CN111878206A - 车辆排气系统及车辆 - Google Patents

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Abstract

提供了一种车辆排气系统及车辆，以改善通过排气歧管排出的废气的均匀性指数(UI)。该系统包括用于收集和传递从发动机的每个气缸排出的废气的排气歧管，以及连接到排气歧管的出口以降低从排气歧管流出的废气中的有害物质的催化剂净化器。网状构件设置在排气歧管和催化剂净化器之间以允许废气通过其。网状构件包括布置成在废气通过的内部通道截面上纵向和横向相交的分隔壁。分隔壁在与废气碰撞时引起流动阻力，以促使废气均匀地流动到催化剂净化器的催化剂中。

Description

车辆排气系统及车辆
技术领域
本公开涉及一种车辆排气系统，且更具体地，涉及进一步改善从车辆发动机的气缸通过排气歧管排出的废气的均匀性指数(uniformity index)的车辆排气系统。
背景技术
通常，车辆通过燃烧发动机中的燃料产生驾驶所需的动力。此外，在发动机中的燃料的燃烧期间不可避免地产生燃烧气体，并且燃烧气体(废气)通过车辆的排气系统排放到大气。
近几年，随着对环境的关注的增加，已经积极地进行了对于减少包含在废气中的有害物质的研究和技术开发。此外，每个政府都制定了针对废气中污染物(诸如一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx))的排放标准并管理废气。因此，车辆制造商正在努力以有效地应对正在加强的废气法规，并根据排气排放标准生产新车。
众所周知，车辆排气系统包括排气歧管、排气管道以及沿着排气歧管或排气管道的后部端部安装的各种后处理装置。其中，排气歧管收集来自设置在发动机中的多个气缸的燃烧后排出的废气，并促使废气朝向排气管道流动。此外，后处理装置在通过废气的同时去除包含在废气中的各种有害物质。
图1是示出根据相关领域的已知的排气歧管和已知的催化剂转化器的组装状态的视图。如图所示，排气歧管10包括用于促使从发动机(未示出)的气缸排出的废气流动到气缸外的多个流道11。此外，用于将排气歧管安装到气缸头的安装凸缘12设置在流道11的顶端。
接合部分13设置在排气歧管10中的流道11的后部。特别地，接合部分13是其中流道11连接在一起成为一个整体的部分。此外，排气歧管10的接合部分13是在其中收集从每个气缸排出后沿着流道11引导的废气(燃烧气体)的部分。作为后处理装置的催化剂转化器20可连接到接合部分13。因此，从发动机的气缸排出的废气沿着排气歧管10的流道11流动并在接合部分13处结合成一个气流。此后，废气通过催化剂净化器，也就是催化剂转化器20，并且然后沿着排气管道(未示出)流动。
同时，当受诸如均匀性指数、速度指数、切向速度和背压的因素影响时，也可预测通过排气歧管排出的废气的流动性。其中，均匀性指数是废气在总催化剂区域中流动的均匀性的定量数值，且当每单位时间内相同的流量与总催化剂区域接触时均匀性指数更接近“1”。速度指数是当废气转移到催化剂时，从催化剂中心偏离的废气的定量数值，且当废气偏离催化剂中心时速度指数更接近“1”。
此外，切向速度是废气通过围绕催化剂的陶瓷垫的速率。背压是作用在废气的气流上的压力，其是直接影响发动机的因素，并且保持低背压是有利的。同时，由于排气歧管的结构和形状的限制，改善废气的流动性是有限制的，因此需要新的技术以进一步改善均匀性指数。
本章公开的以上信息仅用于增加对本公开背景的理解，并且因此可包含不构成该国本领域普通技术人员众所周知的现有技术。
发明内容
本公开致力于解决与现有技术相关的上述问题。在一个方面，本公开提供了能够进一步改善通过排气歧管排出的废气的均匀性指数(UI)的车辆排气系统。
在示例性实施例中，车辆排气系统可包括：排气歧管，该排气歧管构造成收集和传递从发动机的每个气缸排出的废气；催化剂净化器，该催化剂净化器连接到排气歧管的出口以降低从排气歧管流出的废气中的有害物质；以及网状构件，该网状构件设置在排气歧管和催化剂净化器之间以允许废气通过其，且该网状构件具有布置成在废气通过的内部通道截面上纵向和横向相交的分隔壁。网状构件的分隔壁可在与废气碰撞时引起流动阻力，以促使废气均匀地流动到催化剂净化器的催化剂中。
网状构件可包括环状的环形部分，且分隔壁布置成在环形部分中纵向和横向相交并固定地安装在环形部分上以具有格子结构。网状构件可安装在接合部分中，在该接合部分中，废气通过每个流道，然后在排气歧管中结合，且分隔壁在接合部分中可具有格子结构。
具有格子结构的分隔壁可安装在废气的流动方向的上游和下游以双重布置在环形部分中。上游分隔壁和下游分隔壁在环形部分中可彼此交替。具有环形部分和分隔壁的两个网状构件可双重布置在废气的流动方向的上游和下游。
车辆排气系统可进一步包括构造成输出控制信号以用于调节催化剂净化器中的背压的控制器，以及安装在催化剂净化器的排气出口处以打开和关闭出口通道来调节背压的背压调节阀。背压调节阀的打开和关闭操作基于控制器输出的控制信号进行调整。
控制器可构造成在发动机的冷启动期间，在用于催化剂预热的催化剂加热(CH)部分中，输出控制信号以用于操作背压调节阀关闭到背压调节阀的一预定打开量。控制器还可构造成在完成催化剂加热部分后随着发动机启动，通过增加阀的打开量来操作背压调节阀打开。
附图说明
现在将参考附图所示的示例性实施例详细描述本公开的上述和其它特征，附图在下文中仅以示出性的方式给出，且因此不是对本公开的限制，并且其中
图1是示出根据相关领域的已知的排气歧管和已知的催化剂转化器的组装状态的视图。
图2是在根据本公开的示例性实施例的排气系统中分离的排气歧管和催化剂转化器的拆分透视图。
图3是在根据本公开的示例性实施例的排气系统中的排气歧管和网状构件的拆分透视图。
图4是在根据本公开的示例性实施例的排气系统中的排气歧管和网状构件的组装透视图。
图5是示出在根据本公开的示例性实施例的排气系统中的网状构件的另一示例的视图。
图6是示出在根据本公开的示例性实施例的排气系统中安装在催化剂转化器的出口处的背压调节阀的视图。
图7是示出在根据本公开的示例性实施例的排气系统中控制背压调节阀的过程的流程图。
应当理解的是，附图不是必须按比例绘制，而是以呈现了说明本公开的基本原理的各种特征的略微简化的表示。如本文所公开的，本公开的特定设计特征(包括，例如特定尺寸、取向、位置和形状)将部分地由特定的预期应用和使用环境来确定。在附图中，参考标号在附图的若干附图中始终指代本公开相同或等效的部分。
具体实施方式
应当理解的是，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它相似的术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多用途汽车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用车辆、包括各种船和舰的船只、飞行器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆和其它代用燃料车辆(例如，从石油之外的资源得到的燃料)。如本文所涉及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油驱动和电力驱动的车辆。
尽管使用多个单元描述示例性实施例以完成示例性过程，但应当理解的是，示例性过程也可由一个或多个模块完成。此外，应当理解的是，术语控制器/控制单元涉及包括存储器或处理器的硬件设备。存储器构造成存储模块，且处理器特别地构造成执行所述模块以完成由以下进一步描述的一个或多个过程。
本文所使用的技术仅用于描述特定实施例的目的，且不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确的说明。应进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特征、统一体、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、统一体、步骤、操作、元件、部件和/或其组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的所列举的项的任何或所有的组合。
除非有特别的说明或从上下文显而易见，否则如本文所使用的术语“大约”应理解为本领域中的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“大约”可理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文中另有清楚的说明，否则本文提供的所有数值均由术语“大约”修饰。
在下文中，现在将详细参考本公开的各种示例性实施例，其示例以附图示出并在以下进行描述。虽然本公开将结合示例性实施例描述，但是应当理解的是，本描述并非旨在将本公开限制于那些示例性实施例。相反，本公开旨在不仅涵盖示例性实施例，而且涵盖包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的各种替换、修改、等同物和其它实施例。
本公开提供能够进一步改善从车辆发动机的每个气缸通过排气歧管排出的废气的均匀性指数(UI)的车辆排气系统。在设计车辆的发动机部件中的排气系统的排气歧管时，与废气(EM)相关的一个重要因素是均匀性指数(下文中称之为“UI”)。在包括排气歧管的排气系统中，废气的UI随着排气歧管的流道长度的减小而改善。此外，在接合部分更长且背压更大时，UI得到改善。
UI是指示废气在催化剂上部表面上均匀分布的程度的指数。UI是废气在催化剂的总区域中流动的均匀性的定量数值。当UI达到1时，其在废气的方面得到改善。然而，由于排气歧管不止在废气(EM)方面而且在性能和耐久性方面都是敏感部件，因此有必要一起考虑各种要素来设计排气歧管。特别地，UI和性能在UI之外的其他因素方面处于平衡关系。换句话说，性能可随着流道长度的增加而增加，且由于包装的限制，接合部分长度的增加受到限制。此外，背压越大，越进一步地改善UI，但是背压越小，性能越好。
因此，为了改善上述的UI，本公开提供了安装在排气歧管和催化剂转化器(催化剂净化器)之间的网状构件以促使废气均匀地引入催化剂中。此外，本公开提供了安装在催化剂转化器的后部端部处的背压调节阀，以增加在废气方面是最薄弱模式的催化剂加热(CH)部分中的背压。
图2是在根据本公开的示例性实施例的排气系统中分离的排气歧管和催化剂转化器的拆分透视图。图3是在根据本公开的示例性实施例的排气系统中的排气歧管和网状构件的拆分透视图。图4是在根据本公开的示例性实施例的排气系统中的排气歧管和网状构件的组装透视图。
参考图2，根据本公开的示例性实施例的排气系统可包括排气歧管10和催化剂转化器20。排气歧管10可构造成收集在燃烧后从设置在发动机中的多个气缸排出的废气，并传输和促使废气流动到排气管道。
如附图所示，排气歧管10可包括用于促使从发动机的气缸排出的废气流动到气缸外的多个流道11。安装凸缘12可耦接到流道11的顶端以将排气歧管安装到气缸头上。接合部分13可设置在排气歧管中的流道11的后部。接合部分13是其中流道11连接在一起成为一个整体的部分。特别地，排气歧管10的接合部分13是在其中沿着流道引导的废气(燃烧气体)进行收集的部分。作为后处理装置的催化剂转化器20可连接到作为排气歧管20的出口的接合部分13。
此外，尽管未在附图中示出，根据本公开的示例性实施例的排气系统可进一步包括连接到催化剂转化器20的出口的排气管道(未示出)。排气管道从发动机向后延伸以将废气引导到车辆的后部。除了示出的催化剂转化器20外，用于处理废气的其它后处理装置也可沿着废气路径安装并布置在排气管道上。因此，从发动机的每个气缸排出的废气沿着排气歧管10的流道11流动并在接合部分13处结合成一个气流。此后，废气通过催化剂转化器20，并且然后沿着排气管道流动。
同时，如图3和图4所示，根据本公开的示例性实施例的排气系统可包括安装在排气歧管中的接合部分13的出口内部的网状构件14以改善UI。排气歧管10中的接合部分13的出口是可连接催化剂转化器20的部分，且催化剂转化器20的入口可连接到接合部分13的出口以用于引进废气。
参考图2，催化剂转化器20的入口可连接到排气歧管10的接合部分13的出口，以将催化剂转化器20设置在排气歧管10的后部端部处。参考图3和图4，网状构件14可组装在排气歧管10中的接合部分13的出口内部。
在本公开的示例性实施例中，网状构件14可以是这样的构件，其中分隔壁16整体地固定在形状的环形部分15内部，同时彼此交叉且在环形部分15内部具有格子结构。特别地，网状构件14可耦接到接合部分13的出口的内部，以使得环形部分15的外周边表面压靠接合部分13的出口的内周边表面。因此，网状构件14的分隔壁16可定位在接合部分13的通道截面上，通过该通道截面收集废气并使废气通过。
此外，催化剂转化器20的入口可连接到接合部分13的与网状构件14耦接的出口。因此，网状构件14可定位在废气路径上使得废气可通过排气歧管10的接合部分13和催化剂转化器20之间。在本公开中，网状构件14允许废气均匀地流动到催化剂转化器20中，从而改善UI。
当从发动机的每个气缸排出的废气沿着排气歧管10的流道11流动且在接合部分13处结合时，结合的废气可在接合部分13处的网状构件14的分隔壁16之间通过。已经通过网状构件14的废气可通过催化剂转化器20的内部，且然后可沿着排气管道(未示出)流动。
参考图3，环形部分15和分隔壁16中的每者可由在网状构件14中具有预定厚度的板形材料制成，且分隔壁16可整体地形成在环形部分15的内部表面上，以在环形部分15中的水平(横向)方向和竖直(纵向)方向中彼此相交。网状构件14中的环形部分15内部的空间可由分隔壁16分隔成总共16(4×4)个通道空间17，该通道空间是四个宽度乘四个长度。特别地，在由分隔壁分隔的总共16个通道空间17中，至少中央空间(两个宽度乘两个长度)可以是矩形空间。
由于网状构件14可安装到本公开中的排气歧管10和催化剂转化器20之间的连接部分，网状构件14可设置在废气的路径上的排气歧管10的下游和催化剂转化器20的上游。因此，当网状构件14安装在催化剂转化器20的上游时，废气可均匀地引进催化剂中。
更具体地，从发动机的每个气缸排出且然后通过排气歧管10的每个流道11流动到接合部分13的废气，在被引进催化剂转化器20的催化剂中之前，通过网状构件14的分隔壁16之间的通道空间17。特别地，废气与网状构件14的分隔壁16碰撞以导致流动阻力。因此，流动阻力使得废气可以在接合部分13中的通道截面的整个区域上，即在网状构件14的整个区域上，呈现均匀的速率。
图3和图4中示出的网状构件14仅是示例，且不将本公开限制于此。在网状构件14中，分隔壁16的数量、方向和距离，以及分隔出的通道空间17的形状可以各种方式修改和改变。例如，网状构件14的分隔壁16的数量可与分隔出的通道空间17的数量不同。
在图3和图4的网状构件14中，三个横向的和纵向的分隔壁16设置成在废气通过的通道截面上彼此相交。因此提供了四个宽度乘四个长度的总共16个通道空间17。不同于图3和图4的示例，通过增加分隔壁16的数量及减小分隔壁16之间的距离，可增加整个通道空间17的数量。特别地，气体可以更加均匀的速率引进到催化剂转化器20中。
图5示出使图3和图4的两个网状构件重叠的形式的网状构件14。图5的网状构件14可通过将图3和图4的两个网状构件重叠形成，在该情况中环形部分15及分隔壁16a和分隔壁16b可分离地设置在两个网状构件14中。换句话说，可通过制造网状构件然后使彼此重叠的分隔壁16a和分隔壁16b的角度交替而将两个网状构件安装在排气歧管10和催化剂转化器20之间。
图5的网状构件14处于将图3和图4的两个网状构件重叠的形式，但是环形部分15可以是一个。特别地，在图5的网状构件14中，仅具有格子结构的分隔壁16a和分隔壁16b可在一个环形部分15内部布置在该环形部分的前部和后部，也就是说，它们在废气的流动方向的上游和下游双重重叠。
在本公开的示例性实施例中，上游分隔壁16a和下游分隔壁16b在共同的环形部分15中可彼此交替使得它们之间的角度为大约45°。当从前方观察网状构件14时，由分隔壁16a和分隔壁16b分隔的每个通道空间17可具有大体上三角形的形状。
如图5所示，当网状构件14中的分隔壁16a和分隔壁16b之间的距离减小且分隔壁的数量和通道空间17的数量增加时，流动阻力可比图3的网状构件的流动阻力大。因此，流动到催化剂转化器20中的废气的流量可更加均匀，结果是可以提高改善UI的效果。
图6是示出在根据本公开的示例性实施例的排气系统中安装在催化剂转化器的出口处的背压调节阀的视图。如图所示，背压调节阀30可安装在催化剂转化器20的排气出口处，以打开和关闭出口通道以用于调节背压的。换句话说，背压调节阀30可安装在催化剂转化器20的出口处，以通过背压调节阀30在催化剂转化器20的出口和催化剂转化器的后部端部处的排气管道(未示出)之间提供连通。背压调节阀30可以是电子阀，背压调节阀的打开和关闭操作可通过从控制器输出的电子信号(即，控制信号)进行调整。
在本公开的示例性实施例中，背压调节阀30可以是瓣阀(flap valve)且可包括壳体31、具有马达的致动器32和当通过致动器32围绕轴旋转时用于打开和关闭壳体31中的通道的阀体33。壳体31可连接在催化剂转化器20的出口和排气管道之间，使得壳体的内部空间是在催化剂转化器20和废气管道之间的废气通道。板形的阀体33可旋转地安装在壳体31中的通道上。阀体33可在壳体内的通道中围绕连接壳体31的轴旋转。
可由控制器操作致动器32的马达(未示出)的驱动，且马达的旋转角度可基于控制器的控制信号调整。与典型的瓣阀类似，当驱动马达时，马达轴的旋转力可传递到阀体33的轴。因此，当基于控制器的控制信号执行马达的驱动时，也就是说当调整马达的旋转角度时，阀体33可在壳体31内的通道中围绕轴旋转，以便调整阀体33的旋转角度。因此，可以调整壳体31中的废气通道的打开的量，该量是阀打开的量。
控制器可以是构造成执行发动机的操作的发动机控制单元(ECU)或发动机管理系统(EMS)。图7是示出由本公开中的控制器控制背压调节阀30的过程的流程图。在本公开的示例性实施例中，控制器可构造成输出用于调节催化剂转化器20中的背压的控制信号，即基于发动机的操作状态输出用于调整背压调节阀30的打开和关闭操作的控制信号。
在本公开的示例性实施例中，控制器可构造成在发动机的冷启动条件下(与正常行驶模式相比)，操作背压调节阀30关闭。特别地，如图7所示，控制器可构造成在发动机启动后在催化剂加热部分(与正常行驶模式相比)，操作背压调节阀30关闭。
当车辆在发动机的冷状态下启动时，催化剂转化器的催化剂温度低，因此难以满足废气规定。因此，在典型的车辆中，执行催化剂加热(CH)控制以将催化剂的温度提高到正常操作温度以满足规定。在该方面，本公开的控制器可构造成确定是否满足预定条件(即，冷启动条件)并在执行催化剂加热(CH)控制时(例如，大约20到30秒)操作安装在催化剂转化器20的出口处的背压调节阀30关闭。
特别地，如图7所示，控制器可构造成在发动机冷启动(S11)时，在用于催化剂预热的催化剂加热部分中，输出控制信号以用于操作背压调节阀30至预定的打开量。与正常行驶模式相比，控制器可构造成操作背压调节阀30关闭，以通过提高催化剂加热部分中的背压来改善UI(S13)。换句话说，控制器可构造成输出控制信号，以用于将背压调节阀30的打开和关闭操作调节到设定成小于正常行驶模式的所需打开量。当在经过一段时间(例如20到30秒)后完成催化剂加热部分(S14)时，也就是说当完成催化剂预热时，控制器可构造成通过切换到正常行驶模式操作背压调节阀30打开(S15)。
如上所述，在本公开中，在发动机的冷启动期间可在催化剂加热部分中关闭背压调节阀30以提高背压，从而改善UI。当模式在完成催化剂加热部分后切换为正常驾驶模式时，控制器可构造成输出控制信号以用于调整背压调节阀30的打开和关闭操作到提前确定的所需打开量，因此打开背压调节阀。
例如，当背压调节阀30在其完全打开下的打开比限定为100％时，控制器可构造成在催化剂加热部分中将背压调节阀30的打开和关闭操作调整为70％到80％的打开比。在通过发动机和相同规格的排气系统的初步测试和评估过程确定发动机性能无变化的条件下，在催化剂加热期间的背压调节阀30的打开的量(打开比)可调谐为合适的阀。
如上所述，由于根据本公开的车辆排气系统安装并使用用于促使废气均匀地流动到催化剂中的网状构件和用于提高催化剂加热部分中的背压的背压调节阀，可以使UI最大化。由于根据本公开的示例性实施例的车辆排气系统安装并使用用于促使废气均匀地流动到催化剂中的网状构件和用于提高催化剂加热部分中的背压的背压调节阀，可以使通过排气歧管排出的废气的均匀性指数最大化。
已经参考其示例性实施例详细描述了本公开。然而，本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的原理和精神的情况下，可以对这些示例性实施例进行改变，本公开的范围由所附权利要求和其等同物限定。

Claims (10)

1.一种车辆排气系统，所述车辆排气系统包括：
排气歧管，用于收集和传递从发动机的每个气缸排出的废气；
催化剂净化器，连接到所述排气歧管的出口以降低从所述排气歧管流出的所述废气中的有害物质；以及
网状构件，设置在所述排气歧管与所述催化剂净化器之间，以允许所述废气通过所述网状构件，并且所述网状构件具有布置成在所述废气通过的内部通道截面上纵向和横向相交的分隔壁，
其中，所述网状构件的所述分隔壁在与所述废气碰撞时引起流动阻力，以促使所述废气均匀地流动到所述催化剂净化器的催化剂中。
2.根据权利要求1所述的车辆排气系统，其中，所述网状构件包括：
环状的环形部分，
其中，所述分隔壁布置成在所述环形部分中纵向和横向相交，并且所述分隔壁固定地安装在所述环形部分上以具有格子结构。
3.根据权利要求2所述的车辆排气系统，其中，所述网状构件安装在接合部分中，在所述接合部分中，所述废气通过每个流道并在所述排气歧管中结合，并且所述分隔壁在所述接合部分中具有所述格子结构。
4.根据权利要求2所述的车辆排气系统，其中，具有所述格子结构的所述分隔壁安装在所述废气的流动方向上的上游和下游以便双重布置在所述环形部分中。
5.根据权利要求4所述的车辆排气系统，其中，上游的所述分隔壁和下游的所述分隔壁在所述环形部分中彼此交替。
6.根据权利要求2所述的车辆排气系统，其中，具有所述环形部分和所述分隔壁的两个所述网状构件双重布置在所述废气的流动方向上的上游和下游。
7.根据权利要求1所述的车辆排气系统，所述车辆排气系统进一步包括：
控制器，构造成输出控制信号以用于调节所述催化剂净化器中的背压；以及
背压调节阀，安装在所述催化剂净化器的排气出口处，以打开和关闭出口通道来调节所述背压，
其中，所述背压调节阀的打开和关闭操作基于由所述控制器输出的所述控制信号进行控制。
8.根据权利要求7所述的车辆排气系统，其中，所述控制器构造成在所述发动机的冷启动期间，在用于催化剂预热的催化剂加热部分中，输出控制信号以用于操作所述背压调节阀关闭到所述背压调节阀的一预定打开量。
9.根据权利要求8所述的车辆排气系统，其中，所述控制器构造成在完成所述催化剂加热部分之后随着所述发动机启动，通过增加所述背压调节阀的打开量来操作所述背压调节阀打开。
10.一种车辆，具有根据权利要求1所述的车辆排气系统。
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