CN106460616B - 用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置和用于内燃机的排气设备 - Google Patents

用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置和用于内燃机的排气设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置，其具有供气体流过的流体管路(28)和布置在流体管路(28)的沿着延伸方向(44)延伸的区段中的基底(30)，所述基底具有端面(40)和催化活性的表面。气体以相对于延伸方向(44)不为零的角度沿流入方向(38)流入流体管路(28)的区段，在穿过端面(40)进入基底(30)之后流过基底(30)并且与催化活性的表面接触，以化学地转化至少一种成分。基底(30)的端面(40)的法向(42)以相对于流体管路(28)的区段的延伸方向(44)不为零的角度定向。所述装置可以是用于尤其是汽车(10)中的内燃机(12)的排气设备(16)的一部分。

Description

用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置和用于内 燃机的排气设备
技术领域
本发明涉及一种用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置，其具有供气体流过的流体管路和布置在流体管路的沿着延伸方向延伸的区段中的基底，所述基底具有端面和催化活性的表面，其中，气体以相对于延伸方向不为零的角度沿流入方向流入流体管路的区段，在穿过所述端面进入基底之后流过基底并且与催化活性的表面接触，以化学地转化所述至少一种成分，其中，基底的端面的法向以相对于流体管路的区段的延伸方向不为零的角度定向。本发明还涉及一种用于内燃机的排气设备。
背景技术
在用于净化气体流的方法技术中特别有效的是，使待净化的气体与表面接触以催化化学地转化气体流的至少一种成分。具体而言，为了净化内燃机的废气，在设置于内燃机之后的排气设备中使用基底的催化活性的表面。为了有效地处理废气，需要排气设备中的确定基底容积。在实践中，将所需的基底容积安装到只有限地可供使用的结构空间中是很大的挑战。在此需要确保基底只产生尽可能小的反作用于气体流的背压，而同时基底尽可能均匀地迎流，以便尽可能广泛地利用有效面积。
一般来说对于结构空间的利用主要适用以下观点：在基底容积减小或者迎流不均匀分布时，转化效率可能减小和/或背压可能提高。通过减小横截面并且同时延长基底可以保持基底容积。均匀的迎流可以通过减小基底容积或者通过减小迎流面积实现。迎流的均匀分布可以通过使用导板或者流动优化的朝向基底的入口漏斗改善。
在专利文献DE 10 2011 111 590 A1中描述了一种内燃机的排气系统中的废气处理装置。内燃机是自点火式的，可以借助废气涡轮增压器增压并且具有废气再循环装置。靠近发动机布置的废气处理装置具有布置在流体管路的U形区段中的氧化催化器、用于氮氧化物(NOx)的还原剂的计量模块和具有还原催化活性表面的颗粒过滤器。废气通过法兰状的连接装置在废气涡轮增压器的涡轮下游到达所述区段。
在所述专利文献中示出的实施形式的变型方案中，法兰状的连接装置由于按照规定地使用可供使用的结构空间而不是准确地垂直于流体管路的区段的延伸方向布置。在这种解决方案中存在排气背压提高的顾虑。
由专利文献DE 10 2010 039 121 A1已知一种用于对内燃机废气进行再处理的废气再处理系统，其具有第一和第二催化器以及侧面布置的计量阀，用于将废气再处理剂置入第一和第二催化器之间。第一催化器的流出侧端面和第二催化器的迎流侧端面至少区域性地倾斜于通流方向定向。附加地，第一催化器的迎流侧端面也可以倾斜于通流方向定向，因此第一催化器的通道基本上等长并且由此具有相同的废气停留时间。在专利文献DE 102010 039 121 A1中说明，以此方式也在没有附加的混合元件的情况下实现了废气再处理剂的充分的均匀分布，以便确保第二催化器处的较高转化率。
在专利文献DE 38 23 550 A1中描述了一种机动车排气设备，其在紧凑的构造方式中设置了增大的催化器。所述催化器布置为，使得入口端面以不等于90°的角度迎流。通过这种布置可以增大入口端面并且降低设备的排气被压。
在专利文献DE 93 13 593 U1中与之非常相似地描述了一种透气的催化器体。所述催化器体包括处于相应端面上的入口和出口。在迎流方向和流出方向上，端面这样折角，使得流入和流出的气体以相对于一般排气方向小于90°的角度流出和流入。
通过专利文献US 5,330,728 A1描述了一种处于箱子中的催化转换器。在此，基底在箱子中形式为折角箱或者斜切的棱镜。基底布置为，使得基底的进气面以小于90°的角度被废气流加载。通过所述布置可以增大进气面并且在此实现废气再处理装置的紧凑构造方式。
在专利文献FR 2 938 006 A3中已知设备中的孔状结构，用于清洁机动车内燃机的废气。所述孔状结构具有连续地斜切的或者阶梯状的面，废气在所述面上进入孔状结构。阶梯或者梯度在此与废气的进气角协调适配并且使得废气良好地分布在孔状结构中。
由专利文献US 6,713,025 B1已知一种折角的或者阶梯状的主机组催化器进气面。所述进气面与来自由多个锥形地成型并且靠近地耦连的催化器的废气的迎流适配。主机组催化器的排气面锥形地成型。通过主机组催化器的这些形状确保了良好的迎流并且降低了排气被压。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于催化化学地转化的具有基底的装置，所述基底只产生尽可能小的反作用于气体流的背压。
该技术问题按本发明通过用于催化化学地转化气体流的至少一种(化学)成分的装置解决，所述装置具有供气体流过的流体管路和布置在流体管路的沿着延伸方向延伸的区段中的基底，所述基底具有端面和催化活性的表面，其中，气体以相对于延伸方向不为零的角度沿流入方向流入流体管路的区段，在穿过所述端面进入基底之后流过基底并且与催化活性的表面接触，以化学地转化所述至少一种成分，其中，基底的端面的法向以相对于流体管路的区段的延伸方向不为零的角度定向，按照本发明，在第一弯折之后在流体管路的所述区段上连接有一个区域，在所述区域中能够借助喷射装置置入还原剂，在处于流体管路的另一个弯折之后的区段中具有颗粒过滤器，所述颗粒过滤器具有用于还原氮氧化物的催化活性的表面，并且在基底的上游，在流体管路中设置氮氧化物传感器。
按照本发明的用于催化化学地转化气体流的至少一种(化学)成分的装置包括供气体流过的流体管路和布置在流体管路的沿着延伸方向延伸的区段中的基底，所述基底具有(迎流侧的)端面和催化活性的表面。气体尤其从设置在前的、可能布置有废气涡轮增压器的涡轮的流体管路区段以相对于延伸方向不为零的角度沿流入方向流入流体管路的所述区段中。在穿过端面进入基底之后气体流过基底并且与催化活性的表面接触，以化学地转化至少一种(化学)成分。在此，基底的端面的法向以相对于流体管路的区段的延伸方向不为零的角度定向。具体地，所述法向与延伸方向之间的角度小于或者(优选)等于流入方向与延伸方向之间的角度。在此，流入方向与法向之间角度和法向与延伸方向之间角度之和基本上、优选正好等于流入方向与延伸方向之间的角度。流入方向与法向之间的角度优选等于零。以此方式，基底的倾斜位置相对于流入方向的倾斜位置这样定向，使得基底相对于流入方向的相对倾斜位置减小。按照本发明的措施明显降低了背压。此外，可以实现基底的迎流的改善的分布，优选是均匀的分布。
简而言之，基底倾斜于流体管路定向的迎流侧端面按照本发明倾斜于气体流地迎流。由于倾斜的布置，可以尽可能有效地利用可供使用的结构空间并且基底附加地均匀迎流，因此改善了催化化学的转化。按照本发明使用的基底几何结构能够简单且成本低廉地制造。特别有利的效果是反作用于气体流的背压相对于直线形布置减小。
基底尤其理解为用于催化活性的表面的载体。因此，基底通常也称为催化器。催化活性的表面可以由一个或多个层组成。定向也理解为取向或者在空间中的位置。催化活性的表面尤其是处于基底中的表面(内表面)。基底可以具有多个从迎流侧端面延伸至流出侧端面的通道。基底的通道可以是连续敞开的(通流基底)或者在一侧封闭(壁流基底)。所述气体也可以是气溶胶，其中，固体颗粒也可以视为气体的化学成分。
在按照本发明的装置的一种优选实施形式中，所述催化活性的表面是氧化催化表面。尤其指的是多个催化活性表面中的沿气体流动方向的处于流体管路中的第一催化活性表面。以按照本发明的对于基底迎流侧端面的定向方式，改善了用于催化化学地转化的整个装置的迎流。
基底的几何形状可以与结构空间适配地设计。基底的外表面的几何形状(也称为空间体)可以通过包络轮廓描述。特别相宜的是具有空间体的基底，所述空间体根据二维平坦的、尤其是单连通的表面沿着直线件的移动形成，所述直线件沿着不在表面中延伸的方向定向。所述移动尤其可以不垂直于二维平坦表面。所述表面通过平坦的闭合曲线限定。所述曲线优选是圆、椭圆或者多边形，例如三角形或者四角形。这种空间体是特别有利的，因为由此使贯穿基底的通道基本上是等长的。但作为对此的备选，也可以使用这样的空间体，其具有彼此不同的端面，例如在一侧或者两侧倾斜切割的直线圆柱体或者在一侧或者两侧倾斜切割的直线三角棱柱。在按照本发明的用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置的优选实施形式中，所述基底的包络轮廓是歪斜的圆柱体或者至少在一个端面上倾斜地切割的圆柱体。
结合本发明提供了一种用于内燃机的具有废气净化装置的排气设备。按照本发明，所述排气设备配设有用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的、具有一项或多项如上所述特征的装置。
在优选的实施形式中，在按照本发明的排气设备中，所述基底是废气净化装置的沿气体流的流动方向的第一装置部件。按照优选实施形式的废气净化装置还在基底的下游具有至少另一个用于催化化学地转化气体流中的氮氧化物(NOx)的装置部件。具体地，按照本发明的排气设备的废气净化装置具有用于还原剂的喷射装置、颗粒过滤器和用于将气体流中的氮氧化物(NOx)还原为氮气(N2)的催化活性的表面。换而言之，在优选实施形式中，废气净化装置可以设计用于进行氮氧化物的选择性催化反应(SCR废气净化装置)。还原剂可以例如是氨水(NH3)、尿素或者氨水前体。还原剂可以处于水溶液中。
在按照本发明的排气设备中，还可以在基底的上游在流体管路中布置温度传感器和/或λ传感器和/或氮氧化物传感器(NOx传感器)。在备选实施形式中，温度传感器和/或λ传感器和/或氮氧化物传感器(NOx传感器)可以直接插入或者集成在基底中。
结合本发明也提供一种内燃机，其配设有具有按照如前所述一项或多项特征的排气设备。内燃机可以是外部点火或者(优选)是自点火的内燃机。内燃机的有利实施形式可以借助一个或多个增压装置，例如废气涡轮增压器或者电力驱动的增压器增压并且具有一个或多个废气再循环装置，例如低压废气再循环装置或者高压废气再循环装置。
按照本发明的内燃机可以是汽车驱动设备的一部分或者是汽车的驱动设备。按照本发明的汽车包括按照本发明的具有如前所述一项或多项特征的内燃机。汽车尤其是无轨的陆地车辆，优选是有轮车辆，例如轿车或者载重汽车。
因此，通过明确地引用专利文献DE 10 2011 111 590 A1，专利文献DE 10 2011111 590 A1的整个公开内容也包含在本说明书中。在本说明书中显示的特征可以单独地或者组合地在按照本发明的装置中实现，无论是所有的特征或者只是所有特征的集合中的子集。
附图说明
本发明的其它优点和有利的实施形式和扩展设计根据以下参照附图的说明显示。在附图中：
图1示出按照本发明的内燃机的优选实施形式的拓扑结构图；并且
图2示出按照本发明的用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的、用于汽车的排气设备的装置的一个实施形式的几何形状。
具体实施方式
在图1中示出按照本发明的作为示意性表示的汽车10中的驱动机的内燃机12的优选实施形式的拓扑结构图。其优选是指自行点火的内燃机。通过具有压缩机20的新鲜气体设备18经过进气管22为内燃机12的发动机14、优选是柴油发动机输入压缩的新鲜气体。发动机14的废气通过废气岐管24进入具有涡轮机26的排气设备16中，所述涡轮机驱动压缩机20。涡轮机26和压缩机20形成增压组件。膨胀减压的废气进入流体管路28，其中设有带氧化催化表面的基底30、带有用于氮氧化物的还原剂的喷射装置32和颗粒过滤器34，所述颗粒过滤器具有用于将气体流中的氮氧化物(NOx)还原为氮气(N2)的催化活性的表面。内燃机12还具有处于增压组件的高压侧的废气再循环装置46。
图2示出按照本发明的用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的、用于汽车10的内燃机12的排气设备16的装置的一个实施形式的几何形状。所述几何形状实现了装置靠近发动机的布置。靠近发动机布置的优点也在于，催化活性的物质通过内燃机的废热就能调整温度。
内燃机的废气通过入口接口36流入流体管路28。流入方向38在此不平行于流体管路28的延伸方向44，而是在流入方向38与延伸方向44之间存在不为零的角度。基底30具有倾斜圆柱体的包络轮廓，因此其在剖视图中显示为平行四边形。流体管路28的进一步延伸是u形的：从流体管路28的具有基底30的区段处弯折之后连接有一个区域，在所述区域中可以借助喷射装置32置入还原剂。在流体管路28的另一个弯折之后具有的区段中具有颗粒过滤器34，所述颗粒过滤器具有用于将气体流中的氮氧化物(NOx)还原为氮气(N2)的催化活性的表面。在基底30之前，在流体管路28中设置氮氧化物传感器48。
基底30的端面32是平坦的并且倾斜于流体管路28的延伸方向44。按照本发明，端面32相对于入口接口36倾斜地定向。换而言之，端面的法向42与流入方向38之间的角度基本上为零。由此特别有利的是，相比具有包络轮廓为直线形圆柱体的基底的布置，反作用于气体流的背压明显地降低。
附图标记清单
10 汽车
12 内燃机
14 发动机
16 排气设备
18 新鲜气体设备
20 压缩机
22 进气管
24 排气岐管
26 涡轮机
28 流体管路
30 基底
32 喷射装置
34 颗粒过滤器
36 入口接口
38 流入方向
40 端面
42 法向
44 延伸方向
46 废气再循环装置
48 氮氧化物传感器

Claims (9)

1.一种用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置，具有供气体流过的流体管路(28)和布置在流体管路(28)的沿着延伸方向(44)延伸的区段中的基底(30)，所述基底具有端面(40)和催化活性的表面，其中，气体以相对于延伸方向(44)不为零的角度沿流入方向(38)流入流体管路(28)的区段，在穿过所述端面(40)进入基底(30)之后流过基底(30)并且与催化活性的表面接触，以化学地转化所述至少一种成分，其中，基底(30)的端面(40)的法向(42)以相对于流体管路(28)的区段的延伸方向(44)不为零的角度定向，其特征在于，在第一弯折之后在流体管路(28)的所述区段上连接有一个区域，在所述区域中能够借助喷射装置(32)置入还原剂，在处于流体管路(28)的另一个弯折之后的区段中具有颗粒过滤器(34)，所述颗粒过滤器具有用于还原氮氧化物的催化活性的表面，并且在基底(30)的上游，在流体管路(28)中设置氮氧化物传感器(48)。
2.按权利要求1所述的用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置，其特征在于，所述法向(42)与延伸方向(44)之间的角度小于或者等于流入方向(38)与延伸方向(44)之间的角度，其中，流入方向(38)与法向(42)之间角度和法向(42)与延伸方向(44)之间角度之和基本上等于流入方向(38)与延伸方向(44)之间的角度。
3.按权利要求1所述的用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置，其特征在于，所述催化活性的表面是氧化催化表面。
4.按权利要求1所述的用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置，其特征在于，所述基底(30)的包络轮廓是歪斜的圆柱体或者至少在一个端面上倾斜地切割的圆柱体。
5.一种用于内燃机(12)的排气设备(16)，其特征在于具有按权利要求1所述的用于催化化学地转化气体流的至少一种成分的装置。
6.按权利要求5所述的用于内燃机(12)的排气设备(16)，其特征在于，所述基底(30)是废气净化装置的沿气体流的流动方向的第一装置部件并且废气净化装置在基底的下游具有至少另一个用于催化化学地转化气体流中的氮氧化物(NOx)的装置部件。
7.按权利要求5所述的用于内燃机(12)的排气设备(16)，其特征在于，在基底(30)的上游在流体管路(28)中布置有温度传感器和/或λ传感器。
8.一种内燃机(12)，其特征在于具有按权利要求5所述的排气设备(16)。
9.一种汽车(10)，其特征在于具有按权利要求8所述的内燃机(12)。
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