專利名稱：具有排氣系統的內燃機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有排氣系統的內燃機，內燃機的廢氣可引入到該 排氣系統中，且在該排氣系統中設置有熱傳遞單元，通過該熱傳遞單元 可將熱量從排氣系統排出并引入到廢氣后處理系統的處理室中。在此， 可從儲存容器引入到處理室中的添加劑可借助于在廢氣后處理系統中 連接在處理室之后的定量單元被定量輸送給排氣系統，對于所述添加劑 而言，通過從排氣系統排出的熱量可引起至少部分的聚集狀態變化。
背景技術：
僅僅通過優化燃燒，即采取電動機內部措施即可使得顆粒和冊x排
放減少到法律規定的用于載貨車的歐洲-2-極限值。在不進行廢氣后處 理的情況下也可達到歐洲-3-極限值。
相比之下，為了也能保持用于載貨車的歐洲-4特別是歐洲-5廢氣 極限值以及其它將來的廢氣極限值，作為對電動機內部措施的補充，還 需要使用廢氣后處理系統。為了也能滿足立法者規定的廢氣極限值，提 供了不同的汽車技術解決方案。這些技術方案之一規定，采取電動機內 部措施，與N0x的降低相結合，利用廢氣后處理通過可選擇的催化還原 (SCR技術)來減少顆粒。
SCR系統的中央部件是催化器，催化器借助于氨將氧化氮轉化成水 蒸氣和氮氣。其中在到達SCR催化器之前，借助于噴入噴嘴向廢氣輸送 添加劑或者本身作為還原劑的氨，由所述添加劑可產生還原的氨。
作為用于提供所需要的還原劑的添加劑，原則上提供有純氨、碳酸 銨或者尿素水溶液。相關地，使用無毒的氣味中性的尿素優于其它用于 產生對于還原必需的氨的物質。所使用的尿素從溫度為20(TC起分解形 成氨氣和二氧化碳。在此，該方法基于將尿素噴入到熱的柴油廢氣流中 的原理。在尿素中所含有的氨成分在由氧化鈦、氧化鵠和/或氧化釩構 成的催化器表面與位于廢氣中的氧化氮化合，被氧氣氧化，且在使用連 接的或集成的氧化催化器的情況下形成無害的空氣成分氮氣和水。如 本設計方案所述，尿素水溶液進行熱水解的裂解，同時通過吸收熱量而
3排放出作為還原劑的氨。
相關地，由DE 34 22 1 75 Al已知，通過如下方式提供對于廢氣管 路中的反應必需的氨，即在儲存容器中儲存對于氨裂解必需的添加劑， 所述添加劑被引入到分解室中，并在那里加熱，由此最后可以將已經為 裂解形式的氨引入到廢氣管路中。作為用于加熱如下物質的熱源，即由 所述物質最終裂解出氨，在DE 34 22 175 Al中提出了電加熱機構以及 紅外線輻射器。
作為對在前段中所述公開內容的補充，由DE 42 00 514 Al已知一 種用于催化地使得廢氣脫氮的方法，其中同樣為了將反應的組成成分快 速地分布在廢氣管路中，首先在預設的室中使得化合物裂解成其氣態的 分解產品，特別是裂解成氨。除了對廢氣中反應的物質的快速分布和與 此相關的快速進行的反應外，所述方法還應確保氣態氨與N0x的均勻且 徹底的反應，進而確保廢氣后處理的高效率。此外，由前述文獻已知使 用尿素作為如下化合物，即在噴入到廢氣管路中之前的方法步驟中在熱 作用下由所述化合物裂解出氨。
發明內容
考慮到前迷背景技術，本發明的目的在于，提出一種裝置，其可以 實現在噴入到廢氣管路中之前的階段實現對化合物進行加熱或者實現 氨裂解，從而為此所需要的設備組件可以采用簡單的方式集成到內燃機 的通常的結構中。這里特別是要確保對于用于加熱添加劑的設備組件必 需的組件占據盡可能小的安裝空間。此外本 發明的技術方案應確保即使 在緊要的內燃機工作狀態下也能以較低的廢氣溫度對添加劑進行充分 的且有效的加熱。
本發明的目的借助于一種根據在權利要求1中所述的技術方案的具 有排氣系統的內燃機得以實現。本發明的有利的實施方式是從屬權利要 求的主題，且在下面的說明中對照附圖詳細闡述。
本發明涉及一種具有排氣系統的內燃機，內燃機的廢氣可引入到該 排氣系統中，且在該排氣系統中設置有熱傳遞單元，通過該熱傳遞單元 可將熱量從排氣系統排出并引入到廢氣后處理系統的處理室中。在此， 可從儲存容器引入到處理室中的添加劑可借助于在廢氣后處理系統中 連接在處理室之后的定量單元被定量輸送給排氣系統，對于所述添加劑而言，通過從排氣系統排出的熱量可引起至少部分的聚集狀態變化。本 發明的特征在于，熱傳遞單元設置在排氣系統的廢氣反饋機構中，內燃 機的廢氣可引入到該廢氣反饋機構中，且經由該廢氣反饋機構可將至少 一部分廢氣引向內燃機的燃燒空氣輸送機構。
原則上，內部的廢氣反饋機構是一種用于減少廢氣排放、特別是氧 化氮排放的方案。在此，通過對閥控制時間的適當選擇，向所抽吸的空 氣量混入一部分廢氣，由此減少缸中新混合氣的氧氣成分，由此提高單
位熱容。此點引起燃燒溫度降低，進而引起氧化氮排放的減少。同時， 由于將一部分廢氣輸送至燃燒過程，減少了整體上排出的廢氣量。
另一種提高系統效率的方案特別是可通過如下措施來實現，即經由 廢氣反饋機構引向燃燒供氣的廢氣借助于相應的廢氣熱交換器被冷卻。 從位于廢氣反饋機構中的廢氣排出的熱量在此可以用于特別是在起動 階段對電動機的快速加熱，但也可以用于加熱其它設備組件，例如廢氣 后處理系統。采用本發明的所述系統可以以特別有效的方式實現對廢氣 后處理系統的利用。
本發明的技術方案基于下述內容，即借助于熱傳遞單元從廢氣反饋 機構排出熱量，并將所述熱量輸送給廢氣后處理系統的處理室。這里重 要的是，處理室如下設計，即可從儲存容器將添加劑引向該處理室，由 于處理室中的加熱，處理室的聚集狀態發生改變。接下來，現在優選至 少部分地轉化為蒸汽狀態和/或氣態的添加劑、特別是裂解的氨，經由 相應的噴入機構被噴入到排氣系統的廢氣管路中。為了實現緊湊的結 構，將熱傳遞單元直接集成到廢氣反饋機構中。
根據本發明的一種特殊的改進，處理室具有如下機構，即通過該機 構實現對作為載流體的部分廢氣流的噴入。從廢氣反饋機構中導出的載 流體在這種情況下被噴入到處理室中，并將至少部分地轉化為蒸汽狀態 和/或氣態的添加劑引導到廢氣后處理系統的其它組件的如下區域中， 即在該區域中，添加劑與廢氣所含物質發生反應。
根據本發明的一種特殊的實施方式，處理室直接集成到熱傳遞單元 中，在處理室中，添加劑的聚集狀態發生改變，同時裂解出氨。設備組 件熱傳遞單元和處理室的高的集成度最終導致，用于添加劑的預熱同時 裂解出氨的室特別節省空間，且可直接集成到電動機結構單元中。
根據一種完全特殊的改進，熱傳遞單元和處理室為管中管-熱交換間的分界壁。通過這種方式，在廢氣反饋機構中流動的廢氣流在外部沿 著處理室的分界壁流動。此點可以實現對處理室和引入到處理室中的添 加劑的有效加熱。引入到處理室中的添加劑優選是液態的添加劑，特別 是水尿素溶液，或者是至少部分地含有尿素、氰尿酸、碳酸銨的固體。
本發明的廢氣反饋機構設計方案 一 方面確保對廢氣反饋機構中的 廢氣的有效的冷卻，另一方面提供了足夠多的用于將添加劑轉化為氨的 能量，在所述廢氣反饋機構中集成有熱傳遞單元.
+ ，該熱傳遞單元帶有位于內部的用于產生含有氨的氣體的處理室。 已述帶有內部處理室的管中管設計的熱傳遞單元特別是即使在緊要的 內燃機工作狀態下，即特別是在以較低的廢氣溫度為特征的工作狀態 下，也能確保高的處理可靠性。這種工作狀態既在內燃機的起動階段出 現，又在所謂的鋸齒形負荷下出現，鋸齒形負荷例如在城市駕駛汽車時 會出現。
根據本發明的優選實施方式，將處理室集成到管中管-熱交換器形 式的熱傳遞單元中，該實施方式還提供了如下優點，即在處理室內部才姿 照規定良好的蓄熱。處理室的熱特性，特別是處理室的熱傳導以及熱輻 射，可以通過對管尺寸的適當選擇來優化。在這種情況下，以優選的方 式形成處理室分界壁的內管的尺寸應使得一方面確保對處理室或引入 到處理室中的添加劑的有效的加熱，另一方面即使在廢氣反饋率很小的 情況下也能可靠地避免處理室迅速冷卻。
另外根據本發明的 一 種完全特殊的改進，處理室分界壁的內側面至
少逐段地涂敷有二氧化鈦(Ti02)層，以便對由添加劑裂解出含有氨的 氣體產生積極的影響。
離開處理室的含有氨的流體經由管和/或軟管管路被輸送至定量單 元，所述流體優選已由水溶液裂解產生，替代地由固體裂解產生。原則 上，對添加劑從儲存容器到處理室和/或從處理室到定量單元的輸送借 助于輸送單元來進行。但只要廢氣后處理系統中的壓力狀況允許，也可 以替代地考慮，對添加劑和/或含有氨的流體的輸送替代地利用系統中 的壓力降來實現。
定量單元設置在廢氣后處理系統中，從而在還原催化器的區域中將 含有氨的流體噴入到廢氣管路中。根據本發明的一種有利的改進，定量單元在廢氣管路中的噴入位置具有文丘里噴嘴。由于設置了文丘里噴 嘴，可以實現使得含有氨的流體尤其快速且均勻地分布到廢氣管路中。 如已在開頭部分所述，在還原催化器的區域中噴入的氨引起氧化氮和氧 氣轉化成氮氣和水。
根據本發明的另一有利的設計，除了添加劑外，還至少部分地向處 理室輸送外界空氣。從外界取得的空氣在此借助于相應的鼓風單元被抽 吸，并被吹入到處理室中。空氣被定量輸送到處理室中，此點借助于中 央的控制機構根據內燃機的和/或廢氣后處理系統的工作參數來控制。
添加劑從儲存容器取出以及添加劑引入到處理室中都優選量受控 地進行。在這種情況下還在中央的控制單元中存儲特性曲線族，從而對 添加劑的定量輸送根據內燃機的和/或廢氣后處理系統的工作參數來進 行。
根據本發明的另 一種完全特殊的實施方式，集成到廢氣反饋機構中 的確保對處理室的加熱的熱傳遞單元與至少一個其它的熱傳遞單元串 接地設置。附加于廢氣反饋機構設置的該至少一個其它的熱傳遞單元可 以實現附加的熱量排放，進而實現對廢氣反饋機構中的廢氣的冷卻。通 過這種方式可以考慮加熱廢氣后處理系統的其它組件、驅動單元的和/
或被驅動單元驅動的汽車的其它吸熱才幾構(Warmesenke)。這種附加規
廢氣后處理系統的和/或被驅動單元驅動的汽車的一定的工作參數來進 行。相關地根據本發明的一種特殊的改進，特別是在其中包圍催化器的 廢氣的溫度較低的工作狀態下，例如對于在市內行駛的汽車而言，使用 附加地從廢氣反饋機構回收的熱量來加熱設置在廢氣后處理系統中的 催化器，如還原催化器、水解催化器和/或氧化催化器。
下面在不限制通用的發明構思的情況下對照附圖詳細說明本發明。 所示附圖示意性地示出載貨車內燃機的排氣系統的廢氣反饋機構。
具體實施例方式
該圖示意性地示出載貨車的具有排氣系統2的內燃機1,排氣系統 2具有廢氣反饋機構3，通過該廢氣反饋機構3從離開內燃機1的廢氣流中分流出至少一部分廢氣流，并將這部分廢氣流重新輸送給內燃機1
的燃燒空氣輸送機構21。在廢氣反饋機構3內部設有熱傳遞單元4，借 助于該熱傳遞單元4可從在廢氣反饋沖幾構3內部所含有的廢氣回收熱 量，位于廢氣反饋機構3內部的廢氣因此被冷卻。
在熱傳遞單元4中集成有處理室5,其中處理室5的外分界壁6與 穿流廢氣反饋機構4的廢氣連接。熱傳遞單元4以及處理室5設計為管 中管(Rohr-in-Rohr )-熱交換器的形式，其中在外管7和內管之間形 成的流體管道用于引導位于廢氣反饋機構中的廢氣，且內管形成處理室 5的外分界壁6。外管7因此用于引導廢氣，內管用于限定(Aufnahme) 處理室5。
此外設有儲存容器8，在儲存容器8中儲存有水尿素溶液。所使用 的水尿素溶液具有32. 5%的尿素成分(DIN 70070/AUS32)且以商標名 八3311^@公知。在儲存容器的區域中設置有設計為泵的輸送單元9,利用 輸送單元9可以將水尿素溶液從儲存容器8經由管和/或軟管管路和引 入位置10引入到處理室5中。水尿素溶液被量受控地定量輸送到處理 室5中，且通過中央的控制單元11來控制。
附加地設有帶有止回閥13的鼓風單元12,從而除了水尿素溶液外 還可向處理室5輸送外界空氣。根據內燃機1的以及廢氣后處理系統14 的工作參數，在考慮到相應地存儲在中央的控制單元11中的特性曲線 族的情況下，將水尿素溶液和/或通過鼓風單元12被抽吸的外界空氣定 量輸送到處理室5中。作為對噴入外界空氣的附加或替代，如圖中所示， 借助噴入機構22將一部分廢氣流從廢氣反饋機構引入到處理室5中。 載流體將在處理室內部形成的含有氨的氣體帶走，并確保將含有氨的氣 體輸送至廢氣后處理系統的后接的組件。
也就是說，流經廢氣反饋機構3的廢氣由于與處理室5的外分界壁 6接觸而將處理室5的內腔15加熱，內腔15的溫度上升至約200°C。 對處理室5的加熱同時引起對引入到處理室5中的水尿素溶液的加熱。 基于所述加熱，最后含有氨的氣體進行裂解。通過這種方式所產生的含 有氨的氣體從處理室5經由管和/或軟管管路流至定量單元16，定量單 元16將含有氨的氣流或者氨氣在還原催化器17的區域中噴入到排氣系 統2中。為了實現對含有氨的氣體或者氨氣的盡可能通暢有效的分布， 定量單元16具有設計成文丘里噴嘴的噴嘴18,該噴嘴18的流出口伸入到排氣系統2中。在系統中的壓力情況需要時始終使用文丘里噴嘴18。 在排氣系統2內部設有可選擇的過濾器單元或顆粒濾除單元和/或 其它催化器。根據結合該圖所述的實施例，在顆粒分離器19和接下來 的還原催化器17 (SCR-Kat)之間將含有氨的氣體或者氨氣噴入。根據 汽化原理來實現將含有氨的氣體或者氨氣噴入到排氣系統2中，其中在 噴入位置優選使用設計成文丘里噴嘴的噴嘴18。
在處理室5內部，水尿素溶液在溫度約為20(TC時分解成氨氣和二 氧化碳。在噴入到排氣系統2中之后，位于含有氨的氣體中的氨在由氧 化鈦、氧化鵠和氧化釩構成的催化器特種陶資表面與位于廢氣中的氧化 氮化合，被氧氣氧化，并借助于氧化催化器形成無害的空氣成分氮氣 和水。
除了用于裂解含有氨的氣體的帶有集成的處理室5的管中管-熱交 換器4、 5外，在內燃機的廢氣反饋機構3中還集成有另一傳熱器20。 以廢氣反饋機構中的流動方向為基準，管中管-熱交換器4、 5和另一傳 熱器20前后相繼地串接。借助于另一傳熱器20,從廢氣反饋機構3中 的離開管中管-熱交換器4、 5的廢氣回收熱量，并將所述熱量傳遞至流 經另一傳熱器20的載熱介質。
在廢氣反饋機構3中因此進行兩級廢氣冷卻。通過廢氣反饋機構3 的另 一傳熱器2 0回收的熱量原則上可以提供給汽車中的多個設備組件。 優選所述熱量特別是在內燃機1的起動階段或者在其它緊要的工作狀態 下被輸送給位于廢氣中的催化器，以便使得這些催化器經過較長的工作 時間保持或者達到對于反應必需的工作溫度。
9附圖標記列表
1 內燃機
2 排氣系統
3 廢氣反饋機構
4 熱傳遞單元
5 處理室
6 處理室的外分界壁(內管)
7 外管
8 儲存容器
9 輸送單元
10 引入位置
11 控制單元
12 鼓風單元
13 止回閥
14 廢氣后處理系統
15 處理室內腔
16 定量單元
17 還原催化器
18 噴嘴
19 顆粒分離器 20另一傳熱器
21 燃燒空氣輸送機構
22 作為載流體的部分廢氣流的噴入^/L構
權利要求
1.一種具有排氣系統(2)的內燃機(1)，所述內燃機(1)的廢氣可引入到所述排氣系統(2)中，且在所述排氣系統(2)中設置有熱傳遞單元(4)，通過所述熱傳遞單元(4)可將熱量從所述排氣系統(2)排出并引入到廢氣后處理系統(14)的處理室(5)中，其中可從儲存容器(8)引入到所述處理室(5)中的添加劑可借助于在所述廢氣后處理系統(14)中連接在所述處理室(5)之后的定量單元(16)被定量輸送給所述排氣系統(2)，對于所述添加劑而言，通過從所述排氣系統(2)排出的熱量可引起至少部分的聚集狀態變化，其特征在于，所述熱傳遞單元(4)設置在所述排氣系統(2)的廢氣反饋機構(3)中，所述內燃機(1)的廢氣可引入到所述廢氣反饋機構(3)中，且經由所述廢氣反饋機構(3)可將至少一部分廢氣引向所述內燃機(1)的燃燒空氣輸送機構(21)。
2. 如權利要求1所述的內燃機，其特征在于，所述添加劑是如下 物質，即對于所述物質而言，通過對熱量的輸送可引起氨的裂解。
3. 如權利要求1或2所述的內燃機，其特征在于，所述添加劑具 有如下固體，即對于所述固體而言，通過對熱量的輸送可引起氨的裂解。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的內燃機，其特征在于，所迷 處理室(5)設置在所述熱傳遞單元(4)中。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的內燃機，其特征在于，所述 熱傳遞單元(4)和所述處理室(5 )設計成管中管-傳熱器的形式，所 述管中管-傳熱器的內管形成所述處理室(5)的外分界壁(6)。
6. 如權利要求1至5中任一項所述的內燃機，其特征在于，設有 鼓風單元(12),利用所述鼓風單元(12)可將從外界取得的空氣引入 到所述處理室(5)中。
7. 如權利要求1至6中任一項所述的內燃機，其特征在于，所述 處理室(5)具有至少一個引入位置(22),經由所述引入位置(22) 可將至少一部分位于所述廢氣反饋機構(3)中的廢氣流引入到所述處 理室(5 )中。
全文摘要
說明一種具有排氣系統的內燃機，內燃機的廢氣可引入到排氣系統中，且在排氣系統中設置有熱傳遞單元，通過熱傳遞單元可將熱量從排氣系統排出并引入到廢氣后處理系統的處理室中。在此，可將添加劑從儲存容器引入到處理室中，對于所述添加劑而言，通過從排氣系統排出的熱量可引起至少部分的聚集狀態變化，且所述添加劑可借助于在廢氣后處理系統中連接在處理室之后的定量單元被定量輸送到排氣系統中。所述技術方案的特征在于，熱傳遞單元設置在排氣系統的廢氣反饋機構中，內燃機的廢氣可引入到廢氣反饋機構中，且經由廢氣反饋機構可將至少一部分廢氣引向內燃機的燃燒空氣輸送機構。
文檔編號B01D53/90GK101539048SQ20091012682
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月18日 優先權日2008年3月18日
發明者G·拉布, W·赫爾德 申請人:德國曼商用車輛股份公司