内燃机排气系统和用来准备引入到内燃机排气中的还原剂的方法
内燃机排气系统和用来准备引入到内燃机排气中的还原剂的方法
【专利摘要】本发明涉及一种内燃机排气系统和一种用来准备引入到内燃机排气中的还原剂的方法。根据本发明的排气系统包含带有第一圆柱形排气管管段(2)的还原剂准备段(1)，所述第一圆柱形排气管管段近似垂直地通过第二排气管管段(3)的圆柱周面中的开口(8)通入到第二排气管管段(3)中，其中在位于第一排气管管段(2)上的开口(8)前设置有注射单元(4)，用于将还原剂添加到排气中。根据本发明规定，第二排气管管段(3)的圆柱周面中的开口(8)在第二排气管管段(3)的纵向延伸方向上的延展大于横向于所述纵向延伸方向的方向上的延展。针对根据本发明的方法进行设计，在第二排气管管段(3)内形成旋转的排气流。
【专利说明】内燃机排气系统和用来准备引入到内燃机排气中的还原剂的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种内燃机的排气系统，所述排气系统为了引导排气包含第一圆柱形排气管管段和第二圆柱形排气管管段，其中添加了还原剂的排气可从第一排气管管段转移到第二排气管管段中。此外本发明还涉及一种用来准备引入到内燃机排气中的还原剂的方法。
【背景技术】
[0002]为进行排气后处理，通常在原始状态中向内燃机排气中添加液态还原剂，如矿物油燃料或含水的尿素溶液。其中在准备以液体状态引入的还原剂方面，在需要达到的均匀分布和蒸发方面存在问题。此外对含水的尿素溶液来说，还存在一问题，即通过水解和/或热分解从尿素中释放在选择性催化的氮氧化物还原中需要的氨。为解决这个问题，已经建议了多种带有准备段、混合器、蒸发器和水解催化器的排气系统变型。虽然已经有大量解决方案建议，但特别是在上述意义上在以液体状态添加到排气中的还原剂的准备方面还存在改进需求。
【发明内容】
[0003]因此本发明的任务在于提供一种装置和方法，通过它们能够尽可能好地准备添加到内燃机排气中的还原剂。
[0004]通过具有权利要求1所述特征的排气系统以及具有权利要求10所述特征的方法来解决上述任务。
[0005]根据本发明的排气系统包含第一圆柱形排气管管段和第二圆柱形排气管管段，用于引导排气。其中在第一排气管管段上设置注射单元，用于将还原剂添加到流经第一排气管管段的排气中。第二排气管管段包含圆柱周面、闭合的第一端部和开放的第二端部以及位于圆柱周面中的与闭合端部相邻的开口。第一排气管管段的开放端部与第二排气管管段形锁合地连接，使得从第一排气管管段的开放端部中流出的排气可以在相对于第二排气管管段的纵向延展至少近似垂直的方向上通过位于第二排气管管段的圆柱周面中的开口流入第二排气管管段中。由此在紧邻第一排气管管段与第二排气管管段的连接位置的位置，添加有还原剂的排气的主流动方向发生了至少近似90°的偏转，由此形成排气旋流，使排气中的还原剂得到充分混合。第二排气管管段的圆柱周面中的开口在第二排气管管段的纵向延展方向上的延展大于横向于所述纵向延展的方向上的延展。优选地，开口具有卵形或椭圆形的形状。但是在圆柱周面中也可设置近似矩形的横截面。其中优选地，纵向延展是横向延展的约1.5至4倍。由于该实施方式，在第二排气管管段中实现了形成特别稳定的旋转的排气旋流。这反过来又使得第二排气管管段的短结构或直至随后的排气清洁单元的短的管道长度成为可能，并由此实现了具有短的还原剂准备段的排气系统的紧凑结构。凭借旋流和由此导致的混合，可以有利地放弃用于在还原剂准备段中分配引入到排气中的还原剂的单独的混合器，并避免由此产生的压力损失。优选如此形成注射单元，使得它能够将优选地以液态方式存在的还原剂以精细雾化的方式注入或喷入排气中。
[0006]优选地，第一排气管管段的开放端部的边缘形状与第二排气管管段的圆柱周面中的开口的边缘形状相符合，两个排气管管段的(例如通过焊接完成的)形锁合连接是沿着上述形状存在的。优选地，第一排气管管段在第二排气管管段的圆柱周面上终止，因此不伸入第二排气管管段的内腔中。第二排气管管段的圆柱周面中的开口直接相邻地或以带有优选地为几毫米的短间距的方式设置在第二排气管管段的端侧封口上。由此可避免出现流动死区。为在其第一端部上闭合第二排气管管段，可设置遮盖管道横截面的、特别是平坦的盖子，盖子的法线方向与第二排气管管段的圆柱轴线(Zylinderachs)方向取向相同。第一排气管管段和第二排气管管段的横截面至少在它们的连接位置的区域内是至少近似相同的，但是优选地，它们之间的区别不超过系数1.5。优选地，从第二排气管管段的开放端部流出的排气被引导至催化排气净化单元，如SCR催化器、水解催化器、氧化催化器、氮氧化物存储式催化器或微粒过滤器。
[0007]在本发明的设计方案中，所述注射单元以小的间距设置在第一排气管管段和第二排气管管段的连接位置的上游。优选地，所述间距小于排气管管段中的任意一个的直径，特别地，小于上述直径的一半或三分之一。因此，可将还原剂准备段的结构体积或还原剂准备使用的、用于引导还原剂的管道长度保持为特别小。
[0008]在本发明的进一步设计方案中，以小的间距在第一排气管管段和第二排气管管段的连接位置的上游处在第一排气管管段内设置有至少一个板状的冲击元件，通过注射单元引入第一排气管管段中的还原剂碰撞到该冲击元件上。其中，板状的冲击元件作为蒸发器元件起作用。用于气化液态的、优选以小滴形式存在的还原剂所需的热能优选地通过与流入的排气之间的热交换来吸收。但是也可设计冲击元件的单独的加热。通过还原剂液滴在加热的冲击元件上的碰撞，产生还原剂的至少部分的蒸发，并额外地出现弹回的还原剂滴的液滴大小的变小。由此与主要以液滴形状存在还原剂相比，改进了还原剂在排气中的分布。此外，凭借与仅仅来自排气的热传导相比经改进的、从蒸发器板到碰撞的还原剂之间的热传递改进了蒸发过程。在冲击元件上就已经出现的至少部分还原剂的蒸发实现了进一步缩短还原剂准备段。优选地，冲击元件直接设置在第二排气管管段的圆柱周面中的开口的上方或前方。冲击元件的朝向第二排气管管段的端部例如可设置在开口面中或以在第一排气管管段的方向上相对于该方向错开几毫米(然而优选最多几厘米)的方式布置。该冲击元件可设计为平坦的或具有增大表面的压纹的金属板。此外，上述金属板可开槽或穿孔，或设有促进尿素水解或减少薄膜形成的涂层，例如二氧化钛涂层，或对金属板进行粗糙化处理。
[0009]在优选的进一步实施方式中，冲击元件设计为至少近似平坦，其中冲击元件平面的法向量至少近似垂直于排气流动方向。因此排气流动方向的方向向量大致位于冲击元件的平面中。由此可实现小的流动阻力。优选地，在第二排气管管段的圆柱周面中的开口的区域中，法向量的方向至少近似平行于第二排气管管段的圆柱轴线方向。
[0010]当在本发明的进一步的设计方案中设有多个冲击元件时，通过注射单元引入到排气中的还原剂的蒸发率可进一步提高。优选的，冲击元件互相平行，特别是相继齐平地并设置在第二排气管管段的圆柱周面中的开口上方。根据第二排气管管段的圆柱周面中的开口大小可设置两个至八个冲击元件。优选地，设置四个冲击元件。在由注射单元喷射的还原剂的锥形喷雾方面，如此设置冲击元件，即每个冲击元件都至少部分处在锥形喷雾的范围内并由此会有助于还原剂的蒸发。而为此优选的是，冲击元件的平面延展选择成不同的。在这种情况下，特别优选的是，随着与注射单元的间距增大，冲击元件的面积扩大。沿面法线的方向观察，在这个实施方式中，冲击元件仅覆盖临近的、紧跟着的冲击元件的面积范围的一部分。
[0011]在本发明的进一步的设计方案中，第一排气管管段的圆柱轴线在与第二排气管管段的连接位置的区域内对准第二排气管管段的横截面的中间区域。因此可以这样说，添加了还原剂的排气往第二排气管管段中的输送是在第二排气管管段的中间进行的。根据这一实施方式，在第二排气管管段内形成两个反向转动的排气流动旋流。这就使得还原剂在废气中的特别充分的混合。此外还相对于第二排气管管段的几何长度增大了实际的排气流动路径。由此改善了在排气中存留的还原剂液滴的蒸发。如果采用尿素作为还原剂，也改善尿素的水解或热解。
[0012]在本发明的进一步设计方案中，当第二排气管管段在圆柱周面中的开口区域内还包含卵形的横截面形状时，还原剂在排气中的分布还能进一步得到改善。在这种情况下形成两个反向转动的排气流动旋流，它们在俯视图中分别近似为圆形。因此排气流动旋流特另Ij稳定。
[0013]在本发明的进一步设计方案中，第一排气管管段的圆柱轴线在与第二排气管管段的连接位置的区域内对准第二排气管管段的横截面的偏心区域。由此相对于第二排气管管段将排气偏心地，特别是近似正切地引入到第二排气管管段中。与为此优选设置的位于开口区域内的第二排气管管段的圆形横截面形状相结合，可形成几乎覆盖整个横截面的排气流动旋流。
[0014]根据本发明的、用来准备引入到内燃机排气系统的第一排气管管段中的还原剂的方法规定:在设置于第一排气管管段中的蒸发器装置上至少部分地蒸发被引入的还原剂，紧接着还原剂与内燃机的排气一起在一方向上通过第二排气管管段的圆柱周面中的开口流入到第二排气管管段中，该方向至少几乎垂直于第二排气管管段的轴向方向，其中在第二排气管管段内形成旋转的排气流。凭借通过蒸发器装置实现的至少部分的蒸发并结合紧接着的旋流在将排气输送入第二排气管管段后可特别好地准备还原剂。其中可保持短的还原剂准备段的管道长度，这样实现了紧凑的结构。
[0015]在本方法的设计方案中，设计了多个蒸发器板作为蒸发器装置，并将还原剂注入到第一排气管管段中，使还原剂碰撞到所有蒸发器板上。由此改进了还原剂的蒸发，其中如果以最大的锐角相对于蒸发器板的法线方向将还原剂喷入到第一排气管管段中，可实现特别高的蒸发率。由此这样注入还原剂，使其至少近似垂直地撞击到蒸发器板上，由此实现蒸发器板表面的充分湿润。喷入的还原剂在蒸发器板上的入射角优选相对于蒸发器板的法线方向小于45度。
[0016]此外优选的是，在本方法的进一步设计方案中，还原剂至少近似垂直地相对于排气流动方向上喷射到第一排气管管段中。
[0017]在本方法的进一步设计方案中，使流入到第二排气管管段中的排气形成两个相对于第二排气管管段的轴向观察呈反向转动的旋流。由此实现了排气中的还原剂的特别有效和均匀的混合。争取稳定的旋流形成，优选地，至少部分地直至到达位于旋流混合段下游的排气净化部件的入口侧或排气净化部件的必要时设置的壳体进料漏斗的入口侧都存在所述旋流形成。这特别可由此实现，即通过第二排气管管段的卵形横截面形状来形成两个反向转动的、具有至少近似圆形形状的旋流。
[0018]根据优选实施方式的后续说明以及附图得到本发明的进一步的优点，特征和细节。上文在本说明书中列出的特征和特征组合以及后续在【专利附图】
【附图说明】中列出的和/或在附图中单独显示的特征以及特征组合不仅可以相应给出的组合应用，也可以其他组合或单独应用，这些都不偏离本发明的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1根据本发明的排气系统的、构成还原剂准备段的部分的示意图；
[0020]图2根据图片I的还原剂准备段中的排气流动模型的示意图；
[0021]图3与图1类似的根据本发明的排气系统的、构成还原剂准备段的部分的另一有利的实施方式的示意图；
[0022]图4根据本发明的排气系统的、构成还原剂准备段的部分的另一有利的实施方式的不意图；
[0023]图5根据本发明的排气系统的冲击元件的有利的实施方式；以及
[0024]图6包含通过还原剂准备段连接的排气后处理组件的、根据本发明的排气系统的部分区域的图示。
【具体实施方式】
[0025]在图1中示意性示出的、根据本发明的排气系统的部分形成用于待引入到排气系统中的还原剂的还原剂准备段I。还原剂准备段I包含第一圆柱形排气管管段2，它的出口侧的开放端部9通入到第二圆柱形排气管管段3中。通入口设置在第二排气管管段3的圆柱周面中的开口 8处。在通入口上，第一排气管管段2的开放端部9沿着其边缘形状对接地和形锁合地以及材料锁合地与第二排气管管段3的圆柱周面中的开口 8的边缘形状相连接。
[0026]根据本发明的第一排气管管段2的横截面以及第二排气管管段3的横截面在汇合点处都具有卵形或椭圆形形状。相应地，开口 8也具有卵形或椭圆形形状，其中椭圆形状的开口 8的长轴与第二排气管管段3的圆柱轴线12平行。因此，椭圆形开口 8的在第二排气管管段3的圆柱轴线12的方向上延伸的较长的延展a以及位于第一排气管管段2和第二排气管管段3的连接位置的第一排气管管段2的较长的延展a都大于在此垂直定向的横向延展b。其中优选地，a/b的比例在1.5和4之间的范围内。
[0027]第一排气管管段2至少近似垂直地通入到第二排气管管段3中，与此相符地，椭圆形开口 8或第一排气管管段2的短轴在汇合点处至少近似平行于第二椭圆形排气管管段3的较长的横截面轴d。因此，第二排气管管段3的椭圆形横截面的短轴c在汇合点处被定向为平行于第一排气管管段2的圆柱轴线11。优选地，第二排气管管段3的长横截面轴d和短横截面轴c的比例d/c位于1.5和2之间的范围内。其中优选地，开口 8的短横向尺寸b小于第二排气管管段3的短横截面轴C。针对位于约1.6升至3.5升范围内的内燃机排量大小，优选地，选择在30mm至IOOmm范围内的短横截面轴。
[0028]未示出的内燃机的排气，特别是柴油发动机的排气从图1中同样未示出的排气净化单元(优选为氧化催化器)中流出，并流入第一排气管管段2中，然后流经第一排气管管段2。其中通过虚线箭头5显示与第一排气管管段2的圆柱轴线11至少近似平行的排气流动方向。在第一排气管管段2的流经过程中，向排气中添加还原剂，优选地为一种可分离出氨的物质的溶液。下面在不限制普遍适用性的情况下假定，还原剂为含水的尿素溶液，缩写为HWL。向排气中添加HWL的方式是通过注射单元4来喷入，所述注射单元设置在第一排气管管段2上靠近第一排气管管段2通入到第二排气管管段3的通入口处。优选地，注射单元4至排气管管段2、3的连接点的距离明显小于长横截面尺寸a，特别优选地，上述距离小于第一排气管管段2的短横截面尺寸b。
[0029]如虚线箭头所示，喷射入的还原剂击中作为蒸发器板的冲击元件10，所述冲击元件设置在第二排气管管段3的圆柱周面中的开口 8上方。蒸发的或从蒸发器板上弹回的液体还原剂被排气流吸收并一起流动。关于还原剂喷射和蒸发的特征以及冲击元件的设计、设置和功能，下文进行进一步说明。
[0030]吸收了 HWL后的排气随后以相对于第二排气管管段3的圆柱轴线12基本上垂直的方向通过开口 8流入所述第二排气管管段中。流入第二排气管管段3的排气被引导通过第二排气管管段，并从开放端部7中流出。在开放端部上未示出的排气净化部件优选地通过进料漏斗与第二排气管管段3相连接。优选地，排气净化部件为催化和/或过滤技术上起作用的组件。优选地，在第二排气管管段3的开放端部7上连接有壳体，在壳体中安装有颗粒过滤器。
[0031]与开放端部7相对地，第二排气管管段3包含闭合端部6。为此例如可焊接平坦的密封盖。因此，通过第二排气管管段3的圆柱周面中的开口 8从第一排气管管段2流到第二排气管管段中的排气在其主流动方向上转向约90°。优选地进行设计，开口 8的、相对于排气的转向后的主流动方向位于上游的端部设置为直接紧邻或至少靠近闭合端部6。由此避免在第二排气管管段3的闭合端部6上形成流动死区。
[0032]流入第二排气管管段3中的排气撞击到第二排气管管段3的内壁的与开口 8对置的区域上，并转向。其中，特别由于椭圆形的管横截面形状形成两个反向转动的旋流，如虚线箭头5’所示。在还原剂的准备方面，形成两个反向转动的排气旋流被证明是完全特别有利的。一方面改善了液体(在此可能主要以液滴形式存在的)还原剂，特别是已经蒸发的还原剂的均匀分布。另一方面通过旋流大大增强了 HWL的蒸发。最终通过水解和/或热解增强了氨的释放。进一步地，通过排气撞击到与开口 8对置的管内壁上使排气中存在的液滴进一步破裂，由此有利于后续的蒸发。只要出现管内壁的湿润，那么湿润的管面还能作为蒸发器面，由此进一步增强HWL的蒸发。
[0033]为说明双旋流的形成，在图2中示出了从计算流动模拟中得出的流动图。流动图以还原剂准备段I的剖面的俯视图沿第二排气管管段3的圆柱轴线12的方向显示了流丝。如图显示，在第二排气管管段3中形成两个近似围绕着椭圆形横截面的各中心反向转动的旋流，它们随着直径的减小越来越近似理想的圆形。如
【发明者】确定的那样，如果旋流近似圆形，那么这对所追求的旋流的稳定性是有利的。这特别可由此实现，即第二排气管管段3的椭圆形横截面的长轴d约为短轴c的两倍。如图2所示，也可如此设计:第一排气管管段2的短横截面尺寸b随着到两个排气管管段2、3的连接位置的距离的增加而增大。通过此方式可持续过渡至用于连接的排气净化元件的、一种可能设置的进料漏斗的更大尺寸。这当然同样适用于其它横截面尺寸a、c和d。
[0034]为形成尽可能近似圆形的排气旋流，也可选择第二排气管管段3的一种横截面形状，它与两个互相连接的弓形相符合，如在图3中大致示意性所示。通常对排气管管段2、3的横截面尺寸如此进行选择，使得与第二排气管管段3中的占优势的排气质量流相结合形成双旋流，所述双旋流至少近似在沿着超过200mm，优选地超过300mm的管道长度上存在。优选地，设计为任何情况下都保持双旋流，直到到达下游的排气净化元件或为此设计的排气进料漏斗。为使产生的旋流结构尽可能晚得被打破，如此选择横截面尺寸，使得至少在第二排气管管段3中的排气入口区域内对每个单个旋流来说排气的旋流数达到至少0.3。特别地可根据内燃机的排量设计排气管管段2、3的横截面尺寸a、b、c、d，使得入口旋流数达到至少0.3。
[0035]上文说明的还原剂准备段I的实施方式的优点必要时可通过排气管管段2、3的修改后的横截面形状和更改后的横截面几何形状以及更改后的流动情况来实现。但是其中必须基本上保持那些形成旋流的特性。图4显示了在这个意义上同样优选的实施方式，其中下文仅说明与上文说明的实施方式之间的根本区别。
[0036]图4中显示的根据本发明的排气系统的还原剂准备段I的有利的另一个实施方式与图1所示的实施方式的区别基本上在于，从第一排气管管段2到第二排气管管段3中的切向的排气输送。为此第一排气管管段2相对于第二排气管管段3偏心地设置。因此流入第二排气管管段3中的排气不对准第二排气管管段3的横截面的中心区域，而是对准非中心区域。因此添加有HWL的排气与第二排气管管段3近似相切地流入到其中。
[0037]在本实施方式中，第二排气管管段3具有圆形横截面，因此代替双旋流而形成了单旋流，如图示。第二排气管管段3的直径D优选地位于图1所示的椭圆形实施方式的横截面直径c和d之间的范围内。优选地，针对典型的轿车发动机尺寸，上述直径D位于30mm至150mm的范围内。
[0038]进一步地，第一排气管管段的横截面在此选择为矩形。其中适用的是针对图1的实施方式做出的尺寸说明以及关于在第二排气管管段3中形成的排气旋流的旋流强度的说明。优选的，在排气管管段2、3的连接位置处第一排气管管段2的横截面的长边a选择为至少与第二排气管管段的直径D—样大。特别优选的是，a/D比例在1.5至3的范围内选择。当然，在图1的实施方式中也可设计第一排气管管段的矩形横截面。
[0039]下文说明了根据本发明设计的蒸发器装置，它设置在第一排气管管段2和第二排气管管段3的连接位置的上游。为此参考图1，其中上述说明同样适用于在图4中显示的还原剂准备段I的实施方式。
[0040]蒸发器装置包含至少一个、但是优选地直至8个冲击元件10。图1中仅示例性显示了三个冲击元件10。也作为蒸发器板起作用的冲击元件10被设计为平坦的金属板，其法线方向被定向为至少近似垂直于第一排气管管段2的圆柱轴线11以及进而近似垂直于排气流动方向。优选地，冲击元件10相对彼此等距离设置。因为这种定向有利于流动，所以冲击元件10不造成流动阻力，或者最多导致可忽略的流动阻力。优选地，冲击元件10的下游端部位于第二排气管管段3的圆柱周面中的开口 8的平面中，或与排气流动方向形成几毫米的错位。冲击元件10的上游端部基本位于设置在第一排气管管段2上的注射单元4的高度上。注射单元4如此设置，使其可以大致垂直于圆柱轴线11的方式喷射HWL。但是也可设计喷射方向在排气流动方向上的轻微倾斜。由此，从注射单元4喷出的HWL以近似垂直的，最多相对于冲击元件平面的法线方向形成锐角的方式撞击到冲击元件10上。
[0041]撞击到冲击元件10上的HWL液滴根据冲击元件10的温度重新从冲击元件上弹回或通过后续的蒸发润湿冲击元件的表面。两种过程都有助于HWL在排气中的分布。当冲击元件10的温度高于莱顿弗罗斯特温度时，主要发生的是撞击到冲击元件10上的液滴的弹回。在此表明，与碰撞液滴相比，弹回液滴的大小缩小，并由此改进其分布。此外在添加有HWL的排气的进一步运输中液滴还会进一步碰撞到与第二排气管管段3中的开口 8相对置的管内壁。其中出现反复的弹回，伴随着液滴的进一步缩小，或者输送入排气中的HWL的其他部分的蒸发。
[0042]为了能够尽可能优化地在冲击元件10上进行HWL的准备，如此设计或相对于注射单元4的喷射方向设置冲击元件，使得所有冲击元件10以及优选还有第一排气管管段2的与注射单元4相对置的内壁至少部分地被喷雾射束或锥形喷雾覆盖并被润湿。为此有利的是，在排气流动方向上相对彼此错开地布置冲击元件10，使得它们的上游和/或下游端部相对于排气流动方向以冲击元件10距注射单元4的距离不断增大的方式越来越多地移动。可伴随着与注射单元4之间的距离的增大设计冲击元件的不断增大的长度，也就是说，冲击元件10沿着和/或逆着排气流动方向的增大的延展。在图5a中显示了上述有利阶梯形布置的一个示例。其中如图5a所示，可设计为，冲击元件10的面积大小同样随着冲击元件10与注射单元4之间距离的增加而增大。通过这一方式增加了喷射的HWL中、碰撞到距离注射单元4更远的冲击元件10上的HWL的份额，并由此特别改善了这些“后面的”冲击元件10的准备效果。如图5a所示，也可至少局部地设计冲击元件10在沿着或逆着排气流动方向上的增大的宽度。关于喷射的HWL的、根据本发明设置在排气旋流前、主要由冲击元件10支持的蒸发还需指出，优选设计是，第一排气管管段2的与注射单元4相对置的内壁也被喷雾射束或锥形喷雾覆盖并被润湿。管内壁的润湿后的平面作为额外的蒸发器面起作用，其中在此也可出现击中的液体液滴的弹回。
[0043]如果冲击元件10的表面包含穿孔，那么可实现冲击元件的蒸发器作用的进一步改进。图5b中示例性显示了打孔的实施方式。图5c中示意性示出开槽形式。其中有利的是，冲击元件面积的穿孔占到总面积的约5%至约50%。此外可例如以拉毛(Noppen)形式设计冲击元件的表面成型。额外地或替代地，可设计喷砂和/或涂层。表面粗糙度的优选值位于5 μ m至50 μ m的范围内。作为涂层，可设计催化涂层用于促进尿素的水解和/或热解。也可设计涂层，它额外地或替代地防止由于尿素分解产物的沉积而形成薄膜。
[0044]特别是通过带有后续的流动方向转变的喷射和蒸发与旋流形成相结合，还原剂准备段I实现了极其高效的还原剂准备。在使用HWL作为还原剂时，凭借短的管道长度实现氨的有效释放，并同时实现特别好的均匀分布。此外还原剂准备段I还具有流动阻力特别低的优势。可放弃用于混合或形成旋流的辅助安装元件，例如在将HWL输送入排气中之前的(特别是之后的)静态混合器。因此，如图所示和说明的形成的还原剂准备段I使得根据本发明的排气系统即使在复杂构造中也能够具有特别紧凑的结构。因此在汽车发动机舱中可在起到排气净化作用的组件方面完全或至少大部分地安装复杂构造的排气系统。特别地，可设置在发动机舱的发动机组的侧面，这反过来又能够形成排气净化系统的热性能方面的优势。下文根据图6对此进行说明。
[0045]图6中显示了一紧凑的排气后处理系统，其中用于排气后处理组件的两个壳体
13、18通过还原剂准备段I互相连接。在此在位于上游的壳体13中设置有氧化催化器。在此在位于下游的壳体18中相继设置有颗粒过滤器和与颗粒过滤器之间存在小的距离的SCR催化器，其中颗粒过滤器优选地具有SCR催化器涂层。位于上游的壳体13的排气进料漏斗15接收未示出的柴油发动机的排气并为此优选地与同样未示出的排气涡轮增压器出口相连接。将经过氧化催化器处理后的排气从壳体13通过壳体出料漏斗14输送到还原剂准备段I的第一排气管管段2中。在第一排气管管段2中，通过在图6中未显示的、设置在接口 16上的注射单元将HWL注入排气中。凭借上述的特别有效的处理，可将含尿素或含氨的排气至壳体18的输入管道设计成特别短。明显地，上述说明的在第一排气管管段2到第二排气管管段3的过渡时约90°的排气转向使得排气后处理系统可具有特别紧凑的结构。热和压力损失都最小化，这实现了特别高效的排气净化。根据本发明的排气系统的设计被证明是特别有利和紧凑的，其中如图6所示，位于上游的壳体13至少近似垂直地取向，直接位于下游并通过还原剂准备段I与壳体13相连接的下游壳体18至少近似水平地设置。尤其有一种设置特别紧凑并节省空间，其中位于下游的壳体18至少部分地设置在与位于上游的壳体相同的测量高度上。特别优选的是，壳体18的中轴设置在等同或高于壳体13的下游端部的测量高度的位置上。
【权利要求】
1.一种内燃机的排气系统，所述排气系统为引导排气而包含圆柱形的第一排气管管段(2)和圆柱形的第二排气管管段(3)，其中 -在第一排气管管段(2)上设有注射单元(4)，该注射单元用于将还原剂添加到流经第一排气管管段(2)的排气中， -第二排气管管段(3)包含圆柱周面、封闭的第一端部(6)、开放的第二端部(7)以及在圆柱周面中与封闭的端部(6)相邻的开口(8), -第一排气管管段(2)的开放的端部(9)与第二排气管管段(3)形锁合地相连接以使得从第一排气管管段(2)的开放的端部(9)中流出的排气能在相对于第二排气管管段(3)的纵向延展至少近似垂直的方向上通过第二排气管管段(3)的圆柱周面中的开口(8)流入第二排气管管段(3)中， -第二排气管管段(3)的圆柱周面中的开口(8)在第二排气管管段(3)的纵向延展方向上的延展大于其在横向于该纵向延展的方向上的延展。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，注射单元(4)设置在与第一排气管管段(2)和第二排气管管段(3)的连接位置相距较小距离的上游处。
3.根据权利要求1或2所述的排气系统，其特征在于，在与第一排气管管段(2)和第二排气管管段(3)的连接位置相距较小距离的上游处在第一排气管管段(2)内设有板状的至少一个冲击元件(10 )，通过注射单元(4)引入第一排气管管段(2)中的还原剂撞击到所述冲击元件上。
4.根据权利要求3所述的排气系统，其特征在于，所述至少一个冲击元件(10)设计为至少近似平坦，其中冲击元件平面的法向向量定向为至少近似垂直于排气流动方向。
5.根据权利要求3或4所述的排气系统，其特征在于，设有多个冲击元件(10)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的排气系统，其特征在于，第一排气管管段(2)的圆柱轴线(11)在与第二排气管管段(3)的连接位置的区域中指向第二排气管管段(3)的横截面的中央区域。
7.根据权利要求6所述的排气系统，其特征在于，第二排气管管段(3)在圆柱周面中的开口(8)的区域中具有卵形的横截面形状。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的排气系统，其特征在于，第一排气管管段(2)的圆柱轴线(11)在与第二排气管管段(3)的连接位置的区域中指向第二排气管管段(3)的横截面的偏心区域。
9.根据权利要求8所述的排气系统，其特征在于，第二排气管管段(2)在圆柱周面中的开口(8)的区域中具有至少近似圆形的横截面形状。
10.一种用于对引入到内燃机的排气系统的第一排气管管段(2)中的还原剂进行准备的方法，其中使所引入的还原剂在设置于第一排气管管段(2)中的蒸发器装置处至少部分地蒸发，接着使还原剂与内燃机的排气一起在一方向上通过第二排气管管段(3)的圆柱周面中的开口(8)流入到第二排气管管段(3)中，所述方向至少近似垂直于第二排气管管段(3)的轴向方向，其中在第二排气管管段(3)内形成旋转的排气流。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，设有多个蒸发器板(10)作为蒸发器装置，将还原剂以如下方式喷射到第一排气管管段(2)中:使还原剂撞击到所有的蒸发器板(10)上。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，相对于蒸发器板(10)的法线方向以最大的锐角将还原剂喷入到第一排气管管段(2)中。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，将还原剂以相对于排气流至少近似垂直的方式喷射到第一排气管管段(2)中。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，使流入到第二排气管管段(3)中的排气形成两 个相对于第二排气管管段(3)的轴向观察反向转动的旋流。
【文档编号】F01N3/20GK104053878SQ201380005429
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年1月11日 优先权日:2012年1月14日
【发明者】T·贝克曼, T·布罗恩, F·迪维纳热, H·赫维希, B·科比拉, P·吕克尔特, A·佩佩, P·赖契夫, J·朔默斯 申请人:戴姆勒股份公司
【专利摘要】本发明涉及一种内燃机排气系统和一种用来准备引入到内燃机排气中的还原剂的方法。根据本发明的排气系统包含带有第一圆柱形排气管管段(2)的还原剂准备段(1)，所述第一圆柱形排气管管段近似垂直地通过第二排气管管段(3)的圆柱周面中的开口(8)通入到第二排气管管段(3)中，其中在位于第一排气管管段(2)上的开口(8)前设置有注射单元(4)，用于将还原剂添加到排气中。根据本发明规定，第二排气管管段(3)的圆柱周面中的开口(8)在第二排气管管段(3)的纵向延伸方向上的延展大于横向于所述纵向延伸方向的方向上的延展。针对根据本发明的方法进行设计，在第二排气管管段(3)内形成旋转的排气流。
【专利说明】内燃机排气系统和用来准备引入到内燃机排气中的还原剂的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种内燃机的排气系统，所述排气系统为了引导排气包含第一圆柱形排气管管段和第二圆柱形排气管管段，其中添加了还原剂的排气可从第一排气管管段转移到第二排气管管段中。此外本发明还涉及一种用来准备引入到内燃机排气中的还原剂的方法。
【背景技术】
[0002]为进行排气后处理，通常在原始状态中向内燃机排气中添加液态还原剂，如矿物油燃料或含水的尿素溶液。其中在准备以液体状态引入的还原剂方面，在需要达到的均匀分布和蒸发方面存在问题。此外对含水的尿素溶液来说，还存在一问题，即通过水解和/或热分解从尿素中释放在选择性催化的氮氧化物还原中需要的氨。为解决这个问题，已经建议了多种带有准备段、混合器、蒸发器和水解催化器的排气系统变型。虽然已经有大量解决方案建议，但特别是在上述意义上在以液体状态添加到排气中的还原剂的准备方面还存在改进需求。
【发明内容】
[0003]因此本发明的任务在于提供一种装置和方法，通过它们能够尽可能好地准备添加到内燃机排气中的还原剂。
[0004]通过具有权利要求1所述特征的排气系统以及具有权利要求10所述特征的方法来解决上述任务。
[0005]根据本发明的排气系统包含第一圆柱形排气管管段和第二圆柱形排气管管段，用于引导排气。其中在第一排气管管段上设置注射单元，用于将还原剂添加到流经第一排气管管段的排气中。第二排气管管段包含圆柱周面、闭合的第一端部和开放的第二端部以及位于圆柱周面中的与闭合端部相邻的开口。第一排气管管段的开放端部与第二排气管管段形锁合地连接，使得从第一排气管管段的开放端部中流出的排气可以在相对于第二排气管管段的纵向延展至少近似垂直的方向上通过位于第二排气管管段的圆柱周面中的开口流入第二排气管管段中。由此在紧邻第一排气管管段与第二排气管管段的连接位置的位置，添加有还原剂的排气的主流动方向发生了至少近似90°的偏转，由此形成排气旋流，使排气中的还原剂得到充分混合。第二排气管管段的圆柱周面中的开口在第二排气管管段的纵向延展方向上的延展大于横向于所述纵向延展的方向上的延展。优选地，开口具有卵形或椭圆形的形状。但是在圆柱周面中也可设置近似矩形的横截面。其中优选地，纵向延展是横向延展的约1.5至4倍。由于该实施方式，在第二排气管管段中实现了形成特别稳定的旋转的排气旋流。这反过来又使得第二排气管管段的短结构或直至随后的排气清洁单元的短的管道长度成为可能，并由此实现了具有短的还原剂准备段的排气系统的紧凑结构。凭借旋流和由此导致的混合，可以有利地放弃用于在还原剂准备段中分配引入到排气中的还原剂的单独的混合器，并避免由此产生的压力损失。优选如此形成注射单元，使得它能够将优选地以液态方式存在的还原剂以精细雾化的方式注入或喷入排气中。
[0006]优选地，第一排气管管段的开放端部的边缘形状与第二排气管管段的圆柱周面中的开口的边缘形状相符合，两个排气管管段的(例如通过焊接完成的)形锁合连接是沿着上述形状存在的。优选地，第一排气管管段在第二排气管管段的圆柱周面上终止，因此不伸入第二排气管管段的内腔中。第二排气管管段的圆柱周面中的开口直接相邻地或以带有优选地为几毫米的短间距的方式设置在第二排气管管段的端侧封口上。由此可避免出现流动死区。为在其第一端部上闭合第二排气管管段，可设置遮盖管道横截面的、特别是平坦的盖子，盖子的法线方向与第二排气管管段的圆柱轴线(Zylinderachs)方向取向相同。第一排气管管段和第二排气管管段的横截面至少在它们的连接位置的区域内是至少近似相同的，但是优选地，它们之间的区别不超过系数1.5。优选地，从第二排气管管段的开放端部流出的排气被引导至催化排气净化单元，如SCR催化器、水解催化器、氧化催化器、氮氧化物存储式催化器或微粒过滤器。
[0007]在本发明的设计方案中，所述注射单元以小的间距设置在第一排气管管段和第二排气管管段的连接位置的上游。优选地，所述间距小于排气管管段中的任意一个的直径，特别地，小于上述直径的一半或三分之一。因此，可将还原剂准备段的结构体积或还原剂准备使用的、用于引导还原剂的管道长度保持为特别小。
[0008]在本发明的进一步设计方案中，以小的间距在第一排气管管段和第二排气管管段的连接位置的上游处在第一排气管管段内设置有至少一个板状的冲击元件，通过注射单元引入第一排气管管段中的还原剂碰撞到该冲击元件上。其中，板状的冲击元件作为蒸发器元件起作用。用于气化液态的、优选以小滴形式存在的还原剂所需的热能优选地通过与流入的排气之间的热交换来吸收。但是也可设计冲击元件的单独的加热。通过还原剂液滴在加热的冲击元件上的碰撞，产生还原剂的至少部分的蒸发，并额外地出现弹回的还原剂滴的液滴大小的变小。由此与主要以液滴形状存在还原剂相比，改进了还原剂在排气中的分布。此外，凭借与仅仅来自排气的热传导相比经改进的、从蒸发器板到碰撞的还原剂之间的热传递改进了蒸发过程。在冲击元件上就已经出现的至少部分还原剂的蒸发实现了进一步缩短还原剂准备段。优选地，冲击元件直接设置在第二排气管管段的圆柱周面中的开口的上方或前方。冲击元件的朝向第二排气管管段的端部例如可设置在开口面中或以在第一排气管管段的方向上相对于该方向错开几毫米(然而优选最多几厘米)的方式布置。该冲击元件可设计为平坦的或具有增大表面的压纹的金属板。此外，上述金属板可开槽或穿孔，或设有促进尿素水解或减少薄膜形成的涂层，例如二氧化钛涂层，或对金属板进行粗糙化处理。
[0009]在优选的进一步实施方式中，冲击元件设计为至少近似平坦，其中冲击元件平面的法向量至少近似垂直于排气流动方向。因此排气流动方向的方向向量大致位于冲击元件的平面中。由此可实现小的流动阻力。优选地，在第二排气管管段的圆柱周面中的开口的区域中，法向量的方向至少近似平行于第二排气管管段的圆柱轴线方向。
[0010]当在本发明的进一步的设计方案中设有多个冲击元件时，通过注射单元引入到排气中的还原剂的蒸发率可进一步提高。优选的，冲击元件互相平行，特别是相继齐平地并设置在第二排气管管段的圆柱周面中的开口上方。根据第二排气管管段的圆柱周面中的开口大小可设置两个至八个冲击元件。优选地，设置四个冲击元件。在由注射单元喷射的还原剂的锥形喷雾方面，如此设置冲击元件，即每个冲击元件都至少部分处在锥形喷雾的范围内并由此会有助于还原剂的蒸发。而为此优选的是，冲击元件的平面延展选择成不同的。在这种情况下，特别优选的是，随着与注射单元的间距增大，冲击元件的面积扩大。沿面法线的方向观察，在这个实施方式中，冲击元件仅覆盖临近的、紧跟着的冲击元件的面积范围的一部分。
[0011]在本发明的进一步的设计方案中，第一排气管管段的圆柱轴线在与第二排气管管段的连接位置的区域内对准第二排气管管段的横截面的中间区域。因此可以这样说，添加了还原剂的排气往第二排气管管段中的输送是在第二排气管管段的中间进行的。根据这一实施方式，在第二排气管管段内形成两个反向转动的排气流动旋流。这就使得还原剂在废气中的特别充分的混合。此外还相对于第二排气管管段的几何长度增大了实际的排气流动路径。由此改善了在排气中存留的还原剂液滴的蒸发。如果采用尿素作为还原剂，也改善尿素的水解或热解。
[0012]在本发明的进一步设计方案中，当第二排气管管段在圆柱周面中的开口区域内还包含卵形的横截面形状时，还原剂在排气中的分布还能进一步得到改善。在这种情况下形成两个反向转动的排气流动旋流，它们在俯视图中分别近似为圆形。因此排气流动旋流特另Ij稳定。
[0013]在本发明的进一步设计方案中，第一排气管管段的圆柱轴线在与第二排气管管段的连接位置的区域内对准第二排气管管段的横截面的偏心区域。由此相对于第二排气管管段将排气偏心地，特别是近似正切地引入到第二排气管管段中。与为此优选设置的位于开口区域内的第二排气管管段的圆形横截面形状相结合，可形成几乎覆盖整个横截面的排气流动旋流。
[0014]根据本发明的、用来准备引入到内燃机排气系统的第一排气管管段中的还原剂的方法规定:在设置于第一排气管管段中的蒸发器装置上至少部分地蒸发被引入的还原剂，紧接着还原剂与内燃机的排气一起在一方向上通过第二排气管管段的圆柱周面中的开口流入到第二排气管管段中，该方向至少几乎垂直于第二排气管管段的轴向方向，其中在第二排气管管段内形成旋转的排气流。凭借通过蒸发器装置实现的至少部分的蒸发并结合紧接着的旋流在将排气输送入第二排气管管段后可特别好地准备还原剂。其中可保持短的还原剂准备段的管道长度，这样实现了紧凑的结构。
[0015]在本方法的设计方案中，设计了多个蒸发器板作为蒸发器装置，并将还原剂注入到第一排气管管段中，使还原剂碰撞到所有蒸发器板上。由此改进了还原剂的蒸发，其中如果以最大的锐角相对于蒸发器板的法线方向将还原剂喷入到第一排气管管段中，可实现特别高的蒸发率。由此这样注入还原剂，使其至少近似垂直地撞击到蒸发器板上，由此实现蒸发器板表面的充分湿润。喷入的还原剂在蒸发器板上的入射角优选相对于蒸发器板的法线方向小于45度。
[0016]此外优选的是，在本方法的进一步设计方案中，还原剂至少近似垂直地相对于排气流动方向上喷射到第一排气管管段中。
[0017]在本方法的进一步设计方案中，使流入到第二排气管管段中的排气形成两个相对于第二排气管管段的轴向观察呈反向转动的旋流。由此实现了排气中的还原剂的特别有效和均匀的混合。争取稳定的旋流形成，优选地，至少部分地直至到达位于旋流混合段下游的排气净化部件的入口侧或排气净化部件的必要时设置的壳体进料漏斗的入口侧都存在所述旋流形成。这特别可由此实现，即通过第二排气管管段的卵形横截面形状来形成两个反向转动的、具有至少近似圆形形状的旋流。
[0018]根据优选实施方式的后续说明以及附图得到本发明的进一步的优点，特征和细节。上文在本说明书中列出的特征和特征组合以及后续在【专利附图】
【附图说明】中列出的和/或在附图中单独显示的特征以及特征组合不仅可以相应给出的组合应用，也可以其他组合或单独应用，这些都不偏离本发明的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1根据本发明的排气系统的、构成还原剂准备段的部分的示意图；
[0020]图2根据图片I的还原剂准备段中的排气流动模型的示意图；
[0021]图3与图1类似的根据本发明的排气系统的、构成还原剂准备段的部分的另一有利的实施方式的示意图；
[0022]图4根据本发明的排气系统的、构成还原剂准备段的部分的另一有利的实施方式的不意图；
[0023]图5根据本发明的排气系统的冲击元件的有利的实施方式；以及
[0024]图6包含通过还原剂准备段连接的排气后处理组件的、根据本发明的排气系统的部分区域的图示。
【具体实施方式】
[0025]在图1中示意性示出的、根据本发明的排气系统的部分形成用于待引入到排气系统中的还原剂的还原剂准备段I。还原剂准备段I包含第一圆柱形排气管管段2，它的出口侧的开放端部9通入到第二圆柱形排气管管段3中。通入口设置在第二排气管管段3的圆柱周面中的开口 8处。在通入口上，第一排气管管段2的开放端部9沿着其边缘形状对接地和形锁合地以及材料锁合地与第二排气管管段3的圆柱周面中的开口 8的边缘形状相连接。
[0026]根据本发明的第一排气管管段2的横截面以及第二排气管管段3的横截面在汇合点处都具有卵形或椭圆形形状。相应地，开口 8也具有卵形或椭圆形形状，其中椭圆形状的开口 8的长轴与第二排气管管段3的圆柱轴线12平行。因此，椭圆形开口 8的在第二排气管管段3的圆柱轴线12的方向上延伸的较长的延展a以及位于第一排气管管段2和第二排气管管段3的连接位置的第一排气管管段2的较长的延展a都大于在此垂直定向的横向延展b。其中优选地，a/b的比例在1.5和4之间的范围内。
[0027]第一排气管管段2至少近似垂直地通入到第二排气管管段3中，与此相符地，椭圆形开口 8或第一排气管管段2的短轴在汇合点处至少近似平行于第二椭圆形排气管管段3的较长的横截面轴d。因此，第二排气管管段3的椭圆形横截面的短轴c在汇合点处被定向为平行于第一排气管管段2的圆柱轴线11。优选地，第二排气管管段3的长横截面轴d和短横截面轴c的比例d/c位于1.5和2之间的范围内。其中优选地，开口 8的短横向尺寸b小于第二排气管管段3的短横截面轴C。针对位于约1.6升至3.5升范围内的内燃机排量大小，优选地，选择在30mm至IOOmm范围内的短横截面轴。
[0028]未示出的内燃机的排气，特别是柴油发动机的排气从图1中同样未示出的排气净化单元(优选为氧化催化器)中流出，并流入第一排气管管段2中，然后流经第一排气管管段2。其中通过虚线箭头5显示与第一排气管管段2的圆柱轴线11至少近似平行的排气流动方向。在第一排气管管段2的流经过程中，向排气中添加还原剂，优选地为一种可分离出氨的物质的溶液。下面在不限制普遍适用性的情况下假定，还原剂为含水的尿素溶液，缩写为HWL。向排气中添加HWL的方式是通过注射单元4来喷入，所述注射单元设置在第一排气管管段2上靠近第一排气管管段2通入到第二排气管管段3的通入口处。优选地，注射单元4至排气管管段2、3的连接点的距离明显小于长横截面尺寸a，特别优选地，上述距离小于第一排气管管段2的短横截面尺寸b。
[0029]如虚线箭头所示，喷射入的还原剂击中作为蒸发器板的冲击元件10，所述冲击元件设置在第二排气管管段3的圆柱周面中的开口 8上方。蒸发的或从蒸发器板上弹回的液体还原剂被排气流吸收并一起流动。关于还原剂喷射和蒸发的特征以及冲击元件的设计、设置和功能，下文进行进一步说明。
[0030]吸收了 HWL后的排气随后以相对于第二排气管管段3的圆柱轴线12基本上垂直的方向通过开口 8流入所述第二排气管管段中。流入第二排气管管段3的排气被引导通过第二排气管管段，并从开放端部7中流出。在开放端部上未示出的排气净化部件优选地通过进料漏斗与第二排气管管段3相连接。优选地，排气净化部件为催化和/或过滤技术上起作用的组件。优选地，在第二排气管管段3的开放端部7上连接有壳体，在壳体中安装有颗粒过滤器。
[0031]与开放端部7相对地，第二排气管管段3包含闭合端部6。为此例如可焊接平坦的密封盖。因此，通过第二排气管管段3的圆柱周面中的开口 8从第一排气管管段2流到第二排气管管段中的排气在其主流动方向上转向约90°。优选地进行设计，开口 8的、相对于排气的转向后的主流动方向位于上游的端部设置为直接紧邻或至少靠近闭合端部6。由此避免在第二排气管管段3的闭合端部6上形成流动死区。
[0032]流入第二排气管管段3中的排气撞击到第二排气管管段3的内壁的与开口 8对置的区域上，并转向。其中，特别由于椭圆形的管横截面形状形成两个反向转动的旋流，如虚线箭头5’所示。在还原剂的准备方面，形成两个反向转动的排气旋流被证明是完全特别有利的。一方面改善了液体(在此可能主要以液滴形式存在的)还原剂，特别是已经蒸发的还原剂的均匀分布。另一方面通过旋流大大增强了 HWL的蒸发。最终通过水解和/或热解增强了氨的释放。进一步地，通过排气撞击到与开口 8对置的管内壁上使排气中存在的液滴进一步破裂，由此有利于后续的蒸发。只要出现管内壁的湿润，那么湿润的管面还能作为蒸发器面，由此进一步增强HWL的蒸发。
[0033]为说明双旋流的形成，在图2中示出了从计算流动模拟中得出的流动图。流动图以还原剂准备段I的剖面的俯视图沿第二排气管管段3的圆柱轴线12的方向显示了流丝。如图显示，在第二排气管管段3中形成两个近似围绕着椭圆形横截面的各中心反向转动的旋流，它们随着直径的减小越来越近似理想的圆形。如
【发明者】确定的那样，如果旋流近似圆形，那么这对所追求的旋流的稳定性是有利的。这特别可由此实现，即第二排气管管段3的椭圆形横截面的长轴d约为短轴c的两倍。如图2所示，也可如此设计:第一排气管管段2的短横截面尺寸b随着到两个排气管管段2、3的连接位置的距离的增加而增大。通过此方式可持续过渡至用于连接的排气净化元件的、一种可能设置的进料漏斗的更大尺寸。这当然同样适用于其它横截面尺寸a、c和d。
[0034]为形成尽可能近似圆形的排气旋流，也可选择第二排气管管段3的一种横截面形状，它与两个互相连接的弓形相符合，如在图3中大致示意性所示。通常对排气管管段2、3的横截面尺寸如此进行选择，使得与第二排气管管段3中的占优势的排气质量流相结合形成双旋流，所述双旋流至少近似在沿着超过200mm，优选地超过300mm的管道长度上存在。优选地，设计为任何情况下都保持双旋流，直到到达下游的排气净化元件或为此设计的排气进料漏斗。为使产生的旋流结构尽可能晚得被打破，如此选择横截面尺寸，使得至少在第二排气管管段3中的排气入口区域内对每个单个旋流来说排气的旋流数达到至少0.3。特别地可根据内燃机的排量设计排气管管段2、3的横截面尺寸a、b、c、d，使得入口旋流数达到至少0.3。
[0035]上文说明的还原剂准备段I的实施方式的优点必要时可通过排气管管段2、3的修改后的横截面形状和更改后的横截面几何形状以及更改后的流动情况来实现。但是其中必须基本上保持那些形成旋流的特性。图4显示了在这个意义上同样优选的实施方式，其中下文仅说明与上文说明的实施方式之间的根本区别。
[0036]图4中显示的根据本发明的排气系统的还原剂准备段I的有利的另一个实施方式与图1所示的实施方式的区别基本上在于，从第一排气管管段2到第二排气管管段3中的切向的排气输送。为此第一排气管管段2相对于第二排气管管段3偏心地设置。因此流入第二排气管管段3中的排气不对准第二排气管管段3的横截面的中心区域，而是对准非中心区域。因此添加有HWL的排气与第二排气管管段3近似相切地流入到其中。
[0037]在本实施方式中，第二排气管管段3具有圆形横截面，因此代替双旋流而形成了单旋流，如图示。第二排气管管段3的直径D优选地位于图1所示的椭圆形实施方式的横截面直径c和d之间的范围内。优选地，针对典型的轿车发动机尺寸，上述直径D位于30mm至150mm的范围内。
[0038]进一步地，第一排气管管段的横截面在此选择为矩形。其中适用的是针对图1的实施方式做出的尺寸说明以及关于在第二排气管管段3中形成的排气旋流的旋流强度的说明。优选的，在排气管管段2、3的连接位置处第一排气管管段2的横截面的长边a选择为至少与第二排气管管段的直径D—样大。特别优选的是，a/D比例在1.5至3的范围内选择。当然，在图1的实施方式中也可设计第一排气管管段的矩形横截面。
[0039]下文说明了根据本发明设计的蒸发器装置，它设置在第一排气管管段2和第二排气管管段3的连接位置的上游。为此参考图1，其中上述说明同样适用于在图4中显示的还原剂准备段I的实施方式。
[0040]蒸发器装置包含至少一个、但是优选地直至8个冲击元件10。图1中仅示例性显示了三个冲击元件10。也作为蒸发器板起作用的冲击元件10被设计为平坦的金属板，其法线方向被定向为至少近似垂直于第一排气管管段2的圆柱轴线11以及进而近似垂直于排气流动方向。优选地，冲击元件10相对彼此等距离设置。因为这种定向有利于流动，所以冲击元件10不造成流动阻力，或者最多导致可忽略的流动阻力。优选地，冲击元件10的下游端部位于第二排气管管段3的圆柱周面中的开口 8的平面中，或与排气流动方向形成几毫米的错位。冲击元件10的上游端部基本位于设置在第一排气管管段2上的注射单元4的高度上。注射单元4如此设置，使其可以大致垂直于圆柱轴线11的方式喷射HWL。但是也可设计喷射方向在排气流动方向上的轻微倾斜。由此，从注射单元4喷出的HWL以近似垂直的，最多相对于冲击元件平面的法线方向形成锐角的方式撞击到冲击元件10上。
[0041]撞击到冲击元件10上的HWL液滴根据冲击元件10的温度重新从冲击元件上弹回或通过后续的蒸发润湿冲击元件的表面。两种过程都有助于HWL在排气中的分布。当冲击元件10的温度高于莱顿弗罗斯特温度时，主要发生的是撞击到冲击元件10上的液滴的弹回。在此表明，与碰撞液滴相比，弹回液滴的大小缩小，并由此改进其分布。此外在添加有HWL的排气的进一步运输中液滴还会进一步碰撞到与第二排气管管段3中的开口 8相对置的管内壁。其中出现反复的弹回，伴随着液滴的进一步缩小，或者输送入排气中的HWL的其他部分的蒸发。
[0042]为了能够尽可能优化地在冲击元件10上进行HWL的准备，如此设计或相对于注射单元4的喷射方向设置冲击元件，使得所有冲击元件10以及优选还有第一排气管管段2的与注射单元4相对置的内壁至少部分地被喷雾射束或锥形喷雾覆盖并被润湿。为此有利的是，在排气流动方向上相对彼此错开地布置冲击元件10，使得它们的上游和/或下游端部相对于排气流动方向以冲击元件10距注射单元4的距离不断增大的方式越来越多地移动。可伴随着与注射单元4之间的距离的增大设计冲击元件的不断增大的长度，也就是说，冲击元件10沿着和/或逆着排气流动方向的增大的延展。在图5a中显示了上述有利阶梯形布置的一个示例。其中如图5a所示，可设计为，冲击元件10的面积大小同样随着冲击元件10与注射单元4之间距离的增加而增大。通过这一方式增加了喷射的HWL中、碰撞到距离注射单元4更远的冲击元件10上的HWL的份额，并由此特别改善了这些“后面的”冲击元件10的准备效果。如图5a所示，也可至少局部地设计冲击元件10在沿着或逆着排气流动方向上的增大的宽度。关于喷射的HWL的、根据本发明设置在排气旋流前、主要由冲击元件10支持的蒸发还需指出，优选设计是，第一排气管管段2的与注射单元4相对置的内壁也被喷雾射束或锥形喷雾覆盖并被润湿。管内壁的润湿后的平面作为额外的蒸发器面起作用，其中在此也可出现击中的液体液滴的弹回。
[0043]如果冲击元件10的表面包含穿孔，那么可实现冲击元件的蒸发器作用的进一步改进。图5b中示例性显示了打孔的实施方式。图5c中示意性示出开槽形式。其中有利的是，冲击元件面积的穿孔占到总面积的约5%至约50%。此外可例如以拉毛(Noppen)形式设计冲击元件的表面成型。额外地或替代地，可设计喷砂和/或涂层。表面粗糙度的优选值位于5 μ m至50 μ m的范围内。作为涂层，可设计催化涂层用于促进尿素的水解和/或热解。也可设计涂层，它额外地或替代地防止由于尿素分解产物的沉积而形成薄膜。
[0044]特别是通过带有后续的流动方向转变的喷射和蒸发与旋流形成相结合，还原剂准备段I实现了极其高效的还原剂准备。在使用HWL作为还原剂时，凭借短的管道长度实现氨的有效释放，并同时实现特别好的均匀分布。此外还原剂准备段I还具有流动阻力特别低的优势。可放弃用于混合或形成旋流的辅助安装元件，例如在将HWL输送入排气中之前的(特别是之后的)静态混合器。因此，如图所示和说明的形成的还原剂准备段I使得根据本发明的排气系统即使在复杂构造中也能够具有特别紧凑的结构。因此在汽车发动机舱中可在起到排气净化作用的组件方面完全或至少大部分地安装复杂构造的排气系统。特别地，可设置在发动机舱的发动机组的侧面，这反过来又能够形成排气净化系统的热性能方面的优势。下文根据图6对此进行说明。
[0045]图6中显示了一紧凑的排气后处理系统，其中用于排气后处理组件的两个壳体
13、18通过还原剂准备段I互相连接。在此在位于上游的壳体13中设置有氧化催化器。在此在位于下游的壳体18中相继设置有颗粒过滤器和与颗粒过滤器之间存在小的距离的SCR催化器，其中颗粒过滤器优选地具有SCR催化器涂层。位于上游的壳体13的排气进料漏斗15接收未示出的柴油发动机的排气并为此优选地与同样未示出的排气涡轮增压器出口相连接。将经过氧化催化器处理后的排气从壳体13通过壳体出料漏斗14输送到还原剂准备段I的第一排气管管段2中。在第一排气管管段2中，通过在图6中未显示的、设置在接口 16上的注射单元将HWL注入排气中。凭借上述的特别有效的处理，可将含尿素或含氨的排气至壳体18的输入管道设计成特别短。明显地，上述说明的在第一排气管管段2到第二排气管管段3的过渡时约90°的排气转向使得排气后处理系统可具有特别紧凑的结构。热和压力损失都最小化，这实现了特别高效的排气净化。根据本发明的排气系统的设计被证明是特别有利和紧凑的，其中如图6所示，位于上游的壳体13至少近似垂直地取向，直接位于下游并通过还原剂准备段I与壳体13相连接的下游壳体18至少近似水平地设置。尤其有一种设置特别紧凑并节省空间，其中位于下游的壳体18至少部分地设置在与位于上游的壳体相同的测量高度上。特别优选的是，壳体18的中轴设置在等同或高于壳体13的下游端部的测量高度的位置上。
【权利要求】
1.一种内燃机的排气系统，所述排气系统为引导排气而包含圆柱形的第一排气管管段(2)和圆柱形的第二排气管管段(3)，其中 -在第一排气管管段(2)上设有注射单元(4)，该注射单元用于将还原剂添加到流经第一排气管管段(2)的排气中， -第二排气管管段(3)包含圆柱周面、封闭的第一端部(6)、开放的第二端部(7)以及在圆柱周面中与封闭的端部(6)相邻的开口(8), -第一排气管管段(2)的开放的端部(9)与第二排气管管段(3)形锁合地相连接以使得从第一排气管管段(2)的开放的端部(9)中流出的排气能在相对于第二排气管管段(3)的纵向延展至少近似垂直的方向上通过第二排气管管段(3)的圆柱周面中的开口(8)流入第二排气管管段(3)中， -第二排气管管段(3)的圆柱周面中的开口(8)在第二排气管管段(3)的纵向延展方向上的延展大于其在横向于该纵向延展的方向上的延展。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，注射单元(4)设置在与第一排气管管段(2)和第二排气管管段(3)的连接位置相距较小距离的上游处。
3.根据权利要求1或2所述的排气系统，其特征在于，在与第一排气管管段(2)和第二排气管管段(3)的连接位置相距较小距离的上游处在第一排气管管段(2)内设有板状的至少一个冲击元件(10 )，通过注射单元(4)引入第一排气管管段(2)中的还原剂撞击到所述冲击元件上。
4.根据权利要求3所述的排气系统，其特征在于，所述至少一个冲击元件(10)设计为至少近似平坦，其中冲击元件平面的法向向量定向为至少近似垂直于排气流动方向。
5.根据权利要求3或4所述的排气系统，其特征在于，设有多个冲击元件(10)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的排气系统，其特征在于，第一排气管管段(2)的圆柱轴线(11)在与第二排气管管段(3)的连接位置的区域中指向第二排气管管段(3)的横截面的中央区域。
7.根据权利要求6所述的排气系统，其特征在于，第二排气管管段(3)在圆柱周面中的开口(8)的区域中具有卵形的横截面形状。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的排气系统，其特征在于，第一排气管管段(2)的圆柱轴线(11)在与第二排气管管段(3)的连接位置的区域中指向第二排气管管段(3)的横截面的偏心区域。
9.根据权利要求8所述的排气系统，其特征在于，第二排气管管段(2)在圆柱周面中的开口(8)的区域中具有至少近似圆形的横截面形状。
10.一种用于对引入到内燃机的排气系统的第一排气管管段(2)中的还原剂进行准备的方法，其中使所引入的还原剂在设置于第一排气管管段(2)中的蒸发器装置处至少部分地蒸发，接着使还原剂与内燃机的排气一起在一方向上通过第二排气管管段(3)的圆柱周面中的开口(8)流入到第二排气管管段(3)中，所述方向至少近似垂直于第二排气管管段(3)的轴向方向，其中在第二排气管管段(3)内形成旋转的排气流。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，设有多个蒸发器板(10)作为蒸发器装置，将还原剂以如下方式喷射到第一排气管管段(2)中:使还原剂撞击到所有的蒸发器板(10)上。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，相对于蒸发器板(10)的法线方向以最大的锐角将还原剂喷入到第一排气管管段(2)中。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，将还原剂以相对于排气流至少近似垂直的方式喷射到第一排气管管段(2)中。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，使流入到第二排气管管段(3)中的排气形成两 个相对于第二排气管管段(3)的轴向观察反向转动的旋流。
【文档编号】F01N3/20GK104053878SQ201380005429
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年1月11日 优先权日:2012年1月14日
【发明者】T·贝克曼, T·布罗恩, F·迪维纳热, H·赫维希, B·科比拉, P·吕克尔特, A·佩佩, P·赖契夫, J·朔默斯 申请人:戴姆勒股份公司
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