专利名称：有前置脱水器并可加热的催化转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种净化内燃机排气流的装置。在净化汽车排气时力求达到有害物排放的越低的极限值，以减轻环境的负担。在排气再处理中特别困难的部分是内燃机的冷起动阶段，通常在此阶段必须从排气内消除大量碳氢化合物。一氧化碳也应氧化为二氧化碳，因而在冷起动阶段必须借助催化活性物质促进基本上是氧化的过程。在接着的内燃机负荷运行时通常采用三路催化转换器进行排气净化，它们同时可以氧化能氧化的成分和减少氮氧化物。
例如在EP0638710A2和EP0485179A2中介绍了主要设计用于在冷起动阶段净化排气的排气净化系统。这种系统可能包括许多部件，亦即三路催化转换器、碳氢化合物吸收器和可加热的蜂窝体。其中还论及一些不同的系统，以及一个排气净化系统的哪些部件应设何种类型的催化活性涂层。
例如在WO96/10127中介绍了对这种排气系统特别适用的可电加热的部件，它们在冷起动阶段保证迅速达到催化反应必要的最低温度。对于具有可电加热的蜂窝体的装置，人们原先认为在催化活性涂层能促成所期望的氧化过程前必须达到约250℃的温度。
但根据后来的认识，催化活性物质能触发一氧化碳和碳氢化合物氧化的温度允许大大降低，只要催化活性物质的载体能基本上保持干燥。曾发展了一些涂层，它们如常见的那样可涂在有陶瓷的修补基面涂层的蜂窝体上，只要蜂窝体和陶瓷涂层是干燥的，那么它们在明显地低于100℃例如在70-80℃时便已经起氧化催化剂的作用。在这里为了保持干燥可使用所谓的脱水器，它们包含了一些在低于规定的温度时可大量吸收和贮存水的物质。在例如WO96/39576中介绍了一些具有此类脱水器的排气系统不同的设计及为此所需的材料。
基于此先有技术，本发明的目的是，将由先有技术已知的用于排气净化的不同部件加以组合，以便为了在出口处达到特别低的有害物质含量而实现特别有效的排气净化。在这里一个特别的目的是要改善在冷起动阶段中的排气净化并能取消排气管道内在发动机附近的高负荷部件。还力求获得结构特别简单又非常有效的排气净化系统，其中，在此系统中所包含的可电加热的蜂窝体与已知的装置相比应需要更少的能量。本发明还应提供用于运行这种装置的恰当的方法。
按权利要求1的装置和按权利要求13的方法用于达到此目的。在各从属权利要求中说明了有利的和特别优选的实施形式。
按本发明用于净化内燃机排气流的装置沿排气的流动方向先后包括下列部件第一脱水器、可电加热的蜂窝体和有至少促进氧化的催化活性涂层的蜂窝体。其中，可电加热的蜂窝体和有催化活性涂层的蜂窝体也可以完全或部分地构成一个结构单元。
如后面还要详细阐明的，这种装置可根据其尺寸用于两种不同的功能。在可电加热的蜂窝体和有催化活性涂层的蜂窝体尺寸较小时，此装置可连接在一个普通的排气净化系统例如三路催化转换器下游。在这种情况下此装置主要用于冷起动阶段氧化一氧化碳和碳氢化合物，而在上游的排气净化系统承担在负荷运行时的排气净化任务以及此在下游的装置至多再转换少量的残余有害物质。
脱水器保持两个下游部件干燥，所以在温度为70-80℃时便已经能够实施催化反应。因为在冷起动阶段排气系统内只流过少量排气流，所以与不含脱水器的传统的系统相比，此可电加热的蜂窝体可迅速得多和/或用更少的电能达到这样一个温度，在传统的系统中则必须将蜂窝体置于最低250℃的温度。通常可电加热的蜂窝体至少加氧化涂层，所以当达到催化反应所需的温度时蜂窝体立即开始催化放热的氧化反应，它们接着急剧地进一步提高排气温度，以及将在下游的同样有至少起氧化作用的催化活性涂层的蜂窝体也置于反应温度之下。因此在几秒钟后已经开始几乎完全净化一氧化碳和碳氢化合物的排气。脱水器的尺寸应设计为，它能长久地贮存来自内燃机的水蒸气，直至在可电加热的蜂窝体和/或在下游的有催化活性涂层的蜂窝体开始催化反应。之后，脱水器可借助排气流加热并重新排出贮存的水，不会影响排气净化效果。接着在内燃机的继续运行过程中原来的催化转换系统也达到其工作温度并因而承担主要的排气净化任务。因此在下游的此系统不会过热，而是在有些情况下温度甚至重新有所下降。
有利的是脱水器和可电加热的蜂窝体在汽车中布置在离发动机比较远的地方，以减少在负荷运行时此系统的温度负荷和老化。
应当指出，可电加热的蜂窝体及有催化活性涂层的蜂窝体可以构成单一的结构单元，在极端情况下只须存在一个具有足够大的加有催化活性涂层的表面的可加热的蜂窝体。当然，在特别优选的实施形式中，将一个很短的可电加热的蜂窝体直接设在一蜂窝体前并支承在它上面，例如在WO96/10127中所说明的那样。
为了在汽车停车时有催化活性涂层的蜂窝体和/或可电加热的蜂窝体也能保持干燥，在最简单的情况下在排气系统中设一单向阀，它由排气打开并在无排气流动时基本上密封地关闭。
附加地或作为替换也可以在排气系统末端设第二脱水器，它可长时期地吸纳停车时可能侵入系统内的大气水分，不使在它前面的蜂窝体受潮。
若结合普通的三路催化转换器使用按本发明的装置，则不再需要将三路催化转换器布置在发动机附近，而是可以离开内燃机出口30cm或更远。因为内燃机在冷起动阶段通常用富混合气工作，亦即以高于化学计量的油气比工作，所以必须在内燃机后面的某处输入二次空气，以保证能催化转换过剩的燃料。由于这种二次空气冷却从内燃机流出的排气，所以二次空气的输入往往在预催化转换器与主催化转换器之间进行，以便能更迅速地加热预催化转换器。然而这一点在本发明中却是无关紧要的，所以二次空气的进口可以设在内燃机与排气净化系统第一个部件之间的任何地方。若在冷起动阶段对排气净化有特别高的要求，则可以在可电加热的蜂窝体前的某个地方再设一碳氢化合物吸收器，它起先吸收排气中的碳氢化合物，直至可电加热的蜂窝体有用于催化反应的足够高的温度。在按本发明的排气净化系统中，碳氢化合物吸收器优选地布置在第一脱水器与可电加热的蜂窝体之间。这种碳氢化合物吸收器通常是有特殊沸石涂层的蜂窝体，如在引用的先有技术中所说明的那样。
脱水器、碳氢化合物、但还有一般的催化活性涂层可能在很高的温度下通过人们也将其称为老化的过程损坏。因为按本发明的装置的工作能力不取决于流来的排气的温度，所以整个装置可布置在汽车内离内燃机比较远的地方，从而减少了部件老化的危险。如果不允许作这样的布局，也可以在第一脱水器前或必要时在设在它前面的碳氢化合物吸收器前设用于散热的装置。在最简单的情况下它可以是设计为热交换器的排气管。但也可以实施可调或不可调式强迫冷却。这尤其在按本发明的装置前设有普通的三路催化转换器时采用，后者在负荷运行时通过放热反应进一步提高排气温度。在这种情况下有利的是，在到达系统的其他部件之前重新降低排气温度。
按本发明的装置也可以将尺寸设计为，使它能在没有上游的三路催化转换器的情况下单独承担从冷起动阶段开始的全部排气净化任务。在这种情况下在可电加热的蜂窝体后面的有催化活性涂层的蜂窝体当然必须有足够大的体积，以保证在负荷运行时的完全转换。可电加热的蜂窝体至少应当有一种促进氧化的催化活性涂层。因此，针对此使用领域的一种优选的装置沿流动方向先后包括脱水器、可电加热的蜂窝体、有催化活性的三路涂层的蜂窝体以及必要时第二脱水器和/或单向阀。此外，此系统在需要时还可包含一碳氢化合物吸收器。
应当指出，可以采用不同形式的可电加热的蜂窝体和有催化活性涂层的蜂窝体部件。例如，可电加热的蜂窝体可支承在位于其后面的蜂窝体上或甚至组合成为一个这种较大的蜂窝体。有催化活性涂层的蜂窝体也可以包括多个单个的分体。
按本发明的方法，可电加热的蜂窝体最晚从起动内燃机时开始加热。在没有碳氢化合物吸收器的系统中，可在起动内燃机前1至5秒钟便开始加热，以便从一开始就已保证完全净化排气。例如在打开车门时、司机坐到驾驶员座位上时或将点火开关钥匙插入时及时起动加热的电路是已知的。因为在干燥的蜂窝体中开始催化反应所需的温度很低，例如70-80℃，所以只需要一个短的加热时间和/或较小的加热电功率。因此在可电加热的蜂窝体尺寸设计方面有大的自由度。
按本发明的装置允许按特别顺利的方式在冷起动时实施为获得内燃机有利特性所需要的运行模式。内燃机起先可以富的油气混合物工作，与此同时在空气进口输入二次空气，直至内燃机能以化学计量的油气比或甚至以稀的油气混合物运行。应当指出，按本发明的装置也适合于在稀混合气发动机的排气装置中在冷起动阶段用作排气净化的附加部件。从富油运行转变为化学计量或低于化学计量运行，优选地根据为负荷运行所设计的三路催化转换器内测得的或算出的温度进行，亦即当催化转换器达到为催化转换所需的温度时实施此转变。
在排气系统内使用脱水器时，若不采取附加措施，可能出现脱水器吸水能力达到极限的饱和状况及失去其效能的工作方式。在这种情况下脱水器可配设电加热装置，它们在内燃机运行时和/或停车后接通，以干燥脱水器。
应当指出，对于目前尚在使用中的含硫的燃料，为避免损害或沾染排气净化系统的部件还可设脱硫器，亦即有吸收硫的涂层的蜂窝体。优选地将它装在受硫的危害最甚的部件前，但应离发动机足够远，以免脱硫器受热损坏。有利的安装位置例如是直接在系统的第一脱水器前。
下面借助于附图进一步说明本发明的其他优点和详情，附图表示了两种实施例，但本发明不限于此实施例。其中
图1一种排气净化装置包括三路催化转换器和设在下游的按本发明用于冷起动阶段的净化系统；以及图2按本发明的用于冷起动阶段和负荷运行的装置。
图1以示意的方式表示按本发明用于净化排气流的装置的第一种实施例的结构。由内燃机1排出的排气沿流动方向S流过排气管道2a、2b、2c、2e、2f。空气进口3用于优选地在冷起动阶段输入二次空气。随后是在负荷运行时促使排气净化的三路催化转换器4，它使一氧化碳和碳氢化合物氧化和减少氮氧化物。接着是一个优选地含有排出热量Q的装置11的排气管道分段2b，以避免下游的部件受高温老化。在这之后是第一脱水器5，它长久地贮存在排气和二次空气内所含的全部水分，直至在下游的部件内开始催化反应。随着排气管道的继续延伸，如果应将碳氢化合物的排放量降低到一个极低值，则还可设一碳氢化合物吸收器6。然后是可电加热的蜂窝体7和有催化活性涂层的蜂窝体8。可电加热的蜂窝体7优选地也有催化活性涂层，它至少促使氧化尤其是氧化一氧化碳。有催化活性涂层的蜂窝体8优选地用于促进氧化。
在蜂窝体8的下游，在排气系统中还可存在第二脱水器，它在内燃机停车时防止水分通过排气系统出口侵入。附加地或作为替换，借助单向阀10也可用于达到此目的。
若基于排气净化系统的总的状况存在着一个或两个脱水器在内燃机运行时不能完全干燥的可能性，一个或两个脱水器也可以是电加热的。在频繁地实施短的冷起动阶段以及其间没有较长的负荷运行阶段的情况下有时便会出现上述可能性。按本发明的此实施例，按本发明由至少一个第一脱水器5、一个可电加热的蜂窝体7和一个有催化活性涂层的蜂窝体8组成的装置用作普通的三路催化转换器的附加系统，以保证即使在冷起动阶段也能有效地净化排气。其中，可电加热的蜂窝体7和有催化活性涂层的蜂窝体8也可以构成一个结构单元，以及必要时也可共同组成仅为一个单一的有电加热装置和有催化活性涂层的蜂窝体。按本发明的装置使得有可能取消预催化转换器并允许将三路催化转换器布置在离发动机足够远的地方，使之不再受到极高的热负荷。此外，二次空气的输入可以在排气净化部件上游的任意地点实施。
图2表示本发明另一种实施例，在这里，按本发明的装置承担全部排气净化任务，不必将它布置在发动机附近。甚至更有利的是将此装置远离发动机，从而使它不再受极高的排气温度负荷。按图2，内燃机1的排气沿流动方向S流过排气管道12a、12b、12c、12d、12e。二次空气的进口3位于排气管道第一分段12a内的任何地方。第一脱水器5贮存排气内所含的全部水分，直至下游的可电加热的蜂窝体17及跟随在它后面的有催化活性涂层的蜂窝体18开始催化转换。在排气管道末端仍可设第二脱水器9和/或单向阀10，以便在停车时保持系统的干燥。在按图2的实施例中也可含有一个图中未画出的碳氢化合物吸收器。对于按图2的实施例而言重要的是，有催化活性涂层的蜂窝体18足够大，以便在负荷运行时也能完全催化转换有害的排气成分。也就是说，这里所涉及的是一种布置在离发动机比较远处的主催化转换器，在它上游设一可电加热的优选地有至少促进氧化的催化活性涂层的蜂窝体。当然也必须设有用于控制排气净化和操纵发动机的普通的测量系统。
在这两种实施例中，可电加热的蜂窝体在内燃机起动时立即接通或甚至在发动机起动的几秒钟前已经提前接通。尤其在上游未设碳氢化合物吸收器的情况下，在内燃机起动前1至5秒钟接通可保证从一开始便实施排气净化。
本发明特别适用于汽车排气系统中低成本地净化排气满足即便是最严格的法规要求。
权利要求
1．净化内燃机(1)排气流的装置，沿排气的流动方向(S)前后排列地至少包括第一脱水器(5)、可电加热的蜂窝体(7；17)和有至少促进氧化的催化活性涂层的蜂窝体(8；18)，其中，可电加热的蜂窝体(7；17)和有催化活性涂层的蜂窝体(8；18)也可以完全或部分地构成一个结构单元。
2．按照权利要求1所述的装置，其中，在有催化活性涂层的蜂窝体(8；18)后设一单向阀(10)，用于防止内燃机(1)停车时侵入水分。
3．按照权利要求1或2所述的装置，其中，在有催化活性涂层的蜂窝体(8；18)后面设第二脱水器(9)。
4．按照前列诸权利要求之一所述的装置，其中，在第一脱水器(5)上游设三路催化转换器(4)，它的尺寸设计为，它单独或至少与其余部件(7、8)结合能保证内燃机(1)负荷运行时的排气净化。
5．按照权利要求4所述的装置，其中，内燃机(1)出口与三路催化转换器(4)之间的距离至少为30cm，优选地至少80cm，尤其三路催化转换器(4)是一种在车底下的催化转换器。
6．按照前列诸权利要求之一所述的装置，其中，在内燃机(1)与第一个排气净化部件(4；5)之间有一个空气进口(3)。
7．按照前列诸权利要求之一所述的装置，其中，在可电加热的蜂窝体(7)前，尤其在第一脱水器(5)之后设碳氢化合物吸收器(6)。
8．按照前列诸权利要求之一所述的装置，其中，脱水器(5、9)中至少一个是可电加热的。
9．按照权利要求1所述的装置，其中，有催化活性涂层的蜂窝体(18)是三路催化转换器，它的尺寸设计为足以在全负荷时保证排气净化。
10．按照权利要求9所述的装置，其中，可电加热的蜂窝体(7；17)是有催化活性涂层的蜂窝体(8；18)的一个分区。
11．按照权利要求9所述的装置，其中，可电加热的蜂窝体(7；17)直接设在有催化活性涂层的蜂窝体(8；18)前，优选地支承在它上面。
12．按照前列诸权利要求之一所述的装置，其中，在第一脱水器(5)前有一个用于从排气流中排出热量(Q)的装置(11)。
13．运行按照前列诸权利要求之一所述装置的方法，其中，可电加热的蜂窝体(7；17)最晚从起动内燃机(1)时开始加热。
14．按照权利要求13所述的方法，其中，内燃机(1)在冷起动时只要在空气进口(3)处还输入二次空气起先以浓的富油运行，直至内燃机(1)能以化学计量的油气比或稀的低于化学计量的油气比运行。
15．按照权利要求14所述的方法，其中，从内燃机(1)富油运行转变为化学计量或低于化学计量运行根据在为负荷运行设计的三路催化转换器(4；18)内的温度进行，而且只有当在那里测得或算出的温度足以进行催化排气净化时才实施此转变。
16．按照权利要求13、14或15所述的方法，其中，至少第一脱水器(5)是可电加热的，以及在内燃机(1)运行期间和/或在内燃机停车后加热干燥。
全文摘要
本发明涉及一种净化内燃机(1)排气流的装置。此装置沿排气流动方向(S)前后排列地包括第一脱水器(5)、可电加热的蜂窝体(7)和有至少促进氧化的催化活性涂层的蜂窝体(8),其中,可电加热的蜂窝体(7)和有催化活性涂层的蜂窝体(8)也可以完全或部分地构成一个结构单元。这样一种装置可以作为小型的附加系统连接在三路催化转换器之后,以保证冷起动阶段的排气净化。也可以将尺寸设计得较大以承担全部排气净化任务。借助于上游的脱水器(5)干燥的可电加热的蜂窝体(7)迅速达到对催化转换必要的仅约70至90℃的温度,而且为此所需要的电能比传统的系统少。此装置允许将汽车排气内的有害物质减少到极低值。
文档编号F01N13/02GK1288395SQ99802082
公开日2001年3月21日 申请日期1999年1月7日 优先权日1998年1月9日
发明者罗尔夫·布吕克, 彼得·希尔特 申请人:发射技术有限公司