催化转化器和废气后处理设备的制作方法

本发明涉及废气后处理设备，用于改进特别是在冷启动和暖机期间内燃发动机的废气排放的催化转化。特别地，本发明涉及包括催化转化器的废气后处理装置。

背景技术：

用于车辆的催化转化器通常包括与入口通道和出口通道流体连通的罐装且带涂层的催化转化器载体(substrate)。其位于车辆的内燃发动机的排气侧以处理从发动机排放的废气。

在发动机的冷启动和暖机期间，催化转化器不能被充分地加热用于最佳性能，废气排放因此可能未经其催化转化就通过了催化转化器。为了改进加热特性，催化转化器常常尽可能地靠近排气口。为加速加热，还可电加热催化转化器，或者暂时地控制燃烧，使得废气热流的温度提高。

在冷启动期间还特别常见的一个问题是，液体形式的排放从发动机排出。这可能是由燃烧之前、发动机起动期间通过发动机的液体燃料和油引起的。此外，在冷启动期间，废气可能凝结在冷的壁上及液体燃料和油上。

一些制造商使用的解决上述一个或多个问题的方案是所谓的碳氢化合物捕集器(hydrocarbon trap)。由于冷启动期间催化转化器加热不足以催化转化并且碳氢化合物的浓度高的事实，可能需要在通常的催化转化器载体上涂覆捕集材料的碳氢化合物捕集器。捕集材料在低温时存储碳氢化合物，在更高的温度时释放碳氢化合物。然而，捕集材料易于老化。

此外，催化转化器通常需要保护以避免过热，否则在全负荷运行中可能出现过热。通过燃料过量供应可避免过热，但是其也引起催化转化器在次最佳状态运行，导致尾管排放增加。

EP 2453113提供了一种改进的废气后处理装置，使用导流装置收集和保持冷启动期间的液体形式的排放，直到导流装置被加热至足以将所述排放蒸发。

然而，上面的废气后处理装置仍存在改进的空间，特别是有关在高性能发动机中催化转化器材料的寿命长度。

技术实现要素：

考虑到现有技术的上述及其他缺陷，本发明的一个目的是提供一种用于内燃发动机的改进型催化转化器，其有助于降低发动机的排放并提高效率。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于内燃发动机的催化转化器，包括：限定了容积的管状构件，第一催化转化器载体位于所述容积内，其中具有第一催化转化器载体的所述容积与用于从内燃发动机接收废气排放的入口部连通并与第一出口部连通，所述第一出口部用于所述废气排放在所述容积中的催化转化之后将其排出；在所述第一催化转化器的所述管状构件内的管构件，所述管构件将所述入口部与所述管状构件中的容积连接并将来自所述入口部的废气排放沿第一流动方向引导，所述管构件下游开口于导流构件中，所述导流构件对所述废气排放导流使其沿不同于所述第一流动方向的第二流动方向进入催化转化器的管状构件的容积中；其中，所述催化转化器还包括连接至所述导流构件的第二出口部，所述第二出口部包括阀，所述阀配置为当所述阀打开时控制通过所述第二出口部的废气流以引导废气排放在到达所述第一催化转化器载体之前离开所述管构件并从所述催化转化器排出。

本发明是基于如下实现：通过提供由阀控制的第二出口，使得废气流仅在发动机的特定运行状况期间通过催化转化器载体而获得改进型催化转化器。例如，在发动机的高性能运行期间，阀优选打开，允许废气旁通过(bypass)第一催化转化器载体，从而降低发动机遭受的背压，从而降低催化剂温度。此外，由于催化转化器载体的活性成分因热暴露而老化，因此在不需要时最小化通过催化转化器载体的废气量是有利的。通过在发动机高性能运行期间打开阀，还可避免催化转化器的过热，减少老化，从而延长催化转化器的寿命长度。

另外，通过为催化转化器提供位于所述催化转化器的管状构件内并将所述入口部与所述管状构件中的容积相连接且将废气排放从入口部沿第一流动方向引导的管构件，并且通过确保所述管构件的下游开口到导流构件中且所述导流构件将废气排放改向使其沿与所述第一流动方向基本相反的第二流动方向进入所述催化转化器的管状构件的容积内，从而当所述阀关闭时，废气排放到达催化转化器之前的时间周期增加了，并改进了此时间周期期间废气排放的混合。

根据本发明的一个实施方式，在发动机冷启动期间所述阀优选关闭。在发动机冷启动期间，部分地由于不完全燃烧，废气中的排放通常比发动机热时的正常运行期间要高。因此，通过在冷启动期间关闭阀，废气被强制通过第一催化转化器载体，从而降低废气的排放。一旦发动机达到适当的操作温度，阀可打开，以降低上述背压。

在本发明的一个实施方式中，所述阀可基于来自发动机的废气的质量流来控制。当发动机以高性能模式运行时，即在高转速(每分钟转数)时，废气质量流也高。为了最大化发动机的性能同时降低催化转化器的热载荷，期望降低催化转化器的背压，这通过打开所述阀，允许废气不受妨碍地流过第二出口来实现。

根据本发明的一个实施方式，所述阀可有利地为开/关阀，其提供了操作阀的简单方式，无需用于确定打开程度的控制机构。因此，所述阀或者完全打开或者完全关闭。然而，技术人员容易认识到，可变阀可同样地很好用来达到相同的效果。

根据本发明的一个实施方式，所述催化转化器的导流构件可进一步配置为收集液体形式的排放并保持所述排放，直到导流装置被加热使得排放被蒸发成气体形式，其中所述导流构件在其面向所述废气排放流的侧壁上至少部分地设有多孔材料层以吸收液体或微粒形式的排放。

所述设备的导流装置配置为使得其可收集废气排放中液体形式的排放并保持这些液体形式的排放直到所述设备的操作温度(当然也即催化转化器的操作温度)使得所述液体形式的排放蒸发成气体形式，这进一步增加废气排放在所述设备中的停留时间，确保了其中的液体形式排放被充分地转换为气体形式，因而在执行催化转化之前改进了其混合，从而进一步提高了催化转化器的性能。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种废气后处理设备，其包括：根据上述任一实施方式的第一催化转化器，其中所述第一催化转化器是布置成与发动机的排气歧管相邻的紧耦合转化器；和第二催化转化器，其布置成与所述第一催化转化器串联并在所述第一催化转化器的后面，其中所述阀基于所述第二催化转化器的第二催化转化器载体的温度来控制。

所述第一催化转化器是布置成尽可能靠近发动机排气歧管的所谓紧耦合催化转化器(CCC)，这具有比例如布置在车辆地板下方的催化转化器(即地板下转化器(UFC))加热更快的效果。此外，已知在催化转化器载体处发生的催化过程在提高的温度最有效，并且在发动机冷启动期间排放程度可能更高。由于紧耦合转化器暴露于直接来自发动机的非常热的废气，因此加热快速，能够降低发动机暖机期间的不期望排放。这通过燃烧掉由冷启动所需的过富混合物所产生的过多碳氢化合物来实现。

根据本发明的一个实施方式，所述阀可基于第二催化转化器载体的温度来控制。因此，紧耦合转化器结合地板下转化器、连同控制通过第一催化转化器的流的阀的使用，能够选择使得仅在需要时使用所述紧耦合转化器。在冷启动期间可使用紧耦合转化器，直到第二转化器的催化剂载体达到足够高的温度，使得冷启动期间废气通过第一和第二催化转化器。在达到第二催化转化器的操作温度之后，阀可打开，使得废气旁通绕过第一催化转化器载体，从而被直接导至第二催化转化器。从而，可避免不期望的背压，进而提高燃料效率，降低发动机的尾管排放。

在本发明的一个实施方式中，所述阀可配置为如果第二催化转化器载体的温度低于预定阈值时关闭，第二预定阈值在300到400℃的范围内。特别地，所述预定温度阈值可为大致350℃。所述阈值基于催化转化器载体在不同温度时的效率，并可根据使用的具体催化剂和根据有关废气排放水平的具体要求来设定。从而，如果第二催化转化器的操作温度变得过低，可激活第一催化转化器。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制废气后处理设备的方法，所述废气后处理设备包括：第一催化转化器，包括：限定了容积的管状构件，第一催化转化器载体位于所述容积内，其中具有第一催化转化器载体的所述容积与用于从内燃发动机接收废气排放的入口部连通并与第一出口部连通，所述第一出口部用于所述废气排放在所述容积中的催化转化之后将其排出；在所述第一催化转化器的所述管状构件内的管构件，所述管构件将所述入口部与所述管状构件中的容积连接并将来自所述入口部的废气排放沿第一流动方向引导，所述管构件下游开口于导流构件中，所述导流构件对所述废气排放导流使其沿不同于所述第一流动方向的第二流动方向进入催化转化器的管状构件的容积中；其中，所述催化转化器还包括连接至所述导流构件构造为引导废气排放在到达催化转化器载体之前离开所述管构件并从所述催化转化器排出的第二出口部，所述第二出口部包括配置为控制废气流通过所述第二出口部的阀；第一催化转化器是布置成与所述发动机的排气歧管相邻的紧耦合转化器；和第二催化转化器，其布置成与所述第一催化转化器串联并在所述第一催化转化器的后面，并包括连接至所述第一催化转化器的所述第一出口和所述第二出口的入口；所述第二催化转化器还包括第二催化转化器载体；所述方法包括：确定所述第二催化转化器载体的温度；如果所述温度低于预定温度阈值，则关闭所述阀。

所述预定温度阈值可优选在300℃到400℃的范围内，更优选地，所述预定温度阈值可为大致350℃。

本发明第二方面的效果和特征与上述结合本发明第一方面描述的那些大部分相同。

在研究所附权利要求及后面的描述时，会清楚本发明的其他特征和优点。技术人员认识到，可组合本发明的不同特征，以产生除后面描述那些之外的实施方式，并在不脱离本发明的范围。

附图说明

现在参考示出本发明具体实施方式的附图，对本发明的这些及其他方面进行更加详细的描述，其中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的催化转化器；

图2A-B示意性地示出了根据本发明实施方式的催化转化器；

图3示意性地示出了根据本发明一个实施方式的催化转化器；

图4示意性地示出了根据本发明一个实施方式的废气后处理设备；和

图5为概述根据本发明一个实施方式的方法的一般步骤的流程图。

具体实施方式

在本具体说明中，根据本发明的系统和方法的各种实施方式主要参考用于燃烧发动机的废气后处理设备中的催化转化器来描述。

图1示意性地示出了催化转化器100。催化转化器100包括限定了容积104的管状构件102，第一催化转化器载体106位于容积104中。具有第一催化转化器载体106的容积104与用于从内燃发动机的排气歧管接收废气的入口部108连通。与燃烧发动机的排气歧管紧邻布置的催化转化器常常称为紧耦合催化转化器(close coupled catalytic converter，简称为CCC)。催化转化器100还包括第一出口部110，用于将废气流在容积104中催化转化之后将其排出。催化转化器100的管状构件102内的管状管构件112将入口部108与管状构件102中的容积104连接，并从入口部108沿着图1中从左到右所示的第一流动方向引导废气，即从入口108并经由管构件112。管构件112的与入口108相反的下游部开口于导流构件114中，所述导流构件114沿着不同于第一流动方向的第二流动方向将废气转向至催化转化器102的管状构件102的容积104中。这里，第二流动方向与第一流动方向相反。催化转化器100还包括连接至导流构件114的第二出口部116，第二出口部116包括阀118，阀118配置为控制通过第二出口部116的废气流以在阀118打开时在废气排放到达第一催化转化器载体106之前引导废气排放离开管构件112并排出催化转化器。藉此，阀118控制来自燃烧发动机的废气流是否通过第一催化转化器载体106。阀118可例如是基于燃烧发动机的测量参数值或运行模式来控制的开/关阀。阀118也可为基于上面参数控制的可变阀。此外，在排放通常更高的发动机冷启动期间期望阀118是关闭的，此时废气通过催化转化器载体106是非常重要的。

图2A示出了阀118关闭时的催化转化器100。这里可以看到，废气流被导流构件114改向，流过第一催化转化器载体106所在的容积104，并进一步通过第一出口110，从而通过催化转化器载体106。

图2B示出了阀118打开时的催化转化器100，此时废气直接流出通过第二出口116，并不通过第一催化转化器载体106所在的容积104。

图3示意性示出了催化转化器300，其中导流构件114配置为收集液体形式的排放并保持所述排放，直到导流构件114已经被加热使得排放被蒸发成气体形式。为实现这点，导流构件114至少部分地设有多孔材料层302以吸收液体或微粒形式的排放。此处多孔材料层302布置在导流构件114的面向来自管112的废气排放流的侧壁上，使得废气被管112直接导向多孔材料。

图4示出包括根据上述任一实施方式的第一催化转化器100的废气后处理设备400。第一催化转化器是与燃烧发动机的排气歧管402相邻布置的紧耦合转化器。后处理设备400还包括第二催化转化器404，第二催化转化器404布置成与第一催化转化器串联并在所述第一催化转化器的后面。第二催化转化器404是位于第一催化转化器100下游并相距一定距离的安装在车厢地板下的转化器(underfloor converter，简称UFC)。第二催化转化器404具有连接至第一催化转化器100的第一出口116和第二出口110中每一个的入口。因此第二催化转化器404从第一催化转化器100接收废气流，不管阀118的位置如何。另外，在本发明的实施方式中，阀118基于第二催化转化器404的第二催化转化器载体(未示出)的温度来控制。因此，上述废气后处理设备400可确保来自发动机的废气通过第一催化转化器100的催化转化器载体106，直到第二催化转化器404的催化转化器载体达到可接受的操作温度，从而降低从后处理设备的排放总量。所述可接受操作温度通常在300到400℃的范围内，例如350℃。然而，对于不同类型的催化转化器，所述操作温度可以是不同的。

图5为概述图4中所示废气后处理设备400的一般功能的流程图。在第一步骤502中，确定第二催化转化器404的温度。例如，可通过车辆控制系统连续地监测第二催化转化器404的操作温度。其后，504：所述温度被与阈值温度(例如350℃)比较。506：如果测量温度低于阈值时，阀118关闭。508：如果测量温度高于阈值，阀118打开。在实践中，所述温度值可被看作确定阀的打开和关闭的触发器。

这里废气后处理设备400被图示为包括一个UFC 404。然而，其同样地可能使用在第一催化转化器100之后并行布置的两个或更多的UFC，例如以便增大催化转化的有效面积。

尽管已经参考其具体实施方式描述了本发明，但是许多不同的变形、修改等对于本领域技术人员是清楚的。同样，应当注意，可以各种方式省略、交换或布置所述装置的各部分，所述装置仍能够执行本发明的功能。

另外，通过附图、公开及所附权利要求的研究，实践所要求发明的技术人员可理解和实施对所公开实施方式的变形。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。相互不同的权利要求中列举的特定尺度的事实并不意味着这些尺度的组合不能用来发挥优势。