CN1602224A - 排气系统 - Google Patents

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Abstract

用来净化内燃机(2)特别是汽车柴油机废气的排气系统(1)，废气可沿流动方向(3)流过此排气系统，其中排气系统(1)包括沿流动方向(3)前后顺序排列的一特别是用来转化包含在废气中的一氧化碳和碳氢化合物的催化转化器(4)，一特别是用来转化包含在废气中的一氧化氮的氧化催化器(5)和一用来捕捉包含在废气中的颗粒的颗粒捕集器(6)。这种排气系统(1)保证非常有效地转化包含在废气中的有害物质，其中附加地出现在颗粒捕集器(6)的再生方面非常有利的效应。

Description

排气系统
技术领域
本发明涉及一种用于净化内燃机废气，特别是用于净化汽车柴油机废气的排气系统。
背景技术
由于对汽车制造中的排气系统提出越来越高的要求的法律规定，这种排气系统在过去几年中得到不断的发展。其中采用了在排气系统内分别满足不同功能的许多部件。例如已知起动催化器，它具有特别小的体积，从而在内燃机冷起动后迅速达到其对于催化转化所需要的起动温度。此外例如已知可电加热的催化器，它同样可以使排气系统具有更好的冷起动性能。所谓的吸附器在内燃机排气系统内有这样的目的，即在一定时间段内吸附包含在废气内的一定有害物质，这里有害物质最好储存这么久，直至连接在后面的催化器达到其工作温度。此外特别是在柴油机排气系统内采用颗粒捕集器/陷阱或颗粒过滤器，它们捕捉包含在废气中的炭黑颗粒，其中捕获的颗粒积聚物可以例如通过输入高的热能连续地或间断地转化。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用来净化内燃机废气的，特别是用来净化汽车柴油机废气的排气系统，此排气系统保证特别有效地转化包含在废气中的有害物质，其中确保设置在排气系统内的颗粒捕集器连续地再生(Regeneration)。
这个目的通过具有权利要求1特征的排气系统来实现。排气系统的其它优良结构在从属权利要求中说明。
按本发明的用来净化内燃机废气的，特别是汽车柴油机废气的排气系统可由废气沿一优选的流动方向流过，其中排气系统具有沿流动方向前后顺序排列的部件：
1.一特别是用来转化包含在废气中的一氧化碳和碳氢化合物的催化转化器，
2.一特别是用来转化包含在废气中的一氧化氮的氧化催化器，和
3.一用来捕获包含在废气中的颗粒的颗粒捕集器。
所推荐的在排气系统中的所述部件的布局在颗粒捕集器的再生方面具有特别好的效果。这种有利效果非预期地由上述部件的前后顺序连接得到，如下面详细说明的那样。
设置在上游的催化转化器特别用来转化一氧化碳和碳氢化合物。柴油机废气中的一氧化碳成分总的来说比较低，只是在接近炭黑极限时急剧增加。其原因特别是在于有关燃料燃烧方面柴油机大多稀油/稀燃(空气过量)运行。其中高的碳氢化合物成分例如在燃料空气混合物的过于稀油的范围内引起，这些成分在燃料室内温度低时(部分载荷)不能及时转化。废气内碳氢化合物成分增加有时也在非常富油(缺少空气)的燃烧时产生。特别是设置在发动机附近的催化转化器主要转化包含在废气中的十分确定的有害物质(特别是一氧化碳和非饱和碳氢化合物)，其中这个过程由于在发动机附近的高温迅速和几乎完全地进行。
由于催化转化器已经将大部分一氧化碳和非饱和碳氢化合物转化的事实，氧化催化器用来在下游特别是转化还包含在废气中的氮氧化物，氮氧化物特别是在接近化学计量学地燃烧直至中度的空气过剩(大致直至λ＝3)时急剧地出现。其中包含在废气内的二氧化氮的分量通常在5至15％之间。氧化催化器具有一具有催化活性的涂层，它促使一氧化氮转化成二氧化氮。因此废气内二氧化氮的成分显著提高，尤其是在废气中的含量提高到大于50％，特别是高于80％或甚至95％。这里达到这么高的转化率是因为设置在上游的催化转化器已经基本上将有害物质转化成无害成分。由氧化催化器产生的这么高的二氧化氮含量对设置在下游的颗粒捕集器的再生有特别有利的影响。
颗粒和特别是炭黑在燃料在极度缺少空气的情况下燃烧时出现在废气内，并且通常是由于在柴油内燃机内的燃烧中常见的燃料空气混合物局部非常不均匀造成的。颗粒通常常常堆积在例如在排气系统的排气管路内的部件的涂层上和/或外壁上。然后在载荷变化时它们以颗粒云的形式喷出。这些颗粒用按本发明设置在下游的颗粒捕集器通过扩散和吸附过程截留并连续地化学转化。由此确保颗粒捕集器的连续再生，并防止在颗粒捕集器内部流道的堵塞。此前由氧化催化器产生的二氧化氮的以令人惊讶地有效的方式促进这个再生过程。因此一方面确保炭黑颗粒的有效转化，另一方面避免由于流道堵塞而在排气系统内造成压力升高。这里所有部件最好都设置在发动机附近，亦即特别是不要设置在汽车底板上。从而保证在内燃机运行期间温度足够高(包括在刚刚冷起动后)，使得残留在废气中的各种有害物质明显低于目前适用的尾气标准数值。
按照本排气系统的另一种结构方案它具有一涡轮增压器，其中催化转化器沿流动方向设置在涡轮增压器之前和氧化催化器设置在涡轮增压器之后。增压是提高内燃机效率的一种方法，它特别是与柴油机结合使用。在增压时通过一作动机械压缩对于发动机燃烧过程所需要的空气，使内燃机的每个工作循环有更多的空气量到达气缸或燃烧室。为此压缩机例如由一涡轮增压器驱动，该涡轮增压器充分利用废气的能量。这里与发动机的接合不是机械式，而是纯热力学地进行，其中在汽车制造中主要运用障壁增压原理。催化转化器设置在这种涡轮增压器的上游保证非常迅速地达到催化转化器的工作温度，因为用这种方法避免由于与涡轮增压器构件的接触使废气排出热量。此外确保催化转化器设置在发动机附近。这里催化转化器直接与内燃机相连并特别是设置在一排气弯管内，则特别有利。也可以在排气弯管的分开的排气管路内分别设置多个小的转化器，其中它们最好直接固定在排气弯管与内燃机的连接部位处或固定到连接部位上。由于靠近内燃机的燃烧室或者说气缸显著地支持催化转化器的热起动性能。
按照本排气系统的又一种结构方案氧化催化器具有至少两个区，其中离内燃机最远的区做得具有比至少两个区的其余区高的比热容量(spezifische Waermekapazitaet)。氧化催化器通常具有蜂窝结构，其中形成对于废气可流通的通道的隔壁。比热容量的提高(特别是表面比热容量)可以例如通过隔壁较厚的结构来保证。例如如果设置在上游的氧化催化器的区域内的隔壁具有小于0.03mm的厚度，那么在中部区域内的隔壁具有约0.03至0.06mm的厚度，其中设置在下游的区例如做得带有至少0.08mm的隔壁厚度。区的数量和隔壁的厚度应该特别是根据废气的成分及其热能来安排。沿流动方向越来越大的比热容量使得，氧化催化器在设置在上游的区内很早就已经达到其工作温度，其中在那里发生的催化反应提供这么多放热能量，使设置在下游的区同样迅速地升温。这里具有高热容量的区即使在关掉内燃机后仍是一种储热器，它例如明显地缩短在重新起动后的冷起动阶段。
按照本排气系统的另一种结构方案颗粒捕集器设置在沿流动方向紧靠氧化催化器之后，最好间距小于50mm，特别是甚至小于20mm。在这种结构的排气系统中氧化催化器和颗粒捕集器安装在一共同的壳体中则特别有利。这里优选采用氧化催化器一体设置/内置在颗粒捕集器内的实施形式，其中颗粒捕集器最好具有起催化活性的涂层。这允许特别节省空间地安装氧化催化器和颗粒捕集器，其中这特别是在排气系统安装在发动机附近时有重要意义。
按照另一种结构方案颗粒捕集器具有一小于内燃机气缸工作容积/排量的75％，特别是小于50％，甚至最好小于25％的总体积(壁加空腔)，在某些情况下例如在设置在发动机附近和/或颗粒捕集器间歇的再生反应时间非常短时总体积还可以进一步减小，在某些情况下直至减小到内燃机气缸工作容积的5％或1％以下的大小。这里气缸工作容积是指内燃机的燃料在它里面燃烧的气缸或者说燃烧室的容积之和。
因此颗粒捕集器具有非常小的总体积，其中一方面保证节省空间的安装，另一方面保证颗粒有效的化学转化。颗粒捕集器特别是由于这样的原因可以做得这么小，即因为设置在上游的氧化催化器产生这么多的二氧化氮，使得确保颗粒捕集器连续地再生，而不需要用于待转化的炭黑颗粒的大的储存空间。
这里颗粒捕集器具有里面设有涡旋部位和稳流/平稳部位(Beruhigungsstellung)和/或转向装置的可自由通过的通道，则特别有利。由此通过延长了颗粒(特别是炭黑)在颗粒捕集器内逗留的时间用简单的方法提高颗粒与氮氧化物反应的机率。这在可自由通过的流道中通过足够数量的有利于颗粒沉积在壁上的涡旋和稳流部位和/或转向实现。跟随废气流流动的颗粒只有很少的机会与其它废气成分反应，而如果颗粒停留在涡旋和稳流部位内或沉积在一隔壁上，则大大提高这种机会。所有从旁边经过的二氧化氮都参与反应，因此颗粒迅速减少。因此颗粒捕集器不会堵塞，而是不断再生。
按照另一种结构方案催化转化器具有最多象氧化催化器体积一半这么大的转化器体积。转化器体积和催化器体积分别指至少一个转化器或氧化催化器的外部体积(壁加通道)。催化转化器的这种小的结构有利于起动特性以及节省位置的布局。
按照排气系统的又一种结构方案排气系统的至少一个优选每个部件具有带废气可流通的通道的蜂窝结构，它用至少局部形成(表面波纹)构造下面称为构造的薄板构成。这里转化器和/或氧化催化器的蜂窝结构具有至少600cpsi(每平方英寸单元数)，特别是大于1000cpsi的通道密度。颗粒捕集器在某些情况下需要大一些的通道横截面，因此它做得带有大于200cpsi，特别是400cpsi或600cpsi的通道密度，这时始终提供足够的供颗粒沉积的表面。如果氧化催化器做得带有包括这种薄板的蜂窝结构，那么薄板最好具有小于0.06mm，特别是小于0.03mm的厚度。
附图的简要说明
现在借助于在附图中所示的特别优选的实施形式对本发明的排气系统作详细说明。附图表示：
图1排气系统的一种实施形式，
图2排气系统的一带蜂窝结构的部件的俯视图，
图3用示意性的局部视图表示排气系统的颗粒捕集器的一种实施形式，
图4设置在发动机附近的排气系统的另一种实施形式。
本发明具体的实施方式
图1用透视图示意表示一用来净化柴油机废气的排气系统1。这里废气从内燃机2或柴油机出发按优选的流动方向3流过排气系统1。排气系统1包括沿流动方向3顺序排列的一特别是用来转化包含在废气中的一氧化碳和碳氢化合物的催化转化器4、一特别是用来转化包含在废气中的一氧化氮的氧化催化器5和一用来捕捉包含在废气中的颗粒特别是炭黑的颗粒捕集器6。因为所示排气系统1局部具有在一涡轮增压器7上游的许多排气管路，所示实施形式配备两个催化转化器4，它们设置在非常靠近内燃机2的部位。这里催化转化器4也可以设在一个或几个排气弯管8的排气管路内，排气弯管与内燃机2直接连接。所示氧化催化器5具有多个区9，其中区9沿废气流动方向3具有一越来越大的比热容量。颗粒捕集器6以小于50mm的间距10沿流动方向直接设置在氧化催化器5后面。其中颗粒捕集器6具有最好小于内燃内2工作缸容积12的75％的总体积11。工作缸容积12相当于内燃机2各个气缸21容积之和。此外催化转化器4做得带一最多象氧化催化器5的催化器体积18一半这么大的转化器体积17。这里转化器体积17是指催化转化器4体积之和。
所示排气系统最好紧靠内燃机2设置。这里特别应该避免，任何一个部件4，5，6设置在汽车底板上。
图2表示一具有蜂窝结构19的催化转化器4或氧化催化器5的俯视图。蜂窝结构19具有废气可流通的通道13，它用至少局部形成(表面波纹)构造的薄板20构成。为此首先将光滑薄板23和形成构造的薄板20堆叠在一起，接着相互缠绕，并将蜂窝结构19装在一套管22内以提高部件的稳固性。蜂窝结构19最好做得带有催化涂层，其特征特别是非常龟裂的表面，以及因此对有害物质的高的转化效率。
图3示意性地表示一颗粒捕集器6的细节透视图。颗粒捕集器6由一形成构造的薄板20和一带裂口24的光滑薄板23构造，并形成自由流通的通道13。带有开口25的类似于叶片的转向装置16造成上述效应。转向装置16具有稳流部位15和涡旋部位14，其中转向装置16使废气产生涡流，因此颗粒更久地停留在颗粒捕集器内，从而可以更容易与废气的其它成分反应。根据转向装置16确切的结构的不同颗粒还甩向薄板20和23，使颗粒附着在那里。在那里炭黑颗粒与流过的二氧化氮这样有效和连续地化学反应，使得保证在任何时刻通道可自由流通。
图4示意表示设置在发动机2附近的排气系统1的另一种结构方案。排气系统1用来净化汽车内燃机2特别是柴油机的废气，并由废气沿流动方向3流过。排气系统1具有沿流动方向3前后顺序排列的至少一个特别是用来转化包含在废气中的一氧化碳和碳氢化合物的催化转化器4、一特别是用来转化包含在废气中的一氧化氮的氧化催化器5和一用来捕捉包含在废气中的颗粒的颗粒捕集器6。在所示实施形式中催化转化器4设置在特别靠近发动机燃烧室的部位，特别是在每个燃烧室的出口处排气弯管28内分别设一小的催化转化器4。因此催化转化器4还连接在特别是做成废气涡轮增压器的涡轮增压器7前面，它用来压缩输送给发动机的新鲜空气(新鲜空气输入器27)。
在所示排气系统1中氧化催化器5和颗粒捕集器6安装在一共同的壳体26内，其中氧化催化器5一体设置在颗粒捕集器6内。为此颗粒捕集器6具有一相当于氧化催化器5的起催化作用的涂层。这里颗粒捕集器6始终具有小于内燃机2的工作缸容积12的75％，特别是小于50％、最好甚至小于25％的总体积11。为了使在内燃机2和排气装置1运行时存在用来使颗粒捕集器6再生的尽可能高的温度，颗粒捕集器6安装在离发动机距离为29处，此距离最好小于80cm。这里距离29尤其是指废气到达颗粒捕集器6的路程长度。
本发明的排气系统保证包含在柴油机废气内的有害物质(特别是一氧化碳、非饱和碳氢化合物、氮氧化物、炭黑)非常有效的转化，其中附加地在颗粒捕集器的再生方面出现非常有利的效果。确切地说，由于连接在前面的催化转化器造成的氧化催化器高的二氧化氮产物使得，给颗粒捕集器提供足够数量的二氧化氮，以保证连续地再生。由此防止通道堵塞，并(排放量)明显低于目前适用的废气排放限量。
                  附图标记表
1    排气系统                    2    内燃机
3    流动方向                    4    转化器
5    氧化催化器                  6    颗粒捕集器
7    涡轮增压器                  8    排气弯管
9    区                          10   距离
11   总体积                      12   工作缸容积
13   通道                        14   涡旋部位
15   稳流部位                    16   转向装置
17   转化器体积                  18   催化器体积
19   蜂窝结构                    20   形成构造的薄板
21   气缸                        22   套管
23   光滑薄板                    24   裂口
25   开口                        26   壳体
27   新鲜空气输入器              28   排气弯管
29   距离

Claims (11)

1.用来净化内燃机(2)特别是汽车柴油机废气的排气系统(1)，废气可沿流动方向(3)流过此排气系统，其中排气系统(1)沿流动方向(3)前后顺序包括一特别是用来转化包含在废气中的一氧化碳和碳氢化合物的催化转化器(4)，一特别是用来转化废气中包含的一氧化氮的氧化催化器(5)和一用来捕获包含在废气中的颗粒的颗粒捕集器(6)。
2.按求权利要求1所述的排气系统(1)，其中排气系统(1)具有一涡轮增压器(7)，其特征为：催化转化器(4)沿流动方向(3)安装在涡轮增加器(7)之前以及氧化催化器(5)安装在涡轮增加器(7)之后。
3.按权利要求1或2所述的排气系统(1)，其特征为：催化转化器(4)安装在内燃机(2)附近，特别在直接与内燃机(2)连接的排气弯管(8)内。
4.按权利要求1至3之任一项所述的排气系统(1)，其特征为：氧化催化器(5)具有至少两个区(9)，其中离内燃机(2)最远的区(9)做得具有比至少两个区(9)的其余区部分大的比热容量。
5.按权利要求1至4之任一项所述的排气系统(1)，其特征为：颗粒捕集器(6)沿流动方向(3)直接设置在氧化催化器(5)后面，尤其是以小于50mm，特别是甚至小于20mm的距离(10)。
6.  按权利要求5所述的排气系统(1)，其特征为：氧化催化器(5)和颗粒捕集器(6)安装在一共同的壳体(26)内。
7.按权利要求6所述的排气系统(1)，其特征为：氧化催化器(5)一体设置在颗粒捕集器(6)内，其中颗粒捕集器(6)最好具有催化活性作用的涂层。
8.按权利要求1至7之任一项所述的排气系统(1)，其特征为：颗粒捕集器(6)具有小于内燃机(2)工作缸容积(12)的75％，特别是小于50％，最好甚至小于25％的总体积(11)。
9.按权利要求1至8之任一项所述的排气系统(1)，其特征为：颗粒捕集器(6)具有可自由流通的通道(13)，它里面设有涡旋部位(14)和稳流部位(15)和/或转向装置(16)。
10.按权利要求1至9之任一项所述的排气系统(1)，其特征为：催化转化器(4)具有至多象氧化催化器(5)的催化器体积(18)一半这么大的转化器体积(17)。
11.按权利要求1至10之任一项所述的排气系统(1)，其特征为：排气系统(1)的至少一个，最好每个部件(4，5，6)具有带有对于废气可流动的通道(13)的蜂窝结构(19)，蜂窝结构由至少局部形成构造的薄板(20)构成。
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