本發(fā)明涉及一種催化器及使用該催化器的內(nèi)燃機和車輛。

背景技術(shù)：

內(nèi)燃機的主要污染物為氮氧化物（nox）和顆粒物，由于其天然的“trade-off”關(guān)系，無法通過在內(nèi)燃機內(nèi)部凈化同時降低兩種污染物，目前最常用的是使用高壓燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化內(nèi)燃機的缸內(nèi)燃燒來降低內(nèi)燃機的顆粒物排放，并在內(nèi)燃機排氣管處增加催化器，催化器采用scr（氮氧選擇性催化還原）技術(shù)降低氮氧化物的排放。

scr技術(shù)是，尿素噴射控制單元（dcu）根據(jù)預先標定的脈譜圖（map），控制尿素噴射系統(tǒng)向內(nèi)燃機的排氣管中噴射一定量的尿素水溶液，在熱的排氣作用下，尿素熱解、水解生成氨氣（nh3），與內(nèi)燃機的排氣混合后進入scr催化器，催化器通常制成蜂窩狀孔道結(jié)構(gòu)，孔道壁面涂覆有一定量的催化劑活性組分，內(nèi)燃機的排氣進入催化劑蜂窩狀孔道后，排氣中的nox與nh3在催化劑蜂窩狀孔道內(nèi)發(fā)生催化還原反應，nh3在氧化氛圍中把nox還原為無害的氮氣和水，降低內(nèi)燃機nox污染物排放。

氨氣（nh3）能否與內(nèi)燃機的排氣充分混合是制約scr催化器的催化效率的一個重要因素，采用空氣輔助尿素噴嘴，以及在催化器前加裝混合器等技術(shù)手段可以提高nh3在排氣中的濃度分布均勻性。申請?zhí)枮?01220310459.8的中國實用新型專利公開了一種分段式催化劑載體結(jié)構(gòu)，包括外殼及設(shè)置于外殼中的載體即催化體，催化體外形為圓柱體結(jié)構(gòu)，催化體內(nèi)部是金屬卷制的蜂窩結(jié)構(gòu)，催化體包括沿殼體的軸線方向設(shè)置的第一級催化體和第二級催化體，第一級催化體和第二級催化體間隔設(shè)置，二者之間具有中空部分即空腔，內(nèi)燃機的廢氣進入催化器后首先經(jīng)過第一級催化體的蜂窩孔道中，與第一級催化體內(nèi)壁上涂覆的催化劑發(fā)生化學反應，然后進入中空部分中進行二次混合，因此進入第二級催化體中的氣體會比進入第一級催化體中的氣體均勻性更好，有效提高了第二級催化體內(nèi)的化學反應的效率。但是，上述設(shè)計也存在著缺陷，因為催化器的催化效率對溫度極其敏感，將催化體分段設(shè)置且第一級催化體與第二級催化體之間具有中空部分，氣體的流動距離增加，導致氣體溫度降低，進而造成第二級催化體中的氣體溫度低于催化劑起燃溫度或處于催化劑活性較低的溫度區(qū)間，雖然氣體混合均勻性增加了，但催化效率仍然較低。清華大學趙彥光博士學位論文《柴油機scr技術(shù)尿素噴霧熱分解及氨存儲特性的試驗研究》表明，內(nèi)燃機排溫一定時，隨排氣流量的增加，氨氣（nh3）濃度分布均勻性呈增加的趨勢，當內(nèi)燃機排氣流量一定時，nh3濃度均勻性也隨著排溫的提高呈上升的趨勢，且不論是否加裝混合器，nh3濃度都不會達到完全均勻；唐煒等公開發(fā)表論文《柴油機尿素scr反應特性的試驗研究》表明，排溫在250℃以下時催化還原反應幾乎不進行，可以認為釩基催化劑的溫度活性窗口在250℃以上；山東大學張紀元博士學位論文《重型柴油機scr系統(tǒng)應用技術(shù)研究》表明，對于大多數(shù)卡車和公交車裝配的scr系統(tǒng)，在低于280℃時，催化劑活性會顯著降低。因此需要對催化器進行改進以提高其催化效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種催化效率高的催化器；同時，本發(fā)明的目的還在于提供一種使用該催化器的內(nèi)燃機；本發(fā)明的目的還在于提供一種使用該催化器的車輛。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種催化器的技術(shù)方案是：一種催化器，包括殼體，殼體中沿其軸線方向依次設(shè)置有至少兩個具有蜂窩孔道的催化體，至少一個催化體為沿殼體的軸線方向可移動安裝于殼體中的活動催化體，活動催化體與相鄰的催化體之間具有與各自的蜂窩孔道均連通的且軸向長度可調(diào)節(jié)的混合間隙，該催化器還包括用于驅(qū)動活動催化體動作以調(diào)節(jié)混合間隙的軸向長度的驅(qū)動機構(gòu)。

相鄰兩個催化體之間插裝配合，相鄰兩個催化體之間的配合位置處設(shè)置有密封圈。

相鄰兩個催化體之間沿徑向方向上設(shè)置有防止二者之間發(fā)生轉(zhuǎn)動的限位結(jié)構(gòu)。

所述相鄰兩個催化體的相對應的蜂窩孔道的長度不同。

所述催化器還包括控制器，控制器與內(nèi)燃機信號連接，控制器與驅(qū)動機構(gòu)控制連接。

所述殼體中沿其軸線方向依次設(shè)置有兩個催化體，靠近殼體的進氣口的為第一級催化體，遠離殼體的進氣口的為第二級催化體，第一級催化體固定安裝于殼體中，第二級催化體為活動催化體。

本發(fā)明的一種內(nèi)燃機的技術(shù)方案是：內(nèi)燃機包括缸體和設(shè)置于缸體的排氣口處的催化器，催化器包括殼體，殼體中沿其軸線方向依次設(shè)置有至少兩個具有蜂窩孔道的催化體，至少一個催化體為沿殼體的軸線方向可移動安裝于殼體中的活動催化體，活動催化體與相鄰的催化體之間具有與各自的蜂窩孔道均連通的且軸向長度可調(diào)節(jié)的混合間隙，該催化器還包括用于驅(qū)動活動催化體動作以調(diào)節(jié)混合間隙的軸向長度的驅(qū)動機構(gòu)。

相鄰兩個催化體之間插裝配合，相鄰兩個催化體之間的配合位置處設(shè)置有密封圈。

相鄰兩個催化體之間沿徑向方向上設(shè)置有防止二者之間發(fā)生轉(zhuǎn)動的限位結(jié)構(gòu)。

所述相鄰兩個催化體的相對應的蜂窩孔道的長度不同。

所述催化器還包括控制器，控制器與內(nèi)燃機信號連接，控制器與驅(qū)動機構(gòu)控制連接。

所述殼體中沿其軸線方向依次設(shè)置有兩個催化體，靠近殼體的進氣口的為第一級催化體，遠離殼體的進氣口的為第二級催化體，第一級催化體固定安裝于殼體中，第二級催化體為活動催化體。

本發(fā)明的一種車輛的技術(shù)方案是：一種車輛包括車體和內(nèi)燃機，內(nèi)燃機包括缸體和設(shè)置于缸體的排氣口處的催化器，催化器包括殼體，殼體中沿其軸線方向依次設(shè)置有至少兩個具有蜂窩孔道的催化體，至少一個催化體為沿殼體的軸線方向可移動安裝于殼體中的活動催化體，活動催化體與相鄰的催化體之間具有與各自的蜂窩孔道均連通的且軸向長度可調(diào)節(jié)的混合間隙，該催化器還包括用于驅(qū)動活動催化體動作以調(diào)節(jié)混合間隙的軸向長度的驅(qū)動機構(gòu)。

相鄰兩個催化體之間插裝配合，相鄰兩個催化體之間的配合位置處設(shè)置有密封圈。

相鄰兩個催化體之間沿徑向方向上設(shè)置有防止二者之間發(fā)生轉(zhuǎn)動的限位結(jié)構(gòu)。

所述相鄰兩個催化體的相對應的蜂窩孔道的長度不同。

所述催化器還包括控制器，控制器與內(nèi)燃機信號連接，控制器與驅(qū)動機構(gòu)控制連接。

所述殼體中沿其軸線方向依次設(shè)置有兩個催化體，靠近殼體的進氣口的為第一級催化體，遠離殼體的進氣口的為第二級催化體，第一級催化體固定安裝于殼體中，第二級催化體為活動催化體。

本發(fā)明的有益效果是：驅(qū)動機構(gòu)能夠帶動活動催化體沿殼體的軸線方向運動，用來調(diào)節(jié)活動催化體與相鄰的催化體之間的混合間隙，當內(nèi)燃機負荷較小時，排氣溫度和流量均比較低，氨氣在排氣中均勻性較差，此時活動催化體與相鄰的催化體之間的混合間隙需要的距離較長，來提高氨氣的在排氣中的混合均勻性；當內(nèi)燃機負荷較大時，排氣溫度和流量均較大，氨氣在排氣中的均勻性較好，此時活動催化體與相鄰的催化體之間的混合間隙較短時就可滿足混合要求，此時較短的混合間隙可以減少熱量的損失，提高催化劑所在的環(huán)境溫度和催化活性；在內(nèi)燃機接近滿負荷時，內(nèi)燃機排氣溫度和流量均為最大，氨氣在排氣中均勻性好，此時應將活動催化體與相鄰的催化體之間的混合間隙調(diào)節(jié)為零，即活動催化體與相應的催化體對接在一起，減少熱量的損失，提高催化效率，同時活動催化體與相鄰的催化體之間的混合間隙調(diào)節(jié)為零可以避免增加排氣背壓，提高內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性。以上結(jié)構(gòu)的催化器可以兼顧內(nèi)燃機的性能和催化器的催化效率。

進一步地，密封圈的設(shè)置可以保證相鄰兩個催化體之間不漏氣，防止氨氣漏出排入空氣中。

進一步地，限位結(jié)構(gòu)的設(shè)置保證相鄰的兩個催化體之間不發(fā)生轉(zhuǎn)動和徑向位移，保證在內(nèi)燃機接近滿負荷時，相鄰兩個催化體的各蜂窩孔道一一正對，而不會使兩個催化體的蜂窩孔道錯位導致氣體堵塞，減小后面的催化體對氣流的阻力。

進一步地，相鄰兩個催化體的相對應的蜂窩孔道的長度不同，排氣噪聲在催化器內(nèi)突擴或碰壁時產(chǎn)生的反射聲波與原聲波疊加發(fā)生干涉效應，起到消聲作用。

進一步地，控制器與內(nèi)燃機信號連接采取內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速信號，然后控制驅(qū)動機構(gòu)動作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種車輛的實施例一中的催化器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為第一級催化體和第二級催化體的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2在a-a處的剖視圖；

圖4為驅(qū)動機構(gòu)的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明。

本發(fā)明的一種車輛的實施例一，如圖1至圖4所示，包括車體和設(shè)置于車體上的內(nèi)燃機，內(nèi)燃機包括缸體和設(shè)置于缸體的排氣口處的催化器10，催化器10包括殼體9，殼體9中沿其軸線方向依次設(shè)置有兩個催化體，靠近殼體9的進氣口的催化體為第一級催化體5，遠離殼體9的進氣口的催化體為第二級催化體8，其中第二級催化體8為能夠在殼體9中沿其軸線方向移動安裝的活動催化體，催化器10還包括用于驅(qū)動第二級催化體8運動以調(diào)節(jié)兩個催化體之間的混合間隙7的軸向長度的驅(qū)動機構(gòu)。

第一級催化體5固定安裝于殼體9中，第一級催化體5包括第一級催化體殼體和設(shè)置于第一級催化體殼體內(nèi)的第一載體，第一載體包括多個第一蜂窩孔道6，第一級催化體殼體包括用于供第一載體安裝的催化體安裝段16和朝向殼體9的出氣口延伸的延伸段20，延伸段20為中空結(jié)構(gòu)，延伸段20內(nèi)部呈階梯結(jié)構(gòu)，階梯結(jié)構(gòu)的臺階面形成用于與第二級催化體擋止配合以限制其朝向殼體的進氣口移動的最大位移的限位面。第二級催化體8包括導向移動安裝于第一級催化體5的延伸段20中的第二級催化體殼體和設(shè)置于第二級催化體內(nèi)的第二載體，第二級催化體殼體為階梯軸結(jié)構(gòu)，第二級催化體殼體的小徑段18上設(shè)置有用于與第一級催化體5的延伸段20的孔壁密封配合的密封圈17，密封圈17為剛性密封圈，防止氣體由第一級催化體5和第二級催化體8之間漏出,密封圈17與第一級催化體5的延伸段20之間涂抹有石墨潤滑脂進行潤滑。第二載體包括多個軸線方向與殼體9的軸向方向平行和相同的第二蜂窩孔道21，第一級催化體5和第二級催化體8之間通過花鍵結(jié)構(gòu)進行安裝，花鍵結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于第一級催化體5的延伸段20的內(nèi)孔壁上的花鍵槽和設(shè)置于第二級催化體8的大徑段19上的花鍵，花鍵結(jié)構(gòu)形成限位結(jié)構(gòu)，保證第一級催化體5和第二級催化體8在徑向上不發(fā)生位移且二者之間不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，確保在內(nèi)燃機接近滿負荷時，相鄰兩個催化體之間的混合間隙等于零時，相鄰兩個催化體的各蜂窩孔道一一正對，而不會使兩個催化體的蜂窩孔道錯位導致氣體堵塞，減小后面的催化體對氣流的阻力。

驅(qū)動機構(gòu)包括伺服電機14和曲柄滑塊結(jié)構(gòu)13，曲柄滑塊結(jié)構(gòu)13包括轉(zhuǎn)動副（曲柄24和連桿23）和移動副（滑塊22），催化器10還包括控制器15，控制器15為尿素噴射控制單元（dcu，dosingcontrolunit），伺服電機14與曲柄滑塊結(jié)構(gòu)13的轉(zhuǎn)動副連接，曲柄滑塊結(jié)構(gòu)13的移動副與第二級催化體8連接，控制器15與內(nèi)燃機信號連接用于采集內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速負荷信號，通過相應的控制策略控制伺服電機14轉(zhuǎn)動，進而帶動第二級催化體8軸向運動，從而調(diào)整兩個催化體之間的混合間隙的長度l0。

催化器10的殼體9的后端通過后接頭11連接有尾管12，尾管12用于與下游的消音器、催化氧化器等其他裝置連接。催化器的殼體的前端通過前接頭4連接于內(nèi)燃機的排氣管1上，內(nèi)燃機的排氣管1上設(shè)置有尿素噴射裝置2，內(nèi)燃機的排氣管1上還設(shè)置有混合器3。在使用時，尿素噴射裝置2，向內(nèi)燃機的排氣管1中供給一定量的尿素水溶液，尿素在熱的排氣作用下發(fā)生熱解、水解反應生成氨氣（nh3），與排氣混合后到達第一級催化體5的入口截面，可以認為在該截面氮氧化物（nox）的分布是均勻的，但氨氣（nh3）并不是完全均勻分布的。當混合氣進入第一級催化體5的第一蜂窩狀孔道6后，由于各第一蜂窩孔道6之間互不連通，不同第一蜂窩孔道6內(nèi)氨氣（nh3）濃度不同，即不同的第一蜂窩孔道6內(nèi)有不同的氨氣（nh3）總量，這會導致部分第一蜂窩孔道6中氨氣（nh3）過量，而另一部分第一蜂窩孔道6中氨氣（nh3）不足。當排氣流過第一級催化體5后，進入兩個催化體之間的混合間隙7中，在混合間隙7內(nèi)由于氣流擾動，排氣中的氨氣（nh3）和氮氧化物（nox）進一步混合，隨后進入所述第二載8體中，由于二次混合，各第二蜂窩孔道21之間的組分（nox和nh3）濃度分布更均勻，在第二級催化體8的出口所測得氮氧化物（nox）含量低于現(xiàn)有的scr催化器，即催化器轉(zhuǎn)化效率提高，同時nh3泄漏量減小。

第一級催化體5與第二級催化體8之間具有混合間隙7，由于混合間隙的存在，排氣通過混合間隙7時處發(fā)生膨脹，有一定的消聲作用；此外，所述第一級催化體5的第一蜂窩孔道6的長度l1和第二級催化體8的第二蜂窩孔道21的長度l2不同，排氣噪聲在催化器內(nèi)突擴或碰壁產(chǎn)生的反射聲波與原聲波疊加發(fā)生干涉效應，起到消聲作用；通過伺服電機14和曲柄滑塊結(jié)構(gòu)13調(diào)整第一級催化體5與第二級催化體8之間的混合間隙的長度l0，即調(diào)整了反射聲波與原聲波的相位差，通過一定的控制策略匹配內(nèi)燃機工況，可以使其相位差恰好為當前工況排氣噪聲主頻率的半波相位，聲波疊加后完全干涉，有更好的消聲作用。

上述催化器的工作過程為：當內(nèi)燃機負荷較小時，排氣溫度和流量均比較低，氨氣在排氣中均勻性較差，此時第一級催化體5與第二級催化體8之間的混合間隙7需要的距離較長，來提高氨氣的在排氣中的混合均勻性；當內(nèi)燃機負荷較大時，排氣溫度和流量均較大，氨氣在排氣中的均勻性較好，此時第一級催化體5和第二級催化體8之間的混合間隙7較短時就可滿足混合要求，此時較短的混合間隙可以減少熱量的損失，提高催化劑所在的環(huán)境溫度和催化活性；在內(nèi)燃機接近滿負荷時，內(nèi)燃機排氣溫度和流量均為最大，氨氣在排氣中均勻性好，此時應將第一級催化體5和第二級催化體8之間的混合間隙調(diào)節(jié)為零，即第一級催化體5和第二級催化體8對接在一起，減少熱量的損失，提高催化效率，同時活動催化體與相鄰的催化體之間的混合間隙調(diào)節(jié)為零可以避免增加排氣背壓，提高內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性。同時以上結(jié)構(gòu)的催化器可以兼顧內(nèi)燃機的性能和催化器的催化效率。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：能根據(jù)內(nèi)燃機工況自動調(diào)整第一級催化體和第二級催化體之間的混合間隙的長度，在部分負荷工況下以提高氨氣（nh3）濃度分布均勻性為主，增加混合間隙的長度，在內(nèi)燃機大負荷工況下，以避免排氣熱量損失為主，縮短混合間隙的長度，兼顧了氨氣（nh3）濃度分布均勻性和內(nèi)燃機的性能，避免造成排氣較大的熱量損失，提高了催化器轉(zhuǎn)化效率。

本發(fā)明的一種車輛的實施例二，與實施例一的區(qū)別在于，殼體中設(shè)置有三個催化體，分別為第一級催化體、中間催化體和第二級催化體，此時第一級催化體、中間催化體和第二級催化體中的至少一個催化體為活動催化體。

本發(fā)明的一種車輛的實施例三，與實施例一的區(qū)別在于，第二級催化體固定安裝于殼體中，第一級催化體為活動催化體，此時驅(qū)動機構(gòu)與第一級催化體連接。

本發(fā)明的一種車輛的實施例四，與實施例一的區(qū)別在于，第一級催化體與第二級催化體可以并列設(shè)置，二者不采用插裝的方式，此時活動催化體導向移動安裝于殼體中。

本發(fā)明的一種車輛的實施例五，與實施例一的區(qū)別在于，第一級催化體和第二級催化體均為活動催化體，此時驅(qū)動機構(gòu)包括用于驅(qū)動各活動催化體運動的第一驅(qū)動機構(gòu)和第二驅(qū)動機構(gòu)。

本發(fā)明的一種車輛的實施例六，與實施例一的區(qū)別在于，第一級催化體上的第一蜂窩孔道的長度和第二級催化體上的第二蜂窩孔道的長度相同。

本發(fā)明的一種車輛的實施例七，與實施例一的區(qū)別在于，限位結(jié)構(gòu)不采用花鍵結(jié)構(gòu)，限位結(jié)構(gòu)為設(shè)置于第一級催化體與第二級催化體之間的凹凸結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)第一級催化體與第二級催化體之間不能轉(zhuǎn)動且徑向上不發(fā)生位移，軸向上二者能夠?qū)蛞苿优浜稀?/p>

上述催化器的控制方法為：選定內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速和負荷為控制信號，制定內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速、負荷、混合間隙長度的關(guān)系對照圖（map），dcu獲取內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速和負荷信號，查詢map，獲得該轉(zhuǎn)速、負荷下對應的混合間隙的長度，驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動活動催化體移動以增大或減小所述混合間隙的軸向長度，當內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速、負荷信號達到設(shè)定的標準值時，驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動活動催化體使所述混合間隙的軸向長度為零，此時活動催化體與相應的催化體對接。

一種內(nèi)燃機的實施例與上述一種車輛的各實施例中的內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)相同，此處不再贅述。

一種催化器的實施例與上述一種車輛的各實施例中的催化器的結(jié)構(gòu)相同，此處不再贅述。