专利名称：用于在内燃机的废气中减少氮的氧化物成份的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在内燃机的待冷却的废气中催化还原氮的氧化物(NOx)的装置。
当碳氢化合物在例如可为柴油机或汽油机的内燃机中燃烧时，除了主要的燃烧产物二氧化碳和水蒸汽外，还产生有一部分是非所希望的副产品。除了燃烧的进行过程外，氮氧化物的成份还取决于空气/燃料比。在空气亏欠时，废气含有较多的二氧化碳和碳氢化合物，而在空气过剩时，则二氧化碳和碳氢化合物差不多完全氧化。废气中的氮氧化物的含量在略稀的混合气成分范围内有一最大值。但是，在此范围内，对于内燃机，尤其是汽油机，有一消耗率(spezifischen verbrauch)的最佳值。因此，如果特别是将汽油机调节至最佳的低消耗，也可能在废气中存在高的NOx浓度。
为了减少内燃机废气中的NOx含量，例如通过EP0487886A1知道，有可能在采用尿素和一种还原催化器的情况下，在含氧的废气中有选择地催化还原NOx。尿素在与还原催化器接触之前定量地水解成氨和二氧化碳，其中，该催化器为一催化转换器。采用尿素有这样的优点，即避免在机动车辆中一起携带氨并不需要进行要求有相应的安全防护措施的氨的制备。
用尿素作为还原剂有这样的问题，即在催化转换器的前面直接喷射尿素时，能产生非所希望的反应产物。此处，可能在尿素热分解时产生固体。
为了避免这一问题，DE4203807A推荐了一种装置，用于催化还原内燃机的含有氮的氧化物的废气。该装置有一催化转换器和一供应装置，该供应装置将液态尿素微细地喷溅至布置在催化转换器前面的蒸发器上。
蒸发器构造成流动混合器的形状，由此可以提高尿素分解的效率。作为流动混合器构成的、下面称为“混合器”的蒸发器，按照DE4203807A1，最好如此构成，以使在混合器内引起紊流和径向和/或切向的流动分量，以致能尽可能快速而完全地对尿素溶液实现热传递。此外，沿蒸发器和布置在蒸发器后面的水解催化器的整个横截面产生尽可能均匀的尿素溶液和由其形成的气体的分布。
内燃机的含有离开水解催化器流体的废气以及氨和二氧化碳被送入一催化转换器中，在其中另外还进行氮氧化物的还原。
由此出发，本发明的目的在于，进一步提高用于催化还原内燃机的含有氮氧化物的废气的装置的效率。
此目的将通过按照本发明的、具有权利要求1的特征的用于催化还原内燃机的含有NOx的废气的装置来达到。该装置的有益的改进和设计为从属权利要求的对象。
按照本发明的用于催化还原内燃机的含有NOx的废气的装置有一排气管，该排气管的一端可与内燃机的至少一个废气出口连接。设有一供应装置，还原剂特别是尿素可通过它送入排气管中。此外，装置还有至少一个混合器，该混合器沿废气的流动方向看去布置在将还原剂送入排气管的部位的下游，其中，混合器有许多可流过流体的通道。在至少一个混合器的后面，布置至少一个催化转换器。按照本发明的装置的突出优点为，在混合器与转换器之间至少设置一个扩散器(Diffusor)，该扩散器有许多可流过废气的通道，该通道有一沿流动方向逐渐加大的横截面。
通过装置的按照本发明的构形可以做到，离开至少一个混合器的、含有内燃机的废气和还原剂的分解产物，特别是氨和二氧化碳的流体可均匀地运送至催化转换器中。由此可以做到，流体沿催化转换器的整个横截面比较均匀地流过催化转换器，从而可以均匀地利用催化转换器。
通过有许多可流过流体的、具有沿流动方向逐渐加大的横截面的通道的扩散器，流体可非常均匀地在催化转换器的入口侧均匀分布。此时，扩散器的压力损失比较少。
按照一个有利的设计，建议使扩散器的入口的自由流动截面至少与混合器的出口的自由流动截面相当。由此可以做到，在混合器与扩散器之间的过渡区，压力损失比较少。
按照本发明的另一个有利的设计，建议扩散器在入口处有一与混合器的栅格(Zelledichte)对应的栅格密度。由此可以避免有进一步的压力损失。
按照装置的另一个有利的构形，建议使扩散器的入口处的单个通道的截面形状基本上与混合器的出口处的单个通道的截面形状对应。最好是扩散器的入口处的单个通道的至少一部分与混合器的出口处的单个通道的一部分对准。通过混合器和扩散器这种布置和构形可以做到，混合器的通道准过渡至扩散器的通道。由此，扩散器与混合器之间的过渡区中的压力损失还要进一步减少。
为了更进一步改进尿素与废气的混合，建议使扩散器的通道相对于混合器的出口处的通道偏置。由此可以做到，该从混合器的通道出来的流线在扩散器的入口处分裂成更多的分流动。该分流动将与其它通过从混合器出来的其它流线的分割而形成的分流动混合。
由于通道在扩散器中沿流动方向扩大，故还可以做到，扩散器在一个通道中有一定的流体混合作用，由于流动速度在扩散器中减小，故流动速度与扩散速度之间的比值沿扩散速度的方向移动。
按照本发明的装置最好有一扩散器，它通过一外壳和至少一叠彼此堆叠的平滑的和做成波纹的(金属)薄板层形成。扩散器的构形可对应于通过WO89/02978或对应于WO93/20339已知的扩散器的构形形成。这些文献的内容也将成为本发明的说明内容。
为了更进一步地改善流体的混和，按照又一个有利的构形建议，扩散器的通道的至少一部分在流动技术上是彼此连接的。
扩散器的通道通过通道壁来界定。最好是，通道壁的至少一部分有开口。特别建议，开口的至少一部分配有导向表面，该导向表面与通道壁或倾斜地延伸。通过这些导向表面，可以做到使流动以一个通道偏移到一相邻的通道中。
为了做到流体沿扩散器的径向尽可能快地混合，建议在做成波纹的(金属)薄板间设置平滑的(金属)薄板，该平滑的金属薄板至少部分地做成网状的。平滑的金属薄板层可通过可压延的金属形成。
按照本发明的另一有利的构形，建议将扩散器基本直接布置在混合器后面。
本发明的其它细节和优点将根据在图中示出的实施例予以说明。其中，具体地示出，
图1示意地示出用于催化还原内燃机的含有氮的氧化物的废气的装置，图2用纵向剖视图示出一混合器，图3用正视图示出一混合器，它具有螺旋形延伸的金属薄板层，图4用纵向剖视图示出一混合器，它具有流动偏转部位，该偏转部位在局部区域是向外的，在局部区域是向内的，图5用正视图示出一混合器，它具有S形薄板层，图6用透视图示出扩散器的一种实施形式，图7用横截面视图示出扩散器的另一种实施形式，图8示意示出一金属薄板层的实施形式的片段，它们适用于混合器或扩散器，图9示出用于混合器或扩散器的做成波纹的和平滑的金属薄板层的第二实施例。
图1示意地示出用于催化还原内燃机的含有NOx的废气的装置。装置有一排气管1，排气管的一端与未示出的内燃机的至少一个废气出口连接。用箭头示出废气在排气管1中的流动方向。
还原剂特别是尿素可通过一个供应装置3送入排气管中。供应装置有一供应管路4，该管路伸入排气管中。在管路4的自由端设置一喷嘴，特别是一喷射喷嘴。
在排气管1中设置一混合器2。它沿废气的流动方向看去布置在还原剂供应装置的下游。喷嘴5要如此取向，以使它沿废气流动方向将还原剂喷入或注入废气中。
混合器2有许多流体可流过的通道9。
在图1中示出，在混合器2后面，宜接连接一扩散器6。扩散器6有许多废气可以流过的通道21，该通道有沿流动方向逐步扩大的横截面。
布置在扩散器6后面的是一个催化转换器7。转换器7也可以通过多个部分转换器形成，这些部分转换器布置成彼此隔开一段距离。
图2用纵向剖视图示意地示出一混合器的实施形式。混合器2是通过许多至少部分区域起纹理结构的金属薄板形成的，该薄板界定了废气可流过的通道9。至少通道9的一部分具有开口10。开口10配有导向表面，该导向表面与混合器2的纵向轴线成倾斜地延伸。混合器2在外面通过管形外壳8界定。在排气管1中流动的废气通常有一抛物线形流动截形曲线，以使得不是整个通道9都能得到均匀的体积流量。用纵向剖视图示意地示出的导向表面11的分布起着使流动截形曲线均匀化的作用，从而也起到使流体中所包含的分量均匀化的作用，即通过使从具有大的体积流量的靠里面的通道出来的部分流体朝较位于外面的、具有少的体积流量的相邻的通道偏移。
流体的这种分割可通过一蜂窝体达到，该蜂窝体至少在外部区域如图3示意地所示，由大体按渐开线形延伸的用平滑的金属薄板13和波纹的金属板14做成的叠层形成。通过图3的箭头表明，通过开口与导向表面的流动总是部分地朝相邻的、位于更外面的通道9分岔，由此，可以产生体积流量从内向外的均匀化，由此还可做到流体的彻底混合。
图4用纵向剖视图示意地示出混合器2的另一个实施形式。混合器2有开口10和导向表面11、13。通过混合器2可以做到流动的特别良好的混和。混合器2通过一金属峰房体形成，该峰房体布置在一管形外壳8中。混合器2由一基本为抛物线形的流动截形曲线12流过，它有许多通道9。
在混合器2的部分区域中，导向表面11要如此取向，以使体积流量的部分流体从内向外偏转，而在其它的部分区域中，体积流量则从外向内偏转，这特别在混合器2的下部示意地通过箭头示出。
根据图5中用正视图示出的混合器2，可以看出，混合器2通过弯曲成S形的金属薄板层形成。混合器有平滑的金属薄板层13和做成波纹形的金属薄板层14，它们布置成一堆叠体，其端部按相反的方向盘绕。在做成波纹的金属薄板层14中，在不同的侧面形成导向表面11和开口10并且它们有不同的取向，以使例如在通道9a、9b的两个相邻的层中分岔不同取向的部分流体。
图6用透视图和示意图示出一扩散器6的一个实施形式。扩散器6相对于轴线16做成锥形。它有一锥形的外壳17。在外壳17中布置一个堆叠体18，它按S形盘绕。此堆叠体18包括平滑的金属薄板19和做成波纹的金属薄板20。平滑的金属薄板19和做成波纹的金属薄板20界定通道21，该通道有一沿流动方向逐步加大的横截面。
关于这种扩散器的制造和构形，可参看WO93/20339。
图7示出扩散器6的另一种实施形式。扩散器6通过一外壳17形成，其中布置一堆叠体18。扩散器6做成锥形。用标号22代表用于流体的入口，用标号23代表用于流体的出口。堆叠体18在外壳17中通过周向的凸缘24夹持。凸缘24可通过外壳17卷边而制成。通过沿扩散器6的轴向延伸且在入口侧22形成的法兰25，扩散器6与一混合器2连接。
如果扩散器6同时用作使流体能沿径向和/或切向流动的流动混合器，则建议使堆叠体18如此形成，以使在做成波纹的金属薄板之间不布置封闭的、平滑的金属薄板。为了使堆叠体18稳定，建议如同在图8中示出的那样，在相邻的做成波纹的金属薄板14之间，在入口22和/或出口23处布置一金属薄板条26。该金属薄板条只沿扩散器6的轴向长度的一部分延伸。图8中所示的金属薄板层14有一波形，它具有波峰27和波谷28。如果沿轴向看波峰27，则可以看出，波峰27至少有一个用作流动分割器的变形29。它表明，在变形29处，流体流被向相邻的波谷28偏转。在变形29的前面，波峰在30处设有一开口，以使在22处流入的流体通过开口30流出并流经变形29。
所有波峰27或多个选取的波峰27都可设有这类变形29和开口30。沿轴向看去，一个波峰可以设有多个依次布置的变形和开口。
图8还另外示出，在波谷28中形成具有开口32的冲压段31，通过扩散器的这种构形，可以做到沿周向的混合，又有沿径向的混合。
图9示出一平滑的金属薄板19和一做成波纹的金属薄板20的又一种构形。平滑的金属薄板19做成网状。最好平滑的金属薄板19为一可压延的金属。
做成波纹的金属薄板20有一槽34。槽34的图是示意的。槽34最好在波峰27的侧面形成。也可以在做成波纹的板20中有多个依次形成的槽34。
槽34部分地由两个舌片35、36界定。舌片35、36做成从波纹的金属薄板20的平面向外弯。由引形成流动导向表面，该导向表面造成相邻的通道21之间的横向流动。由此达到一个在扩散器6周向的混合。沿径向的混合通过做成网状的平滑的金属薄板19达到。
参考符号表1 排气管2混合器3 供应装置 4供应管路5 喷嘴 6扩散器7 转换器8管形外壳9 9a、9b通道10开口11导向表面 12流动截形曲线13平滑的金属薄板14做成波纹的金属薄板15导向表面 16轴线17外壳 18堆叠体19平滑的金属薄板20做成波纹的金属薄板21通道 22入口23出口 24凸缘25法兰 26金属薄板条27波峰 28波谷29变形 30开口31冲压段32开口34槽35、36舌片
权利要求
1.用于催化还原内燃机的含有NOx的废气的装置，它有一排气管(1)，有一供应装置(3)，有至少一个混合器(2)，和至少一个催化转换器(7)，所述的排气管的一端可与内燃机的至少一个废气出口连接，通过供应装置可将还原剂特别是尿素送入排气管(1)中，该混合器沿废气的流动方向布置在将还原剂送入排气管(1)的部位的下游，其中，混合器有许多可流过流体的通道(9、9a、9b)，所述转换器布置在至少一个混合器(2)的后面，其特征为，在混合器(2)与转换器(7)之间至少设置一个扩散器(6)，该扩散器有许多可流过废气的通道(21)，该通道有一沿流动方向逐渐加大的横截面。
2.如权利要求1的装置，其特征为，扩散器(6)的入口(22)处的自由流动截面至少与混合器(2)的出口的自由流动截面相当。
3.如权利要求2的装置，其特征为，扩散器(6)在入口(22)处有一与混合器(2)的栅格密度对应的栅格密度。
4.如权利要求1、2或3的装置，其特征为，扩散器(16)的入口处(22)的单个通道(21)的截面形状基本上与混合器(2)的出口处的单个通道的截面形状对应。
5.如权利要求4的装置，其特征为，扩散器(6)的单个通道(21)的至少一部分在入口处(22)与混合器(2)的单个通道的一部分在出口处对准。
6.如权利要求1至5的任一项的装置，其特征为，扩散器(6)通过一外壳(17)和至少一由彼此叠置的平滑的和做成波纹的金属薄板(19、20)组成的堆叠体(18)形成。
7.如权利要求1至6的任一项的装置，其特征为，扩散器(6)的通道(21)的至少一部分在流动技术上彼此连接。
8.如权利要求7的装置，其特征为，通道(21)通过通道壁界定，其中，通道壁的至少一部分做有开口(30、32、34)，并且开口(30、32)的至少一部分配有导向表面(29、35、36)，所述导向表面与通道壁成倾斜地延伸。
9.如权利要求7或8的装置，其特征为，平滑的金属薄板层(19)至少局部做成网状。
10.如权利要求9的装置，其特征为，平滑的金属薄板层(19)由可压延的金属制成。
11.如权利要求1至10的任一项的装置，其特征为，扩散器(6)基本直接布置在混合器(2)后面。
全文摘要
为了催化还原内燃机的含有氮的氧化物的废气,推荐一种装置,它有一排气管(1),该排气管在其一端与内燃机的至少一个废气出口连接。还原剂特别是尿素通过供应装置(3)送入排气管(1)中。装置有至少一个混合器(2),它沿废气的流动方向布置在将还原剂送入排气管(1)的部位的下游。混合器(2)有许多流体可流过的通道(9)。在混合器的后面布置至少一个催化转换器(7)。在混合器(2)与催化器(7)之间设置至少一个扩散器(6),它有许多废气可流过的通道(21),该通道有沿流动方向逐步加大的横截面。
文档编号F01N13/02GK1370092SQ00811586
公开日2002年9月18日 申请日期2000年8月11日 优先权日1999年8月17日
发明者J·霍格森 申请人:排放技术有限公司