[發明專利]用于車輛正點火內燃發動機的排氣系統

在審

• 申請號: 201080064672.9
• 申請日: 2010-12-23
• 公開（公告）號: CN102762283A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: L.C.阿爾諾;R.J.布里斯利;N.R.科林斯;D.R.格林威爾;C.G.莫爾岡
• 申請（專利權）人: 約翰遜馬西有限公司
• 主分類號: B01D53/94
• 分類號: B01D53/94;F01N3/035
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 周李軍;楊思捷

本發明涉及一種用于處理在來自車輛正點火內燃發動機的廢氣中的顆粒物質(PM)的排氣系統，特別用于化學計量操作的正點火發動機，但是也適用于貧燃燒正點火發動機，所述系統包含用于處理PM的過濾器。

正點火發動機使用火花點火引起烴和空氣混合物燃燒。與之對比，壓縮點火發動機通過將烴噴射至壓縮空氣中引起烴燃燒。正點火發動機可通過汽油燃料、與充氧物(包括甲醇和/或乙醇)共混的汽油燃料、液體石油氣或壓縮天然氣供應燃料。

三路催化劑(TWC)通常含有一種或多種鉑族金屬，特別是選自鉑、鈀和銠的那些。

TWC旨在催化三個同時的反應：(i)一氧化碳氧化為二氧化碳，(ii)未燃燒的烴氧化為二氧化碳和水；和(iii)氮氧化物還原為氮和氧。它們不設計用于從貧廢氣吸附NO_x。當TWC接受來自在或大致在化學計量點運轉的發動機的廢氣時，反應(i)-(iii)(含)最有效地發生。如本領域公知的，當在正點火(例如，火花-點火)內燃發動機中燃燒汽油燃料時，排放的一氧化碳(CO)、未燃燒的烴(HC)和氮氧化物(NO_x)的量主要受燃燒氣缸中空氣與燃料比率的影響。具有化學計量平衡的組成的廢氣為其中氧化氣體(NO_x和O₂)和還原氣體(HC和CO)的濃度實質上匹配的廢氣。產生這種化學計量平衡的廢氣組成的空氣與燃料比率通常給定為14.7:1。

理論上，應該可能實現在化學計量平衡的廢氣組成中O₂、NO_x、CO和HC完全轉化為CO₂、H₂O和N₂?(和殘余的O₂)，并且這是TWC的責任。因此，理想地，發動機的操作方式應使得燃燒混合物的空氣與燃料比率產生化學計量平衡的廢氣組成。

在廢氣的氧化氣體和還原氣體之間限定組成平衡的一種方式為廢氣的λ(λ)值，其可如下根據方程式(1)來限定：

實際的發動機空氣與燃料比率/化學計量發動機空氣與燃料比率，(1)

其中λ值為1代表化學計量平衡的(或化學計量)廢氣組成，其中λ值>1代表過量的O₂和NO_x，并且該組成描述為“貧”，并且其中λ值<1代表過量的HC和CO，并且該組成描述為“富”。本領域還常將發動機操作時的空氣與燃料比率稱為“化學計量”、“貧”或“富”，這取決于空氣與燃料比率產生的廢氣組成，因此，取決于化學計量操作的汽油發動機或貧燃燒的汽油發動機。

應理解的是，當廢氣組成為貧化學計量時，使用TWC將NO_x還原為N₂不太有效。同樣，當廢氣組成為富時，TWC不太能氧化CO和HC。因此，挑戰在于保持流動進入TWC的廢氣的組成盡可能接近化學計量組成。

當然，當發動機處于穩態時，相對容易確保空氣與燃料比率為化學計量。然而，當發動機用于推動車輛時，所需的燃料的量暫時改變，這取決于司機對發動機的載荷要求。這使得控制空氣與燃料比率從而為三路轉化產生化學計量廢氣特別困難。實際上，通過發動機控制單元來控制空氣與燃料比率，該發動機控制單元接受關于廢氣組成的信息，其來自廢氣氧(EGO)?(或λ)傳感器：所謂的閉合回路反饋系統。這種系統的特性在于空氣與燃料比率在稍富化學計量(或對照設定)點和稍貧之間振蕩(或擾動)，因為存在與調節空氣與燃料比率關聯的時間滯后。該擾動的特征在于空氣與燃料比率的幅度和響應頻率(Hz)。

在典型的TWC中的活性組分包含在高表面積氧化物上負載的鉑和鈀中的一種或二者與銠的組合或甚至僅鈀(不含銠)，以及氧儲存組分。

當廢氣組成稍微富于設定點時，需要少量的氧來消耗未反應的CO和HC，即，使得反應更加化學計量。相反，當廢氣稍微貧時，需要消耗過量的氧。這通過開發在擾動期間釋放或吸收氧的氧儲存組分來實現。在現代TWC中最常用的氧儲存組分(OSC)為二氧化鈰(CeO₂)或含有鈰的混合氧化物，例如，Ce/Zr混合氧化物。

環境PM基于它們的空氣動力學直徑(空氣動力學直徑定義為作為測量的顆粒在空氣中具有相同沉降速度的1?g/cm³密度球體的直徑)被大多數作者分為以下種類：

(i)?PM-10—空氣動力學直徑小于10?μm的顆粒；

(ii)?細顆粒—直徑低于2.5?μm(PM-2.5)；

(iii)?超細顆粒—直徑低于0.1?μm(或100?nm)；和