CN201184248Y

CN201184248Y - 一种自洁净功能的车用egr复合结构

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Publication number: CN201184248Y
Application number: CNU2008200714143U
Authority: CN
Inventors: 张克益; 张德广
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2018-02-27

Abstract

本实用新型涉及一种自洁净功能的车用EGR复合结构，其特征在于：在EGR进气管和EGR换热器之间设有自洁净EGR反应器，其入口锥管与EGR进气管连接，出口锥管与EGR换热器连接，自洁净EGR反应器中分成表面涂敷催化剂的前段、中间段和后段金属载体；自洁净EGR还原剂容器连接自洁净EGR还原剂控制单元和带有压缩空气的自洁净EGR还原剂喷射剂量单元；还原剂控制单元与进气温度热电偶相连控制自洁净EGR还原剂前喷头、中喷头和后喷头，其分别安装在自洁净EGR反应器内。消除PM或者炭烟对活塞环和轴承摩擦和磨损；使阀体的开和关动作“不发滞”，密封严，使排气回流的比例稳定；保证EGR冷却器的换热效率稳定。

Description

一种自洁净功能的车用EGR复合结构

技术领域：

本实用新型涉及一种自洁净功能的车用EGR复合结构，应用于汽车发动机行业，满足了欧4以上的环保辅助要求。

背景技术：

汽车发动机排气中的有害成分主要是PM、NOx、HC及CO等。在过去2～3年里，低排放发动机已经成为人们争论、关心、甚至渴望实现的一个理想。

美国国家环保局(EPA)2007排放法规要求汽车制造商同时减少废气的颗粒(PM)和氮氧化物(Nox)两种污染物。这需要有相当的技巧，解决这个问题没有什么捷径可走。按传统的方法，减少一种污染势必导致另一种污染的增加。汽车制造商似乎已经陷入了困境。

在排放法规的压力下，一方面车用柴油机正不断进行技术升级和改进，另一方面，选择恰当的后处理技术策略和装备，例如，SCR、DPF、DOC等。但以上装置在汽车上应用，无疑将使每辆汽车的出厂成本2～4万元，不仅如此，上述技术装备还面临复杂的维护、较高的使用成本和寿命问题，如SCR技术和装备是需要定期加入专用的尿素还原剂为前提，不仅增加原料消耗，也增加司机的劳动强度，在城市之内的公交车上应用较为合适，而应用于公路车辆就有上述不便。而具有辅助改善后处理功能的车用EGR系统的成本仅仅为前者的1/3～1/6，无疑使EGR更具有生命力。

因此，从2007年开始，全球的柴油发动机制造商投入了更多的精力来开发和使用更高水平的辅助后处理功能的废气再循环系统(EGR)。如Detroit Co、Mack Co和Volvo Co等主要的汽车生产商将采用EGR作为辅助措施，来满足2010年的废气排放标准。

EGR系统是车用发动机上的一个主要元件，其核心部分是数控的EGR阀，该EGR阀安装在排气歧管上，其作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制。通常情况下，EGR阀通过3个孔径递增的计量孔控制从排气歧管回流进气歧管的废气量，以产生不同流量的组合。每个计量孔都由1个电磁阀和针阀组成，当电磁阀通电时，电枢便被磁铁吸向上方，使计量孔开启。旋转式针阀保证了当EGR阀关闭时，具有良好密封性。

当发动机正常运转或发动机的转速超过怠速限制时，EGR阀开启，使少量的废气回流进入发动机进气歧管，与可燃混合气一起进入燃烧室；怠速时EGR阀关闭，几乎没有废气再循环至发动机。废气在燃烧室内不参与燃烧，它通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力，以减少NOX的生成量。进入燃烧室的废气量随着发动机转速和负荷的增加而增加。

EGR废气的冷却器一般是依靠发动机冷却液进行热交换的管式的结构形式，热交换器本体采用优质奥氏体不锈钢。对硫酸具有高的抗腐蚀性；绝大部分采用激光焊接制造工艺；内部设有能产生涡流的翼形导流片，因而具有很高的功率密度，结构非常紧凑。

EGR除降低NOx排放以外，同时兼顾PM的排放。因为一部分废气被重新引入燃烧室中参与燃烧；另外采用EGR时缸内的温度会比无EGR的基本型发动机高。

劣质柴油含硫量高，将大大提高汽车尾气中PM的排放量。十六烷值在柴油机燃料参数中对NOx排放影响最大。

EGR系统会从燃油不完全燃烧中累积更多的PM或者炭烟。而一些炭烟潜流至活塞环，积沉在活塞环和轴承表面，而增加摩擦和加快磨损；此外，这些未完全燃烧的PM或者炭烟以及胶质成分也会沉积在EGR阀体上，使阀体的开和关动作‘发滞’，密封不严，使排气回流的比例波动；同样这些未完全燃烧的PM或者炭烟以及胶质成分也会沉积在EGR换热器的内管壁上，致使换热效率降低，失去了EGR换热器的功能，回流气体的温度也会变化。因此，如何保持EGR系统的稳定是关键。必须有足够的力量来克服EGR阀体上胶质产生的粘附阻力；同样也要清除这些未完全燃烧的PM或者炭烟以及胶质成分也会沉积在EGR换热器的内管壁上。

发明内容：

本实用新型的目的在于提供一种自洁净功能的车用EGR复合结构，是在原汽车发动机的EGR系统结构上，增加了部分新的结构，消除PM或者炭烟对活塞环和轴承摩擦和磨损；还消除PM或者炭烟在EGR阀体上沉积的问题，使阀体的开和关动作‘不发滞’，密封严，使排气回流的比例稳定；能够保证EGR冷却器的换热效率稳定的功能。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种自洁净功能的车用EGR复合结构，包括汽车发动机、发动机排气歧管、发动机排气管、EGR进气管、EGR换热器之冷却液进口管、EGR换热器、EGR换热器之冷却液出口管、发动机EGR总成、EGR出气管、发动机进气管、发动机进气歧管、自洁净EGR进气温度热电偶；其特征在于：在EGR进气管和EGR换热器之间设有自洁净EGR反应器，自洁净EGR反应器入口锥管与EGR进气管连接，自洁净EGR反应器出口锥管与EGR换热器连接，自洁净EGR反应器中分成表面涂敷催化剂的前段的金属载体、表面涂敷催化剂的中间段的金属载体、表面涂敷催化剂的后段金属载体；自洁净EGR还原剂容器连接自洁净EGR还原剂控制单元和带有压缩空气的自洁净EGR还原剂喷射剂量单元；自洁净EGR还原剂控制单元与进气温度热电偶相连控制自洁净EGR还原剂前喷头、自洁净EGR还原剂中喷头、自洁净EGR还原剂后喷头，自洁净EGR还原剂前喷头、自洁净EGR还原剂中喷头、自洁净EGR还原剂后喷头分别安装在自洁净EGR反应器中分成表面涂敷催化剂的前段的金属载体、表面涂敷催化剂的中间段的金属载体、表面涂敷催化剂的后段金属载体内。自洁净EGR反应器中表面涂敷催化剂的金属载体为金属板蜂窝载体或不锈钢丝网载体。自洁净EGR反应器中所用的还原剂为甲醇或乙醇的水溶液；或甲醇或乙醇的混合水溶液。

本实用新型的积极效果是消除PM或者炭烟对活塞环和轴承摩擦和磨损；还消除PM或者炭烟在EGR阀体上沉积的问题，使阀体的开和关动作‘不发滞’，密封严，使排气回流的比例稳定；能够保证EGR冷却器的换热效率稳定的功能。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述：如图1所示，一种自洁净功能的车用EGR复合结构，由以下主要部分和辅助部分构成，包括汽车发动机1、发动机排气歧管2、发动机排气管3、EGR进气管4、EGR换热器之冷却液进口管5、EGR换热器6、EGR换热器之冷却液出口管7、发动机EGR总成8、EGR出气管9、发动机进气管10、发动机进气歧管11、自洁净EGR进气温度热电偶12；其特征在于：在EGR进气管4和EGR换热器6之间设有自洁净EGR反应器，自洁净EGR反应器入口锥管20与EGR进气管4连接，自洁净EGR反应器出口锥管24与EGR换热器6连接，自洁净EGR反应器中分成表面涂敷催化剂的前段的金属载体21、表面涂敷催化剂的中间段的金属载体22、表面涂敷催化剂的后段金属载体23；自洁净EGR还原剂容器16连接自洁净EGR还原剂控制单元17和带有压缩空气19的自洁净EGR还原剂喷射剂量单元18；自洁净EGR还原剂控制单元17与进气温度热电偶12]相连控制自洁净EGR还原剂前喷头13、自洁净EGR还原剂中喷头14、自洁净EGR还原剂后喷头15，自洁净EGR还原剂前喷头13、自洁净EGR还原剂中喷头14、自洁净EGR还原剂后喷头15分别安装在自洁净EGR反应器中分成表面涂敷催化剂的前段的金属载体21、表面涂敷催化剂的中间段的金属载体22、表面涂敷催化剂的后段金属载体23内。自洁净EGR反应器中表面涂敷催化剂的金属载体为金属板蜂窝载体或不锈钢丝网载体。自洁净EGR反应器中所用的还原剂为甲醇或乙醇的水溶液；或甲醇或乙醇的混合水溶液。

首先由自洁净EGR进气温度热电偶12来测定EGR进气管而来的炙热的尾气的温度，对于汽油机的温度范围会在200～850℃，对于柴油机的温度范围会在200～550℃。以柴油机为例，当温度在200～300℃范围内，由控制单元17启动自洁净EGR还原剂前喷头13，关闭还原剂前喷头14和15，使还原剂在反应器内100％的全程进行热分解，又能避免过度分解和炭化；当温度在301～400℃范围内，由控制单元[17]启动自洁净EGR还原剂前喷头14，关闭还原剂前喷头13和15，使还原剂在反应器内2/3催化剂表面上进行热分解，又能避免过度分解和炭化；当温度在401～550℃范围内，由控制单元17启动自洁净EGR还原剂前喷头15，关闭还原剂前喷头13和14，使还原剂在反应器内1/3催化剂表面上进行热分解，又能避免过度分解和炭化。

自洁净EGR所用的还原剂来自容器16；自洁净EGR还原剂流量大小控制由控制单元17来实现，流量大小由发动机的EGR率，即流经反应器的炙热尾气的流量来决定，喷入的还原剂的流量可以在5～50ml/min，推荐其流量在尾气质量流量的10～20％，其中又以15％为最佳；自洁净EGR还原剂喷射剂量单元18可以是微型液体泵，也可以是依靠压缩空气作动力的气液喷嘴来混合和喷射，压缩空气19来源于发动机的刹车气源；自洁净EGR反应器的壳体包括进出口锥管20和24由耐腐蚀和耐热性好的不锈钢材质制作；自洁净EGR反应器中表面涂敷催化剂的前段的金属载体21和自洁净EGR反应器中表面涂敷催化剂的中间段的金属载体22以及自洁净EGR反应器中表面涂敷催化剂的后段金属载体23可以采用ZL02101994.0所定义的金属板蜂窝载体，也可以采用不锈钢丝网制造而成的金属载体，涂敷合适种类和数量的催化剂。

一种自洁净功能的车用EGR复合结构多级还原剂的智能分解反应器所用的还原剂的选择的原则是考虑在使用条件下的物理化学特性、价格、毒性以及更为重要的是能在合适的温度下进行裂解反应生成所需要的CO和H₂成分。所用的还原剂必须是含水的液体，水分的存在能保证所用还原剂在高温的反应器中均匀裂解，不出现碳化；此外，由于水的挥发潜热较大，水挥发吸收的热量后可以把此能量转化成体系的化学能量，并在持续的热分解中再释放出能量；含水液体的吸热挥发后也能使EGR换热器的效率提高，降低温度，由此可以保证换热器不至于过热，此举也可以考虑直接降低该EGR换热器的尺寸大小，有利于车辆减重。为此，考虑到所发生的化学反应是在高温下的裂解出CO和H₂的反应，C H的前驱体还原剂可选为甲醇或乙醇的水溶液，或甲醇和乙醇的混合水溶液，以甲醇为最佳，不论采用那种醇类，其水溶液中醇的浓度最为关键，推荐醇的浓度在40～60％wt，最佳浓度为55％wt，其余部分为水。以还原剂中的甲醇为例，在反应器中的化学反应如下：

重整反应：CH₃OH+H₂O＝CO₂+3H₂(1)

热裂解反应：CH₃OH＝CO+2H₂(2)

水煤气反应：CO+H₂O＝CO₂+H₂(3)

上述反应(1)(2)(3)可能会同时发生，可能也会存在逆反应，但是随着还原剂的连续喷入，上述反应的主要反应方向是朝着生成CO和H₂的方向进行，主反应产物是生成含有CO和H₂的混合物，这种混合物中CO和H₂是强还原剂，具有极强的引发还原反应的倾向，在气流温度和催化剂的作用下，完全可以使已经形成的胶质粘附发生以下反应：

固态胶质[C-H-O]_n+CO或H₂＝气态或液态C_xH_yO_z+H₂O (4)

上式(4)中的x、y、z数值远小于n。反应(4)的结果是彻底消除EGR阀和换热器内壁积累的粘附物，使系统工作正常。

一种自洁净功能的车用EGR复合结构的特点是采用由温度作为控制和反馈的主参数。在某发动机完成标定后，其发动机EGR率也就随发动机工况而被确定下来。从化学角度分析，在催化剂固定下来之后，温度是还原剂的裂解反应的主参数，为此选定反应器入口端的温度作为控制的目标参数。

一种自洁净功能的车用EGR复合结构的特点是采用多级的还原剂分解反应器，由温度高低来启动还原剂在反应器不同位置的喷头喷入还原剂，主要是为解决还原剂的误喷入后过度反应引起的炭化和重新结焦的问题。例如，如果采用全尺寸的单级整体式的反应器，在一定的还原剂喷量下，如果柴油发动机在低速(怠速)工况下运转，此时，发动机排气的温度会保持在稍低的水平，也可能会低于200℃，但是，依靠单级整体式的反应器基本能完全满足恒定还原剂喷量的完全分解的要求，而不会出现还原剂结焦和炭化的问题；而对于柴油发动机在中速或中负荷工况下运转时，此时，柴油发动机排气的温度可能会处于200～300℃，单级整体式的反应器能完全满足恒定喷量还原剂的完全分解的要求，但也会出现部分还原剂结焦和炭化的问题，此时解决的办法是在分级反应器的第二级喷入，等效于缩短了反应器的尺寸的1/3，减少反应产物在反应器内的停留和反应时间，也就解决了还原剂结焦和炭化的问题；而对于柴油发动机在高速或低速高负荷以及中速高负荷工况下运转时，此时，发动机排气的温度可能会处于301～500℃甚至更高，单级整体式的反应器能完全满足恒定喷量还原剂的完全分解的要求，但会出现还原剂的过度结焦和炭化的问题，此时解决的办法是在分级反应器的第三级喷入，等效于缩短反应器的尺寸2/3，减少反应产物在反应器内的停留时间，也就解决了还原剂结焦和炭化的问题。

Claims

1、一种自洁净功能的车用EGR复合结构，包括汽车发动机(1)、发动机排气歧管(2)、发动机排气管(3)、EGR进气管(4)、EGR换热器之冷却液进口管(5)、EGR换热器(6)、EGR换热器之冷却液出口管(7)、发动机EGR总成(8)、EGR出气管(9)、发动机进气管(10)、发动机进气歧管(11)、自洁净EGR进气温度热电偶(12)；其特征在于：在EGR进气管(4)和EGR换热器(6)之间设有自洁净EGR反应器，自洁净EGR反应器入口锥管(20)与EGR进气管(4)连接，自洁净EGR反应器出口锥管(24)与EGR换热器(6)连接，自洁净EGR反应器中分成表面涂敷催化剂的前段的金属载体(21)、表面涂敷催化剂的中间段的金属载体(22)、表面涂敷催化剂的后段金属载体(23)；自洁净EGR还原剂容器(16)连接自洁净EGR还原剂控制单元(17)和带有压缩空气(19)的自洁净EGR还原剂喷射剂量单元(18)；自洁净EGR还原剂控制单元(17)与进气温度热电偶(12)相连控制自洁净EGR还原剂前喷头(13)、自洁净EGR还原剂中喷头(14)、自洁净EGR还原剂后喷头(15)，自洁净EGR还原剂前喷头(13)、自洁净EGR还原剂中喷头(14)、自洁净EGR还原剂后喷头(15)分别安装在自洁净EGR反应器中分成表面涂敷催化剂的前段的金属载体(21)、表面涂敷催化剂的中间段的金属载体(22)、表面涂敷催化剂的后段金属载体(23)内。

2、根据权利要求1所述的一种自洁净功能的车用EGR复合结构，其特征在于所述的自洁净EGR反应器中表面涂敷催化剂的金属载体为金属板蜂窝载体或不锈钢丝网载体。