CN110778381B - 催化器、发动机以及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化器、发动机以及车辆，所述催化器包括：催化器载体、第一金属涂层和第二金属涂层，所述催化器载体上形成有依次相连的第一区域和第二区域；所述第一金属涂层的第一金属的总量为G，所述第一区域均匀涂覆有0.6G‑0.8G的所述第一金属，所述第二区域均匀涂覆有0.2G‑0.4G的第一金属；所述第二金属涂层均匀地涂覆在所述第一金属涂层上。由此，一方面使废气分子在第一区域内的活性化需要的能量更小，使废气分子可以更快的进行反应，使催化器更快地起燃；另一方面，可以使第一区域内优先进行碳氢化合物的燃烧反应，第二区域内进行氮氧化合物的还原反应，可以进一步地降低碳氢化合物和氮氧化合物的总量。

Description

催化器、发动机以及车辆

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，尤其是涉及一种催化器、发动机以及车辆。

背景技术

相关技术中，当今普遍采用的排放法规(国六a/b、欧六、SULEV20等)取消了采样前的暖机时间，将冷起动排放也计入采样，其中较为严苛的SULEV20更是规定了碳氢化合物与氮氧化合物总和在整个FTP测试循环过程中不超过20mg/mile，如今的发动机为了满足排放法规的要求，针对排放循环中的碳氢化合物和氮氧化合物排放问题一般通过下述方式实现：

(1)调整ECU控制策略：提高发动机转速；提高发动机扭矩；提高发动机水温；推迟点火提前角；一次喷油或两次喷油。

(2)喷油系统：中置直喷或侧置直喷或进气歧管喷油系统；排气系统：非缸盖集成排气歧管或缸盖集成排气歧管；氧传感器(闭环时间大于15s)；增压器(废气旁通阀最大开启角度小以及热容量高)；催化器布置(催化器轴线与增压器涡轮轴线夹角小)；催化器规格(长度与直径比值小于1.4)及涂层设计(多贵金属单层涂覆)等以上策略或配置使催化器快速起燃来应对。

现有发动机对于满足催化器快速起燃要求仅在固有发动机配置基础上进行相关ECU控制策略的调试，而且在配置设计上也是单一系统考虑。而不是把催化器快速起燃当作一个系统或整体概念来设计开发。无法使催化器达到要求的起燃速度，即很难满足较为严苛的排放法规，例如SULEV20。

现有技术的结果来说，在20秒达成50％的转化率，可勉强满足SULEV30目标(即氮氧化合物与碳氢化合物总和为30mg/mile)。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种催化器、发动机以及车辆。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种催化器包括：催化器载体、第一金属涂层和第二金属涂层，所述催化器载体上形成有依次相连的第一区域和第二区域；所述第一金属涂层的第一金属的总量为G，所述第一区域均匀涂覆有0.6G-0.8G的所述第一金属，所述第二区域均匀涂覆有0.2G-0.4G的第一金属；所述第二金属涂层均匀地涂覆在所述第一金属涂层上。

根据本发明的一些实施例，所述催化器载体的长度为L，所述第一区域的长度范围为：0.3L-0.4L；所述第二区域的长度范围为：0.6L-0.7L。

在一些实施例中，所述第一金属涂层的第一金属包括：Pd；所述第二金属涂层的第二金属包括：Pt、Rh。

进一步地，所述催化器载体的长度为L，所述催化器载体的宽度或者直径为D，1.4≤L/D≤1.6。

相对于现有技术，本发明所述的催化器具有以下优势：

(1)使第一区域内的第一金属的密度更大，从而使废气分子在该区域内的活性化需要的能量更小，使废气分子可以更快的进行反应，使催化器更快地起燃；

(2)使第一区域内优先进行碳氢化合物的燃烧反应，第二区域内进行氮氧化合物的还原反应，可以进一步地降低碳氢化合物和氮氧化合物的总量；

(3)均衡催化器的催化性能以及背压，将催化器载体的长度与直径的比值限定在合理范围内，在提高催化器的催化效率、催化效果的同时，降低了催化器出现背压增加的概率，使催化器的工作稳定性更高，使用寿命更长。

本发明的另一目的在于提出一种发动机，包括：缸体、上述实施例中所述的催化器以及燃油喷射系统，所述燃油喷射系统适于朝向所述缸体内供给燃油，且所述燃油喷射系统为中置直喷式燃油喷射系统。

进一步地，所述发动机还包括缸盖，所述缸盖为双流道缸盖，所述缸盖上集成有排气歧管。

进一步地，所述发动机还包括可快速实现闭环控制的氧传感器和蜗轮增压器，所述氧传感器的闭环时间不大于7s。

进一步地，所述蜗轮增压器设置有废气旁通阀，所述废气旁通阀的最大开度不小于40°。

进一步地，所述蜗轮增压器的蜗轮的轴线与所述催化器的轴线的夹角不小于120°。

本发明的又一目的在于提出一种车辆，

所述车辆具有以下优势：

(1)在控制策略方向上，通过合理的二次喷射选择实现对尾气排放的控制，无需在控制策略方向上提高发动机转速和扭矩，不会出现发动机的噪音及振动大等问题，可以有效地提高客户的使用体验；

(2)使点火提前角可以被大角度地推迟，从而产生更高的排气温度，以使催化器可以快速起燃；

(3)中置直喷式燃油喷射系统的设置，使第二次燃油喷射与延迟后的点火提前角更加契合，使点火时刻与第二次喷射的喷油时间的控制均更加准确；

(4)发动机冷启动时，排气通道以及气缸盖的散热少，减少了残余废气回流，使催化器可以更快地被废气加热；

(5)氧传感器闭环时间短，在氧传感器闭环前产生的碳氢化合物和氮氧化合物排放多，即在催化器起燃前就超出了排放限值；

(6)废气旁通阀最大开启角度大，起动阶段可以使更多的废气通过废气旁通阀排出到催化器，从而使更多的温度更高的废气参与到对催化器的加热过程，使催化器可以更快的被加热，同时可以降低蜗轮内的热量堆积，有效地改善蜗轮的工作环境；

(7)催化器轴线与增压器涡轮轴线夹角更大，可以降低废气经过弯折的壁面而产生的能量损失；

(8)催化器涂层设计为贵金属双层涂覆，根据催化器内部反应，针对性地对贵金属涂层进行设计，转化效率更低；同时催化器规格长度与直径比值合理，流入催化器气体更加均匀，催化性能更高；

(9)对废气中的氮氧化合物以及碳氧化合物的控制更加有效，可以满足更高要求的排放测试并有效地降低日常使用时排放的尾气中的有害化合物。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的催化器的示意图；

图2为本发明实施例所述的催化器的局部示意图；

图3为本发明实施例的发动机的示意图；

图4为催化器起燃、转化率与时间的关系示意图；

图5为碳氧化合物以及氮氧化合物排放总量与时间的关系示意图；

图6为发动机的控制策略的时间轴示意图；

图7为发动机的控制策略的第二次燃油喷射脉宽与循环波动率的关系示意图；

图8为贵金属涂覆密度与碳氢化合物转化率关系的示意图；

图9为发动机的控制策略的流程示意图。

附图标记说明：

1000-发动机，

100-催化器，200-燃油喷射系统，300-缸盖，400-氧传感器，500-涡轮增压器，600-废气旁通阀，

110-催化器载体，111-第一区域，112-第二区域，120-第一金属涂层，130-第二金属涂层；

L-催化器的长度，D-催化器的宽度或直径；

a-进气上止点(TDC)，b-进气行程(suction)，c-进气下止点(BDC)，d-压缩行程(compression)，e-第一次燃油喷射，f-第二次燃油喷射，g-点火时刻。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的一种催化器100包括：催化器载体110、第一金属涂层120和第二金属涂层130，催化器载体110上形成有依次相连的第一区域111和第二区域112；第一金属涂层120的第一金属的总量为G，第一区域111均匀涂覆有0.6G-0.8G的第一金属，第二区域112均匀涂覆有0.2G-0.4G的第一金属；第二金属涂层130均匀地涂覆在第一金属涂层120上。

具体而言，催化器载体110上涂覆有两层贵金属以作为对废气内的碳氢化合物以及氮氧化合物进行催化的催化剂，且将催化器载体110划分成第一区域111和第二区域112，进而在第一区域111上涂覆0.6-0.8G的第一金属，对应的在第二区域112上涂覆0.2G-0.4G的第一金属，并在第一金属涂层120上方再涂覆第二金属涂层130，以使第一区域111上的第一金属的密度大于第二区域112上的第一金属的密度。

根据本发明实施例的催化器100，通过使第一区域111上的第一金属的密度大于第二区域112上的第一金属的密度，一方面使废气分子在第一区域111内的活性化需要的能量更小，使废气分子可以更快的进行反应，使催化器100更快地起燃；另一方面，可以使第一区域111内优先进行碳氢化合物的燃烧反应，第二区域112内进行氮氧化合物的还原反应，可以进一步地降低碳氢化合物和氮氧化合物的总量。

在图2所示的具体的实施例中，催化器载体110的长度为L，第一区域111的长度范围为：0.3L-0.4L；第二区域112的长度范围为：0.6L-0.7L，第一金属涂层120的第一金属包括：Pd；第二金属涂层130的第二金属包括：Pt、Rh。

具体而言，本实施例的催化器100采用两层分区涂覆，第二金属涂层130为Pt(铂)与Rh(铑)混合的金属涂层，第一金属涂层120为Pd(钯)金属涂层，且第二金属涂层130为分区涂覆，第一区域111(占催化器载体110总长度L的30％-40％)，涂覆Pd金属总量的60％-80％，第二区域112(占催化器载体110总长度的60％-70％)，涂覆Pd金属总量的20％-40％。

参见图8所示，由图知，碳氢化合物的转化率最高时，对应的第一区域111的Pd金属的涂覆比例60％-80％，第二区域112的Pd金属的涂覆比例对应为20％-40％(例如，总涂覆量为10g，第一区域111涂覆按比例应为6-8g，第二区域112涂覆按比例应为2-4g)。

由此，使第一区域111的长度以及Pd金属涂覆总量、第二区域112的长度以及Pd金属涂覆总量均符合使用要求，从而可以获得最优地碳氢化合物转化率，以有效地降低尾气中的碳氢化合物的含量。

在图1所示的具体的实施例中，催化器载体110的长度为L，催化器载体110的宽度或者直径为D，1.4≤L/D≤1.6。

可以理解的是，在催化器100的总体积不变的前提下，催化器载体110的长度与直径的比值越小，废气流经催化器100的流速越快，且由于催化器100的直径的降低，使废气流动的均匀性下降，整个催化器100的平均温度可以得到显著的提升，催化性能可以进一步地被提高，但是，催化器载体110的长度与直径的比值越小，背压增加的概率也就越大。

由此，本实施例的催化器100为了均衡催化性能与背压，将催化器载体110的长度与直径的比值限定在上述范围内，在提高催化器100的催化效率、催化效果的同时，降低了催化器100出现背压增加的概率，使催化器100的工作稳定性更高，使用寿命更长。

本发明的另一目的在于提出一种发动机1000，包括：缸体、上述实施例中的催化器100以及燃油喷射系统200，燃油喷射系统200适于朝向缸体内供给燃油，且燃油喷射系统200为中置直喷式燃油喷射系统200。

具体而言，中置直喷属于喷油引导概念，相比侧置直喷或歧管喷射的壁面引导和空气引导概念，对于燃油的喷射控制更加精确，尤其是对较小的的喷油脉宽(喷油时间较短)与点火时刻的耦合控制更为精确，可以很使本实施例的第二次燃油喷射的精度更高，从而在实现循环波动率边界最大化，以最大限度的推迟点火提前角的同时，可以保证发动机1000内的燃油的燃烧稳定性，有效地防止发动机1000失火或者爆震。

进一步地，发动机1000还包括缸盖300，缸盖300为双流道缸盖300，缸盖300上集成有排气歧管。

具体而言，缸盖300上集成有排气歧管，且为双流到结构，(例如，发动机1000为四缸发动机1000，则发动机1000的1缸与4缸形成为一个流道，2缸与3缸形成为一个流道)。

这样，一方面，可以有效地消除排气干扰，减少残余废气回流到发动机1000的燃烧室，使更多的废气排入到催化器100内；另一方面，双流道使本实施例的发动机1000具有更大的排气凸轮持续期(200°CA-260°CA)，从而使排气更加彻底、顺畅且多个气缸之间不会干扰，同时集成在缸盖300上的排气歧管可以减少排气通道的表面积，从而减少废气排出过程中的热损失，以使冷启动过程中，废气的热能可以更多地传递给催化器100，以提高催化器100的起燃速度。

进一步地，发动机1000还包括可快速实现闭环控制的氧传感器400和涡轮增压器500，氧传感器400的闭环时间不大于7s。其中，氧传感器400闭环控制的时间越短，发动机1000可以越早的实现当量比控制，从而可以有效地降低排放值。

进一步地，涡轮增压器500设置有废气旁通阀600，废气旁通阀600的最大开度不小于40°。这样，使废气旁通阀600的开启角度更大，从而使通过废气旁通阀600导流到催化器100的废气更多，从而使废气可以更快地、更加充分地对催化器100进行加热，以有效地提高催化器100的起燃速度。

需要说明的是，废气旁通阀600的开度越大，经过蜗轮的废气越少，蜗轮以及蜗轮周围的部件吸收的热量也就越少，使更多的废气流经废气旁通阀600进入到催化器100内，以提高催化器100的温升。

此外，增压器为低热容量概念设计的增压器(即增压器的蜗轮的壳体的比热容较低)，使增压器的蜗轮的壳体在吸收更少的热量的同时，可以将更多的热量传递给催化器100。

如图3所示，涡轮增压器500的蜗轮的轴线与催化器100的轴线的夹角不小于120°。

其中，催化器100的轴线与涡轮增压器500的蜗轮的轴线的夹角对催化器100的温升具有较大的影响，如果两者之间的夹角过小(例如：成锐角)，会导致大量的废气急剧在排气通道的弯折区域，进而造成较大的热量损失，进而，使本实施例的催化器100的轴线与涡轮增压器的蜗轮的轴线的夹角更加合理，从而可以进一步地降低废气在进入到催化器100前的热量流失。

根据本发明第三方面实施例的车辆，采用上述实施例中的发动机1000.

根据本发明实施例的车辆，催化器100可以快速起燃，可以有效地降低车辆的排放，而且通过上述结构改进，可以进一步地提高催化器100的起燃速度、降低发动机1000油耗，从而可以有效地提高车辆的燃油经济性，并使车辆满足SULEV20排放法规的要求。

下面，参照附图，对本发明实施例的发动机1000的控制策略进行详细地说明。

如图6所示，本发明发动机1000的的控制策略，控制策略适用于上述实施例中的发动机1000，至少包括以下步骤：

S1：燃油喷射系统200进行第一次燃油喷射；

S2：燃油喷射系统200进行第二次燃油喷射。

也就是说，本实施例的发动机1000采用两次喷射的控制策略进行燃油供给，进而上述的燃油喷射系统200、缸盖300的结构、催化器100、氧传感器400、增压器以及废气旁通阀600均适用于二次喷射策略的发动机1000使用，使第一次燃油喷射、第二次燃油喷射的喷射效果、喷油量以及发动机1000的点火时间均更加合理，从而可以进一步地提高发动机1000的工作稳定性，并降低碳氧化合物以及氮氧化合物的排放。

进一步地，第一次燃油喷射的判定条件为：在发动机1000处于进气行程，且发动机1000的曲轴转角为260°CA-280°CA时进行喷射。

具体而言，260°CA-280°CA范围是指：第一次燃油喷射在进气行程的260°CA-280°CA(即曲轴转角)范围内可以使燃油与空气混合更加均匀，进行当量比燃烧，同时260°CA-280°CA范围这个角度范围，在催化器100处于起燃工况时发动机1000的转速比较低，燃油和空气可以通过较长的时间进行混合。

因此选择在进气行程的中间段(参见图6)进行第一次燃油喷射，可以使燃油和空气充分地混合。

同时在曲轴转角处于上述角度范围时进行第一次燃油喷射，使燃油喷雾产生的湍流可以缓慢衰减，从而保证第一次燃油喷射过早或者过晚时，燃油与空气均可以充分地混合(即防止湍流在压缩冲程前端就开始衰减、喷射过晚导致油气混合不充分)。

此外，还可以使燃油喷雾所导致的燃烧室内壁的湿壁现象，溅射到燃烧室内壁的燃油可以更快地蒸发，以确保最低的废气排放和机油稀释，即在使催化器100可以快速起燃同时，降低本实施例的控制策略对发动机1000造成其他的负面影响。

如图6和图9所示，第二次燃油喷射的判定条件为：在发动机1000完成压缩行程，且在发动机1000未进行点火前进行喷射。也就是说，第二次燃油喷射具有喷射完成时刻t1，发动机1000点火具有点火时刻t2，t1≤t2。

这样，第二次燃油喷射的喷油时刻充分考虑了初始火焰的产生发生在第二次燃油喷射之后，使发动机1000的火花塞周围区域的油气浓度更加合理。

参考图7，将本实施例的控制策略的，第二次燃油喷射的脉宽设定为0.25ms-0.30ms。这样，第二次燃油喷射的脉宽更加合理，使循环波动率COV％达到最低值，以使油气的燃烧更加稳定。

例如，以发动机1000处于催化器100起燃工况时的转速为1200rpm为例进行计算，每毫秒对应的曲轴转角为72°CA，第二次燃油喷射的脉宽为0.25～0.3ms对应的曲轴转角为18°CA-21.6°CA。这样，为了曲轴转角不与点火提前角重叠，第二次燃油喷射的喷射完成时刻至少应提前点火时刻18°CA-21.6°CA。同时考虑到曲轴转角误差约3°CA，所以第二次燃油喷射开始时刻应为21°CA-24.6°CA范围。由此，使第二次燃油喷射后，发动机1000内的油气燃烧更加充分。

进一步地，发动机1000为延时点火，点火时刻为延时后的点火时间，点火时刻对应的点火提前角的角度被推迟的角度范围为：-25°CA--40°CA。

可以理解的是，点火正时的延迟能有效促进燃烧并降低碳氢化合物的排放，因此，在发动机1000处于催化器100起燃工况下，控制点火提前角靠后-25°CA--40°CA范围，使第一次燃油喷射的喷雾在气缸中产生的湍流，湍流在压缩冲程中逐渐变弱，并使曲轴转角处于相应向后推迟-25°CA--40°CA时，湍流充分地衰减，从而使第一次燃油喷射可以加剧燃烧室内的火焰扩散速度。

进而使循环波动率保持稳定，使燃烧更加稳定，防止发动机1000失火。

也就是说，为了防止第二次燃油喷射对驾驶性能造成影响，使第二次燃油喷射与点火时刻耦合，从而可以改善或增强由第一次燃油喷射所产生的湍流，促进火焰传播、扩散的速度，从而提高燃烧稳定性。

综上，本实施例的发动机1000采用上述发动机1000的控制策略，具有以下优势：

(1)在控制策略方向上，通过合理的二次喷射选择实现对尾气排放的控制，无需在控制策略方向上提高发动机1000转速和扭矩，不会出现发动机1000的噪音及振动大等问题，可以有效地提高客户的使用体验；

(2)使点火提前角可以被大角度地推迟，从而产生更高的排气温度，以使催化器100可以快速起燃；

(3)中置直喷式燃油喷射系统200的设置，使第二次燃油喷射与延迟后的点火提前角更加契合，使点火时刻与第二次喷射的喷油时间的控制均更加准确；

(4)发动机1000冷启动时，排气通道以及气缸盖300的散热少，减少了残余废气回流，使催化器100可以更快地被废气加热；

(5)氧传感器400闭环时间短，在氧传感器400闭环前产生的碳氢化合物和氮氧化合物排放多，即在催化器100起燃前就超出了排放限值；

(6)废气旁通阀600最大开启角度大，起动阶段可以使更多的废气通过废气旁通阀600排出到催化器100，从而使更多的温度更高的废气参与到对催化器100的加热过程，使催化器100可以更快的被加热，同时可以降低蜗轮内的热量堆积，有效地改善蜗轮的工作环境；

(7)催化器100轴线与增压器涡轮轴线夹角更大，可以降低废气经过弯折的壁面而产生的能量损失；

(8)催化器100涂层设计为贵金属双层涂覆，根据催化器100内部反应，针对性地对贵金属涂层进行设计，转化效率更低；同时催化器100规格长度与直径比值合理，流入催化器100气体更加均匀，催化性能更高；

(9)对废气中的氮氧化合物以及碳氧化合物的控制更加有效，可以满足更高要求的排放测试并有效地降低日常使用时排放的尾气中的有害化合物。

如图1和图2所示，在采用本实施例的发动机1000，应用本实施例的控制策略以及催化器100的实施例中。

首先，在控制策略方面：合理的控制发动机1000的点火时刻、喷油时刻以及喷油次数方面，同时在发动机1000的硬件方面，选用中置直喷的燃油喷射系统200、采用双流道缸盖300，且在缸盖300上集成排气歧管、选取可以实现快速闭环的氧传感器400、具有不小于40°开度的废气旁通阀600以及低热容量增压器，并合理的设置催化器100与蜗轮的角度。

最终由上述控制策略和硬件配置组成一个催化器100快速起燃系统，并实现催化器100的快速起燃。

由此，参见图1，在发动机1000起动后的13.3秒即可使催化器100起燃温度达到350℃，使催化器100的转化效率达到80％，参见图2，碳氢化合物和氮氧化合物的排放值在21.8秒之前均未超过的20mg/mile。

也就是说，在SULEV20的测试标准中，FTP循环前20秒为怠速，而本实施例的发动机1000在整个怠速过程中碳氢化合物以及氮氧化合物的排放均满足该标准，符合SULEV20排放法规的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种发动机(1000)，其特征在于，包括：

缸体；

催化器(100)，所述催化器(100)，包括：

催化器载体110，所述催化器载体110上形成有依次相连的第一区域(111)和第二区域(112)；以及

第一金属涂层(120)，所述第一金属涂层(120)的第一金属的总量为G，所述第一区域(111)均匀涂覆有0.6G-0.8G的所述第一金属，所述第二区域(112)均匀涂覆有0.2G-0.4G的第一金属；

第二金属涂层(130)，所述第二金属涂层(130)均匀地涂覆在所述第一金属涂层(120)上；

所述催化器载体110的长度为L，所述催化器载体110的宽度或者直径为D，1.4≤L/D≤1.6；

所述第一区域(111)的长度范围为：0.3L-0.4L；所述第二区域(112)的长度范围为：0.6L-0.7L；

所述第一金属涂层(120)的第一金属包括：Pd；所述第二金属涂层(130)的第二金属包括：Pt、Rh；

燃油喷射系统(200)，所述燃油喷射系统(200)适于朝向所述缸体内供给燃油，且所述燃油喷射系统(200)为中置直喷式燃油喷射系统(200)；

缸盖(300)，所述缸盖(300)为双流道缸盖(300)，所述缸盖(300)上集成有排气歧管。

2.根据权利要求1所述的发动机(1000)，其特征在于，还包括可快速实现闭环控制的氧传感器(400)和蜗轮增压器(500)，所述氧传感器(400)的闭环时间不大于7s。

3.根据权利要求2所述的发动机(1000)，其特征在于，所述蜗轮增压器(500)设置有废气旁通阀(600)，所述废气旁通阀(600)的最大开度不小于40°。

4.根据权利要求3所述的发动机(1000)，其特征在于，所述蜗轮增压器(500)的蜗轮的轴线与所述催化器(100)的轴线的夹角不小于120°。

5.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的发动机(1000)。

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