[发明专利]用于汽油发动机的废气净化系统

说明书

本发明提供了一种用于汽油发动机的废气净化系统，该废气净化系统依次包括以下装置：第一三元催化剂(TWC1)，汽油微粒过滤器(GPF)和第二三元催化剂(TWC2)，其中该TWC2的铂族金属浓度(PGM)大于该GPF的PGM，其中该PGM以该装置的体积的g/ft3为单位测定。本发明还公开了使用该系统的方法以及该系统的用途。

本发明涉及用于汽油发动机的废气净化系统，其依次包括第一三元催化剂、汽油微粒过滤器和第二三元催化剂。本发明还涉及其方法和用途。

现有技术

来自汽油发动机的废气包含污染物，这些污染物必须在废气释放到环境中之前被去除。就这一点而言，最相关的污染物是氮氧化物(NO_x)、烃(HC或THC)、一氧化碳(CO)和颗粒物，尤其是烟尘。其它污染物包括硫氧化物(SO_x)和挥发性有机化合物(VOC)。此类气态污染物通过位于发动机下游的催化剂系统和装置从废气中去除。通常，此类系统包括三元催化剂(TWC)，其能够去除氮氧化物、烃和一氧化碳。

近年来，越来越关注从汽油发动机的废气中去除颗粒物，尤其是烟尘。多年来，烟尘颗粒仅从柴油发动机废气中去除。然而，越来越多的证据表明，来自汽油发动机的细烟尘颗粒也会损害健康。因此，强烈倾向于为汽油发动机的废气净化系统配备汽油微粒过滤器(GPF)。GPF应有效地降低废气的颗粒质量(PM)和颗粒数(PN)。在欧盟，2014年9月发布的标准EURO 6第一次定义客运车辆汽油发动机颗粒物的最大水平。

目前，公共机构对车辆和汽油发动机制造商提高废气纯度的需求日益增加。全球范围内的趋势是降低此类污染物排放水平的法律阈值。此外，欧盟计划使用名称为“实际驾驶排放”(RDE)的便携式排放测量系统在实际条件下为车辆引入强制性测试。此类需求对制造商施加了高压，以提供符合所有法律标准的废气净化系统。就这一点而言，已知的问题是废气污染物的量和比率可根据发动机的操作条件而显著变化。车辆废气净化系统在如城市交通、长距离交通、低速或高速、冷或热环境以及谨慎驾驶或攻击性驾驶的不同条件下应该都是有效的。

另一个问题是，汽油发动机应具有低燃料消耗以保持二氧化碳排放低。二氧化碳被认为是温室效应和全球变暖的主要原因。因此，增加废气纯度的尝试不应不利地影响汽油发动机的性能。

一般问题是，当催化剂装置诸如TWC与GPF组合来净化来自汽油发动机的废气时，难以在保持汽油发动机的高性能的同时实现所有相关污染物的有效耗尽。原因在于，废气净化系统的至少部分具有对抗性的三种不同特性必须彼此一致。因此，该系统应具有高催化活性、高过滤效率和低压降。高效移除颗粒需要高过滤效率。气体污染物诸如HC、NO_x和CO的有效耗尽需要高催化活性。保持高发动机性能需要低压降。相比之下，增加的压降趋于降低发动机的效率，这导致更高的燃料消耗和二氧化碳排放。

一般问题是，GPF和催化装置需要高温来进行有效操作。因此，它们必须靠近发动机操作，这导致整个废气净化系统的尺寸限制。为了增加废气净化系统的过滤效率或催化活性，需要更多的催化剂材料和过滤部件。在催化系统的有限空间中，这通常与GPF和催化装置中的压降增大相关联。原因在于废气在通过此类装置中的过滤材料和多孔涂层时被衰减。因此，必须降低汽油发动机的效率，并且排放更多的二氧化碳以获得相当的性能。另一方面，如果压降保持较低，则难以在废气净化系统的有限空间中实现良好的过滤效率和高催化活性。

现有技术中已进行了各种尝试来提供克服上述问题的汽油发动机净化系统。例如，已描述了配备有特定催化剂或催化剂组合的各种催化装置和汽油微粒过滤器。就这一点而言，催化剂可设置有金属或催化剂层的特定组合。其它解决方案专注于此类装置的内部结构或特定物理特性。