CN109404098A - 一种横置后排增压发动机twc及gpf紧耦合热端催化器及排气系统 - Google Patents

一种横置后排增压发动机twc及gpf紧耦合热端催化器及排气系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种横置后排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器及排气系统，其包括依次相互连接的TWC壳体3、TWC‑GPF管6和GPF壳体8，TWC壳体3内设置有TWC5，GPF壳体8内设置有GPF6，TWC壳体3上设置有进气锥2，GPF壳体8上设置有出气锥11，进气锥2的进气口连接有进气法兰1，进气锥2的出气口与TWC壳体3连接，其特征在于：进气法兰1的中心轴线与TWC壳体3的中心轴线之间的夹角为α，0°＜α＜90°，TWC壳体3的中心轴线与GPF壳体8的中心轴线之间的夹角为β，0°＜β＜90°。本发明的优点是TWC横置后废气可通过很短的进气锥，均匀流入TWC，可实现快速起燃，压损低。

Description

一种横置后排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器及排气 系统
技术领域
本发明属于发动机排气系统技术领域，尤其涉及一种横置后排增压发动机TWC(三元催化剂)及GPF(颗粒捕集器)紧耦合热端催化器，其可满足TWC和GPF同时紧耦合封装在发动机热端的设计要求。
背景技术
汽车上排气系统含发动机排气系统和底盘下两部分，其中发动机排气系统简称热端，底盘下排气系统简称冷端。为满足国6b排放法规要求，排气系统封装GPF成为主流技术路线。
GPF紧耦合布置在冷端催化器内，其结构包括中国专利CN201410279402、CN201520565449和CN201710002740所示，该冷端催化器在整车上的环境件包含转向机、中通道钣金等，受限制零部件较少，布置容易，成为了主机厂首先考虑的布置方案。但其上压差硬管基本为水平状态，存在较大的寒区结冰等风险；同时，GPF布置在冷端，也存在再生控制等问题。因此，主机厂也开始研究GPF布置在热端的可行性。
GPF紧耦合布置在热端催化器内，其一般安装于发动机和整车前围之间，但整车上的环境件包含前围、传动轴、转向机、ESC等，涵盖零部件较多，而热端催化器布置间隙要求较大且需满足发动机合装、温度场等方面需求，故其由于布置困难的问题而在汽油机上鲜有应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是通过设计合理的热端催化器结构，实现TWC和GPF同时封装的需求，满足排放、性能(流场)、可靠性、NVH、温度场等方面要求。
本发明所提供的技术方案是一种横置后排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，包含TWC、GPF、及必要的封装结构(TWC衬垫、TWC壳体、GPF衬垫、GPF壳体等)、连接结构(进气法兰、进气锥、TWC-GPF管、TWC-GPF锥、出气锥、出气法兰等)、附属结构(前氧传感器座、后氧传感器座、前压差传感器座、后压差传感器座、温度传感器座、前压差硬管、前压差软管、后压差硬管、后压差软管、TWC全包裹隔热罩、GPF全包裹隔热罩等)。其中，TWC采用横向布置，其轴线与水平面夹角α为0°～90°，GPF倾斜布置，TWC和GPF轴线夹角β为0°～90°。
本发明公开了一种用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其包括依次相互连接的TWC壳体3、TWC-GPF管6和GPF壳体8，所述TWC壳体3内设置有TWC5，所述GPF壳体8内设置有GPF6，所述TWC壳体3上设置有进气锥2，所述GPF壳体8上设置有出气锥11，所述进气锥2的进气口连接有进气法兰1，所述进气锥2的出气口与TWC壳体3连接，其特征在于：所述进气法兰1的中心轴线与所述TWC壳体3的中心轴线之间的夹角为α，0°＜α＜90°，所述TWC壳体3的中心轴线与所述GPF壳体8的中心轴线之间的夹角为β，0°＜β＜90°。
进一步，所示TWC5体积约0.7～0.9L，所示GPF6体积约0.9-1.1L。
进一步，所述进气锥2的进气口的中心与所述进气锥2的出气口的中心之间的间距为L，L＜50mm。
进一步，所述GPF壳体8上用于连接TWC-GPF管6的一端设置有TWC-GPF锥7。
进一步，所述TWC-GPF管6和所述TWC-GPF锥7上均设置有三明治隔热罩24。
进一步，所述TWC壳体3和所述GPF壳体8上均设置有全包裹隔热罩。
进一步，所述TWC-GPF管6上设置有TWC-GPF支架25。
进一步，所述TWC-GPF支架25的横截面形状为U形，所述TWC-GPF支架25的中部设置有安装孔。
进一步，所述出气锥11上设置有出气法兰12和出气锥支架26。
进一步，所述出气锥支架26的中心轴线与所述进气法兰1的中心轴线垂直，所述出气锥支架26的中心轴线与所述出气法兰12的中心之间的间距为M，M＜20mm。
进一步，所述进气法兰1上设置有卡箍。
进一步，所述进气锥2上设置有前氧传感器座13，所述TWC壳体3上设置有后氧传感器座14。
进一步，所述TWC-GPF锥7上设置有前压差传感器座15，所述出气锥11上设置有后压差传感器座16。
进一步，所述前压差传感器座15连接有前压差硬管18，所述后压差传感器座16上连接有后压差硬管20。
进一步，所述前压差硬管18与水平面的夹角大于30°，所述后压差硬管20与水平面的夹角大于30°。
进一步，所述前压差硬管18通过前压差软管19与发动机缸体连接，所述后压差硬管20通过后压差软管21与发动机缸体连接。
进一步，所述TWC-GPF锥7上设置有温度传感器座17。
进一步，进气锥、TWC-GPF管、TWC-GPF锥光滑过渡。TWC及GPF封装壳体外采用全包裹隔热罩，TWC和GPF之间管路采用三明治隔热罩。在TWC-GPF管、出气锥上焊接过渡支架用于热端催化器固定。前压差硬管、前压差软管、后压差硬管、后压差软管布置在热端催化器和缸体之间。
本发明还公开了一种横置后排增压发动机排气系统，包括设置于整车前围的横置后排增压发动机，所述发动机的出口端连接有前述的TWC及GPF紧耦合热端催化器，所述热端催化器的进气法兰连接增压器，所述热端催化器的出气法兰连接冷端的排气系统。
本发明的横置后排增压发动机是指指发动机曲轴轴线方向和整车Y向一致，且发动机的排气系统布置在前围一侧。
采用本发明所提供的技术方案，其优点在于，TWC横向布置使得涡轮增压器涡壳出口气流通过很短的进气锥后，均匀流入TWC，可实现快速起燃，且压损低。TWC横置后，热端催化器和涡轮增压器之间采用卡箍连接方式替代传统螺栓连接方式，对布置有利，装配简化。TWC及GPF封装壳体外采用全包裹隔热罩可同时兼顾NVH和隔热性能。通过在TWC-GPF管、出气锥两个位置设计支架，实现对整个热端催化器中部和尾部的有效固定，以满足可靠性要求。前压差硬管、前压差软管、后压差硬管、后压差软管布置在热端催化器和缸体之间，避免了发动机三向尺寸增加。前压差硬管、后压差硬管和水平面角度大于30°，可有效避免寒区结冰等不良，而冷端布置时，压差硬管、压差软管的倾斜角度无法进一步增大。
附图说明
图1是本发明提供的热端催化器主视图(不含隔热罩)；
图2是本发明提供的热端催化器侧视图(不含隔热罩)；
图3是本发明提供的热端催化器侧视图(含隔热罩)；
图4是本发明提供的热端催化器主视图(含隔热罩)；
图5是TWC及GPF处剖视图；
图6是进气法兰主视图
图7是进气法兰侧视图；
图8是进气法兰装配卡箍的示意图；
图9是现有技术中进气锥螺栓连接结构示意图。
图10是一种横置后排增压发动机排气系统的结构示意图(A-本发明，B-横置后排增压发动机)；
图11是现有技术中1块TWC的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的说明
如图1～5所示，本发明所提供的技术方案是一种横置后排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，包括TWC5、GPF10、及必要的封装结构(TWC衬垫4、TWC壳体3、GPF衬垫9、GPF壳体8等)、连接结构(进气法兰1、进气锥2、TWC-GPF管6、TWC-GPF锥7、出气锥11、出气法兰12等)、附属结构(前氧传感器座13、后氧传感器座14、前压差传感器座15、后压差传感器座16、温度传感器座17、前压差硬管18、前压差软管19、后压差硬管20、后压差软管21、TWC全包裹隔热罩22、GPF全包裹隔热罩23、TWC-GPF三明治隔热罩24、TWC-GPF支架25、出气锥支架26等)。
如图1-2所示，TWC5水平布置，其轴线与水平面夹角α为0°～90°。进气法兰1和TWC壳体3之间通过进气锥2将废气引入TWC5，进气锥2两端中心距离小于50mm。其作用在于对TWC的快速起燃有利，且压损低。
如图1-2所示，GPF10倾斜布置，TWC和GPF两者轴线夹角β为0°～90°。
如图1-2所示，前压差硬管18、前压差软管19、后压差硬管20、后压差软管21布置在热端催化器和缸体之间。采用此设计，避免了发动机三向尺寸增加。前压差硬管18、后压差硬管20各段和水平面的夹角大于30°以上，可有效避免压差管寒区结冰不良。
如图3-4所示，TWC壳体3和GPF壳体8处均采用全包裹隔热罩22、23；TWC-GPF管6、TWC-GPF锥7处采用三明治隔热罩24。其原因在于TWC-GPF管6、TWC-GPF锥7温度更高，且该处隔热罩上需要设计必要缺口，因此选用常见的三明治隔热罩，防止隔热棉泄漏等不良；TWC壳体3和GPF壳体8处温度相对较低，采用全包裹隔热罩可改善NVH效果。
如图3-4所示，TWC-GPF支架25位置位于热端催化器质心外侧，出气锥支架26接近热端催化器末端，距出气法兰12距离小于20mm。通过TWC-GPF支架25、出气锥支架26两处实现热端催化器支架的可靠固定。
如图8、图9所示，进气法兰采用卡箍连接后只需拧紧一颗螺栓，相比传统螺栓连接需要拧紧3颗螺栓而言，卡箍连接装配上更加简单，生产效率提高。
作为对本发明的进一步改进，热端催化器上可不集成前压差硬管18、前压差软管19、后压差硬管20、后压差软管21、TWC-GPF三明治隔热罩24等附属结构，该部分附属结构可单独设计、装配等。
如图11所示，是现有技术中后排增压发动机排气系统示意图，其TWC倾斜布置，只实现了1块TWC的封装，且TWC的体积较小，仅0.7L。为应对排放升级，搭载该排气系统的发动机往往只能在底盘排气系统上增加TWC和GPF，而GPF布置在冷端，不可避免的会出现寒区压差管结冰等风险。从布置空间上看，该排气系统右上角管路较长(圆圈部分)，占据空间较大，该区域未得到有效利用。因此，尝试在该区域横向布置TWC，原TWC位置用于布置GPF。采用本发明，封装的TWC和GPF体积达到了1.6～2L，达到了原来的2.5倍以上。

Claims (17)

1.一种用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，包括依次相互连接的TWC壳体(3)、TWC-GPF管(6)和GPF壳体(8)，所述TWC壳体(3)内设置有TWC(5)，所述GPF壳体(8)内设置有GPF(6)，所述TWC壳体(3)上设置有进气锥(2)，所述GPF壳体(8)上设置有出气锥(11)，所述进气锥(2)的进气口连接有进气法兰(1)，所述进气锥(2)的出气口与TWC壳体(3)连接，其特征在于：所述进气法兰(1)的中心轴线与所述TWC壳体(3)的中心轴线之间的夹角为α，0°＜α＜90°，所述TWC壳体(3)的中心轴线与所述GPF壳体(8)的中心轴线之间的夹角为β，0°＜β＜90°。
2.根据权利要求1所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述进气锥(2)的进气口的中心与所述进气锥(2)的出气口的中心之间的间距为L，L＜50mm。
3.根据权利要求1所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述GPF壳体(8)上用于连接TWC-GPF管(6)的一端设置有TWC-GPF锥(7)。
4.根据权利要求3所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述TWC-GPF管(6)和所述TWC-GPF锥(7)上均设置有三明治隔热罩(24)。
5.根据权利要求1所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述TWC壳体(3)和所述GPF壳体(8)上均设置有全包裹隔热罩。
6.根据权利要求1所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述TWC-GPF管(6)上设置有TWC-GPF支架(25)。
7.根据权利要求6所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述TWC-GPF支架(25)的横截面形状为U形，所述TWC-GPF支架(25)的中部设置有安装孔。
8.根据权利要求1所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述出气锥(11)上设置有出气法兰(12)和出气锥支架(26)。
9.根据权利要求8所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述出气锥支架(26)的中心轴线与所述进气法兰(1)的中心轴线垂直，所述出气锥支架(26)的中心轴线与所述出气法兰(12)的中心之间的间距为M，M＜20mm。
10.根据权利要求1所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述进气法兰(1)上设置有卡箍。
11.根据权利要求1所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述进气锥(2)上设置有前氧传感器座(13)，所述TWC壳体(3)上设置有后氧传感器座(14)。
12.根据权利要求3所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述TWC-GPF锥(7)上设置有前压差传感器座(15)，所述出气锥(11)上设置有后压差传感器座(16)。
13.根据权利要求12所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述前压差传感器座(15)连接有前压差硬管(18)，所述后压差传感器座(16)上连接有后压差硬管(20)。
14.根据权利要求13所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述前压差硬管(18)与水平面的夹角大于30°，所述后压差硬管(20)与水平面的夹角大于30°。
15.根据权利要求13所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述前压差硬管(18)通过前压差软管(19)与发动机缸体连接，所述后压差硬管(20)通过后压差软管(21)与发动机缸体连接。
16.根据权利要求1所述的用于横置后排增压发动机的TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于：所述TWC-GPF锥(7)上设置有温度传感器座(17)。
17.一种横置后排气增压发动机排气系统，包括设置于整车前围的横置后排气增压发动机，其特征在于：所述发动机的出口端连接有如权利要求1-16任意一项权利要求所述的TWC及GPF紧耦合热端催化器，所述热端催化器的进气法兰(1)连接增压器，所述热端催化器的出气法兰(12)连接冷端的排气系统。
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