CN102678268B - 内燃发动机的排气处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种排气系统包括排气驱动的涡轮增压器和排气处理装置，排气驱动的涡轮增压器具有出口和围绕该出口延伸的凸缘部，排气处理装置包括具有入口锥体的刚性罐体和布置在刚性罐体内的载体，入口锥体包括整体式入口凸缘，入口凸缘限定了入口开口并构造成与围绕排气驱动的涡轮增压器的出口延伸的凸缘部限定密封，排气流经所述载体。排气通道流体地联接排气驱动的涡轮增压器和排气处理装置，并允许排气在其间通过，包括径向向内延伸的壁部的流动调节器从排气通道的内壁延伸，并引导排气远离排气通道的外径，以将排气均匀分布在载体的入口面上。

Description

内燃发动机的排气处理系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2011年3月16日提交的序列号为No.61/453,346的美国临时专利申请的优先权，其全文在此引入作为参考。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及内燃发动机的排气处理系统，更具体地，涉及一种在不同发动机速度下具有一致流的排气系统。
背景技术
传统的内燃发动机排气后处理系统可具有设置在内燃发动机排气歧管附近的催化处理装置。该催化处理装置，称作紧耦合(close-coupled，或紧密联接)的催化转换器，其使得发动机和该装置之间的排气热损失最小化，从而产生更高的温度和更快的催化反应，这是因为一般用于处理发动机排气的催化剂化合物在高于350℃的温度下运行最佳。
应用压缩机(如排气驱动的涡轮增压器对燃烧空气充气进行压缩的内燃发动机)可被构造为使得从发动机排出的排气被直接引导进入并穿过所述排气驱动的涡轮增压器。为了达到最大的热效率，可希望设置紧耦合催化转换器直接邻接在排气驱动的涡轮增压器的出口处，以最小化这两者之间的排气通道长度；以及必需克服的由此产生的热负荷。
在这种紧耦合配置中，在低速运行期间从排气驱动的涡轮增压器所排出的排气可能包括向排气通道的外圆周流动的旋转或涡旋分量。因此，一旦到达紧耦合催化转换器的催化剂载体的入口面时，排气在入口面上的分布可能会集中朝向外圆周，从而造成通过载体的低效的排气流动。通过载体的这种排气不均衡流动可降低排气处理装置的转换效率。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，构造成从内燃发动机接收排气的排气系统包括，排气驱动的涡轮增压器，其具有出口和围绕出口延伸的凸缘部；排气处理装置，其包括具有入口锥体的刚性罐体和布置在该刚性罐体内的载体，该入口锥体包括整体式入口凸缘，该整体式入口凸缘限定了排气处理装置的入口开口并且构造成与围绕排气驱动的涡轮增压器的出口延伸的凸缘部限定密封，排气流经所述载体。排气通道由涡轮增压器出口和排气处理装置的入口开口限定，将排气驱动的涡轮增压器和排气处理装置流体地联接并允许排气在其间通过，并且，包括径向向内延伸的壁部的流动调节器从排气通道的内壁延伸，并在排气进入排气处理装置的入口锥体时引导排气远离排气通道的外径以将排气均匀分布在载体的入口面上。
在本发明的另一示例性实施例中，具有构造成接收来自内燃发动机的排气的排气系统的内燃发动机包括，排气驱动的涡轮增压器，其与排气系统流体连通以接收来自内燃发动机的排气，并具有出口和围绕出口延伸的凸缘部。排气处理装置，其包括具有入口锥体的刚性罐体，该入口锥体包括整体式入口凸缘，该整体式入口凸缘限定了排气处理装置的入口开口并且构造成与围绕排气驱动的涡轮增压器的出口延伸的凸缘部限定密封以从那接收排气。涂覆有催化剂的载体布置在排气流经的刚性罐体内。排气通道由涡轮增压器出口和排气处理装置的入口开口限定，将排气驱动的涡轮增压器和排气处理装置流体形连接并允许排气在其间通过，并且，流动调节器包括径向向内延伸的壁部，其从排气通道的内壁延伸，并在排气进入排气处理装置的入口锥体时引导排气远离排气通道的外径以将排气均匀分布在涂覆有催化剂的载体的入口面上。
方案1.一种构造成从内燃发动机接收排气的排气系统，包括：
排气驱动的涡轮增压器，所述排气驱动的涡轮增压器具有出口和围绕该出口延伸的凸缘部；
排气处理装置，所述排气处理装置包括具有入口锥体的刚性罐体，该入口锥体包括整体式入口凸缘，该入口凸缘限定了排气处理装置的入口开口，且构造成与围绕排气驱动的涡轮增压器的出口延伸的凸缘部限定密封；
载体，所述载体布置在刚性罐体内，排气流经所述载体；
排气通道，所述排气通道由涡轮增压器出口和排气处理装置的入口开口限定，将排气驱动的涡轮增压器和排气处理装置流体地联接，并允许排气在其间通过；以及
流动调节器，所述流动调节器包括径向向内延伸的壁部，该径向向内延伸的壁部从排气通道的内壁延伸，并在排气进入排气处理装置的入口锥体时引导排气远离排气通道的外径，以将排气均匀分布在载体的入口面上。
方案2.根据方案1所述的排气系统，其中，流动调节器的径向向内延伸的壁部是分段的，以引导一部分排气朝向排气通道的外径。方案3.根据方案1所述的排气系统，其中，流动调节器与入口锥体的入口凸缘一体构造。
方案4.根据方案1所述的排气系统，其中，流动调节器与涡轮增压器出口的凸缘部一体构造。
方案5.根据方案1所述的排气系统，进一步包括第二流动调节器，所述第二流动调节器相对于排气流动方向而言布置在流动调节器的径向向内延伸的壁部的轴向下游，并在排气进入排气处理装置的入口锥体时将向外移动的排气进一步改向远离排气通道的外圆周并进入分布更均匀的流动路径。
方案6.根据方案5所述的排气系统，其中，第二流动调节器包括径向向内延伸的翼部。
方案7.一种具有排气系统的内燃发动机，所述排气系统构造成接收来自内燃发动机的排气，该内燃发动机包括：
排气驱动的涡轮增压器，所述排气驱动的涡轮增压器与排气系统流体连通以接收来自内燃发动机的排气，并具有出口和围绕出口延伸的凸缘部；
排气处理装置，所述排气处理装置包括具有入口锥体的刚性罐体，该入口锥体包括整体式入口凸缘，该入口凸缘限定了排气处理装置的入口开口，且构造成与围绕排气驱动的涡轮增压器的出口延伸的凸缘部限定密封，以从那接收排气；
涂覆有催化剂的载体，所述载体布置在刚性罐体内，排气流经所述载体；
排气通道，所述排气通道由涡轮增压器出口和排气处理装置的入口开口限定，将排气驱动的涡轮增压器和排气处理装置流体地联接，并允许排气在其间通过；以及
流动调节器，所述流动调节器包括径向向内延伸的壁部，该径向向内延伸的壁部从排气通道的内壁延伸，并在排气进入排气处理装置的入口锥体时引导排气远离排气通道的外径，以将排气均匀分布在涂覆有催化剂的载体的入口面上。
方案8.根据方案7所述的内燃发动机，其中，流动调节器的径向向内延伸的壁部是分段的，以引导一部分排气朝向排气通道的外径。
方案9.根据方案7所述的内燃发动机，其中，流动调节器与入口锥体的入口凸缘一体构造。
方案10.根据方案7所述的内燃发动机，其中，流动调节器与涡轮增压器出口的凸缘部一体构造。
方案11.根据方案7所述的内燃发动机，进一步包括第二流动调节器，所述第二流动调节器相对于排气流动方向而言布置在流动调节器的径向向内延伸的壁部的轴向下游，并在排气进入排气处理装置的入口锥体时将向外移动的排气进一步改向远离排气通道的外圆周并进入分布更均匀的流动路径。
方案12.根据方案11所述的内燃发动机，其中，第二流动调节器包括径向向内延伸的翼部。
附图说明
仅仅作为例子，在实施例的下列详细说明中显现其他目的、特性、优势和细节，该详细说明参照附图，其中：
图1是内燃发动机的排气系统的局部截面图；
图2是图1的排气系统沿圆圈2截取的部分的放大视图；
图3是内燃发动机的排气系统的另一实施例的局部截面图；
图4是图1的排气系统沿圆圈2截取的部分的放大视图，示出本发明的另外实施例；
图5是图1的排气系统沿圆圈2截取的部分的放大视图，示出本发明的另外实施例。
具体实施方式
下述描述本质上只是示例性的，并不意图对本发明、其应用或使用进行限制。应当理解的是，在全部附图中，相同的附图标记表示相似的或相同的部分和特征。
参照图1，在一示例性实施例中，内燃发动机(未示出)的排气系统10的一部分包括排气驱动的涡轮增压器12和紧耦合排气处理装置14。该排气驱动的涡轮增压器利用从内燃发动机排出的排气中的过量能量驱动压缩机(未示出)，以实现对进气充气进行压缩的目的，该进气充气在发动机运行期间输送到发动机的进气系统(未示出)中。当排气16膨胀通过涡轮蜗壳20并流向涡轮增压器出口22时，它使涡轮叶轮(未示出)旋转。涡轮增压器出口22可包括凸缘部24，其与涡轮增压器壳体26一体形成并围绕涡轮增压器出口22延伸。凸缘部24构造成与类似构造的入口凸缘28限定密封，入口凸缘28围绕排气处理装置14的入口开口30延伸。
在一示例性实施例中，排气处理装置14可包括具有入口锥体34和排气出口36的刚性罐体32。入口锥体34可包括整体式入口凸缘28，入口凸缘28限定了排气处理装置14的入口开口30。在刚性罐体32内布置在入口开口30和排气出口36之间的是排气16流经的载体38。催化剂化合物40可布置在载体38的表面上，且有助于转化或降低各种管制排气成分。在示例性实施例中，当排气16通过涂覆有催化剂的载体38的长度时，包括铂族金属(如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)或其他合适的氧化剂催化剂、或其组合)在内的贵金属或铂族金属催化剂化合物在存在氧(”O2”)的情况下催化一氧化碳(”CO”)氧化为二氧化碳(”CO2”)，并同样催化各种碳氢化合物氧化形成H2O，这些碳氢化合物包括含有未燃燃料或油的气态HC和液态HC颗粒，以及可能引入到排气16中的HC还原剂。在不背离本发明范围的情况下，其他催化剂化合物同样可用于对其他排气组分的处理。载体支撑件，例如绝热垫42，可布置在载体38和刚性罐体32之间以保护载体免受冲击，并减少排气处理装置14向外的传热。
现在参照图1和2，在一示例性实施例中，涡轮增压器出口22和刚性罐体32的入口开口30一起限定了流体地联接这两个装置且允许排气16从中流过的排气通道44。当内燃发动机并因此是排气驱动的涡轮增压器12在低速(例如，怠速或无负荷)下运行时，可从涡轮增压器出口22排出的排气16具有旋转或涡旋分量16A，其朝向排气通道44的外径流动。流动调节器46包括径向向内延伸的壁部48，其从排气通道44的内壁延伸，并在排气14进入排气处理装置14的入口锥体34时，引导向外移动的排气流16A远离排气通道的外圆周并进入更加均匀分布的流动路径16B，从而将排气16均匀分布在载体38的入口面37上。在一示例性实施例中，流动调节器46与入口锥体34的入口凸缘28一体构造，并且可完全围绕排气通道44的圆周或其一部分延伸。更具体地，流动调节器46的径向向内延伸的壁构件48可以是分段的，以允许一部分排气朝向排气通道44的外径流动。
参照图3，在本发明的一个替换实施例中设想流动调节器46可包括与涡轮增压器出口22的凸缘部24一体构造的径向向内延伸的壁部48B。壁部48B可完全围绕排气通道44的圆周或其一部分延伸。更具体地，流动调节器46的径向向内延伸的壁构件48B可以是分段的，以允许一部分排气朝向排气通道44的外径移动。
参照图4和5，其中，参照其它图已经描述的相同的特征用相同的附图标记表示，本发明的替换性实施例包括增加第二流动调节器50，其设置在径向向内延伸的壁部48或48B的轴向下游(相对于排气流动方向而言)。第二流动调节器50包括径向向内延伸的翼部或壁部52，其从流动调节器46的内壁54延伸，并在排气16进入排气处理装置14的入口锥体34时，将向外移动的排气流16A进一步改向远离排气通道44的外圆周并进入更加集中和均匀分布的流动路径16B。在一示例性实施例中，第二流动调节器50与流动调节器46一体构造，并且可完全围绕排气通道44的圆周或其一部分延伸。更具体地，第二流动调节器50的径向向内延伸的翼部或壁部48或48B可以是分段的，以允许一部分排气16朝向排气通道44的外径流动。
虽然结合示例性实施例对本发明进行了说明，本领域技术人员应当理解的是，在不背离本发明范围的情况下，可进行各种改变且等价物可替代其元件。另外，在不背离其实质范围的情况下，可对其进行修正以使得特殊情形或材料适合于本发明的教导。因此，本发明并不旨在限于用于实施本发明而公开的特定实施例，而本发明将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (12)

1.一种构造成从内燃发动机接收排气的排气系统，包括：
排气驱动的涡轮增压器，所述排气驱动的涡轮增压器具有出口和围绕该出口延伸的凸缘部；
排气处理装置，所述排气处理装置包括具有入口锥体的刚性罐体，该入口锥体包括整体式入口凸缘，该入口凸缘限定了排气处理装置的入口开口，且构造成与围绕排气驱动的涡轮增压器的出口延伸的凸缘部限定密封；
载体，所述载体布置在刚性罐体内，排气流经所述载体；
排气通道，所述排气通道由涡轮增压器出口和排气处理装置的入口开口限定，将排气驱动的涡轮增压器和排气处理装置流体地联接，并允许排气在其间通过；以及
流动调节器，所述流动调节器包括径向向内延伸的壁部，该径向向内延伸的壁部从排气通道的内壁围绕排气通道的圆周径向向内延伸，并在排气进入排气处理装置的入口锥体时引导排气远离排气通道的外径，以将排气沿轴向方向均匀分布在载体的入口面上。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其中，流动调节器的径向向内延伸的壁部是分段的，以引导一部分排气朝向排气通道的外径。
3.根据权利要求1所述的排气系统，其中，流动调节器与入口锥体的入口凸缘一体构造。
4.根据权利要求1所述的排气系统，其中，流动调节器与涡轮增压器出口的凸缘部一体构造。
5.根据权利要求1所述的排气系统，进一步包括第二流动调节器，所述第二流动调节器相对于排气流动方向而言布置在流动调节器的径向向内延伸的壁部的轴向下游，并在排气进入排气处理装置的入口锥体时将向外移动的排气进一步改向远离排气通道的外圆周并进入分布更均匀的流动路径。
6.根据权利要求5所述的排气系统，其中，第二流动调节器包括径向向内延伸的翼部。
7.一种具有排气系统的内燃发动机，所述排气系统构造成接收来自内燃发动机的排气，该内燃发动机包括：
排气驱动的涡轮增压器，所述排气驱动的涡轮增压器与排气系统流体连通以接收来自内燃发动机的排气，并具有出口和围绕出口延伸的凸缘部；
排气处理装置，所述排气处理装置包括具有入口锥体的刚性罐体，该入口锥体包括整体式入口凸缘，该入口凸缘限定了排气处理装置的入口开口，且构造成与围绕排气驱动的涡轮增压器的出口延伸的凸缘部限定密封，以从那接收排气；
涂覆有催化剂的载体，所述载体布置在刚性罐体内，排气流经所述载体；
排气通道，所述排气通道由涡轮增压器出口和排气处理装置的入口开口限定，将排气驱动的涡轮增压器和排气处理装置流体地联接，并允许排气在其间通过；以及
流动调节器，所述流动调节器包括径向向内延伸的壁部，该径向向内延伸的壁部从排气通道的内壁围绕排气通道的圆周径向向内延伸，并在排气进入排气处理装置的入口锥体时引导排气远离排气通道的外径，以将排气沿轴向方向均匀分布在涂覆有催化剂的载体的入口面上。
8.根据权利要求7所述的内燃发动机，其中，流动调节器的径向向内延伸的壁部是分段的，以引导一部分排气朝向排气通道的外径。
9.根据权利要求7所述的内燃发动机，其中，流动调节器与入口锥体的入口凸缘一体构造。
10.根据权利要求7所述的内燃发动机，其中，流动调节器与涡轮增压器出口的凸缘部一体构造。
11.根据权利要求7所述的内燃发动机，进一步包括第二流动调节器，所述第二流动调节器相对于排气流动方向而言布置在流动调节器的径向向内延伸的壁部的轴向下游，并在排气进入排气处理装置的入口锥体时将向外移动的排气进一步改向远离排气通道的外圆周并进入分布更均匀的流动路径。
12.根据权利要求11所述的内燃发动机，其中，第二流动调节器包括径向向内延伸的翼部。
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