發動機排氣系統的制作方法

本教示大體包括發動機排氣系統。

背景技術：

車輛排氣系統通常包括排氣后處理裝置，其在將排氣釋放到環境中之前過濾或以其它方式處理排氣。例如，柴油氧化催化劑(doc)是這樣一種裝置，該裝置利用化學工藝以分解排氣流中來自柴油發動機的氣體。doc氧化一氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮(no)以及柴油顆粒物質。附加地，doc可在一定程度上還原氮氧化物(nox)，即使大部分nox還原通過選擇性催化還原(scr)裝置來實現，該選擇性催化還原裝置通常在排氣流中布置在doc下游。scr裝置將nox轉化成氮和水。scr裝置可涂覆在貴金屬催化劑中，該貴金屬催化劑設計成觸發化學反應以還原氣態排放物。

對于發動機起動之后的一定時間段，來自柴油發動機的排氣具有相對較低的溫度。這些溫度通常低于scr裝置以期望的效率操作來還原nox所需的最低溫度。

技術實現要素：

發動機排氣系統包括排氣管組件，該排氣管組件具有配置成接收發動機排氣的發動機排氣系統入口和發動機排氣系統出口。該系統包括第一選擇性催化還原(scr)催化劑裝置，其定位在來自發動機排氣系統入口的排氣流的下游。第一scr催化劑裝置包括基底，該基底具有涂覆在基底上的金屬催化劑。電加熱器配置成加熱金屬催化劑。第二scr催化劑裝置定位在來自第一scr催化劑裝置的發動機排氣流下游以及發動機排氣系統出口的上游。第一scr催化劑裝置和排氣管組件在基底和第二scr催化劑裝置之間限定空腔室。發動機排氣通過空腔室從基底直接流至第二scr催化劑裝置。

在一實施例中，排氣混合器定位在排氣管區段中。排氣混合器是在發動機排氣系統中在發動機排氣系統入口和發動機排氣系統出口之間的僅有排氣混合器。

通過將電輔助第一scr催化劑裝置與由電加熱器加熱的金屬催化劑一起使用，def注射比否則在發動機冷起動之后早幾秒在廢氣的較低溫度下開始。附加地，通過在第一scr催化劑裝置和第二scr催化劑裝置之間提供空腔室，需要僅僅一個混合器，并且具有相對較低背壓的縮短排氣系統可實現高的nox轉換效率。第一scr催化劑裝置和第二scr催化劑裝置還由于從doc至第一scr催化劑的相對較短長度而經由廢氣更快速地升溫。與能實現類似水平的nox轉換效率的其它排氣系統相比，排氣系統相對成本較低并且同樣還具有低熱質量。

本教示的上述特征和優點以及其它特征和優點從以下結合附圖對執行本發明的最佳模式的以下詳細描述中能夠很容易了解。

附圖說明

圖1是包括發動機和發動機排氣系統的車輛的一部分的側視圖中的示意圖。

圖2是圖1的發動機排氣系統的示意剖視圖。

圖3是圖1的排氣系統的局部剖視圖和立體圖中的示意圖，以示出圖1的發動機排氣系統的電輔助選擇性催化還原裝置的入口面。

圖4是圖1的發動機排氣系統的電輔助選擇性催化還原裝置的出口面的局部剖視圖和立體圖中的示意圖。

圖5是圖3的入口面的局部視圖中的示意圖。

圖6是用于圖1的發動機排氣系統的第二選擇性催化還原裝置的替代實施例的剖視圖中的示意圖。

具體實施方式

參照附圖，其中類似的附圖標記指代若干視圖中的類似部件，圖1示出包括柴油發動機12的車輛10的一部分。柴油發動機12具有帶有空氣入口16的歧管14，并且具有發動機排氣出口18。通過空氣入口16接收的新鮮空氣20在發動機中燃燒并且燃燒氣體(即，發動機排氣22)通過發動機排氣出口18流動到發動機排氣系統24中，該發動機排氣系統可操作地連接于發動機12。更確切地說，發動機排氣系統24包括排氣管組件26，該排氣管組件具有固定于發動機排氣出口18的發動機排氣系統入口28。發動機排氣系統入口28配置成通過發動機排氣出口18接收來自發動機12的發動機排氣22。

排氣管組件26包括若干排氣管區段26a、26b、26c以及部件殼體26d、26e，它們將排氣流從排氣系統入口28引導至排氣系統出口30。例如，排氣管區段26a、26b、26c以及部件殼體26d、26e大體是圓柱形不銹鋼的單壁管，這些單壁管在凸緣處或者以其它方式互連。

排氣系統24包括柴油氧化催化劑(doc)34，該柴油氧化催化劑在發動機排氣系統24中設置在來自發動機排氣系統入口28的發動機排氣22的流的下游。doc34是流通裝置，該流通裝置包括作為容納基底36的儲罐的部件殼體26d。基底36可具有蜂窩結構。基底36具有涂覆有活性催化劑材料的大的表面積。例如，活性催化劑材料可包括鉑族金屬。doc34處理排氣22，以還原排氣22中的一氧化氮(no)、一氧化碳(co)和/或碳氫化合物(hc)。doc34將排氣22中的一定百分比氮氧化物(nox)轉換成氮(n2)和二氧化碳(co2)或水(h2o)，將一定百分比的一氧化碳(co)氧化成二氧化碳(co2)，將一定百分比的未燃燒碳氫化合物(hc)氧化成二氧化碳(co2)和水(h2o)，并且將一氧化氮(no)氧化成二氧化氮(no2)。

doc34位于柴油排放流體(def)注射器40的發動機排氣22的流的上游，該注射器設置在排氣管區段26b中。def注射器40從流體源42接收柴油排放流體(def)44，并且將def44直接注射到排氣22的流中。def44可以是但不限于尿素和水的混合物。當由發動機排氣22加熱時，尿素水溶液蒸發并且分解以形成氨(nh3)和二氧化碳(co2)。

def注射器40將排氣混合器46正上游的def44注射到發動機排氣22的流中。排氣混合器46定位在排氣管區段26b中。排氣混合器46是在發動機排氣系統24中設置在發動機排氣系統入口28和發動機排氣系統出口30之間的僅有排氣混合器。換句話說，雖然混合可能通過簡單地通過排氣流穿過排氣管區段的空長度的簡單擴散而發生，但混合器46是定位在排氣管組件26內的僅有結構混合器，該排氣管組件用于主動地混合排氣流。混合器46使得所注射的def44與排氣流22混合。混合器46在管區段26b內具有結構，該結構可包括凸耳或葉片，這些凸耳或葉片使得def44的液體破裂，從而增強其夾帶到排氣22的流中。當由排氣22中的廢氣加熱時，def44形成氨。

排氣管區段26b可操作地連接于第一選擇性催化還原(scr)催化劑裝置52的入口50。排氣管區段26b以及def注射器40和混合器46在來自第一scr催化劑裝置52的排氣22的流的上游。第一scr催化劑裝置52定位在來自發動機排氣系統入口28、doc34、def注射器40以及混合器46的排氣22的流的下游。從單個混合器46至第一scr催化劑裝置52的距離相對較短，因為第二混合器無需布置在排氣管組件24中以實現所期望的nox轉換效率。而是，在第一scr催化劑裝置52下游的空腔室66用于混合廢氣22。較短的排氣管長度意指存在較小的熱質量來加熱，并且第二scr催化劑64將因此更快速地加熱。而是，

第一scr催化劑裝置52包括基底54，該基底具有涂覆在基底54上的金屬催化劑56，例如在圖5中最佳示出。基底54可具有蜂窩形狀，以形成通過裝置52的六邊形流動通路55。基底54沿著每個六邊形流動通路55的表面涂覆有金屬催化劑56。在非限制的示例實施例中，金屬催化劑56是具有高操作溫度和長使用壽命的不銹鋼。例如，金屬催化劑可以是鐵-鉻-鋁(fecral)箔片，例如din1.4725不銹鋼。金屬催化劑具有高導熱性，其具有短燃盡時間和低過熱風險。金屬催化劑還具有相對較薄的壁，這些壁有助于使得通過排氣系統24具有相對較小的壓降。薄壁還具有大的有效表面積和高機械強度。

第一scr催化劑裝置52還包括電加熱器60，該電加熱器配置成加熱金屬催化劑56。電加熱器60在排氣22的流中位于基底54的上游。電加熱器60和第一scr催化劑裝置52容納在部件殼體26e。電加熱器60由諸如車輛電池的電源62通電。在一個實施例中，電加熱器60是2000瓦特加熱器。電加熱器60的通電可通過電子控制單元(未示出)控制，該電子控制單元基于所感測的溫度和其它發動機操作參數來控制開關。由于催化劑56是金屬催化劑，其快速地加熱以增大第一scr催化劑裝置52的效率，甚至當例如在發動機冷起動之后、廢氣溫度相對較低時。如這里所使用的，發動機冷起動是發動機12在發動機已熄火預定時間量之后、即車輛10并不使用時的起動。

第二scr催化劑裝置64定位在來自第一scr催化劑裝置52的發動機排氣22的流的下游以及發動機排氣系統出口30的上游。第一scr催化劑裝置52和部件殼體26e在基底54和第二scr催化劑裝置64之間限定空腔室66，以使得發動機排氣22通過空腔室66從基底流動通路55直接流至第二scr催化劑64。空腔室66允許排氣22由于在空腔室66中導致的渦流、在進入到第二scr催化劑裝置64之前進一步混合。

在圖1-5的實施例中，第一scr裝置52的基底54具有大體垂直于發動機排氣22的流動方向的入口面70，以及相對于發動機排氣22的流動方向成角度的出口面72。發動機排氣22在第一scr催化劑裝置52處的流動方向被認為沿著部件殼體26e的中心縱向軸線，并且由表征圖1中發動機排氣22的流動的每個箭頭指示。第一scr催化劑裝置52由圖2中實施例的大體圓柱形殼體部件26e粘結。基底54具有大體垂直于發動機排氣流的方向的入口面70。入口面70具有根據部件殼體26e的圓柱形內壁的大體圓形周界，入口面70鄰抵于該圓柱形壁。入口面70是大體平坦的并且具有用于流動通路55的六邊形開口。

出口面72是大體平坦的并且垂直于廢氣22的流動方向，且如圖4所示具有流動通路55的六邊形開口。出口面72成角度以使得其并不相對于發動機排氣22的流動方向垂直。更確切地說，例如在圖2中最佳地示出，出口面72在部件殼體26e內傾斜，以使得出口面72的一部分76進一步在排氣22的流的下游而一部分74進一步在排氣22的流的上游。出口面72的周界根據部件殼體26e的圓柱形壁是大體橢圓的，出口面72鄰抵于該圓柱形壁。通過使得出口面72成角度，產生渦流流動，并且排氣流22的對應混合在空腔室66中發生，因為腔室66內的壓力在腔室66的縮短下半部中與較大上半部中不同。排氣22則流過第二scr催化劑裝置64，該第二scr催化劑裝置還具有基底68。基底68可在入口面80和出口面82處具有六邊形開口，在面80、82之間具有大體平直的六邊形流動通路85，并且具有涂覆在基底68上的選擇性還原催化劑。

通過提供電輔助的第一scr催化劑裝置52，例如在冷起動之后在相對較低溫度下的廢氣22能由第一scr裝置52處理，在空腔室66中進一步混合，并且然后由第二scr催化劑裝置64處理，并且能利用相對緊湊排氣系統24(即，具有從入口28至出口30的縮短總體長度)在低背壓和僅僅一個混合器46的情形下、來實現期望的nox轉換效率。在圖1的實施例中，其上涂覆有金屬催化劑56的基底54占據第一容積v1，空腔室66具有大于第一容積的第二容積v2，并且第二scr催化劑裝置64具有大于第二容積v2的第三容積v3。第一容積v1可以是約1升，第二容積v2可以是約1.7升，并且第三容積v3可以是約4升。例如，在一個實施例中，當def44從def注射器40的注射速率是約75千克/小時并且在def注射器40處的發動機排氣22的溫度是約160華氏度時，發動機排氣系統24具有至少92％的def蒸發率，至少0.81的均勻性指數以及在第二scr催化劑裝置64上游至少79％的nox轉換效率。均勻度指數是對廢氣的組分在排氣流垂直于流動方向的橫截面上的均勻度的度量。1.0的均勻度指數是完美的均勻度。

通過將電輔助第一scr催化劑裝置52與由電加熱器60加熱的金屬催化劑56一起使用，def注射比否則在發動機冷起動之后早幾秒在廢氣22的較低溫度下開始。附加地，通過在第一scr催化劑裝置56和第二scr催化劑裝置64之間提供空腔室66，需要僅僅一個混合器46，并且具有相對較低背壓的縮短排氣系統24可實現高的nox轉換效率。

在替代的實施例中，第二scr催化劑裝置64可由圖6中示出的選擇性催化還原過濾器(scrf)催化劑裝置64a替代。scrf催化劑裝置64a具有基底，該基底是過濾器，該過濾器具有選擇性還原催化劑涂覆在過濾器上。

雖然已詳細地描述了用于執行本教示的許多方面的最佳模式，但熟悉這些教示的本領域技術人員會認識到落在所附權利要求的范圍內的用于實踐本教示的各種替代方面。