CN101321936B - 用于对排气流进行热处理的装置和方法 - Google Patents

用于对排气流进行热处理的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于处理排气流(2)的装置(1)，其具有带有前部区域(4)和后部区域(5)的至少一个入流通道(3)以及至少一个回流通道(6)，其中，在所述至少一个入流通道(3)的后部区域(5)内设有第一涂层(7)，该第一涂层(7)支持排气流(2)的放热反应，以及在入流通道(3)的前部区域(4)内设有用于从回流通道(6)传递热量的元件。此外，还提出一种操作用于处理排气流(2)的装置(1)的相应方法。

Description

用于对排气流进行热处理的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于对排气流进行热处理的装置，其中应在预定的温度范围内处理排气。
背景技术
为此已知所谓的换热器，其中排气被引导从换热表面旁流过，该换热表面将排气流和换热介质隔开。通过排气与所述换热表面的接触来影响排气流的温度。这种具有分离的换热介质的换热器通常构造得很复杂，因此也很难集成到机动车辆的排气系统中。此外，关于已知的排气处理装置已经发现，这些排气处理装置局部/部分对温度敏感，也就是说仅在有限的温度范围内引起包含在排气中的有害物质的所希望的转化。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种处理排气流的装置以及方法，该装置和方法至少部分地解决上述的技术问题或将上述技术问题减小到最低程度。特别是想要提供一种用于处理排气流的装置，该装置具有相对简单的结构并同时允许在无需分离的换热介质的情况下控制排气流的温度。此外，还想要提供一种方法，该方法引起包含在排气中的有害物质的特别有效的并能以低的费用维持的转化。
所述目的通过具有权利要求1所述特征的用于处理排气流的装置以及具有权利要求11所述步骤的用于处理排气流的方法来实现。其它有利的实施例在各从属权利要求中说明。须指出，在专利权利要求中单独列出的特征可以以任意技术上有意义的方式相互组合并形成本发明的其它实施例。
根据本发明的用于处理排气流的装置具有至少一个入流通道和至少一个回流通道，该入流通道具有前部区域和后部区域，其中，在所述至少一个入流通道的后部区域内设有一第一涂层，该第一涂层支持排气流的放热反应，以及在该入流通道的前部区域内形成有用于从回流通道传递热量的元件。
关于入流通道和回流通道的实施例优选的是，该入流通道和回流通道根据逆流原理彼此定向/对齐。在此，它们特别是具有相同的长度并基本上彼此平行地延伸。此外，入流通道被分成至少两个分区域，即一前部区域和一后部区域。该前部区域布置在通道开端附近，特别是从通道开端延伸至后部区域。但也可以在该前部区域的上游和/或下游设置另一分区域。同样，所述后部区域布置在入流通道的通道末端附近，该后部区域优选从通道末端延伸至入流通道的内部区域。
此外，在所述至少一个入流通道的后部区域内设有第一涂层，该第一涂层支持排气流的放热反应。换言之，例如可以仅在所述后部区域内设置涂层，该涂层具有促进排气流组分氧化的贵重金属催化剂，如铂、铑或钯。因此，借助于该第一涂层激发排气中的化学反应，该化学反应在放热情况下进行，因此总体上引起排气流被加热。优选的是，所有的入流通道形成有相应的后部区域，亦即具有相应的第一涂层。
在入流通道的前部区域内现形成有用于从回流通道传递热量的元件。换言之，在入流通道的后部区域内被加热的排气在返回时又被引导经过入流通道的前部区域，其中回流通道内较热的排气将热量传递给进入入流通道的排气流。在此，在回流通道的后部区域内的放热反应有利地配置成，在回流的排气流中存在比流入入流通道中的排气流高出至少50℃的温度。用于实现热传递的特别简单的元件包括由导热性能良好的材料制成的共用的壁，其中该壁有利地具有很小的单位面积的热容量。这种壁可例如借助于薄的金属薄板来实现。
根据所述装置的一个改进，在所述至少一个入流通道内设有用于排气流的导入元件，其中实现了可变的气体入流位置。这特别是指，该气体入流位置在入流通道的区域内可变化。因此，通过使流入的排气流或多或少地在前部区域内经受热传递或者在后部区域内经受放热反应，实现了可在入流通道内改变所述排气流的温度升高的目的。
在这种情况下有利的是，导入元件包括双金属活门。双金属(也称为热双金属)通常是一种由两层不同材料构成的金属条，这两层材料彼此材料相连地或形锁合地相连接。其特性在于在温度改变时形状改变。所述的形状改变称为弯曲。其原因在于所用金属具有不同的延展系数。所述金属可以例如是锌和钢。因此，双金属活门具有以下特性，即该双金属活门由于不同的温度而不同程度地变形。如果通过这种活门引导流入的排气流，则会发生反复变形，该变形可设计成根据双金属活门的变形来改变气体入流位置。
根据所述装置的一个有利的改进，在所述至少一个回流通道内设有第二涂层。在此，这种实施例特别优选，在该实施例中装置的所有回流通道形成有第二涂层。该第二涂层既可形成在入流通道的前部区域附近，又可或者可代替地形成在入流通道的后部区域附近。特别优选地，该第二涂层设置在回流通道的离开热排气的气体流入侧特别是至少50mm或者甚至100mm的区域内。
所述第二涂层优选是对温度敏感的涂层。这特别是指，第二涂层相对于存在的温度具有较窄的有效范围。这种对温度敏感的第二涂层的实例是用于吸附氮氧化物的涂层或用于选择性催化反应的涂层(所谓的SCR涂层)。相当特别优选地，所述具有第二涂层的区域不必延伸到回流通道的气体流出口，因为所述区域恰好应至少部分地用于向入流通道的热传递。在此显然的是，在回流通道内还可设置其它的涂层或构件(Einbauten)。
根据所述装置的一个有利的改进，入流通道的前部区域具有至少50mm的延伸尺寸/长度。对于特别密切(innig)的热交换，也可选择更大的延伸尺寸，例如高达150mm。延伸尺寸不应超过该值，因为否则在某些情况下所述装置不能构造得足够紧凑，使得该装置不适合于机动车应用。相当特别优选地，延伸尺寸在60至120mm的范围内。
根据所述装置的另一实施例，在所述至少一个入流通道和至少一个回流通道之间设有偏转区域，其中下列部件中的至少一个至少部分地设置在该偏转区域内：颗粒过滤器、催化转化器、探测器、反应剂进口。关于偏转区域须说明，该偏转区域既可连接单个的入流通道与单个的回流通道，但也可以通过一共同的偏转区域连接多个入流通道和多个回流通道。因此可以直接在偏转区域的内部和/或在其附近设置其它的用于排气处理和/或用于监控排气流的部件。作为示例，这里列出有用于至少暂时地抑留被排气流携带的颗粒的颗粒过滤器、用于催化转化排气流的组分的催化转化器或者用于添加固态、液态或气态反应剂比如尿素、氨、碳水化合物等的反应剂进口，该反应剂例如支持回流通道内的工艺过程。此外，还提出，在偏转区域内或在其附近设有一探测器。该探测器例如设计成温度探测器。该探测器可直接设置在偏转区域内，但也可以将其至少部分地设置在入流通道和/或回流通道内。
此外还提出，多个入流通道和多个回流通道设置在至少一个层(Schicht)内，其中所述的至少一个层设置成多个叠层(Lage)。特别优选地，层由至少一个部分形成结构的金属薄板形成，该金属薄板隔开相邻的通道。在此相当特别优选地，在金属薄板的一侧上形成有入流通道而在另一侧上形成有回流通道。为了构造相应的装置，可将多个这种层彼此堆叠并设置在一壳体内。但或者也可以例如将单个层多重缠绕地设置在一壳体内。
根据所述装置的一个优选改进，所述装置在入流端侧的区域内具有至少90％的自由横截面。相当特别优选地，自由横截面为至少95％。在此，入流端侧是所述装置的例如待处理的排气流入的一侧。现为了实现流动技术上有利的入流性能，这里换句话提出，几乎整个入流端侧由入流通道的入流开口构成，自由横截面基本上由入流横截面(大部分对应于入流端侧或将排气导向装置的管道的横截面)减去入流通道的壁厚得到。因此，特别地得到了入流端侧的与装置的出流端侧的设计不同的设计。所以，出流端侧的用于重新流入回流通道的排气的自由横截面明显低，例如约为50％。
此外，关于这种装置优选的是，所述至少一个入流通道具有从入流开口到出流开口减小的流动横截面。换言之，沿排气的流动方向看，该流动横截面阶跃地和/或连续地、有利地限定在一小的通道区段内变小。为了在入流端侧的范围内实现大的自由横截面，流动横截面优选在一从入流开口开始的区段内减小至少5mm(毫米)，特别是至少10mm。流动横截面的减小优选单独借助于通道壁来实现，但在个别情况下同样也可为此设置一(基本上不透气的)密封材料等。
最后，这种装置也被认为是特别有利的，在该装置中多个入流通道被至少一个回流通道包围。这特别是涉及设计有多个入流通道(和回流通道)的装置，其中在出流端侧上例如具有至少100cpsi、优选甚至至少200cpsi的总通道密度(cpsi＝通道(数)/平方英寸，其中1平方英寸相当于约6.4516平方厘米)。现在，入流通道布置成这样，使得沿入流通道的切向方向观察时，所述入流通道(全部)被一个(或多个)回流通道包围。在这里，一个或各个入流通道的周面的至少70％、特别是至少80％与至少一个回流通道交换热量地接触。
所述装置的所有上述优选实施变型有利地以由至少部分形成结构的金属薄板构造的蜂窝体形成。在此特别优选这种实施例，在该实施例中至少一个金属薄板的结构形成有沿流动方向变化的波高和/或波宽。
根据本发明的另一方面，提出一种用于处理排气流的方法，至少具有以下步骤：
(a)将排气流导入用于处理排气流的装置的至少一个入流通道中，
(b)由于在入流通道后部区域内的放热反应而引起所述排气流温度升高，
(c)使所述排气流返回至用于处理排气流的装置的至少一个回流通道中，
(d)引起回流通道内的排气流到所述至少一个入流通道的前部区域的热交换。
所述方法特别用于根据本发明的这里所述的装置的实施例中。
根据所述方法的一个有利的改进方案，通过步骤(a)预先确定随排气流的参数改变的气体入流位置。这特别是指，可改变排气流到入流通道中的导入，其中这根据排气流的参数来进行。在此，参数可涉及在用于处理排气流的装置之前、之中和/或之后的排气流。这里特别优选的是，考虑排气流在流入装置之前的参数的相关性。
关于参数提出，该参数是以下组中的至少一个：温度、碳氢化合物含量、一氧化碳含量、氧含量。通过考虑在流入装置之前的温度可确定对于所述排气流在入流通道内必须存在哪些条件，以便在偏转区域或回流通道内产生预定的温度范围。借助于在偏转区域内的排气流的温度例如可检查实际上是否发生了预定的或所希望的反应或温度升高，其中必要时可调整待实行或发生的气体入流位置。考虑到这样的事实，即在入流通道内基于放热的化学反应而以显著的程度引起温度升高，因此针对包含在其中的反应剂/反应物来监控或检测排气流组分是可取的，以便必要时影响排气流组分或/和分析排气流的反应性并进而相应地调整气体入流位置。可使用已知的探测器来检测这些参数。
根据所述方法的另一实施例，还提出计算所述参数。这特别是指，计算排气组分或排气的某一组分的含量。这例如可通过所谓的未处理排放物特性曲线图来进行，从该特性曲线图中可根据排气源的当前运行状态确定出排气中的未处理排放物的信息。以类似的方式也可计算排气的一定温度。在此，当然可设置一探测器来进行检控。
此外还提出，步骤(b)这样执行，即使得在到达的排气流的参数改变的情况下不超过排气在离开入流通道时的预定温度。相当特别优选地，通过排气组分和/或气体入流位置的改变来调节所希望的温度区间。所述预定的温度优选在400℃至600℃的范围内，特别是与排气源的运行状态无关。对于例如一颗粒过滤器后置于入流通道的情况，因而可借助于所述温度来保证连续再生。此外，对于一对温度敏感的、第二涂层后置于入流通道的情况，这里同样使预定的温度与该第二涂层的有效范围相匹配。
此外还提出，通过考虑在所述装置内存在的条件来影响到达的排气流的参数。这特别是指，在所述装置内检测排气的放热反应的反应性以及相应地调整例如流入的或到达的排气流的组分。这可以例如包括提高排气流中的碳氢化合物含量和/或一氧化碳含量，特别是通过相应地调整排气源例如内燃机的运行方式。
根据本发明所述的用于处理排气流的装置与车辆的结合非常优选。如这里根据本发明所述的那样，还提出具有用于处理排气流的相应装置的车辆排气系统的相应的运行方法。
附图说明
现根据附图更详细地说明本发明以及技术领域。须指出，附图示出本发明的特别优选的实施例，但本发明并不局限于此。图中示意性示出：
图1示出根据本发明的装置的第一实施变型/实施例；
图2示出装置的另一实施变型的细节/局部；
图3示出排气流经入流通道时的温度变化曲线图；
图4示出具有排气系统的车辆；
图5示出装置的另一实施变型的细节；
图6示出包括用于形成装置的另一实施变型的金属薄板的布置结构；
图7示出根据一优选实施变型的车辆的排气系统；以及
图8示出根据另一实施变型的排气系统。
具体实施方式
图1示出用于处理排气流2的装置1的第一实施变型。该装置1包括多个叠层20，这些叠层分别具有布置在一个平面内的入流通道3和回流通道6。排气流2通过一相应的导入元件8被导入入流通道3。从入流通道3开始，排气流2首先经过一催化转化器15流入偏转区域13，然后排气流2流经颗粒过滤器14，最后再流入回流通道6。从该回流通道6出来，排气流又被引导到一起并继续导向排气系统的其它处理装置。
在图1的下部示出叠层20的更详细的结构。在此，入流通道3形成有一前部区域4和一后部区域5。直接相邻布置的回流通道6与之平行延伸，并具有相同的长度。在入流通道3的后部区域5内设有第一涂层，该第一涂层支持排气流2在该区域内的放热反应。在入流通道3的前部区域4内形成有一共用的壁23作为用于从回流通道6传递热量的元件。入流通道3和回流通道6的功能将示例性地根据图2进一步说明。
图2详细地示出层19，其中在上部示出入流通道3而在下部示出回流通道6，这两个通道由一共用的壁23彼此隔开。排气首先沿流动方向25流入入流通道3的前部区域4，该前部区域形成有在80至120mm范围内的延伸尺寸12。后部区域5紧邻该前部区域，该后部区域包括具有贵重金属催化剂24的第一涂层7。在具有第一涂层7的该区域内激发排气的放热反应，该放热反应引起排气流2的温度升高。为了检验由于所述放热反应而引起的温度升高，在入流通道3的通道末端或在向偏转区域13的过渡区域内设有用于确定温度的探测器17。现在在入流通道3的通道末端或在偏转区域13内设有一颗粒过滤器14，其中排气流的温度被调节成使得所述颗粒过滤器14连续再生。在流经颗粒过滤器14之后，排气继续沿流动方向25流向回流通道6。在流入回流通道6之前，借助于反应剂进口18添加反应剂，例如固态尿素。在回流通道6内(更确切地是从入流区域到出流区域)设有第二涂层11，例如SCR涂层。在具有第二涂层11的区段之后，依然较热的排气从壁23旁流过，因此在入流通道3的前部区域4内发生热交换16。
气体入流位置9对于入流通道3的影响将根据图3进一步说明。在图3上部示出一曲线图，该曲线图示意性示出排气流在入流通道3之前、在入流通道3之中和离开入流通道3之后的温度变化。在此，T1表示排气流2在流入入流通道3之前具有的温度。相应地，T2表示排气流在离开入流通道3之时或已经离开入流通道3之后具有的温度。
入流通道3本身在曲线图下面示意性地示出。该入流通道3左侧具有一前部区域4，右侧具有一后部区域5，其中该后部区域5形成有第一涂层7。一用于排气流2的导入元件8伸进入流通道3的前部区域4内，其中该导入元件8包括决定气体入流位置9的双金属活门10。导入元件8或气体入流位置9的实施变型例如在内燃机的“额定运行”下设定。在此，具有较低温度T1的排气流入前部区域4，其中该排气由于从(未示出的)回流通道的热传递而获得第一升温。然后，排气流经具有第一涂层7的后部区域5，其中由于放热反应使得温度进一步升高，从而最终达到确定的或预定的温度T2。
但在产生排气的内燃机的特定运行条件下，有利的是，实现对排气的其它热处理。例如，可以在这种内燃机冷启动阶段期间或者在排气流的入流温度T1增加的情况下选择另一气体入流位置9’。这在图3中通过以虚线示出的气体入流位置9’的实施例以及在曲线图中以虚线示出的曲线来表示。在这种情况下，温度T1明显更高。为了获得基本上相同的最终温度T2，气体入流位置9’设置成更朝向入流通道3的后部区域5，使得例如一部分与回流通道的热交换不发生或者甚至一部分第一涂层7未被利用。
在这种情况下，优选地可实现至少两个气体入流位置9，但是在某些情况下，气体入流位置9可以连续可变的方式调节也是有利的。
图4示出所述装置或方法的优选应用领域。图中示出一具有排气系统22的车辆21。车辆21具有产生待净化的排气流的内燃机27(例如汽油机或柴油机)。排气流通过排气管道28流向根据本发明的装置1，其中在该装置中执行根据本发明的方法。为了监控在装置1中的过程，设有用于确定排气温度的探测器17。对于用探测器17测得的温度不在所希望的范围之内的情况，可例如通过相应的发动机控制装置26在包含在排气流中的反应剂方面影响排气流的组分。
在离开装置1之后，排气流经其它的排气处理单元，例如用于氧化排气流组分的催化转化器15、颗粒过滤器14和另一排气处理单元如用于还原排气流另一组分的催化转化器15。排气流在被净化或转化之后可排放到外界环境中。
图5示意性示出装置的结构，在该装置中在入流端侧29范围内设有至少90％的自由横截面。从图中可得出，入流端侧29仅通过通道的壁厚34来减小。为了从入流端侧29开始相邻地布置入流通道3和回流通道6，从入流开口30到出流开口31减小入流通道3的流动横截面32。在所示的实施变型中，这在邻接于入流端侧29的区段33内连续地实现。原则上，也可改变入流通道3的流动横截面32的形状，例如从多边形到半圆形等，也如这里所示。这里所说明的措施特别是对于装置具有(均)被多个回流通道6包围的入流通道3的情况有利，使得该装置设计成管束换热器的形式。
现在图6中示出上述实施变型的结构原理的实例，该实施变型由金属薄板35构成。在这里，金属薄板35具有制成波纹状的结构36，该结构基本上界定通道，必要时与一(这里未示出的)贴靠的平滑金属薄板一起。此处，在入流端侧29区域内的大的自由横截面借助于第一结构高度37来实现。在入流端侧29后面的区段33内，入流通道3的流动横截面阶跃式地减小。这通过使用金属薄板35的第二结构高度38和密封件40来实现，该密封件使流入的排气偏转到热交换段39区域内的(下面的)入流通道3内。回流通道6形成于热交换段39区域内金属薄板35的上方。这里需指出，所示的尺寸比通常不是成比例的，特别是热交换段39明显比约为5mm至10mm的区段33大。在热交换段39区域内的入流通道3的液力直径优选为1至4mm，特别是2至3mm。
图7和8涉及用于机动车的移动式排气系统的两个特别优选的实施变型，其中实现了改善的冷启动性能。在此根据图7提出，从内燃机27出来的排气首先被输送至一小容积的氧化催化转化器41，在该氧化催化转化器中，这里仍少量出现的未处理排放物被转化并引起排气温度明显升高。然后排气在到达根据本发明的装置1之前，有时可能流经一位于排气管道28中的涡轮增压器42。在图8所示的变型中，设有一越过装置1的旁路43，在该旁路中排气同样被输送给氧化催化转化器41。然后优选地将“预热”的排气导入至少一部分回流通道中，以便加热装置1。一旦达到装置1的启动温度，则排气流可被导入装置1的入流通道中。
上述说明不应限制本发明。特别是参考一个附图所述的技术细节同样也可结合到其它附图中示出的实施变型中。这里所述的装置以及所述的方法可实现用于对排气流热处理以及同时净化排气流的相应装置的特别紧凑和简单的结构。
附图标记列表
1    装置
2    排气流
3    入流通道
4    前部区域
5    后部区域
6    回流通道
7    第一涂层
8    导入元件
9    气体入流位置
10   双金属活门
11   第二涂层
12   延伸尺寸
13   偏转区域
14   颗粒过滤器
15   催化转化器
16   热交换
17   探测器
18   反应剂进口
19   层
20   叠层
21   车辆
22   排气系统
23   壁
24   贵重金属催化剂
25   流动方向
26   发动机控制装置
27   内燃机
28   排气管道
29   入流端侧
30   入流开口
31   出流开口
32   流动横截面
33   区段
34   壁厚
35   金属薄板
36   结构
37   第一结构高度
38   第二结构高度
39   热交换段
40   密封件
41   氧化催化转化器
42   涡轮增压器
43   旁路

Claims (16)

1.一种用于处理排气流(2)的装置(1)，具有带有前部区域(4)和后部区域(5)的至少一个入流通道(3)以及至少一个回流通道(6)，其中，在所述至少一个入流通道(3)的后部区域(5)内设有第一涂层(7)，该第一涂层支持排气流(2)的放热反应，以及在入流通道(3)的前部区域(4)内形成有用于从回流通道(6)传递热量的元件，其中，在所述至少一个入流通道(3)中设有用于排气流(2)的导入元件(8)，该导入元件能实现可变的气体入流位置(9)，用以改变流入所述至少一个入流通道(3)的排气流(2)的温度升高的幅度。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述导入元件(8)包括双金属活门(10)。
3.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，在所述至少一个回流通道(6)中设有第二涂层(11)。
4.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述前部区域(4)具有至少为50mm的延伸尺寸(12)。
5.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，在所述至少一个入流通道(3)和至少一个回流通道(6)之间设有偏转区域(13)，其中下列部件中的至少一个至少部分地布置在该偏转区域内：颗粒过滤器(14)、催化转化器(15)、探测器(17)、反应剂进口(18)。
6.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，多个入流通道(3)和多个回流通道(6)布置在至少一个层(19)中，其中所述至少一个层(19)布置成多个叠层(20)。
7.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)在入流端侧(29)的区域内具有至少90％的自由横截面。
8.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述至少一个入流通道(3)具有从入流开口(30)到出流开口(31)减小的流动横截面(32)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，多个入流通道(3)被至少一个回流通道(6)包围。
10.一种用于处理排气流(2)的方法，至少具有以下步骤：
(a)将排气流(2)导入用于处理排气流的装置(1)的至少一个入流通道(3)中，随排气流(2)的参数改变气体入流位置(9)，以改变流入所述要少一个入流通道(3)的排气流(2)的温度升高的幅度，
(b)由于在入流通道(3)的后部区域(5)内的放热反应而引起所述排气流(2)温度升高，
(c)使所述排气流(2)返回至用于处理排气流的装置(1)的至少一个回流通道(6)中，
(d)使得发生从回流通道(6)内的排气流(2)到所述至少一个入流通道(3)的前部区域(4)的热传递。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述排气流(2)的参数是以下组中的至少一个：温度、碳氢化合物含量、一氧化碳含量、氧含量。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过计算得到所述参数。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，执行步骤(b)，使得在流入入流通道(3)的排气流(2)的参数改变的情况下，排气在离开入流通道(3)时的温度不超过预定温度。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，通过考虑在所述装置(1)内排气的放热反应的反应性来改变流入入流通道(3)的排气流(2)的参数。
15.一种具有根据权利要求1至9中任一项所述的用于处理排气流(2)的装置(1)的车辆(21)。
16.一种车辆(21)的排气系统(22)的根据权利要求10至14中任一项所述的方法的运行方法，所述车辆(21)具有根据权利要求1至9中任一项所述的用于处理排气流(2)的装置(1)。
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