CN103314192A - 用于内燃机的排气线路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机（6）的排气线路（8），所述排气线路包括：-接收排放气体的管路（12），以及-颗粒过滤器（14），该过滤器填充有：形成用于氮氧化物（NO_X）的还原催化剂的第一催化涂布剂，以及形成用于一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的第一氧化催化剂的第二催化涂布剂，其特征在于，-线路（8）包括被安置在颗粒过滤器（14）上游的管路（12）中的附加过滤器（30），所述附加过滤器填充有形成用于氮氧化物（NO_X）的第二还原催化剂的催化涂布剂，并且-附加过滤器（30）包括内部结构，使得所述附加过滤器（30）产生的压降小于由填充有相同量的同一催化涂布剂的相同体积的颗粒过滤器（14）所产生的压降。

Description

用于内燃机的排气线路

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的排气线路。本发明还涉及一种包括所述排气线路的发动机组。本发明最后涉及一种配有该发动机组的车辆。

背景技术

由内燃机排放的排放气体含有污染元素，希望减少该排放气体在大气中的排放。“污染元素”更具体地指的是：氮氧化物NO_X（N₂O、NO和NO₂），一氧化碳（CO），未燃烧的碳氢化合物（HC），以及烟灰颗粒。为了限制污染元素的排放，已知实现对穿过内燃机的排气线路的气体进行后处理。通常地，该内燃机的排气线路包括：

-接收发动机排放气体的管路，

-颗粒过滤器，其允许保留和燃烧该气体中所含有的烟灰颗粒，

-氧化催化剂，其用于将一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）转化成二氧化碳（CO₂）和水（H₂O），以及

-还原催化剂，其用于将氮氧化物（NO_X）转化成氮气（N₂）和水（H₂O）。

为了使排气线路的体积最小化，已经由申请人提出，在颗粒过滤器内部集成氧化催化剂和还原催化剂，以便构成所谓的“双催化”（bi-catalysé）颗粒过滤器。

双催化颗粒过滤器通常包括蜂窝状结构。该过滤器包括输入表面，其允许排放气体输入过滤器内部，以及排放表面，该表面允许将排放气体排出过滤器外。该过滤器包括在输入表面和排放表面之间的一组轴线相互平行的邻近渠道或管道，它们被多孔过滤壁分隔。该管道端部中的一个或另一个被封闭，以限界仅通向输入表面的输入管道和仅通向排放表面的排放管道。该管道按顺序交替地被封闭，使得在穿过过滤器的过程中，排放气体被强制穿过进口管道的侧壁才能重返出口管道。以这种方式，烟灰颗粒在过滤器的多孔壁上沉淀和堆积。这些颗粒过滤器的内壁填充有催化涂布剂，以便形成还原催化剂和氧化催化剂。

通常地，该颗粒过滤器由碳化硅制成。

这样类型的双催化颗粒过滤器的第一个缺点是，为了保证排放气体合乎规定的脱污染，在壁上所填充的催化涂布剂的量必须要大于最小临界值。

如果在壁上所填充的催化涂布剂的量太大，过滤器的多孔壁的孔被堵塞。在这种情况下，在发动机的运转期间，排放气体更难穿过该过滤器。因此，在颗粒过滤器进口，在管路中的排放气体压力增大。间接地，孔的堵塞导致该发动机燃料消耗的增加。

一种已知的解决方案是增加颗粒过滤器的体积，使得能够存放更多的催化涂布剂而不堵塞过滤器的孔。然而，由于其增加排气线路的体积，这种解决方案应被避免。

第二个缺点是，氮氧化物（NO_X）的还原必须要排放气体的温度高于临界温度以便进行还原。排放气体的温度越低，被还原的氮氧化物的量就越小。该颗粒过滤器由碳化硅制成，该化合物使穿过该过滤器的排放气体的热量流失，因此减少被还原的氮氧化物的量。在这些条件下，已知增加在颗粒过滤器中催化剂的量以便在低温下保持令人满意的被还原的氮氧化物的量。然而，这种催化剂（通常是贵重材料）的量往往是不可忽略的。这种催化剂的添加对过滤器制造商而言会增加成本。

最后，第三个缺点是，为了允许还原氮氧化物（NO_X），一种还原剂，通常是尿素，被注入处于过滤器上游的管路中。在申请人的已知排气线路中，必须在颗粒过滤器上游远处注入该还原剂，以便留出时间使尿素在排放气体的热量作用下分解成氨（NH₃）。这样对于管路短小的小型车辆是有问题的。

发明内容

本发明的目的是解决这些缺点中的一个或多个。

本发明涉及一种用于内燃机的排气线路，所述排气线路包括：

-接收排放气体的管路，以及

-被安置在所述管路内部的颗粒过滤器，该过滤器填充有：

·形成用于氮氧化物（NO_X）的第一还原催化剂的第一催化涂布剂，以及

·形成用于一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的氧化催化剂的第二催化涂布剂，

-被安置在颗粒过滤器上游的管路中的附加过滤器，所述附加过滤器填充有形成用于氮氧化物（NO_X）的第二还原催化剂的催化涂布剂，并且

-附加过滤器包括内部结构，使得所述附加过滤器产生的压降小于由填充有相同量的同一催化涂布剂的相同体积的颗粒过滤器所产生的压降。

在上述的排气线路中，该附加过滤器能够在单位体积上填充有多于颗粒过滤器的第一催化涂布剂的量。因此，为了增加排气线路中的催化涂布剂的量，同时不堵塞颗粒过滤器的孔，在排气线路中加入该附加过滤器比加长颗粒过滤器体积更小。

此外，附加过滤器产生的压降小于由填充有与附加过滤器相同量的催化涂布剂的相同体积的颗粒过滤器所产生的压降。因此，相对于要加长其长度的颗粒过滤器，该发动机的消耗没有增多。

这种排气线路的实施例可包括下述特征中的一个或多个：

■排气线路，其中：

-所述颗粒过滤器包括：

仅通向排放气体输入表面的输入管道，

仅通向排放气体排放表面的排放管道，以及

用于使输入管道和排放管道流体连接的多孔壁，

-附加过滤器包括一方面通向输入表面并且另一方面通向排放表面的管道，所述管道的直径大于颗粒过滤器的多孔壁的孔直径，

■制成所述附加过滤器的材料的质量比热容小于制成所述颗粒过滤器的材料的质量比热容，

■所述排气线路包括还原剂和注射器，所述还原剂在被加热时分解，以产生参与第一催化涂布剂对氮氧化物的还原的反应物，所述注射器用于将所述还原剂注入附加过滤器上游的管路中，

■附加过滤器所填充的催化涂布剂包括沸石以便加快还原剂的分解，

■附加过滤器由堇青石制成和/或颗粒过滤器由碳化硅制成，以及

■排气线路，其中：

-颗粒过滤器的输入管道仅填充有第一催化涂布剂，并且

-排放管道仅填充有第二催化涂布剂。

该排气线路的实施例还有下述优点：

■当附加过滤器的管道直径大于颗粒过滤器的孔的直径时，可能使附加过滤器在单位体积上填充的催化涂布剂的量比颗粒过滤器更大同时产生较小的压降，

■当该附加过滤器的质量比热容小于该颗粒过滤器的质量比热容时，该附加过滤器比该颗粒过滤器温度升高得更快，这样允许在发动机启动时，氮氧化物的还原在较低的温度下开始，

■当该附加过滤器的催化涂布剂包含沸石时，该还原剂的分解被该附加过滤器加快，这允许间接地缩短处于附加过滤器上游的管路的长度，以及

■当输入管道仅填充有第一催化涂布剂，且出口管道仅填充有第二催化涂布剂时，被捕集在第一涂布剂中且被第二涂布剂氧化以形成氮氧化物NO_X的氨的量是有限的。

本发明还涉及一种动力设备，所述动力设备包括：

-内燃机，以及

-如上所述的排气线路。

本发明最后涉及一种配有所述动力设备的机动车辆。

附图说明

通过作为指示性和非限制性的下述具体描述，参考图1，本发明的其它特点和优点将更明显。图1是配有包括排气线路的动力设备的车辆的局部示意图。

具体实施方式

在下述的描述中，不具体描述已为本领域技术人员所熟知的特点和功能。

图1示出了诸如机动车辆的车辆2。例如，该车辆2是汽车。该车辆2配有动力设备4。该动力设备4包括内燃机6和排气线路8。

该发动机6能够驱动车辆2的主动轮10旋转。在这里，该发动机6是柴油发动机。在其运转期间，该发动机6排出排放气体，该排放气体在被排出车辆2之外前，被能够处理这些气体的排气线路8接收。

该排气线路8包括管路12，其通过排气收集器的开口13接收发动机6的排放气体。例如，管路12是圆形截面的圆柱形管。在这里，该管路12是钢铁材质的。

该排气线路8包括颗粒过滤器14（也叫作FAP），其能够保留该排放气体中所含有的烟灰颗粒并且燃烧这些颗粒。优选地，该过滤器14能够保留直径大于或等于23纳米的颗粒。该过滤器14被布置在管路12的内部。

有利地，该过滤器14由碳化硅制成。该过滤器14在这里包括蜂窝状结构。在本示例中，该过滤器14的内部结构本身是已知的。已经在介绍中说明了该内部结构，这里不作详细描述。然后，用标号16和18，分别表示该过滤器14的输入表面和排放表面。

该过滤器14包括输入管道和排放管道。为了简化图1，只有通向输入表面16的输入管道20和通向排放表面18的排放管道22被示出。在示例中，管道20和22借助粘合剂相互粘合。通常地，该粘合剂可包括下述化学物质中的一种或多种：堇青石、SiC、B₄C、Si₃N₄、BN、AlN、ZrO₂、莫来石（mullite）、钛酸铝（AL titanate）、ZrB₂和/或Sialon（硅、铝、氧和氮化物的合金）。

在示例中，过滤器14的长度在5厘米和75厘米之间。优选地，该长度在18厘米和25厘米之间。

该过滤器14是双催化过滤器。为此，管道的多孔壁填充有两种催化涂布剂。

输入管道20的多孔壁在这里仅填充有催化涂布剂R_cat₁。该涂布剂R_cat₁形成选择性还原催化剂（也叫作SCR）。该选择性还原催化剂能够将穿过过滤器14的排放气体中所包含的氮氧化物（NO_X）转化成氮气（N₂）和水（H₂O）。该催化涂布剂R_cat₁本身是已知的。在示例中，该涂布剂R_cat₁包括下述化学物质中的一种或多种：Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、CeO₂、Y₂O₃、PrO₂、SiO₂。

排放管道22的多孔壁在这里仅填充有催化涂布剂R_cat₂。该涂布剂R_cat₂形成柴油氧化催化剂（也叫作DOC）。该柴油氧化催化剂能够将穿过过滤器14的排放气体中所包含的一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）转化成二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）。该催化涂布剂R_cat₂本身是已知的。例如，该涂布剂R_cat₂包括下述化学物质中的一种或多种：Al₃O₂、TiO₂、ZrO₂、CeO₂、Y₂O₃。

涂布剂R_cat₁和R_cat₂还包括催化剂。在示例中，该催化剂是属于铂族（也叫作“铂族金属”（MGP））材料或材料合金。“铂族金属”在这里指的是铑（Rh），钌（Ru），铱（Ir），铼（Re），锇（Os），铂（Pt）和钯（Pd）。在这里，该催化剂是铂（Pt）和钯（Pd）的合金。

优选地，在催化涂布剂R_cat₂中属于铂族的材料的质量大于在催化涂布剂R_cat₁中属于铂族的材料的质量。

有利地，在过滤器14中填充的催化涂布剂的总量大于或等于50克每升过滤器，且优选地，所填充的催化涂布剂的总量大于100克每升过滤器。通常地，在过滤器14中的催化涂布剂的量小于200克每升过滤器。在这里，涂布剂R_cat₁和涂布剂R_cat₂各占所填充的催化涂布剂的总体积的40%和60%之间。

排气线路8还包括容器26。该容器26包含用于将排放气体中所含有的氮氧化物（NO_X）还原成为氮气（N₂）和水（H₂O）的还原剂。通常地，该还原剂是尿素。在热量的作用下，尿素分解成氨（NH₃），所述氨在还原NO_X的催化剂涂布剂的位置处与NO_X发生反应。借助注射器28将该还原剂注入颗粒过滤器14上游的管路12中。在示例中，该注射器28在涡轮压缩机（未示出）的下游注射尿素。还是在该示例中，该注射器28包括位于颗粒过滤器14上游的排放气体温度传感器。

在本说明中，术语“下游”和“上游”相对于排放气体在管路12中的流动方向进行限定。排放气体在管路12中的流动方向在图1中以箭头示出。

排气线路8还包括附加过滤器30。该过滤器30能够实现将排放气体中所含有的氮氧化物（NO_X）还原成氮气（N₂）和水（H₂O）。

过滤器30包括从过滤器30的一侧到另一侧穿过的管道33。该管道33一方面通向输入表面32另一方面通向排放表面34。为了简化图1，仅示出两条管道33。该管道33被内壁35分隔开。在这里，内壁35的孔比过滤器14的壁的孔少。

将管道33彼此分隔开的过滤器30的内壁35填充有形成还原催化剂的催化涂布剂R_cat₃。在示例中R_cat₁和R_cat₃化学成分相同，只除了，涂布剂R_cat₃包括沸石，使得在排放气体穿过管道33时，该涂布剂R_cat₃加速尿素向氨的分解。

在这些条件下，不再必须使注射器28和过滤器14之间的管路12的长度较长，而使排放气体与尿素接触足够长时间从而使尿素达到分解温度。因此，可以缩短过滤器14上游的管路长度。

此外，过滤器30的内部结构使得，在与过滤器14体积相同的情况下，该过滤器30每单位体积能够填充的涂布剂R_cat₃的量大于过滤器14，同时所产生的压降小于由相同体积的颗粒过滤器14所产生的压降。为此，在示例中，管道33的直径大于颗粒过滤器14的内壁的孔的直径。

事实上，管道33从过滤器的一侧到另一侧穿过且壁35不是多孔的，由过滤器30引起的压降是过滤器30的长度、壁35上所填充的涂布剂的量以及管道33的直径的函数。相反地，管道20和22在过滤器14的表面的位置处被封闭，由过滤器14引起的压降是过滤器14的长度、所填充的涂布剂的量以及多孔壁的孔的尺寸的函数。

过滤器30被安置在注射器28和颗粒过滤器14之间的管路12中。这里，过滤器14和30分隔开的距离小于20毫米，优选小于10毫米。

在下述的描述中，“材料的质量比热容”指的是为使质量为1kg的该材料的温度升高1开尔文所需要的能量。比热容以焦耳每开尔文每千克（Joule.Kelvin^-1.Kg^-1）为单位。材料的质量比热容定义了要吸收热量和要释放该热量的材料的容量。

有利地，制成过滤器30的材料的比热容小于制成过滤器14的材料的比热容。在这些条件下，在发动机6的运转期间，在过滤器30内的温度比过滤器14更快达到“起燃（light-off）”温度。“起燃”温度指的是这样的温度，从该温度起，排放气体中所含有的氮氧化物（NO_X）的50%被还原催化剂涂布剂还原。在这些条件下，对氮氧化物（NO_X）的还原在过滤器30中比在过滤器14中进行地更快，这样允许在发动机6启动时更早地消除排放气体的污染。

此外，为了允许过滤器30快速地升高温度，有利地，该过滤器30的长度在2厘米和10厘米之间，且优选地在5厘米和10厘米之间。

在示例中，过滤器30是整块堇青石。

排气线路8还包括排放气体中所含有的NO_X的量的传感器36和38，它们分别位于过滤器30的上游和过滤器14的下游。

排气线路8最后包括计算单元40，其用于：

·获取来自传感器36和38的测量数据，并且

·根据所获取的测量数据控制由注射器28注入管路12中的尿素的量。

例如，单元40实施为可编程的电子计算器，其能够执行存储在信息存储载体42上的指令。为此，该单元40被连接到包含指令的信息存储载体上，用于执行传感器36，38以及注射器28的控制程序。

大量的其它实施例是可能的。

可以使用其它材料来制成过滤器14和30。过滤器14和30可包括下述材料中的一种或多种：堇青石、SiC、B₄C、Si₃N₄、BN、AlN、Al₂O₃、ZrO₂、莫来石、钛酸铝、ZrB₂和Sialon。

涂布剂R_cat₁还可以是酸性的。

在涂布剂R_cat₁和R_cat₃中，催化剂不是必须包括铂族材料。可以补充地或替代地使用其它催化剂。例如，该催化剂可以是下述贵金属中的一种：金（Au）和/或银（Ar）。该催化剂还可以包括：碱金属、碱土金属、镧系金属、锕系金属、过渡金属和/或钙钛矿（perovskites）。过渡金属可以是：钪（Se）、钛（Ti）、钒（V）、铬（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）或锌（Zn）。

在涂布剂R_cat₂中，催化剂不是必须包括铂族材料。可以补充地或替代地使用其它催化剂。例如，该催化剂可以是下述贵金属中的一种：金（Au）和/或银（Ar）。该催化剂还可以包括：过渡金属、碱金属、碱土金属、镧系金属、碳氢化合物捕集剂（pièges à hydrocarbons）诸如沸石或粘土、锕系金属和/或钙钛矿。

该注射器可被布置在涡轮压缩机上游。

可以使用除尿素之外的其它还原剂。

催化涂布剂R_cat₁和R_cat₃化学成分可以相同。

可以省去传感器36，38。在这种情况下，单元40能够根据预先存储好的方程式或表格控制注射器28。

发动机不是必须为柴油发动机。发动机可以是汽油发动机。在这种情况下，该颗粒过滤器可被填充成为实现三效催化剂（catalyseur triosvoies）的功能。

Claims (10)

1.一种用于内燃机（6）的排气线路（8），所述排气线路包括：

-接收排放气体的管路（12），以及

-被安置在所述管路（12）内部的颗粒过滤器（14），该过滤器填充有：

·形成用于氮氧化物（NO_X）的第一还原催化剂的第一催化涂布剂，以及

·形成用于一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的氧化催化剂的第二催化涂布剂，

其特征在于，

-线路（8）包括被安置在颗粒过滤器（14）上游的管路（12）中的附加过滤器（30），所述附加过滤器填充有形成用于氮氧化物（NO_X）的第二还原催化剂的催化涂布剂，并且

-附加过滤器（30）包括内部结构，使得所述附加过滤器（30）产生的压降小于由填充有相同量的同一催化涂布剂的相同体积的颗粒过滤器（14）所产生的压降。

2.如权利要求1所述的排气线路（8），其特征在于，

-所述颗粒过滤器（14）包括：

·仅通向排放气体输入表面（16）的输入管道（20），

·仅通向排放气体排放表面（18）的排放管道（22），以及

·用于使输入管道（20）和排放管道流体连接的多孔壁，

-附加过滤器（30）包括一方面通向输入表面（32）并且另一方面通向排放表面（34）的管道（33），所述管道（33）的直径大于颗粒过滤器（14）的多孔壁的孔直径。

3.如上述权利要求中任一项所述的排气线路（8），其特征在于，制成所述附加过滤器（30）的材料的质量比热容小于制成所述颗粒过滤器（14）的材料的质量比热容。

4.如上述权利要求中任一项所述的排气线路（8），其特征在于，所述排气线路（8）包括还原剂和注射器（28），所述还原剂在被加热时分解，以产生参与第一催化涂布剂对氮氧化物的还原的反应物，所述注射器用于将所述还原剂注入附加过滤器（30）上游的管路（12）中。

5.如上述权利要求中任一项所述的排气线路（8），其特征在于，附加过滤器（30）所填充的催化涂布剂包括沸石以便加快所述还原剂的分解。

6.如上述权利要求中任一项所述的排气线路（8），其特征在于，附加过滤器（30）由堇青石制成和/或颗粒过滤器（14）由碳化硅制成。

7.如上述权利要求中任一项所述的排气线路（8），其特征在于，

-颗粒过滤器的输入管道（20）仅填充有第一催化涂布剂，并且

-排放管道（22）仅填充有第二催化涂布剂。

8.一种动力设备（4），所述动力设备包括：

-内燃机（6），以及

-如上述权利要求中任一项所述的排气线路（8）。

9.如权利要求8所述的动力设备（4），其特征在于，内燃机（6）是柴油发动机。

10.一种包括如权利要求8或9所述的动力设备（4）的车辆（2）。

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