排气系统的制作方法

排气系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种排气系统，其包括：排气歧管，具有不同长度的流道；和排放控制装置，容纳具有多单元密度的催化剂砖。通过这种方式，可在无需修改排气系统的封装的条件下解决不平稳的排气混合。通过本实用新型的技术方案，有可能通过在与排气歧管的不等长度的流道协作的至少一个催化剂砖中产生特定压差来改善排气流的混合以产生更加均匀的排气流，同时在无需对排气系统进行显著的物理性修改的情况下提高催化剂效率。
【专利说明】排气系统
[0001]相关申请交叉引用
[0002]本申请要求于2013年8月16日提交的美国专利申请号61/866，976的优先权，因此其全部内容结合于此用作参考。

【技术领域】
[0003]本实用新型的领域涉及排气系统、催化剂砖以及排气流控制。

【背景技术】
[0004]来自发动机的各个汽缸的发动机排气流可能不均衡。具体地，排气流的不均衡性可导致排气系统内的排气的不均匀混合。因为没有用于气流调配和混合的空间，这种混合的缺乏对于诸如三元催化剂(TWCs)和选择性催化还原(SCR)催化剂的紧密连接催化剂的效率和性能尤为不利。
[0005]尽管已经提出不同方法以更好地促进排气系统中汽缸-汽缸气流混合，但这些方法中的诸多方法包括改变排气系统的几何结构(包括排气流道设计)。然而，发动机的组装空间可能要求排气流道的长度不相等或处于非理想位置，因此限制了按照需要更改排气流道的能力。另外，排气流道设计也可影响发动机排气音调以及其他NVH参数，因此，流道设计可仍存在限制适应流道设计调整的能力的制约因素。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于提供一种改善来自发动机汽缸的排气的混合的排气系统。
[0007]本实用新型的发明人已经认识到了上述制约因素和它们彼此之间的相互关系，以及解决它们的多种方法。例如，一种至少部分地解决上述问题的方法包括具有带有不同长度的流道的排气歧管的排气系统。排气系统还可包括容纳具有多单元(mult1-cell)密度的催化剂砖的排放控制装置。例如，一个实施例可包括第一催化剂砖内的多单元密度和第二催化剂砖内的均匀单元密度。此外，另一实施例可包括在第一催化剂砖和第二催化剂砖中的多单元密度。
[0008]根据本实用新型的一方面提供了一种排气系统，包括:排气歧管，具有不同长度的流道；和排放控制装置，容纳具有多单元密度的催化剂砖。
[0009]根据本实用新型的一个实施例，排放控制装置处于紧密连接的位置。
[0010]根据本实用新型的一个实施例，排气歧管包括三条流道，其中一条流道长于其余两条流道，较长的一条流道设置在排气歧管的与其余两条流道相对的一端。
[0011]根据本实用新型的一个实施例，容纳在排放控制中的第一催化剂砖具有多单元密度并且容纳在排放控制中的第二催化剂砖具有均匀单元密度。
[0012]根据本实用新型的一个实施例，容纳在排放控制中的第一催化剂砖具有第一多单元密度且容纳在排放控制中的第二催化剂砖具有不同的第二多单元密度。
[0013]根据本实用新型的一个实施例，还包括邻近较长的一条流道设置的氧传感器。
[0014]根据本实用新型的一个实施例，还包括设置在排放控制装置的下游的另一排放控制装置。
[0015]根据本实用新型的一个实施例，容纳于所述排放控制装置中的第一催化剂砖和第二催化剂砖的平均单元密度之间的比值大于所述排气歧管的最长流道和最短流道之间的比值。
[0016]根据本实用新型另一方面提供了一种排气系统，包括:发动机，具有带有不同长度的排气流道的集成式排气歧管；以及排放控制装置，容纳在一个催化剂砖内具有变化的单元密度的串联设置的多个催化剂砖。
[0017]根据本实用新型的一个实施例，排放控制装置处于紧密连接的位置，并且排气歧管包括三条流道，其中一条流道长于其余两条流道，较长的一条流道设置在排气歧管的与其余两条流道相对的一端。
[0018]根据本实用新型的一个实施例，第一催化剂砖在第一催化剂砖的正面的第一区域中具有变化的单元密度并在第一催化剂砖的正面的第二区域中具有均匀单元密度。
[0019]根据本实用新型的一个实施例，多个催化剂砖具有变化的单元密度。
[0020]根据本实用新型的一个实施例，还包括邻近较长的一条流道设置的氧传感器。
[0021]根据本实用新型的一个实施例，还包括设置在排放控制装置的下游的另一排放控制装置。
[0022]根据本实用新型的一个实施例，第一上游催化剂砖仅沿着一个方向具有变化的单元密度，一个方向为水平、垂直和径向中的一个。
[0023]根据本实用新型的一个实施例，第一上游催化剂砖沿着两个方向具有变化的单元山/又ο
[0024]根据本实用新型又一方面提供了一种操作发动机的方法，包括:使来自多个发动机汽缸的排气流向具有不同长度的流道的排气歧管；在不同长度的流道的下游和紧密连接的催化剂外壳的上游合并排气流；以及使合并的排气流过紧密连接的催化剂外壳内的多个催化剂砖，多个催化剂砖中的每一个催化剂砖具有多单元密度。
[0025]根据本实用新型的一个实施例，还包括在多个催化剂砖的第一催化剂砖的上游检测合并的排气流的排气含量。
[0026]通过本实用新型的技术方案，有可能通过在与排气歧管的不等长度的流道协作的至少一个催化剂砖中产生特定压差来改善排气流的混合以产生更加均匀的排气流，同时在无需对排气系统进行显著的物理性修改的情况下提高催化剂效率。
[0027]通过这种方式，有可能通过在与排气歧管的不等长度的流道协作的至少一个催化剂砖中产生特定压差来改善排气流的混合。该压差可产生更加均匀的排气流。在一个实例中，多个催化剂砖内的压差可通过进一步改变排气系统的共用排放控制装置内的至少两个催化剂砖之间的单元密度来产生。由此，在无需对排气系统进行显著的物理性修改的情况下，可提高催化剂效率，然而，如果需要，也可以进行这些修改。
[0028]应当理解，提供上述概要是为了以一种简化的形式引入将在下面的详细说明书中进一步描述的所选择的构思。这并不意味着识别出要求保护主题的关键或必要特征，其范围唯一由详细的说明书后面的权利要求来限定。另外，所要求保护的主题不限于解决上面提到的或在本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。

【专利附图】

【附图说明】
[0029]图1示出了示例性车辆发动机系统的示意图；
[0030]图2A示出了具有排放控制装置的示例性车辆排气系统的实施例；
[0031]图2B示出了具有多个排放控制装置的示例性车辆排气系统的实施例；
[0032]图3示出了根据一个示例性实施例的排气流处理的流程图；
[0033]图4示出了排放控制装置的实施例的示意图，其中，排放控制装置容纳多个催化剂砖并且其中一个催化剂砖内具有多单元密度；
[0034]图5示出了排放控制装置的另一个实施例的示意图，其中，排放控制装置容纳多个催化剂砖并且多个催化剂砖内具有多单元密度；
[0035]图6示出了排放控制装置的另一个实施例的示意图，其中，排放控制装置容纳多个催化剂砖并且多个催化剂砖内具有多单元密度。
[0036]应当注意，具有不同单元密度的其他实例仍是可能的，并且本文中想到并描述了图4至图6中的特征的这类组合。

【具体实施方式】
[0037]本实用新型涉及对穿过车辆排气系统的排气的流动和混合的改进。如图1至图2A和图2B所示，车辆排气系统可包括发动机和具有不同长度流道的排气歧管，不同长度的流道在排放控制装置的上游交汇，排放控制装置包含多个多单元密度催化剂砖。图2A和图2B示出了贯穿示例性排气系统的排气的流动。图3所示的方法描述了排气的流动。本实用新型的发明人认识到源于多个排气流道的排气流可导致车辆排气系统内流动不均衡。为降低进入催化剂的排气的气流不均衡性，可提供一种特定的排放控制催化剂载体结构。图4和图5示出了可同时或单独使用的多个实施例，以改善排气的流动和穿过排放控制装置的排气的混合并提高转化效率以减少排放。
[0038]图1示出了车辆发动机系统100的示意图。车辆发动机系统100包括具有多个发动机汽缸30的发动机10。发动机10包括进气系统24和排气系统20。进气系统24包含经由进气通道42连接至发动机进气歧管44的节流阀62。在一个实例中，排气歧管可为整合到发动机的汽缸盖内的集成式排气歧管。排气系统20包括通向将排气导入大气的排气管道35的排气歧管48。排气系统20可包括一个或多个排放控制装置70，其可在紧密连接位置处安装至排气歧管48。排放控制装置可包括但不限于三元催化剂、NOx捕集器、柴油或汽油微粒滤清器或氧化催化剂。
[0039]发动机10可接收来自燃料系统(未示出)的燃料，该燃料系统包括燃料箱以及用于为输送至发动机10的燃料喷射器66的燃料增压的一个或多个泵；仅示出了单个燃料喷射器66，但为每个现存的发动机汽缸提供了额外的喷射器。车辆燃料系统可为无回流燃料系统、回流燃料系统或另一类型的燃料系统。燃料箱可盛装多种混合燃料，其包括具有一定浓度范围的乙醇的燃料，诸如包括E10、E85、汽油等以及它们的任意组合的多种汽油-乙醇混合燃料。
[0040]车辆发动机系统100也可包括具有控制器12的控制系统14。所示的控制器12接收来自多个传感器16 (本文描述了多个传感器16的实例)的信息并向多个致动器发送控制信号。例如，传感器16可包括位于排放控制装置70上游的排气传感器126 (例如线性UEGO传感器或其他排气传感器)、温度传感器125和128以及下游的排气传感器129 (例如二元HEGO传感器)。正如本文更加详细讨论的，可将诸如压力、温度和组分传感器的其他传感器连接至车辆发动机系统100内的不同位置。控制系统14可接收来自各种传感器的输入数据、处理输入数据并响应于处理过的输入数据基于编程到该数据中的指令或代码(对应于一个或多个程序)触发致动器。
[0041]现转至参照图2A和图2B，示出了可用于图1所示系统的示例性车辆排放系统20。图2A和图2B示出了具有多个排气流道或通道的排气歧管48，来自发动机汽缸(诸如发动机汽缸30)的排气从排气歧管48开始流动。这些排气流道连接至排放控制装置70上游的收集区250，排放控制装置70后面为排气通道35。
[0042]如图2A和图2B所示，排气歧管包括流道202、204和206，这些流道可具有不同的长度和宽度，并交汇形成短而窄的排气流道交汇管208。在长度被认为是沿着流道的中心轴从排气歧管到排气流道交汇管208的中心的测量值的同时，宽度可被认为是排气流道在垂直于中心轴的任意给定横截面处的直径。在排气流道中，一条流道长于剩余的其他两条流道，而且最长的流道布置在歧管的一端，与剩余的其他两条较短的排气流道相对。在其他实例中，可存在多个较长的流道和多个较短的流道。在其他实例中，可存在其他流道长度不等，诸如四条长度不相等，其中，每一条流道都长于邻近流道，直至达到最长流道。
[0043]如图2A和图2B所示，排气流道202靠近排气歧管48的顶部设置(参见图解描述)，使得排气流道202可向下倾斜以到达排气流道交汇管208。相较于其他排气流道，排气流道202具有贯穿该流道的整个长度的最大宽度，并且排气流道202可具有第二最长长度。中间排气流道204可具有贯穿排气流道直径的整个长度的最小宽度，且可与排气流道交汇管208同轴布置，从而使其具有最短长度。底部排气流道206可具有中等宽度，并具有向上朝向排气流道交汇管208倾斜的渐缩口。在该实例中，由于排气流道206相对于其他两条排气流道位于排气歧管48的较低位置，所以它具有最长长度。
[0044]排气歧管48的另一实施例可将顶部排气流道202布置在更靠近排气歧管48的上边缘的位置。当布置在该位置时，排气流道202可具有最窄的宽度和最长的长度。同样地，排气流道202可向下朝向排气流道交汇管208倾斜。中间排气流道204可具有贯穿排气流道的整个长度的最大宽度，而且可与排气管道交汇管208同轴放置，从而使其具有最短长度。底部排气流道206可始终具有贯穿排气流道的整个长度的中等宽度。根据排气流道206和排气流道202距离排气歧管48的边缘的相对距离，排气流道206的长度可略短于排气流道202的长度。
[0045]在排气歧管的另一个实施例中，可将顶部排气流道202布置在排气歧管48上的较低位置处，使得排气流道202的长度与排气流道204的长度相同。同样地，排气流道202和204两者都与排气流道交汇管208同轴。排气流道202还可宽于排气流道204。相比较其他的两条排气流道，基于底部排气流道206在排气歧管48上的相对位置，底部排气流道206可具有最宽宽度和最长长度。因此，排气流道206可向上朝向排气流道交汇管208倾斜。
[0046]应该注意，本文所描述的方法能够提高选择排气流道的长度和/或宽度(例如，不相等的排气流道长度)的自由度。这是有利的，因为排气流道的宽度和长度影响发动机的性能。例如，如果排气流道的直径太小，这样会因排气流不足而导致排气系统内的背压上升。如果排气流道的直径太大，那么排气流的速度可能很低。这会影响排气流的清除能力。另外，排气流道的长度也影响惯性和波长调谐，从而影响清除对于功率产生的效果。
[0047]返回参照图2A和图2B，排放控制装置70被示出紧密连接在排气歧管48和排气流道202、204、206以及排气流道交汇管208的下游。在图2A中，排放控制装置70包括单个催化剂罐，催化剂罐可为但不限于三元催化剂、NOx捕集器、选择性催化还原催化剂、柴油或汽油微粒滤清器或氧化催化剂中的一个或多个。催化剂罐210包含围绕着催化剂主体216的两个催化剂锥体212和214。第一催化剂锥体212紧密连接至排气流道交汇管208，并具有从排气流道交汇管208向外倾斜的接合催化剂主体216的壁的两个壁。在催化剂主体216的远端，第二催化剂锥体214具有从催化剂主体216向内倾斜以接合排气管道35的壁。
[0048]从与排气流道交汇管208的交点开始，第一催化剂锥体212的上倾斜壁218将排气传感器220嵌入，使得排气传感器邻近一个较长排气流道202布置。该排气传感器可为但不限于线性氧传感器，宽域排气氧传感器(UEGO)，两状态氧传感器(EGO)，加热型EGO (HEGO)，NOx、HC或CO传感器。排气传感器220 (诸如嵌入在壁218中的一个传感器)具有置于金属护罩222内的内电极(未示出)。源于排气流道的排气流流经排气流道交汇管208，并由排气传感器220的电极进行检测。排气流在经由沿着金属护罩222的底部纵向设置的开口 224流进金属护罩222之后由电极进行检测。传感器外罩226使排气传感器220位于催化剂壁218内并通过电线228使电极与控制系统14连接。
[0049]催化剂罐210包含多块催化剂砖。在图2A的优选实施例中，示出了两个催化剂砖230和232。安装垫238位于催化剂砖230和232与催化剂主体216的上壁234和下壁236之间，现有技术中已知的安装垫由硅纤维组成。诸如230和232的催化剂砖是用于金属催化剂的多孔支撑体，其提高了冷起动废气排放转换的效率。催化剂载体材料包括表面积高的多孔材料，例如但不限于陶瓷(例如，堇青石)、矿物质(例如，氧化铝)或金属(例如，不锈钢)。另外，催化剂砖的一些实施例包括诸如二氧化铈或钡的催化剂支撑体材料用于提高稳定性。催化剂砖可具有多种配置，包括但不限于整体式蜂窝结构、纺成纤维或层状材料。
[0050]金属催化剂同诸如NOx、碳氢化合物以及CO的排气发生反应，以便将这些排气转换为满足需要的惰性气体。用于金属催化剂的材料包括贵金属(例如，钯)、贵金属的混合物(例如，钯-钼)或稀土金属(例如，钇)。催化剂可承载在催化剂砖载体上，且可以各种方式加载在催化剂砖上。例如，通过使用湿化学技术，催化剂砖可涂覆有用于金属催化剂的前体化合物浆料。涂覆浆料之后，烘干和煅烧载体。
[0051]在催化剂主体216内，第一催化剂砖230在排气传感器220下游紧密连接至排气流道交汇管208。第二催化剂砖232最低限度地定位在催化剂主体216内的第一催化剂砖230的下游。虽然催化剂砖230和232不接触，但两者之间的间隔要大到足以在上壁234内容纳排气传感器240，该排气传感器240大约位于催化剂主体216中路下游。
[0052]第一催化剂砖布置成使得第一催化剂砖紧密连接至排气歧管48，如此促进催化剂载体的温度快速地上升到起燃温度。当催化剂砖达到起燃温度时，排气流中的排气被有效地转化为期望的惰性气体。
[0053]诸如传感器240的排气传感器可为但不限于线性氧传感器、宽域排气氧传感器(UEGO)、双态氧传感器(EGO)、加热型EGO (HEGO)、NOx, HC或CO传感器。诸如上壁234所罩住的排气传感器240包含有包覆在金属护罩242内的内电极(未示出)。来自第一催化剂砖230的排气流经由沿着金属护罩242的底部纵向设置的开口 244流进金属护罩242之后由电极进行检测。传感器外罩246使排气传感器240位于催化剂主体216的上壁234之内，并通过电线248使电极与控制系统14连接。
[0054]为有效促进排气材料的反应，可以在许多实施例中布置催化剂和/或催化剂砖。例如，图2A中所描述的排气系统20包括单个催化剂罐，该催化剂罐包含多个催化剂砖。可存在额外的实施例，其使得另一排放控制装置布置在当前排放控制装置的下游。如图2B中所示，第二催化剂罐25(V可布置在催化剂罐210的下游。同样地，催化剂罐210和25(V通过短排气管290紧密连接。通过这种方式，排放控制装置串联设置，使得催化剂罐之间的热量损失最小化。
[0055]尽管催化剂罐210依然紧密连接在排气歧管48、排气流道202、204、206以及排气流道交汇管208的下游，但催化剂罐250'连接在可为底部位置的下游位置并连接到短排气管290。催化剂罐250'可为但不限于三元催化剂、稀NOx捕集器、柴油或汽油微粒滤清器或氧化催化剂。催化剂罐25(V包含围绕着催化剂主体256的两个催化剂锥体252和254。第一催化剂锥体252连接至催化剂罐210下游的短排气管290，并具有从短排气管290向外倾斜的与催化剂主体256的壁接合的两个壁。在催化剂主体256的远端，第二催化剂锥体254具有从催化剂主体256向内倾斜以接合排气管道35的壁。
[0056]从与排气管290的交汇点开始，第一催化剂锥体252的上倾斜壁258可将排气传感器260嵌入，使得氧传感器布置在第一催化剂砖的上游。该排气传感器可为但不限于线性氧传感器，宽域排气氧传感器(UEGO)，两状态氧传感器(EGO)，加热型EGO (HEGO)，NOx, HC或CO传感器。排气传感器260 (诸如嵌入壁258中的一个传感器)具有包覆在金属护罩262内的内电极(未示出)。源于排气流道的排气流经催化剂罐210和排气管290，并由排气传感器260的电极进行检测。该排气流在经由沿着金属护罩262的底部纵向设置的开口264流进金属护罩262之后由电极进行检测。传感器外罩266使排气传感器260位于催化剂壁258内，并通过电线268使电极与控制系统14连接。
[0057]与催化剂罐210 —样，催化剂罐25(V也包括多个催化剂砖。尽管图2B中示出了两块催化剂砖270和272，但在其他实施例中，附加的催化剂砖也可被包含在催化剂罐250;(或催化剂罐210)内。例如，在一个实施例中，催化剂罐210和25(V可以串联设置，并且每个催化剂罐内仅容纳一个催化剂砖。一个附加的实施例包括串联设置的催化剂罐210和250'，并且每个催化剂罐内容纳三个催化剂砖。另外，存在多个催化剂罐和催化剂砖的其他组合，使得不止一个催化剂砖适用于本实用新型。
[0058]如上文所述，催化剂砖270和272均是用于金属催化剂的多孔支撑体，并且可由诸如但不限于陶瓷(例如，堇青石)、矿物质(例如，氧化铝)或金属(例如，不锈钢)的材料制成，同时可携带诸如但不限于贵金属(例如，钯)或(例如，钇)的金属催化剂。
[0059]催化剂主体256包括两块催化剂砖270和272。在催化剂砖270、272和催化剂主体256的上壁274、下壁276之间设置有安装垫278。在催化剂主体256内，第一催化剂砖270在排气传感器260下游连接至排气管290。第二催化剂砖272可在催化剂主体256内最低程度地设置在第一催化剂砖270的下游。尽管催化剂砖270和272不接触，但两者之间的间隔要大到足以在上壁274内容纳另一排气传感器280，该排气传感器280大约位于催化剂主体256的中路下游。
[0060]诸如传感器280的排气传感器可为但不限于线性氧传感器、宽域排气氧传感器(UEGO)、两状态氧传感器(EGO)、加热型EGO(HEGO)、N0X、HC、或CO传感器。排气传感器280 (诸如嵌入上壁274中的一个传感器)具有包覆在金属护罩282内的内电极(未示出)。离开催化剂砖270的排气流经由沿着金属护罩282的底部纵向设置的开口 284流进金属护罩282之后由电极进行检测。传感器外罩286使排气传感器280位于催化剂主体上壁274内，并通过电线288使电极与控制系统14相连接。
[0061]返回参照图2A，如下文将要描述的，位于所提出的排气系统20中的催化剂砖230和232可具有多种尺寸和参数。每平方英寸单元(cpsi)中所测得的催化剂单元密度的变化可影响包括但不限于催化剂所处的几何表面、流经催化剂砖的排放材料的质量、贯穿催化剂砖的热传递以及所产生的排气背压的参数。
[0062]增加催化剂砖的单元密度引起催化有效面积的增加，但不会改变催化剂砖的整体尺寸。当需要排放质量控制时，催化剂砖的物理配置和化学性能根据排放质量控制的需求进行控制，并依据单元间距(L)和单元壁厚(t)进行描述。单元密度(N)被定义为每单位横截面积内的单元数并与所述的单元间距负相关，
[0063]
N=y(I)
[0064]因此，如果单元间距小，则大量的单元会布置在催化剂支撑体空间内。
[0065]正面开口面积(OFA)与可用来同排气的流动相互影响的表面积的量有关，并且是壁厚(t)、单元间距(L)和单元密度(N)的函数，
[0066]OFA = N (L-t)2(2)
[0067]因此，如果单元密度(N)高，那么，具有许多可与排气相互作用的0FA。
[0068]水力直径(Dh)与排气流在催化剂砖内可流经的管道的尺寸有关，
[0069]Dh = L-t(3)
[0070]在设计催化剂砖时，催化剂砖内的几何表面积和压差之间存在一种平衡。穿过催化剂砖的压降(△?取决于排气流的速率(V)、催化剂砖的长度(I)以及排气流的密度(P )，
[0071]
,? I ftpV2“、
AP =(4)
GD,
c η
[0072]其中，f是摩擦力，而G。是万有引力常数(6.67384X KTVkg'—2)。因此，为了增加横穿催化剂砖的ΛΡ，催化剂的水力直径(Dh)需要很低。当设计催化剂砖时，进而可优化这种关系。
[0073]在一个实例中，本文所应用的催化剂载体可具有介于100至1200 cpsi范围内的单元密度以及介于0.1至10密耳(10_3-10_2英寸)范围内的单元壁。更具体地，如果催化剂砖内的单元密度不同，那么，根据方程式4，能够产生压差。
[0074]如图2A和图2B中所示，来自排气流道202、204和206的废气在短而狭窄的管208中交汇且混合。一旦到达排气交汇管208的下游，混合的排气流就会经由催化剂锥体212流进催化剂罐210。紧接着第一催化剂砖230的催化剂锥体212内的空间250是可发生排气不均匀分布的区域。排气在该区域中的不良混合也可导致对源于发动机汽缸30的气流的不当感测。为了帮助解决排气流的不平衡，可使用包含多单元密度的催化剂砖以提高整个催化剂载体的ΛΡ，更具体地，适应离开长度不同的三个排气流道的排气的不充分混合。为此，实施例可在排气系统内具有改善的排气流平衡，以通过利用与排气歧管的最长和最短流道之间的长度差百分比相关的催化剂砖内的多种单元密度来补偿排气流道的不同长度和宽度(如下文的进一步描述)。
[0075]图3中所示的流程图300描述了排气穿过排气系统20的运动。当排气流经排气歧管48的多个排气流道202、204和206时，过程310开始。根据320，来自排气流道202、204和206的排气流在排气流道交汇管208内混合。在330中，排气传感器220检测混合的气流。在340中，混合的排气流进入催化剂罐210，而在350中，排气流流经第一催化剂砖230。排气流在根据370移动穿过第二催化剂砖232之前在360中由排气传感器240进行检测。在流经第二催化剂砖232之后，根据380，排气通过排气管道35继续通过排气系统20。
[0076]图4至图6以多种方式示出了在砖内具有改变的单元密度的催化剂砖230和232的实施例，以在用于从不同长度的排气流道排出的排气的混合区域250和排气管道35之间产生压差。
[0077]图4示出了增加催化剂罐210内的压差的实施例。如图所示，催化剂砖230和232示出催化剂砖230的长度比催化剂砖232更短，但可使用其它相对长度。例如，催化剂砖230可具有与催化剂砖232相同的长度。另外，催化剂砖230可长于催化剂砖232。
[0078]图4分别示出了催化剂砖230和232内的单元的轴向视图410和412。轴向视图内的线条414和416表示支撑催化剂砖内的金属催化剂的单元壁。黑线414和416的数量对应于单元的数量，并与催化剂砖的单元密度有关(例如，每单位距离的黑线越多表示单元密度越高)。轴向视图中的白色间隔418和420表示催化剂砖内排气流过的通道。
[0079]因为催化剂砖230中的水平线414在单位距离内的数目不同且催化剂232中的水平线416在单位距离内的数目不同，故轴向视图410和412示出催化剂砖230和232在垂直方向上都具有多单元密度结构。此外，对于给定距离，催化剂砖230中的垂直线414之间的距离和催化剂砖232的垂直线416之间的距离分别并未改变，轴向视图410和412示出催化剂砖230在垂直方向上具有非均匀的单元密度结构。此外，砖230内的单元密度的变化不同于砖232内的单元密度的变化，另外，砖230内的单元密度的变化相较于砖232内的单元密度的变化发生在不同的垂直位置处。例如，砖230的单元密度相较于砖232的单元密度在垂直中央区域处有较大变化，同时，砖232的单元密度相较于砖230的单元密度在垂直底部区域内有较大变化。
[0080]通过这种方式，容纳在排放控制装置中的第一催化剂砖具有第一多单元密度且容纳在排放控制装置中的第二催化剂砖具有不同的第二多单元密度。这种不同可能是变化的单元密度的位置的差别。例如，砖230可在第一径向位置处安置具有变化的密度的相邻单元，而砖232可在第二径向位置处安置具有变化的密度的相邻单元。此外，相邻单元在规格(例如，高度、宽度和/或高度和宽度)上变化的程度在砖230和砖232之间可能不同。在一个实例中，砖230可在排气流最靠近特定流道(诸如最长流道或最短流道)的一侧以彼此相邻的方式安置具有变化的规格的单元，而在排气流的相反侧以彼此相邻的方式安置具有均匀规格的单元。
[0081]尽管本实例针对砖230和砖232中的每一个示出了沿垂直方向的变化的单元密度，但这种变化可能可选地沿着给定砖的长度方向。在另一实例中，砖230如所示具有变化的单元密度，而砖232具有均匀单元密度。
[0082]图4所示的实施例的示例性构造使得催化剂罐210两端的压差可包含最长排气流道和最短排气流道的等于1.6的比率。同样地，催化剂砖230的平均单元密度可为催化剂砖232的单元密度的至少1.6倍。例如，催化剂砖230可具有640 cpsi的平均单元密度，并且催化剂砖232可具有400 cpsi的均匀单元密度。
[0083]图5示出了用于增加催化剂罐210内的压差的另一实例。图5分别示出了催化剂砖230和232内的单元的轴向视图510和512。轴向视图中的线条514和516表示支撑催化剂砖内的金属催化剂的单元壁。线条514和516的数量对应于单元的数量，并与催化剂砖的单元密度有关(例如，每单位距离的黑线越多表示单元密度越高)。轴向视图中的白色间隔518和520表示催化剂砖内排气所流过的通道。
[0084]轴向视图510和512示出了一种方法，其中，砖内的垂直线之间的距离不同，但水平线之间的距离并非如此。通过这种方式，每个砖沿着横跨其表面的水平方向具有改变的单元密度。此外，砖230内的单元密度的变化可能不同于砖232内的单元密度的变化，并且砖230内的单元密度的变化相较于砖232内的单元密度的变化可能发生在不同的水平位置处。例如，砖230相较于砖232可在水平中央区域中提供较高的单元密度，而砖232相较于砖230可在水平侧部区域提供较低的单元密度。在该实例中，砖230和砖232的平均单元密度可基本相等，诸如在彼此的5%范围内。
[0085]图6示出了控制催化剂罐210内的压差的另一实例。图6分别示出了催化剂砖230和232内的单元的轴向视图610和612。轴向视图中的线条614和616表示支撑催化剂砖内的金属催化剂的单元壁。线条614和616的数量对应于单元的数量，并与催化剂砖的单元密度有关(例如，每单位距离的黑线越多表示单元密度越高)。轴向视图中的白色间隔618和620表示催化剂砖内排气所要流过的通道。
[0086]轴向视图610和612示出了在砖230和232的每一个内沿水平方向和垂直方向的变化的单元密度。
[0087]因此，图1至图6的系统提供了一种排气系统，包括:具有不同长度的排气流道的排气歧管；以及容纳多个催化剂砖的排放控制装置，多个催化剂砖中的至少一个具有变化的单元密度或单元壁厚。
[0088]在一些实例中，图1至图6的系统提供了一种排气系统，包括:具有带有不同长度排气流道的集成式排气歧管的发动机；以及容纳串联设置的多个催化剂砖的排放控制装置，每个催化剂砖具有不同的单元密度和单元壁厚。排气系统包括:排气控制装置处于紧密连接位置，并且排气歧管准确地包括三条流道，其中一条流道长于其余两条流道，且较长的流道设置在排气歧管的与其余两条流道相对的一端上。排气系统包括:第一催化剂砖具有比第二催化剂砖更高的单元密度，而且第一催化剂砖具有比第二催化剂砖更低的单元厚度。排气系统还包括邻近较长的一条流道设置的氧传感器。排气系统还包括设置在排放控制装置下游的另一个排放控制装置。
[0089]图1至图6还提供了一种操作发动机的方法，包括:使来自多个发动机汽缸的排气流动到具有不同长度的流道的排气歧管；在不同长度的流道的下游和紧密连接的催化剂外壳的上游合并排气流；以及使合并的排气流过容纳在紧密连接的催化剂外壳内的多个催化剂砖，每个催化剂砖具有不同的单元密度，并且每个催化剂砖具有沿着多个方向变化的单元密度。该方法还包括检测多个催化剂砖的第一催化剂砖上游的合并的排气流的排气氧含量。
[0090]应当理解，本文公开的结构和布置在本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应在限制性的意义上来理解，因为众多变型是可能的。例如，上面的技术可应用于V-6、1-4、1-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和结构以及其他特征、功能和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。
[0091]所附权利要求特别指出被认为新颖和显而易见的特定组合和子组合。这些权利要求可能涉及“元件”或“第一元件”或等同称谓。这样的权利要求应当被理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。可以通过对当前的权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来要求保护所公开的特征、功能、元件和/或属性的其他组合和子组合。无论与原始权利要求相比在范围上更宽、更窄、相同还是不同，这些权利要求也被认作包括在本公开的主题内。
【权利要求】
1.一种排气系统，其特征在于，包括: 排气歧管，具有不同长度的流道；和 排放控制装置，容纳具有多单元密度的催化剂砖。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述排放控制装置处于紧密连接的位置。
3.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述排气歧管包括三条流道，其中一条流道长于其余两条流道，较长的所述一条流道设置在所述排气歧管的与所述其余两条流道相对的一端。
4.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，容纳在所述排放控制装置中的第一催化剂砖具有所述多单元密度且容纳在所述排放控制装置中的第二催化剂砖具有均匀单元密度。
5.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，容纳在所述排放控制装置中的第一催化剂砖具有第一多单元密度且容纳在所述排放控制装置中的第二催化剂砖具有不同的第二多单元密度。
6.根据权利要求3所述的排气系统，其特征在于，还包括邻近所述较长的所述一条流道设置的氧传感器。
7.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，还包括设置在所述排放控制装置的下游的另一排放控制装置。
8.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，容纳于所述排放控制装置中的第一催化剂砖和第二催化剂砖的平均单元密度之间的比值大于所述排气歧管的最长流道和最短流道之间的比值。
9.一种排气系统，其特征在于，包括: 发动机，具有带有不同长度的排气流道的集成式排气歧管；以及 排放控制装置，容纳在一个催化剂砖内具有变化的单元密度的串联设置的多个催化剂砖。
10.根据权利要求9所述的排气系统,其特征在于,第一上游催化剂砖仅沿着一个方向具有变化的单元密度，所述一个方向为水平、垂直和径向中的一个，或者，第一上游催化剂砖沿着两个方向具有变化的单元密度。
【文档编号】F01N3/28GK204082277SQ201420459676
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】斯蒂文·迈克尔·比弗, 克里斯托弗·奥伯斯基, 戴维·沃尔特·库尼茨 申请人:福特环球技术公司