包含三效催化过滤器的强制点火发动机和排气系统的制作方法
【专利说明】包含三效催化过滤器的强制点火发动机和排气系统
[0001] 本发明涉及一种过滤器，用于从由车辆强制点火内燃机所排出的废气过滤颗粒物 质，该过滤器至少部分地用三效催化剂活化涂层（Washcoat)涂覆，该活化涂层包含铂族金 属和多个固体颗粒。具体地，本发明涉及这样的过滤器，其中低背压过滤是重要的，但是同 时需要三效催化剂活性。
[0002] 强制点火发动机使用火花点火来引起烃和空气混合物的燃烧。相反地，压缩点火 发动机通过将烃注入到压缩空气中来引起烃的燃烧。强制点火发动机可以通过汽油燃料， 混合有含氧物（包括甲醇和/或乙醇）的汽油燃料，液化石油气或者压缩天然气来提供燃 料。强制点火发动机可以是化学计量运行的发动机或者贫燃运行的发动机。
[0003] 三效催化剂（TWC)典型地包含一种或多种铂族金属，特别是选自铂，钯和铑的那 止匕 -、O
[0004] TWC目的是同时催化三种反应：⑴将一氧化碳氧化成二氧化碳，（ii)将未燃烧的 烃氧化成二氧化碳和水；和（iii)将氮氧化物还原成氮和氧。当TWC接收来自在化学计量 点处或左右运行的发动机的废气时，这三种反应最有效地进行。作为本领域公知的，当汽油 燃料在强制点火（例如火花点火）内燃机中燃烧时，所排放的一氧化碳（CO)、未燃烧的烃 (HC)和氮氧化物（NOx)的量主要受到燃烧汽缸中的空燃比的影响。具有化学计量平衡的组 成的废气是氧化性气体（NOdPO2)和还原性气体（HC和CO)的浓度基本上匹配的废气。产 生这种化学计量平衡的废气组合物的空燃比典型地指定为14. 7:1。
[0005] 理论上，在化学计量平衡的废气组合物中，应当可以实现02、N0X、CO和HC向C0 2、 氏0和队（和残留的O2)的完全转化，这是TWC的任务。所以理想地，发动机应当以这样的方 式运行，即燃烧混合物的空燃比产生了化学计量平衡的废气组合物。
[0006] -种定义废气的氧化性气体与还原性气体之间的组成平衡的方式是废气的λ 值，其可以根据方程式（1)定义为：
[0007] 实际的发动机空燃比/化学计量的发动机空燃比（1)
[0008] 其中λ值为1表示化学计量平衡的（或者化学计量的）废气组合物，其中λ值 >1表示过量的〇2和NO χ，并且该组合物被描述为"贫的"，和其中λ值〈1表示过量的HC和 C0,并且该组合物被描述为"富的"。它在本领域中通常还指发动机作为"化学计量的"、"贫 的"或"富的"而运行的空燃比，这取决于该空燃比产生的废气组成：因此化学计量运行的汽 油发动机或贫燃汽油发动机。
[0009] 应当理解的是，当废气组合物是贫化学计量的时，使用TWC将NOx还原成N 2是不太 有效的。同样地，当废气组合物是富的时，TWC不太能够氧化CO和HC。所以挑战是将流入 TWC的废气的组成尽可能地保持为接近于化学计量组成。
[0010] 当然，当发动机处于稳态时，相对容易确保空燃比是化学计量的。但是，当发动机 用于驱动车辆时，所需的燃料量需要瞬间改变，这取决于驾驶员置于发动机上的负荷需求。 这使得控制空燃比，以产生用于三效转化的化学计量废气特别困难。在实践中，空燃比通过 发动机控制单元来控制，其接收来自于废气氧气（EGO)(或λ)传感器的关于废气组成的信 息：所谓的闭路反馈系统。这种系统的一个特征是空燃比在化学计量（或控制设定）稍富 的点与稍贫的点之间摇摆（或微扰），这是因为存在着与调整空燃比有关的时滞。这种微扰 特征在于空燃比的振幅和响应频率（Hz)。
[0011] 典型的TWC中的活性组分包含负载于高表面积氧化物上的、与铑组合的铂和钯中 的一种或两种，或者甚至仅钯（无铑），以及储氧组分。
[0012] 当废气组成是稍富的设定点时，需要少量氧来消耗未反应的CO和HC，即使得反应 是更大化学计量的。相反，当废气变成稍贫时，需要消耗过量的氧。这通过开发储氧组分来 实现，其在微扰期间释放或吸收氧。在现代TWC中最普遍使用的储氧组分（OSC)是氧化铈 (CeO2)或者含铈的混合氧化物，例如Ce/Zr混合氧化物。
[0013] 环境PM由大部分作者分为以下种类，基于它们的空气动力学直径（该空气动力学 直径定义为与所测量的颗粒在空气中具有相同沉降速度的lg/cm3密度球的直径）：
[0014] (i)空气动力学直径小于10 μπι的PM-10颗粒；
[0015] (ii)直径为2. 5 μπι以下的细颗粒（ΡΜ-2. 5);
[0016] (iii)直径为0· 1 μ m(或IOOnm)以下的超细颗粒；和
[0017] (iv)特征为直径小于50nm的纳米颗粒。
[0018] 从二十世纪九十年代中期以来，从内燃机排出的颗粒的粒度分布已经受到了日益 增加的关注，这归因于细颗粒和超细颗粒可能对健康不利的效应。PM-10颗粒在环境空气中 的浓度在美国通过法律管控。作为健康研究的结果，美国在1997年引入了新的、另外的用 于PM-2. 5的环境空气质量标准，所述健康研究显示了人类死亡率与2. 5 μπι以下的细颗粒 浓度之间的强相关性。
[0019] 现在的关注点已经转移到柴油和汽油发动机所产生的纳米颗粒，因为它们被认为 与较大尺寸的颗粒相比更深地渗入到人的肺中，和因此它们据信与较大颗粒相比更有害， 这是从对2. 5-10. 0 μL?范围的颗粒的研究发现中推出的。
[0020] 柴油颗粒的尺寸分布具有公知的双峰特性，其对应于颗粒成核和累积机理，并且 相应的颗粒类型被分别称作核模式和累积模式（参见图1)。从图1中可见，在核模式中，柴 油PM包含众多小颗粒，其具有非常小的质量。几乎全部柴油颗粒的尺寸明显小于1 μ m，即 它们包含了细（即落入1997美国法律之下）、超细和纳米颗粒的混合物。
[0021] 核模式颗粒据信主要包含挥发性冷凝物（烃、硫酸、硝酸等）和包含小固体材料， 例如灰和碳。累积模式颗粒被理解为包含固体（碳、金属灰等），其与冷凝物和吸附的材料 (重质烃、硫物质、氮氧化物衍生物等）互混。粗模式颗粒据信不是在柴油燃烧过程中产生 的，并且可以通过机理例如沉积和随后颗粒材料从发动机气缸、排气系统或颗粒取样系统 的壁上再飞散来形成。这些模式之间的关系如图1所示。
[0022] 成核颗粒的组成可以随着发动机运行条件、环境条件（特别是温度和湿度）、稀释 和取样系统条件而改变。实验室工作和理论已经显示，大部分的核模式形成和成长发生在 低稀释比范围内。在这个范围中，挥发性颗粒前体如重质烃和硫酸的气体到颗粒的转化，导 致核模式的同时成核和成长，并且在累积模式中吸附到现有颗粒上。实验室测试（参见例 如SAE 980525和SAE 2001-01-0201)已经显示，核模式形成随着空气稀释温度的降低而显 著增加，但是在湿度是否具有影响上存在着矛盾的证据。
[0023] 通常，低温、低稀释比、高湿度和长停留时间有利于纳米颗粒形成和成长。研究已 经显示，纳米颗粒主要由挥发性材料如重质烃和硫酸组成，并且有证据表明仅在非常高的 负荷存在固体部分。
[0024] 相反，处于稳态运行的汽油颗粒的发动机外尺寸分布表现出单峰分布，具有约 60-80nm的峰（参见例如SAE 1999-01-3530中的图4)。通过与柴油尺寸分布相比，汽油PM 主要是超细的，具有可忽略的累积和粗模式。
[0025] 柴油颗粒过滤器中柴油颗粒的颗粒收集基于使用多孔阻挡层来将气体携带的颗 粒与气相分离的原理。柴油过滤器可以定义为深床过滤器和/或表面型过滤器。在深床过 滤器中，过滤器介质的平均孔尺寸大于所收集颗粒的平均直径。颗粒通过深度过滤机理的 组合而沉积到介质上，深度过滤机理包括扩散沉积（布朗运动）、惯性沉积（冲击）和流线 截取（布朗运动或惯性）。
[0026] 在表面型过滤器中，过滤器介质的孔径小于PM的直径，以便通过筛分来分离PM。 分离通过所收集柴油PM本身的累积来进行，该累积通常被称作"滤饼"和该方法被称作"饼 过滤"。
[0027] 应当理解，柴油颗粒过滤器例如陶瓷壁流式整料可以通过深度和表面过滤的组合 来工作：当深度过滤能力饱和时和颗粒层开始覆盖过滤表面时，滤饼在较高的烟灰负载量 形成。深度过滤的特征在于比饼过滤稍低的过滤效率和较低的压力降。
[0028] 在欧洲从2014年9月1日开始的排放法律（Euro 6)要求控制柴油和汽油（强制 点火）客车排放的颗粒数量。对于汽油EU轻型车辆，可允许的限度是：1000mg/km -氧化 碳；60mg/km氮氧化物（NOx) ;100mg/km总经（其的< 68mg/km是非甲烷烃）；和4. 5mg/km 颗粒物质（(PM)，仅对于直喷式发动机）。Euro 6已经设定了 6. 0 X IO1Vkm的PM数量标准 限度，不过初始设备制造商可以在2017年之前申请6X 1012km 1的限度。在实践意义上，立 法允许的颗粒范围是23nm_3 μπι。
[0029] 在美国，在2012年3月22日，加利福尼亚州空气资源委员会（CARB)采用了从2017 年开始的新的排气标准，和随后模拟年"LEVIII"客车、轻型卡车和中型车辆（其包括3mg/ 英里排放限度），并且随后可能引入lmg/英里限度，只要不同的中间评审认为它可行。
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