CN101395351A - 火花点火式内燃发动机的排气系统 - Google Patents

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Abstract

一种火花点火式内燃发动机的排气系统包括三向催化剂组合，它包括氧贮备成分，将该TWC组合涂覆在径流的单块基底上，该基底包括若干通道，每个通道具有从入口端延伸到出口端的长度以及一个单一的λ传感器，其中该基底包括若干通道的一部分，其中在从入口端延伸的通道长度的至少一部分中，该TWC组合相对于基底剩余部分中的TWC组合，具有降低的氧贮备作用，或者没有氧贮备作用，该装置是这样的，单一传感器基本上仅与排放气体接触，该气体首先接触具有降低的氧贮备作用或没有氧贮备作用的TWC组合。

Description

火花点火式内燃发动机的排气系统
本发明涉及火花点火式内燃发动机的排气系统，包括三向催化剂(TWC)组合，它包括氧贮备成分(OSC)，该TWC组合涂覆在径流的单块基底上，该基底包括若干通道，每个通道具有从入口端延伸到出口端的长度，和一个单一的λ传感器。
如在技术中所周知的，当在火花点火式的内燃发动机中燃烧汽油燃料时排放的一氧化碳(CO)、未燃烧的碳氢化物(HC)和氧化氮(NOx)的量主要受燃烧汽缸中空气-燃料比的影响。具有合理配比的平衡组合的排放气体是在其中氧化气体(NOx和O2)和还原气体(HC和CO)的浓度是基本上匹配的一种。产生合理配比平衡排放气体组合的空气-燃料比典型地给出为14.1:7。
理论上，应该可能实现在合理配比的平衡排放气体中O2、NOx和N2的完全转化同时这就是被称为三向催化剂的功能。因此，理想地，发动机应以这样的方式工作，即燃烧混合物的空气-燃料比产生合理配比的平衡排放气体组合。
确定排放气体的氧化气体与还原气体之间混合平衡的另一方法是，根据式(1)确定排放气体的λ值：
实际发动机的空气-燃料比/合理配比的发动机空气-燃料比(1)
式中1的λ值代表合理配比的平衡(或化学当量的)排放气体组合，其中>1的λ值代表O2和NOX的过量同时该组合被描述成“贫气”，同时<1的λ值代表HC和CO的过量同时组合被描述成“富气”。在技术中也是常见的，根据空气-燃料比产生合理配比地工作的汽油发动机或贫油燃烧汽油发动机的排出气体组合，把发动机工作时的空气-燃料比看成“合理配比的”、“贫的”或“富的”。
当排放气体组合是合理配比的贫的时，应该理解使用TWC的NOX到N2的还原是不太有效的。同样，当排放气体组合是富的时，不太可能氧化CO和HC。因此，提出的问题是在尽可能接近合理配比的组合时保持排放气体组合流到TWC中。
当然，当发动机处于稳定状态时比较容易确保空气-燃料比是合理配比的。但是，当发动机用于驱动车辆时，要求的燃料量的瞬时改变取决于驾驶员加到发动机上的负荷要求。这就完成控制空气-燃料比，因此对于三向转化产生合理配比的排放气体特别困难。在实际中，由一个发动机控制装置控制空气-燃料比，该控制装置从排放气体的氧(EGO)(或λ)传感器接受有关排放气体组合的信息，该传感器被称之为闭环反馈系统。此系统的一个特征是空气-燃料比在合理配比(或控制设定)点的稍富与稍贫之间波动，因为存在与调节空气-燃料比相关的时间滞后。此波动的特征在于空气-燃料比的幅值和响应频率(HZ)。
在典型TWC中的活化元素包括支撑在高表面面积氧化的铂和钯和铑的一个或二个。
当排放气体组合是设定点的稍富时，需要少量的氧以消耗未反应的CO和HC，即使反应更化学当量的。相反，当排放气体变成稍贫时，需要消耗过量的氧。这是通过开发在波动过程中释放或吸收氧的氧贮备成分来实现。在现代TWC中最常使用的氧贮备成分(OSC)是氧化鈰(CeO2)或包含鈰的混合氧化物，例如，Ce/Zr混合氧化物。
对现代TWC的典型传感器装置是配置第一λ传感器以接触TWC上游侧上的排放气体和第二λ传感器以接触TWC下游侧上的排放气体，即接触离开TWC的排放气体。使用第一传感器通过输入传感器读数到发动机的控制装置以便用闭环控制来控制发动机的空气-燃料比。主要地，使用第二传感器有二个目的：“微调”发动机的空气-燃料比的控制，这是第一λ传感器的主要目的；以及用于在车上的诊断。
连续地使用在车上的诊断系统以监控车辆的排放气体的后处理装置，如TWC，为了当装置不再满足规定排放标准时报告和设定误码或报警信号。
λ传感器是昂贵的同时最近已经建议去除一个λ传感器并在置于TWC内或刚好在TWC下游的单个λ传感器上运行系统(例如，见WO2005/064139，通过参考此处包括该专利的全部内部)。这不仅可使整个系统低成本，且可以相信，通过放置单个λ探头更紧靠TWC，有可能减少与调节空气-燃料比相关的时间滞后，以便更精确地控制排放气体的λ值并因而提高转化的效率。甚至还有可能使用更小的包括少量昂贵的贵金属活化成分的TWC。
现在我们已经开发一种与排放系统结合使用的包括单个λ传感器的TWC原理它能使系统作为一个整体更快地反应以改变排放气体的氧化还原剂组合，因而能使发动机空气-燃料比的闭环反馈控制更精确。
根据一个方面，提供火花点火式内燃发动机的排发系统，它包括：
(a)三向催化剂组合包括一个氧贮备成分，将该TWC组合涂覆在径流单块基底上，该基底包括若干通道，每个通道具有从入口端列出端延伸的长度；以及
(b)单个λ传感器，
其中该基底包括若干通道的一部分其中该TWC组合从入口延伸的通道长度的至少一部分中，相对于基底剩余部分中的TWC组合，具有降低的氧贮备能力，或者没有氧贮备能力，该装置是这样的，单个λ传感器基本上仅接触排放气体，该排放气体首先接触具有降低的氧贮备能力或无氧贮备能力的TWC组合。
在一个实施例中，若干通道的部分是环形形的，但是在特殊的实施例中，若干通道的部分在形状上是扇形的(也见附图)。径流的衬底单块可以由陶瓷材料或由具有任何合适的孔密度，例如200-1200孔/英寸2，的金属制成。已知获得这种涂覆装置的设备与方法，例如我们的WO99/47260。
在另一个实施例中，将λ传感器放置在部分地由径流单块衬底的外壁限定的孔中，因为径流块的一些通道不是完全经过衬底延伸。但是，从处理的角度看以TWC组合涂覆具有在其外壁中钻的孔的径流衬底是比较困难的。在钻孔之前首先涂覆衬底以接纳λ传感器也产生问题，其中由于钻衬底可能以粉尘形式损失昂贵的PGM金属。此外，涂覆粉尘的PGM是致过敏物并表现对工厂工人的健康和安全的危险。
因而，在一个特殊实施例中，若干通道的部分从基底的入口端到出口端延伸同时λ传感器紧接近地位于出口端的下游，排气系统包括基本上防止排放气体接触λ传感器而不是排放气体流入若干通道的部分中。
使用位于TWC衬底内，或其下游的单个λ传感器呈现如何控制发动机空气-燃料比到与先前技术系统提供的类似范围的问题，其中一个λ传感器位于TWC衬底的上游而另一个位于下游。本发明通过能使单个λ传感器“看见”接触少量或不接触OSC的排放气体来解决此问题。因而该系统能够比如果单个λ传感器放置在“常规的”TWC衬底即均匀涂覆TWC组合的衬底，的下游更快地对排放气体混合中大的波动起反作用。这就增加控制水平和对熟练工程师可能的设计选择。
为基本上防止排放气体与放置在TWC下游的入传感器接触的装置包括接纳与包围λ传感器的转向器，该转向器在上游端和下游端敞开。该转向器可取许多形式，但是在一个实施例中，它包括由罐的内表面支持的成形的金属带，在该罐内保持该基底。
在本发明中使用的TWC组合典型地包括二或多种铂族金属(PGMs)，通常为Pt/Rh、Pd/Rh或Pt/Pd/Rh，的组合。总的PGM加料范围可低到大约从2克/英尺3到300克/英尺3，虽然总的PGM在Pt/Rh组合中通常为<100克/英尺3。在Pd/Rh系统中总的PGM加料可以比较高，例如，<克/英尺3。OSC组成可以包括达1000克/英尺3清洗层(Washcoat)的鈰，它包括用于涂覆径流单块的TWC组合。使用的PGM和任何催化剂促进剂，例如，钡基化合物，被一或二个OSC，例如，Ce/Zr混合或组合氧化物、和高表面面积氧化物，例如，氧化铝。
但是，具有降低的氧贮备能力的TWC组合可以具有以下的一或二个；
(i)比在剩余基底中的TWC组合较低的氧贮备成分加料；以及/或
(ii)比在剩余基底中的TWC组合较低的总的PGM加料。
这是因为可以相信，通过从在PGM表面上活化部分处的排放气体吸收氧PGM有助于OSC的活性，然后该吸收的氧传递到OSC。通过保持某些OSC的活性，单个传感器也可用于OBD。
在TWC组合不具有氧贮备能力的地方，这可以通过不包括氧贮备成分和/或无PGM来完成。
根据另一方面，提供包括根据本发明的火花点火式内燃发动机和排气系统的设备。该发动机可以是理想配比地工作的汽油发动机或者贫燃烧汽油发动机，诸如GDI(汽油直接喷射)或DISI发动机。
在发动机控制和排放气体后处理中的最近推进导致发动机实现能在其驾驶循环的主要部分在贫油的理想配比工作。其优点是车辆制造商能够提供更容易地实现CO和HC的合法排放标准同时消费者从改善的燃料消耗获益，但是，如上所述，技术难度是在贫油的排放气体中找到处理NOx的方法。
一个解决方法就是使用称为贫NOx收集器或简单的NOx收集器。
NOx构造类似于TWC组合，其中它包括为氧化NO到NO2的催化剂，典型的是铂；以及催化剂，如铑，用以在还原剂，例如HC，中促进NOx还原到N2。对比地，NOx收集器通常不包括OSC。但是TWC组合与NOx收集器组合之间的显著差别是NOx收集器组合具有大量基本金属，例如，钡、锶、钾，的化合物，以便在发动机贫油运行工作中吸收NOx。通常对反应给出的机理是NO接触键连到铂上的活化位置的氧，形成NOx，然后将NOx吸附到基本金属氧化物上以形成并有效地作为硝酸盐“贮备”NOx。例如见EP0560991(通过参考此处包括其全部内容)。
当然，由包括在结构中的基本金属化合物的量限制NOx收集器吸附NOx的能力。为了去除NOx从而“再生”NOx收集器组合吸收NOx的能力，周期地和瞬时地使用发动机控制以富集具有未燃烧HC的排放气体。应该理解基本金属硝酸盐在还原的环境中是不稳定的同时在由铑元素催化的还原环境中从其释放NOx以便还原到N2。
应该理解，为处理从装有NOx收集器的贫油燃烧汽油发动机的排气的排气系统包括靠近发动机放置的TWC。该TWC的功能是在NOx收集器更新过程中处理NOx和通常当发动机较接近，或在，理想配比点工作时的排放气体，例如，在冷起动中为预热排气系统元件或在高速公路驾驶的过程中。为了避免任何疑问，本发明的排气系统是为了处理来自理想配比工作的火花点火式发动机和贫油燃烧火花点火式发动机的排放气体，其中排气系统包括NOx收集器。
根据另一方面，提供包括根据本发明的装置的车辆。
美国专利NO.5352646公开了适合催化转换来自内燃发动机的排放气体，包括多孔的载体材料，例如，氧化铝球，这种多孔载体材料具有至少一种非铂族催化活化元素，例如铈，的催化有效量，基本上均匀地集中在其限定的圆周面表面层的整个深度(外带或环)。
根据另一方面，提供径流单块基底，它包括涂覆包含氧贮备成分的三向催化剂组合的许多通道，每个通道具有从第一端延伸到第二端的长度，其中在通道的一部分中从第一端延伸的通道的长度的至少一部分涂覆催化剂组合包括至少一种具有相对于剩余基底的降低的氧贮备能力的铂族金属。
在一个实施例中，径流单块基底包括与一部分相关的外壁，外壁部分地限定为在其中接纳单个λ传感器的孔。
为了更充份理解本发明，现在参考附图描述所示的实施例，其中：
图1表示TWC基底的二个实施例，其中若干通道的部分是筒状
形状；
图2表示TWC基底的二个实施例，其中通道部分是扇形的(除去部分的)形状；
图3示意地表示用于试验本发明的原理的装置；
图4表示可以用于图3代表的装置的基底的和催化剂的装置；
图5是柱状图，表示对于均匀涂覆的(正常的)TWC基底和根据本发明的TWC基底的实施例的容积(bulk)和传感器孔平均的富到贫的OSC的结果；
图6是柱状图，表示对于O2注入试验的CO转换效率的结果，对比均匀涂覆(正常的)TWC基底和根据本发明的TWC基底的实施例；
图7是柱状图，表示对于O2注入试验的平均NOx转化效率结果，对比均匀涂覆(正常的)TWC基底和根据本发明的TWC基底的实施例。
参照图1，表示根据本发明特征的TWC基底的二个实施例，
在左侧的一个实施其中若干通道的环形部分遍及其整个长度被涂覆了，也就是从第一入口端到第二出口端，不具有OSC和20克/英尺3的总PGM加料的TWC组合。基底的剩余部分(圆柱形芯子)被涂覆了TWC组合，它包括OSC和90克/英尺3PGM的总量。图中的黑点代表孔，该孔部分地由基底的外壁限定，该基底与没有OSC和20克/英尺3总PGM加料量的若干通道的部分相关。为接纳λ传感器的孔位于沿第一入口端和第二出口端之间的基底通道长度的大约一半处，如从当中的图片看到的。
示于图1右侧的实施例类似于前面讨论的实施例被涂覆到其从第一入口延伸的长度的一半，即没有OSC和20克/英尺3总PMG加料量和中央的90克/英尺3的圆柱芯子。另一半(从第二出口端延伸的)涂覆了包括OSC及60克/英尺3的PGM的TWC组合。实际上，此基底的包括具有20克/英尺3和没有OSC的环形形TWC组合的第一入口端被定向到排气系统中的上游侧。
参照图2，示于左侧的实施例表示遍及其通道整个长度被涂覆TWC组合的基底的扇形部分，该TWC组合包括无OSC和20克/英尺3PGM的总加料。基底的剩余部分被涂覆包括和60克/英尺3总PGM加料和OSC的TWC组合。如上所述，与扇形部分相关连的黑点代表孔，用以接纳λ传感器。此实施例属于“条状”的实施例。
示于右侧的实施例是“半条状”实施例，其中基底以包括无OSC
和20克/英尺3PGM总加料的TWC组合涂覆到大约扇形部分中的通道长度的一半同时基底的其余部分以包括OSC和60克/英尺3总PGM的TWC组合。在使用中，基底将安装在排气系统中因此“半条状”端面的上游。但是，为了评估与均匀涂覆的基底相比的还原基底中总OSC含量的作用的目的，在以下表示的示例1和2，提出的“使用中”的方位与半条状端面对下游的装置相比较。
仅以说明的方法提供以下实例。
例1
在图3所示装置上进行OSC试验。使用的发动机是台式2.0 TFSi发动机。使用4.66×5英寸(11.8×12.7厘米)，400孔/英寸2(62孔/厘米2)陶瓷基底。要试验的TWC基底被放入可拆卸的催化剂罐中，它可具有λ传感器的凸台要对准基底外壁中的传感孔，如图4所示。可拆卸的罐和基底插入到发动机的排气系统中。该系统还包括以正常方式位于TWC基底的上游和下游二者处的λ传感器。收集数据对比从仅由传感器孔取的读数得到的OSC与作为整体的从基底得到的OSC，即上游与下游λ传感器之间的。
以发动机在2000转/分和93牛顿米负荷的稳态处运行进行OSC试验。这给出催化剂入口温度大约为580℃。编程发动机控制装置以在λ0.95和1.05之间转换发动机。使用二λ传感器之间转换的时间差(ΔT)由式(2)计算OSC：
OSC(mg)＝ΔT(s)×排气质量流(kg/h)×Δλ(％)×0.64   (2)
对四个TWC装置进行试验。为了比较的目的，使用均匀涂覆的(正常的)TWC基底。试验了根据本发明的TWC基底的二个实施例：示于图1左侧的环形装置和示于图2右侧的半条状的装置。在半条状实施例上进行四个试验，其中以打算在实际中使用的相对的(相反的)方向安装该基底。这是为了确保在半条状反向试验中(以“正常”TWC组合涂覆的)对λ传感器上游的通道的读数给出对均匀涂覆TWC基底的类似读数。对新近的和老化的催化剂进行试验。在包括2％ O2、10％H2O和N2的平衡气体混合物中在1000℃老化催化剂4小时。
结果如图5所示。对于均匀的催化剂中点传感器记录的近似一半由容积传感器测量的总OSC同时半条状催化剂中点传感器记录近似零OSC在催化剂前具有“无OSC”条状。当反转时，在半条状催化剂中测量的OSC统计上类似于均匀催化剂。环形催化剂具有在任意一点测量的较低的OSC。对环形催化剂实施例的计算容积OSC是均匀催化剂的1/3。
该结果表示半条状实施例显示对于整体的基底的类似OSC同时
能够以单个λ传感器完成发动机空气-燃料比的闭环控制。可以相信，除去基底被安装在锥形扩散器的下游，这是因为气体的大多数经基底流动到基底对着入口的区域中。环形实施例是可行的，虽然较少优选的实施例，由于与正常的TWC基底相比降低容积的OSC。
例2
使用图3所示装置对在例1中试验的催化剂进行简单的O2加注试验，其中发动机设定到在λ＝1.02对10秒；和λ＝0.98对10秒之间以波动循环运行。
O2注入试验的目的是为了研究当催化剂系统的OSC是循环地完全空和完全填满时催化剂系统的排放功能。如下表所示，在三台不同发动机状态以在每一状态的三种不同OSC充填和排空率完成氧O2注入试验。该OSC的充填和排空率取决于对OSC充填和排空使用的λ步距的幅值。在每个发动机状态使用的幅值是±1％、±2％和±5％，分别给出λ步距为0.99-1.01、098-1.02和0.95-1.05。对OSC的排空和充填的时间间隔设定到20秒，即10秒贫油紧接10秒富油。对于老化的催化系统这应给出OSC完全排空和充填。如果要试验新近的催化剂系统这可能需要增加。
随着标准发动机起动和预热程序该发动机跳到第一状态同时给定时间的催化剂温度到稳定化。使用图像LRSMODMS设定要求的λ步距。设定时间间隔LRTPZA到20秒。在记录数据的3分20秒之前另1分钟允许催化剂温度稳定。对所有要求的λ步距和发动机状态重复此过程。从排放的数据计算对CO和NOx的转化效率。超过记录的100秒(5个完全的间隔：10秒贫油紧接10秒富油)计算平均转化效率。
 
状态序号 1 2 3
发动机速度(转/分) 3000 3000 3000
扭矩(牛顿米) 30 72 135
排放质量流(公斤/小时) 50 95 163
从排放的数据计算NOx和CO的转化效率并在图6和7中表示该结果。如可见的，均匀的和半条状的催化剂表示相似的功能；半条状的方法对转化效率有小的影响。与例1相似，筒状催化剂实施例表示出较低的功能。

Claims (12)

1、用于火花点火式内燃发动机的排气系统，包括：
(a)包括氧贮备成分的三向催化剂组合，该TWC组合被
涂覆在径流的单块基底上，该基底包括若干通道，每个通道具有从入口端到出口端延伸的长度；以及
(b)单个的λ传感器，
其中该基底包括若干通道的一部分，其中在从入口端延伸的通道
长度的至少一部分中的TWC组合具有相对于基底的剩余部分中的TWC组合的，降低的氧贮备能力，或无氧贮备能力，该装置是这样的，单个的λ传感器基本上仅接触排放气体，该排放气体首先已经接触具有降低的氧贮备能力或无氧贮备能力的TWC组合。
2、根据权利要求1的排气系统，其中若干通道的一部分是环形形状。
3、根据权利要求1的排气系统，其中若干通道的一部分是扇形形状。
4、根据权利要求1、2或3的排气系统，其中将λ传感器设置在由径流单块基底的外壁部分限定的孔中。
5、根据权利要求1、2或3的排气系统，其中若干通道的一部分从基底的入口端延伸到出口端，λ传感器位于紧靠出口端的下游，该排气系统包括装置，基本上以防止排放气体，而不是流入若干通道的一部分的排放气体接触λ传感器。
6、根据权利要求5的排气系统，其中用以基本上防止排放气体与λ传感器接触的装置包括围绕λ传感器的转向器，该转向器在上游端和下游端处是敞开的。
7、根据任意前述权利要求的排气系统，其中具有降低的氧贮备能力的TWC组合具有以下的一个或二个：
(i)比在基底的剩余部分中的TWC组合较低的氧贮备成分加料；以及/或
(ii)比在基底的剩余部分中的TWC组合较低的总铂族金属加料。
8、根据权利要求1到6的任意一款的排气系统，其中具有无氧贮备能力的TWC组合不具有氧贮备成分和/或铂族金属。
9、一种装置，包括根据任意前述权利要求的火花点火式内燃发动机和排放系统。
10、车辆，包括根据权利要求9的装置。
11、径流单块基底，包括涂覆三向催化剂组合的若干通道，该组合包括氧贮备成分，每个通道具有从第一端延伸到第二端的长度，其中在若干通道一部分中的从第一端延伸的通道长度的至少一部分涂覆包括至少一种铂族金属的催化剂组合，该金属具有相对于基底剩余部分的降低的有氧贮备能力。
12、根据权利要求11的径流单块基底，包括与一部分相关连的外壁，该壁部分地限定用以接纳单个λ传感器于其中的孔。
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