具有混合區的緊湊式廢氣處理單元和用於混合廢氣的方法

2023-09-22 19:14:40

具有混合區的緊湊式廢氣處理單元和用於混合廢氣的方法
【專利摘要】一種廢氣處理單元(1)，至少具有帶第一端面(3)和相反地設置的第二端面(4)的殼體(2)，具有從第一端面(3)延伸至第二端面(4)的用於廢氣(7)的流入區(6)的管(5)，具有在第二端面區域中的用於廢氣(7)的偏轉區(8)，且具有在管(5)和殼體(2)之間延伸的回流區(9)。在偏轉區(8)中，廢氣(7)被混合且傳送到回流區(9)內。還提供了一種用於在廢氣處理單元(1)中混合廢氣(7)的方法。
【專利說明】具有混合區的緊湊式廢氣處理單元和用於混合廢氣的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在其中發生廢氣的混合的緊湊式廢氣處理單元以及一種用於混合廢氣的方法。特別是，廢氣的混合與用添加劑或試劑處理廢氣同時發生。
【背景技術】
[0002]由於交通的持續增長和/或用於廢氣的標準越來越嚴格，對於具有內燃機的交通工具的情況來說，應該有效地淨化來自內燃機的廢氣是重要的。為此目的，現有技術提供了廢氣淨化系統，其中來自內燃機的廢氣經過催化活性的表面，並且在沉積於所述表面上的催化劑材料的幫助下，廢氣中的汙染物如氮氧化物、煙塵顆粒、一氧化碳、碳氫化合物等被轉化成例如氫、水和二氧化碳的物質。通常，為了廢氣的有效轉化，需要相對高的廢氣溫度。通常，在廢氣已經離開內燃機之後，來自內燃機的廢氣的溫度正好是最高的，因此接近內燃機的位置(例如，交通工具的發動機艙內)對於廢氣淨化系統的布置是有利的位置。然而在各種交通工具中，在發動機的附近的安裝空間通常是有限的。
[0003]雖然如此，為了能用發動機艙中的有限安裝空間以用於廢氣淨化系統，已經研發出特別緊湊的帶有同心通流的廢氣處理單元，這例如可從DE10301138A1中了解到。在這種類型的廢氣淨化系統中，起初所有的廢氣流過同心地設置的流入區，然後偏轉且流過外部的回流區。這裡，回流區在其外部包圍了流入區，確保在流入區和回流區之間有效的熱交換。同時，在流入區和回流區中又額外地設置了催化活性的表面，因此通常又可通過相應的催化反應來加熱廢氣。用這種方法，通過在流入區和回流區之間有效的熱交換，可以增大排氣系統中的廢氣溫度或將其保持為較高的，確保特別地有效的汙染物的轉化。同時，通過將排氣系統分為流入區、偏轉區和回流區，可以得到特別緊湊的廢氣淨化系統的設置，且因此系統能設置在發動機艙中或在內燃機的附近。
[0004]在這種廢氣淨化系統中，也可設置成在廢氣中添加試劑。試劑包括至少以下中的一種，例如碳氫化合物、還原劑或還原劑前體(特別是液態的尿素水溶液)。該試劑有助於廢氣中的汙染物轉換為無害的成分，特別是與為此目的而專門提供的塗層相互作用。在這裡，用於這些試劑的附加單元設置成使得實現了在廢氣中的儘可能優化的分布或所提供試劑的高度蒸發。在這種情況下，例如沿著廢氣的流動方向或與廢氣的流動相反的方向直接地向蜂窩體提供試劑，其結果是，通過試劑在(熱)蜂窩體上的衝擊和試劑滴的優良分布而促進了蒸發，且如果需要的話還可實現試劑在結構中或蜂窩體的塗層中的存儲。然而，對蜂窩體施加試劑也會導致損壞蜂窩體的塗層，例如，通過水衝擊或通過蜂窩體和試劑之間的溫度差異。
[0005]希望得到試劑在廢氣中的最佳分布，這是因為由此能取得在整個流動橫截面之上的特別有效的汙染物轉化。特別是，這種混合由此推薦在流過廢氣處理裝置(例如催化轉化器或相似裝置)之前進行，以允許廢氣處理裝置的所有區域被均勻地提供試劑。一旦廢氣已經進入通常具有導管的廢氣處理裝置中，則在廢氣處理裝置的整個通流橫截面之上僅有廢氣的不充分的分布。為此，試劑和廢氣的混合程度應該是十分充足的，以便確保即使在進入廢氣處理裝置之前也可以對廢氣處理裝置的催化活性表面提供均勻的試劑。
[0006]特別是，如果不添加試劑，廢氣的混合也是有利的。廢氣中的汙染物同樣地在排放管的橫截面上不均勻地分布。這裡同樣的是，(僅)廢氣的額外混合具有如下效果，即，汙染物和其他廢氣的成分(例如二氧化氮或未燃烴)均勻地分布。這樣，即使設置在下遊的廢氣處理裝置也能被提供廢氣，使得廢氣在廢氣處理裝置的整個橫截面上具有儘可能一致的成分。

【發明內容】

[0007]以此為出發點，這裡呈現的發明的目的是至少部分地解決在現有技術中解釋的技術問題。特別地，本發明詳細說明了一種廢氣處理單元，其一方面能確保緊湊的結構，另一方面允許廢氣的(尤其是與試劑)的特別高的混合度。同時，本發明詳細說明了相應的用於混合廢氣的方法。
[0008]通過依照權利要求1的特徵的廢氣處理裝置和通過依照權利要求8的特徵的用於混合廢氣的方法實現該目的。在從屬權利要求中詳細說明了根據本發明的廢氣處理單元和根據本發明的方法和/或在交通工具中的布置和使用的優選實施方案。應該注意的是，在權利要求中提及的單獨特徵能以任何技術上有意義的方法合併，且預示了本發明的進一步的實施方案。說明書特別是結合附圖而進一步地解釋了本發明，且給出了本發明的補充說明實施方案。
[0009]根據本發明的廢氣處理單元具有至少一個帶有第一端和設置於對面的第二端的殼體，以及作為用於廢氣的流入區的從第一端向第二端延伸的管。此外，廢氣處理單元在用於廢氣的第二端的區域內具有偏轉區，並且具有在管和殼體之間延伸的返回區。管在第二端的附近具有出口區，第一部分廢氣流從出口區流入到偏轉區，其中管在偏轉區內和出口區的上遊具有至少一個側向的開口，其結果是，偏轉區中的第一部分廢氣流與流出至少一個出口的至少一個第二部分廢氣流碰撞。
[0010]從內燃機開始，廢氣通過排放管向廢氣處理單元流動，且通過第一端進入其流入區。在流入區或管的後面的、下遊的區域中，廢氣被分成至少一個第一部分廢氣流和一個第二部分廢氣流。第二部分廢氣流經過管中的至少一個側向開口進入偏轉區。第一部分廢氣流流過該至少一個側向開口，且在設置為與第二端臨近的出口區中離開管。第一部分的廢氣流從出口區進入偏轉區且在那裡偏轉，使得其基本上沿回流區的方向流動，也就是說，尤其是在與流入區中的廢氣的流動方向相反的方向上流動。在去回流區的途中，在偏轉區內，來自出口區的第一部分廢氣流然後碰撞來自所述管中的至少一個側向出口的至少一個第二部分廢氣流。部分廢氣流的這種碰撞不是單向的，能以特別有利的方式促進廢氣的混合。這尤其是由於如下事實，即來自至少一個側向開口的第二部分廢氣流具有這樣的流動方向，該流動方向定向成大體地在殼體方向上、尤其是至少部分地在第二端的方向上徑向地朝外。已經從出口區進入偏轉區的第二部分廢氣流尤其是具有定向為大體地朝向回流區的方向的流動方向。結果，在此產生的第一和第二部分廢氣流在偏轉區中具有至少部分地彼此相反的流動方向，且因此實現了廢氣的改善的混合。在偏轉區的附近，相對於同心設置的管的外部徑向地設有回流區，其設置在管和殼體之間且包圍了流入區。來自第一部分廢氣流和第二部分廢氣流的重新組合的廢氣流流過這個回流區，尤其是沿著與流入區中的廢氣相反的方向。在流過回流區之後，廢氣離開廢氣處理單元，並且尤其是在這裡設有另一個廢氣的偏轉結構以進入到廢氣歧管。
[0011]根據廢氣處理單元的一個特別有利的實施方案，試劑供給單元尤其是設置於廢氣處理單元的外部，更特別地在設置在排放管的處於流入區上遊的區域中。因此，試劑隨著廢氣經過流入區，其中通過至少一個第一部分廢氣流和至少一個第二部分廢氣流的碰撞而在偏轉區中發生了試劑和廢氣的有效的混合。
[0012]特別地，第一廢氣處理裝置如水解式催化轉化器自身設置在回流區內，以引起所添加試劑如還原劑前體的轉化。在廢氣已經流過這個廢氣處理裝置之後，尤其是可存在有還原劑(例如氨)，此後還原劑才在偏轉區內在廢氣中均勻地分布。通過這種還原劑在偏轉區內的均勻分布的方式，廢氣處理裝置(例如SCR催化轉化器)、尤其是設置在回流區內的廢氣處理裝置能被均勻地供給試劑，因此確保了在廢氣處理裝置的所有區域中汙染物的轉化。
[0013]然而，根據另一個優選實施方案，試劑也可以在廢氣處理單元自身的流入區和/或在偏轉區和/或在廢氣處理單元的出口區內供給。為此目的，尤其可以在第二端的區域中設置用於試劑的供給單元。特別地，通過這種類型的廢氣處理單元，可發生特別有效的廢氣混合，同時確保廢氣處理單元具有較小的整體體積。在流入區和回流區中用於通流的橫截面優選地大體上彼此相符。設置在流入區和回流區之間的分隔面特別是由具有0.2?3_壁厚的管形成。特別地，在廢氣處理單元的偏轉區中發生廢氣的混合，這樣確保了在進入回流區之前已經有效地混合了廢氣。因此，混合的廢氣(尤其和試劑混合的)可然後進入回流區，其中尤其是設置有其它的廢氣處理裝置。由於管的壁厚或包圍回流區的壁的壁厚和殼體的厚度是可以忽略的，因此廢氣處理單元的整體尺寸尤其是僅通過流入區和回流區的通流橫截面來限定。這裡不需要且未提供其中至少部分徑向流可從中通過的廢氣處理裝置的布置，這將大大地增加廢氣處理單元的整體尺寸。流入區的內徑或管的內徑尤其為75mm?200mm,其中回流區、即殼體的內徑尤其為300mm?600mm。因而,尤其是能夠處理或轉化質量流量為1500?6000kg/h的廢氣流。偏轉區的深度，即從第二端到回流區的開端的距離尤其是回流區的內徑或殼體的內徑的0.5倍到I倍。
[0014]根據廢氣處理單元的另一個優選實施方案，至少一個開口具有至少一個擋板件，其偏轉至少一個第二部分廢氣流流出流入區或管且進入偏轉區。
[0015]特別地，至少一個擋板件延伸到回流區或管內。
[0016]也優選地是，通過流入區或管的壁形成至少一個擋板件。
[0017]根據一個優選的實施方案，擋板件自身是流入區或管的一部分，例如通過從管壁自身中衝壓出且折彎形成。特別是，擋板件僅與開口的下遊邊緣連接。特別地，這意味著通過從流入區的壁中進行局部分離且隨後折彎而形成擋板件，因此在擋板件的上遊提供了開口。因此，廢氣會撞擊在擋板件上，且通過擋板件被偏轉到偏轉區內。
[0018]特別地，多個開口設置在如從殼體的第二端看去的同一深度處。如果需要，多個開口可以設置在如從殼體的第二端看去的多個不同的深度處，其結果是第二部分廢氣流彼此間在下遊地流進偏轉區內。開口優選地以繞管軸的旋轉對稱的方式設置。特別地，開口具有第二部分廢氣流可從中流過的開口橫截面。
[0019]特別地,至少一個開口具有管(流入區)橫截面積的至少150%的開口橫截面積。所有開口的總開口橫截面積尤其是管橫截面積的至少200%，優選地少於管橫截面積的220%。
[0020]根據另一個優選實施方案，管與第二端相接觸，其中至少一個側向的出口形成了出口區。第一部分廢氣流流過側向出口，且因此從流入區流到偏轉區內。特別地，至少一個側向出口同樣地由管內的衝孔形成。在廢氣處理單元的該實施方案中，管可連接到第二端，因此可以確保廢氣處理單元的特別牢固的設置。特別是，至少一個出口直接鄰接於第二端。至少一個出口優選地沒有擋板件。第一部分廢氣流的廢氣偏轉成使得尤其是通過第二端的特殊配置，廢氣之後大體上沿回流區的方向流動。
[0021]根據廢氣處理單元的一個優選的實施方案，第二端為閉合式設計，因此，尤其是沒有其它的部分廢氣流經第二端流入到廢氣處理單元中。
[0022]根據廢氣處理單元的一個優選的實施方案，在第二端內或在第二端處可提供用於試劑的計量單元，所述計量單元直接地供給試劑到偏轉區內或流入區內。
[0023]因此，廢氣的混合尤其是僅通過在偏轉區內(至少一個)第一部分廢氣流和(至少一個)第二部分廢氣流的碰撞而發生。
[0024]此外，本發明還涉及用於在廢氣處理單元中混合廢氣的方法，所述方法至少具有以下步驟:
[0025]a)通過流入區從中央提供廢氣，
[0026]b)將廢氣分為至少一個第一部分廢氣流和至少一個第二部分廢氣流，
[0027]c)使部分廢氣流偏轉，其中，至少一個第一部分廢氣流流出流入區的出口區，進入偏轉區中並再次在那裡偏轉，而至少一個第二部分廢氣流從至少一個設置在出口區上遊的開口流進偏轉區內，
[0028]d)在偏轉區內使第一部分廢氣流與第二部分廢氣流碰撞和混合，和
[0029]e)使第一部分廢氣流和第二部分廢氣流共同地向前輸送而流過回流區。
[0030]特別地，可以參考針對根據本發明的廢氣處理單元的解釋，其也可同樣適用於該方法。
[0031]根據該方法的一項特別有利的改進，廢氣的至少30%且至多60%形成了第二部分
廢氣流。
[0032]此外還提供了一種交通工具，其具有至少一個內燃機、一個排放管和一個根據本發明的廢氣處理單元，或具有能夠通過根據本發明的方法來操作的廢氣處理單元。
[0033]特別地，由於對於緊湊的結構和汙染物的轉化也有迫切的需求，因此該廢氣處理單元可應用於汽車、鐵道車輛、船隻或飛機。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]下面參照附圖對本發明和其【技術領域】做更詳盡的解釋。附圖顯示了優選實施方案，但本發明並不限於此。在示意性的圖中:
[0035]圖1顯示了第一個實施方案中的廢氣處理單元；
[0036]圖2顯示了根據圖1的廢氣處理單元的橫截面；
[0037]圖3顯示了第二個實施方案中的廢氣處理單元；
[0038]圖4顯示了交通工具。【具體實施方式】
[0039]圖1顯示了根據第一個實施方案的廢氣處理單元I。廢氣處理單元I由殼體2和管5構成，其中管5同心地設置在殼體2中，且形成了用於廢氣7的流入區6。廢氣7通過第一端3進入殼體2。管5相應地朝殼體2的第一端3開放，結果是，已經進入這裡的廢氣7以向著第二端4的方向流經管5。管5或流入區6具有管內部直徑25。第二端4是封閉式設計，結果是廢氣7在這裡偏轉。在管5的下遊部分中，廢氣7分為第一部分廢氣流11和多個第二部分廢氣流13。第一部分廢氣流11經出口區10而離開管5，該出口區10設置為臨近殼體2的第二端4。這樣，第一部分廢氣流11經出口區10而流入偏轉區8，由此，廢氣7偏轉為實質上與流入區6中的流動方向相反的流動方向。流入區6內的廢氣流並不是然後直接地進入回流區9，而是根據本發明在廢氣處理單元I中進行分離。第二部分廢氣流13通過出口區10上遊的開口 12 (在流入區6中)進入偏轉區8。在偏轉區8中，第一部分廢氣流11與基本上反向地流動到那的第二部分廢氣流13碰撞。由於在這些部分廢氣流11、13之間的碰撞，廢氣7能夠廣泛地混合。這裡，開口 12設置於距第二端4為一定的深度26處。僅在部分廢氣流11、13的碰撞發生之後，此時合成的(且混合的)廢氣7進入回流區9。在回流區9內設置了廢氣處理裝置21，其例如具有串聯的水解式催化轉化器和SCR催化劑轉化器。作為附加方案或作為替代方案，在已知的布置中可使用存儲元件、加熱式催化轉化器、微粒過濾器和顆粒聚集器。廢氣7流出回流區9，並離開廢氣處理單元I的殼體2。
[0040]圖2示意性地顯示了在圖1中顯示的廢氣處理單元I的橫截面。廢氣處理單元I包括具有殼體內直徑28的殼體2和同心地布置的具有管內直徑25的管5。管5具有廢氣能經其流動的管橫截面18。回流區9具有廢氣能經其流動的回流區橫截面27。
[0041]圖3示意性地顯示了廢氣處理單元I的第二個實施方案。這裡，流入區6的管5延伸穿過殼體2的第一端面3。在管5上提供了用於向廢氣流7中加入試劑22的計量裝置24。廢氣7作為第一部分廢氣流11經由出口區10中的多個出口 16而離開流入區6，或者作為第二部分的廢氣流13經過開口 12離開流入區6。這裡，開口 12具有擋板件14，其延伸到管5內且引起第二部分廢氣流13偏轉。這裡，通過管5的壁15形成了擋板件14。開口 12具有開口橫截面17，其通過在管5的後壁中的開口 12中的剖線顯示。包括第一部分廢氣流11和第二部分廢氣流13的廢氣7經過開口 12和經過出口 16進入偏轉區8，所述的偏轉區從第二端4開始向回流區9延伸到深度26為止。深度26延伸到開口 12的離第二端4最遠的邊緣29，所述開口設置為在流入區6中的上遊的最遠點。回流區9臨近偏轉區8，且包圍了流入區6。
[0042]圖4示意性地顯示了具有內燃機20的交通工具19。排放管23攜帶來自內燃機20的廢氣7經廢氣處理單元I到外界。
[0043]附圖標記列表
[0044]I廢氣處理單元
[0045]2 殼體
[0046]3第一端面
[0047]4第二端面
[0048]5 管
[0049]6流入區[0050]7廢氣
[0051]8偏轉區
[0052]9回流區
[0053]10出口區
[0054]11第一部分廢氣流
[0055]12開口
[0056]13第二部分廢氣流
[0057]14擋板件
[0058]15壁
[0059]16出口
[0060]17開口橫截面
[0061]18管橫截面
[0062]19交通工具
[0063]20內燃機
[0064]21廢氣處理裝置
[0065]22試劑
[0066]23排放管
[0067]24計量裝置
[0068]25管內部直徑
[0069]26深度
[0070]27回流區橫截面
[0071]28殼體內直徑
[0072]29邊緣
【權利要求】
1.一種廢氣處理單元(I)，至少具有包括第一端(3)和設置在對面的第二端(4)的殼體(2)，具有從所述第一端(3)延伸至所述第二端(4)的作為用於廢氣(7)的流入區(6)的管(5)，具有在所述第二端的區域中的用於所述廢氣(7)的偏轉區(8)，以及具有在所述管(5)和所述殼體(2)之間延伸的回流區(9)，其中，所述管(5)在所述第二端(4)的附近具有出口區(10)，第一部分廢氣流(11)從所述出口區(10)流到所述偏轉區⑶內，其中，所述管(5)在所述偏轉區(8)中在所述出口區(10)的上遊具有至少一個側向的開口(12)，使得所述第一部分廢氣流(11)與至少一個從至少一個所述開口(12)中流出的第二部分廢氣流(13)在所述偏轉區(8)中碰撞。
2.根據權利要求1所述的廢氣處理單元(I)，其特徵在於，至少一個所述開口(12)具有至少一個擋板件(14)，所述擋板件使至少一個第二部分廢氣流(13)偏轉出所述管(5)且進入所述偏轉區(8)。
3.根據權利要求2所述的廢氣處理單元(I)，其特徵在於，所述至少一個擋板件(14)延伸至所述管(5)內。
4.根據權利要求2或3所述的廢氣處理單元(I)，其特徵在於，由所述管(5)的壁(15)形成所述至少一個擋板件(14)。
5.根據上述權利要求中任一項所述的廢氣處理單元(I)，其特徵在於，所述管(5)與所述第二端⑷接觸，且至少一個側向的出口(16)形成所述出口區(10)。
6.根據權利要求5所述的廢氣處理單元(I)，其特徵在於，所述至少一個出口(16)直接地鄰接於所述第二端(4)。
7.根據上述權利要求中任一項所述的廢氣處理單元(I)，其特徵在於，所述至少一個開口(12)具有至少為管橫截面積的150%的開口橫截面積(17)。
8.一種用於在廢氣處理裝置(I)中混合廢氣(7)的方法，至少具有以下步驟: a)通過流入區(6)從中心供給廢氣(7)， b)將所述廢氣(7)分為至少一個第一部分廢氣流(11)和至少一個第二部分廢氣流(13)， c)使所述部分廢氣流(11，13)偏轉，其中，至少一個第一部分廢氣流(11)流出所述流入區(6)的出口區(10)，進入偏轉區(8)中並再次在那裡偏轉，其中，至少一個第二部分廢氣流(13)從至少一個設置在所述出口區(10)上遊的開口(12)處流進所述偏轉區⑶內， d)在所述偏轉區(8)內使所述第一部分廢氣流(11)與所述第二部分廢氣流(13)碰撞和混合，和 e)使所述第一部分廢氣流(11)和所述第二部分廢氣流(13)經過回流區(9)而共同地向前輸送。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述廢氣流(7)的至少30%形成所述第二部分廢氣流(13)。
10.一種交通工具(I)，具有至少一個內燃機(19)、一個排放管(23)和一個如權利要求1到7中任一項所述的廢氣處理單元或能夠通過如權利要求8或9所述的方法來操作的廢氣處理單元。
【文檔編號】F01N3/20GK103547775SQ201280016938
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年3月30日 優先權日:2011年3月30日
【發明者】塞巴斯蒂安·拜爾, 貝恩德·丹克特, 馬丁·沃爾特·恩德, 塞繆爾·沃格爾 申請人:依米泰克排放技術有限公司