CN107387215B - 双催化转化器排气后处理设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于内燃发动机的排气后处理装置，包括：第一催化转换器；布置成与第一催化转换器平行的第二催化转换器，第一和第二催化转换器布置成接收来自发动机的排气流；将所述第二催化转换器的出口与所述第一催化转换器的入口流体地连接的连接管道，藉此允许排气流过所述连接管道；和布置在所述第二催化转换器的出口处且位于连接管道的位置的下游的出口阀，其中所述出口阀被配置成控制排气流过所述第二催化转换器。还提供一种控制排气后处理装置的方法。

Description

双催化转化器排气后处理设备
技术领域
本发明涉及一种用于改进来自内燃发动机的排气排放的催化转化的排气后处理装置。特别的，本发明涉及一种包括双催化转化器的排气后处理设备(exhaust-gasaftertreatment device)。
背景技术
用于车辆内燃发动机的排气后处理装置典型地包括用于还原有害排放的催化转换器。催化转换器通常包括与入口通道和出口通道流体连通的灌装和涂覆的催化转换器基底。其设置于车辆内燃发动机的排气侧以处理来自发动机的排气排放。
在冷启动和发动机热机期间，催化转换器典型地没有被充分地加热以最优化性能，排气排放因此可能没有被催化转化地通过催化转换器。为了改进加热性能，催化转换器通常定位在尽可能靠近排气口的位置。为了加速加热，还可能以电力或临时控制燃烧使得排气热流的温度被提高。
此外，排气后处理系统的低压降是期望的以改进性能和减少能耗。减少压降的一个已知方法是平行地布置两个或多个催化转换器以增加排气后处理装置的流动容量。也可以通过增加催化转换器的尺寸来实现压力减小。
但是，增加催化转换器的尺寸，或平行布置若干个催化转换器，也增加了催化转换器的总体热质量，因此加剧了上述与冷启动和某些操作条件有关的问题。
因此，需要一种改进的排气后处理装置来允许压降被减小，特别在高发动机负荷时，同时减小由于催化转换器在低于优选的操作温度下操作的排放。
发明内容
基于排气后处理装置的上述和其它期望特征，本发明的一个目的是提供改进的排气后处理装置，其帮助减少排放和改进发动机的效率。
根据本发明的第一方面，提供一种用于内燃发动机的排气后处理装置，其包括：第一催化转换器；与第一催化转换器平行设置的第二催化转换器，所述第一和第二催化转换器被设置成从发动机接收排气流；将所述第二催化转换器的出口与所述第一催化转换器的入口流体地连接的连接管道，藉此允许排气流过所述连接管道；连接管道阀(113)，配置成控制通过所述连接管道的排气流；和布置在所述第二催化转换器的出口中且位于连接管道的位置的下游的出口阀，其中所述出口阀被配置成控制通过所述第二催化转换器的排气流。
使用包括两个平行地设置的催化转换器的排气后处理装置提供了高容积和低压降的优点以改进高性能发动机的性能。但是，高容积也意味着在催化转换器能在最优条件下运行之前必须加热大的质量。
通过藉由出口阀控制通过第二催化转换器的流，排气后处理装置的总容量可基于发动机的当前操作条件而变化。特别的，第二催化转化器可以被关闭，例如，在冷启动或在其它操作条件下例如当发动机怠速，当第一催化转换器具有用于实现所要求的催化转化的足够容量。但是，由于催化转换器在高于某个阈值温度(也称作操作温度或熄灯温度)的温度下操作时最有效率，因此有利的是当第二催化转换器不在使用中时也加热第二催化转换器以使得当其被需要时其已经处于期望的操作温度。
因此，本发明基于以下认识：通过使用两个平行设置的用连接管道连接的催化转换器能实现改进的排气后处理装置。除了通过第一催化转换器的主体流外，当第二催化转换器的出口阀被关闭时，连接管道允许通过第二催化转换器的更小的次级排气流。更小的次级流会用来加热第二催化转换器以使当出口阀随后被打开和第二催化转换器被使用时，其处于或接近期望的操作温度。因此，提供了一种改进的排气后处理装置，其中全部容量可以被控制，以及可以实现从一个到两个转换器的切换，也即能实现容量的增加，其中第二转换器能从启动就在期望的操作温度操作。这是有利的，例如在发动机冷启动中。
通过连接管道的次级排气流能沿着从第二催化转换器的出口到第一催化转换器的入口的方向发生，或者沿当排气流在到达第二催化转换器之前通过连接管道的相反方向发生。第二催化转换器效果的加热影响原则上与流的方向无关。通过连接管道的次级流的流动方向能通过将在下面更详细地被讨论的各种方式被选择。
连接管道阀被配置成当第二催化转换器的出口中的出口阀开启时，控制通过连接管道的排气流优选是被关闭的，以确保没有不经过催化转换器的排气流通过排气后处理装置。
根据本发明的一个具体实施方式，连接管道可被配置成使得当出口阀被关闭时，发生最大流量的排气流通过连接管道。当出口阀被关闭和第二催化转换器是非启用时，期望用次级流来加热第二催化转换器。因此，当出口阀被关闭时，通过连接管道的排气流处于其最大值。当出口阀是开启的且有排气流过第二催化转换器并进一步通过出口时，不再需要任何通过连接管道的次级流，因为排气的主体流流过第二催化转换器。
根据本发明的一个具体实施方式，第一催化转换器的入口可包括收缩部，收缩部的直径小于所述入口的邻近部分的直径，并且其中，连接管道在收缩部处被连接到入口。在本发明中，入口可以被假定为是具有第一直径的大致圆形，其接收排气。通过形成入口的收缩部，即入口的具有比第一直径小的第二直径的部分，通过文丘里效应产生压差，其中在具有较小直径的部分的入口中的压力比具有较大直径的部分处的压力低。此外，通过设置连接管道以使其在具有更小直径的部分处连接到入口，产生压差导致从第二催化转换器通过连接管道的流。因此，小的排气流通过第二催化转换器并进一步通过连接管道到达第一催化转换器的入口。文丘里效应的使用提供了产生通过连接管道的流的坚固和可靠的机构，因为没有需要来维护或更换的移动部分。此外，通过改变连接管道和收缩部的尺寸，通过连接管道的流的大小能在设计阶段改变。
在本发明的一个具体实施方式中，连接管道可被设置成与第一催化转换器热接触。为避免当排气通过连接管道时被冷却，所述管道被设置成与第一催化转换器热接触，以使热量可以容易地从第一催化转换器传至连接管道以减少或避免排气的冷却。
根据本发明的一个具体实施方式，排气后处理装置可进一步包括设置在第一催化转换器的入口中的入口阀，所述入口阀在连接管道被连接到入口的位置的上游，所述入口阀被配置成控制第一入口中的压力，藉此控制通过连接管道的排气流，因此，提供了用于控制通过连接管道的排气流的附加设备。所述入口阀能实现在没有入口的收缩部情况下引起通过连接管道的流的压差，但是入口阀也可用于与包括收缩部的入口结合以提供对通过连接管道的流的额外控制。
根据本发明的一个具体实施方式，出口阀可被配置成当第二催化转换器达到预定的操作温度时开启，因此确保了第二催化转换器仅在合适的操作温度使用。同时，连接管道阀被关闭。
在本发明的一个具体实施方式中，出口阀可被配置成通过发动机管理系统(EMS)基于第二催化转换器的期望温度被控制。通过使用现有的发动机管理系统控制出口阀，就不需要附加的传感器或类似物，因此简化了排气后处理装置的实际实施。出口阀因此能使用预测第二催化转换器温度的模型基于已知的发动机执行参数被控制。
根据本发明的一个具体实施方式，出口阀可被配置成基于来自发动机的排气的质量流被控制。来自发动机的质量流通常是发动机管理系统已经知道的参数。此外，第二催化转换器的质量流和温度之间的关系能例如被经验地确定用于特定模型，或其能基于催化转换器的已知性能，和基于连接管道的性能被计算。
根据本发明的一个具体实施方式，出口阀可被配置成基于第二催化转换器的温度被控制，藉此提供了催化转换器的温度和出口阀的位置之间的直接关系。
在本发明的一个具体实施方式中，出口阀可被配置成如果在发动机操作期间第二催化转换器的温度低于预定阈值，则出口阀被关闭。在一些情况下，当发动机正运行时，和已经运行一段时间时，第二催化转换器的温度也可以降低到低于操作温度。这些条件可以例如是如果发动机怠速或运行在低转速和/或低外界温度下。
根据本发明的第二方面，提供了一种控制排气后处理装置的方法，其中排气后处理装置包括：第一催化转换器；与第一催化转换器平行设置的第二催化转换器，第一和第二催化转换器被配置成接收来自发动机的排气；将所述第二催化转换器的出口与所述第一催化转换器的入口流体地连接的连接管道；连接管道阀，配置成控制通过所述连接管道的排气流；和布置在所述第二催化转换器的出口中且位于连接管道的位置的下游的出口阀。所述方法包括通过控制所述出口阀控制通过第二催化转换器的排气流。
根据本发明的一个具体实施方式，所述方法可包括基于第二催化转换器的估算温度控制所述出口阀，其中所述估算温度是基于来自发动机的排气的质量流。在发动机管理系统中的预存模型能因此用于控制所述出口阀以使得当第二催化转换器已经达到其操作温度时第二催化转换器被启用。
除了质量流，第二催化转换器的温度也可以基于例如外界温度、发动机负荷、设置有所述气体后处理装置的车辆的速度、第二催化转换器的面积和第二催化转换器的热传递性能等参数。
本发明的第二方面的进一步效果和特征很大程度上类似于与本发明第一方面相关的已经被描述的上述内容。
当学习了所附的权利要求和下面的说明后，本发明的进一步特征和优势会更加清楚。本领域技术人员意识到本发明的不同特征可以被结合以制造不同于下面描述的这些具体实施方式，这不脱离本发明的范围。
附图说明
本发明的这些和其它方面现在会被更详细地描述，参照显示本发明具体实施方式的附图，其中：
图1a-b示意性地描述了根据本发明的一个实施方式的排气后处理装置；
图2示意性地描述了根据本发明一个实施方式排气后处理装置；和
图3是根据本发明一个实施方式的方法的通常步骤的流程图。
具体实施方式
在本详细说明中，根据本发明的系统和方法的各种实施方式是主要地参照在用于燃烧发动机的排气后处理装置中的两个平行设置的催化转换器(即，双催化转换器)被描述。
图1是用于内燃发动机的排气后处理装置100的示意描述。排气后处理装置100包括第一催化转换器102和与第一催化转换器平行设置的第二催化转换器104。第一和第二催化转化器102，104共用公共入口部分106，用于接收来自内燃发动机的排气歧管的排气流。与燃烧发动机的排气歧管直接相邻布置的催化转化器通常被称为紧耦合催化转化器(close coupled catalytic converter，简称CCC)。公共入口106分叉成两个分开的入口108，110，分别用于第一和第二催化转化器102，104。此外，连接管道112将第二催化转换器104的出口114与第一催化转化器102的入口108流体地连接，藉此允许排气流过连接管道112。连接管道112包括控制通过连接管道的流的连接管道阀113。出口阀116被配置在第二催化转换器104的出口114中，在连接管道112连接至出口114的位置的下游。出口阀116被配置成控制通过第二催化转化器104的排气流。因此，当出口阀114被关闭时，排气流通过第二催化转换器104，通过流动管道并进入第一催化转换器102的入口108并进一步穿过第一催化转化器102。因此，通过开启出口阀116，允许排气流通过第二催化转换器104且进一步通过出口114，第二催化转化器104在被使用之前能被加热到适合的操作温度。此处，来自第二催化转化器104的出口114与来自第一催化转化器的出口118相连以形成来自排气后处理装置100的公共出口120。
连接管道阀113在此作为设置在连接管道112中邻近第二催化转化器104的出口114的独立阀被描述。但是，连接管道阀113原则上可被设置在连接管道112内的能够控制通过连接管道的排气流的任何位置。此外，根据一些具体实施方式，连接管道阀可与出口阀116一体设置以使当出口阀116打开时通过连接管道的流被自动地关闭。连接管道阀113和出口阀116两者的功能也可集成在一个物理阀上。因此可认为当出口阀116开启时，连接管道阀113关闭，反之亦然。
在图1a中，第一和第二催化转化催化转换器102，104被描述为具有相同尺寸。但是，同样地可能两个催化转换器可以具有不同尺寸。例如，第一催化转换器可小于第二催化转换器以使得在发动机启动期间使用具有较小热容量的第一催化转换器以便升温(暖机)，并且一旦达到更大的第二催化转换器的操作温度，则第二催化转换器被启动。催化转换器的构造和尺寸能基于特定应用的需求被调整，其中例如高性能发动机要求较高催化转换器容量和在排气后处理装置上的低压降使之不太倾向于使用小容量催化转换器，而在主要目的是减少排放的应用中，可使用两个尺寸不同的催化转换器而没有太大缺陷。
连接管道112具有的直径比各个催化转换器102，104的直径小以使通过连接管道112的排气流小于通过催化转换器的主体流。此外，连接管道112被设置成当出口阀116被关闭时发生通过连接管道112的最大流。这意味着当出口阀116打开时通过连接管道112的流减少。出口阀116可以是具有全开或全关位置的电动控制开/关阀。但是，出口阀116也可以是可变阀以使通过出口114的流，和因此通过第二催化转换器104的流能被连续和可变地调节。
在图1a描述的排气后处理装置中，所述流通过连接管道112是通过连接管道112的入口122和出口124之间的压差来实现的。压差又是由入口108的收缩部126引起的，这在图1b中进一步详细描述。收缩部126是大致管状的入口108的一部分，该部分的直径比入口108的相邻部分的直径小。收缩部引发文丘里效应，其中在收缩部108中的压力比具有较大直径的相邻部分中的压力低。因为连接管道112的出口124向上开口到出口108的包括收缩部的部分，因此在连接管道的出口124处的压力比在连接管道122的入口处的压力低，藉此产生了压差，压差使得流通过第二催化转换器104并继续通过连接管道112。
通过第二催化转换器104的流的量可以通过控制收缩部126的直径和几何结构被控制。在图1b中，可以看到收缩部的处于向着发动机(即，在连接管道112的位置的上游)的部分与收缩部的靠近催化转换器的部分相比具有更大的曲率，其是用于实现文丘里效应的通常使用的结构。但是，也可能用其它形状，例如规则的凸面收缩。
尽管在图1中描述的排气后处理装置100显示排气流首先通过第二催化转换器104并且进一步通过连接管道112，但也可能具有其中流动方向相反的装置，即从第一催化转换器102的入口108进一步通过连接管道112，并继续通过第二催化转换器104。
此外图1a描述了连接管道112布置成邻近第一热催化转换器102并与之热接触。因此，来自第一催化转换器102的多余的热量能被用于再加热已经流过第二催化转换器104并因此已经被冷却的排气，以防止第一催化转换器102的不必要的冷却。连接管道112可例如与第一催化转换器102的外壳物理接触以便能进行热传递。
在图2中描述了一种可替代构造，其中图1a的收缩部由布置在第一催化转换器102的入口108中的，在连接管道112与入口108相连接的位置的上游的入口阀202替代。入口阀202被配置成控制第一入口108中的压力，藉此控制通过连接管道112的排气流。引起通过连接管道112的压差也可以通过在第一和第二催化转换器之间的尺寸不同或通过在此描述的部件之间的尺寸不同来达到。以与图1a中描述的相同的方式，通过控制在第二催化转换器104的出口114中的阀116来控制通过第二催化转换器104的流。
图3是控制上述排气后处理装置100的方法的一般步骤的流程图。所述方法包括确定302第二催化转换器104的当前温度。通过基于来自发动机的排气流的质量流来估算温度可以确定所述温度，其中来自发动机的总质量流和第二催化转换器104的温度之间的关系是之前已知的。对于发动机不同操作条件下的来自发动机的质量流可以例如通过发动机管理系统(EMS)被监测。EMS可以基于输入参数例如质量流、发动机的负荷、催化转换器的热传递性能和外界温度、速度等计算计算当前温度。也可能通过合适的布置的温度传感器直接地确定第二催化转换器104的温度。
之后，确定的温度与优选的操作温度(例如350℃)相比较304，并且如果确定的温度高于操作温度，则第二催化转换器104的出口阀116被开启306并且连接管道阀113被关闭。如果所测量的温度低于阈值温度，则阀116保持关闭。对于催化转化器可接受的操作温度可以典型地在300到400℃范围内，例如350℃。但是，对于不同类型的催化转换器，操作温度可以是不同的。
在所述方法中，起动点是第二催化转换器104的温度低于其操作温度并且阀116处于关闭，其例如在发动机冷启动期间是优选的。如果第二催化转换器104的温度降低到操作温度以下，也可能关闭所述阀，其例如可以发生在发动机怠速延长的持续时间情况下。
虽然本发明已经参照其具体实施方式被描述，但是许多不同的改变，修正和类似物会变得明显对于本领域技术人员。同时，需要注意的是设备的部分可以被省略，以各种方式被交互或设置，所述设备仍然能够执行本发明的功能。
此外，对于已公开的具体实施方式的变化可以通过本领域技术人员从附图、公开、和附加的权利要求的学习中在实践要求保护的方面中被理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不是排除其它要素或步骤，和不定表达“一”或“一个”不是排除多个。起码的事实是某些方法以相互不同的从属权利要求被引用不会表示这些方法的合并不能被使用于优点。

Claims (14)

1.一种用于内燃发动机的排气后处理装置(100)，包括：
第一催化转换器(102)；
布置成与所述第一催化转换器平行的第二催化转换器(104)，所述第一和第二催化转换器布置成接收来自发动机的排气；
将所述第二催化转换器的出口(114)与所述第一催化转换器的大致管状的入口(108)流体地连接的连接管道(112)，藉此允许排气流过所述连接管道；
连接管道阀(113)，配置成控制通过所述连接管道的排气流；和
布置在所述第二催化转换器的出口中且位于连接管道的位置的下游的出口阀(116)，其中所述出口阀被配置成控制通过所述第二催化转换器的排气流，并且其中，所述第一催化转换器的入口包括作为所述大致管状的入口的一部分的收缩部，所述收缩部的直径比所述入口的相邻部分的直径小以在使用时引发文丘里效应，并且其中，所述连接管道在所述收缩部处连接到所述入口。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述连接管道被配置成使得当所述出口阀关闭时发生最大流量的排气流通过连接管道。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述连接管道布置成与所述第一催化转换器热接触。
4.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括布置在所述第一催化转换器的入口中的入口阀(202)，所述入口阀位于所述连接管道被连接到所述入口的位置的上游，并且所述入口阀被配置成控制第一入口中的压力，藉此控制通过连接管道的排气流。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述出口阀被配置成当所述第二催化转换器达到预定操作温度时打开。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述出口阀被配置成由发动机管理系统基于所述第二催化转换器的预期操作温度被控制。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述出口阀被配置成基于来自发动机的排气的质量流被控制。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述出口阀被配置成基于所述第二催化转换器的温度被控制。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述出口阀被配置成如果在发动机操作期间所述第二催化转换器的温度低于预定阈值则被关闭。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述出口阀是电动控制开/关阀。
11.用于控制排气后处理装置的方法，所述排气后处理装置包括：
第一催化转换器(102)；
布置成与所述第一催化转换器平行的第二催化转换器，所述第一和第二催化转换器布置成接收来自发动机的排气；
将所述第二催化转换器的出口与所述第一催化转换器的大致管状的入口流体地连接的连接管道；
连接管道阀，配置成控制通过所述连接管道的排气流；和
布置在所述第二催化转换器的出口中且位于连接管道的位置的下游的出口阀，其中，所述第一催化转换器的入口包括作为所述大致管状的入口的一部分的收缩部(126)，所述收缩部的直径比所述入口的相邻部分的直径小以在使用时引发文丘里效应，并且其中，所述连接管道在所述收缩部处连接到所述入口，所述方法包括：
通过控制所述出口阀来控制通过所述第二催化转换器的排气流。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：基于所述第二催化转换器的估算温度控制所述出口阀，其中，所述估算温度是基于来自发动机的排气的质量流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述估算温度进一步基于外界温度、发动机负荷、配置有所述排气后处理装置的车辆的速度、第二催化转换器的面积和第二催化转换器的传热性能中的至少一个。
14.根据权利要求11到13中的任一项所述的方法，进一步包括：当所述第二催化转换器的温度达到预定操作温度时，打开所述出口阀和关闭所述连接管道阀。
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