專利名稱：用于在內(nèi)燃機(jī)的廢氣中減少氮的氧化物成份的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在內(nèi)燃機(jī)的待冷卻的廢氣中催化還原氮的氧化物(NOx)的裝置。
當(dāng)碳?xì)浠衔镌诶缈蔀椴裼蜋C(jī)或汽油機(jī)的內(nèi)燃機(jī)中燃燒時(shí)，除了主要的燃燒產(chǎn)物二氧化碳和水蒸汽外，還產(chǎn)生有一部分是非所希望的副產(chǎn)品。除了燃燒的進(jìn)行過(guò)程外，氮氧化物的成份還取決于空氣/燃料比。在空氣虧欠時(shí)，廢氣含有較多的二氧化碳和碳?xì)浠衔?，而在空氣過(guò)剩時(shí)，則二氧化碳和碳?xì)浠衔锊畈欢嗤耆趸?。廢氣中的氮氧化物的含量在略稀的混合氣成分范圍內(nèi)有一最大值。但是，在此范圍內(nèi)，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)，尤其是汽油機(jī)，有一消耗率(spezifischen verbrauch)的最佳值。因此，如果特別是將汽油機(jī)調(diào)節(jié)至最佳的低消耗，也可能在廢氣中存在高的NOx濃度。
為了減少內(nèi)燃機(jī)廢氣中的NOx含量，例如通過(guò)EP0487886A1知道，有可能在采用尿素和一種還原催化器的情況下，在含氧的廢氣中有選擇地催化還原NOx。尿素在與還原催化器接觸之前定量地水解成氨和二氧化碳，其中，該催化器為一催化轉(zhuǎn)換器。采用尿素有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即避免在機(jī)動(dòng)車輛中一起攜帶氨并不需要進(jìn)行要求有相應(yīng)的安全防護(hù)措施的氨的制備。
用尿素作為還原劑有這樣的問(wèn)題，即在催化轉(zhuǎn)換器的前面直接噴射尿素時(shí)，能產(chǎn)生非所希望的反應(yīng)產(chǎn)物。此處，可能在尿素?zé)岱纸鈺r(shí)產(chǎn)生固體。
為了避免這一問(wèn)題，DE4203807A推薦了一種裝置，用于催化還原內(nèi)燃機(jī)的含有氮的氧化物的廢氣。該裝置有一催化轉(zhuǎn)換器和一供應(yīng)裝置，該供應(yīng)裝置將液態(tài)尿素微細(xì)地噴濺至布置在催化轉(zhuǎn)換器前面的蒸發(fā)器上。
蒸發(fā)器構(gòu)造成流動(dòng)混合器的形狀，由此可以提高尿素分解的效率。作為流動(dòng)混合器構(gòu)成的、下面稱為“混合器”的蒸發(fā)器，按照DE4203807A1，最好如此構(gòu)成，以使在混合器內(nèi)引起紊流和徑向和/或切向的流動(dòng)分量，以致能盡可能快速而完全地對(duì)尿素溶液實(shí)現(xiàn)熱傳遞。此外，沿蒸發(fā)器和布置在蒸發(fā)器后面的水解催化器的整個(gè)橫截面產(chǎn)生盡可能均勻的尿素溶液和由其形成的氣體的分布。
內(nèi)燃機(jī)的含有離開水解催化器流體的廢氣以及氨和二氧化碳被送入一催化轉(zhuǎn)換器中，在其中另外還進(jìn)行氮氧化物的還原。
由此出發(fā)，本發(fā)明的目的在于，進(jìn)一步提高用于催化還原內(nèi)燃機(jī)的含有氮氧化物的廢氣的裝置的效率。
此目的將通過(guò)按照本發(fā)明的、具有權(quán)利要求1的特征的用于催化還原內(nèi)燃機(jī)的含有NOx的廢氣的裝置來(lái)達(dá)到。該裝置的有益的改進(jìn)和設(shè)計(jì)為從屬權(quán)利要求的對(duì)象。
按照本發(fā)明的用于催化還原內(nèi)燃機(jī)的含有NOx的廢氣的裝置有一排氣管，該排氣管的一端可與內(nèi)燃機(jī)的至少一個(gè)廢氣出口連接。設(shè)有一供應(yīng)裝置，還原劑特別是尿素可通過(guò)它送入排氣管中。此外，裝置還有至少一個(gè)混合器，該混合器沿廢氣的流動(dòng)方向看去布置在將還原劑送入排氣管的部位的下游，其中，混合器有許多可流過(guò)流體的通道。在至少一個(gè)混合器的后面，布置至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)換器。按照本發(fā)明的裝置的突出優(yōu)點(diǎn)為，在混合器與轉(zhuǎn)換器之間至少設(shè)置一個(gè)擴(kuò)散器(Diffusor)，該擴(kuò)散器有許多可流過(guò)廢氣的通道，該通道有一沿流動(dòng)方向逐漸加大的橫截面。
通過(guò)裝置的按照本發(fā)明的構(gòu)形可以做到，離開至少一個(gè)混合器的、含有內(nèi)燃機(jī)的廢氣和還原劑的分解產(chǎn)物，特別是氨和二氧化碳的流體可均勻地運(yùn)送至催化轉(zhuǎn)換器中。由此可以做到，流體沿催化轉(zhuǎn)換器的整個(gè)橫截面比較均勻地流過(guò)催化轉(zhuǎn)換器，從而可以均勻地利用催化轉(zhuǎn)換器。
通過(guò)有許多可流過(guò)流體的、具有沿流動(dòng)方向逐漸加大的橫截面的通道的擴(kuò)散器，流體可非常均勻地在催化轉(zhuǎn)換器的入口側(cè)均勻分布。此時(shí)，擴(kuò)散器的壓力損失比較少。
按照一個(gè)有利的設(shè)計(jì)，建議使擴(kuò)散器的入口的自由流動(dòng)截面至少與混合器的出口的自由流動(dòng)截面相當(dāng)。由此可以做到，在混合器與擴(kuò)散器之間的過(guò)渡區(qū)，壓力損失比較少。
按照本發(fā)明的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)，建議擴(kuò)散器在入口處有一與混合器的柵格(Zelledichte)對(duì)應(yīng)的柵格密度。由此可以避免有進(jìn)一步的壓力損失。
按照裝置的另一個(gè)有利的構(gòu)形，建議使擴(kuò)散器的入口處的單個(gè)通道的截面形狀基本上與混合器的出口處的單個(gè)通道的截面形狀對(duì)應(yīng)。最好是擴(kuò)散器的入口處的單個(gè)通道的至少一部分與混合器的出口處的單個(gè)通道的一部分對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)混合器和擴(kuò)散器這種布置和構(gòu)形可以做到，混合器的通道準(zhǔn)過(guò)渡至擴(kuò)散器的通道。由此，擴(kuò)散器與混合器之間的過(guò)渡區(qū)中的壓力損失還要進(jìn)一步減少。
為了更進(jìn)一步改進(jìn)尿素與廢氣的混合，建議使擴(kuò)散器的通道相對(duì)于混合器的出口處的通道偏置。由此可以做到，該從混合器的通道出來(lái)的流線在擴(kuò)散器的入口處分裂成更多的分流動(dòng)。該分流動(dòng)將與其它通過(guò)從混合器出來(lái)的其它流線的分割而形成的分流動(dòng)混合。
由于通道在擴(kuò)散器中沿流動(dòng)方向擴(kuò)大，故還可以做到，擴(kuò)散器在一個(gè)通道中有一定的流體混合作用，由于流動(dòng)速度在擴(kuò)散器中減小，故流動(dòng)速度與擴(kuò)散速度之間的比值沿?cái)U(kuò)散速度的方向移動(dòng)。
按照本發(fā)明的裝置最好有一擴(kuò)散器，它通過(guò)一外殼和至少一疊彼此堆疊的平滑的和做成波紋的(金屬)薄板層形成。擴(kuò)散器的構(gòu)形可對(duì)應(yīng)于通過(guò)WO89/02978或?qū)?yīng)于WO93/20339已知的擴(kuò)散器的構(gòu)形形成。這些文獻(xiàn)的內(nèi)容也將成為本發(fā)明的說(shuō)明內(nèi)容。
為了更進(jìn)一步地改善流體的混和，按照又一個(gè)有利的構(gòu)形建議，擴(kuò)散器的通道的至少一部分在流動(dòng)技術(shù)上是彼此連接的。
擴(kuò)散器的通道通過(guò)通道壁來(lái)界定。最好是，通道壁的至少一部分有開口。特別建議，開口的至少一部分配有導(dǎo)向表面，該導(dǎo)向表面與通道壁或傾斜地延伸。通過(guò)這些導(dǎo)向表面，可以做到使流動(dòng)以一個(gè)通道偏移到一相鄰的通道中。
為了做到流體沿?cái)U(kuò)散器的徑向盡可能快地混合，建議在做成波紋的(金屬)薄板間設(shè)置平滑的(金屬)薄板，該平滑的金屬薄板至少部分地做成網(wǎng)狀的。平滑的金屬薄板層可通過(guò)可壓延的金屬形成。
按照本發(fā)明的另一有利的構(gòu)形，建議將擴(kuò)散器基本直接布置在混合器后面。
本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)在圖中示出的實(shí)施例予以說(shuō)明。其中，具體地示出，

圖1示意地示出用于催化還原內(nèi)燃機(jī)的含有氮的氧化物的廢氣的裝置，圖2用縱向剖視圖示出一混合器，圖3用正視圖示出一混合器，它具有螺旋形延伸的金屬薄板層，圖4用縱向剖視圖示出一混合器，它具有流動(dòng)偏轉(zhuǎn)部位，該偏轉(zhuǎn)部位在局部區(qū)域是向外的，在局部區(qū)域是向內(nèi)的，圖5用正視圖示出一混合器，它具有S形薄板層，圖6用透視圖示出擴(kuò)散器的一種實(shí)施形式，圖7用橫截面視圖示出擴(kuò)散器的另一種實(shí)施形式，圖8示意示出一金屬薄板層的實(shí)施形式的片段，它們適用于混合器或擴(kuò)散器，圖9示出用于混合器或擴(kuò)散器的做成波紋的和平滑的金屬薄板層的第二實(shí)施例。
圖1示意地示出用于催化還原內(nèi)燃機(jī)的含有NOx的廢氣的裝置。裝置有一排氣管1，排氣管的一端與未示出的內(nèi)燃機(jī)的至少一個(gè)廢氣出口連接。用箭頭示出廢氣在排氣管1中的流動(dòng)方向。
還原劑特別是尿素可通過(guò)一個(gè)供應(yīng)裝置3送入排氣管中。供應(yīng)裝置有一供應(yīng)管路4，該管路伸入排氣管中。在管路4的自由端設(shè)置一噴嘴，特別是一噴射噴嘴。
在排氣管1中設(shè)置一混合器2。它沿廢氣的流動(dòng)方向看去布置在還原劑供應(yīng)裝置的下游。噴嘴5要如此取向，以使它沿廢氣流動(dòng)方向?qū)⑦€原劑噴入或注入廢氣中。
混合器2有許多流體可流過(guò)的通道9。
在圖1中示出，在混合器2后面，宜接連接一擴(kuò)散器6。擴(kuò)散器6有許多廢氣可以流過(guò)的通道21，該通道有沿流動(dòng)方向逐步擴(kuò)大的橫截面。
布置在擴(kuò)散器6后面的是一個(gè)催化轉(zhuǎn)換器7。轉(zhuǎn)換器7也可以通過(guò)多個(gè)部分轉(zhuǎn)換器形成，這些部分轉(zhuǎn)換器布置成彼此隔開一段距離。
圖2用縱向剖視圖示意地示出一混合器的實(shí)施形式?；旌掀?是通過(guò)許多至少部分區(qū)域起紋理結(jié)構(gòu)的金屬薄板形成的，該薄板界定了廢氣可流過(guò)的通道9。至少通道9的一部分具有開口10。開口10配有導(dǎo)向表面，該導(dǎo)向表面與混合器2的縱向軸線成傾斜地延伸?；旌掀?在外面通過(guò)管形外殼8界定。在排氣管1中流動(dòng)的廢氣通常有一拋物線形流動(dòng)截形曲線，以使得不是整個(gè)通道9都能得到均勻的體積流量。用縱向剖視圖示意地示出的導(dǎo)向表面11的分布起著使流動(dòng)截形曲線均勻化的作用，從而也起到使流體中所包含的分量均勻化的作用，即通過(guò)使從具有大的體積流量的靠里面的通道出來(lái)的部分流體朝較位于外面的、具有少的體積流量的相鄰的通道偏移。
流體的這種分割可通過(guò)一蜂窩體達(dá)到，該蜂窩體至少在外部區(qū)域如圖3示意地所示，由大體按漸開線形延伸的用平滑的金屬薄板13和波紋的金屬板14做成的疊層形成。通過(guò)圖3的箭頭表明，通過(guò)開口與導(dǎo)向表面的流動(dòng)總是部分地朝相鄰的、位于更外面的通道9分岔，由此，可以產(chǎn)生體積流量從內(nèi)向外的均勻化，由此還可做到流體的徹底混合。
圖4用縱向剖視圖示意地示出混合器2的另一個(gè)實(shí)施形式。混合器2有開口10和導(dǎo)向表面11、13。通過(guò)混合器2可以做到流動(dòng)的特別良好的混和?；旌掀?通過(guò)一金屬峰房體形成，該峰房體布置在一管形外殼8中?；旌掀?由一基本為拋物線形的流動(dòng)截形曲線12流過(guò)，它有許多通道9。
在混合器2的部分區(qū)域中，導(dǎo)向表面11要如此取向，以使體積流量的部分流體從內(nèi)向外偏轉(zhuǎn)，而在其它的部分區(qū)域中，體積流量則從外向內(nèi)偏轉(zhuǎn)，這特別在混合器2的下部示意地通過(guò)箭頭示出。
根據(jù)圖5中用正視圖示出的混合器2，可以看出，混合器2通過(guò)彎曲成S形的金屬薄板層形成?；旌掀饔衅交慕饘俦“鍖?3和做成波紋形的金屬薄板層14，它們布置成一堆疊體，其端部按相反的方向盤繞。在做成波紋的金屬薄板層14中，在不同的側(cè)面形成導(dǎo)向表面11和開口10并且它們有不同的取向，以使例如在通道9a、9b的兩個(gè)相鄰的層中分岔不同取向的部分流體。
圖6用透視圖和示意圖示出一擴(kuò)散器6的一個(gè)實(shí)施形式。擴(kuò)散器6相對(duì)于軸線16做成錐形。它有一錐形的外殼17。在外殼17中布置一個(gè)堆疊體18，它按S形盤繞。此堆疊體18包括平滑的金屬薄板19和做成波紋的金屬薄板20。平滑的金屬薄板19和做成波紋的金屬薄板20界定通道21，該通道有一沿流動(dòng)方向逐步加大的橫截面。
關(guān)于這種擴(kuò)散器的制造和構(gòu)形，可參看WO93/20339。
圖7示出擴(kuò)散器6的另一種實(shí)施形式。擴(kuò)散器6通過(guò)一外殼17形成，其中布置一堆疊體18。擴(kuò)散器6做成錐形。用標(biāo)號(hào)22代表用于流體的入口，用標(biāo)號(hào)23代表用于流體的出口。堆疊體18在外殼17中通過(guò)周向的凸緣24夾持。凸緣24可通過(guò)外殼17卷邊而制成。通過(guò)沿?cái)U(kuò)散器6的軸向延伸且在入口側(cè)22形成的法蘭25，擴(kuò)散器6與一混合器2連接。
如果擴(kuò)散器6同時(shí)用作使流體能沿徑向和/或切向流動(dòng)的流動(dòng)混合器，則建議使堆疊體18如此形成，以使在做成波紋的金屬薄板之間不布置封閉的、平滑的金屬薄板。為了使堆疊體18穩(wěn)定，建議如同在圖8中示出的那樣，在相鄰的做成波紋的金屬薄板14之間，在入口22和/或出口23處布置一金屬薄板條26。該金屬薄板條只沿?cái)U(kuò)散器6的軸向長(zhǎng)度的一部分延伸。圖8中所示的金屬薄板層14有一波形，它具有波峰27和波谷28。如果沿軸向看波峰27，則可以看出，波峰27至少有一個(gè)用作流動(dòng)分割器的變形29。它表明，在變形29處，流體流被向相鄰的波谷28偏轉(zhuǎn)。在變形29的前面，波峰在30處設(shè)有一開口，以使在22處流入的流體通過(guò)開口30流出并流經(jīng)變形29。
所有波峰27或多個(gè)選取的波峰27都可設(shè)有這類變形29和開口30。沿軸向看去，一個(gè)波峰可以設(shè)有多個(gè)依次布置的變形和開口。
圖8還另外示出，在波谷28中形成具有開口32的沖壓段31，通過(guò)擴(kuò)散器的這種構(gòu)形，可以做到沿周向的混合，又有沿徑向的混合。
圖9示出一平滑的金屬薄板19和一做成波紋的金屬薄板20的又一種構(gòu)形。平滑的金屬薄板19做成網(wǎng)狀。最好平滑的金屬薄板19為一可壓延的金屬。
做成波紋的金屬薄板20有一槽34。槽34的圖是示意的。槽34最好在波峰27的側(cè)面形成。也可以在做成波紋的板20中有多個(gè)依次形成的槽34。
槽34部分地由兩個(gè)舌片35、36界定。舌片35、36做成從波紋的金屬薄板20的平面向外彎。由引形成流動(dòng)導(dǎo)向表面，該導(dǎo)向表面造成相鄰的通道21之間的橫向流動(dòng)。由此達(dá)到一個(gè)在擴(kuò)散器6周向的混合。沿徑向的混合通過(guò)做成網(wǎng)狀的平滑的金屬薄板19達(dá)到。
參考符號(hào)表1 排氣管2混合器3 供應(yīng)裝置 4供應(yīng)管路5 噴嘴 6擴(kuò)散器7 轉(zhuǎn)換器8管形外殼9 9a、9b通道10開口11導(dǎo)向表面 12流動(dòng)截形曲線13平滑的金屬薄板14做成波紋的金屬薄板15導(dǎo)向表面 16軸線17外殼 18堆疊體19平滑的金屬薄板20做成波紋的金屬薄板21通道 22入口23出口 24凸緣25法蘭 26金屬薄板條27波峰 28波谷29變形 30開口31沖壓段32開口34槽35、36舌片
權(quán)利要求
1.用于催化還原內(nèi)燃機(jī)的含有NOx的廢氣的裝置，它有一排氣管(1)，有一供應(yīng)裝置(3)，有至少一個(gè)混合器(2)，和至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)換器(7)，所述的排氣管的一端可與內(nèi)燃機(jī)的至少一個(gè)廢氣出口連接，通過(guò)供應(yīng)裝置可將還原劑特別是尿素送入排氣管(1)中，該混合器沿廢氣的流動(dòng)方向布置在將還原劑送入排氣管(1)的部位的下游，其中，混合器有許多可流過(guò)流體的通道(9、9a、9b)，所述轉(zhuǎn)換器布置在至少一個(gè)混合器(2)的后面，其特征為，在混合器(2)與轉(zhuǎn)換器(7)之間至少設(shè)置一個(gè)擴(kuò)散器(6)，該擴(kuò)散器有許多可流過(guò)廢氣的通道(21)，該通道有一沿流動(dòng)方向逐漸加大的橫截面。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其特征為，擴(kuò)散器(6)的入口(22)處的自由流動(dòng)截面至少與混合器(2)的出口的自由流動(dòng)截面相當(dāng)。
3.如權(quán)利要求2的裝置，其特征為，擴(kuò)散器(6)在入口(22)處有一與混合器(2)的柵格密度對(duì)應(yīng)的柵格密度。
4.如權(quán)利要求1、2或3的裝置，其特征為，擴(kuò)散器(16)的入口處(22)的單個(gè)通道(21)的截面形狀基本上與混合器(2)的出口處的單個(gè)通道的截面形狀對(duì)應(yīng)。
5.如權(quán)利要求4的裝置，其特征為，擴(kuò)散器(6)的單個(gè)通道(21)的至少一部分在入口處(22)與混合器(2)的單個(gè)通道的一部分在出口處對(duì)準(zhǔn)。
6.如權(quán)利要求1至5的任一項(xiàng)的裝置，其特征為，擴(kuò)散器(6)通過(guò)一外殼(17)和至少一由彼此疊置的平滑的和做成波紋的金屬薄板(19、20)組成的堆疊體(18)形成。
7.如權(quán)利要求1至6的任一項(xiàng)的裝置，其特征為，擴(kuò)散器(6)的通道(21)的至少一部分在流動(dòng)技術(shù)上彼此連接。
8.如權(quán)利要求7的裝置，其特征為，通道(21)通過(guò)通道壁界定，其中，通道壁的至少一部分做有開口(30、32、34)，并且開口(30、32)的至少一部分配有導(dǎo)向表面(29、35、36)，所述導(dǎo)向表面與通道壁成傾斜地延伸。
9.如權(quán)利要求7或8的裝置，其特征為，平滑的金屬薄板層(19)至少局部做成網(wǎng)狀。
10.如權(quán)利要求9的裝置，其特征為，平滑的金屬薄板層(19)由可壓延的金屬制成。
11.如權(quán)利要求1至10的任一項(xiàng)的裝置，其特征為，擴(kuò)散器(6)基本直接布置在混合器(2)后面。
全文摘要
為了催化還原內(nèi)燃機(jī)的含有氮的氧化物的廢氣,推薦一種裝置,它有一排氣管(1),該排氣管在其一端與內(nèi)燃機(jī)的至少一個(gè)廢氣出口連接。還原劑特別是尿素通過(guò)供應(yīng)裝置(3)送入排氣管(1)中。裝置有至少一個(gè)混合器(2),它沿廢氣的流動(dòng)方向布置在將還原劑送入排氣管(1)的部位的下游?；旌掀?2)有許多流體可流過(guò)的通道(9)。在混合器的后面布置至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)換器(7)。在混合器(2)與催化器(7)之間設(shè)置至少一個(gè)擴(kuò)散器(6),它有許多廢氣可流過(guò)的通道(21),該通道有沿流動(dòng)方向逐步加大的橫截面。
文檔編號(hào)F01N13/02GK1370092SQ00811586
公開日2002年9月18日 申請(qǐng)日期2000年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月17日
發(fā)明者J·霍格森 申請(qǐng)人:排放技術(shù)有限公司