УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ НАГРЕВА УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
GAS PROCESSING DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF HEATING EXHAUST GAS PROCESSING DEVICE

Изобретение относится к устройству обработки отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения и к способу нагрева устройства обработки отработавших газов согласно родовому понятию пункта 13 формулы изобретения.
В современных системах обработки отработавших газов является обычным встраивать элементы обработки отработавших газов множества типов, например, катализаторы или фильтры частиц, в линию отработавших газов и посредством этих элементов обработки отработавших газов обеспечивать целенаправленное сокращение отдельных видов вредных веществ. Однако некоторые из этих элементов обработки отработавших газов достигают своей полной производительности или оптимальной рабочей температуры только при прогретом двигателе внутреннего сгорания. По этой причине принимаются различные меры, которые в фазе холодного старта двигателя внутреннего сгорания гарантируют быстрый нагрев этих элементов обработки отработавших газов.
Из DE 19800654 A1, например, известно, что в линии отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания последовательно друг за другом в направлении течения отработавших газов размещаются первый водный затвор, электрически нагреваемое сотовое (ячеистое) тело, ячеистое тело с каталитически активным покрытием и второй водный затвор. Электрически нагреваемое ячеистое тело и ячеистое тело с каталитически активным покрытием могут при этом предпочтительно образовывать конструктивный блок, посредством чего ячеистое тело с каталитически активным покрытием может с помощью электрически нагреваемого ячеистого тела быстрее нагреваться в фазе холодного старта двигателя внутреннего сгорания. Таким способом улучшается сокращение вредных веществ в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания. За счет обоих водных затворов к тому же гарантируется, что оба ячеистых тела находятся в сухом состоянии и, тем самым, особенно быстро нагреваются.
Задачей изобретения является предоставить устройство обработки отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания, особенно для применения в автомобиле, и способ нагрева устройства обработки отработавших газов, с помощью которого или с помощью которых сокращение выбросов вредных веществ, особенно в фазе холодного старта двигателя внутреннего сгорания, достижимо простым и надежным в эксплуатации способом с высокой эффективностью.
Эта задача решается признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение относится к устройству обработки отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания, в особенности для применения в автомобиле, с линией отработавших газов с по меньшей мере одной трубой отработавших газов и по меньшей мере одним элементом обработки отработавших газов. В соответствии с изобретением внутренняя стенка трубы отработавших газов и/или по меньшей мере один элемент обработки отработавших газов имеет материал, поглощающий пар, для образования по меньшей мере одного поглощающего элемента на стороне линии отработавших газов.
Адсорбция и/или абсорбция пара, образованного, например, из отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности водяного пара, посредством поглощающего пар материала приводит к конденсации пара и, тем самым, к высвобождению тепловой энергии.
Эта тепловая энергия обуславливает нагрев поглощающего элемента, образованного внутренней стенкой трубы отработавших газов и/или по меньшей мере одним элементом обработки отработавших газов, так что при запуске двигателя внутреннего сгорания, особенно при холодном запуске двигателя внутреннего сгорания, вся линия отработавших газов быстрее нагревается, и по меньшей мере один элемент обработки отработавших газов может быстрее достичь своей оптимальной рабочей температуры. Тем самым нагрев по меньшей мере одного элемента обработки отработавших газов заметно упрощается, так как должен предусматриваться только материал, поглощающий пар. Так можно, например, отказаться от электрических проводников или выводов для энергоснабжения электрического нагревательного элемента. Так как к тому же внутренняя стенка трубы отработавших газов и/или по меньшей мере один элемент обработки отработавших газов должен образовывать по меньшей мере один поглощающий элемент на стороне линии отработавших газов, также никакой дополнительный нагревательный элемент не должен предусматриваться в линии отработавших газов. Таким способом сопротивление потоку или противодавление отработавших газов в линии отработавших газов повышается незаметно и по меньшей мере один элемент обработки отработавших газов особенно эффективно нагревается с учетом потребления топлива двигателя внутреннего сгорания.
В конкретном выполнении, внутренняя стенка трубы отработавших газов и/или по меньшей мере один элемент обработки отработавших газов может по меньшей мере на участках быть покрыт материалом, поглощающим пар. Тем самым по меньшей мере один поглощающий элемент может быть выполнен особенно просто. Альтернативно и/или дополнительно, по меньшей мере один элемент обработки отработавших газов по меньшей мере на отдельных участках может быть изготовлен из материала, поглощающего пар. Тем самым эффективность по меньшей мере одного поглощающего элемента может быть дополнительно повышена. Также возможно внутреннюю стенку трубы отработавших газов по меньшей мере на участках выполнить из поглощающего материала.
В другом конкретном выполнении по меньшей мере один элемент обработки отработавших газов может быть выполнен посредством по меньшей мере одного катализатора и/или посредством по меньшей мере одного фильтра частиц. С помощью материала, поглощающего пар, этот по меньшей мере один катализатор и/или этот по меньшей мере один фильтр частиц может нагреваться особенно простым способом.
В предпочтительном выполнении содержание, особенно содержание по массе материала, поглощающего пар, по меньшей мере одного, в частности, расположенного в зоне впуска линии отработавших газов поглощающего элемента может убывать в направлении потока отработавших газов. Таким способом, с определенным количеством материала, поглощающего пар, в по меньшей мере одном поглощающем элементе может поглощаться больше пара, в частности водяного пара из потока отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Предпочтительным образом содержание материала, поглощающего пар, по меньшей мере одного поглощающего элемента, может дегрессивно снижаться в направлении потока отработавших газов.
Альтернативно или дополнительно, содержание, особенно содержание по массе материала, поглощающего пар, расположенного в зоне выпуска линии отработавших газов поглощающего элемента, может возрастать в направлении потока отработавших газов. Таким способом гарантируется, что при остановке двигателя внутреннего сгорания никакой пар или очень малое количество пара, в частности водяного пара, за счет подачи воздуха снаружи может попасть в линию отработавших газов. Предпочтительным образом, это содержание материала, поглощающего пар, может прогрессивно возрастать в направлении потока отработавших газов, чтобы эффективно повысить получение пара из воздуха.
В другом выполнении содержание, особенно содержание по массе материала, поглощающего пар, в линии отработавших газов и, тем самым, через несколько поглощающих элементов, расположенных друг за другом в направлении потока отработавших газов, в особенности в зоне впуска линии отработавших газов, может убывать в направлении потока отработавших газов. За счет этого большое количество, например, водяного пара поглощается вблизи двигателя, и поэтому следующий за двигателем элемент обработки отработавших газов может очень быстро приводиться на желательную температуру. Посредством удаления большого количества водяного пара уже в самом начале, тогда для последующих, расположенных вниз по потоку элементов обработки отработавших газов, потребуется предусматривать меньшее количество поглощающего материала. Предпочтительным образом содержание материала, поглощающего пар, в линии отработавших газов в направлении потока отработавших газов может при этом уменьшаться, например, дегрессивно.
Альтернативно и/или дополнительно, содержание, особенно содержание по массе материала, поглощающего пар, в зоне выпуска линии отработавших газов может возрастать в направлении потока отработавших газов, так что при остановке двигателя внутреннего сгорания влажность воздуха не сможет проникнуть или проникнет только в малом количестве извне за счет подачи воздуха в линию отработавших газов. Предпочтительным образом это содержание материала, поглощающего пар, может прогрессивно увеличиваться в направлении потока отработавших газов.
В другой альтернативной форме выполнения содержание, особенно содержание по массе материала, поглощающего пар, в промежуточной зоне линии отработавших газов между зоной впуска и зоной выпуска линии отработавших газов может быть больше, чем в зоне линии отработавших газов, расположенной выше и/или ниже ее по потоку. Предпочтительным образом, эта промежуточная зона линии отработавших газов образована элементом обработки отработавших газов, который имеет большее содержание поглощающего материала, чем по меньшей мере один элемент обработки отработавших газов, расположенный выше по потоку, и или по меньшей мере один элемент обработки отработавших газов, расположенный ниже по потоку. Это может быть целесообразным, например, для случаев применения, при которых особенно критичная к температуре область лежит не в начале или в конце линии отработавших газов.
В предпочтительной форме выполнения по меньшей мере один поглощающий элемент может быть расположен и/или выполнен в основном трубопроводе линии отработавших газов, обтекаемом основным потоком отработавших газов. За счет этого особенно большая часть пара из потока отработавших газов может поглощаться посредством по меньшей мере одного поглощающего элемента.
Конкретно, поглощающий материал может представлять собой цеолит и/или силикагель, и/или алюмофосфат, и/или силикоалюмофосфат, и/или гидрид металла. Эти материалы обеспечивают возможность особенно эффективного поглощения пара. Предпочтительным образом цеолит может быть типа А, Х или Y. Далее, предпочтительным образом применяемые цеолиты являются не SCR-активными. В особенности, применяемые цеолиты выполнены как незамещенные металлом цеолиты, например как цеолит железа или меди.
В другом выполнении может предусматриваться блокировочное устройство, посредством которого подача отработавших газов и/или воздуха к поглощающей зоне, принимающей и/или образующей по меньшей мере один поглощающий элемент, в зависимости от определенных рабочих условий двигателя внутреннего сгорания, блокируется и/или высвобождается. Посредством блокировочного устройства подача отработавших газов и/или воздуха или содержащегося в нем пара к по меньшей мере одному поглощающему элементу, предпочтительно при остановке двигателя внутреннего сгорания, может надежным образом предотвращаться.
Предпочтительным образом, блокировочное устройство для блокирования или высвобождения подачи воздуха может иметь по меньшей мере один блокирующий элемент, расположенный ниже по потоку от зоны поглощения. Тем самым подача воздуха может простым способом блокироваться и высвобождаться. Альтернативно и/или дополнительно, блокировочное устройство для блокирования или высвобождения подачи отработавших газов может иметь по меньшей мере один блокирующий элемент, расположенный выше по потоку от зоны поглощения. Таким способом подача отработавших газов в зону поглощения может простым способом блокироваться и высвобождаться.
Конкретно, по меньшей мере один блокирующий элемент, расположенный выше по потоку, может быть выполнен как запорный клапан, посредством которого поток отработавшего газа через впускную трубу, образующую впуск линии отработавших газов, может блокироваться или высвобождаться. Таким способом блокирующий элемент может выполняться особенно просто. Кроме того, по меньшей мере один блокирующий элемент, расположенный ниже по потоку, может быть выполнен как запорный клапан, посредством которого поток отработавшего газа через выпускную трубу, образующую выпуск линии отработавших газов, может блокироваться или высвобождаться. Таким способом по меньшей мере один блокирующий элемент, расположенный ниже по потоку, может выполняться особенно просто. Предпочтительным образом, по меньшей мере один запорный клапан, расположенный ниже по потоку, может быть выполнен как клапан рециркуляции отработавших газов или как клапан моторного замедлителя, которые тогда в двойной функции способствуют тому, чтобы обеспечивать уменьшение количества компонентов.
По меньшей мере один блокирующий элемент, расположенный ниже по потоку, также может быть выполнен как поглощающий брусок и расположен и/или позиционирован в линии отработавших газов. Посредством этого поглощающего бруска надежным образом предотвращается подача пара в зону поглощения посредством воздуха, втекающего в линию отработавших газов. Поглощающий брусок может при этом предпочтительным образом изготавливаться из поглощающего пар материала и/или иметь несущее тело, которое покрыто материалом, поглощающим пар.
Согласно выраженной также независимо от приведенного выше устройства обработки отработавших газов заявленной сущности изобретения, кроме того, предлагается способ нагрева устройства обработки отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания с линией отработавших газов с по меньшей мере одной трубой отработавших газов и по меньшей мере одним элементом обработки отработавших газов. В соответствии с изобретением внутренняя стенка трубы отработавших газов и/или по меньшей мере один элемент обработки отработавших газов имеет поглощающий пар материал для образования по меньшей мере одного поглощающего элемента на стороне линии отработавших газов, причем подача отработавших газов и/или воздуха и тем самым подача пара на по меньшей мере один поглощающий элемент высвобождается при запуске двигателя внутреннего сгорания, особенно при холодном старте двигателя внутреннего сгорания, и причем при выключении двигателя внутреннего сгорания подача пара на по меньшей мере один поглощающий элемент блокируется при помощи блокировочного устройства.
Таким способом гарантируется, что по меньшей мере один поглощающий элемент нагревается только при запуске двигателя внутреннего сгорания, особенно при холодном старте двигателя внутреннего сгорания. При выключении двигателя внутреннего сгорания или при его остановке подача пара на по меньшей мере один поглощающий элемент блокируется, так как продолжающаяся подача пара могла бы привести к насыщению паром по меньшей мере одного поглощающего элемента.
Предпочтительным образом, пар, поглощенный по меньшей мере одним поглощающим элементом, при определенной температуре поглощающего элемента вытесняется из поглощающего элемента. Таким способом по меньшей мере один поглощающий элемент может регенерироваться при нагреве устройства обработки отработавших газов. Тем самым при следующем запуске двигателя внутреннего сгорания поглощающий элемент имеет свою полную функциональную способность. В случае гидридов металлов, эта определенная температура поглощающего элемента находится в диапазоне от примерно 280°С до 500°С, в случае силикагелей - в диапазоне от примерно 40°С до 100°С и в случае цеолитов - в диапазоне от примерно 130°С до 300°С. Предпочтительным образом, применяемый материал, поглощающий пар, имеет теоретическую теплоемкость, примерно равную 250 кВт⋅час/К.
Описанные выше и/или представленные в зависимых пунктах предпочтительные варианты осуществления изобретения могут, кроме, например, случаев однозначных зависимостей или необъединяемых альтернатив, применяться отдельно или также в любой комбинации друг с другом.
Изобретение и его предпочтительные варианты осуществления, а также их преимущества будут описаны ниже со ссылками на чертежи только в качестве примера. На чертежах показано следующее:
Фиг. 1 - принципиальное представление соответствующего изобретению устройства обработки отработавших газов согласно первому примеру выполнения;
Фиг. 2 - диаграмма, из которой следует распределение массы поглощающего пар материала в устройстве обработки отработавших газов согласно фиг. 1;
Фиг. 3 - диаграмма, из которой следует распределение массы поглощающего пар материала элементов обработки отработавших газов устройства обработки отработавших газов согласно фиг. 1;
Фиг. 4 - принципиальное представление соответствующего изобретению устройства обработки отработавших газов согласно второму примеру выполнения;
Фиг. 5 - диаграмма, из которой следует распределение массы поглощающего пар материала в устройстве обработки отработавших газов согласно третьему примеру выполнения;
Фиг. 6 - диаграмма, из которой следует распределение массы поглощающего пар материала элементов обработки отработавших газов устройства обработки отработавших газов согласно фиг. 5;
Фиг. 7 - представление в сечении вдоль линии А-А на фиг. 1.
На фиг. 1 показана соответствующая изобретению линия 1 отработавших газов согласно первой форме выполнения. Эта линия 1 отработавших газов имеет впускную трубу 3, которая первой концевой зоной подключена к двигателю 5 внутреннего сгорания, а второй концевой зоной - к содержащему фильтр 7 частиц корпусу или оболочке 9 фильтра частиц. К трубе 9 фильтра частиц примыкает в направлении S потока отработавших газов соединительная труба 15, связанная с трубой 9 фильтра частиц и с вмещающим катализатор 11 корпусом или оболочкой 13 катализатора. Линия 1 отработавших газов также имеет выпускную трубу 17, которая подключена первой концевой зоной к трубе 13 катализатора, а второй концевой зоной сообщается со свободной внешней средой.
Фильтр 7 частиц, катализатор 11, а также внутренние стенки корпуса 9 фильтра частиц, корпуса 13 катализатора и соединительной трубы 15 покрыты материалом, поглощающим пар. Это следует, например, из представления в сечении соединительной трубы 15, показанного на фиг. 7. В соответствии с этим слой 26 из поглощающего материала с определенной толщиной слоя нанесен на внутреннюю стенку 27 соединительной трубы 15. Материал, поглощающий пар, может быть, например, цеолитом типа А, в качестве лишь одного из возможных выполнений этого материала. Когда этот материал поглощает пар из отработавших газов двигателя 5 внутреннего сгорания или окружающего воздуха, этот пар конденсируется и высвобождается тепловая энергия. Таким способом вся линия 1 отработавших газов в фазе холодного старта двигателя 5 внутреннего сгорания быстрее нагревается, за счет чего фильтр 7 частиц и катализатор 11 могут быстрее достигнуть своей оптимальной рабочей температуры.
AS
Из фиг. 2 и 3 следует распределение массы материала, поглощающего пар, в линии 1 отработавших газов. Чтобы это показать наглядно, на фиг. 2 катализатор 11, фильтр 7 частиц, а также другие встроенные в линию 1 отработавших газов элементы обработки отработавших газов объединены в систему 18 обработки отработавших газов. К тому же также трубы, размещенные между впускной трубой 5 и выпускной трубой 17, объединены в единственную приемную трубу 25, вмещающую систему 18 обработки отработавших газов. Согласно фиг. 2 содержание массы m материала, поглощающего пар, в системе 18 обработки отработавших газов по ее длине I в направлении S потока отработавших газов дегрессивно убывает. Это распределение массы обеспечивает возможность быстрого нагрева фильтра 7 частиц, расположенного в зоне двигателя 5 внутреннего сгорания.
AЕ
По сравнению с фиг. 2, на фиг. 3 система 18 обработки отработавших газов вновь разделена на отдельные элементы 19 обработки отработавших газов, чтобы наглядно показать распределение массы в элементах 19 обработки отработавших газов. Согласно фиг. 3 содержание массы m материала, поглощающего пар, в отдельных элементах 19 обработки отработавших газов по их длине I в направлении S потока отработавших газов дегрессивно убывает. Посредством этого распределения массы, с определенной массой материала, поглощающего пар, в каждом элементе 19 обработки отработавших газов может поглощаться больше пара из потока отработавших газов двигателя 5 внутреннего сгорания, потому что количество пара в отработавших газах на основе температуры отработавших газов, убывающей в направлении S потока отработавших газов, снижается.
Из фиг. 1, кроме того, следует, что впускная труба 3 имеет впускной клапан 20. Посредством него поток отработавших газов через впускную трубу 3 в зависимости от определенных рабочих условий двигателя внутреннего сгорания блокируется или отпирается. Кроме того, выпускная труба 17 имеет выпускной клапан 21, посредством которого воздушный поток извне в линию 1 отработавших газов также может блокироваться или высвобождаться в зависимости от определенных рабочих условий двигателя внутреннего сгорания.
В нижеследующем описании поясняются отдельные этапы способа для быстрого нагрева соответствующей изобретению линии 1 отработавших газов.
При холодном старте двигателя 5 внутреннего сгорания или непосредственно перед этим впускной клапан 20 и выпускной клапан 21 открываются, так что отработавшие газы двигателя 5 внутреннего сгорания через линию 1 отработавших газов могут вытекать в свободную окружающую среду. Содержащийся в отработавших газах пар, например водяной пар, воспринимается материалом, поглощающим пар, и, наряду с тепловой энергией отработавших газов, высвобождается дополнительная тепловая энергия. Эта дополнительная тепловая энергия обеспечивает возможность особенно быстрого нагрева линии 1 отработавших газов. После прохождения фазы холодного старта материал, поглощающий пар, посредством отработавших газов нагревается таким образом, что содержащийся в нем пар вновь вытесняется и из линии 1 отработавших газов может течь в свободную окружающую среду. При выключении двигателя 5 внутреннего сгорания или вскоре после этого впускной клапан 20 и выпускной клапан 21 снова запираются, чтобы препятствовать дополнительной подаче пара на материал, поглощающий пар. Таким образом, надежно предотвращается насыщение материала, поглощающего пар, перед новым холодным стартом двигателя 5 внутреннего сгорания.
На фиг. 4 показана соответствующая изобретению линия 1 отработавших газов согласно второму примеру выполнения. При этом линия 1 отработавших газов не имеет выпускного клапана 21 для запирания или высвобождения подачи воздуха, а имеет размещенный в приемной трубе 25, следующий за системой 18 обработки отработавших газов в направлении S потока отработавших газов поглощающий брусок 23. Этот поглощающий брусок 23 представляет собой выполненное из материала, поглощающего пар, тело в форме блока или колодки, которое надежно препятствует подаче пара из воздуха окружающей среды в систему 18 обработки отработавших газов при остановке двигателя 5 внутреннего сгорания.
На фиг. 5 и 6 показана соответствующая изобретению линия 1 отработавших газов согласно третьему примеру выполнения. При этом линия 1 отработавших газов вновь не имеет выпускного клапана 21 для запирания или отпирания подачи воздуха. Для того чтобы все же препятствовать подаче пара из воздуха окружающей среды в по меньшей мере часть элементов 19 обработки отработавших газов, здесь предусмотрено, что содержание массы m материала, поглощающего пар, в элементе обработки отработавших газов, непосредственно примыкающем к выпускной трубе 17, в направлении S потока отработавших газов прогрессивно возрастает.
Перечень ссылочных позиций
1 линия отработавших газов
3 впускная труба
5 двигатель внутреннего сгорания
7 фильтр частиц
9 корпус фильтра частиц
11 катализатор
13 корпус катализатора
15 соединительная труба
17 выпускная труба
18 система обработки отработавших газов
19 элемент обработки отработавших газов
20 впускной клапан
21 выпускной клапан
23 поглощающий брусок
25 приемная труба
26 слой материала, поглощающего пар
27 внутренняя стенка соединительной трубы
S направление потока отработавших газов