CN102213160A - 用于减少内燃机的废气凝聚物中腐蚀成分的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于减少内燃机的废气凝聚物中腐蚀成分的装置，其中，内燃机(5)的废气经由废气回收系统在内燃机(5)上进行回收，所述废气回收系统包括废气冷却器(7)以及至少一路废气回收管(8、9、10)。为了防止废气回收系统、以及进气组件和内燃机受到废气凝聚物的腐蚀性侵袭，废气回收系统(7、8、9、10)具有至少一个用于中和废气凝聚物的腐蚀成分的中和单元(A、B、C、D、E)，所述中和单元与至少一个设置在下游的构件(3、5、8、9、10)连接，由腐蚀成分附近释放的废气流经所述构件。

Description

用于减少内燃机的废气凝聚物中腐蚀成分的装置
技术领域
本发明涉及一种用于减少内燃机的废气凝聚物中腐蚀成分的装置，其中，内燃机的废气经由废气回收系统在内燃机上进行回收，该废气回收系统包括废气冷却器以及至少一路废气回收管。
背景技术
在废气导引构件中，特别是低压废气回收系统的废气冷却器和增压空气冷却器中，在低于露点的情况下会产生腐蚀性的废气凝聚物。这种腐蚀性的废气凝聚物可以在设置在下游的组件中以及对内燃机自身造成腐蚀侵袭，这样的后果是，接触到腐蚀性的废气凝聚物的组件或内燃机受到损坏或甚至完全失效。
凝聚物形成时，会产生强酸，这对于废气回收系统或内燃机的金属表面就造成腐蚀侵袭。
文献EP 2 161 438 A2公开了一种用于回收内燃发动机的废气的系统，该系统具有分离单元。借助于该分离单元将凝聚物分离出来，并且使由废气分离出的凝聚物部分地经由清洁管导入到废气系统的低压部分中。此外，还具有计量单元，该配量单元将限量的凝聚物或至少是限量的凝聚物成分引入到内燃机的燃烧汽缸的空气导入管道中。
文献DE 10 2005 047 840 A1公开了一种利用空气冷却的废气热交换器，其中，用于废气流经的管道设计为管体。在管道之间设有用于空气冷却的肋部，肋部由不锈钢制成，并因此能够防腐蚀。
文献DE 10 2005 059 717 A1公开了一种用于酸性气体的热交换装置。这种装置包括热交换器，该热交换器具有至少一个用于含酸气体的流动管道，该流动管道主要由铝和/或铝合金构成并且这样来实现，即，该流动管道受到含酸气体产生的深度腐蚀的保护，由此实现均匀的构件保护。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于减少内燃机的废气凝聚物中腐蚀成分的装置，通过本发明装置防止废气回收系统的组件和/或进气组件以及内燃机受到废气凝聚物的腐蚀性侵袭，此外还能简单的制造该装置。
根据本发明，上述目的这样实现，即，废气回收系统具有至少一个用于中和废气凝聚物的腐蚀成分的中和单元，所述中和单元与至少一个设置在下游的构件连接，由腐蚀成分附近释放的废气流经这些构件。这样的优势在于，通过中和单元实现废气凝聚物的腐蚀成分的持续且有针对性的中和，由此使位于下游的废气回收系统、进气组件和/或内燃机的构件不受到腐蚀，而且避免了由于腐蚀颗粒造成的机械磨损。
具有优势地，使中和单元在废气流经的区域上具有这样的表面，即，该表面由能够与废气凝聚物的腐蚀成分发生化学反应的材料构成。通过这种发生化学反应的材料，使废气凝聚物的酸性成分发生化学化合，并且从发生化学反应的材料的区域运走。因此，腐蚀成分与这种材料的化学反应直接在凝聚物产生的地方进行，并且尽可能直接紧跟着进行。在此形成的反应产物并没有固定在中和单元的表面上，使随后到来的足够多的废气凝聚物进入到该中和单元的反应表面。
在另一个技术方案中，使中和单元完全由能够与废气凝聚物的腐蚀成分发生化学反应的材料制成。通过化学反应形成的反应产物在含有液体的凝聚物中易溶解，并且因此便于从表面运走。因此，该反应表面很快空出并用于随后的含有腐蚀成分的废气凝聚物。通过反应表面的持续补偿，可以省去保护层的形成。
在一个扩展方案中，使中和单元的、与废气形成接触、并且由能够发生化学反应的材料构成的表面形成细颗粒结构，并且颗粒尺寸特别小于50μm。较小的颗粒尺寸特别使得在流动方向上位于下游的构件的受损可能性更小。基于有利的表面-体积比，由此实现反应产物在废气凝聚物中更简单的融入或溶解，其中，腐蚀产物不再作为固定成分而存留。
在一个变化方案中，中和单元的细颗粒表面涂覆在具有粗糙结构的材料上。通过采用粗粒材料、例如铸件，并且在该粗粒材料上涂覆细颗粒表面，使形成的材料作为用于中和单元的基础材料，从而导致经济的实施。
除了废气以及废气凝聚物中腐蚀成分的中和以外，所述的用于产生非常小颗粒的材料特性是该中和单元的重要功能特性。
在一个特别有益的变化方案中，上述材料为金属材料，优选为铝及铝合金、和/或锌及锌合金。这样的合金具有反应产物在废气凝聚物中的易溶解性，这方面特别通过采用合金组合、诸如锌合金来实现。
在一个变化方案中，上述材料由锻制铝或锻制铝合金构成。
具有优势的方式在于，能够发生化学反应的材料由加锌合金的铝构成。通过加锌合金，使与废气凝聚物接触的中和单元的表面相对于纯铝制表面更经济，并由此相对于介质更易发生反应。通过加锌合金使经济的表面部分和昂贵的核心部分之间的电位差增大到高于70mV。与此相比，具有不含锌的焊料包层和上述的铝核心材料的原材料显示出的电位差小于30mV。表面部分与核心部分之间的电位差越大，表面上进行的中和越好且越均匀。此外还阻止了深度腐蚀。
在一个扩展方案中，中和单元由至少一部分废气冷却器和/或增压空气冷却器和/或废气回收管构成。因此，可以使废气回收系统中的构件用作中和单元。在此，这些构件甚至完全由能够发生化学反应的材料构成，或者使仅与废气凝聚物接触的部分由能够发生化学反应的材料构成。可替换地，可以仅将这部分涂镀上适宜的能够发生化学反应的材料。由此实现特别经济的溶解。
具有优势地，中和单元的废气流经的区域相对于自由流动的横截面具有较小的液压直径，优选为200mm，特别＜20mm，尤其＜6mm。这样的液压直径在此表示这样的程度，即，表面与所采用构件的横截面相比应该是多少。液压直径越小，用于废气凝聚物与发生化学反应的材料进行反应的表面越大。为了实现废气凝聚物的腐蚀成分的持续减少，必须具有尽可能大的表面区域。
具有优势地，中和单元的废气流经的区域具有大反应表面，该反应表面优选呈肋部结构、腹板结构或翼翘结构。
为了从发生化学反应的材料的区域上除去反应产物，重要的是，废气凝聚物具有尽可能高的流动速度。为实现高速度，由废气流经的中和单元的区域这样设计，即，使流经的废气的雷诺数＞2300，特别是通过引入涡流附件来实现。由此能够使反应产物从产生的废气凝聚物中运走，该反应产物具有尽可能小的重量以及小的表面。
在一个扩展方案中，中和单元可以更换。特别具有优势的是，中和单元仅具有这样的表面，即，该表面镀有由能够发生化学反应的材料形成的涂层。因为随着时间推移该涂层由于有限的涂层厚度而被消耗，所以在该层表面完全用掉以后可以更换安装新的中和单元。由此确保了，废气凝聚物中腐蚀成分的中和效果持续得到保持。
在一个具有优势的技术方案中，中和单元具有至少一个螺栓连接和/或插入连接机构，用于在废气回收系统中的可更换式固定连接。通过这种常规的螺栓连接和/或插入连接机构，实现了在所具有的废气回收系统中的中和单元的简单更换。
本发明的一个扩展方案提供了一种用于减少内燃机的废气凝聚物的腐蚀成分的方法，其中，内燃机的废气经由废气回收系统在内燃机上进行回收，其中，在低于预设温度的情况下形成腐蚀性的废气凝聚物。为了避免内燃机和废气回收系统的组件受到废气凝聚物的成分侵袭，在废气回收系统的至少一个区域中进行废气凝聚物的腐蚀成分的持续中和，其中，从废气凝聚物附近释放的废气通过废气回收系统的至少一个位于下游的构件而再次传送到内燃机。通过废气凝聚物的腐蚀成分的有针对性的中和，使废气回收系统以及进气组件和内燃机有效避免受到腐蚀侵袭。通过反应产物的较小颗粒尺寸，避免了反应产物对接下来的构件的内表面造成机械磨损。
附图说明
本发明允许有大量的实施例。接下来，根据附图对其中的几个实施例进行详细说明。图中示出了：
图1为高压废气回收系统的示意图；
图2为混合式废气回收系统的示意图；
图3为低压废气回收系统的示意图；
图4为利用空气冷却的废气中和单元的示意图；
图5为利用冷却水冷却的废气中和单元的示意图；
图6为通过图2的废气中和单元的流动管道的不同的横截面图；
图7为表格H。
具体实施方式
相同的特征用相同的附图标记表示。
在当前的运输工具、特别是商务车中，废气冷却器在废气回收系统(AGR系统)领域中用于冷却待回收的废气。废气回收系统遵守法律规章——内燃机废气中有害物质的减少(特别是NOx)。
在图1至3中示出了用于柴油机的废气回收系统，柴油机由涡轮增压机来驱动。涡轮增压机1由两个增压涡轮、一个涡轮机和一个压缩机构成。涡轮机利用废气中的能量来驱动压缩机，压缩机吸取新鲜空气并且在柴油机5的汽缸中对预先压缩的空气施压。涡轮增压机1仅通过空气流和废气流与柴油机5形成能量连接。
在图1中，涡轮增压机1经由增压空气管2与增压空气冷却器3连接。增压空气冷却器3经由进气管4直接连接到柴油机5上。柴油机5经由排气管6再次与涡轮增压机1相连接，并且另一方面经由一路支管与废气冷却器7连接。废气冷却器7经由第一废气回收管8连接到柴油机5的进气管4上。这样的装置是一种高压废气回收系统。
图2示出了一种类似装置，该装置是一种混合式废气回收系统。同样在该示意图中，涡轮增压机1经由增压空气管2与增压空气冷却器3连接，该增压空气冷却器经由进气管4与柴油机5连接。内燃机5经由排气管6将废气排放至涡轮增压机1和废气冷却器7。在这种情况下，废气冷却器7经由第二废气回收管9与增压空气管2连接。在该变化方案中，也就是说，由废气冷却器7提供的废气凝聚物与增压空气共同传导至增压空气冷却器3，并在此进行冷却。由增压空气和废气凝聚物组成的混合物经由进气管4而传送至柴油机5。
图3示出了一种低压废气回收系统，其中，同样是涡轮增压机1经由增压空气管2连接到增压空气冷却器3上，该增压空气冷却器再经由进气管4与柴油机5连接。柴油机5的废气经由排气管6传送至涡轮增压机1，该涡轮增压机将废气排放到外界环境中。与上述图1和2的区别是，在图3中废气经由第三废气回收管10传送给废气冷却器7，其中，该第三废气回收管10连接在涡轮增压机1的位于外界环境一侧的出口上。同样在这种情况下，废气冷却器7经由第二废气回收管9将废气输送到增压空气管2中，在该增压空气管处两种物质混合，然后传导至增压空气冷却器3，以进行冷却。
对于所有三种所述的废气回收系统提供两种方案，用以构成一个中和单元。第一，可以仅在废气回收系统的区域设有涂层，该涂层由能够与废气凝聚物的腐蚀成分发生化学反应的材料构成。由此提供了适宜中和反应的表面，与之相关地，该表面具有金属材料，诸如锌及其合金、或铝及其合金。对此通常采用AA7XXX(含锌的铝合金)或在铝材组(AA4XXX(硅化铝)、AA3XXX(铝锰)或AA1XXX)中添加含锌合金。在此，锌合金含量大于0.5重量百分比，优选大于1％。
通过加锌合金，使表面相对于纯铝制表面更经济，而且因此相对于介质更易反应。所形成的反应产物在介质中易溶解，并且因此便于从表面运走，由此提供足够的新的反应表面。反应表面的持续补偿没有形成保护层。
反应产物在介质中的易溶解性特别通过采用上述合金或它们的组合、诸如通过加锌的组合而实现。
因此，由表格H可以了解到，在硫酸的废气凝聚物中，锌相对于铝的溶解性高于50％(630g/l对965g/l)。同样在水溶液中，该水溶液例如由氢氧化物与OH族化合而生成，锌的溶解性明显高于铝，即0.21g/l对0.0015g/l。
为了实现可靠性，使废气凝聚物尽可能完全中和，将反应表面设计得尽可能大，并且通过废气回收管8、9、10的优化流动的设计力求自身实现反应表面与废气凝聚物尽可能均匀的接触。在图1至3中，废气回收管8、9、10以及柴油机5的进气管4的所涉及到的区域用虚线箭头C、D、E来表示。
在另一个变化方案中，还可以使废气冷却器7以及增压空气冷却器3甚至完全由能够发生化学反应的材料制成，并因此用作中和单元A和B。
在图4中示出了增压空气冷却器形式的利用空气冷却的废气中和单元11。在此，该利用空气冷却的废气中和单元11具有废气入口12和废气出口13。在此，废气凝聚物含量较高的废气经由废气入口12流入到废气中和单元11中，并沿着箭头F流经废气中和单元11。然后废气流到废气出口13，进而又从废气中和单元11排出。冷却空气产生垂直于废气中和单元11的交叉流动，该交叉流动用箭头G表示。在此，这种废气中和单元11由铝或前述的铝合金制成。这样的材料用于中和废气中的腐蚀成分。
在采用冷却废气回收系统的情况下，具有优势的是，反应表面自身形成废气热交换器，由此确保了，直接在凝聚物产生的位置上即刻将其中和，并因此保护随后连接的构件。
图5a示出了利用冷却水冷却的废气中和单元14。冷却水经由接口15流入到利用冷却水冷却的废气中和单元14中，然后冷却水沿着流动方向A运动到废气中和单元14的内部，再通过冷却水出口16从废气中和单元14排出。废气凝聚物含量较高的废气经由废气导入口17导入到废气中和单元14中，然后在废气出口18处从废气中和单元14排出。
在图5b中示出了利用冷却水冷却的废气中和单元14的通过流动管道19的横截面图。这里指的是沿流动管道19直径方向的星状几何结构。通过呈星状结构的腹板19a扩大了用于废气凝聚物反应的表面。在前述情况下，流动管道的整个内表面，包括星状腹板在内，都是由铝或锌或它们的合金构成。
图6示出了通过另一条流动管道20的不同的横截面图，该流动管道同样由铝或铝合金、和/或锌或锌合金制成。
图6a示出了流动管道20，其具有挤压型材21，每个挤压型材都由一个矩形的横截面来表示，并由此形成一个较大的表面。因此，使多个这样的挤压型材相邻设置，从而废气凝聚物可以持续进行中和反应。所形成的反应产物通过由废气凝聚物形成的液体溶液而从反应区域流走，从而使随后流入的含有腐蚀成分的废气凝聚物能够继续与相同的表面发生反应。
图6b示出了所谓的翼翘(Winglets)22。在此指的是冲压结构，该冲压结构用于形成废气流涡流。图6c示出了肋部23，肋部可以辊压或模压而成。这样的设置也是用于在流动管道20中形成较大的表面区域。使流动管道20具有较大表面的一个特别简单的变化方案如图6d所示，其中，流动管道的结构通过圆管24来实现。通过适宜的冲压形成涡流，可以使这些管的表面和湍流再次得到增加。
通过在废气冷却器7中实现的废气凝聚物的腐蚀成分的持续中和，以及反应产物的较小的颗粒尺寸，使设置在废气冷却器7之后的、柴油机5的、用附图标记3、4、8、9、10表示的组件得到保护，其中，反应产物是这样生成的，即，废气凝聚物与能够发生化学反应的材料、诸如铝或铝锌合金产生反应，并且由此反应产物能够立即从反应区域导出。
因为反应产物具有尽可能小的重量和小的表面，所以反应产物能够从反应的废气凝聚物中运走。如果采用铝合金作为能够发生化学反应的材料，那么反应产物的重量就小于50μg。这些直接和间接反应产物的较小尺寸特别由此来实现，即，使中和单元A、B、C、D、E的中和表面尽可能均质化和细粒化。在此，间接反应产物为通过选择性腐蚀而在相邻区域析出的材料。使中和反应均匀进行并得到控制，由此确保了，中和单元A、B、C、D、E的反应表面具有所应用产物的总的使用寿命，这方面特别通过采用非常均质的、细颗粒的、具有所述颗粒大小的材料来实现。由此有效地防止深度腐蚀。

Claims (15)

1.一种用于减少内燃机的废气凝聚物中腐蚀成分的装置，其中，内燃机(5)的废气经由废气回收系统在所述内燃机(5)上进行回收，所述废气回收系统包括废气冷却器(7、11、14)以及至少一路废气回收管(6、8、9、10)，其特征在于，所述废气回收系统(6、7、8、9、10)具有至少一个用于中和所述废气凝聚物的腐蚀成分的中和单元(A、B、C、D、E)，所述中和单元与设置在下游的至少一个构件(3、5、8、9)连接，由腐蚀成分附近释放的废气流经所述构件。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中和单元(A、B、C、D、E)在废气流经的区域上具有由能够与废气凝聚物的腐蚀成分发生化学反应的材料构成的表面。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中和单元(A、B、C、D、E)完全由能够与废气凝聚物的腐蚀成分发生化学反应的表面构成。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述中和单元(A、B、C、D、E)的表面与废气形成接触，所述能够发生化学反应的材料形成细颗粒结构，并且颗粒的粒度特别小于50μm。
5.根据权利要求2或4所述的装置，其特征在于，所述中和单元(A、B、C、D、E)的细颗粒表面涂覆在具有粗糙结构的材料上。
6.根据权利要求2至5中至少一项所述的装置，其特征在于，所述发生化学反应的材料包括金属材料，优选铝及铝合金、和/或锌及锌合金。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述材料由锻制铝材料或锻制铝合金材料构成。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述表面由加锌的铝合金构成。
9.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述中和单元(A、B、C、D、E)由至少一部分废气冷却器(7)和/或增压空气冷却器(3)和/或所述废气回收管(8、9、10)构成。
10.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述中和单元(A、B、C、D、E)的废气流经的区域相对于自由流动的横截面具有较小的液压直径，优选为200mm，特别＜20mm，尤其＜6mm。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述中和单元(A、B、C、D、E)的废气流经的区域具有大的反应表面，优选呈肋部(21)结构、腹板(23)结构或翼翘(22)结构。
12.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述中和单元(A、B、C、D、E)为可更换的中和单元(A、B、C、D、E)。
13.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，在经济的表面部分和昂贵的核心部分之间具有大于30mV、特别大于70mV的电位差。
14.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述表面在含硫酸的介质中的溶解性为大于600g/l，优选大于900g/l，和/或在水溶液中的溶解性为大于0.001g/l，特别大于0.2g/l。
15.一种用于减少内燃机的废气凝聚物的腐蚀成分的方法，其中，内燃机(5)的废气经由废气回收系统(6、7、8、9、10)在所述内燃机(5)上进行回收，其中，在低于预设温度的情况下形成腐蚀性的废气凝聚物，其特征在于，在所述废气回收系统(6、7、8、9、10)的至少一个区域中进行废气凝聚物的腐蚀成分的持续中和，从废气凝聚物附近释放的废气通过废气回收系统的位于下游的至少一个构件(8、9、10)而再次传送到所述内燃机(5)。
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