用于内燃机的排气设备和用于运行排气设备的方法与流程

本发明涉及一种用于内燃机、特别是车辆内燃机的排气设备，所述排气设备包括排气引导管和用于将反应剂排出到在排气引导管中流动的排气中的反应剂排出组件，其中，所述反应剂排出组件包括反应剂喷射组件、将反应剂从反应剂贮存器输送到所述反应剂喷射组件的反应剂输送组件和用于加热向所述反应剂喷射组件输送的反应剂的加热组件。此外，本发明涉及一种用于运行这样构造的排气设备的方法，特别是在运行与所述排气设备连接的内燃机期间。

背景技术：

由de102006049591a1已知一种按照权利要求1前序部分所述的排气设备。在该已知的排气设备中，尿素或尿素/水溶液作为反应剂输送给在排气引导管中流动的排气。利用与排气混合的尿素/水混合物在设置在排气设备中或排气引导管中的催化器组件的区域中进行选择性的催化还原，其中，氮氧化物转化成氮。

为了改进尿素/水混合物与排气的混匀，在该已知的排气设备中，尿素/水混合物在排出到排气中之前置于过热状态中。为此，该已知的排气设备具有包括能电运行的加热单元的加热组件，所述加热单元将尿素/水混合物的温度提高到过热温度。为了阻止尿素/水混合物还在排出到排气中之前蒸发，通过输送尿素/水混合物的泵将该混合物的压力提高到处于在与过热温度相配地存在的蒸汽压力之上的压力。在将首先保持在过热的液体状态中的尿素/水混合物排出到排气中时，该混合物自发地降压，从而一方面引起该混合物的部分蒸发，另一方面引起最细的液体颗粒的产生并且实现混入排气的反应剂与排气非常良好的混匀。

技术实现要素：

本发明的任务在于，设置一种用于内燃机、特别是车辆内燃机的排气设备，以及一种用于运行这样的排气设备的方法，利用所述排气设备或所述方法可以实现在能量利用降低的情况下加热反应剂。

按照本发明，该任务通过一种用于内燃机，特别是用于车辆内燃机的排气设备得以解决，所述排气设备包括排气引导管和用于将反应剂排出到在排气引导管中流动的排气中的反应剂排出组件，其中，所述反应剂排出组件包括反应剂喷射组件、将反应剂从反应剂贮存器输送到所述反应剂喷射组件的反应剂输送组件和用于加热向所述反应剂喷射组件输送的反应剂的加热组件。

在此规定：所述加热组件包括用于将在排气中运输的热传递到反应剂上的排气/反应剂热交换器组件。

按照本发明的排气设备利用在内燃机的燃烧排气中运输的热，以便加热要喷入到排气中的反应剂，特别是将其置于过热状态中，以便因此在将反应剂排出到排气中时实现自发的反应剂蒸发的在先描述的效果。因为在排气引导管中流动的排气具有非常高的温度，按照本发明的排气设备原则上可以如此运行或构造，使得不需要附加的电能用于将反应剂加热到过热温度。这明显降低车辆中的车载电气系统中的负荷，因为特别是在商用车中对于使反应剂过热必需的热功率可以处于直至1.5kw的范围内。

在一种可特别简单地实现的构造中提出：所述排气/反应剂热交换器组件包括在将反应剂引导到所述反应剂喷射组件的反应剂管线中的热交换器管线区域。

在此，可以通过如下方式确保非常有效的传热，即，所述热交换器管线区域至少局部地、优选基本上完全在所述排气引导管的内部中延伸。

能用于传热的相互作用长度的增大可以通过如下方式实现，即，所述热交换器管线区域在所述排气引导管的内部中线圈状地延伸，优选螺旋状(schraubenartig)或/和螺线状(spiralartig)或/和波纹状地延伸。

为了通过在排气引导管的内部中延伸的热交换器管线区域避免对排气流的消极影响，提出：所述热交换器管线区域靠近所述排气引导管的内表面或/和贴靠在所述排气引导管的内表面上地延伸。为了还进一步改进从排气到在热交换器管线区域中流动的反应剂上的传热，提出：在所述热交换器管线区域中设置有至少一个、优选多个传热肋，所述传热肋优选具有基本上平行于排气流方向的传热表面。特别是当这样的传热肋的传热表面基本上平行于在该热交换器管线区域的区域中的排气流方向取向时，避免对排气流的消极影响。

在按照本发明的排气设备的一种备选的、也能与在先描述的构造方案组合的构造方案中提出：所述热交换器管线区域至少局部地、优选基本上完全在所述排气引导管的外部延伸。这样的组件特别是当由于结构规定不能实现在排气引导管内部中设置附加部件时是有利的。

为了在热交换器管线区域这样定位在排气引导管的外部时也确保有效传热，提出：所述热交换器管线区域靠近所述排气引导管的外表面或/和贴靠在所述排气引导管的外表面上地延伸，优选螺旋状或/和波纹状地包围所述排气引导管。

为了特别是在热交换器管线区域与排气引导管配合作用以用于传热的区域中避免向外的热损耗，提出：所述排气引导管至少在其与所述热交换器管线区域配合作用的长度区域中由绝缘材料至少局部地包围。

特别是在例如由于相对大的要喷入的反应剂量而不能确保反应剂充分加热到过热温度的情况下，提出：所述加热组件包括能电运行的加热单元。

在此，所述加热单元可以有利地沿流动方向关于所述热交换器管线区域设置在上游，从而例如首先反应剂在加热单元中通过电激励所述加热单元进行预热并且在流经热交换器管线区域时然后达到过热状态中。

在一种备选构造方案中提出：所述加热单元沿反应剂的流动方向关于所述热交换器管线区域设置在上游。在该布置结构中，反应剂首先通过与排气的热相互作用进行预热，并且然后对于使反应剂过热还必需的热通过对应地激励加热单元来提供。

所述反应剂输送组件优选沿反应剂的流动方向在所述加热组件的上游设置，从而可以确保，通过反应剂输送组件可以产生并且也保持超过过热的反应剂的蒸汽压力的反应剂压力，从而在加热组件的区域中不存在反应剂蒸发的危险。

按照本发明的排气设备有利地包括用于操控所述反应剂输送组件或/和(如果存在的话)所述加热组件的能电运行的加热单元的操控组件。

在此，在反应剂的流动路径中在所述反应剂输送组件和所述反应剂喷射组件之间可以设置有至少一个反应剂压力传感器。所述操控组件可以构造用于基于由所述反应剂压力传感器检测的反应剂压力来操控所述反应剂输送组件或/和所述加热组件的能电运行的加热单元或/和所述反应剂喷射组件。通过检测反应剂压力能实现实施压力调节，从而确保反应剂的压力特别是也在加热组件的区域中处于优选置于过热状态中的反应剂的蒸汽压力之上。

备选地或附加地可以规定：在反应剂的流动路径中在所述加热组件和所述反应剂喷射组件之间设置有至少一个反应剂温度传感器，并且所述操控组件构造用于基于由所述反应剂温度传感器检测的反应剂温度来操控所述反应剂输送组件或/和所述加热组件的能电运行的加热单元或/和所述反应剂喷射组件。一方面，反应剂温度的检测给出保证温度例如处于理论过热温度的范围内的可能性。另一方面，可以通过检测温度借助对应的例如在操控组件中储存的数据来确定所属的蒸汽压力，并且反应剂输送组件可以如此操控，使得通过该反应剂输送组件生成的反应剂压力处于该蒸汽压力之上。

此外，本发明涉及一种用于运行按照本发明构造的排气设备的方法，在所述方法中，所述操控组件这样操控所述反应剂输送组件，使得反应剂压力处于通过所述加热组件加热的反应剂的蒸汽压力之上。

此外，优选能电运行的加热单元通过操控组件这样操控，使得通过所述加热组件加热的反应剂置于过热状态中、优选这样置于过热状态中，使得反应剂温度处于理论过热温度的范围内。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明。附图中：

图1以原理图示出包括排气引导管和反应剂排出组件的排气设备；

图2示出排气设备的一种备选构造方式的对应于图1的图示；

图3示出排气设备的一种备选构造方式的对应于图1的图示；

图4示出排气设备的一种备选构造方式的对应于图1的图示；

图5示出排气设备的一种备选构造方式的对应于图1的图示；

图6示出排气设备的一种备选构造方式的对应于图1的图示；

图7示出排气设备的一种备选构造方式的对应于图1的图示；

图8示出排气设备的一种备选构造方式的对应于图1的图示；

图9示出排气设备的一种备选构造方式的对应于图1的图示；

图10示出排气设备的一种备选构造方式的对应于图1的图示。

具体实施方式

在图1中，一般以10表示排气设备、例如用于车辆的内燃机的排气设备。排气设备10包括将从内燃机排出的排气a朝催化器组件方向引导的排气引导管12。

反应剂排出组件14包括反应剂管线16，通过该反应剂管线，反应剂r、例如尿素/水溶液或另外的还原剂、例如denoxium或异氰酸从未示出的反应剂贮存器借助于设置在反应剂管线16中的反应剂输送组件18输送到一般也称为注射器的反应剂喷射组件20。反应剂喷射组件20在图1中示出的实例中设置在从排气引导管12在其弯曲区域22中分支的插入接管24中，从而从反应剂喷射组件20喷射到排气a中的反应剂r基本上沿排气a的流动方向引入到该区域中。

此外，反应剂排出组件14包括一般以24表示的加热组件。在图1中示出的构造实例中，加热组件24包括排气/反应剂热交换器组件26和能电运行的加热单元28。在图1中示出的构造实例中，在排气输送组件18、例如泵与反应剂喷射组件20之间的流动路径中，排气/反应剂热交换器组件26关于加热单元28设置在上游。

排气/反应剂热交换器组件26包括反应剂管线16的在排气引导管12的内部30中延伸的热交换器管线区域32。在图1中示出的构造实例中，热交换器管线区域32延伸穿过排气引导管12的壁34，弓状地在排气引导管12的内部30中延伸并且然后又贯穿排气引导管12的壁34，以便引导到加热单元28。

加热单元28可以包括管线区域，例如能通过电激励加热的热导体36设置在所述管线区域中并且能由反应剂环流。备选地或附加地，这样的热导体可以在外部包围反应剂管线16的区域地设置，以便如此将热传递到在反应剂管线16中引导的液态反应剂上。

为了能够运行排气设备10，设置有一般以38表示的操控组件。操控组件38与反应剂输送组件18、反应剂喷射组件20和加热单元28处于操控连接中并且可以对其进行操控或激励，用于实施所要求的运行。操控组件38由压力传感器40接收输出信号，该压力传感器在示出的实例中关于加热单元28且在关于反应剂输送组件18设置在上游或者也关于排气/反应剂热交换器组件26设置在下游并且因此检测在反应剂输送组件18和反应剂喷射组件20之间的区域中的反应剂压力。

此外，温度传感器42的输出信号输送给操控组件38，所述温度传感器在示出的实例中关于加热单元28并且因此在关于整个加热组件24设置在下游并且关于反应剂排出组件20设置在上游。因此，温度传感器42可以直接在通过反应剂喷射组件20排出之前检测通过加热组件24加热的反应剂r的温度。

特别是在考虑通过温度传感器42检测的反应剂温度的情况下，操控组件38这样控制加热单元28，使得要通过反应剂喷射组件20排出的反应剂r的温度是过热温度、优选处于理论过热温度的范围内。为了确保反应剂r不在排出到排气引导管12中之前、亦即在反应剂喷射组件20上游已经蒸发，操控组件38也在考虑由压力传感器40检测的反应剂压力的情况下这样操控反应剂输送组件18，使得该反应剂压力处于与现有的或者说要调节的过热温度相配地存在的蒸汽压力之上。例如反应剂输送组件18的操控可以这样，使得在蒸汽压力和通过压力传感器40检测的反应剂压力之间存在预先确定的最小间隔。通过考虑一方面反应剂温度和另一方面反应剂压力，反应剂的温度和压力的非常精细的调节可以进行，从而两个参量也可以在将反应剂r排出到排气中期间分别保持在为此相应预给定的理论值上或接近它。

此外，操控单元38例如可以通过用于运行反应剂排出组件14的can数据总线44获得相关的信息。这些信息例如可以包括关于排气质量流量、排气温度或排出排气的内燃机的负荷点的信息。基于这些信息，操控组件38特别是可以这样操控反应剂喷射组件20，使得与流经排气引导管12的排气量相配地喷射合适量的反应剂r。也在考虑要通过反应剂喷射组件20排出的所述量的反应剂r的情况下，操控组件38可以这样操控加热单元28，使得确保要排出的反应剂r具有所希望的温度。在这里，在操控组件38的一种调节算法中特别是也可以考虑排气温度或者也可以考虑排气流量，因为这些参量对于通过排气/反应剂热交换器组件26的热输入也是决定性的。

在图1中示出的系统中，其中，加热组件24一方面包括排气/反应剂热交换器组件26并且另一方面包括加热单元28，两个系统区域有利地如此设计，使得在考虑要期待的排气温度或要期待的排气流量的情况下反应剂r在排气/反应剂热交换器组件26的区域中仅部分地加热，但理论温度或理论过热温度仅能通过附加地运行加热单元28来达到。因此可能的是，实施温度调节，其中，避免不可调节地超过理论温度。为此，特别是热交换器管线区域32的相互作用长度如此确定，使得向反应剂中的对于这样的预热必需的能量输入可以在那里进行。特别是以这种方式也可以确保，排气的不可避免的温度波动可以通过对应地操控加热单元28来补偿。

下面参考图2至10描述这样的排气设备的备选构造方式。关于构造或功能对应于在先描述构件的构件以相同附图标记表示。在此，下面分别主要探讨相对于所述一个或多个在先描述的构造形式存在的差别。

在图2中示出的排气设备在热交换器管线区域32的区域中具有多个基本上相对于彼此平行设置的传热肋46。这些板状构造的且由热交换器管线区域32贯穿的传热肋通过其与该区域中的排气a的流动方向基本上处于平行的传热表面48增大排气/反应剂热交换器组件26的供热相互作用使用的表面，从而在排气a中运输的热能可以较有效地利用。

在图3中示出的构造实例中，热交换器管线区域32在排气引导管12的内部30中线圈状延伸地构造。在示出的实例中，热交换器管线区域32螺旋状亦或螺线状缠绕地构造，从而参考排气引导管的预先确定的长度区域可以提供热交换器管线区域32的较大的相互作用长度。要指出的是，也可以设置其他几何结构、例如热交换器管线区域的波纹状布置结构。

在图3中示出的构造实例中线圈状延伸的热交换器管线区域32基本上关于排气引导管的横截面在排气引导管12的中间区域中设置，而在图4中示出的构造实例中优选以多匝螺旋状缠绕的热交换器管线区域32贴靠在排气引导管12的内表面50上地定位。因此，在排气引导管12中流动的排气可以在无显著流动阻碍的情况下流经热交换器管线区域32，因为特别是使排气引导管12的中间的横截面区域保持通畅并且因此存在较小的流动阻力和因此较小的压力损耗。

图5示出一种构造方案，其中，线圈状延伸的热交换器管线区域32在排气引导管12的外部优选贴靠在所述排气引导管的外表面52上地定位。因此，完全避免对在排气引导管12的内部30中的流动产生消极影响。尽管如此，通过热交换器管线区域32与排气引导管12的外表面52直接接触来确保良好的传热。这样的构造方案特别是在商用车中是有利的，其中，排气引导管12由所谓的排气盒包围并且也在排气引导管12外存在相对高的环境温度。

要指出的是，在该构造方式中，热交换器管线区域32也可以以另一种方式缠绕地、例如波纹状缠绕地贴靠在排气引导管12的外表面52上地延伸。

为了在排气/反应剂热交换器组件26与排气引导管12配合作用的区域中降低或避免向外的热损耗，排气引导管12可以在该长度区域中由也置入热交换器管线区域32的绝缘材料54、例如发泡的材料或绝缘垫材料包围。该组件特别是在那里是有利的，在那里排气引导管12在车辆的外部上露出地定位并且主要是在相对低的环境温度时可期待向外的大的热损耗。

排气设备的在先参考图1至6描述的构造形式中，电运行的加热单元28分别关于排气/反应剂热交换器组件定位在下游。与此相对，图7示出一种构造方案，其中，加热单元28设置在排气/反应剂热交换器组件26的上游，从而要通过反应剂排出组件20排出的反应剂首先通过加热单元28预热并且然后在流经热交换器管线区域32时还附加地加热。在该构造方案中，也可以通过对应地操控加热单元28进行非常灵敏的温度调节，用于将通过温度传感器42检测的反应剂温度调节到所希望的温度。

要指出的是，不言而喻排气/反应剂热交换器组件26在图7中示出的构造形式中也可以如在先描述的构造形式那样构造。

图8示出排气设备的一种构造形式，其中，加热组件24仅包括排气/反应剂热交换器组件26，但不包括能电运行的加热单元。这意味着，在图8中示出的构造方式中，基本上不可以进行对要通过反应剂喷射组件20排出的反应剂r的温度调节。具体而言，在该构造方案中有利地对排气/反应剂热交换器组件26这样确定尺寸或进行构造，使得通过与排气引导管12中的排气足够热相互作用可以确保将要排出的反应剂加热到所希望的温度、特别是过热温度。

在该构造形式中也可以通过温度传感器42检测反应剂的温度，从而在考虑由压力传感器40提供的压力信号的情况下也可以这样操控反应剂输送组件18，使得反应剂压力在反应剂输送组件18和反应剂排出组件20之间的反应剂管线16的区域中处于在加热组件24中有利地加热到过热温度的反应剂的蒸汽压力之上。

图9示出排气设备10，其中，进行反应剂r向排气引导管12的例如基本上直线延伸的区域中的排出。出于这个目的，反应剂排出组件20例如可以在排气引导管12的横截面中心区域中连接到排气/反应剂热交换器组件26的热交换器管线区域32上地设置。温度传感器42也可以在该区域中关于反应剂喷射组件20定位在上游并且关于加热组件24定位在下游，所述加热组件在该构造实例中也又包括能电运行的加热单元28。

在该构造方式中，排气/反应剂热交换器组件26也可以具有在先参考图1至6描述的构造形式。主要区别在于，与反应剂喷射组件20的耦联区域处于排气引导管12的内部30中。这又决定了，加热单元28有利地关于排气/反应剂热交换器组件26处于上游并且因此处于排气引导管12的外部。

图10示出在图9中示出的排气设备的一种变型方案。图10的排气设备包括加热组件24，所述加热组件又仅包括排气/反应剂热交换器组件26，但不包括能电运行的加热单元。因此，热输入仅通过与在排气引导管12中流动的排气a的热相互作用进行，其中，通过借助于传感器42、40检测反应剂r的温度和反应剂r的压力给出这样操控反应剂输送组件18使得反应剂压力优选以预先确定的压差处于与反应剂温度相配地分别存在的蒸汽压力之上的可能性。