CN108368759A - 排气后处理***和用于运行排气后处理***的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种排气后处理***，具有排气管道1和至少一个排气后处理设备2，所述至少一个排气后处理设备具有蜂窝体5，该蜂窝体形成用于排气的溢流面。蜂窝体5是具有中心孔道7的空心圆柱体，其中，可动的元件9，15被布置成能在两个端部位置之间运动，其中，在第一端部位置开放比在第二端部位置大的孔道7横剖面。

Description

排气后处理***和用于运行排气后处理***的方法
技术领域
本发明涉及一种排气后处理***和一种用于运行排气后处理***的方法，该排气后处理***具有排气管道和至少一个排气后处理设备，所述至少一个排气后处理设备具有蜂窝体，该蜂窝体形成用于排气的溢流面。
背景技术
已知这种具有蜂窝体的排气后处理设备作为用于排气后处理的催化器。催化器通常具有外壳，该外壳一方面包围蜂窝体并且另一方面与排气管道连接。通常通过排气提供为了催化反应所需要的工作温度，排气在流过催化器时将其温度部分地输出到催化器并且由此加热催化器。在尝试在成本和必要的结构空间方面对催化器进行优化的情况下，催化器的直径被按照需要规定的排气流进行设计，该排气流位于出现的最大的和最小的排气流之间。在此必须注意，流过排气管道的排气关于横剖面在中心的温度高于在排气管道壁部上的径向外部区域的温度。在加热催化器时并且同样地由于其构造，这会导致在中心存在比在外壳区域高的温度。为了避免在较少的排气流的情况下发生催化器的不充分的加热——这对催化反应产生不利影响，催化器不能被按照出现的最大排气流设计尺寸。这又导致了以下缺点，即，在较多的排气流时产生高的反压力。较高的反压力导致发动机功率的不期望的降低和导致较高的燃料消耗。
发明内容
因此本发明的目的在于，实现一种排气后处理***和一种用于运行排气后处理***的方法，其对于最大的和最小的排气流都能确保充分的排气后处理，其不会过于强烈地影响发动机功率或消耗。
根据本发明由此实现所述第一个目的，即，蜂窝体是具有中心孔道的空心圆柱体，布置有可动的元件，该可动的元件能在两个端部位置之间运动，其中，在第一端部位置孔道横剖面开放得比在第二端部位置大。
在两个端部位置之间可动的元件的布置结构允许了使排气后处理设备、特别是催化器适配于各个工作条件、特别是排气流的和催化器温度的工作条件。在排气流较少的情况下——排气流相应地提供了较少的用于加热催化器的能量，和/或在催化器的温度较低的情况下，可动的元件被移动到第二端部位置的区域中。因此，位于蜂窝体中的中心孔道的可自由流过的横剖面减小。流过来的排气因此被径向向外引导并且流过实际的、具有其催化器基体(Katalysatormatrix)的蜂窝体，该催化器基体是一种由多个片层组成的布置结构。就排气管道的横剖面而言，具有环形的催化器基体和中心孔道的蜂窝体的设计方案产生了减小的催化器基体体积。这样在排气流较少的情况下也确保了充分加热，以便实现需要的排气后处理。在排气流较大的情况下，可动的元件朝向第一端部位置运动。通过这样开放的中心孔道横剖面，一部分的排气流可以自由地流过该横剖面，而另一部分排气流流过催化器基体。基于孔道中的开放的横剖面，避免了排气管道中的过高的反压力。这防止了发动机功率降低和燃料消耗升高。
此外，在使用这种具有小的催化器容积的排气后处理设备时减小了可压缩的气体体积。如果排气后处理设备被布置在流体机械、特别是排气涡轮增压器的上游，则由此改进了流体机械的动态性能和响应性能。
在一个有利的设计方案中，第一端部位置开放至少75％的孔道横剖面。完全开放的孔道具有以下优点：即使在排气流较大的情况下也能产生最低的反压力。然而还可能有利的是，为孔道的较小的开口横剖面规定端部位置。特别在圆形的孔道横剖面的情况下，如果可动的元件的路径相同，则半开的孔道获得比封闭的或全开的孔道边缘区域中的明显更大的横剖面变化。这表明，在边缘区域中用于使元件运动很费力，然而仅获得小的横剖面变化。就这点而言，可以通过规定第一端部位置在75％和100％之间的范围内而明显降低用于使可动的元件运动的努力。根据可动的元件的设计方案，可以基于元件必须在其上运动的更短的路径而节省结构空间。如果第二端部位置被固定在一范围内，在该范围内孔道横剖面的至少75％被封闭，那么对于第二端部位置以相同的方式得出所述优点。
特别有利地，元件的运动以旋转方式进行。元件为此被设计为瓣阀/挡板，该瓣阀被固定在轴上。通过轴的转动由瓣阀打开或封闭孔道横剖面。
在另一个有利的设计方案中，元件的运动以摆动的形式进行。可动的元件为此与摆动臂连接，该摆动臂围绕摆动轴运动。这种设计方案的优点在于，摆动轴可以被放置在主流动之外的区域中，使得孔道横剖面不会由于摆动轴而减损。
摆动轴可以以有利的方式布置在排气管道的壁部中，优选垂直于排气管道的轴线布置。
可动的元件可以按照封闭塞的形式设计，其中，这种设计相应于在输入侧或输出侧的位置在流动技术方面进行适配。有利的基本形状在此是球形、锥形、球冠形或液滴形。
根据另一个有利的设计方案，可动的元件能平移运动。优点在于，在这种运动中元件可以运动离开孔道横剖面，使得横剖面完全自由，而瓣阀和与其连接的轴即使在完全打开的状态下也遮盖一部分孔道横剖面。
在最简单的情况下，可动的元件是移动件/滑动件、特别是刚性的移动件。
在另一个设计方案中，可动的元件是柔性的移动件。柔性的闸板例如被理解成卷动膜或由多个可动地相互连接的刚性的部分元件组成的闸板。这种闸板允许了在一侧将闸板固定在第二端部位置的区域中，这简化了闸板的引导。
如果排气后处理设备被接近于排气管道的弯曲部布置，则另一个有利的设计方案在于，可动的元件被设计为可平移运动的闸板，其中，闸板沿排气后处理设备的旋转轴线运动。排气管道的弯曲部实现了：可平移运动的闸板或使该闸板运动的元件被从排气管道中向外引导，因此可以将用于闸板的驱动装置布置在排气管道外部。以这种方式，孔道横剖面几乎不受影响，这是因为基于排气管道的弯曲部，排气流必定被转向并且与此相比闸板或使闸板运动的元件对于气体流动的影响是可以忽略不计的。用于封闭的可动的元件的设计方案在此同样可以以封闭塞的形式实现并且相应地以流动技术优化。
为了实现安全的和长时间稳定的运行，证明为有利的是，可动的元件在蜂窝体中被保持和/或被引导。此外，由此不会增大排气后处理设备的长度，因此对于根据本发明的布置结构不需要轴向上的附加的结构空间。
根据另一个设计方案，如果可动的元件在排气管道中被保持和/或被引导，那么根据本发明的排气后处理***能实现应用不改变的蜂窝体。元件在此被这样相对于蜂窝体定位，即，该元件被紧挨着中心孔道布置。促进这一点的因素之一是，孔道不必被强制性地封闭。花费高的密封件不是必需的。此外可以通过排气管道的有关的部段的相应的设计方案实现从元件到驱动装置的连接的可靠实施。
通过以下方式实现将排气特别好地引导到催化器基体中，即，可动的元件沿流动方向布置在孔道的入口的区域中。
在将可动的元件布置在入口和出口的区域之间的情况下不需要附加的轴向的结构空间。
相反地，可动的元件沿流动方向布置在孔道的出口的区域中的优点是，在横剖面封闭时，流入孔道中的排气基于其更长的停留时间可以更加有助于加热包围孔道的催化器基体。
可动的元件的驱动以最简单的方式借助于电机进行。基于电机的良好的可控制性和可调节性可以由此可靠地和精确地移动元件。此外，该设计方案能实现操控任意的中间位置，由此根据本发明的排气后处理***能良好地适配于不同的工作条件。
在另一个设计方案中，如果可动的元件通过该可动的元件与被加载压力和弹力的推杆连接而依赖于压力的方式运动，那么可以放弃用于电机和控制器的电接口。
在孔道横剖面开放的情况下，如果排气的流过该孔道的那一部分如此大、使其也应经受排气后处理，那么被证明为有利的是，在排气后处理设备的下游连接有第二排气后处理设备。由于排气的流过中心孔道的部分在第一排气后处理设备中具有较短的停留时间并且因此可以向其输出较少的热量，因此这种情况引起了明显更快地加热第二排气后处理设备。
本发明的第二个目的由此实现，即，在排气流较小时，可动的元件朝向第二端部位置的方向运动，在排气流较大时，可动的元件朝向第一端部位置的方向运动。
利用所述方法根据排气流的大小使中心孔道的横剖面增大或缩小。排气流的、以这种方式经由作为旁路的孔道被引导绕过催化器基体的那一部分防止了反压力/背压的产生，该反压力可能在过大的排气流被引导通过催化器基体时产生。
可以如下地以有利的方式确保使布置结构适配于多种排气流，即可动的元件能运动到两个端部位置之间的中间位置。
附图说明
在多个实施例中详细说明本发明。其中
图1示出排气后处理***的示意图，
图2示出在另一运行状态下的根据图1的排气后处理***，
图3示出可动的元件的另外的布置结构，
图4-图7示出可动的元件的其它实施方式。
具体实施方式
图1示出排气管道1的部段，在该部段中布置有用作排气后处理设备2的催化器。在催化器2的下游布置有另一个排气后处理设备3，该排气后处理设备也被设计为催化器。催化器2具有外壳4，该外壳包围蜂窝体5。蜂窝体5由多个片层形成，这些片层形成催化器基体6并且是用于排气的溢流面，其中，在流过催化器基体6时在流过的排气中发生催化反应。蜂窝体5沿其纵向轴线具有中心孔道7，排气可以在避开催化器基体6的情况下流过该中心孔道。排气的主流动方向用箭头表示。在孔道7的入口8上设有可动的元件9，该可动的元件在所示出的图示中堵住入口8。可动的元件是瓣阀9，该瓣阀被固定在轴10上。轴10与用作驱动装置的电机11连接，因此通过操控电机11可以转动瓣阀9。在所示出的位置，瓣阀9位于第二端部位置。流过来的排气几乎完全地向催化器基体6转向并且流过该催化器基体。在排气质量流量较小的情况下瓣阀9运动到该端部位置，在该质量流量的情况下催化器基体6是足够大的，因此流过的排气几乎没有形成干扰的反压力。
在图2所示的图示中，瓣阀9通过电机11转动90°并且因此运动到第一端部位置，由此，孔道7的最大可能的横剖面被开放。在最大的排气质量流量的情况下瓣阀9保持这个方向。一部分排气可以经由孔道7不受阻碍地从旁路流过/绕过蜂窝体5。仅仅在排气管道1中径向向外流动的排气流部分撞击到催化器基体6上并且流过该催化器基体。排气的流过孔道7并且未被后处理的部分在下游撞击到第二催化器3上，该第二催化器不具有旁路孔道，因此整个排气流必须流过催化器基体以进行后处理。由于几乎不受阻碍地流过孔道7，排气流的这个部分输出较少的热量到蜂窝体5。排气由此与在其已经流过催化器基体6时相比具有明显更多的热量。被这样继续携带的热量由该排气流在第二催化器3上输出。由此，第二催化器3更快地加热，并且用于排气后处理的催化反应更快地开始。
图3示出在蜂窝体5中的可动的元件9的另一个布置结构，其中，根据本发明的排气后处理***12不需要传统的蜂窝体5所需的附加的结构空间。
在图4中的可动的元件9的布置结构中，该可动的元件被布置在孔道7的出口13处。可动的元件9的支承部位于排气管道1中，该排气管道在该区域中具有单独的部段14。在所示出的图示中，孔道7被封闭，其中，封闭不应理解为气密的密封。较低的泄漏率是可以忽略不计的，但反而允许了明显更简单的和因此成本有利的、排气后处理设备2关于可动的元件9的布置结构。如图1所示，元件9在较小的排气质量流量的情况下保持这个方向。在此，在随后流动的排气被引导到催化器基体6中之前，排气的一大部分首先流入孔道7中。位于孔道7中的排气基于其在孔道7中的停留时间实现了明显更快地加热蜂窝体5。
图5示出具有刚性的移动件/滑动件15的蜂窝体5。闸板15通过杆16与电机11连接。电机11驱动杆16，因此通过其平移运动，闸板15能垂直于蜂窝体5的纵向轴线运动。在所示出的图示中，闸板15位于第一端部位置并且开放孔道7的80％的横剖面。
图6和图7示出其它实施方式，其中，在图6中可动的元件9与摆动臂17连接，该摆动臂能围绕摆动轴18摆动。摆动轴18作为轴10与驱动装置11连接。为了尽可能少地影响孔道横剖面和气体流动，摆动轴18被布置在排气管道1的壁部上并且因此在主流动之外。为了封闭孔道7，可动的元件9具有球冠形的封闭塞19，该封闭塞与摆动臂17连接。为了使流动横剖面的影响保持较小，可以考虑的是，使排气管道1在横剖面中这样扩大，即扩大部20至少部分地接纳从催化器2摆动离开的可动的元件9。
图7中的可动的元件9同样具有球冠形的封闭塞19，该封闭塞封闭孔道7。在可动的元件的区域中，排气管道被弯曲，因此，与封闭塞19连接的可平移运动的移动件21在其布置在催化器2的旋转轴线的延长部中时通过排气管道被向外引导。移动件21的运动通过未示出的、位于排气管道1之外的驱动装置进行。

Claims (20)

1.一种排气后处理***，所述排气后处理***具有排气管道和至少一个排气后处理设备，所述至少一个排气后处理设备具有蜂窝体，该蜂窝体形成用于排气的溢流面，其特征在于，所述蜂窝体(5)是具有中心孔道(7)的空心圆柱体，可动的元件(9，15)被布置成能在两个端部位置之间运动，其中，在第一端部位置孔道(7)的横剖面开放得比在第二端部位置大。
2.根据权利要求1所述的排气后处理***，其特征在于，第一端部位置开放至少75％的孔道横剖面。
3.根据权利要求1或2所述的排气后处理***，其特征在于，第二端部位置封闭至少75％的孔道横剖面。
4.根据权利要求1所述的排气后处理***，其特征在于，第一端部位置开放至少75％的孔道横剖面。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件(9)能以转动的方式运动。
6.根据权利要求5所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件是能转动的瓣阀(9)。
7.根据权利要求1至4中至少一项所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件(15)能平移运动。
8.根据权利要求7所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件是移动件(15)。
9.根据权利要求7所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件是刚性的移动件(15)。
10.根据权利要求7所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件是柔性的移动件。
11.根据权利要求7所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件由多个可动的薄片组成。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件(9，15)被保持在蜂窝体(5)中和/或在蜂窝体(5)中被引导。
13.根据权利要求1至11中至少一项所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件(9，15)被保持在排气管道(1)中和/或在排气管道(1)中被引导。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件(9，15)沿流动方向布置在孔道(7)的入口(8)的区域中。
15.根据权利要求1至13中至少一项所述的排气后处理***，其特征在于，可动的元件(9，15)沿流动方向布置在孔道(7)的出口(13)的区域中。
16.根据前述权利要求中至少一项所述的排气后处理***，其特征在于，布置有电机(11)，通过该电机能驱动可动的元件(9，15)。
17.根据前述权利要求中至少一项所述的排气后处理***，其特征在于，被加载压力和弹力的推杆(16)与可动的元件(9，15)连接。
18.根据前述权利要求中至少一项所述的排气后处理***，其特征在于，在所述排气后处理设备的下游连接有第二排气后处理设备。
19.一种用于运行根据权利要求1所述的排气后处理***的方法，其特征在于，在排气流较小时，可动的元件朝向第二端部位置运动，在排气流较大时，可动的元件朝向第一端部位置运动。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，可动的元件能运动到两个端部位置之间的中间位置。
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