用于内燃机的催化器和用于运行催化器的方法与流程

本发明涉及一种在权利要求1的前序部分所提出类型的用于内燃机的催化器。此外，本发明涉及一种根据权利要求12的用于运行催化器的方法。

背景技术：

用于净化尤其内燃机的排气的催化器是已知的。催化器尤其用于遵守法律规定的机动车辆的排气排放，并且包含于内燃机中在其排气系中所布置的排气后处理单元中。与排气后处理单元相关联的部件，例如颗粒过滤器和催化器，在此应尽可能快速地在尤其冷启动之后到达所谓的点火温度(light-off-temperatur)，该点火温度与用于对应部件的排气净化所需的最低运行温度相对应，以保证高效的且尽可能完全的排气后处理。

为了使部件可以快速地达到其最低运行温度，使从内燃机流出的排气通常在冷启动后通过发动机内部的措施(例如富含氧气的混合燃烧、将二次空气吹入催化器前的排气流中)和/或发动机外部的措施(例如使用在排气流中布置在对应的部件之前的、可电加热的元件，在流过时将排气流加热，并且将热量传递至部件)达到对应温度，即可以通过对应部件实现净化的最低运行温度。通常，在低于部件的最低运行温度时不进行排气后处理。

从公开文献de3918596a1已知一种用于内燃机的催化器，在该催化器的上游配有热交换器，其中内燃机的排气可以在热交换器中被加热。排气在低的温度下流过热交换器。热交换器至少部分地具有氧化催化的涂层。

可以参考公开文献de19857509a1中的热交换器，该热交换器用于降低流过该热交换器的排气的温度，该排气在热交换器的上游已被催化处理。

从公开文献wo99/20876a1已知一种催化器，该催化器具有在该催化器的上游布置的热交换器，其中该热交换器被设计为肋管的形式。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改进的催化器。本发明的另一目的在于，给出一种用于运行催化器的方法。

根据本发明，这些目的通过具有权利要求1所述特征的用于内燃机的催化器并且通过具有权利要求12所述特征的用于运行催化器的方法来实现。本发明的具有相宜且重要的改进方案的有利设计在相应的从属权利要求中给出。

本发明涉及一种用于内燃机的催化器，该催化器具有壳体和设计在该壳体中的催化元件。该壳体被设计为能够被该内燃机的排气流过。根据本发明，该催化元件被设计为能够被环流并且能够被流过，其中该催化元件被设计为在朝向排气形成的面上具有多个肋部/翅片。换句话说，用于排气净化的催化元件既具有外部的流过、也具有外部的环流和内部的流过。可以看出在两侧流过催化元件的优点在于：除了排气之外，另外的流体也可以施加于催化元件，由此可以提升催化元件的催化功能。

以热的流体在内部流过催化元件提高了催化元件的催化效果，并且，如果催化元件具有催化层，尤其该催化元件的朝向排气形成的催化层，该催化层被施加在该催化元件的作用面上。同样存在以下可能性：因为催化元件被实施为能够被环流并且能够被流过，排气被引导经过催化元件并且流体(该流体被提供用于加热或使变热和冷却)围绕催化元件环流。流过催化元件或围绕催化元件环流可以根据所存在的用于催化器的结构空间和/或最大的排气流来选择。因此，根据本发明的催化器的优点可以从此看出，该催化器可以被设计为用于冷却以及用于加热或使变热。加热一般用于排气，与此相反，冷却用于保护催化效果，并且如果施加有催化层，则用于保护催化层。借助于多个肋部可以以简单的方式显著增大催化器的作用面，由此显著改进催化元件的冷却功能或加热功能以及因此其催化效果。

在根据本发明的催化器的一种设计方案中，该催化元件借助于设计在该壳体中的、能够被流过的管以能够被绕过的方式形成，其中催化元件被布置在壳体与接收在壳体中的、可被流过的管之间形成的环形通道中。因此，以简单的方式提供以下可能性：使催化元件在确定的运行点由排气环流，而在其他的运行点引导排气经过管而使其不围绕催化元件环流或不流过催化元件。

在另一种设计方案中，催化元件被设计为螺旋形的。因此提供如下优点：增大催化元件的作用面，而无需增大催化器的纵向延伸尺寸。优选地，催化元件被设计为围绕管缠绕，由此在相同的结构空间需求下产生作用面的增大。

为了对催化元件进行固定的定位，管和/或壳体在其朝向催化元件的面上具有止动突起。优选地，这些止动突起螺旋形地布置，只要催化元件同样实施为螺旋形的，其中催化元件在止动突起之间轴向固定地被定位在环形通道中。

在根据本发明的催化器的另一种设计方案中，在纵向轴线的方向上流过该催化元件的通流是能借助于调节元件调节的。因此，可以根据运行点将排气施加于、部分地施加于催化元件，或者完全或几乎完全绕过催化元件。

如果调节元件被设计为呈围绕其中轴线可枢转的闸板的形式，那么在完全打开由调节元件可关闭的流动横截面时，在同时调节元件的结构简单的情况下存在较小的流动阻力。尤其需注意的是，调节元件由热的排气环流，由此可能导致调节元件变形和/或在结构复杂的情况下卡住。这能够以所提出的简单的结构来避免。优选地，调节元件是与节流阀类似地实施的。

在根据本发明的催化器的另一种设计方案中，在催化元件的元件轴线方向上流过催化元件的通流是能调节的，因此也可以根据运行点来流过催化元件。

优选地，催化元件被设计为肋管/翼管的形式。

在根据本发明的催化器的另一种设计方案中，管具有轴向地可被流过的入口和轴向地可被流过的出口，其中在该入口的下游以及在打开和关闭该管的流动横截面的调节元件的上游设计有径向地能够被流过的缺口。因此可以实现催化元件所包括的并且被提供用于绕过催化元件的管的简单结构，因为在流动横截面借助于调节元件关闭时，排气可以经由径向地可被流过的缺口流入包括管的环形通道中，催化元件被布置在该环形同道中。

因此，在施加于催化元件之后从环形通道流出的排气可以经由在调节元件下游且在出口上游形成的、该管的另外的可被流过的缺口流向出口中，因此可以实现管的简单的、圆柱形的结构的可能性并且同样可以实现壳体以及因此催化器的简单的结构。

为了提高催化效果，催化元件在其作用面上具有催化涂层。

本发明的第二方面涉及一种用于运行催化器的方法，其中该催化器具有壳体和设计在该壳体中的催化元件，该催化元件被设计为能够被环流并且能够被流过，其中该催化器尤其是根据权利要求1至12之一设计的，并且其中，如果该催化元件被设计为能够以流体被流过并且能够由排气环流，那么：

-在冷的排气流的情况下，以热的流体流过该催化元件，以及

-在热的排气流的情况下，以冷的流体流过该催化元件，

以及如果该催化元件被设计为能够由排气流过并且能够由流体环流，那么

-在冷的排气流的情况下，以热的流体围绕该催化元件环流，以及

-在热的排气流的情况下，以冷的流体围绕该催化元件环流。

借助于根据本发明的方法，在内燃机的所涉及的运行范围中，可以有效地加热排气或使排气变热以减少有害物质，并且在内燃机的其他的运行范围中有效地保护催化元件免受过热以及因此带来的损坏。

有利地与启动内燃机同时开始以热的流体流过催化元件，使得首先的冷排气流已经可以被净化。

或者，在启动内燃机前已开始以热的流体流过催化元件，使得可以实现对首先的冷排气流的经改进的净化。

附图说明

从下面对优选实施例的描述并且借助于附图来获得本发明的其他优点、特征和细节。在不偏离本发明的框架的情况下，以上在说明书中提及的特征和特征组合以及下文在附图说明中提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合，不仅可以按相应给出的组合使用，而且还可以按其他的组合来使用或单独使用。相同的附图标记被指派给相同的或功能相同的元件。为清晰起见，这些元件可能不是在所有附图中都标有其附图标记，但这不影响其关联性。在附图中：

图1以纵截面示出处于第一运行状态的根据本发明的催化器，

图2以局部截面示出根据图1的催化器，

图3以纵截面示出处于第二运行状态的根据本发明的催化器，

图4以局部截面示出根据图3的催化器，

图5以正视图示出处于其第一运行状态的催化器，以及

图6以正视图示出处于其第二运行状态的催化器。

具体实施方式

在图1中展示了处于第一运行状态的根据本发明的催化器1，其具有可被流过的、带有纵向轴线3的壳体2，该壳体被设计为空心圆柱体形状。在壳体内部4布置有可被流过的管5，其中在管5与壳体2之间设计有可被流过的环形通道6。管5被实施为与壳体2共轴的。

催化器1具有用于使未进一步示出的内燃机的排气流入壳体2中的入口7以及用于使排气在其催化处理后流出的出口8。入口7与管的第一端部9对应，其中壳体2在入口7的区域中被实施为相对于环境与管5密封的。出口8与管5的背离第一端部9而形成的第二端部10对应，其中壳体2在出口8的区域中同样密封地与管5相连接。这可以借助于材料配合的连接和/或通过使用密封元件和/或通过在管5与壳体2之间的力配合实施。自然，密封性连接的可能设计并非穷尽所述的。

管5被设计为大体上空心圆柱形的，其中为了实现环形通道6，壳体2在其大体上在端部区域11之间形成的、空心圆柱形的中间部分处具有截锥形的端部区域11。

在环形通道6中布置有催化元件12，该催化元件可以在纵向轴线3的方向上以及在其元件轴线13的方向上被流过。催化元件12被实施为管状的，其中该催化元件围绕管5螺旋形缠绕地布置在壳体2中。该催化元件的朝向排气形成的面14具有多个肋部15。

在图1和图2中，以纵截面或以局部截面示出的方式，展示了处于其第一运行状态的根据本发明的催化器1，其中管5借助于调节元件16被封闭。换句话说，在第一运行状态中排气不可以流入管5的管内部空间17中，因为管5的流动横截面19被调节元件16关闭。

调节元件16是以围绕其中轴线18可枢转的闸板的形式(优选地与节流阀类似地)构造的并且可枢转地安装在管5中。

经由入口7进入催化器1中的排气，由于借助于调节元件16在流动方向上被关闭的管内部空间17，经由管5的可被流过的缺口20流入环形通道6中。

缺口20在轴向方向上形成在入口7与调节元件16之间，其方式为使得排气(同样可以被称为排气质量流)可以在流动横截面19被关闭时经由入口7流入环形通道6中。为了简单地制造管5，缺口20仅藉由薄的连接板21相互分开，使得排气可以相对无干扰地进入环形通道6中。在一个特别优选的实施例中，连接板21具有经流动优化的、水滴状的横截面。

排气围绕布置在环形通道6中的催化元件12环流，其中催化元件12的作用面22借助于多个肋部15以经结构空间优化的方式相对于其面14而言是增大的。作用面22是催化元件12的由排气环流的面。作用面由于多个肋部15而大于面14。换句话说，在面14上布置有多个肋部15并且作用面22借助于多个肋部15形成。作用面22配备有催化层33。

排气在纵向轴线3的方向上从入口7流向出口8，其中排气在环形通道6的端部，由于围绕催化元件12环流而以经净化的方式经由另外的缺口23从环形通道6在径向方向上流到管内部空间17中并且从那在轴向方向上进一步流到出口8中。

催化元件12除了其沿着纵向轴线3被轴向流过之外，也可以在其元件轴线13的方向上被流过。换句话说，催化元件13被设计为中空的以用于使流体流过。流体示例性地涉及气态介质，该气态介质取决于内燃机的运行范围而用于冷却或加热排气。同样，流体也可能是液态介质。流过催化元件12，或换言之，以流体施加于催化元件12，被设计为可调节的。根据内燃机的运行点来进行控制。因此，流过催化元件12可以主动地实现。

为了被流过，催化元件12在其第一端部9的区域中形成的第一元件端部24具有第一流体接口25，以及在其背离第一元件端部24形成的第二元件端部26具有第二流体接口27。因此该催化元件可以从其第一元件端部24出发直到其第二元件端部26被流过，并且反之亦然。

在图3和图4中，以纵截面或以局部截面示出的方式，展示了处于其第二运行状态的根据本发明的催化器1，其中流动横截面19被调节元件16释放。换句话说，排气可以流入管内部空间17中。这意味着，排气不经由或仅不显著地经由缺口20流入环形通道6中并且因此绕过(或换言之绕开)催化元件12。

为了对催化元件12进行固定的定位，管5和壳体2在其朝向催化元件12的面30上具有止动突起31。止动突起31分别以螺线的形状形成，由此催化元件12固定地布置在止动突起31之间。

为了更好地阐述调节元件16，在图5和图6中以正视图展示了根据本发明的催化器1。在图5中描绘了处于其第一运行状态的催化器1，因此具有借助于调节元件16关闭的流动横截面19。呈节流阀形式形成的调节元件16以运动间隙28被定位在流动横截面19中，其中在第一运行状态中流过运动间隙28的排气是可忽略的。

在图6中展示了处于其第二运行状态的催化器1，其中调节元件16以释放的方式调节流动横截面19。由于调节元件16的闸板形的形式，在催化器1的第二运行状态中，调节元件16形成仅很小的流动阻力。

在催化器1的未进一步示出的第三运行状态中，调节元件16被调节成用于使环形通道6和管内部空间17被流过。

根据本发明的催化器1被提供用于加热排气并且尤其用于冷却催化元件12。在内燃机的运行状态中，其中排气是相对较冷的，例如在内燃机的冷启动运行中或热运行阶段期间，催化器1被调节到其第一运行状态。

排气随后在流动箭头32的方向上(如图1所示)经由入口7和在管5中径向形成的缺口20流入环形通道6中，其中排气借助于催化元件12被强制引导并且借助于多个肋部15形成的间隙而流过。为了加热排气并且因此为了提升催化元件12的催化效果，以热的流体(例如来自加热器的热气体)流过催化元件12。这可以与启动内燃机同时进行，或在启动内燃机前就已经进行。其优点在于，在本实施例中形成的催化层33从元件内部空间29出发由热的流体加热。

在启动内燃机的时间点以及之后对催化层33进行额外的加热(由于围绕该催化层环流的排气)。因此，有效地缩短了通常存在的、从启动内燃机直到达到催化器1的最低运行温度的时间跨度。

如果催化器1在内燃机启动之前已经以热的流体被流过，那么提供以下可能性：催化器1在启动内燃机之前已经达到其最低运行温度。优点是，在启动内燃机的时间点已可以进行高效的排气净化。

以热的流体流过催化元件12与启动内燃机同时进行自身得出与现有技术相比在启动与达到催化器1的最低运行温度之间显著缩短的时间跨度。

催化元件12优选地在内燃机的运行点中，其中达到高至内燃机的最大排气温度，由冷的流体流过。这样的运行点尤其是内燃机的全负荷点以及在上负荷范围和上转速范围的运行点。在此，根据本发明的催化器1处于其第二运行点并且排气完全流过管内部空间17(根据如图3所示的流动箭头32)。换句话说，排气完全地或近似完全地绕过(换言之绕开)环形通道6以及因此催化元件12。以冷的流体流过催化元件12用于避免催化元件12的催化层33发生热过载，该热过载通常在排气温度高于850℃时出现。因此，催化层33的热量可以被移除并且藉由流过催化元件12的流体被排出。

附图标记清单

1.催化器

2.壳体

3.纵向轴线

4.壳体内部

5.管

6.环形通道

7.入口

8.出口

9.第一端

10.第二端

11.端部区域

12.催化元件

13.元件轴线

14.面

15.多个肋部

16.调节元件

17.管内部空间

18.中轴线

19.流动横截面

20.缺口

21.连接板

22.作用面

23.另外的缺口

24.第一元件端部

25.第一流体接头

26.第二元件端部

27.第二流体接头

28.运动间隙

29.元件内部空间

30.面

31.卡扣突起

32.流动箭头

33.催化涂层