CN114215634A - 一种横置前排增压发动机twc及gpf紧耦合热端催化器 - Google Patents

一种横置前排增压发动机twc及gpf紧耦合热端催化器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，包括壳体、TWC、GPF，壳体的前、后两端分别设置进气锥、出气锥，TWC和GPF固定安装在壳体内，壳体外壁上设置前压差传感器座和后压差传感器座，前压差传感器座位于TWC和GPF之间的区域，后压差传感器座位于出气锥上。进气锥的进气口中心轴线与壳体的主体中心轴线夹角为α，且100°≤α≤115°。本申请热端催化器占用空间较小，布置紧凑，制造工艺简单，成本低。通过在GPF前后设置前压差传感器座、后压差传感器座，用于监控GPF前后的气压，用于判断GPF是否损坏。通过将进气锥的进气口方向偏离壳体100°～115°，增大气流平顺性，减小气流阻力，并能降低制造工艺难度，降低成本。

Description

一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器
技术领域
本发明涉及汽车零部件技术领域，具体涉及一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器。
背景技术
汽车上排气系统包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。为满足国六B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，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，因此安装布置不方便。现有设计中，将TWC、GPF分装到两个壳体中，且两个壳体成一个夹角连接。采用此种方式分别封装TWC、GPF，会增加封装的开发费工装件费用，增加成本。且气道较长，需要经过折弯处，会导致气体阻力大，压力降增大。
发明内容
基于上述表述，本发明提供了一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，以解决现有技术生产成本高，安装布置不方便的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，包括壳体、TWC、GPF，壳体的前、后两端分别设置进气锥、出气锥，TWC和GPF固定安装在壳体内，且TWC、GPF分别靠近进气锥端、出气锥端；壳体外壁上设置前压差传感器座和后压差传感器座，前压差传感器座位于TWC和GPF之间的区域，后压差传感器座位于出气锥上，前压差传感器座、后压差传感器座分别用于连接前气压传感器、后气压传感器；进气锥的进气口中心轴线与壳体的主体中心轴线夹角为α，且100°≤α≤115°。本申请热端催化器占用空间较小，布置紧凑；制造工艺简单，成本低。通过TWC对汽车尾气氧化还原，通过GPF捕捉尾气中的颗粒。通过在GPF前后设置前压差传感器座、后压差传感器座，用于监控GPF前后的气压，用于判断GPF是否损坏。通过将进气锥的进气口方向偏离壳体100°～115°，增大气流平顺性，减小气流阻力，并能降低制造工艺难度，降低成本。
优选的，所述的进气锥外壁上设置前氧传感器座。前氧传感器座上安装前氧传感器，用于检测TWC前的氧含量，并向ECU反馈信号，控制喷油器喷油量，从而控制空燃比在理论值附近，维持催化剂对CO、HC、Nox的净化能力。
优选的，所述的壳体外壁上设置后氧传感器座，后氧传感器座位于TWC和GPF之间的区域。前氧传感器座、后氧传感器座上分别安装前氧传感器、后氧传感器，用于分别检测TWC前后的氧含量。通过前氧传感器座、后氧传感器座上对应的前氧传感器、后氧传感器，可以检测出TWC是否损坏。
优选的，所述的壳体外壁上设置温度传感器座，温度传感器座位于TWC和GPF之间的区域。用以监控TWC后端的温度。
优选的，所述的壳体外部设置全包裹的三明治隔热罩。为避免高温壳体3对其它部件的影响。
优选的，所述的前压差传感器座、后压差传感器座上分别安装前压差硬管、后压差硬管，所述的前压差硬管、后压差硬管的另一端分别用于连接前气压传感器、后气压传感器。通过设置硬管连接，便于前压差传感器和后压差传感器的布置，同时硬管的管道较顺直，对气压值的影响较小。
优选的，所述的前压差硬管、后压差硬管末端分别安装前压差软管、后压差软管，所述的前压差软管、后压差软管的另一端分别用于连接前气压传感器、后气压传感器。
优选的，所述的前压差硬管、后压差硬管与壳体的中心轴线角度分别为0-60°。可有效避免压差管寒区结冰的问题。
优选的，所述的壳体外壁上设置转接支架，转接支架上可拆卸安装支架。用于可调节的将催化器固定在汽车上。
优选的，所述的进气锥进气口的中心与出气锥出气口的中心之间间距为L，50mm≤L≤100mm。将L控制在50mm～100mm，既能满足TWC的快速起燃，又能满足GPF的再生温度要求，同时也能有效保护载体高温老化性，提高载体使用寿命。
与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：本申请热端催化器占用空间较小，布置紧凑；制造工艺简单，成本低。通过在GPF前后设置前压差传感器座、后压差传感器座，用于监控GPF前后的气压，用于判断GPF是否损坏。通过将进气锥的进气口方向偏离壳体100°～115°，增大气流平顺性，减小气流阻力，并能降低制造工艺难度，降低成本。通过设置前氧传感器座、后氧传感器座，用于安装前氧传感器、后氧传感器，用于分别检测TWC前后的氧含量，从而检测出TWC是否损坏。合理设置前压差硬管、后压差硬管的角度，可有效避免压差管寒区结冰的问题。控制进气锥进气口与出气锥出气口的距离，使得TWC满足快速起燃的要求，GPF满足再生温度要求。
附图说明
图1为本发明热端催化器的结构示意图；
图2为本发明热端催化器的结构侧视图；
图3为图1的A-A视图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、进气法兰；2、进气锥；3、壳体；4、TWC；5、GPF；6、衬垫；7、出气锥；8、出气法兰；9、前氧传感器座；10、后氧传感器座；11、前压差传感器座；12、后压差传感器座；13、温度传感器座；14、后压差硬管；15、后压差软管；16、前压差硬管；17、前压差软管；18、三明治隔热罩；19、支架；20、转接支架。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
本实施例中，如图1、图2、图3所示。一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，包括壳体3、TWC4、GPF5，壳体3的前、后两端分别设置进气锥2、出气锥7，TWC4和GPF5固定安装在壳体3内，且TWC4、GPF5分别靠近进气锥2端、出气锥7端；壳体3外壁上设置前压差传感器座11和后压差传感器座12，前压差传感器座11位于TWC4和GPF5之间的区域，后压差传感器座12位于出气锥7上，前压差传感器座11、后压差传感器座12分别用于连接前气压传感器、后气压传感器；进气锥2的进气口中心轴线与壳体3的主体中心轴线夹角为α，且100°≤α≤115°。TWC(Three Way Catalyst)：三元催化转化器，GPF(GasolineParticulate Filter)：汽油颗粒捕捉器。本申请中的TWC4及GPF5紧耦合热端催化器的进气口连接横置前排增压发动机的增压器，TWC4及GPF5紧耦合热端催化器的出气口连接排气系统。TWC4和GPF5被封装在壳体3内，TWC4和GPF5之间保持一定的距离，并形成间隔空间。在容纳TWC4和GPF5的空间内还设置衬垫6，用于包裹并固定TWC4和GPF5。本申请中的TWC4体积约0.8～1.0L，GPF5体积约1.4-1.6L。而现有设计TWC倾斜布置，只实现了1块TWC的封装，且TWC的体积较小，仅0.8L。采用本发明，封装的TWC和GPF体积达到了2～2.2L，达到了原来的2.5倍以上，从而使得颗粒捕捉能力更强。
进气锥2、出气锥7分别设置在壳体3的两头，并与壳体3一体化设计。进气锥2的进口上焊接进气法兰1，用于将热端催化器固定到发动机的增压器上。进气锥2的进气口朝下，进气口的中心轴线与壳体3主体的中心轴线夹角为α，且100°≤α≤115°，所述的壳体3主体是指容纳TWC4及GPF5的部分段。出气锥7的出气口处焊接固定出气法兰8，用于和排气系统连接。壳体3外壁上设置前压差传感器座11和后压差传感器座12，用于分别连接前气压传感器和后气压传感器。前压差传感器座11位于TWC4和GPF5之间的间隔空间位置，前压差传感器座11上的前气压传感器用于测量GPF上游的气体压力值。后压差传感器座12位于出气锥7上，后压差传感器座12上的后气压传感器用于测量GPF下游的气体压力值。通过计算前气压传感器和后气压传感器的压差值，即压降值，进而判断GPF载体性能变化量，还可以在损坏、移除时进行检测,对GPF再生进行判断。本申请热端催化器占用空间较小，布置紧凑；制造工艺简单，成本低。
本实施例中，如图1、图2、图3所示。所述的进气锥2外壁上设置前氧传感器座9。前氧传感器座9上安装前氧传感器，用于检测TWC4前的氧含量，并向ECU反馈信号，控制喷油器喷油量，从而控制空燃比在理论值附近，维持催化剂对CO、HC、Nox的净化能力。所述的壳体3外壁上设置后氧传感器座10，后氧传感器座10位于TWC4和GPF5之间的区域。前氧传感器座9、后氧传感器座10上分别安装前氧传感器、后氧传感器，用于分别检测TWC4前后的氧含量。正常情况下，安装在TWC4后端的后氧传感器电压波动要比安装在TWC4前端的前氧传感器电压波动少得多。汽车上运行正常的TWC4在转化CO和HC这两种有害物质时消耗氧气。当三元催化器坏时，其转换效率基本丧失，使前、后端的氧气值接近，此时氧传感器信号的电压波形和波动范围均趋于一致，因而，通过前氧传感器座9、后氧传感器座10上对应的前氧传感器、后氧传感器，可以检测出TWC4是否损坏。
本实施例中，如图1、图2、图3所示。所述的壳体3外壁上设置温度传感器座13，温度传感器座13位于TWC4和GPF5之间的区域。在温度传感器座13上安装温度传感器，用于测量TWC4和GPF5之间的温度数值，用以监控TWC4后端的温度。还可以在进气锥2上设置前温度传感器座，用于安装前温度传感器，用于检测TWC4前端的温度，通过TWC4前、后端的温度差，可以判断TWC4是否损坏。正确情况下，TWC4在工作是，TWC4对发动机尾气中的CO、CH、NO进行氧化还原反应，期间会产生热量，因此，TWC4后端的温度要比前端的温度高几十摄氏度。如果TWC4前后端的温度持平，说明TWC4出现问题。所述的壳体3外部设置全包裹的三明治隔热罩18。壳体3温度高，且壳体上焊接支架需要设计必要缺口，总成布置紧凑，与周边间隙小，为避免高温壳体3对其它部件的影响，选用常见的三明治隔热罩进行隔热。不选隔热棉，防止隔热棉泄漏等造成不良影响。
本实施例中，如图1、图2、图3所示。所述的前压差传感器座11、后压差传感器座12上分别安装前压差硬管16、后压差硬管14，所述的前压差硬管16、后压差硬管14的另一端分别用于连接前气压传感器、后气压传感器。前压差硬管16、后压差硬管14一端分别连接前压差传感器座11、后压差传感器座12上分别安装，前压差硬管16、后压差硬管14另一端分别连接发动机上的前压差传感器、后压差传感器。通过设置硬管连接，便于前压差传感器和后压差传感器的布置，同时硬管的管道较顺直，对气压值的影响较小。所述的前压差硬管16、后压差硬管14末端分别安装前压差软管17、后压差软管15，所述的前压差软管17、后压差软管15的另一端分别用于连接前气压传感器、后气压传感器。在前压差硬管16、后压差硬管14的末端分别设置较短的前压差软管17、后压差软管15，便于前气压传感器、后气压传感器的安装。
所述的前压差硬管16、后压差硬管14与壳体3的中心轴线角度分别为0-60°。前压差硬管16、后压差硬管14分别与壳体3保持一定的角度，角度范围为0-60°。当壳体3安装在汽车上时，使得前压差硬管16、后压差硬管14分别与汽车水平面的夹角大于30°。从而可有效避免压差管寒区结冰的问题。前压差硬管16、前压差软管17、后压差硬管14、后压差软管15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。
本实施例中，如图1、图2、图3所示。所述的壳体3外壁上设置转接支架20，转接支架20上可拆卸安装支架19。转接支架20一体化固定到壳体3外壁上，转接支架20上设置螺孔，支架19通过螺栓安装在转接支架20上。转接支架20上设置安装孔，用于可调节的将催化器固定在汽车上。所述的进气锥2进气口的中心与出气锥7出气口的中心之间间距为L，50mm≤L≤100mm。进气锥2进气口轴心与壳体3的轴心呈一定的夹角，出气锥7出气口轴心也与壳体3的轴心呈一定的夹角。便于对接安装的同时，可以缩短进气锥2进气口的中心与出气锥7出气口的中心之间间距L。将L控制在50mm～100mm。既能满足TWC4的快速起燃，又能满足GPF5的再生温度要求，同时也能有效保护载体高温老化性，提高载体使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (10)

1.一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，包括壳体(3)、TWC(4)、GPF(5)，壳体(3)的前、后两端分别设置进气锥(2)、出气锥(7)，TWC(4)和GPF(5)固定安装在壳体(3)内，且TWC(4)、GPF(5)分别靠近进气锥(2)端、出气锥(7)端；壳体(3)外壁上设置前压差传感器座(11)和后压差传感器座(12)，前压差传感器座(11)位于TWC(4)和GPF(5)之间的区域，后压差传感器座(12)位于出气锥(7)上，前压差传感器座(11)、后压差传感器座(12)分别用于连接前气压传感器、后气压传感器；进气锥(2)的进气口中心轴线与壳体(3)的主体中心轴线夹角为α，且100°≤α≤115°。
2.根据权利要求1所述的一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，所述的进气锥(2)外壁上设置前氧传感器座(9)。
3.根据权利要求2所述的一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，所述的壳体(3)外壁上设置后氧传感器座(10)，后氧传感器座(10)位于TWC(4)和GPF(5)之间的区域。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，所述的壳体(3)外壁上设置温度传感器座(13)，温度传感器座(13)位于TWC(4)和GPF(5)之间的区域。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，所述的壳体(3)外部设置全包裹的三明治隔热罩(18)。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，所述的前压差传感器座(11)、后压差传感器座(12)上分别安装前压差硬管(16)、后压差硬管(14)，所述的前压差硬管(16)、后压差硬管(14)的另一端分别用于连接前气压传感器、后气压传感器。
7.根据权利要求6所述的一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，所述的前压差硬管(16)、后压差硬管(14)末端分别安装前压差软管(17)、后压差软管(15)，所述的前压差软管(17)、后压差软管(15)的另一端分别用于连接前气压传感器、后气压传感器。
8.根据权利要求6或7所述的一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，所述的前压差硬管(16)、后压差硬管(14)与壳体(3)的中心轴线角度分别为0-60°。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，所述的壳体(3)外壁上设置转接支架(20)，转接支架(20)上可拆卸安装支架(19)。
10.根据权利要求1或2或3所述的一种横置前排增压发动机TWC及GPF紧耦合热端催化器，其特征在于，所述的进气锥(2)进气口的中心与出气锥(7)出气口的中心之间间距为L，50mm≤L≤100mm。
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