CN118148743A - 排气处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种排气处理装置,包括至少一个第一排气处理单元和在所述至少一个第一排气处理单元的下游的排气处理组件,其中,所述至少一个第一排气处理单元和所述排气处理组件在包括所述至少一个第一排气处理单元和所述排气处理组件的流动路径的流动路径纵向轴线的方向上轴向依次地布置,其中,设有碳氢化合物引入组件,用于将碳氢化合物引入到在所述流动路径中流动的排气中,其中,所述碳氢化合物引入组件包括用于在所述至少一个第一排气处理单元下游和所述排气处理组件上游将碳氢化合物排放到所述流动路径中的碳氢化合物排放单元和在所述流动通道中在所述碳氢化合物排放单元上游的涡流产生单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机、特别是柴油内燃机的排气设备的排气处理装置。
背景技术
为了实现由内燃机、特别是柴油内燃机排出的排气的允许排气值,例如已知的是,向排气中喷入反应剂、例如尿素/水溶液,以在特别是构造为SCR催化器单元的排气处理单元中减少氮氧化物含量。还已知的是,在这样的排气处理装置中组合不同类型的催化器、例如SCR催化器单元和氧化催化器单元,以实现排出到环境的排气中的污染物含量的尽可能有效的减少。
为了要在这种排气处理装置的不同系统区域中进行的催化反应,需要使为此目的作用的催化器材料具有足够高的温度。因为特别是在内燃机的工作运行的启动阶段中或在相对较低的环境温度情况下,在排气中传输的热量通常不足以为要进行的催化反应快速达到或可靠维持足够高的温度,因此例如已知的是,将电气运行的排气加热器集成到排气设备中,以便在一个或多个催化作用的系统区域的上游将热量传递到由内燃机排出的排气或引入排气设备中的其他气体,然后热量由排气或气体传输到催化作用的系统区域并传递给催化作用的系统区域。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于内燃机、特别是柴油内燃机的排气设备的排气处理装置,利用该排气处理装置可以在结构简单和紧凑的实施方案中确保对提供用于排气处理的系统区域的可靠加热。
根据本发明,该目的通过一种用于内燃机、特别是柴油内燃机的排气设备的排气处理装置来实现,该排气处理装置包括至少一个第一排气处理单元以及在该至少一个第一排气处理单元下游的排气处理组件,其中,所述至少一个第一排气处理单元和所述排气处理组件在包括所述至少一个第一排气处理单元和所述排气处理组件的流动路径的流动路径纵向轴线的方向上轴向依次地布置,其中,设有碳氢化合物引入组件,用于将碳氢化合物引入到在流动路径中流动的排气中,其中,所述碳氢化合物引入组件包括用于在所述至少一个第一排气处理单元下游以及在所述排气处理组件上游将碳氢化合物排放到流动路径中的碳氢化合物排放单元以及在流动路径中在碳氢化合物排放单元上游的涡流产生单元。
通过提供根据本发明构造的碳氢化合物引入组件,提供了如下可能性:在其氧化时释放热量的并因此有助于加热提供用于排气处理的系统区域的碳氢化合物、例如也要供应给内燃机的燃料被引入到排气流中并且与排气有效地充分混合。特别是在流动路径中定位于将碳氢化合物引入到流动路径中的位置上游的涡流产生单元有助于排气和水流的有效的充分混合,涡流产生单元将周向流动方向分量传递到在流动路径中流动的排气流,使得在周向方向上的流动方向分量与基本上在流动路径中在流动路径纵向轴线的方向上定向的排气主流动方向叠加。这导致涡流并基本上导致所述至少一个第一排气处理单元与排气处理组件之间的较长的流动路程,其被提供且应用于充分混合排气和碳氢化合物。
碳氢化合物排放单元可以在所述至少一个第一排气处理单元的排出区域和排气处理组件的进入区域之间轴向支撑在流动路径壳体上,使得碳氢化合物排放单元可以容纳在排气处理装置中,而基本上不会突出超过其外部轮廓。
为了进一步支持排气和碳氢化合物的有效的充分混合,用于排放碳氢化合物的碳氢化合物排放单元可被布置为具有基本上垂直于流动路径纵向轴线的或相对于流动路径纵向轴线基本上切向定向的主排放方向。
为了产生涡流,涡流产生单元可以包括多个流动偏转元件。
在此,为了涡流产生单元的有效且紧凑的实施方案,流动偏转元件可以在围绕流动路径纵向轴线的周向方向上依次地布置,或/和相对于流动路径纵向轴线基本上径向延伸地布置,或/和以星形构造布置。
对于一个稳定的实施方案可以设置为:涡流产生单元包括支撑在流动路径上的环状主体并且流动偏转元件在其径向外端部区域中连接到环状主体上,或/和流动偏转元件在其径向内端部区域中彼此连接,或/和涡流产生单元被构造为板材成形件。
对于排气处理装置的特别是在轴向方向上紧凑的实施方案,涡流产生单元可以布置在所述至少一个第一排气处理单元的排出区域处。
为了进一步降低在由内燃机排出的排气中所含的污染物含量,可以在排气处理组件的下游布置至少一个第二排气处理单元。
为了可以在至少一个第二排气处理单元中有效地进行催化清洁反应,可以在排气处理组件下游和至少一个第二排气处理单元上游设置排气/反应剂混合路段,其具有基本上在混合路段纵向轴线的方向上纵长延伸的混合通道和用于将反应剂排放到混合通道中的反应剂排放单元。
为了排气处理装置的紧凑实施方案,建议:混合路段纵向轴线基本上平行于流动路径纵向轴线,或/和流动路径和排气/反应剂混合路段彼此在轴向方向上基本上完全重叠,使得所述排气/反应剂混合路段的进入区域在所述混合路段纵向轴线的方向上与所述排气处理组件的排出区域基本上定位在相同的轴向区域中,并且所述排气/反应剂混合路段的排出区域在所述混合路段纵向轴线的方向上与所述至少一个第一排气处理单元的进入区域基本上定位在相同的轴向区域中。
如果混合通道中的排气主流动方向与流动路径中的排气主流动方向基本上相反地定向,则可以实现为排气处理装置提供的结构体积的有效利用。
此外,为此目的,所述至少一个第二排气处理单元可以在基本上平行于所述流动路径纵向轴线的排气处理单元纵向轴线的方向上纵长延伸并且基本上可在所述排气处理单元纵向轴线的方向上被穿流,并且所述至少一个第二排气处理单元和排气/反应剂混合路段可以彼此在轴向方向上基本上完全重叠,使得排气/反应剂混合路段的进入区域在混合路段纵向轴线的方向上与所述至少一个第二排气处理单元的排出区域基本上定位在相同的轴向区域中,并且所述排气/反应剂混合路段的排出区域在所述混合路段纵向轴线的方向上与所述至少一个第二排气处理单元的进入区域基本上定位在相同的轴向区域中。
为了提供流动连接,排气/反应剂混合路段的进入区域可以经由第一流动转向壳体与排气处理组件的排出区域连接,并且排气/反应剂混合路段的排出区域可以经由第二流动转向壳体与至少一个第二排气处理单元的进入区域连接。
为了在紧凑的结构形式情况下提高排气处理效率,可以横向于排气处理单元纵向轴线彼此并排地并且彼此在排气处理单元纵向轴线的方向上基本上完全重叠地设置至少两个可彼此平行地被穿流的第二排气处理单元。
至少一个排气处理单元可以包括至少一个SCR催化器单元或/和至少一个氨阻断催化器单元。此外,排气处理组件可以包括氧化催化器单元或/和颗粒过滤器单元。
为了在排气处理组件的横截面上尽可能均匀地引入与碳氢化合物充分混合的排气,可以在流动路径中在碳氢化合物排放单元的下游和排气处理组件的上游布置流动分配元件。
流动分配元件例如可以作为板材成形件构造为板状的并且基本上完全覆盖排气处理组件的进入区域。在流动分配元件中可以设置多个流动穿通开口。这些流动穿通开口可为了将排气或碳氢化合物均匀地引入排气处理组件中而构造有基本上相同的横截面并且基本上均匀地分配在流动分配元件上。
本发明还涉及一种用于内燃机、特别是柴油内燃机的排气设备,该排气设备包括至少一个根据本发明构造的排气处理装置。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明。在附图中:
图1示出用于内燃机的排气处理单元的部分敞开地示出的侧视图;
图2示出图1的排气处理装置的在流动方向上依次地且彼此基本上轴向重叠的系统区域的原理上的展开视图;
图3示出沿图1中的线III-III截取的图1的排气处理装置的原理性横截面图;
图4示出沿图1中的线IV-IV截取的图1的排气处理装置的透视横截面图。
具体实施方式
在图1中可以看到用于排气设备12、特别是用于柴油内燃机的排气处理装置10的侧视图。这种排气处理装置10例如可以设置在商用车或货车的排气设备12中。在图2和图3中示出排气处理装置10的原理图,其中,图2示出基本上在排气处理装置纵向轴线L1的方向上纵长延伸的排气处理装置10的周向展开。
排气处理装置10包括总体上由14表示并且在流动路径纵向轴线L2的方向上纵长延伸的流动路径,该流动路径具有单件式的或由多个部件组成的、基本上管状的流动路径壳体16。在流动路径14的上游端部区域18处,引入壳体20连接到流动路径壳体16上。由内燃机排出的排气A经由引入壳体20引入到排气处理装置10或流动路径14中。在流动路径14的下游端部区域22中,第一转向壳体24连接到流动路径壳体16上。在第一转向壳体24中,穿流流动路径14的或从该流动路径离开的排气A转向约180°并被引入到排气/反应剂混合路段26中。排气/反应剂混合路段26在管状的混合路段壳体28中包括在混合路段纵向轴线L3的方向上纵长延伸的混合通道30。在排气/反应剂混合路段26的上游端部区域32处,以例如支撑在第一转向壳体24上的方式设置通常也称为喷射器的反应剂排放单元34,通过该反应剂排放单元将反应剂R、例如尿素/水溶液喷射到混合通道30中。为了支持排气A和反应剂R的充分混合,可以在混合路段壳体28中布置例如包括多个偏转叶片等的混合器36。
在排气/反应剂混合路段26的下游端部区域37中,混合路段壳体28连接到第二转向壳体38上。在第二转向壳体38中,发生排气流再次转向约180°。在所示的实施例中,排气通过第二转向壳体38被引入到两个可被彼此平行穿流的第二排气处理单元40、42中。每个第二排气处理单元40、42包括管状的且在相应排气处理单元纵向轴线L4、L5的方向上纵长延伸的排气处理单元壳体44、46。排气处理单元壳体44、46的相应上游端部区域提供第二排气处理单元40、42的相应进入区域48、50,并且排气处理单元壳体44、46的相应下游端部区域提供第二排气处理单元40、42的相应排出区域52、54。它们朝引出壳体56敞开,在排气处理装置10中处理过的排气A通过该引出壳体离开排气处理装置10到达排气设备12的另外的系统区域、例如一个或多个消音器等。
图1和图3示出,在排气处理装置10中,流动路径14、排气/反应剂混合路段26和第二排气处理单元40、42定位为,使得其纵向轴线L2、L3、L4、L5相对于彼此并且相对于排气处理装置纵向轴线L1基本平行,并且它们在轴向方向上基本上完全重叠。这意味着,排气/反应剂混合路段26的进入区域58与布置在流动路径14中的排气处理组件62的排出区域60基本上在相同的轴向区域中,并且排气/反应剂混合路段26的排出区域64与布置在流动路径14中的第一排气处理单元68的进入区域66基本上在相同的轴向区域中。同样,排气/反应剂混合路段26的排出区域64与第二排气处理单元40、42的进入区域48、50基本上在相同的轴向区域中,而排气/反应剂混合路段26的进入区域58与第二排气处理单元40、42的排出区域52、54基本上在相同的轴向区域中。
布置在流动路径14或流动路径壳体16中的第一排气处理单元68在所示实施例中在流动方向上或轴向地在流动路径纵向轴线L2的方向上依次包括SCR催化器单元70和氨阻断催化器单元72。经由引入壳体20引入流动路径14中的排气A基本上在流动路径14中沿排气主流动方向H1穿流第一排气处理单元68的两个催化器单元70、72,其中,在流动路径14中的排气主流动方向H1基本上平行于流动路径纵向轴线L2定向。当然,偏离该排气主流动方向H1的流动方向分量可能存在,例如在发生涡流或湍流的区域中。在排气设备12中,可以在排气处理装置10或SCR催化器单元70上游布置另一个反应剂排放单元,以便在SCR催化器单元70上游将反应剂(例如尿素/水溶液)引入排气流中。
在第一排气处理单元68的两个催化器单元70、72的下游,在流动方向上依次地布置有排气处理组件62的氧化催化器单元74、特别是柴油氧化催化器单元和颗粒过滤器单元76。穿流流动路径14的排气A基本上在排气主流动方向H1上流动,首先经过氧化催化器单元74,然后经过颗粒过滤器单元76,然后其由第一转向壳体24向排气/反应剂混合路段26的方向转向。
应当注意,在排气处理装置10中,第一排气处理单元68和排气处理组件62两者可以不同于在所示实施例中那样构造。因此例如,第一排气处理单元68可以仅包括SCR催化器单元70。例如,排气处理组件62可以例如仅包括氧化催化器单元76。
排气处理装置10包括与流动路径相关联的总体上由78标示的碳氢化合物引入组件。该碳氢化合物引入组件包括通常也被称为喷射器的碳氢化合物排放单元80,其在至少一个第一排气处理单元68和排气处理组件62之间轴向定位在流动路径壳体16上。
碳氢化合物排放单元80将碳氢化合物K、例如也在内燃机中使用的燃料以喷雾形式或以液滴形式输入流动路径14中到至少一个第一排气处理单元68下游和排气处理组件62上游的区域中。在此,碳氢化合物K可以以图2中可见的主排放方向H2引入流动路径14,该主排放方向与流动路径纵向轴线L2基本上正交或相对于流动路径纵向轴线切向地定向,即可以具有周向定向分量。
碳氢化合物引入组件78还包括在第一排气处理单元68的下游、特别是覆盖其排出区域84的涡流产生单元82。在图4中可以看出的涡流产生单元82例如可以构造为板材成形件,并包括多个相对于流动路径纵向轴线L2基本上径向延伸的流动偏转元件86。流动偏转元件86可以在涡流产生单元82中构造为轴向(凸伸)成型部,在它们之间形成基本上径向延伸的例如槽状的开口96。在这些开口96的区域中,穿流第一排气处理单元68的排气可以流入流动路径14的引入碳氢化合物K的区域中。在径向外部区域中,流动偏转元件86连接到涡流产生单元82的环状主体90上,利用所述环状主体,这些流动偏转元件可以例如支撑在流动路径壳体16的内周处或在所述至少一个第一排气处理单元68的下游端部处。流动偏转元件86在径向内部彼此连接,从而获得例如构造为板材成形件的涡流产生单元82的基本上非常稳定的结构。
流动偏转元件86提供相对于流动路径纵向轴线L2设定的偏转面,该偏转面使基本上在排气主流动方向H1上从第一排气处理单元68离开的排气在周向方向上偏转,使得其具有叠加于排气主流动方向H1的周向流动方向分量。碳氢化合物K通过碳氢化合物排放单元80被喷射到排气A的该涡流中,并且因此由涡流一起引至在周向方向上或也在轴向方向上的流动。因此,实现了在第一排气处理单元68的排出区域84和排气处理组件62的进入区域90之间的体积区域内的在流动路径中的碳氢化合物K和排气A的有效的充分混合。
为了实现将掺有碳氢化合物K的排气A尽可能均匀地引入到排气处理组件62、特别是氧化催化器单元74中,在排气处理组件62的上游布置有基本上完全覆盖其进入区域90的板状流动分配元件92。例如构造为板材成形件的流动分配元件92被穿孔,从而具有多个流动穿通开口94,由排气A和碳氢化合物K形成的混合物通过该流动穿通开口进入排气处理组件62、特别是氧化催化器单元74中。流动穿通开口94基本上均匀地分配在流动分配元件92的表面上并且具有彼此间基本上相同的开口横截面。
通过在氧化催化器单元76中氧化在排气A中输送的碳氢化合物K,热量被释放,这一方面有助于氧化催化器单元76的加热,并因此确保其快速地达到对于催化反应所需的运行温度或有效地保持在该温度。另一方面,该热量的一部分可以由穿流氧化催化器单元76的排气朝向随后的系统区域、特别是排气/反应剂混合路段26和第二排气处理单元40、42的方向携带。在排气/反应剂混合路段26中,这可以有助于增加以液体形式注入的反应剂R的蒸发。在第二排气处理单元40、42中,其相应的SCR催化器单元98、100可以被有效地加热并更快地达到对于SCR反应所需的温度或保持在该温度。
利用根据本发明的排气处理装置的结构,一方面通过在排气流中添加碳氢化合物并且另一方面通过碳氢化合物与在排气处理装置中流动的排气的有效的充分混合来确保,通过分配在大面积上的碳氢化合物的氧化可以基本上均匀地释放热量,这可用于加热排气处理装置10的提供用于进行催化反应的各种不同的系统区域。通过以上述方式将碳氢化合物引入组件集成到流动路径中,实现或维持了排气处理装置的紧凑实施方案,其中确保了流动原理,其使在也包括碳氢化合物引入组件的流动路径中的排气主流动方向H1基本上与在排气/反应剂混合路段中的排气主流动方向H4相反地定向,而在第二排气处理单元中的排气主流动方向H5与在流动路径中的排气主流动方向H1相同定向,但与在排气/反应剂混合路段中的排气主流动方向H4相反定向。因此可以确保,在轴向非常紧凑的结构形式中,由于碳氢化合物的引入以及由于碳氢化合物与排气的有效的充分混合,可以实现或维持在内燃机或排气设备的各种运行情况下排气中污染物含量的法定极限值。
Claims (18)
1.一种用于内燃机、特别是柴油内燃机的排气设备的排气处理装置,包括至少一个第一排气处理单元(68)和在所述至少一个第一排气处理单元(68)下游的排气处理组件(62),其中,所述至少一个第一排气处理单元(68)和所述排气处理组件(62)在包括所述至少一个第一排气处理单元(68)和所述排气处理组件(62)的流动路径(14)的流动路径纵向轴线(L2)的方向上轴向依次地布置,其中,设有碳氢化合物引入组件(78),用于将碳氢化合物(K)引入到在流动路径(14)中流动的排气(A)中,其中,所述碳氢化合物引入组件(78)包括用于在所述至少一个第一排气处理单元(68)下游和所述排气处理组件(62)上游将碳氢化合物(K)排放到所述流动路径(14)中的碳氢化合物排放单元(80)和在所述流动通道(14)中在所述碳氢化合物排放单元(80)上游的涡流产生单元(82)。
2.根据权利要求1所述的排气处理装置,其特征在于,所述碳氢化合物排放单元(80)轴向在所述至少一个第一排气处理单元(68)的排出区域(84)和所述排气处理组件(62)的进入区域(90)之间支撑在流动路径壳体(16)上。
3.根据权利要求1或2所述的排气处理装置,其特征在于,用于排放碳氢化合物(K)的所述碳氢化合物排放单元(80)被布置成具有与所述流动路径纵向轴线(L2)基本上正交的或相对于所述流动路径纵向轴线(L2)基本上切向定向的主排放方向(H2)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的排气处理装置,其特征在于,所述涡流产生单元(82)包括多个流动偏转元件(86)。
5.根据权利要求4所述的排气处理装置,其特征在于,所述流动偏转元件(86)在围绕所述流动路径纵向轴线(L2)的周向方向上依次地布置,或/和所述流动偏转元件(86)相对于所述流动路径纵向轴线(L2)基本上径向延伸地布置,或/和所述流动偏转元件(86)以星形构造布置。
6.根据权利要求4或5所述的排气处理装置,其特征在于,所述涡流产生单元(82)包括支撑在所述流动路径上的环状主体(88),并且所述流动偏转元件(86)在其径向外端部区域中连接到所述环状主体(88)上;或/和所述流动偏转元件(86)在其径向内端部区域中彼此连接,或/和所述涡流产生单元(82)被构造为板材成形件。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的排气处理装置,其特征在于,所述涡流产生单元(82)布置在所述至少一个第一排气处理单元(68)的排出区域(84)处。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的排气处理装置,其特征在于,在所述排气处理组件(62)下游布置至少一个第二排气处理单元(40,42)。
9.根据权利要求8所述的排气处理装置,其特征在于,在所述排气处理组件(62)下游和所述至少一个第二排气处理单元(40,42)上游设置排气/反应剂混合路段(26),所述排气/反应剂混合路段具有在混合路段纵向轴线(L3)的方向上基本上纵长延伸的混合通道(30)和用于将反应剂(R)排放到所述混合通道(30)中的反应剂排放单元(34)。
10.根据权利要求9所述的排气处理装置,其特征在于,所述混合路段纵向轴线(L3)基本上平行于所述流动路径纵向轴线(L2),或/和所述流动路径(14)和所述排气/反应剂混合路段(26)彼此在轴向方向上基本上完全重叠,使得所述排气/反应剂混合路段(26)的进入区域(58)在所述混合路段纵向轴线(L3)的方向上与所述排气处理组件(62)的排出区域(60)基本上定位在相同的轴向区域中,并且所述排气/反应剂混合路段(26)的排出区域(64)在所述混合路段纵向轴线(L3)的方向上与所述至少一个第一排气处理单元(68)的进入区域(66)基本上定位在相同的轴向区域中。
11.根据权利要求9或10所述的排气处理装置,其特征在于,在所述混合通道(30)中的排气主流动方向(H4)基本上与在所述流动路径(14)中的排气主流动方向(H1)相反地定向。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的排气处理装置,其特征在于,所述至少一个第二排气处理单元(40,42)在基本上平行于所述流动路径纵向轴线(L2)的排气处理单元纵向轴线(L4,L5)的方向上纵长延伸并且基本上能够在所述排气处理单元纵向轴线(L4,L5)的方向上被穿流,并且所述至少一个第二排气处理单元(40,42)和所述排气/反应剂混合路段(26)在轴向方向上彼此基本上完全重叠,使得所述排气/反应剂混合路段(26)的进入区域(58)在所述混合路段纵向轴线(L3)的方向上与所述至少一个第二排气处理单元(40,42)的排出区域(52,54)基本上定位在相同的轴向区域中,并且所述排气/反应剂混合路段(26)的排出区域(64)在所述混合路段纵向轴线(L)的方向上与所述至少一个第二排气处理单元(40,42)的进入区域(48,50)基本上定位在相同的轴向区域中。
13.根据权利要求12所述的排气处理装置,其特征在于,所述排气/反应剂混合路段(26)的进入区域(58)通过第一流动转向壳体(24)与所述排气处理组件(62)的排出区域(60)连接,并且所述排气/反应剂混合路段(26)的排出区域(64)通过第二流动转向壳体(38)与所述至少一个第二排气处理单元(40、42)的进入区域(48,50)连接。
14.根据权利要求12或13所述的排气处理装置,其特征在于,横向于所述排气处理单元纵向轴线(L4,L5)彼此并排地并且在所述排气处理单元纵向轴线(L4,L5)的方向上基本上完全重叠地设置至少两个能够被彼此平行穿流的第二排气处理单元(40,42)。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的排气处理装置,其特征在于,至少一个排气处理单元(68、40、42)包括至少一个SCR催化器单元(70、98、100)或/和至少一个氨阻断催化器单元(72),或/和所述排气处理组件(62)包括氧化催化器单元(74)或/和颗粒过滤器单元(76)。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的排气处理装置,其特征在于,在所述碳氢化合物排放单元(80)下游和所述排气处理组件(62)上游在流动路径(14)中布置有流动分配元件(92)。
17.根据权利要求16所述的排气处理装置,其特征在于,所述流动分配元件(92)构造为板状的并且基本上完全覆盖所述排气处理组件(62)的进入区域(90),其中,在所述流动分配元件(92)中设置多个、优选构造有基本上相同的横截面的并且基本上均匀地分配在所述流动分配元件(92)上的流动穿通开口(94)。
18.一种用于内燃机、特别是柴油内燃机的排气设备,包括至少一个根据权利要求1-17中任一项所述的排气处理装置(10)。
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