КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА СО СМЕСИТЕЛЬНОЙ ОБЛАСТЬЮ И СПОСОБ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА
COMPACT DEVICE FOR EXHAUST GAS PURIFICATION WITH MIXING AREA AND MIXING OF SAID GAS

Предметом изобретения является компактное устройство для очистки отработавшего газа (ОГ), в котором происходит перемешивание ОГ, и способ перемешивания ОГ. Перемешивание ОГ происходит прежде всего вместе с обработкой ОГ добавкой или же реагентом.
В связи с постоянно растущим объемом движения транспорта и/или ужесточением норм по выбросам ОГ для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) важно, чтобы ОГ ДВС эффективно нейтрализовались. Для этого из уровня техники известны системы нейтрализации ОГ, в которых ОГ ДВС проводится мимо каталитически действующей поверхности, и вредные вещества в ОГ, такие как соединения оксидов азота, частицы сажи, окись углерода, углеводороды и т.п., при помощи нанесенного на этой поверхности материала-катализатора превращаются в такие вещества, как азот, вода и двуокись углерода. Для эффективного превращения ОГ, как правило, требуются относительно высокие температуры ОГ. Температура ОГ ДВС, как правило, сразу после того как ОГ покинули ДВС является самой высокой, так что здесь, поблизости от ДВС (например, в подкапотном пространстве автомобиля), имеется благоприятное место для размещения системы нейтрализации ОГ. Однако конструктивное пространство поблизости от двигателя в автомобилях всех видов, как правило, ограничено.
Чтобы тем не менее можно было использовать ограниченное конструктивное пространство в подкапотном пространстве для систем нейтрализации ОГ, разработаны особенно компактные устройства для очистки ОГ с концентрическим протеканием, которые известны, например, из DE 10301138 A1. При такой системе нейтрализации ОГ сначала ОГ протекает расположенную концентрично область прямого потока, затем поворачивается и течет через внешнюю область обратного потока назад. При этом область обратного потока окружает область прямого потока на ее внешней стороне, так что происходит эффективный теплообмен между областью прямого потока и областью обратного потока. При этом в области прямого потока и области обратного потока дополнительно могут быть расположены каталитически действующие поверхности, так что ОГ, как правило, дополнительно нагреваются соответственно протекающими каталитическими реакциями. Так, за счет эффективного теплообмена между областью прямого потока и областью обратного потока, температура ОГ в системе выпуска ОГ может повышаться или же поддерживаться высокой, так что происходит особенно эффективное превращение вредных веществ. В то же время, за счет деления системы выпуска ОГ на область прямого потока, область поворота и область обратного потока получается особенно компактное расположение системы нейтрализации ОГ, так что расположение системы может происходить в подкапотном пространстве или же поблизости от ДВС.
В таких системах нейтрализации ОГ при необходимости также предусмотрено добавлять в ОГ реагент. Этот реагент содержит, например, одно из следующих: углеводород, восстановитель или предшественник восстановителя, прежде всего жидкий водный раствор мочевины. Реагент способствует тому, чтобы вредные вещества в ОГ, прежде всего во взаимодействии со специально для этого предусмотренными покрытиями, превращать в безвредные компоненты. При этом такие устройства для добавки этих реагентов расположены так, что достигается наиболее оптимальное распределение в ОГ или же высокая степень испарения введенного реагента. При этом реагент в направлении потока или против направления потока ОГ, например, наносится прямо на сотовое тело, так что в результате попадания реагента на (горячее) сотовое тело усиливается испарение и достигается тонкое распределение капель реагента, а также, при необходимости, накопление реагента в структуре или в покрытии сотового тела. Однако это нанесение реагента на сотовое тело может привести и к тому, что покрытие сотового тела повреждается в результате гидравлического удара или разности температур между сотовым телом и реагентом.
Оптимальное распределение реагента в ОГ является желательным, так как таким образом достигается особенно эффективное превращение вредных веществ на всем поперечном сечении потока. Поэтому, прежде всего, такое перемешивание является рациональным перед прохождением устройства для очистки ОГ (например, катализатора или тому подобного) так. чтобы все области устройства для очистки ОГ могли равномерно нагружаться реагентом. Как только ОГ вошел в устройство для очистки ОГ, которое, как правило, имеет каналы, происходит лишь недостаточное разделение ОГ по всему поперечному сечению потока устройства для очистки ОГ. По этой причине степень перемешивания реагента и ОГ уже перед входом в устройство для очистки ОГ должна быть такой высокой, чтобы была возможной равномерная нагрузка каталитически активных поверхностей устройства для очистки ОГ реагентом.
Это перемешивание ОГ также является благоприятным прежде всего и без добавки реагента. Вредные вещества в ОГ имеются тоже неравномерно распределенными по поперечному сечению выпускного трубопровода. И здесь тоже дополнительное перемешивание (только) ОГ приводит к тому, что вредные вещества и другие компоненты ОГ, например диоксид азота или несгоревшие углеводороды, распределяются равномерно. Таким образом, и расположенное ниже по потоку устройство для очистки ОГ нагружается ОГ так, что ОГ по всему поперечному сечению устройства для очистки ОГ имеет наиболее одинаковый состав.
Исходя из этого, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить указанные в связи с уровнем техники технические проблемы. Прежде всего должно быть указано устройство для очистки ОГ, которое, с одной стороны, обеспечивает компактную конструкцию, а, с другой стороны, делает возможной особенно высокую степень перемешивания ОГ (прежде всего, с реагентом). Одновременно должен быть указан соответствующий способ перемешивания ОГ.
Эти задачи решаются устройством для очистки ОГ в соответствии с признаками п.1 формулы изобретения и способом перемешивания ОГ в соответствии с признаками п.8 формулы изобретения. Благоприятные варианты устройства для очистки ОГ согласно изобретению и способа согласно изобретению или же его расположения и использования в автомобиле указаны в сформулированных как зависимые пунктах формулы. Следует указать на то, что приведенные в формуле отдельно признаки являются комбинируемыми между собой любым технологически рациональным образом и показывают дополнительные варианты осуществления изобретения. Описание, прежде всего в связи с чертежами, поясняет изобретение дополнительно и приводит дополнительные примеры осуществления изобретения.
Устройство для очистки ОГ согласно изобретению имеет, по меньшей мере, корпус с первым торцом и расположенным напротив вторым торцом, а также простирающуюся от первого торца ко второму торцу трубу в качестве области прямого направления для ОГ. Кроме того, устройство для очистки ОГ имеет область поворота в области второго торца для ОГ и простирающуюся между трубой и корпусом область обратного потока. Труба, по соседству со вторым торцом, имеет выходную область, из которой первый частичный поток ОГ течет в область поворота, причем труба в области поворота и выше по потоку от выходной области имеет по меньшей мере одно боковое отверстие, так что первый частичный поток ОГ в области поворота сталкивается по меньшей мере с одним вытекающим по меньшей мере из одного отверстия вторым частичным потоком ОГ.
Выходя из ДВС, ОГ течет по выпускному трубопроводу к устройству для очистки ОГ и входит в него через первый торец в область прямого потока. В задней расположенной ниже по потоку части области прямого потока или же трубы ОГ делится по меньшей мере на один первый частичный поток ОГ и один второй частичный поток ОГ. Второй частичный поток ОГ через по меньшей мере одно боковое отверстие в трубе входит в область поворота. Первый частичный поток ОГ течет мимо по меньшей мере одного бокового отверстия и покидает трубу из расположенной смежно второму торцу выходной области. Из выходной области первый частичный поток ОГ входит в область поворота и там поворачивается так, что он, по существу, течет в направлении области обратного потока, то есть прежде всего противоположно направлению потока ОГ в области прямого потока. Таким образом, вышедший из выходной области первый частичный поток ОГ в области поворота, на пути к области обратного потока, сталкивается по меньшей мере с одним вторым частичным потоком ОГ, который выходит по меньшей мере из одного бокового отверстия. Это столкновение не одинаково направленных частичных потоков ОГ особенно благоприятным образом способствует перемешиванию ОГ. Это объясняется прежде всего тем, что выходящий по меньшей мере из одного бокового отверстия второй частичный поток ОГ имеет направление потока, которое направлено, по существу, в радиальном направлении наружу в направлении корпуса и прежде всего, по меньшей мере, частично в направлении второго торца. Вышедший из выходной области в область поворота второй частичный поток ОГ имеет, прежде всего, направление потока, которое по существу направлено к области обратного потока. Таким образом, здесь создаются первые и вторые частичные потоки ОГ, которые в области поворота, по меньшей мере, частично имеют течения, которые направлены противоположно друг другу, так что достигается улучшенное перемешивание ОГ. К области поворота радиально снаружи расположенной концентрично трубы примыкает область обратного потока, которая расположена между трубой и корпусом и окружает область прямого потока. Через эту область обратного потока снова объединенный ОГ из первого частичного потока ОГ и второго частичного потока ОГ течет прежде всего в противоположном направлении относительно ОГ в области прямого потока. После прохождения области обратного потока ОГ выходит из устройства для очистки ОГ, причем здесь, прежде всего, снова происходит поворот ОГ в общий выпускной трубопровод.
В соответствии с одним особенно благоприятным вариантом устройства для очистки ОГ место добавки реагента расположено прежде всего вне устройства для очистки ОГ, а именно в области выпускного трубопровода, которая расположена выше по потоку от области прямого потока. Соответственно, реагент с ОГ проводится через область прямого потока, причем существенное перемешивание реагента с ОГ тогда происходит в области поворота в результате столкновения по меньшей мере одного первого частичного потока ОГ и по меньшей мере одного второго частичного потока ОГ.
Прежде всего в области прямого потока уже расположено первое устройство для очистки ОГ, например катализатор гидролиза, который осуществляет превращение добавленного реагента, например, предшественника восстановителя. После того, как ОГ прошел это устройство для очистки ОГ, в наличии имеется прежде всего восстановитель (например, аммиак), который лишь после этого в области поворота равномерно распределяется в ОГ. Благодаря этому равномерному распределению восстановителя в области поворота прежде всего расположенное в области обратного потока устройство для очистки ОГ (например, СКВ-катализатор) может быть равномерно нагружен реагентом, так что происходит превращение вредных веществ во всех областях устройства для очистки ОГ.
Согласно еще одному благоприятному варианту добавка реагента может происходить и в области прямого потока самого устройства для очистки ОГ и/или в области поворота и/или в выходной области устройства для очистки ОГ. Для этого устройство для добавки реагента может быть расположено прежде всего в области второго торца.
Прежде всего, с помощью такого устройства для очистки ОГ может происходить эффективное перемешивание ОГ при одновременно малом конструктивном объеме устройства для очистки ОГ. Проходимые потоком площади поперечного сечения области прямого потока и области обратного потока, предпочтительно по существу, соответствуют друг другу. Расположенная между областью прямого потока и областью обратного потока разделительная поверхность образуется прежде всего трубой, которая имеет толщину стенок от 0,2 мм до 0,3 мм. Перемешивание ОГ происходит прежде всего в области поворота устройства для очистки ОГ, так что ОГ уже перед входом в область обратного потока достаточно перемешан. Таким образом, перемешанный ОГ (прежде всего в смеси с реагентом) затем может входить в область обратного потока, в которой прежде всего расположены другие устройства для очистки ОГ. Таким образом, конструктивный размер устройства для очистки ОГ определен только проходимыми поперечными сечениями области прямого потока и области обратного потока, так как толщина стенок трубы или же окружающей область прямого потока стенки и толщина корпуса являются величинами, которыми можно пренебречь. Сильно увеличивающее конструктивный размер устройства для очистки ОГ расположение, по меньшей мере, частично радиально проходимого устройства для очистки ОГ здесь не требуется и не предусмотрено. Внутренний диаметр области прямого потока или же внутренний диаметр трубы составляет прежде всего от 75 мм до 200 мм, причем внутренний диаметр области обратного потока, то есть корпуса, составляет прежде всего от 300 мм до 600 мм. Таким образом, обрабатываемыми или же превращаемыми являются прежде всего массовые потоки ОГ от 1500 до 6000 кг/час. Высота области поворота, то есть расстояние от второго торца до начала области обратного потока, составляет прежде всего от 0,5-кратной до 1-кратной величины внутреннего диаметра области обратного потока или же внутреннего диаметра корпуса.
Согласно еще одному благоприятному варианту устройства для очистки ОГ по меньшей мере одно отверстие имеет по меньшей мере один направляющий элемент, который поворачивает по меньшей мере один второй частичный поток ОГ из области прямого потока в область поворота.
Прежде всего, по меньшей мере один направляющий элемент простирается в область прямого потока или же в трубу.
Также является предпочтительным, чтобы по меньшей мере один направляющий элемент был образован стенкой области прямого потока или же трубы.
Согласно одному благоприятному варианту сам направляющий элемент является составной частью области прямого потока или же трубы и образован, например, вырубкой или загибом из самой стенки трубы. Прежде всего, направляющий элемент соединен только с расположенным ниже по потоку ограничением отверстия. Это означает, прежде всего, что направляющий элемент образуется частичным отделением от стенки области прямого потока и последующим загибом, так что выше по потоку от направляющего элемента получается отверстие. Таким образом, ОГ сталкивается с направляющим элементом и направляется направляющим элементом в область поворота.
Прежде всего, множество отверстий расположено на единой высоте при рассмотрении от второго торца корпуса. При необходимости, множество отверстий расположено на нескольких разных высотах при рассмотрении от второго торца корпуса, так что вторые частичные потоки ОГ ниже по потоку друг от друга впадают в область поворота. Предпочтительно отверстия расположены вращательно-симметрично вокруг оси трубы. Отверстия имеют прежде всего площадь поперечного сечения, через которую проходит второй частичный поток ОГ.
Прежде всего по меньшей мере одно отверстие имеет площадь поперечного сечения отверстия по меньшей мере 150% площади поперечного сечения трубы (области прямого потока). Общая площадь поперечного сечения всех отверстий составляет прежде всего по меньшей мере 200% площади поперечного сечения трубы, предпочтительно менее чем 220% площади поперечного сечения трубы.
Согласно еще одному предпочтительному варианту труба контактирует со вторым торцом, причем по меньшей мере одно боковое выпускное отверстие образует выходную область. Первый частичный поток ОГ проходит через боковое выпускное отверстие и при этом течет от области прямого потока в область поворота. Прежде всего, по меньшей мере одно боковое выпускное отверстие тоже образуется вырубкой в трубе. В этом варианте устройства для очистки ОГ труба может быть закреплена на втором торце, так что может быть обеспечено особенно жесткое расположение устройства для очистки ОГ. Прежде всего, по меньшей мере одно выпускное отверстие непосредственно примыкает ко второму торцу. Предпочтительно, по меньшей мере одно выпускное отверстие не имеет направляющего элемента. ОГ первого частичного потока ОГ прежде всего за счет особой формы второго торца поворачивается так, что ОГ тогда, по существу, течет в направлении области обратного потока.
Согласно одному благоприятному варианту второй торец выполнен закрытым, так что прежде всего никакой другой частичный поток ОГ не втекает через второй торец в устройство для очистки ОГ.
Согласно одному особому варианту устройства для очистки ОГ в или же на втором торце может быть предусмотрено дозирующее устройство для реагента, которое добавляет реагент непосредственно в область поворота или в область прямого потока.
Таким образом, перемешивание ОГ происходит прежде всего исключительно за счет столкновения (по меньшей мере одного) первого частичного потока ОГ и (по меньшей мере одного) второго частичного потока ОГ в области поворота.
Кроме того, изобретение относится к способу перемешивания ОГ в устройстве для очистки ОГ, который имеет, по меньшей мере, следующие стадии:
а) центральный подвод ОГ через область прямого потока,
б) деление ОГ по меньшей мере на один первый частичный поток ОГ и по меньшей мере один второй частичный поток ОГ,
в) поворот частичных потоков ОГ, причем по меньшей мере один первый частичный поток ОГ из выходной части области прямого потока втекает в область поворота и там снова поворачивается, причем по меньшей мере один второй частичный поток ОГ по меньшей мере из одного расположенного выше по потоку от выходной области отверстия втекает в область поворота,
г) столкновение и перемешивание по меньшей мере одного первого частичного потока ОГ по меньшей мере с одним вторым частичным потоком ОГ в области поворота и
д) дальнейшее направление первого частичного потока ОГ и второго частичного потока ОГ совместно через область обратного потока.
Прежде всего, делаются ссылки на изложенное для устройства для очистки ОГ согласно изобретению, которые определенно применимы и к способу.
В соответствии с одним особенно благоприятным усовершенствованием способа по меньшей мере 30% и не более чем 60% ОГ образуют второй частичный поток ОГ.
Кроме того, предлагается автомобиль по меньшей мере с одним ДВС, выпускным трубопроводом и устройством для очистки ОГ согласно изобретению или устройством для очистки ОГ, которое является эксплуатируемым способом согласно изобретению.
Устройство для очистки ОГ является применимым, прежде всего, для автомобилей, железнодорожного транспорта, водных транспортных средств, так как и здесь существуют высокие требования к компактной конструкции или же превращению вредных веществ.
Далее изобретение, а также технический контекст поясняются более детально на чертежах, на которых показаны особенно предпочтительные примеры осуществления, которыми изобретение, однако, не ограничено. Схематически показано на
фиг.1: устройство для очистки ОГ в первой конструктивной форме,
фиг.2: устройство для очистки ОГ согласно фиг.1 в поперечном разрезе,
фиг.3: устройство для очистки ОГ во второй конструктивной форме и
Фиг.4: автомобиль.
На фиг.1 показано устройство 1 для очистки ОГ в соответствии с первой конструктивной формой. Устройство 1 для очистки ОГ образовано корпусом 2 и концентрично расположенной в корпусе 2 трубой 5, которая образует область 6 прямого потока для ОГ 7. ОГ 7 входит в корпус 2 через первый торец 3. Труба 5 является соответственно открытой к первому торцу 3 корпуса 2, так что вошедший здесь ОГ 7 протекает через трубу 5 в направлении второго торца 4. Труба 5 или же область 6 прямого потока имеет внутренний диаметр 25 трубы. Второй торец 4 выполнен закрытым, так что здесь ОГ 7 поворачивается. В расположенной ниже по потоку части трубы 5 ОГ 7 разделяется на первый частичный поток 11 ОГ и несколько вторых частичных потоков 13 ОГ. Первый частичный поток 11 ОГ покидает трубу 5 через выходную область 10, которая расположена рядом со вторым торцом 4 корпуса 2. Таким образом, первый частичный поток 11 ОГ через выходную область 10 входит в область 8 поворота, посредством которой ОГ 7 поворачивается в направление потока, которое, по существу, противоположно направлению потока в области 6 прямого потока. То есть вместо того, чтобы сразу входить в область 9 обратного потока, в устройстве 1 для очистки ОГ согласно изобретению происходит деление потока ОГ в области 6 прямого потока. Вторые частичные потоки 13 ОГ входят (в области 6 прямого потока) выше по потоку от выходной области 10 через отверстие 12 в область 8 поворота. В области 8 поворота первый частичный поток 11 ОГ сталкивается с входящими, по существу, поперек него вторыми частичными потоками 13 ОГ. В результате столкновения частичных потоков 11, 13 ОГ происходит обширное перемешивание ОГ 7. Здесь расположены отверстия 12 на нескольких высотах исходя из второго торца 4. Лишь после этого столкновения частичных потоков 11, 13 ОГ теперь объединенный (и перемешанный) ОГ 7 входит в область 9 обратного потока. В области 9 обратного потока расположены устройства 21 для очистки ОГ, которые друг за другом могут иметь, например, катализатор гидролиза и СКВ-катализатор.
Кроме того, или в качестве альтернативы, в известной компоновке могут быть применены накопительные элементы, нагревательные катализаторы, сажевые фильтры, агломераторы частиц. ОГ 7 вытекает из области 9 обратного потока и покидает корпус 2 устройства 1 для очистки ОГ.
На фиг.2 схематически показано устройство 1 для очистки ОГ согласно фиг.1 в поперечном разрезе. Устройство 1 для очистки ОГ имеет корпус 2 с внутренним диаметром 28 корпуса и концентрично расположенную трубу 5 с внутренним диаметром 25 трубы. Труба 5 имеет проходимую для ОГ площадь 18 поперечного сечения. Область 9 обратного потока имеет проходимую для ОГ площадь 27 поперечного сечения.
На фиг.3 схематически показана вторая конструктивная форма устройства 1 для очистки ОГ. Здесь труба 5 области 6 прямого потока простирается через первый торец 3 корпуса 2. В трубе 5 предусмотрено дозирующее устройство 24, которое вводит в поток 7 ОГ реагент 22. ОГ 7 покидает область 6 прямого потока в виде первого частичного потока 11 ОГ через несколько выпускных отверстий 16 в выходной области 10 или в виде частичного потока 11 ОГ через отверстия 12. Здесь отверстия 12 имеют направляющие элементы 14, которые простираются внутрь в трубу 5 и осуществляют поворот второго частичного потока 13 ОГ. Здесь направляющие элементы 14 образуются стенкой 15 трубы 5. Отверстие 12 имеет площадь 17 поперечного сечения отверстия, которое показано штриховкой в отверстии 12 в задней стенке трубы 5. ОГ 7 из первого частичного потока 11 ОГ и второго частичного потока 13 ОГ через отверстия 12 или же через выпускные отверстия 16 входит в область 8 поворота, которая простирается от второго торца 4 до высоты 26 в области 9 обратного потока. Высота 26 простирается до больше всего удаленного от второго торца 4 ограничения 29 отверстия 12, которое расположено дальше всего выше по потоку в области 6 прямого потока. Область 9 обратного потока примыкает к области 8 поворота и окружает область 6 прямого потока.
На фиг.4 схематически показан автомобиль 19 с ДВС 20. Выпускной трубопровод 23 направляет ОГ 7 от ДВС 20 через устройство 1 для очистки ОГ в окружающую среду.