CN104145094A - 具有hc吸附器功能的废气后处理部件以及具有这种部件的废气设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个废气后处理部件（26）包括一陶瓷支架体（30），具有许多轴向流体通道（32），其中所述支架体（30）具有一内部部位（34）和一径向包围内部部位（34）的外部部位（36）并且所述支架体（30）在内部部位（34）中的微孔密度小于在外部部位（36）中的微孔密度，并且至少所述支架体（30）的外部部位（36）具有一覆层并且所述外部部位（36）的覆层具有HC吸附器功能，用于可逆地吸收未燃烧的碳氢化合物（HC）。本发明还涉及一个废气设备（10），它配有这种废气后处理部件（26），还涉及一个汽车，它具有这种废气设备。

Description

具有HC吸附器功能的废气后处理部件以及具有这种部件的废气设备

技术领域

本发明涉及一个具有HC吸附器功能的废气后处理部件、一个具有这种废气净化设备的废气设备以及一个汽车，它具有这种废气设备。

背景技术

目前在内燃发动机的废气设备中使用催化器是自然而然的。例如尤其在柴油发动机中使用氧化催化器，它们置换未燃烧的碳氢化合物以及一氧化碳（CO），并且在柴油和汽油发动机中使用还原催化器，它们转换氮氧化物（NOx）。此外已知三元催化器，它们组合氧化和还原催化器的功能并因此催化地转换所有三个组分，并且主要在汽油发动机中使用。原则上所有催化器都需要特有的最低温度，用于带来足够的置换效率。引用所谓的Light-off或开始工作温度作为其尺度，以该温度催化器置换50%有限的废气组分。在发动机冷启动以后一般还未达到这个温度，因此如果不采取其它措施，称为启动排放的排放物未置换地离开废气设备。

按照进一步减少排放的愿望以及变得越来越低的废气极限值也要求减少启动排放，并因此更快地达到催化器系统的运行温度。因此目前和肯定将来的废气法律规定要求，也测量启动排放，用于确定汽车在标准的行驶循环中的总排放。

一种用于减少启动排放的推广措施是靠近发动机布置相对小体积的预催化器，它们也称为启动催化器。

由于其微小的体积和其靠近发动机定位，预催化器相对快速地达到其开始工作温度，然后承担置换大部分排放物的任务，直到后置的主催化器也达到其运行温度。

由DE 102 01 042 A1已知一种废气催化器，具有整体的陶瓷支架体，它具有内部部位和外部部位，其中内部部位具有比外部部位更高的微孔密度。轴向穿过支架体的内部部位和外部部位的流体通道具有催化层（涂层）。通过内部部位的较高微孔密度使这个部位比外部部位具有更高的催化作用。在催化器支架上游设置旋流发生器，它在废气低流速时、即在低发动机负荷时使废气流基本偏转到内部部位并且在较高流速时、即较高负荷时偏转到外部部位。通过这个布置在冷启动后，首先使废气流在内部部位中催化地处理，其中通过放热的热量释放使内部部位相对快速地加热并由此也加热周围的外部部位。

US 2002/0132726 A1描述了一种废气设备，它具有主催化器以及在主催化器下游的两个并联的废气管道，它们可以利用翻转阀有选择地关闭或打开。两个并联的废气管道具有同心的布置，具有内置的主管道和同心地包围主管道的副管道，在其中设置环形的HC吸附器。从HC吸附器上游的副管道分支出回输管道，它输送未燃烧的且由吸附器解吸的碳氢化合物到内燃发动机。在冷启动以后内置的主管道关闭并且废气流通过HC吸附器导引，它吸收和/或化学吸收未燃烧的和没有被还未运行的主催化器转换的碳氢化合物HC。一旦主催化器达到其运行温度并由此保证足够的HC置换，废气流就偏转到主管道。由于现在产生热量由HC吸附器解吸碳氢化合物并且通过回输管道输送到发动机燃烧。

还已知类似的方案，它同样使用由外置的HC吸附器和内置的主管道组成的同心结构，但是在这个方案中主催化器不是前置，而是后置于HC吸附器。在这个结构中省去在US 2002/0132726 A1中所述的回输管道。而是由后置的主催化器转换解吸的碳氢化合物。

在上述的HC吸附器方案中值得期望的是，使它们配有附加的颗粒过滤器功能。但是过滤功能只能通过使用陶瓷载体（整体）实现。但是如果这种整体配有中心孔，用于实现包围HC吸附器的旁路功能，由此降低支架体的机械稳定性并由此降低其使用寿命。由于这个原因并且也由于加工环形陶瓷支架体的困难性，在已知的解决方案中使用金属支架体。与陶瓷支架体一样，金属支架体也具有许多纵向延伸的流体通道，但是它们通过波状部位和平面部位和其螺旋形卷绕的组合制成。通过金属支架体不能实现以部分封闭的流体通道为基础的颗粒过滤器功能。

发明内容

本发明的目的是，在使用陶瓷支架体的条件下提供一个具有中心旁路功能的环形的HC吸附器，而不会对其稳定性产生不利影响。

这个目的通过具有独立权利要求特征的废气后处理部件、包括这种废气后处理部件的废气设备以及相应的汽车得以实现。

按照本发明的废气后处理部件包括一陶瓷支架体（整体），具有许多轴向（即沿着废气流动方向延伸的）流体通道。在此所述支架体具有一内部部位和一包围内部部位的外部部位，其中所述支架体在内部部位中的微孔密度小于在外部部位中的微孔密度。至少所述支架体的外部部位、即其流体通道具有一覆层，其中所述外部部位的覆层具有HC吸附器功能，用于可逆地吸收未燃烧的碳氢化合物。

关于“微孔密度”或者也可以说“微孔数量”一般并且也在本说明中指的是与支架体横截面或者端面有关的流体通道的数量。用于微孔密度的国际常用单位是cpsi（cells per quare inch，即每平方英寸的微孔）。此外术语“包围内部部位的外部部位”指的是，所述外部部位沿着内部部位的径向圆周面包围内部部位，与几何横截面形状无关。

通过在内部部位中存在的流体通道总体上实现支架体的机械支承功能。因此避免在现有技术中已知的、由于在支架体里面的中心旁路孔引起的稳定性降低问题。同时与外部部位相比减小的内部部位中的微孔密度导致在内部部位中微小的废气背压，这对于外部部位中的吸附功能是有利的。最后，在内部部位中的流体通道或微孔壁的存在性公开了，在需要时配有功能性的可能性，例如配有催化功能。

所述陶瓷的支架体最好一体地构成。在此术语“一体地”指的是一个物体，它由连续的材料或者以构造材料的加工方式或者由工件通过去除材料制成。因此所述一体的支架体不是由多个分体组成。在技术上能够实现具有不同的微孔密度部位的整体支架体的加工（见DE 102 010 42 A1）。所述支架体的一体结构不仅使其加工简化，而且使稳定性增加，因为避免否则组装的分体之间的应力。

按照一有利的扩展结构，所述外部部位附加地对于其HC吸附器功能具有颗粒过滤器功能。这个功能最好通过交替封闭的流体通道实现，由此迫使废气侧面挤过包围流体通道的通道壁。在挤过多孔的过滤器壁时滞留在废气中含有的炭黑颗粒。以交替封闭的流体通道为基础的过滤器原理也称为壁流过滤器或者封闭的系统。与其不同，所谓的副流过滤器的过滤效应以废气通导瓷体或者类似物质为基础，它们不是设置在流体通道本身里面、而是设置在相邻通道里面。尽管在本发明的范围内同样能够实现HC吸附器作为副流过滤器的颗粒过滤器功能的扩展结构，但是更加优选壁流过滤器的功能。

按照本发明的扩展结构，所述陶瓷支架体的内部部位没有覆层（涂层）并由此也没有催化的或者其它的功能。在这个扩展结构中所述内部部位的功能局限于基体的旁路功能和稳定性。

在本发明的可选择结构中，所述内部部位具有一覆层，尤其以涂层的形式，它配有催化功能。在此最好是三元催化功能，它不仅支持碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）的催化置换，而且支持氮氧化物（NO_x）的催化置换。为此所述催化覆层含有贵金属铂、钯和/或铑，尤其含有铂和铑或者钯和铑的组合。在所述废气后处理部件的内部部位中存在催化功能，能够相应地降低可能存在的主催化器和/或前置的预催化器的催化器体积。通过这种方式实现更好地利用结构空间。

所述外部部位的微孔密度最好等于内部部位的整数倍，因为这种支架体在加工技术上可以通过组合微孔并因此通过在整体加工工艺中使用的模具的微小修改简单地实现。有利地使所述外部部位的微孔密度与内部部位的微孔密度的比例为2,4,6,8,9或12，尤其为2,4或6。在此下限通过伴随内部部位微孔密度的增加而增加的废气背压而限定。外部部位与内部部位的微孔密度的比例上限通过由减少的微孔密度给出的减小的内部部位稳定性函数限制。在废气背压与稳定性作用之间特别优选的兼容是外部部位与内部部位的微孔密度比例约为4：1。

一方面在足够稳定性、另一方面微小废气背压的意义上优选的内部部位微孔密度的优选范围为100至225cpsi（cells persquare inch），特别优选150至200cpsi。

按照本发明的优选扩展结构，所述废气后处理部件具有调整措施，它们能够选择废气流到内部部位和/或外部部位的管道。所述调整措施最好这样构成，也能够实现中间位置，由此使给定的部分废气流导引到内部部位并且使其余部分导引到外部部位。

在本发明的特殊结构中规定，所述调整措施仅仅位于主管道输入端并且在其封闭的位置关闭主管道并且在打开位置打开主管道。这种扩展结构在加工技术上的实现是特别简单的，并且能够特别有利地实现与并联废气管道同心结构的组合。

本发明的另一方面涉及一个用于内燃发动机、尤其汽油发动机的废气设备，它包括按照本发明的废气后处理部件。

按照本发明的有利扩展结构，所述废气设备还包括一后置于按照本发明的废气后处理部件的主催化器，它最好由三元催化器构成。按照优选的改进方案，按照本发明的具有HC吸附器功能的废气后处理部件与后置的主催化器一起设置在公共的催化器外壳里面。通过这种方式最佳地利用现有的结构空间并且简化废气设备的加工。

按照另一扩展结构，所述废气设备还包括一在废气流方向上前置于废气后处理部件的预催化器，它最好同样由三元催化器构成。所述预催化器具有相对微小的催化器体积，并且设置在尽可能靠近发动机的位置，由此使它在发动机冷启动以后快速加热。

尤其在相同形式的催化器中可以有利地规定，这样调整主催化器和内部部位的催化覆层以及必要时存在的预催化器的置换容量总和，使这个总置换容量满足预定的总置换功率，尤其在确定的、标准的行驶循环里面、最好在覆盖整个、即所有运行点的发动机特征曲线里面。换言之，所述总置换功率针对现有的催化器（主催化器、内部部位催化器和/或预催化器）。这是有利的，例如主催化器的体积和/或贵金属负荷与不存在内部部位催化器的现有技术相比可以选择得更小。通过更小的体积可以更好且更灵活地利用供使用的结构空间。

本发明的另一方面涉及一个汽车，具有内燃发动机、尤其具有汽油发动机和连接在这个发动机上的废气设备，它包括按照本发明的废气后处理部件。

本发明的其它优选扩展结构由其余的、在从属权利要求中列举的特征给出。

附图说明

下面借助于附图中的实施例详细解释本发明。附图示出：

图1  按照本发明的废气设备的示意图；

图2  按照本发明第一实施例的图1的按照本发明的废气设备的废气后处理部件的纵剖面图；

图3  按照本发明第二实施例的图1的按照本发明的废气设备的废气后处理部件的纵剖面图；

图4  按照图2或3的废气后处理部件的横截面图。

具体实施方式

图1示出未示出的汽车的按照本发明的废气设备10的示意图。

内燃发动机12、例如汽油发动机的废气通过其汽缸14的废气出口首先进入到未示出的废气弯管。在靠近发动机的位置、尤其紧靠废气弯管上连接地可以设置小体积的预催化器16，它满足启动催化器的功能，通过使它在内燃发动机冷启动以后非常快速地加热，并且在其开始工作以后在发动机启动直到后置的置换器开始工作承担主置换功率。根据内燃发动机的形式预催化器可以是氧化催化器或者三元催化器。预催化器16例如通过法兰连接与废气管18连接。

在预催化器16以上靠近发动机的位置上设置第一λ探针20，它测量发动机原始排气的氧含量并且以公知的方式调节发动机的空气-燃料混合物。此外在预催化器16下游可以设有第二λ探针22。第二λ探针22可以满足不同的功能。例如它可以用于诊断预催化器16,、相互调整探针和/或调节混合物。

在废气管18里面还组装催化器单元24，它包括按照本发明的废气后处理部件26，下面借助于图2至4详细解释。

如同由图2和3看到的那样，催化器单元24在本示例中具有公共的催化器外壳28，在其中缓冲地、例如以所谓的膨胀垫支承废气后处理部件26。

废气后处理部件26具有支架体30，它一体地由陶瓷材料制成并且在纵向上（见废气箭头）具有许多流体通道32，它们在薄的陶瓷壁体之间形成。考虑公知的、对于废气组分常见的陶瓷材料。支架体30具有内部部位34以及沿着其径向圆周包围内部部位34的外部部位36。内部部位与外部部位在其微孔密度上不同，其中外部部位36的微孔密度大于内部部位34的微孔密度，最好以系数4。内部部位的（更小的）微孔密度优选位于100至225cpsi的范围，由此在这种情况下得到外部部位400至900cpsi的微孔密度。

如同尤其由图4的废气后处理部件26的横截面图给出的那样，内部部位34和外部部位36可以具有基本圆形或者环形的横截面形状，但是也能够实现其它形状，例如椭圆形。事实上经常由于加工引起在内部部位与外部部位之间非光滑地、而是台阶形地延伸的边界面，它跟随流体通道32的尺寸。此外内部部位34可以中心（同心）或者与外部部位36偏心地设置。

至少外部部位36的流体通道32、即其微孔壁具有HC吸附功能的覆层。在此一般是沸石层，它能够吸收和/或化学吸收地复合未燃烧的碳氢化合物HC并且在温度增加时再解吸。这些覆层以公知的方式作为细的陶瓷颗粒、例如氧化铝悬浮液（涂层）涂覆。专业人员公知适合的HC吸附器并且无需更详细地解释。

对应于特别优选的扩展结构，附加地使外部部位36配有颗粒过滤功能。这个过滤功能最好通过交替地在流体方向上封闭的流体通道32得到。在此交替地指的是，一部分流体通道32在入口端封闭，另一部分、即与入口端封闭的流体通道32相邻的通道32在出口端封闭。通过这种方式使进入到在出口端封闭的流体通道里面的废气强制地、穿过微孔壁，用于到达相邻的在入口端封闭的流体通道32。在挤过微孔壁时滞留颗粒。在原理上公知这种壁过滤器的结构。

内部部位34也具有覆层，例如沸石覆层，它还配有废气后处理功能，尤其配有催化功能，在本示例中配有三元催化器功能。为此在沸石覆层里面和/或上面粘附相应催化作用的精细分布的贵金属颗粒。

但是原则上内部部位34也可以没有覆层地构成，由此它本身没有废气后处理功能。在这种情况下内部部位34只能够总体上实现用于绕流外部部位36的HC吸附器的旁路管道以及支架体30的稳定性。

如同在图2中看到的那样，在催化器外壳28的入口段设置同心的内管38，由此使废气路径在这个段分成两个并联的废气管道，即位于内部的主管道40以及环形的、包裹主管道40的副管道42。内管38通过其下游的端部连接在按照本发明的废气后处理部件26的支架体30上，尤其这样，使主管道40连接在内部部位34上并且使副管道连接在外部部位36里面。内管38具有许多通孔44，它们能够通流废气。

催化器单元24还具有调整措施46，用于使废气流有选择地绕流到主管道40和/或副管道42里面。调整措施46在本示例中由可旋转地支承在轴上的翻板构成，它设置在内管38里面并且可以在打开位置与关闭位置之间通过适合的致动器48运动。在关闭位置翻板封闭到废气后处理部件26内部部位34的入口，由此废气流通过内管38的开孔44流到副管道42里面，并因此导引到外部部位36并且通过HC吸附器导引。而在打开位置不仅主管道40而且副管道42都打开。由于部件26内部部位34中更低的流体阻力，废气流至少大部分地通过内部部位34和在那里存在的废气催化器流动。调整措施46最好还可以接通到中间位置，由此使废气流可以分开地导引到主管道40和副管道42里面。当然，用于选择废气流到部件26的部位34和36的管道里面的措施也可以与在这里的示例不同地构成。

在废气后处理部件26的下游废气流到公共的废气管50，在那里设置主催化器52，它尤其具有三元催化覆层并因此用于置换未燃烧的碳氢化合物HC、一氧化碳CO以及氮氧化物NO_x。

为了控制调整措施46并由此导引废气流通过外部部位36的HC吸附器和/或通过内部部位34的废气催化器，可以在图2中以54和56表示的位置上、即在废气后处理部件26的上游和下游设置温度传感器54,56。传感器54,56测量废气温度，并因此能够推断在外部部位36中的HC吸附器或主催化器52的温度。也可以设想，直接在相应的部件里面组装温度传感器。

在图3中所示的催化器单元24的实施例与按照图2实施例的不同之处，只是在于更长的内管38结构，它在这里轴向伸进到外壳28的入口接管里面。内管38例如可以通过焊缝与入口接管的前端边缘连接。在这里所示的实施例与按照图2的实施例相比主要是加工技术上的优点。

在图1至3中所示的废气设备10示出如下功能。

在内燃发动机12冷启动以后，如果催化器16和52和必要时在部件26的内部部位34里面存在的催化器还没有其运行温度，调整措施46在部件26的内部部位34前面首先关闭，由此使整个废气流通过外部部位36的HC吸附器流动。这个部位储存在废气中含有的碳氢化合物，它们在发动机启动后的开始几秒内未置换地通过未投入运行的预催化器16。这样设计吸附器的大小，使得可以这样长时间地完全储存碳氢化合物，直到预催化器16达到其开始工作温度并且承担其置换功能。

如果预催化器16已经达到这个温度，这可以通过模型或利用温度传感器54识别，调整措施46打开，由此使热废气通过在废气后处理部件26的内部部位34中存在的废气催化器流动并且加热它。一旦内部部位34的废气催化器达到其开始工作温度，由于置换反应的放热加速其继续加热。此外由此已经加热的废气流动到主催化器52并且导致其加热。

如果利用温度传感器56识别到，主催化器52也已经达到其工作温度，调整措施46再部分或完全地关闭，由此使整个或者一定量的废气流通过HC吸附器导引并且加热它。一旦HC吸附器已经达到其解吸温度，释放已经储存的碳氢化合物并且流到公共的废气管50和主催化器52里面，在那里它们被转换成CO₂和H₂O。

总之，通过布置废气催化器在内部部位34里面明显加速后置的主催化器52的加热和其在冷启动以后的开始工作。

这样设计内部部位34废气催化器和主催化器52和-如果存在-预催化器16的体积和/或贵金属负荷，使得其置换功率的总和在发动机的整个运行特性曲线中满足给定的、足够的且高的总置换功率。这意味着，在相应的行驶循环的高速状态也必需至少对应于规定置换极限的废气组分。此外主催化器52必需位于HC吸附器的解吸状态，在这个状态转换解吸的碳氢化合物。这与类似的、在内部部位34中没有废气催化器的系统相比，可以更小地设计主催化器52的尺寸，因为在内部部位34中的废气催化器提供了附加的具有催化作用的表面。在极限情况下，只要预催化器16和内部部位催化器34一起带来在行驶循环中足够的置换功率，就可以这样设计主催化器52的尺寸，使它仅仅转换在解吸状态中释放的碳氢化合物。在这种情况下主催化器52的纯氧化功能也是足够的。

附图标记清单

10  废气设备

12  内燃发动机

14  汽缸

16  预催化器

18  废气管

20  第一λ探针

22  第二λ探针

24  催化器单元

26  废气后处理部件

28  催化器外壳

30  支架体

32  流体通道

34  内部部位

36  外部部位

38  内管

40  主管道

42  副管道

44  开孔

46  调整措施

48  致动器

50  公共的废气管

52  主催化器

54  温度传感器

56  温度传感器。

Claims (12)

1.一种废气后处理部件（26），包括一陶瓷支架体（30），具有许多轴向流体通道（32），其中所述支架体（30）具有一内部部位（34）和一径向包围内部部位（34）的外部部位（36）并且所述支架体（30）在内部部位（34）中的微孔密度小于在外部部位（36）中的微孔密度，并且至少所述支架体（30）的外部部位（36）具有一覆层并且所述外部部位（36）的覆层具有HC吸附器功能，用于可逆地吸收未燃烧的碳氢化合物（HC）。

2. 如权利要求1所述的废气后处理部件（26），其中所述支架体（30）是一体的。

3. 如权利要求1或2所述的废气后处理部件（26），其中所述外部部位（36）附加地具有颗粒过滤器功能。

4. 如权利要求1至3中任一项所述的废气后处理部件（26），其中所述内部部位（34）没有覆层。

5. 如权利要求1至3中任一项所述的废气后处理部件（26），其中所述内部部位（34）具有一含有催化功能的覆层，尤其含有三元催化功能。

6. 如上述权利要求中任一项所述的废气后处理部件（26），其中所述外部部位（36）的微孔密度与内部部位（34）的微孔密度的比例为2,4,6,8,9或12，尤其为2,4或6、最好为4。

7. 如上述权利要求中任一项所述的废气后处理部件（26），其中所述内部部位（34）的微孔密度位于100至225cpsi的范围、尤其位于150至200cpsi的范围。

8. 如上述权利要求中任一项所述的废气后处理部件（26），还包括调整措施（38,46），用于选择在废气后处理部件（26）的内部部位（34）和/或外部部位（36）里面的废气流管道。

9. 一种用于内燃发动机的废气设备（10），具有如权利要求1至8中任一项所述的废气后处理部件（26）。

10. 如权利要求9所述的废气设备（10），还包括一在废气流方向上前置于废气后处理部件（26）的预催化器（16）、尤其三元催化器。

11. 如权利要求9或10所述的废气设备（10），还包括一在废气流方向上后置于废气后处理部件（26）的主催化器（52）、尤其三元催化器。

12. 一种汽车具有内燃发动机和连接在这个发动机上的、如权利要求10至11中任一项所述的废气设备（10）。