CN1183316C - 具有内燃机的汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有内燃机的汽车，通过一个安装在排气弯管后面的预催化转化器和一个安装在其后的废气流中的主催化转化器，特别是提供一种NOx一存储式催化转化器对废气进行催化净化，并且在汽车内安装了一个空气导管(1)，从而可以在发动机宽广的运转范围内对其废气催化净化进行优化。空气导管在汽车前端面区域内有一个进气口(2)，而其末端则接往排气弯管(9)和/或一个废气冷却器。在进气口(2)的区域内可以有一个可控节气门(3，4)。

Description

具有内燃机的汽车
技术领域
本发明涉及一种具有内燃机的汽车，通过至少一个直接安装在排气弯管后面的预催化转化器和至少一个安装在其后废气流中的主催化转化器，特别是一个NOx-存储式催化转化器对废气进行催化净化。
背景技术
已知的燃油直接喷射式汽车发动机以过量的空气在一个宽广的发动机运转特性曲线中工作，从而使燃油消耗明显降低。在这种边界条件下，为了转化氮氧化物而可以不采用传统的三元催化转化器，因此对于稀薄排气中氮氧化物的转化还可采用NOx-存储式催化转化器。
但是，采用这样的NOx-存储式催化转化器只能在一个很窄的排气温度范围内达到高的转换率，从而极大地限制了发动机稀薄混合气的高效运转范围。因此必须使发动机的运转和催化转化器系统相互协调，使存储式催化转化器入口处的排气温度在尽可能宽的发动机运转范围内均处于这个温度范围内。当汽车速度较高时，温度上限在这方面存在问题。因此为了拓宽发动机高速和高负荷时的运转范围，采取废气冷却，从而降低催化转化器温度的措施是很有意义的。
在已知的排气装置DE 41 27 634 A1中，一个传统的三元催化转化器的前方管用一个罩壳环绕，此罩壳作为冷却空气管一直通到排气装置的后端管，并最终止于吸气喷射泵，在那里充分利用排气流。这种已知的排气装置是有缺点的，特别是只有三元催化转化器前的排气温度能够受到影响。
由JP 07-279 653得知的一类汽车，它具有一台内燃机，一个安装在排气管路中的催化转化器和一根安装在汽车内、在汽车前端面区域内有一个进气口的空气导管。为了更好地进行NOx转换，在此处建议一种从内燃机直至转换器的比较昂贵的双层壁排气装置。为此目的，此排气管从内燃机开始直至转换器都做成双层壁结构。可以有两根空气导管接入这种双层壁的外罩壳中，其中一个位置在冷却空气风扇气流上游的排气管上部区域内；第二根则布置在车体另一底部范围内。
在这种已知的第二种布置的实施方案中，排气管仅仅是单流的，冷却空气从一根始于汽车前端面的空气导管内，在分开的管道中通往环形围绕转换器的冷却器中。
两种实施方案都是比较昂贵的，而且重量也是较重的。对于第一种实施方案，如前所述，大部分排气管必须完全是双流的，这无论是重量还是在结构空间上都会带来问题；第二种实施例，同样出于结构空间和重量方面的原因而造成缺点，使第二种管路布置需要采用围绕转换器的分开式冷却器。
由JP 08-189 334得知，为了改善废气冷却而在冷却水—热交换器后面安装一个空气导流装置，同时在排气管上具有附加的散热片。而直接与内燃机气缸盖相连接的排气弯管则不是为冷却目的而设置的。
DT 2 305 277公开了一种排气总管。在内燃机较高的部分负荷或满负荷时，排气总管被气态冷却介质环绕流动，为此排气总管具有一个相应的环形套，气态冷却介质在其中流动。
由DE 41 27 634 C2得知一种具有包围罩壳管的排气装置。冷却空气根据废气净化装置处的温度流入罩壳内。此时冷却空气流在一个冷却空气管中被导向，此冷却空气管从排气管旁一直通往排气装置的一个末端管。
GB 1361910A描述了一台具有排气净化用催化转换器的内燃机，每根排气弯管均具有散热片和一个罩壳，借助于风扇使冷却空气通过罩壳。
由US 3820327A得知一种控制内燃机排气净化用催化转化器温度的装置。借助于空气流动来冷却催化转化器的热交换器表面，此时空气流的流量与催化转化器的温度梯度成正比，当催化转化器的温度降低到预先规定值以下时，则空气流完全中断。
DE 4410022A1描述了一台具有排气转换器的内燃机的排气装置。为了快速调节具有一个壳体的内燃机排气转换器的温度，将转换器和一个用来供应排气的前方管布置在一个容器中，根据需要对该容器供以冷却空气，前方管直接安装在容器中的排气转换器附近，并布置成近似U形，以保证较大的换热面积。
由DE 4210022A1得知一个具有内燃机催化转化器的废气净化装置，此时在催化转化器逆流上方的排气支管中安装一个热交换器，通过该热交换器可将废气温度控制在一个所希望的温度范围内，此时催化转化器具有最佳的效率。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种具有内燃机的汽车，其废气催化净化能够以比较简单和节省结构空间的种类和方式在宽广的发动机运转范围内优化，同时对发动机的冷却水形成过热保护。
这个任务的技术方案是一种具有内燃机的汽车，通过至少一个安装在排气弯管后方的催化转化器，特别是预催化转化器，对废气进行催化净化，并在汽车中安装一个空气导管，它在汽车的前端面区域内有一个进气口，其特征是，为排气弯管安装一个热屏蔽板，空气导管的末端接入其中，热屏蔽板在内燃机和催化转化器之间延伸，同时空气导管具有一个挠性件，用以隔离内燃机至车体上的振动，在进气口区域内装入一个可控的节气门；该可控节气门做成空气转向装置，在偏离空气导管中的流通位置的转向位置冷却空气流对准冷却水—热交换器方向的转向位置。
本发明的优点在于，可将热屏蔽板应用到原本已有的零部件上，实现废气冷却。通常是将这样的热屏蔽板布置在排气弯管的上方，并保护相邻的零部件不受强烈的热辐射。因此与前面的技术状况不同，最大程度地避免了排气装置的双流设计。振动隔离技术要保障在所有的发动机运转范围附近，也就是说在负荷突然变化和内燃机相对于汽车发生与此相应的相对运动时，应提供足够的废气催化净化。在汽车前端面区域内具有一个进气口的空气导管可以有一个可控的节气门。
本发明的优点在于，可控节气门在一个运转位置时使冷却空气流偏转向冷却水—热交换器方向，从而可以保障诸如汽车爬坡时，内燃机在高负荷和过高的冷却介质温度情况下，能够利用空气流得到冷却水—热交换器的附加冷却。而且在这种运状况时能够使预催化转化器和存储式催化转化器的零部件在燃烧混合气大幅度加浓时得到保护。
通过空气导管，特别是在较高的运行速度时能够使排气弯管，从而使废气冷却，因此预催化转化器和存储式催化转化器的温度地降低。废气冷却的另一优点是，在发动机高速和高负荷时预催化转化器和存储式催化转化器的热负荷被降低，从而大大延长零部件寿命。
如果在下面本文中论及一个预催化转化器和/或一个主催化转化器，则可能其中也常常泛指在一辆汽车中的多个这样的催化转化器。
在空气导管进气口区域内安装的节气门可以具有两个控制状态(开启和关闭)或者做成可无级调节的。
为了加大废气冷却的有效性，进气口可以具有喇叭形的空气导流片，并在进气口区域内安装一个风扇，以便在低速时也能够保障排气和催化转化器得到满意的冷却。
另外，除了这些提高空气流量和流速的措施以外，还在空气导管中安装空气导流片，以便使空气流适当地围绕待冷却零部件流动。此外，可以将整个排气装置整体或有选择地优化，诸如通过加散热片或采用具有较大表面积的特殊管道几何形状；通过排气装置涂层提高辐射系数，从而提高辐射散热，就象提高废气和排气装置之间的传热措施一样。
节气门最好是由发动机管理的一个电子控制装置操纵，使节气门在一个静止位置或非执行位置时开启，并在下列各运转条件时关闭：发动机起动后预催化转化器和主催化转化器加热期间；或在预催化转化器和主催化转化器需要脱硫时；在主催化转化器后面的废气温度低于露点时；或在冷却介质温度低于一个最小的限值时；在预催化转化器前面的废气温度小于一个最小的限值和预催化转化器后面的废气温度小于一个最低限值，同时主催化转化器的温度小于一个最小的限值时；或汽车速度小于一个最低的限值时。
当内燃机冷却介质温度大于一个最大限值时，并且废气温度和催化转化器温度大于一个最大限值时，节气门控制在一个转向位置上。
附图说明
下面借助附图对本发明的一个实施例详述，即
图1废气冷却原理简图；
图2一种具有空气转向装置方案的原理简图；
图3另一废气冷却方案的侧视图；
图4图3的俯视图；
图5另一废气冷却方案的侧视图；
图6图5方案两种空气流动的示意图。
具体实施方式
一个具有内燃机10的汽车，采用一个直接安装在排气弯管9后面的预催化转化器7和一个安装在其后废气流中做成NOx-存储式催化转化器的主催化转化器8，对废气进行催化净化，具有一根冷却废气的空气导管1，它在汽车前端面区域内具有一个进气口2，其末端连接到排气弯管9和/或一个图中未表示出的废气冷却器上，并在进气口2区域内有一个可控的节气门3；4，最好是安装在一个散热器格栅12的后方。节气门3；4具有两个控制状态(一个开启状态和一个关闭状态)或做成可无级调节的，从而可将废气温度特别准确地控制在NOx-存储式催化转化器的最佳工作范围内。
如图2所示，可控节气门4设计成空气转向装置，它可以处于一个流通位置，使冷却空气流流向冷却水—热交换器方向，特别是在爬坡的罕见情况下会出现高负荷和过高冷却水温度的情况，此时由于燃烧混合气大幅度加浓而零部件需要保护。
在图3和图4所示的一个具体实施方案中，散热器格栅12安装在保险杠15的上方和发动机罩盖14的下方，在该散热器格栅后方有一个空气导管1的进气口2，在进气口前面有空气导流片6，布置成喇叭形。在通风管1内安装一个可控节气门3，在空气导管1中，为了与内燃机10和车体振动隔开，而连接一根挠性件16。空气导管1接入弯管9上的热屏蔽板11，以便能够将预催化转化器7前的炽热废气冷却到希望的温度。在热屏蔽板11内可以安装其它空气导流片，用来均衡流向各气缸排气支管的气流，特别是在倾斜流往排气支管的情况下是很有意义的。
节气门3的控制是由一个控制仪17完成的，控制仪通过一个安装在预催化转化器前方和/或后方和/或主催化转化器前方的温度传感器18提供分析用的过程数据，以补充已知发动机的运转数据。
此外如图1所示，在做成存储式催化转化器的主催化转化器8的前方管可按照已知的类型和方式来冷却，例如通过汽车底部罩壳内附加的空气导流片13，按照需要可控制地实施冷却。
根据本发明其它未图示的实施方案，为了提高空气导管1的空气流量和流速，可以在其进气口2区域内或节气门3的下游安装一个附加风扇；或者为了改善散热可使排气装置具有附加的散热片；或者也可以采用具有较大表面积的特殊的管几何形状；也可以给排气装置敷以涂层，来提高辐射系数，从而可以增加辐射散热；或者可以采用其它已知的措施来提高废气和排气管壁之间或者排气管壁和环境之间的散热。
在图5所示的方案中，冷却空气来自保险杠15的下方，这种方案在发动机罩盖14很低的汽车中，当散热器格栅12的空气入口只有很小的横截面时可以具有特殊的优点。这种方案的优越性还在于冷却空气具有最高的动压头范围。空气导管1从散热器旁或上方倾斜向上，并且弧形通往热屏蔽板11。为了阻止节气门3固死，具有优点的方案是将其布置在倾斜向上的空气导管1中。
在图5所示的方案中，可以通过冷却空气流的多次转向使空气流形成非均匀的结构。图6以不同大小的箭头表示出如何通过节气门3合适的倾斜位置(右图)可使部分前沿范围内较强的冷却空气流(左图)在空气导管的上部分转向，从而使气流均匀。节气门3的倾斜位置通过此气门3最大调节行程相应的结构方案可以保障在开启的静止位置上，当然也可以安装一个固定的或可调的止动缓冲器。节气门3处于静止状态时的倾斜位置可以根据运行速度和/或废气温度以及催化转化器温度调节。
在图1、2、3、4或5的方案中，当废气冷却时空气流动的进一步均匀化，可以通过在节气门上游或下游安装固定的或可调的空气导流片22实现，如图6所示。
                 符号说明
1.空气导管
2.进气口
3.节气门
4.节气门
5.冷却水—热交换器
6.空气导流片
7.预催化转化器
8.NOx-存储式催化转化器
9.排气弯管
10.内燃机
11.热屏蔽板
12.散热器格栅
13.车底罩壳处的空气导流板
14.发动机罩盖
15.保险杠
16.挠性件
17.控制仪
18.温度传感器
22.空气导流片

Claims (15)

1.具有内燃机的汽车，通过至少一个安装在排气弯管后方的催化转化器，特别是预催化转化器，对废气进行催化净化，并在汽车中安装一个空气导管(1)，它在汽车的前端面区域内有一个进气口(2)，其特征是，为排气弯管(9)安装一个热屏蔽板(11)，空气导管(1)的末端接入其中，热屏蔽板在内燃机和催化转化器之间延伸，同时空气导管(1)具有一个挠性件(16)，用以隔离内燃机至车体上的振动，在进气口(2)区域内装入一个可控的节气门(3，4)；该可控节气门做成空气转向装置，在偏离空气导管(1)中的流通位置的转向位置冷却空气流对准冷却水—热交换器(5)方向的转向位置。
2.根据权利要求1的汽车，其特征是，可控节气门(3，4)具有两种控制状态(开启和关闭)或做成可无级调节的。
3.根据权利要求2的汽车，其特征是，节气门(3，4)在“开启”状态时，至少与周围的空气流动处于近似平行的状态。
4.根据权利要求1的汽车，其特征是，进气口(2)具有空气导流片(6)，并设计成喇叭形。
5.根据权利要求1的汽车，其特征是，在空气导管(1)中进气口(2)的区域内安装一个风扇。
6.根据权利要求5的汽车，其特征是，风扇安装在节气门(4)的前面。
7.根据权利要求1的汽车，其特征是，在节气门(4)和热屏蔽板(11)之间安装风扇。
8.根据权利要求1的汽车，其特征是，围绕排气弯管(9)安装一个热屏蔽板(11)，空气导管(1)固定或可拆卸地连接其上。
9.根据权利要求1的汽车，其特征是，节气门(3，4)在一个静止位置和一个非执行位置上开启，并在下列时间关闭：在发动机起动后至少一个预催化转化器(7)和至少一个存储式催化转化器(8)加热期间；或至少一个预催化转化器(7)或至少一个存储式催化转化器(8)需要脱硫时；或当至少一个存储式催化转化器(8)后面的废气温度低于露点时；或当冷却介质温度低于一个最低限值时；或在至少一个预催化转化器(7)前面的废气温度小于一个最低限值和至少一个预催化转化器(7)后面的废气温度小于一个最低限值，同时至少一个存储式催化转化器(8)的温度小于一个最低限值时；或汽车速度小于一个最低限值时。
10.根据权利要求1的汽车，其特征是，当冷却介质温度高于一个最大限值时，节气门(4)被控制在一个转向位置上。
11.根据权利要求10的汽车，其特征是，在满负荷下和冷却介质温度大于一个最大限值时，节气门(4)处于转向位置，并且当至少一个预催化转化器前面或后面或至少一个NOx-存储式催化转化器前面的废气温度大于一个最大限值时，燃烧混合气的燃料加浓由内燃机(19)的控制仪(17)来调节。
12.根据权利要求1的汽车，其特征是，进气口(2)安装在散热器格栅(12)区域内，保险杠(15)的上方和发动机罩盖(4)的内部或下方。
13.根据权利要求1的汽车，其特征是，进气口(2)安置在散热器格栅(12)区域内，在保险杠的内部或下方。
14.根据权利要求1的汽车，其特征是，节气门(3，4)在“开启”状态时，为了使空气在空气导管(1)中更好地分布，而与其周围的空气流成一角度。
15.根据权利要求1的汽车，其特征是，内燃机以燃料直接喷射方式工作，装入排气弯管后面的催化转化器作为预催化转化器，在其后的废气流中安装一个主催化转化器(8)。
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