專利名稱：具有逆流式外殼的廢氣后處理設(shè)備和相應(yīng)的廢氣后處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有逆流式外殼的廢氣后處理設(shè)備和一種相應(yīng)的廢氣后處理方法。
背景技術(shù)：
由于汽車交通規(guī)模的持續(xù)增長，世界上眾多國家公布了汽車廢氣中有害物質(zhì)負(fù)荷不許超過的極限值。所述極限值在有規(guī)律地降低，從而必須增加廢氣中有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化上的費(fèi)用以滿足所述極限值。其中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對廢氣進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化，在所述催化轉(zhuǎn)化中將廢氣中的有害物質(zhì)成分轉(zhuǎn)化為無害的成分。這種催化轉(zhuǎn)化需要盡可能大的反應(yīng)表面積，然而其中所使用的構(gòu)件卻不能過大，以致超過在汽車中通常所述提供的空間。對此的解決方案提供作為催化劑載體的蜂窩體。蜂窩體具有供廢氣流動(dòng)或流過的空腔，例如通道。通過形成分隔空腔的壁部，可以為催化轉(zhuǎn)化提供大的反應(yīng)表面，其中所述壁部可設(shè)有包含催化劑—例如貴金屬催化劑—的涂層，例如載體涂料(Washcoat)層，。
這種蜂窩體或者催化轉(zhuǎn)化器例如可以由陶瓷材料、金屬板層或者作為擠出的構(gòu)件構(gòu)成。對于金屬的蜂窩體，首先區(qū)分為兩種典型的結(jié)構(gòu)形式。一種早期的、由DE29 02 779 A1示出典型示例的結(jié)構(gòu)形式是一種螺旋形的結(jié)構(gòu)形式，其中基本上是將一個(gè)平滑的和一個(gè)形成波紋的板層彼此疊放在一起，然后以螺旋形卷繞。在另外一種結(jié)構(gòu)形式中，蜂窩體由多個(gè)平滑的和形成波紋的或形成不同波紋的板層構(gòu)成，其中所述板層首先形成一個(gè)或多個(gè)相互纏繞的堆疊。這里所有板層的端部都位于外部并可以與一個(gè)殼體或套管連接，從而形成多個(gè)可提高蜂窩體的持久性的連接部。在EP 0 245737 B1或WO 90/03220中說明了這種結(jié)構(gòu)形式的典型示例。同樣長期以來已知的是，片層設(shè)有附加結(jié)構(gòu)，以控制流動(dòng)和/或?qū)崿F(xiàn)單個(gè)流通道之間的橫向混合。這種結(jié)構(gòu)的典型示例為WO91/01178，WO91/01807和WO90/08249。最后，還存在圓錐形結(jié)構(gòu)形式的蜂窩體，必要時(shí)也具有用于控制流動(dòng)的其它附加結(jié)構(gòu)。這種蜂窩體在例如WO 97/49905中有說明。此外還已知，在蜂窩體中留出一個(gè)用于傳感器、特別是用于安裝λ傳感器的凹口。其示例在DE 88 16 154 U1中說明。此外，還已知使流體可以從內(nèi)向外徑向流動(dòng)的蜂窩體。其示例在WO 96/09893中說明，所述示例由具有宏觀結(jié)構(gòu)的相互貼合的片形成，所述宏觀結(jié)構(gòu)形成從中間通道弧形地向外層延伸的通道。在WO 98/57050中說明了另一種的構(gòu)成可從內(nèi)向外部徑向流通的蜂窩體的可能性。
為了獲得盡可能高的轉(zhuǎn)化率，以及實(shí)現(xiàn)催化轉(zhuǎn)化的快速啟動(dòng)，向蜂窩體中充入盡可能熱的廢氣是有利的，因?yàn)?，這樣所述蜂窩體就可以在冷啟動(dòng)時(shí)較快地達(dá)到進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化的啟動(dòng)溫度。這可以通過將催化轉(zhuǎn)化器盡量靠近發(fā)動(dòng)機(jī)安裝來實(shí)現(xiàn)。然而通常特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)附近區(qū)域用于布置催化轉(zhuǎn)化器的可支配的空間是非常有限的。另一方面，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)安裝由于所形成的溫度梯度和強(qiáng)脈沖氣流會(huì)導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器大的熱負(fù)荷。因此，本發(fā)明的目的是，提供一種廢氣后處理設(shè)備以及一種廢氣后處理方法，在所述方法中廢氣后處理可緊湊地進(jìn)行，并且可保證快速的啟動(dòng)性能，同時(shí)所述廢氣后處理設(shè)備具有較長的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
上述目的通過一種具有根據(jù)權(quán)利要求1的特征的廢氣后處理設(shè)備和一種具有根據(jù)權(quán)利要求18的特征的廢氣后處理方法來實(shí)現(xiàn)。有利的改進(jìn)和設(shè)計(jì)方案是各相應(yīng)的從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。
對于汽車內(nèi)燃機(jī)，根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備特別適合用在發(fā)動(dòng)機(jī)附近，并且包括具有由至少一個(gè)基本上可自由穿流的回流區(qū)圍繞的催化轉(zhuǎn)化器的外殼，其中所述催化轉(zhuǎn)化器(3)包括第一端側(cè)(14)，第二端側(cè)(16)和氣流在流入方向(15)上可通流的空腔(10)，所述至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的第一端側(cè)還和至少一個(gè)氣體輸入管相連，至少一個(gè)氣體排出管基本上氣密地與所述至少一個(gè)回流區(qū)相連，而且至少一個(gè)流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置使流體從催化轉(zhuǎn)化器向基本上可自由地穿流的回流區(qū)轉(zhuǎn)向。
基本上可自由地穿流的回流區(qū)在這里特別理解為，所述回流區(qū)沒有形成蜂窩結(jié)構(gòu)，即基本上沒有分成可穿流的通道或空腔。除了在一些情況下具有用于固定催化轉(zhuǎn)化器的固定裝置以外，回流區(qū)在外殼內(nèi)可以是完全可自由地流通的，這是符合本發(fā)明的，所述催化轉(zhuǎn)化器例如由套管中的蜂窩結(jié)構(gòu)組成。對于圓柱形外殼中內(nèi)置的圓柱形的催化轉(zhuǎn)化器，回流區(qū)設(shè)計(jì)成在催化轉(zhuǎn)化器的套管和外殼的內(nèi)壁之間的圓環(huán)狀的圓柱形的縫隙。根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，通過流動(dòng)方向的轉(zhuǎn)變，可采用例如在發(fā)動(dòng)機(jī)附近的盲孔來容納對于沒有流動(dòng)方向轉(zhuǎn)變的常規(guī)構(gòu)造的催化轉(zhuǎn)化器不能使用的廢氣后處理設(shè)備。由于催化轉(zhuǎn)化通常是放熱進(jìn)行的，在催化轉(zhuǎn)化的開始或啟動(dòng)之后對廢氣進(jìn)行加熱。對于常見的催化轉(zhuǎn)化器，這會(huì)導(dǎo)致在催化轉(zhuǎn)化器上形成較大的熱梯度。由于在根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備中經(jīng)轉(zhuǎn)化的廢氣流在其流動(dòng)方向上被轉(zhuǎn)向，在軸向可流通的催化轉(zhuǎn)化器中被逆轉(zhuǎn)，而在外殼的回流區(qū)中發(fā)生回流，但所述外殼還包含催化轉(zhuǎn)化器，因此出現(xiàn)對催化轉(zhuǎn)化器均勻的加熱，從而可避免熱梯度，并由此提高催化轉(zhuǎn)化器的使用壽命。此外，借助于熱廢氣對催化轉(zhuǎn)化器的加熱在冷啟動(dòng)階段會(huì)使催化轉(zhuǎn)化器中的催化轉(zhuǎn)化快速啟動(dòng)，從而與沒有逆流式外殼的常規(guī)廢氣后處理設(shè)備相比還使啟動(dòng)性能明顯提高。
根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備的一個(gè)有利的實(shí)施形式，氣體輸入管和氣體排出管在催化轉(zhuǎn)化器的第一端側(cè)的區(qū)域內(nèi)形成。
氣體輸入管和氣體排出管僅在催化轉(zhuǎn)化器和外殼的一側(cè)形成使得本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備可具有節(jié)省空間的設(shè)計(jì)。特別是氣體輸入管和氣體排出管不是設(shè)計(jì)成平行的，特別不是同軸的。對于廢氣基本上沿徑向可流通的催化轉(zhuǎn)化器，廢氣在流出催化轉(zhuǎn)化器時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)向，而在對于被軸向流過的轉(zhuǎn)化器，氣流的轉(zhuǎn)向是氣流的逆轉(zhuǎn)，即基本上為180°(度)的轉(zhuǎn)向。
根據(jù)本廢氣后處理設(shè)備的一個(gè)有利的實(shí)施形式，是外殼設(shè)計(jì)成彎管(Krümmer)的形式。所述廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)有利的實(shí)施形式是將外殼設(shè)計(jì)成集氣裝置/收集器(Sammler)。當(dāng)外殼既設(shè)計(jì)成彎管又設(shè)計(jì)成集氣裝置時(shí)，可以盡可能靠近發(fā)動(dòng)機(jī)地使用所述廢氣后處理設(shè)備。
根據(jù)按本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備的一個(gè)有利的實(shí)施形式，氣體輸入管和/或氣體排出管與一個(gè)渦輪增壓器連接。
渦輪增壓器用于增壓，即用于一種提高內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法，所述渦輪增壓器特別是與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合使用。在增壓時(shí)，通過一個(gè)作功機(jī)器壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程必需的空氣，從而對于內(nèi)燃機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)都有較大的空氣量進(jìn)入氣缸或者說燃燒室。為此，壓縮機(jī)例如由一個(gè)利用廢氣能量的渦輪增壓器驅(qū)動(dòng)。這里與發(fā)動(dòng)機(jī)連接不是機(jī)械式的，而是純粹以熱的方式進(jìn)行的，其中在汽車制造中主要應(yīng)用阻滯增壓(Stauaufladung)的原理。將廢氣后處理設(shè)備布置在這種渦輪增壓器的上游可確保很快達(dá)到包括在所述廢氣后處理設(shè)備中的催化轉(zhuǎn)化器的工作溫度，因此這樣就避免了由于與渦輪增壓器的構(gòu)件接觸而出現(xiàn)廢氣的散熱。
渦輪增壓器的布置成與輸入管直接連接或直接設(shè)置在輸入管前面是特別優(yōu)選的。這種設(shè)計(jì)方案中，輸入管設(shè)有一個(gè)將廢氣直接導(dǎo)向蜂窩體的第一端側(cè)的錐形部是特別有利的。所述錐形部優(yōu)選具有至少為20°的張角，特別是至少為30°，特別優(yōu)選為至少40°。同時(shí)在所述錐形部的前面朝渦輪增壓器有利地只連接一個(gè)極短的或甚至不連接管狀輸入管段，這樣在一些情況下使錐形部直接與渦輪增壓器連接。但如果應(yīng)該設(shè)置管狀的輸入管段，以例如形成足夠大的具有碗形構(gòu)件的廢氣的回流區(qū)，則所述段的長度應(yīng)不超過20mm(毫米)，特殊是不超過10mm或甚至僅為8mm。通過這種設(shè)計(jì)方案，可以在很大程度上利用由渦輪增壓器形成的廢氣流，以形成有效的朝向蜂窩體的流。渦輪增壓器會(huì)產(chǎn)生一種旋流，可有利地保持所述旋流，并由此實(shí)現(xiàn)均勻混合的廢氣流的強(qiáng)烈接觸。
根據(jù)按本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備的另一種有利的實(shí)施形式，外殼和所述至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)成對中的，優(yōu)選是同軸的。外殼和催化轉(zhuǎn)化器的這種對中或同軸的結(jié)構(gòu)可有利地使廢氣后處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)特別簡單，特別是可以應(yīng)用本身是常用的圓柱形結(jié)構(gòu)形式的催化轉(zhuǎn)化器。同軸的結(jié)構(gòu)有利地在回流區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)很小的壓力損失，同時(shí)催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)簡單。此外，外殼和催化轉(zhuǎn)化器的對中或同軸的結(jié)構(gòu)簡化了流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)。如果外殼和催化轉(zhuǎn)化器具有基本上圓柱形的幾何形狀并且廢氣軸向穿流過催化轉(zhuǎn)化器，則可以特別簡單地通過形成一個(gè)有盡可能小的、理想情況下為零的內(nèi)半徑的環(huán)形(Torus)來形成流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置。如果催化轉(zhuǎn)化器基本上沿徑向由廢氣穿流過，則外殼本身形成保證廢氣從徑向轉(zhuǎn)向回流方向的流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置。
根據(jù)所述廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，在所述至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的外部形成所述至少一個(gè)回流區(qū)。在所述至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的外部形成所述回流區(qū)有利地保證了催化轉(zhuǎn)化器的快速啟動(dòng)、在防止形成熱梯度的同時(shí)對催化轉(zhuǎn)化器均勻地加熱、以及催化轉(zhuǎn)化器與外殼結(jié)構(gòu)簡單的設(shè)計(jì)，因?yàn)槌Ｒ姷木哂杏商沾苫蚪饘僦瞥傻姆涓C結(jié)構(gòu)、可能是擠出的蜂窩結(jié)構(gòu)的催化轉(zhuǎn)化器可安裝到外殼的內(nèi)部。可以有利地利用固定裝置、例如沿催化轉(zhuǎn)化器的徑向向外指向外殼方向的薄腹板來固定催化轉(zhuǎn)化器，而不會(huì)顯著提高回流區(qū)中的壓力損失。采用其它固定裝置也是可行的和符合本發(fā)明的，特別是還可以有利地由氣體輸入管固定催化轉(zhuǎn)化器。
根據(jù)所述廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，所述至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的空腔分別具有可穿流第一橫截面，其中在催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部，第二可穿流的橫截面的內(nèi)部區(qū)域形成為回流區(qū)。這里，第二可穿流橫截面明顯大于第一可穿流橫截面。這允許例如采用空心圓柱形的催化轉(zhuǎn)化器，所述催化轉(zhuǎn)化器的橫截面是具有第一可穿流橫截面的可穿流空腔的圓環(huán)。
根據(jù)所述廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，回流區(qū)的第二可穿流橫截面和催化轉(zhuǎn)化器的第一可穿流橫截面的和基本上同樣大。這有利地防止在流動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)生壓力損失。然而第二可穿流橫截面設(shè)計(jì)成比第一可穿流橫截面的和大同樣是有利的，以使回流區(qū)內(nèi)的流動(dòng)減慢，并且在冷啟動(dòng)階段使向催化轉(zhuǎn)化器的熱傳遞提高。
根據(jù)所述廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，所述外殼具有第一長度L1，而催化轉(zhuǎn)化器具有第二長度L2，其中外殼的第一長度和催化轉(zhuǎn)化器的第二長度基本上是相同的。按與外殼的長度相同的長度形成催化轉(zhuǎn)化器使得可以簡單地將催化轉(zhuǎn)化器保持在外殼中，還可以實(shí)現(xiàn)簡單的流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置和氣體排出和輸入管的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)所述廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，所述外殼具有直徑D，其中第一長度L1和外殼的直徑D的商大于或等于0.3且小于或等于1.5，優(yōu)選大于或等于0.3且小于或等于1，特別優(yōu)選地約為0.5。就是說，第一長度L1和外殼的直徑D存在下列關(guān)系0.3≤L1/D≤1.5根據(jù)所述廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，所述回流區(qū)的壓力損失小于或等于流入?yún)^(qū)域的壓力損失，特別是小于或等于一個(gè)具有第一長度和與輸入管的直徑相當(dāng)?shù)闹睆降墓艿膲毫p失。
根據(jù)所述廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，所述至少一個(gè)氣體輸入管具有第一縱軸，而所述至少一個(gè)氣體排出管具有第二縱軸，在此第一縱軸和第二縱軸在一個(gè)包括于催化轉(zhuǎn)化器的第一端側(cè)的平面上的投影夾一個(gè)大于60°(度)的角。在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)安裝時(shí)，氣體排出管和氣體輸入管之間的這種夾角設(shè)置使得可以有利地利用極小的自由空腔，例如很窄的盲孔。
根據(jù)所述廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，氣體輸入管和所述至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的第一端側(cè)以滑動(dòng)配合(Schiebesitz)的形式彼此連接。在氣體輸入管和第一端側(cè)之間以滑動(dòng)配合的形式形成連接有利地允許形成基本上氣密的連接部，其中同時(shí)還允許進(jìn)行不同的熱膨脹，在采用簡單的焊接的情況下所述熱膨脹會(huì)很容易地導(dǎo)致連接部的斷裂。這樣即使在熱膨脹性能不同時(shí)，也可以保證氣體輸入管和至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的第一端側(cè)之間基本上氣密的連接。
根據(jù)所述廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，催化轉(zhuǎn)化器由陶瓷形成。所述催化轉(zhuǎn)化器也可以有利地設(shè)計(jì)成擠出構(gòu)件。根據(jù)另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案，所述催化轉(zhuǎn)化器也可以由至少一個(gè)金屬板層形成。在這種情況下，即a)通過卷繞至少一個(gè)至少部分形成(表面)結(jié)構(gòu)的金屬板層或通過卷繞至少一個(gè)基本上平滑的和至少一個(gè)至少部分形成結(jié)構(gòu)的金屬板層，或者b)通過堆疊多個(gè)基本上平滑的和至少部分形成結(jié)構(gòu)的金屬板層，并隨后將多個(gè)堆疊卷繞在一起來形成催化轉(zhuǎn)化器是有利的。這不僅允許螺旋形的蜂窩體構(gòu)造，而且允許實(shí)現(xiàn)具有S形或漸開線形地卷繞的堆疊的金屬蜂窩體。對于金屬催化轉(zhuǎn)化器，為其設(shè)置相對于空腔長度橫向或相對于空腔長度縱向形成的結(jié)構(gòu)是有利的和符合本發(fā)明的，金屬板層中的孔和通過至少部分流體可穿流的材料形成所述金屬板層的至少一部分也是可能的和符合本發(fā)明的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，建議一種用于廢氣后處理的方法，特別是在廢氣后處理設(shè)備、優(yōu)選是根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備中對汽車內(nèi)燃機(jī)的廢氣進(jìn)行廢氣后處理的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法包括下列步驟a)沿流入方向穿流過流入?yún)^(qū)并在所述流入?yún)^(qū)使至少部分廢氣發(fā)生催化轉(zhuǎn)化；b)使廢氣的流動(dòng)方向從流入方向轉(zhuǎn)向回流方向；以及c)沿回流方向穿流過一基本上可自由穿流的回流區(qū)。
上述針對根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備所述的優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)同樣可適用于根據(jù)本發(fā)明的用于廢氣后處理的方法。


下面借助于附圖詳細(xì)說明本發(fā)明其它的優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)，但本發(fā)明不局限于這里所示的實(shí)施例。其中圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備的縱向剖視圖；圖2示意性示出一個(gè)蜂窩體；圖3示意性示出一個(gè)具有已安裝的蜂窩體的外殼；圖4示意性示出根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例；圖5示意性示出廢氣后處理設(shè)備的第二實(shí)施例的剖視圖；以及圖6示意性示出按本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備的第三實(shí)施例的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備1的第一實(shí)施例的縱向剖視圖。廢氣后處理設(shè)備1具有一個(gè)帶有蜂窩體3的外殼2，所述蜂窩體用作催化轉(zhuǎn)化器。所述蜂窩體3由套管4包圍并通過固定裝置5固定在外殼2中。所述固定裝置5優(yōu)選設(shè)計(jì)成腹板，所述腹板不會(huì)使回流區(qū)6可自由穿透的橫截面明顯減小。可自由穿流的橫截面特別是指，在回流區(qū)內(nèi)沒有形成蜂窩結(jié)構(gòu)。蜂窩體3既可以設(shè)計(jì)成陶瓷的也可以設(shè)計(jì)成金屬的蜂窩體3。圖2示出金屬蜂窩體的一個(gè)示例。輸入管13設(shè)有一個(gè)將廢氣直接導(dǎo)向蜂窩體3第一端側(cè)14的錐形部35。所述錐形部35具有至少20°的張角。在所述錐形部35的前面朝向渦輪增壓器(未示出)連接一很短的管狀輸入管段，其中所述段的長度34不超過20mm(毫米)。
圖2示意性示出具有套管4的蜂窩體3。在所述套管4中固定一個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)7。所述蜂窩機(jī)構(gòu)由金屬板層8、9構(gòu)成。為了構(gòu)造蜂窩結(jié)構(gòu)7，將基本上平滑的金屬板層8和至少部分形成結(jié)構(gòu)的金屬板層9交替堆疊，并將多個(gè)堆疊同方向地相互連接。為了清楚起見，只在一個(gè)部分區(qū)域中畫出至少部分地形成結(jié)構(gòu)的金屬板層9?；旧掀交慕饘侔鍖?和至少部分地形成結(jié)構(gòu)的金屬板層9形成通道10。
可以采用厚度小于80μm，優(yōu)選小于40μm，特別優(yōu)選小于25μm的薄板作為金屬板層?；旧掀交慕饘侔鍖?和/或至少部分地形成結(jié)構(gòu)的金屬板層9同樣也可以至少局部由流體可穿流的材料、例如金屬燒結(jié)無紡織物形成。此外在基本上平滑的金屬板層8和/或至少部分地形成結(jié)構(gòu)的金屬板層9中加工出孔或其它類型的結(jié)構(gòu)，也是可能的并符合本發(fā)明的。特別還可以封閉一些通道10。加工出尺寸大于至少部分地形成結(jié)構(gòu)的金屬板層9的結(jié)構(gòu)循環(huán)長度的孔也是可能的并符合本發(fā)明的。
如圖1所示，本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備1的外殼2有兩個(gè)流動(dòng)區(qū)域。蜂窩體3的通道10構(gòu)成一個(gè)流入?yún)^(qū)11，而套管4和外殼2的壁部之間的外殼區(qū)域形成回流區(qū)6。蜂窩體3用作催化轉(zhuǎn)化器，即，它通常設(shè)有催化活性涂層，例如包含例如貴金屬催化劑顆粒、如鉑或銠的載體涂料。在該實(shí)施例中廢氣沿軸向穿流蜂窩體3。流過蜂窩體3的廢氣至少部分地在蜂窩體3中催化轉(zhuǎn)化。相反，流過回流區(qū)6的廢氣沒有催化轉(zhuǎn)化。
每個(gè)通道10都具有可穿流的第一橫截面，而回流區(qū)6具有可穿流的第二橫截面。自由穿流是指，回流區(qū)6可穿流的第二橫截面明顯大于通道10可穿流的第一橫截面。
在廢氣后處理設(shè)備1運(yùn)行時(shí)，通過氣體輸入管13將廢氣流12導(dǎo)入廢氣后處理設(shè)備1。氣體輸入管13基本上氣密地與蜂窩體3的套管14在蜂窩體的第一端側(cè)14的范圍內(nèi)相連接，從而在氣體輸入管13和流入?yún)^(qū)11之間存在基本上氣密的連接。因此廢氣流12基本上完全到達(dá)蜂窩體3。廢氣流12在流入方向15上穿流蜂窩體3。此時(shí)廢氣流12的至少一部分發(fā)生至少部分的轉(zhuǎn)化。廢氣流12通過第二端側(cè)16離開蜂窩體3。在第二端側(cè)16的區(qū)域內(nèi)沿流入方向15鄰接一流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置17。所述流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置基本上氣密地與外殼2相連。流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置17具有一凹陷18和一環(huán)形的突起19。所述較大的突起在蜂窩體3的軸向上分別與回流區(qū)6的中心相對，而凹陷18沿軸向與圓柱形的蜂窩體3的中部相對。流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置17的其它構(gòu)造也是可能的和符合本發(fā)明的。流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置17使廢氣流12進(jìn)行從流入方向15到回流方向21的轉(zhuǎn)向20。在當(dāng)前情況下，這甚至是使廢氣流進(jìn)行逆轉(zhuǎn)，即基本上為180°的轉(zhuǎn)向。這里使廢氣流12從流入?yún)^(qū)11轉(zhuǎn)向到回流區(qū)6。流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置17可以任選地具有隔熱部22。
此外外殼2還和一個(gè)集氣裝置23相連。連接部設(shè)計(jì)成基本上是氣密的。集氣裝置23由碗形構(gòu)件24和氣體排出管25組成。至少部分轉(zhuǎn)化的氣體流通過氣體排出管25離開廢氣后處理設(shè)備1。
運(yùn)行中，廢氣流12通過氣體流入管13流入蜂窩體3。在所述蜂窩體中至少一部分廢氣流12至少部分地催化轉(zhuǎn)化。在沿流入方向15穿流蜂窩體3后，在流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置17中在流動(dòng)方向上發(fā)生轉(zhuǎn)向20。然后廢氣流12沿回流方向21穿流回流區(qū)6。在回流區(qū)6中不發(fā)生催化轉(zhuǎn)化，所述回流區(qū)是基本上未分隔的流動(dòng)空間。流過回流區(qū)6的氣流與流入的廢氣流12相比通常被加熱了，因?yàn)榉涓C體3中的催化轉(zhuǎn)化通常是放熱地進(jìn)行的。由此有利地利用流過回流區(qū)6的氣流對蜂窩體3進(jìn)行調(diào)溫。在冷啟動(dòng)階段中，由于放熱反應(yīng)尚未啟動(dòng)，在蜂窩體3中沒有對氣流進(jìn)行加熱，可以有利地采用廢氣回輸來加熱蜂窩體3，在內(nèi)燃機(jī)的冷啟動(dòng)時(shí)要快速達(dá)到較高的溫度，所述溫度盡管在催化轉(zhuǎn)化器3中催化轉(zhuǎn)化的啟動(dòng)溫度之下，但在蜂窩體3周圍的環(huán)境溫度之上。這會(huì)使的蜂窩體3中的催化反應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)間明顯縮短。流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置17任選的隔熱部22也可防止熱損失，并由此可改善蜂窩體3的啟動(dòng)性能。此外，熱廢氣的回流和常規(guī)的廢氣后處理裝置相比，會(huì)使得在蜂窩體3上形成較小的熱梯度。這會(huì)提高蜂窩體的使用壽命。
對于氣體輸入管13和套管4之間的連接可以有利地利用滑動(dòng)配合。在所述兩個(gè)構(gòu)件有不同的熱膨脹的情況下，這使得可以實(shí)現(xiàn)氣密的連接。
根據(jù)回流原理，特別是由于氣體輸入管13和氣體排出管25都在蜂窩體3的第一端側(cè)14的區(qū)域內(nèi)形成，對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)室的區(qū)域內(nèi)較小的自由空間、例如盲孔也可以得到充分利用。這樣可以盡可能靠近發(fā)動(dòng)機(jī)地安裝廢氣后處理設(shè)備1。由此廢氣可快速達(dá)到較高的溫度，從而由此可改善蜂窩體3的啟動(dòng)性能。氣體輸入管13具有第一縱軸27。氣體排出管25具有第二縱軸28。為了能夠盡可能節(jié)省空間地安裝廢氣后處理設(shè)備1，如果第一縱軸27和第二縱軸28在包括第一端側(cè)14的平面上的投影的夾角大于60度，則是有利的。
在根據(jù)本發(fā)明的蜂窩體3中，回流區(qū)6具有小于或等于的流入?yún)^(qū)11內(nèi)的壓力損失的壓力損失。這里，回流區(qū)6中的壓力損失優(yōu)選小于或等于一有第一長度L1和相當(dāng)于輸入管路31的直徑32的直徑的管的壓力損失。
圖3示出具有已裝入的蜂窩體3的根據(jù)本發(fā)明的外殼2。蜂窩體3設(shè)計(jì)成與外殼2是同軸的。蜂窩體3的套管4通過固定裝置5與外殼2連接。蜂窩體3的、為了清楚起見沒有畫出的通道10形成流入?yún)^(qū)11，而在外殼壁部和套管4之間的外殼區(qū)域形成回流區(qū)6。外殼2具有第一長度L1和直徑D。蜂窩體3具有第二長度L2。在該實(shí)施例中第一長度L1與第二長度L2相同。對于根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備，優(yōu)選采用所謂的餅狀，即，比例L1/D優(yōu)選滿足0.3≤L1/D≤1。這里特別優(yōu)選的是所述比例L1/D約為0.5。然而其它(值)的比例L1/D也是可能的和符合本發(fā)明的。
圖4示意性示出根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備1的另一個(gè)實(shí)施例。在這種情況下，廢氣后處理設(shè)備1的外殼2中固定有四個(gè)蜂窩體3，通過四個(gè)氣體輸入管13向其輸送廢氣。此外，形成一個(gè)氣體排出管25，從而根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備1的該實(shí)施例可以用作集氣裝置。代替一個(gè)氣體排出管25，形成兩個(gè)或多個(gè)氣體排出管25，以可以實(shí)現(xiàn)例如多路的廢氣設(shè)備，這也是可能的并符合本發(fā)明的。碗形構(gòu)件24相應(yīng)地互相連接。流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置17設(shè)計(jì)成，在該實(shí)施例中也可以有效地進(jìn)行從流入?yún)^(qū)11到相應(yīng)回流區(qū)6的轉(zhuǎn)向20。在這種情況下，流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置17也形成有凹陷18和突起19，其中凹陷18分別相對于蜂窩體3對中地形成。
圖5示意性地示出圖4所示實(shí)施例的沿線V-V的剖視圖。這個(gè)橫截面示出其上固定有四個(gè)蜂窩體3的外殼2。套管4在這個(gè)橫截面中形成流入?yún)^(qū)11和回流區(qū)6之間界限。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備1的另一個(gè)實(shí)施例，所述廢氣后處理設(shè)備包括一個(gè)可沿徑向穿流的蜂窩體3。由現(xiàn)有技術(shù)已知，所述蜂窩體由具有宏觀結(jié)構(gòu)(未示出)的片狀件29形成，所述結(jié)構(gòu)弧形地形成從中央流動(dòng)區(qū)30向回流區(qū)6延伸的通道10。待轉(zhuǎn)化的廢氣流12沿軸向通過氣體輸入管13經(jīng)第一端側(cè)14流入中央流動(dòng)區(qū)30。由于蜂窩體3的第二端側(cè)16是封閉的，會(huì)使廢氣如箭頭所示轉(zhuǎn)向進(jìn)入流動(dòng)通道10。因此由通道10形成的流入?yún)^(qū)11的流入方向15徑向地從內(nèi)向外定向。外殼2用作流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置17，在氣體流出通道10后外殼使氣流發(fā)生沿回流方向21向回流區(qū)6中的轉(zhuǎn)向20。與例如基本上以180°進(jìn)行轉(zhuǎn)向的軸向可穿流的蜂窩體3不同，在徑向可穿流的蜂窩體3中氣流轉(zhuǎn)向大約90°。
廢氣從回流區(qū)6流入碗形構(gòu)件24。經(jīng)轉(zhuǎn)化的氣流26從這里通過氣體排出管25離開廢氣后處理設(shè)備1。在這個(gè)實(shí)施例中，氣體輸入管13和氣體排出管25也位于蜂窩體3的第一端側(cè)14的區(qū)域內(nèi)。
利用根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備1，可以使廢氣至少部分的催化轉(zhuǎn)化在非常有限的用于廢氣后處理設(shè)備1的自由接納空間內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)外殼2中的對流原理(Gegenstromprinzip)這是可能的。此外根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備1的特征在于與傳統(tǒng)的廢氣后處理設(shè)備相比改善的啟動(dòng)性能和較小的熱交變負(fù)荷。
附圖標(biāo)記表1 催化劑載體2 外殼3 蜂窩體4 套管5 固定裝置6 回流區(qū)7 蜂窩結(jié)構(gòu)8 基本上平滑的金屬板層9 至少部分形成結(jié)構(gòu)的金屬板層10通道11流入?yún)^(qū)12廢氣流13氣體輸入管14第一端側(cè)15流入方向16第二端側(cè)17流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置18凹陷19突起20轉(zhuǎn)向21回流方向22隔熱部23集氣裝置24碗形構(gòu)件25氣體排出管26經(jīng)轉(zhuǎn)化的氣體流27第一縱軸
28第二縱軸29片狀件30中央流動(dòng)區(qū)31輸入管路32輸入管路的直徑33張角34輸入管路的長度35錐形部D 直徑L1外殼的第一長度L2蜂窩體第二長度
權(quán)利要求
1.廢氣后處理設(shè)備(1)，特別是在汽車的內(nèi)燃機(jī)中靠近發(fā)動(dòng)機(jī)使用的廢氣后處理設(shè)備，具有一個(gè)外殼(2)，所述外殼具有由至少一個(gè)基本上可自由穿流的回流區(qū)(6)包圍的催化轉(zhuǎn)化器(3)，其中所述催化轉(zhuǎn)化器(3)包括第一端側(cè)(14)、第二端側(cè)(16)和流體在流入方向(15)上可穿流的空腔(10)，此外至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器(3)的第一端側(cè)(14)與至少一個(gè)氣體輸入管(13)相連，而至少一個(gè)氣體排出管(25)基本上氣密地與所述至少一個(gè)回流區(qū)(6)相連，并且至少一個(gè)流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置(17)使來自催化轉(zhuǎn)化器(3)的流體向外殼(2)的基本上可自由穿流的回流區(qū)(6)轉(zhuǎn)向(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述氣體輸入管(13)和氣體排出管(25)在所述催化轉(zhuǎn)化器(3)的第一端側(cè)(14)的區(qū)域內(nèi)形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述外殼(2)設(shè)計(jì)成彎管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述外殼(2)設(shè)計(jì)成集氣裝置。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述氣體排出管(25)和/或氣體輸入管(13)與一個(gè)渦輪增壓器相連接。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述外殼(2)和至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器(3)設(shè)計(jì)成對中的，優(yōu)選是同軸的。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述至少一個(gè)回流區(qū)(6)在所述至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器(3)的外部形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器(3)的空腔(10)總是具有第一可穿流橫截面，而在所述催化轉(zhuǎn)化器(3)的內(nèi)部形成具有第二可穿流橫截面的內(nèi)部區(qū)域作為回流區(qū)(6)，其中所述第二橫截面明顯大于第一橫截面。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述回流區(qū)(6)的第二可穿流橫截面基本上與催化轉(zhuǎn)化器(3)的第一可穿流橫截面的和一樣大。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述外殼(2)具有第一長度(L1)，而所述催化轉(zhuǎn)化器(3)有第二長度(L2)，其中所述外殼(2)的第一長度(L1)和所述催化轉(zhuǎn)化器(3)的第二長度(L2)基本上相同。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，外殼(2)具有直徑(D)，其中第一長度(L1)和外殼(2)的直徑(D)的商大于或等于0.3而且小于或等于1.5，優(yōu)選大于或等于0.3而且小于或等于1，特別優(yōu)選約為0.5。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述至少一個(gè)回流區(qū)(6)具有小于或等于流入?yún)^(qū)(11)的壓力損失的壓力損失，特別是小于或等于一具有第一長度(L1)和與輸入管(31)的直徑(32)相當(dāng)?shù)闹睆降墓艿膲毫p失。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述氣體輸入管(13)具有第一縱軸(27)，而所述氣體排出管(25)具有第二縱軸(28)，所述第一(27)和第二縱軸(28)在包括催化轉(zhuǎn)化器(3)的第一端側(cè)(14)的平面上的投影夾一個(gè)大于60°(度)的角。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述氣體輸入管(13)與所述至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器(3)的第一端側(cè)(14)滑動(dòng)配合地彼此連接。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述催化轉(zhuǎn)化器(3)由陶瓷制成。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述催化轉(zhuǎn)化器(3)是擠出成形的。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，所述催化轉(zhuǎn)化器(3)由至少一個(gè)金屬板層(8，9)形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的廢氣后處理設(shè)備(1)，其特征為，a)通過卷繞至少一個(gè)至少部分地形成結(jié)構(gòu)的金屬板層(9)，或通過卷繞至少一個(gè)基本上平滑的金屬板層(8)和至少一個(gè)至少部分地形成結(jié)構(gòu)的金屬板層(9)，或者b)通過堆疊多個(gè)基本上平滑的金屬板層(8)和至少部分形成結(jié)構(gòu)的金屬板層(9)并接著卷繞至少一個(gè)堆疊來形成所述催化轉(zhuǎn)化器(3)。
19.一種用于廢氣后處理方法，特別是在廢氣后處理設(shè)備(1)、特別是根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的廢氣后處理設(shè)備(1)中對汽車內(nèi)燃機(jī)的廢氣進(jìn)行后處理，包括下列步驟a)使廢氣沿流入方向(15)穿流過流入?yún)^(qū)(11)，并使廢氣的至少一部分廢氣在流入?yún)^(qū)(11)內(nèi)發(fā)生催化轉(zhuǎn)化；b)使廢氣的流動(dòng)方向從流入方向(15)向回流方向(21)轉(zhuǎn)向(20)；以及c)沿回流方向(21)穿流過基本上可自由穿流的回流區(qū)(6)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種廢氣后處理設(shè)備(1)，特別是在汽車的內(nèi)燃機(jī)中靠近發(fā)動(dòng)機(jī)使用的廢氣后處理設(shè)備，具有一個(gè)外殼(2)，所述外殼具有由至少一個(gè)基本上可自由穿流的回流區(qū)(6)包圍的催化轉(zhuǎn)化器(3)，其中所述催化轉(zhuǎn)化器(3)包括第一端側(cè)(14)、第二端側(cè)(16)和流體在流入方向(15)上可穿流的空腔(10)，此外至少一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器(3)的第一端側(cè)(14)與至少一個(gè)氣體輸入管(13)相連，而至少一個(gè)氣體排出管(25)基本上氣密地與所述至少一個(gè)回流區(qū)(6)相連，并且至少一個(gè)流動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置(17)使來自催化轉(zhuǎn)化器(3)的流體向外殼(2)的基本上可自由穿流的回流區(qū)(6)轉(zhuǎn)向(20)。根據(jù)本發(fā)明的廢氣后處理設(shè)備(1)的特征在于，與傳統(tǒng)的廢氣后處理設(shè)備相比較緊湊的結(jié)構(gòu)、改善的啟動(dòng)性能和較小的熱交變負(fù)荷。
文檔編號F01N13/10GK1809688SQ200480017462
公開日2006年7月26日 申請日期2004年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
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