ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ Российский патент 2012 года по МПК F01N3/28 

Настоящее изобретение относится к выхлопной системе для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащей трехкомпонентный катализатор (TWC), включающий компонент, обладающий способностью к накоплению кислорода (OSC), причем состав TWC наносится на проточный монолитный носитель катализатора, каковой носитель содержит множество каналов, каждый из которых имеет длину, проходящую от входной стороны до выходной стороны, и один кислородный датчик.

Как хорошо известно в данной области техники, на количество оксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (НС) и оксидов азота (NOx), выделяемых, когда бензиновое топливо сжигается в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в основном, влияет соотношение компонентов горючей смеси в цилиндре сгорания. В выхлопном газе со стехиометрически сбалансированным составом концентрации окисляющих газов (NO_x и О₂) и восстановительных газов (НС и СО) практически совпадают. Соотношение компонентов горючей смеси, которое дает стехиометрически сбалансированный состав выхлопного газа, обычно приводится как 14,7:1.

Теоретически, должно быть возможным выполнять полное преобразование О₂, NO_x, СО и НС в стехиометрически сбалансированном составе выхлопного газа в СO₂, H₂O и N₂, и это является способностью так называемого трехкомпонентного катализатора. Следовательно, в идеале двигатель должен эксплуатироваться таким образом, чтобы соотношение компонентов горючей смеси давало стехиометрически сбалансированный состав выхлопного газа.

Другой способ определения составного баланса между окисляющими газами и восстановительными газами выхлопного газа - это величина лямбда (λ) выхлопного газа, определяемая согласно уравнению (1) как:

Действительное соотношение компонентов горючей смеси двигателя/Стехиометрическое соотношение компонентов горючей смеси двигателя,

(1)

где величина лямбда, равная 1, отражает стехиометрически сбалансированный (или стехиометрический) состав выхлопного газа, где величина лямбда>1 отражает излишек О₂ и NO_x и состав описывается как «бедный» и где величина лямбда<1 отражает излишек НС и СО и состав описывается как «богатый». В данной области техники также принято называть соотношение компонентов горючей смеси, при котором эксплуатируется двигатель, «стехиометрическим», «бедным» или «богатым» в зависимости от состава выхлопного газа, каковое соотношение компонентов горючей смеси, следовательно, создает стехиометрически эксплуатируемый бензиновый двигатель или бензиновый двигатель, эксплуатируемый на бедной смеси.

Следует учесть, что восстановление NO_x до N₂ с использованием TWC менее эффективно, когда состав выхлопного газа бедный или стехиометрический. Равным образом, TWC менее способен окислять СО и НС, когда состав выхлопного газа богатый. Следовательно, задача состоит в том, чтобы поддерживать состав выхлопного газа, протекающего в TWC, как можно ближе к стехиометрическому составу.

Разумеется, когда двигатель находится в стабильном состоянии, относительно легче обеспечить стехиометрическое соотношение компонентов горючей смеси. Однако когда двигатель используется для продвижения вперед транспортного средства, количество требуемого топлива временно меняется в зависимости от требования по нагрузке, устанавливаемого для двигателя водителем. Это делает особенно сложным управление соотношением компонентов горючей смеси так, чтобы вырабатывался стехиометрический выхлопной газ для тройного преобразования. На практике соотношение компонентов горючей смеси управляется устройством управления двигателем, которое получает информацию о составе выхлопного газа от датчика кислорода в выхлопном газе (EGO) (или лямбда): так называемая замкнутая система обратной связи. Признаком такой системы является то, что соотношение компонентов горючей смеси колеблется (или отклоняется) между слегка богатым относительно стехиометрической (или установленной управлением) точки и слегка бедным из-за временной задержки, связанной с регулированием соотношения компонентов горючей смеси. Это колебание характеризуется амплитудой соотношения компонентов горючей смеси и частотной характеристикой (Гц).

Активные компоненты в типичном TWC содержат один или оба из следующих элементов: платины и палладия и родия, поддерживаемых на оксиде с сильно развитой поверхностью.

Когда состав выхлопного газа слегка богатый относительно установочной точки, существует потребность в небольшом количестве кислорода для поглощения непрореагировавших СО и НС, т.е., чтобы сделать реакцию более стехиометрической. И наоборот, когда выхлопной газ становится слегка бедным, необходимо поглощение излишков кислорода. Это было достигнуто разработкой компонента хранения кислорода, который освобождает или поглощает кислород во время отклонений. Наиболее широко используемый в современных TWC компонент хранения кислорода (OSC) - это оксид церия (СеО₂) или смешанный оксид, содержащий церий, например, смешанный оксид Ce/Zr.

Типичное расположение датчиков для современного TWC - это расположение первого кислородного датчика для контакта с выхлопным газом на стороне впуска TWC и второго кислородного датчика для контакта с выхлопным газом на стороне выпуска TWC, т.е., для контакта с выхлопным газом, выходящим из TWC. Первый датчик используется для управления соотношением компонентов горючей смеси двигателя путем управления с замкнутой обратной связью с вводом показаний датчика в устройство управления двигателем. Главным образом, второй датчик используется для двух целей: для «уравновешивания» управления соотношением компонентов горючей смеси двигателя, что, в основном, является целью первого кислородного датчика; и для использования в бортовой диагностике.

Системы бортовой диагностики непрерывно используются для мониторинга устройств дополнительной обработки автомобильного выхлопного газа, например, TWC, для подтверждения и установки кодов неисправности или аварийных сигналов, когда устройства перестают соответствовать предписанным стандартам выхлопа.

Кислородные датчики дорогие, и недавно было предложено удалить один кислородный датчик и эксплуатировать систему на одном кислородном датчике, расположенном внутри или непосредственно со стороны выпуска TWC (см, например, WO 2005/064139, все содержание которого включено здесь путем ссылки). Это может не только сделать систему в целом менее дорогой, но считается, что расположив один кислородный датчик ближе к TWC, можно сократить временную задержку, связанную с регулированием соотношения компонентов горючей смеси, для более точного управления величиной лямбда выхлопного газа и повышения таким образом эффективности преобразования. Возможно даже использование меньших TWC, содержащих меньше активных компонентов из дорогих драгоценных металлов.

Недавно мы разработали концепцию TWC для использования в связи с выхлопными системами, содержащего один кислородный датчик, который может обеспечить более быструю реакцию системы в целом на изменения в окислительно-восстановительном составе выхлопного газа, обеспечивая таким образом более точное управление с замкнутой обратной связью соотношением компонентов горючей смеси двигателя.

Согласно одному аспекту, создана выхлопная система для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащая:

(a) тройной катализаторный состав, включающий компонент хранения кислорода, каковой состав TWC наносится на проточный монолитный носитель катализатора, каковой носитель содержит множество каналов, причем каждый канал имеет длину, проходящую от входной стороны до выходной стороны; и

(b) один кислородный датчик,

где носитель содержит участок множества каналов, где состав TWC по меньшей мере на части длины каналов, проходящих от входной стороны, имеет сниженную активность хранения кислорода или не имеет активности хранения кислорода относительно состава TWC в остальной части носителя, причем расположение таково, что один кислородный датчик контактирует практически только с выхлопным газом, который сначала контактировал с составом TWC, имеющим сниженную активность хранения кислорода или не имеющим активности хранения кислорода.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения участок множества каналов имеет кольцевую форму, но в конкретном варианте осуществления изобретения участок множества каналов имеет сегментную форму (см. также прилагаемые чертежи). Монолит проточного носителя может быть выполнен или из керамического материала, или из металла, имеющего любую подходящую плотность упаковки элементов, например, 200-1200 элементов на квадратный дюйм. Устройства и способы получения таких расположений покрытия известны, например, из нашего WO 99/47260.

В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения кислородный датчик расположен в отверстии, частично образованном наружной стенкой проточного монолитного носителя, поскольку некоторые из каналов проточного монолита не проходят сквозь весь носитель. Однако относительно сложно, с точки зрения обработки, покрыть составом TWC проточный носитель с отверстием, просверленным в его наружной стенке. Нанесение носителя перед сверлением отверстия для размещения кислородного датчика также создает проблемы, состоящие в том, что дорогой металл платиновой группы (PGM) может быть потерян в пыли от сверления носителя. Более того, пыль с PGM является аллергеном и представляет угрозу здоровью и безопасности фабричных рабочих.

Соответственно, в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения участок множества каналов проходит от входной стороны до выходной стороны носителя, и кислородный датчик расположен непосредственно на выпуске выходной стороны, причем выхлопная система содержит средство для предотвращения в значительной степени контакта с кислородным датчиком выхлопного газа, отличного от выхлопного газа, протекающего в участок множества каналов.

Использование одного кислородного датчика, расположенного внутри или на выпуске носителя TWC, создает проблему управления соотношением компонентов горючей смеси двигателя в равной степени, как предусмотрено системой предшествующего уровня техники, в которой один кислородный датчик расположен на впуске носителя TWC, а другой расположен на выпуске. Настоящее изобретение решает эту проблему, позволяя одному кислородному датчику «видеть» выхлопной газ, который контактировал с меньшим OSC или не контактировал с OSC. Соответственно, система способна реагировать на макроколебания в составе выхлопного газа быстрее, чем если бы один кислородный датчик был расположен на выпуске «нормального» носителя TWC, т.е., носителя, который гомогенно покрыт составом TWC. Это повышает уровень управления и количество проектных решений, доступных для опытного инженера.

Средство для предотвращения в значительной степени контакта выхлопного газа с кислородным датчиком, расположенным на выпуске TWC, может содержать дефлектор для приема и окружения кислородного датчика, каковой дефлектор открыт на входной и выходной сторонах. Дефлектор может принимать множество форм, но в одном варианте осуществления настоящего изобретения он содержит полосу профилированного металла, поддерживаемую внутренней поверхностью контейнера, в котором удерживается носитель.

Состав TWC для использования в настоящем изобретении обычно содержит комбинацию из двух или более металлов платиновой группы (PGM), обычно Pt/Rh, Pd/Rh или Pt/Pd/Rh. Величины общего содержания PGM могут находиться в диапазоне от такой низкой величины, как около 2 г/фут^-3 до 300 г/фут^-3, хотя общее содержание PGM в составах Pt/Rh обычно <100 г/фут^-3. Величины общего содержания PGM в системах Pd/Rh могут быть выше, например, <300 г/фут^-3. Компонент OSC может содержать до 1000 г/фут^-3 церия в покрытии, содержащем состав TWC, для покрытия проточного монолита. PGM и любые используемые активаторы катализатора, например, соединение на основе бария, поддерживаются одним или более OSC, например, смешанным или композитным оксидом Ce/Zr, и оксидом с сильно развитой поверхностью, например, оксидом алюминия.

Однако состав TWC со сниженной активностью хранения кислорода может иметь один или оба из следующих признаков:

(i) более низкое содержание компонента хранения кислорода, чем состав TWC в остальной части носителя; и/или

(ii) более низкое содержание PGM, чем состав TWC в остальной части носителя.

Это происходит потому, что считается, что PGM вносят вклад в активность OSC, поглощая кислород из выхлопного газа на активных участках на поверхности PGM, каковой поглощенный кислород затем переносится в OSC. При сохранении некоторой активности OSC один датчик может также использоваться для OBD (бортовая диагностика).

Когда состав TWC не имеет активности хранения кислорода, это может выполняться исключением или компонента хранения кислорода, и/или PGM.

Согласно другому аспекту, создано устройство, содержащее двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием и выхлопную систему по изобретению. Двигатель может быть стехиометрически эксплуатируемым бензиновым двигателем или бензиновым двигателем, эксплуатируемым на бедной смеси, например, двигателем GDI (с прямым впрыском бензина) или DISI.

Недавние достижения в управлении двигателями и дополнительной обработке выхлопных газов привели к внедрению двигателей, способных к эксплуатации на смеси, отклоняющейся от стехиометрической в сторону бедной, в течение значительной части ездового цикла. Преимущество состоит в том, что производитель транспортных средств способен производить транспортные средства, которые легче достигают соответствия законодательным стандартам выхлопа для СО и НС, и покупатель выигрывает от улучшенного потребления топлива. Однако, как описано выше, техническая сложность состоит в поиске способов обработки NO_x в бедном выхлопном газе.

Одно решение заключается в использовании компонента выхлопной системы, упоминаемого как уловитель бедного NO_x или просто уловитель NO_x. Состав уловителя NO_x аналогичен составу TWC в том, что он содержит катализатор для окисления NO в NO₂, обычно платину; и катализатор, например, родий, для активации восстановления NO_x до N₂ в присутствии восстановителя, например, НС. В качестве отличия, уловитель NO_x обычно не включает OSC. Существенная разница между составом TWC и составом уловителя NO_x, однако, состоит в том, что состав уловителя NO_x содержит значительные количества соединений неблагородных металлов, например, бария, стронция, калия для поглощения NO_x во время эксплуатации двигателя на бедной смеси. Механизм реакции часто состоит в том, что NO контактирует с кислородом, связанным с активными участками на платине, образуя NO₂, и NO₂ затем поглощается на оксиде неблагородного металла для образования и, по сути, для «хранения» NO_x, в виде нитрата. См., например, ЕР 0560991 (все содержание которого включено здесь путем ссылки).

Разумеется, способность уловителя NO_x абсорбировать (или адсорбировать) NO_x ограничена объемом соединений неблагородных металлов, присутствующим в составе. Для удаления NO_x, и, таким образом, «восстановления» способности состава уловителя NO_x поглощать NO_x, периодически на мгновение используется управление двигателем для обогащения выхлопного газа несгоревшим НС. Предполагается, что нитрат неблагородного металла нестабилен в восстановительной атмосфере, и из него высвобождается NO_x для восстановления до N₂ в восстановительной атмосфере, катализируемой компонентом родия.

Предполагается, что выхлопная система для обработки выхлопного газа из бензинового двигателя, работающего на бедной смеси, оснащенная уловителем NO_x, содержит TWC, расположенный близко к двигателю. Обязанность TWC состоит в обработке NO_x во время восстановления уловителя NO_x и выхлопного газа, когда двигатель эксплуатируется близко к стехиометрической точке или при стехиометрической точке, например, во время запуска холодного двигателя для разогрева компонентов выхлопной системы или во время быстрого вождения по автомагистрали. Во избежание каких-либо сомнений, выхлопная система по изобретению предназначена для обработки выхлопного газа из стехиометрически эксплуатируемых двигателей с искровым зажиганием и двигателей с искровым зажиганием, работающих на бедной смеси, где выхлопная система может включать уловитель NO_x.

Согласно другому аспекту, создано транспортное средство, содержащее устройство по изобретению.

Патент US №5352646 описывает поддерживаемые катализаторы, приспособленные для каталитического преобразования выхлопных газов из двигателей внутреннего сгорания, содержащие пористый носитель, например, сферы из оксида алюминия, причем такой пористый носитель имеет каталитически эффективный объем по меньшей мере одного каталитически активного элемента не платиновой группы, например, церия, практически гомогенно концентрированного по всей глубине образованного поверхностного слоя периферийной поверхности (наружный хомут или кольцо).

Согласно другому аспекту, создан проточный монолитный носитель, содержащий множество каналов, покрытых тройным катализаторным составом, включающим компонент хранения кислорода, причем каждый канал имеет длину, проходящую от входной стороны до выходной стороны, где по меньшей мере часть длины каналов, проходящая от первого конца на участке множества каналов, покрыта катализаторным составом, содержащим по меньшей мере один металл платиновой группы, имеющий сниженную активность хранения кислорода относительно остальной части носителя.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения проточный монолитный носитель содержит наружную стенку, связанную с участком, стенка которого частично образует отверстие для размещения в нем одного кислородного датчика.

Для более полного понимания настоящего изобретения ниже следует подробное описание наглядных примеров вариантов осуществления настоящего изобретения, иллюстрируемое прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 - два варианта осуществления носителя TWC, в которых участок множества каналов имеет кольцевую форму;

Фиг.2 - два варианта осуществления носителя TWC, в которых участок множества каналов имеет сегментную форму (или форму полос);

Фиг.3 - схема устройства, используемого для испытания концепции изобретения;

Фиг.4 - расположение носителя и контейнера с катализатором, используемое в устройстве, представленном на Фиг.3;

Фиг.5 - столбцовая диаграмма, показывающая результаты среднего содержания богатого-бедного OSC сплошного участка и OSC отверстия для датчика для гомогенно покрытого (нормального) носителя TWC и вариантов осуществления носителей TWC по изобретению;

Фиг.6 - столбцовая диаграмма, показывающая результаты средней эффективности преобразования СО для испытания свежего заряда О₂ со сравнением гомогенно покрытого (нормального) носителя TWC и вариантов осуществления носителей TWC по изобретению; и

Фиг.7 - столбцовая диаграмма, показывающая результаты средней эффективности преобразования NO₂ для испытания свежего заряда О₂ со сравнением гомогенно покрытого (нормального) носителя TWC и вариантов осуществления носителей TWC по изобретению.

На Фиг.1 показаны два варианта осуществления носителя TWC по изобретению, причем с левой стороны показан вариант осуществления, в котором кольцевой участок множества каналов покрыт по всей их длине, т.е., от первой входной стороны до второй выходной стороны, а состав TWC не имеет OSC и имеет общую концентрацию PGM 20 г/фут^-3. Остальная часть носителя (сердечник цилиндрической формы) покрыта составом TWC, содержащим OSC и имеющим общую концентрацию PGM 90 г/фут^-3. Черная точка на Фиг.1 отображает отверстие, частично образованное наружной стенкой носителя, связанного с участком множества каналов, не имеющего OSC и имеющего общую концентрацию PGM 20 г/фут^-3. Отверстие для размещения кислородного датчика расположено приблизительно на полпути вдоль длины каналов носителя между первой входной стороной и второй выходной стороной, как можно видеть на центральной фотографии.

Вариант осуществления настоящего изобретения, показанный с правой стороны Фиг.1, покрыт до половины своей длины, проходящей от первой входной стороны, аналогично ранее рассмотренному варианту осуществления настоящего изобретения, т.е., кольцевой состав TWC, не имеющий OSC и имеющий общую концентрацию PGM 20 г/фут^-3, и центральный цилиндрический сердечник с концентрацией 90 г/фут^-3. Другая половина (которая проходит от второй выходной стороны) покрыта составом TWC, содержащим OSC и 60 г/фут^-3 PGM. На практике, первая входная сторона этого носителя, содержащего кольцевой состав TWC, имеющий концентрацию PGM 20 г/фут^-3 и не имеющий OSC, обращена к стороне впуска в выхлопной системе.

На Фиг.2 вариант осуществления настоящего изобретения, показанный с левой стороны, показывает сегментный участок носителя, покрытый по всей длине своих каналов составом TWC, не содержащим OSC и имеющим общую концентрацию PGM 20 г/фут^-3. Остальная часть носителя покрыта составом TWC, имеющим общую концентрацию PGM 60 г/фут^-3 и содержащим OSC. Как указано выше, черная точка, связанная с сегментным участком, отображает отверстие для размещения кислородного датчика. Этот вариант осуществления настоящего изобретения именуется «полосным».

Вариант осуществления настоящего изобретения, показанный с правой стороны, - это вариант с «полуполосами», в котором носитель покрыт примерно до половины длины своих каналов на сегментном участке составом TWC, не содержащим OSC и имеющим общую концентрацию PGM 20 г/фут^-3, и остальная часть носителя покрыта составом TWC, содержащим OSC и имеющим общую концентрацию PGM 60 г/фут^-3. При использовании носитель будет установлен в выхлопной системе так, что сторона «полуполосы» будет обращена к впуску. Однако для целей оценки влияния восстановления общего содержания OSC в носителе по сравнению с гомогенно покрытым носителем в наглядных примерах 1 и 2, представленных ниже, предлагаемая ориентация «при использовании» сравнивается с расположением, в котором сторона «полуполосы» обращена к выпуску.

Нижеследующие примеры предназначены только для иллюстративных целей.

ПРИМЕР 1

Испытание OSC было выполнено на устройстве, показанном на Фиг.3. Используемый двигатель - настольный двигатель 2.0 TFSi. Использовались керамические носители 4.66×5 дюймов (11.8×12.7 см), 400 элементов на квадратный дюйм (62 элемента на см^-2). Испытываемый носитель TWC был помещен в съемный контейнер с катализатором, имеющий выступ кислородного датчика для совмещения с отверстием для датчика в наружной стенке носителя, показанном на Фиг.4. Съемный контейнер и носитель были введены в выхлопную систему двигателя. Система также содержала кислородные датчики, расположенные на впуске и выпуске носителя TWC нормальным образом. Были собраны данные, сравнивающие OSC, полученный из показаний, снятых с отверстия для датчика, с OSC, полученным с носителя в целом, т.е., между кислородными датчиками на впуске и выпуске.

Испытание OSC было выполнено с двигателем, работающим в стабильном состоянии со скоростью 2000 об/мин и нагрузкой 93 Нм. Это дало входную температуру катализатора около 580°С. Устройство управления двигателем было запрограммировано на переключение двигателя между лямбда 0,95 и 1,05. Временная разница между переключением кислородных датчиков (дельта Т) используется для вычисления OSC из уравнения (2):

OSC (мг)=дельта Т (с)∗Массовый поток выхлопа (кг/ч)∗дельта лямбда (%)∗0,64 (2)

Испытания были проведены для четырех расположений TWC. Для целей сравнения был использован гомогенно покрытый (или нормальный) носитель TWC. Были испытаны два варианта осуществления носителя TWC по изобретению: кольцевое расположение, показанное на Фиг.1 с левой стороны, и полуполосное расположение, показанное на Фиг.2 с правой стороны. Четвертое испытание было проведено на полуполосном варианте осуществления, где носитель был установлен в направлении, противоположном (или перевернутом) предполагаемому в использовании на практике. Это должно было подтвердить, что показание содержания OSC для каналов, расположенных со стороны впуска от кислородного датчика, в испытании с перевернутыми полуполосами (покрытыми «нормальным» составом TWC) было таким же, как и показание гомогенно покрытого носителя TWC. Испытания были выполнены как на свежих, так и на состаренных катализаторах. Катализаторы были состарены при 1000°С в течение 4 часов в смеси газов, содержащей 2% О₂, 10% Н₂О и остаток N₂.

Результаты показаны на Фиг.5. Для гомогенного катализатора датчик средней точки зарегистрировал приблизительно половину содержания OSC, измеренного датчиком сплошного участка, а датчик средней точки катализатора в виде полуполосы зарегистрировал содержание OSC около нуля с полосой «без OSC» перед катализатором. В перевернутом виде содержание OSC, измеренное в катализаторе в виде полуполосы, было статистически таким же, как у гомогенного катализатора. Кольцевой катализатор имел более низкое содержание OSC, измеренное в любой точке. Вычисленное содержание OSC для варианта осуществления кольцевого катализатора составляет ~1/3 от содержания OSC гомогенного катализатора.

Результаты показывают, что полуполосный вариант осуществления показывает одинаковое содержание OSC для носителя в целом, в то же время позволяя достигать управления с замкнутой обратной связью соотношением компонентов горючей смеси двигателя с одним кислородным датчиком. Считается, что это происходит из-за того, что несмотря на установку носителя на стороне выпуска диффузора конической формы, большая часть газа протекает через носитель в области носителя, противоположной входу. Кольцевой вариант осуществления настоящего изобретения является практически осуществимым, хотя и менее предпочтительным вариантом, поскольку содержание OSC сплошного участка было снижено по сравнению с нормальным носителем TWC.

ПРИМЕР 2

Простое испытание заряда O₂ было выполнено на катализаторах, испытываемых в ПРИМЕРЕ 1, с использованием устройства, показанного на Фиг.3, в котором двигатель был установлен для работы с циклическим изменением отклонений между: лямбда=1,02 для 10 секунд; лямбда=0,98 для 10 секунд.

Целью испытания заряда O₂ было исследование характеристики выбросов катализаторной системы, когда OSC катализаторной системы циклически полностью опустошается и полностью наполняется. Испытание заряда 02 было выполнено при 3 различных состояниях двигателя с 3 различными скоростями наполнения и опустошения OSC при каждом состоянии, как показано в Таблице ниже. Скорости наполнения и опустошения OSC зависят от амплитуд шагов лямбда, используемых для наполнения и опустошения OSC. Амплитуды, используемые при каждом состоянии двигателя, составляют ±1%, ±2% и ±5% с шагами лямбда 0,99-1,01, 0,98-1,02 и 0,95-1,05 соответственно. Временной период для опустошения и наполнения OSC установлен на 20 секунд, т.е., после 10 секунд бедной смеси следовали 10 секунд богатой смеси. Это должно дать полное опустошение и наполнение OSC для систем с состаренным катализатором. Эти величины может быть необходимо увеличить, если должны испытываться системы со свежим катализатором.

Вслед за стандартной процедурой запуска и разогрева двигатель был переведен в первое состояние и было дано время на стабилизацию температур катализатора. Желаемый шаг лямбда был установлен с использованием карты LRSMODMS. Временной период LRSTPZA был установлен на 20 секунд. Дополнительная 1 минута была дана на стабилизацию температуры катализатора перед регистрацией данных в течение 3 минут 20 секунд. Этот процесс был повторен для всех требуемых шагов лямбда и состояний двигателя. Величины эффективности преобразования для СО и NO_x вычислены из данных выхлопа. Средние величины эффективности преобразования вычислены за 100 секунд регистрации (5 полных периодов, включающих 10 секунд бедной смеси, за которыми следуют 10 секунд богатой смеси).

№ состояния 1 2 3 Скорость двигателя (об/мин) 3000 3000 3000 Вращающий момент (Нм) 30 72 135 Массовый поток выхлопа (кг/ч) 50 95 160

Величины эффективности преобразования NO_x и СО были вычислены из собранных данных выхлопа, и результаты показаны на Фиг.6 и 7. Как можно видеть, гомогенный и полуполосный катализаторы показывают одинаковую характеристику; ориентация полуполосы оказывает незначительное влияние на эффективность преобразования. Как и в ПРИМЕРЕ 1, вариант осуществления настоящего изобретения с кольцевым катализатором показывает более низкую характеристику.

Изобретение относится к выхлопной системе для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Сущность изобретения: выхлопная система для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием содержит поточный монолитный носитель катализатора с множеством каналов, каждый канал проходит от начала впускного отверстия до конца выпускного отверстия, причем первый участок упомянутых каналов по всей длине покрыт первым трехкомпонентным катализатором (TWC), обладающим способностью к накоплению кислорода, а второй участок упомянутых каналов по всей длине покрыт вторым тройным катализаторным составом (TWC), обладающим пониженной способностью к накоплению кислорода или не обладающим способностью к накоплению кислорода по сравнению с составом TWC, нанесенным на упомянутый первый участок каналов; а также один кислородный датчик, расположенный в системе таким образом, что датчик взаимодействует, по существу, только с выхлопными газами, которые ранее взаимодействовали с составом TWC, обладающим пониженной способностью к накоплению кислорода или не обладающим способностью к накоплению кислорода. Техническим результатом изобретения является обеспечение соотношения компонентов горючей смеси для получения стехиометрически сбалансированного состава выхлопного газа. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.

1. Выхлопная система для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащая:
(a) поточный монолитный носитель катализатора с множеством каналов, каждый канал проходит от начала впускного отверстия до конца выпускного отверстия, причем первый участок упомянутых каналов по всей длине покрыт первым трехкомпонентным катализатором (TWC), обладающим способностью к накоплению кислорода, а второй участок упомянутых каналов по всей длине покрыт вторым тройным катализаторным составом (TWC), обладающим пониженной способностью к накоплению кислорода или не обладающим способностью к накоплению кислорода, по сравнению с составом TWC, нанесенным на упомянутый первый участок каналов; а также
(b) один кислородный датчик, расположенный в системе таким образом, что датчик взаимодействует, по существу, только с выхлопными газами, которые ранее взаимодействовали с составом TWC, обладающим пониженной способностью к накоплению кислорода или не обладающим способностью к накоплению кислорода.

2. Выхлопная система по п.1, в которой второй участок множества каналов имеет кольцевую форму.

3. Выхлопная система по п.1, в которой второй участок множества каналов имеет сегментную форму.

4. Выхлопная система по любому из пп.1-3, в которой кислородный датчик расположен на втором участке множества каналов.

5. Выхлопная система по любому из пп.1-3, в которой кислородный датчик расположен непосредственно по ходу после конца выпускного отверстия второго участка каналов, причем выхлопная система содержит средство, которое, по существу, не позволяет другим выхлопным газам, кроме тех, которые проходят через второй участок множества каналов, взаимодействовать с кислородным датчиком.

6. Выхлопная система по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что кислородный датчик расположен непосредственно по ходу после конца выпускного отверстия второго участка каналов, выпускная система содержит средство, которое, по существу, не позволяет другим выхлопным газам, кроме тех, которые проходят через второй участок множества каналов, взаимодействовать с кислородным датчиком, причем средство для, по существу, предотвращения контакта с кислородным датчиком выхлопного газа содержит дефлектор, окружающий кислородный датчик, каковой дефлектор открыт со стороны торца, расположенного по ходу спереди и с торца, расположенного по ходу сзади.

7. Выхлопная система по любому из пп.1-3, в которой состав TWC со сниженной способностью накопления кислорода может иметь один или оба из следующих признаков:
(i) более низкое содержание компонента накопления кислорода, чем у состава TWC на первом участке носителя; и/или
(ii) более низкое общее содержание металла платиновой группы, чем у состава TWC на первом участке носителя.

8. Выхлопная система по любому из пп.1, 2 или 3, в которой состав TWC, не имеющий способности к накоплению кислорода, не содержит компонента накопления кислорода и/или металлов платиновой группы.

9. Устройство, содержащее двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием и выхлопную систему по любому из предыдущих пунктов.

10. Транспортное средство, содержащее устройство по п.9.

11. Проточный монолитный носитель, содержащий множество каналов, каждый канал проходит от начала впускного отверстия до конца выпускного отверстия, причем первый участок упомянутых каналов по всей длине покрыт первым трехкомпонентным катализатором (TWC), обладающим способностью к накоплению кислорода, а второй участок упомянутых каналов по всей длине покрыт вторым трехкомпонентным катализатором (TWC), обладающим пониженной способностью к накоплению кислорода или не обладающим способностью к накоплению кислорода по сравнению с составом TWC, нанесенным на упомянутый первый участок каналов; а также наружную стенку, связанную со вторым участком, внешняя стенка которого образует часть отверстия для размещения в нем одного кислородного датчика.