CN111577424B - 一种排气颗粒捕集器及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种排气颗粒捕集器及车辆，属于机动车辆排气领域。所述排气颗粒捕集器包括过滤通道，过滤通道包括平行相邻的多个流道，相邻的流道之间通过多孔过滤壁相隔，流道包括第一流道和第二流道，第一流道的进口和出口择一敞开，相邻的第一流道的进口不同时敞开，第二流道的进口和出口均敞开。所述车辆包括上述排气颗粒捕集器。将进口和出口都导通的第二流道作为排气的快速流通通道，对流经第二流道的排气过滤程度较小，从而使得整体排气的过滤程度减小，防止对颗粒物的过度捕集过滤，减缓碳颗粒及灰分在多孔过滤壁上的积累速度，避免排气背压的快速升高，减少再生频率，最终减少发动机的扭矩输出损失。

Description

一种排气颗粒捕集器及车辆

技术领域

本发明涉及机动车辆排放领域，尤其涉及一种排气颗粒捕集器及车辆。

背景技术

随着排放法规加严，很多汽油机需要排气颗粒捕集器(Gasoline ParticulateFilter,GPF)来捕集排放气流中的碳颗粒，以满足排放法规。如图1所示，现有排气颗粒捕集器为壁流式，包括多个并行的流道1’，相邻的流道1’之间由多孔透气的薄壁陶瓷相隔，当一个流道1’的进口封闭时，出口是敞开的，而且其相邻的流道1’的进口敞开，出口封闭，这样的结构就导致排气从进口敞开的流道1’中进入后必须通过多孔透气的薄壁陶瓷进入出口敞开的相邻流道1’排出，排气中的颗粒物附着在薄壁陶瓷的壁面上，达到了颗粒物捕集的目的。

排气中的颗粒物主要为碳颗粒和灰分。碳颗粒来源于未经充分燃烧的汽油，灰分来源于机油。碳颗粒可以通过增加排气温度等方式被处理掉。随着汽车行驶里程增加，碳颗粒沉积增多，需要定期采取GPF再生措施，燃烧附着的积碳，燃烧温度一般须达550℃以上，车辆不得不推迟点火，甚至提高转速，负荷增大，用户使用极其不便。而灰分为不可燃烧颗粒，不能被经过高温消除，将会永久存在于颗粒捕集器中，堵塞一部分壁面过滤孔。目前排气颗粒捕集器存在的问题是随行车里程增加，过滤孔堵塞、排气背压上升，需要频繁再生，降低发动机的扭矩输出及燃料经济性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种排气颗粒捕集器，满足排放法规的前提下，降低排气中的碳颗粒及灰分在排气颗粒捕集器内的沉积速度，防止排气背压急剧升高，减少再生频率。

本发明的目的还在于提供一种车辆，发动机的输出扭矩高，整车性能良好。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

一种排气颗粒捕集器，包括过滤通道，所述过滤通道包括平行相邻的多个流道，相邻的所述流道之间通过多孔过滤壁相隔，所述流道包括第一流道和第二流道，所述第一流道的进口和出口择一敞开，相邻的所述第一流道的进口不同时敞开，所述第二流道的进口和出口均敞开。

作为排气颗粒捕集器的一种优选方案，多个所述流道均匀分布于所述过滤通道内，且所述第二流道均匀地间隔分布于所述过滤通道内。

作为排气颗粒捕集器的一种优选方案，多个所述流道在所述过滤通道内均匀分布，所述第二流道呈规律地分布于所述过滤通道内。

作为排气颗粒捕集器的一种优选方案，所述过滤通道包括强气流冲击区域和弱气流冲击区域，所述第二流道分布于所述弱气流冲击区域。

作为排气颗粒捕集器的一种优选方案，对于所述第二流道，出口的截面积占进口的截面积的百分比为a，0％<a≤100％。

作为排气颗粒捕集器的一种优选方案，所述多孔过滤壁上开设有过滤孔和供排气直接通过的缺口。

作为排气颗粒捕集器的一种优选方案，所述多孔过滤壁上开设有过滤孔，所述过滤孔分为第一过滤孔和第二过滤孔，所述第二过滤孔的尺寸大于所述第一过滤孔的尺寸。

作为排气颗粒捕集器的一种优选方案，所述多孔过滤壁上设置有三元催化剂层。

作为排气颗粒捕集器的一种优选方案，所述多孔过滤壁的材质为针状莫来石。

一种车辆，包括如上所述的排气颗粒捕集器。

本发明的有益效果为：

本发明提供的排气颗粒捕集器及包含其的车辆中，流道分为第一流道和第二流道，排气可进入进口敞开的第一流道和/或第二流道。排气进入进口敞开的第一流道后，经第一流道的多孔过滤壁进入相邻的第一流道和/或第二流道，排气中的颗粒物被过滤并留在第一流道的多孔过滤壁上，被过滤后的排气经由出口敞开的第一流道和/或第二流道排出。第二流道的进出口均敞开，对于直接由第二流道的进口进入第二流道的排气，大部分排气由第二流道的出口直接排出，少部分排气由第二流道的多孔过滤壁进入相邻的第一流道和/或第二流道，该少部分排气中的颗粒物被过滤并留在第二流道的多孔过滤壁上，被过滤的该少部分排气由出口敞开的第一流道和/或第二流道排出。因此，对进入进口导通的第一流道的排气的过滤程度相对较大，而对直接进入第二流道的排气的过滤程度相对较小。

将进口和出口都敞开的第二流道作为排气的快速流通通道，对流经第二流道的排气过滤程度较小，从而使得整体排气的过滤程度减小，防止对颗粒物的过度捕集过滤，减缓碳颗粒及灰分在多孔过滤壁上的积累速度，避免排气背压的快速升高，减少再生频率，最终减少发动机的扭矩输出损失，提高整车性能及用户舒适度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为现有壁流式排气颗粒捕集器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的排气颗粒捕集器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第二流道在过滤通道中的分布示意图一；

图4为本发明实施例提供的第二流道在过滤通道中的分布示意图二；

图5为本发明实施例提供的第二流道在过滤通道中的分布示意图三；

图6为本发明实施例提供的第二流道在过滤通道中的分布示意图四。

附图标记：

图1中：

1’-流道；

图2-图6中：

1-第一流道；2-第二流道。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供的排气颗粒捕集器，可与发动机的燃烧室的排气通道相连，发动机内的燃料燃烧做功后产生的排气由排气通道进入排气颗粒捕集器中过滤，使得排气中的颗粒物浓度符合排放法规后排出。

该排气颗粒捕集器包括壳体，壳体的内腔与燃烧室的排气通道相连，壳体的内腔为过滤通道，过滤通道包括平行相邻的多个流道，流道的延伸方向与过滤通道一致，相邻的流道之间通过多孔过滤壁相隔。如图2所示，流道包括第一流道1和第二流道2。第一流道1的进口和出口择一敞开，即第一流道1只进口敞开或只出口敞开。相邻第一流道1的进口不同时敞开，即任意两个相邻的第一流道1中，只有一个进口敞开。排气进入进口敞开的第一流道1后，需穿过多孔过滤壁进入相邻的出口敞开的第一流道1排出。第二流道2的进口和出口均敞开。

排气可进入进口敞开的第一流道1和/或第二流道2。排气进入进口敞开的第一流道1后，经第一流道1的多孔过滤壁进入相邻的第一流道1和/或第二流道2，排气中的颗粒物被过滤并留在第一流道1的多孔过滤壁上，被过滤后的排气经由出口敞开的第一流道1和/或第二流道2排出。对于直接由第二流道2的进口进入第二流道2的排气，大部分的排气由第二流道2的出口直接排出，少部分的排气由第二流道2的多孔过滤壁进入相邻的第一流道1和/或第二流道2，该少部分的排气中的颗粒物被过滤并留在第二流道2的多孔过滤壁上，过滤后的该少部分排气由出口敞开的第一流道1和/或第二流道2排出。因此，对进入进口敞开的第一流道1的排气的过滤程度较大，而对直接进入第二流道2的排气的过滤程度较小。

与现有的壁流式排气颗粒捕集器相比，本实施例的排气颗粒捕集器包括进口和出口都敞开的第二流道2，以作为排气的快速流通通道，对流经第二流道2的排气过滤程度较小，从而使得整体排气的过滤程度减小，防止对颗粒物的过度捕集过滤，减缓碳颗粒及灰分在多孔过滤壁上的积累速度，避免排气背压的快速升高，减少再生频率，最终减少发动机的扭矩输出损失，提高整车性能及用户舒适度。

需要说明的是，根据不同车型，如发动机的各项参数不同，第二流道2的设置数量和分布位置也需相应调整，以在满足排放法规的同时，对碳颗粒进行适度的捕集。

一实施例中，如图3所示，过滤通道的截面为圆形，多个截面为矩形的流道均匀分布于过滤通道内。图3中用带有空心圆圈的流道表示只进口敞开的第一流道1，用带有实心圆圈的流道表示只出口敞开的第一流道1，用带有字母A的流道表示进口和出口均敞开的第二流道2。可以看出，第二流道2均匀地间隔分布于过滤通道内，从而使得过滤通道各处的过滤效果接近一致，对流经过滤通道内任意位置的排气均能过滤到。

在另一实施例中，如图4和图5所示，第二流道2也可呈规律地分布于过滤通道内，方便加工成型。与图3类似，图4和图5中用带有空心圆圈的流道表示只进口敞开的第一流道1，用带有实心圆圈的流道表示只出口敞开的第一流道1，用带有字母A的流道表示进口和出口均敞开的第二流道2。参见图4，于第一方向和第二方向上，第二流道2均匀等间隔设置。沿第一方向，每隔7个第一流道1设置1个第二流道2；沿第二方向，第一流道1和第二流道2交替间隔设置，在第一通道和第二通道的横截面积相等的情况下，得到第二流道2的截面积总和占过滤通道总截面积的12.5％(即第二流道2的数量占总流道数量的12.5％)。参见图5，于第一方向和第二方向上，第二流道2均匀等间隔设置。沿第一方向，每隔3个第一流道1后设置1个第二流道2；沿第二方向，第一流道1和第二流道2间隔设置，在第一通道和第二通道的横截面积相等的情况下，得到第二流道2的截面积总和占过滤通道总截面积的25％(即第二流道2的数量占总流道数量的25％)。当然，还可按照一定的规律设置第二流道2的分布，使得第二流道2的截面积总和占过滤通道总截面积的比例为如50％或其他数值。

可使用上述具有不同第二流道2分布情况的排气颗粒捕集器针对不同车型进行试验，以在满足排放法规的同时，得到合适的过滤效果，使得过滤后的排气中的碳颗粒浓度为排放法规规定数值的60％-95％左右。若碳颗粒浓度比规定数值小很多，则表明排气颗粒捕集器过度捕集，碳颗粒及灰分在排气颗粒捕集器内的多孔过滤壁上的沉积速度过快、排气背压快速升高，再生频率高；若碳颗粒浓度比规定数值大或接近规定值，则可能导致排放不合规。

具体实验中，采用现有搭载1.6L气道喷射自然吸气发动机的某车型，针对不使用排气颗粒捕集器、使用现有汽车颗粒捕集器、以及使用上述不同第二流道2分布情况的排气颗粒捕集器等情况，分别进行全球轻型汽车测试循环(Worldwide Light-duty TestCycle，WLTC)后，得到相应排气颗粒捕集器的捕集效果及再生频率。得到的实验结果为：不使用排气颗粒捕集器时，该1.6L发动机的颗粒物数量(PN)排放无法满足国六排放法规。使用现有汽车颗粒捕集器时，该1.6L发动机在低温启动时的颗粒物数量(PN)排放符合国六排放法规，且此时过滤后的排气中的颗粒物数量为工程目标的35％，为过度捕集过滤，但对于自然吸气发动机，其性能对背压变化比较敏感，随着捕集量增多，背压不断加大，泵气损失增加，油耗增加，发动机动力下降。使用第二流道2的截面积总和占过滤通道总截面积的比例分别为12.5％和25％的排气颗粒捕集器时，过滤后的排气中的颗粒物数量分别为工程目标的80％和102％，即使用第二流道2的截面积总和占过滤通道总截面积的比例为12.5％的排气颗粒捕集器时，既能满足排放法规，又不会过度捕集，减缓碳颗粒及灰分在多孔过滤壁上的积累速度，避免排气背压的快速升高，减少再生频率，最终减少发动机的扭矩输出损失。

第二流道2除上述的均匀间隔分布或规律分布外，还可根据过滤通道内的强气流冲击区域和弱气流冲击区域，将第二流道2设置分布于弱气流冲击区域。强气流冲击区域为过滤通道内的排气大概率流动经过的区域或排气流速和流量较大的区域，弱气流冲击区域为过滤通道内的排气相对小概率流动经过的区域或排气流速和流量较小的区域。在过滤通道内气流流动概率较大的区域不设置或少设置第二流道2，以避免小负荷工况(如起动阶段)捕集不足，在过滤通道内气流流动概率较小的区域设置第二流道2，以达到合适的捕集效果，满足排放法规的同时，不进行过度捕集。例如，对于四缸发动机，可采用模拟或测试的手段获得在曲轴一个工作循环中，排气气流在过滤通道内各处的流速或流量，或者排气气流对过滤通道内各处的冲击力大小，以得到过滤通道内排气流量大概率流经的区域，此为现有技术，具体模拟手段不再赘述。如图6所示，图中用带有空心圆圈的流道表示只进口敞开的第一流道1，用带有实心圆圈的流道表示只出口敞开的第一流道1，用带有字母A的流道表示进口和出口均敞开的第二流道2，椭圆线圈出的区域为模拟得到的过滤通道内排气流量大概率流经的区域，第二流道2设置在椭圆线之外的区域。

当然，也可在滤通道内的强气流冲击区域设置相对少量的第二流道2，在过滤通道内的弱气流冲击区域设置相对较多的第二流道2，即强气流冲击区域的第二流道2的设置数量和密度低于弱气流冲击区域的第二流道2。

需要说明的是，图3-图6中，第二流道2的相邻流道均为开口关闭、出口敞开的第一流道1。在其他实施例中，第二流道2的相邻流道也可为开口敞开、出口关闭的第一流道1。还需说明的是，图3和图6都用圆形来表示过滤通道的截面，图4和图5为更形象地表示第二流道2的分布规律，采用矩形来表示过滤通道的部分截面，可以理解的是，流道的设置是非常密集的，可以认为图4和图5是整个过滤通道的圆形截面中的一小部分。

进一步地，对于第二流道2来说，根据不同车型及发动机，出口的截面积可相应调整，具体为出口的截面积占进口的截面积的百分比为a，0％<a≤100％，通过设置不同尺寸及形状的出口来调节排气气流的流通路径、流速及过滤程度，以适应不同车型及发动机。例如，出口的截面积可占进口的截面积的50％，进口的截面为矩形，出口的截面为矩形、三角形、梯形、棱形或圆形等，在此不做限定。

需要说明的是，还可在第二流道2内设置开关阀，根据不同车型或行车工况，控制不同位置和不同数量的第二流道2内的开关阀的开闭及开度，以在满足排放法规的同时，达到合适的捕集效果。

还需说明的是，图中示出的第一流道1和第二流道2的截面均为矩形，且第一流道1和第二流道2的截面积相同，实际针对到具体车型及发动机，可相应分别调整第一流道1和第二流道2各自的截面形状(如圆形、三角形等)、截面积大小及延伸方向(如呈S形延伸)等，且分别对于第一流道1和第二流道2来说，出口与其对应的入口的形状也可不同。

进一步地，除上述设置出口和进口均敞开的第二流道2作为排气的快速流通通道以减少捕集的策略外，还可在多孔过滤壁上设置过滤孔和缺口。过滤孔的尺寸参考现有排气颗粒捕集器设置，过滤孔起到对排气中的颗粒物过滤作用。缺口尺寸则比过滤孔尺寸大的多，缺口不对排气中的颗粒物过滤，而是允许排气直接通过，缺口作为排气的快速通道，在满足排放法规的前提下，减少和减缓对碳颗粒的捕集量，避免排气背压快速上升，减少再生频率。

除上述设置缺口外，还可将多孔过滤壁上开设的过滤孔分为两类，分别为第一过滤孔和第二过滤孔，第一过滤孔的尺寸参考现有排气颗粒捕集器设置，第二过滤孔的尺寸大于第一过滤孔，即第二过滤孔的过滤效果较第一过滤孔差，从而减少和减缓对碳颗粒的捕集量，避免排气背压快速上升，减少再生频率。

可选地，多孔过滤壁上设置有三元催化剂层，以对排气流中的气体排放物进行催化，由于本发明可减缓碳颗粒和灰分的沉积率，避免随里程增加三元催化剂层被覆盖过快而无法起到催化作用。三元催化剂层的成分为现有技术，具体不再赘述。

优选地，多孔过滤壁的材质为针状莫来石。针状莫来石为针状晶须组成的三维网状结构，具有强度高、耐热性和耐腐蚀性等材料特性，且过滤阻力(压降)小、催化剂上载量高，有助于减小排气背压。

本实施例还提供一种车辆，包括上述的排气颗粒捕集器，在满足排放法规的同时，能够对排气中的碳颗粒进行适度捕集，避免过度捕集，发动机的输出扭矩高，整车性能良好。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种排气颗粒捕集器，其特征在于，包括过滤通道，所述过滤通道包括平行相邻的多个流道，相邻的所述流道之间通过多孔过滤壁相隔，所述流道包括第一流道(1)和第二流道(2)，所述第一流道(1)的进口和出口择一敞开，相邻的所述第一流道(1)的进口不同时敞开，所述第二流道(2)的进口和出口均敞开；

多个所述流道均匀分布于所述过滤通道内，且所述第二流道(2)均匀地间隔分布于所述过滤通道内；或，

所述过滤通道包括强气流冲击区域和弱气流冲击区域，所述强气流冲击区域内均为所述第一流道(1)，所述弱气流冲击区域包括所述第一流道(1)和所述第二流道(2)，且多个所述第二流道(2)间隔分布于所述弱气流冲击区域内。

2.根据权利要求1所述的排气颗粒捕集器，其特征在于，对于所述第二流道(2)，出口的截面积占进口的截面积的百分比为a，0％<a≤100％。

3.根据权利要求1所述的排气颗粒捕集器，其特征在于，所述多孔过滤壁上开设有过滤孔和供排气直接通过的缺口。

4.根据权利要求1所述的排气颗粒捕集器，其特征在于，所述多孔过滤壁上开设有过滤孔，所述过滤孔分为第一过滤孔和第二过滤孔，所述第二过滤孔的尺寸大于所述第一过滤孔的尺寸。

5.根据权利要求1所述的排气颗粒捕集器，其特征在于，所述多孔过滤壁上设置有三元催化剂层。

6.根据权利要求1所述的排气颗粒捕集器，其特征在于，所述多孔过滤壁的材质为针状莫来石。

7.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的排气颗粒捕集器。

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