专利名称：微粒过滤器的多阶段再生的制作方法
技术领域：
本发明涉及排放系统微粒过滤器的再生。
背景技术：
在稀空燃比工况和高压縮比下工作的发动机，包括但不限于柴油发动机，可以提 供燃料经济性高于常规汽油发动机的益处。这样的发动机的后处理系统可以包括微粒 过滤器，用于捕集发动机排放物中的微粒物质，还可以包括选择性催化还原(SCR) 系统，用于处理氮氧化物(N0J排放。
一种类型的SCR系统使用催化剂和用于喷射尿素水溶液到催化剂上游的排气流 中的喷射器。尿素分解为氨，而氨可在催化剂处充当还原N0,的还原剂。氨主要通过 下面的两个反应步骤由尿素生成。
(1) 丽2-CO-NH2 (g或1) + NH3 (g) + HNCO (g)
(2) 匿0 (g) + H20 (g) ^ NH3 (g) + C02 (g)
反应U)是热分解反应，反应(2)是水解反应。尿素的热分解在较低的排气温 度下较慢，并倾向于是一个限速步骤，特别是在低于30(TC的温度下。因此，如果排 气温度低于30(TC,喷射尿素溶液到柴油排气系统中会在尿素分解之前造成尿素沉积 物在SCR催化剂上累积。
为了确保正常的微粒过滤器性能，可以通过升高排气温度到550 - 65(TC以燃尽 累积的微粒物质，定期再生微粒过滤器。由于SCR催化剂和微粒过滤器两者都沿着排 气系统定位，SCR催化剂在微粒过滤器再生期间也会被加热到微粒过滤器的再生温度。 这将使SCR催化剂中的尿素沉积物在加热催化剂时以高速率分解，从而可能将SCR催 化剂加热到不期望的过高温度。
此外，排气中未燃烧和/或部分燃烧的碳氢化合物，包括但不限于大分子碳氢化 合物(large size hydrocarbon)如柴油燃料中的那些碳氢化合物，可能被蓄积在 SCR催化剂中，并在微粒过滤器再生期间快速氧化而将SCR催化剂加热到不期望的过
fSj温度o
发明内容
发明人在此认识到，这些问题可通过以下述方式再生微粒过滤器来解决将催化剂和微粒过滤器暴露于较低的第一提升(elevated)排气温度下以从催化剂中去除尿 素沉积物和/或蓄积的碳氢化合物，然后将催化剂和微粒过滤器暴露于较高的第二提 升排气温度下以加热微粒过滤器从而分解微粒过滤器中的微粒物质。.以此方式，可以 避免微粒过滤器再生期间由于尿素沉积物的分解和所衍生的反应和/或蓄积的碳氢化 合物的氧化对催化剂造成的损害。
图1示出内燃发动机系统的实施例。
图2示出排气涡轮出口处和SCR催化剂出口处的排气温度作为时间的函数的图表。
图3示出在将微粒过滤器加热到再生温度时SCR催化剂的温度作为时间的函数的 图表。
图4示出在将微粒过滤器加热到再生温度时(蓄积有柴油燃料或未蓄积有柴油燃 料的)SCR催化剂的温度作为时间的函数的图表。
图5示出模拟的微粒过滤器再生期间，在有尿素沉积物时，蓄积有柴油燃料时， 和无不期望的成分(尿素沉积物和碳氢化合物等)时，贱金属SCR催化剂的N0,转化 效率作为催化剂温度的函数的图表。
图6示出再生微粒过滤器的方法的实施例的流程图。
具体实施例方式
在描述所公开的再生微粒过滤器的实施例之前，先描述应用环境的一个示例。参 考图1,示出包括多个燃烧室(在30处示出其中一个)并由电子发动机控制器U控 制的直喷式内燃发动机10。发动机10的燃烧室30包括燃烧室壁32,活塞36位于其 中并连接到曲轴40。在一个示例中，活塞36包括凹槽或凹腔(未示出)以形成选择
水平的分层或均质空燃充气。或者，也可以使用盘形活塞。
燃烧室30如图所示通过进气门52和排气门54与进气歧管44和排气歧管48连 通。燃料喷射器66如图所示直接连接到燃烧室30,用于与经常规电子驱动器"从 控制器12接收的信号fpw的脉冲宽度成比例地向其中直接输送液体燃料。燃料被输 送到包括燃料箱、燃料泵及燃料导管的燃料系统(未示出)。在一些实施例中，发动 机10可以包括多个燃烧室，每个燃烧室都具有多个进气门和/或排气门。
进气门52可以由控制器12通过电子气门执行器(EVA) 51控制。类似地，排气 门54可以由控制器12通过EVA53控制。在一些工况下，控制器U可以改变向执行 器51和53提供的信号以控制相应的进气门和排气门的开启和关闭。进气门52和排 气门54的位置分别可以通过气门位置传感器55和57确定。在替代实施例中，进气 门和排气门中的一个或多个可以由一个或多个凸轮驱动，并可以使用凸轮廓线变换
(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL) 系统中的一种或多种以改变气门操作。例如，燃烧室30可以选择地包括通过电子气 门驱动控制的进气门及通过包括CPS和/或VCT的凸轮驱动控制的排气门。
进气歧管42可以包括具有节流板64的节气门62。在该具体示例中，控制器12 通过向包含在节气门62中的电动马达或执行器提供的信号可以改变节流板64的位 置，即一种通常称为电子节气门控制(ETC)的配置。以此方式，可以操作节气门62 以改变向燃烧室30及其他发动机汽缸提供的进气。节流板64的位置可以通过节气门 位置信号TP提供给控制器12。进气歧管42可以包括空气质量流量传感器120及歧 管空气压力传感器122，用于分别向控制器12提供信号MAF和MAP。
控制器12激活燃料喷射器66以形成具有期望空燃比的混合气。控制器12控制 由燃料喷射器66输送的燃料量，因而可以选择燃烧室30中的混合气的空燃比使其基 本上处于(或接近)化学计量、浓于化学计量的值，或稀于化学计量的值。此外，控 制器12配置为激活燃料喷射器66以便可以在一个循环期间执行多次燃料喷射。
排气歧管气体传感器126如图所示连接到排气歧管48。传感器126可以是任何 适用于提供排气空燃比指示的传感器，如线性氧传感器或UEGO (通用或宽域排气氧 传感器)、双态氧传感器或EGO、 HEGO(加热型EGO) 、 NO,传感器、HC传感器，或 CO传感器。此外，排气温度传感器127可以提供成比例于排气温度的信号EGT。
微粒过滤器70和选择性催化还原(SCR)系统72如图所示沿着排气歧管48定位。 虽然微粒过滤器70如图所示沿着排气歧管48定位在SCR系统72的上游(即，更接 近燃烧室30),但应理解，微粒过滤器70也可以定位在SCR系统72的下游(即， 更远离燃烧室30)。此外，其他催化装置，包括但不限于柴油氧化催化剂(未示出)， 也可以沿着排气歧管48定位。
SCR系统72可以包括还原剂存储装置74和SCR催化剂76。还原剂存储装置74 配置为存储还原剂，如尿素水溶液，用于选择性地添加还原剂到SCR催化剂76上游 的排气流中。这允许还原剂和SCR催化剂76中的NO,排放物反应，从而减少NO,排放。
控制器12如图l所示为常规微型计算机，其中包括微处理器单元(CPU) 102、 输入/输出端口 (I/O) 104、执行程序和校准值的电子存储介质(在该具体示例中如 图所示为只读存储器芯片U0M)106)、随机存取存储器UAM)108、保活存储器UAM) 110,及常规数据总线。
除上述信号之外，控制器12如图所示还接收来自连接到发动机10的传感器的各 种信号，包括来自连接到冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT); 来自连接到曲轴40的霍尔效应传感器118的表面点火感测(profile ignition pickup)信号(PIP)，该信号可给出发动机转速(RPM)的指示；来食节气门位置传 感器120的节气门位置TP;及来自传感器122的歧管绝对压力信号MAP。此外，控制 器12配置为控制来自还原剂存储装置74的还原剂的添加，并接收来自SCR系统72
的反馈。
取决于工况，发动机10中的燃烧可以是各种类型的。虽然发动机io在本文中是 在压缩点火柴油发动机中描述，但应理解，下文中描述的实施例可以用在任何适合的 发动机中，包括但不限于柴油和汽油压缩点火发动机、火花点火发动机、直喷式或进 气道喷射式发动机等。此外，可以使用各种燃料和/或燃料混合物，如汽油、柴油、 H2、乙醇、甲烷，和/或其组合。此外，发动机IO可以包括未在图1中示出的附加部
件，如具有排气涡轮和进气压縮机的涡轮增压器系统。
如上所述，由于限速步骤是上文所示的热分解反应(1),尿素的分解在排气温
度相对低(例如，低于300'C )时以相对低的速率发生。结果，尿素沉积物会随时间 推移在SCR催化剂74中累积。排气流中未燃烧的碳氢化合物，特别是大分子碳氢化 合物，也会累积在SCR催化剂74处。然而，当在城巿行驶循环(urban driving cycle) 下驾驶柴油车辆时，柴油排气温度可能较低，例如在30(TC或更低。对于轻型柴油客 车尤其如此。图2示出联邦试验程序(Federal Test Procedure, FTP)循环期间6. 4 升柴油发动机的柴油涡轮出口处(图1中未示出)和SCR催化剂出口处的排气温度作 为时间的函数的图表。在正常搡作期间，SCR催化剂74的温度将落在这两个温度之 间。因此，如图2所示，SCR温度在这样的搡作期间约为200°C。在这些温度下，尿 素的热分解和碳氢化合物的氧化较慢，且尿素沉积物和碳氢化合物会在SCR催化剂 74中累积。
在用于再生微粒过滤器70的提升排气温度下，尿素沉积物会快速分解，导致其 他剧烈反应，且蓄积的碳氢化合物会快速氧化。图3和图4分别示出具有1.2g尿素 沉积物的铁-沸石SCR催化剂和蓄积有1. 2g柴油燃料的铁-沸石SCR催化剂在实验室 模拟的微粒过滤器再生过程期间的温度曲线。该模拟中使用的加热速率约为1.2'C/ 秒。这稍低于一些实际的微粒过滤器再生中的加热速率，后者可能达到1.5-3. 0'C/ 秒。在图3和图4中，可以看到SCR催化剂温度的尖峰对于尿素沉积物开始于约400 'C而对于蓄积的柴油燃料开始于约35(TC。催化剂温度因此达到比在微粒过滤器再生 期间使用的那些温度高得多的温度。图3和图4表明，微粒过滤器再生所使用的高加 热速率不允许SCR催化剂中的尿素沉积物和蓄积的碳氢化合物在较低温度下(例如， 低于300 - 40(TC )完全气化或氧化。结果，有大量的热量产生，使SCR催化剂的温 度在一段时间内远高于排气温度。如图3和图4所示，由于尿素沉积物分解和其他衍 生的反应和/或碳氢化合物氧化产生的热量释放，SCR催化剂内的温度可以达到"0 -S5(TC,甚至更高。此外，尿素沉积物还会在这些提升温度下以较高的反应速率与 SCR催化剂涂层(washcoat)反应。这些因素会造成SCR催化剂涂层的劣化，因此损
害催化剂性能。
图5示出具有每滤芯(per core) 0. 76g沉积的尿素的贱金属-沸石SCR催化剂、 具有每滤芯1.2g柴油燃料的贱金属-沸石SCR催化剂，及无任何尿素沉积物或蓄积的
碳氢化合物的类似的SCR催化剂在进行实验室模拟的微粒过滤器再生时的N0,转化效 率-温度曲线的比较。通过图5，可以看到具有尿素沉积物的SCR催化剂与蓄积有柴 油燃料(大分子碳氢化合物)的SCR催化剂相比在微粒过滤器再生期间表现出较差的 N0,转化性能，而后者与无任何沉积物的SCR催化剂相比性能较差。因此，微粒过滤 器再生期间尿素沉积物的出现(和/或尿素与SCR催化剂中的涂层的高反应速率)和/ 或蓄积的碳氢化合物的快速燃烧所造成的高温尖峰会损害SCR催化剂。由于在车辆的 生命期中要执行成百上千次的微粒过滤器再生，SCR催化剂可能在车辆到达其使用期 限之前变得完全失效。
为了避免在微粒过滤器再生期间对SCR催化剂造成可能的损害，可以将多阶段过 程用于微粒过滤器再生，其中先在较低温度阶段中从SCR催化剂中去除尿素沉积物和 蓄积的碳氢化合物，然后在较高温度阶段中再生微粒过滤器。图6是示出通过多阶段 过程再生微粒过滤器的方法600的示例实施例的流程图。方法600首先在602确定是 否请求了微粒过滤器再生过程。可以在控制器12确定一个或多个有关微粒过滤器的 条件得以满足的任何时候请求再生过程。例如，如果微粒过滤器两端的压差超过预定 量，则请求再生过程。类似地，控制器12可以基于发动机工况跟踪或计算微粒过滤 器内的微粒物质的估计量，并在微粒过滤器内的微粒物质的估计量超过预定水平时请 求再生。
如果请求了微粒过滤器再生，则方法600在604将排气温度升高到第一提升温度， 该温度适合于从SCR催化剂中去除尿素沉积物和蓄积的碳氢化合物，从而在606去除
尿素沉积物和碳氢化合物。排气温度可以升高到任何适合的值。适合的值包括足以将 SCR催化剂加热到下述温度的值在该温度下，尿素分解及碳氢化合物气化和氧化的 速率大于尿素沉积物和/或碳氢化合物在SCR催化剂上蓄积的速率，从而可从SCR催 化剂中净去除沉积的尿素和蓄积的碳氢化合物，同时不使SCR催化剂的温度由于尿素 分解和其他衍生反应及蓄积的碳氢化合物的氧化而激增到可能有害的水平。应理解， 第一阶段中适合的温度可以取决于催化剂中使用的材料及催化剂的具体化学性质 (chemistry)。对于铁-沸石催化剂或铜-沸石催化剂，适合的温度包括但不限于约 300 - 450'C范围的排气温度和SCR催化剂温度。排气温度可以保持在第一提升温度达 任何适合的时程(interval)。取决于催化剂内的尿素沉积物和蓄积的碳氢化合物的 量，以及催化剂通过来自排气的热传递加热到排气温度的速度快慢，该适合的时程可 以不同。在一些实施例中，排气保持在第一提升温度的时程可以取决于SCR催化剂中 沉积的尿素和蓄积的碳氢化合物的估计量改变。 一般来说，该时程的持续期足以去除 SCR催化剂中的任何尿素沉积物和蓄积的碳氢化合物中的大部分，以使SCR催化剂的
温度不会在微粒过滤器再生过程的加热期间激增。
SCR催化剂中沉积的尿素的估计量和蓄积的碳氢化合物的估计量可以基于发动机 工作参数跟踪或计算，或以任何其他适合的方式确定。在这些实施例中，如果SCR催
化剂中沉积的尿素和/或蓄积的碳氢化合物的估计量足够低，则可以适当缩短或省略 第一加热阶段。或者，在每次再生微粒过滤器时，排气温度可以保持在第一提升温度 达固定的时程。同样，可以选择该时程以便足以去除SCR催化剂内的任何尿素沉积物 和/或蓄积的碳氢化合物的大部分，以使SCR催化剂的温度不会在微粒过滤器再生期 间激增到可能有害的水平。对于具有1.5升体积的铜-沸石催化剂或铁-沸石催化剂， 适合的时程的示例包括但不限于0. 5至IO分钟。
继续图6,在第一提升温度下在SCR催化剂中分解尿素沉积物和气化或氧化蓄积 的碳氢化合物之后，方法600接下来在608将排气温度升高到第二提升温度，该温度 适合用于将微粒过滤器加热到可以分解所捕集的微粒物质的温度，然后在610,分解 或燃烧微粒物质以再生微粒过滤器。第二提升温度可以具有任何适合用于再生微粒过 滤器的值。适合的温度包括但不限于约550 - 70(TC之间的排气温度和微粒过滤器温 度。
虽然方法600的具体实施例使用两个加热阶段，但应理解，在一些实施例中可以 使用两个以上的加热阶段。例如，第一加热阶段中SCR催化剂的温度可以在第一加热 阶段期间近似保持在同一水平，或可以在第一加热阶段期间通过控制排气温度逐渐或 逐步升高SCR催化剂的温度，以使去除尿素和/或碳氢化合物的速率在沉积的尿素和/ 或碳氢化合物的质量减小时缓慢增加。在这样的实施例中，在第一加热阶段期间SCR 催化剂温度升高的速率一般低于在第一时程之前温度初始升高的速率，且还低于第一 时程和第二时程之间温度升高的速率。例如，去除尿素沉积物和/或碳氢化合物的阶 段之前和去除尿素沉积物和/或蓄积的碳氢化合物的阶段和微粒过滤器再生阶段之间 的加热速率是1. 5 - 3. (TC/秒时，可以在尿素沉积物去除阶段期间使用约0. 1至1. 0 'C/秒的加热速率。
应理解，在本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，且这些具体实施例不应 被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。例如，本文中公开的温度范围只是 示例性的，取决于具体实施例中使用的SCR催化剂和微粒过滤器具体的物理性质和化 学性质，其他范围也可以是适合的。此外，在有其他催化剂(如柴油氧化催化剂)定 位在SCR催化剂下游时，本文中所述的方法也可以用于去除这些催化剂中累积的任何 尿素沉积物和/或蓄积的碳氢化合物。本发明的主题包括在本文中公开的各种系统和 配置，及其他特征、功能，和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合及子组合。此 外，虽然本文中阐述了各种理论，但本文中阐述的方法和系统不必依赖于这些理论的 正确性。
本发明的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权 利要求可能引用"一个"元素或"第一"元素或其等价。这样的权利要求应被理解为 包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的 元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及子组合可以通过本发明权
利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这样的权 利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括 在本发明的主题之内。
权利要求
1. 一种在包括内燃发动机、排气系统、沿着所述排气系统定位的微粒过滤器，及沿着所述排气系统定位的用尿素作为还原剂以去除NOx的SCR催化剂的装置中再生微粒过滤器的方法，包括:将所述催化剂和微粒过滤器暴露于较低的第一提升排气温度下以加热所述催化剂从而从所述催化剂中去除尿素沉积物和/或蓄积的碳氢化合物中的一种或多种；在从所述催化剂中去除尿素沉积物和/或蓄积的碳氢化合物的大部分之后，将排气的温度升高到较高的第二提升排气温度；及将所述催化剂和微粒过滤器暴露于所述较高的第二提升排气温度下以加热所述微粒过滤器从而去除所述微粒过滤器中的微粒物质。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述较低的第一提升排气温度在300- 450'C的范围内。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述较高的第二提升排气温度在550- 700。C的范围内。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述内燃发动机是柴油发动机。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括估计所述SCR催化剂中沉积 的尿素和蓄积的碳氢化合物的量，及将所述催化剂和微粒过滤器暴露于所述较低的第一提升排气温度下达基于估计的所述量的时程。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，每次执行所述再生微粒过滤器的方 法时，将所述催化剂和微粒过滤器暴露在所述较低的第一提升排气温度下达固定的时 程。
7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述排气的温度在第一时程期间与 在第一时程之前或第一时程和第二时程之间相比以较低速率升高。
8. —种在包括内燃发动机、排气系统、沿着所述排气系统定位的微粒过滤器， 及沿着所述排气系统定位的SCR催化剂的装置中再生微粒过滤器的方法，包括—首先通过将所述SCR催化剂加热到300 - 45(TC之间的温度达第一时程，从所述 SCR催化剂中去除至少部分尿素沉积物和/或蓄积的碳氢化合物；及 在从所述SCR催化剂中去除至少部分尿素沉积物和蓄积的碳氢化合物之后，通过 将所述微粒过滤器加热到550 - 700'C的范围的温度达第二时程，从所述微粒过滤器 中去除微粒物质。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一时程具有固定值。
10. —种装置，包括 内燃发动机； 排气系统；沿着所述排气系统定位的微粒过滤器；沿着所述排气系统定位的SCR催化剂；及配置为通过两个加热阶段或多于两个加热阶段再生微粒过滤器的控制器，其中低 温加热阶段包括加热催化剂到足以去除所述催化剂中大部分尿素沉积物和/或蓄积的 碳氢化合物的温度；及在所述低温加热阶段之后进行的高温加热阶段包括加热微粒过滤器到足以再生所述微粒过滤器的温度。
全文摘要
本发明涉及微粒过滤器的多阶段再生，其中公开一种在包括内燃发动机及用尿素作为NO<sub>x</sub>还原剂的催化剂的装置中再生微粒过滤器的方法。该方法包括将催化剂和微粒过滤器暴露于较低的第一提升排气温度下以从催化剂中去除尿素沉积物和/或蓄积的碳氢化合物，然后将催化剂和微粒过滤器暴露于较高的第二提升排气温度下以加热微粒过滤器从而分解微粒过滤器中的微粒物质。以此方式，可以避免微粒过滤器再生期间由于尿素沉积物的分解和反应和/或蓄积的碳氢化合物的氧化对催化剂造成的损害。
文档编号F01N3/023GK101377142SQ20081021463
公开日2009年3月4日 申请日期2008年8月25日 优先权日2007年8月29日
发明者乔治·韦德·格雷厄姆, 威廉·刘易斯·亨德森·沃特金斯, 威廉·查尔斯·鲁奥纳, 徐立峰, 罗伯特·沃尔特·麦卡比 申请人:福特环球技术公司