一种催化器及使用该催化器的内燃机和车辆的制作方法

本发明涉及一种催化器及使用该催化器的内燃机和车辆。

背景技术：

内燃机的主要污染物为氮氧化物（nox）和颗粒物，由于其天然的“trade-off”关系，无法通过在内燃机内部净化同时降低两种污染物，目前最常用的是使用高压燃油喷射系统优化内燃机的缸内燃烧来降低内燃机的颗粒物排放，并在内燃机排气管处增加催化器，催化器采用scr（氮氧选择性催化还原）技术降低氮氧化物的排放。

scr技术是，尿素喷射控制单元（dcu）根据预先标定的脉谱图（map），控制尿素喷射系统向内燃机的排气管中喷射一定量的尿素水溶液，在热的排气作用下，尿素热解、水解生成氨气（nh3），与内燃机的排气混合后进入scr催化器，催化器通常制成蜂窝状孔道结构，孔道壁面涂覆有一定量的催化剂活性组分，内燃机的排气进入催化剂蜂窝状孔道后，排气中的nox与nh3在催化剂蜂窝状孔道内发生催化还原反应，nh3在氧化氛围中把nox还原为无害的氮气和水，降低内燃机nox污染物排放。

氨气（nh3）能否与内燃机的排气充分混合是制约scr催化器的催化效率的一个重要因素，采用空气辅助尿素喷嘴，以及在催化器前加装混合器等技术手段可以提高nh3在排气中的浓度分布均匀性。申请号为201220310459.8的中国实用新型专利公开了一种分段式催化剂载体结构，包括外壳及设置于外壳中的载体即催化体，催化体外形为圆柱体结构，催化体内部是金属卷制的蜂窝结构，催化体包括沿壳体的轴线方向设置的第一级催化体和第二级催化体，第一级催化体和第二级催化体间隔设置，二者之间具有中空部分即空腔，内燃机的废气进入催化器后首先经过第一级催化体的蜂窝孔道中，与第一级催化体内壁上涂覆的催化剂发生化学反应，然后进入中空部分中进行二次混合，因此进入第二级催化体中的气体会比进入第一级催化体中的气体均匀性更好，有效提高了第二级催化体内的化学反应的效率。但是，上述设计也存在着缺陷，因为催化器的催化效率对温度极其敏感，将催化体分段设置且第一级催化体与第二级催化体之间具有中空部分，气体的流动距离增加，导致气体温度降低，进而造成第二级催化体中的气体温度低于催化剂起燃温度或处于催化剂活性较低的温度区间，虽然气体混合均匀性增加了，但催化效率仍然较低。清华大学赵彦光博士学位论文《柴油机scr技术尿素喷雾热分解及氨存储特性的试验研究》表明，内燃机排温一定时，随排气流量的增加，氨气（nh3）浓度分布均匀性呈增加的趋势，当内燃机排气流量一定时，nh3浓度均匀性也随着排温的提高呈上升的趋势，且不论是否加装混合器，nh3浓度都不会达到完全均匀；唐炜等公开发表论文《柴油机尿素scr反应特性的试验研究》表明，排温在250℃以下时催化还原反应几乎不进行，可以认为钒基催化剂的温度活性窗口在250℃以上；山东大学张纪元博士学位论文《重型柴油机scr系统应用技术研究》表明，对于大多数卡车和公交车装配的scr系统，在低于280℃时，催化剂活性会显著降低。因此需要对催化器进行改进以提高其催化效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种催化效率高的催化器；同时，本发明的目的还在于提供一种使用该催化器的内燃机；本发明的目的还在于提供一种使用该催化器的车辆。

为实现上述目的，本发明的一种催化器的技术方案是：一种催化器，包括壳体，壳体中沿其轴线方向依次设置有至少两个具有蜂窝孔道的催化体，至少一个催化体为沿壳体的轴线方向可移动安装于壳体中的活动催化体，活动催化体与相邻的催化体之间具有与各自的蜂窝孔道均连通的且轴向长度可调节的混合间隙，该催化器还包括用于驱动活动催化体动作以调节混合间隙的轴向长度的驱动机构。

相邻两个催化体之间插装配合，相邻两个催化体之间的配合位置处设置有密封圈。

相邻两个催化体之间沿径向方向上设置有防止二者之间发生转动的限位结构。

所述相邻两个催化体的相对应的蜂窝孔道的长度不同。

所述催化器还包括控制器，控制器与内燃机信号连接，控制器与驱动机构控制连接。

所述壳体中沿其轴线方向依次设置有两个催化体，靠近壳体的进气口的为第一级催化体，远离壳体的进气口的为第二级催化体，第一级催化体固定安装于壳体中，第二级催化体为活动催化体。

本发明的一种内燃机的技术方案是：内燃机包括缸体和设置于缸体的排气口处的催化器，催化器包括壳体，壳体中沿其轴线方向依次设置有至少两个具有蜂窝孔道的催化体，至少一个催化体为沿壳体的轴线方向可移动安装于壳体中的活动催化体，活动催化体与相邻的催化体之间具有与各自的蜂窝孔道均连通的且轴向长度可调节的混合间隙，该催化器还包括用于驱动活动催化体动作以调节混合间隙的轴向长度的驱动机构。

相邻两个催化体之间插装配合，相邻两个催化体之间的配合位置处设置有密封圈。

相邻两个催化体之间沿径向方向上设置有防止二者之间发生转动的限位结构。

所述相邻两个催化体的相对应的蜂窝孔道的长度不同。

所述催化器还包括控制器，控制器与内燃机信号连接，控制器与驱动机构控制连接。

所述壳体中沿其轴线方向依次设置有两个催化体，靠近壳体的进气口的为第一级催化体，远离壳体的进气口的为第二级催化体，第一级催化体固定安装于壳体中，第二级催化体为活动催化体。

本发明的一种车辆的技术方案是：一种车辆包括车体和内燃机，内燃机包括缸体和设置于缸体的排气口处的催化器，催化器包括壳体，壳体中沿其轴线方向依次设置有至少两个具有蜂窝孔道的催化体，至少一个催化体为沿壳体的轴线方向可移动安装于壳体中的活动催化体，活动催化体与相邻的催化体之间具有与各自的蜂窝孔道均连通的且轴向长度可调节的混合间隙，该催化器还包括用于驱动活动催化体动作以调节混合间隙的轴向长度的驱动机构。

相邻两个催化体之间插装配合，相邻两个催化体之间的配合位置处设置有密封圈。

相邻两个催化体之间沿径向方向上设置有防止二者之间发生转动的限位结构。

所述相邻两个催化体的相对应的蜂窝孔道的长度不同。

所述催化器还包括控制器，控制器与内燃机信号连接，控制器与驱动机构控制连接。

所述壳体中沿其轴线方向依次设置有两个催化体，靠近壳体的进气口的为第一级催化体，远离壳体的进气口的为第二级催化体，第一级催化体固定安装于壳体中，第二级催化体为活动催化体。

本发明的有益效果是：驱动机构能够带动活动催化体沿壳体的轴线方向运动，用来调节活动催化体与相邻的催化体之间的混合间隙，当内燃机负荷较小时，排气温度和流量均比较低，氨气在排气中均匀性较差，此时活动催化体与相邻的催化体之间的混合间隙需要的距离较长，来提高氨气的在排气中的混合均匀性；当内燃机负荷较大时，排气温度和流量均较大，氨气在排气中的均匀性较好，此时活动催化体与相邻的催化体之间的混合间隙较短时就可满足混合要求，此时较短的混合间隙可以减少热量的损失，提高催化剂所在的环境温度和催化活性；在内燃机接近满负荷时，内燃机排气温度和流量均为最大，氨气在排气中均匀性好，此时应将活动催化体与相邻的催化体之间的混合间隙调节为零，即活动催化体与相应的催化体对接在一起，减少热量的损失，提高催化效率，同时活动催化体与相邻的催化体之间的混合间隙调节为零可以避免增加排气背压，提高内燃机的动力性、经济性。以上结构的催化器可以兼顾内燃机的性能和催化器的催化效率。

进一步地，密封圈的设置可以保证相邻两个催化体之间不漏气，防止氨气漏出排入空气中。

进一步地，限位结构的设置保证相邻的两个催化体之间不发生转动和径向位移，保证在内燃机接近满负荷时，相邻两个催化体的各蜂窝孔道一一正对，而不会使两个催化体的蜂窝孔道错位导致气体堵塞，减小后面的催化体对气流的阻力。

进一步地，相邻两个催化体的相对应的蜂窝孔道的长度不同，排气噪声在催化器内突扩或碰壁时产生的反射声波与原声波叠加发生干涉效应，起到消声作用。

进一步地，控制器与内燃机信号连接采取内燃机的转速信号，然后控制驱动机构动作。

附图说明

图1为本发明的一种车辆的实施例一中的催化器的结构示意图；

图2为第一级催化体和第二级催化体的安装结构示意图；

图3为图2在a-a处的剖视图；

图4为驱动机构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的一种车辆的实施例一，如图1至图4所示，包括车体和设置于车体上的内燃机，内燃机包括缸体和设置于缸体的排气口处的催化器10，催化器10包括壳体9，壳体9中沿其轴线方向依次设置有两个催化体，靠近壳体9的进气口的催化体为第一级催化体5，远离壳体9的进气口的催化体为第二级催化体8，其中第二级催化体8为能够在壳体9中沿其轴线方向移动安装的活动催化体，催化器10还包括用于驱动第二级催化体8运动以调节两个催化体之间的混合间隙7的轴向长度的驱动机构。

第一级催化体5固定安装于壳体9中，第一级催化体5包括第一级催化体壳体和设置于第一级催化体壳体内的第一载体，第一载体包括多个第一蜂窝孔道6，第一级催化体壳体包括用于供第一载体安装的催化体安装段16和朝向壳体9的出气口延伸的延伸段20，延伸段20为中空结构，延伸段20内部呈阶梯结构，阶梯结构的台阶面形成用于与第二级催化体挡止配合以限制其朝向壳体的进气口移动的最大位移的限位面。第二级催化体8包括导向移动安装于第一级催化体5的延伸段20中的第二级催化体壳体和设置于第二级催化体内的第二载体，第二级催化体壳体为阶梯轴结构，第二级催化体壳体的小径段18上设置有用于与第一级催化体5的延伸段20的孔壁密封配合的密封圈17，密封圈17为刚性密封圈，防止气体由第一级催化体5和第二级催化体8之间漏出,密封圈17与第一级催化体5的延伸段20之间涂抹有石墨润滑脂进行润滑。第二载体包括多个轴线方向与壳体9的轴向方向平行和相同的第二蜂窝孔道21，第一级催化体5和第二级催化体8之间通过花键结构进行安装，花键结构包括设置于第一级催化体5的延伸段20的内孔壁上的花键槽和设置于第二级催化体8的大径段19上的花键，花键结构形成限位结构，保证第一级催化体5和第二级催化体8在径向上不发生位移且二者之间不会发生转动，确保在内燃机接近满负荷时，相邻两个催化体之间的混合间隙等于零时，相邻两个催化体的各蜂窝孔道一一正对，而不会使两个催化体的蜂窝孔道错位导致气体堵塞，减小后面的催化体对气流的阻力。

驱动机构包括伺服电机14和曲柄滑块结构13，曲柄滑块结构13包括转动副（曲柄24和连杆23）和移动副（滑块22），催化器10还包括控制器15，控制器15为尿素喷射控制单元（dcu，dosingcontrolunit），伺服电机14与曲柄滑块结构13的转动副连接，曲柄滑块结构13的移动副与第二级催化体8连接，控制器15与内燃机信号连接用于采集内燃机的转速负荷信号，通过相应的控制策略控制伺服电机14转动，进而带动第二级催化体8轴向运动，从而调整两个催化体之间的混合间隙的长度l0。

催化器10的壳体9的后端通过后接头11连接有尾管12，尾管12用于与下游的消音器、催化氧化器等其他装置连接。催化器的壳体的前端通过前接头4连接于内燃机的排气管1上，内燃机的排气管1上设置有尿素喷射装置2，内燃机的排气管1上还设置有混合器3。在使用时，尿素喷射装置2，向内燃机的排气管1中供给一定量的尿素水溶液，尿素在热的排气作用下发生热解、水解反应生成氨气（nh3），与排气混合后到达第一级催化体5的入口截面，可以认为在该截面氮氧化物（nox）的分布是均匀的，但氨气（nh3）并不是完全均匀分布的。当混合气进入第一级催化体5的第一蜂窝状孔道6后，由于各第一蜂窝孔道6之间互不连通，不同第一蜂窝孔道6内氨气（nh3）浓度不同，即不同的第一蜂窝孔道6内有不同的氨气（nh3）总量，这会导致部分第一蜂窝孔道6中氨气（nh3）过量，而另一部分第一蜂窝孔道6中氨气（nh3）不足。当排气流过第一级催化体5后，进入两个催化体之间的混合间隙7中，在混合间隙7内由于气流扰动，排气中的氨气（nh3）和氮氧化物（nox）进一步混合，随后进入所述第二载8体中，由于二次混合，各第二蜂窝孔道21之间的组分（nox和nh3）浓度分布更均匀，在第二级催化体8的出口所测得氮氧化物（nox）含量低于现有的scr催化器，即催化器转化效率提高，同时nh3泄漏量减小。

第一级催化体5与第二级催化体8之间具有混合间隙7，由于混合间隙的存在，排气通过混合间隙7时处发生膨胀，有一定的消声作用；此外，所述第一级催化体5的第一蜂窝孔道6的长度l1和第二级催化体8的第二蜂窝孔道21的长度l2不同，排气噪声在催化器内突扩或碰壁产生的反射声波与原声波叠加发生干涉效应，起到消声作用；通过伺服电机14和曲柄滑块结构13调整第一级催化体5与第二级催化体8之间的混合间隙的长度l0，即调整了反射声波与原声波的相位差，通过一定的控制策略匹配内燃机工况，可以使其相位差恰好为当前工况排气噪声主频率的半波相位，声波叠加后完全干涉，有更好的消声作用。

上述催化器的工作过程为：当内燃机负荷较小时，排气温度和流量均比较低，氨气在排气中均匀性较差，此时第一级催化体5与第二级催化体8之间的混合间隙7需要的距离较长，来提高氨气的在排气中的混合均匀性；当内燃机负荷较大时，排气温度和流量均较大，氨气在排气中的均匀性较好，此时第一级催化体5和第二级催化体8之间的混合间隙7较短时就可满足混合要求，此时较短的混合间隙可以减少热量的损失，提高催化剂所在的环境温度和催化活性；在内燃机接近满负荷时，内燃机排气温度和流量均为最大，氨气在排气中均匀性好，此时应将第一级催化体5和第二级催化体8之间的混合间隙调节为零，即第一级催化体5和第二级催化体8对接在一起，减少热量的损失，提高催化效率，同时活动催化体与相邻的催化体之间的混合间隙调节为零可以避免增加排气背压，提高内燃机的动力性、经济性。同时以上结构的催化器可以兼顾内燃机的性能和催化器的催化效率。

本发明与现有技术相比具有以下优点：能根据内燃机工况自动调整第一级催化体和第二级催化体之间的混合间隙的长度，在部分负荷工况下以提高氨气（nh3）浓度分布均匀性为主，增加混合间隙的长度，在内燃机大负荷工况下，以避免排气热量损失为主，缩短混合间隙的长度，兼顾了氨气（nh3）浓度分布均匀性和内燃机的性能，避免造成排气较大的热量损失，提高了催化器转化效率。

本发明的一种车辆的实施例二，与实施例一的区别在于，壳体中设置有三个催化体，分别为第一级催化体、中间催化体和第二级催化体，此时第一级催化体、中间催化体和第二级催化体中的至少一个催化体为活动催化体。

本发明的一种车辆的实施例三，与实施例一的区别在于，第二级催化体固定安装于壳体中，第一级催化体为活动催化体，此时驱动机构与第一级催化体连接。

本发明的一种车辆的实施例四，与实施例一的区别在于，第一级催化体与第二级催化体可以并列设置，二者不采用插装的方式，此时活动催化体导向移动安装于壳体中。

本发明的一种车辆的实施例五，与实施例一的区别在于，第一级催化体和第二级催化体均为活动催化体，此时驱动机构包括用于驱动各活动催化体运动的第一驱动机构和第二驱动机构。

本发明的一种车辆的实施例六，与实施例一的区别在于，第一级催化体上的第一蜂窝孔道的长度和第二级催化体上的第二蜂窝孔道的长度相同。

本发明的一种车辆的实施例七，与实施例一的区别在于，限位结构不采用花键结构，限位结构为设置于第一级催化体与第二级催化体之间的凹凸结构以实现第一级催化体与第二级催化体之间不能转动且径向上不发生位移，轴向上二者能够导向移动配合。

上述催化器的控制方法为：选定内燃机的转速和负荷为控制信号，制定内燃机的转速、负荷、混合间隙长度的关系对照图（map），dcu获取内燃机的转速和负荷信号，查询map，获得该转速、负荷下对应的混合间隙的长度，驱动机构驱动活动催化体移动以增大或减小所述混合间隙的轴向长度，当内燃机的转速、负荷信号达到设定的标准值时，驱动机构驱动活动催化体使所述混合间隙的轴向长度为零，此时活动催化体与相应的催化体对接。

一种内燃机的实施例与上述一种车辆的各实施例中的内燃机的结构相同，此处不再赘述。

一种催化器的实施例与上述一种车辆的各实施例中的催化器的结构相同，此处不再赘述。