包括催化粉塵過濾器的排放系統的製作方法

2023-12-03 15:11:16 1

專利名稱：包括催化粉塵過濾器的排放系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於貧燃內燃機的排放系統，排放系統包括催化
粉塵過濾器(CSF)、控制單元以及通過控制單元控制的裝置，以便增 加流到CSF的排放氣體內的可燃燒碳氫化合物(HC )和/或一氧化碳(CO ) 的含量，由此在CSF中燃燒HC和/或C0，從而增加CSF的溫度並燃燒 其上收集的顆粒物質(PM)。
背景技術：
公知的是使用CSF來滿足輕型柴油車輛內PM、 CO和HC的規定排 放氣體排放物(如相關立法限定那樣)。使用CSF的公知問題是例如在 長時間閒置和/或緩慢駕駛狀態的過程中，排放氣體溫度相對冷，例如 150-200"C， PM可在CSF上積累。通常，這種問題通過採用使得CSF 主動再生的裝置來克服，即將能量主動地輸入到CSF，以便燃燒PM。
一種這樣的優選再生方法涉及增加流入CSF的排放氣體內的可燃 燒HC (通常是為發動機供能的燃料或者從中得到的產品)和/或CO, 由此在CSF中燃燒HC和/或CO，以便增加CSF的溫度，並燃燒其上收 集的PM。這種主動再生(active regeneration )操作可在檢測到CSF 狀態的適當指示器時觸發，例如系統內的背壓增加到預定閾值以上、 從上一次再生流逝的預定時間或者從上一次再生車輛運行預定距離。 這種過程通常通過接收適當傳感器輸入的適當編程發動機控制單元 (ECU)來控制。
通常，使用兩種增加排放氣體內的可燃燒HC和/或CO的含量的方 式將HC直接噴射到排放系統中流動的排放氣體內；以及控制HC噴 射到一個或多個發動機缸內。後一方式在原始設備製造商(OEM)應用 中更加常見，並且使用常見的軌道噴射器系統可增加靈活性和噴射定 時。例如，兩種常見軌道噴射器可在膨脹衝程中進行，以便增加燃燒 溫度，並且增加HC中排放氣體
(i) 在排放閥打開之前(底部死點)出現的晚後-噴射；以及另
外
(ii) 剛好在頂部死點中心最好添加的早後-噴射(稱為隨後-噴
射)。
在當前生產中的排放系統中，柴油機氧化催化劑(D0C)位於發動 機的任何渦輪機的下遊，並且CSF布置在DOC的下遊。在正常操作過 程中，PM在氧或冊2 (後者從DOC或CSF上的排放氣體中的氧化NO產 生)內被動燃燒。在希望主動再生CSF時，排放氣體中的HC和/或CO 含量增加，並且HC和/或CO在CSF的上遊的D0C上燃燒，並且CSF暴 露於得到的增加排放氣體溫度，使得PM在其上燃燒。CSF的入口溫度 通過控制噴射到排放氣體內的HC和/或CO的數量來控制。實際上，這 種控制通過使用熱電偶測量流過CSF的排放氣體的溫度來完成(或者 後DOC)，並且如果溫度過低，增加HC噴射，或者如果溫度過高，減小 HC噴射。這種配置是使用ECU的所謂的閉環控制的實例.
DOC用來設計成在缸內燃燒之後增強排放氣體中保留的CO和/或 HC的氧化，以便滿足立法的排放標準。
如這裡限定那樣，"熱電偶"包括在其端部處結合的兩個不同的金
屬絲，以便形成迴路，其中兩個結合部之間的溫度差使得觸點電位不
平衡，造成電流圍繞迴路流動。如果一個結合部的溫度保持恆定，另
一個結合部的溫度通過測量電流來指示。
立法和車輛製造商要求對於包括用於處理排放氣體的催化劑的排
放系統組分具有增加的耐用性。因此，需要仔細控制能量輸出到CSF,
以避免催化劑和/或過濾器襯底的熱損壞。因此，所需的主動再生的控
製程度是將CSF的溫度增加到足以促進PM燃燒的預定程度，但是不超
過預定最大入口溫度，由此確保CSF內從PM氧化的溫度增加在預定設
計容差內。
最好是排放系統不需要D0C和CSF的存在，以便處理PM、 C0和HC， 並且相反塗覆有催化劑的CSF能夠進行D0C和CSF的供能，因此提供 單個催化劑單元。實際上，可以充分地升高CSF的溫度，以便通過燃 燒CSF本身上的可燃燒HC和/或CO來燃燒PM。但是，還存在的問題是 準確控制輸入到CSF的能量，以避免將催化劑塗層和過濾器襯底暴露 於有害的高溫，例如大於650X:,但是確保足夠的能量被引入CSF以便 燃燒其上的PM。熱電偶可放置在CSF本身內，以便測量溫度，但是這 種配置存在多種缺陷。首先，來自於PM燃燒的另外熱量不能與來自於 排放氣體的燃燒HC和/或CO的熱量區分，因此使得入口氣體狀態的直
接測量非常困難或者實際上是不可能的。其次，存在與將小直徑熱電
偶放置在CSF的隔室結構內相關的耐用性問題熱電偶或過濾器會損 壞。
我們現在開發了一種控制CSF的主動再生的方式，而不需要DOC 來燃燒CSF上遊的HC和/或C0。
美國專利No. 4029472披露一種用於檢測特別是內燃機中的排放氣 體的排放氣體內的殘留可燃燒物的傳感器。傳感器包括一對熱電偶結 合部，其中一個結合部被催化，結合部之間的溫度差與排放氣體中的 殘留可燃燒物成正比。該文件提出傳感器可布置在流過催化轉換器的 上遊，以便檢測排放氣體流中的未燃燒HC和/或CO的實際殘留量。作 為選擇，在傳感器安裝在催化轉換器的下遊時，它可用來監測其效率。
EP1580411披露一種用於柴油機發動機的排放系統，包括氧化催化 劑，隨後是顆粒過濾器。氧化催化劑包括鉑和鈀，其中比例是0.05S (Pd/Pd+Pt)S0. 75。為了增加過濾器溫度，燃料被供應到氧化催化劑。

發明內容
按照一個方面，本發明提供一種用於貧燃內燃機的排放系統，包 括(a)催化粉塵過濾器(CSF); (b)控制單元；(c)通過控制單元控 制的裝置，用於增加流入CSF內的排放氣體內的可燃燒HC和/或CO的 含量，由此燃燒CSF內的HC和/或C0，從而增加CSF的溫度並且燃燒 其上收集的PM;以及(d )布置在發動機歧管和CSF之間的催化傳感器 裝置，以便燃燒流入排放系統的排放氣體中的CO和/或HC,並且為控 制單元輸入與排放氣體中的HC和/或CO的燃燒熱焓相關的數據，由此 控制單元在使用時控制可燃燒HC和/或CO的引入裝置，以響應數據輸 入，由此控制CSF與可燃燒HC和/或CO的接觸速度(rate )。
傳感器裝置可使得控制單元內的處理器估計CSF內由於流入CSF 的排放氣體內的HC和/或CO燃燒造成的升高的放熱溫度。
在一個實施例中，催化傳感器裝置包括催化熱電偶結合部。在特 定實施例中，熱電偶催化劑包括用於CSF的催化劑，例如支承在氧化 鋁上的鉑。由於熱電偶催化劑燃燒排放氣體內的HC和/或CO,產生加 熱熱電偶結合部的放熱曲線(exotherm)，適當的校正催化熱電偶可提 供下遊CSF的溫度的直接關係。由此產生的信號可用來通過閉環迴路 反饋來控制HC和/或CO的引入，由此將CSF的溫度保持在預定範圍內。在另一實施例中，催化傳感器裝置包括第一實施例的催化熱電偶 結合部以及另外的未催化參考熱電偶結合部。這種傳感器在美國專利
No. 40290472中描述，該專利整體結合於此作為參考。兩個熱電偶結合 部的這種配置提供的優點在於傳感器能夠確定從CSF上的HC和/或CO 燃燒得到的熱量以及預-CSF排放氣體溫度，使得另外的反饋控制可提 供給控制單元。
CSF中的催化劑通常包括至少一種鉑族金屬(PGM)，但是在特定實 施例中，它單獨地或與一種或多種另外的PGM相結合地包括Pt，例如 Pt和Pd，或者Pt和Rh，或者Pt、 Pd和Rh，包括例如Mg、 Ba或例如 Ce的稀土金屬的適當促進劑。製成過濾器襯底單體(monolith)的材 料可支承催化劑，或者它可支承在增強修補基面塗層(washcoat)成 分的表面區域上，例如顆粒的氧化鋁。
在特定實施例中，催化傳感器裝置是布置在發動機和CSF之間的 排放系統內的唯一的催化劑部件。
在一個實施例中，控制單元適用於在CSF的主動再生過程中防止 CSF的溫度超過650TC (不包括從粉塵氧化中得出的熱量)，由此減小 或防止CSF中催化劑損壞的可能性。
在一個實施例中，排放系統包括用於通過燃燒發動機歧管和催化 傳感器裝置之間定位的排放氣體中的只包括可燃燒HC和/或CO的部分 來產生放熱曲線的氧化催化劑。氧化催化劑可包括村底單體，具有設 計安裝排放系統的發動機的排量的1/10-1/3倍的容積。
此實施例的氧化催化劑完全不同於DOC之處在於它不用來滿足CO 和HC的立法排放標準。相反，其任務在於燃燒只包括引入排放氣體的 另外的HC和/或CO的一部分，以便增加CSF的溫度。
氧化催化劑設計成使得氧化催化劑活性和襯底單體的容積的結合 不足以滿足HC和CO的相關排放標準。實際上，氧化催化劑可包括一 種或多種鉑族金屬。在一個實施例中，唯一的PGM是鉑。在另一實施 例中，使用鉑和鈀。加栽到催化劑內的總共PGM可以高達240gft 3。
在包括產生放熱曲線的氧化催化劑的排放系統的實施例中，該排 放系統包括用於在預定操作狀態下旁通催化劑的裝置。這種旁通裝置 包括通過由控制單元控制的閥配置控制的導管。此實施例提供增加的 設計選項，使得本領域普通技術人員對於輸入到CSF的能量進行更好
控制。
按照另一方面，本發明提供一種內燃機和按照本發明的排放系統。 發動機可以是柴油發動機，例如輕型柴油發動機(按照相關的立法)。 其中發動機自然吸氣或增壓，催化傳感器裝置可布置在發動機歧管和
CSF之間。作為選擇，在發動機渦輪增壓時，催化傳感器裝置可布置在 渦輪增壓器出口和CSF之間。
在一個實施例中，用於增加排放氣體中可燃燒HC和/和C0的含量 的裝置包括發動機缸內的燃料噴射器。作為選擇，或者另外，增加排 放系統內的可燃燒HC的含量的裝置可以包括用於將可燃燒HC噴射到 發動機位置下遊的排放氣體中的噴射器。如果排放系統如上所述包括 氧化催化劑，噴射器位於氧化催化劑的上遊。
按照另 一方面，本發明提供一種控制內燃機的排放系統中的催化 粉塵過濾器(CSF)的主動再生的方法，該方法包括如下步驟
(i)增加流入CSF的排放氣體中的可燃燒碳氫化合物(HC)和/ 或一氧化碳(C0)的含量，由此在CSF中燃燒HC和/或C0，以便增加 CSF的溫度，並燃燒其上收集的顆粒物質；
(ii )在催化傳感器裝置上燃燒CSF上遊的排放氣體中的HC和/ 或C0，以便產生指示排放氣體中的HC和/或C0的濃度的信號；
(iii )將該信號與排放氣體中的HC和/或CO的燃燒熱焓值相關；
以及
(iv)控制步驟(i )中的HC和/或CO的含量，以響應步驟(iii ) 確定的熱焓值，由此將CSF的溫度保持在所述預定範圍內。


為了更加完全地理解本發明，現在將參考附圖描述本發明的實施 例，附圖中
圖1表示包括輕型柴油發動機和包括本發明第一實施例的排放系 統的設備的示意圖；以及
圖2表示本發明的第二實施例。
具體實施例方式
參考圖1，按照本發明的設備通過標號IO來表示，其中12是輕型 柴油發動機主體，14是活塞，16是燃燒室，18是常見軌道燃料噴射器， 20是吸入口， 22是排放口， 24是吸氣閥，26是排放閥，28是排放歧
管，30是排放管，32是CSF， 34是包括排放氣體擴散器的罐，以便容 納CSF並使其保持與排放管連通，36是傳感器，包括催化熱電偶結合 部和未催化參考熱電偶結合部，並且38是發動機控制單元(ECU)，在 使用時該單元被編程以便在CSF的主動再生過程中控制常見軌道燃料 噴射器，以響應來自於傳感器36的檢測輸入。
在使用中，ECU 38確定從上一次主動再生的裡數。在裡數超過預 定量時，例如1000km, ECU控制噴射器18，以便開始一系列噴射，從 而增加溫度，並作為由於燃燒傳感器上的HC和/或CO造成的局部溫度 增加的函數來任選地增加進入CSF的可燃燒HC和/和CO的HC和/或CO 含量。通過一系列速查表或圖表，ECU 38確定CSF 32中由於燃燒檢測 量的HC和/或CO所造成的可能的溫度升高，並且相應地控制經由噴射 器18噴射可燃燒的HC和/或C0。
如果ECU 38確定進入CSF 32的可燃燒HC和/或CO的速度將造成 CSF 32的溫度超過預定最大溫度，例如在大約650"C之上，ECU 38減 小噴射速度和/或數量；或者如果所計算的溫度低於促進CSF 32的主 動再生的預定最小閾值，例如在大約550"C以下，ECU 38增加噴射的 速度和/或數量。當然，假設影響CSF溫度的例如加速器位置、空間速 度等所有因素保持大致相同，如果計算溫度在預定溫度窗口內，不需 要改變噴射的速度和/或數量。本領域普通技術人員能夠適當地編程 ECU 38，以實現所需閉環控制，並且這裡不給出進一步的細節。
參考圖2，參考標號IOO指的是本發明的第二實施例，其中來自於 圖1的類似的部件帶有相同的參考標號。在圖2中，110是例如2英寸 (5cm)短、5.6英寸(l4. 2cm)長直徑村底單體(或者"切片，，)，具 有例如400cpsi ((每平方英寸隔室)62隔室/cm—2)，塗覆例如Pt/氧 化鋁的氧化催化劑。傳感器136包括位於"切片，，IIO之後的催化熱電 偶結合部，傳感器與ECU 38連通。
在使用中，某些HC和/或CO在氧化催化劑IIO上燃燒，並且除了 檢測燃燒催化傳感器本身上的HC和/或CO產生的放熱曲線的傳感器之 外，使用傳感器136檢測排放氣體中產生的放熱曲線。在排放氣體中 的檢測的溫度增加和CSF中的所期望溫度增加之間形成關聯。
權利要求
1. 一種用於貧燃內燃機的排放系統，包括(a)催化粉塵過濾器(CSF)；(b)控制單元；(c)通過控制單元控制的裝置，用於增加流入CSF內的排放氣體內的可燃燒HC和/或CO的含量，由此燃燒CSF內的HC和/或CO，從而增加CSF的溫度並且燃燒其上收集的PM；以及(d)布置在發動機歧管和CSF之間的催化傳感器裝置，以便燃燒流入排放系統的排放氣體中的CO和/或HC，並且為控制單元輸入與排放氣體中的HC和/或CO的燃燒熱焓相關的數據，由此控制單元在使用時控制可燃燒HC和/或CO的引入裝置，以響應數據輸入，由此控制CSF與可燃燒HC和/或CO的接觸速度。
2. 如權利要求1所述的排放系統，其特徵在於，催化傳感器裝置 包括催化熱電偶結合部。
3. 如權利要求2所述的排放系統，其特徵在於，催化傳感器裝置 包括催化熱電偶結合部和未催化熱電偶結合部。
4. 如權利要求1或2所述的排放系統，其特徵在於，CSF內的催 化劑包括至少一種鉑族金屬，最好是Pt，或者Pt和Pd。
5. 在從屬於權利要求2或3時，如權利要求4所述的排放系統， 其特徵在於，催化熱電偶包括與CSF相同的催化劑。
6. 如上述權利要求任一項所述的排放系統，其特徵在於，控制單 元適用於在CSF的主動再生過程中防止CSF的溫度超過預定溫度。
7. 如上述權利要求任一項所述的排放系統，其特徵在於，控制單 元適用於在CSF的主動再生過程中將CSF保持在預定溫度以上。
8. 如上述權利要求任一項所述的排放系統，其特徵在於，包括在 發動機歧管和催化傳感器裝置之間塗覆在襯底單體上的氧化催化劑， 以便燃燒只具有可燃燒HC和/或C0的一部分。
9. 如權利要求8所述的排放系統，其特徵在於，氧化催化劑襯底 的容積是設計安裝有排放系統的發動機的排量的10/1到3/1倍。
10. 如權利要求8或9所述的排放系統，其特徵在於，包括用於 在預定操作狀態下旁通氧化催化劑的裝置。
11. 如權利要求1-7任一項所述的排放系統，其特徵在於，包括 用於將可燃燒HC噴射到CSF上遊的排放氣體的裝置。
12. 如權利要求8、 9或10所述的排放系統，其特徵在於，包括 用於將可燃燒HC噴射到氧化催化劑上遊的排放氣體中的裝置。
13. —種包括內燃機和如權利要求l-12任一項所述的排放系統的 設備。
14. 如權利要求13所述的設備，其特徵在於，用於增加排放氣體 中的可燃燒HC和/或C0含量的裝置包括發動機缸內的燃料噴射器。
15. —種控制內燃機的排放系統中的催化粉塵過濾器(CSF)的主 動再生的方法，該方法包括如下步驟(i)增加流入CSF的排放氣體中的可燃燒碳氫化合物(HC)和/ 或一氧化碳(C0)的含量，由此在CSF中燃燒HC和/或CO,以便增加 CSF的溫度，並燃燒其上收集的顆粒物質；(ii )在催化傳感器裝置上燃燒CSF上遊的排放氣體中的HC和/ 或C0，以便產生指示排放氣體中的HC和/或C0的濃度的信號；(iii )將該信號與排放氣體中的HC和/或CO的燃燒熱焓值相關；以及(iv)控制步驟(i )中的HC和/或CO的含量，以響應步驟(iii ) 確定的熱焓值，由此將CSF的溫度保持在所述預定範圍內。
全文摘要
一種用於貧燃內燃機的排放系統包括(a)催化粉塵過濾器(CSF)(32)；(b)控制單元(38)；(c)通過控制單元控制的裝置(18)，用於增加流入CSF內的排放氣體內的可燃燒HC和/或CO的含量，由此燃燒CSF內的HC和/或CO，從而增加CSF的溫度並且燃燒其上收集的PM；以及(d)布置在發動機歧管(28)和CSF之間的催化傳感器裝置(36)，以便燃燒流入排放系統的排放氣體中的CO和/或HC，並且為控制單元輸入與排放氣體中的HC和/或CO的燃燒熱焓相關的數據，由此控制單元在使用時控制可燃燒HC和/或CO的引入裝置，以響應數據輸入，由此控制CSF與可燃燒HC和/或CO的接觸速度。
文檔編號F01N3/025GK101395347SQ200780007057
公開日2009年3月25日 申請日期2007年2月13日 優先權日2006年2月28日
發明者M·V·崔格, P·R·菲利普斯 申請人:詹森馬西有限公司