ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, ИМЕЮЩЕГО ДВИГАТЕЛЬ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ С СИСТЕМОЙ "ПУСК-ОСТАНОВ"
EXHAUST SYSTEM FOR VEHICLE WITH COMPRESSION IGNITION ENGINE WITH "START-SHUTDOWN" SYSTEM

Настоящее изобретение относится к выхлопной системе для автомобильного двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, такого как дизельный двигатель, и в частности оно относится к выхлопной системе для транспортного средства, содержащего так называемую систему «stop-start» (пуск-останов) двигателя.
2,
2
2
Выбросы из транспортных средств и двигателей внутреннего сгорания обычно подвергаются постоянно ужесточающемуся регулированию по всему миру. Проблема глобального потепления, связанная с выбросами CO привела к налоговым льготам во многих странах на снижение выбросов CO из автомобилей. Поэтому все в большей и большей мере частные автомобили и легкие грузовые автомашины снабжаются приводом от дизельных двигателей с небольшим рабочим объемом, которые обладают относительно низким расходом топлива и относительно низкими выбросами CO.
2
Среди стратегий, предназначенных для повышения как расхода топлива, так и выбросов как для двигателей с искровым зажиганием бензина, так и для двигателей с воспламенением от сжатия (например, дизельных), имеется система «пуск-останов». С помощью системы «пуск-останов», когда автомобиль останавливается более чем на несколько секунд, двигатель останавливается полностью. Когда водителю необходимо остановиться повторно, например, чтобы ослабить сцепку, переключить коробку передач, привести в действие рулевое колесо с приводом, или в автоматических или полуавтоматических транспортных средствах перейти к режиму «езды», он заставляет двигатель перезапускаться. Хотя это вызывает большую нагрузку на батарею и стартер, вследствие чего их приходится заменять, это может быть очень экономным. Экономия при испытаниях согласно Новому европейскому ездовому испытательному циклу (New European Drive Cycle) может, в зависимости от принятой системы «пуск-останов», составлять порядка 5% от расхода топлива и до 8% выбросов CO. Городские власти заостряют внимание на снижении выбросов в городах и других населенных пунктах, и вследствие интенсивного движения транспорта является вероятным, что системы «пуск-останов» будут установлены на многих новых транспортных средствах.
50
2
80
2
Дизельные двигатели с небольшим рабочим объемом становятся даже более эффективными с использованием электронных блоков управления и технологии впрыска, в сочетании с механическими усовершенствованиями. Это означает, что температуры выхлопного газа очень часто бывают намного более низкими, чем при использовании бензиновых двигателей или дизельных двигателей тяжелого режима работы (двигателей грузовиков и автобусов). При небольшой нагрузке, например, в городских условиях, и при использовании «инерции» в зацеплении, при небольшом расходе топлива (или отсутствии такового) дизельными двигателями с небольшим рабочим объемом с такой конструкцией, температуры выхлопных газов могут составлять не более 100-200°C. Несмотря на эти низкие температуры, в ходе Нового европейского ездового испытательного цикла с использованием усовершенствованной каталитической технологии, режим «light-off» может быть достигнут в условиях реальной езды по городу, низкоскоростного выхода двигателя на режим и стабильной езды. Режим «light-off» (отключения) может быть определен как температура, при которой нейтрализатор ускоряет реакцию при желаемой активности конверсии. Например, «CO T» представляет собой температуру, при которой определенный нейтрализатор вызывает конверсию монооксида углерода в сырьевом газе, например, CO с кпд, составляющим по меньшей мере 50%. Аналогично, «HC T» представляет собой температуру, при которой углеводород, возможно конкретный углеводород, такой как октан или пропилен, преобразуется, например, в водяной пар и CO при кпд 80% или более.
Однако при определенных обстоятельствах низкие температуры выхлопного газа могут означать, что дизельный окислительный нейтрализатор (ДОН) может оказаться неспособен к эффективному функционированию. То есть ДОН может быть непригоден для достижения или поддержания режима «отключения».
Для транспортных средств, не отвечающих требованию системы «пуск-останов» двигателя, дополнительная проблема, возникающая из эксплуатации двигателя при таких условиях легкой нагрузки, состоит в том, что когда двигатель функционирует, относительно холодные газы, содержащие преимущественно воздух, продолжают поступать из двигателя через ДОН или другой нейтрализатор. Этот поток холодных газов может охлаждать ДОН до температур ниже температур отключения. При повторном применении нагрузки, например при выходе двигателя на режим, нейтрализатор неспособен немедленно отвечать желаемым требованиям для конверсии загрязняющих газов, что приводит к результату, при котором содержание выбросов загрязнителей в течение некоторого периода времени может быть выше требуемых уровней. С течением времени повышенные температуры выхлопных газов еще раз повысят температуру нейтрализатора выше уровня температуры отключения.
3
В нашей работе WO2007/077462 раскрыта одна известная ДОН конструкция, которая содержит проточный монолит, содержащий (в порядке перечисления сверху вниз по потоку) первую, вторую и третью зоны реактивной грунтовки, содержащей металл платиновой группы. Загрузка металла платиновой группы в каждой из зон - первой и третьей будет больше, чем во второй зоне, которая пространственно расположена между первой и третьей зонами. Третья зона, являющаяся зоной, которая, при ее использовании, находится дальше всего от двигателя, может включать в себя реактивную грунтовку, обладающую большей тепловой массой, чем первая и вторая зоны, например, при использовании более толстого слоя реактивной грунтовки, или грунтовочного материала, имеющего по своей природе большую термическую массу, такого как загустевший оксид циркония. Загустевший оксид циркония может обладать плотностью 3,5 г/см. Трехзонное расположение спроектировано для поддержания производительности нейтрализатора при общей сниженной стоимости всего металла платиновой группы.
Что касается стандартных дизельных двигателей, которые остаются работать на холостых оборотах, как правило, существует мало вариантов температур нейтрализатора в течение ездового цикла для дизельного двигателя транспортного средства, совместимого с технологией «пуск/останов», поскольку нейтрализатор не охлаждается при холостом ходе за счет контакта с относительно холодным выхлопным газом. Авторы изобретения здесь разработали дизельный окислительный нейтрализатор, обладающий повышенной активностью для использования при обработке выхлопного газа, исходящего из дизельного автомобиля, отвечающего требованиям такой технологии «пуск/останов». В частности, авторы изобретения разработали установку, в которой уравновешены конкурирующие запросы на низкую температуру отключения нейтрализатора для как можно более быстрой обработки выхлопных газов, выделяемых при запуске холодного двигателя, с сигналом «зажигание отключено», когда активность нейтрализатора может падать ниже желаемого уровня во время ездового цикла, после того, как нейтрализатор был уже «отключен» вслед за запуском в холодном состоянии.
Настоящее изобретение обеспечивает транспортное средство, содержащее двигатель с воспламенением от сжатия, снабженный средством управления двигателем и имеющий нейтрализатор для последующей обработки выхлопных газов, причем средство управления двигателем выполнено таким образом, чтобы при его использовании оно выявляло режимы холостого хода, а при определении того, что этот режим холостого хода существует, останавливало бы двигатель полностью, причем нейтрализатор содержит монолит сотового носителя, покрытый каталитической реактивной грунтовкой, содержащей один или более благородных металлов, и эта каталитическая реактивная грунтовка расположена между первой, верхней по потоку зоной реактивной грунтовки и второй, нижней по потоку зоной реактивной грунтовки, причем термическая масса в первой зоне реактивной грунтовки отличается от термической массы во второй зоне реактивной грунтовки, и при этом слой реактивной грунтовки в первой, верхней по потоку зоне реактивной грунтовки по существу является смежным со слоем реактивной грунтовки во второй, нижней по потоку зоне реактивной грунтовки.
Предпочтительный двигатель с воспламенением от сжатия работает от дизельного топлива, но также возможны и другие виды топлива, включающие в себя природный газ (ПГ) и смеси дизельного и биотоплива или топлива, полученного из процесса Фишера-Тропша.
Монолит сотового носителя можно изготавливать из керамического материала, такого как кордиерит или карбид кремния, или металла, такого как Fecralloy™. Является предпочтительным, чтобы данное расположение представляло собой так называемую проточную конфигурацию, в которой множество каналов простираются параллельно от открытого входного и до открытого выходного конца. Однако монолит сотового носителя также может иметь форму фильтрующей подложки, например, так называемого настенного фильтра или пенокерамики.
В одном варианте осуществления термическая масса в первой по ходу потока зоне реактивной грунтовки больше, чем термическая масса во второй по ходу потока зоне реактивной грунтовки. Однако в варианте осуществления, являющемся в настоящее время предпочтительным, термическая масса в первой по ходу потока зоне реактивной грунтовки меньше, чем термическая масса во второй по ходу потока зоне реактивной грунтовки.
В любом из предыдущих вариантов осуществления монолит сотового носителя имеет общую длину. В вариантах осуществления, первая по ходу потока зона реактивной грунтовки ограничена на верхнем по ходу потока конце - входным концом монолита сотового носителя катализатора, а на нижнем по ходу потока конце - точкой, соответствующей 10-90%, опционально 15-80%, например 20-30%, или 20-40% от общей длины монолита сотового носителя, отмеренной от входного конца. В предпочтительных вариантах осуществления длина входной зоны меньше длины выходной зоны.
Желательной особенностью низкого заполнения зоны реактивной грунтовки является то, что ее относительно низкая термическая масса дает ей возможность нагреться быстрее, а следовательно, осуществить «отключение» более эффективно, вслед за запуском двигателя в холодном состоянии. Однако из-за более низкой термической массы нейтрализатор также может охлаждаться быстрее, и с этой точки зрения «отключение» в середине ездового цикла после первоначального нагрева (т.е. режим после «отключения») является нежелательной особенностью. Повышенные заполнения реактивной грунтовки обладают преимуществом, состоящим в том, что используется большое количество опорного материала, используемого для нанесения на него благородного металла, и, таким образом, возможно большее рассеяние благородного металла. Большое заполнение реактивной грунтовки может обеспечить большую стойкость к термическому старению при использовании, т.е. большую теплостойкость.
3
3
3
3
В конкретном варианте осуществления тепловая масса в первой или второй зоне, отличная, соответственно, от тепловой массы во второй или первой зоне, обеспечена наличием более толстого слоя реактивной грунтовки, чем используется в другой зоне. В данном варианте осуществления заполнение реактивной грунтовки в более толстом слое реактивной грунтовки может составлять 4-10 г/дюйм, например 5-8 г/дюйм. Напротив, в другой зоне заполнение реактивной грунтовки в относительно тонком слое реактивной грунтовки может составлять 1-3,5 г/дюйм, например 2-3 г/дюйм.
3
В качестве альтернативы, согласно другому варианту осуществления отличие термической массы в первой или второй зоне относительно второй или первой зоны соответственно может быть обеспечено компонентом реактивной грунтовки, обладающим плотностью по меньшей мере 3,50 г/дюйм. Материалы, обладающие подходящей плотностью, можно выбрать из группы, состоящей из загустевшего альфа-оксида алюминия, загустевшего оксида лантана, загустевшего оксида церия II, загустевшего оксида церия III и загустевшего оксида циркония.
В предпочтительных вариантах осуществления полное заполнение благородного металла, измеренное как единичная масса благородного металла на единичный объем реактивной грунтовки, в первой, верхней по ходу потока зоне реактивной грунтовки, больше, чем полное заполнение благородного металла во второй, нижней по потоку зоне реактивной грунтовки.
В одном варианте осуществления, например, первая, верхняя по ходу потока зона реактивной грунтовки содержит 55-90% от общего заполнения благородного металла монолита сотового носителя. В другом варианте осуществления первая, верхняя по ходу потока зона реактивной загрузки содержит 60-80% от общего заполнения благородного металла монолита сотового носителя.
3
3
3
Общее заполнение благородного металла на монолите сотового носителя может составлять 15-300 г/фут, такая как 30-150 г/фут, например 40-120 г/фут.
Благородные металлы, предназначенные для использования в настоящем изобретении, включают в себя один или более металлов, выбранных из платины, палладия, родия, золота, серебра или смесей из любых двух или более из них. В предпочтительном варианте осуществления, подгруппы благородных металлов, предназначенных для использования в настоящем изобретении, представляют собой металлы платиновой группы.
Конкретные предпочтительные варианты благородных металлов включают в себя саму по себе платину, сам по себе палладий, смесь платины и палладия (опционально присутствующих в виде сплава), или сочетание платины и золота, - в виде смеси, сплава, либо и смеси и сплава.
В конкретном варианте осуществления благородный металл или сочетание благородных металлов в первой, верхней по ходу потока зоне отличается от благородного металла или сочетания благородных металлов во второй, нижней по ходу потока зоне.
Как правило, один или каждый благородный металл наносят на компонент, представляющий собой тугоплавкий оксид с высокой удельной поверхностью. Подходящие опорные компоненты для благородных металлов включают в себя оксид алюминия, оксид кремния, аморфные алюмосиликаты, молекулярные сита, такие как алюмосиликатные цеолиты, диоксид титана, оксид марганца, алюминат магния, диоксид церия, диоксид циркония, и т.д., и их смеси, композитные оксиды и смешанные оксиды любых двух или более из них, стабилизированные (необязательно) одним или более редкоземельными элементами. Конкретные предпочтительные смешанные оксиды включают в себя оксид церия и циркония, который (в зависимости от содержания оксида церия) также может включать в себя один или более редкоземельных металлов, или оксид алюминия, легированный диоксидом кремния.
Нейтрализатор для использования в настоящем изобретении может быть расположен в любой подходящей точке в транспортном средстве, с учетом конструкционных и пространственных ограничений на транспортном средстве. Обычными местами расположения являются близко расположенные местоположения, как можно ближе к выхлопному коллектору двигателя, чтобы можно было воспользоваться максимально горячими температурами выхлопных газов. Обычные альтернативные местоположения включают в себя так называемое местоположение «под полом».
Для того чтобы изобретение было полностью понятным, следующие Примеры, представленные лишь для иллюстрации, приведены со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором:
Фиг.1 представляет собой временной график, сопоставляющий расчетно-моделированный массовый расход, тесно связанную с этим входную температуру ДОН, содержание монооксида углерода и углеводорода в выхлопных газах для 2,4-литрового стендового дизельного двигателя Euro IV, выходящего на Европейский ездовой цикл MVEG-B.
ПРИМЕР
3
3
Следующий Пример отображает результаты расчетной модели, в которой кордиеритовый проточный монолит сотового носителя с плотностью 400 цилиндрических ячеек на квадратный дюйм, и имеющий размеры 143×98×135 мм и объем 1,50 л, полностью покрыт гомогенным слоем реактивной грунтовки дизельного оксидного нейтрализатора с низким (2,5 г/дюйм) или высоким (7,0 г/дюйм) заполнением реактивной грунтовки и равномерным заполнением платины (Сравнительный пример). Зонированные дизельные оксидные нейтрализаторы согласно изобретению были приготовлены с использованием того же пустого монолита сотового носителя и приведены в Таблице 1.
Способы приготовления зонированного монолита сотового носителя известны из уровня техники и включают в себя WO 99/47260 заявителя, т.е. содержат этапы (a) размещения средства локализации поверх носителя, (b) дозировки предварительно заданного количества жидкого компонента в упомянутом средстве локализации, либо в порядке (a) и затем (b), либо (b) и затем (a) и (c), путем приложения давления или вакуума, втягивания упомянутого жидкого компонента по меньшей мере в часть носителя, и удерживания почти всего упомянутого количества в пределах носителя.
3
Цифры процентного содержания, показанные в столбце «заполнение реактивной грунтовки» Таблицы 1, отображают длину первой, верхней по ходу потока зоны (крайний левый столбец) и второй, нижней по ходу потока зоны, относительно общей длины носителя, при измерении от входного конца монолита носителя. Столбец «Заполнение Pt» отображает заполнение металлической платины в первой по ходу потока зоне (левая колонна) и соответственно во второй по ходу потока зоне слева направо. Цифры для CO (г) и HC (г) относятся к имеющемуся монооксиду углерода и углеводорода и измерены на выходе слоя дизельного оксидного катализатора. Графы «Нормализованная конверсия CO (г)» и «Нормализованная конверсия HC (г)» относятся к гомогенному заполнению с низким содержанием реактивной грунтовки - 40 г/дюйм(Сравнительный Пример 2). Общее содержание платины во всех Примерах было постоянным.
Массовый расход, температура и содержание монооксида углерода (CO (г)) и общее содержание (HC (г)) в выхлопных газах от 2,4-литрового стендового автомобильного дизельного двигателя Euro IV было записано, с использованием автомобильного динамометра, вставленного в так называемую близко расположенную позицию, расположенную, насколько возможно, близко к выпускному патрубку (с учетом пространственных ограничений на транспортном средстве), и эти данные были использованы для конструирования расчетной модели, с использованием смоделированных конфигураций нейтрализатора. Хотя используемый двигатель не отвечал технологии «пуск-останов», эффект такой системы был сымитирован путем отключения зажигания двигателя всякий раз, когда Европейский ездовой цикл MVEG-B начинал работать при холостом ходе. Результаты для массового расхода, температуры монооксида углерода (CO) на входе катализатора и общего содержания углеводорода (total hydrocarbon content, THC) в выхлопных газах показаны на фиг.1.
Эти результаты показаны в Таблице 1, из которой видно, что использование гомогенного заполнения с высоким содержанием реактивной грунтовки (Сравнительный пример 1) вместо гомогенного заполнения с низким содержанием реактивной грунтовки (Сравнительный Пример 2) снижает конверсию CO и HC по всему циклу MVEG-B. Одним вероятным разъяснением для этого результата является то, что замедлено отключение нейтрализатора для конверсии CO и HC в начале испытания, из-за повышенной термической массы нейтрализатора.
<b>Таблица 1</b>
<b>Пример №</b>
<b>Заполнение реактивной грунтовки по длине (г/дюйм</b><sup>3</sup><b>)</b>
<b>Заполнение Pt</b><b>на зазор между зонами (г/фут</b><sup>3</sup><b>)</b>
<b>CO (г)</b>
<b>HC (г)</b>
<b>Нормализованная конверсия CO (г)</b>
<b>Нормализованная конверсия HC (г)</b>
1
Высокая
40
5,26
2,45
-3%
-2%
2
Низкая
40
5,12
2,41
-
-
3
Низкая
Высокая
40
4,95
2,40
3%
0%
50%
50%
4
Высокая
Низкая
40
5,35
2,45
-4%
-2%
50%
50%
5
Низкая
Высокая
40
4,9
2,41
4%
0%
25%
75%
6
Низкая
Высокая
100
20
4,79
2,43
6%
-1%
25%
75%
25%
75%
7
Низкая
Высокая
70
30
4,7
2,41
8%
0%
25%
75%
25%
75%
8
Низкая
Высокая
85
25
4,71
2,42
8%
0%
25%
75%
25%
75%
Повышение окисления CO было достигнуто тогда, когда верхняя по ходу потока половина монолита носителя была покрыта заполнением с низким содержанием реактивной грунтовки, тогда как оставшаяся нижняя по ходу потока половина оставалась покрытой заполнением с высоким содержанием реактивной грунтовки (Пример 3), без регулирования относительных заполнений металлической платины между зонами. Для тестируемого транспортного средства расположение этой конфигурации в обратном порядке (когда верхняя по потоку половина зоны сильно заполнены реактивной грунтовкой, а нижняя по потоку половина зоны слабо заполнена реактивной грунтовкой (т.е. Пример 4)) приводит к тому, что активность становится хуже, чем контроль. Однако тестируемое транспортное средство имеет двигатель с особо холодным запуском, и авторы изобретения все еще полагают, что конфигурация согласно Примеру 4 может быть особо пригодной для транспортного средства, имеющего двигатель, который запускается, находясь в более нагретом состоянии (предложения на рынке продукта от различных изготовителей автотранспортных средств могут различаться по температуре выхлопного газа в течение рабочей части цикла MVEG-B). Следовательно, конфигурация согласно Примеру 4 все еще рассматривается как попадающая в рамки объема настоящего изобретения. Однако остальные результаты, показанные в Таблице 1 (т.е. для примеров 5-8 включительно), сосредоточены на конфигурациях, характеризующихся низко заполненной верхней по потоку зоне, но различающихся по длине и заполнению металлической платины в верхней по потоку зоне.
Видно, что, укорачивая длину верхней по потоку зоны с низким заполнением реактивной грунтовки до 25% (Пример 5), можно получить дальнейшее повышение окисления CO по сравнению с конфигурацией по Примеру 4. В остальных вариантах осуществления (Примеры 6-8 включительно) сохранена схема с 25% длины входной зоны с низким заполнением реактивной грунтовки и 75% длины выходной зоны с высоким заполнением реактивной грунтовки, и исследованы изменения заполнения металлической платины в промежутке между двумя зонами.
3
3
3
3
3
3
3
Наличие входной зоны с более высоким заполнением платины (100 г/фут) по сравнению с выходной зоной с более низким заполнением платины (20 г/фут) привело к повышению конверсии CO, но это слегка снизило конверсию HC, по сравнению с вариантом осуществления с равномерным заполнением (см. результаты, приведенные в Таблице 1 для Примера 6). Однако дальнейшие итерации платинового промежутка (70 г/фут для верхней по потоку зоны и 30 г/фут для нижней по потоку зоны (Пример 7); и 85 г/фут для верхней по потоку зоны и 25 г/фут для нижней по потоку зоны (Пример 8)) привели к результатам конверсии HC, аналогичным результатам для нейтрализатора гомогенным заполнением, но с неожиданным повышением конверсии CO по сравнению с вариантом осуществления с более высоким заполнением металла платиновой группы в верхней по потоку зоне (т.е. вариант осуществления с 100 г/фут для верхней по потоку зоны).
Для внесения ясности все приведенное здесь содержание документов включено в настоящее описание в виде ссылки.