CN101146989A - 在排气再循环通道中具有排气处理元件和热交换器的排气*** - Google Patents

在排气再循环通道中具有排气处理元件和热交换器的排气*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内燃机(2)的排气***(1)，该内燃机包括进气***(3)和排气通道(4)，其中排气通道(4)与进气***(3)通过排气再循环通道(5)连接，在该排气再循环通道中配置有一排气处理元件(6)和一热交换器(7)，其中热交换器(7)具有第一背压，排气处理元件(6)具有比第一背压小的第二背压，其特征在于，排气处理元件(6)以这样的第一距离(8)沿流动方向布置在热交换器(7)的上游，使得在运行期间进入排气处理元件(6)的气流(14)被均匀化。按照本发明的排气***以特别有利的方式允许在排气再循环通道(5)中形成热交换器(7)和例如蜂窝体的排气处理元件(6)，其中，不仅热交换器(7)而且排气处理元件(6)都可以设计得比通常形式的小。这在设计此类***时显著地节省了成本。

Description

在排气再循环通道中具有排气处理元件和热交换器的排气***
技术领域
本发明的主题是一种在排气再循环通道中具有热交换器和排气处理元件的内燃机用排气***。
背景技术
内燃机的排气***通常构造有热交换器，该热交换器特别地在排气再循环至内燃机的进气区域内时用于冷却排气。由排气中存在的有害物质造成的热交换器的污染会降低其工作效率，使得基本上必须对热交换器进行超尺寸设计，以便在较长的时间内保证热交换器至少具有额定的工作效率。
为了减少热交换器的污染，从现有技术已知可在热交换器的上游配置催化器，该催化器至少可除去能够引起在热交换器中形成粘附沉淀物的长链碳氢化合物。这样的***具有以下缺点：要么是尽管在上游设置了催化器，但仅进行了不足的排气转化，因此仍然会发生热交换器的污染；或者是为了有效地阻止热交换器的污染，因而催化器必须具有特别大的尺寸。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种可安装在排气再循环通道中的***，该***包括一热交换器和一催化器，在该***中可以有效地减少热交换器的污染并同时实现热交换器和催化器的尽可能小的结构体积。
所述目的由具有权利要求1所述特征的排气***来实现。有利的其它结构方案是从属权利要求的主题。
按照本发明的内燃机排气***，该内燃机包括进气***和排气通道，其中排气通道与进气***通过排气再循环通道相连，在该排气再循环通道中配置有排气处理元件和热交换器，其中热交换器具有第一背压而排气处理元件具有比第一背压小的第二背压，其特征在于，排气处理元件以这样的第一距离沿流动方向配置在热交换器的上游，使得在运行期间进入排气处理元件的气流被均匀化。这特别地意味着，热交换器的第一背压会影响排气处理元件的沿气流方向位于上游的背压。
这里，热交换器特别地是指用于冷却再循环排气的排气冷却器。内燃机特别是指柴油机，例如机动运输工具的(例如，乘用车的、载货车的、两轮机动车的、船或飞机的)柴油机或在固定位置使用的柴油机。均匀化特别是指拓宽期望速度的概率分布。
与排气处理元件相比较，热交换器的结构形式确定了所提高的背压。特别地优选一种热交换器，该热交换器具有多个排气通过其流动的管道。优选地，冷却剂围绕这些管道流动，该冷却剂在热交换器壳体内流通，并且该冷却剂从未示出的内燃机冷却循环回路中取得。蜂窝体，例如陶瓷或金属蜂窝体，或金属丝网体、金属泡沫体或类似元件特别地适合于用作排气处理元件。金属蜂窝体可以特别地由至少一个至少局部形成结构的金属层和可能至少一个基本上光滑的层构成，这些层相互缠绕或堆集并连接在一起。相互连接或缠绕的层构成了由所述层限定的流体可流通的空腔。所述层特别地由耐高温腐蚀的材料例如铝钢或铬钢形成。所述层能够通过例如高温焊接方法特别地以材料连接的方式相互连接。不仅基本上光滑的层而且至少局部形成结构的层都可以至少在局部具有显微结构、断面、通孔和/或穿孔，这些结构用作使气流能更好地混合。
进入排气处理元件之前的气流的均匀化是以有利的方式进行的，即排气处理元件较近地设置在热交换器的上游。这引起已经进入排气处理元件的气流的均匀化，由于排气均匀地作用于排气处理元件的横截面上，所以提高了转化率。因此，与普通的结构相比，在排气中有害物质的转化率相同的条件下，该排气处理元件的体积可以减小。有害物质转化率的显著提高也降低了热交换器的污染，因此与传统的热交换器相比，该热交换器可以具有更小的尺寸。
为了构造仅具有较小背压的排气处理元件，可以使用具有较少单元数量的蜂窝体，该单元数量例如少于400cpsi(单元/平方英寸)，优选少于300cpsi，特别优选200cpsi以及特别地甚至少于100cpsi。
按照本发明排气***的一有利的设计方案，选择第一距离使得第一背压和第二背压的作用被累积。
这里的累积特别地是指，存在于排气处理元件上游的背压高于这种排气处理元件本身具有的第二背压。在气流中在构件上游的背压会形成一种压力缓冲，该压力缓冲引起气流改变。在极端情况下，上述的发明会带来一种情形，其中，仅在排气处理元件的上游形成一个压力缓冲，而不是分别在热交换器和废气处理元件的上游形成各具有一个压力缓冲的区域。
背压的累积以有利的方式导致排气在进入排气处理元件之前必须克服比排气处理元件的第二背压大的背压。根据热交换器和排气处理元件的布置形式的不同，该背压甚至显著地大于第二背压。背压的增大引起排气处理元件的气流的均匀化，并进而引起通过排气处理元件和热交换器的气流的均匀化。
按照另一有利的设计方案，排气处理元件进气侧端面到热交换器进气侧端面的第二距离小于60mm，优选地小于45mm，特别优选地小于30mm。
这些参数被证明是特别有利的。特别是在通常运行条件下，第一和第二背压的作用累积。
按照按本发明的排气***的另一有利的结构方案，排气处理元件在流动方向上的长度小于100mm，优选地小于50mm，特别优选地小于25mm或者更小。
由于能非常均匀地、有效地转化排气中相应的物质，例如碳氢化合物，因此可以使用较小的排气处理元件。
按照本发明排气***的另一个有利的结构方案，排气处理元件包括蜂窝体。
利用蜂窝体可以制造一种排气处理元件，该排气处理元件的特性，如表面、背压等可以进行非常精确的调整。陶瓷或金属蜂窝体特别适合于用作蜂窝体。特别是可以有利地使用例如DE19755703A1，WO90/13736 A1和WO99/11911 A1中所描述的蜂窝体。关于蜂窝体的固定，请参考这些出版物的全文。
按照本发明排气***的另一个有利的结构方案，排气处理元件与热交换器之间的第一距离小于15mm，优选地小于10mm，特别优选地小于5mm。
将热交换器和排气处理元件安装在一个共同的壳体内是特别有利的。此时，排气处理元件可以借助于凸缘或类似结构被保持在壳体的相应凹槽内。也可以把排气处理元件简单地安装在热交换器的端面。
按照本发明排气***的另一个有利的结构方案，排气处理元件包括催化活性涂层，特别是氧化催化涂层。
催化活性涂层包括例如陶瓷载体涂层(Washcoat)，该陶瓷载体涂层包含特别地催化所期望的反应的材料，即所述材料将这些反应的反应温度降低至一定程度，使得在排气再循环通道中的温度下所述反应以可观的程度进行。贵金属，例如铂、铹或类似金属，特别适合用作催化剂。氧化催化涂层特别地催化碳氢化合物的氧化，因为这些碳氢化合物是热交换器的污染的来源。碳氢化合物形成一种粘性物质，该物质在热交换器的冷区域内冷凝并能够进一步引起包含在排气中的碳颗粒黏附在热交换器壁上。碳氢化合物的氧化也以特别有利的方式进行，使得热交换器的污染显著减小。特别地在柴油机的排气***中，由于排气中的氧气含量较高，碳氢化合物的氧化可非常广泛地直至完全进行。
为了达到尽可能高的碳氢化合物氧化的转化效率，特别地设计排气处理元件，使得停留时间尽可能的长并且可供反应使用的表面积尽可能的大。
按照本发明排气***的另一个有利的结构方案，第一背压与第二背压的比值大于2，优选地大于10。
特别地在这些背压比值的情况下，也就是说当热交换器本身的背压是排气处理元件本身的背压的2倍以上或甚至10倍以上时，当第一距离为15mm或者更短时，热交换器的第一背压与排气处理元件的第二背压的作用就已累积。
附图说明
下面借助于附图详细解释本发明，而不是将本发明限制在所示出和描述的实施例和优点内。在附图中：
图1是按照本发明的排气***的第一实施例的示意图；
图2是按照本发明的排气***的第一实施例的局部示意图；
图3是按照本发明的排气***的第二实施例的局部示意图；
图4是流速的两个概率分布的示意图。
具体实施方式
图1示意地示出内燃机2的按照本发明的排气***1的第一实施例。内燃机2包括一进气***3和一排气通道4，其中排气通道4和进气***3通过排气再循环通道5连接，在该排气再循环通道中配置有一排气处理元件6和一热交换器7。热交换器7具有第一背压，而排气处理元件6具有比第一背压小的第二背压。排气的通常的流动方向由相应的箭头表示。流经排气再循环通道5的排气量可以例如通过未示出的相应的阀来调节。排气再循环通道5也可以在排气侧从未示出的排气涡轮增压机的上游或下游分出。
按照本发明，排气处理元件6以这样的第一距离8沿流动方向布置在热交换器7的上游，使得在运行期间进入排气处理元件6的气流14被均匀化。这里，第一距离8特别地小于15mm，优选地小于10mm，特别优选地小于5mm。热交换器7和排气处理元件6配置成使得在(该热交换器和排气处理元件之间的距离为)第一距离8时第一背压和第二背压的作用累积，使得流入排气处理元件6的排气必须克服大于排气处理元件6的第二背压的背压。如上所述，这引起流入排气处理元件6的气流14的均匀化。
图2示意地示出包括排气处理元件6和热交换器7的排气再循环通道5的局部图。按照本发明，选择在热交换器7的进气侧端面10与排气处理元件6的进气侧端面11之间的第二距离9，使得实现在排气处理元件6中的气流的均匀化。特别地第二距离9小于60mm，优选地小于45mm，特别优选地小于30mm。特别地可以使用短的蜂窝体，特别是在流动方向上的长度12为大约20至大约40mm的蜂窝体，作为排气处理元件6。例如，第一距离8小于15mm，或5mm或更小。特别地选择第一距离8，使得热交换器7的第一背压和排气处理元件6的第二背压的作用相累积，从而使得流入排气处理元件6的排气必须克服一背压，该背压大于，优选为显著大于排气处理元件6的第二背压。
图3示意地示出按照本发明的排气***1的另一实施例的局部图。这里，在排气再循环通道5中构造一锥体13，该锥体中包括体现为具有锥形通道18的蜂窝体17的排气处理元件6。锥体13将流经排气再循环通道5的气流14导入热交换器7中。热交换器7包括壳体16中的排气管15。气流14流经排气管15，其中作为内燃机2冷却循环回路一部分的冷却剂在壳体16中围绕该排气管15流动。按照本发明，选择热交换器7与排气处理元件6之间的第一距离8，使得在运行期间进入排气处理元件6的气流14被均匀化。
图4示意地示出速度v的第一概率分布19和速度v的第二概率分布20。当气体仅流过排气处理元件6时，也就是没有沿气流方向在排气处理元件6下游设置热交换器7时，出现第一概率分布19。对于两种分布，示出在排气中存在的某个速度的概率。概率和速度都以相对单位给出。第二概率分布20是按照本发明的***的概率分布。也即该概率分布涉及在排气再循环通道5内具有热交换器7和排气处理元件6的排气***1。相对于第一概率分布19，第二概率分布20更宽，特别地在最大高度一半处具有更大的宽度(半幅全宽/半高宽(full width half maximum))。这是由于本发明对气流的均匀化所形成的。
按照本发明的排气***以特别有利的方式允许在排气再循环通道5中形成热交换器7和例如蜂窝体的排气处理元件6，其中，不仅热交换器7而且排气处理元件6都可以设计得比通常形式的小。这在设计此类***时显著地节省了成本。
附图标记列表
1排气***
2内燃机
3进气***
4排气通道
5排气再循环通道
6排气处理元件
7热交换器
8第一距离
9第二距离
10热交换器的进气侧端面
11排气处理元件的进气侧端面
12长度
13锥体
14气流
15排气管
16壳体
17蜂窝体
18通道
19第一概率分布
20第二概率分布

Claims (8)

1.一种内燃机(2)的排气***(1)，该内燃机包括进气***(3)和排气通道(4)，其中排气通道(4)与进气***(3)通过排气再循环通道(5)连接，在该排气再循环通道中配置有一排气处理元件(6)和一热交换器(7)，其中热交换器(7)具有第一背压，排气处理元件(6)具有比第一背压小的第二背压，其特征在于，排气处理元件(6)以这样的第一距离(8)沿流动方向布置在热交换器(7)的上游，使得在运行期间进入排气处理元件(6)的气流(14)被均匀化。
2.按照权利要求1所述的排气***(1)，其特征在于：选择第一距离(8)，使得第一背压与第二背压的作用累积。
3.按照权利要求1或2所述的排气***(1)，其特征在于：排气处理元件(6)的进气侧端面(11)到热交换器(7)的进气侧端面(10)的第二距离(9)小于60mm，优选地小于45mm，特别优选地小于30mm。
4.按照上述权利要求之任一项所述的排气***(1)，其特征在于：排气处理元件(6)在流动方向上的长度(12)小于100mm，优选地小于50mm，特别优选地小于25mm或者更小。
5.按照上述权利要求之任一项所述的排气***(1)，其特征在于：排气处理元件(6)与热交换器(7)之间的第一距离(8)小于15mm，优选地小于10mm，特别优选地小于5mm。
6.按照上述权利要求之任一项所述的排气***(1)，其特征在于：排气处理元件(6)包括一蜂窝体(17)。
7.按照上述权利要求之任一项所述的排气***(1)，其特征在于：排气处理元件(6)包括一催化活性涂层，特别是氧化催化涂层。
8.按照上述权利要求之任一项所述的排气***(1)，其特征在于：第一背压与第二背压的比值大于2，优选地大于10。
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