专利名称：汽车废气净化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种净化汽车废气的系统，具体来说，涉及一种用可变流道来净化汽车废气的系统，该可变流道包括旁路流道和流道切换装置。其中一个封闭催化转化器(CCC)安置在发动机排气歧管附近，一个地板下催化转化器(UCC)安置在车厢地板的下侧。含有很少或不含有贵金属的碳氢化合物(HC)吸收催化剂，和NOX吸收催化剂提供在CCC中。
背景技术：
一般来说，汽车废气由燃料混合物的燃烧产生并通过排气管释放到大气中。废气中含有大量有害气体，比如CO，NOX，HC等。现今，防止汽车废气造成的大气污染已经成为重要的话题。因此，废气应该通过规范在排放前被净化。
通常使用三元催化剂的催化转化器被用来净化汽车废气。该催化转化器安置在排气管的中间部分，且由于废气排放量因车型而不同，催化剂的技术性能也互不相同。
在此，三元催化剂代表了同时与CO，NOX和HC等废气中有害成分反应的催化剂，并去除了上述有害成分。主要地，Pt/Rh，Pd/Rh或Pt/Pd/Rh组合被用作三元催化剂。
在汽油机汽车中，安置在车身地板下侧的催化转化器，名为，地板下催化转化器(UCC)被用作废气的后处理装置。其趋势为增加催化剂的量来提高净化比例。由于车身的高度较低，通常使用一种卵形或跑道形催化剂，其水平横截面在两个方向上延伸。
通常，汽油机车辆废气净化系统在发动机第一次启动时减少了有害气体的排放量。启动发动机时，废气流经催化剂，但催化剂并不保持在完全活化状态。由于催化剂的温度不够高，不足以使废气中的有害成分变得无害，因此有必要快速提高催化剂的温度来减少发动机启动时有害气体的排放。
具体来说，在发动机初始启动时催化剂没有完全进入活化状态时HC和NOX的三分之二被释放。因此，怎样在发动机启动时减少HC和NOX的量成为降低废气排放等级中最急于解决的重要问题。
为了解决这个问题，该催化转化器可以安置在封闭催化转化器(CCC)中的发动机排气歧管附近，即催化剂被活化的地方。
在另一种方法中，催化剂的活化时间通过增加CCC中的催化剂或催化薄壁载体以及金属载体中催化剂的贵金属携带量来减少。为了减少热损失，改进了复式排气管或复式排气歧管。
然而，传统的废气净化系统中存在以下问题。首先，当催化剂位于发动机比如CCC附近时，耐久性和热阻受到显著的消极影响。在使用电热催化剂(EHC)或燃烧热催化剂(BHC)时，需要过多的电容量(电池或交流发电机)。同时需要特定燃料来加热催化剂。在此种情况下，将出现应用热带来的决定性热损伤。此外，当催化剂的贵金属携带量增加时，由于贵重金属的使用量的增加，催化剂的生产成本也将增加。
发明内容
本发明的实施方案提供一种克服了现有技术所遇技术问题的汽车废气净化系统。
本发明提供一种能够使吸收催化剂净化废气的汽车废气净化系统，其中在发动机的初始启动时间内，废气流经CCC中的吸收催化剂，然后流经UCC催化剂从而净化废气，通常通过在UCC催化剂的预热状态时断开连接到CCC中吸收催化剂的流道来使废气只流经UCC催化剂。各自只含有很少或不含有贵金属的HC吸收催化剂和NOX吸收催化剂安置在CCC中。提供了一种包括旁路流道和流道切换装置的可变流道系统。因此，本发明充分提高了净化性能，并通过在CCC中使用含有少量或不含有贵金属的HC吸收催化剂和NOX吸收催化剂降低了生产成本。此外，由于使用可变流道，只在短时间段内使用CCC催化剂，因此提高了CCC催化剂的耐热性和耐久性。
下面将结合附图对本发明的上述方面和其他特征进行说明，其中图1a和1b是说明本发明废气净化系统结构和其运行状态的剖面图；图2a，2b，3a和3b是显示本发明中CCC入口流道基于球阀的旋转位置的打开和闭合状态的流道的剖面图；图4a和4b为显示根据本发明的基于球阀的旋转位置的中间流道管的打开和闭合状态的透视图；图5为显示基于温度变化的沸石HC吸收催化剂和钾NOX吸收催化剂的分离特性的曲线图；图6为显示基于典型CCC催化剂温度增量的催化剂活化作用(净化比率)的曲线图；图7a和7b为显示根据本发明的可变流道型废气净化系统和传统“CCC+UCC”方法的废气净化系统之间的净化性能评定的结果图表。
具体实施例方式
下面将参考附图对本发明的优选实施方案进行详细说明。
图1a和1b是说明本发明废气净化系统结构和其运行状态的剖面图；图2a、2b、3a和3b是显示本发明中CCC入口流道基于球阀的旋转位置的打开和闭合状态的流道的剖面图。
图4a和4b为显示根据本发明的基于球阀的旋转位置的中间流道管的打开和闭合状态的透视图；如其中所示，CCC110和UCC120沿着穿过车身后端的废气流道串联排列，其中自发动机排气歧管排出的废气在被释放到大气中之前流过上述流道。该CCC110安置在沿着废气流道排气歧管附近，且UCC120安置在位于车身地板下侧的排气管的中间部分。当UCC安置在排气歧管附近时，UCC120也可以称为第二CCC。该UCC120也可以安置在与CCC110垂直的方向上。
该HC吸收催化剂112和NOX吸收催化剂113串联安置在CCC箱内。安置在前端的HC吸收催化剂112可以为沸石催化剂并具有很低的Al/Si比率以及高耐热性。后端的NOX吸收催化剂113可以为钾基催化剂。
此外，中间管114为一种旁路流道并安置在每个吸收催化剂112，113的中心，因此通过CCC入口流道111a进入的废气通过CCC出口流道111b排放，而不是通过两个吸收催化剂112，113。
中间管114纵向穿过CCC110中两个吸收催化剂112，113的中心孔z112a，113a。其提供了一个流道，其中入口和出口在CCC吸收催化剂112，113的前端和后端成形，具体来说，在CCC外壳111的入口流道111a和出口流道111b中，穿过CCC外壳111的内部。具体来说，流经中间管114内部的废气流经UCC120释放到CCC110的后端，并不经过CCC中的HC吸收催化剂112和NOX吸收催化剂113。
此外，一个绝缘体115安置在两个吸收催化剂112，113的中心孔112a，113a的内表面和中间管114的外表面之间。
在UCC120中，两个催化剂，即第一催化剂122和第二催化剂123，像传统技术一样串联安置在外壳121的内部，一个温度检测传感器130安置在第一催化剂122处。此外，第一催化剂122和第二催化剂123可以为CCC110中使用的同一类型催化剂，例如HC吸收或沸石催化剂以及NOX吸收或钾基催化剂。
温度检测传感器130检测第一催化剂122的温度，并输出与其对应的电信号。也就是说，其为检测UCC催化剂活化状态的装置。
该温度检测传感器可以为热电偶。在第一催化剂122的载体中额外提供了插入空间。该热电偶纵向插入到该插入空间中。
汽车废气净化系统还包括流道切换装置150来将废气在由CCC的外壳111内部的中间管114分成的两个流道之间切换，也就是说，在中间管114内侧的内流道114a和中间管114外侧的外流道116之间。该流道切换装置150由发动机控制单元140所控制，该控制单元140接收UCC120上的温度检测传感器130的输出信号并确定UCC催化剂122的活化状态。
流道切换装置150包括一个由电控单元(ECU)140的控制信号所控制的电动机151，和一个由电动机151驱动在两个流道114a，116之间切换废气流的阀门152。
在本发明的一个实施方案中，阀门152可以为一个固定安置在电动机150的回旋轴151a前端的球阀。以下将对包括球阀152的切换装置150进行详细描述电动机151安置在CCC的外壳111或CCC入口流道111a外侧的车身附近的特定部分。该球阀152安置到CCC入口流道111a内部。
此时，可以使用直径与CCC入口流道111a的内径实质上相同的球阀152。该球阀152安置到中间管114前端的入口处，此处阻断了CCC入口流道111a。
此外，电动机151的回旋轴151a前端与球阀152的上部中心部分相连。随着电动机151的回旋轴151a的旋转，球阀152也在旋转。
气体流道153经过球阀152的中心部分。凹形部件153a，153b安置在气体流道153的两端。凹形部件153a和153b与气体流道153在球阀152两侧CCC入口流道111a的内表面形成一个废气流道，这样球阀152位于在气体流道153和中间管114水平排列的地方。
对于流道切换装置150，流道的切换是通过旋转球阀152的位置来完成的。电动机151按照ECU140的控制信号来驱动，且球阀152用回旋轴151a来旋转0°或90°，这样切换流道114a，和116。该流道可以优选地切换0°到360°。
当球阀152位于0°位时(发动机的初始启动时间)，中间管114的内流道114a被球阀152阻断，且中间管114的输出流道116被打开。如图2a和2b所示，球阀152的气体流道153将安置在中间管114的径向上。
中间管114的前入口被球阀152所关闭，通过位于气体流道153两端的凹形部件153a，153b在CCC入口流道111a的内表面和球阀153之间形成流道，这样废气将流经该流道。
此外，当中间管114和气流流道113在没有凹形部件153a，153b的情况下根据气体流道的形状和尺寸径向安置时，流道可以在CCC入口流道和气体流道之间形成。流经上述流道的废气将顺序流过中间管114外的HC吸收催化剂112和NOX吸收催化剂113，并通过CCC出口流道111b释放，并通过排气管流到UCC 120中。
当球阀152被电动机转到90°时(UCC催化剂的活化状态)，中间管114的外部流道116被球阀152阻断，中间管114的内部流道114a被打开。如图3a和3b中所示，球阀152的气体流道153沿着与中间管114相同的方向。中间管114的前入口被球阀152打开，且球阀152的气体流道153与中间管114的内部流道114a连接。通过CCC入口流道111a输入的废气顺序流经球阀152的气体流道153和中间管114的内部流道114a，并通过CCC出口流道111b释放到排气管中，并流入UCC120。
当球阀152位于旋转位置90°时，中间管114的外部流道116被阻断，通过CCC入口流道111a输入的废气不经过HC吸收催化剂112和NOX吸收催化剂113直接流入UCC120。在本发明的另一个实施方案中，可以按照下面的方式配置系统。也就是说，当球阀的位置在0°时，气体流道153可以与中间管114的内流道连接。当球阀的位置在90°时，中间管114的内部流道被球阀152阻断，中间管114的外部流道116被打开。
如图4a和4b所示，描述了废气流道的切换操作。当球阀152的气体流道153位于中间管114的径向时(球阀的0°位)，废气沿着中间管114的外部流道116的方向流经位于气体流道153两端的凹形部件153a，153b，如图4b所示。当球阀152旋转90°时，气体流道153排列在与中间管114相同的方向上，废气流经气体流道153和中间管的内部流道114a。
在图4a和4b中，附图标记114b为安置到中间管114前端入口处的两侧的翼部件，其中翼部件114b的设计使其在气体流道153后端的方向上完全覆盖了凹形部件153b。
也就是说，球阀152的凹形部件153a，153b在横向上很宽。该翼部件114b完全覆盖了球阀152后端的凹形部件153b，因此废气在没有泄露的情况下流过中间管114。
此外，当球阀152旋转时，球阀的表面将滑动因此其表面将与中间管114的翼部件114b的前表面相接触，这样废气就不会泄露。因此，翼部件114b具有与球阀152相同的表面曲率。
以下将描述本发明汽车废气净化系统的操作。
一个可变流道用于发动机初始启动时的汽车废气净化系统。该废气流经CCC10中的HC吸收催化剂112和NOX吸收催化剂113来净化废气。
当UCC120的催化剂122，123在完全活化状态(比如，催化剂温度高于200℃)时，与HC吸收催化剂112和NOX吸收催化剂113相连的气流流道116被阻断，也就是说，废气只流经UCC120中的催化剂，因此UCC120净化了废气。
当发动机启动时，废气从发动机中释放。球阀152位于如图2a、2b和4b的位置上。废气的流道，即中间管114的内部流道114a在中间管114的内部流道114a的前端入口被球阀152所阻断，且凹形部件153a，153b的两个流道或球阀的左侧和右侧被打开。
来自流道的废气流经CCC110中的中间管的外部流道116，继而通过HC吸收催化剂112和NOX吸收催化剂113，并通过图1a中箭头P1所示的CCC出口流道111b排放到排气管。在此，当废气流经112，113时，废气成分中的HC和NOX被HC和NOX吸收催化剂所吸收。已除去HC和NOX的废气流入到UCC120中。
随着废气按照上述方式流动，升高UCC中第一和第二催化剂122，123的温度。CCC110中的HC吸收催化剂112和NOX吸收催化剂113继续吸收HC和NOX，直到催化剂122，123的温度达到它们的活性温度(即200℃)。有害气体流向尾气管，因此有害气体没有释放到大气中。
当UCC120中催化剂的温度继续升高，且在达到活化温度后得到完全活化状态时，ECU140输出一个发动机控制信号来将球阀152旋转到几乎90℃的位置。
ECU140接收安置在UCC120的第一催化剂122中的温度检测传感器130的信号，并判断催化剂温度是否超过预设的活化温度来判断催化剂是否为活化状态。当催化剂122为活化状态时，中间管的外部流道(CCC外壳中HC吸收催化剂和NOX吸收催化剂前的流道116)被阻断。此外，ECU140输出一个控制信号来打开中间管114的内部流道114a。也就是说，ECU140输出一个电动机控制信号来将球阀152旋转到几乎90℃的位置。
当球阀152旋转到几乎90℃的位置时，该球阀位于如图3a、3b和4a所示的位置。在此位置，中间管114的外部流道116由球阀152阻断，且中间管114的内部流道114a与球阀152的气体流道153连接。
在上述位置时，废气流经球阀152的气体流道153和中间管114的内部流道114a，并通过排气管流入UCC中，并不经过UCC110中的两个吸收催化剂112和113。该气流流道在图1b中箭头P2所表示。该废气被UCC120中正常活化的催化剂122，123净化。
此外在发动机初始启动时被HC和NOX吸收催化剂112，113所吸收的HC和NOX被流经中间管114的内部流道114a的废气的热量从HC和NOX吸收催化剂上分离下来，并通过后部开口的流道流到UCC120中，并被第一和第二催化剂122，123净化。在本发明中，使用HC和NOX吸收催化剂112，113用于具有高贵金属携带量来减少加热时间的传统CCC催化剂，因此在生产成本方面提供一些优点。
即使HC和NOX吸收催化剂112，113在高温下性能有些弱，但仍用在可变流道中作为CCC催化剂，因为这些催化剂被用在发动机初始启动的较短时间段内，HC和NOX吸收催化剂不会引起任何耐久性和耐热性问题。由于UCC催化剂122，123为位于尾部位置的主要催化剂，获得了无毒性和耐热性能，并可以通过只使用UCC120来满足废气排放的规定，降低了生产成本。
图5表示沸石HC吸收催化剂和钾NOX吸收催化剂的基于温度变化的解吸附特性。如其中所示，该图表示了在HC和NOX吸收催化剂吸收了一定浓度的HC和NOX后随着温度的增加解吸附的HC和NOX的浓度的变化。
在每个催化剂吸收了HC和NOX(在此，吸收率取决于每个吸收催化剂的容量)后，温度升高。此后，HC和NOX如图5所示的方式解吸附。HC和NOX在高于300℃的温度下被逐渐解吸附。
在本发明中，有必要延迟从CCC110中每个吸收催化剂112，113上解吸附HC和NOX的过程，直到UCC催化剂122，123被完全活化后UCC催化剂122，123的温度随着中间管114的内部流道114a被完全打开而被完全提高。
为了延迟解吸附过程，一个绝缘器115安置在中间管114的外表面和每个吸收催化剂112，113的多个孔112a，113a的内表面之间。
在此，绝缘器115被安置来防止热传输而不是用来在中间管114的气流流道114a和吸收催化剂112，113之间获得绝热操作。在本发明的另一个实施方案中，在没有安置绝热构件的情况下在中间管114和吸收催化剂112，113之间形成一个空隙。
也就是说，有必要延迟CCC吸收催化剂112，113对HC和NOX的解吸附过程直到UCC催化剂112，123被活化后UCC催化剂的温度被提升到更高的温度。绝缘器115或空隙防止来自中间管的内部流道的废气热量传输到HC和NOX吸收催化剂112，113上，这样热量导致的所吸附的HC和NOX的自然解吸附就被延迟了。
图6表示了典型UCC催化剂随着温度的升高催化剂活性(净化比率)的变化。所有废气的净化比率在高于200℃的情况下几乎为100％。可以在200℃的温度下有效的实施本发明，该温度可以是ECU用来判断UCC催化剂活化状态的预设温度。
图7a和7b表示了本发明中使用的可变流道型废气净化系统和典型“CCC+UCC”型废气净化系统之间在250℃净化性能的评价结果。在本发明的净化系统中，在流道从发动机启动时间模式转变到其运行模式(球阀的90℃的位置)后，在250℃的温度下对净化性能进行评估。与传统系统相比，废气的五分之一在发动机启动时(图1)被输出。该HC的SULEV参数为0.01g/mile，而NOX的SULEV参数为0.02g/mile。
如上所述，在根据本发明的汽车废气的净化系统中，安置了CCC和UCC，且各自含有很少或不含有贵金属的HC和NOX吸收催化剂安置到CCC中。提供一个包括旁路流道和流道切换装置的可变流道系统。发动机启动时，废气流经CCC中的吸收催化剂并被其净化。此后，在UCC催化剂的活化状态下，向着CCC中吸收催化剂的流道被阻断，废气仅流向UCC催化剂，这样废气就被UCC催化剂正常净化。因此，本发明提高了净化性能。由于CCC中使用的HC和NOX吸收催化剂含有很少或不含有贵金属，因此降低了生产成本。由于使用可变流道而在发动机启动时很短的时间段中使用CCC催化剂，因此在CCC催化剂中不会出现耐热性和耐久性等问题。
虽然前面阐述了本发明的多种实施方案，应该清楚的是上面的描述不应看作是对本发明范围的限制，因为在不违背本发明精神和范围的情况下可以对本发明进行各种增加，改变，改进和取代。显然本发明技术领域中的技术可以以其它方式，结构，配置和比例来体现，并可以使用其他零件，材料和构件。例如，尽管本系统在汽车废气净化系统的正文中被描述，该系统可以用于其它类型机动车中。因此，本发明公开的实施方案可以认为包括所说明的所有方面但不限制在其中，本发明的范围由所附权利要求书限定而非前面描述。
权利要求
1.一种净化汽车废气的系统，包括一个封闭催化转化器，其安置在位于废气流道的发动机排气歧管附近且具有一个旁路流道，废气流经该旁路流道直接排放且不经过多个吸收催化剂，其中所述吸收催化剂安置在封闭催化转化器中；一个地板下催化转化器，其安置在位于车厢地板下侧的排气管上，所述地板下催化转化器安置在封闭催化转化器的下游；一个温度检测传感器，其检测在地板下催化转化器中的催化剂温度；一个电控单元，其接收来自温度检测传感器的信号，通过检测所述温度是否超过预设值来判断地板下催化转化器中的催化剂是否达到活化状态，并输出控制信号来将封闭催化转化器的废气流道切换到旁路流道中；和一个流道切换装置，其根据电控单元的控制信号来将废气流道在封闭催化转化器中的吸收催化剂一侧的流道和旁路流道之间切换。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于旁路流道包括一个插入到在封闭催化转化器外壳中的吸收催化剂上形成的多个孔中的中间管，其中所述中间管的入口和出口分别安置在封闭催化转化器外壳的入口流道和出口流道中。
3.如权利要求2所述的系统，还包括一个安置在吸收催化剂的一个孔的内表面和中间管外表面之间的绝缘器。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述流道切换装置包括一个电动机，其安置在封闭催化转化器外壳中或封闭催化转化器入口流道外的车身附近，并由来自电控单元的控制信号所控制；和一个阀门，其由电动机的驱动旋转来将废气流在两个流道间切换。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述阀门包括一个球型阀门并具有一个废气流经的流道。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述阀门安置在旁路流道的前端入口部分。
7.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述阀门在阀门的气体流道的至少一侧包括至少一个凹形部件。
8.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述中间管包括一个在中间管前端入口部分形成的侧翼部件。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述吸收催化剂包括HC吸收催化剂。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述HC吸收催化剂包括沸石催化剂。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述吸收催化剂包括NOX吸收催化剂。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于所述NOX吸收催化剂包括钾基催化剂。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述地板下催化转化器包括第一催化剂和第二催化剂。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述第一催化剂包括HC吸收催化剂且所述第二催化剂包括NOX吸收催化剂。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述HC吸收催化剂包括沸石催化剂且所述吸收催化剂包括钾基催化剂。
全文摘要
本发明涉及一种能够使吸收催化剂净化废气的汽车废气净化系统，其中所述废气在发动机启动时流经CCC中的吸收催化剂并允许通过在UCC催化剂的活化状态下断开与CCC中吸收催化剂的连接来使废气仅流过UCC催化剂来使废气被UCC催化剂正常净化。该CCC安置在发动机排气歧管附近，且UCC安置在汽车底盘的下侧。具有很少或不具有贵重金属携带量的HC吸收催化剂和NO
文档编号F01N3/24GK1680693SQ20041010318
公开日2005年10月12日 申请日期2004年12月31日 优先权日2004年4月6日
发明者崔城茂 申请人:现代自动车株式会社