CN111379612A - 用于内燃机的废气再处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的废气再处理系统，其具有第一催化器(10)，其包括用于废气进入第一催化器(10)的第一废气进口(11)和相对置地定位的废气出口(12)；相对于第一催化器(10)布置在下游的第二催化器(30)，其与第一催化器(10)流动连接，以便将废气从第一催化器(10)引入第二催化器(30)中，并且第二催化器(30)包括第二废气进口(31)，其中，第二废气进口(31)与第一催化器(10)的废气出口(12)在空间上相间隔。此外还包括相对于第二催化器(30)布置在下游的颗粒过滤器(50)，其与第二催化器(30)流动连接，以便将废气从第二催化器(30)引入颗粒过滤器(50)中。在此，邻接地围绕第一催化器(10)的外表面(14)抵构造有环流区域(20)，在环流区域(20)中废气从废气出口(12)向着第二废气进口(31)流入第二催化器(30)中。

Description

用于内燃机的废气再处理系统
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的废气再处理系统。
背景技术
由于汽油发动机的良好效率，位于底板位置的颗粒过滤器的再生需要专门的行驶循环。为了再生颗粒过滤器，例如颗粒过滤器中的废气温度需要大于600℃。在这种情况下，颗粒过滤器的靠近发动机的定位是必需的，因为由此在运行期间颗粒过滤器处存在较高的温度。此外，目前难以为所有的市场提供颗粒过滤器上的耐老化的三元涂层。因此，为了气态组分的转化，除了涂覆的颗粒过滤器外还需要两个附加的三元催化器。其中，第一三元催化器主要负责所谓的起燃，第二三元催化器提高废气再处理系统的整体转化性能。
从现有技术还已知靠近发动机的三元催化器连同未涂覆的颗粒过滤器。但在此不利的是，在仅有一个三元催化器的情况下，该三元催化器需要制造得明显较大，因为未涂覆的颗粒过滤器不能参与气态组分的转化。由此又产生起燃问题。目前为止，这些问题被耗费和麻烦地通过额外的安装空间、在颗粒过滤器无涂层的情况下三元催化器上的更多的贵金属或通过气态原始排放的伴随着CO2排放的可能的缺点的减少被应对。
由专利文献DE 10 2015 215 365 A1还已知一种用于内燃机的具有两个催化器的废气再处理系统，其中，公开了这样的内燃机，该内燃机具有第一NOx蓄集催化器、沿内燃机的废气的流动方向布置在第一NOx蓄集催化器下游的颗粒过滤器和布置在第一NOx蓄集催化器下游的第二蓄集催化器。
由专利文献WO 2005/113126 A1还已知一种废气处理系统，该废气处理系统同样示出前置的另外的催化器。还由专利文献WO 2014/183998 A1已知使用多个催化器、尤其形式为靠近发动机布置的前置催化器。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有两个催化器和颗粒过滤器的废气处理系统，该废气处理系统具有改善的起燃性能和改善的转化率。
所述技术问题按照本发明通过一种用于内燃机的废气再处理系统解决，所述废气再处理系统包括第一催化器，所述第一催化器包括用于废气进入第一催化器的废气进口和相对置地定位的废气出口。所述废气再处理系统还包括相对于第一催化器布置在下游的第二催化器，所述第二催化器与第一催化器流动连接，以便将废气从第一催化器引入第二催化器中，并且所述第二催化器同样包括废气进口，其中，所述第二催化器的废气进口与第一催化器的废气出口在空间上相间隔。所述废气再处理系统还包括相对于第二催化器布置在下游的颗粒过滤器，所述颗粒过滤器与第二催化器流动连接，以便将废气从第二催化器引入颗粒过滤器中。邻接地围绕第一催化器的外表面地构造有环流区域，在所述环流区域中废气从所述废气出口向着所述废气进口流入所述第二催化器中。
第一催化器和/或第二催化器优选是三元催化器。颗粒过滤器优选是汽油颗粒过滤器。与现有技术中的仅具有一个催化器的实施方式相比，第一催化器可以设计得较小并且关于良好的起燃性能被优化。第二催化器可以具有相应良好的总转化率。在空间上相间隔换言之理解为第一催化器的废气出口和第二催化器的废气进口位于不同的局部位置。因此，环流区域需要具有最小距离。通过流动连接的特性确保废气通过第一催化器、第二催化器和颗粒过滤器并且发生相应的催化的、化学的转化过程。环流区域是至少部分或几乎完全包围或包覆第一催化器的区域。邻接可以换言之意思是该环流区域与第一催化器的外表面形成空间上的接触。
本发明的优点在于，通过第一催化器的通过环流区域实现的环流，第一催化器通过与温度较高或温度非常高的废气的热交换实现温度升高。因此实现了对第一催化器的加热。由此改善起燃性能并且因此优化第一催化器中的催化转化。此外还产生积极的热平衡，因为废气热的能量用于将第一催化器更快地加热到有效地起催化作用的温度范围。这样的实现方式和其它实现方式还可以组合中性地(Package-neutral)实施并且还是低成本的。再生变得容易。另外，本发明可以针对具有较高惯性等级的交通工具理想地转化气态的有害物质。特别有利的是，通过环流可以实现对第一催化器的均匀加热。
在优选的实施方式中，所述环流区域设计为邻接地环绕第一催化器的外周面。催化器通常设计为圆柱形。环绕圆柱体的外周面的流动有利地实现对第一催化器的特别均匀的加热。
在本发明的优选的设计方案中规定，所述第一催化器安装在壳体中，并且所述环流区域由所述壳体和第一催化器之间的中间空间形成。由此可以简单且低成本地实现环流区域，从而壳体壁将废气保持在环流区域中并且至少通过气体压力将废气压入第一催化器中。壳体壁也可以起转向件的作用，用于改变废气流的方向。
在本发明的优选的设计方案中规定，在所述第一催化器的出口侧上布置有偏转装置，所述偏转装置设置用于将废气从第一催化器的出口侧输送至第一催化器的环流区域。这种偏转装置可以例如是金属片或转向板，该金属片或转向板使废气具有希望的流动方向。例如，偏转装置可以构造朝偏转方向倾斜的开口。通过偏转装置可以改善废气环流。尤其可以实现合适地流过第一催化器，从而环流区域可以被均匀地流过。例如，第一催化器的外周面可以被如此流过，使得一部分废气流在上方环流外周，并且另一部分废气流在下方环流外周，并且外周面尤其均匀地被环流。
在另外的优选的设计方案中规定，所述第一催化器包括用于导引废气的第一废气流通方向，并且其中，所述第二催化器包括用于导引废气的第二废气流通方向，并且其中，所述第一催化器相对于第二催化器如此定向，使得所述第一废气流通方向和第二废气流通方向相对彼此以45°至135°之间的角度定向、优选以60°至120°之间的角度定向、特别优选地彼此垂直地定向。如此设计了一种装置，该装置适合用于实现转向，从而第一催化器既可以被通流也可以被环流。
在本发明的另外的优选的设计方案中，所述环流区域在第一催化器的剖面视图中沿第一废气流通方向观察构造在所述第一催化器的上方和/或下方。由此可以实现均匀的加热。
在本发明的另外的优选的设计方案中，在所述壳体和第一催化器之间在所述出口侧形成第一距离，所述第一距离沿第二废气流通方向逐渐变窄。由此，排出的废气沿远离第二催化器的偏转方向被偏转。所述第一距离在偏转装置和第一催化器之间产生。
在本发明的另外的优选的设计方案中，在所述壳体和第一催化器之间在背离第二催化器的一侧形成第二距离，所述第二距离沿第一废气流通方向变宽。由此实现废气朝第二催化器的方向和因此向环流区域的改善的转向。
在本发明的另外的优选的设计方案中，所述第一催化器设计为金属催化器，并且所述第二催化器设计为金属催化器或陶瓷催化器。金属催化器通常具有较好的起燃性能。
在本发明的另外的优选的设计方案中，所述第一催化器和/或第二催化器配设有含有或不含贵金属的涂料涂层。特别优选地，可以例如使用碳氢化合物吸附剂。
在本发明的另外的优选的设计方案中，所述颗粒过滤器配设有含有或不含贵金属的涂料涂层。
在本发明的另外的优选的设计方案中，所述第一催化器配设有含贵金属的涂料涂层，所述第二催化器配设有含贵金属的涂料涂层，并且颗粒过滤器配设有不含贵金属的涂料涂层。
此外还建议一种具有内燃机的交通工具，其中，所述交通工具包括根据上述实施方式之一所述的废气再处理系统。
本发明的在本申请中提到的各种实施方式如果未单独地另作说明能够有利地相互结合。
附图说明
以下在实施例中根据附图阐述本发明。在附图中：
图1示出按照本发明的废气再处理系统的实施例；和
图2示出按照本发明的实施方式中的第一催化器的剖面视图。
具体实施方式
图1示出按照本发明的废气再处理系统1的示例性的实施方式。在当前图示中还示出另外的、附加的部件，废气再处理系统1安装在这些部件中，其中，该技术图示仅示例性地作描绘之用，并且本发明不限于这种实现方式。废气从内燃机70输送至废气再处理系统1。在此示意性地示出内燃机70、优选汽油发动机。此外示例性地示出具有压缩机72和涡轮机90的涡轮增压器。漏斗形进口94示例性地通过连接凸缘92连接涡轮机90。在该实施方式中，示例性地将废气通过漏斗形进口94输送至废气再处理系统1。在该示例性的实施方式中，如图1所示，漏斗形进口94在输出侧倾斜并且通过倾斜的漏斗开口将废气流偏转，其中，这仅是示例性的、结构上合适的实现方式，但本发明不限于这种实现方式。
废气再处理系统1还包括第一催化器10。第一催化器10还包括用于废气进入第一催化器10中的废气进口11。在该示例性的布置方式中，第一催化器10的输入侧24与漏斗形进口94的漏斗开口连接。第一催化器10被废气通流并且废气在与第一废气进口11相对置的废气出口12侧又被排出。此外，第二催化器30相对于第一催化器10布置在下游。
该第二催化器30与第一催化器10流动连接，以便将废气从第一催化器10引入第二催化器30中。在该优选的实施方式中，第二催化器30紧凑地连接在第一催化器10上。第二催化器30同样还包括废气进口31，该废气进口31与第一催化器10的废气出口12在空间上间隔。
第一催化器10和第二催化器30都可以优选地设计为三元催化器，这类三元催化器因此将一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和未燃烧的碳氢化合物(HC)转化成二氧化碳(CO2)、氮气(N2)和水(H2O)。第一催化器10或第二催化器30还可以尤其借助于合适的金属氧化物配设有涂料涂层。第一催化器10优选为了较快的起燃设计为金属催化器，并且第二催化器30可以设计为金属催化器或陶瓷催化器。
此外，废气处理系统1具有相对于第二催化器30布置在下游的颗粒过滤器50。颗粒过滤器50与第二催化器30流动连接，以便将废气从第二催化器30引入颗粒过滤器50中。尽管本发明不限于此，但此处颗粒过滤器50示例性地紧邻或直接与第二催化器30连接。在其它实施方式中，如果另外还有第三催化器与第二催化器30连接，则颗粒过滤器50也可以定位在交通工具的底板中、也就是说远离发动机布置并且不像在示例性示出的图1中那样靠近发动机布置。因此在图1中，第一催化器10、第二催化器30和颗粒过滤器50均靠近发动机布置。结果是，在内燃机70中产生的废热有利地被催化器10、30和颗粒过滤器50吸收，并且因此实现催化特性的性能改善。在此，颗粒过滤器50优选是汽油颗粒过滤器。优选地，该汽油颗粒过滤器在该实施方式中设计为不具有涂层，但在其它实施方式中可以设置相应的涂层。在颗粒过滤器50的后方示例性地示出从废气再处理系统1排出的出口52。
邻接地围绕第一催化器10的外表面14形成环流区域20。在环流区域20中，废气从第一催化器10的废气出口12流向第二催化器30的废气进口31。在此，环流区域20表示这样的流动容积，该流动容积与第一催化器10的外表面14在空间上接触。该环流区域至少部分地或几乎完全地包围或包覆第一催化器10。催化器通常设计为圆柱形。在这种情况下，环流区域设计为邻接地环绕第一催化器10的外周面。由此实现了对第一催化器10或其催化剂基底的特别均匀的加热。环流区域20的示例性的示意图可以由图2的剖面视图得出。
因此，在废气通流过第一催化器10之后，废气环绕第一催化器10或其外表面14流动。随后，废气流从第一催化器10的废气出口12流向第二废气进口31。随后废气才通过第二废气进口31注入或引入第二催化器30，从而通过第二催化器30进行催化作用。
在图1中标出纯示意性的流线，这些流线描述示例性的流动路径。第一催化的废气流17从第一催化器的废气进口11沿第一废气流通方向13流动直至第一催化器10的废气出口12。在该区段中已经发生催化作用。从废气出口12开始，废气流被偏转并且被输送至环流区域20。随后，废气流成为热交换用的废气流22，热交换用的废气流22描述了基于剖面视图此处仅示意性地示出的废气流走向，即，从废气出口12通流环流区域20并且流向输出侧25并流向第二催化器30的废气进口31。在该流动区段中，热量被传递到第一催化器10上。随后，废气通过第二催化器30的废气进口31进入第二催化器30中并且形成沿第二流通方向33的第二催化的废气流37。在该区段中又发生催化作用。
在该优选实施方式中，第一催化器10设置在壳体16中。在该实施方式中，壳体16至少包围第一催化器10。由于壳体16，环流区域20由壳体16和第一催化器10之间的中间空间15形成。
在该示例性的实施方式中，还在第一催化器10的出口侧26上布置有偏转装置18，废气出口12位于该出口侧26上。该偏转装置18设置用于将废气从第一催化器10的出口侧26输送至第一催化器10的环流区域20。这种偏转装置可以例如是金属片或转向板，该金属片或转向板强制废气具有希望的流动方向。例如，偏转装置18可以具有朝偏转方向定向的开口。在此，该开口可以具有各种定向，从而第一催化器10以与几何形状和布置方式相关的确定的方式被最佳地入流。尤其可以实现第一催化器10的合适的入流，从而环流区域可以被均匀地流过。
在该实施方式中，第一催化器10相对于第二催化器30竖直地定向。换言之，这意味着第一废气流通方向13垂直于第二废气流通方向33定向。由此实现废气流在壳体16内有效地以90°从第一废气流通方向13朝第一废气流通方向33偏转。在本发明的其它实施方式中，第一废气流通方向13和第二废气流通方向33可以相对彼此以45°至135°之间、优选60°和120°之间的角度定向。
在该示例性的实施方式中，第一催化器10和第二催化器30具有线性的布置方式。在此尤其地，甚至第一催化器10、第二催化器30和颗粒过滤器50线性地布置，这符合紧凑的结构。
废气流从第一催化器10的出口侧26通过壳体16和/或位于第一催化器10和壳体16之间的偏转装置18被辅助偏转。
为此，壳体16如此在出口侧26处定向，从而流出的废气流在此先从第一废气流通方向13偏转到与第二废气流通方向33相反的方向。在此，壳体16构造出口侧26处的外凸的圆角19。在此，圆角19示例性地向外延伸，以便辅助废气流背离第二催化器30地发生偏转。
例如，在壳体16和第一催化器10之间在出口侧26形成的第一距离d1可以沿第二废气流通方向33逐渐变窄，从而入流的废气流被偏转远离第二催化器30。此外，在该实施方式中，壳体16具有用于改善环流的圆角19。另外，如图1中的示例所示，壳体16与第一催化器10之间在背离第二催化器30的一侧的第二距离d2可以沿第一废气流通方向13变宽。由此，朝第二催化器30的方向流入与外表面14邻接的环流区域20的流动可以被改善。
在图2中示出沿第一废气流通方向13观察的第一催化器10剖面视图，对此参照图1中的剖切符号。
在此，第一催化器10的剖面纯示例性地呈圆柱形。环流区域20处于与第一催化器10的外表面14邻接。该外表面14产生第一催化器10的外周面。纯示例性地，环流区域20示意性地示为第一催化器10与壳体16之间的中间空间15。
环流区域20在第一催化器10的剖面视图中从第一废气流通方向13观察示例性地构造在第一催化器10的上方和/或下方。这意味着，在剖面中观察，外周面将废气流分成两个流动分量，这两个流动分量沿相反的旋转方向在环流区域20中绕第一催化器10流动，请参见所示的箭头。由此实现了特别均匀的加热，其中，本发明并不局限于此。但本发明不限于这种环流。
在第一催化器10被环流后，废气流进入第二催化器30，随后在第二催化器30中发生催化反应。废气则成为图1的催化的废气流37。
附图标记列表
1 废气再处理系统
10 第一催化器
11 废气进口
12 废气出口
13 第一废气流通方向
14 外表面
15 中间空间
16 壳体
17 第一催化的废气流
18 偏转装置
19 圆角
20 环流区域
22 热交换用的废气流
24 输入侧
25 输出侧
26 出口侧
30 第二催化器
31 废气进口
33 第二废气流通方向
37 第二催化的废气流
50 颗粒过滤器
52 出口
70 内燃机
72 压缩机
90 涡轮机
92 凸缘
94 漏斗形进口
d1 第一距离
d2 第二距离

Claims (12)

1.一种用于内燃机的废气再处理系统(1)，所述废气再处理系统包括：
-第一催化器(10)，所述第一催化器(10)包括用于废气进入第一催化器(10)的废气进口(11)和相对置地定位的废气出口(12)；
-相对于第一催化器(10)布置在下游的第二催化器(30)，所述第二催化器(30)与第一催化器(10)流动连接，以便将废气从第一催化器(10)引入第二催化器(30)中，并且所述第二催化器(30)同样包括废气进口(31)，其中，所述第二催化器(30)的废气进口(31)与第一催化器(10)的废气出口(12)在空间上相间隔；
-相对于第二催化器(30)布置在下游的颗粒过滤器(50)，所述颗粒过滤器(50)与第二催化器(30)流动连接，以便将废气从第二催化器(30)引入颗粒过滤器(50)中；
其特征在于，邻接地围绕第一催化器(10)的外表面(14)地构造有环流区域(20)，在所述环流区域(20)中废气从所述废气出口(12)向着所述废气进口(31)流入所述第二催化器(30)中。
2.根据权利要求1所述的废气再处理系统(1)，其中，所述环流区域(20)设计为邻接地环绕第一催化器(10)的外周面。
3.根据前述权利要求中任一项所述的废气再处理系统(1)，其特征在于，所述第一催化器(10)安装在壳体(16)中，并且所述环流区域(20)由所述壳体(16)和第一催化器(10)之间的中间空间(15)形成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的废气再处理系统(1)，其特征在于，在所述第一催化器的出口侧(26)上布置有偏转装置(18)，所述偏转装置(18)设置用于将废气从第一催化器(10)的出口侧(26)输送至第一催化器(10)的环流区域(20)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的废气再处理系统(1)，其特征在于，所述第一催化器(10)包括用于导引废气的第一废气流通方向(13)，并且其中，所述第二催化器(30)包括用于导引废气的第二废气流通方向(33)，并且其中，所述第一催化器(10)相对于第二催化器(30)如此定向，使得所述第一废气流通方向(13)和第二废气流通方向(33)相对彼此以45°至135°之间的角度定向、优选以60°至120°之间的角度定向、特别优选地彼此垂直地定向。
6.根据前述权利要求中任一项所述的废气再处理系统(1)，其特征在于，所述环流区域(20)在第一催化器(10)的剖面视图中沿第一废气流通方向(13)观察构造在所述第一催化器(10)的上方和/或下方。
7.根据权利要求3所述的废气再处理系统(1)，其特征在于，在所述壳体(16)和第一催化器(10)之间在所述出口侧(26)形成第一距离(d1)，所述第一距离(d1)沿第二废气流通方向(33)逐渐变窄。
8.根据前述权利要求3或7中任一项所述的废气再处理系统(1)，其特征在于，在所述壳体(16)和第一催化器(10)之间在背离第二催化器(30)的一侧形成第二距离(d2)，所述第二距离(d2)沿第一废气流通方向(13)变宽。
9.根据前述权利要求中任一项所述的废气再处理系统(1)，其特征在于，所述第一催化器(10)设计为金属催化器，并且所述第二催化器(30)设计为金属催化器或陶瓷催化器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的废气再处理系统(1)，其特征在于，所述第一催化器(10)和/或第二催化器(30)配设有含有或不含贵金属的涂料涂层。
11.根据前述权利要求中任一项所述的废气再处理系统(1)，其特征在于，所述颗粒过滤器(50)配设有含有或不含贵金属的涂料涂层。
12.一种交通工具，其特征在于，所述交通工具包括具有根据前述权利要求1至10中任一项所述的废气再处理系统(1)的内燃机(70)。
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