专利名称：用于内燃机的发动机废气后处理的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的发动机废气后处理的设备和方法，并特别是涉及一种用于后处理废气流中的炭烟微粒和/或氮氧化物的设备和方法。
公开的氮氧化物(NOx)催化器吸收在发动机的稀混合气运转期间产生的氮氧化物并使在发动机的浓混合气运转期间存储的氮氧化物还原，其中，公开的方法是非连续的并且对氮氧化物的存储和还原在不同的时间阶段中进行。为能进行这种方法，存储器基于有限的吸收能力必须在一定的时间后被排空。排空或者是在预先规定的一段时间过去后进行，或者是必须确定催化器的充满度。如果存储器在预先规定的时间过去后被再生，则其缺点在于，出于安全原因，催化器的存储能力不被完全利用，结果导致发动机的运转在油耗和废气特性方面不是最佳。如果存储器在存储器的已达到一定的充满度的情况下被再生，则其缺点在于，需要一个附加的，确定氮氧化物存储催化器的充满度的装置。其中，精确地确定存储器的充满度是困难的，据此，在有该附加装置的前提下，在存储器尚未完全充满的情况下，也只得切换到再生动作。这最终同样导致发动机的不理想的运转。此外，对于两种方法，还有下列情况，即在发动机的浓混合气运转的情况下达不到最佳的废气特性并且为使发动机循环运转，须对发动机进行复杂的控制。
此外，为了使氮氧化物存储催化器足够好地起作用，须至少约250℃的温度。如果来自发动机的废气太冷，则该方法只能在催化器被加热到该起码温度的条件下才起作用。这样就出现热损耗，据此，大大增加了能耗。
此外，在柴油机的废气中出现不能被释放到环境中的炭烟微粒。为了对该带有炭烟微粒的废气进行后处理，炭烟被滞留在一种公开的设备中，并或者是随着炭烟过滤器的达到一定充满度，炭烟过滤器循环地被更换，或者是用一个相应的加热装置点燃和燃烧滞留的炭烟微粒。对于连续的使用，这两种做法均是不令人满意的。
因此，发明的任务在于开发一种用于处理内燃机的废气流的、使发动机的最佳运转成为可能的设备和方法。
解决以上任务的技术方案在于权利要求1、24和27的特征。发明的优选的实施形式是从属权利要求的主题。
本发明的、用于内燃机发动机废气后处理的设备具有一个其上有被废气流过的沟槽的、可回转地设在废气流中的物体或单体。单体在此指的是一个物体，该物体可由陶瓷、由金属的载体材料整体地构成或由陶瓷的或金属的、设在一个容纳结构中的扇形段构成。
此外，本发明的设备具有一个流入通道，该流入通道与物体的沟槽的一个部分(B1)流动连通。此外，还规定有一个流动连通，该流动连通与沟槽的被流入通道经过的部分B1输出侧地连通并使该部分B1与沟槽的一部分B2流动地连通，该部分B2不与流入通道连通。
物体或单体优选地分为两个范围B1、B2，其中，废气在物体的前端面处进入第一范围B1，在第一范围B1的后端面处流出，流经设在该处的过滤器，流入第二范围B2的一个端面并在另一端面2处离开第二范围B2，其中，物体4在流经过程中绕一个基本上垂直于废气流的流动方向的轴回转。
物体优选地具有圆柱形的形状，其中，沟槽沿径向伸展。物体沿轴向有一圆柱形的空当，换言之，圆柱体沿轴向是空心的。其中，物体可由金属或陶瓷构成，其中，物体既可为整体结构，或可为可由扇形段组合的结构。如果物体由扇形段构成，则这些扇形段为沟槽所伸过，使沟槽在扇形段组合后径向于圆柱体的对称轴伸展。
本发明的设备优选地包括一个过滤器，该过滤器可以是可回转地设置的，其中，过滤器可特别是随单体回转。其中，在圆柱形的、具有轴向空腔的物体的情况下，过滤器设在该轴向空腔中。其中，过滤器可以是固定的或可随物体一起回转，其中，回转速度不一定是与物体的回转速度等同的。
此外，内燃机具有一个把燃料直喷入燃烧室的燃料喷射装置和/或是一个柴油机。
过滤器优选地具有一个加热元件，该加热元件用于在冷起动后把过滤器加热至工作温度。在达到所需的温度后，加热元件可被断开。原则上，在发动机的条件(废气温度)不导致炭烟燃烧的条件下才备有一个附加的加热装置。所需的用于有害物质变换的温度特别是也可替代地或辅助地通过相宜地选择的、发动机的参数(喷射量、喷射过程、补充喷射)快速地被达到，就此而言，在所需的温度被达到的情况下，发动机的参数也恢复到其正常条件。
此外，为了对有害物质进行还原，特别是对NOx·HC和/或CO进行还原，物体可至少部分地涂有催化剂层。
此外，设备具有一个固定的外壳(12)，绕自己的纵轴回转的物体设在该外壳中。该外壳是优选地由非金属的材料构成的。
物体的回转优选地通过一个驱动单元进行，该驱动单元可通过一个电机构成。驱动单元也可通过一个外磁场和设在外壳内的磁铁构成。此外，物体也可以一个透平的形式通过废气流被转动。物体(4)的转速优选地为约0.3至10转/分，其中，转速的选择准则在于，建立的温度分布的最大值留在物体内部，最好是留在过滤器所处的地方。
此外，为了在发动机能稀混合气运转的情况下促使氮氧化物废气成分还原，设备可具有一个用于注入附加的燃料的机构。该用于注入附加燃料的机构是优选地设在物体的回转轴中的。
本发明的、用于内燃机的废气后处理的方法，其中，其沿废气流动方向为沟槽所贯穿并分为两个范围的物体是设在废气流中的，具有如下步骤把废气流导入第一范围的前端面，在第一范围的后端面上把废气流导入第二范围的一个端面并在第二范围的另一端面上释放废气流，并且在运转的过程中让物体绕一个轴线回转，使沟槽从第一范围转入第二范围。
此外，物体以这样的速度绕其轴线旋转，使通过废气流对第二范围的加热导致通过第一范围对废气流的加热。
废气流的炭烟微粒优选地滞留在一个设于第一范围的废气流出侧的端面和第二范围的废气流入侧的端面之间的过滤器上并且转速如此地被选择，使温度界面的最大值大致上位于该过滤器上。
在该方法中所用的物体优选地至少部分地涂有催化剂层，使在内燃机的稀混合气运转期间存储废气中的NOx。通过向物体中附加还原剂，连续的NOx-存储器再生方法也可起作用。
用于使本发明的、用于内燃机的废气后处理的设备脱硫的本发明的方法，其中，设备是作为氮氧化物存储器设计的，具有如下步骤在脱硫开始时，废气中的有害物的量增加的同时，减慢或中止物体的旋转，直至出现的温度最大值进入或通过第二范围，特别是进入或通过第二范围的废气流出侧的端面附近，使物体进行旋转，直至第二范围至少大部分地占据第一范围的位置，使温度最大值主要处在第一范围中，使旋转中止，直至温度最大值起码到达第二范围，减少补充喷射并使物体重新旋转。
其中，下列做法可以是必要的，即让旋转减慢或者中止被多次重复，直至基本上所有的范围均脱了硫。在温度最大值大致处在两个范围的交点上的情况下，物体的连续旋转被重新建立。
下面借助附图详细说明本发明的优选的实施形式。附图所示为
图1a用于内燃机的废气后处理的本发明设备的第一实施形式的水平的横截面视图，图1b图1a所示设备的垂直的横截面图，图2用于内燃机的废气后处理的本发明设备的第二实施形式的水平的横截面视图。
图1a示出了用于内燃机的废气后处理的本发明设备的第一个优选的实施形式的水平横截面图。发动机(未示出)的原废气通过一条废气通道1流入一个圆柱形的、贯穿有沟槽3的物体4的第一范围B1的外端面2。其中，沟槽3相对于通过圆柱体的对称轴形成的回转轴9沿径向伸展。如前所述，垂直于回转轴9设置的沟槽3是至少部分地涂有催化剂层的。在废气从物体4的通过一个在物体中的中央构成的轴向空腔7被形成的内端面5流出后，废气通过一个设在空腔7中的微粒过滤器6并通过外端面5进入对面的第二范围B2并在第二范围B2的外端面2处进入一个流出通道8。在图1a中示出的是，第一范围和第二范围是通过流入通道1和流出通道8限定到分别三个沟槽3的。这不是非如此不可。通过包围物体4的外壳10的另一种结构，可达到如下结果，即流入和流出的废气分别达到最大为180°的第一和第二范围B1、B2。换言之，第一和第二范围可最大包括物体4的一半。
图1b示出了本发明的设备的垂直的截面图。在贯穿有沟槽3的物体4之内设有通常与物体4同步回转的过滤器6。物体4和过滤器6设在一个相应的外壳10中。回转绕一个回转轴9进行，该回转轴9可用于输入附加燃料以在一个催化活性的过滤器中或在转子矩阵，即物体4中燃烧。
通过流经具有过滤器6的物体4，在输入侧上，温度通过在废气流经涂有催化剂层的沟槽3期间对在废气中存在的CO和HC的催化转换有所升高。同时，氮氧化物在沟槽3涂有吸收NOx的催化剂层的情况下可化学地被吸收。
温度最大值在设备的中心，在微粒过滤器6中被达到。在继续流经物体4或转子时，废气再次放出其热量并以约与输入侧上相同的温度离开转子4。在不旋转的情况下，温度界面，即最大温度会从设备中被排出。通过转子4的旋转，温度界面一再被驱回到系统中。平均产生一个周期固定的分布，其最大值处在过滤器6的范围内。
图2示出了用于内燃机的废气后处理的本发明设备的第二实施形式的水平的横截面视图，在该第二实施形式中，设备作为纯粹的NOx-存储催化器运转。
图2示出了一个绕其纵轴旋转的物体4，该物体4作为NOx-存储催化器是有涂层的，该NOx-存储催化器作为蓄热式热交换器被使用。物体4沿径向具有许多细的沟槽3并径向地被废气流过，具体地说，废气经由一个流入通道1流入物体4并经由一个流出通道8被导出，据此，第一和第二范围B1、B2与第一实施形式的情况一样地被形成。此外，物体具有一个轴向的空腔7，该空腔7被物体4的内端面5限定。该轴向的空腔用于对第一和第二范围B1、B2的沟槽3进行流动连通。最好不发生流动转向，据此，减少了压力损耗。沟槽3的表示为圆环T1的、靠内的部分，涂有存储NOx的催化剂层。沟槽3的表示为圆环T2的、靠外的部分未涂催化剂层并且不参予催化。该靠外的部分只有热交换器的功能。通过在旋转的同时为废气径向所流过，在物体4中可建立一个温度分布，在物体的外端面2的流入或流出侧上的温度大致等于废气的温度，向中间，侧温度陡升到约350至400℃。据此，催化器的一部分总是处在一个最佳的、用于存储NOx的温度范围中。催化器的，即物体4的旋转设置负责按回收器的原理最大限定地回收热。在阻热理想、规格设计和转速正确的情况下，曾经进入的热不再离开系统。实际出现的热损耗通过在有害物质氧化时在范围T1中释放的反应热被补偿。
为了使冷系统起动，约200℃的起燃温度必须在催化活性的范围T2中被达到。为此，在物体4的中心可备有一个电的加热元件11。作为替代和/或辅助，为有害物质转换所需的温度也可通过适合地选择的、发动机的参数(特别是在采用蓄气罐进气喷油的情况下譬如通过喷油时间点的、喷射过程的、喷射量的和/或补充喷射的变化)被达到。在达到起燃温度后，所采取的措施终结。继续提高温度只需通过短时间地提高通过在转换有害物质时在范围T1中释放的反应热使催化器温度有所提高的有害物浓度进行。有害物浓度的提高可或者是通过在物体4的中心单独地注入燃料或者是同样通过发动机的参数被达到。
物体4的旋转通过一个电气的或者机械的适当驱动装置(未示出)实现。为此，物体4被装在一个可回转支承的轴或回转轴9上，该轴被上述驱动装置转动。通过该轴9，也可进行附加的燃料注入。在使用一个电机的情况下，转速可借助来自发动机控制装置的、适合的信息与汽车发动机的工况相适配。此外，物体4是设在一个适合的、固定的外壳10中的。
NOx-存储催化器的再生按已知的方式通过对废气的发动机加浓进行。
在用含硫的燃料的情况下，须每隔一定时间，如在前面所描述的那样，对催化器进行脱硫。这可在高于600℃的温度时以热方式进行。如前所述，在所描述的系统中，可通过增加有害物质的浓度或通过有害物质的氧化使温度几乎任意地提高。通过适当的控制转速和有害物质浓度，催化器在所要求的若干分钟的时间里可被保持到所需的高温。如前所述，与传统的系统相比，能耗少得多。
因此，上面借助两个实施例所描述的设备的以下实施形式是可能的具有一个可在废气流中回转的物体4、没有催化剂涂层和没有用于在设备中建立温度最大值的过滤器的设备；具有一个可在废气流中回转的物体4和一个设在物体4中的、用于对炭烟微粒进行燃烧的过滤器6的设备；具有一个可在废气流中回转的物体4和物体4的至少部分涂有催化剂的涂层的设备；具有一个可在废气流中回转的物体4以及一个设在物体4中的过滤器6和物体4的至少部分涂有催化剂的涂层的设备。
权利要求
1．用于内燃机的发动机废气后处理的设备，其特征在于，该设备具有一个其上有被废气流过的沟槽(3)的物体(4)，该物体(4)是可回转地设在废气流中的。
2．按照权利要求1所述的设备，其特征在于，备有一个流入通道，该流入通道与物体(4)的沟槽(3)的一个范围(B1)流动连通。
3．按照权利要求2所述的设备，其特征在于，备有一个流动连通，该流动连通与沟槽(3)的被流入通道所流经的范围(B1)在出口侧连通并使范围(B1)与沟槽(3)的一个不与流入通道流动连通的范围(B2)流动连通。
4．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，物体(4)分为两个范围(B1,B2)，其中，废气在物体(4)的前端面(2)上流入第一范围(B1)，在第一范围(B1)的后端面(5)上流出，流入第二范围(B2)的一个端面(5)并在另一端面(2)上离开第二范围(B2)，其中，物体(4)在流过期间绕一个基本上垂直于废气流的流动方向的轴回转。
5．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，设备具有一个过滤器(6)。
6．按照权利要求5所述的设备，其特征在于，该过滤器是可回转地，特别是可与物体(4)一起回转地设置的。
7．按照权利要求4和权利要求5或6所述的设备，其特征在于，过滤器(6)设在第一范围(B1)的后端面(5)和第二范围(B2)的端面(5)之间。
8．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，为了使有害物质还原，特别是使NOx、HC和/或CO还原，物体(4)是至少部分(T1)地涂有催化剂层的。
7．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，物体(4)具有圆柱形的形状，其中，沟槽(3)沿径向伸展。
8．按照权利要求7所述的设备，其特征在于，物体(4)沿轴向具有一个圆柱形的空当(7)。
9．按照权利要求8所述的设备，其特征在于，在圆柱形的空当(7)中设有过滤器(6)。
10．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，内燃机具有一个把燃料直接喷入燃烧室的喷射装置和/或是一台柴油机。
11．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，设备具有一个加热元件(11)。
12．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，设备具有一个固定的外壳(12)，该外壳中设有绕其纵轴回转的物体(4)。
13．按照权利要求11所述的设备，其特征在于，该外壳是由非金属的材料构成的。
15．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，物体(4)通过一个驱动单元(9)转动。
16．按照权利要求15所述的设备，其特征在于，驱动单元(9)通过一个电机被构成。
17．按照权利要求15所述的设备，其特征在于，该驱动单元通过一个外部的磁场和设在外壳内的磁铁被构成。
18．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，物体(4)的旋转速度为约0.3至10转/分。
19．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，物体(4)是由金属或陶瓷构成的。
20．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，物体(4)是一个单体。
21．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，物体(4)由贯穿有沟槽(3)的扇形段组成。
22．按照以上权利要求之一所述的设备，其特征在于，设备具有一个用于注入附加的燃料的机构。
23．按照权利要求19所述的设备，其特征在于，该用于注入附加的燃料的机构是设在物体(4)的回转轴(9)中的。
24．用于内燃机的废气流后处理的方法，其特征在于，在废气流中设有一个物体(4)，该物体(4)沿废气流动方向贯穿有沟槽(3)并分为两个范围(B1、B2)，废气流被导入第一范围(B1)的前端面(2)，废气流在第一范围(B1)的后端面(5)处在被送入第二范围(B2)的一个端面(5)并在第二范围(B2)的另一端面(2)处流出，并且物体(4)在工作期间绕一个轴被回转，使沟槽(3)从第一范围(B1)换入第二范围(B2)。
25．按照权利要求24所述的方法，其特征在于，物体(4)以一个这样的速度绕其轴被回转，使通过废气流对第二范围(B2)的加热导致通过第一范围对废气流的加热。
26．按照权利要求24或25所述的方法，其特征在于，废气流的炭烟微粒滞留在一个设在第一范围(B1)的后端面(5)和第二范围(B2)的废气入口侧的端面(5)之间的过滤器(6)上并且转速如此地被选择，使温度界面的最大值大致上处在过滤器(6)处。
27．按照权利要求24至26之一所述的方法，其特征在于，NOx的存储在物体的相应地涂有催化剂层的部分(T1)上被进行。
28．按照权利要求27所述的方法，其特征在于，连续的还原所存储的NOx通过附加地加入还原剂进行。
29．用于对设计成NOx-存储催化器的、用于内燃机的废气后处理的、按以上权利要求之一所述的设备进行脱硫的方法，其特征在于，在开始脱硫时，在废气中的有害物质的量增加的同时，物体(4)的旋转被放慢或被中止，直至形成的温度最大值进入或通过第二范围(B2)，特别是进入或通过第二范围(B2)的废气流出侧的端面(2)附近，物体(4)被回转，直至第二范围(B2)至少大部分地占据第一范围的位置，使温度最大值主要位于第一范围内并且旋转被中止，直到温度最大值起码进入第二范围(B2)，补充喷射被减少并且物体(4)重新被回转。
30．按照权利要求29所述的方法，其特征在于，放慢或中止回转被多次重复，直到物体(4)基本上脱了硫。
31．按照权利要求29或30所述的方法，其特征在于，物体(4)的连续回转在温度最大值大致处在两个范围(B1,B2)的交点处的情况下重新被进行。
全文摘要
一种用于内燃机的发动机废气后处理的设备和方法,具有一个被废气流过的、可回转地设在废气流中的物体(4)和一个可与物体(4)一起回转的过滤器(6),其中,物体的旋转是如此选择的,使在物体中形成的温度界面的最大值留在物体中。物体优选地设计成具有一个轴向的、用于容纳过滤器(6)的空腔(7)的圆柱体,该圆柱体沿径向贯穿有沟槽(3),其中,圆柱体的回转轴垂直于废气流动方向。如果物体为NOx－存储催化器结构,则脱氮可通过对废气的循环加浓或通过把附加的燃料注入设备被促进。对催化器的脱硫通过对催化器的旋转的相应控制被促进。
文档编号F01N3/24GK1311844SQ99809069
公开日2001年9月5日 申请日期1999年6月17日 优先权日1998年7月31日
发明者A·克尼格 申请人:大众汽车有限公司