TW200905066A - Exhaust-gas aftertreatment upstream of a turbocharger - Google Patents

Description

200905066 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一用於一車輛之内燃機的排氣後處理 系統’且該排氣後處理系統具有至少一排氣管線、至少一 5渦輪增壓器及至少一排氣轉化器。該排氣後處理系統特別 是一種載客機動車輛之稀薄燃燒引擎(lean_burn engine)之 排氣的後處理系統。

【先前技術;J 在過去幾年中，焦點一直跟隨火花點火引擎之排氣立 法上’但疋最近這情況已有所改變。目前已有愈來愈多的 人覺察到柴油引擎之環境衝擊的重要性，其第一個原因是 由這種引擎排出之粒子所造成之一特殊健康風險的討論， 而第二個原因是在歐洲登記之柴油車輛數目急遽地增加。 在這種發展中之決定因素不僅是因為經濟的緣故，而且也 15包括具有特性為在低引擎轉速下具有高扭力之現代柴油引 擎之車輛的駕駛行為。為了使污染物之排放儘量降低，目 前已開發出多種不同系統且已實用化，例如改良之喷射系 統(具有相當高噴射壓力之共軌系統）、先進之排氣渦輪增壓 器、及排氣再循環技術用以控制或調節依型式決定之燃燒 20方法。此外，在某些操作範圍中，雖然大體上仍維持壓縮 點火’但是’較新的柴油引擎之特徵或多或少在於均質燃 燒程序(HCCI :均質進氣壓縮點火）。這種引擎在該操作模 式中具有非常低之氮氧化物排放量與黑煙排放量，但是一 氧化碳與碳氩化合物排放量可能會增加。雖然氧化觸媒轉 200905066 化器型態之經驗證與測試技術可用來消除這些污染物，但 是有鑒於柴油引擎之典型低排氣溫度，排放之標準仍造成 相當多的困難。 特別針對於這情形，應有一種至少部份解決前述技術 5 困難與問題的排氣處理系統，其中，該排氣後處理系統應 特別在該柴油引擎或稀薄燃燒引擎之不同操作階段中以均 一效率操作，且應仍可符合經濟效益地製造。 【發明内容3 這些目的係藉由一依據申請專利範圍第1項之特徵的 10 排氣後處理系統與藉由一依據申請專利範圍第7項之特徵 的方法達成。本發明之其他有利實施例係揭露在依附項之 申請專利範圍中，且在此應注意的是獨立地揭露在申請專 利範圍中之特徵可以任何所需之技術性有意義方式組合且 突顯本發明之其他實施例。特別是與圖式有關之說明將描 15 述本發明之其他實施例。 用於一車輛之内燃機的本發明排氣後處理系統具有至 少一排氣管線、至少一渦輪增壓器及至少一排氣轉化器， 且該排氣轉化器係設置在該内燃機與該至少一渦輪增壓器 之間並且具有至少0.6公升(1)之第一容積。 20 該排氣系統可以是例如來自該内燃機之初始多股設 計，使得例如該燃燒室之各出口設有一分開之排氣管線， 且全體亦被稱為一風扇型歧管該等排氣管線部份可以接著 合併而形成一共同排氣管線。此種之一排氣管線（或多數排 氣管線)可以形成有一排氣渦輪增壓器，且此種渦輪增壓器 6 200905066 係用以藉由增加每一工 作行程之空氣流量與燃料流量，增 加該内燃機之動力。在此^， 該渦輪増壓器是被該排氣壓力 驅動，且制輪增壓_可以使_氣速度作為—能源(脈 衝增壓作用）…鱗増壓祕由—在排氣流中之排氣满輪 構成’且該排氣錢利用—軸桿連接—在㈣燃機之進氣 道中的壓職。該料係蚊為被勒識之排氣流轉動 且藉此驅動該壓縮機，而該壓縮機増加在該内燃機之進氣

道中之壓力，使得較大量之空氣在進氣行程時通入該燃燒 室中。因此’可以獲得(特別是柴油引擎之）内燃機動力之大 10 幅增加。 為了在該渦輪增壓器中提供足夠之能量以達到這目 的’迄今所使用之觀S是以高能量將該排氣流導入該满輪 增壓器。這亦是在該内燃機與渦輪增壓器之間僅***非常 小排氣處理單元以防止壓力降且因此防止該排氣渦輪增壓 15器之壓縮作用減弱的原因。例如，所謂預渦輪增壓器觸媒 轉化器（“PTC”，預渦輪增壓器觸媒）是習知的且係定位在該 内燃機之 缸頭中之出口閥下游的排氣管線中、在該排氣 屑輪增壓器上游之歧管中、或在該排氣渦輪增壓器上游或 者甚至在該排氣渦輪增壓器中。藉由將一氧化觸媒轉化器 20定位在14靠近引擎之點處’該氧化觸媒轉化器（特別地具有 -產生-渦流之表面）可由於—放熱反應而再增加排氣溫 度’且藉此“加熱”隨後之排氣淨化組件。 以下本發明將首先脫離這途徑且提出位於該渴輪增壓 器上游之排氣轉化器具有一至少〇6公升⑴之第—容積。在 7 200905066 此，該特別之觸媒活化排氣轉化器不再僅用來增加下游排 氣處理單元之溫度，而是亦確保包含在該排氣中之污染物 的明顯轉化，特別是碳氳化合物(HC)、一氧化氮(CO)、氮 氧化物、粒子等的明顯轉化。此種排氣轉化器通常被設計 5 成一蜂巢體狀，且後者具有多數陶瓷壁或(較佳地)具有多數 金屬壁。為達此目的，該等壁可至少部份地形成有對應塗 層：氧化觸媒、三向觸媒、吸附塗層。此外，該設計亦可 對應地修改為例如一所謂二次流過濾器或壁流過濾器。在 此，該容積係由該等壁與導管之和形成。在某些情形下， 10 特別是非常大的内燃機，甚至可以有利地提供一更大第一 容積之渦輪增壓器上游之排氣轉化器，例如至少1.0公升或 甚至1.5公升之第一容積。 這是第一次脫離已遵行了數十年之主要在車輛車體下 方區域中發生之排氣處理的觀念，在此所提出的是雖然在 15 車輛引擎架中極有限空間之條件下且雖然該排氣之壓力降 隨著容積增加而增加，仍提供這種渦輪增壓器上游之大容 積排氣轉化器。雖然在此提出之第一容積基本上可以由多 數定位於該内燃機與至少一渦輪增壓器間之排氣轉化器來 形成，但是較佳的是一具有在此提出之第一容積的單一排 20 氣轉化器。 依據該排氣後處理系統之一改良所提出的是，該至少 一排氣轉化器具有大於至少一排氣後處理單元之第二容積 的第一容積，並且該至少一排氣後處理單元位於相對該至 少一渦輪增壓器處。這特別地表示該排氣後處理系統具有 200905066 一在渦輪增壓器及一（亦）具有與該排氣轉化器相同功能之 排氣後處理單元上游的（特別是觸媒活化之)排氣轉化器，並 且較大之反應容積係設置於該渦輪增壓器之上游。依此方 式，例如，由於在該排氣轉化器中之較大觸媒活化表面與 5 在此由於靠近引擎而取得優勢之相當高的溫度，相當大部 份之相關污染物將被轉化。依此方式，特別是如果該渦輪 增壓器上游之排氣轉化器在該等壁（孔、流動收歛部、流動 彎折部等）中或上具有渦流產生結構時，該排氣後處理系統 可以是一整體更具成本效益之設計。 10 在此，本發明特別地設想該至少一排氣轉化器包含一 氧化觸媒轉化器。特別地，這表示該排氣轉化器係設計為 呈一蜂巢體狀，且較佳地具有部份配置之金屬片狀金屬 箔，而該等片狀金屬箔上具有一基材物質（例如薄塗膜)與一 如貴金屬（鉑、铑等）之對應觸媒。利用在此揭露之氧化觸媒 15 轉化器的尺寸，可以在某些情形下組合數種功能，除了轉 化碳氫化合物與一氧化$炭以外，例如，亦可產生一氧化氮， 以例如可連續地再生一下游粒子分離器。 因此，一其中至少一排氣轉化器包含一氧化觸媒轉化 器及一粒子分離器之排氣後處理系統亦是較佳的。在此， 20 該粒子分離器可以構造成一具有交替閉塞流動通道與多孔 壁之所謂壁流過濾器，但開放式粒子分離器是較佳的。該 開放式粒子分離器沒有流動終端且係特別地以包含至少片 狀金屬箔、金屬絲布、纖維不織物等金屬組件構成。就該 粒子分離器而言，亦可使用至少一以下效應：該等粒子之 9 200905066 靜電充電、該等粒子之聚結、熱泳、擴散、對流等。 在本發明之排氣後處理系統之一非常特別之較佳改良 中’該至少-排氣轉化器被定位在一用於多數排氣管線段 之收集工間中。這特別地表示該排氣轉化器形成為單一組 5件’且該排氣轉化器係配置在各個歧管之接合處的區域中 以形成-共用排氣管線。在此，可以特別地利用非圓柱形 排氣轉化器及/或與氣流徑向地橫交之排氣轉化器。 本發明特別適用於一其中至少一渦輪增壓器設計成具 有兩階段之排氣後處理系統，因此特別提供一兩階段满輪 10增壓器，且該兩階段渴輪增壓器具有各包含一壓縮機與一 渴輪之低壓階段與高壓階段，並且各個渴輪與壓縮機係藉 由一共用軸桿互相連接。因此特別使用兩不同尺寸之渦輪 增壓器：一用於低引擎轉速範圍之小渦輪增壓器及具有大 置空氣流量之用於高轉速範圍之較大渦輪增壓器。 兩/1¾輪i'曰壓器在該排氣側且在該空氣側互相串聯地連 接，並且利用旁通擋板配合該引擎之各個轉速與負載範 圍。依據進氣壓力值，可能需要—至兩個増壓空氣冷卻器。 依據本發明之另一方面，提供一種用以利用一其中設 有至夕渦輪增壓器之排氣後處理系統淨化一内燃機之排 ；； '’讀方法係在該内燃機與該渦輪增壓器之間藉氧 化將所有排氣轉化至一比在該渦輪增壓器下游之一區域中 更大之程度。 &方法可以特別以本發明在此說明之排氣後處理系統 實現。 200905066 在此，轉化“至一更大之程度”表示，例如，在一可重 現標準測試中’在該渦輪增壓器上游被轉化之碳氫化合物 (HC)及/或一氧化碳的（質量）比例大於被隨後之排氣後處理 單元轉化之（質量）比例。由於在該引擎附近的高溫’這亦可 5 利用小於該等排氣後處理單元之排氣轉化器的第一容積來 達成，但該較大程度最好可配合一較大第一容積。就這方 法而言，亦可參照該裝置之前述特定效果。 特別地’ ~具有一前述本發明之排氣後處理系統的車 輛最好可以利用在此類似地說明之本發明方法來操作，且 10 這些有助於它們本身可以使用在一稀薄燃燒引擎型之内燃 機。在此’ 稀薄燃燒引擎，，是一利用過量空氣來正常操 作之内燃機，例如一柴油引擎。 以下依據圖式更詳細地說明本發明與技術領域，在此 應注意的是在圖式中所示之實施例不會限制本發明。在圖 15 式中： 第1圖不意地顯示一車輛之排氣後處理系統之第一實 施例變化例；及 第2圖示,¾地顯示本發明之排氣後處理系統之另一實 施例變化例。 20 【货 第·厂、也顯示一車輛3’該車輛3具有一柴油引擎型 之内九’:機且在該内燃機中產生之排氣係傳送通過-排氣 後處理线1 °在此所述之例子巾，在該排氣流經排氣管線 4而進入例如讀車輛3之―底盤區域中之前，該排氣朝流動 11 200905066 方向13流動通過一排氣轉化器6，接著通過一渦輪增壓器 5(被設計成具有兩階段16)，且該車輛3之底盤區域中更設有 排氣後處理單元9，而在此例中該等排氣後處理單元9包括 一氧化觸媒轉化器10及一SCR觸媒轉化器15。 5 在此’設置在該内燃機2與該渦輪增壓器5之間的排氣 轉化器6具有一第一容積7,且該第一容積7大於執行相同功 能之排氣後處理單元9的第二容積8。在此，該排氣轉化器6 係由一氧化觸媒轉化器10與一具氧化塗層之粒子分離器14 的組合形成。在此所示之實施例變化例中，該排氣轉化器6 10係例如，如同該氧化觸媒轉化器1〇與該粒子分離器14一 般，具有一氧化塗層。該SCR觸媒轉化器（SCR=選擇性觸媒 反應）具有一還原塗層，且因此具有一不同功能。因此，該 第一谷積7在此大於由該氧化觸媒轉化器1〇與該粒子分離 器14所形成之第二容積8(中間空間不計），但這不一定是必 15 要的。 舉例而言，第2圖是—内燃機2之一部份的平面圖，且 忒部份具有亦被稱為—歧管之後續排氣管線段12。各個排 氣官線段12開口通^共用收集空間U，且一氧化觸媒轉 化器10亦設置於該共用收集空間11中，作為-排氣轉化器 2〇 6。，經由該等排氣管線段u流入該排氣轉化器6之排氣對應 地受到觸媒處理且接著朝該流動方向13(一起)離開該排氣 轉化器6 ’並且再流向配置於下游之渦輪增壓器5。 在此當然亦可進行顯而易見之修改，例如，該排氣後 處理系統1可具有直到多數渴輪增壓器5下游均保持分開之 12 200905066 多數排氣管線4，且多數排氣轉化器6亦可設置在該内燃機2 .與該至少一渦輪增壓器5之間。又，除了一氧化觸媒轉化器 . 10以外，該排氣轉化器6亦可包含另一排氣後處理單元9， 例如一粒子分離器。此外，亦可設置特別連接一 SCR觸媒 5 轉化器之用以導入液體及/或氣體還原劑之裝置。另外，該 排氣轉化器6可以形成有多數在導管壁中之開孔及/或多數 引導葉片及/或多數流動收歛部及/或多數渦流產生點，以在 内部產生一渦流且藉此改善在欲轉化之污染物與該排氣轉 / 化器之觸媒活化塗層之間的接觸。在了解對於下游渦輪增 10 壓器5具有一對應影響之相關壓力損失之情形下，這是特別 適合的。如果適當的話，亦可在該排氣之流動方向上串聯 地設置多數渦輪增壓器5，以稍微補償該效應。 【圖式簡單說明】 第1圖示意地顯示一車輛之排氣後處理系統之第一實 15 施例變化例；及 第2圖示意地顯示本發明之排氣後處理系統之另一實 施例變化例。 13 200905066 【主要元件符號說明】 1...排氣後處理系統 9...排氣後處理單元 2...内燃機 10…氧化觸媒轉化器 3…車輛 11...共用收集空間 4...排氣管線 12…排氣管線段 5...渦輪增壓器 13…流動方向 6·· 4非氣轉化*器 14…粒:子分離器 7…第一容積 15...SC_媒轉化器 8·.·第二容積 16…階段 14

Claims (1)

1. 200905066 十、申請專利範圍： 1. 一種排氣後處理系統，係用於一車輛之内燃機且具有至 少一排氣管線、至少一渦輪增壓器及至少一排氣轉化 器，且該排氣轉化器係設置在該内燃機與該至少一渦輪 5 增壓器之間並且具有至少0.6公升之第一容積。 2. 如申請專利範圍第1項之排氣後處理系統，其中該至少 一排氣轉化器具有大於至少一排氣後處理單元之第二 容積的第一容積，並且該至少一排氣後處理單元位於相 對該至少一渦輪增壓器處。 10 3.如申請專利範圍第1項之排氣後處理系統，其中該至少 一排氣轉化器包含一氧化觸媒轉化器。 4. 如申請專利範圍第3項之排氣後處理系統，其中該至少 一排氣轉化器包含一氧化觸媒轉化器及一粒子分離器。 5. 如申請專利範圍第1項之排氣後處理系統，其中該至少 15 一排氣轉化器位在一用於多數排氣管線段之收集空間 中。 6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之排氣後處理系 統，其中至少一渦輪增壓器係設計成具有兩階段。 7. —種用以利用一排氣後處理系統淨化一内燃機之排氣 20 之方法，且該排氣後處理系統中設有至少一渦輪增壓 器，而該方法係在該内燃機與該渦輪增壓器之間藉氧化 將所有排氣轉化至一比在該渦輪增壓器下游之一區域 中更大之程度。 8. —種車輛，具有申請專利範圍第1至5項中任一項之排氣 15 200905066 後處理系統，且該内燃機係一稀薄燃燒引擎。 9. 一種車輛，具有申請專利範圍第6項之排氣後處理系 統，且該内燃機係一稀薄燃燒引擎。 16