CN103726917A - 具有导向元件的排气系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于内燃机（1）、特别是机动车内燃机的排气系统（4）的柔性导向元件（14），具有金属波纹管（15），所述金属波纹管（15）以环形或者螺旋的方式呈波纹状，并且废气流（8）可以流过该金属波纹管（15）。在金属波纹管（15）中尿素和/或尿素衍生物累积的风险通过圆锥形的流动导向主体（16）而降低，废气流（8）可以流过所述流动导向主体（16），其在废气流（8）的流动方向上逐渐变细并且以独立的方式突进金属波纹管（15）的入口区域（17）。本发明由此提出柔性导向元件（14）和在其中整合的流动导向主体（16）的组合。

Description

具有导向元件的排气系统

技术领域

本发明涉及用于内燃机排气系统的柔性导向元件。本发明还涉及用于内燃机，特别是机动车内燃机的排气系统，其装备有至少一个这样的柔性导向元件。

背景技术

DE 196 41 963 C1公开了一种基本上由金属波纹管构成的柔性导向元件，所述的金属波纹管以环形或者螺旋的方式呈波纹状，并且废气流可以流过该金属波纹管。金属波纹管可以在面向废气流的内侧和/或在背离废气流的外侧排列有由编织织物或网状织物构成的柔性软管。在组装状态下，金属波纹管可在其上游和/或下游连接有导向元件或者排气系统的导向部分。

这样的柔性导向元件应用在排气系统内，基本上用于去耦振荡和振动，并且典型地设置在固定附着至内燃机的排气系统部分和附着至机动车的排气系统部分之间。这样的柔性导向元件还可称为去耦元件。在组装状态下，柔性导向元件形成排气系统的部件，从而使得导向元件还可称为废气导向元件。

为了降低废气内的氮氧化物，现代的排气系统可以装备有SCR系统，SCR是指选择性催化还原。这样的SCR系统包括还原剂供给装置和设置在其下游的SCR催化剂。合适的还原剂可以借助于还原剂供给装置而引入至废气流中。例如，氨是合适的还原剂。然而，优选地引入尿素或者尿素水溶液至废气流中。

在不适宜的内燃机边界条件或者运行状态的情况下，存在在废气流内形成尿素和/或尿素衍生物的风险，其会累积在废气传导部件壁面上。这样的尿素和/或尿素衍生物累积可被再生，即，特别是在内燃机良好的运行状态期间被再次移除、溶解或蒸发。不利的边界条件例如为废气内的低废气温度和低流速。这可能会导致所引入的尿素和废气流不充分的混合。超剂量的尿素在原则上也是可行的。然而，有利的边界条件为废气内更高的废气温度和更高的流速。

在具有SCR系统的排气系统的情况下，会期望将上文所述类型的柔性导向元件安装在SCR催化剂和还原剂供给装置之间。在这种情况中，就会提高在金属波纹管的内部形成所不期望的尿素衍生物累积的风险。其特别地发生在当金属波纹管不具有其它保护层的内侧被暴露至废气流的时候。内侧波纹状的结构为尿素和/或尿素衍生物的累积提供了理想的可能性。在这种情况中的问题在于改造的可能性，即，从波纹结构将尿素和/或尿素衍生物蒸发或者冲掉的可能性被显著地降低，因为径直的废气流负载在那里不会有规律地发生。相反地，在波纹结构区域内会形成限流层，其中几乎不会发生任何横向运动。然而，金属波纹管内的累积会导致金属波纹管的硬化，由此，显著地降低了其作为去耦元件的功能。

发明内容

本发明因此涉及提出上文所述类型的柔性导向元件和装备该柔性导向元件的排气系统的改善的实施方式，其特征特别地在于降低金属波纹管内所不期望累积的风险。

本发明基于这样的整体构思，即，在金属波纹管的整个区域内设置圆锥形的流动导向主体，所述主体在流动方向上逐渐变细并且废气流可以流过该流动导向主体。换句话说，本发明通常涉及由柔性导向元件和整合在其中的流动导向主体构成创建的组合或者单元。由于这种设计，当流经流动导向主体的时候，流过金属波纹管的废气流被聚集。首先，由此而提高了流速，其降低了在金属波纹管内累积的风险。其次，移除了废气流，即相对于金属波纹管的内侧以更大的距离，由此，同样降低了累积的风险。

流动导向主体被恰当地设置在金属波纹管上，使得其以独立的方式突出进入入口区域中。在这种方式中，在所述入口区域中有效地阻止了废气在金属波纹管内侧的径直负载。与此同时，流动导向主体的独立凸起防止了金属波纹管的柔性受到损害。特别地，可以提供的是流动导向主体不会在出口端支撑在金属波纹管上，而其将极大地损害金属波纹管的柔性。

还可以恰当地提供给流动导向主体的入口端以完全填充的横截面，流动可以通过该横截面在金属波纹管的入口区域经过导向元件。换句话说，圆锥形的流动导向主体径向地连接其入口端至金属波纹管的内横截面或者设置在金属波纹管上游的导向元件的导向截面。因此，废气流被迫作为整体流动，即完全地经过流动导向主体。

圆锥形的流动导向主体相对于金属波纹管的纵向中心轴线同轴地设置的实施方式也是特别有利的。由此，当废气流流经流动导向主体的时候，其相对于金属波纹管的纵向中心轴线同轴地变窄，从而使得金属波纹管和废气流之间的距离可以在圆周方向上均匀地增大。

圆锥形的流动导向主体可被构建为截锥形。同时还能够将流动导向主体构建为球体的一部分或者椭球体的一部分。

根据有利的实施方式，流动导向主体可以在其入口端被紧固至金属波纹管。金属波纹管可以在其入口区域内具有圆柱连接件。流动导向主体可以在其入口端以互补的方式而成型。

可替换地，还能够为柔性导向元件装备导向部分，所述导向部分设置在金属波纹管的上游，由此流动导向主体在入口端被紧固至导向部分。所述导向部分还恰当地具有圆柱区域，由此流动导向主体可在入口侧而被紧固至所述圆柱区域。

在有利的实施方式中，流动导向主体可以是圆锥形管状主体，其在入口侧和/或出口侧轴向开启。可以利用聚合式管体来实现一种喷嘴效应，其会聚集该流动到减小流动横截面并相应地提高流速。这就产生了特别简单的结构，其具有相对低的流动阻力。

管体优选为均匀的和/或呈连续圆锥形，特别是以非阶梯曲线的方式，至少在其出口区域至出口端。由此可避免例如由几何构型的突然变化所导致的横截面在出口端的额外缩小。这样的横截面在出口端的额外缩小特别地可以形成失速边缘（stall edge）并导致严重的湍流，其促使了向外的横流，从而极大地消除了圆锥形管体的喷嘴效应。

管体的护套可被穿孔以降低流动导向主体的流动阻力。

根据特别有利的实施方式，流动导向主体可以具有用于尿素和/或尿素衍生物的分离装置，或者可以如此构建。如果流动导向主体由管体形成，那么设置在管体内的分离装置就可以被恰当地构建，使得其仅与废气流的边缘层相互作用，以此例如通过沉淀和/或浓缩，从例如可以在管体面向废气流的内侧上形成的壁膜上，分离在废气流的边缘层中所夹带的液体尿素或者所夹带的尿素衍生物。这样的实施方式在许多方面中都是有利的。首先，这样的分离装置允许在不利的运行条件下出现的尿素和尿素衍生物以标定的方式从废气流中分离出，由此，特别是在金属波纹管中的下游部件上的累积就可以被避免。其次，在良好的运行状态期间，流动导向元件内的废气流实现了特别高的流速，即，在分离装置中也是如此。与此同时，也可以由废气流特别好地加热独立的流动导向主体以及分离装置，由此，促进已被分离出的尿素和/或尿素衍生物的再生就会被。

分离装置恰当地具有环形主体，其在圆周方向上是闭合的并由管体径向向内扩充，例如以由固体金属薄片或者穿孔的金属薄片或者护栅材料构成的栅网的形式。环形主体还可以是具有U型横截面的薄片，其开口侧面向输入流。环形主体优选为金属丝网。构建为多孔陶瓷泡沫的环形主体也是可行的。

分离装置有利地设置在流动导向主体中，位于流动导向主体出口端的上游，从而避免出口端横截面的额外变小或者与湍流相关的失速边缘。

这样的分离装置原则上可以以尿素捕集的方式构建，然而，其允许被分离出的尿素或者尿素衍生物的再生或者排出。例如，分离装置可以具有或者被构建为尿素衍生物累积的收集装置。这样的收集装置例如可以通过中心开口环形主体的方式来实现，其在圆周方向上是闭合的，例如以丝网环的形式，其由管体径向向内凸起并由此在运行期间径向突进废气流的边缘层。

另外地或者可替换地，分离装置可被构建为废气流边缘层的流动障碍物。例如，这样的流动障碍物还可以通过中心开口环形主体的方式来实现，其在圆周方向上是闭合的，例如以栅网、环、穿孔薄片和/或金属丝网的形式。

在另一种有利的实施方式中，在流动导向主体的环形主体中可以设置或者形成静态混合器。可以借助于这样的静态混合器强烈地混合流过流动导向主体的废气流。随着还原剂被引入至流动导向主体的上游，静态混合器还会对还原剂和废气流的充分混合起作用。改善的混合降低了衍生物形成的风险。在这样的混合器与如上所述类型的分离装置相组合的时候，混合器被恰当地设置在分离装置的上游，以使得将要被分离出的更少的物质会被沉积在分离装置中。

根据有利的改进，混合器可被构建为单独的部件并被插入至管体中。自身存在的混合器随后可被应用并安装在流动导向主体中，其可以降低研发费用。然而，可替换地，形成混合器的导向叶片可在管体的护套上形成。在这种情况中，导向叶片为护套或者管体的一体式部件，从而使得混合器最终也被整体形成在流动导向主体上。这简化了组装，因为流动导向主体已具有混合器。

在另一种有利的实施方式中，流动导向主体可以是流体可以通过其中的由材料或者材料混合物构成的固体圆锥形主体。例如，固体主体可以包括至少一个陶瓷泡沫或者至少一个金属泡沫或者至少一个金属丝网或者至少一个丝网或者任意上述结构的组合。流体可以在其中通过的固体主体用作尿素捕集并且同时用作分离装置，从而流体可以在其中通过的固体主体可以将在废气流中所夹带的尿素和/或尿素衍生物分离出废气流。如果运行状态为有利的，那么流体可以在其中通过的固体主体可再生，并且在其中所累积的尿素和/或尿素衍生物可被再次释放。

在另一种有利的实施方式中，可以提供另一个流动导向主体，废气流可以流过该流动导向主体并且其以独立的方式突进金属波纹管的出口区域。由流动导向主体在入口侧集中的废气流可以借助于出口侧设置的所述另一个流动导向主体有效地捕集并导出金属波纹管。总的来说，由此降低了金属波纹管负载废气流的风险。与此同时，也因此而降低了尿素和/或尿素衍生物在金属波纹管的内侧累积的可能性。

在一种改进中，被设置在入口侧的流动导向主体以独立的方式突进其出口端至设置在出口侧的另一个流动导向主体的入口端是特别有利的。特别地，该两个流动导向主体可以轴向地交叠。那么，在入口侧上的流动导向主体的内部出口端和在出口侧上流动导向主体的外部入口端之间就会存在环形间隙，环形间隙在圆周方向上环绕并且在径向方向上具有相对大的间隙宽度，使得金属波纹管仍可以弹性地或者柔性地移动，而两个流动导向主体不会相互接触。

在另一种实施方式中，通过丝网的方式，在出口侧的流动导向主体可在其出口端被紧固至金属波纹管或者设置在金属波纹管下游的导向部分。另外地或者可替换地，设置在出口侧的流动导向主体在废气流的流动方向上、至少在纵向部分中会逐渐变细。对于在出口侧的流动导向主体，其还能够在流动方向上的出口端区域变宽，特别地，其如此之宽以使得在出口的流动导向主体在其出口端可直接支撑在金属波纹管上或者设置在下游的导向部分上。

金属波纹管可以在内侧和/或外侧上装备有保护层，例如以丝网软管或者织物软管的形式。特别地，还能够在金属波纹管的外侧提供夹紧软管，所述夹紧软管同轴地围绕金属软管。这样的夹紧软管由金属带材构成，其特别地以S型的方式成型并且以螺旋的方式缠绕，在绕组的内部金属带材的相邻侧缘相互接合。这样的夹紧软管具有相对高的张力和抗压稳定性以及相对高的柔性。另外地或者可替换地，金属波纹管可以由单片或者单层的金属薄片或者可替换地由多片或者多层的金属薄片来制造。

根据本发明用于内燃机、特别是设置在机动车内的内燃机的排气系统由此包含至少一个排气道，其中设置有SCR催化剂并且其上游设置有用于将还原剂供给至废气流中的还原剂供给装置。根据本发明的排气系统还在还原剂供给装置和SCR催化剂之间的排气道内包含如上所述类型的柔性导向元件。

本发明其它重要的特征和优点可以在附图以及根据附图所做的说明中发现。

不言而喻的是，上文所提及的特征以及将在下文中进行解释的特征不仅仅可以在所给出的每种情况中组合使用，而且还可以在其它的组合物中或者单独使用，其均没有背离本发明的范围。

本发明优选的示例性实施方式在附图中示出并且在下文的说明中进行了更加详细的解释，相同的附图标记涉及相同的或者相似的或者功能等同的部件。

附图说明

图1示意性地示出了高度简化的、线路图形式的具有排气系统的内燃机图，

图2-5以不同的实施方式示意性地示出了高度简化的柔性导向元件的纵剖面，

图6a、b以不同的视角方向a和b示意性地示出了特定实施方式的流动导向主体视图。

图7示意性地示出了另一种实施方式的部分透明的流动导向主体的等距视图，

图8以三角翼的形式示意性地示出了另一个流动导向主体的等距视图。

具体实施方式

根据图1，内燃机1包含发动机组2、新风系统3和排气系统4。发动机组2在多个缸体5的每一个中均包含一个燃烧室6。新风系统3用于将新鲜空气供给至燃烧室6。相应的新鲜空气气流7以箭头指示。排气系统4包含至少一个排气道38并且作用于将废气导离燃烧室6。相应的废气流8以箭头指示。排气系统4装备有在排气道38内包含SCR催化剂10的SCR系统9、还原剂供给装置11和混合部分12，其由还原剂供给装置11导向至SCR催化剂10。还原剂供给装置11可以为废气流8供给还原剂，优选尿素水溶液。为此，还原剂根据箭头13而被供给，特别是被注射至排气系统4内。混合部分12由排气系统4或者排气道38的一部分形成，其将具有引入了还原剂13的废气流由还原剂供给装置11导向至SCR催化剂10。SCR催化剂10设置在还原剂供给装置11的下游并且允许在运行过程中氮氧化物的选择性催化还原。

排气系统4装备有柔性导向元件14，其在这种情况中设置在SCR催化剂10和还原剂供给装置11之间，即在混合部分12内。根据图1-5a的导向元件14包含以环形或者螺旋的方式呈波纹状的金属波纹管15，废气流8可以流过该金属波纹管15。

根据图2-5，柔性导向元件14还包含圆锥形流动导向主体16。废气流8还可以流过流动导向主体16，其在废气流8的流动方向上逐渐变细。流动导向主体16还可以以独立的方式而突进金属波纹管15的入口区域17内进行设置。在所示的实施方式中，流动导向主体16在每种情况中均被构建为截锥，从而使得其具有垂直于金属波纹管15的纵向中心轴线18的平坦的入口端19和平坦的出口端20。然而原则上，其它构型的流动导向主体16也是可行的，例如圆形部分或者椭圆形部分的形式。

在这里所示的实施方式中，流动导向主体16在入口端19被紧固至导向部分21，其位于金属波纹管15的上游并被连接至金属波纹管15。原则上，流动导向主体16还在其入口端19直接紧固至金属波纹管15。设置在上游的导向部分21可以界定金属波纹管15或者导向元件14的入口侧连接部件，导向元件14可以利用该导向部分21整合到排气系统4的排气道38内。相应地，导向部分14还包含设置在下游的导向部分22，其界定了金属波纹管15或者导向元件14的连接部件，导向元件利用该导向部分22可在流出侧整合到排气系统4的排气道38内。

在图1、3和5的实施方式中，流动导向主体16优选为圆锥形管体23，其护套24在图2所示的实施方式中可以具有穿孔25。

在这里所示所有的实施方式中，流动导向主体16与金属波纹管15的纵向中心轴18同轴地或者同心地设置，从而使得流动导向主体16在金属波纹管15内对称地设置。流动导向主体16被恰当地连接，以使得其入口端19抵靠导向元件14的内侧，以使得其在圆周方向上朝向外侧在径向上完全闭合，从而使得全部的废气流8被迫流过流动导向主体16。

根据在图3中所示的实施方式，管体23可以包含尿素或者尿素衍生物的分离装置26。分离装置26设置在管体23的横截面内，流体可以以通过该分离装置26，以使得其至少可以将在废气流8的边缘层中所夹带的尿素或者尿素衍生物从废气流8分离出。这样的分离装置26例如可构建为尿素衍生物累积的收集装置或者具有这样的收集装置。另外地或者可替换地，分离装置26可被构建为废气流8径向外缘层的流动障碍物。例如，分离装置26或者流动障碍物或者收集装置为环形主体，其由管体23径向向内凸出并以闭合的方式在圆周方向上扩充，例如环形栅网，其特别地可以由穿孔薄片来制造。环形主体还可以是金属丝网，其优选地以环形的方式来设置。

在图4所示的实施方式中，流动导向主体16由实心（solid）圆锥形主体27形成，流动也可以通过该实心圆锥形主体27，并且其由流体可以通过的材料或者材料混合物构成。合适的材料例如为陶瓷泡沫、金属泡沫、金属丝网、丝网。圆锥形主体27可以由任意的这些材料或其任意所期望的组合来构成。在这种情况中，流体可以通过其内部的的圆锥形主体27自身可被构建为分离装置26或者作用为分离装置。

在图5所示的实施方式中，静态混合器28可设置或者形成在管体23内。混合器28例如可被设计为分离部件，其插入至管体23或者护套24中。可替换地，据信在原则上导向叶轮（在图5中未示出）整体结合在护套24上形成混合器28。例如，根据图6a至6b，圆锥形的、中空的管体23可以具有导向叶轮39，其由护套24切割出并向内转向。导向叶轮39有利地不会相互接触并界定混合器28。导向叶轮39优选被均一地布置和/或旋绕，从而使得它们可以使废气流8以涡流的形式流动。图7示出不同的实施方式中，提供导向螺旋40来替代多个导向叶片39，其以螺旋的方式沿着透明示出的护套24的内侧旋绕并向内突出。废气流8还可以借助于该导向螺旋40加载湍流。导向螺旋40在该过程中可以作用为混合器28。导向螺旋40还可以形成流动障碍物，其作用为分离装置26，借助于此，尿素和/或尿素衍生物可被分离出流动边界层。尽管管体23在图7中被示出为基本上圆柱形的，但是其应当还可以是圆锥形的。然而，原则上，流动导向主体16上游的流入侧导向部分21内还能够设置或者形成混合器28和/或分离装置26。

在图5所示的实施方式中，提供了另一个流动导向主体29。废气流8还可以流过该另一个流动导向主体29，其以独立的方式突进金属波纹管15的出口区域30中。这在两个流动导向主体16、29之间产生了轴向叠加32，该叠加形成了在圆周方向上闭合的圆周环形空间33，从而使得两个流动导向主体16、29并不会相互接触。

在出口侧上的流动导向主体29在其出口端34被紧固至金属波纹管15或者流出侧导向部分22，例如通过网35的方式。在出口侧上的流动导向主体29还优选地为管体36，其可以在整体上呈圆锥形。在所示的例子中，管体36仅在纵向部分37内呈圆锥形，以使得其在废气流8的流动方向上逐渐变细。

对于该额外的或者出口侧管状流动导向主体29来说另外地或者可替换地，可以提供至少另一个流动导向主体41，其可设置在流入侧流动导向主体16内或其上游或下游。该另一个的流动导向主体41还可设置在流出侧流动导向主体29内或其上游或下游。根据图8，这样的另一个的流动导向主体41例如可被构建为三角翼，其可以以在很大程度上通过相应的网（未示出）以独立的方式而被设置在护套24上或者例如在导向元件14内，特别是在流入侧或流出侧流动导向主体16、29内。数个这样的流动导向元件41优选地被设置分布在护套24的圆周方向上。

明确的是，在这里所示不同导向元件14的单独特征可以以任意所期望的方式相互结合。例如，在图5中所示实施方式中，出口侧流动导向主体29也可以在图2至4所示的实施方式中实现。在图2中所示实施方式的穿孔的壁25还可以在图3和5实施方式的入口侧流动导向主体16中以及根据图5实施方式在出口侧的流动导向主体29内实现。此外，图3（和图7）中所示实施方式的分离装置26也可以在图4和5实施方式的入口侧流动导向主体16内实现，其同样能够在图5的出口侧流动导向主体29内实现。在图5（和图6和7）中所示实施方式的入口侧流动导向主体16中提供的混合器28还可以在图2和3的实施方式中实现。另外地或者可替换地，原则上能够根据图5在出口侧流动导向主体29内设置这样的混合器28。

Claims (15)

1.一种用于内燃机（1）、特别是机动车内燃机的排气系统（4）的柔性导向元件，具有金属波纹管（15），其以环形或者螺旋的方式呈波纹状并且废气流（8）可以流过该金属波纹管（15），其特征在于，能够流过废气流（8）的圆锥形流动导向主体（16），其在废气流（8）的流动方向上逐渐变细并且以独立的方式突进金属波纹管（15）的入口区域（17）。

2.根据权利要求1的导向元件，其特征在于所述流动导向主体（16）在其入口端（19）被紧固至金属波纹管或者紧固至设置在金属波纹管（15）上游的导向部分（21）。

3.根据权利要求1或2的导向元件，其特征在于所述流动导向主体（16）为圆锥形管体（23）。

4.根据权利要求3的导向元件，其特征在于所述管体（23）的护套（24）为穿孔的。

5.根据权利要求1至4任一项的导向元件，其特征在于所述流动导向主体（16）具有用于尿素和/或尿素衍生物的分离装置（26）或者构建为尿素和/或尿素衍生物的分离装置（26）。

6.根据权利要求5的导向元件，其特征在于所述分离装置（26）具有或者被构建为用于尿素衍生物累积的收集装置。

7.根据权利要求5或6的导向元件，其特征在于所述分离装置（26）被构建为废气流（8）边缘层的流动障碍物。

8.根据权利要求3或4和根据权利要求5至7任一项的导向元件，其特征在所述于分离装置（26）由环形主体形成或者具有环形主体，其由管体（23）径向向内地凸起并且以闭合的方式在圆周方向上延伸。

9.至少根据权利要求3的导向元件，其特征在于在管体（23）内设置或者形成静态混合器（28）。

10.根据权利要求9的导向元件，其特征在于

-所述混合器（28）被构建为分离部件并被插入至管体（23）内，或者

-形成所述混合器（28）的导向叶片在管体（23）的护套（24）上形成。

11.根据权利要求1、2、5至7任一项的导向元件，其特征在于所述流动导向主体（16）为实心圆锥形主体（27），其由流动可以通过其中的材料或者材料混合物构成。

12.根据权利要求11的导向元件，其特征在于所述实心圆锥形主体（27）具有至少一个陶瓷泡沫或者至少一个金属丝网或者至少一个丝网或其任意组合。

13.根据权利要求1至12任一项的导向元件，其特征在于另一个流动导向元件（29），废气流（8）可以流过该另一个流动导向元件（29）并且其以独立的方式突进金属波纹管（16）的出口区域（30）。

14.根据权利要求13的导向元件，其特征在于

-设置在入口侧上的流动导向主体（16）以独立的方式将其出口端（20）突进设置在出口侧上的另一个流动导向主体（29）的入口端（31），和/或

-设置在出口侧上的流动导向主体（29）利用其出口端（34），特别是以网（35）的方式而被紧固至金属螺纹管（15）或者导向部分（22），其被设置在金属波纹管（15）的下游，和/或

-设置在出口侧上的流动导向主体（29）在废气流（8）的流动方向上至少在纵向部分（37）中逐渐变细。

15.一种用于内燃机（1）、特别是机动车内燃机的排气系统，具有至少一个排气道（38），其中设置有SCR催化剂（10），并且在其下游设置有用于将还原剂引入至废气流（8）的还原剂供给装置（11），其中根据权利要求1至14任一项的导向元件（14）设置在还原剂供给装置（11）和SCR催化剂（10）之间的排气道（38）内。

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