專利名稱：帶有催化器的內(nèi)燃機(jī)排氣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分的、帶一催化器特別是NOx存儲(chǔ)催化器的、尤其是汽車的內(nèi)燃機(jī)的排氣裝置，其中在催化器前設(shè)有一冷卻段。
對于直接燃料噴射的奧托發(fā)動(dòng)機(jī)越來越多地采用NOx存儲(chǔ)催化器，以使氮氧化物轉(zhuǎn)化。因?yàn)橹挥性诒容^窄的廢氣溫度區(qū)內(nèi)才能達(dá)到足夠高的轉(zhuǎn)化率，要求發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和催化器系統(tǒng)這樣地相互匹配，使得在存儲(chǔ)催化器出口處的廢氣溫度對于一個(gè)大的運(yùn)行范圍盡可能位于溫度區(qū)內(nèi)。
為了防止超過溫度上限，采用一帶一冷卻段的排氣裝置是有益的，這里該冷卻段按要求降低廢氣溫度。由此同時(shí)也降低催化器系統(tǒng)的熱負(fù)荷，從而提高使用壽命。例如由DE 199 05 345 A1已知一種用于汽車的用來處理內(nèi)燃機(jī)廢氣流的帶一三元催化器和一后置的NOx捕集器的廢氣后處理裝置。在三元催化器和NOx捕集器之間廢氣通過一帶有具有連續(xù)流的溫度變化路徑的敏感的支路引導(dǎo)。由此達(dá)到，快速流動(dòng)的廢氣主要通過具有較多熱能輸出的路徑流動(dòng)，流動(dòng)得慢的廢氣主要通過一具有較少熱能輸出的路徑流動(dòng)，使得在NOx捕集器之前的溫度可以保持在一規(guī)定的區(qū)域內(nèi)。對于小的廢氣流量通過這種措施減少了相對的熱量輸出(相對于包含在廢氣中的所有熱量的熱量輸出)，而對于大的廢氣流量則提高這種相對的熱量輸出。但是這種結(jié)構(gòu)很復(fù)雜和昂貴，尤其是在某些情況下需要維護(hù)工作和修理時(shí)。
因此本發(fā)明的目的是，提供一種上述類型的排氣裝置，其中以少的費(fèi)用對于內(nèi)燃機(jī)的整個(gè)稀薄運(yùn)行區(qū)盡可能防止超過溫度上限。
按照本發(fā)明這個(gè)目的通過具有在權(quán)利要求1中表示的特征的上述類型的排氣裝置來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明優(yōu)良的結(jié)構(gòu)在從屬權(quán)利要求中給出。
為此按本發(fā)明設(shè)想，冷卻段以適當(dāng)?shù)男问阶龀啥嗔鞒痰暮?或配備附加的冷卻裝置，由此在內(nèi)燃機(jī)的具有不同廢氣流量的所有各個(gè)運(yùn)行階段內(nèi)提高廢氣中相對于包含在廢氣中的熱能的熱能輸出(相對熱能輸出)。
這有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即通過冷卻段的溫度下降相對于額定功率點(diǎn)的最大值處于廢氣流量的中間數(shù)值，因此當(dāng)催化器前的廢氣溫度正好達(dá)到對于稀薄運(yùn)行的溫度上限時(shí)，便出現(xiàn)最強(qiáng)的冷卻效果，通過附加的冷卻裝置溫度下降的最大值可以向更高的廢氣流量移動(dòng)，由此最佳地與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性相匹配。
為了擴(kuò)大散熱面的表面積，該附加的冷卻裝置包含設(shè)置在冷卻段外部圓周方面均勻分布和向外伸出的筋片。
為了擴(kuò)大表面以及形成渦流，以使更多的熱量從廢氣傳到外界，該附加的冷卻裝置包括至少一個(gè)做成熱交換器的廢氣輸入管，它在縱向長度上具有交替變更的橢圓度。
該附加的冷卻裝置包括至少一個(gè)沿縱向成波紋形的廢氣輸入管，由此進(jìn)一步加大表面積并改善渦流的形成。
通過使附加的冷卻裝置包括一具有向內(nèi)延伸的壓痕的廢氣輸入管，不僅達(dá)到散熱表面表面積的加大，而且達(dá)到使流過的廢氣流形成渦流。
為了在冷卻段內(nèi)使廢氣流形成渦流以及同時(shí)擴(kuò)大表面積，該附加的冷卻裝置包括至少一個(gè)具有內(nèi)凹槽的廢氣輸入管，它沿流動(dòng)方向可任選地傾斜設(shè)置。
在一種特別優(yōu)選的實(shí)施形式中該附加的冷卻裝置包括至少一個(gè)在橫截面上成n邊形、矩形、三角形、半圓形或半橢圓形的廢氣輸入管。
通過這樣的方法達(dá)到熱量從廢氣輸出的進(jìn)一步提高，即該附加的冷卻裝置具有至少一個(gè)設(shè)置在冷卻段區(qū)域內(nèi)的涂層，該涂層有利于熱量輸出，和/或附加的冷卻裝置，該裝置包括一用來用外界氣流吹拂冷卻段的裝置。
本發(fā)明其他的特征、優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)良的結(jié)構(gòu)由從屬權(quán)利要求以及以下借助于附圖對本發(fā)明的說明中得到，附圖所示為

圖1是相對熱量輸出以及溫度下降與廢氣流量或汽車速度的關(guān)系的圖象表示，圖2是按本發(fā)明的排氣裝置的一種優(yōu)選實(shí)施形式，圖3a是相對熱量輸出以及溫度下降與廢氣流量的關(guān)系的又一圖象表示，圖3b是按圖3a的圖形的數(shù)值表格，圖4、6、8、10、12分別表示一做成熱交換器的廢氣輸入管的不同實(shí)施形式的示意側(cè)視圖，和圖5、7、9、11、13分別表示按圖4、6、8、10和12的廢氣輸入管的示意正視圖。
圖1以曲線(a)定性表示通過普通的排氣裝置出現(xiàn)的溫度下降與廢氣流量或汽車速度的關(guān)系。其中對于溫度下降顯示一(虛線表示的)典型曲線，它從低的到中間的廢氣流量時(shí)首先增大，接著在大的廢氣流量時(shí)重新減小。現(xiàn)在通過本發(fā)明的排氣裝置的冷卻效果與具有直接噴射的奧托發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車的運(yùn)行特性最佳地匹配。為此在圖2中所示的排氣裝置110做成多流程的和/或在催化器113前的冷卻段112的區(qū)段內(nèi)設(shè)有附加的冷卻裝置，以便在總體上加大熱量輸出(圖1中的細(xì)實(shí)線)。這通過圖1中的曲線(b)和(c)表示，所示的多流程冷卻段112(圖2)包括多條廢氣輸入管114。廢氣在116中流入，在118中流出。
如果廢氣溫度在例如做成NOx存儲(chǔ)催化器的催化器113前正好達(dá)到對于稀薄運(yùn)行的溫度上限，便出現(xiàn)最強(qiáng)冷卻效果區(qū)，這樣是有利的，這里廢氣溫度通常在約400℃至550℃的范圍內(nèi)，這根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)-傳動(dòng)箱-汽車組合的不同而相當(dāng)于約60km/h至160km/h的速度范圍(在平面內(nèi)均速行駛)。
對于按本發(fā)明的冷卻性能在設(shè)計(jì)排氣裝置時(shí)依次確定以下幾點(diǎn)1.通過管子數(shù)量以及其直徑和長度確定散熱表面的大小。
2.例如通過加大渦流加大內(nèi)部熱傳導(dǎo)。
3.通過用空氣，例如行駛風(fēng)按要求環(huán)流，通過導(dǎo)風(fēng)元件或?qū)эL(fēng)通道或鼓風(fēng)機(jī)改善外部的散熱系數(shù)。
4.例如通過特殊的表面涂層，加大輻射散熱。
由此不僅提高絕對冷卻水平，而且也使最大冷卻效果點(diǎn)或區(qū)(圖1中的點(diǎn)120)向更大的廢氣流量方向移動(dòng)(更多的汽車速度)。因此這在規(guī)定的散熱表面時(shí)特別有利，因?yàn)橛纱死淦饎?dòng)特性只起很小的不利影響，這里應(yīng)該盡快加熱催化器，這要求通過排氣裝置散發(fā)盡可能少的熱量和具有盡可能小的熱慣性。此外由此避免，催化器在非常低的汽車速度時(shí)(和加上很低的環(huán)境溫度)過快地重新離開下工作區(qū)。
此外圖1中標(biāo)注了通過管壁散發(fā)的熱量相對于包含在廢氣中的總熱量(相對熱量輸出)(細(xì)實(shí)線122)。特征是，相對散熱輸出隨著廢氣流量的加大(越來越高的行駛速度)對于各種方案都越來越小。
在圖3a和3b中用圖象和表格表示按本發(fā)明的排氣裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式的測量值。其中在圖3a中標(biāo)注了通過冷卻段112出現(xiàn)的廢氣溫度下降與廢氣流量(汽車速度)的關(guān)系，如可以直接看到的那樣，在所希望的速度范圍內(nèi)達(dá)到在NOx存儲(chǔ)催化器113之前的最大廢氣溫度下降。其次標(biāo)注了所求出的相對熱量輸出的曲線。
在圖4至13中表示附加的冷卻裝置的不同可能性，按圖4和5的做成熱交換器14的廢氣輸入管12設(shè)有設(shè)置在外部的、沿圓周方向均勻分布的和向外伸出的筋片33。筋片33用來擴(kuò)大廢氣輸入管12散熱表面的面積，從而改善向外界的熱傳導(dǎo)。圖6、7表示一做成熱交換器14的廢氣輸入管12，它具有沿縱向交替變化的橢圓度。這既導(dǎo)致表面積擴(kuò)大，又促使流過廢氣輸入管12的廢氣流形成渦流。在圖8、9中表示一在縱向成波紋形的廢氣輸入管12。在這里也得到表面積的擴(kuò)大和在廢氣輸入管12內(nèi)廢氣流的渦流形成。按圖10、11的廢氣輸入管12在圓周方向設(shè)有向內(nèi)延伸的壓痕34，由此既加大散熱表面的面積，又使流過的廢氣流形成渦流。圖12、13表示一種廢氣輸入管12，它在內(nèi)部設(shè)有凹槽35，其中凹槽35在流動(dòng)方向也可以傾斜放置。凹槽35用來使在廢氣輸入管12中的廢氣流形成渦流，并且同時(shí)可以加大廢氣輸入管12散熱表面的面積。
按照一種未畫出的實(shí)施形式做成熱交換器14的廢氣輸入管12在橫截面內(nèi)也可以做成n邊形、矩形、三角形、半圓形或半橢圓形的管子、以增加渦流。其中在做成熱交換器14的廢氣輸入管12內(nèi)產(chǎn)生的渦流特別用來提高從高溫廢氣向相應(yīng)廢氣輸入管12的外壁的熱傳導(dǎo)。其次通過在廢氣輸入管12內(nèi)形成廢氣渦流防止隨著管道長度的加大形成的溫度分層，也就是說形成一冷的外廢氣流和一熱的內(nèi)廢氣流。
按照另一種未畫出的實(shí)施形式做成熱交換器14的廢氣輸入管可以配備一有利于散熱的涂層和/或其在某些情況下形成構(gòu)造的外表面用有利于散熱的外界氣流吹拂。
權(quán)利要求
1.特別是汽車內(nèi)燃機(jī)的排氣裝置(110)，具有一催化器(113)，尤其是NOx存儲(chǔ)催化器，其中在催化器(113)前設(shè)一冷卻段(112)，其特征為冷卻段(112)包括多個(gè)單獨(dú)的排氣管(114)和/或在它上面這樣地設(shè)置附加的冷卻裝置(33；34；36)，使得在內(nèi)燃機(jī)的具有不同廢氣流量的所有各個(gè)運(yùn)行階段內(nèi)這樣地提高廢氣中相對于包含在廢氣中的熱能的熱能輸出(相對熱能輸出)，使得對于廢氣流量的中間數(shù)值調(diào)整到一最大的溫度下降。
2.按權(quán)利要求1所述的排氣裝置(110)，其特征為該附加的冷卻裝置包括設(shè)置在冷卻段(112)外部的、沿圓周方向均勻分布和向外伸出的筋片。
3.按權(quán)利要求1或2所述的排氣裝置(110)，其特征為，該附加的冷卻裝置包括至少一個(gè)做成熱交換器的廢氣輸入管，它具有沿縱向交替變化的隨圓度。
4.按上述權(quán)利要求之至少一項(xiàng)所述的排氣裝置(110)，其特征為，該附加的冷卻裝置包括至少一個(gè)在縱向或波紋形的廢氣輸入管。
5.按上述權(quán)利要求之至少一項(xiàng)所述的排氣裝置(110)，其特征為該附加的冷卻裝置包括至少一個(gè)具有向內(nèi)延伸的壓痕(34)的廢氣輸入管。
6.按上述權(quán)利要求之至少一項(xiàng)所述的排氣裝置(110)，其特征為該附加的冷卻裝置包括至少一個(gè)具有內(nèi)部凹槽(35)的廢氣輸入管。
7.按權(quán)利要求6所述的排氣裝置(110)，其特征為該凹槽沿流動(dòng)方向傾斜設(shè)置。
8.按上述權(quán)利要求之至少一項(xiàng)所述的排氣裝置(110)，其特征為該附加的冷卻裝置包括至少一個(gè)在橫截面上成n邊形、矩形、三角形、半圓形或半橢圓形的廢氣輸入管。
9.按上述權(quán)利要求之至少一項(xiàng)所述的排氣裝置(110)，其特征為該附加的冷卻裝置具有至少一個(gè)設(shè)置在冷卻段區(qū)域內(nèi)的有利于散熱的涂層。
10.按上述權(quán)利要求之至少一項(xiàng)所述的排氣裝置(110)，其特征為該附加的冷卻裝置包括一個(gè)用于用外界氣流吹拂冷卻段的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種特別是汽車內(nèi)燃機(jī)的排氣裝置(110)，其具有一催化器(113)，尤其是NOx－存儲(chǔ)催化器，其中在催化器(113)之前設(shè)一冷卻段(112)，其中冷卻段(112)包括多個(gè)單獨(dú)的排氣管(114)和/或在它上面這樣設(shè)置地附加的冷卻裝置(33；34；36)，使得在內(nèi)燃機(jī)具有不同廢氣流量的所有各個(gè)運(yùn)行階段這樣地提高廢氣中相對于包含在廢氣中的熱能的熱能輸出(相對熱能輸出)，使得對于廢氣流量的中間數(shù)值調(diào)整到最大的溫度下降。
文檔編號(hào)F01N3/08GK1466651SQ01816625
公開日2004年1月7日 申請日期2001年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月30日
發(fā)明者M·齊爾默, M 齊爾默, E·波特, K·米歇爾斯 申請人:大眾汽車有限公司