用于稀燃NO_x收集器(LNT)的脱硫系统和方法

专利名称：用于稀燃NO_x收集器(LNT)的脱硫系统和方法
技术领域：
本公开涉及内燃机的排气系统，尤其涉及用于稀燃NOx收集器(LNT)排气系统的 脱硫系统和方法。
背景技术：
此处提供的背景资料是为了大概介绍本公开的背景。在本背景部分描述的当前发 明人的工作以及那些在申请时不能称作现有技术的方面，都没有明确地或隐含地当作是与 本发明相抵触的现有技术。一种催化转化器，例如三效催化转化器(TWC)，可用于内燃机以减少排放。“三效” 指的是催化转化器减少的三种排放物，包括一氧化碳(CO)，未燃碳氢化合物(HCs)和氮氧 化物(NOx)。对于以稀燃模式选择性地操作的发动机而言，可在TWC下游设置稀燃NOx收集 器(LNT)。当TWC在稀排气条件下变得不那么有效时，LNT补充TWC以减少NOx排放。喷入到发动机中的燃料可能包含硫。硫在发动机中不燃烧且由排气运送通过TWC 至LNT。硫会在LNT中累积。硫累积会对LNT的收集效率产生不利影响。

发明内容
一种脱硫控制系统包括脱硫控制模块和点火控制模块。脱硫控制模块通过升高排 放减少装置的温度在排放减少装置中开始脱硫过程。点火控制模块，响应于脱硫控制模块 开始脱硫过程，延迟点火正时以升高排放减少装置的温度。一种方法包括通过升高排放减少装置的温度在排放减少装置中开始脱硫过程； 和延迟点火正时以升高排放减少装置的温度。根据本公开，提供下列技术方案。技术方案1 一种脱硫控制系统，包括脱硫控制模块，其通过升高排放减少装置的温度在该排放减少装置中开始脱硫过 程；和点火控制模块，其响应于所述脱硫控制模块开始所述脱硫过程，延迟点火正时从 而升高所述排放减少装置的温度。技术方案2 如技术方案1所述的脱硫控制系统，其中基于下述中的至少一个开始 所述脱硫过程所述排放减少装置中的硫累积、所述排放减少装置上游的催化转化器的温 度、和发动机冷却剂温度。技术方案3 如技术方案2所述的脱硫控制系统，还包括硫累积估计模块，其基于 所述排放减少装置的收集效率估计所述排放减少装置中的硫累积。技术方案4 如技术方案2所述的脱硫控制系统，还包括硫累积估计模块，其基于 车辆里程估计所述排放减少装置中的硫累积。技术方案5 如技术方案1所述的脱硫控制系统，还包括空气泵控制模块，其向所 述排放减少装置上游的区域供应氧。
技术方案6 如技术方案5所述的脱硫控制系统，其中所述空气泵控制模块向三效
催化转化器供应氧。技术方案7 如技术方案5所述的脱硫控制系统，还包括燃料喷射控制模块，其喷 射空气燃料混合物，该空气燃料混合物具有小于化学计量比的空气/燃料比。技术方案8 如技术方案1所述的脱硫控制系统，还包括燃料喷射控制模块，其在 所述脱硫过程期间在每个发动机循环中开始双燃料喷射。技术方案9 如技术方案8所述的脱硫控制系统，其中所述燃料喷射控制模块在每 个发动机循环的压缩冲程中开始双燃料喷射。技术方案10 如技术方案1所述的脱硫控制系统，还包括脱硫时间估计模块，其基 于排放减少装置的温度、期望的脱硫温度和空气/燃料比估计脱硫时间。技术方案11 如技术方案1所述的脱硫控制系统，其中所述排放减少装置为稀燃 NOx收集器。技术方案12 —种方法，包括通过升高排放减少装置的温度在该排放减少装置中开始脱硫过程；和延迟点火正时以升高所述排放减少装置的温度。技术方案13 如技术方案12所述的方法，其中所述脱硫过程基于下述中的至少一 个开始排放减少装置中的硫累积、排气温度和发动机冷却剂温度。技术方案14 如技术方案13所述的方法，还包括基于所述排放减少装置的收集效 率估计所述硫累积。技术方案15 如技术方案13所述的方法，还包括基于车辆里程估计所述硫累积。技术方案16 如技术方案12所述的方法，还包括向所述排放减少装置上游的区域
供应空气。技术方案17 如技术方案12所述的方法，还包括向所述排放减少装置上游的三效
催化转化器供应空气。技术方案18 如技术方案12所述的方法，还包括以浓燃料模式操作发动机。技术方案19 如技术方案12所述的方法，还包括当点火正时被延迟时开始较晚的 双喷射。技术方案20 如技术方案12所述的方法，还包括基于所述排放减少装置的第一 温度和第二温度估计脱硫时间，其中所述排放减少装置在开始所述脱硫过程时处于第一温 度，而所述第二温度为所述脱硫温度。通过本文提供的说明将明白其他应用领域。应理解，该描述和具体示例仅用于说 明的目的而不意图限制本公开的范围。


本文描述的附图仅用于说明的目的而不以任何方式限制本公开的范围。图1是根据本公开的包括脱硫控制模块的发动机系统的框图；图2是根据本公开教导的脱硫控制模块的框图；图3是根据本公开第一实施方式的用于对稀燃NOx收集器(LNT)进行脱硫的方法 的流程图；和
图4是根据本公开第二实施方式的用于对LNT进行脱硫的方法的流程图。
具体实施例方式下面的描述在本质上仅为示例性的且并不限制本公开、应用或用途。为了清楚起 见，图中用相同的附图标记表示类似的元件。如本文中使用，术语“模块”指的是专用集成 电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享，专用或群组的) 和存储器、组合逻辑电路、或提供所述功能的其他合适部件。根据本公开的用于稀燃NOx收集器(LNT)的脱硫控制系统延迟点火正时以升高 LNT温度并将发动机转变为浓燃料模式以开始脱硫过程。脱硫控制系统通过进一步向排气 系统供应氧和/或使发动机转变为较晚的双燃料喷射模式以允许将LNT迅速地加热至期望 的脱硫温度。现在参照图1，发动机系统10包括发动机12。仅作为示例，发动机12可以为进气 口喷射发动机或火花直喷式发动机(SIDI)。发动机12可包括多个气缸13，诸如2、4、6、8、 10和12个气缸。排气歧管14连接至发动机12并将发动机12的排气16引导至三效催化 转化器(TWC) 18。然后引导排气16通过排气管道22到达稀燃NOx收集器(LNT) 20。TffC 18 可包括定位于公共壳体内的上游催化剂24和下游催化剂26。上游催化剂24包括适于减少 NOx的催化剂材料。下游催化剂26包括促进HC与CO分子氧化的催化剂材料。当以稀燃模式操作发动机12以及当TWC 18在稀排气环境中效率较低时，LNT20补 充TWC18以收集NOx。稀排气指的是空气/燃料比(AFR)大于化学计量比的稀空气/燃料 混合物的燃烧产生的排气。浓排气指的是AFR小于化学计量比的浓空气/燃料混合物的燃 烧产生的排气。次空气泵27提供空气以与排气混合。次空气泵27与主空气泵(未示出)分离， 该主空气泵提供空气至进气歧管(未示出)以形成空气/燃料混合物。次空气泵27可通 过第一空气通道28和第二空气通道29供应空气。通过第一空气通道28将空气供应给排 气歧管14以及通过第二空气通道29将空气供应给TWC18和LNT20之间的区域。或者，可以用与TWC 18连通的第三空气通道30 (如虚线所示)来代替第二空气通 道29。因此，可以通过第三空气通道30将空气供应给上游催化剂24与下游催化剂26之间 的TWC 18的区域。宽带氧传感器31设置于排气歧管14的出口处，用于测量排气16中的氧浓度并确 定气缸13中空气/燃料混合物的AFR。第一 NOx传感器32和第二 NOx传感器34分别设 置于LNT 20的上游和下游，以测量LNT 20的上游和下游的NOx排放。LNT温度传感器36 设置于LNT20处，用于测量LNT温度。排气温度传感器37设置于排气管22处，用于测量排 气温度。发动机冷却剂温度传感器38设置于发动机12处，用于测量发动机冷却剂的温度。 TffC温度传感器39设置于TWC18处，用于测量TWC18的温度。控制模块40包括脱硫控制模块42，在LNT20中已积累了预定量的硫时该脱硫控制 模块42在LNT 20中开始脱硫过程。脱硫控制模块42通过控制发动机操作和/或通过致 动次空气泵27开始脱硫过程。脱硫控制模块42允许将LNT 20更加迅速地加热至期望的 脱硫温度，以进行快速且有效的脱硫过程。参照图2，脱硫控制模块42包括硫累积估计模块44、脱硫启用模块46、脱硫温度估计模块47、脱硫开始模块48、和脱硫时间估计模块50。脱硫开始模块48可包括空气泵控制 模块56、AFR确定模块58、点火正时控制模块60、和燃料喷射器控制模块62.硫累积估计模块44估计LNT 20中的硫累积。燃料可能包含硫。硫在发动机12 中不燃烧且会在LNT 20中累积。当硫在LNT 20中已经累积了预定量时，累积的硫会不利 地影响LNT 20的收集性能。可基于两种方法中的一种来确定硫累积。第一种方法包括基于LNT 20的收集效 率估计硫累积。LNT 20的收集效率定义为收集在LNT中的NOx排放物与进入LNT 20的NOx 排放物的比率。换言之，该收集效率基于上游NOx排放物与下游NOx排放物之间的差。在 正常条件下，当LNT 20的收集效率减少至阈值效率时，可开始LNT 20的再生以使LNT 20 脱硝。当LNT 20的再生没有将收集效率恢复至期望水平时，硫可能已经累积到预定量，从 而影响收集效率。因此，LNT 20的收集效率对硫累积提供指示。第二种方法包括基于车辆里程估计硫累积。假定发动机12中使用的燃料总是包 含最高水平的硫，可基于里程表64记录的车辆10的里程来估计硫累积的量。例如，硫累积 估计模块44可确定车辆已经行驶了预定里程(仅作为示例，500或1000英里)之后硫已经 累积了预定的量。脱硫启用模块46基于脱硫条件确定是否需要进行脱硫过程。脱硫条件包括(但 不限于)硫累积、排气温度和发动机冷却剂温度。当硫已经累积了预定的量时，当发动机冷 却剂温度高于第一阈值温度时和/或当TWC温度高于第二阈值时，满足脱硫条件。仅作为 示例，当发动机冷却剂温度高于85°c并且TWC温度高于300°C时，可以开始脱硫过程。当发动机冷却剂温度低于第一阈值温度时，发动机12可能不够热以致不能产生 “热”排气。因此，如果开始脱硫过程，则需要更多的热来将LNT 20加热至希望的脱硫温度。 在这种条件下，可能需要更多的脱硫时间来完成该脱硫过程，导致在脱硫过程中由于浓燃 料喷射而引起更多的燃料消耗。脱硫条件确保以更加燃料有效的方式开始脱硫过程。当满 足启用条件时，脱硫启用模块46致动脱硫温度估计模块47和脱硫开始模块48以开始脱硫 过程。脱硫温度估计模块47确定期望的脱硫温度。例如，期望的脱硫温度可以是在发动 机条件下的最佳温度。可基于发动机条件确定该期望的脱硫温度，该发动机条件包括(但 不限于)排气温度、当前AFR和发动机负载。仅作为示例，期望的脱硫温度可以在从近似500°C至750°C的范围内。脱硫温度越 高，脱硫过程就越有效。当LNT 20的温度相对较低(例如，低于500°C)时，脱硫缓慢。当 LNT 20的温度相对较高(例如，高于750°C)时，LNT 20可能受损。在脱硫过程中喷射浓 燃料。因此，脱硫温度估计模块47确定期望的脱硫温度，在该温度下可以最小的燃料消耗 更迅速地从LNT 20中去除硫。脱硫开始模块48通过使LNT 20的温度升高到期望的脱硫温度以及通过产生浓燃 料排气来开始脱硫过程。如前所述，LNT 20被加热至期望的脱硫温度以确保有效脱硫。另 外，在LNT 20中需要还原环境以允许从LNT 20还原硫。还原环境可通过提供浓排气来形 成。根据本公开的教导，可通过两种方法中的一种来实现将LNT 20升高到期望的脱 硫温度。在第一种方法中，部分地通过延迟点火正时，部分地通过在LNT 20上游产生放热而升高LNT 20的温度。在第二种方法中，通过延迟点火正时以及通过将燃料喷射器转变为 较晚的双燃料喷射模式而升高LNT 20的温度。在这两种方法中，延迟点火正时以升高LNT温度。根据第一种方法，点火正时控制模块60延迟点火正时以升高排气温度。当点火正 时被延迟时，空气/燃料混合物在燃烧室中不完全燃烧从而产生更多的co2。增加的CO2导 致更多的热量释放到排气中，从而使排气和LNT 20的温度升高。基于当前LNT温度和目的 LNT温度(即，期望的脱硫温度)之间的差确定点火延迟的程度。可以通过测量(例如，通 过LNT温度传感器36)或估计何时开始脱硫过程来确定当前LNT温度。空气泵控制模块56可用于进一步升高LNT的温度。空气泵控制模块56可致动空 气泵27以将空气(尤其是氧气)供应至LNT20上游的区域，从而与排气混合。当空气泵27 被致动时，燃料喷射器控制模块62控制燃料喷射器以将浓燃料喷射至发动机。当以浓燃料 条件操作发动机时，产生过多的一氧化碳(CO)。一部分CO在TWC18中氧化，其余部分的CO 离开TWC18。该其余部分的CO与来自空气泵27的氧混合，导致如下放热化学反应2C0+02 — 2C02+ 热量放热化学反应将热量释放至排气并因此加热LNT 20。该热量用于加热LNT 20而 不会不适当地加热TWC18。因此，放热得以更有效地使用。而且，在正常的发动机操作条件 下TWC18通常具有高于LNT 20的温度。通过开始TWC18下游的放热反应，放出的热不会不 适当地加热TWC18从而对TWC18造成热损坏。在浓燃料燃烧中需要产生的过量的一氧化碳取决于将应用于LNT20的热量。空气 泵27供应的空气或氧的量取决于该过量的一氧化碳。AFR确定模块58基于发动机条件并基于脱硫过程的阶段确定期望的AFR。或者， AFR确定模块58可确定λ (Iamda)或当量比(EQR)，而不是确定AFR。λ定义为期望的AFR 与化学计量比的比率。当量比(EQR)指的是期望的AFR与化学计量AFR的比率。化学计量 AFR指的是燃料被完全氧化时的AFR。λ给出过量空气大于化学计量AFR中的空气的百分 比指示。EQR指示过量燃料大于化学计量AFR中的燃料的百分比。当λ小于1时或当EQR 大于1时，期望的空气/燃料混合物浓于化学计量的空气/燃料混合物。在第一种方法中，浓燃料用于使LNT温度升高至期望的脱硫温度并用于在LNT 20 中形成浓排气环境。基于脱硫过程的阶段，AFR确定模块58可确定在LNT温度低于期望的 脱硫温度时的第一 AFR和在LNT已经到达期望的脱硫温度时的第二 AFR。例如，AFR确定模块58可确定AFR近似为13. 23 (即，λ -0. 9)。对于浓混合物而 言λ小于1.0，而对于稀混合物而言λ大于1。排气中的氧含量由宽带氧传感器31监测 以确保空气/燃料混合物的AFR为期望的AFR。根据第一种方法，可以迅速地升高排气温度而不会消耗大量的浓燃料。而且，可以 升高LNT温度而不会不适当地升高TWC的温度，TffC的温度通常高于LNT温度。在第二种方法中，通过延迟点火正时以及通过将燃料喷射分为较晚的双喷射来升 高LNT 20的温度。该方法适于火花点火直喷式发动机。类似地，基于期望的脱硫温度和当 前的LNT温度确定点火正时延迟的程度。类似于第一种方法，AFR确定模块58基于包括TWC温度在内的发动机条件确定 AFR0例如，AFR确定模块可确定空气/燃料比(AFR)为约13. 23(即，λ为约0. 9)。
当开始脱硫过程时，燃料喷射器控制模块62将燃料喷射器从单喷射转变为双喷 射。例如，燃料喷射器控制模块62可将燃料喷射器从早喷射事件(即，在进气冲程期间) 转变为较晚的双喷射事件(即，在压缩冲程期间)。双脉冲喷射使得点火正时能够延迟而不 会破坏燃烧稳定性。可以调节点火正时和喷射正时以确保TWC18的温度不超过损坏TWC18 的可接受温度的上限。脱硫时间估计模块50基于LNT 20的温度、期望的脱硫温度、期望的AFR、点火延 迟程度来估计用于脱硫过程的期望的时间。当前的LNT温度越低，期望的脱硫时间就越长。 当经过了期望的脱硫时间，脱硫过程完成且脱硫开始模块48停止脱硫过程。可通过调节点 火延迟的程度和AFR来减少脱硫时间。参照图3，对LNT 20进行脱硫的方法70开始于步骤72。在步骤74，脱硫控制模块 42确定何时需要脱硫。当硫在LNT 20中已经累积了预定的量时需要脱硫。当在步骤74需 要脱硫时，脱硫启用模块46在步骤76中确定发动机冷却剂温度是否大于第一阈值。如果 在步骤76发动机冷却剂温度低于第一阈值，脱硫启用模块46在步骤78确定不开始脱硫过 程。当在步骤76发动机冷却剂温度高于第一阈值时，开始脱硫过程。在步骤80，脱硫温度 估计模块47确定期望的脱硫温度。在步骤82，脱硫时间估计模块50估计脱硫时间。在步 骤84，当LNT温度低于期望的脱硫时间时，在步骤86中通过延迟点火正时升高LNT20的温 度。在步骤88，AFR确定模块58确定期望的AFR。在步骤90中，根据期望的AFR在浓 燃料条件操作发动机12。在步骤92中，致动空气泵以将氧供应给TWC18或LNT20的上游。 浓燃料燃烧产生的过量CO与氧反应，从而产生CO2并释放热量以加热LNT 20。在步骤84中，当LNT温度等于或大于期望的脱硫温度时，方法进行到步骤94以确 定在当前发动机条件下的脱硫过程的期望AFR。在步骤96中，继续以浓燃料条件操作发动 机来进行脱硫过程。在步骤98中，当经历的时间达到估计的脱硫时间时，脱硫过程完成。在 步骤100中，发动机切换到正常模式。在正常模式中，点火正时返回正常设置且AFR被调节 成基于发动机转矩的AFR。在步骤102该方法结束。参照图4，根据本公开第二实施方式的对LNT进行脱硫的方法110开始于步骤 112。在步骤114中，硫累积估计模块44确定何时需要脱硫。当在114中需要脱硫时，脱硫 启用模块46在步骤116确定发动机冷却剂温度是否大于第一阈值。如果在步骤116发动机 冷却剂温度低于第一阈值，启用模块46在步骤118确定不开始脱硫过程。如果在步骤116 中发动机冷却剂温度高于所述阈值温度，脱硫温度估计模块47在步骤120中估计期望的脱 硫温度。在步骤122中，脱硫时间估计模块50估计脱硫时间。当在步骤124中LNT温度低 于期望的脱硫温度时，开始模块48在步骤126中延迟点火正时并将燃料喷射分为双燃料喷 射。重复步骤124和126直到LNT温度达到期望的脱硫温度。在步骤124中LNT温度达到脱硫温度之后，AFR确定模块128在步骤128中确定 AFR0基于AFR的确定，在步骤130中，燃料喷射控制模块控制燃料喷射器的正时以将更多 的燃料喷射到燃烧室中。因此以浓模式操作发动机。当在步骤131中经历的时间超过估计 的脱硫时间时，在步骤134，发动机切换至正常模式。在正常模式中，燃料喷射器开始单燃料 喷射，点火正时返回正常设置，且AFR被调节成基于发动机转矩的AFR。在步骤136该方法 110结束。
本领域技术人员现在通过前述的说明能明白本公开的广泛教导可以各种形式应 用。因此，虽然本公开包括具体实施例，但是本公开的真实范围并不受此限制，因此本领域 技术人员通过研究附图、说明书和后附的权利要求书会明白其他改进形式。
权利要求
一种脱硫控制系统，包括脱硫控制模块，其通过升高排放减少装置的温度在该排放减少装置中开始脱硫过程；和点火控制模块，其响应于所述脱硫控制模块开始所述脱硫过程，延迟点火正时从而升高所述排放减少装置的温度。
2.如权利要求1所述的脱硫控制系统，其中基于下述中的至少一个开始所述脱硫过 程所述排放减少装置中的硫累积、所述排放减少装置上游的催化转化器的温度、和发动机 冷却剂温度。
3.如权利要求2所述的脱硫控制系统，还包括硫累积估计模块，其基于所述排放减少 装置的收集效率估计所述排放减少装置中的硫累积。
4.如权利要求2所述的脱硫控制系统，还包括硫累积估计模块，其基于车辆里程估计 所述排放减少装置中的硫累积。
5.如权利要求1所述的脱硫控制系统，还包括空气泵控制模块，其向所述排放减少装 置上游的区域供应氧。
6.如权利要求5所述的脱硫控制系统，其中所述空气泵控制模块向三效催化转化器供 应氧。
7.如权利要求5所述的脱硫控制系统，还包括燃料喷射控制模块，其喷射空气燃料混 合物，该空气燃料混合物具有小于化学计量比的空气/燃料比。
8.如权利要求1所述的脱硫控制系统，还包括燃料喷射控制模块，其在所述脱硫过程 期间在每个发动机循环中开始双燃料喷射。
9.如权利要求8所述的脱硫控制系统，其中所述燃料喷射控制模块在每个发动机循环 的压缩冲程中开始双燃料喷射。
10.一种方法，包括通过升高排放减少装置的温度在该排放减少装置中开始脱硫过程；和 延迟点火正时以升高所述排放减少装置的温度。
全文摘要
本发明涉及用于稀燃NOx收集器(LNT)的脱硫系统和方法，公开了一种脱硫控制系统，其包括脱硫控制模块和点火控制模块。脱硫控制模块通过升高排放减少装置的温度，在该排放减少装置中开始脱硫过程。点火控制模块，响应于脱硫控制模块，开始脱硫过程，延迟点火正时以升高排放减少装置的温度。
文档编号F02D43/00GK101922373SQ201010202630
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月11日 优先权日2009年6月16日
发明者B·F·亨特, H·G·桑托索 申请人:通用汽车环球科技运作公司