CN1695003A - 排气装置及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于汽车内燃机(2)的排气装置(1)，它包括至少一个排气管(3)，其中，所述排气管(3)具有至少一个催化活性的反应空间(4)，在所述反应空间中包含在废气内的长链烃被裂解。此外本发明还涉及一种用于运行上述类型的排气装置(1)的方法。

Description

排气装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种汽车内燃机的排气装置以及一种所述排气装置的运行方法。所述排气装置原则上可理解为所有类型的排气装置，例如用于汽油机、柴油机或其它含碳的燃料在其中燃烧的发动机类型的排气装置。
背景技术
烃/碳氢化合物被大量地制造和使用。烃是只由碳元素和水组成的有机化合物的一种表示。具有不超过4个碳原子的短链的烃在室温下是气态的。从戊烷(C5)起烃在室温下是液态的。从十七烷(C17)起的长链的烃是固态的蜡状物质。通常通过蒸馏石油或化石燃料来获得各种烃。在德国占总量比例最大的部分是用于汽车交通的燃料(汽油和柴油)。根据来源和处理方法不同汽油具有各种组成形式，并且是一种芳族烃的混合物(C5至C17)，通常含有不饱和的萘和芳族化合物。
为了在汽车领域为发动机提供高质量的燃料，已知设想了可将燃料转化到较高辛烷值的装置。例如由文献US 3855980和US 5357908给出了催化作用的裂解反应器，所述反应器可使燃料中长链的烃裂解(或crack)或者说转化为短链的烃。这样做的目的是，在低的有害物质排放的同时实现尽可能高效的燃料燃烧。但问题在于，为了作为燃料使用而进行的短链的或易燃的烃种类的存储和/或运输过于危险。
考虑到这样的事实，即新的汽油或柴油燃料是以较高的辛烷值或十六烷值提供的，并且此外通过排气装置的各种不同的部件有效地降低了有害物质排放，目前还没有必要使提供给内燃机的燃料裂解。
在设有流调节装置(例如节流阀、阀等)或具有用于处理废气的装置(例如混合器、导流板等)的排气装置的运行中，偶尔会出现提前故障，或上述构件的使用受到限制。因此例如会出现这样的情况，节流阀不再能完全关闭，阀(特别是转动提升阀(Tellerventile))不再能够在整个调节范围内移动，在导流面上出现分流，或混合器出现阻塞。所有这些变化会对排气管中的部件的灵敏度的协调产生明显的影响。这些问题特别会在排气系统的温度较低(特别是低于300℃)部分区段内出现。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于汽车内燃机的排气装置，所述排气装置可解决上述问题。此外所述排气装置应该结构简单、成本低廉。此外，还应建议一种用于运行所述排气装置的方法，所述方法可保证排气系统中的部件的功能可靠性。
通过具有权利要求1所述特征的排气装置以及根据权利要求11的特征的用于运行排气装置的方法来实现所述目的。所述排气装置或所述方法的其它有利的实施形式在相应从属权利要求中说明。这里应该指出，相应的从属权利的特征可任意地相互组合或与独立权利要求的特征组合。
根据本发明的用于汽车内燃机的排气装置至少包括一个排气管，所述排气管具有至少一个催化活性的反应空间，在所述反应空间中包含在废气中的长链烃被裂解。
如对排气系统的各种部件所作的复杂的研究发现，上述问题的原因主要在于粘结的蜡状焦化物，所述焦化物特别是积存在小的缝隙或楔形部的区域内。这里特别是会威胁到活动部件如节流阀或阀。焦化物在节流阀和阀的升降路径和转动路径的区域内的积存会导致所述节流阀和阀的运动自由受到限制。形成焦化物的原因是长链的烃首先在所述区域形成团块，接下来例如会导致活动部件的粘结。
现在建议，在排气管中至少集成一个催化活性的反应空间，在所述空间中使长链的烃裂解。所述排气管本身可以是所述排气管的一部分，例如通过在排气管的内表面设置一个催化活性的涂层；但是也可以将所述反应空间作为一个结构单元集成在所述排气管内。所述至少一个反应空间的位置原则上可以任意选择，但此时应确保即使在内燃机的冷起动阶段催化剂也已处于活性状态。在这种情况下冷起动阶段理解为从内燃机(再)起动到达到主催化剂的起动温度(Anspringtemperatur)的时间段。主催化剂的起动温度通常处于260℃到350℃的范围内。
根据一个有利的改进方案建议，所述至少一个反应空间包括一种催化剂，所述催化剂具有这样的高酸性，从而在低于230℃，特别是低于100℃的温度下所述催化剂就已经可以使长链烃裂解。已经在多次试验中证明，催化剂较高的酸性还出人意料地导致长链烃裂解的反应温度的明显降低。这里所述催化剂包括一种活化的硅酸铝是特别有利的。在一些情况下，所述催化剂包括三氟化硼和/或五氟化锑也是有利的。作为用于裂解和/或氧化长链烃的催化剂例如可以使用一种X射线无定形硅酸铝(Al2O3/SiO3)。为了提高催化剂的酸度/酸性或活性，还加入了用例如稀土金属涂覆的沸石离子交换器和/或一种涂覆在一个酸性载体例如三氯化铝(AlCl3)上的贵金属如铂。最后还可使用用于活化硅酸铝的超酸性的催化剂如三氟化硼(BF3)和/或五氟化锑(SbF5)。此外在使用用于活化硅酸铝的三氯化铝上的铂时，反应温度为80℃至200℃，而维护间隔时间可达到上至两年。
根据所述排气装置的另一个实施形式建议，所述至少一个反应空间包括至少一个用作所述催化剂的载体的蜂窝体。蜂窝体理解为一种具有多个废气可流过的通道的构件。这种蜂窝体由多个不同的耐高温的材料制成。对此可参考已知的用于废气处理的蜂窝体。原则上这种蜂窝体可由金属或陶瓷制成。代替蜂窝体，当然还可在反应空间中设置多个其它的增大表面的构件，例如筛分件、针织物、机织织物等。
对于蜂窝体特别有利的是，所述蜂窝体具有多个至少部分地形成有表面结构的板层，所述板层这样地堆叠和/或卷绕，以形成废气可流过的通道。采用用于制造蜂窝体的金属板层的优点是，可将所述板层制造成壁特别薄的。这样例如可采用厚度为12至50μm板层，其中在蜂窝体的横截面可实现在200至800cpsi(每英寸单元数)范围内的通道密度。形成表面结构的板层最好形成基本上相互平行设置的通道，其中在一些情况下可设有用于产生湍流的微结构、用于与相邻的通道进行气体交换的开口以及变化的板层厚度。
根据排气装置的另一个有利的实施形式，沿废气流动方向在一个阀前面设置至少一个反应空间。如果所述阀是一个废气导回系统的一部分并调节一废气导回管的废气流量，则这是特别有利的。换句话说，通过在流过所述至少一个反应空间时进行相应的催化反应，通过废气导回系统引导的部分废气流首先被清除长链烃。考虑到在阀附近粘结的焦化物团块，所述废气导回系统特别会受到威胁，因为在排气系统的这个部分通常存在较低的温度。其原因一方面在于，通常特别是在冷起动阶段会用到废气导回系统，在所述阶段废气本身还未达到足够高的温度，原因还在于，只有较少的废气质量流被引导通过所述系统，从而向所述废气导回管的散热进行得较快。因此对于废气导回系统中的阀的功能性，将这种反应空间特别是布置在废气导回系统附近或在废气导回系统中是特别有效的。
为了确保在所述反应空间运行较长时间后仍保持催化活性，建议沿废气的流动方向在所述至少一个反应空间前面设置有一个废气冷却器和/或所述反应空间本身是可冷却的。如开头所述的那样，长链的烃的裂解主要在较低的温度下进行。这里通常使用这样的催化剂，所述催化剂在200℃以下的温度范围内有效，但在明显较高的温度下不再具有足够的催化活性。为此建议，即使(未冷却的)废气已经具有明显较高的温度，也将所述反应空间中的催化剂保持在低于200℃的温度上。对于废气冷却器可采用本领域技术人员已知的热交换器。这里一方面可设想，所述废气冷却器集成在排气管本身内，或者是一个设置在排气管内部或围绕排气管设置的单独的构件。例如可通过从外部绕所述反应空间安装的冷却蛇管对反应空间本身进行冷却。
根据排气装置的另一个有利的实施形式，所述至少一个反应空间具有小于0.8l(升)、特别是小于0.5l并优选甚至小于0.2l的容积。所述容积的大小主要是由废气质量流量确定的。这意味着，根据这种布置在部分废气流或主废气流中设有较大的容积。此外重要的是，废气中的长链烃的成分有多高。设计所述容积的其它标准还有催化剂的类型、连接在后面和部件对于焦化物的敏感度和/或所述位置处废气的温度。
此外建议，所述排气装置具有用于转化包含在废气中的有害物质的部件，所述部件连接所述至少一个反应空间的前面和/或后面。所述排气装置的部件是指特别是已知的过滤器、微粒捕集器、加热元件、热交换器、吸附器、催化转换器等。这里特别有利的是，所述反应空间基本上只具有裂解或断裂长链烃的任务，而对一氧化碳、氮的氧化物等的实际转换归属于前面所述的那些部件。
根据本发明的另一个方面建议一种用于运行一排气装置的方法，所述方法特别适合于用于汽车内燃机的如前面所述那样的排气装置。对于所述方法建议，引导废气通过所述至少一个在其中裂解包含在废气中的长链烃的催化活性的反应空间。由此确保排气系统具有高的出现焦化趋势的部件—例如节流阀、阀等—可在一个非常长的时间段内无故障的起作用。这使得排气装置特别易于维护并可实现排气装置的高效率。
此外建议，将在所述反应空间中至少部分地裂解的废气输送给一个废气导回系统，所述废气导回系统将部分废气流重新输送给内燃机。这有这样的优点，即这样只将短链的烃重新提供给内燃机，并且所述内燃机可进行高效的和低有害物质的燃烧。
根据所述方法的另一个实施形式建议，这样来冷却进入所述反应空间中出现的废气和/或所述反应空间本身，即在运行期间保证在所述反应空间中温度低于230℃(优选低于150℃或者甚至低于100℃)。对于这种实施方法的方式特别有利的是，在所述至少一个反应空间中至少50％，特别是至少80％的包含在废气中的长链烃被裂解，其中在所述反应空间中优选存在正常压力/标准压力。这一方面使得所述反应空间本身通常不会粘结，并由此只需在非常长的维护时间间隔内进行检查，但另一方面还可防止在连接在后面的部件中出现焦化。
根据所述方法的另一个实施方式建议，废气在流过所述至少一个反应空间后只包含具有少于十个碳原子的短链的烃。
附图说明
下面借助附图对本发明进行详细说明。其中应该指出，所示的实施例只是示出了本发明特别优选的变型方案。但本发明不限于所述实施例。
其中：
图1示意性地示出根据本发明的排气装置的一个实施形式；
图2示意性地示出反应空间4的一个变型方案的透视图，和
图3示意性地示出反应空间的涂层的结构。
具体实施方式
图1示意性地与一个废气导回系统12和一个内燃机2一起示出一个排气装置1的结构。所述废气导回系统12设计成两管式的，即包括一个第一管19和一个第二管20，其中在所述第一管19中设置有一个废气冷却器14，所述废气冷却器特别是在所述废气具有较高温度时对流过它的部分废气流起冷却作用。在废气导回系统12中通过一个阀11对流动方向10进行调整，所述阀优选设计成旋转的双阀，其中所述双阀的驱动装置21与一个控制单元相连接，从而可产生可预先规定的部分废气流。
原则上通过一个空气抽吸管24和节流阀26将燃料-空气-混合物输送给内燃机2。特别是在具有废气导回系统12的内燃机2的冷起动阶段会在具有导回废气的燃料-空气-混合物的输入管24上，特别是在阀11附近出现焦化物。此外特别是节流阀26、燃烧室25内的气门或输入管23的至少在一段时间内只限定较小的自由流动横截面的区域会出现这种情况。在所示内燃机2的燃烧室25内燃料-空气-混合物进行燃烧，其中废气包含例如烃、一氧化碳、二氧化碳和氮的氧化物，接下来通过一个排气管3进一步引导所述成分。废气中包含的有害物质在其被排放到环境中之前在一个设置在下游的净化装置中被部分地催化转化。为此所示的部件例如用作过滤器16、吸附器18和催化转化器17。
所示的装置包括两个用于催化氧化和/或裂解厂链的烃的反应空间4，其中在所述反应空间4中在一个惰性载体(未示出)上涂覆有一种催化剂5。所述反应空间4设置在内燃机2的下游，并且沿流动方向10将流过反应空间4的流体引导到内燃机2。因为催化剂(未示出)具有这样高的酸性，从而在小于100℃的温度下就已经使长链的烃转化。在所示的实施例中反应空间4设置在所述设计成双管式的废气导回系统12的两个废气导回管13中，其中流过的流体是内燃机2的待导回的部分废气流。
图2示意性地示出反应空间4的一个实施形式的透视图，其中在一个蜂窝体7上施加一种催化剂5。所述蜂窝体7设计成反应空间4中的单独的构件，其中利用至少部分地形成由表面结构的板层8形成一个具有流体可流过的通道9的金属蜂窝体7。所述反应空间4具有一约为0.5升的容积(这里是指包括蜂窝体和通道9的外部总容积)，并布置在废气导回系统12和(未示出)空气抽吸管24(未示出)之间的连接部附近，从而在阀11(未示出)的任意位置都可在全部被导回的部分废气流中对长链的烃进行裂解或催化转化。
图3示意性地示出反应空间4的涂层的结构。其中详细示出蜂窝体7的板层8的一段，在所述段上涂覆有耐高温的涂层。所述涂层具有特别多裂缝的表面，如沸石所具有的特征那样。所述涂层和催化剂5一起用虚线表示，并包括硅酸铝6。这里所述催化剂5是一种活化的硅酸铝6，其中它还包括附加的组成成分三氟化硼和/或五氟化锑。
通过对燃料的烃的裂解会使所述烃更易于接近并使得可更好地利用其化学能量。由此还可降低比燃料消耗。汽油的长链烃例如癸烷可借助于这种方法在车辆中首先转化成烷烃并在附加的脱水处理中还转化为烯烃，这使得汽油具有更高的辛烷值。
                        附图标号表
1     排气装置              2     内燃机
3     排气管                4     反应空间
5     催化剂                6     硅酸铝
7     蜂窝体                8     板层
9     通道                  10    流动方向
11    阀                    12    废气导回系统
13    废气导回管            14    废气冷却器
15    容积                  16    过滤器
17    催化转换器            18    吸附器
19    第一管                20    第二管
21    驱动装置              22    控制单元
23    输入管                24    空气抽吸管
25    燃烧室                26    节流阀

Claims (15)

1.用于汽车内燃机(2)的排气装置(1)，包括至少一个排气管(3)，其特征在于，所述排气管(3)具有至少一个催化活性的反应空间(4)，在所述反应空间中包含在废气内的长链烃被裂解。
2.按权利要求1所述的排气装置(1)，其特征在于，所述至少一个反应空间(4)包括一种催化剂(5)，所述催化剂具有这样的高酸性，从所述催化剂在低于230℃、特别是低于100℃的温度下就裂解长链烃。
3.按权利要求1或2所述的排气装置(1)，其特征在于，所述催化剂(5)包括一种活化的硅酸铝(6)。
4.按前述权利要求中任一项所述的排气装置(1)，其特征在于，所述至少一个反应空间(4)包括至少一个蜂窝体(7)，所述蜂窝体用作所述催化剂(5)的载体。
5.按权利要求4所述的排气装置(1)，其特征在于，所述蜂窝体(7)具有多个至少部分形成表面结构的板层(8)，所述板层这样堆叠和/或卷绕，以形成废气可流通的通道(9)。
6.按前述权利要求中任一项所述的排气装置(1)，其特征在于，沿废气的流动方向(10)在一个阀(11)的前面设置有一个反应空间(4)。
7.按权利要求6所述的排气装置(1)，其特征在于，所述阀(11)是一个废气导回系统(12)的一部分并调节一个废气导回管(13)的废气流量。
8.按前述权利要求中任一项所述的排气装置(1)，其特征在于，沿废气的流动方向(10)在所述至少一个反应空间(4)的前面设置有一个废气冷却器(14)和/或所述至少一个反应空间(4)本身是可冷却的。
9.按前述权利要求中任一项所述的排气装置(1)，其特征在于，所述至少一个反应空间(4)具有一容积(15)，所述容积小于0.8升，尤其是小于0.5升，并优选甚至小于0.2升。
10.按前述权利要求中任一项所述的排气装置(1)，其特征在于，所述排气装置(1)具有用于转化包含在废气中的有害物质的部件(16、17、18)，所述部件连接在所述至少一个反应空间(4)的前面和/或后面。
11.用于运行一排气装置(1)，特别是一按前述权利要求中任一项所述的用于汽车内燃机(2)的排气装置(1)的方法，其中引导废气通过至少一个催化活性的反应空间(4)，在所述反应空间中使包含在废气中的长链烃裂解。
12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，将在所述反应空间(4)中至少部分被裂解的废气输送给一个将部分废气流重新输送给内燃机(2)的废气导回系统(12)。
13.按权利要求11或12所述的方法，其特征在于，这样来冷却进入所述反应空间(4)的废气和/或冷却所述反应空间(4)本身，以在运行期间在所述反应空间(4)中确保低于230℃的温度。
14.按权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，在所述至少一个反应空间(4)中使包含在废气中的长链烃的至少50％、尤其是至少80％裂解，其中在所述至少一个反应空间(4)中优选存在正常压力。
15.按权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，在流过所述至少一个反应空间(4)后，废气只包含具有少于十个碳原子的短链的烃分子。
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