射單元用于將還原劑添加到流經(jīng)第一排氣管管段(2)的排氣中， -第二排氣管管段(3)包含圓柱周面、封閉的第一端部(6)、開放的第二端部(7)以及在圓柱周面中與封閉的端部(6)相鄰的開口(8), -第一排氣管管段(2)的開放的端部(9)與第二排氣管管段(3)形鎖合地相連接以使得從第一排氣管管段(2)的開放的端部(9)中流出的排氣能在相對(duì)于第二排氣管管段(3)的縱向延展至少近似垂直的方向上通過第二排氣管管段(3)的圓柱周面中的開口(8)流入第二排氣管管段(3)中， -第二排氣管管段(3)的圓柱周面中的開口(8)在第二排氣管管段(3)的縱向延展方向上的延展大于其在橫向于該縱向延展的方向上的延展。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，注射單元(4)設(shè)置在與第一排氣管管段(2)和第二排氣管管段(3)的連接位置相距較小距離的上游處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，在與第一排氣管管段(2)和第二排氣管管段(3)的連接位置相距較小距離的上游處在第一排氣管管段(2)內(nèi)設(shè)有板狀的至少一個(gè)沖擊元件(10 )，通過注射單元(4)引入第一排氣管管段(2)中的還原劑撞擊到所述沖擊元件上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)沖擊元件(10)設(shè)計(jì)為至少近似平坦，其中沖擊元件平面的法向向量定向?yàn)橹辽俳拼怪庇谂艢饬鲃?dòng)方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)有多個(gè)沖擊元件(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，第一排氣管管段(2)的圓柱軸線(11)在與第二排氣管管段(3)的連接位置的區(qū)域中指向第二排氣管管段(3)的橫截面的中央?yún)^(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，第二排氣管管段(3)在圓柱周面中的開口(8)的區(qū)域中具有卵形的橫截面形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，第一排氣管管段(2)的圓柱軸線(11)在與第二排氣管管段(3)的連接位置的區(qū)域中指向第二排氣管管段(3)的橫截面的偏心區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，第二排氣管管段(2)在圓柱周面中的開口(8)的區(qū)域中具有至少近似圓形的橫截面形狀。
10.一種用于對(duì)引入到內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)的第一排氣管管段(2)中的還原劑進(jìn)行準(zhǔn)備的方法，其中使所引入的還原劑在設(shè)置于第一排氣管管段(2)中的蒸發(fā)器裝置處至少部分地蒸發(fā)，接著使還原劑與內(nèi)燃機(jī)的排氣一起在一方向上通過第二排氣管管段(3)的圓柱周面中的開口(8)流入到第二排氣管管段(3)中，所述方向至少近似垂直于第二排氣管管段(3)的軸向方向，其中在第二排氣管管段(3)內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的排氣流。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，設(shè)有多個(gè)蒸發(fā)器板(10)作為蒸發(fā)器裝置，將還原劑以如下方式噴射到第一排氣管管段(2)中:使還原劑撞擊到所有的蒸發(fā)器板(10)上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，相對(duì)于蒸發(fā)器板(10)的法線方向以最大的銳角將還原劑噴入到第一排氣管管段(2)中。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將還原劑以相對(duì)于排氣流至少近似垂直的方式噴射到第一排氣管管段(2)中。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使流入到第二排氣管管段(3)中的排氣形成兩 個(gè)相對(duì)于第二排氣管管段(3)的軸向觀察反向轉(zhuǎn)動(dòng)的旋流。
【文檔編號(hào)】F01N3/20GK104053878SQ201380005429
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月14日
【發(fā)明者】T·貝克曼, T·布羅恩, F·迪維納熱, H·赫維希, B·科比拉, P·呂克爾特, A·佩佩, P·賴契夫, J·朔默斯 申請(qǐng)人:戴姆勒股份公司