Настоящее изобретение относится к выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания, а именно к системе, содержащей монолитную подложку, покрытую каталитическим составом, причем монолитная подложка содержит множество, по существу, параллельных каналов, при этом каждый канал продолжается продольно от переднего по ходу конца до заднего по ходу конца подложки; к тому же первый датчик расположен в отверстии, частично ограниченном внешней стенкой монолитной подложки.
Система бортовой диагностики (СБД) в контексте автомобиля является родовым термином при описании способности к самодиагностике и способности к передаче сообщений от систем транспортного средства, снабженных сетью датчиков, которые соединены с соответствующей электронной системой управления. В ранних системах бортовой диагностики при обнаружении проблемы просто высвечивался световой индикатор неисправностей, и не предоставлялась какая-либо информация о природе проблемы. В более современных системах бортовой диагностики используется стандартизированный цифровой соединительный порт, и указанные системы способны предоставлять информацию на основе стандартизированных диагностических кодов неисправностей при отборе данных в реальном времени, что позволяет системам транспортного средства быстро идентифицировать и решать проблемы.
В соответствии с современными техническими условиями для системы бортовой диагностики требуется, чтобы водитель был уведомлен о неисправности или повреждении выхлопной системы, повлекшей выхлоп, в котором превышены установленные пороговые значения. Например, система бортовой диагностики в соответствии со стандартом Евро-4, как определено в Директиве 98/69/ЕС для пассажирских дизельных транспортных средств (категория М транспортных средств согласно Директиве Совета ЕС 70/156/ЕЕС), ограничивает содержание в выхлопном газе: угарного газа (CO) - 3,2 г/км; углеводородов (HC) - 0,4 г/км; окиси азота (NOx) - 1,2 г/км и твердых частиц (РМ) 0,18 г/км. Для пассажирских бензиновых (газолиновых) транспортных средств, в соответствии со стандартом Евро-4, установлены следующие предельные значения: CO - 3,2 г/км; HC - 0,4 г/км; NOx - 0,6 г/км и РМ - без ограничений.
Будущее законодательство по транспортным выбросам в атмосферу, в особенности в США и Европе, потребует более высокой чувствительности диагностики, чтобы непрерывно контролировать способность каталитического нейтрализатора проводить доочистку выхлопной системы согласно законодательству по выбросам в атмосферу. Например, принятый в настоящее время проект системы бортовой диагностики, в соответствии со стандартом Евро-5, как определено в Директиве 715/2007/ЕС для пассажирских транспортных средств, имеющих двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (дизельных), ограничивает содержание в выхлопном газе: CO - 1,9 г/км; неметановых углеводородов (NMHC) - 0,25 г/км; NOx - 0,54 г/км; РМ - 0,05 г/км; и для пассажирских транспортных средств, имеющих двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топлива (бензиновых), ограничивает содержание в выхлопном газе: CO - 1,9 г/км; неметановых углеводородов (NMHC) - 0,25 г/км; NOx - 0,54 г/км и РМ - без ограничений.
В США принято, что в соответствии с законодательством по системе бортовой диагностики II (раздел 13, «Технические нормы Калифорнии», секция 1968.2, «Неисправности и требования к диагностическим системам для пассажирских автомобилей модели 2004 г. и моделей последующих годов, грузовиков малой грузоподъемности и транспортных средств средней грузоподъемности и двигателей») при контроле каталитического нейтрализатора бензиновых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием требуется, чтобы поступал сигнал о неисправности, когда средний результат испытаний по Федеральному методу определения токсичности (FTP) показывает, что коэффициент нейтрализации NMHC в отработанных газах проверенного участка системы каталитического нейтрализатора падает ниже 50%.
Современные системы бортовой диагностики для каталитических систем доочистки выхлопного газа имеют ограниченное разрешение сигналов, поступающих от датчиков выхлопного газа. В зависимости от выхлопной системы транспортного средства, имеющего двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия или от выхлопной системы транспортного средства, имеющего двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топлива, имеется множество причин возникновения электронного шума и фактически чувствительность датчика изменяется в зависимости от температуры и в результате помех вблизи заданной величины. Это происходит, в основном, потому, что отношение сигнал/шум является слишком низким. Однако следует отметить, что в соответствии с новым законодательством требуется обнаружение относительно небольших изменений активности каталитического нейтрализатора.
Как известно в данной области техники, количество угарного газа (СО), несгоревших углеводородов (НС) и окиси азота (NOx), испускаемых при сгорании бензинового топлива в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, преимущественно, определяется отношением воздух/топливо в камере сгорания. Выхлопной газ, имеющий стехиометрически сбалансированный состав, является газом, в котором, по существу, согласуются концентрации окислительных газов (NOx и O2) и восстановительных газов (НС и CO). Отношение воздух/топливо, при котором производится выхлопной газ стехиометрически сбалансированного состава, обычно, составляет 14,7:1.
Теоретически было бы возможно достичь полной конверсии O2, NOx, CO и НС в выхлопном газе стехиометрически сбалансированного состава с образованием CO2, H2O и N2, и это является функцией так называемого трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. Поэтому в идеальном случае двигателем нужно управлять так, чтобы отношение воздух/топливо в горючей смеси было таким, при котором выхлопной газ имеет стехиометрически сбалансированный состав.
Композиционный баланс окислительных газов и восстановительных газов в выхлопном газе можно определить иным образом, а именно с помощью коэффициента лямбда (λ) выхлопного газа, значение которого определяется согласно уравнению (1):
Фактическое отношение воздух/топливо в двигателе / Стехиометрическое
отношение воздух/топливо в двигателе, (1)
причем значение коэффициента лямбда, равное 1, свидетельствует о выхлопном газе стехиометрически сбалансированного (или стехиометрического) состава, значение коэффициента лямбда >1 свидетельствует об избытке O2 и NOx, и при таком составе газ называют «бедным», а значение коэффициента лямбда <1 свидетельствует об избытке НС и CO, и при таком составе газ называют «богатым». В данной области техники обычной практикой является, ссылаясь на отношение воздух/топливо, при котором работает двигатель, как на «стехиометрическое», «бедное» или «богатое», определяющее состав выхлопного газа, классифицировать двигатель: как двигатель, работающий на стехиометрической смеси или как бензиновый двигатель, работающий на обедненных смесях.
Следует принимать во внимание, что восстановление NOx до N2 при использовании трехкомпонентного каталитического нейтрализатора является менее эффективным, когда состав выхлопного газа беднее стехиометрического. В равной степени, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор обладает меньшей способностью окислять СО и НС, когда состав выхлопного газа является богатым. Поэтому существует проблема, состоящая в том, что состав выхлопного газа, поступающего в трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, необходимо поддерживать близким, насколько это возможно, к стехиометрическому составу.
Когда двигатель работает в установившимся режиме, относительно легко обеспечить стехиометрическое отношение воздух/топливо. Однако при приведении в движение транспортного средства быстро изменяется количество требуемого топлива в зависимости от нагрузки, оказываемой водителем на двигатель, или во время так называемой операции «отсечки топлива» (поступление топлива сокращается, когда система контроля работы двигателя обнаруживает, что водитель нажал на акселератор, и в цилиндр двигателя подается только воздух). Это особенно затрудняет регулировку отношения воздух/топливо, чтобы образовался стехиометрический выхлопной газ для трехкомпонентной конверсии. Практически соотношение воздух/топливо регулируется блоком управления двигателя, который получает информацию о составе выхлопного газа от датчика содержания кислорода в отработавших газах (или лямбда-зонда) в результате так называемой замкнутой системы обратной связи. Особенность такой системы состоит в том, что отношение воздух/топливо колеблется (или нарушается) от слегка обогащенного, относительно стехиометрического состава (или заданной величины), до слегка обедненного, в связи с тем, что имеется временная задержка регулировки соотношения воздух/топливо. Это нарушение характеризуется амплитудой отношения воздух/топливо и частотой ответной реакции (Гц).
Активные компоненты в типичном трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе содержат соединения платины, палладия и родия, нанесенные на оксид с сильно развитой поверхностью.
Когда состав выхлопного газа немного богаче заданной величины, имеется потребность в небольшом количестве кислорода, чтобы прореагировали непрореагировавшие CO и НС, т.е. необходимо сделать реакцию более стехиометрической. Наоборот, при несколько обедненном выхлопном газе должен потребляться лишний кислород. Исходя из этого, был разработан компонент, хранящий кислород, который освобождает или поглощает кислород во время отклонений состава выхлопного газа от нормы. Обычно компонент, хранящий кислород, который используется в современном трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе, представляет собой оксид церия (СеO2) или смешанный оксид, содержащий церий, например, смешанный оксид Ce/Zr.
При типичном размещении датчика в современном трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе первый лямбда-зонд для контакта с выхлопным газом располагается на передней по ходу стороне трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, а второй лямбда-зонд для контакта с выхлопным газом располагается на задней по ходу стороне трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, т.е. для контакта с выхлопным газом, покидающим трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Первый зонд используется для того, чтобы управлять отношением воздух/топливо двигателя посредством системы регулировки с обратной связью при введении показаний зонда в блок управления двигателя. Второй зонд используется, преимущественно, в двух целях, а именно, чтобы «скорректировать» регулировку соотношения воздух/топливо двигателя, которая является важнейшей функцией первого лямбда-зонда, и для диагностического контроля.
Так как лямбда-зонды являются дорогими, в последнее время было предложено удалить один лямбда-зонд и управлять системой при использовании единственного лямбда-зонда, расположенного внутри трехкомпонентного каталитического нейтрализатора (см., например, документ WO 2005/064139, содержание которого включено в качестве ссылки). Кроме того, что вся система становится менее дорогостоящей, полагают, что при размещении единственного лямбда-зонда в непосредственной связи с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором имеется возможность уменьшить временную задержку, связанную с регулировкой отношения воздух/топливо, производя более точную регулировку значения коэффициента лямбда выхлопного газа, и повысить тем самым эффективность конверсии. Это даже может позволить использовать небольшой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, содержащий меньшее количество активных компонентов из дорогостоящих драгоценных металлов.
В документе PCT/GB 2007/050087 авторов настоящего изобретения (содержание которого включено в качестве ссылки) описывается выхлопная система двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащая: (a) каталитический состав трехкомпонентного каталитического нейтрализатора с компонентом, хранящим кислород, нанесенный на проточную монолитную подложку, при этом подложка содержит множество каналов, причем каждый канал продолжается продольно от входного конца до выходного конца подложки, и (b) единственный лямбда-зонд, при этом подложка содержит участок с множеством каналов, причем нанесенный каталитический состав трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, по меньшей мере, в одной части длины каналов, продолжающихся от входного конца, обладает пониженной активностью хранящегося кислорода, или активность хранящегося кислорода отсутствует, по сравнению с активностью каталитического состава трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в остальной части подложки, к тому же расположение зонда является таким, что единственный лямбда-зонд контактирует, по существу, только с выхлопным газом, который прежде контактировал с каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, обладающим пониженной активностью хранящегося кислорода или в котором активность хранящегося кислорода отсутствует.
В документе US 2006/0165567 (содержание которого включено в качестве ссылки) описывается расположение, отличающееся от расположения, описанного в документе PCT/GB 2007/050087, причем объем части всех проходов, продолжающихся от передней поверхности подложки, в противоположность объему другой части проходов, обладает меньшей способностью абсорбировать кислород. Кроме того, характерным признаком US 2006/0165567 является то, что более низкая способность абсорбировать кислород в объеме части проходов может обеспечиваться полным отсутствием покрытия из пористого оксида, а не различным составом покрытия из пористого оксида, как описано в документе PCT/GB 2007/050087.
Выхлопные системы для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (дизельными или бензиновыми), которые работают на обедненных топливных смесях, содержащие устройства для абсорбции NOx из бедного выхлопного газа и выпуска накопленного NOx в атмосферу, при содержании небольшого количества кислорода, который участвует в реакции восстановления NOx до молекулярного азота (N2), известны, например, из документа EP 0560991 (содержание которого включено в качестве ссылки). Обычно такие абсорберы NOx соединяются с катализатором для того, чтобы окислить монооксид азота (NO) до диоксида азота (NO2), например платиной (Pt), и, если требуется, также соединяются с катализатором для восстановления NOx до N2, таким как родий. Каталитический нейтрализатор, содержащий абсорбент NOx и катализатор окисления NO и, если требуется, катализатор восстановления NOx, часто называют уловителем NOx для бедных топливных смесей или просто уловителем NOx.
Абсорбенты NOx, обычно называемые уловителями NOx, могут включать соединения щелочных металлов, например калий и/или цезий, соединения щелочноземельных металлов, таких как барий или стронций, и/или соединения редкоземельных металлов, обычно лантан и/или иттрий. Один механизм, как правило, предлагаемый для накопления NOx в этом уловителе при работе двигателя на бедной топливной смеси, состоит в том, что на первой стадии NO взаимодействует с кислородом на активных участках окисления при контакте с Pt с формированием NO2. Второй этап включает адсорбцию NO2 посредством материала, хранящего его в виде неорганического нитрата.
Когда двигатель периодически работает на обогащенной смеси или выхлопной газ имеет повышенную температуру, разнообразные нитраты становятся термодинамически неустойчивыми и разлагаются с образованием NO или NO2. При работе двигателя на обогащенной смеси эти оксиды NOx восстанавливаются угарным газом, водородом и углеводородами до N2, что может происходить на восстановительном катализаторе.
Притом, что хранящий NOx неорганический компонент обычно является оксидом, понятно, что в присутствии воздуха или выхлопного газа, содержащего CO2 и H2O, он также может быть в виде карбоната или может быть в виде гидрооксида.
Для обработки автомобильного выхлопного газа было предложено использовать селективное каталитическое восстановление NOx посредством азотсодержащих соединений, таких как аммиак или мочевина. В системе селективного каталитического восстановления происходит несколько химических реакций с NH3, все из которых являются желательными реакциями, приводящими к восстановлению NOx до азота. Основной реакцией является реакция (2).
Конкурирующие неселективные реакции с кислородом могут приводить к вторичной эмиссии или могут непродуктивно потреблять аммиак. Одной такой неселективной реакцией является полное окисление аммиака, представленное реакцией (3).
Кроме того, побочные реакции могут привести к образованию нежелательных продуктов, таких как N2O, как представлено реакцией (4).
Типичные катализаторы селективного каталитического восстановления включают переходной металл/цеолиты, такие как Cu/ZSM-5 и Fe/beta, и не содержащие благородных и редких металлов катализаторы, такие как пентоксид ванадия, например V2O5/WO3/TiO2 (см. EP 1054722, все содержание которого включено в качестве ссылки).
Каталитические нейтрализаторы NOx, используемые при работе на бедной топливной смеси, иногда также упоминаются в литературе, как неселективные восстановительные катализаторы, катализаторы селективного каталитического восстановления, катализаторы каталитического восстановления NOx, используемые при работе на бедной топливной смеси, «катализаторы DeNOx» и абсорбционные нейтрализаторы NOx.
В каталитическом нейтрализаторе NOx, используемом при работе на бедной топливной смеси, углеводороды (НС) реагируют с NOx, а не с кислородом (O2), чтобы сформировать азот (N2), углекислый газ (CO2) и воду (H2O) согласно реакции (5):
Конкурирующая неселективная реакция с кислородом представлена реакцией (6):
Известен ряд катализаторов для селективного стимулирования реакции (5), которые включают платину (Pt) на оксиде алюминия (Al2O3), медь (Cu) - замещенный цеолит, типа Cu/ZSM-5 и серебро (Ag), нанесенное на Al2O3 (см., например, EP 0658368, содержание которого включено в качестве ссылки).
Разработанные каталитические системы, используемые для обработки выхлопных газов дизельных двигателей, включают катализированные фильтры сажи и дизельные окислительные нейтрализаторы.
В катализированных фильтрах сажи (см., например, US 5100632, содержание которого включено в качестве ссылки), подложка фильтра покрыта каталитическим материалом для воспламенения твердых частиц в выхлопных газах дизельных двигателей. Типичные компоненты катализированного фильтра сажи включают платину и церий.
Дизельный окислительный нейтрализатор (см., например, US 6274107, содержание которого включено в качестве ссылки) разработан для окисления CO до CO2 и углеводородов в газообразной фазе (НС) и органической фракции твердых частиц в выхлопных газах дизельных двигателей (растворимая органическая фракция) до CO2 и H2O. Типичные компоненты дизельного окислительного нейтрализатора включают платину и, если требуется, также палладий на подложке оксида с сильно развитой поверхностью, включая оксид алюминия, диоксид кремния/оксид алюминия и цеолит.
Авторы изобретения разработали способ увеличения отношения сигнал/шум при применении системы бортовой диагностики, устанавливая зонд в подложке каталитического нейтрализатора и оптимизируя свойства каталитического состава вокруг зонда. Изобретение может использоваться для системы бортовой диагностики в любых каталитических системах, используемых для обработки выхлопного газа дизельных или бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
Согласно одному аспекту изобретения предложена выхлопная система для двигателя внутреннего сгорания, причем система содержит:
(a) монолитную подложку, покрытую каталитическим составом, при этом монолитная подложка содержит множество, по существу, параллельных каналов, причем каждый канал продолжается продольно от переднего по ходу конца до заднего по ходу конца подложки; и
(b) первый зонд, расположенный в отверстии, частично ограниченном внешней стенкой монолитной подложки,
причем монолитная подложка содержит участок с множеством каналов, в котором каталитический состав, по меньшей мере, в одной части длины каналов, продолжающихся от переднего по ходу конца подложки, обладает повышенной активностью для осуществления реакции, для которой состав катализатора предназначен, по сравнению с активностью каталитического состава в остальной части монолитной подложки, при этом расположение зонда является таким, чтобы зонд контактировал, по существу, только с выхлопным газом, который прежде контактировал с каталитическим составом, обладающим повышенной активностью.
Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что при повышенной активности каталитического состава в области, в которой расположен первый зонд, зонд лучше способен анализировать активность каталитического состава, благодаря увеличению отношения сигнал зонда/шум, без ущерба всей работе катализатора. Например, для каталитических составов трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов, содержащих компонент, хранящий кислород, увеличение в монолитной подложке количества заполняющего компонента, хранящего кислород, может привести к увеличению потребления топлива двигателем, когда очистка кислорода, содержащегося в компоненте, хранящем кислород, после отсечки топлива, является необходимой, чтобы вернуть систему в оптимальный режим работы. По подобным причинам чрезмерная активность компонента, хранящего кислород, может также подвергнуть риску компонент поглотителя NOx в системах бортовой диагностики, в которых используется обнаруженное время задержки во время очистки при сжигании богатой смеси для обнаружения восстановительного «прорыва», в сравнении с обнаруженным временем задержки для кислородного «прорыва» после возвращения системы в условия работы на бедной смеси.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения изобретения объем остальной части монолитной подложки преобладает по сравнению с объемом участка с множеством каналов.
Монолитная подложка обычно является проточной подложкой, изготовленной или из керамического материала, или из металла, которая имеет любую подходящую плотность ячеек, например от 200 до 1200 ячеек на квадратный дюйм. Устройство и способы получения такой структуры слоя известны, например, из документа авторов изобретения WO 99/47260 (содержание которого включено в качестве ссылки). Однако в определенных областях применения монолитная подложка может являться фильтром, например проточным фильтром или металлокерамическим фильтром, или парциальным фильтром (таким, как описано в документе WO 01/80978 или EP 1057519, все содержание которых включено здесь ссылкой), при этом в последнем документе описывается подложка, содержащая криволинейные пути фильтрации, благодаря которым, по меньшей мере, замедляется прохождение сажи. В частном случае монолитная подложка применяется в нейтрализаторе селективного каталитического восстановления экструзионного типа.
В одном из вариантов выполнения изобретения способ покрытия монолитной подложки включает этапы: (a) размещение изолирующих средств на верхней части монолитной подложки, (b) подача заданного количества жидкого компонента в указанные изолирующие средства, причем чередование этапов может быть (a) затем (b), или (b) затем (a), и далее этап (c) создание вакуума, под воздействием которого все указанное количество жидкого компонента поступает, по меньшей мере, в один участок подложки, и, по существу, все указанное количество жидкого компонента без рециркуляции задерживается внутри подложки. Процедуру можно повторять со второго конца монолитной подложки после того, как «первый проход» с первого конца монолитной подложки был завершен.
Существует множество средств получения двухстороннего покрытия. Чтобы предотвратить нанесение покрытия на определенные области подложки, могут быть сформированы изолирующие средства. Дополнительно, изолирующие средства могут разделить подложку изнутри с целью отделения разных жидкостей для нанесения покрытия или могут изолировать части подложки для предотвращения нанесения покрытия. В рамках объема настоящего изобретения можно изменить основу изолирующих средств, чтобы достичь желаемого профиля покрытия или создать желаемый продукт. Например, основа может иметь различную проницаемость, чтобы в определенных областях обеспечить более легкое течение жидкости и, следовательно, нанесение большего слоя покрытия, или основа может сама действовать, в качестве профилированного изолирующего средства, например, если подвергать монолитную подложку обработке таким образом, чтобы заданные области содержали большие количества жидкого компонента, который переносится непосредственно к соответствующим частям подложки, расположенной ниже основы.
Отверстие для помещения зонда может быть сформировано после покрытия монолитной подложки или до проведения этой операции.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения изобретения каталитический нейтрализатор является трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором. Как правило, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор содержит комбинацию двух или более металлов платиновой группы, обычно Pt/Rh, Pd/Rh или Pt/Pd/Rh. Общее количество металлов платиновой группы, в качестве наполнителей, может составлять от около 2 г·фут-3 до 300 г·фут-3, хотя общее количество металла платиновой группы в составах Pt/Rh, обычно составляет менее 100 г·фут-3. Общее количество металлов платиновой группы, в качестве наполнителей, в системах Pd/Rh может быть выше, например составлять менее 300 г·фут-3. Компонент, хранящий кислород, может содержать вплоть до 1000 г·фут-3 церия в покрытии из пористого оксида, которое наносится на проточный монолит в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе. Металлы платиновой группы и любые используемые катализаторные активаторы, например соединения на основе бария, наносятся на один или оба компонента, хранящие кислород, например на смешанный или сложный оксид Ce/Zr и оксид с сильно развитой поверхностью, например окись алюминия.
В одном из вариантов осуществления изобретения каталитический состав трехкомпонентного каталитического нейтрализатора на участке с множеством каналов имеет повышенную активность хранящегося кислорода, по сравнению с активностью каталитического состава трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в остальной части монолитной подложки.
В предпочтительных вариантах выполнения изобретения в каталитический состав трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, обладающего повышенной активностью хранящегося кислорода, входит один или оба из нижеприведенных:
(i) наполнитель, представляющий собой компонент, хранящий кислород, обладающий более высокой активностью по сравнению с его активностью в каталитическом составе трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, заполняющего остальную часть монолитной подложки; и
(ii) наполнитель, представляющий собой металл платиновый группы, содержание которого выше по сравнению с его содержанием в каталитическом составе трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, заполняющего остальную часть монолитной подложки.
В DE 102005020963 A1 описан автомобильный каталитический конвертер, имеющий корпус с углублением для газового датчика. Корпус вмещает подложку с каталитическим покрытием, имеющим негомогенную способность абсорбировать кислород. Согласно указанному патенту, в отличие от настоящего изобретения, вблизи датчика покрытие имеет более низкую способность абсорбировать кислород, чем в других частях каталитического конвертера.
В том случае, если каталитический нейтрализатор представляет собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, предпочтительно, первый зонд является лямбда-зондом. Этот вариант выполнения изобретения имеет особое применение для бензиновых двигателей, работающих на стехиометрической горючей смеси (с искровым зажиганием), которые также способны работать на обедненной смеси.
Альтернативно каталитический нейтрализатор может использоваться как окислительный нейтрализатор для дизельных двигателей, нейтрализатор NOx для обедненной смеси, катализатор селективного каталитического восстановления, катализатор горения материала твердых частиц или как абсорбционный нейтрализатор NOx. Эти каталитические нейтрализаторы особенно полезны для обработки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания, работающих на бедной смеси, таких как бензиновые двигатели, работающие на бедной смеси, типа GDI (с прямым впрыском бензина) или двигатель DISI, или дизельные двигатели, включая двигатели с компрессионным воспламенением однородной топливной смеси (HCCI).
Зонд, используемый в настоящем изобретении, может быть датчиком углеводорода, датчиком кислорода, датчиком окиси азота (NOx), датчиком угарного газа, температурным датчиком (типа термопары) или датчиком твердых частиц. Эти датчики особенно применимы для двигателей, работающих на бедных смесях.
В зависимости от калибровки и стратегии используемой системы управления транспортного средства система может работать только с одним датчиком (первым датчиком) в сочетании с подходящими средствами прогнозирования (или моделирования) эмиссии двигателя. Однако в одном из вариантов выполнения изобретения выхлопная система содержит второй контрольный датчик. Этот второй контрольный датчик может быть размещен так, чтобы обеспечивался его контакт с выхлопным газом спереди по ходу монолитной подложки. Однако предпочтительно чтобы контрольный датчик был размещен в отверстии, частично ограниченном внешней стенкой монолитной подложки, причем отверстие должно быть расположено на участке с множеством каналов на том же уровне, что и отверстие для первого датчика, причем расположение является таким, чтобы контрольный датчик контактировал, по существу, только с выхлопным газом, который прежде не контактировал с каталитическим составом, обладающим повышенной активностью.
Преимущество изобретения состоит в том, что уменьшена или исключена температурная задержка между передним по ходу и задним по ходу датчиками, в результате того, что первый датчик и второй контрольный датчик расположены в каналах на том же уровне, и шум, вызываемый разницей температур датчиков, может быть уменьшен или исключен. Близкое расположение датчиков в осевом направлении также ослабляет изменения сигнала, связанные с изменением состава выхлопного газа.
Кроме того, коаксиальное расположение первого и второго датчиков предпочтительно тем, что позволяет уменьшить или исключить флюктуации сигналов датчиков, связанные с температурой, компонентами выхлопного газа и импульсами давления, которые наблюдаются в системах с двумя датчиками, отстоящими друг от друга в продольном направлении. К тому же использование каталитических покрытий в датчиках дает возможность получить диагностические сигналы, связанные с тепловым напряжением и старением всей системы, и которые могут лучше отображать свойства компонентов каталитического нейтрализатора, таких как катализированные фильтры сажи, дизельные окислительные катализаторы, уловители NOx, и остальных компонентов трехкомпонентного нейтрализатора где-либо еще в системе.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается устройство, содержащее двигатель внутреннего сгорания и выхлопную систему согласно изобретению.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается транспортное средство, содержащее устройство согласно второму аспекту изобретения.
Согласно четвертому аспекту изобретения предлагается монолитная подложка с множеством каналов, покрытых каталитическим составом, при этом каждый канал продолжается продольно от первого конца до второго конца подложки, причем одна часть длины каналов, продолжающихся от первого конца на одном участке подложки с множеством каналов, покрыта каталитическим составом, обладающим повышенной активностью для осуществления реакции, для которой каталитический состав предназначен, по сравнению с активностью каталитического состава в остальной части монолитной подложки, причем внешняя стенка подложки соединена с участком, частично ограничивающим отверстие для размещения датчика.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - два варианта выполнения подложек трехкомпонентного каталитического нейтрализатора согласно изобретению, причем участок подложки с множеством каналов является кольцеобразным;
фиг.2 - два варианта выполнения подложек трехкомпонентного каталитического нейтрализатора согласно изобретению, причем участок подложки с множеством каналов является сегментообразным (или в виде полосы);
фиг.3 - размещение подложки и контейнера каталитического нейтрализатора, которые используются в настоящем изобретении;
фиг.4 - схематичная диаграмма с частичным вырезом, показывающим половину сегмента, на которой указано местоположение первого и второго контрольных датчиков согласно одному из вариантов выполнения изобретения.
Что касается фиг.1, то на ней показаны два варианта выполнения проточной монолитной подложки, покрытой каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора согласно изобретению; с левой стороны чертежа показан вариант, в котором множество каналов кольцеобразного участка покрыто по всей их длине, т.е. от первого входного конца до второго выходного конца подложки, каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, содержащим 1600 г·фут-3 общего количества (элементной массы церия) смешанного оксидного компонента (двуокись церия/двуокись циркония), хранящего кислород, и металлы платиновой группы. Остальная часть подложки (сердцевина цилиндрической формы) покрыта каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, включающим металлы платиновой группы и компонент, хранящий кислород, который имеет общую элементную массу церия, составляющую 350 г·фут-3. Черная точка на чертеже обозначает отверстие, ограниченное частично внешней стенкой подложки, соединенной с участком множества каналов, имеющим большее количество загруженного компонента, хранящего кислород. Отверстие для помещения лямбда-зонда расположено, приблизительно, на половине длины каналов подложки между первым входным концом и вторым выходным концом, что можно видеть по центру фотографии.
В варианте выполнения изобретения, показанном справа на фиг.1, аналогично предварительно обсужденному варианту, покрытие нанесено на половину длины канала подложки, продолжающегося от первого входного конца, т.е. в канале кольцеобразного участка каталитический состав трехкомпонентного каталитического нейтрализатора содержит металлы платиновой группы и наполнитель в количестве 1600 г·фут-3 (элементной массы церия) в качестве оксидного компонента (представляющего собой смесь двуокись церия/двуокись циркония), хранящего кислород, при этом центральная цилиндрическая сердцевина подложки покрыта каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, содержащим металлы платиновой группы и наполнитель в количестве 350 г·фут-3 (элементной массы церия) в качестве оксидного компонента (представляющего собой смесь двуокись церия/двуокись циркония), хранящего кислород. Другая половина (которая продолжается от второго выходного конца подложки) покрыта каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, содержащим металлы платиновой группы и наполнитель в количестве 350 г·фут-3 (элементной массы церия) компонента, хранящего кислород. Практически, первый конец этой подложки, в каналах кольцеобразного участка которой содержится каталитический состав трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, имеющий большую элементную массу церия загруженного компонента, хранящего кислород, ориентирован к передней по ходу стороне выхлопной системы.
Что касается фиг.2, то в соответствии с вариантом выполнения изобретения, представленным с левой стороны чертежа, показан сегментальный участок подложки, покрытый по всей длине его каналов каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, содержащим наполнитель в количестве 1600 г·фут-3 (элементной массы церия) в качестве оксидного компонента (представляющего собой смесь двуокись церия/двуокись циркония), хранящего кислород. Остальная часть подложки покрыта каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, включающим металлы платиновой группы, и наполнитель в количестве 350 г·фут-3 (элементной массы церия) в качестве оксидного компонента (представляющего собой смесь двуокись церия/двуокись циркония), хранящего кислород. Как указывалось выше, черной точкой, относящейся к сегментному участку, обозначено отверстие для размещения лямбда-зонда. Этот вариант упоминается как «полосный» вариант подложки.
В соответствии с вариантом выполнения изобретения, представленным с левой стороны чертежа, показан «полуполосный» вариант подложки, когда около половины длины каналов подложки в сегментном участке покрыто каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, содержащим металлы платиновой группы, и наполнитель в количестве 1600 г·фут-3 (элементной массы церия) в качестве оксидного компонента (представляющего собой смесь двуокись церия/двуокись циркония), хранящего кислород, и остальная часть подложки покрыта каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, содержащим металлы платиновой группы и наполнитель в количестве 350 г·фут-3 (элементной массы церия) в качестве оксидного компонента (представляющего собой смесь двуокись церия/двуокись циркония), т.е. меньшее количество загруженного компонента, хранящего кислород. При использовании нейтрализатора подложка будет установлена таким образом, чтобы конец «полуполосы» был обращен вперед по ходу выхлопной системы.
На фиг.3 показана монолитная подложка согласно изобретению и контейнер, включая втулку, центрирующую отверстие, предусмотренное для датчика во внешней стенке подложки и, соответственно, для помещения соответствующего лямбда-зонда.
На фиг.4 показана покрытая керамическая проточная монолитная подложка 10 согласно настоящему изобретению с сегментом 12, продолжающимся по всей длине монолитной подложки. Сегмент 12 покрыт каталитическим составом, обладающим повышенной активностью для осуществления реакции, для которой каталитический состав предназначен, по сравнению с активностью каталитического состава в остальной части 14 монолитной подложки. Монолитная подложка включает отверстия 16, 18, просверленные в керамическом материале, для помещения соответствующих датчиков. Следует учесть, что отверстие 16 для датчика расположено в сегменте 12, причем его расположение является таким, чтобы датчик контактировал, по существу, только с выхлопным газом, который прежде контактировал с каталитическим составом, обладающим повышенной активностью. Отверстие 18 для датчика предусмотрено для второго контрольного датчика, регистрирующего, подобно первому датчику, те же самые величины, например кислород, углеводород, в выхлопном газе, который прежде не контактировал с каталитическим составом, обладающим повышенной активностью, т.е. каталитическим составом для остальной части монолитной подложки. Следует учесть, что отверстия 16 и 18 для датчиков расположены в каналах на аналогичном расстоянии от первого конца монолитной подложки для того, чтобы минимизировать влияние температуры на отношение шум/сигнал.
Изобретение относится к выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения: выхлопная система двигателя внутреннего сгорания, содержащая монолитную подложку (10), покрытую каталитическим составом, при этом монолитная подложка содержит множество, по существу, параллельных каналов, причем каждый канал проходит продольно от переднего по ходу конца до заднего по ходу конца подложки; и первый зонд, расположенный в отверстии, частично ограниченном внешней стенкой монолитной подложки, причем монолитная подложка содержит участок (12) с множеством каналов, в котором каталитический состав, по меньшей мере, в одной части длины каналов, проходящих от переднего по ходу конца подложки, обладает повышенной активностью для осуществления реакции, для которой предназначен каталитический состав, по сравнению с активностью каталитического состава в остальной части (14) монолитной подложки, при этом зонд контактирует, по существу, только с выхлопным газом, который прежде контактировал с каталитическим составом, обладающим повышенной активностью. Техническим результатом изобретения является увеличение отношения сигнал/шум, устанавливая зонд в подложке каталитического нейтрализатора и оптимизация свойства каталитического состава вокруг зонда. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.
1. Выхлопная система двигателя внутреннего сгорания, содержащая:
монолитную подложку (10), покрытую каталитическим составом, при этом монолитная подложка содержит множество, по существу, параллельных каналов, причем каждый канал проходит продольно от переднего по ходу конца до заднего по ходу конца подложки; и
первый зонд, расположенный в отверстии, частично ограниченном внешней стенкой монолитной подложки, причем монолитная подложка содержит участок (12) с множеством каналов, в котором каталитический состав, по меньшей мере, в одной части длины каналов, проходящих от переднего по ходу конца подложки, обладает повышенной активностью для осуществления реакции, для которой предназначен каталитический состав, по сравнению с активностью каталитического состава в остальной части (14) монолитной подложки, при этом зонд контактирует, по существу, только с выхлопным газом, который прежде контактировал с каталитическим составом, обладающим повышенной активностью.
2. Выхлопная система по п.1, в которой объем остальной части монолитной подложки преобладает по сравнению с объемом участка с множеством каналов.
3. Выхлопная система по п.1 или 2, в которой участок с множеством каналов выполнен кольцеобразным.
4. Выхлопная система по п.1 или 2, в которой участок (12) с множеством каналов выполнен сегментообразным.
5. Выхлопная система по п.1 или 2, в которой каталитический состав является каталитическим составом трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, включающим компонент, хранящий кислород, и в котором активность кислорода, хранящегося в каталитическом составе трехкомпонентного каталитического нейтрализатора на участке с множеством каналов, повышена по сравнению с активностью кислорода, хранящегося в каталитическом составе трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в остальной части монолитной подложки.
6. Выхлопная система по п.5, в которой в каталитический состав трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, обладающего повышенной активностью хранящегося кислорода, входит один или оба из нижеприведенных:
(i) наполнитель, выполненный в виде компонента, хранящего кислород, обладающий более высокой активностью по сравнению с его активностью в каталитическом составе трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, заполняющего остальную часть монолитной подложки; и
(ii) наполнитель, выполненный в виде металла платиновой группы, содержание которого выше по сравнению с его содержанием в каталитическом составе трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, заполняющего остальную часть монолитной подложки.
7. Выхлопная система по п.5, в которой датчиком является лямбда-зонд.
8. Выхлопная система по п.1 или 2, в которой каталитический нейтрализатор является дизельным окислительным нейтрализатором, нейтрализатором NOx для обедненной смеси, катализатором селективного каталитического восстановления, катализатором горения материала твердых частиц, температурным датчиком или абсорбционным нейтрализатором NOx.
9. Выхлопная система по п.8, в которой монолитная подложка является фильтром.
10. Выхлопная система по п.8, в которой датчик выполнен в виде датчика углеводорода, датчика кислорода, датчика окиси азота (NOx), датчика угарного газа или датчика твердых частиц.
11. Выхлопная система по п.1 или 2, содержащая второй контрольный датчик.
12. Выхлопная система по п.11, в которой контрольный датчик расположен в отверстии (18), частично ограниченном внешней стенкой монолитной подложки, причем отверстие расположено на участке с множеством каналов на том же уровне, что и отверстие для первого датчика, причем расположение является таким, чтобы контрольный датчик контактировал, по существу, только с выхлопным газом, который прежде не контактировал с каталитическим составом, обладающим повышенной активностью.
13. Устройство, содержащее двигатель внутреннего сгорания и выхлопную систему по любому из пп.1-12.
14. Транспортное средство, содержащее устройство по п.13.
15. Монолитная подложка (10) с множеством каналов, покрытых каталитическим составом, при этом каждый канал проходит продольно от первого конца до второго конца подложки, причем одна часть длины каналов, продолжающихся от первого конца на одном участке (12) подложки с множеством каналов, покрыта каталитическим составом, обладающим повышенной активностью для осуществления реакции, для которой предназначен каталитический состав, по сравнению с активностью каталитического состава в остальной части (14) монолитной подложки, причем внешняя стенка подложки соединена с участком, частично ограничивающим отверстие (16) для размещения датчика.
| DE 10345896 A1, 21.04.2005 | |||
| DE 102005020963 A1, 09.11.2006 | |||
| Устройство для химико-термической обработки | 1971 |
|
SU459534A1 |
| DE 3841685 A1, 13.06.1990 | |||
| DE 8816154 U1, 09.02.1989. | |||
