专利名称：在内燃机废气管路中的组合式废气后处理消声装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有如权利要求1前序部分所述特征的、在内燃机废气管路中的组合式废气后处理消声装置。
背景技术：
以下谈到PM-KAT系统。PM-KAT是本申请人的曼恩商用汽车股份有限公司的一个商标。PM-KAT系统是指用于减少柴油发动机废气中的碳黑微粒的非封闭机构。这样的PM-KAT系统包括至少一个预氧化催化器(以下只称为V-Kat)，其载体涂有作为活性成分的铂，和一个后置的且尤其是催化型微粒分离器(以下简称为PM-分离器)。这样的PM-分离器例如可以具有根据DE10020170C1的形状/结构。
对货车来说，迄今公开的是这样的布置结构，即V-Kat被布置在一个尽可能近地设置在内燃机中的前消声器中并且一个或多个PM-分离器被布置在主消声器中，见DE10123358A1。
另外，在2002年4月25、26日的第23届国际维也纳发动机学术交流会中公开了将一个PM-KAT系统整合到一个商用汽车消声器中并且被记载在VDI出版社2002年第2卷第490期VDI系列12的《进展报告》(第196-216页)上。图10、11表示该文献的PM-KAT系统。可以从这些图中看到，在消声器1中设有四个用于平行流动的废气后处理模块2，其中每个废气后处理模块嵌在套管5中地具有一个圆柱形V-Kat3并且直接同轴相接地具有一个直径相同的圆柱形PM-分离器4。当在货车或大客车中没有用于安装靠近发动机的前消声器的地方时，就建议将PM-KAT系统整合到消声器1中。但这种整合解决方案的缺点是PM-分离器的体积少了V-Kat体积，因为消声器1的外形尺寸是根据汽车而预定的，因而无法扩大。这导致远小于50％的不充分的分离率。即便提高V-Kat中的铂浓度并且给PM-分离器的内部结构涂上附加涂层，也达不到提高按照ETC(欧洲瞬态循环，European Transient Cycle)的分离率/转化率。铂非常昂贵并因而在很大程度上决定了总系统的成本。
发明内容
因此，本发明的任务是在一种上述类型的组合式废气后处理消声装置中装入一个V-Kat和PM-分离器，它具有这样的体积、形状和在消声器中的配置结构，即在V-Kat中使用最少铂的情况下，可以获得按ETC的至少为50％但最好显著超过50％的微粒转化率。
根据本发明，在一种上述类型的组合式废气后处理消声装置中，通过权利要求1特征部分所述的特征来完成该任务。
在从属权利要求中给出了有利的实施形式和应用例子的细节。
与根据图10、11的、带有四个V-Kat的已知解决方案相比，在本发明中，唯一的V-Kat的体积小了2.5-3.5倍，另外，用于涂覆V-Kat的铂用量根据实施例的不同而减少了3.3-11.7倍。这节省了巨大的开支。另外，由于只有一个较小的V-Kat，所以为PM-分离器提供了更大的地方，结果，获得了微粒转化率的显著提高。
以下，结合附图所示的多个例子来更详细地描述本发明，附图所示为图1是本发明第一实施例的纵截面图；图2以本发明第一实施例的前视图；图3是本发明第二实施例的纵截面图；图4是本发明第二实施例的前视图；图5是本发明第三实施例的纵截面图；图6是本发明第三实施例的前视图；图7是本发明第四实施例的纵截面图；图8是本发明第四实施例的前视图；图9是一张表，在该表的十横行中列出了一个V-Kat与一个或多个PM-分离器组合的十个不同例子的数据。
图10、11只用于说明作为本发明出发点的现有技术。
具体实施例方式
图1-图8表示一个组合式废气后处理消声装置，它布置在商用汽车如货车或大客车的内燃机且尤其是柴油机的废气管路中。该装置具有一消声器10，该消声器的空间边界由一个前端壁11、一个后端壁12和一道外周壁13构成。外周壁的横截面可以成圆形、椭圆形、方形或大致成长方形，从纵向上看，外周壁隆起成圆柱形或桶形。一个废气入口管14穿入消声器10内室，该废气入口管通过一个未示出的废气管接受所属内燃机的废气。此外，在消声器10内室中装有一个因其铂涂层而明显提高流经废气中的二氧化氮含量的预氧化催化器15(以下称为V-Kat15)和至少一个尤其是催化型微粒分离器16(以下称为PM-分离器16)。用17表示一个消声的尾管，经过净化的废气利用该消声的尾管从消声器10内室中被排出到大气中。随后，待后处理的废气通过废气入口管14被送入消声器10中并在那里先流过V-Kat15并随后流过PM-分离器16并接着被净化并间接通过尾管17消声地又被排出消声器10。端壁11、12和(如果需要的话)外周壁13以及尾管17也涂上消声材料。在废气输入区和废气输出区里的特殊结构以及在消声器里的横壁也有助于消声，以下还要对此做详细说明。
在根据图1、2和图3、4以及图5、6的三个例子中，V-Kat成圆柱形并且被装在由奥氏体或铁素体不锈钢制成的外壳18里，确切地说是平行于消声器10纵轴线19地安装在外壳里。废气入口管14伸入这个从前端壁11起呈漏斗形扩张的并随后成圆柱形伸展的外壳18的入口腔20中一定程度并在那里最好具有一透孔或者孔21，从而输入的废气可以不仅沿径向而且沿轴向从废气入口管14流出到入口腔20中并随后流过V-Kat15。V-Kat镶嵌在外壳18的圆柱形部分中。
在这三个例子中都有的PM-分离器16都成圆柱形，也被安装在一个由奥氏体或铁素体不锈钢构成的外壳22中并且平行于消声器轴线19地安装在外壳里。在这里，在图1、2的例子中是四个，在图3、4的例子中是三个，而在图5、6的例子中是一个这样的其中装有PM-分离器16的外壳22被安置在其中装有V-Kat15的外壳18之上或旁边。为了固定外壳20、22的位置，在消声器里设有一道横壁23，它最好通过透孔或孔而能够透气，从而在其流过之后从V-Kat15中流出的废气在流过PM-分离器16之前分布到PM-分离器的外面并因而被预热或者可以保持在有利的工作温度上。在图1-图6的所有三个例子中，PM-分离器16通入一个流出腔24中，该流出腔在消声器10里通过壁25、26而相对消声器10的其它内腔不透气地形成。尾管17也与流出腔24相通。平行于横壁23的壁25带有通口地各自气密地包括PM-分离器外壳22的流出侧端部和尾管17的流入区，并因此也有助于其在消声器10中的定位。
在图7、8的实施例中，V-Kat15和这个在此使用的PM-分离器16分别成圆柱形，但其直径是不同的并且沿轴向前后布置在一个共同的外壳27里，但通过一个从V-Kat15的流出面起向着PM-分离器16的流入面呈漏斗形扩张的溢流腔28分隔开。在这里，废气入口管14比较深地延长到消声器10的内腔中，直至快到尾管17之前，废气入口管也配备有一个透孔或多个孔21。其中装有V-Kat15和PM-分离器16的外壳27平行于消声器10轴线19地且在废气入口管14上方被装入消声器里并且在其间就象废气入口管14和尾管17那样通过两道横壁29、30支撑消声器。在这里，横壁29通过多个孔或一个透孔被制成是透气的，而另一个与之平行的横壁30是不透气的并且与前端壁11和外周壁13一起限定出一个流出腔31。PM-分离器16通入该流出腔并且尾管17从中伸出。此外，外壳27、尾管17和废气入口管14被气密地嵌装在横壁30的通口中。在横壁30和后端壁12之间，消声器10内腔因横壁29透气而可以填充沿轴向和径向从废气入口管流出的废气，结果，即便在这个变型方案里，装有V-Kat15和PM-分离器16的外壳27也可以被预热或可保持在有利的工作温度上。
总之，所有实施例满足以下的本发明特征a)V-Kat15的自由废气流入面明显小于PM-分离器16的废气流入面。
b)V-Kat15的长度直径比AR＝长度(I)/直径eff(Φeff)约为0.4-0.6。
c)PM-分离器16的长度直径比AR＝长度(I)/直径eff(Φeff)约为0.5-1.0。
d)V-Kat15的体积约为2.5-4升，这个或所有的PM-分离器16的体积约为5.5-22升，V-Kat15体积与这个或所有的PM-分离器16体积之比约为0.15-0.55。
e)这个或所有PM-分离器16的长度直径比与V-Kat15的长度直径比之比约为1.05-2.2。
f)在最高废气体积流量(Nm3/h)的情况下，在V-Kat15中的通道速度KG(＝废气体积流量/自由废气流入面积)大于8米/秒，而在这个或这些PM-分离器16中的通道速度KG大于5米/秒，其中，最高废气体积流量由最高允许压力损失和与提供废气的内燃机的功能有关的最高允许废气反压来限定。
在b)、c)中提到的术语Φeff表示V-Kat15和这个PM-分离器16(如果只用一个的话)的圆形流入面的流入有效直径，或者在指多个PM-分离器16时且其有效总流入面假定为圆形面的情况下，就表示由此得到的直径。
在图9的表中示出了十个经过检验的、不同V-Kat15与数量不同的PM-分离器16组合以及由此得到的按照ESC(欧洲稳态循环，EuropeanSteady Cycle)和ETC(欧洲瞬态循环)的转化率(微粒分离率)的例子。为了避免重复说明，根据图9的表格及其内容应该被视为是说明书的组成部分。这些变型方案的检验是用柴油机进行的，柴油机分别以1200Nm3/h的最高废气体积流量提供废气，该废气含有按照ESC测试的约为40mg/KWh数量级的粗大微粒排放值以及按照ETC测试的约为50mg/KWh数量级的粗大微粒排放值。这样的最高废气体积流量造成在图9的表中给出的通道速度和转化率。
在图1、2的例子中曾试图，在三个变型方案(1-3号)中，在V-Kat15分别一样时通过使用直径相同但长度不同的PM-分离器16来提高转化率。最佳解决方式是3号变型方案。在这里显示出这样的结果，即尽管直径较小，但如果这个或这些PM-分离器16越长，则转化率越高。因此，将PM-分离器16设计成细长形状是很有利的。
在根据图3、4的例子中，按照4、5号变型方案分别给三个相同的PM-分离器16配备分别不同的V-Kat15。
在根据图5、6的例子中，在采用相同V-Kat15的情况下，在6号变型方案中使用的一个PM-分离器16具有与在4、5号变型方案中的三个PM-分离器16类似的总体积。在这种情况下，表现出了相当高的转化率。
在根据图7、8的例子中，在四个变型方案(7-10号)中，各有一个具有不同蜂窝结构的PM-分离器16与V-Kat15组合，这些PM-分离器或是具有不同的蜂窝结构，或是具有不同的直径。
结果，所有变型方案产生至少为50％的ETC转化率，在3号变型方案中，最高达到了79％。
在经过检验的1-10号变型方案里，采用的是不带铂涂层的PM-分离器16。但这样的使用状况也是完全可行的，其中必须采用涂铂的PM-分离器16。因此，本发明不仅延及无涂层的PM-分离器16，也涉及涂铂的PM-分离器16。另外，可以采用其蜂窝结构不同于所示结构的PM-分离器16和V-Kat15。此外，不同于上述例子地，当然也可以将一个V-Kat15与两个、五个或六个PM-分离器16组合在一起，如果在消声器10中的空间和/或待获得的消声程度允许这样做的话。
权利要求
1.一种在内燃机且尤其是商用汽车如货车或大客车的柴油机的废气管路中的组合式废气后处理消声装置，它具有一个消声器，该消声器在空间上由一个前端壁和一个后端壁以及一道外周壁限定出边界，在消声器内腔中装有至少一个明显提高流经废气中的二氧化氮含量的预氧化催化器和至少一个尤其是催化型微粒分离器，其中，待后处理的废气可通过一个入口管被送入该消声器里并且在流过预氧化催化器以及这个或这些微粒分离器后被净化并间接消声地又从该消声器中被送出，其特征在于，-该预氧化催化器(15)的自由废气流入面积明显小于这个或这些微粒分离器(16)的自由废气流入面积，-该预氧化催化器(15)的长度直径比AR＝I/Φeff约为0.4-0.6，-这个或这些微粒分离器(16)的长度直径比AR＝I/Φeff约为0.5-1.0，-预氧化催化器(15)的体积约为2.5-4升，这个或所有微粒分离器(16)的体积约为5.5-22升，预氧化催化器体积与这个或所有微粒分离器体积之比约为0.15-0.55，-微粒分离器(16)的长度直径比与预氧化催化器(15)的长度直径比之比约为1.05-2.2，-在最高废气体积流量Nm3/h的情况下，在预氧化催化器(15)中的通道速度(由废气体积流量/自由废气流入面积产生)大于8米/秒，而在这个或这些PM-分离器16中的通道速度大于5米/秒，其中，最高废气体积流量由最高允许压力损失和与提供废气的内燃机的功能有关的最高允许废气反压来限定。
2.如权利要求1所述的组合式废气后处理消声装置，其特征在于，预氧化催化器(15)成圆柱形，其尺寸为，直径×长度＝220×101.5毫米或200×101.5毫米，此时的蜂窝结构为160cpsi或200cpsi，或者在160cpsi蜂窝结构的情况下为180×101.5毫米，并且该预氧化催化器具有一个数量级为5克/每1000Nm3/h废气体积流量的铂涂层，就是说，具有约为1.0-1.5克/升体积的铂涂层。
3.如权利要求1或2所述的组合式废气后处理消声装置，其特征在于，在消声器(10)中设有四个相同的且用于平行流过的微粒分离器(16)，它们各自成圆柱形并且分别具有这样的尺寸，即在200cpsi蜂窝结构的情况下，直径×长度＝150×150毫米或150×225毫米或150×300毫米。
4.如权利要求1或2所述的组合式废气后处理消声装置，其特征在于，在消声器(10)中设有三个各自成圆柱形的且用于平行流过的微粒分离器(16)，每个微粒分离器的尺寸为，在200cpsi蜂窝结构的情况下，直径×长度＝150×150毫米。
5.如权利要求1或2所述的组合式废气后处理消声装置，其特征在于，在消声器(10)中，除了这一个预氧化催化器(15)外还设有一个成圆柱形的微粒分离器(16)，该微粒分离器的尺寸为，在200cpsi蜂窝结构的情况下，直径×长度＝254×150毫米或220×225毫米，或者在160cpsi蜂窝结构的情况下，直径×长度＝220×150毫米。
6.如权利要求1所述的组合式废气后处理消声装置，其特征在于，一个预氧化催化器(15)与一个或多个PM-分离器(16)组合，所述PM-分离器的各自具体特征如在图9的1-10号变型方案中所给出的那样，其中，通道速度KG值和转化率在所有1-10号变型方案中是在这样的基础上，即在实验所依据的1200Nm3/h废气体积流量、按照ESC测试的约40mg/KWh的柴油发动机所产生废气的粗大微粒排放值和按照ETC测试的约50mg/KWh的柴油发动机所产生废气的粗大微粒排放值的基础上得到的。
全文摘要
本发明涉及在内燃机废气管路中的组合式废气后处理消声装置。在这里，本发明在于在消声器中将一个特殊的涂铂的预氧化催化器与至少一个与该催化器精确协调配合的微粒分离器组合起来，以便获得大于50％的粗大微粒分离率。
文档编号B01J35/00GK1536207SQ20041003460
公开日2004年10月13日 申请日期2004年4月12日 优先权日2003年4月11日
发明者E·雅各布, 梅 H-P, E 雅各布 申请人:德国曼商用车辆股份公司, 罗思－技术奥地利有限责任公司