專利名稱：針對汽油發(fā)動機的排氣顆粒管理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開和發(fā)明涉及去除并消滅例如機動車上所用的以汽油為燃料的內(nèi)燃發(fā)動機 的排氣中的顆粒物質(zhì)(大部分為碳)。更具體地，本發(fā)明涉及在發(fā)動機排氣歧管附近設(shè)置的 排氣流通式過濾器(flow-through filter)中捕獲及氧化這種顆粒。
背景技術(shù)：
許多現(xiàn)代汽油發(fā)動機中，燃料被相繼直接地噴入多汽缸發(fā)動機的每個汽缸中。在 汽缸中，燃料與至少化學(xué)計量量的空氣混合、火花點火并燃燒以產(chǎn)生活塞的動力沖程。燃燒 的氣體通過往復(fù)的活塞動作從每個發(fā)動機汽缸排出，并在一個或多個排氣歧管中混合。排 氣進入排氣導(dǎo)管，在排氣導(dǎo)管中排氣通過流經(jīng)一個或多個催化轉(zhuǎn)化器而被處理，之后排氣 排入大氣中。許多汽油發(fā)動機通過使空氣-燃料比緊緊圍繞化學(xué)計量質(zhì)量比循環(huán)而運轉(zhuǎn)。在發(fā) 動機運轉(zhuǎn)的這種模式中，排氣通常被引導(dǎo)通過擠壓成型圓柱陶瓷整塊的許多(例如每平方 英寸的入口面有400個)縱向通道。這種流動通道的壁設(shè)有由支撐在氧化鋁顆粒上的鉬族金 屬(PGM)顆粒形成的載體涂層(washcoat)。這種催化轉(zhuǎn)化器被稱為三元轉(zhuǎn)化器，因為它通 過促進未燃燒的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉难趸瑫r，促進氮氧化物(統(tǒng)稱為NOx)向氮的還 原，來清潔排氣。其他汽油發(fā)動機可以以比化學(xué)計量空氣-燃料比更高的比來運轉(zhuǎn)。發(fā)動機 運轉(zhuǎn)的這種模式被稱為“稀燃”，其在排氣中產(chǎn)生更多的氧，使得更難以還原N0X。稀燃發(fā)動 機可以利用涂有僅氧化的PGM配方的整體式轉(zhuǎn)化器來氧化未燃燒的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸?碳。之后可以對排氣做進一步處理以將NO氧化成NO2,并之后進行選擇性催化還原(SCR)， 將NO2還原為N2。還發(fā)現(xiàn)來自燃料噴射式、以汽油為燃料的、火花點火發(fā)動機的排氣包含小的通常 為球形的含碳顆粒。通常，顆粒物質(zhì)的直徑平均約為70納米，并且通常直徑或最大尺寸小 于約200納米。這些顆?？梢阅鄢尚F?，F(xiàn)在可以將注意力放在管理這種來自火花點火 汽油發(fā)動機的顆粒物質(zhì)上。柴油發(fā)動機每單位運轉(zhuǎn)時間會比汽油發(fā)動機產(chǎn)生更大量的顆粒物質(zhì)。這種壓縮點 火發(fā)動機的顆粒物質(zhì)在多孔過濾器上聚集成煙炱糕(soot cake)。聚集的煙炱糕之后作為 非常有效的過濾介質(zhì)。但是，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)的過程中，有時柴油煙炱層會變成排氣流難以忍 受的阻礙，阻礙發(fā)動機的運行，并且不得不被燒離下面的過濾器主體。為了燒掉柴油煙炱， 需要轉(zhuǎn)移車輛的柴油燃料。這種轉(zhuǎn)移降低了車輛的燃料效率及其排氣系統(tǒng)的環(huán)境性能。聚 集煙炱作為過濾介質(zhì)以及周期性地用車輛燃料燃燒排氣煙炱的做法不被認(rèn)為是用于去除 來自汽油發(fā)動機的顆粒物質(zhì)的合適選擇。本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種對以汽油為燃料的車輛的排氣系統(tǒng)中的這種顆粒進行 過濾并伴隨被動氧化的做法。本發(fā)明的另一目標(biāo)是利用離開汽油發(fā)動機的排氣所具有的相 對高的溫度來實現(xiàn)濾出顆粒的被動氧化。因此，進一步的目標(biāo)是在對氣態(tài)排氣污染物的氧 化或還原或者發(fā)動機的燃料經(jīng)濟性有最小影響的情況下實現(xiàn)對這種小碳顆粒的管理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于管理由火花點火的、以汽油為燃料的、直接噴射式車輛發(fā)動機所 發(fā)出的熱排氣流中的含碳顆粒物質(zhì)的做法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，含碳顆粒的熱發(fā)動機排氣被引導(dǎo)通過相對于碳顆粒的尺寸 具有大孔隙的陶瓷過濾器壁或其他支撐表面，從而被從排氣流中去除。例如，這種陶瓷支 撐結(jié)構(gòu)可以由堇青石、金剛砂、鈦酸鋁等制成。流通式陶瓷主體過濾器的一側(cè)(優(yōu)選為上游 側(cè))涂敷有低平均孔徑、高孔隙率、耐高溫的材料(合適為陶瓷材料)的薄層，用于通過從熱 的流動排氣中過濾掉顆粒物質(zhì)來進行去除。薄過濾層例如可以由硅石顆粒、硅酸鹽顆粒、其 他陶瓷顆粒、含碳顆粒等形成約為100微米厚的過濾層，過濾材料具有直徑高達(dá)約8微米的 開孔。例如，過濾層可以在陶瓷主體過濾器上形成為硅酸鹽或其他陶瓷顆粒的濕塊，其在支 撐基體上被干燥，如果合適，被燒結(jié)或烘焙成耐用的過濾層。該具有小孔隙尺寸、高孔隙率 的薄過濾層被構(gòu)成并適用于去除排氣流中的顆粒物質(zhì)。因此，薄過濾層支撐在耐用陶瓷層 或主體上。顆粒物質(zhì)被從排氣流中去除成為過濾層中的煙炱糕，而排氣流過陶瓷支撐層的 較大孔隙。然而，與柴油發(fā)動機顆粒物質(zhì)的管理不同，煙炱層沒有作為過濾介質(zhì)被利用或依 賴；濾出的顆粒物質(zhì)在發(fā)動機運行期間由流經(jīng)過濾層的適當(dāng)熱的含氧排氣從該過濾層進行 被動氧化。當(dāng)顆粒物質(zhì)聚集在過濾層上和內(nèi)時，在發(fā)動機運行期間，一些碳顆粒也逐漸地被 含氧排氣流被動氧化為一氧化碳和二氧化碳。來自汽油發(fā)動機的排氣根據(jù)其當(dāng)前運行條件 可以達(dá)到非常高的溫度(例如，高達(dá)1000 °C)。在約400 °C以及更高的排氣溫度下，濾出的 碳顆粒氧化得最快。當(dāng)碳顆粒聚集并同時被氧化時，少量灰燼會保留在過濾材料上。聚集 的煙炱糕的氧化是被動氧化，因為其是在沒有排氣操作或發(fā)動機的任何特定的再生循環(huán)的 情況下在產(chǎn)生合適排氣溫度的發(fā)動機運行期間進行的。確定用于排氣流的、小平均孔徑的、 高度多孔的過濾層的過濾能力，以有效地去除排氣流中的顆粒物質(zhì)。優(yōu)選地，過濾層設(shè)置在 多孔陶瓷基體的表面或通道壁上，多孔陶瓷基體的形狀被制成可以將充足的過濾層材料呈 現(xiàn)給排氣流，使得在對排氣流有最小阻力的情況下，顆粒物質(zhì)被去除并被被動氧化。優(yōu)選地，過濾層和支撐陶瓷基體靠近發(fā)動機設(shè)置，從而當(dāng)排氣離開發(fā)動機時可以 利用排氣的高溫。在本發(fā)明的一些實施例中，還可以優(yōu)選地采用包括氧化催化劑材料或三 元催化劑材料的載體涂層，其與薄的顆粒物質(zhì)過濾層相結(jié)合。在發(fā)動機排氣出口處的熱排 氣附近存在鉬族金屬氧化催化劑或三元氧化/還原催化劑有助于將氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化為二 氧化碳、水和氮。熱排氣促進催化劑層的起燃(light-off)以及排氣流中的放熱反應(yīng)，其加 熱和幫助消滅相鄰薄過濾層中儲存的碳顆粒物質(zhì)。如上所述，過濾層可以支撐在陶瓷基體 上，陶瓷基體可具有相對于排氣流的上流側(cè)(或者說進口側(cè))以及下流側(cè)或者說出口側(cè)。過 濾層可以位于一側(cè)，優(yōu)選地位于支撐體的進口側(cè)。經(jīng)催化的載體涂層可以設(shè)置在陶瓷支撐 體的任一側(cè)或兩側(cè)。當(dāng)在支撐表面上一起使用經(jīng)催化的載體涂層和過濾層時，經(jīng)催化的載 體涂層可以設(shè)置在過濾層的上方或下方。 在一些實施例中，還可以優(yōu)選地將顆粒物質(zhì)過濾器設(shè)置在涂有鉬族金屬或涂有三 元催化劑的整塊的緊下游，該整塊也將凈化排氣并加熱排氣以消耗薄顆粒物質(zhì)過濾層中捕 獲的顆粒物質(zhì)。將涂有催化劑的整塊靠近發(fā)動機的排氣出口設(shè)置可使得能夠采用使用了較少催化劑的較小整塊。在本發(fā)明的許多實施例中，將優(yōu)選于把多孔陶瓷過濾器支撐體構(gòu)造成雙路 (two-way)不對稱壁流過濾器主體或結(jié)構(gòu)。例如，堇青石材料或金剛砂材料或鈦酸鋁材料構(gòu) 成的主體可以被擠壓成整體式圓柱主體，其具有許多散布的平行的縱向氣流進氣通道并與 氣流出氣通道共享壁。該圓柱主體的橫截面可以是圓的、卵形的或者是具有平坦上、下表面 和半圓側(cè)的被稱為“跑道形”的形狀。該主體通常具有平坦的進口面，該進口面橫向于排氣 流，并具有許多通向進氣通道的開口。類似地，該主體具有下流平坦出口面，該出口面橫向 于排氣流，并具有許多出氣通道開口。進氣通道具有比過濾器主體的出氣通道更大的直徑 和容積(因此，為不對稱的過濾器結(jié)構(gòu))。擠壓材料被燒制，形成具有適應(yīng)于穿過其的排氣流 的多孔膜壁的耐用結(jié)構(gòu)。所述許多進氣通道中的每個都向整塊主體上游端的排氣流打開， 但是進氣通道在整塊出口端處則是封閉的。在優(yōu)選實施例中，進氣通道的壁涂有顆粒物質(zhì) 過濾材料的薄層。并且，在本說明書的上文以及下文所述的多個選擇中，該薄過濾層可以涂 有由被支撐的鉬族金屬顆粒構(gòu)成的載體涂層。進入進氣通道的排氣被迫使流過該載體涂層 和過濾層。在過濾層中顆粒物質(zhì)被去除。然后經(jīng)過濾的排氣流過整塊的多孔膜壁并通過相 對較小直徑的出氣通道離開整塊。顆粒過濾器的出氣通道也可以涂覆用來處理排氣流中的 氣態(tài)組分的催化劑載體涂層。從而，提供了一種在非常熱的排氣位置運行的汽油顆粒物質(zhì)過濾器。優(yōu)選地，過濾 基體(例如壁流式過濾器)位于發(fā)動機的排氣歧管的約2至約80厘米內(nèi)。被載于耐用陶瓷 流通基體上的小孔徑、高孔隙率、耐高溫的過濾材料薄層從排氣中去除含碳顆粒物質(zhì)。與柴 油排氣的處理相反，依賴于這種過濾材料從排氣流中去除顆粒物質(zhì)，因為聚集的煙炱定期 地被被動氧化。經(jīng)過濾的排氣在流過相對大孔徑的陶瓷主體后離開過濾器。排氣系統(tǒng)中用 于氧化和/或還原氣態(tài)污染物的其他元件得到了補充，并且沒有受到顆粒物質(zhì)捕獲的不利 影響。本發(fā)明大大降低了主動煙炱再生的頻率和可能性，主動煙炱再生需要轉(zhuǎn)移發(fā)動機的 燃料來燃燒并去除濾出的顆粒物質(zhì)。本發(fā)明還涉及以下技術(shù)方案。方案1. 一種從出自火花點火式汽油發(fā)動機的排氣歧管的含氧排氣流中去除顆粒 物質(zhì)的方法，所述方法包括
使所述含顆粒的排氣通過支撐在流通式陶瓷壁上的小平均孔徑成分的過濾層，從而從 所述排氣中去除顆粒，所述被支撐的過濾層定位成與所述排氣歧管密耦，以保持所述排氣 的熱量以便氧化所述過濾層中夾留的顆粒物質(zhì)。方案2.方案1所述的方法，其中，所述含顆粒的排氣在從所述排氣歧管起流動不 超過約80厘米之后遇到所述過濾層。方案3.方案1所述的方法，其中，所述過濾層的流通厚度高至約100微米。方案4.方案1所述的方法，其中，所述過濾層中的材料的孔徑標(biāo)稱地高至約8微米。方案5.方案1所述的方法，其中，所述過濾層沉積在陶瓷過濾器主體的支撐壁表 面上，并且所述排氣流過所述過濾層，然后流過所述過濾器主體的所述支撐壁。方案6.方案1所述的方法，其中，所述排氣在抵著所述過濾層設(shè)置的排氣處理催 化劑層上流動。
方案7.方案5所述的方法，其中，所述陶瓷主體的壁的孔隙率約為50%或更大。方案8. —種從出自多汽缸的、往復(fù)活塞式、火花點火的汽油發(fā)動機的排氣歧管的 排氣流中去除顆粒物質(zhì)的方法，所述方法包括
使所述含顆粒的排氣通過沉積并支撐在壁流通式陶瓷過濾器主體的進氣通道壁或出 氣通道壁上的小平均孔徑成分的過濾材料層，以從所述排氣中去除顆粒，所述過濾器主體 定位成與所述排氣歧管密耦以保留排氣的熱量用于氧化去除的顆粒，所述過濾器主體包括 具有通向多個進氣通道的開口的上游排氣流進口面以及具有來自出氣通道的多個開口的 下游出口面，所述進氣通道在所述下游面處封閉，所述出氣通道在所述進口面處封閉，所述 排氣流進入所述進氣通道并流過所述支撐通道壁到達(dá)所述出氣通道，所述排氣流過所述過 濾層，并且經(jīng)過濾的排氣流從所述過濾器主體的出口端出來并混入位于所述過濾器主體下 游的排氣通路。方案9.方案8所述的方法，其中，所述過濾材料層僅沉積在所述進氣通道的壁上。方案10.方案8所述的方法，其中，所述過濾器主體的進口面位于距離所述排氣歧 管的出口不超過約80厘米的地方。方案11.方案8所述的方法，其中，排氣流通式整體催化轉(zhuǎn)化器相對于所述過濾器 主體在所述排氣流中位于上游，所述過濾器主體的進口面位于所述催化轉(zhuǎn)化器的出口面的 兩厘米內(nèi)。方案12.方案8所述的方法，其中，所述進氣通道和所述出氣通道的總?cè)莘e至少等 于產(chǎn)生所述排氣的發(fā)動機的往復(fù)式活塞的排量。方案13.方案8所述的方法，其中，所述過濾材料層的流通厚度高至約100微米。方案14.方案8所述的方法，其中，所述過濾材料的孔徑標(biāo)稱地高至約8微米。方案15.方案8所述的方法，其中，所述過濾器主體的壁的孔隙率約為50%或更大。方案16.方案8所述的方法，其中，向所述過濾器主體的進氣通道的壁施加經(jīng)催化 的載體涂層。方案17.方案8所述的方法，其中，所述過濾器主體的進氣通道在容積上大于所述 出氣通道。方案18.方案8所述的方法，其中，向所述過濾器主體的出氣通道的壁施加經(jīng)催化 的載體涂層。方案19.方案8所述的方法，其中，在過濾材料層上方施加經(jīng)催化的載體涂層。方案20.方案8所述的方法，其中，在過濾材料層下方施加經(jīng)催化的載體涂層。方案21.—種排氣系統(tǒng)，用于從以汽油為燃料的、火花點火的、多汽缸的、往復(fù)活塞 式的內(nèi)燃發(fā)動機的排氣中去除顆粒物質(zhì)，所述系統(tǒng)包括
所述汽油發(fā)動機包括排氣歧管，來自汽缸的排氣在所述排氣歧管中混合并通過所述排 氣歧管的出口排出；
圓柱形過濾器主體，其由多孔陶瓷材料制成并具有從用于排氣進氣流的上游進口面延 伸到用于排氣排出的下游面的圓柱軸線，所述進口面具有通向與所述圓柱軸線對準(zhǔn)的多個 平行排氣流進氣通道中的每一個的開口，所述下游面具有來自與所述圓柱軸線對準(zhǔn)的多個 平行排氣流出氣通道中的每個的多個開口，所述進氣通道在所述下游面處封閉，所述出氣通道在所述進口面處封閉，所述進氣通道和所述出氣通道由所述多孔陶瓷材料形成的壁隔 開，每個壁具有進氣通道表面和出氣通道表面并為排氣流提供從進氣通道流向出氣通道的 通路，所述進口面位于所述排氣歧管的80厘米內(nèi)；以及
所述進氣通道表面或所述出氣通道表面涂有小平均孔徑過濾成分層，用于從所述排氣 流中去除顆粒物質(zhì)。方案22.方案21所述的排氣系統(tǒng)，其中，所述進氣通道的表面和/或所述出氣通 道的表面涂有包含鉬族金屬顆粒的載體涂層。方案23.方案22所述的排氣系統(tǒng)，其中，所述載體涂層施加在通道表面上的過濾 成分層上方。方案方案22所述的排氣系統(tǒng)，其中，所述載體涂層施加在通道表面上的過濾 成分層下方。方案25.方案22所述的排氣系統(tǒng)，其中，所述進氣通道和所述出氣通道的總?cè)莘e 至少等于所述發(fā)動機的往復(fù)式活塞的排量。通過對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，可以清楚本發(fā)明的其它目標(biāo)和優(yōu)點。將參 照本說明書以下部分中描述的附圖。


圖1是火花點火式汽油發(fā)動機的示意圖，排氣從該發(fā)動機進入密耦 (close-coupled)三元催化劑整塊，在該三元催化劑整塊之后緊隨的是用于排氣中碳顆粒 的流通式過濾器。圖中示出可選的、額外的催化轉(zhuǎn)化器在排氣流系統(tǒng)中位于下游。圖2是涂有密耦三元或鉬族金屬的整塊與不對稱壁流式過濾器在金屬罐中的結(jié) 合體的截面圖，其用于去除并臨時存儲來自汽油發(fā)動機排氣的含碳顆粒物質(zhì)。穿壁式多孔 陶瓷過濾器主體的進氣通道涂有用于排氣中顆粒物質(zhì)的小孔隙過濾層以及上覆的催化劑 載體涂層。圖2中的密耦排氣元件的容器定位成與圖1所示的發(fā)動機的排氣歧管密耦。圖3是在圖2的位置(3)處所示過濾器的壁的部分放大圖。圖3圖示了直接位于 多孔陶瓷主體的壁上的薄、低平均孔徑過濾層。該薄過濾層上施加的是較厚的催化載體涂 層。所示的排氣流從進氣通道連續(xù)流過催化載體涂層、去除顆粒物質(zhì)的薄過濾層，然后通過 陶瓷主體的壁進入多孔陶瓷主體的相鄰出氣通道。
具體實施例方式長期以來，車輛駕駛員觀察到從柴油發(fā)動機提供動力的車輛的未過濾/未處理的 排氣會發(fā)出的一團黑的、團聚的顆粒，尤其是車輛在重發(fā)動機負(fù)載下進行加速時。這種顆粒 團在汽油發(fā)動機的排氣中是看不到的。但是，汽油發(fā)動機會產(chǎn)生一些非常小的、通常為球形 的含碳顆粒(例如大小為約20至約200納米)。應(yīng)當(dāng)意識到，中型車輛發(fā)動機行駛每公里產(chǎn) 生的這種顆粒的總質(zhì)量可大于約5毫克，每公里超過約IO12顆粒。本發(fā)明的目的就是在不 對發(fā)動機的燃料效率以及當(dāng)前對排氣中不希望的氣態(tài)成分的成功減少產(chǎn)生不利影響的情 況下，減少這種來自汽油發(fā)動機排氣的微小顆粒。圖1是用于以汽油為燃料的、火花點火式、多汽缸、內(nèi)燃、往復(fù)式活塞發(fā)動機的排 氣系統(tǒng)10的一個實施例的示意圖。圖1示意性地(尺寸縮小)示出了這種發(fā)動機12的頂
7視圖。根據(jù)發(fā)動機汽缸的數(shù)量和直徑以及活塞的沖程，發(fā)動機具有的排量值(例如用立方英 寸、升或其他體積表示法來表達(dá))影響將要根據(jù)本發(fā)明實施例進行過濾和進行其它處理的 排氣的流率。如本說明書下文中指出的，發(fā)動機的排量對于用于發(fā)動機排氣中的碳顆粒的 至過濾器表面的進氣通路的容積有影響。當(dāng)燃燒氣體被連續(xù)從發(fā)動機12的汽缸中推出時，根據(jù)汽缸是成直列形配置還是 如圖1所示的“V”形配置，燃燒氣體在一個或多個排氣歧管14、16中混合。來自V8發(fā)動機 歧管14、16的排氣流在排氣歧管連接導(dǎo)管18中混合，如將要描述的，排氣歧管連接導(dǎo)管18 終止于排氣系統(tǒng)的連接元件所用的發(fā)動機排氣出口表面20。當(dāng)排氣混合以離開發(fā)動機時， 排氣非常熱，這取決于當(dāng)前發(fā)動機負(fù)載(例如，“怠速”對“猛加速”)。例如，離開發(fā)動機的排 氣的溫度可在約200 1至1000 ！的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的實踐中，優(yōu)選地，在排氣從發(fā)動機 的排氣歧管出來之后，讓該排氣非常迅速地進入用于顆粒物質(zhì)的過濾器。排氣通常包括不同量的一氧化碳、二氧化碳、未燃盡的碳?xì)浠衔?、氮氧化?通 稱NOx)、水、剩余的氧氣、氮、以及非常少量的含碳顆粒物質(zhì)。氧氣和NOx的量通常取決于發(fā) 動機是被控制(利用基于計算機的電子控制系統(tǒng))成在接近化學(xué)計量的空氣一燃料比(14. 7 質(zhì)量比)下運行還是如同稀燃汽油發(fā)動機中所實踐的那樣在約20至約40的更高的空氣-燃 料比下運行。在圖1-3所示的本發(fā)明的實施例中，發(fā)動機在接近化學(xué)計量的空氣-燃料比 下運行。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，仍然參照圖1，三元、涂有催化劑的陶瓷蜂窩整塊22設(shè) 置成與發(fā)動機歧管14、16的出口的發(fā)動機排氣出口表面20密耦。如圖1示意性所示，非常 短的排氣導(dǎo)管部分對可以插入在整塊22的進口和之間，或者如將要描述的那樣，整塊緊鄰 排氣出口表面20設(shè)置。去除排氣流中顆粒物質(zhì)的陶瓷過濾器主體沈在涂有三元催化劑載體涂層的整塊 22的緊下游設(shè)置。過濾器主體沈載有去除來自排氣流的顆粒的過濾材料。優(yōu)選地，排氣 流在離開排氣歧管之后流動的距離不超過80厘米(例如，在經(jīng)過發(fā)動機排氣出口表面20的 80厘米以內(nèi))，排氣流即到達(dá)這種過濾材料。在排氣流離開陶瓷過濾器主體沈之后，帶著含量降低的顆粒物質(zhì)的排氣流可流 過用于進一步處理排氣流中的氣態(tài)成分的一個或多個附加催化排氣轉(zhuǎn)化器。例如，排氣催 化轉(zhuǎn)化器觀可以是附加的三元整體式反應(yīng)器，用以完成汽油發(fā)動機排氣中CO和HC的氧化 以及NOxW還原。因此，在圖1所示的實施例中，排氣流流經(jīng)具有互連排氣導(dǎo)管部分M和 30的三元催化劑整塊22、陶瓷過濾器主體沈和下游排氣催化轉(zhuǎn)化器28、以及排氣排放口 32，進入大氣。圖2和3示出的是本發(fā)明所用的顆粒物質(zhì)過濾器的優(yōu)選結(jié)構(gòu)，以及該過濾器與汽 油發(fā)動機的排氣歧管密耦的涂有催化劑載體涂層的整塊的優(yōu)選組合。圖2示出了圓柱形罐34，其由用于抵制由熱的發(fā)動機排氣造成的退化的金屬(例 如不銹鋼)成形。罐；34的大小被制成可以容納上游蜂窩整塊22和陶瓷過濾器主體26，陶 瓷過濾器主體沈用于管理來自汽油發(fā)動機12的顆粒物質(zhì)。在將整塊22和過濾器主體沈 設(shè)置在罐34中之后，將排氣流進口端35向內(nèi)拖動至進口端附接表面36。類似地，將罐34 的出口端38向內(nèi)拖動至出口端附接表面40。進口端附接表面36可以用來將罐(及其內(nèi)容 物)焊接至排氣導(dǎo)管部分M或者焊接至發(fā)動機排氣出口表面20 (參照圖1)。出口附接表面40可以用來將罐34連接至下游排氣部件，例如排氣導(dǎo)管部分30。采用大量濕的堇青石顆粒將陶瓷蜂窩整塊22適當(dāng)?shù)財D壓成圓柱形主體42，該主 體42具有上游進口面44、下游出口面46、以及許多小的軸向排列的平行流動通道(由48示 意性表示)。典型的涂有催化劑的陶瓷蜂窩整塊在每平方英寸的進口面面積上具有約400 個通道。通道(圖2中的48)的壁涂有沉積在氧化鋁支撐顆粒上的鉬族金屬成分的顆粒(稱 為“載體涂層”，太小以致于不能合適地在圖2中示出)。載體涂層中的催化劑顆粒的成分 根據(jù)整塊22的預(yù)期功能而確定。催化劑成分可以被設(shè)為用于如本發(fā)明意圖的三元排氣處 理。在其他實施例中，例如對稀燃排氣的處理，可以將載體涂層配方為用于氧化一氧化碳和 未燃盡的碳?xì)浠衔?。根?jù)該說明性實施例，陶瓷蜂窩整塊22的流動通道48的容積可以小于發(fā)動機的 排量或約為發(fā)動機排量的50%。整塊主體42的形狀被適當(dāng)?shù)刂瞥蔀殚L度與直徑的比小于 約1. 0，并且主體42密封到灌34的內(nèi)壁，使得排氣流過整塊22的通道48。陶瓷過濾器主體沈的結(jié)構(gòu)、材料、位置及其用于顆粒排氣物質(zhì)的過濾層是本發(fā)明 重要的元件。參照圖2和3，其為示意性的且放大了某些方面以解釋過濾器主體沈的結(jié)構(gòu) 特征。圖2是過濾器主體沈的截面圖，圖3呈現(xiàn)的是過濾器主體沈于圖2的位置“3”處 的小部分的放大圖。在本發(fā)明的這個實施例中，陶瓷過濾器主體沈也被構(gòu)造為圓柱形(與陶瓷整塊22 類似)，以安裝在罐34內(nèi)。陶瓷過濾器主體沈可以形成其他橫截面形狀，例如卵形或跑道 形。陶瓷過濾器主體沈也可以通過擠壓合適的大量濕的堇青石材料、金剛砂材料、鈦酸鋁 材料等的顆粒而形成。在濕材料被擠壓成希望的形狀后，將其燒制從而形成具有允許排氣 流在無過分流動阻礙的情況下通過主體的各部分的高孔隙率(例如大于55%的孔隙率)的 堅固結(jié)構(gòu)體。擠壓物被塑造形狀，以形成包括進口面50和出口面52的陶瓷過濾器主體沈 的結(jié)構(gòu)。進口面50包括通向橫截面適合為圓形的許多進氣通道M的開口(下面將描述的 進氣通道M和出氣通道60可以被擠壓為具有非圓形的橫截面形狀，例如正方形或菱形橫 截面)。在擠壓物形成之后，在出口面52處用塞子56封閉所述許多進氣通道M中的每個。 進氣通道M的壁58是薄的，并且與出氣通道60共享。在過濾器主體沈的進口面52處， 出氣管道60被堵上塞子62。通過擠壓工藝，進氣通道M和出氣通道60被散布有共享壁 58 ；它們是平行的，并具有大致相同的長度。因此，離開涂有催化劑的整塊22的出口面46 的排氣立即流入過濾器主體26的進氣通道M (它們的塞子56在其下游端)，通過薄多孔陶 瓷壁58，并進入出氣通道60。在本發(fā)明的這個實施例中，進氣通道M的多孔壁58涂有用 于阻擋并過濾來自流入通道M并通過壁58的排氣流的含碳顆粒物質(zhì)的過濾材料薄層(如 圖3中層64所示)。經(jīng)過濾的排氣在出口面52處離開過濾器主體沈的出氣通道60。如上 所述，然后排氣離開罐34并進入排氣導(dǎo)管(例如圖1中的導(dǎo)管部分30)，以在催化轉(zhuǎn)化器等 中進行進一步處理或排入大氣。優(yōu)選地，如圖2和3所示，圓形進氣通道M的橫截面大于圓形出氣通道60的圓橫 截面。這種在通道大小和容積上的不對稱是優(yōu)選的，因為進氣通道M將起到臨時存儲濾出 的顆粒物質(zhì)(以及永久存儲當(dāng)濾出的顆粒被氧化時形成的任何殘留灰燼)的作用。當(dāng)過濾器 主體沈被形成為具有大于其出氣通道60的進氣通道M時，那么它就是“不對稱”的流通 式過濾器主體。
作為說明性示例，過濾器主體沈可形成為每平方英寸的進口面50的面積上有300 個進氣通道(cpsi，即每平方英寸的通道數(shù))(適合地，約200 cpsi至約600 cpsi)。進氣通 道M的直徑可以比出氣通道60的直徑大約20 %，通道M和60的長度可約為6英寸。進氣 通道M的直徑約可為約1. 3mm。雖然進氣通道M僅在進口面50處可見，出氣通道60僅在 出口面52處可見，但是進氣單元和出氣單元一起占據(jù)過濾器主體橫截面的分?jǐn)?shù)可為0. 89。 壁58的厚度例如可以約為14毫英寸。圖3是取自圖2中位置3的過濾器主體沈的小部分的放大截面圖。圖3圖示了 靠近圓形進氣通道M—側(cè)的進口面50、將進氣通道M和相鄰圓形出氣通道60分離開并由 通道M和60共享的薄壁58。圖3的位置位于過濾器主體沈的上游面，示出了位于出氣通 道60上游端的塞子62。在本發(fā)明的這個實施例中，進氣通道M的壁58 (以及出氣通道60 的塞子62)首先被涂敷適用于去除來自進入通道M并流過壁58的排氣流的顆粒物質(zhì)的低 平均孔徑過濾材料的薄層64。適合地，過濾材料層64在厚度上小于約100微米。過濾材料層64可以適合地由具 有約4微米的孔徑、適用于截留排氣流中帶有的微小顆粒物質(zhì)的陶瓷材料制成，例如硅石、 硅酸鹽等。優(yōu)選地，過濾材料具有高水平的總體孔隙率，以便在對流過過濾層的排氣流有最 小阻力的情況下即可完成其過濾功能。由于捕獲的顆粒物質(zhì)煙炱太小，在圖3的比例下無法看到，因此圖3中未示出捕獲 的顆粒物質(zhì)煙炱。在圖3所示的本發(fā)明的這個實施例中，包括位于氧化鋁顆粒上的鉬族金 屬顆粒的載體涂層66被施加在位于壁58的進氣通道表面上的過濾材料層64上。載體涂 層66的目的將在本說明書下文中更詳細(xì)地描述。過濾器主體沈形成有盡可能多的安裝在其橫截面內(nèi)的進氣通道M和出氣通道 60。因此，大量顆粒物質(zhì)被層64從排氣中過濾出，氣流繼續(xù)通過多孔過濾器主體壁58 進入出氣通道60，從過濾器主體沈出來進入延續(xù)的如圖1所示的下游排氣系統(tǒng)。盡管過濾 器主體沈的質(zhì)量相對較低，且沒有顯著地增加排氣系統(tǒng)的質(zhì)量，但過濾器主體沈的熱容有 助于由熱排氣流中殘留的氧氣對濾出的顆粒碳材料進行的被動氧化。當(dāng)發(fā)動機開啟時，排 氣快速地加熱罐34內(nèi)的內(nèi)容物。估計需要將陶瓷蜂窩整塊22與其催化載體涂層和過濾器 主體26加熱至約400 °C的溫度，以便開始對過濾層64中的碳顆粒煙炱進行被動氧化。如 果過濾器主體沈不是如圖1和2所示的那樣位于整塊22的緊下游，那么過濾層64可能必 須要加熱至更高的溫度，例如約500 V，才能開始對濾出的顆粒物質(zhì)進行顯著的氧化。盡管 由于發(fā)動機運行的模式不同，排氣的溫度有所變化，但是過濾器主體沈和過濾層64保持熱 的。當(dāng)顆粒物質(zhì)被捕入過濾層64中時，其被氧化為含碳?xì)怏w，該含碳?xì)怏w轉(zhuǎn)而被過濾器主 體沈中的催化劑層或在下游排氣轉(zhuǎn)化器中被氧化。如上所述，少量的殘留灰燼物質(zhì)可能被 截留在過濾層64內(nèi)和上。因此，過濾器主體沈或具有小孔隙過濾材料薄層的類似過濾器結(jié)構(gòu)的主要功能 是過濾來自汽油發(fā)動機的排氣流中的碳顆粒物質(zhì)、被動氧化并去除過濾器中聚集的碳煙 炱。在無需改變發(fā)動機的正常運行的情況下，通過將過濾材料設(shè)置在汽油發(fā)動機的排氣出 口附近從而利用含氧排氣流的較高溫度，來利于煙炱的氧化。然而，應(yīng)該認(rèn)識到，在排氣釋 放到環(huán)境大氣之前，排氣處理不僅需要去除顆粒物質(zhì)，還需要去除排氣流中未燃盡的氣態(tài)碳?xì)浠衔?、一氧化碳、氮氧化物。過濾器主體(例如過濾器主體沈)的結(jié)構(gòu)以及其在發(fā)動 機排氣系統(tǒng)中的位置也可以有利地被用于在過濾和被動氧化顆粒物質(zhì)的同時促進其他排 氣組分的氧化和/或還原。過濾材料層和支撐結(jié)構(gòu)可以與排氣處理催化劑成分在許多不同 的組合中使用，以實現(xiàn)所述兩種功能。例如，如圖2和3中所示的陶瓷過濾器主體沈的擠壓成型整體式多孔陶瓷蜂窩型 過濾器主體，允許過濾器的位置靠近催化轉(zhuǎn)化器，例如圖1和2所示的三元催化陶瓷整塊 22。但是，此外，陶瓷過濾器主體沈提供用于沉積催化劑載體涂層材料的通道表面，從而使 得例如過濾器主體26的過濾器主體可以用于去除并破壞顆粒物質(zhì)、氧化未燃盡的氣態(tài)碳 氫化合物和一氧化碳，和/或還原氮氧化物，所有這些對汽油發(fā)動機運行效率的影響極小。圖3中，所示的包含鉬族金屬催化劑材料的微小顆粒的催化劑載體涂層66被施加 在進氣通道M內(nèi)，作為位于過濾材料層64上方的層。載體涂層66可以被構(gòu)成為用作三元 催化劑材料或氧化催化劑材料。在本發(fā)明的其他實施例中，載體涂層材料66可以位于過濾 器主體沈的進氣通道M內(nèi)的過濾材料層64下方。在本發(fā)明另外的實施例中，合適的催化 載體涂層材料可以位于過濾器主體沈的出氣通道60的壁上以接觸已通過壁58的排氣?？?設(shè)置進氣或出氣通道壁上所用的載體涂層材料的成分，以影響稀燃汽油發(fā)動機的排氣組分 的處理。因此，通過提高輸送給催化劑表面的排放物量，過濾器主體也可以用于對上游和下 游的排氣催化處理進行補充。(如上所述的)薄過濾材料層可以位于例如過濾器主體沈的過濾器主體的進氣通 道或出氣通道的壁上，從而使對穿過通道壁上的功能層的排氣流的阻力最小化。優(yōu)選地，過 濾材料層位于進氣通道壁上。然而，過濾材料層可以與上方或下方的、過濾器主體的進氣或 出氣通道壁上的經(jīng)催化的載體涂層材料層相結(jié)合。雖然優(yōu)選地，可僅在進氣通道壁或出氣 通道壁中之一上設(shè)置過濾材料層，但是在將過濾器主體用于排氣處理的情況下可以在進氣 通道壁或出氣通道壁中的一個或兩個上施加經(jīng)催化的載體涂層材料。盡管為了解釋本發(fā)明的實施而描述了本發(fā)明的實施例，但是這些實施例是例示性 的，并且不限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種從出自多汽缸的、往復(fù)活塞式、火花點火的汽油發(fā)動機的排氣歧管的排氣流中 去除顆粒物質(zhì)的方法，所述方法包括使所述含顆粒的排氣通過沉積并支撐在壁流通式陶瓷過濾器主體的進氣通道壁或出 氣通道壁上的小平均孔徑成分的過濾材料層，以從所述排氣中去除顆粒，所述過濾器主體 定位成與所述排氣歧管密耦以保留排氣的熱量用于氧化去除的顆粒，所述過濾器主體包括 具有通向多個進氣通道的開口的上游排氣流進口面以及具有來自出氣通道的多個開口的 下游出口面，所述進氣通道在所述下游面處封閉，所述出氣通道在所述進口面處封閉，所述 排氣流進入所述進氣通道并流過所述支撐通道壁到達(dá)所述出氣通道，所述排氣流過所述過 濾層，并且經(jīng)過濾的排氣流從所述過濾器主體的出口端出來并混入位于所述過濾器主體下 游的排氣通路。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述過濾材料層僅沉積在所述進氣通道的壁上。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述過濾器主體的進口面位于距離所述排氣歧管的 出口不超過約80厘米的地方。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中，排氣流通式整體催化轉(zhuǎn)化器相對于所述過濾器主體 在所述排氣流中位于上游，所述過濾器主體的進口面位于所述催化轉(zhuǎn)化器的出口面的兩厘 米內(nèi)。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述進氣通道和所述出氣通道的總?cè)莘e至少等于產(chǎn) 生所述排氣的發(fā)動機的往復(fù)式活塞的排量。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述過濾材料層的流通厚度高至約100微米。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述過濾材料的孔徑標(biāo)稱地高至約8微米。
8.權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述過濾器主體的壁的孔隙率約為50%或更大。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其中，向所述過濾器主體的進氣通道的壁施加經(jīng)催化的載 體涂層。
10.權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述過濾器主體的進氣通道在容積上大于所述出氣 通道。
全文摘要
本發(fā)明涉及針對汽油發(fā)動機的排氣顆粒管理。具體提供了從出自汽油發(fā)動機的排氣歧管的排氣流中去除顆粒物質(zhì)的方法，其包括使含顆粒的排氣通過沉積并支撐在壁流通式陶瓷過濾器主體的進氣通道壁或出氣通道壁上的小平均孔徑成分的過濾材料層，以從排氣中去除顆粒，過濾器主體定位成與排氣歧管密耦以保留排氣的熱量用于氧化去除的顆粒，過濾器主體包括具有通向多個進氣通道的開口的上游排氣流進口面以及具有來自出氣通道的多個開口的下游出口面，進氣通道在下游面處封閉，出氣通道在進口面處封閉，排氣流進入進氣通道并流過支撐通道壁到達(dá)出氣通道，排氣流過過濾層，并且經(jīng)過濾的排氣流從過濾器主體的出口端出來并混入位于過濾器主體下游的排氣通路。
文檔編號F01N3/035GK102071992SQ20101055877
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者C·K·科赫, D·L·希爾登, K·納拉亞納斯瓦米, P·M·納特 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司