专利名称：火花点火直接喷射内燃机的排气后处理的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及火花点火直接喷射内燃机的排气后处理系统。
背景技术：
以稀于化学计量比操作的火花点火内燃机的已知后处理系统包括紧邻发动机安 装的一个或多个三效催化转化器、以及安装在底板下位置的NOx吸附器转化器，NOx吸附器 转化器也称为稀NOx捕获器(下文称为LNT装置)。已知三效催化转化器用以在冷启动操 作期间和化学计量比发动机操作期间减少发动机排出的HC、C0和NOx排放物。通过在稀操 作期间吸附NOx且在浓操作期间将所存储的NOx解吸和还原为氮气，已知LNT装置在稀发动 机操作期间操作减少NOx排放物。已知LNT装置具有从约250°C至450°C的操作温度范围， 在高于和低于所述温度范围时效率降低。在暴露于约850°C的排气供应流温度时，已知LNT 装置经受热损坏，从而降低LNT装置的效率。已知LNT装置的效率可能由于暴露于燃料中 存在的成分(包括硫)而降低。
发明内容
一种设备，包括火花点火直接喷射内燃机，所述内燃机能选择性地以稀于化学计 量比的空气/燃料比操作且直接流体地连接到排气后处理系统。所述排气后处理系统主要 包括邻接转化器元件的电热加热元件，其中，没有其它的排气后处理装置设置在发动机和 排气后处理系统之间。因而，控制系统包括控制模块，所述控制模块信号地连接到适合于监 测转化器元件温度的传感装置，并操作性地连接到发动机且可操作将电热加热元件连接到 电功率源。
现在将参考附图通过示例描述一个或更多的实施例，在附图中图1和2是根据本发明的发动机和排气后处理系统的示意图。
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说明某些示例性实施方式，而非为了 限制于此，图1和2示意性地示出了根据本发明的实施方式构造的内燃机10、控制模块5和 排气后处理系统45。在实施例中，相同的附图标记表示相同的元件。本文描述排气后处理 系统45的四个实施例，称为45A、45B、45C和45D。示例性发动机10包括以包括进气、压缩、 做功和排气冲程的重复燃烧循环操作的多缸火花点火直接喷射四冲程内燃机。发动机10 选择性地以化学计量比空气/燃料比和基本上稀于化学计量比的空气/燃料比操作。本发 明可应用于各种内燃机系统和燃烧循环。发动机10包括多个气缸，气缸具有可在气缸中滑动移动的往复活塞14和气缸盖 15。气缸、活塞14和气缸盖15限定可变容积燃烧室16。每个活塞14连接到旋转曲轴12，
4活塞14的线性往复运动通过旋转曲轴12转换成曲轴12处的旋转运动。曲轴传感器13监 测曲轴12的旋转位置和速度。一个或多个进气阀20控制从进气通道29进入每个燃烧室 16的空气流量。一个或多个排气阀18控制从每个燃烧室16经由排气通道39至排气歧管 40的排气流量。进气阀20和排气阀18的开启和关闭优选用双凸轮轴(如图所示)控制， 双凸轮轴的旋转由曲轴12的旋转来关联和标引。空气进气系统将进气空气提供给进气歧管30，进气歧管30将空气引导和分配到 进气通道29，进气通道29经过进气阀20 (在开启时)通向燃烧室16。空气进气系统包括 用于监测和控制至进气通道29的空气流量的空气流管道和装置。所述装置优选包括用于 监测空气质量流量和进气空气温度的空气质量流量传感器32。节气门阀34，优选包括电子 控制装置，响应于来自于控制模块5的控制信号(ETC)控制至发动机的空气流量。进气歧 管30中的压力传感器36适合于监测歧管绝对压力和大气压力。外部流动通道(未示出) 将排气从排气通道39再循环到进气歧管30，外部流动通道具有流量控制阀，包括排气再循 环阀38 (下文称为EGR阀)。EGR阀38优选包括可控可变流量阀，由从控制模块5输出的 控制信号(EGR)控制。燃料喷射系统包括多个燃料喷射器28，每个燃料喷射器28适合于响应于来自于 控制模块5的控制信号(INJ Pff)将一定质量的燃料直接喷射进一个燃烧室16中。燃料喷 射器28从燃料分配系统(未示出)供应增压燃料。每个燃料喷射器28可操作将燃料质 量以每个燃烧循环单个脉冲的形式或者以每个燃烧循环多个脉冲的形式喷射到燃烧室16 中。在每个起用气缸事件期间，通过结合喷射燃料、进气空气、以及残余和再循环排气，在每 个燃烧室16中形成气缸充气。燃烧传感器24优选监测燃烧室16中的燃烧状态。火花点火系统包括点火模块(未示出)，火花塞26响应于来自于控制模块5的点 火信号(IGN)在燃烧室16中产生火花能量，以点火或帮助点火气缸充气。在特定操作条件 下，火花点火系统可以被禁用，从而允许发动机10的受控自动点火操作。排气歧管40流体地连接到排气排泄管48，排气排泄管48直接流体地连接到排气 后处理系统45。即，没有其它排气后处理装置(例如，紧密联接的三效催化剂)置于发动 机和排气后处理系统45之间。排气供应流从发动机10的排气阀18通过排气歧管40流向 排气排泄管48，直接到达排气后处理系统45，且优选通过噪音削弱系统(未示出)至大气。 第一传感器42监测发动机排出的排气供应流，优选监测可与发动机排出的空气/燃料比相 关的参数状态以及发动机排出的排气成分。排气后处理系统45优选位于车辆底板下的位置中车辆发动机舱之外，使得排气 后处理系统45的转化器元件46位于距排气阀18的预定距离处，没有其它排气后处理装置 置于发动机和排气后处理系统45之间。针对给定应用，确定距排气阀18的预定距离，使 得在正常发动机操作期间进入转化器元件46的排气供应流温度小于大约750°C。因而，在 正常发动机操作下指的是包括发动机10的可实现速度/负载操作点和可控空气/燃料比。 发动机速度可以从发动机怠速速度至发动机红线(通常约600RPM至7000+RPM)的范围， 发动机负载可以从关闭节气门状况至宽开启节气门状况的范围，例如，BMEP从Obar至大于 13bar的范围，空气/燃料比可以从浓空气/燃料比至稀空气/燃料比操作的范围。例如， 在一个应用中，转化器元件46置于距发动机10的排气阀18大约0. 7米的距离处，以便确保在正常发动机操作和保持宽开启节气门操作期间进入转化器元件46的排气供应流温度 小于大约750°C。正常发动机操作排除了在存在导致一个或多个燃烧室16中不点火或不供 应燃料的情况下的发动机操作。第二传感器50监测排气后处理系统45下游的排气供应流。排气供应流的监测包 括，例如，监测可与发动机排出的空气/燃料比相关的参数状态、监测排气供应流的成分、 或监测排气后处理系统45的操作特性(例如，温度)。第二传感器50优选产生由控制模块 5监测的输出信号。从第二传感器50输出的信号可以用于控制和诊断发动机10和排气后 处理系统45。第三传感器53，优选包括温度传感器，位于转化器元件46中，用于监测其操作温 度。第三传感器52优选产生由控制模块5监测的输出信号。加热元件44优选包括电热装置，包括具有蜂窝结构的电阻金属箔基底，所述蜂窝 结构具有多个流通蜂窝。流通蜂窝的密度优选大约16-186蜂窝每平方厘米(100-1200蜂窝 每平方英寸)。电流通过电极47经过加热元件44。通过电极47的电流经由电流控制装置 49控制。电流控制装置49优选包括高功率开关装置，例如，功率晶体管，响应于从控制模块 5输出的控制信号(EHC PWM)将来自于车辆电气系统的电功率(V+)连接到电极47。加热 元件44经由传递给与其接触的排气供应流的辐射和传导热而将热传递给排气供应流。包 括催化活性材料的涂层优选化学沉积在加热元件44的金属箔基底的表面上，催化活性材 料例如钼族金属(下文称为PGM)，例如Pt、Pd和Rh。排气后处理系统45A的第一实施例包括加热元件44和转化器元件46。没有其它 排气后处理装置置于发动机和排气后处理系统45B之间。转化器元件46包括催化NOx吸 附器，其中，基底(未示出)用催化活性材料(称为稀NOx还原催化剂)涂层。基底优选 包括由蜂窝密度大约62-93蜂窝每平方厘米(400-600个蜂窝每平方英寸)且壁厚3至7 密耳的堇青石形成的单体元件。基底的蜂窝包括流动通道，排气流经所述流动通道以接触 催化活性材料，以实现硝酸盐的吸附和解吸、氧存储、以及排气供应流中的成分的氧化和还 原。基底优选用含有碱和/或碱土金属化合物(例如Ba和K)的涂层涂覆，可操作将NO5J^ 吸为在稀发动机操作期间产生的硝酸盐。涂层还可以包含催化活性材料(例如PGM，包括 Pt、Pd和Rh)和添加剂(例如，Ce、Zr和La)。在浓发动机操作下，排气供应流中存在过量 还原剂(C0、H2、HC)，且所吸附的硝酸盐被解吸。解吸的硝酸盐被催化活性部位处的过量还 原剂还原。Ba和K的示例性负载是大约5-25wt%，示例性PGM负载为=Pt :30_120g/ft3 ； Pd :5-50g/ft3 ；Rh :3-20g/ft3。需要钼来将NO氧化为N02，作为发动机排出的NOx形成硝 酸盐的必要步骤通常包括>90%的NO。转化器元件46 (包括催化NOx吸附器)的示例性 工作温度窗是从约250°C至500°C。在小于约250°C的转化器元件46温度时，NO至N02氧 化动力会过慢而不能有效地氧化排气供应流中的硝酸盐，在浓于化学计量比的发动机操作 下的NOx还原动力过慢而不能在持续的发动机操作期间及时有效地再生NOx存储部位。在 大于约500°C的温度时，硝酸盐变得不稳定，甚至在稀于化学计量比的发动机操作下也是如 此，使得转化器元件46不能有效地存储硝酸盐。因而，将转化器元件46保持在工作温度窗 内对于以实现排放目标所需的水平进行NOx还原是期望的。涂层在稀发动机操作期间吸附 NOx分子，且在产生浓排气供应流的发动机操作期间解吸和还原NOx分子。控制模块5在一 定时间段内选择性地以浓空气/燃料比控制发动机10。浓操作的时间段基于从转化器元件46解吸所吸附的NOx所需的经过时间、基于转化器元件46的尺寸以及基于其它因素来 确定。在存在PGM以及Ce和&涂层成分时，转化器元件46在化学计量比发动机操作条件 时用作三效催化剂。排气后处理系统45B的第二实施例包括加热元件44和转化器元件46’。在此，如 同其它实施例一样，没有其它排气后处理装置置于发动机和排气后处理系统45B之间。转 化器元件46’包括颗粒过滤器与稀NOx还原催化剂相结合，也称为颗粒过滤器NOx还原装 置(PNR)。陶瓷基底(未示出)优选包括蜂窝密度大约31-47蜂窝每平方厘米(200-300个 蜂窝每平方英寸)且壁厚3至7密耳的单体堇青石基底。基底的交替蜂窝在一端堵塞。基 底的壁具有高孔隙率(例如，大约55%的孔隙率或者更高，其中，平均孔尺寸大约25微米) 以允许排气的流动和NOx吸附器催化剂的渗透。陶瓷基底优选用含有碱和碱土金属化合物 (例如Ba和K)的涂层涂覆，可操作将NOx存储为在稀于化学计量比的发动机操作期间产生 的硝酸盐。涂层还可以包含催化活性材料(即PGM，包括Pt、Pd和Rh)和添加剂(例如，Ce、 Zr 禾口 La) ο系统的第三实施例和第四实施例在图2中示出。第三实施例和第四实施例也没有 其它排气后处理装置置于发动机和相应排气后处理系统45C或45D之间。排气后处理系统 45C的第三实施例包括加热元件44、包括稀NOx还原催化剂的转化器元件46、以及选择性催 化还原装置60。排气后处理系统45D的第四实施例包括加热元件44、包括颗粒过滤器NOx 还原装置的转化器元件46’、以及选择性催化还原装置60。选择性催化还原装置60包括沸 石催化剂，沸石催化剂包括用具有离子交换到沸石栅格结构中的Cu和Fe之一的涂层涂覆 的陶瓷基底。基底包括蜂窝密度大约62-93蜂窝每平方厘米(400-600个蜂窝每平方英寸) 且壁厚3至7密耳的单体结构。选择性催化还原装置60用于吸附在再生稀NOx还原催化 剂期间释放的气态氨。第三实施例和第四实施例每个可以包括可操作监测选择性催化还原 装置60下游的排气供应流的第四传感器50’。排气供应流的监测包括，例如，监测可与发动 机排出的空气/燃料比相关的参数状态、监测排气供应流的成分、或监测排气后处理系统 45的操作特性(例如，温度)。第四传感器50’优选产生由控制模块5监测的输出信号，所 述输出信号可以用于控制和诊断发动机10、排气后处理系统45和选择性催化还原装置60。 第四传感器50’可以与第二传感器50结合使用，或者取代第二传感器50使用。控制模块5优选地包括通用数字计算机，通用数字计算机包括微处理器或中央处 理单元、存储介质(包括非易失性存储器、随机存取存储器(RAM)，非易失性存储器包括只 读存储器(ROM)和电可编程只读存储器(EPROM))、高速时钟、模数(D/A)和数模(A/D)电 路、输入/输出电路和装置(I/O)以及合适的信号调节和缓冲电路。控制模块5具有一组 控制算法，所述控制算法包括存储在非易失性存储器中并被执行以提供用于控制发动机10 的各自功能的常驻程序指令和标定值。所述算法通常在预定循环期间被执行使得每个算法 在每个循环中至少被执行一次。算法由中央处理单元执行，且可操作监测来自前述传感装 置的输入并且执行控制和诊断程序从而用预定标定值控制致动器的操作。在持续进行的 发动机和车辆操作期间，循环通常以规则间隔例如每3. 125,6. 25,12. 5、25和100毫秒被执 行。替代性地，算法可响应于事件的发生而被执行。操作中，控制模块5监测来自于前述传感器的输入以确定发动机参数状态。控制 模块5执行存储在其中的算法代码，以控制前述致动器来形成气缸充气，包括控制节气门位置、火花点火定时、燃料喷射质量和定时、控制再循环排气流量的EGR阀位置、和进气和/ 或排气阀定时和定相(在如此配备的发动机上)。在持续车辆操作期间，控制模块5可以操 作打开和关闭发动机10，且可以通过控制燃料和火花而操作选择性地停用一个或多个燃烧 室16。发动机10优选在低负载驱动条件和怠速下以稀于化学计量比操作，且在高速高 负载条件下以化学计量比操作。在稀操作期间，对于汽油来说，发动机优选被控制为大约 25 1至40 1的空气/燃料。在发动机升温期间(例如在冷启动之后)，通过以延迟火 花定时和每个燃烧事件多个燃料脉冲来操作发动机10，可以实现升高的排气供应流温度。 基于预定条件(例如，当第三传感器52指示转化器元件46的温度小于最佳效率的优选温 度时)，控制模块5可以控制发动机10以升高排气供应流温度且通过致动电流控制装置49 来操作加热元件44，以快速地加热转化器元件46。控制模块5执行算法代码，以基于第一传感器42的输出和存储在控制模块5的存 储器装置中的预定标定值来确定排气供应流参数状态，以控制发动机10和监测发动机10 的操作。控制模块5执行算法代码，以基于第一传感器42、第二传感器50、第三传感器52、 第四传感器50’(在使用时)的信号输出和存储在控制模块5的存储器装置中的预定标定 值来确定排气供应流参数和排气后处理系统45的状态，以监测发动机10和排气后处理系 统45的操作，包括发动机控制和诊断。在操作中，在发动和启动发动机10之后，控制模块5控制发动机10的操作和电流 控制装置49的操作以加热排气后处理系统45。这优选包括针对每个燃烧事件对每个燃烧 室16使用多个燃料喷射脉冲来操作发动机10，且延迟火花点火定时以增加排气供应流的 温度。同时，控制模块5控制电流控制装置49以将电功率传输给加热元件44。这称为催化 剂加热模式。控制模块5监测来自于第三传感器52的信号输入，且当第三传感器52指示 转化器元件46的温度超过预定阈值(例如，大约300°C)时，控制模块5中止控制电流控制 装置49，并以正常发动机操作模式控制发动机10的操作，以优化动力和燃料经济性，并中 止催化剂加热模式。当用于可以发动机停/启模式操作的车辆上(例如，在采用混合动力 系统的车辆上)时，控制模块5可以在单个行程期间多次发动和启动发动机10。转化器元件46的转化效率可能会由于硫沉积在催化剂基底的表面上而降低。形 成稳定硝酸盐的化合物(例如，碱和碱土金属化合物)形成稳定的硫酸盐。因而，转化器元 件46中的NOx存储成分在暴露于排气流中的含硫化合物时形成硫酸盐，从而降低其NOx存 储容量。从转化器元件46通过称为脱硫的过程去除硫，脱硫基于发动机操作条件和燃料中 的硫含量定期地命令。脱硫过程包括控制发动机10和加热元件44的操作，以将转化器元 件46加热至升高的温度(通常大于大约700°C )，且将转化器元件46暴露于浓排气供应流。 加热元件44和发动机在一定时间段内被控制以实现升高温度和浓空气/燃料比排气供应 流，以优选在不影响发动机输出扭矩的情况下使转化器元件46脱硫。本发明已经描述某些优选实施例及其变型。在阅读和理解说明书之后，可以想到 其它的变型和变化。因而，本发明并不旨在限于用于实施本发明所构想的最佳模式公开的 具体实施例，而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
一种设备，包括火花点火直接喷射内燃机，所述内燃机能选择性地以稀于化学计量比的空气/燃料比操作且直接流体地连接到排气后处理系统；排气后处理系统，所述排气后处理系统主要包括邻接转化器元件的电热加热元件，其中，没有其它的排气后处理装置设置在发动机和排气后处理系统之间；以及控制系统，所述控制系统包括控制模块，所述控制模块信号地连接到适合于监测转化器元件温度的传感装置，并操作性地连接到发动机且可操作将电热加热元件连接到电功率源。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，排气后处理系统位于距发动机的一定距离处，使 得在正常发动机操作期间进入转化器元件的排气供应流的温度小于750°C。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，转化器元件位于距内燃机的排气阀至少0.7米的 距离处。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，转化器元件包括陶瓷基底，所述陶瓷基底具有涂 层，所述涂层包含由钼、钯和铑构成的金属以及由钡和钾之一构成的碱和/或碱土金属化 合物中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，控制模块可操作控制电流控制装置，以在从传感 装置输出的信号指示转化器元件的温度小于预定阈值时将电热加热元件连接到电功率源。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，控制模块可操作选择性地以浓于化学计量空气/ 燃料比的空气/燃料比控制内燃机且可操作将电热加热元件连接到电功率源，以在预定时 间段内将进入转化器元件的排气供应流温度控制为大约700°C，以便使转化器元件脱硫。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，当在持续的车辆操作期间发动机关闭时，控制模 块可操作选择性地将电热加热元件连接到电功率源。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，在一定时间段内，控制模块可操作选择性地以化 学计量比空气/燃料比控制内燃机，所述时间段被确定以从转化器元件大致解吸所吸附的 NOx。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，电热加热元件包括金属钼基底，所述金属钼基底 具有化学沉积到其表面上的涂层。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，涂层包括催化活性材料。
11.一种设备，包括火花点火直接喷射内燃机，所述内燃机能选择性地以稀于化学计量比的空气/燃料比 操作且直接流体地连接到排气后处理系统；排气后处理系统，所述排气后处理系统主要包括邻接催化NOxK附器装置的电热加热 元件，其中，没有其它的排气后处理装置设置在发动机和排气后处理系统之间；以及控制系统，所述控制系统包括控制模块，所述控制模块信号地连接到适合于监测转化 器元件温度的传感装置，并操作性地连接到发动机且可操作将电热加热元件连接到电功率 源。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，催化NOxK附器装置包括单体基底，所述单体 基底具有涂层，所述涂层包含由钼、钯和铑构成的金属中的至少一种且包含由钡和钾之一 构成的碱金属化合物。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，在一定时间段内，控制模块可操作选择性地以 化学计量比空气/燃料比控制内燃机，所述时间段基于从转化器元件解吸所吸附的NOx来 确定。
14.一种设备，包括火花点火直接燃料喷射内燃机，所述内燃机能选择性地以稀于化学计量比的空气/燃 料比操作且直接流体地连接到排气后处理系统；排气后处理系统，所述排气后处理系统主要包括邻接颗粒过滤器NOx还原催化剂的电 热加热元件，其中，没有其它的排气后处理装置设置在发动机和排气后处理系统之间；以及控制系统，所述控制系统包括控制模块，所述控制模块信号地连接到适合于监测转化 器元件温度的传感装置，并操作性地连接到发动机且可操作将电热加热元件连接到电功率 源。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，控制模块可操作选择性地以浓于化学计量空 气/燃料比的空气/燃料比控制内燃机且可操作将电热加热元件连接到电功率源，以在一 定时间段内将进入转化器元件的排气供应流温度控制为大约700°C，所述时间段被确定以 从转化器元件清除碳。
16.一种设备，包括火花点火直接喷射内燃机，所述内燃机能选择性地以稀于化学计量比的空气/燃料比 操作且直接流体地连接到排气后处理系统；排气后处理系统，所述排气后处理系统主要包括邻接转化器元件和选择性催化还原元 件的电热加热元件，其中，没有其它的排气后处理装置设置在发动机和排气后处理系统之 间；以及控制系统，所述控制系统包括控制模块，所述控制模块信号地连接到适合于监测转化 器元件温度的传感装置，并操作性地连接到发动机且可操作将电热加热元件连接到电功率 源。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，排气后处理系统位于距发动机一定距离处，使 得在正常发动机操作期间进入转化器元件的排气供应流的温度小于750°C。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，转化器元件包括颗粒过滤器NOx还原催化剂和 催化NOx吸附器装置中的一种。
19.根据权利要求17所述的设备，其中，选择性催化还原元件包括基底，所述基底具有 沸石以及涂层有铜和铁之一。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，控制系统还包括可操作监测排气后处理系统 下游的排气供应流的传感装置。
全文摘要
本发明阐述了火花点火直接燃料喷射内燃机，所述内燃机能选择性地以稀于化学计量比的空气/燃料比操作且流体地连接到排气后处理系统。所述排气后处理系统主要包括邻接转化器元件的电热加热元件。控制系统包括控制模块，所述控制模块信号地连接到传感装置，适合于监测转化器元件温度，并操作性地连接到发动机且可操作将电热加热元件连接到电功率源。
文档编号F01N3/18GK101939517SQ200980104501
公开日2011年1月5日 申请日期2009年2月4日 优先权日2008年2月8日
发明者K·纳拉亚纳斯瓦米, W·李 申请人:通用汽车环球科技运作公司