帶角度的緊湊排氣后處理裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及內(nèi)燃發(fā)動機的排氣后處理裝置。本發(fā)明既可以用于載人轎車，也可以用于重型車輛，例如卡車和公共汽車。
【背景技術(shù)】
[0002]為了滿足當前嚴格的排放法律幾乎所有的具有內(nèi)燃發(fā)動機的車輛都具有包含至少一個催化轉(zhuǎn)換器底物的排氣后處理裝置。催化底物(catalytic substrate) 一般包括帶通道結(jié)構(gòu)，排氣能夠從該結(jié)構(gòu)中通過同時暴露于所述催化底物的大的表面積。催化底物的通道可以通過通孔或類似結(jié)構(gòu)的流體連接，以允許氣體在相鄰通道之間通過。這使得氣體能夠擴散穿過催化底物結(jié)構(gòu)。對于汽油發(fā)動機，大多數(shù)經(jīng)常使用的催化底物是三元催化劑(TffC)型，而對于大多數(shù)的柴油發(fā)動機，大多數(shù)經(jīng)常使用的催化底物是柴油發(fā)動機氧化型催化劑(DOC)型，和/或吸附還原催化器(Lean NOx Trap，簡稱LNT)型。優(yōu)選地，TWC或DOC/LNT被補充一種具有選擇性催化還原功能的催化底物(SCR)來降低排放。通常，當使用SCR型的催化底物時，液體或者氣體的還原劑在排氣進入SCR型催化底物之前添加到排氣流。還原劑的添加使得NOx催化還原成二原子的氮氣N2和水，H 20。將多于一種類型的催化底物的功能結(jié)合在一個催化底物的催化底物已經(jīng)存在。
[0003]結(jié)合多于一個催化底物可能存在問題，這是因為在發(fā)動機艙中由于有限可用空間的限制而使排氣后處理裝置關(guān)聯(lián)到設(shè)計限制。因而，從發(fā)動機組裝的角度來說，優(yōu)選采用小的排氣后處理裝置，但是小的排氣后處理裝置通常意味著入口和排氣后處理裝置的催化底物之間的流動距離有限。距離有限意味排氣排放的混合時間和距離有限。排氣排放的混合不充分導致排氣排放混合不均勻。這樣可能對于例如設(shè)置在排氣流中的正常工作的排放氣體傳感器給出精確的排放測量值是存在問題的。
[0004]還期望靈活地對排氣后處置裝置的入口和出口進行定位，所述入口和出口不用必須對齊。入口和出口的緊湊設(shè)計和靈活位置使得組裝體積優(yōu)化和最小化。
[0005]排氣后處理裝置其他問題領(lǐng)域是高背壓和加熱不充分。高背壓意味著非常大的排氣流動阻力。這樣會導致功率輸出的減少，對內(nèi)燃發(fā)動機的效率是不利的。對這種功率輸出的減少進行補償會導致燃料消耗量的上升。如果在兩個可能的流路之間具有背壓差，那么流過具有最低背壓的流路的流量將比具有較高背壓流路的流量大。流量比將與背壓差成正比。對催化底物進行加熱是至關(guān)緊要的，因為催化底物在相對高的溫度下最有效。因而，期望催化底物盡可能快地到達它的最佳工作溫度并且在工作期間催化底物保持熱度。
[0006]如果使用具有SCR功能的催化底物的排氣后處理裝置，排氣排放的混合不充分需要特別注意。當使用液體還原劑時，期望該液體還原劑被蒸發(fā)。因此，充分的混合和還原劑的蒸發(fā)對于具有SCR功能的催化底物正常工作是非常重要的。排氣與還原劑的均勻混合以及排氣與噴射的還原劑的適當比率也有利于SCR型的催化底物的催化特性。還原劑噴射裝置和SCR型催化底物之間具有長的距離對于混合噴射入的還原劑和排氣是有利的。還原劑噴射裝置和隨后提供的SCR型催化轉(zhuǎn)換器之間具有長的距離對噴射還原劑的蒸發(fā)也是有利的，使得噴射的還原劑能暴露于高溫排氣中較長的一段時間。因此，緊湊設(shè)計直接與排氣后處理裝置的其他期望特性相矛盾，例如充分的混合。
[0007]美國專利2008/0041036A1公開了一種添加至少一種反應(yīng)物(特別是液體)到內(nèi)燃發(fā)動機排氣流的方法和用于處理內(nèi)燃發(fā)動機排氣流的裝置。根據(jù)美國專利2008/0041036A1，一個可以是特定微粒過濾器或者催化劑主體的部件被設(shè)置在排氣流中。所述部件的下游可以設(shè)置一個噴嘴將反應(yīng)物噴射到所述部件上以形成覆蓋優(yōu)選為該部件長度的10%的涂層。根據(jù)至少一個實施例，排氣流隨后在一個反轉(zhuǎn)區(qū)域被轉(zhuǎn)向以使得排氣流被轉(zhuǎn)向以便在從該裝置中排出之前與之前進入排氣流相反的方向流動。美國專利2008/0041036A1公開的裝置具有許多優(yōu)點但僅設(shè)置了一個催化底物。另外美國專利2008/0041036A1沒有提供反應(yīng)物和排氣的充分混合。
[0008]因此，需要有進一步的改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個發(fā)明目的是提供一種緊湊排氣后處理裝置，特別是一種由于改進了混合和還原劑蒸發(fā)特性而具有改進的催化特性的緊湊排氣后處理裝置。本發(fā)明的目的是通過如權(quán)利要求1所述的排氣后處理裝置實現(xiàn)。設(shè)置所述排氣后處理裝置用來凈化從內(nèi)燃發(fā)動機(ICE)排出的尾氣。緊湊排氣后處理裝置設(shè)計是這樣的，即，通過設(shè)置兩個串聯(lián)的彼此接近的催化底物，其中第二催化底物是SCR型的，并且布置所述催化底物使得排氣流相對于穿過第二催化底物排氣流動方向成角度地穿過第一催化底物。本發(fā)明進一步的優(yōu)點和有利的特征在以下說明和從屬權(quán)利要求中公開。
[0010]本發(fā)明的排氣后處理裝置設(shè)置在內(nèi)燃發(fā)動機的下游以使從內(nèi)燃發(fā)動機排出的排氣被凈化。排氣后處理裝置可以用于具有火花塞點火發(fā)動機的車輛和具有壓縮點火發(fā)動機的車輛。如果所述排氣后處理裝置應(yīng)用在柴油機車輛上，第一催化底物優(yōu)選的是DOC型、LNT型或它們的組合。如果所述排氣后處理裝置用于汽油發(fā)動機車輛，或者其他任何火花塞點火燃料例如乙醇基燃料，第一催化底物可以是TWC型。在SCR系統(tǒng)中，還原劑被添加到排氣流中從而使具有SCR功能的底物減少N0X。還原劑，例如尿素、無水氨或氨水，被加入到排氣流中以使其與排氣中的NOx反應(yīng)。
[0011]使排氣或者排氣后處理裝置的其他部件保持熱也有利于還原劑的蒸發(fā)。催化底物一般在較高溫度最有效。因此，期望使排氣后處理裝置和排氣的冷卻最小化。
[0012]還原劑與排氣的混合和還原劑的蒸發(fā)還依賴于噴射特性。以與排氣流的流向相反、或至少相交的方向噴射還原劑對于混合特性是有利的。在還原劑噴射于催化底物表面的實施例中，期望還原劑均勻分布于大的指定區(qū)域上。
[0013]本發(fā)明的排氣后處理裝置包括外殼、第一和第二催化底物和還原劑噴射器。所述外殼設(shè)置為封裝所述排氣后處理裝置。所述第一和第二底物設(shè)置在所述外殼內(nèi)部并且所述第一催化底物設(shè)置在所述第二催化底物的上游。這樣的配置使得從位于排氣后處理裝置上游的內(nèi)燃發(fā)動機排出的氣流流經(jīng)第一催化底物之后再通過第二催化底物。所述還原劑噴射器是設(shè)置在所述第一和第二催化底物之間以使還原劑在排氣流到達第二催化底物之前加入到排氣流中，其中第二催化底物優(yōu)選是SCR型。
[0014]所述第一催化底物設(shè)置為使得流體流(根據(jù)本發(fā)明的排氣流的形式)沿第一主流動方向通過所述第一催化底物，所述第二催化底物設(shè)置成使得流體流沿第二主流動方向通過所述第二催化底物，其中所述第一和第二主流動方向彼此成角度。成角度的設(shè)計使得面對車輛組裝需求時具有靈活性。此外，在所述第一催化底物的下游設(shè)置流體轉(zhuǎn)向壁，藉此，在所述第一催化底物和第二催化底物之間的流體流(優(yōu)選為從內(nèi)燃發(fā)動機排出的排氣)至少部分地改變方向，使得流體流流經(jīng)所述第一催化底物的外周之后到達第二催化底物。所述流體轉(zhuǎn)向壁相對于第一催化底物的出口表面以第一角度傾斜。由此該流體轉(zhuǎn)向壁相對于從第一催化底物排出的所述第一主流動方向傾斜，使得接近所述流體轉(zhuǎn)向壁的流體流可形成旋轉(zhuǎn)運動。所述還原劑噴射器設(shè)置在所述流體轉(zhuǎn)向壁處在沿著所述第一催化底物的第一主流動方向與所述出口表面具有第一距離的位置處，第一距離比所述出口表面和所述流體轉(zhuǎn)向壁的平均距離大。所述還原劑噴射器被定向為與所述第一催化表面的出口表面成第二角度。流體轉(zhuǎn)向壁還可具有催化表面以提供額外的排放降低特性。
[0015]如本發(fā)明所述的具有緊湊設(shè)計的具有兩個催化底物的排氣后處理裝置，其一般意味著兩個催化底物之間的距離較短通常存在混合不充分的問題。然而本發(fā)明的流體轉(zhuǎn)向壁使得排氣至少部分轉(zhuǎn)向并且穿過第一催化底物的外周面后到達所述第二催化底物。將所述還原劑噴射器設(shè)置在流體轉(zhuǎn)向壁上也改善了還原劑的蒸發(fā)。從流動方向方面看在外周面的上游設(shè)置所述還原劑確保了在到達第二人催化底物之前能夠發(fā)生混合的距離是足夠的。
[0016]將所述還原劑噴射器設(shè)置在所述傾斜的轉(zhuǎn)向壁的第二端部處使得所述還原劑噴射器能被設(shè)置得距離第一催化底物的出口表面更遠，由此還原劑在到達出口表面前，將與高溫排氣混合并暴露于高溫排氣更長的時間。這也使所述第一角度能設(shè)置為使得所述還原劑能夠分布在與所述還原劑噴射器例如設(shè)置在所述轉(zhuǎn)向壁的中間位置情況下還原劑所能分布的面積相比較的更大面積上。增強與高溫排氣的混合和對高溫排氣的暴露以及將還原劑分布在更大的表面上都有利于蒸發(fā)特性。
[0017]通過所述轉(zhuǎn)向壁對排氣進行轉(zhuǎn)向不僅延長了所述第一和第二催化底物之間的距離，并且通過導向高溫排氣使得排氣在到達第二催化底物之前通過第一催化底物的外周面，從而最小化了第一催化底物的冷卻。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述轉(zhuǎn)