内燃机发动机催化转化器及具有该转化器的废气净化装置

摘要

本发明公开了一种内燃机发动机的催化转化器及具有该转化器的废气净化装置，该内燃机发动机的催化转化器可以包括：至少一个进入通道，所述进入通道具有废气流入通过的一端和被堵住的另一端；至少一个排出通道，所述排出通道具有被堵住的一端和废气排出通过的另一端；以及壁，所述壁限定了相邻的进入通道和排出通道之间的边界，且适配成使废气从所述进入通道流动至所述排出通道；其中所述壁包括单层部分和多层部分，所述单层部分形成于端部部分处且具有三元催化剂层，所述多层部分为除所述单层部分之外的部分且具有三元催化剂层、碳氢化合物捕集层和绝缘层。本发明还提供了一种废气净化装置。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年12月28提交的韩国专利申请第 10-2012-0157475号的优先权，该申请的全部内容结合于此用于通过该 引用的所有目的。

技术领域

本发明涉及一种内燃机发动机的催化转化器以及具有该催化转化 器的废气净化装置。更特别地，本发明涉及一种内燃机发动机的催化 转化器以及具有该催化转化器的废气净化装置，其能够有效去除在初 始启动时大量产生的含有碳氢化合物的有害物质。

背景技术

近来，为了改善燃料经济性和内燃机发动机的性能，越来越多地 使用汽油直喷（GDI）发动机。在典型的汽油发动机中，燃料（汽油） 被喷入进气歧管并与吸入的空气混合从而产生空气燃料混合气。之后， 空气燃料混合气被供应至燃烧室。然而，GDI发动机所使用的是将汽 油直接喷入燃烧室的燃料喷射方法。

由于GDI发动机使得火花塞周围的空气/燃料比较为充裕，因此 GDI发动机具有能够在较为贫乏的空气/燃料比下进行工作的优势。但 是，由于燃料直接喷射到燃烧室内，因此燃料未与吸入的空气充分混 合并且在依据GDI发动机的燃烧室内不完全燃烧的区域可能增加。这 种不完全燃烧区域的增加可能导致废气中含有的颗粒物质的增加以及 有害物质的增加。

近来，正在发展在配备有GDI发动机的车辆的排气管处安装颗粒 过滤器的技术以及安装除已在通常的汽油发动机中使用的三元催化器 之外的额外催化转化器的技术。

尽管在排气管处安装了额外的催化转化器，但是在废气的温度非 常低的冷启动情况下，在废气温度达到催化剂的活化温度之前很难去 除废气中含有的有害物质。特别地，在初始启动时大量产生诸如碳氢 化合物的物质，但是初始启动时大量产生的碳氢化合物却不能在催化 转化器中净化，并被排到车辆外部。

此外，在大多数内燃机发动机的初始启动阶段，废气都没有被净 化并被排到车辆外部。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景 技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为 本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的各个方面提供了一种内燃机发动机的催化转化器以及具 有该催化转化器的废气净化装置，其优点在于：绝缘层延迟碳氢化合 物捕集层的温度上升直到三元催化剂层达到活化温度，从而有效去除 初始启动阶段中诸如碳氢化合物的有害物质。

根据本发明的各个方面的内燃机发动机的催化转化器可以包括： 至少一个进入通道，所述进入通道具有废气流入通过的一端和被堵住 的另一端；至少一个排出通道，所述排出通道具有被堵住的一端和废 气排出通过的另一端；以及壁，所述壁限定了相邻的进入通道与排出 通道之间的边界，且适配成使废气从所述进入通道流动至所述排出通 道；其中所述壁包括单层部分和多层部分，所述单层部分形成于端部 部分处且具有三元催化剂层，所述多层部分为除所述单层部分之外的 部分且具有三元催化剂层、碳氢化合物捕集层和绝缘层。

所述多层部分的三元催化剂层、碳氢化合物捕集层和绝缘层从所 述进入通道朝着所述排出通道可以依序布置为所述绝缘层、所述碳氢 化合物捕集层和所述三元催化剂层。

所述绝缘层可以通过吸收水分而防止废气的热量传递至所述碳氢 化合物捕集层。

所述单层部分的长度可以为所述壁长度的10%-50%，所述多层部 分的长度可以为所述壁长度的50%-90%。

所述催化转化器可以为催化颗粒过滤器，在所述催化颗粒过滤器 中涂覆催化剂。

根据本发明其他方面的废气净化装置可以包括：发动机，所述发 动机通过燃烧流入燃烧室的燃料和空气而产生动力；排气管，所述发 动机产生的废气通过所述排气管；第一三元催化剂，所述第一三元催 化剂安装在所述发动机下游的排气管处，且通过氧化还原反应将废气 中含有的诸如一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的有害物质转化为无 害物质；以及催化转化器，所述催化转化器安装在所述第一三元催化 剂下游的所述排气管处，并将废气中在所述第一三元催化剂处未去除 的有害物质去除；其中所述催化转化器包括：至少一个进入通道，所 述进入通道具有废气流入通过的一端和被堵住的另一端，至少一个排 出通道，所述排出通道具有被堵住的一端和废气排出通过的另一端； 以及壁，所述壁限定了相邻的进入通道和排出通道之间的边界，且适 配成使废气从所述进入通道流动至所述排出通道；并且其中所述壁包 括单层部分和多层部分，所述单层部分形成于端部部分处且具有三元 催化剂层，所述多层部分为除所述单层部分之外的部分且具有三元催 化剂层、碳氢化合物捕集层和绝缘层。

所述多层部分的三元催化剂层、碳氢化合物捕集层和绝缘层从所 述进入通道朝着所述排出通道可以依序布置为所述绝缘层、所述碳氢 化合物捕集层和所述三元催化剂层。

所述绝缘层可以通过吸收水分而防止废气的热量传递至所述碳氢 化合物捕集层。

所述单层部分的长度可以为所述壁长度的10%-50%，所述多层部 分的长度可以为所述壁长度的50%-90%。

所述催化转化器可以为催化颗粒过滤器，在所述催化颗粒过滤器 中涂覆催化剂。

通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些 原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其他特征和优点 将更为具体地变得清楚或得以阐明。

附图说明

图1为根据本发明的示例性废气净化装置的示意图。

图2为根据本发明的示例性催化转化器的局部横截面图。

图3为根据本发明的示例性催化转化器中单层部分的横截面图。

图4为根据本发明的示例性催化转化器中多层部分的横截面图。

图5为显示在根据本发明的示例性多层部分中的三元催化剂层和 碳氢化合物捕集层的温度相对于时间的曲线图。

具体实施方式

现在将具体参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的实例被 显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进 行描述，但是应当理解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例 性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且 覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内 的各种选择形式、修改形式、等同形式及其它实施方案。

图1为根据本发明的各个实施方案的废气净化装置的示意图。

如图1所示，根据本发明的各个实施方案的废气净化装置包括发 动机10、排气管20、第一三元催化剂30以及催化转化器40。

发动机10燃烧燃料和空气以将化学能转化为机械能。发动机10 可包括多个燃烧室11以及点火装置，燃料和空气流入该燃烧室11中， 该点火装置将流入燃烧室11中的燃料和空气点燃。发动机10连接至 进气歧管15从而在燃烧室11内接收空气，并且发动机10连接至排气 歧管17。因此，在燃烧过程中产生的废气收集在排气歧管17中，然后 被排出到发动机10外部。喷油嘴13可安装在燃烧室11内，用以将燃 料直接喷入燃烧室11中。

在本说明书中所举例为汽油直喷（GDI）发动机，但是本发明的各 个实施方案并不限于GDI发动机。应理解可以使用除了GDI发动机之 外的各种类型的汽油发动机。在这种情况下，喷油嘴安装在进气歧管 15或进气管处并将燃料喷射至进气歧管15或进气管。

此外，也可以使用柴油发动机。在这种情况下，点火装置并不安 装在燃烧室11内。

排气管20连接至排气歧管17，并且将废气排放到车辆外部。第一 三元催化剂30和催化转化器40安装在排气管20上并将废气中所含的 碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物去除。

第一三元催化剂30安装在发动机10下游的排气管20上，且通过 氧化还原反应将从发动机10排出的废气中所含的有害物质去除。一般 而言，第一三元催化剂30通过氧化还原反应将废气中含有的三种有害 物质(CO,HC,NO_x)转化为无害气体(CO₂,H₂O,N₂)。第一三元催化剂30 设有例如二氧化铈的氧气存储物质、例如钯和铂的氧化催化剂以及例 如其上涂覆有铑的还原催化剂。由于三元催化剂对于本领域的一般技 术人员是公知的，因此将不再赘述。

催化转化器40安装于第一三元催化剂30下游的排气管20上。催 化转化器40构造为将已通过第一三元催化剂30的废气中剩余的碳氢 化合物、一氧化碳和氮氧化物去除。此外，催化转化器40可以是催化 颗粒过滤器，其上涂覆有催化剂。在这种情况下，催化转化器40可以 捕集废气中含有的颗粒物质。

下文中将进一步详细描述催化转化器40。

图2为根据本发明的各个实施方案的催化转化器的局部横截面图； 图3为根据本发明的各个实施方案的催化转化器中单层部分的横截面 图；图4为根据本发明的各个实施方案的催化转化器中多层部分的横 截面图。

如图2所示，根据本发明各个实施方案的催化转化器40包括形成 于该催化转化器40中的多个通道42和44。通道42和44包括进入通 道42和排出通道44。

进入通道42是废气通过第一三元催化剂30而流入的通道。为此， 进入通道42的一端（在图中为左端部）开放而该进入通道42的另一 端（在图中为右端部）被通道塞堵住。

排出通道44为如下这种通道：催化转化器40中的废气通过排出 通道44而流到排气管20中。为此，排出通道44的一端（在图中为左 端部）被通道塞堵住而排出通道44的另一端（在图中为右端部）开放。

进入通道42和排出通道44形成为彼此基本平行。壁50形成在相 邻的进入通道42与排出通道44之间，并限定了进入通道42与排出通 道44之间的边界。由于壁50由多孔材料制成，因此废气可以穿过壁 50，但废气中含有的颗粒物质不能穿过壁50。因此，废气通过进入通 道42流入催化转化器40中，然后在穿过壁50之后通过排出通道44 而从催化转化器40排出。此时，颗粒物质在进入通道44的另一端部 分处被捕集。

如图2所示，壁50包括单层部分52和多层部分54。

单层部分52布置在催化转化器40的端部部分处。如图3所示， 单层部分52包括三元催化剂层。也就是说，三元催化剂涂覆在单层部 分52上。所述三元催化剂层（类似于第一三元催化剂30）通过氧化还 原反应将废气中含有的三种有害物质(CO,HC,NO_x)转化为无害气体 (CO₂,H₂O,N₂)。三元催化剂层设有例如二氧化铈的氧气存储物质、例 如钯和铂的氧化催化剂以及例如其上涂覆有铑的还原催化剂。由于三 元催化剂对于本领域的一般技术人员是公知的，因此将不再赘述。

多层部分54是除了单层部分52之外的部分，如图4所示，在多 层部分54中依次形成绝缘层62、碳氢化合物捕集层64和三元催化剂 层66。

绝缘层62布置为靠近进入通道42，并且通过吸收水分而防止废气 中的热量传递至碳氢化合物捕集层64。也就是说，水分在绝缘层62 中被吸收，当车辆启动且废气温度上升时，水分是通过废气的热量而 蒸发的。因此碳氢化合物捕集层64的温度上升得到了抑制。能够通过 吸收水分实现绝缘功能的催化剂（例如含有能够吸收水分的沸石材料 的催化剂）可以涂覆在绝缘层62上。

碳氢化合物捕集层64由β-沸石，A型沸石，X型沸石，ZSM-5， USY等构成。在废气温度较低时（小于或等于大约150℃），碳氢化合 物捕集层64吸收废气中含有的碳氢化合物，并且在废气温度高时释放 所吸收的碳氢化合物。也就是说，碳氢化合物捕集层64在废气温度较 低（例如，初始启动）与单层部分52的三元催化剂层和多层部分54 的三元催化剂层66未活化的情况下捕集废气中含有的碳氢化合物。因 此防止了在初始启动阶段未能被净化的碳氢化合物排到车辆外部。碳 氢化合物捕集层64布置在绝缘层62和三元催化剂层66之间。

三元催化剂层66靠近排出通道44布置。该三元催化剂层（类似 于第一三元催化剂30）通过氧化还原反应将废气中含有的三种有害物 质(CO,HC,NO_x)转化为无害气体(CO₂,H₂O,N₂)。三元催化剂层66设 有例如二氧化铈的氧气存储物质、例如钯和铂的氧化催化剂以及例如 其上涂覆有铑的还原催化剂。由于三元催化剂对于本领域的一般技术 人员是公知的，因此将不再赘述。

同时，由于沸石材料的体积密度低于三元催化剂的体积密度，因 此单层部分52的长度可为壁50长度的10%-50%，而多层部分54的 长度可为壁50长度的50%-90%。在这种情况下，由于在壁50上涂覆 了几乎具有相同质量的沸石材料和三元催化剂，因此绝缘层62和碳氢 化合物捕集层64的功能可以最大化。

此外，由于没有绝缘层52的单层部分52布置为靠近流入催化转 化器40的废气，因此避免延迟三元催化剂层（在单层部分52中的） 温度上升到其活化温度。

下面，将详细描述根据本发明的各个实施方案的催化转化器的运 行。

如果车辆被启动，发动机10排出废气且废气通过第一三元催化剂 30而流入催化转化器40。流入到催化转化器40中的废气增加了单层 部分52中三元催化剂层的温度并穿过壁50移动到排出通道44。此外， 废气在流动通过排出通道44时增加了多层部分54中三元催化剂层66 的温度。此时，流动通过靠近多层部分54的进入通道42的废气使得 绝缘层62中吸收的水分蒸发。在此过程中，废气的温度降低。温度已 经降低的废气穿过壁50流入排出通道44，但不能使碳氢化合物捕集层 64中的温度快速升高。因此，废气中含有的碳氢化合物在碳氢化合物 捕集层64中被吸收。

之后，随着废气连续流动，第一三元催化剂30的温度达到活化温 度。此时，废气的温度通过催化反应而快速升高。温度已经升高的废 气将单层部分52中的三元催化剂层的温度升高到活化温度。此时，废 气的温度通过单层部分52的催化反应而进一步升高。

此时，多层部分54中的碳氢化合物捕集层64的温度被绝缘层62 逐渐升高。

之后，如果碳氢化合物捕集层64的温度达到释放温度（例如 150℃），则在碳氢化合物捕集层64中所吸收的碳氢化合物开始释放。 此时，如图5所示，三元催化剂层66的温度达到活化温度（例如350℃）。 因此，三元催化剂层66将被释放的碳氢化合物氧化且去除一氧化碳和 氮氧化物。

如上所述，绝缘层62防止碳氢化合物捕集层64的温度升高到释 放温度，直到三元催化剂层66的温度达到活化温度。因此，如果碳氢 化合物捕集层64开始释放碳氢化合物，则三元催化剂层66达到活化 温度且能氧化所释放的碳氢化合物。因此，可以改善废气的净化效率。

由于在三元催化剂层达到活化温度之前绝缘层延迟了碳氢化合物 捕集层温度的上升，因此在根据本发明的各个实施方案，在初始启动 阶段含有碳氢化合物的有害物质可被有效净化。

另外，由于在颗粒过滤器上涂覆三元催化剂层、绝缘层和碳氢化 合物捕集层，因此可进一步改善有害物质的净化效率，并且可降低颗 粒物质的排放。

为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语左或右等被用于参 考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方案的特征。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描 述的目的。前面的描述并非意欲穷尽，或者将本发明严格限制为所公 开的具体形式，显然，根据上述教导可能进行很多改变和变化。选择 示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应 用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示 例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所 附权利要求书及其等同形式所限定。