用于减少NO_x突破的系统和方法

专利名称：用于减少NO_x突破的系统和方法
技术领域：
本公开总体涉及用于减少NOx突破的系统和方法。
背景技术：
为了减小对环境的影响以及遵守诸如美国环境保护局(EPA)所颁布的条例的政 府命令，需要最小化车辆发动机排放。在典型的后处理结构中，发动机排放通过三元转换器(TWC)而送出，在三元转换 器后且在通过排气管离开前，排放经过稀NOx阱(LNT)。在稀发动机操作期间，LNT储存NOx， 并且当达到了 LNT的存储容量时，通过富补料(tip-in)(富操作)减少储存的NOx。在从稀 发动机操作到富发动机操作的过渡期间，NOx将会泄漏或突破，该泄漏相当于大量的排气管 排放物。因此，有必要减少LNT NOx突破。

发明内容
通过提供用于减少NOx突破的系统和方法，本公开的各实施方式克服了现有技术 的缺点。根据本公开的一方面，稀NOx阱(LNT)包括具有沿LNT的纵轴线非均勻分布的催 化剂的核。催化剂分布成使得存储部位朝向LNT的上游端加权，而氧化和还原部位朝向LNT 的下游端加权。根据本公开的另一方面，排气系统包括带有三元转换器(TWC)的主管线和定位于 TffC下游的LNT。排气系统还包括被配置成允许排气流旁路绕过TWC的旁路管线。前面已经宽泛概述了本公开的一些方面和特征，这些方面和特征应被认为是仅用 于说明各潜在应用。通过将所公开的信息以不同的方式应用或通过将本公开的实施方案的 各方面加以组合，可以获得其它有益结果。因此，通过参考对提供的示范实施方案的具体介 绍，并结合附图以及权利要求限定的范围，可以获得其它方面以及更全面的理解。本发明还提供如下方案方案1. 一种稀NOx阱LNT，其包括包括沿所述LNT纵轴线非均勻分布的催化剂的核，所述催化剂分布成使得存储部 位朝向所述LNT的上游端加权并且氧化部位及还原部位朝向所述LNT的下游端加权。方案2.如方案1所述的LNT，其特征在于，所述存储部位包括钡Ba、K ；所述还原部 位包括铑Mi ；所述氧化部位包括铈Ce。方案3.如方案1所述的LNT，其特征在于，所述核是包括串联布置的至少两核的复 合核。方案4.如方案3所述的LNT，其特征在于，所述至少两核中的第一个与所述至少两 核中的第二个具有不同的催化剂分布。方案5.如方案1所述的LNT，其特征在于，所述纵轴线基本平行于通过所述LNT的流。
方案6. —种排气系统，其包括主管线，包括三元转换器TWC;以及定位于所述TWC下游的稀NOx阱LNT ；以及配置成允许排气流旁路绕过所述TWC的旁路管线。方案7.如方案6所述的排气系统，其特征在于，所述旁路管线在位于发动机与所 述TWC之间的上游点处以及在位于所述TWC与所述LNT之间的下游点处与所述主管线连接。方案8.如方案7所述的排气系统，其特征在于，其还包括在所述上游点处的阀。方案9.如方案8所述的排气系统，其特征在于，其还包括被配置成将所述阀的操 作与所述发动机的操作同步的控制器。方案10.如方案8所述的排气系统，其特征在于，所述阀被配置成在稀循环期间引 导排气流通过所述TWC以及在富循环期间引导所述排气流通过所述旁路管线。方案11.如方案6所述的排气系统，其特征在于，其还包括被配置成控制所述LNT 温度的装置。方案12.如方案11所述的排气系统，其特征在于，其还包括被配置成将所述装置 的操作与发动机的操作同步的控制器。方案13.如方案11所述的排气系统，其特征在于，所述装置被配置成在富循环期 间降低所述LNT的温度。方案14.如方案6所述的排气系统，其特征在于，所述LNT包括沿着所述LNT的所 述纵轴线非均勻分布的催化剂，所述催化剂分布成使得存储部位朝向所述LNT的所述上游 端加权并且氧化部位和还原部位朝向所述LNT的所述下游端加权。方案15.如方案14所述的排气系统，其特征在于，所述存储部位包括钡Ba、K ；所 述还原部位包括铑Mi ；所述氧化部位包括铈Ce。方案16. —种排气系统，其包括稀NOx 阱 LNT ；以及被配置成控制所述LNT温度的装置。方案17.如方案16所述的排气系统，其特征在于，其还包括被配置成将所述装置 的操作与发动机的操作同步的控制器。


图1是根据示例性实施方案的带有排气系统的车辆的透视图。图2是图1排气系统的三元转换器(TWC)的局部透视图。图3是图1排气系统的稀NOx阱(LNT)的局部透视图。图4是图1排气系统的示意图。图5是根据示范实施方案的发动机循环的图示。图6是根据示范实施方案的在稀操作期间的化学反应的示意图。图7是根据示范实施方案的在富操作期间的化学反应的示意图。图8是根据示范实施方案的典型LNT的示意图。
图9是根据示范实施方案的改进LNT的示意图。图10是图8典型LNT和图9改进LNT的NO和CO浓度的示意曲线图。图11是典型LNT和改进LNT的若干循环内的总计NOx的示意曲线图。图12是图1的典型排气系统以及图4排气系统的CO浓度的示意曲线图。
具体实施例方式根据要求，本文公开了具体实施方案。必须理解的是，所公开的实施方案仅是本公 开的示例，本公开可以以不同的、可供选择的形式，以及其组合来具体实现。如本处所用的， 词汇“示例性”被可扩展地用于指用作说明、样本、模型或模式的实施方案。图不必是按比 例的，某些特征可以扩大或缩小，以显示特定部件的细节。在其它示例中，没有介绍已知的 部件、系统、材料或方法，以避免模糊本公开。因此，本文公开的特定结构以及功能细节将不 被理解为限制，而是仅作为权利要求的基础以及作为指导本领域技术人员的代表性基础。本文介绍的示例性系统和方法配置成减少排放、提高去NOx的效率、提高燃料经 济性、以及提高在稀NOx阱(LNT)中使用的催化剂或催化剂部位的效率。这样的系统和方 法包括具有催化剂部位加权分布的任意LNT、用于在富的加燃料操作期间旁路通过三元转 换器(TWC)的后处理结构、以及在富的加燃料操作(富操作)期间用于控制LNT温度的装 置。通常而言，本文介绍的系统和方法是在具有稀燃发动机的车辆的背景下介绍的。 然而，该系统和方法也能应用于其他机器上，如具有发动机包括大火花点火(LSI)发动机、 火花点火(汽油)发动机、液化石油气(LPG)发动机、燃烧E85与汽油的各种混合物的灵活 燃料车辆发动机、压缩天然气(CNG)发动机以及压缩点火(柴油)发动机的叉车、气动升降 机、冰面重整机(ice resurface machine)、建筑设备等。如本处所用，“NOx”指单氮的氧化物一一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)两者，“HC” 指碳氢化合物，“Co”指一氧化碳。如本处所用，术语“稀燃”、“稀操作”以及“稀循环”指当相对于燃料的氧多于化学 计量的氧时发动机循环的部分或操作。这会导致在稀循环期间排气流中相对高的空气-燃 料比。另外，术语“富燃”、“富操作”、“富循环”以及“富补料”指当较多的燃料被喷射到排 气流中并且相对于燃料的氧少于化学计量的氧时发动机循环的部分或操作。这会导致在富 循环期间相对低的空气-燃料比。如本处所用，术语“均勻”以及“非均勻”描述催化剂部位的分布，如在催化转换器 的入口和出口之间催化剂部位的分布。术语“分布”指催化转换器的区域中或沿其长度或 轴线的催化剂部位的集中度。如本处所用，术语“上游”以及“下游”指相对于排气流的流动方向F的位置。此 术语可以用来描述元件相对于彼此的相对位置。通常而言，本文所介绍的系统以及方法被设计用来减少LNT中的NOx突破。该系 统和方法包括各种催化剂和排气结构或设计。如下面进一步详细介绍，LNT催化剂设计包 括沿着LNT转换器长度非均勻分布的催化剂部位。排气系统结构包括在富补料期间旁路通 过TWC的换向器阀的使用，以及在富补料的开始期间用以降低LNT温度的温度控制装置的 使用。每种改进都能显著减少突破。这些改进可以被单独地或组合地使用。
参考图1-4，车辆10包括发动机20及排气系统30。排气系统30包括位于发动机 20下游的三元转换器(TWC) 32以及位于TWC 32下游的稀NOx阱(LNT) 34。主排气管线36 将发动机20与TWC 32、TWC32与LNT 34、LNT34与出口 38相连。旁路管线40在TWC 32的 相对侧上与主排放管线36相连。上游旁路管线连接点39a在发动机20与TWC 32之间，下 游旁路管线连接点39b在TWC 32与LNT 34之间。阀42位于上游旁路管线连接点39a处， 并且控制或引导排气流44从发动机20流动通过TWC 32或旁路管线40。如下面进一步介 绍，阀42引导排气流44通过TWC 32或旁路管线40，这取决于发动机操作是稀操作还是富 操作。相比于典型的排气结构，利用阀42和旁路管线40可以改变顺序地流动通过两个部 件TWC 32和LNT 34的排气流44。排气系统30还包括耦接于LNT 34、被配置成在富操作期间冷却LNT 34的LNT温 度控制装置46。现在简要介绍排气系统30的一般操作。排气系统30被配置成将排气流44中的 污染物，如N0x、C0以及HC转换成毒性更小的物质。如在稀循环期间，较高的空气-燃料比 结合TWC 32中的催化剂，促进氧化过程例如一氧化碳(CO)到二氧化碳、未燃的碳氢化合物 (HC)到二氧化碳(CO2)与水(H2O)的氧化过程。在稀操作期间，NOx不会因示例性的TWC 32 而被大量还原，而继续通过主排放管线36到达LNT34，在LNT 34其被存储。在LNT 34变满 之时或之前，富循环典型运行以再生LNT 34。例如，在富循环期间，较低的空气-燃料比结 合LNT的催化剂促进氮氧化物(NOx)还原成氮。作为示例，在富循环期间形成还原剂诸如 一氧化碳(CO)被用在NOx的还原中。图5-7图示LNT 34的一般操作。由发动机20产生的NOx在稀周期52 (存储周 期)中被存储在LNT 34上。当达到存储容量时，提供富脉冲M(高燃料、低氧气)以将存 储的NOx转换为队。富脉冲M由空气-燃料比55中的下降来图示。图6和图7描绘了在 稀循环52期间和在富循环56期间的典型化学反应。在图中，CO用作还原剂。接着图5，与典型LNT的运行相关的问题是，当从稀循环52切换到富循环56时，一 些NOx在没有还原的情况下从典型LNT散逸。在富循环56 (再生周期)期间散逸的NOx用 NOx外出58a中的尖峰显示。59中的NOx是为了说明目的而显示。如下面的进一步介绍， 在图示的实施方案中，不同催化剂的分布是可变的，以便减少散逸出LNT 34的NOx量。再参考图2，图示的TWC 32包括壳60、核62或基材、载体涂层64、以及催化剂或 催化剂部位66。核62是典型的陶瓷蜂巢或不锈钢金属箔蜂巢。蜂巢表面支撑催化剂部位 66，并且通常被称为“催化剂支撑”。载体涂层64是典型的硅和铝的混合物，当应用于核62 时，为核26提供粗糙的、不规则的表面以及较大的表面积。较大的表面积为活性的催化剂 部位66提供了更多的面积。催化剂66在应用于核62之前被添加到载体涂层64。催化剂 66包括稀有金属如钼(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、铈(Ce)、铁(Fe)、锰(Mn)、镍(Ni)、铜(Cu)、钡 (Ba)和钾(K)等。如本处所用，不同的催化剂66提供不同的功能，如NOx的存储、NOx的还 原以及CO的氧化。现在参考图3，图示的LNT 34包括壳70、核72、载体涂层74以及催化剂或催化剂 部位76。通常而言，除了 LNT 34催化剂包括用于NOx存储的额外活性物之外，LNT 34催化 剂在成分和结构上与TWC 32催化剂相似。额外活性物可包括诸如钡之类的碱土金属。在典型的转换器或LNT中，催化剂66在载体涂层74中的每一处都均勻分布。与此相反，在示例性实施方案中，为了获得各活性物的梯度，催化剂66的成分沿着纵轴线78 非均勻分布。示例性的非均勻催化剂分布在图9中示出。如下面进一步所述，为了便于沿着LNT 34的长度或纵轴线78来分布催化剂部位 66，图示的核72包括上游核7 和下游核72b。上游核7 与下游核72b在中点77处可以 是物理分离的或是名义上分离的。如下面进一步所述，通过利用多核72a、72b形成复合核， 可以便于制造具有催化剂部位66的非均勻分布的核72。用于指导目的，参考图8以及图9，示意性图示及更加详细地描绘示例性的典型 LNT 34a以及示例性的改进LNT 34b。通常，典型LNT3^具有沿着纵轴线78均勻的催化剂 装载或催化剂部位66的分布，而改进LNT 34b则具有沿着纵轴线78非均勻的催化剂装载 或催化剂部位66的分布。图示的纵轴线78与通过LNT 3如、34b的流动方向F基本平行。参考图8，铈(Ce)、铑( )和钡(Ba)催化剂部位66沿着典型LNT 34a的纵轴线 78均勻分布。均勻分布通过催化剂部位66之间的恒定间距表示。用于说明之目的，在富循 环期间在典型LNT 34a内发生的某些释放、还原及氧化反应被示出包括NO的还原以及CO 的氧化。暂时参考图10，因为在铈(Ce)和铑(Rh)催化剂部位66处的NO还原中分别氧化 以及使用了⑶，所以CO浓度8 沿着典型LNT 3 的纵轴线78减少。NO在钡(Ba)催化 剂部位66处释放，并且因为CO浓度向下游移动减少且不能用于有效还原NO，NO浓度80a 沿着纵轴线78增加。这导致NO在没有还原的情况下的排放。参考图9，铈(Ce)、铑( )和钡(Ba)催化剂部位66沿着改进LNT34b的纵轴线78 非均勻分布。非均勻分布通过催化剂部位66之间的不同间距、距离改进LNT34b的上游端 和下游端的不同间距或不同加权朝向来表示。通常而言，释放NO的钡(Ba)催化剂部位66 加权朝向改进LNT34b的先前的或上游部分(例如，上游核72a)，用于还原NO以及氧化CO 的铈(Ce)、铑(1 )催化剂部位66加权朝向改进LNT34b的在后的或下游部分(例如，下游 核72b)。反应通常按照示出的进行。参考图9以及图10，在改进LNT34b的上游核72a中， NO被释放，一些NO利用CO来还原。当被释放的NO多于被还原的NO时，NO浓度80b迅速 增强，CO浓度82b逐渐降低。在改进LNT34b的下游核72b中，较少的NO被释放，而上游部 中释放的NO由相对高浓度的CO还原。较高的NO和CO浓度、充足的活性部位、以及充足的 停留时间提供了较高的NO还原，导致NOx排放减少。如此，NO浓度80b以及CO浓度82b从 中点77附近向着改进LNT34b的下游端快速下降。由于有效利用来自富循环的C0，所以改 进LNT34b还能提高燃料经济性。较少的CO流失到铈(Ce)部位的氧化反应。参考图10，在LNT3^、34b的下游端或输出处，NO浓度80b小于NO浓度80a，CO浓 度8 与82b相似。因此，通过将催化剂部位66按照关于改进LNT 34b所描述的分布，更 大量的NOx被还原，因而突破(离开)的NOx量会减少。另外，催化剂66被更有效使用，因 为在所实现的结果相当于或优于典型LNT3^的结果的情况下在改进LNT34b中使用更少量 的某些催化剂66。因为催化剂66成本高，所以材料费用的差别可能是相当重要的。现在描述装配或制作LNT34的示例性方法。参考图3，可以获得具有由核72a、72b 组成的复合核72的催化剂部位66的非均勻分布。这里，催化剂位66在每个核72a、72b中 的分布是均勻的，但是在核72a、72b之间的催化剂66的量或催化剂66的差异赋予复合核 72沿着纵轴线78非均勻分布。根据示范实施方案，60mol/m3的钡(Ba)和8mol/m3的(PGM，Pt/Rh/Pd)被装入LNT34 的上游核 72a 中，Omol/m3 的钡(Ba)和 16mol/m3 的(PGM, Pt/Rh/Pd)被装入 LNT 34 的 下游核72b中。在该实施例中，与包括60mol/m3的钡(Ba)和16mol/m3的(PGM，Pt/Rh/Pd) 中每一个沿纵轴线78均勻分布的典型LNT相比，LNT 34中使用的(PGM，Pt/Rh/Pd)减少 25%。然而，如上，具有非均勻分布的催化剂66的改进LNT 34优于具有均勻分布的催化剂 66的典型LNT 34。而且，催化剂用量上的减少导致了显著的费用节省。为了说明性能上的 差异，图11显示了在一个时间周期内由改进LNT 34输出的NO累积量90a与在该时间周期 内由典型LNT34输出的NO累积量90b的对比。参考图1以及图12，进一步描述排气系统30的操作。通常，在稀操作和富操作期 间，典型的排气系统(未示出)引导排气流44(图2和图3，流动方向F)从发动机20通过 TffC 32然后通过LNT 34。相反，图示的排气系统30的阀42在稀操作期间引导排气流44通 过TWC 32然后通过LNT 34，在富操作期间引导排气流44通过旁路管线40(旁路绕过TWC 32)和LNT 34。阀42的操作与发动机20中的燃料喷射同步以再生LNT 34。在富循环56期间，燃料被喷射入发动机以产生类似CO的还原剂，用来再生LNT34。 图12显示了在发动机20中的排气流44的空气-燃料比92以及在排气流44进入LNT 34 前在主排放管线36中的位置96处(图1和图4)的排气流44中的CO的浓度。描绘了对 于被引导通过TWC 32 (在典型的排气系统中)的排气流44的CO浓度94a。描绘了对于被 引导通过旁路管线40的排气流44的CO浓度94b。比较CO浓度94a、94b，注意到TWC 32消耗了相当多量的⑶，因此在发动机中产生 的大量CO没有被用于再生LNT。例如，申请人发现TWC32能够消耗多于50%的在发动机20 中产生的CO。再生效率可以通过将在排气流进入LNT34时排气流44中由喷射到发动机20中的 燃料所导致的CO浓度除以喷射到发动机20中的燃料量来测量。对于喷射到发动机20中 的燃料的脉冲98，所获得的CO浓度94b中的脉冲IOOb大于(例如，在幅度和持续时间上) CO浓度94a中的脉冲100a。因此，在富操作期间，为了将CO传送给LNT 34，旁路绕过TWC 32会更有效率。效率的增加允许较短的富循环或者使用更少的燃料。另外，在富补料或富循环期间，当通过温度控制装置46降低LNT34的温度时，NOx 的还原会增加。在富补料期间，进入LNT34的排气流44中的NOx量很低，促使NOx存储率 为零，因为NOx存储率与气相中的NOx浓度基本成正比。因此，相对于其存储率NOx释放率 会变高，导致NOx突破。随着NOx释放率随着温度升高呈指数增加，通过降低LNT 34的温 度以降低释放率能够减少NOx突破。温度控制装置46能够控制LNT的温度，例如，通过使用风扇或利用外部夹套的对 流器(流体或冷却剂被泵送通过该对流器)来强制空气冷却。温度控制装置46的操作被 配置成在富循环的起始时用燃料喷射开始冷却。例如，温度控制装置46的操作能够与发动 机20的操作同步。参考图4，控制器102将发动机20、阀42以及温度控制装置46的操作同步。上述的实施方案仅是用于清楚理解本公开原理而阐述的实施方案的示例性说明。 可以对上述实施方案实现变型、改进、以及组合，而不脱离权利要求的范围。所有这些变型、 改进以及组合都被本公开和所附权利要求的范围所包括。
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权利要求
1.一种稀NOx阱LNT，其包括包括沿所述LNT纵轴线非均勻分布的催化剂的核，所述催化剂分布成使得存储部位朝 向所述LNT的上游端加权并且氧化部位及还原部位朝向所述LNT的下游端加权。
2.如权利要求1所述的LNT，其特征在于，所述存储部位包括钡Ba、K；所述还原部位包 括铑Mi ；所述氧化部位包括铈Ce。
3.如权利要求1所述的LNT，其特征在于，所述核是包括串联布置的至少两核的复合核。
4.如权利要求3所述的LNT，其特征在于，所述至少两核中的第一个与所述至少两核中 的第二个具有不同的催化剂分布。
5.如权利要求1所述的LNT，其特征在于，所述纵轴线基本平行于通过所述LNT的流。
6.一种排气系统，其包括 主管线，包括三元转换器TWC ；以及定位于所述TWC下游的稀NOx阱LNT ；以及配置成允许排气流旁路绕过所述TWC的旁路管线。
7.如权利要求6所述的排气系统，其特征在于，所述旁路管线在位于发动机与所述TWC 之间的上游点处以及在位于所述TWC与所述LNT之间的下游点处与所述主管线连接。
8.如权利要求7所述的排气系统，其特征在于，其还包括在所述上游点处的阀。
9.如权利要求8所述的排气系统，其特征在于，其还包括被配置成将所述阀的操作与 所述发动机的操作同步的控制器。
10.一种排气系统，其包括 稀NOx阱LNT ；以及被配置成控制所述LNT温度的装置。
全文摘要
本发明涉及用于减少NOx突破的系统和方法。具体地，提供了一种排气系统，其包括贯穿三元转换器TWC以及稀NOx阱LNT的主管线。排气系统进一步包括配置成旁路绕过TWC的旁路管线。LNT包括沿纵轴线非均匀分布的催化剂。催化剂分布成使得存储部位朝向LNT的上游端加权而氧化部位和还原部位朝向LNT的下游端加权。
文档编号B01D53/56GK102068907SQ20101056265
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月25日 优先权日2009年11月25日
发明者A·潘特, K·拉马纳坦 申请人:通用汽车环球科技运作公司