专利名称：带有催化器的内燃机排气装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按权利要求1前序部分的、带一催化器特别是NOx存储催化器的、尤其是汽车的内燃机的排气装置，其中在催化器前设有一冷却段。
对于直接燃料喷射的奥托发动机越来越多地采用NOx存储催化器，以使氮氧化物转化。因为只有在比较窄的废气温度区内才能达到足够高的转化率，要求发动机运行和催化器系统这样地相互匹配，使得在存储催化器出口处的废气温度对于一个大的运行范围尽可能位于温度区内。
为了防止超过温度上限，采用一带一冷却段的排气装置是有益的，这里该冷却段按要求降低废气温度。由此同时也降低催化器系统的热负荷，从而提高使用寿命。例如由DE 199 05 345 A1已知一种用于汽车的用来处理内燃机废气流的带一三元催化器和一后置的NOx捕集器的废气后处理装置。在三元催化器和NOx捕集器之间废气通过一带有具有连续流的温度变化路径的敏感的支路引导。由此达到，快速流动的废气主要通过具有较多热能输出的路径流动，流动得慢的废气主要通过一具有较少热能输出的路径流动，使得在NOx捕集器之前的温度可以保持在一规定的区域内。对于小的废气流量通过这种措施减少了相对的热量输出(相对于包含在废气中的所有热量的热量输出)，而对于大的废气流量则提高这种相对的热量输出。但是这种结构很复杂和昂贵，尤其是在某些情况下需要维护工作和修理时。
因此本发明的目的是，提供一种上述类型的排气装置，其中以少的费用对于内燃机的整个稀薄运行区尽可能防止超过温度上限。
按照本发明这个目的通过具有在权利要求1中表示的特征的上述类型的排气装置来实现。本发明优良的结构在从属权利要求中给出。
为此按本发明设想，冷却段以适当的形式做成多流程的和/或配备附加的冷却装置，由此在内燃机的具有不同废气流量的所有各个运行阶段内提高废气中相对于包含在废气中的热能的热能输出(相对热能输出)。
这有这样的优点，即通过冷却段的温度下降相对于额定功率点的最大值处于废气流量的中间数值，因此当催化器前的废气温度正好达到对于稀薄运行的温度上限时，便出现最强的冷却效果，通过附加的冷却装置温度下降的最大值可以向更高的废气流量移动，由此最佳地与发动机运行特性相匹配。
为了扩大散热面的表面积，该附加的冷却装置包含设置在冷却段外部圆周方面均匀分布和向外伸出的筋片。
为了扩大表面以及形成涡流，以使更多的热量从废气传到外界，该附加的冷却装置包括至少一个做成热交换器的废气输入管，它在纵向长度上具有交替变更的椭圆度。
该附加的冷却装置包括至少一个沿纵向成波纹形的废气输入管，由此进一步加大表面积并改善涡流的形成。
通过使附加的冷却装置包括一具有向内延伸的压痕的废气输入管，不仅达到散热表面表面积的加大，而且达到使流过的废气流形成涡流。
为了在冷却段内使废气流形成涡流以及同时扩大表面积，该附加的冷却装置包括至少一个具有内凹槽的废气输入管，它沿流动方向可任选地倾斜设置。
在一种特别优选的实施形式中该附加的冷却装置包括至少一个在横截面上成n边形、矩形、三角形、半圆形或半椭圆形的废气输入管。
通过这样的方法达到热量从废气输出的进一步提高，即该附加的冷却装置具有至少一个设置在冷却段区域内的涂层，该涂层有利于热量输出，和/或附加的冷却装置，该装置包括一用来用外界气流吹拂冷却段的装置。
本发明其他的特征、优点和优良的结构由从属权利要求以及以下借助于附图对本发明的说明中得到，附图所示为
图1是相对热量输出以及温度下降与废气流量或汽车速度的关系的图象表示，图2是按本发明的排气装置的一种优选实施形式，图3a是相对热量输出以及温度下降与废气流量的关系的又一图象表示，图3b是按图3a的图形的数值表格，图4、6、8、10、12分别表示一做成热交换器的废气输入管的不同实施形式的示意侧视图，和图5、7、9、11、13分别表示按图4、6、8、10和12的废气输入管的示意正视图。
图1以曲线(a)定性表示通过普通的排气装置出现的温度下降与废气流量或汽车速度的关系。其中对于温度下降显示一(虚线表示的)典型曲线，它从低的到中间的废气流量时首先增大，接着在大的废气流量时重新减小。现在通过本发明的排气装置的冷却效果与具有直接喷射的奥托发动机的汽车的运行特性最佳地匹配。为此在图2中所示的排气装置110做成多流程的和/或在催化器113前的冷却段112的区段内设有附加的冷却装置，以便在总体上加大热量输出(图1中的细实线)。这通过图1中的曲线(b)和(c)表示，所示的多流程冷却段112(图2)包括多条废气输入管114。废气在116中流入，在118中流出。
如果废气温度在例如做成NOx存储催化器的催化器113前正好达到对于稀薄运行的温度上限，便出现最强冷却效果区，这样是有利的，这里废气温度通常在约400℃至550℃的范围内，这根据发动机-传动箱-汽车组合的不同而相当于约60km/h至160km/h的速度范围(在平面内均速行驶)。
对于按本发明的冷却性能在设计排气装置时依次确定以下几点1.通过管子数量以及其直径和长度确定散热表面的大小。
2.例如通过加大涡流加大内部热传导。
3.通过用空气，例如行驶风按要求环流，通过导风元件或导风通道或鼓风机改善外部的散热系数。
4.例如通过特殊的表面涂层，加大辐射散热。
由此不仅提高绝对冷却水平，而且也使最大冷却效果点或区(图1中的点120)向更大的废气流量方向移动(更多的汽车速度)。因此这在规定的散热表面时特别有利，因为由此冷起动特性只起很小的不利影响，这里应该尽快加热催化器，这要求通过排气装置散发尽可能少的热量和具有尽可能小的热惯性。此外由此避免，催化器在非常低的汽车速度时(和加上很低的环境温度)过快地重新离开下工作区。
此外图1中标注了通过管壁散发的热量相对于包含在废气中的总热量(相对热量输出)(细实线122)。特征是，相对散热输出随着废气流量的加大(越来越高的行驶速度)对于各种方案都越来越小。
在图3a和3b中用图象和表格表示按本发明的排气装置的一个优选实施形式的测量值。其中在图3a中标注了通过冷却段112出现的废气温度下降与废气流量(汽车速度)的关系，如可以直接看到的那样，在所希望的速度范围内达到在NOx存储催化器113之前的最大废气温度下降。其次标注了所求出的相对热量输出的曲线。
在图4至13中表示附加的冷却装置的不同可能性，按图4和5的做成热交换器14的废气输入管12设有设置在外部的、沿圆周方向均匀分布的和向外伸出的筋片33。筋片33用来扩大废气输入管12散热表面的面积，从而改善向外界的热传导。图6、7表示一做成热交换器14的废气输入管12，它具有沿纵向交替变化的椭圆度。这既导致表面积扩大，又促使流过废气输入管12的废气流形成涡流。在图8、9中表示一在纵向成波纹形的废气输入管12。在这里也得到表面积的扩大和在废气输入管12内废气流的涡流形成。按图10、11的废气输入管12在圆周方向设有向内延伸的压痕34，由此既加大散热表面的面积，又使流过的废气流形成涡流。图12、13表示一种废气输入管12，它在内部设有凹槽35，其中凹槽35在流动方向也可以倾斜放置。凹槽35用来使在废气输入管12中的废气流形成涡流，并且同时可以加大废气输入管12散热表面的面积。
按照一种未画出的实施形式做成热交换器14的废气输入管12在横截面内也可以做成n边形、矩形、三角形、半圆形或半椭圆形的管子、以增加涡流。其中在做成热交换器14的废气输入管12内产生的涡流特别用来提高从高温废气向相应废气输入管12的外壁的热传导。其次通过在废气输入管12内形成废气涡流防止随着管道长度的加大形成的温度分层，也就是说形成一冷的外废气流和一热的内废气流。
按照另一种未画出的实施形式做成热交换器14的废气输入管可以配备一有利于散热的涂层和/或其在某些情况下形成构造的外表面用有利于散热的外界气流吹拂。
权利要求
1.特别是汽车内燃机的排气装置(110)，具有一催化器(113)，尤其是NOx存储催化器，其中在催化器(113)前设一冷却段(112)，其特征为冷却段(112)包括多个单独的排气管(114)和/或在它上面这样地设置附加的冷却装置(33；34；36)，使得在内燃机的具有不同废气流量的所有各个运行阶段内这样地提高废气中相对于包含在废气中的热能的热能输出(相对热能输出)，使得对于废气流量的中间数值调整到一最大的温度下降。
2.按权利要求1所述的排气装置(110)，其特征为该附加的冷却装置包括设置在冷却段(112)外部的、沿圆周方向均匀分布和向外伸出的筋片。
3.按权利要求1或2所述的排气装置(110)，其特征为，该附加的冷却装置包括至少一个做成热交换器的废气输入管，它具有沿纵向交替变化的随圆度。
4.按上述权利要求之至少一项所述的排气装置(110)，其特征为，该附加的冷却装置包括至少一个在纵向或波纹形的废气输入管。
5.按上述权利要求之至少一项所述的排气装置(110)，其特征为该附加的冷却装置包括至少一个具有向内延伸的压痕(34)的废气输入管。
6.按上述权利要求之至少一项所述的排气装置(110)，其特征为该附加的冷却装置包括至少一个具有内部凹槽(35)的废气输入管。
7.按权利要求6所述的排气装置(110)，其特征为该凹槽沿流动方向倾斜设置。
8.按上述权利要求之至少一项所述的排气装置(110)，其特征为该附加的冷却装置包括至少一个在横截面上成n边形、矩形、三角形、半圆形或半椭圆形的废气输入管。
9.按上述权利要求之至少一项所述的排气装置(110)，其特征为该附加的冷却装置具有至少一个设置在冷却段区域内的有利于散热的涂层。
10.按上述权利要求之至少一项所述的排气装置(110)，其特征为该附加的冷却装置包括一个用于用外界气流吹拂冷却段的装置。
全文摘要
本发明涉及一种特别是汽车内燃机的排气装置(110)，其具有一催化器(113)，尤其是NOx－存储催化器，其中在催化器(113)之前设一冷却段(112)，其中冷却段(112)包括多个单独的排气管(114)和/或在它上面这样设置地附加的冷却装置(33；34；36)，使得在内燃机具有不同废气流量的所有各个运行阶段这样地提高废气中相对于包含在废气中的热能的热能输出(相对热能输出)，使得对于废气流量的中间数值调整到最大的温度下降。
文档编号F01N3/08GK1466651SQ01816625
公开日2004年1月7日 申请日期2001年8月28日 优先权日2000年9月30日
发明者M·齐尔默, M 齐尔默, E·波特, K·米歇尔斯 申请人:大众汽车有限公司