专利名称：生成用于控制NOx排放的后处理状况的氨的方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的NOx排放的后处理的控制。
背景技术：
本节陈述只是提供与本发明相关的背景信息，并且不构成现有技术。排放物控制是发动机设计和发动机控制要考虑的事。氮氧化物(NOx)是燃烧的已知副产物。NOx是由存在于发动机进气中的在高温燃烧中分解出的氮气和氧气分子生成，越高的NOx生成速度与越高的燃烧温度以及空气分子越长时间的暴露在高温下相关联。NOx 分子一旦在燃烧室中生成，就能够在更宽类型后处理装置内的本领域已知的示例性装置中变回氮气和氧气分子。现代的发动机控制方法利用各种操作策略使燃烧最优化。一些操作策略，从燃料效率方面使燃烧最优化，包括燃烧室内的稀薄燃烧、局部燃烧或分层燃烧，从而降低获得气缸要求输出功所需的燃料供送并且提高发动机效率。例如，通过在非节流状况下操作，降低进气泵送损耗。但是，燃烧室中的温度会在燃烧室凹处变得高得足以生成相当大数量的 NOx，燃烧室的总能量输出特别是通过排气通道排出发动机的热能会从正常值大大减少。这些状况会是对排气后处理策略的考验，因为后处理装置常常需要由排气流温度所达到的升高的工作温度进行工作来充分处理NOx排放物。后处理装置为人们所知的是采用化学反应处理排气流。一种示例性装置包括选择性催化还原装置(SCR)。已知的SCR装置可以采用从尿素喷射获得的氨处理NOx。储存在 SCR内的催化剂床上的氨与NOx起反应，优选为以NO与NO2的期望比例，并且产生有利反应处理NOx。一种示例性实施例包括NO与NO2的优选一比一的比例，并且称作快速SCR反应。 排气后处理的不断改进需要关于排气流中的NOx排放物的精确信息以便获得有效的NOx还原，例如根据监控的NOx排放物配给适当量的尿素。另外知道其它的后处理装置处理排气流。三元催化剂(TWC)尤其用于汽油设备中。 稀燃NOx捕集器(LNT)采用能够储存一些数量NOx的催化剂，并且已经开发了发动机控制技术把LNT或NOx吸附器与燃料高效的发动机控制策略相结合来提高燃料效率并且仍然获得可接受程度的NOx排放物。一种示例性策略包括在稀燃料运转期间使用稀燃NOx捕集器储存NOx排放物，然后在富燃料、高温发动机运转状态期间用三元催化作用把储存的NOx净化成氮气和水。柴油机微粒捕集器(DPF)捕集柴油设备中的烟灰和微粒物质，并且在高温再生事件期间周期性地清除捕集到的物质。
发明内容
—种用于在内燃机的排气后处理系统内减少排气流中的NOx分子的方法，包括把来自排气流的NOx储存在暴露在排气流中的后处理装置内的NOx储存部件上。当该排气流包含分子氢时，就释放储存的NOx以在排气流中生成氨。在该后处理装置下游的选择性催化还原装置中，生成的氨用于减少排气流中的NOx。
本发明还提供了以下方案
1. 一种用于在内燃机的排气后处理系统内的排气流中减少NOx分子的方法，所述方法包括
将来自所述排气流的NOx储存在暴露于所述排气流中的后处理装置内的NOx储存部件
上；
当所述排气流包含分子氢时，释放所述储存的NOx以在所述排气流中生成氨；以及在所述后处理装置下游的选择性催化还原装置中，利用所述生成的氨减少所述排气流中的NOx。2.如方案1所述的方法，其中，所述后处理装置是三元催化剂。3.如方案1所述的方法，其中，所述NOx储存部件包含钡。4.如方案1所述的方法，其中，所述NOx储存部件包含钾。5.如方案1所述的方法，其中，在所述内燃机的化学计量运转模式期间释放所述储存的NOx。6.如方案1所述的方法，其中，在所述内燃机的浓化学计量运转模式期间释放所述储存的NOx。7.如方案1所述的方法，其中，所述选择性催化还原装置储存所述生成的氨。8.如方案1所述的方法，其中，所述后处理装置是柴油氧化催化剂。9. 一种用于减少来自内燃机的排气流中的NOx分子的方法，所述方法包括 将来自所述排气流的NOx储存在暴露于所述排气流中的三元催化剂装置内的NOx储存
部件上；
周期性地使所述发动机在浓化学计量下运转以在所述排气流中提供分子氢； 利用所述储存的NOx与所述分子氢结合以在所述排气流中生成氨；以及在所述催化还原装置下游的选择性催化还原装置中，利用所述生成的氨减少所述排气流中的NOx。10.如方案9所述的方法，其中，所述发动机是分层汽油火花点火、直喷发动机。11.如方案9所述的方法，其中，所述发动机是柴油机。12. 一种用于内燃机的排气后处理系统，包括
后处理装置内的NOx储存部件，其用作在所述发动机的稀燃料运转模式期间储存来自排气流的NOx并且用作在所述发动机的化学计量和富燃料运转模式期间释放所述储存的 NOx到所述排气流中，其中，所述释放的NOx与所述排气流中的氢结合以生成氨；以及
下游的选择性催化还原装置，其用作在所述生成的氨存在的情况下减少所述排气流中的 NOx。1314151
现在将通过仅仅举例的方式参照附图描述一个或多个实施例，其中
如方案12所述的装置，其中，所述后处理装置是三元催化剂。
如方案12所述的装置，其中，所述NOx储存部件包含钡。
如方案12所述的装置，其中，所述NOx储存部件包含钾。
如方案12所述的装置，其中，所述后处理装置是柴油氧化催化剂。图1是描绘按照本发明的内燃机、控制模块和排气后处理系统的示意图； 图2示意性地示出了按照本发明的一种示例性实施例的被动SCR系统；和图3示意性地示出了一种示例性排气后处理系统。
具体实施例方式现在参照这些图，其中，这些展示只是为了图解某些示例性实施例，而不是为了限制这些实施例，图1是描绘按照本发明的内燃机10、控制模块5和排气后处理系统15的示意图。该示例性发动机是多缸直喷式内燃机，具有连在曲轴24上且在气缸20中可移动的往复活塞22，其形成变容燃烧室34。已知发动机在压缩点火或火花点火下运转。另外，在单发动机中方法为人们所知的是采用任一点火策略，根据因素例如发动机转速和负载调整策略。另外，发动机为人们所知的是以混合策略例如火花辅助、压缩点火策略运转。本发明意图包含发动机运转的这些示例性实施例，但是不意图限制为此。曲轴24可操作地连在汽车变速器和动力传动系统上以响应于驾驶员转矩请求(Tclkeq)向那里传递牵引转矩。该发动机优选为采用四冲程运转，其中，每个发动机燃烧循环包含曲轴24的720度角旋转，这个 720度分成四个180度的进气-压缩-膨胀-排气阶段，这些描述了发动机气缸20中的活塞22的往复运动。多齿目标轮26连在曲轴上并且与其一起旋转。该发动机包括监测发动机运转的检测装置和控制发动机运转的致动器。这些检测装置和致动器信号地或操作性地连接到控制模块5。发动机10优选为具有变容燃烧室的直喷式四冲程内燃机，该燃烧室由在气缸内的在上止点与下止点之间往复的活塞与具有进气门和排气门的气缸盖限定而成。活塞以重复循环往复，每个循环包括进气、压缩、膨胀和排气冲程。发动机10优选为具有主要为稀化学计量的空燃运转方式。本领域技术人员理解本发明的方面适用于主要以稀化学计量运转的其它发动机构造，例如稀燃火花点火式发动机。本文定义的示例性方法适用于分层汽油火花点火、直喷发动机(SG-SIDI)。在压燃式发动机的正常运转期间，在每个发动机循环期间当燃料充量喷入燃烧室以与进气形成气缸充气时发生燃烧事件。在柴油循环发动机中，燃烧正时总体上与上止点附近的主燃料喷射相符，然而在受控自动点火或均质充量压燃式发动机中，燃料喷射在燃烧循环中更早并且根据对缸内状况(包括温度和压力)的控制把点火正时控制在上止点附近，并且在例如低速和低负载发动机运转期间可以包括来自点火源的火花辅助。检测装置安装在发动机上或附近以监测物理特性并且生成与发动机和环境参数相关的信号。这些检测装置包括曲轴旋转传感器，包括用于通过检测多齿目标轮26的齿上的边缘监测曲轴转速(RPM)的曲轴传感器44。曲轴传感器是已知的，并且可以包括例如霍尔效应传感器、感应传感器或磁阻式传感器。从曲轴传感器44输出的信号(RPM)输入到控制模块5。有燃烧压力传感器30，包括适合于监测缸内压力(C0MB_PR)的压力检测装置。燃烧压力传感器30优选为包括非插入式装置，在柴油机的情况下，该装置包括具有适合于在电热塞28的开孔处安装到气缸盖中的环形断面的力传感器。在自动点火或均质充量压燃式发动机的情况下，火花塞可以代替电热塞。燃烧压力传感器30与电热塞28 —起安装，燃烧压力通过电热塞机械地传递到传感器30。传感器30的检测元件的输出信号C0MB_PR30 与气缸压力成比例。传感器30的检测元件包括可适应于此的压电陶瓷或其它装置。其它检测装置优选为包括用于监测歧管压力(MAP)和环境气压(BARO)的歧管压力传感器、用于监测进气质量空气流量(MAF)和进气温度(Tin)的质量空气流量传感器以及冷却剂传感器 35 (COOLANT)。该系统可以包括排气传感器，其用于监测一种或多种排气参数例如温度、空燃比和组分的状态。本领域技术人员理解可以有其它检测装置和方法为了控制和诊断。可以通过节气门踏板和制动踏板连同其它装置一道获得以驾驶员转矩请求为形式的驾驶员输入Τ^。该发动机优选地配备有其它传感器用于监测运转和为了系统控制。每个检测装置信号地连接到控制模块5以提供信号信息，控制模块5把该信号信息转换成表示各个监测到的参数的信息。应当理解，这个构造是说明性的，不是限制性的，包括各个检测装置可被功能等效装置和算法替换并且仍然落在本发明的范围内。这些致动器安装在发动机上并且由控制模块5响应于驾驶员输入控制以实现各个性能目标。致动器包括电控节流装置和多个燃料喷射器12，该电控节流装置把节气门开度控制为指令输入(ETC)，这些燃料喷射器响应于指令输入(INJ_Pff)把燃料直接喷入每个燃烧室中，响应于驾驶员转矩请求(Ttj KEQ)控制所有这些致动器。排气再循环阀32响应于来自控制模块的控制信号(EGR)控制外部循环的排气向发动机进气道的流动。电热塞28包括已知的装置，安装在每个燃烧室中，适合于与燃烧压力传感器30 —起使用。燃料喷射器12是燃料喷射系统的一个元件，该燃料喷射系统包括多个高压燃料喷射器装置，每个燃料喷射器装置适合于响应于来自控制模块5的指令信号INJ_PW直接喷射包括燃料质量在内的燃料充量到一个燃烧室中。每个燃料喷射器12供应来自燃料分配系统的增压燃料，并且具有包括最小脉冲宽度和相关的最小可控燃料流速和最大燃料流速在内的工作特性。发动机10可以配备有可控气门机构，其操作成调整每个气缸的进、排气门的打开和关闭，包括气门正时、定相(即相对于曲轴转角和活塞位置的正时)和气门打开升程大小中的任何一个或多个。一种示例性系统包括可变凸轮定相，其适用于压燃式发动机、火花点火式发动机和均质充量压燃式发动机。控制模块、模块、控制器、控制单元、处理器和类似术语意味着专用集成电路 (ASIC)(或多个)中的一个或多个、电子电路(或多个)、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理器(或多个)(优选为微处理器(或多个))和相关存储器(只读的、可编程只读的、随机存取的、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路(或多个)、输入/输出电路(或多个)和装置、适当的信号加工和缓冲电路以及其它的提供所述功能的适当部件中的任何适用的一个或它们的组合。控制模块5具有一组控制算法，包括存储在存储器中且执行以提供期望功能的常驻软件程序指令和标准。优选地，在预定循环期间执行这些算法。算法由例如中央处理单元执行，并且可操作成监测来自检测装置及其它网络控制模块的输入以及执行控制和诊断程序来控制致动器的工作。以定时间隔执行这些循环，例如在正在进行的发动机和汽车工作期间，每隔3. 125,6. 25、12. 5、25和100毫秒。可替代地，可以响应于事件的出现而执行算法。控制模块5执行储存在其中的算法代码来控制如此装配的系统上的上述致动器以控制包括节气门位置、燃料喷射质量和正时、EGR阀位置在内的发动机运转以控制再循环排气的流动、电热塞工作和进气和/或排气门正时的控制、定相和升程。控制模块适于接收来自驾驶员的输入信号(例如节气门踏板位置和制动踏板位置)以确定驾驶员转矩请求TtjRBQ，并且接收来自传感器的表示发动机转速(RPM)和进气温度(Tin)以及冷却剂温度及其他环境状态的输入信号。参照图3，用于运转在稀燃运转模式中的发动机的排气后处理系统结合了稀燃 NOx捕集器(LNT) 252和尿素喷射子系统360，其中，LNT 252具有在其中的催化剂，这些催化剂能够收集和储存排气流中的一些数量的NOx。尿素喷射子系统360构造成喷射尿素到排气后处理系统中并且获得氨，其中，氨对降低NOx排放物有效。然而，LNT和尿素喷射系统的成本高并且增大了排气后处理系统内的装配件的数量。图2所示的示例性被动SCR系统48不需要LNT或尿素喷射子系统。图2示意性地示出了按照本发明的一种示例性实施例的被动SCR系统48。被动SCR系统48是图1所示排气后处理系统15的一部分。被动 SCR系统48包括三元催化剂(TWC)装置50和选择性催化还原装置(SCR) 54。被动SCR系统48接收从内燃机10下流的排气流并且顺流地输送处理了的排气流给排气尾管62。TWC 装置50是用于把NOx、HC和CO转化成符合标准的排放气体的催化转化器装置。在一个替代实施例中，代替TWC装置，柴油机结合了柴油氧化催化剂，其构造成把来自柴油机的排气流内的CO和未燃碳氢化合物氧化成CO2和水。再次参照图2，TWC装置50还包括NOx储存部件(NSC)52，该NOx储存部件位于TWC 装置中并且构造成收集和储存排气流内的NOx分子，优选为在稀燃料燃烧模式期间。示例性NSC 52可以进一步地构造成把NOx分子释放到排气流中，其中，NOx分子用作与排气流内的氢起反应由此在排气流内生成氨。位于所述TWC装置50下游的SCR装置54储存所生成的氨供还原反应使用以把NOx转化成氮气和氧气分子并且由此减少排气流中的NOx。一种示例性实施例包括NO与NO2的优选一比一的比例，并且称作快速SCR反应。另外，该示例性被动SCR系统48包括附加装置，用于执行与上述装置的工作有关的特定功能。例如，描绘的空燃比(A/F)传感器36、温度(T)传感器58和NOx传感器60通过监测被动SCR系统 48中的不同点处的排气流的性质实现对被动SCR系统48的控制，其中，生成的信号传递给图1的控制模块5。通过使发动机运转在富燃料或化学计量范围中，可以在排气流中生成过量的氢， 并且释放储存的NOx并与氢起反应生成氨。TWC装置50内的示例性NSC 52构造成把NOx 分子释放到排气流中并且有效地与氢气分子起反应生成氨。如上所述，在该示例性实施例中，位于TWC装置50下游的SCR装置54在还原反应中利用所生成的氨把NOx转化成氮气和氧气分子。排气流内的这些氮气和氧气分子通过排气尾管62排出汽车。所生成的氨的量可以与尿素喷射系统一起使用，减少必须喷射尿素的事件的发生，或者，可以管理氨产出以确保出现足够的氨在SCR装置54中处理NOx。氨产出的管理可以包括任何方法，其仔细考虑了氨生成反应的组分的生成和必要储存以及有助于排气流中的必要反应所必需的状态的操作，并且确保了足够氨的生成来处理估计排气流中要有的 NOx。在该示例性实施例中，当储存的NOx分子被释放并且与排气流中的氢气(H2)起反应时，在TWC装置50中生成氨。应当意识到，可以通过类似的方式用其它的催化装置生成氨。氨(NH3)的这种生成源于下列方程式所描述的示例性转化过程。N0+C0+1. 5H2 — NH3+C02(1)
本领域技术人员将意识到，这个转化需要在NO将从NSC 52释放且与分子氢起反应之前耗尽催化剂中的分子氧。当内燃机10运转在稀燃运转模式中时，常常出现过量的氧气， 操作空燃比为稀燃料或化学计量，或者有过量空气。而且，化学计量和富燃料运转范围内的空燃比的选择进一步地有助于氨的生成，例如通过生成适当量的NO和H2。在上述示例性方程式中，理想比显然为1. 5比1。然而，根据催化剂提供的环境以及后处理装置内出现的其它反应，不同的实际比可能生成最优的氨产出。本领域普通技术人员将意识到，运用方程式 (1)，CO的存在也必须看作是有助于上述反应。可替代地，其它实施例可以在没有CO的情况下生成NH3。设想的实施例可以包括采用储存在NSC 52中的钡，或者可替代地，储存在LNT中的钡。NH3的生成源于下列方程式所描述的两个替代示例性转化过程。2· 5H2+N0 — ΝΗ3+Η20(2) 8H2+(Ba (NO3) 2) — 2NH3+5H20+Ba0 (3)
参照方程式(2)和(3)，应当意识到方程式(2)可以存在于多个后处理装置中，包括TWC 装置50、LNT或柴油氧化催化剂(D0C)，只要有钼族金属(PGM)催化剂。然而，方程式(3)需要有钡作为催化剂存在于储存部件例如本发明的NSC装置52中。生成氨所需要的分子氢的生成可以通过燃烧过程出现在发动机中。浓空燃比环境中的燃烧易于生成更高数量的分子氢，这个燃烧中分子氧是不足的。氢气生成可以作为单喷射燃烧循环的结果存在，氢气生成源于向发动机提供功输出的预燃事件。此外，稀燃料燃烧模式为人们所知的是得到更低的排气流温度，化学计量或富燃料燃烧模式为人们所知的是得到更高的排气流温度，其中，分子氧是不足的并且分子氢的数量得到提高。如果需要排气流的特殊温度范围，发动机控制策略，例如作为发动机控制模块内实现的，可以得到修正以形成最佳排气流温度，并因此得到最佳分子氢数量。例如，在稀燃运转模式中运转的发动机可以实施为提高分子氢数量，通过修正发动机控制模块来使发动机周期性地运转在化学计量的富燃料下例如通过引入化学计量富燃料的燃料脉冲。另外，在间或期间采用富燃料运转，其中，稀燃料运转不可行或不是最佳。例如，富燃料操作通常用在加速的情况中，其中，加速汽车所需要的生成力要求高的发动机负载，在变速器工作范围内穿越要求包括高发动机转速在内的发动机转速。如上所述，把NOx储存在后处理装置例如TWC或DOC内的催化剂可以采取许多形成并且包括实现NOx储存的不同材料。在一个示例性实施例中，NSC 52包括钡(Ba)或钾 (K)用于NOx储存。意识到，采用TWC 50和NSC 52的后处理装置释放NOx以在排气流中生成NH3而不要LNT的帮助。然而，设想的替代实施例采用LNT储存和释放NOx以在排气流中生成NH3。本发明已经描述了某些优选实施例及其改型。在阅读和理解说明书的基础上可以想到其它更多的改型和变化。因此，本发明不意图限制为作为设想为实施本发明的最佳方式所公开的特定的一个(或多个)实施例，而是将包括落入所附权利要求书范围的所有实施例。
权利要求
1.一种用于在内燃机的排气后处理系统内的排气流中减少NOx分子的方法，所述方法包括将来自所述排气流的NOx储存在暴露于所述排气流中的后处理装置内的NOx储存部件上；当所述排气流包含分子氢时，释放所述储存的NOx以在所述排气流中生成氨；以及在所述后处理装置下游的选择性催化还原装置中，利用所述生成的氨减少所述排气流中的NOx。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述后处理装置是三元催化剂。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述NOx储存部件包含钡。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述NOx储存部件包含钾。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在所述内燃机的化学计量运转模式期间释放所述储存的NOx。
6.如权利要求1所述的方法，其中，在所述内燃机的浓化学计量运转模式期间释放所述储存的NOx。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述选择性催化还原装置储存所述生成的氨。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述后处理装置是柴油氧化催化剂。
9.一种用于减少来自内燃机的排气流中的NOx分子的方法，所述方法包括将来自所述排气流的NOx储存在暴露于所述排气流中的三元催化剂装置内的NOx储存部件上；周期性地使所述发动机在浓化学计量下运转以在所述排气流中提供分子氢； 利用所述储存的NOx与所述分子氢结合以在所述排气流中生成氨；以及在所述催化还原装置下游的选择性催化还原装置中，利用所述生成的氨减少所述排气流中的NOx。
10.一种用于内燃机的排气后处理系统，包括后处理装置内的NOx储存部件，其用作在所述发动机的稀燃料运转模式期间储存来自排气流的NOx并且用作在所述发动机的化学计量和富燃料运转模式期间释放所述储存的 NOx到所述排气流中，其中，所述释放的NOx与所述排气流中的氢结合以生成氨；以及下游的选择性催化还原装置，其用作在所述生成的氨存在的情况下减少所述排气流中的 NOx。
全文摘要
本发明涉及生成用于控制NOx排放的后处理状况的氨的方法。具体地，一种用于在内燃机的排气后处理系统内减少排气流中的NOx分子的方法，包括把来自排气流的NOx储存在暴露在排气流中的后处理装置内的NOx储存部件上。当该排气流包含分子氢时，就释放储存的NOx以在排气流中生成氨。在该后处理装置下游的选择性催化还原装置中，生成的氨用于减少排气流中的NOx。
文档编号F01N3/20GK102220897SQ20111009784
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月19日 优先权日2010年4月19日
发明者戈皮纳特 A., 拉马纳坦 K. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司