用于从内燃机的废气后处理的方法及设备的制作方法

专利名称：用于从内燃机的废气后处理的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于内燃机的排气后处理系统。
背景技术：
本部分中的陈述仅仅提供与本发明相关的背景信息，不一定构成现有技术。在废气供应流中的已知的燃烧副产物包括一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和微粒 物质(PM)等等。未燃烧的碳氢化合物(HC)和氧气(O2)也存在于发动机排出的排放物中。 使发动机以不同的空燃比，包括浓的、稀的和化学计量空燃比，运行会产生不同比例的燃烧 副产物、HCs和氧。存在于发动机进气中的在燃烧高温中分离的氮和氧分子产生^、，^、产 生率遵循与燃烧过程的已知关系，例如，较高的NOx产生率与较高的燃烧温度和空气分子暴 露于较高温度的较长时间相关联。一旦在燃烧室中产生NOx分子，NOx分子就能在已知的催 化装置中还原成氮和氧分子。多种发动机运行策略和后处理装置已经用来还原燃烧副产物，燃烧副产物包括废 气供应流中的NOx排放物。用于还原NOx排放物的一种示例性后处理装置是选择性催化还原装置(SCR)。已 知的SCR装置利用得自尿素注射的氨水来与NOx反应。存储在SCR内的催化剂床中的氨水 与NOx反应，优选地与NO2反应，并产生有利的反应以还原N0X。已知在柴油机应用中，在SCR 中还原NO2之前操作SCR上游的柴油氧化催化器(DOC)以将NO转变成N02。另一种后处理装置是NOx捕获装置。NOx捕获装置使用了能存储一些数量的NOx以 便随后的还原作用的催化剂。发动机控制技术已经发展到将这些NOx捕获器或NOx吸附器 与省油发动机控制策略结合以改善燃料效率并依然获得可接受的NOx排放水平。一种控制 策略包括在稀混合气发动机运行期间用稀NOx捕获器存储NOx排放物，然后在浓混合气发动 机运行期间清除存储的N0X，在较高温度的发动机运行条件下利用三元催化作用将NOx还原 成氮和水。用在柴油机应用中的另一种后处理装置是柴油机微粒过滤器。柴油机微粒过滤 器捕获碳烟和微粒物质以便随后在周期性的高温再生事件期间清除。其他的后处理装置处理包括NOx排放物的废气流。三元催化剂(TWC)特别地用在汽 油化学计量废气供应流后处理应用中。在化学计量和浓混合气发动机运行期间，在废气供应 流中存在很少的氧或不存在氧，因此允许超过99%的NOx排放物在TWC中还原成氮( )和氧。 在稀混合气发动机运行期间，存在于废气供应流中的氧抑制TWC中的NOx还原，导致NOx漏过 并需要额外的后处理装置来还原NOx排放物，例如在上面描述的SCR和NOx捕获装置。包括多个稀燃废气后处理装置的稀燃废气后处理系统的不利之处在于需要额外 的组装空间、伴随用于热耗散的额外表面积的低热效率、和可归因于增大的背压的发动机 转矩损失。因而，有利的是，通过去除废气供应流中多余的氧，从而允许废气供应流的化学 计量后处理，来减少后处理系统中的后处理装置的数量。

发明内容
一种内燃机以稀空燃比运行并且与排气后处理系统流体地相连，排气后处理系统包括流体地连接在三元催化转化器上游的氧分离器装置。本发明提供以下技术方案
方案1.设备，包括构造成以稀空燃比运行的内燃机，所述内燃机流体连通地连接到 排气后处理系统，所述排气后处理系统包括流体连通地连接在三元催化转化器上游的氧分
尚器装装置。方案2.如方案1所述的设备，其中所述氧分离器装置包括氧分离器元件，其构 造成将氧从废气供应流分离。方案3.如方案2所述的设备，其中所述氧分离器元件包括多孔膜元件，所述多孔 膜元件包括被涂覆以氧化铝、硅石和沸石中的至少一种的碳化硅。方案4.如方案3所述的设备，其中所述氧分离器元件包括多个不对称地构造的 多孔膜元件。方案5.如方案4所述的设备，其中所述氧分离器元件利用扩散过程将氧从所述 废气供应流分离。方案6.如方案4所述的设备，其中所述氧分离器利用粘性流过程将氧从所述废 气供应流分离。方案7.如方案4所述的设备，其中所述氧分离器元件利用表面扩散过程将氧从 所述废气供应流分离。方案8.如方案2所述的设备，其中所述氧分离器元件包括致密膜元件，所述致密 膜元件包括碳化硅并被涂覆以氧化锆和钙钛矿材料中的至少一种。方案9.如方案8所述的设备，其中所述致密膜元件是混合的离子-电子导体膜。方案10.如方案8所述的设备，其中所述致密膜元件是离子导体固体电解质膜。方案12.如方案10所述的设备，其中所述离子导体固体电解质膜电结合到阳极 电极和阴极电极，其中所述阳极电极和阴极电极电连接到电能存储装置。方案13.如方案2所述的设备，其中所述氧分离器装置包括壳体，所述壳体具有 以平面方式布置以将第一流道与第二流道分开的氧分离器元件。方案14.如方案2所述的设备，其中所述氧分离器装置包括壳体，所述壳体具有 以圆柱形方式布置以将第一流道与第二流道分开的氧分离器元件。方案15.用于还原来自内燃机的NOx排放物的方法，所述方法包括选择地使所 述内燃机在化学计量法的稀混合气侧运行；在稀混合气内燃机运行期间在三元催化转化器 上游从废气供应流分离氧分子；和利用所述三元催化转化器还原所述废气供应流中的NOx 排放物。方案16.如方案15所述的方法，其中从所述废气供应流分离氧分子包括使氧分 子从所述废气供应流扩散通过氧分离器装置的多孔膜元件。方案17.如方案15所述的方法，其中从所述废气供应流分离氧分子包括在致密 固体膜元件两侧施加电势；和使氧分子的离子形式从所述废气供应流透过所述致密固体膜 元件。方案18.如方案17所述的方法，其中所述致密固体膜元件是混合的离子-电子导 体膜。方案19.如方案17所述的方法，其中所述致密固体膜元件是离子导体固体电解质膜。


现在将参考附图描述作为例子的一个或多个实施例，其中 图1是本发明的示例性发动机系统和后处理系统的示意图2表示本发明的氧分离器元件的第一实施例；
图3A和;3B表示本发明的氧分离器元件的第二和第三实施例，其包括致密膜； 图4表示本发明的以平面形状的构造布置的氧分离器装置中的多孔膜； 图5表示本发明的以圆柱形形状的构造布置的氧分离器装置中的多孔膜； 图6表示本发明的以平面形状的构造布置的氧分离器装置中的致密膜； 图7表示本发明的以圆柱形形状的构造布置的氧分离器装置中的致密膜。
具体实施例方式现在参考附图，其中所示的内容仅仅是为了阐明某些示例性实施例而非为了限制 它们，图1是示例性的发动机系统的示意图，该发动机系统示意性地包括示例性的稀燃内 燃机10、伴随的控制模块5和根据本发明实施例构造的排气后处理系统70，排气后处理系 统70包括流体连通地连接在三元催化转化器50上游的氧分离器装置48。在一个实施例 中，氧分离器装置48电连接到电能存储装置55。在各实施例中，同样的附图标记表示同样 的元件。示例性的发动机10运行于主要在化学计量法的稀侧的空燃比，并且可以以多个燃 烧模式中的一个或多个运行，所述多个燃烧模式包括受控的自燃燃烧模式、均质火花点火 燃烧模式、分层充气火花点火燃烧模式和压缩点火模式。本发明能应用于各种燃烧循环和 内燃机系统，包括均质充气压缩点火、柴油机、预混合充气压缩点火和分层充气火花点火直 接喷射式发动机系统。示例性的发动机10包括具有可在气缸中滑动地移动的往复式活塞的多缸四冲程 内燃机，气缸限定了可变容积的燃烧室。每个活塞都连接到旋转的曲轴，活塞的线性往复运 动通过曲轴转变成旋转运动。进气系统向进气歧管提供进气，进气歧管将进入进气流道中 的空气引导并分配到每个燃烧室。进气系统包括气流管道系统和用于监视与控制气流的装 置。进气装置优选地包括用于监视空气质量流量和进气温度的空气质量流量传感器。节气 门优选地包括响应于来自控制模块5的控制信号控制通向发动机的气流的电控装置。进气 歧管中的压力传感器适合于监视歧管绝对压力和大气压力。优选地包括排气歧管39的排 气带走系统将废气供应流带走并引导到排气后处理系统70。外部的流道使废气从发动机排 气再循环到进气歧管，外部的流道具有流动控制阀，被称为废气再循环阀。通过控制废气再 循环阀的开度，控制模块5起作用以控制通向进气歧管的废气的质量流量。 每个气缸和燃烧室对应至少一个进气门和一个排气门，优选地每个进气和排气门 都有一个气门致动器。每个进气门当打开时可以允许空气和燃料流入对应的燃烧室。每个 排气门当打开时可以允许燃烧副产物从对应的燃烧室流出到后处理系统70。
发动机可以包括燃料喷射系统，燃料喷射系统包括多个高压燃料喷射器，每个高 压燃料喷射器都适合于响应于来自控制模块5的信号将一定量燃料直接喷射到燃烧室之 一中。从燃料分配系统向燃料喷射器供应增压的燃料。发动机可以包括火花点火系统，响应于来自控制模块5的信号，通过火花点火系统将火花能量提供给火花塞以点燃或帮助点 燃每个燃烧室中的气缸充气。示例性的发动机10优选地配备有用于监视发动机运行和废气的各种感测装置。 废气传感器监视废气供应流，并且在一个实施例中可以包括空燃比传感器。电能存储装置55构造成向氧分离器装置48供电，并且通过电缆7和8电连接到 氧分离器装置48，电能存储装置55由控制模块5控制。电能存储装置55可以包括本领域 中已知的任何电能存储装置，包括蓄电池、燃料电池和/或电容器系统。电流可以在电能存 储装置55和氧分离器装置48之间流动，如在下文中描述的。控制模块5控制电流通过电 缆7和8从电能存储装置55向氧分离器装置48的传输。控制模块5执行存储在其中的算法代码以控制致动器控制发动机运行，包括节气 门位置、火花正时、燃料喷射质量和正时、进气和/或排气门正时和定相、和控制再循环废 气的流动的废气再循环阀位置。气门正时和定相可以包括负的气门重叠和重开启的排气门 的升程(在排气再呼吸策略中)。控制模块5适合于接收来自操作者的输入信号(例如，油门 踏板位置和制动踏板位置)以确定操作者转矩要求，和来自表明发动机转速和进气温度和 冷却剂温度及其他环境条件的传感器的输入信号。控制模块、模块、控制器、处理器和类似术语意指一个或多个专用集成电路 (ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理器(优选为微处理器)和相 关的存储器和贮存器(只读的、可编程只读的、随机存取的、硬盘驱动器等等)，组合逻辑电 路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节和缓冲电路、和提供所描述功能的其他合适部 件中的任何合适的一种或不同组合。控制模块5具有一套控制算法，包括存储在存储器中 并被执行以提供所需功能的常驻软件程序指令和标定。算法优选地在预定循环期间执行。 算法例如通过中央处理器执行，并可操作以监视来自感测装置和其他联网控制模块的输 入，并执行控制和诊断程序以控制致动器的操作。可以在正在进行的发动机和车辆运行期 间以规律的间隔执行循环，例如每3. 125、6.25、12.5、25和100毫秒。作为另一种选择，可 以响应于事件的出现执行算法。排气后处理系统70包括氧分离器装置48和三元催化转化器50。氧分离器装置 48优选地紧密结合到排气歧管39并连续地和流体连通地连接在三元催化转化器50的上 游。氧分离器装置48构造成从废气供应流分离元素氧，并且优选地通过排出口将其排出到 大气。作为另一种选择，可以使分离的元素氧再循环到发动机10的进气系统。三元催化转 化器50包括至少一个金属或陶瓷基底，所述基底具有包括催化材料的载体涂层，催化材料 氧化、吸附、解除吸附和/或还原废气供应流中的组元。排气后处理系统70可以配备有用于监视来自发动机10的废气供应流的各种感测 装置，包括信号连接到控制模块5的NOx和氧传感器。NOx传感器检测废气供应流中的NOx 分子并确定其数量。氧传感器检测废气供应流中的游离氧分子并确定其数量。在一个实施 例中，在排气后处理系统70中包括温度传感器并且温度传感器信号连接到控制模块5以监 视废气供应流和/或三元催化转化器50的温度。在发动机运行期间，示例性的发动机10产生废气供应流，废气供应流包含可以在 后处理系统中转化的组元，组元尤其包括碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx) 和微粒物质(PM)。三元催化转化器50构造成还原包含在化学计量的废气供应流中的组元。
6三元催化转化器50将NOx还原成&和队，并同时使HC和CO氧化以形成(X)2和水，如在下 面的反应中描述的。NOx - N2+ O2[1] HC+ O2 — H20+C02 [2]
C0+02 — CO2[3]
反应[1]描述了在存在催化剂的情况下将NOx分离或还原成分子氮( )和分子氧(O2) 的反应。反应[2]和[3]描述了将不完全燃烧产物，HC或C0，与氧结合以形成完全燃烧产 物，例如0)2和水的氧化反应。在化学计量的废气条件期间，反应[1]产生的氧将被反应[2] 和[3]同时消耗以氧化CO和HC。然而，显然，在构造成没有在上面描述的氧分离器装置48的后处理系统中，当废 气供应流中存在的氧增加时，如所述通过反应[1]的NOx的还原在三元催化转化器50中减 少。一般地，化学反应以由各种物质的浓度决定的速率进行。较高的反应物物质的浓度和 较低的产物物质的浓度导致较快的反应速率。较低的反应物浓度和较高的产物浓度导致较 慢的反应速率。由于氧是上面的反应[1]的产物，排气流中氧的存在将抑制由反应产生更 多的氧。因而，在废气供应流中存在的氧抑制了如反应[1]所述的NOx还原，并导致NOxW 排气后处理系统70漏过。氧分离器装置48将氧从废气供应流分离，从而允许三元催化转 化器50将NOx转化成N2和氧，如在上面的反应[1]所述。氧分离器装置48包括包含在壳体模块即不锈容器中的氧分离器元件。氧分离器 元件构造成选择地将包含在废气供应流中的氧分子分离。氧分离器元件的实施例可以与包 含各实施例的本公开一致地使用，其中氧分离器元件包括多孔膜元件，如图2中所示，和致 密膜元件，如图3A和;3B中所示。与致密膜元件相比，多孔膜元件具有相对较高的渗透性和 相对较低的选择渗透性。氧作为氧分子转移通过多孔膜元件，而氧作为氧的离子形式转移 通过致密膜元件。致密膜元件可以具有任何合适的氧传导率，例如在大约0. 01至2欧姆―1 厘米―1的范围中的传导率。在氧分离器装置48中可以包括多种形状构造的氧分离器元件， 包括平面的和圆柱形形状的构造，如在下面描述的且在图4 - 7中所示的。另外，氧分离器 元件可以具有任何合适的厚度，优选地在大约10至1000微米之间的范围。图2表示可用来选择地分离氧分子的氧分离器元件22的示例性的第一实施例。 氧分离器元件22的第一实施例是多孔膜元件。氧分离器元件22的第一实施例优选地由陶 瓷碳化硅(SiC)基底构成并被覆以氧化铝、硅石和沸石之一。如图2所示，氧分离器元件22 的第一实施例可以包括多个不对称地构造的多孔膜元件。氧分离器元件22的第一实施例 通过从多孔膜元件的第一侧到第二侧的扩散、粘性流和表面扩散转移氧分子(02)，其中第 一侧与废气供应流接触。可以用含尘气体模型来估计扩散、粘性流和表面扩散的速率以定 量地估计通过多孔膜元件的氧转移。为了确定其尺寸的适当表面积，意识到基于优选的氧 渗透速率预先确定多孔膜元件的孔隙尺寸。在操作中，当正压差存在于多孔膜元件的第一 侧和第二侧之间时，氧透过多孔膜元件，其中第二侧对应于较低的压力，第一侧对应于较高 的压力。图3A和;3B表示氧分离器元件22'和22"的第二和第三示例性的实施例，它们可 用来选择地分离氧分子。氧分离器元件22'和22"的第二和第三实施例是致密膜元件，其 包括被涂覆以氧化锆和钙钛矿材料中的至少一种的基底。氧分离器元件22'的第二实施例是混合的离子-电子导体致密膜元件，其在图3A中示出。氧分离器元件22"的第三实施例 是离子导体固体电解质类型的致密膜元件22"，其在图:3B中示出。混合的离子-电子导体 膜具有相对高的离子电导率和相对高的导电率，而离子导体固体电解质膜具有相对高的离 子电导率和相对低的导电率。因而，离子导体固体电解质膜22"电结合到电极，电极包括结 合到膜的第一侧的阳极21和结合到膜的第二侧的阴极23。阳极和阴极电极21和23通过 电缆7和8连接到电能存储装置55。阳极21和阴极23之间的电势吸引氧分子的离子形式 并使其透过离子导体固体电解质膜。来自电能存储装置阳的电能驱动离子导电过程，因而 能实现对氧透过离子导体固体电解质膜22"的控制。氧分离器元件22'和22"的第二和 第三实施例不需要正压差来实现氧分离。氧分离器元件22'和22"的第二和第三实施例包括由多种材料之一构成的基 底，所述多种材料包括聚合物和陶瓷材料。聚合物基底优选地在200°C和250°C之间的温度 操作，而陶瓷基底在相对较高的温度操作，例如高达800°C。基底可以被涂覆以氧化锆和钙 钛矿材料如锶/镁掺杂的镓酸镧(LSGM)中的至少一种。可以用氧化钇或氧化钪使氧化锆稳定。具有高电子电导率以及高的氧输送性质的任何合适的电极材料都可以用于阳极 21和阴极23。例如，可以使用银、钼、镧-锶-镁(LSM)氧化物、镧-锶-钴(LSC)氧化物。 与LSC氧化物相比，LSM氧化物具有相对较高的电导率和热力相容性。阳极21和阴极23 可以具有任何合适的厚度。阳极21和阴极23在任何合适的电流密度操作，在一个实施例 中范围在0. 05和2安培/厘米2之间。在一个实施例中，阳极21和阴极23是多孔的电极 层。图4和5分别表示包括氧分离器元件22的第一实施例的氧分离器装置48的平面 的和圆柱形形状的构造。第一流道M构造成允许废气流过氧分离器装置48，籍此氧分子 可以通过扩散、粘性流和表面扩散透过氧分离器元件22的第一实施例并进入第二流道26。 第二流道沈优选地连接到排出口 28，排出口观构造成允许氧从氧分离器装置48流出。图4中所示的氧分离器装置48包括壳体25，壳体25具有以平面方式布置且将第 一流道M与第二流道沈分开的氧分离器元件22的第一实施例。第一流道M优选地紧密 结合到排气歧管39并将废气供应流从发动机10带走。氧分离器元件22的第一实施例以阻 止废气直接从第一流道M流到第二流道沈的方式将第一流道M与第二流道沈分开。在 操作中，当正压差存在于与第一流道M相关联的氧分离器元件22第一侧和与第二流道沈 相关联的第二侧之间时，氧透过氧分离器元件22，其中第二侧对应于较低的压力，第一侧对 应于较高的压力。图5中所示的氧分离器装置48包括壳体25，壳体25具有以圆柱形构造布置且将 第一流道M和第二流道沈分开的氧分离器元件22的第一实施例。壳体25优选地通过细 长的元件或辐条连接到氧分离器元件22的第一实施例，细长的元件或辐条布置成将氧分 离器元件22的第一实施例与壳体25分开并将氧分离器元件22的第一实施例支撑在壳体 25上以允许氧通过氧分离器元件22流到第二流道沈和排出口 28。图6和7分别表示氧分离器装置48的平面和圆柱形构造，氧分离器装置48包括 氧分离器元件22"的第三实施例和氧分离器装置48中的阳极与阴极电极21和23，氧分离 器元件22"的第三实施例构造成包括离子导体固体电解质膜。氧分离器装置48包括设置在电极之间的氧分离器元件22"的第三实施例，所述电极包括阳极21和阴极23。阳极和阴 极电极21和23位于氧分离器元件22"的第三实施例的相反两侧，使电压能被施加在氧分 离器元件22"的第三实施例的表面两侧。电极例如电缆7和8可以连接到电源如电能存储 装置55以将电流传输到阳极和阴极电极21和23。第一流道M构造成允许废气流过氧分 离器装置48，籍此氧分子可以透过氧分离器元件22"的第三实施例并流入第二流道26。排 出口观允许氧分子离开氧分离器装置48。图6中所示的氧分离器装置48的平面构造包括布置在壳体25中的第一流道M 和第二流道26。氧分离器装置48以构造成阻止废气从第一流道M流到第二流道沈的方 式将第一流道M与第二流道26分开。图7中所示的氧分离器装置48的圆柱形构造包括布置在氧分离器装置48的壳体 25和氧分离器元件22"的第三实施例之间的第二流道26。壳体25优选地通过细长的元件 或辐条连接氧分离器元件22"的第三实施例，细长的元件或辐条布置成将氧分离器元件22 “的第三实施例与壳体25分开并将氧分离器元件22"的第三实施例支撑在壳体25上以允 许在壳体25和氧分离器元件22"的第三实施例之间的氧流动。在稀混合气发动机运行期间，发动机10产生包括NOx排放物和氧的废气供应流。 氧分离器装置48将氧分子从废气供应流分离，且三元催化转化器50将废气供应流中的NOx 排放物还原成氮和氧。在包括离子导体固体电解质膜22"的氧分离器装置48的实施例中， 控制模块5控制电能存储装置55将电能传输到膜22"，从而使氧能从废气供应流分离。本发明已经描述了某些优选实施例及其变型。在阅读和理解说明书的时能想到其 他变型和变化。因而，本发明不局限于作为打算实现本发明的最佳方式披露的特定实施例， 而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的全部实施例。
权利要求
1.设备，包括构造成以稀空燃比运行的内燃机，所述内燃机流体连通地连接到排气后处理系统，所 述排气后处理系统包括流体连通地连接在三元催化转化器上游的氧分离器装置。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述氧分离器装置包括氧分离器元件，其构造成将氧从废气供应流分离。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述氧分离器元件包括多孔膜元件，所述多孔膜元 件包括被涂覆以氧化铝、硅石和沸石中的至少一种的碳化硅。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述氧分离器元件包括多个不对称地构造的多孔 膜元件。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述氧分离器元件利用扩散过程将氧从所述废气 供应流分离。
6.如权利要求4所述的设备，其中所述氧分离器利用粘性流过程将氧从所述废气供 应流分离。
7.如权利要求4所述的设备，其中所述氧分离器元件利用表面扩散过程将氧从所述 废气供应流分离。
8.如权利要求2所述的设备，其中所述氧分离器元件包括致密膜元件，所述致密膜元 件包括碳化硅并被涂覆以氧化锆和钙钛矿材料中的至少一种。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述致密膜元件是混合的离子-电子导体膜。
10.用于还原来自内燃机的NOx排放物的方法，所述方法包括选择地使所述内燃机在化学计量法的稀混合气侧运行；在稀混合气内燃机运行期间在三元催化转化器上游从废气供应流分离氧分子；和利用所述三元催化转化器还原所述废气供应流中的NOx排放物。
全文摘要
本发明涉及用于从内燃机的废气后处理的方法及设备。一种设备具有构造成以稀空燃比运行的内燃机，并且包括排气后处理系统，排气后处理系统包括流体连通地连接在三元催化转化器上游的氧分离器。
文档编号B01D53/22GK102146829SQ20111002965
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者R·P·杜雷特 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司