具有反應劑添加的緊湊型排氣處理單元的製作方法

2023-04-30 02:02:46

專利名稱：具有反應劑添加的緊湊型排氣處理單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種緊湊的排氣處理單元，排氣在其中多次轉向。在該排氣單元中，還利用添加劑或反應劑並且在可能時還利用至少一種催化器、過濾器等對排氣進行處理。
背景技術：
由於持續增加的汽車交通和越發嚴格的排放標準，對具有內燃機的汽車而言，將內燃機排氣有效地淨化是重要的。為此，現有技術中公開了排氣淨化系統，其中內燃機排氣被引導經過起催化作用的表面，並且藉助在該表面放置的催化劑材料將排氣中的有害物質，如氮氧化合物、碳黑顆粒、一氧化碳、碳氫化合物等轉化為諸如氮氣、水和CO2的物質。通常，排氣的有效轉化需要較高的排氣溫度。內燃機的排氣溫度一般直接在排氣離開內燃機之後最高，所以內燃機附近(例如汽車的發動機艙)是安置排氣淨化系統的有利位置。但在汽車中，發動機附近的安裝空間一般是有限的。為了仍能將發動機艙中的有限安裝空間用於排氣淨化系統，已經開發了一種具有同心通流的特別緊湊的排氣處理單元，該排氣處理單元例如由W0-A1-2005001252所公開。在這種排氣系統中，排氣首先流過一迎流區，然後轉向並通過外部的回流區回流。回流區在此圍繞迎流區同心設置，以便在迎流區和回流區之間進行有效的熱交換。在排氣系統的催化器表面進行的催化反應通常也部分地放熱，使得回流的排氣通常也被附加地加熱。通過迎流和回流之間的有效熱交換，可以使排氣系統中的排氣溫度得到提高或保持在較高水平，從而確保特別有效的轉化。同時，通過排氣系統的迎流區、轉向區和回流區的劃分實現了特別緊湊的排氣系統設置，從而可以將該系統設置在汽車的發動機艙中或內燃機附近。這種類型的排氣淨化系統部分地進行對排氣添加反應劑。這種反應劑包括例如還原劑或還原劑前體(特別是尿素水溶液)，其作用是將排氣中的有害物質在與為之特別設置的塗層的共同作用中轉化為無害的成分。這種用於這些反應劑的添加單元在此設置成能實現在排氣中的儘可能最佳分布或所輸入的反應劑的高氣化度。在此將反應劑在排氣的流動方向上或逆排氣流動方向例如直接施加於蜂窩體上，從而通過反應劑與(熱)蜂窩體的撞擊，促進了氣化反應並且實現了反應劑液滴的細密分布以及可能時的反應劑在該結構中或在蜂窩體的塗層中的儲存。但是這樣將反應劑施加於蜂窩體上會導致蜂窩體塗層例如通過水衝擊或通過蜂窩體和反應劑之間的溫差而受到損害。

發明內容
因此本發明的目的是，至少部分地解決結合現有技術描述的技術問題。尤其給出一種排氣處理單元，該排氣處理單元一方面提供了緊湊的結構，另一方面可以特別合適地添加液態反應劑、並帶有可減少排氣處理單元部件上的應力的氣化作用。該目的通過根據權利要求1的特徵的排氣處理單元得到解決。根據本發明的排氣處理單元的有利實施例或其在汽車中的布置由從屬權利要求給出。要指出的是，在權利要求中單個提出的特徵可以以任意的、技術上合適的方式相互組合併示出本發明的其他實施例。說明書一特別是與附圖一起一對本發明進行進一步描述並引出本發明的補充實施例。根據本發明的排氣處理單元包括在流動方面相繼設置的至少一個迎流區(向流區)、一個轉向區、一個回流區和一個流出區。該回流區和該流出區在此設置在迎流區的外表面上。此外，用於反應劑的添加單元設置於流出區中。排氣從內燃機出發通過排氣管線流向排氣處理單元，並經由迎流區進入該排氣處理單元。在流過迎流區後，排氣在第一轉向區中這樣轉向，即該排氣尤其(同心地)在外側圍繞迎流區地通過回流區流到流出區。回流區和流出區在此特別設置在迎流區的外表面上。該(同心地)在外側圍繞迎流區流動的排氣在流過回流區後在流出區內聚集，並且特別通過單個排氣管線離開排氣處理單元。用於添加反應劑(特別是尿素水溶液)的添加單元在此設置在流出區內。由此優選在排氣處理單元的最後流段中添加反應劑。正是在此位置常設有小的流動截面和/或扭曲的流動路徑，即由此產生至少部分地渦流流動的並由此對於添加反應劑而言所必須的流段。在排氣處理單元的該區域中一般不設置反應劑可能與之相應碰撞的蜂窩體。反應劑通過流出區中的添加單元被添加到排氣中，在此與排氣混合併被熱排氣至少部分地氣化。排氣直至離開排氣處理單元後並且在反應劑極其氣化或細密分布後，才又與可能設置在排氣管線中的排氣淨化部件相碰撞，該排氣淨化部件包括蜂窩體。但是在此反應劑已經如此細微地分布在排氣流中，避免了對例如設置在排氣流中的蜂窩體的塗層還有結構的損害。根據排氣處理單元的另一有利的實施例，添加單元設置為使得反應劑可以至少部分地添加到迎流區的外表面上。添加單元為此尤其徑向設置於迎流區的外部並且朝向迎流區定向(對齊)。由於添加單元的這種特別有利的設置，反應劑至少部分地與迎流區的外表面碰撞，該外表面由於靠近內燃機而早已具有相當高的溫度，並且/或者通過熱傳導與相鄰的催化活性的催化器相連接。通過與外表面的碰撞，尤其至少部分地以滴狀形式逸出添加單元的反應劑在液滴尺寸方面更細地霧化並且在排氣流中相應更好分布。通過反應劑由此變大的表面區域(面積)促進了排氣流中的反應劑的氣化。由於迎流區的外表面由例如(粗糙的)管或外罩構成，避免了像在蜂窩體結構中可能是這種情況的、對該外表面的損害。此外提出，在迎流區範圍內設有用於改進熱傳遞的裝置，由此使得迎流區的外表面的壁溫度一特別是在反應劑與外表面碰撞的區域中一非常快地達到高溫。這種裝置例如可以是迎流區範圍中的熱導板或換熱板，它們可以通過排氣在外表面的區域中加速迎流區的壁的加熱。此外，該外表面可以實施為是至少部分地可加熱的，尤其是可電加熱的。尤其是在由反應劑加載的外表面的區域中進行加熱。此外可以採取措施來降低迎流區外表面的熱傳遞。這樣可以確保，在外表面區域中一次達到的壁部溫度能夠得到儘可能持久的保持。特別地，流出區實施為對外部絕熱，使得排氣的熱量以及已儲存在外表面中的熱量不會毫無阻礙地散失。由此尤其提出了一種排氣處理單元，其中迎流區具有用於向外表面傳遞排氣的熱的至少一個熱傳遞元件(傳熱器)。這種「熱傳遞元件」尤其促進了從排氣向迎流區外表面的熱傳遞。這樣，例如可以設有渦流元件、引導葉片和/或肋(翅片)，它們與入流的排氣共同作用，從而達到對熱傳遞的改進。由此可以特別有效地使外表面的溫度(對於尾部的反應劑氣化)得到提聞或保持在聞水平。此外，有利的是，回流區具有至少一個用於使排氣轉向或平靜(平穩，緩慢流動)的轉流器(流偏轉器)。這種轉流器使得排氣尤其在外表面上的需要用於反應劑氣化的熱的表面區域中不流動或僅以降低的強度流動。為此例如可以設置合適放置的轉流器，在該處建立一種背流區和/或慢速流邊界層。但是也可行的是，轉流器使排氣(僅)層流並由此降低排氣和外表面的接觸強度。這樣導致的結果是，回流的排氣從壁部溫度帶走少許熱量並且由此以提高的程度將熱量提供給還原劑的氣化/轉化。此外提出，至少回流區具有橫向於排氣的流動方向改變的流動橫截面。通常，已知的緊湊型排氣處理單元具有同心設置的迎流區或回流區。由於在轉向區內施加反應劑，所以反應劑通常作用於整個排氣流。在這裡所述的排氣處理單元中，通過在流出區內設置添加單元尤其可以使得只有一部分的排氣流吸收從添加單元流出的反應劑。當迎流區關於回流區偏心設置時，回流區尤其可以具有橫向於排氣流動方向(也就特別是在圍繞迎流區的周向上)改變(縮小/擴大)的流動橫截面。由此該回流區的橫截面在一個區域中變小,而在一個區域中變大。由此可以相應的分配對反應劑的最佳氣化所必須的排氣量。此外可以通過隨後才進行的與剩餘排氣的混合實現反應劑在排氣流中的最佳混合。通過在部分排氣流中引入反應劑由此實現了反應劑在排氣中的至少兩級混合首先在第一部分排氣流中添加反應劑，然後通過與迎流區的外表面的碰撞就實現了反應劑的細密分布。通過在僅被部分排氣流流過的流出區的區域中設置添加單元，由已具有反應劑的部分排氣流與從回流區流出並且流進未由添加單元加載反應劑的流出區部分中的剩餘排氣的混合來進行反應劑的進一步混合。根據另一種有利的實施例,迎流區的外表面具有加大外表面表面的至少一個至少部分的塗層或結構。當然這兩種措施也可以一起使用。該結構和/或塗層由此起到如使氣化表面最大化的作用。此外由反應劑加載的迎流區的至少部分外表面也可以至少部分地設有至少一個塗層，以便至少部分進行反應劑轉化。該塗層在此尤其可以具有水解功能，以使具有還原劑前體(特別是尿素水溶液)的反應劑相應轉化為還原劑(在此為氨)。由此可以省略具有水解催化器塗層的附加蜂窩體。這種水解催化器尤其在柴油發動機中置於SCR催化器之前，以便從含有尿素的液態還原劑前體中產生可以在SCR催化器中將排氣中含有的NOx轉化為NO2的氨。此外可以通過外表面的該塗層降低設置於下遊的催化器的體積，如具有二氧化鈦塗層的水解催化器。由於將塗層塗覆於迎流區的外表面上是可以非常容易實施的，所以此處相比其他的必須的蜂窩體結構具有較大的節省成本的潛能。此外塗層可以具有反應劑儲存功能，從而將反應劑如根據排氣溫度和/或根據排氣質量流從儲存層再次抽出並且一同輸入排氣中。尤其可以將加大外表面的結構實施為塗層(如中間層)和/或具有肋、粒結、褶皺或類似物。該結構加大了可支配的施加反應劑的表面並由此促進了從熱的外壁向反應劑的熱傳遞。這種加大外表面的結構也可以由多孔材料(無紡布、織物、泡沫)構成，其塗覆於外壁之上並且必要時可以附加地被加以塗層。此外提出，在迎流區內設置有氧化催化器，並且排氣在第一轉向區內這樣轉向，即，該排氣通過在設置有氧化催化器的區域內環繞迎流區的回流區進入流出區。該迎流區具有設置於上遊的流入區，該流入區管狀地延伸通過流出區並且通過添加單元在該流入區的外表面上施加還原劑或還原劑前體。氧化催化器尤其適用於熱轉化碳氫化合物。此外可以在外部的回流區內設置附加的和/或多部件的蜂窩體或催化器，即使優選將該回流區不是同心地並且不帶有內裝件地實施。在此，該回流區設置成圍繞迎流區的其中設置有氧化催化器的區域。這意味著流出區不圍繞迎流區的設置有氧化催化器的區域。這種設置避免了通過將反應劑施加於迎流區，設置於迎流區內的氧化催化器通過迎流區的管線或外罩可能出現的冷卻而受到損害。迎流區具有設置於氧化催化器上遊的入流區，該入流區管狀地延伸通過流出區並且由此至少部分地設置於流出區內部。排氣通過該入流區流入排氣處理單元中。通過入流區(未配有內裝件)與迎流區(具有蜂窩體或催化器)的功能分割，入流區可以針對內連在排氣處理單元的外殼中和向其表面施加反應劑的要求而設置。此外提出一種具有內燃機、排氣管線和用於提供反應劑的裝置的汽車，其中排氣管線具有至少一個根據本發明的排氣處理單元。此處內燃機特別是柴油或奧託內燃機。用於提供反應劑的裝置尤其包括反應劑儲箱和用於將反應劑從反應劑儲箱輸向添加單元的輸送裝置以及用於反應劑相應配額的相應的控制部件。


下面藉助附圖對本發明以及技術範圍進行詳細說明。附圖尤其示出優選實施例，但本發明並不局限於此。附圖示出圖1示出具有排氣管線的汽車，圖2示出排氣處理單元的第一實施例，以及圖3示出排氣處理單元的第二實施例。
具體實施例方式圖1示意性地示出排氣處理單元I在汽車21內的布置。汽車21具有內燃機18，該內燃機通過排氣管線19向環境排出廢氣。排氣管線19內設有排氣處理單元1，該排氣處理單元具有添加單元7。該添加單元7與必要時以受控的方式向排氣處理單元I輸送反應劑的裝置20相連接。在排氣處理單元I的下遊在排氣管線19內設有其他有助於排氣淨化的元件22 (下組中的至少一個催化器、過濾器、顆粒分離器、渦輪增壓機、吸附器等)。圖2示意性地示出排氣處理單元I的第一實施例。在該實施例中，排氣10經由迎流區2沿流動方向9進入排氣處理單元I中。迎流區2具有外表面6 (例如至少逐段呈柱形、錐形等的外表面)和用於將排氣中的熱傳遞至外表面6的多個熱傳遞元件23。此外，在迎流區2內設置有氧化催化器15。排氣10流過迎流區2然後流過氧化催化器15，並在第一轉向區3內轉向成使該排氣10之後沿流出區5的方向通過回流區4同心地在外部經過迎流區2。在此，回流區5中設有多個用於使排氣轉向或平靜的轉流器24，以使排氣僅以降低的強度到達還原劑碰撞熱的外表面6的區域中。迎流區2具有其中布置氧化催化器15的區域16。排氣10在離開回流區4後流入流出區5內。一部分排氣溢出到迎流區2的外表面6上，還原劑8至少在部分範圍內施加到該外表面上。還原劑8通過添加單元7引入流出區5中。在該例中，添加單元7設置在迎流區2的與排氣流出口相對的一側上，這個必要時特別重要的細節可以避免反應劑8通過流出口直接流出。排氣10在流出區5內部匯合併流出排氣處理單元I。圖3示意性地示出排氣處理單元I的第二實施例，其中在此排氣10也沿流動方向9進入迎流區2中。在迎流區2內部設置有與區域16連接的入流區17。在區域16內設置有氧化催化器15。排氣10在轉向區3內轉向，以使該排氣流過同心地圍繞迎流區2的回流區4。在此示出，迎流區2不是在排氣處理單元I內部居中設置的，使得流動橫截面11在排氣處理單元I的上部部分中較小並形成減小的回流區4。在排氣處理單元I的下部部分中回流區4具有較大的流動橫截面11。添加單元7設置在排氣處理單元I的流出區5內並且將反應劑8至少部分地施加到入流區17的外表面6上。在該例中，添加單元7又設置於迎流區2的與排氣排出口相對的一側，以避免反應劑8通過排出口直接流出。在外表面6上設有結構13，該結構加大反應劑8所碰撞的表面區域(面積)14，從而改善反應劑8的氣化。本發明及其所有變型解決了參照現有技術說明的問題。尤其避免了對蜂窩體或其塗層的損害，因為反應劑不直接施加到蜂窩體或塗層上。反應劑氣化尤其通排氣與反應劑的多級混合以及通過提供粗糙表面得以實現。此外，可以由此將排氣管線的特別熱的區域用於反應劑的氣化。添加單元可以設置在流出區內，從而也可以逆排氣流動方向取向地進行添加並且改進在排氣內部的反應劑的相應分布。附圖標記列表I排氣處理單元2迎流區3轉向區4回流區5流出區6外表面7添加單元8反應劑9流動方向10 排氣11流動橫截面12 塗層13 結構14表面區域15氧化催化器I6 區域17入流區18內燃機19排氣管線20 裝置21 汽車22 元件23熱傳遞元件24轉流器。
權利要求
1.一種排氣處理單元(1)，至少具有在流動方面相繼設置的迎流區(2)、轉向區(3)、回流區(4)和流出區(5)，其中，該回流區(4)和該流出區(5)設置在該迎流區(2)的外表面(6)上，該排氣處理單元還具有用於反應劑(8)的添加單元(7)，其中，該添加單元(7)設置在該流出區(5)中。
2.根據權利要求1所述的排氣處理單元(1)，其特徵在於，該添加單元(7)設置成使得反應劑(8 )能被至少部分地供應到該迎流區(2 )的外表面(6 )上。
3.根據權利要求1或2所述的排氣處理單元(1)，其特徵在於，該外表面(6)能至少部分地被加熱。
4.根據前述權利要求之一所述的排氣處理單元(1)，其特徵在於，至少回流區(4)具有橫向於排氣(10)的流動方向(9)變化的流動橫截面(11)。
5.根據前述權利要求之一所述的排氣處理單元(1)，其特徵在於，迎流區(2)的外表面(6)具有增大該外表面(6)的表面區域(13)的至少一個至少部分的塗層(12)或結構(14)。
6.根據前述權利要求之一所述的排氣處理單元(1)，其特徵在於，迎流區(2)具有用於向外表面(6 )傳遞排氣的熱量的至少一個熱傳遞元件(23 )。
7.根據前述權利要求之一所述的排氣處理單元(1)，其特徵在於，該回流區(5)具有用於使排氣轉向或平靜的至少一個轉流器(24 )。
8.根據前述權利要求之一所述的排氣處理單元(1)，其特徵在於，在迎流區(2)內設置有氧化催化器(15)，排氣(10)在第一轉向區(3)內轉向以便經由回流區(4)到達流出區(5)中，該回流區在設有氧化催化器(15)的區域(16)中圍繞迎流區(2);其中，迎流區(2)具有上遊設置的入流區(17)，該入流區管狀地延伸通過流出區(5)並且通過所述外表面(6)，該外表面通過添加單元(7)施加有還原劑或還原劑前體。
9.一種汽車(21)，具有內燃機(18)、排氣管線(19)和用於提供反應劑(8)的裝置(20)，其中該排氣管線(19)具有至少一個按照前述權利要求之一所述的排氣處理單元(I)。
全文摘要
本發明涉及一種排氣處理單元(1)，它至少具有在流動方面相繼設置的迎流區(2)、轉向區(3)、回流區(4)和流出區(5)，其中該回流區(4)和該流出區(5)設置於該迎流區(2)的外表面上，該排氣處理單元還具有用於反應劑(8)的添加單元(7)，其中該添加單元(7)設置於流出區(5)中。
文檔編號F01N3/035GK103069119SQ201180039678
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月15日 優先權日2010年8月18日
發明者M·布魯格爾 申請人:排放技術有限公司