混合装置的制作方法

本发明涉及一种用于内燃机排气系统的混合装置，其包括混合区段，混合区段具有待定位在反应剂输出装置下游的混合区段入口区域和待定位在催化器装置上游的混合区段出口区域。

背景技术：

de10201044a1公开了一种用于内燃机的排气系统，在该排气系统中，在排气系统的一个长度区段中，管状内壁被同样为管状的外壁包围。内壁包围可被废气穿流的内部容积。在内壁和外壁之间形成同样可被废气穿流的外部容积。在内壁上游或在形成于内壁和外壁之间的外部容积上游设有涡旋发生器。涡旋发生器将从上游基本上直线流来的废气赋予了环周流动方向分量。根据要流向涡旋发生器的废气流速这样引导废气流，使得废气流在相对低的流速下基本上完全穿流内部容积，在极高的流速下基本上完全穿流外部容积，并且在中等流速范围内废气流被分布到内部容积和外部容积中。为了实现这点，涡旋发生器例如具有相对于要流向其的废气的流动方向倾斜并且以冠状成型结构布置的导向叶片。

为了减少内燃机、尤其是柴油内燃机的污染物排放，已知将废气与反应剂、如尿素/水溶液混合。在混合区段中反应剂与废气混合，在此，反应剂汽化或热分解并且主要产生氨，氨在定位于下游的scr(选择性催化还原)催化器装置中进行催化反应以降低有害氮氧化物的比例。尤其是在相对低的运行温度或环境温度下或反应剂的高配给率下存在反应剂不与废气高效混合或不分解的危险并且因此不能高效地提供选择性催化还原所需的氨。

技术实现要素：

本发明的任务在于，提供一种用于内燃机排气系统的混合装置，其确保反应剂和废气的高效混合以及反应剂的高效分解。

根据本发明，所述任务通过一种用于内燃机排气系统的混合装置来解决，该混合装置包括混合区段，其具有待定位在反应剂输出装置下游的混合区段入口区域和待定位在催化器装置上游的混合区段出口区域，所述混合区段包括包围内部容积的内壁和包围该内壁的外壁，所述内部容积可被废气或/和反应剂穿流，在内壁和外壁之间形成环状包围内部容积的外部容积，在内壁上设有可电激励的加热装置或/和在内壁上设有传热肋片成型结构。

本发明提供的措施可确保改善用于与废气混合的反应剂的汽化或分解的热条件。为此，一方面可电激励的加热装置可用于：其尤其是在废气或/和排气系统的引导废气的部件具有相对低的温度时运行，以便尤其是在这种运行状态下为反应剂的汽化或热分解提供足够的热能。当废气携带足够的热量或引导废气的部件通过废气流充分加热时，传热肋片成型结构的提供和因此供加热反应剂的相互作用表面的增大也会有助于改善向废气或反应剂中的热输入。

为了能够以简单的方式主动向混合装置中输入热量而提出，所述可电激励的加热装置包括至少一个可通过电激励加热的加热元件。这种加热元件例如可作为加热线圈、加热导体、加热带或加热套圈被提供并且主要由金属材料、陶瓷材料或半导体材料制成。

当例如至少一个加热元件设置在内壁外侧上时，沿内壁内侧被引导的废气流不会受到这种加热元件的妨碍。

将至少一个加热元件设置在内壁内侧上可确保热量尤其是被输入到内壁中的主要与反应剂发生热相互作用之处。此外，以这种方式在很大程度上避免了通过外壁向外部的热损失。

在一种结构上可简单实现的实施方式中可规定，至少一个加热元件包括螺旋状包围内壁纵向中轴线的加热导体。

如果热需求在混合区段的大约整个长度上大致恒定，则建议加热导体的线圈螺距沿内壁纵向中轴线方向至少局部地大致恒定。

如果热需求在混合区段的长度上变化，则加热导体的线圈螺距可沿纵向中轴线方向变化。在这种实施方式中，例如在内壁的至少一个长度区域中加热导体的线圈螺距可沿主流动方向优选大致连续地增加。

在另一种实施方式中，至少一个加热元件可包括蛇曲状缠绕的加热导体。

为了向内壁中非常均匀地输入热量，根据本发明规定，至少一个加热元件包括覆盖内壁外表面至少50％、优选至少80％的面状加热元件，或/和包括覆盖内壁内表面至少50％、优选至少80％的面状加热元件。

在一种在结构上可简单实现并能将输入的能量高效转换成热量的实施方式中提出，内壁是导电的并且构成加热元件。

为了在这种实施方式中确保整个内壁有助于基本上均匀地导电和因此加热，可规定，在内壁的纵向端部区域上形成优选在内壁整个环周上延伸的接触导通区域或在环周区域内中断的内壁纵向边缘区域上形成优选在内壁整个纵向延伸尺寸上延伸的接触导通区域。这种接触导通区域例如可通过材料增厚实现，即比在内壁其它区域中更大的材料厚度。

至少一个加热元件可以是ptc加热元件。在此以特别有利的方式利用这种ptc加热元件的电阻特性，其在一个温度范围内具有明显的渐进增加并因此导致流过这种加热元件的电流的自限制。由此例如可在不必进行温度控制的情况下将主动加热的内壁温度设定在约300℃的温度范围内。为此例如可使用钛酸钡作为这种ptc加热元件的构造材料。

当外部容积被封闭以防被废气或/和反应剂穿流时，外部容积主要构成隔热间隙，其应尽可能地减小向外部的热损失。

当外部容积可被废气或/和反应剂穿流时，则该容积也可用于将热量传递到也在内壁外侧绕流内壁的废气或反应剂上。

在此特别有利的是，所述传热肋片成型结构包括多个在内管外侧上沿环周方向相继设置的传热肋片。

所述传热肋片例如可构造成板状的或/和可相对于内壁纵向中轴线大致从内壁外侧径向向外延伸地设置。

在一种替代实施方式中，所述传热肋片在内壁外侧上波浪状地包围内壁设置，由此可提供相对大的热传递表面。

废气或反应剂与传热肋片成型结构的一种特别高效的热相互作用可如下实现：沿内壁纵向中轴线方向相继设置多组传热肋片，直接相继的组的传热肋片沿环周方向相对于彼此错开或/和在直接相继的组中传热肋片具有互不相同的环周距离，从而在沿流动方向相继的各组的过渡处，在与传热肋片表面的热相互作用中产生的边界层不断变化。

一方面为了能够提供大表面并且另一方面尽可能少地阻碍混合区段中的废气流而提出，传热肋片具有大致沿内壁纵向中轴线方向延伸的传热表面。

当传热肋片在径向外部贴靠在外壁的内侧上时，传热肋片成型结构可同时用于将内壁保持在外壁中。优选在此至少一部分传热肋片在径向外部具有沿内壁纵向中轴线方向轴向受限的支撑区域，所述支撑区域用于相对于外壁的支撑，以避免过多的热量传递到外壁上。

外壁或/和内壁可构造成管状的。

本发明还涉及一种用于内燃机的排气系统，其包括反应剂输出装置、反应剂输出装置下游的scr催化器装置以及在反应剂输出装置和scr催化器装置之间的根据本发明构造的混合装置。

附图说明

下面参考附图详细阐述本发明。附图如下：

图1以原理图示出具有混合区段的排气系统局部；

图2示出一种替代构造的混合区段的原理图；

图3示出混合区段的内壁，在其内侧上设有加热装置的加热元件；

图4示出混合区段的内壁，其上设有加热装置的加热元件；

图5示出混合区段的内壁，其上设有加热装置的加热元件；

图6示出混合区段的内壁，其上设有加热装置的加热元件；

图7示出混合区段的内壁，其上设有加热装置的加热元件；

图8示出在内壁上设有传热肋片成型结构的混合区段；

图9示出设置在内壁上的传热肋片成型结构的两种不同实施方式；

图10示出混合区段内管的透视图，该内管在其外侧上设有传热肋片成型结构的传热肋片组。

具体实施方式

图1以原理图示出例如车辆中内燃机的整体以附图标记10表示的排气系统的一部分。该排气系统10包括反应剂输出装置12，通过其将反应剂、如尿素/水溶液添加到从更上游流来的废气a中。在反应剂输出装置12(其通常也称为喷射器)下游设有混合装置14，在该混合装置中反应剂r与废气a混合。在此，应汽化反应剂r中所含的水并使尿素热分解，从而产生氨并且通常也产生异氰酸，其可在热解反应中与汽化的水进行催化反应进一步转化为氨。由反应剂产生的氨在定位于下游的scr催化器装置16中进行催化转化，以降低废气流中有害氮氧化物的比例。

图1示出反应剂输出装置12可以以不同方式定位。其可如实线所示这样设置，使得反应剂r作为喷雾锥大致沿混合装置14或者说其混合区段18的纵向延伸方向射入。作为替代方案，如以虚线表示的装置12'和12”所示可进行倾斜喷射。

沿流动方向位于反应剂输出装置12和scr催化器装置16之间的混合区段18具有位于反应剂输出装置12下游的混合区段入口区域20和沿流动方向大致位于scr催化器装置上游的混合区段出口区域22。位于混合区段入口区域20和混合区段出口区域22之间的、根据本发明构造的混合装置14或者说其混合区段18构造成双壁的。在该区域中混合区段18包括例如构造为管或者说管状的外壁24和同样构造为管或者说管状的内壁26。外壁24和内壁26例如可构造成大致圆柱形的并且例如具有大致圆形的横截面。

内壁26包围内部容积28。在内壁26和外壁24之间形成环状包围内部容积28的外部容积30。在图1所示的实施例中这样构造混合区段18，使得不仅内部容积28而且外部容积30都可被废气a或反应剂r穿流。但优选在此规定，反应剂输出装置12这样定位或这样输出反应剂r，使得反应剂主要润湿内壁26的内侧32，即在以喷雾锥形式输出时主要撞击在内壁26的内侧32上。

混合装置14还包括可电激励的加热装置34。在图1所示实施例中，可电激励的加热装置34包括例如以加热导体形式的加热元件38，加热元件定位在内壁26的外侧36上并以大致恒定的线圈螺距螺旋状地包围内壁26。加热元件38尤其是可构造为套加热导体，其具有例如待通过焊接安装到内壁26上的金属外套和绝缘设置在金属外套中的加热丝。在电激励时，加热元件38加热内壁26，使得撞击在内壁26上的反应剂r可吸收热量。因为在混合区段入口区域20处进入混合区段18的一部分废气a沿内管26的外侧36流动、即穿流外部容积30，所以这部分废气a也可将热量传递到内管28上。

通过将加热装置34配置给内管26，确保了由加热装置34提供的基本上所有热能都被输入内管26并通过内管输入废气a或反应剂r中。可在很大程度上避免通过外壁24的热损失。此外，通过双侧绕流内管28而显著增加了可用于从废气a吸收热量的表面积，从而尤其是在废气a已经携带足够热量并且因此不需要激励加热装置34的运行阶段中也确保了向润湿内管36的反应剂r充分传递热能。为此例如可规定，穿流外部容积30的废气a比例处于总流量的20％至30％范围内，从而废气a的主要部分、即约70％至80％穿流内部容积28。由于内管26大致平行于外管24设置，因而避免了显著妨碍废气流。

在混合区段入口区域20中可设置上面参考现有技术解释的涡旋发生器，其确保穿流外部容积30的废气比例根据流速并且因此也根据排出废气a的内燃机负荷状态而改变、尤其是增加。

图2示出一种替代实施方式。即使在该实施方式中，内壁26在其外侧36上也被加热装置34的加热元件38螺旋状包围。但形成于内管26和外管24之间的外部容积30构造成不能被废气穿流。因此，外部容积30主要构成隔热间隙，其应在很大程度上防止向外部的热损失。即使在该实施方式中，加热装置34也可用于通过主动加热、即通过加热装置34输入热量来确保反应剂r的充分汽化或分解，尤其是在引导废气的部件如内管26或外管24相对冷或以反应剂r的高配给率工作的运行状态中。

下面参考图3至7说明加热装置34的各种设计。

图3示出一种实施方式，在其中，加热装置34的再次作为螺旋状加热导体提供的加热元件38设置在内壁26的内侧32上并且例如材料锁合地、如通过焊接固定在其上。因此，加热元件38也显著更多地暴露于废气a或反应剂r的流动中，这可提高热传递。将螺旋状缠绕的加热元件38设置在内壁26的内侧32上还具有以下优点，即主要撞击在内侧32上的反应剂r在其通过废气流引起的运动中沿内壁26内侧32在通过加热元件38的各个线圈预规定的、相应螺旋状的路径上被输送，因此显著增加了反应剂与内壁26内侧32相互作用的路程。

在图3中还可看出，加热元件38的线圈螺距可变化。在内壁26的左侧部分中螺距在一个长度区域内恒定，而螺距向右增加，使得各个线圈之间的距离相应增加。这通过该方式在由于相对大量反应剂r撞击而优选输入更多热量的地方变得可行，这也通过更大的线圈密度来保证。在沿主流动方向h(其大致相应于内壁26纵向中轴线l的延伸方向)位于更下游的部分中基于较低的线圈密度或更大的螺距而向内壁26中的热量输入也相应减少。通过该方式可调节热量输入，使得在优选输入更大热量的区域中通过相应较小的螺距和因此更高的线圈密度来实际实现更大的热量输入。

应指出，这当然也可在加热元件38如图1和2所示设置在内壁26的外侧36上时实现，无论外部容积30是否可被废气或反应剂穿流。

图4示出一种替代实施方式。其示出例如再次构造为套加热元件的加热元件38，该加热元件在内壁26上构成有大致沿环周方向来回延伸的蛇曲状结构。加热元件38可在这种设计中设置在内侧32上，但优选设置在内壁的外侧36上。

图5示出一种相应的设计。在此，设有蛇曲状结构的加热元件38这样定位，使得加热元件构造成大致沿内壁26的纵向中轴线l方向蛇曲状地来回延伸。

在图4和5所示的布置中，也可以以简单的方式通过相应加热元件38的蛇曲状区段39彼此间的距离或者说变化的距离相应改变向内壁26中的热能输入，即在优选输入更大热量的区域中设置比在其它区域中更大密度的蛇曲状区段39。

图6示出加热装置34的另一种替代实施方式。在加热装置34的这种实施方式中，内壁26本身构成加热装置34的加热元件38。内壁26通常由导电材料、如由金属板材料制成。在内壁26的两个纵向端部区域40、42中形成接触导通区域44、46，内壁26在接触导通区域中电连接。为了确保内壁26环周上均匀的电流传导或加热，接触导通区域44、46例如可通过材料增厚实现，从而优选的电流传导在这些接触导通区域44、46中沿环周方向并且随后在接触导通区域44、46之间进行。增厚例如可通过在接触导通区域44、46中施加附加材料实现。

在图7所示实施方式中，大致管状的内壁26在环周区域48中中断并且在该区域中具有彼此相对置的纵向边缘区域50、52。在这些例如大致沿内壁26纵向中轴线l方向延伸的纵向边缘区域50、52上例如通过材料增厚实现接触导通区域44、46，从而可确保内壁26总长度上大致均匀的电流传导和因此大致均匀的加热。图7中所示的构成加热元件38的内壁26实施方式可特别有利地与图1中以附图标记12”表示的反应剂输出装置的布置组合使用。在此，反应剂输出装置12”和内壁26可这样相对于彼此定位，使得反应剂输出装置12”将反应剂r在环周区域48中穿过那里的间隙喷入内部容积28中。

因此，具有例如由内壁26构成的、大致面状的加热元件的加热装置40的实施方式是特别有利的，这是因为在通过与撞击其上的反应剂r更剧烈相互作用而进行更强冷却的表面区域中电阻也将相应减小并且因此在这些区域中形成优选的电流传导，从而在这些热负荷更重的区域中将产生相应更强的加热。一个相应效果例如也可这样实现，即，将面状加热元件(优选在中间设有电绝缘层的情况下)施加在本身原则上不起加热元件作用的内壁26表面上。这种具有导电的并因此构成加热元件的材料(如ptc材料)的表面涂层例如可覆盖内壁26内侧或/和其外侧表面的至少50％、优选至少80％。

下面参考图8至10说明混合装置14的一些设计，在这些设计中，通过增加内壁26表面积而加强了向内壁26的热传递或加强了内壁26与反应剂r的热相互作用。应指出，下面解释的方面可单独在技术上实施，但当然也可结合上述关于提供可电激励加热装置的方面实施。

图8中所示的混合装置14包括内壁26和包围它的外壁24。在内壁26的外侧36上设有传热肋片成型结构54，其包括多个在内壁26外侧36上大致径向向外突出并且沿内壁26纵向中轴线l方向延伸的传热肋片56。这些传热肋片56因此大致在可被废气穿流的外部容积30内延伸。在此，在外部容积30中流动的废气a将热量传递给被其绕流的传热肋片56上。因此，在外部容积30中流动的废气a中携带的热量也可用于进一步改善主要撞击在内管26内侧32上的反应剂r的汽化或热分解。由于传热肋片56连同尤其在两侧形成的传热表面58大致沿内管26纵向中轴线l方向延伸，因此它们基本上不妨碍废气流动。

图9在其上部和下部中示出传热肋片成型结构54的两种不同设计。在图9的上部可看到也可在图8中看到的传热肋片56，其在两侧形成传热表面58。传热表面从内壁26的外侧36起大致径向向外延伸并且例如可这样确定其尺寸，使得其基本上不接触外壁24，从而尽可能避免热量传递到外壁24。

在图9下部所示设计中，传热肋片成型结构54这样构造，使得其以其传热肋片58大致波浪状地包围内壁26。例如传热肋片成型结构54可通过这种波浪状结构或者说蛇曲状弯曲的传热金属板实现，该金属板例如通过焊接而固定在内壁26外侧36上。因此，在波浪状结构中产生可被废气a均匀穿流的通道60，从而以波浪状结构实现的传热肋片成型结构54不仅在其内侧而且也在其外侧上提供相应的传热表面58。

在图9下部还可看出，在以波浪状结构实现的传热肋片56上或至少其中的一些上在相应顶点区域62中(在它们中相邻传热肋片56过渡到彼此之中)设有例如通过结节状成形部构成的支撑区域64，传热肋片成型结构54利用这些支撑区域并且内壁26通过这些支撑区域可支撑在外壁24上。例如可在这些区域中实现材料锁合连接，例如通过焊接。支撑区域64不仅沿环周方向、而且也沿轴向方向受限，即明显短于传热肋片54，从而使传热肋片成型结构54和外壁24之间的传热接触最小化。

图10示出一种实施方式，在其中，沿内壁26纵向中轴线l方向相继设置多组66、68、70沿环周方向相继的传热肋片56。在各个组66、68、70中，相应设置在其中的传热肋片56优选与直接相邻的传热肋片56具有均匀的环周距离，在此与图10所示不同，各组66、68、70中的传热肋片56当然分布设置在整个环周上。直接相邻的组66、68、70的传热肋片56沿环周方向彼此错开。直接相邻的组66、68、70的传热肋片56也可相应具有互不相同的环周距离。

通过提供这样的传热肋片56组66、68、70可实现：在每个组到直接相邻组的过渡区域中消除前面存在的、沿相应传热表面58的界面流动并在下一组处形成新的界面流动，从而可实现更高效的热传递。在此，例如可这样设置沿纵向中轴线l方向相继的组66、68、70，使得它们相应的传热肋片56沿纵向中轴线l方向不重叠，如图10所示。作为替代方案，各组66、68、70也可沿纵向中轴线l方向相互嵌套，即彼此交错，由此可实现设置在内壁26外侧36上的传热肋片56的更大密度。另外，在根据图10的实施方式中，传热肋片56可具有所示的板状结构10或如图9下部所示的波浪状结构。