[发明专利]用于车辆正点火内燃发动机的排气系统

说明书

本发明涉及一种用于处理在来自车辆正点火内燃发动机的废气中的颗粒物质(PM)的排气系统，特别用于化学计量操作的正点火发动机，但是也适用于贫燃烧正点火发动机，所述系统包含用于处理PM的过滤器。

正点火发动机使用火花点火引起烃和空气混合物燃烧。与之对比，压缩点火发动机通过将烃喷射至压缩空气中引起烃燃烧。正点火发动机可通过汽油燃料、与充氧物(包括甲醇和/或乙醇)共混的汽油燃料、液体石油气或压缩天然气供应燃料。

三路催化剂(TWC)通常含有一种或多种铂族金属，特别是选自铂、钯和铑的那些。

TWC旨在催化三个同时的反应：(i)一氧化碳氧化为二氧化碳，(ii)未燃烧的烃氧化为二氧化碳和水；和(iii)氮氧化物还原为氮和氧。它们不设计用于从贫废气吸附NO_x。当TWC接受来自在或大致在化学计量点运转的发动机的废气时，反应(i)-(iii)(含)最有效地发生。如本领域公知的，当在正点火(例如，火花-点火)内燃发动机中燃烧汽油燃料时，排放的一氧化碳(CO)、未燃烧的烃(HC)和氮氧化物(NO_x)的量主要受燃烧气缸中空气与燃料比率的影响。具有化学计量平衡的组成的废气为其中氧化气体(NO_x和O₂)和还原气体(HC和CO)的浓度实质上匹配的废气。产生这种化学计量平衡的废气组成的空气与燃料比率通常给定为14.7:1。

理论上，应该可能实现在化学计量平衡的废气组成中O₂、NO_x、CO和HC完全转化为CO₂、H₂O和N₂ (和残余的O₂)，并且这是TWC的责任。因此，理想地，发动机的操作方式应使得燃烧混合物的空气与燃料比率产生化学计量平衡的废气组成。

在废气的氧化气体和还原气体之间限定组成平衡的一种方式为废气的λ(λ)值，其可如下根据方程式(1)来限定：

实际的发动机空气与燃料比率/化学计量发动机空气与燃料比率，(1)

其中λ值为1代表化学计量平衡的(或化学计量)废气组成，其中λ值>1代表过量的O₂和NO_x，并且该组成描述为“贫”，并且其中λ值<1代表过量的HC和CO，并且该组成描述为“富”。本领域还常将发动机操作时的空气与燃料比率称为“化学计量”、“贫”或“富”，这取决于空气与燃料比率产生的废气组成，因此，取决于化学计量操作的汽油发动机或贫燃烧的汽油发动机。

应理解的是，当废气组成为贫化学计量时，使用TWC将NO_x还原为N₂不太有效。同样，当废气组成为富时，TWC不太能氧化CO和HC。因此，挑战在于保持流动进入TWC的废气的组成尽可能接近化学计量组成。

当然，当发动机处于稳态时，相对容易确保空气与燃料比率为化学计量。然而，当发动机用于推动车辆时，所需的燃料的量暂时改变，这取决于司机对发动机的载荷要求。这使得控制空气与燃料比率从而为三路转化产生化学计量废气特别困难。实际上，通过发动机控制单元来控制空气与燃料比率，该发动机控制单元接受关于废气组成的信息，其来自废气氧(EGO) (或λ)传感器：所谓的闭合回路反馈系统。这种系统的特性在于空气与燃料比率在稍富化学计量(或对照设定)点和稍贫之间振荡(或扰动)，因为存在与调节空气与燃料比率关联的时间滞后。该扰动的特征在于空气与燃料比率的幅度和响应频率(Hz)。

在典型的TWC中的活性组分包含在高表面积氧化物上负载的铂和钯中的一种或二者与铑的组合或甚至仅钯(不含铑)，以及氧储存组分。

当废气组成稍微富于设定点时，需要少量的氧来消耗未反应的CO和HC，即，使得反应更加化学计量。相反，当废气稍微贫时，需要消耗过量的氧。这通过开发在扰动期间释放或吸收氧的氧储存组分来实现。在现代TWC中最常用的氧储存组分(OSC)为二氧化铈(CeO₂)或含有铈的混合氧化物，例如，Ce/Zr混合氧化物。

环境PM基于它们的空气动力学直径(空气动力学直径定义为作为测量的颗粒在空气中具有相同沉降速度的1 g/cm³密度球体的直径)被大多数作者分为以下种类：

(i) PM-10—空气动力学直径小于10 μm的颗粒；

(ii) 细颗粒—直径低于2.5 μm(PM-2.5)；

(iii) 超细颗粒—直径低于0.1 μm(或100 nm)；和