CN104791053B - 用于内燃机的废气后处理装置和用于加热该装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机(5)的废气后处理装置和用于加热该装置的方法，该装置尤其用于应用在机动车中，其带有具有至少一个排气管(3,9,13,15,17)和至少一个废气后处理元件(7,11)的排气系(1)。根据本发明，为了构造排气系侧的至少一个吸收元件(7,9,11,13,15)，排气管内壁(27)和/或该至少一个废气后处理元件(7,11)具有吸收蒸汽的材料。

Description

用于内燃机的废气后处理装置和用于加热该装置的方法
技术领域
本发明涉及一种根据本发明的用于内燃机的废气后处理装置以及一种根据本发明的用于加热废气后处理装置的方法。
背景技术
在现代的热废气后处理系统中常常将多个类型的废气后处理元件、例如催化器或颗粒过滤器集成到排气系(Abgasstrang)中并且借助于这些废气后处理元件负责针对性地减少各个有害物质类型。然而，这些废气后处理元件中的一些在热运行的内燃机中才达到其完全的能力或其最佳工作温度。出于该原因采取广泛措施，其在内燃机的冷起动阶段中保证这些废气后处理元件的迅速加热。
由文件DE 198 00 654 A1例如已知在用于内燃机的排气系中在废气流动方向上依次布置第一脱水器(Wasserfalle)、可电加热的蜂窝体(Wabenkoerper)、带有主动催化覆层的蜂窝体和第二脱水器。可电加热的蜂窝体和带有主动催化覆层的蜂窝体在此优选地可构造一结构单元，由此在内燃机的冷起动阶段中可借助于可电加热的蜂窝体更快速地来加热带有主动催化覆层的蜂窝体。以该方式来改进在内燃机的废气中的有害物质的减少。借助于这两个脱水器此外保证这两个蜂窝体是在干燥的状态中并且由此特别快速地加热。
发明内容
本发明的目的是提供一种尤其用于应用在机动车中、用于内燃机的废气后处理装置以及一种用于加热废气后处理装置的方法，利用该装置或利用该方法尤其在内燃机的冷起动阶段中可以以简单的且功能可靠的方式以高的效率实现有害物质排放的减少。
该目的通过本发明来实现。
本发明涉及一种尤其用于应用在机动车中、用于内燃机的废气后处理装置，其带有具有至少一个排气管(Abgasrohr)和至少一个废气后处理元件的排气系。根据本发明，为了构造排气系侧的至少一个吸收元件，排气管内壁和/或至少一个废气后处理元件具有吸收蒸汽的材料。
借助于吸收蒸汽的材料吸附和/或吸收例如来自内燃机的废气的蒸汽、尤其水蒸气导致蒸汽的冷凝且由此导致热能的释放。
该热能引起由排气管内壁和/或该至少一个废气后处理元件形成的吸收元件的加热，从而在内燃机起动时、尤其在内燃机冷起动时更快速地来加热整个排气系并且该至少一个废气后处理元件可更快速地达到其最佳的工作温度。由此明显简化了该至少一个废气后处理元件的加热，因为仅须设置吸收蒸汽的材料。由此例如可省去用于电气加热元件的供能的电气线路或接头。由于此外排气管内壁和/或该至少一个废气后处理元件构造排气系侧的该至少一个吸收元件，在排气系中也不必设置附加的加热元件。以该方式，不明显提高到排气系中的流动阻力或排气背压并且在考虑内燃机的燃料消耗的情况下特别有效地来加热该至少一个废气后处理元件。
在一具体的实施方案中，排气管内壁和/或该至少一个废气后处理元件可至少局部地涂覆有吸收蒸汽的材料。由此，该至少一个吸收元件可特别简单地来构造。备选地和/或附加地，该至少一个废气后处理元件可至少局部地由吸收蒸汽的材料制成。由此可进一步改善该至少一个吸收元件的效率。同样也可考虑至少局部地由吸收性的材料制造排气管内壁。
在另一具体的实施方案中，该至少一个废气后处理元件可由至少一个催化器和/或由至少一个颗粒过滤器来构造。利用吸收蒸汽的材料可特别简单地来加热该至少一个催化器和/或该至少一个颗粒过滤器。
在一优选的实施方案中，尤其布置在排气系的进入区域中的该至少一个吸收元件的吸收蒸汽的材料的含量、尤其质量含量在废气流动方向上减小。以该方式利用在该至少一个吸收元件中的一定量的吸收蒸汽的材料可从内燃机的废气流中吸收更多蒸汽、尤其水蒸气。优选地，该至少一个吸收元件的吸收蒸汽的材料的含量可在废气流动方向上递减地减少。
备选地和/或附加地，布置在排气系的排出区域中的吸收元件的吸收蒸汽的材料的含量、尤其质量含量可在废气流动方向上增加。以该方式保证，在内燃机停止时没有或者仅非常少的蒸汽、尤其水蒸气可通过空气输送从外面到达排气系中。优选地，吸收蒸汽的材料的该含量可在废气流动方向上递增地增加，以有效地提高从空气中的蒸汽吸收。
在另一实施方案中，在排气系中且由此考虑在废气流动方向上相继的多个吸收元件、尤其在排气系的进入区域中吸收蒸汽的材料的含量、尤其质量含量可在废气流动方向上减小。由此在发动机附近吸收大量例如水蒸气且因此可将最靠近发动机的废气后处理元件非常快速地加热到所期望的温度上。通过在刚刚开始时除去大量水蒸气，那么在处于下游的废气后处理元件中必要时仅还需设置较少量吸收材料。优选地，在排气系中吸收蒸汽的材料的含量可在废气流动方向上在此例如递减地减少。
备选地和/或附加地，在排气系的排出区域中吸收蒸汽的材料的含量、尤其质量含量可在废气流动方向上增加，从而在发动机停止时没有或者仅非常少的空气湿气可通过空气输送从外面到达排气系中。优选地，吸收蒸汽的材料的该含量可在废气流动方向递增地增加。
在另一备选的实施形式中，在布置在排气系的进入与排出区域之间的排气系中间区域中吸收蒸汽的材料的含量、尤其质量含量可大于在处于其上游和/或下游的排气系区域中。优选地，该排气系中间区域由废气后处理元件形成，其比至少一个处于上游的和/或至少一个处于下游的废气后处理元件具有更大的吸收材料含量。这例如可对于温度特别关键的区域不处在排气系的开端或末端处的应用情况是有意义的。
在优选的实施形式中，该至少一个吸收元件可布置和/或构造在排气系的被主废气流流过的主线路(Hauptleitung)中。由此可借助于该至少一个吸收元件从废气流中吸收特别大部分的蒸汽。
具体地，吸收的材料可以是沸石和/或硅胶和/或磷酸铝和/或硅磷酸铝和/或金属氢化物。这些实现蒸汽的特别有效的吸收。优选地，沸石可以是A、X或Y型。进一步优选地，所使用的沸石不是SCR活跃的。所使用的沸石尤其构造为非金属交换的沸石、例如为铁沸石或为铜沸石。
在另一实施方案中可设置有阻止装置(Sperrvorrichtung)，借助于其可根据限定的内燃机运行条件来阻止和/或开启至容纳和/或构造该至少一个吸收元件的吸收区域的废气和/或空气输送。借助于阻止装置，优选地在内燃机的停止状态中能够可靠地防止至该至少一个吸收元件的废气和/或空气输送或包含在其中的蒸汽的输送。
优选地，用于阻止或开启空气输送的阻止装置可具有布置在吸收区域下游的至少一个阻止元件。由此可以以简单的方式来阻止和开启空气输送。备选地和/或附加地，用于阻止或开启废气输送的阻止装置可具有布置在吸收区域上游的至少一个阻止元件。以该方式，又可以以简单的方式来阻止和开启至吸收区域的废气输送。
具体地，布置在上游的该至少一个阻止元件可构造为截止阀(Sperrventil)，借助于其可阻止或开启通过形成排气系的入口的进气管的废气流。以该方式，阻止元件特别简单地来构造。此外，布置在下游的该至少一个阻止元件可构造为截止阀，借助于其可阻止或开启通过形成排气系的出口的出气管(Auslassrohr)的空气流。由此，布置在下游的该至少一个阻止元件特别简单地来构造。优选地，布置在下游的该至少一个截止阀可构造为废气再循环阀或为发动机制动阀(Motorbremsklappe)，其那么以双重功能有助于确保构件减少。
布置在下游的该至少一个阻止元件也可构造为吸附砖(Sorptionsbrick)并且布置和/或容纳在排气系中。借助于该吸附砖可靠地防止通过流入排气系中的空气蒸汽输送到吸收区域中。吸附砖在此有利地可由吸收蒸汽的材料制成并且/或者具有承载体，其涂覆有吸收蒸汽的材料。
根据明确还独立于前述废气后处理装置来要求保护的发明构思，此外提出一种用于加热用于内燃机的废气后处理装置的方法，该废气后处理装置带有具有至少一个排气管和至少一个废气后处理元件的排气系。根据本发明，为了构造排气系侧的至少一个吸收元件，排气管内壁和/或该至少一个废气后处理元件具有吸收蒸汽的材料，其中，在内燃机起动时、尤其在内燃机冷起动时开启到该至少一个吸收元件处的废气和/或空气输送以及由此蒸汽输送，并且其中，在内燃机关断时借助于阻止装置阻止到该至少一个吸收元件处的蒸汽输送。
以该方式保证，该至少一个吸收元件仅在内燃机起动时、尤其在内燃机冷起动时加热。在内燃机关断时或者说在其停止时阻止到该至少一个吸收元件处的蒸汽输送，因为持续的蒸汽输送将导致该至少一个吸收元件的蒸汽饱和。
优选地，由该至少一个吸收元件吸收的蒸汽可在限定的吸收元件温度下被从吸收元件中排出。以该方式，该至少一个吸收元件可在废气后处理装置加热时再生。由此，吸收元件在内燃机下一次起动时具有其完整的功能性。对于金属氢化物该限定的吸收元件温度处在大约280℃至500℃的范围中、对于硅胶在大约40℃至100℃的范围中而对于沸石在大约130℃至300℃的范围中。优选地，所使用的吸收蒸汽的材料此外具有大约250 kWh/K的理论热容量。
除了例如在明确相关或互不相容的备选方案的情况中，以上所阐述的的本发明的有利的构造和/或改进方案可单独地而或还以相互任意组合来应用。
附图说明
接下来根据附图仅示例性地来详细阐述本发明及其有利的构造和/或改进方案以及其优点。
其中：
图1显示了根据第一实施例的根据本发明的废气后处理装置的原理图；
图2显示了一图表，从其中得出在根据图1的废气后处理装置中的吸收蒸汽的材料的质量分布；
图3显示了一图表，从其中得出根据图1的废气后处理装置的废气后处理元件的吸收蒸汽的材料的质量分布；
图4显示了根据第二实施例的根据本发明的废气后处理装置的原理图；
图5显示了一图表，从其中得出在根据图第三实施例的废气后处理装置中的吸收蒸汽的材料的质量分布；
图6显示了一图表，从其中得出根据图5的废气后处理装置的废气后处理元件的吸收蒸汽的材料的质量分布；以及
图7显示了沿着图1中的剖切平面A-A的剖示图。
附图标记清单
1 排气系
3 进气管
5 内燃机
7 颗粒过滤器
9 颗粒过滤器罩壳
11 催化器
13 催化器罩壳
15 连接管
17 出气管
18 废气后处理系统
19 废气后处理元件
20 进气阀
21 排气阀
23 吸附砖
25 容纳管
26 由吸收蒸汽的材料构成的层
27 连接管的内壁
S 废气流动方向。
具体实施方式
在图1中显示了在第一实施形式中的根据本发明的排气系1。该排气系1具有进气管3，其以第一端部区域联接到内燃机5处而以第二端部区域联接到容纳颗粒过滤器7的颗粒过滤器罩壳或罐9。在废气流动方向S上有与颗粒过滤器管9且与容纳催化器11的催化器罩壳或罐13相联结的连接管15联接到颗粒过滤器管9处。排气系1此外包括出气管17，其以第一端部区域联接到催化器管13处而以第二端部区域通到自由环境中。
颗粒过滤器7、催化器11以及颗粒过滤器罩壳9的内壁、催化器罩壳13的内壁和连接管15的内壁涂覆有吸收蒸汽的材料。这例如由在图7中所示的通过连接管15的剖面得知。因此，将由吸收材料构成的层26以一定的层厚施加到连接管15的内壁27上。吸收蒸汽的材料例如可以是A型沸石，这里仅提及该材料的可能的实施方案中的一个。通过该材料从内燃机5的废气或周围的空气中吸收蒸汽，该蒸汽凝结并且释放热能。以该方式将整个排气系1在内燃机5的冷却起动阶段中更快速地加热，由此颗粒过滤器7和催化器11可更快速地达到其最佳工作温度。
由图2和3得出在排气系1中吸收蒸汽的材料的质量分布。为了说明其，在图2中催化器11、颗粒过滤器7以及可集成到排气系1中的另外的废气后处理元件联合成废气后处理系统18。此外，布置在进气管5与出气管17之间的管也联合成唯一的容纳废气后处理系统18的容纳管25。根据图2，吸收蒸汽的材料的质量含量m在废气后处理系统18中在其长度IAS上在废气流动方向S上递减地减小。该质量分布使能够更快速地加热布置在内燃机5的区域中的颗粒过滤器7。
与图2相比，在图3中废气后处理系统18又分成各个废气后处理元件19，以说明在废气后处理元件19中的质量分布。根据图3，吸收蒸汽的材料的质量含量m在各个废气后处理元件19中在其长度IAE上在废气流动方向S上递减地减少。借助于该质量分布，可利用一定量的吸收蒸汽的材料在每个废气后处理元件19中从内燃机5的废气流中吸收更多蒸汽，因为废气中的蒸汽量由于在废气流动方向S上下降的废气温度而减小。
由图1此外得出，进气管3具有进气阀20。借助于其可根据限定的内燃机运行条件来阻止或开启通过进气管3的废气流。此外，出气管17具有排气阀21，借助于其同样可根据限定的内燃机运行条件来阻止或开启从外面到排气系1中的空气流。
下面现在来阐述用于根据本发明的排气系1的快速加热的各个方法步骤：
在内燃机5的冷起动时或在此之前不久，打开进气阀20和排气阀21，使得内燃机5的废气可穿过排气系1流到自由环境中。包含在废气中的蒸汽、例如水蒸气被吸收蒸汽的材料吸收并且除了废气的热能之外还释放附加的热能。该附加的热能使能够特别快速地加热排气系1。在经历冷起动阶段之后，借助于废气将吸收蒸汽的材料加热成使得储存在其中的蒸汽又被排出且可从排气系1流到自由环境中。在关断内燃机5时或在此之后不久，又关闭进气阀20和排气阀21，以阻止蒸汽继续输送到吸收蒸汽的材料处。以该方式可靠地避免了在内燃机5重新冷起动之前吸收蒸汽的材料的饱和。
在图4中显示了根据第二实施例的根据本发明的排气系1。在此，排气系1不具有用于阻止和开启空气输送的排气阀21，而具有布置在容纳管25中的、在废气流动方向S上紧接废气后处理系统18的吸附砖23。该吸附砖23是由吸收蒸汽的材料制成的、例如柱状的或块式或闸块式的主体，其在内燃机5停止时可靠地阻止蒸汽从环境空气中输送到废气后处理系统18处。
在图5和6中显示了根据第三实施例的根据本发明的排气系1。在此，排气系1又不具有用于阻止和开启空气输送的排气阀21。尽管如此为了阻止蒸汽从环境空气输送到废气后处理元件19中的至少一部分处，在此设置成，在直接邻接到出气管17处的废气后处理元件中吸收蒸汽的材料的质量含量m在废气流动方向S上递增地增加。

Claims (20)

1.一种用于内燃机(5)的废气后处理装置，其带有具有至少一个排气管(3,9,13,15,17)和至少一个废气后处理元件(7,11)的排气系(1)，其特征在于，为了构造排气系侧的至少一个吸收元件(7,9,11,13,15)，排气管内壁(27)和/或至少一个所述废气后处理元件(7,11)具有吸收水蒸气的材料，其中，借助于吸收水蒸气的所述材料吸附和/或吸收水蒸气导致水蒸气的冷凝且由此导致热能的释放并且所述吸收元件(7,9,11,13,15)由所释放的热能加热。
2.根据权利要求1所述的废气后处理装置，其特征在于，所述废气后处理装置应用在机动车中。
3.根据权利要求1所述的废气后处理装置，其特征在于，所述排气管内壁(27)和/或至少一个所述废气后处理元件(7,11)至少局部地涂覆有吸收蒸汽的所述材料，并且/或者至少一个所述废气后处理元件(7,11)至少局部地由吸收蒸汽的所述材料制成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理装置，其特征在于，至少一个所述废气后处理元件(7,11)由至少一个催化器和/或由至少一个颗粒过滤器来构造。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理装置，其特征在于，布置在所述排气系(1)的进入区域中的至少一个所述吸收元件(7,9,11,13,15)的吸收蒸汽的材料的含量在废气流动方向(S)上减小，并且/或者布置在所述排气系(1)的排出区域中的吸收元件(7,9,11,13,15)的吸收蒸汽的材料的含量在废气流动方向(S)上增加。
6.根据权利要求5所述的废气后处理装置，其特征在于，所述材料的含量是质量含量。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理装置，其特征在于，在所述排气系(1)中且由此考虑在流动方向(S)上相继的多个吸收元件(7,9,11,13,15)在所述排气系(1)的进入区域中吸收蒸汽的所述材料的含量在废气流动方向(S)上减小，并且/或者在所述排气系(1)的排出区域中吸收蒸汽的所述材料的含量在废气流动方向(S)上增加。
8.根据权利要求7所述的废气后处理装置，其特征在于，所述材料的含量是质量含量。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理装置，其特征在于，在布置在所述排气系(1)的进入与排出区域之间的排气系中间区域中吸收蒸汽的所述材料的含量大于在处于其上游和/或下游的排气系区域中。
10.根据权利要求9所述的废气后处理装置，其特征在于，所述材料的含量是质量含量。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理装置，其特征在于，至少一个所述吸收元件(7,9,11,13,15)布置和/或构造在所述排气系(1)的被主废气流流过的主线路中。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理装置，其特征在于，吸收蒸汽的所述材料是沸石和/或硅胶和/或磷酸铝和/或硅磷酸铝和/或金属氢化物。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的废气后处理装置，其特征在于，设置有阻止装置(20,21)，借助于其能够根据限定的内燃机运行条件阻止和/或开启至容纳和/或构造至少一个所述吸收元件(7,9,11,13,15)的吸收区域(25)的废气和/或空气输送。
14.根据权利要求13所述的废气后处理装置，其特征在于，用于阻止或开启空气输送的所述阻止装置(20,21)具有布置在所述吸收区域(25)下游的至少一个阻止元件(21)，并且/或者用于阻止或开启废气输送的所述阻止装置(20,21)具有布置在所述吸收区域(25)上游的至少一个阻止元件(20)。
15.根据权利要求14所述的废气后处理装置，其特征在于，布置在上游的至少一个所述阻止元件(20)构造为截止阀，借助于其能够阻止或开启通过形成所述排气系(1)的入口的进气管(3)的废气流。
16.根据权利要求14或15所述的废气后处理装置，其特征在于，布置在下游的至少一个所述阻止元件(21)构造为截止阀，借助于其能够阻止或开启通过形成所述排气系(1)的出口的出气管(17)的空气流。
17.根据权利要求16所述的废气后处理装置，其特征在于，设置成，布置在下游的至少一个所述截止阀构造为废气再循环阀或为发动机制动阀。
18.根据权利要求14或15所述的废气后处理装置，其特征在于，布置在下游的至少一个所述阻止元件(21)构造为吸附砖，并且所述吸附砖被布置和/或容纳在所述排气系中。
19.一种用于加热用于内燃机(5)的废气后处理装置的方法，所述废气后处理装置带有具有至少一个排气管(3,9,13,15,17)和至少一个废气后处理元件(7,11)的排气系(1)，其特征在于，为了构造排气系侧的至少一个吸收元件(7,9,11,13,15)，排气管内壁(27)和/或至少一个所述废气后处理元件(7,11)具有吸收水蒸气的材料，其中，借助于吸收水蒸气的所述材料吸附和/或吸收水蒸气导致水蒸气的冷凝且由此导致热能的释放，其中，所述吸收元件(7,9,11,13,15)由所释放的热能加热，其中，在所述内燃机(5)起动时开启到至少一个所述吸收元件(7,9,11,13,15)处的废气和/或空气输送以及由此水蒸气输送，并且其中，在所述内燃机(5)关断时借助于阻止装置(20,21)阻止到至少一个所述吸收元件(7,9,11,13,15)处的水蒸气输送。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，由至少一个所述吸收元件(7,9,11,13,15)吸收的蒸汽在限定的吸收元件温度下被从所述吸收元件(7,9,11,13,15)中排出。
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