废气/反应剂混合组件和废气处理组件的制作方法

本发明涉及一种例如在车辆中的、用于内燃机的排气设备的废气/反应剂混合组件。

背景技术：

为了降低内燃机、尤其柴油内燃机的有害物质排放、尤其氮氧化物排放，已知的是，在内燃机排出的废气中混入反应剂、例如尿素/水溶液，以便在scr(选择性催化还原)催化器系统中进行的催化还原中降低废气中的有害氮氧化物份额。在废气中混入的反应剂、即例如尿素/水溶液在混合区间中分解，从而产生催化反应所需的氨气，混合区间在反应剂输出系统下游且在scr催化器系统上游。在分解的过程中，在溶液中包含的水份额蒸发，并且在热分解中从尿素中产生氨气。除了水和氨气之外，在该热分解中也产生异氰酸，异氰酸在水解反应中与水催化反应转化成氨气。

为了尤其在不利的热条件下、即在相对低的环境和运行温度下并且在高的反应剂配给率时也保证，有效地从反应剂中产生氨气并且有效地将反应剂或从中产生的物质与内燃机排放的废气混匀，需要在反应剂输入位置和scr催化器系统之间提供充分长的混合区间。为了辅助在混合区间中的混匀，也可设置混合元件，混合元件具有多个产生涡流的导向叶片。在此的问题是，尤其在车辆中，可供这种排气设备使用的结构空间有限。例如可行的是，为了有效地利用结构空间，这种混合区间设计成u形，从而混合区间具有两个并排的混合区间部段。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种废气/反应剂混合组件，该废气/反应剂混合组件在结构形式紧凑的同时保证有效地混匀废气和反应剂或从反应剂中产生的物质。

根据本发明，该目的通过用于内燃机的排气设备的废气/反应剂混合组件实现，该废气/反应剂混合组件包括废气流动通道的入口区域和用于将反应剂输出到在废气流动通道中流动的废气中的反应剂输出系统，其中，废气流动通道在反应剂输出系统下游包括混合区间，混合区间具有第一混合区间部段和第二混合区间部段，其中，在第一混合区间部段中，废气/反应剂混合物基本上沿第一主流动方向在从反应剂输出系统至转向区域的方向上流动，第二混合区间部段基本上环形地包围第一混合区间部段，并且在第二混合区间部段中，废气/反应剂混合物沿基本上与第一主流动方向相反的第二主流动方向从转向区域流动至废气流动通道的出口区域。

通过根据本发明的两个混合区间部段彼此嵌套以及由此产生的基本上同轴的流动系统，一方面限制了混合区间所需的结构空间。另一方面，第二混合区间部段包围第一混合区间部段的布置方案的同轴的流动引导部实现了明显更好地利用在废气中输送的热以用于反应剂或其组成成分的蒸发和热分解。

在到反应剂上的热传递方面特别有利的设计方案中提出，设有第一环形壁，该第一环形壁沿着第一主流动方向延伸、相对于第一主流动方向径向向外限定第一混合区间部段并且使第一混合区间部段与第二混合区间部段分离。第一环形壁不仅在其内侧上被在此流动的废气加热，而且在其外侧上被在第二混合区间部段中流动的废气加热。

第一环形壁基本上可在其沿着第一主流动方向的整个纵向延伸区域中构造成柱形的，从而在结构简单的设计方案中可确保均匀的流动特性。

在一种备选的设计方案中可规定，第一环形壁基本上在其沿着第一主流动方向的整个纵向延伸区域中构造有减小的横截面尺寸，优选地基本上构造成锥形的，优选地，其中，第一环形壁相对于第一主流动方向的倾斜角度在1°至5°的范围中、优选地在1°至3°的范围中。利用这种设计方案，一方面保证通常以发散的锥形喷射的形式输出到废气流中的反应剂更强地撞击到第一环形壁上。此外，通过减小的流动横截面，可实现逐渐的冷却和伴随于此的体积减小以及废气流密度增加。

此外，可设置第二环形壁，第二环形壁沿着第二主流动方向延伸，相对于第二主流动方向径向向外限定第二混合区间部段。

为了简单的结构，第二环形壁可基本上在其沿着第二主流动方向的整个纵向延伸区域中构造成柱形的。尤其与第一环形壁的横截面减小相结合，这也使得在第二混合区间部段中在流动方向上的流动横截面减小。

为了从第一混合区间部段到第二混合区间部段的流动过渡，可规定，转向区域包括转向元件，该转向元件在其周缘区域中邻接于第二环形壁。

为了在此均匀的流动转向并且避免断流，提出，转向元件具有相对于纵向中轴线优选地基本上旋转对称的、弯曲的转向面。

此外，通过在转向区域中设置至少一个、基本上环形的、提供弯曲的转向面的引导元件，可辅助废气流在转向区域中转向。

尤其在废气温度低时，通过优选地在转向区域中设置优选地可电激励的加热系统用于加热限定废气通道的壁，可辅助反应剂的蒸发和热分解。

此外，在一种有利的设计方案中，当向外限定混合区间的壁优选地在转向区域中在背离废气流动通道的侧上被隔离材料覆盖时，可显著减小向外的热损失。

为了更均匀地设计在两个混合区间部段之间的流动过渡并且避免在废气流反转约180°的区域中断流，提出，第一混合区间部段在其靠近转向区域的端部区域中相对于第一主流动方向径向扩宽。备选地或附加地，可规定，第一环形壁在其靠近转向区域的端部区域中隆起状地扩宽。

为了配备了根据本发明的废气/反应剂混合组件的排气设备紧凑的构造，此外提出，废气流动通道的入口区域和出口区域相对于第一主流动方向和/或第二主流动方向基本上布置在混合区间的相同的轴向区域中。

由于在第二混合区间部段中，流动体积不仅径向向内而且径向向外被壁限定，并且因此原则上在该区域中，对于在此流动的废气存在比在第一混合区间部段中更大的流动阻力，进一步提出，在第二混合区间部段的区域中的流动横截面面积大于或等于在第一混合区间部段的区域中的流动横截面面积。

此外，通过废气流动通道的入口区域构造成用于在第一混合区间部段中产生旋流，尤其在第一混合区间部段中辅助了废气和反应剂的混匀。

此外，本发明涉及一种用于内燃机的排气设备的废气处理组件，该废气处理组件包括具有根据本发明的结构的废气/反应剂混合组件和至少一个在废气/反应剂混合组件下游的scr催化器系统。

为了支持这种类型的废气处理系统的紧凑的结构形式，至少一个scr催化器系统的入口区域和废气/反应剂混合组件的废气流动通道的出口区域可相对于第一主流动方向和/或第二主流动方向位于混合区间的相同的轴向区域中。

此外可规定，废气流动通道的出口区域通入输出流动腔中，该输出流动腔将废气/反应剂混合物从废气流动通道的出口区域相对于第二主流动方向基本上径向向外地引导到至少一个scr催化器系统的入口区域。

为了提高为净化废气而进行的选择性催化还原的效率，至少两个scr催化器系统的入口区域可朝向输出流动腔敞开。

此外，为了更好地净化废气，提出，在废气/反应剂混合组件上游设置氧化催化器系统和/或颗粒过滤器系统。

在此范围中，也可通过以下方式辅助紧凑的结构形式，即，氧化催化器系统和/或颗粒过滤器系统的出口区域朝向接纳流动腔敞开，并且废气流动通道的入口区域朝向接纳流动腔敞开，优选地其中，废气在接纳流动腔中相对于第一主流动方向径向向内流动，其中，进一步可规定，接纳流动腔和输出流动腔相对于第一主流动方向和/或第二主流动方向布置在混合区间的相同的轴向区域中。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明。其中：

图1以原理性的纵剖视图示出了废气/反应剂混合组件；

图2以透视图示出了图1的废气/反应剂混合组件的转向元件；

图3在其图a)和b)中分别示出了图1的废气/反应剂混合组件的不同地设计的转向区域；

图4以透视图示出了具有根据图1的组件的废气处理组件；

图5示出了备选的设计形式的相应于图4的图；

图6示出了废气/反应剂混合组件的备选设计形式的相应于图1的图；

图7示出了废气/反应剂混合组件的备选设计形式的另一相应于图1的图；

图8示出了废气/反应剂混合组件的备选设计形式的另一相应于图1的图。

具体实施方式

在图1中，整体以10表示例如在车辆中的用于内燃机的排气设备的废气/反应剂混合组件。废气/反应剂混合组件10包括具有入口区域14的废气流动通道12。废气流动通道12的入口区域14朝向整体以16表示的混合区间的方向引导内燃机排出的废气a。在混合区间16的上游的端部区域18处，设置通常也被称为喷射器的反应剂输出系统20。反应剂输出系统20将液体的反应剂r、例如尿素/水溶液或类似物，以锥形喷射的形式输出到混合区间16的第一混合区间部段22中。第一混合区间部段22基本上构造在第一环形壁24的内部中。环形壁24基本上是管形的并且构造成沿着纵向中轴线l的方向延伸，并且在图1中示出的实施例中具有基本上柱形的形状，从而基本上在第一环形壁24的整个纵向延伸区域中，提供具有基本上相同的横截面面积和形状的第一混合区间部段22。

优选地，如此引导从入口区域14被导入第一混合区间部段22中的废气a，使得在第一混合区间部段中产生废气a的旋流，由此，在第一混合区间部段22中辅助废气a和反应剂r的混匀。例如可通过以下方式产生旋流，即，基本上径向地将来自入口区域14的废气a导入第一混合区间部段22中，如有必要，也通过在混合区间16的上游的端部区域18中的、在周向上辅助偏转的引导元件辅助旋流的产生。

与废气a是否或者以何种程度以旋流形式被导入混合区间部段22中无关，废气a或在此由废气a和反应剂r产生的混合物在第一混合区间部段22中具有第一主流动方向h1。因此，第一主流动方向h1基本上可相应于如下方向，即，废气a沿着所述方向或是基本上线性地或是以螺旋形地盘绕的流动路径沿着第一环形壁22流动至或被输送至转向区域26的方向。

在转向区域26中，掺有反应剂r的废气流反转约180°，并且进入第二混合区间部段28中。第二混合区间部段径向向内通过第一环形壁24限定并且径向向外通过例如基本上同心地包围第一环形壁24的第二环形壁30限定。由此，第二混合区间部段28基本上在其整个纵向延伸区域上环形地包围第一混合区间部段22，从而在第二混合区间部段28中流动的、由废气a和反应剂r组成的混合物基本上沿着第二主流动方向h2流动，该第二主流动方向基本上与第一主流动方向h1反向。在此也应指出的是，第二主流动方向h2表示如下流动方向，即，在第二混合区间部段28中流动的、由废气a和反应剂r组成的混合物从转向区域26沿着该流动方向流动至或被输送至混合区间16的下游的端部区域32以及在那里从混合区间16中延伸出来的废气流动通道12的出口区域34的方向。在第二混合区间部段28中，由废气a和反应剂r组成的流也可跟随例如螺旋形地盘绕第一环形壁24的流动路径，这可如下得到，即，离开第一混合区间部段22的流在周向上具有这种流动方向分量和/或在第二混合区间部段28中设置辅助这种类型的流动引导部的引导元件。

在图1中可看出，相对于两个主流动方向h1、h2，确切地说也相对于在延伸方向上基本上相应于这两个主流动方向的纵向中轴线l，废气流动通道12的入口区域14和出口区域34几乎位于相同的轴向区域中，即，在混合区间16的上游的端部区域18亦或下游的端部区域32的区域中。在混合区间16的另一轴向端部区域中，提供转向区域26，转向区域26基本上通过在图2中示出的且连接到第二环形壁30上的帽形的转向元件36提供。因为出于热稳定的原因通常环形壁24、30以及转向元件36由金属材料构成，转向元件36例如可通过材料锁合、即焊接或钎焊与第二环形壁30相连接，但是如有必要也可与环形壁30构造成整体。

转向元件36可具有相对于纵向中轴线l例如旋转对称的形状，并且从中心的且朝向第一混合区间部段22定向的突起区域38开始，提供环形地包围纵向中轴线l的、径向上从内向外弧形地弯曲的转向面40。离开第一混合区间部段22的、由废气a和反应剂r组成的混合物撞击到转向元件36上、确切地说转向元件36的转向面40上，并且沿着通过转向面40提供的、圆形的运动轨迹径向向外转向并且随后朝向第二混合区间部段28的方向转向。由此，通过几乎圆形的或倒圆地引导的转向面40，实现离开第一混合区间部段22的流逐渐地且尽可能防止断流地转向约180°。

为此，图3a和3b示出了尤其在转向区域26中的混合区间16的备选设计方案。因此，图3a)示出的设计方案是，第一环形壁24在其靠近转向区域26的轴向端部区域中以隆起状的扩宽部42结束，从而即使在离开第一混合区间部段22的气流转向时在径向内部的流动区域中也避免出现从第一环形壁24的表面处断流。也可通过以下方式辅助，即，在第一环形壁24的靠近转向区域26或转向元件36的端部区域中，第一环形壁24或第一混合区间部段22构造成相对于纵向中轴线l扩宽。图3b)也显示了相应的配置方案，在其中，第一环形壁24在其靠近转向区域26的轴向端部区域中径向向外扩宽，并且由此在转向区域26中辅助离开第一混合区间部段22的气流跟随圆形流动路径流动。

利用以上参考图1至3描述的废气/反应剂混合组件10的结构，实现了不同的有利方面。一方面，在轴向结构长度受限时，实现了用于掺有反应剂r的废气a的相对大的流动长度。这意味着，两个环形壁24、30的相对大的表面可供使用，该表面可被反应剂润湿并且由此可有效地保证反应剂r的蒸发和热分解。通过第一环形壁24不仅在其内侧上而且在其外侧上被相对热的废气环流，也改善了反应剂r与限制其流动路径的构件的热交换作用。这导致，在第二混合区间部段28的区域中也将热传递到第一环形壁24上，即，由在第二混合区间部段28中在第一环形壁24的外侧环流第一环形壁24的废气进行该热传递。由此，第一环形壁24不仅在其朝向第一混合区间部段22的内表面上，而且在其朝向第二混合区间部段28的外表面上吸收热，这显著地辅助了尤其在第一混合区间部段22中反应剂r的加热和热分解。此外，向外的放热基本上被限制在第二混合区间部段28或者说径向向外限定第二混合区间部段28的第二环形壁30的长度上。由此，仅在这一区域中以及也在转向区域26的区域中，出现不能用于反应剂r的热分解或使水从反应剂r中的蒸发的损失热。为了减轻这种效果，例如在图1中结合转向区域26指出的那样，混合区间在其外侧上可以被热隔离的材料44覆盖。在所示出的示例中，这例如在转向元件36的区域中实现。应指出的是，在本发明的意义中，这种类型的热隔离的材料是具有比包围结构材料的部件、例如转向元件36更小的导热能力的材料。此外，为了辅助反应剂r或其成分的蒸发和热分解，可设置可电激励的加热装置46。这种例如以加热螺旋管或面式加热元件的形式的加热装置46加热混合区间16的与其热交换作用的区域，加热装置46设置在向外限定混合区间16的部件、在所示出的示例中转向元件36的外侧上。当如所示出的那样在转向区域26的区域中进行加热时，这是尤其有利的。特别是，由反应剂输出系统20给出的反应剂r的较大的液滴被废气流携带，在第一混合区间部段22中最初基本上沿着第一主流动方向h1运动并且由此部分地没有与第一环形壁24的内表面热交换作用。这种类型的反应剂r的液滴撞击到转向元件36的转向面40上并且可在此处破裂，并且一方面分成较小的液滴，或形成润湿混合元件36的转向面40的反应剂薄膜。为了在该区域中实现更强的热分解或蒸发，有利的是，通过附加地输送热更强地加热该区域。特别是当以相对高的配给率工作时和/或例如在内燃机起动阶段中或者在相对低的环境温度下废气/反应剂混合组件10的不同部件的温度相对低时，这是有利的。

为了在图1中示出的废气/反应剂混合组件10的结构中确保，在第一混合区间部段22和第二混合区间部段28中对于其中流动的废气a和反应剂r存在几乎相同的流动阻力，在第二混合区间部段28中的流动横截面面积可以比在第一混合区间部段28中要大。由此遇到的情况是，第二混合区间部段28不仅径向向外而且径向向内通过一个表面限定，并且由此存在相对于第一混合区间部段22明显增大的且导致流动阻力增加的表面。

尤其通过废气流动通道12的入口区域14和出口区域34几乎位于相同的轴向端部区域中，辅助了废气/反应剂混合组件10的紧凑的结构形式。那么，在该端部区域中，可实现与废气处理组件或排气设备的其它引导废气的或处理废气的部件连接。以下参考图4和5进行描述。

图4示出了这样的实施例，在其中规定，废气/反应剂混合组件10(例如以上已经参考图1至3描述的那样)与两个相对于废气/反应剂混合组件布置在下游的scr催化器系统48、50和一个包括氧化催化器系统和颗粒过滤器系统的组件52相结合。组件52(例如同样安装在基本上柱形的壳体54中)相对于废气/反应剂混合组件10布置在上游，并且相对于纵向中轴线l几乎位于废气/反应剂混合组件10旁边或与废气/反应剂混合组件10重叠。组件52的出口区域56与废气/反应剂混合组件10的废气流动通道12的出口区域14处于几乎相同的轴向区域中。废气引导元件58提供整体以60表示的接纳流动腔，在接纳流动腔中，在组件52的出口区域56处离开组件52的废气相对于纵向中轴线l径向向内被引向废气流动通道12的入口区域14。如以上参考图1描述的那样，从入口区域14开始，已经掺有反应剂r的废气流到达第一混合区间部段22中并且从第一混合区间部段22到达第二混合区间部段28中。废气流动通道12的出口区域34例如可通过第二混合区间部段28的轴向敞开的、设计成环形的端部形成，在该端部中，混合区间16朝向在流动引导部壳体62中形成的输出流动腔64敞开。与组件52和两个scr催化器系统48、50同样地，废气/反应剂混合组件10可承载在流动引导部壳体62上。例如，第二环形壁30可连接到流动引导部壳体62的壁66上。

两个scr催化器系统48、50也可朝向输出流动腔64敞开，从而在废气流动通道12的出口区域34处离开的废气相对于纵向中轴线l径向向外转向并且可流动至scr催化器系统48、50的相应的入口区域68、70。

通过在图4中示出的，带有废气/反应剂混合组件10、组件52、两个scr催化器系统48、50、废气流动壳体62和例如基本上布置在废气流动腔64中的流动引导部元件58的布置方案，获得了废气处理组件69的紧凑的布置方案。

在图5中示出了一种备选的设计方案。在图5中示出的废气处理组件68的设计方案中，除了废气/反应剂混合组件10和具有氧化催化器系统和柴油颗粒过滤器系统的组件52之外，仅仅设置唯一的scr催化器系统48。组件52通过已经参考图4解释的废气引导元件58(具有构造在其内部的接纳流动腔60)连接到废气/反应剂混合组件10上。scr催化器系统48通过相应的废气引导元件72(具有构造在其内部的输出流动腔64)连接到混合区间16的出口区域34上。因此，在此选择的布置方案是，为从废气/反应剂混合组件10中出来和到废气/反应剂混合组件10中的流动引导部设置单独的且非彼此嵌套地布置的废气引导元件。

图6至8示出了废气/反应剂混合组件10的其它备选的设计布置方案。在此，以相同的附图标记表示与以上描述的部件或系统区域对应的部件或系统区域。

在图6中示出的设计方式中，径向向外限定第一混合区间部段22且径向向内限定第二混合区间部段28的第一环形壁24设计成，使得第一混合区间部段22的横截面沿着第一主流动方向h1减小。例如，与可在图1的设计方式中看出的柱形的形状不同，第一环形壁24例如可具有锥形的形状。

第一环形壁24或构造在其内部的第一混合区间部段22的这种变细(例如以在第一环形壁28和纵向中轴线l之间形成的在1°至5°、或1°至3°的范围中的锥形角变细)导致，从反应剂输出系统20中输出的反应剂r以更陡的角度撞击第一环形壁24的内表面。这有利于利用反应剂r润湿第一环形壁24的内表面并且由此有利于反应剂r与第一环形壁24的热交换作用。此外，第一混合区间部段22的流动横截面减小(这同样补偿了在第一混合区间部段中流动的废气的冷却)导致流动速度增加，由此也导致反应剂薄膜在第一环形壁24的表面上运动的速度增加，并且因此实现进一步改善热交换作用。尤其当废气流作为旋流被导入第一混合区间部段22中时，该效果特别有效。由于角动量守恒，第一环形壁24的横截面尺寸减小导致作为旋流沿着第一主流动方向h1运动的废气流的流动速度提高。

在图6中还可看出，径向向外限定第二混合区间部段28的第二环形壁30以相应于图1的设计方案的方式基本上设计成柱形。结果是，在第二混合区间部段28中，环形的流动体积的流动横截面沿着第二主流动方向h2减小并且可实现与以上参考在第一混合区间部段22中的流动解释的相应的效应。

图7示出了在图6中示出的设计方式的一种改进方案，该改进方案同样也可设置在图1中示出的具有柱形的第一环形壁24的结构中。在转向区域26中，在第一环形壁24的轴向端部和转向元件36之间，设置提供同样弯曲的转向面74的、例如环形的或环面形的引导元件。所述引导元件可通过接片例如支承在转向元件36和/或第二环形壁30的内周缘上，并且辅助在第一周缘壁24的内表面附近离开第一混合区间部段22的废气流转向至第二混合区间部段28中。由于引导元件76也被环流引导元件76的废气流加热，引导元件也提供热的、且辅助反应剂的蒸发和热分解的表面。此外，通过均匀的转向，防止在转向区域26的区域中产生压力损失。

在图8中示出的设计方式中，两个这种类型的引导元件76、78沿着纵向中轴线l的方向依次布置在第一环形壁24的轴向端部和转向元件36之间，从而一方面实现了进一步改善转向作用，并且另一方面实现了用于反应剂r或从中产生的成分与引导废气的部件之间的热交换作用的进一步增大的表面。由于所有引导元件76、78，以及转向元件36，分别提供例如圆形地弯曲的转向面78、80、40，在主流动方向反转约180°的区域中也实现均匀的流动引导部。

利用废气/反应剂混合组件的根据本发明的结构，在与直线的流动引导部或u形的流动引导部相比明显更小的结构尺寸的同时，实现了显著增大的用于与反应剂热交换作用的表面。由此，例如与延伸的线性流动引导部相比，在传热的表面相同时，包络的结构体积减小了几乎50％。也可以相应的程度减小轴向的结构长度。同时，通过混合区间部段彼此嵌套，显著减小了向外的热损失，从而可将废气中输送的热更加有效地用于反应剂的蒸发和热分解。在这种类型的嵌套布置方案的内部中存在的流动性能导致明显更有效地润湿用于与反应剂热交换作用的表面。

由于在设计方案紧凑的同时在混合区间中的流动长度相对大，原则上可省去设置混合器(该混合器具有多个使流动转向并且因此用于引起涡流的引导面)，从而也可消除在这种类型的混合器的区域中产生沉淀物的风险。如果为了更好地混匀，设置混合器仍然是有利的或者需要的，那么该混合器例如可安装在环形壁的内部，即第一混合区间部段中。

最后要指出的是，显然可将以上描述的不同设计变型方案相互组合。由此，在图6至8中示出的设计变型方案中，显然，相应的转向区域也可热隔离和/或与可电激励的加热装置相互作用。原则上，分别也可利用热隔离材料向外覆盖径向向外限定混合区间的第二环形壁。为了尽可能均匀的流动引导部，环形壁、或者说构造在其内部的混合区间部段优选地具有圆形的、例如正圆形的、椭圆形的或卵形的横截面几何结构，而与选择柱形的还是变细的形状无关。然而，原则上，也可规定相互嵌套的壁的其它横截面几何结构，例如至少局部有角的横截面几何结构。