废气后处理系统的制作方法
【专利说明】废气后处理系统
[0001 ] 说明书
[0002] 本发明涉及废气处理系统以及减少汽油车排放有毒污染物的方法。具体地讲，本 发明涉及一种排气系统，该排气系统包括处于紧凑耦合位置的一个或多个三元催化器 (TWC)以及位于汽车底盘(uf)区域的HC捕集器/SCR组合装置。
[0003] 根据常规方法借助三元催化转化器(TWC)清洁内燃机废气，所述内燃机为主要通 过化学计量的空气/燃料(A/F)混合物操作的内燃机，如气口燃料喷射(PFI)发动机。这些三 元催化转化器能够将发动机的三种基本气态污染物(具体地讲是烃类、一氧化碳和氮氧化 物)同时转化成无害的组分。
[0004] TWC的使用在空气/燃料比率为大约14.56(相当于λ= 1)的情况下最佳。在该值的 附近，将A/F以一定频率从微稀转变成略微浓被称为摆动(+/-0.05)。高于这些值，废气被称 为稀，并且⑶和HC被催化氧化成二氧化碳和水。低于这些值，废气被称为浓，并且用例如CO 作为还原剂将NOx大部分地还原成氮气N2。
[0005] 对于此类汽油驱动的汽车，关于所应用的排气系统有多种解决方案，即考虑到所 包含的催化剂数量以及它们相对于发动机出口的位置。紧凑耦合发动机熄火位置的通用单 块解决方案使用不同的基底、体积和贵金属负载，以及均一的或分区的催化剂类型。此外， 如果排气系统具有最少两个块或者例如在其各自的体积、各个块的基底类型、贵金属负载 以及涂层类型上区别更大，则还应考虑安装的催化剂，如均一涂覆的或分区的催化剂（以引 用方式并入的US 12/951301)。
[0006] 为满足严格的排放法规，大型发动机和冷却器发动机的一种较常见的设计为:使 一个TWC转化器处于较热的紧凑耦合(cc)位置(靠近发动机出口，气流入口处距发动机出口 约为最多50cm)，第二个TWC转化器位于冷却器底部(ub)(或底盘(uf))位置，即位于汽车座 舱下方(完整的TWC系统）。由于几乎所有机动车排放控制系统本质上都是被动的，故加热至 催化剂操作温度的时间至关重要，正如EP1900416A中所公开的那样，该专利被作为根据并 且其全文以引用方式并入本文。
[0007]相比于具有气口燃料喷射(PFI)发动机的车辆，具有汽油直接喷射(GDI)发动机的 车辆(无论有无涡轮增压器)拥有更为优越的燃料经济性和驾驶性能，因此在欧洲或美国占 有越来越多的市场份额。预计这种趋势会持续，即因为欧盟要求乘用车制造商进一步减少 CO2排放并达到130g/kmC02的平均排放量。更严格的CO2平均排放量目标还在讨论中。随着 CAFE标准变得越来越严格，一般预计，在北美，GDI车辆的份额将会增长，而PFI车辆的份额 将会减少。即将出台的更严格的政府排放法规(如，EU-6-表1，LEV-III)和燃料经济性标准 (CO 2法规)无疑会使将来的废气后处理更加困难。
[0008] 表1-欧6乘用车排放限值
[0010]因此，对于主要在化学计量条件(A/F比率= 14.56,或λ= 1)下运行的汽油车，C〇2 排放也日渐成为问题，而更多的应用将必须采取一定的措施以改善燃料经济性。
[0011]减速燃料切断操作(DFCO)是实现该目标的一种选择。当然，必须找到用这些措施 对相应类型的车辆进行校正的方式，以改善燃料经济性并由此进一步减少CO2排放。通常， 在不需要动力时(如，车辆减速期间），减速燃料切断事件启动并中断对汽缸的燃料供应。在 该模式下，发动机起到气栗的作用，将环境空气吸入汽缸，然后通过排气系统将其排回大气 环境。
[0012]正如前所述，只有在大约λ= 1时，才能通过TWC达到最佳的HC、⑶和NOx转化率。然 而，汽油发动机在振荡条件下运行，即处于微稀和略微浓的条件之间(摆动）。在纯粹浓的条 件下，烃类的转化率迅速下降。在纯粹稀的条件下，无法避免NOx穿透。为了拓宽TWC的最佳 操作条件，TWC的配方中包括了如Ce混合氧化物形式的储氧材料（OSM) (US12/951301; Critical Topics in Exhaust Gas Aftertreatment,Peter Eastwood,Research Studies Press Ltd.，2000(《废气后处理中的关键课题》，Peter Eastwood，调查研究出版社有限公 司，2000年））。在燃料切断机制下，包含OSM的TWC暴露在净稀环境下(氧过量）。因此，在该过 程期间，根据燃料切断启动时催化剂的状态以及燃料切断的持续时间，催化剂OSM转变成部 分氧化态或完全氧化态。只要发动机控制单元(ECU)具有发动机扭矩需求（即，油门输入）， 燃料喷射就会恢复。
[0013] 当再次需要动力时，过量的燃料会暂时被用于恢复三元催化剂OSM功能。燃料切断 后需要浓再生，以使催化剂OSM回到更还原的状态。当发动机流量和NOx浓度上升时，这是随 后加速所必需的。如果燃料切断后催化体系还停留在氧化状态，那么稀燃烧的发动机在下 次加速时的M扁移将可能导致NOx穿透排气管。
[0014] 通常，浓再生期间，发动机将在0.8-0.9λ范围内以浓燃烧状态运行。当车速接近于 零且通过发动机的流量很低时，发动机将在燃料切断结束后恢复燃料喷射时立即以浓燃烧 状态运行。浓燃烧操作通常持续到车辆停止时的空转部分。大多数校正操作使用位于催化 器后方的开关型氧传感器产生的信号（沿正方向找到450mV交叉），来确定燃料系统返回闭 环λ= 1( ±〇.〇〇5)工作状态的时间。
[0015] 因此，当应用上述减速燃料切断操作并随后进行浓再生时，会出现最佳排放转化 窗口（λ=1±0.005)偏离的问题。因此，必须谨慎地完成这些减速燃料切断校正，即，要避免 增加 NOx或HC的排放。另外，不当进行DFCO的缺点是，驾驶员会感受到发动机制动效应。由于 发动机在DFCO期间做负工，相比于在减速期间继续燃料喷射的情况，该过程以更高的速率 使车辆减速。一些驾驶员可能不习惯这种情况。此外的问题还有，随着制造商减小发动机尺 寸并使用涡轮增压器来改善燃料经济性，符合HC排放标准的浓再生将更难实现。这些涡轮 增压器显著降低了排气温度，使HC排放的减少很难满足最严格的标准(如，SULEV，EU-6+)。
[0016] 为了克服设想到的这些问题，本发明涉及一种废气处理系统，该废气处理系统用 于减少从发动机排放的有毒污染物，所述发动机主要在化学计量条件下运行，其中，处于紧 凑耦合(CC)位置的一个或多个三元催化器在下游与底盘(Uf)催化型HC捕集器/SCR催化器 组合装置以流体连通方式相连。这种系统布局用于有利地减少主要在λ=1或其附近条件下 运行的汽油发动机的所有污染物（图1、图2)，尤其是考虑到减速燃料切断与后续浓净化使 燃料经济性净增加并由此引起CO 2排放减少这一事实，这种系统布局没有出现对有害气体 总体排放的负面影响。
[0017] 当然，该CC-TWC是汽油发动机的正常化学计量操作所需的。下游催化型HC捕集器 的一种功能是在车辆冷启动期间吸附烃类，并在HC捕集器催化剂上的物质解吸附之前，优 选地在减速燃料切断事件期间在较高温度下氧化这些物质。SCR催化器的功能是在减速燃 料切断期间通过使氨和NOx(均由上游的TWC产生)反应生成氮气，以减少NOx释放。
[0018] 上游CC-TWC同时产生氨和NOx。正如已经说明的，在DFCO期间，CC-TWC中的OSM被转 变成氧化态。因此，当在DCFO之后发生浓再生时，cc-TWC入口处的材料迅速变成还原态，并 开始产生氨。cc-TWC出口处依然处于氧化态的材料起初通过氨氧化反应输出少量NOx，但随 后也变成还原态，并主要在浓再生的剩余时间期间产生氨。一旦储存的O 2耗尽，cc-TWC就不 再产生NOx，其发生取决于装入的OSM的量或cc-TWC的长度。即使存在2块cc-TWC，只要第二 块中的OSM被充分还原，NOx就会继续产生。就这一点而言，浓再生期间继续向第二块cc-TWC 中输入氨是为了结合第二块cc-TWC中储存的较高