Выхлопная система двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топлива транспортного средства

Выхлопная система двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топлива транспортного средства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к выхлопной системе для обработки твердых частиц (PM) в выхлопном газе, выходящем из двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топлива, в частности для стехиометрических двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топлива, но которая также пригодна для двигателей с принудительным воспламенением обедненной топливной смеси, при этом система содержит фильтр для использования при обработке PM.

Двигатели с принудительным воспламенением топлива вызывают сгорание смеси углеводорода и воздуха с использованием искрового зажигания. В отличие от этого двигатели с воспламенением от сжатия вызывают сгорание углеводорода при впрыскивании углеводорода в сжатый воздух. Двигатели с принудительным воспламенением топлива могут быть снабжены топливом в виде бензинового топлива, бензинового топлива, смешанного с окислителями, включающими в себя метанол и/или этанол, сжиженный нефтяной газ или сжатый природный газ.

Тройной катализатор (TWC) обычно содержит один или более металлов платиновой группы, в частности металлов, выбранных из группы, состоящей из платины, палладия и родия.

TWC предназначены для ускорения трех одновременных реакций: (i) окисления монооксида углерода в диоксид углерода, (ii) окисления несгоревших углеводородов до диоксида углерода и воды; и (iii) восстановления оксидов азота до азота и кислорода. Они не предназначены для поглощения NO_x из обедненного выхлопного газа. Реакции (i)-(iii) включительно протекают наиболее эффективно, когда TWC принимает выхлопной газ из двигателя, текущий примерно при стехиометрической точке. Как хорошо известно из уровня техники, на количество монооксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (HC) и оксидов азота (NOx), выпускаемых при сгорании бензинового топлива в двигателе внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (например, с искровым зажиганием) топлива, преимущественно влияет соотношение воздух-топливо в цилиндре внутреннего сгорания. Выхлопной газ, имеющий стехиометрически сбалансированный состав, является газом, в котором концентрации окислительных газов (NO_x и O₂) и восстановительных газов (HC и CO) по существу подходят друг к другу. Соотношение воздух-топливо, которое приводит к этому стехиометрически сбалансированному составу выхлопного газа, обычно бывает равным 14,7:1.

Теоретически возможно достижение полной конверсии O₂, NO_x, CO и HC в стехиометрически сбалансированном составе выхлопного газа до образования CO₂, H₂O и N₂ (и остаточного O₂), и это является рабочим циклом TWC. Поэтому в идеале двигатель должен функционировать таким образом, чтобы соотношение воздух-топливо сгораемой смеси приводило к образованию стехиометрически сбалансированного состава выхлопного газа.

Способом определения баланса составов между окислительными газами и восстановительными газами выхлопного газа является наличие значения ламбда (λ) выхлопного газа, которое может быть задано в соответствии с Уравнением (1), как:

Существующее соотношение воздух-топливо двигателя/стехиометрическое соотношение воздух-топливо двигателя (1),

в котором значение ламбда 1 отображает стехиометрически сбалансированный (или стехиометрический) состав выхлопного газа, причем значение ламбда >1 отображает избыток O₂ и NO_x, и состав описывается как «обедненный», и в котором значение ламбда <1 отображает избыток HC и CO, и состав описывается как «обогащенный». В уровне техники является обычным обращение к соотношению воздух-топливо, при котором двигатель функционирует как «стехиометрический», «обедненный» или «обогащенный», в зависимости от состава выхлопного газа, который порождает соотношение воздух-топливо0, а именно, бензиновый двигатель, работающий на стехиометрической смеси, или бензиновый двигатель, работающий на обедненной смеси.

Следует учитывать, что восстановление NO_x до N₂ с использованием TWC является менее эффективным, когда состав выхлопного газа является обедненным по стехиометрии. В равной мере TWC является менее пригодным для окисления CO и HC при обогащенном составе выхлопного газа. Поэтому задача состоит в поддержании состава выхлопного газа, втекающего в TWC при составе, как можно более близком стехиометрическому.

Конечно, когда двигатель находится в стабильном состоянии, для него можно относительно легко обеспечить стехиометрическое соотношение воздух-топливо. Однако при использовании двигателя для приведения транспортного средства в движение, требуемое количество топлива скоротечно изменяется, в зависимости от требований по загрузке, налагаемых на двигатель пользователем. Это позволяет регулировать соотношение воздух-топливо таким образом, чтобы генерирование стехиометрического выхлопного газа для трехступенчатой конверсии было особо затрудненным. На практике соотношение воздух-топливо регулируется блоком управления двигателем, который принимает информацию о составе выхлопного газа, выходящего из датчика выхлопного газа и кислорода (выхлопной газ кислород, EGO) (или ламбда), так называемой замкнутой системой обратной связи. Признаком такой системы является то, что соотношение воздух-топливо колеблется (или отклоняется от нормы) между стехиометрической (или контрольной заданной) точкой, соответствующей слегка обогащенному состоянию, и точкой, соответствующей слегка обедненному состоянию, поскольку существует временное запаздывание, связанное с регулировкой соотношения воздух-топливо. Это отклонение от нормы (пертрубация) характеризуется амплитудой соотношения воздух-топливо и частотой ответных реакций (Гц).

Активные компоненты в типичном TWC содержат один или оба из двух элементов, - платины и палладия, в сочетании с родием, или даже один палладий (без родия), нанесенный на оксид с высокой удельной поверхностью, и компонент, содержащий кислород.

При слегка обогащенном составе выхлопного газа в заданной точке существует необходимость в наличии небольшого количества кислорода, расходуемого на непрореагировавший CO и HC, т.е., для того, чтобы сделать реакцию более стехиометрической. Наоборот, при слегка обедненном составе выхлопного газа избыточный кислород должен быть израсходован. Это было достигнуто путем разработки компонента для хранения кислорода, который высвобождает или абсорбирует кислород в ходе пертрубаций. Наиболее часто используемый компонент для хранения кислорода (OSC) в современных TWC - это оксид церия (CeO₂) или смешанный оксид, содержащий церий, например смешанный оксид Ce/Zr.

Окружающие PM большинством авторов делятся на следующие категории, исходя из их аэродинамического диаметра (аэродинамический диаметр задается как диаметр сферы с плотностью 1 г/см³ с той же скоростью осаждения в воздухе в виде измеренной частицы):

(i) PM-10 - частицы с аэродинамическим диаметром менее 10 мкм;

(ii) Тонкие частицы с диаметром ниже 2,5 мкм (PM-2,5);

(iii) Ультратонкие частицы с диаметрами ниже 0,1 мкм (или 100 нм); и

(iv) Наночастицы, характеризующиеся диаметрами менее 50 нм.

Начиная с середины 1990-х годов, гранулометрический состав частиц, выпускаемых из двигателей внутреннего сгорания, привлекает все большее и большее внимание из-за возможных неблагоприятных влияний тонких и сверхтонких частиц на здоровье человека. Концентрации частиц PM-10 в окружающем воздухе регулируются законодательством США. Новый, дополнительный стандарт качества окружающего воздуха для PM-2,5 был введен в США в 1997 г. в результате медицинских исследований, которые выявили сильную корреляцию между смертностью людей и концентрацией тонких частиц размером менее 2,5 мкм.

В настоящее время интерес сместился к наночастицам, порождаемым дизельным и бензиновым двигателями, поскольку понятно, что такие частицы более глубоко проникают в человеческие легкие, чем наночастицы большего размера, а следовательно, считается, что они более опасны, чем большие по размеру частицы, при экстраполяции результатов исследований на частицы в диапазоне 2,5-10,0 мкм.

Распределение дизельных частиц по размерам имеет точно установленный бимодальный характер, который соответствует зародышеобразованию частиц и механизмам агломерирования, с соответствующими типами частиц, что называется, соответственно, режимом зародышеобразования и режимом накопления (см. фиг.1). Как видно из фиг.1, в режиме зародышеобразования дизельная PM состоит из многочисленных мелких частиц, имеющих очень маленькую массу. Почти все дизельные частицы имеют размеры, значительно меньшие чем 1 мкм, т.е., они содержат смесь тонких, т.е., подпадающих под Закон США от 1997 г., сверхтонких и наночастиц.

Считается, что частицы согласно режиму зародышеобразования состоят в основном из летучих конденсатов (углеводородов, серной кислоты, азотной кислоты и т.д.) и содержат небольшое количество твердого материала, такого как зола и уголь. Частицы согласно режиму накопления, как следует понимать, включают в себя твердые частицы (уголь, металлический шлак и т.д.), перемешанные с конденсатами и абсорбированным материалом (тяжелыми углеводородами, модификациями серы, производными диоксида азота и т.д.). Считается, что крупные частицы не создаются в ходе дизельного горения, а могут быть образованы посредством таких механизмов, как осаждение и последующее повторное увлечение зернистого материала со стенок цилиндра двигателя, выхлопной системы или системы отбора частиц. Соотношение между этими режимами показано на фиг.1.

Состав зародышевых частиц может изменяться в зависимости от режима работы двигателя, состояния окружающей среды (особенно температуры и влажности), состояния системы разбавления и отбора. Лабораторная работа и теория показали, что чаще всего режим зародышеобразования и роста происходит при низких диапазонах коэффициентов разбавления. При таких диапазонах преобразование газа в твердые частицы летучих частиц-предшественников, таких как тяжелые углеводороды и серная кислота, приводит к одновременному зародышеобразованию и росту в соответствии с режимом зародышеобразования, а также к адсорбции на поверхности существующих частиц в соответствии с режимом накопления. Лабораторные исследования (см., например, SAE 980525 и SAE 2001-01-O201) показали, что режим зародышеобразования усиливается с понижением температуры разбавления воздуха, но это является противоречивым доказательством наличия влияния влажности.

Как правило, низкая температура, низкие коэффициенты разбавления, высокая влажность и длительное время пребывания благоприятствуют образованию и росту наночастиц. Исследования показали, что наночастицы состоят в основном из летучего материала, такого как тяжелые углеводороды и серная кислота, с заметной твердой фракцией при очень высоких загрузках.

Напротив, распределение частиц бензина за пределами двигателя при стабильной эксплуатации показывает одномодальное распределение с максимумом примерно при 60 - 80 нм (см., например, фиг.4 в SAE 1999-01-3530). При сопоставлении с распределением размеров дизельных частиц твердые частицы бензина преимущественно являются сверхтонкими, с незначительным накоплением и укрупнением.

Накопление дизельных частиц в дизельном фильтре для задержания частиц примесей основано на принципе отделения частиц, появившихся в газе, от газовой фазы, с использованием пористого барьера. Дизельные фильтры могут быть определены как набивные фильтры и/или фильтры поверхностного типа. В набивных фильтрах средний размер пор наполнителя фильтра больше, чем средний диаметр накапливаемых частиц. Частицы осаждаются на наполнителе с помощью сочетания механизмов глубинной фильтрации, включая диффузионное осаждение (броуновское движение), инерционное осаждение (закупоривание) и прерывание потока (броуновское движение или действие инерции).

В фильтрах поверхностного типа диаметр пор наполнителя фильтра меньше, чем диаметр PM, так что PM отделяются за счет просеивания. Отделение осуществляется за счет накопления самих собираемых дизельных PM, и это накопление обычно называют «фильтрационной коркой», а процесс - «фильтрацией посредством корки».

Следует понимать, что дизельные фильтры для задержания частиц примесей, такие как керамические стенные проточные монолитные фильтры, могут работать за счет сочетания глубинной и поверхностной фильтрации: фильтрационная корка развивается при повышенных сажевых нагрузках, когда способность к глубинной фильтрации является насыщенной, а слой частиц начинает покрывать поверхность фильтрации. Глубинная фильтрация характеризуется несколько более низким кпд фильтрации и более низким перепадом давлений, чем при образовании фильтрационной корки.

В WO 03/011437 раскрыт бензиновый двигатель, имеющий выхлопную систему, содержащую средство для улавливания PM из выхлопного газа, и катализатор для ускорения окисления PM до диоксида углерода и/или воды в выхлопном газе, и этот катализатор содержит нанесенный щелочной металл. Средство для улавливания PM является пригодным для улавливания PM в диапазоне частиц 10 - 100 нм и может представлять собой стенной проточный фильтр, изготовленный из керамического материала с подходящим размером пор, такого как кордиерит, покрытый катализатором, пена оксида металла, на которую нанесен катализатор, проволочная сетка, дизельный стенной проточный фильтр, предназначенный для дизельных применений, электрофоретическая ловушка или термофоретическая ловушка (см., например, GB-A-2350804).

В WO 2008/136232 Al раскрыт дизельный фильтр для задержания частиц примесей, содержащий сотовый наполнитель, имеющий клеточную оболочку, состоящую из пористого материала на основе клеточной оболочки, и нанесенный только на его входную по потоку сторону, или как на его входную, так и на выходную по потоку сторону, поверхностный слой и удовлетворяющий следующим требованиям (1)-(5): (1) максимальный диаметр пор поверхностного слоя является идентичным или меньшим, чем средний диаметр пор клеточного материала, а пористость поверхностного слоя больше, чем пористость клеточного материала; (2) что касается поверхностного слоя, максимальный диаметр пор составляет от 0,3 до менее чем 20 мкм, а пористость составляет от 60 до менее чем 95% (измеренная методом проникновения ртути); (3) толщина (LI) поверхностного слоя составляет от 0,5 до около 30% от толщины (L2) стенки клетки; (4) масса поверхностного слоя на площадь фильтрации составляет от 0,01 до менее чем 6 мг/см²; и (5) что касается клеточного материала, средний диаметр пор составляет от 10 до менее чем 60 мкм, а пористость составляет от 40 до менее чем 65%. См. также статью № 2009-01-O292 SAE (Society of Automotive Engineers, Общество автомобильных инженеров).

Другие технологии, предлагаемые в соответствии с уровнем техники для отделения бензиновых твердых частиц от газовой фазы, включают в себя вихревое извлечение.

Европейское законодательство о выбросах от 1 сентября 2014 г. (Евро 6) требует наличия контроля количества частиц, выпускаемых как из дизельных, так и бензиновых (работающих с принудительным воспламенением) пассажирских автомобилей. Для бензиновых европейских легковых автомобилей допустимые пределы составляют: 100 мг/км монооксида углерода; 60 мг/км оксидов азота (NO_x); 100 мг/км всех углеводородов (из которых неметановые углеводороды составляют <68 мг/км); и 4,5 мг/км твердых частиц ((PM) только для двигателей с прямым впрыском топлива). Хотя полномочные органы еще не установили стандартное количество PM для Евро 6, следует четко понимать, что оно будет указано на уровне 6,0×10¹¹ на 1 км. Настоящее описание основано на предположении, что это количество будет принято в порядке, установленном законом.

В Соединенных Штатах не установлено никаких стандартов по выбросам. Однако Калифорнийский совет воздушных ресурсов (State of California Air Resources Board, CARB) недавно опубликовал статью, озаглавленную как «Предварительный документ, представленный на обсуждение - поправки к Инструкциям для калифорнийских малотоксичных транспортных средств (LEV) для загрязняющих веществ с установленным предельно допустимым содержанием - LEV III» («Preliminary Discussion Paper - Amendments to California's Low-Emission Vehicle [LEV] Regulations для Criteria Pollutants - LEV III») (дата выпуска - 8 февраля 2010 г.), в которой предложен новый стандарт для PM от 2 до 4 мг PM на милю (1,25-2,50 мг PM на километр (в настоящее время - 10 мг PM на милю (6,25 мг PM на км))), и в данной статье указано, что: «Персонал получает впускные данные от различных изготовителей, что указывает на то, что стандарт 3 мг PM на милю (1,88 мг PM на километр) может быть установлен для бензиновых двигателей с прямым впрыском топлива, без необходимости использования фильтра для задержания частиц примесей». Дополнительно, в статье указано, что с этих пор масса PM и подсчет выбросов оказываются согласованными: «Хотя обязательный стандарт по количеству в настоящее время не принят, можно принять необязательный стандарт по количеству PM, составляющий примерно 1012 частиц на милю [6,2511 частиц на километр] (который изготовители могут выбрать вместо стандарта PM по массе)». Однако, поскольку Калифорнийский совет воздушных ресурсов еще не установил ни стандарта PM, ни количества PM, пока еще не представляется возможным узнать, будет ли необходимость в наличии фильтра для частиц на калифорнийском транспортном рынке или на американском транспортном рынке. Тем не менее, представляется возможным, чтобы определенные изготовители транспортных средств выбрали фильтры для обеспечения запаса безопасности по любым проектным решениям для двигателей с несамопроизвольным возгоранием топлива, выбранным для того, чтобы отвечать стандартам независимо от того, какие из них установлены в настоящее время.

Новый стандарт по выбросам Евро 6 представляет количество сложных конструкционных проблем, которые должны отвечать стандартам по выбросам бензинового двигателя. В частности, проблема того, как сконструировать фильтр или выхлопную систему, включающую в себя фильтр, для снижения количества выбросов PM из бензинового двигателя (с принудительным воспламенением), которые еще в то же время отвечают стандартам по выбросам для загрязнителей, не связанных с твердыми частицами, таких как одно или более веществ из оксидов азота (NO_x), монооксида углерода (CO) и несгоревших углеводородов (HC), все из которых применяются при приемлемом противодавлении, например, как измеренное при максимальном периоде работы противодавление для европейского ездового цикла.

Было предусмотрено, чтобы минимальное восстановление частиц для фильтра тройного катализатора для задержания частиц примесей, отвечающее стандарту Евро 6 по количеству твердых частиц применительно к эквивалентному проточному катализатору, составляло >50%. Дополнительно, тогда как некоторое повышение противодавления для тройного катализированного стенного проточного фильтра применительно к эквивалентному проточному катализатору является неизбежным, в нашем эксперименте максимальное противодавление для ездового цикла MVEG-B (среднее по трем испытаниям из «свежих») для большинства пассажирских транспортных средств должно быть ограничено <200 мбар, например <180 мбар, <150 мбар, а предпочтительно, <120 мбар, например <100 мбар.

Как было указано ранее, PM, генерируемые двигателями с принудительным воспламенением топлива, имеют значительно более высокую долю сверхтонких частиц, с незначительным укрупнением и аккумулированием, по сравнению с частицами, генерируемыми дизельными двигателями (с воспламенением от сжатия), и это является побудительным мотивом для удаления их из выхлопного газа двигателя с принудительным воспламенением топлива для предотвращения из испускания в атмосферу. В частности, поскольку большинство твердых частиц, получаемых из двигателя с принудительным воспламенением топлива, являются относительно мелкими, по сравнению с распределением частиц по размерам для дизельных твердых частиц, не представляется практически возможным использование подложки фильтра, которая способствует образованию фильтрационной корки поверхностного типа из твердых частиц, возникших в ходе принудительного воспламенения, поскольку относительно низкий средний размер пор подложки фильтра, который может потребоваться, будет порождать неоправданно высокое противодавление в системе.

Кроме того, обычно можно использовать стандартный стенной проточный фильтр, предназначенный для улавливания дизельных PM, для стимулирования поверхностной фильтрации PM из двигателя с принудительным воспламенением топлива для обеспечения выполнения соответствующих стандартов по выбросам, поскольку в выхлопном газе, полученном в результате принудительного воспламенения, обычно существует мало PM, так что образование сажевой корки маловероятно, а температуры выхлопного газа, полученного в результате принудительного воспламенения топлива, обычно бывают повышенными, что может привести к ускоренному удалению PM путем окисления с предотвращением, таким образом, повышенного удаления PM за счет образования фильтрационной корки. Глубинная фильтрация твердых частиц, полученных путем принудительного воспламенения, в стандартном дизельном стенном проточном фильтре также затруднена, поскольку PM бывают более мелкими, чем размер пор фильтрующей среды. Следовательно, при нормальной эксплуатации непокрытый стандартный дизельный стенной проточный фильтр будет обладать более низким кпд фильтрации при использовании совместно с двигателем с принудительным воспламенением топлива, чем в двигателе с воспламенением от сжатия.

Другая сложность состоит в комбинировании кпд фильтрации с загрузкой в виде покрытия, например, катализатора, отвечающего стандартам по выбросам для загрязнителей, отличных от PM, при приемлемых противодавлениях. Дизельные стенные проточные фильтры для задержания частиц примесей в серийно выпускаемых транспортных средствах в настоящее время имеют средний размер пор примерно 13 мкм. Однако было обнаружено, что фильтр с покрытием этого типа при достаточной загрузке катализатора, как описано в US 2006/0133969, для достижения требуемых стандартов по выбросам для бензинового двигателя (с принудительным самовоспламенением) может вызвать неприемлемое противодавление.

Для снижения противодавления фильтра можно уменьшить длину подложки. Однако существует конечный уровень, ниже которого противодавление повышается со снижением длины фильтра. Подходящие длины фильтров согласно настоящему изобретению составляют 2 - 12 дюймов в длину, предпочтительно, 3 - 6 дюймов в длину. Поперечные сечения могут быть круглыми, и в опытно-конструкторской работе используются диаметры фильтра 4,66 и 5,66 дюймов. Однако поперечное сечение также может определяться пространством на автомобиле, которое требуется для помещения туда фильтра. Таким образом, для фильтров, расположенных в так называемом близко связанном местоположении, например внутри 50-сантиметрового выхлопного коллектора двигателя, где пространство бывает больше номинального, можно рассматривать эллиптическое или овальное поперечное сечение фильтра. Как можно было бы ожидать, противодавление также повышается с повышением загрузки покрытия и сажи.

В последнее время было предпринято множество усилий для комбинирования TWC с фильтрами для удовлетворения требований стандартов Евро 6 по выбросам.

В US 2009/0193796 раскрыта система обработки выбросов, расположенная ниже по потоку относительно бензинового двигателя с прямым впрыском топлива, предназначенная для обработки выхлопного газа, содержащего углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота и твердые частицы, причем система обработки выбросов содержит катализированную ловушку твердых частиц, содержащую тройной катализатор (TWC), нанесенный на ловушку для твердых частиц или помещенный в нее. Общее описание указывает на то, что ловушка для твердых частиц с нанесенным TWC может быть расположена ниже по потоку относительно первого TWC-катализатора, где первый TWC-катализатор может быть меньше, чем требуемый в иных случаях, из-за функционального назначения TWC, нанесенного на ловушку твердых частиц. Для выхлопной системы, содержащей как первый TWC, так и расположенную ниже по потоку ловушку для твердых частиц с нанесенным TWC, никаких конкретных примеров не представлено.

В WO 2009/043390 раскрыт каталитически активный фильтр для задержания частиц примесей, содержащий элемент фильтра и каталитически активное покрытие, состоящее из двух слоев. Первый слой находится в контакте с втекающим выхлопным газом, тогда как второй слой находится в контакте с выходящим выхлопным газом. Оба слоя содержат оксид алюминия. Первый слой содержит палладий, второй слой содержит удерживающий оксид, смешанный оксид церия/циркония, в дополнение к родию. В Примерах подложка стенного проточного фильтра с точно не установленным средним размером пор покрыта первым слоем при загрузке приблизительно 31 г/л и вторым слоем при загрузке приблизительно 30 г/л. То есть загрузка покрытия составляет примерно 1,00 г/дюйм³. Для большинства транспортных применений является маловероятным, чтобы этот покрытый фильтр был способен отвечать одним требуемым стандартам по выбросам. В описании также раскрыта система контроля выбросов для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, функционирующих с предварительно заданной стехиометрической смесью воздух/топливо, содержащей каталитически активный фильтр для частиц согласно раскрытию. В WO'390 не представлено никаких учений или предположений о том, что систему контроля выбросов можно использовать в сочетании с отдельным TWC, расположенным на подложке проточного монолитного фильтра выше по потоку относительно каталитически активного фильтра для частиц.

В GB 2468210 раскрыт фильтр для фильтрования твердых частиц (PM) от выхлопного газа, выпускаемого из двигателя с принудительным воспламенением топлива, содержащий пористую подложку, имеющую поверхности впуска и поверхности выпуска, причем поверхности впуска отделены от поверхностей выпуска пористой структурой, содержащей поры с первым средним размером пор, причем пористая подложка покрыта покрытием, содержащим множество твердых частиц, причем пористая структура покрытой пористой подложки содержит поры со вторым средним размером пор, и при этом второй средний размер пор меньше первого среднего размера пор. В вариантах осуществления покрытие является катализированным, и в конкретном варианте осуществления катализатор представляет собой TWC.

Практическая сложность при использовании фильтров для фильтрования твердых частиц в двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топлива состоит в том, что пространство на пассажирском транспорте может быть ограниченным, и бывает, что фильтр приходится помещать в более холодном местоположении, так сказать, «под полом», под нижней частью транспортного средства. Часто бывает недостаточно пространства на транспортном средстве для размещения фильтра в любом более горячем местоположении, близком к коллектору двигателя (в так называемом «близко связанном» местоположении), и так или иначе относительно высокая термическая масса фильтра может предотвратить достаточно быстрое «выключение» катализатора сразу после холодного запуска двигателя. Это очень важно, поскольку законодательство оценивает выбросы транспортного средства в течение заданного ездового цикла. Большая часть загрязняющих выбросов транспортных двигателей с принудительным воспламенением топлива при испытательном цикле возникает в течение первых десяти секунд вслед за холодным запуском. Если TWC недостаточно быстро активируется вслед за холодным запуском, то это может означать различие между удовлетворительными и неудовлетворительными соответствующими выбросами с точки зрения стандарта, в течение всего ездового цикла.

«Отключение» может быть задано как температура, при которой катализатор ускоряет реакцию при желаемой активности конверсии. Например, «CO T₅₀» - это температура, при которой конкретный катализатор вызывает конверсию монооксида углерода в сырьевом газе, например до CO₂, с кпд по меньшей мере 50%. Аналогично, «HC T₅₀» - это температура, при которой углеводород, возможно конкретный углеводород, такой как октан или пропен, преобразуется, например, в водяной пар и CO₂ при кпд 80% или более.

Поэтому на практике выхлопные системы для транспортных двигателей с принудительным воспламенением топлива, присутствующие в настоящее время на рынке, включают в себя TWC с относительно низкой термической массой, содержащий подложку проточного монолитного фильтра, расположенного в близко связанной позиции.

Однако было обнаружено, что, когда фильтр, катализированный TWC, расположен под полом транспортного средства и ниже по потоку относительно серийно выпускаемого близко связанного (проточного) TWC, температура в фильтре бывает недостаточно надежной для сжигания твердых частиц в условиях исследуемого цикла или реальной езды. Ранние обозначения указывают на то, что твердые частицы, возникающие в двигателях с принудительным воспламенением топлива, сгорают в кислороде при более низких температурах, чем дизельные твердые частицы. Еще было обнаружено, что температура фильтра >500°C требуется для сжигания твердых частиц, поступающих из двигателей с принудительным воспламенением топлива. Можно периодически впрыскивать дополнительный углеводород в выхлопной газ либо через управление двигателем с помощью топливных форсунок в цилиндр или непосредственно в выхлопной газ, для повышения температуры в фильтре, или для использования других средств, таких как электроподогреваемый катализатор в фильтре. Однако такие растворы являются дорогостоящими, технически сложными и в конце концов приводят к проигрышу в расходе топлива для водителя, т.е., к повышенному расходу топлива.

Сейчас было очень неожиданно обнаружено, что можно сконструировать выхлопную систему для двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топлива транспортного средства, в котором температура фильтра достигает температур, пассивно достаточных для сжигания твердых частиц в течение по меньшей мере части установленного законом ездового цикла, или по меньшей мере для значительного снижения частоты активных вмешательств, например, путем впрыскивания дополнительного углеводорода для повышения температуры фильтра.

Согласно одному аспекту, изобретение обеспечивает выхлопную систему двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топлива транспортного средства, содержащую фильтр для фильтрования твердых частиц от выхлопного газа, выпускаемого из двигателя, при этом фильтр содержит пористую подложку, имеющую поверхности впуска и поверхности выпуска, причем поверхности впуска отделены от поверхностей выпуска пористой структурой, содержащей поры с первым средним размером пор, причем пористая подложка покрыта покрытием тройного катализатора, содержащим множество твердых частиц, причем пористая структура покрытой пористой подложки содержит поры со вторым средним размером пор, и при этом второй средний размер пор меньше первого среднего размера пор, а покрытие тройного катализатора находится на отдельном монолите подложки, расположенном выше по потоку относительно фильтра, причем масса покрытия тройного катализатора на расположенном выше по потоку монолите подложки составляет ≤75% от всей массы покрытия тройного катализатора в системе.

Три способа, с помощью которых изобретение можно осуществлять на практике, включают в себя, во-первых, использование меньшего объема монолита подложки, чем можно обычно использовать для расположенного выше по потоку монолита подложки в выхлопной системе для автомобильного двигателя с искровым зажиганием, но с использованием той же загрузки покрытия TWC, то есть той, которая обычно используется, т.е., большей, чем в общей сложности примерно 3 г/дюйм³, в однослойной или в многослойной конфигурации. В настоящее время расположенные выше по потоку монолиты подложки при использовании составляют примерно 60-100% от рабочего объема двигателя или выше, так что монолиты подложки, составляющие <60% от рабочего объема двигателя, например <55%, 50% или 45% от рабочего объема двигателя были покрыты при загрузке покрытия более примерно 3 г/дюйм³ и являются иллюстративными примерами катализированных расположенных выше по потоку монолитов подложки, имеющих применение в настоящем изобретении. Также возможно, чтобы расположенный выше по потоку монолит подложки имел две части - расположенную выше по потоку часть и расположенную ниже по потоку часть, причем каждая часть имеет отличную от другой загрузку покрытия, загрузку благородного металла и/или объема. Эта последняя двухчастная концепция также попадает в объем настоящего изобретения.

При этом первом расположении осевая длина расположенного выше по потоку монолита подложки может быть меньше, чем осевая длина серийно выпускаемого близко связанного монолита подложки, иногда называемого в технологии как «кристалл», в сочетании с относительно высокой загрузкой покрытия на тройной катализированной подложке фильтра.

Во-вторых, расположенный выше по потоку монолит подложки может иметь тот же или аналогичный размер, что и размер расположенного выше по потоку монолита подложки, обычно используемый в выхлопной системе для транспортного двигателя с искровым зажиганием, т.е., примерно 60 - 100% от рабочего объема двигателя или выше, но используемая нагрузка покрытия будет меньше, чем используемая в обычных расположенных выше по потоку монолитах подложки, т.е., < г/дюйм³, например <2,75 г/дюйм³, <2,5 г/дюйм³ или <2 г/дюйм³, в целом, в виде либо однослойной, либо многослойной конфигурации.

В-третьих, TWC для использования в расположенном выше по потоку монолите подложки может иметь по существу меньше активной загрузки покрытия, чем обычно используется в выхлопной системе транспортного двигателя с искровым зажиганием, например, может иметь меньше общей загрузки металла платиновой группы, или где используются два или более металла платиновой группы, причем массовая доля одного или более присутствующих металлов платиновой группы может быть ниже, по сравнению с одним или более других имеющихся металлов платиновой группы, и/или состав может иметь более низкую активность хранения кислорода, например иметь более низкую загрузку смешанного оксида на основе омидов церия и циркония.

Конечно, можно использовать некоторые варианты из двух или всех трех вышеуказанных возможностей.

В вариантах осуществления масса загрузки покрытия TWC на расположенном выше по потоку монолите подложки составляет <70%, например <65%, <60% или <55%, от общей массы загрузки покрытия TWC в системе.

Изобретение основано на открытии того, что если сделать расположенный выше по потоку TWC менее эффективным, то достаточное количество загрязнителей (CO, несгоревшие углеводороды, NO_x и т.д.) способно проскальзывать сквозь тройной катализированный фильтр, контактируя с ним. Каталитическая конверсия оставшихся загрязнителей на трехкомпонентном катализированном фильтре порождает экзотермический эффект, который повышает температуру фильтра, что, таким образом, достаточно повышает температуру фильтра для сжигания твердых частиц на или в фильтре. Из предыдущего обсуждения должно быть ясно, что такое расположение не будет интуитивно понятным с точки зрения промышленных нормативов в этой области техники, поскольку близко связанные TWC сконструированы для обработки загрязнителей после холодного запуска, насколько возможно, быстро и эффективно. Действенность этого принципа можно подтвердить компьютерным моделированием (см. Пример 8).

Изобретение также может быть задано функционально, например, путем определения расположенного выше по потоку монолита подложки как предназначенного для пропускания достаточного количества газообразного реагента, чтобы тройной катализированный фильтр, расположенный ниже по потоку, повышал температуру фильтра, например, более чем на 50°C для достижения температуры газа на входе фильтра, равной 4