[发明专利]针对汽油发动机的排气颗粒管理

说明书

技术领域

本公开和发明涉及去除并消灭例如机动车上所用的以汽油为燃料的内燃发动机的排气中的颗粒物质（大部分为碳）。更具体地，本发明涉及在发动机排气歧管附近设置的排气流通式过滤器（flow-through filter）中捕获及氧化这种颗粒。

背景技术

许多现代汽油发动机中，燃料被相继直接地喷入多汽缸发动机的每个汽缸中。在汽缸中，燃料与至少化学计量量的空气混合、火花点火并燃烧以产生活塞的动力冲程。燃烧的气体通过往复的活塞动作从每个发动机汽缸排出，并在一个或多个排气歧管中混合。排气进入排气导管，在排气导管中排气通过流经一个或多个催化转化器而被处理，之后排气排入大气中。

许多汽油发动机通过使空气-燃料比紧紧围绕化学计量质量比循环而运转。在发动机运转的这种模式中，排气通常被引导通过挤压成型圆柱陶瓷整块的许多（例如每平方英寸的入口面有400个）纵向通道。这种流动通道的壁设有由支撑在氧化铝颗粒上的铂族金属（PGM）颗粒形成的载体涂层（washcoat）。这种催化转化器被称为三元转化器，因为它通过促进未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的氧化，同时，促进氮氧化物（统称为NO_x）向氮的还原，来清洁排气。其他汽油发动机可以以比化学计量空气-燃料比更高的比来运转。发动机运转的这种模式被称为“稀燃”，其在排气中产生更多的氧，使得更难以还原NO_x。稀燃发动机可以利用涂有仅氧化的PGM配方的整体式转化器来氧化未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳。之后可以对排气做进一步处理以将NO氧化成NO₂，并之后进行选择性催化还原（SCR），将NO₂还原为N₂。

还发现来自燃料喷射式、以汽油为燃料的、火花点火发动机的排气包含小的通常为球形的含碳颗粒。通常，颗粒物质的直径平均约为70纳米，并且通常直径或最大尺寸小于约200纳米。这些颗粒可以凝聚成小团。现在可以将注意力放在管理这种来自火花点火汽油发动机的颗粒物质上。

柴油发动机每单位运转时间会比汽油发动机产生更大量的颗粒物质。这种压缩点火发动机的颗粒物质在多孔过滤器上聚集成烟炱糕（soot cake）。聚集的烟炱糕之后作为非常有效的过滤介质。但是，在发动机运转的过程中，有时柴油烟炱层会变成排气流难以忍受的阻碍，阻碍发动机的运行，并且不得不被烧离下面的过滤器主体。为了烧掉柴油烟炱，需要转移车辆的柴油燃料。这种转移降低了车辆的燃料效率及其排气系统的环境性能。聚集烟炱作为过滤介质以及周期性地用车辆燃料燃烧排气烟炱的做法不被认为是用于去除来自汽油发动机的颗粒物质的合适选择。

本发明的目标是提供一种对以汽油为燃料的车辆的排气系统中的这种颗粒进行过滤并伴随被动氧化的做法。本发明的另一目标是利用离开汽油发动机的排气所具有的相对高的温度来实现滤出颗粒的被动氧化。因此，进一步的目标是在对气态排气污染物的氧化或还原或者发动机的燃料经济性有最小影响的情况下实现对这种小碳颗粒的管理。

发明内容

本发明提供用于管理由火花点火的、以汽油为燃料的、直接喷射式车辆发动机所发出的热排气流中的含碳颗粒物质的做法。

根据本发明的实施例，含碳颗粒的热发动机排气被引导通过相对于碳颗粒的尺寸具有大孔隙的陶瓷过滤器壁或其他支撑表面，从而被从排气流中去除。例如，这种陶瓷支撑结构可以由堇青石、金刚砂、钛酸铝等制成。流通式陶瓷主体过滤器的一侧（优选为上游侧）涂敷有低平均孔径、高孔隙率、耐高温的材料（合适为陶瓷材料）的薄层，用于通过从热的流动排气中过滤掉颗粒物质来进行去除。薄过滤层例如可以由硅石颗粒、硅酸盐颗粒、其他陶瓷颗粒、含碳颗粒等形成约为100微米厚的过滤层，过滤材料具有直径高达约8微米的开孔。例如，过滤层可以在陶瓷主体过滤器上形成为硅酸盐或其他陶瓷颗粒的湿块，其在支撑基体上被干燥，如果合适，被烧结或烘焙成耐用的过滤层。该具有小孔隙尺寸、高孔隙率的薄过滤层被构成并适用于去除排气流中的颗粒物质。因此，薄过滤层支撑在耐用陶瓷层或主体上。颗粒物质被从排气流中去除成为过滤层中的烟炱糕，而排气流过陶瓷支撑层的较大孔隙。然而，与柴油发动机颗粒物质的管理不同，烟炱层没有作为过滤介质被利用或依赖；滤出的颗粒物质在发动机运行期间由流经过滤层的适当热的含氧排气从该过滤层进行被动氧化。