具有排气系统的内燃机.pdf

说明一种具有排气系统的内燃机，内燃机的废气可引入到排气系统中，且在排气系统中设置有热传递单元，通过热传递单元可将热量从排气系统排出并引入到废气后处理系统的处理室中。在此，可将添加剂从储存容器引入到处理室中，对于所述添加剂而言，通过从排气系统排出的热量可引起至少部分的聚集状态变化，且所述添加剂可借助于在废气后处理系统中连接在处理室之后的定量单元被定量输送到排气系统中。所述技术方案的特征在于，热传递单元设置在排气系统的废气反馈机构中，内燃机的废气可引入到废气反馈机构中，且经由废气反馈机构可将至少一部分废气引向内燃机的燃烧空气输送机构。

1.  一种具有排气系统(2)的内燃机(1)，所述内燃机(1)的废气可引入到所述排气系统(2)中，且在所述排气系统(2)中设置有热传递单元(4)，通过所述热传递单元(4)可将热量从所述排气系统(2)排出并引入到废气后处理系统(14)的处理室(5)中，其中可从储存容器(8)引入到所述处理室(5)中的添加剂可借助于在所述废气后处理系统(14)中连接在所述处理室(5)之后的定量单元(16)被定量输送给所述排气系统(2)，对于所述添加剂而言，通过从所述排气系统(2)排出的热量可引起至少部分的聚集状态变化，其特征在于，所述热传递单元(4)设置在所述排气系统(2)的废气反馈机构(3)中，所述内燃机(1)的废气可引入到所述废气反馈机构(3)中，且经由所述废气反馈机构(3)可将至少一部分废气引向所述内燃机(1)的燃烧空气输送机构(21)。

2.  如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述添加剂是如下物质，即对于所述物质而言，通过对热量的输送可引起氨的裂解。

3.  如权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述添加剂具有如下固体，即对于所述固体而言，通过对热量的输送可引起氨的裂解。

4.  如权利要求1至3中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述处理室(5)设置在所述热传递单元(4)中。

5.  如权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述热传递单元(4)和所述处理室(5)设计成管中管-传热器的形式，所述管中管-传热器的内管形成所述处理室(5)的外分界壁(6)。

6.  如权利要求1至5中任一项所述的内燃机，其特征在于，设有鼓风单元(12)，利用所述鼓风单元(12)可将从外界取得的空气引入到所述处理室(5)中。

7.  如权利要求1至6中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述处理室(5)具有至少一个引入位置(22)，经由所述引入位置(22)可将至少一部分位于所述废气反馈机构(3)中的废气流引入到所述处理室(5)中。

具有排气系统的内燃机
技术领域
本发明涉及一种具有排气系统的内燃机，内燃机的废气可引入到该排气系统中，且在该排气系统中设置有热传递单元，通过该热传递单元可将热量从排气系统排出并引入到废气后处理系统的处理室中。在此，可从储存容器引入到处理室中的添加剂可借助于在废气后处理系统中连接在处理室之后的定量单元被定量输送给排气系统，对于所述添加剂而言，通过从排气系统排出的热量可引起至少部分的聚集状态变化。
背景技术
仅仅通过优化燃烧，即采取电动机内部措施即可使得颗粒和NO_x排放减少到法律规定的用于载货车的欧洲-2-极限值。在不进行废气后处理的情况下也可达到欧洲-3-极限值。
相比之下，为了也能保持用于载货车的欧洲-4特别是欧洲-5废气极限值以及其它将来的废气极限值，作为对电动机内部措施的补充，还需要使用废气后处理系统。为了也能满足立法者规定的废气极限值，提供了不同的汽车技术解决方案。这些技术方案之一规定，采取电动机内部措施，与NO_x的降低相结合，利用废气后处理通过可选择的催化还原(SCR技术)来减少颗粒。
SCR系统的中央部件是催化器，催化器借助于氨将氧化氮转化成水蒸气和氮气。其中在到达SCR催化器之前，借助于喷入喷嘴向废气输送添加剂或者本身作为还原剂的氨，由所述添加剂可产生还原的氨。
作为用于提供所需要的还原剂的添加剂，原则上提供有纯氨、碳酸铵或者尿素水溶液。相关地，使用无毒的气味中性的尿素优于其它用于产生对于还原必需的氨的物质。所使用的尿素从温度为200℃起分解形成氨气和二氧化碳。在此，该方法基于将尿素喷入到热的柴油废气流中的原理。在尿素中所含有的氨成分在由氧化钛、氧化钨和/或氧化钒构成的催化器表面与位于废气中的氧化氮化合，被氧气氧化，且在使用连接的或集成的氧化催化器的情况下形成无害的空气成分：氮气和水。如本设计方案所述，尿素水溶液进行热水解的裂解，同时通过吸收热量而排放出作为还原剂的氨。
相关地，由DE 34 22 175 A1已知，通过如下方式提供对于废气管路中的反应必需的氨，即在储存容器中储存对于氨裂解必需的添加剂，所述添加剂被引入到分解室中，并在那里加热，由此最后可以将已经为裂解形式的氨引入到废气管路中。作为用于加热如下物质的热源，即由所述物质最终裂解出氨，在DE 34 22 175 A1中提出了电加热机构以及红外线辐射器。
作为对在前段中所述公开内容的补充，由DE 42 00 514 A1已知一种用于催化地使得废气脱氮的方法，其中同样为了将反应的组成成分快速地分布在废气管路中，首先在预设的室中使得化合物裂解成其气态的分解产品，特别是裂解成氨。除了对废气中反应的物质的快速分布和与此相关的快速进行的反应外，所述方法还应确保气态氨与NO_x的均匀且彻底的反应，进而确保废气后处理的高效率。此外，由前述文献已知使用尿素作为如下化合物，即在喷入到废气管路中之前的方法步骤中在热作用下由所述化合物裂解出氨。
发明内容
考虑到前述背景技术，本发明的目的在于，提出一种装置，其可以实现在喷入到废气管路中之前的阶段实现对化合物进行加热或者实现氨裂解，从而为此所需要的设备组件可以采用简单的方式集成到内燃机的通常的结构中。这里特别是要确保对于用于加热添加剂的设备组件必需的组件占据尽可能小的安装空间。此外本发明的技术方案应确保即使在紧要的内燃机工作状态下也能以较低的废气温度对添加剂进行充分的且有效的加热。
本发明的目的借助于一种根据在权利要求1中所述的技术方案的具有排气系统的内燃机得以实现。本发明的有利的实施方式是从属权利要求的主题，且在下面的说明中对照附图详细阐述。
本发明涉及一种具有排气系统的内燃机，内燃机的废气可引入到该排气系统中，且在该排气系统中设置有热传递单元，通过该热传递单元可将热量从排气系统排出并引入到废气后处理系统的处理室中。在此，可从储存容器引入到处理室中的添加剂可借助于在废气后处理系统中连接在处理室之后的定量单元被定量输送给排气系统，对于所述添加剂而言，通过从排气系统排出的热量可引起至少部分的聚集状态变化。本发明的特征在于，热传递单元设置在排气系统的废气反馈机构中，内燃机的废气可引入到该废气反馈机构中，且经由该废气反馈机构可将至少一部分废气引向内燃机的燃烧空气输送机构。
原则上，内部的废气反馈机构是一种用于减少废气排放、特别是氧化氮排放的方案。在此，通过对阀控制时间的适当选择，向所抽吸的空气量混入一部分废气，由此减少缸中新混合气的氧气成分，由此提高单位热容。此点引起燃烧温度降低，进而引起氧化氮排放的减少。同时，由于将一部分废气输送至燃烧过程，减少了整体上排出的废气量。
另一种提高系统效率的方案特别是可通过如下措施来实现，即经由废气反馈机构引向燃烧供气的废气借助于相应的废气热交换器被冷却。从位于废气反馈机构中的废气排出的热量在此可以用于特别是在起动阶段对电动机的快速加热，但也可以用于加热其它设备组件，例如废气后处理系统。采用本发明的所述系统可以以特别有效的方式实现对废气后处理系统的利用。
本发明的技术方案基于下述内容，即借助于热传递单元从废气反馈机构排出热量，并将所述热量输送给废气后处理系统的处理室。这里重要的是，处理室如下设计，即可从储存容器将添加剂引向该处理室，由于处理室中的加热，处理室的聚集状态发生改变。接下来，现在优选至少部分地转化为蒸汽状态和/或气态的添加剂、特别是裂解的氨，经由相应的喷入机构被喷入到排气系统的废气管路中。为了实现紧凑的结构，将热传递单元直接集成到废气反馈机构中。
根据本发明的一种特殊的改进，处理室具有如下机构，即通过该机构实现对作为载流体的部分废气流的喷入。从废气反馈机构中导出的载流体在这种情况下被喷入到处理室中，并将至少部分地转化为蒸汽状态和/或气态的添加剂引导到废气后处理系统的其它组件的如下区域中，即在该区域中，添加剂与废气所含物质发生反应。
根据本发明的一种特殊的实施方式，处理室直接集成到热传递单元中，在处理室中，添加剂的聚集状态发生改变，同时裂解出氨。设备组件热传递单元和处理室的高的集成度最终导致，用于添加剂的预热同时裂解出氨的室特别节省空间，且可直接集成到电动机结构单元中。
根据一种完全特殊的改进，热传递单元和处理室为管中管-热交换器的形式。在此，优选内管形成在外部的热传递单元和内部的处理室之间的分界壁。通过这种方式，在废气反馈机构中流动的废气流在外部沿着处理室的分界壁流动。此点可以实现对处理室和引入到处理室中的添加剂的有效加热。引入到处理室中的添加剂优选是液态的添加剂，特别是水尿素溶液，或者是至少部分地含有尿素、氰尿酸、碳酸铵的固体。
本发明的废气反馈机构设计方案一方面确保对废气反馈机构中的废气的有效的冷却，另一方面提供了足够多的用于将添加剂转化为氨的能量，在所述废气反馈机构中集成有热传递单元.
+，该热传递单元带有位于内部的用于产生含有氨的气体的处理室。已述带有内部处理室的管中管设计的热传递单元特别是即使在紧要的内燃机工作状态下，即特别是在以较低的废气温度为特征的工作状态下，也能确保高的处理可靠性。这种工作状态既在内燃机的起动阶段出现，又在所谓的锯齿形负荷下出现，锯齿形负荷例如在城市驾驶汽车时会出现。
根据本发明的优选实施方式，将处理室集成到管中管-热交换器形式的热传递单元中，该实施方式还提供了如下优点，即在处理室内部按照规定良好的蓄热。处理室的热特性，特别是处理室的热传导以及热辐射，可以通过对管尺寸的适当选择来优化。在这种情况下，以优选的方式形成处理室分界壁的内管的尺寸应使得一方面确保对处理室或引入到处理室中的添加剂的有效的加热，另一方面即使在废气反馈率很小的情况下也能可靠地避免处理室迅速冷却。
另外根据本发明的一种完全特殊的改进，处理室分界壁的内侧面至少逐段地涂敷有二氧化钛(TiO₂)层，以便对由添加剂裂解出含有氨的气体产生积极的影响。
离开处理室的含有氨的流体经由管和/或软管管路被输送至定量单元，所述流体优选已由水溶液裂解产生，替代地由固体裂解产生。原则上，对添加剂从储存容器到处理室和/或从处理室到定量单元的输送借助于输送单元来进行。但只要废气后处理系统中的压力状况允许，也可以替代地考虑，对添加剂和/或含有氨的流体的输送替代地利用系统中的压力降来实现。
定量单元设置在废气后处理系统中，从而在还原催化器的区域中将含有氨的流体喷入到废气管路中。根据本发明的一种有利的改进，定量单元在废气管路中的喷入位置具有文丘里喷嘴。由于设置了文丘里喷嘴，可以实现使得含有氨的流体尤其快速且均匀地分布到废气管路中。如已在开头部分所述，在还原催化器的区域中喷入的氨引起氧化氮和氧气转化成氮气和水。
根据本发明的另一有利的设计，除了添加剂外，还至少部分地向处理室输送外界空气。从外界取得的空气在此借助于相应的鼓风单元被抽吸，并被吹入到处理室中。空气被定量输送到处理室中，此点借助于中央的控制机构根据内燃机的和/或废气后处理系统的工作参数来控制。
添加剂从储存容器取出以及添加剂引入到处理室中都优选量受控地进行。在这种情况下还在中央的控制单元中存储特性曲线族，从而对添加剂的定量输送根据内燃机的和/或废气后处理系统的工作参数来进行。
根据本发明的另一种完全特殊的实施方式，集成到废气反馈机构中的确保对处理室的加热的热传递单元与至少一个其它的热传递单元串接地设置。附加于废气反馈机构设置的该至少一个其它的热传递单元可以实现附加的热量排放，进而实现对废气反馈机构中的废气的冷却。通过这种方式可以考虑加热废气后处理系统的其它组件、驱动单元的和/或被驱动单元驱动的汽车的其它吸热机构()。这种附加规定的对废气反馈机构中的废气的冷却至少部分地优选根据驱动单元的、废气后处理系统的和/或被驱动单元驱动的汽车的一定的工作参数来进行。相关地根据本发明的一种特殊的改进，特别是在其中包围催化器的废气的温度较低的工作状态下，例如对于在市内行驶的汽车而言，使用附加地从废气反馈机构回收的热量来加热设置在废气后处理系统中的催化器，如还原催化器、水解催化器和/或氧化催化器。
附图说明
下面在不限制通用的发明构思的情况下对照附图详细说明本发明。所示附图示意性地示出载货车内燃机的排气系统的废气反馈机构。
具体实施方式
该图示意性地示出载货车的具有排气系统2的内燃机1，排气系统2具有废气反馈机构3，通过该废气反馈机构3从离开内燃机1的废气流中分流出至少一部分废气流，并将这部分废气流重新输送给内燃机1的燃烧空气输送机构21。在废气反馈机构3内部设有热传递单元4，借助于该热传递单元4可从在废气反馈机构3内部所含有的废气回收热量，位于废气反馈机构3内部的废气因此被冷却。
在热传递单元4中集成有处理室5，其中处理室5的外分界壁6与穿流废气反馈机构4的废气连接。热传递单元4以及处理室5设计为管中管(Rohr-in-Rohr)-热交换器的形式，其中在外管7和内管之间形成的流体管道用于引导位于废气反馈机构中的废气，且内管形成处理室5的外分界壁6。外管7因此用于引导废气，内管用于限定(Aufnahme)处理室5。
此外设有储存容器8，在储存容器8中储存有水尿素溶液。所使用的水尿素溶液具有32.5％的尿素成分(DIN 70070/AUS32)且以商标名公知。在储存容器的区域中设置有设计为泵的输送单元9，利用输送单元9可以将水尿素溶液从储存容器8经由管和/或软管管路和引入位置10引入到处理室5中。水尿素溶液被量受控地定量输送到处理室5中，且通过中央的控制单元11来控制。
附加地设有带有止回阀13的鼓风单元12，从而除了水尿素溶液外还可向处理室5输送外界空气。根据内燃机1的以及废气后处理系统14的工作参数，在考虑到相应地存储在中央的控制单元11中的特性曲线族的情况下，将水尿素溶液和/或通过鼓风单元12被抽吸的外界空气定量输送到处理室5中。作为对喷入外界空气的附加或替代，如图中所示，借助喷入机构22将一部分废气流从废气反馈机构引入到处理室5中。载流体将在处理室内部形成的含有氨的气体带走，并确保将含有氨的气体输送至废气后处理系统的后接的组件。
也就是说，流经废气反馈机构3的废气由于与处理室5的外分界壁6接触而将处理室5的内腔15加热，内腔15的温度上升至约200℃。对处理室5的加热同时引起对引入到处理室5中的水尿素溶液的加热。基于所述加热，最后含有氨的气体进行裂解。通过这种方式所产生的含有氨的气体从处理室5经由管和/或软管管路流至定量单元16，定量单元16将含有氨的气流或者氨气在还原催化器17的区域中喷入到排气系统2中。为了实现对含有氨的气体或者氨气的尽可能通畅有效的分布，定量单元16具有设计成文丘里喷嘴的喷嘴18，该喷嘴18的流出口伸入到排气系统2中。在系统中的压力情况需要时始终使用文丘里喷嘴18。
在排气系统2内部设有可选择的过滤器单元或颗粒滤除单元和/或其它催化器。根据结合该图所述的实施例，在颗粒分离器19和接下来的还原催化器17(SCR-Kat)之间将含有氨的气体或者氨气喷入。根据汽化原理来实现将含有氨的气体或者氨气喷入到排气系统2中，其中在喷入位置优选使用设计成文丘里喷嘴的喷嘴18。
在处理室5内部，水尿素溶液在温度约为200℃时分解成氨气和二氧化碳。在喷入到排气系统2中之后，位于含有氨的气体中的氨在由氧化钛、氧化钨和氧化钒构成的催化器特种陶瓷表面与位于废气中的氧化氮化合，被氧气氧化，并借助于氧化催化器形成无害的空气成分：氮气和水。
除了用于裂解含有氨的气体的带有集成的处理室5的管中管-热交换器4、5外，在内燃机的废气反馈机构3中还集成有另一传热器20。以废气反馈机构中的流动方向为基准，管中管-热交换器4、5和另一传热器20前后相继地串接。借助于另一传热器20，从废气反馈机构3中的离开管中管-热交换器4、5的废气回收热量，并将所述热量传递至流经另一传热器20的载热介质。
在废气反馈机构3中因此进行两级废气冷却。通过废气反馈机构3的另一传热器20回收的热量原则上可以提供给汽车中的多个设备组件。优选所述热量特别是在内燃机1的起动阶段或者在其它紧要的工作状态下被输送给位于废气中的催化器，以便使得这些催化器经过较长的工作时间保持或者达到对于反应必需的工作温度。
附图标记列表
1    内燃机
2    排气系统
3    废气反馈机构
4    热传递单元
5    处理室
6    处理室的外分界壁(内管)
7    外管
8    储存容器
9    输送单元
10   引入位置
11   控制单元
12   鼓风单元
13   止回阀
14   废气后处理系统
15   处理室内腔
16   定量单元
17   还原催化器
18   喷嘴
19   颗粒分离器
20   另一传热器
21   燃烧空气输送机构
22   作为载流体的部分废气流的喷入机构