用于内燃发动机中NOx控制的被动氨选择性催化还原的制作方法

专利名称：用于内燃发动机中NOx控制的被动氨选择性催化还原的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃发动机中NOx排放后处理的控制。
背景技术：
在此部分中的描述仅仅提供与本发明相关的背景信息，且可能不构成现有技术。内燃发动机的制造商不断地开发新的发动机控制策略，以满足消费者需求并符合 各种规定。一种这样的发动机控制策略包括在化学计量比稀侧的空气/燃料比下运行发动 机，以改善燃料经济性并减少排放。这种发动机包括压缩点火发动机和稀燃的火花点火发 动机。当存在于发动机进气中的氮分子和氧分子在燃烧的高温下分解时，稀侧的发动机 运行可以生成氮氧化物(NOx)，一种已知的燃烧副产物。NOx生成速率遵循与燃烧过程有关 的已知关系，例如，较高的NOx生成速率与较高的燃烧温度以及空气分子较长时间暴露于 较高温度有关。一旦在燃烧室中生成，则NOx分子能在后处理设备中被还原成氮分子和氧分子。 已知的后处理设备的效率很大程度上依赖于运行情况，例如由排气流温度和发动机空气/ 燃料比驱动的设备运行温度。此外，后处理设备包括在使用中因为暴露于高温以及排气供 应流中的污染物而易于损坏或者退化的材料。已知的管理燃烧以增加燃料效率的发动机运行策略包括以稀侧的空气/燃料比 运行，在燃烧室内使用局部的或者分层充气的燃烧，同时在非节流状况下运行。尽管燃烧室 内的温度在燃烧凹穴内会变得足够高，以生成大量的NOx，但是燃烧室的总能量输出，特别 是通过排气流从发动机排出的热能可以从正常值显著降低。这种状况对排气后处理策略是 有挑战性的，因为后处理设备经常要求由排气流温度驱动的升高的运行温度，以便充分地 运行从而处理NOx排放。后处理系统包括产生化学反应以处理排气成分的催化设备。特别地，在汽油应用 中利用三元催化设备(TWC)来处理排气成分。稀NOx吸附器(NOx捕集器)利用了能够储 存一些量的NOx的催化剂，并且已经开发了发动机控制技术来将这些NOx吸附器与燃料高 效的发动机控制策略结合以改善燃料效率，并且仍然获得可接受的NOx排放水平。一种已 知的策略包括使用稀NOx吸附器以便在稀侧的运行期间储存NOx排放，然后在浓侧的发动 机运行情况期间使用TWC将所存储的NOx清除和还原为氮气和水。颗粒过滤器(DPF)捕捉 柴油应用中的烟煤和颗粒物，并且所捕捉的物质被周期性地在高温再生事件中清除掉。一种已知的后处理设备包括选择性催化还原设备(SCR)。SCR设备包括促进NOx 与还原剂(诸如氨或者尿素)反应的催化材料以生成氮气和水。还原剂可以被喷射到SCR 设备上游的排气供应流中，从而需要喷射系统、罐和控制方案。该罐可能需要周期的再次填 充，并且可能在寒冷气候下冻结，从而需要额外的加热器和绝缘。在SCR设备中使用的催化材料包括在钛(Ti)和基体金属(包括铁(Fe)或者铜 (Cu))上的钒(V)和钨(W)，其中具有沸石涂层。包括铜的催化材料可以在低温下有效地运行，但是已被示出在高温下具有差的耐热性。包括铁的催化材料可以在高温下很好地运行， 但是在低温下具有降低的还原剂储存效率。对于汽车应用，SCR设备通常具有在150°C到600°C的运行温度范围。该温度范围 可以依赖于催化剂而变化。在高负载运行期间或者之后，该运行温度范围可能减小。大于 600°C的温度可能引起还原剂渗漏并使SCR催化剂退化，然而在低于150°C的温度时NOx处 理效率降低。

发明内容
一种用于对从内燃发动机输出的排气供应流中的NOx排放进行还原的方法和后 处理系统，其包括催化设备，该催化设备连接在氨选择性催化还原设备的上游。该氨选择性 催化还原设备包括催化材料，该催化材料包括基体金属。发动机运行能够被调节以产生排 出发动机的排气供应流，该排气供应流包括可在催化设备上转化成氨的一氧化氮、一氧化 碳和氢气。该氨被存储在氨选择性催化还原设备上，并且被用来在发动机运行期间对排气 供应流中的NOx排放进行还原。


现在将参考附图作为示例来描述一个或多个实施例，在附图中图1是依据本发明的示例性发动机系统和后处理系统的示意图；图2以曲线示出了依据本发明的来自NOx传感器和氨传感器的作为AFR的函数的 示例性试验数据；图3是依据本发明的对来自发动机的排气供应流进行管理的控制方案；图4以曲线图示出了依据本发明的描述了氨生成量和车辆速度之间关系的示例 性试验数据；图5以曲线图示出了依据本发明的描述了累积NOx排放和车辆速度之间关系的示 例性试验数据；图6-10示意性示出了依据本发明的排气后处理系统的另外的示例性配置；图11是依据本发明的对来自发动机的排气供应流进行管理的控制方案；以及图12-16以曲线图示出了依据本发明的示例性试验数据。
具体实施例方式现在参考附图，其中描述的目的只是为了对某些示例性实施例进行说明，而并不 是为了限制所述实施例，图1示意地显示了根据本发明实施例构造的内燃发动机10、后处 理系统70和附属控制模块5。发动机10可以选择性地以浓侧的空气/燃料比(AFR)、化学 计量比AFR和以主要是化学计量比稀侧的AFR来运行。本发明可以应用于各种内燃发动机 系统和燃烧循环。在一个实施例中，后处理系统70可以连接到发动机10，该发动机耦接至机电混合 动力系统(未示出)。该机电混合动力系统可以包括配置成向车辆传动系(未示出)传输 牵引功率的扭矩机械。示例性发动机10包括具有可以在气缸15内滑动运动的往复活塞14的多缸直喷四冲程内燃发动机，气缸15限定可变容积的燃烧室16。活塞14连接旋转的曲轴12，通过 旋转的曲轴12将线性往复运动转变成旋转运动。进气系统给进气歧管四提供进气，进气 歧管四引导并分配空气进入燃烧室16的进气流道中。进气系统包括用以监测和控制空气 流的空气流管道系统和设备。进气设备优选包括用以监测空气质量流量和进气温度的空气 质量流量传感器32。节气门阀34优选包括用于响应来自控制模块5的控制信号(ETC)而 控制进入发动机10的空气流的电控设备。在进气歧管四中的压力传感器36配置成监测 歧管绝对压力和大气压力。外部流动通道使来自发动机排放的排气再循环至进气歧管29， 并且具有称为排气再循环(EGR)阀38的流量控制阀。控制模块5运行，以便通过控制EGR 阀38的开度来控制到进气歧管四的排气的质量流量。通过一个或多个进气阀20控制从进气歧管四进入到燃烧室16中的空气流。通 过一个或多个排气阀18控制离开燃烧室16至排气歧管39的排气流。发动机10装备有控 制和调整进气阀20和排气阀18的打开和关闭的系统。在一个实施例中，进气阀20和排气 阀18的打开和关闭可以通过分别控制进气和排气可变凸轮定相/可变升程控制(VCP/VLC) 设备22和M来进行控制和调整。进气VCP/VLC设备22和排气VCP/VLC设备M配置成分 别控制和操作进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。进气凸轮轴21和排气凸轮轴23的转动与 曲轴12的转动相联系并且相对于曲轴12的转动而标引，因此进气阀20和排气阀18的打 开和关闭与曲轴12和活塞14的位置相联系。进气VCP/VLC设备22优选包括这样的机构，其配置成响应于来自控制模块5的控 制信号(INTAKE)关于各气缸15切换和控制进气阀20的阀升程并且可变地调整和控制进 气凸轮轴21的定相。排气VCP/VLC设备M优选包括这样的可控机构，其可操作以响应于 来自控制模块5的控制信号(EXHAUST)关于各气缸15可变地切换和控制排气阀18的阀升 程并且可变地调节和控制排气凸轮轴23的定相。进气和排气VCP/VLC设备22和M均优选包括配置成将进气阀20和排气阀18的 阀升程或开度的大小分别控制为两个离散级中的一个的可控两级可变升程控制(VLC)机 构。两个离散级优选包括优选用于低速度和低负载运行的低升程阀打开位置(在一个实 施中为大约4-6mm)，以及优选用于高速度和高负载运行的高升程阀打开位置(在一个实施 中为大约8-13mm)。进气和排气VCP/VLC设备22和M中的每个都优选包括可变凸轮定相 (VCP)机构，以便分别控制和调整进气阀20和排气阀18的打开和关闭的定相(即，相对正 时)。调整定相是指相对于各气缸15中的曲轴12和活塞14的位置来变换进气阀20和排 气阀18的打开时间。进气和排气VCP/VLC设备22和M的VCP机构均优选具有大约60° 至90°的曲柄旋转的定相许可范围，因此允许控制模块5使进气阀20和排气阀18之一的 打开和关闭相对于各气缸15的活塞14的位置超前或延迟。相位许可的范围是由进气和排 气VCP/VLC设备22和M限定和限制的。进气和排气VCP/VLC设备22和M包括确定进气 和排气凸轮轴21和23的旋转位置的凸轮轴位置传感器(未示出)。VCP/VLC设备22和M 使用由控制模块5控制的电动液压、液压和电动控制力中的一种来致动。发动机10包括燃料喷射系统，所述燃料喷射系统包括多个高压燃料喷射器观，每 个高压燃料喷射器观配置成响应于来自控制模块5的信号将一定质量的燃料直接喷射到 燃烧室16中的一个内。从燃料分配系统(未示出)向燃料喷射器观供应加压燃料。发动机10包括火花点火系统(未示出)，通过该火花点火系统，响应于来自控制模块5的信号(IGN)，将火花能量提供给火花塞沈，用于点燃或者辅助点燃各个燃烧室16中 的气缸充气。发动机10配备各种用于监测发动机运行的传感设备，包括具有输出RPM并且运行 以监测曲轴旋转位置(即曲柄角度和速度)的曲柄传感器42，包括在一个实施例中配置成 监测燃烧的燃烧传感器30，以及配置成监测排气的排气传感器40，在一个实施例中还包括 空气/燃料比传感器。燃烧传感器30包括运行以监测燃烧参数状态的传感器设备，并被描 述为运行以监测缸内燃烧压力的气缸压力传感器。控制模块5监测燃烧传感器30和曲柄 传感器42的输出，且控制模块5确定燃烧定相，即对于每个燃烧循环且对于每个气缸15，燃 烧压力相对于曲轴12的曲柄角度的正时。控制模块5还可以监测燃烧传感器30以确定对 于每个燃烧循环及对于每个气缸15的平均有效压力(IMEP)。优选地，发动机10和控制模 块5被机械装备成(或制成)在每个气缸着火事件期间监测和确定每个发动机气缸15的 IMEP状态。可替代地，在本发明范围之内，可以使用其它传感系统来监测其它燃烧参数的状 态，例如离子传感点火系统，以及非侵入式气缸压力传感器。控制模块5执行其中储存的算法代码来控制致动器，以控制发动机的运行，包括 节气门位置、火花正时、燃料喷射质量和正时、进气阀和/或排气阀正时和定相，以及控制 再循环排气流量的排气再循环阀位置。阀的正时和定相可以包括负阀重叠和排气阀再次打 开的升程(在排气再换气策略中)。控制模块5配置成接收来自操作者的输入信号(比如 节气门踏板位置和制动器踏板位置)，以确定操作者扭矩请求和来自指示了发动机速度、进 气温度、冷却剂温度和其它周围环境情况的传感器的输入。控制模块5优选为通用数字计算机，通常包括微处理器或中央处理单元、存储介 质(包括只读存储器和电可编程只读存储器的非易失性存储器、随机存取存储器)、高速时 钟、模数转换和数模转换电路、输入/输出电路和设备、以及适当的信号调节和缓存电路。 控制模块5具有一组控制算法，包括储存在非易失性存储器中并被执行以提供所需功能的 常驻程序指令和校准。算法优选在预设循环周期期间执行。算法由中央处理单元执行并可 操作以监测来自前述传感设备的输入，并执行控制和诊断例程以使用预设的校准来控制致 动器的运行。循环周期可以以规则的间隔来执行，例如，在工作的发动机和车辆运行期间每 3. 125毫秒、6. 25毫秒、12. 5毫秒、25毫秒和100毫秒。可替代地，算法可以响应于事件的 发生而执行。在运行当中，控制模块5监测来自上述传感器的输入以确定发动机运行参数的状 态。控制模块5配置成接收来自操作者的输入信号(例如通过节气门踏板和制动器踏板， 未示出)来确定操作者扭矩请求。控制模块5监测指示了发动机速度和进气温度、以及冷 却剂温度和其它周围环境情况的传感器。控制模块5执行其中存储的算法代码来控制上述致动器以形成气缸充气，包括控 制节气门位置，火花点火正时，燃料喷射质量和正时，控制再循环排气流量的ERG阀位置， 以及在发动机上的进气阀和/或排气阀的正时和定相(如果如此配备的话)。在一个实施 例中，阀的正时和定相可以包括负阀重叠(NVO)和排气阀再次打开的升程(在排气再换气 策略中)。控制模块5可以运行，以在工作中的车辆运行期间打开和关闭发动机10，并且 可运行以便通过控制燃料和火花以及控制阀的停用来选择性地使燃烧室15的一部分或进 气阀20和排气阀18的一部分停用。控制模块5可基于来自排气传感器40的反馈来控制AFR0排气传感器40可以包含宽范围空气/燃料比传感器，其配置成产生与空气/燃料比 范围内的空气/燃料比相对应的线性信号。可替代地，在一个实施例中排气传感器40可以 包括开关类型的化学计量比传感器，其配置成产生与化学计量比的浓侧和化学计量比的稀 侧之一的空气/燃料比相对应的输出信号。排气后处理系统70与排气歧管39流体连接，并且包括催化设备48，氨选择性催化 还原(NH3-SCR)设备50。催化设备48流体且串联地连接在氨选择性催化还原设备50的上 游。优选地，催化设备48位于发动机舱中并紧密耦接到排气歧管39。优选地，NH3-SCR设 备50位于底板下的位置中，并且距离催化设备48有延长的距离，其根据发动机和排气供应 流运行温度及其他因素来确定。排气后处理系统70可以包括运行用来如下所述地氧化、吸 附、解吸、还原和燃烧排气供应流的成分的其它催化的衬底和/或捕集衬底。排气后处理系统70可以装备有各种传感设备，用于监测来自发动机10的排气供 应流，包括第一 NOx传感器49、第二 NOx传感器52、以及信号连接至控制模块5的SCR温度 传感器51。第一和第二 NOx传感器49和52检测和量化排气供应流中的NOx分子。第一 NOx传感器49检测和量化离开催化设备48并进入NH3-SCR设备50的排气供应流中的NOx 分子。排气后处理系统70可以包括额外的NOx传感器60来检测和量化进入后处理系统70 内的排气供应流中的NOx分子。在一个实施例中，在后处理系统70上仅包括有第二 NOx传 感器52。在发动机运行期间，示例性发动机10产生了包含能够在后处理系统中转化的成 分要素的排气供应流，其中包括碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和颗粒物 (PM)。在使发动机10运行在化学计量比的稀侧后，氧气(O2)存在于排气供应流中。在整 个燃烧过程中，氢气(H2)生成可以发生在发动机10中。在化学计量比的AFR或浓侧的AFR 的环境中的燃烧(其中缺乏分子氧)往往生成升高水平的分子氢。催化设备48执行大量催化功能来处理排气流。催化设备48氧化碳氢化合物(HC) 和一氧化碳(CO)。催化设备48规划成在化学计量比和浓侧的发动机运行期间生成氨。所 述规划可以涉及使用不同的催化剂(包括钼族金属，例如钼、钯、铑)，并采用具有氧气存储 能力的铈和锆的氧化物。在一个实施例中，催化设备48是三元催化转化器，其配置成在化 学计量比的发动机运行期间氧化碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)并还原NOx。NH3-SCR设备50将NOx还原成其它分子，包括如下所述的氮气和水。示例性 NH3-SCR设备50包括涂覆以沸石涂层(washcoat)的衬底(未示出)和包括催化活性基体 金属的催化材料。衬底包括堇青石或金属单块，其单元密度大约为每平方厘米62至93个单 元(每平方英寸400至600个单元)，而壁厚大约3至7密耳(mils)。衬底的单元包括流动 通道，排气流过流动通道以接触催化剂来实现氨的存储。衬底充满沸石涂层。沸石涂层也 包含催化活性的基体金属，例如铁0 )、铜(Cu)、钴(Co)、镍(Ni)。可替代地，基于钒的和 /或钛(Ti)上的钨(W)组分可以用作催化剂。铜催化剂已经显示出在低温下表现有效，例 如100°C至450°C，但具有差的耐热性。铁催化剂在高温下表现很好，例如20(TC至650°C， 但具有降低的还原剂存储能力。NH3-SCR设备50存储氨，以便对NOx排放进行还原。所存储的氨在催化材料存在 的情况下选择性地与NOx反应而生成氮气和水。下面的方程式描述了在NH3-SCR设备50 中关于氨的主要反应
4N0+4NH3+02 — 4N2+6H20[1]3N02+4NH3 ^ 3. 5N2+6H20[2]2N0+2N02+4NH3 — 4N2+6H20[3]多个二次反应可以同时发生并且依据所消耗燃料的类型而不同。这里所公开的方法是选择性并周期性地调节发动机运行以生成包括一氧化氮 (NO)、一氧化碳(CO)和氢气(H2)的排气供应流，以便在催化设备中(例如催化设备48)生 成氨。氨可以在催化设备48里从下面的方程所描述的转化过程中生成N0+C0+1. 5H2 — NH3+C02[4]本领域技术人员将认识到，这种转化在NO与分子氢反应之前需要消耗掉来自催 化设备48的分子氧。在一个实施例中，在催化设备48中当温度超过250°C时会发生充分的 转化。当内燃发动机以稀侧的运行模式(具有稀侧的AFR或过量空气)运行时，常常会存 在过多的氧气。因此，当需要在催化设备48中生成氨时，控制模块5将AFR控制到化学计 量比的AFR或浓侧的AFR以消耗排气供应流中的氧气。进一步地，选择在化学计量比和浓侧的运行范围内的AFR进一步促进了氨生成， 例如，通过按照合适比例生成一氧化氮(NO)和氢气(H2)。方程4描述了理想的氢气与一氧 化氮的比例(H2 NO)为1.5 1。然而，基于由NH3-SCR设备50提供的环境以及在催化 设备48内发生的其它反应，不同的实际比例的氢气与一氧化氮也可以生成氨。例如，在一 个实例例中优选的是，氢气与一氧化氮的比例(H2 N0)在3 1与5 1之间。调节发动机运行包括在满足操作者扭矩请求且不改变发动机输出功率的同时使 发动机10在浓侧或化学计量比下运行。一种用于使示例性发动机10运行在化学计量比的 浓侧的示例性方法可以包括在燃烧循环期间执行多燃料喷射脉冲，包括在每个压缩冲程 期间喷射第一燃料脉冲进入燃烧室16中。在第一燃料脉冲期间喷射的燃料质量基于足以 运行发动机10来满足操作者扭矩请求和其它负载要求的量来确定。在燃烧循环的其他冲 程期间，后续燃料脉冲可以喷射进入燃烧室16中，由此来产生包括一氧化氮(N0)、一氧化 碳(CO)和氢气(H2)的排气供应流以在催化设备48中生成氨。在一个实施例中，后续燃料 脉冲可以在燃烧循环的做功冲程后期执行或在燃烧循环的排气冲程早期执行，从而将在燃 烧室16中燃烧的可能性降到最小。选择在催化设备48上可以降低氢气(H2)分子相对于一氧化氮(NO)分子的比例 的催化活性材料是优选的，因为氢气需求直接与使能氨生成的后续燃料脉冲所消耗的燃料 量有关。根据试验结果的校准或根据足以精确估计发动机运行、后处理过程和转化的方法 的建模可以用于选择优选的AFR来控制氨生成。本领域技术人员将认识到，一氧化碳(CO) 的存在也必须被考虑，以便促进上面描述的反应。在NH3-SCR设备50内根据多个影响氨使用的因素可以控制或使能氨生成，包括估 计的氨存储量、估计的或检测的氨渗漏、估计的或检测的NH3-SCR设备50下游的NOx渗漏， 和有助于氨生成的发动机运行。对这些因素的监测可以通过监测一些输入来实现，包括发 动机运行、排气特性、和在NH3-SCR设备50内NOx转化效率。例如，发动机在发动机加速期 间生成较高水平的NOx和氢气。这种有助于氨生成的时间段能够被用来在对氨生成有较少 帮助的发动机运行情况下最小化对氨生成的干扰性运行。调节发动机运行以生成氨的时间段依据所需氨生成量、所用系统的特性和发动机10的特殊运行而不同。图2以曲线图示出了显示来自已知NOx传感器和已知氨传感器的作为来自发动机 10的AFR的函数的信号输出的示例性试验数据，表示了来自第一和第二 NOx传感器49和 52以及氨传感器(未示出)的信号输出。已知的NOx传感技术不在排气供应流中的NOx分 子和氨分子之间进行区分。在稀侧的发动机运行情况下，当排气供应流中存在的氨最少且 NOx分子存在时，来自NOx传感器的信号输出指示了 NOx分子，并随着AFR的增加而增大。 来自氨传感器的信号输出最小。在化学计量比的发动机运行情况下，当排气供应流中存在 的NOx分子和氨分子最少时，来自NOx传感器和氨传感器的信号输出最小。在浓侧的发动 机运行情况期间，随着AFR减小，存在的氨分子增加而排气供应流中的NOx分子最少。随着 AFR的减小，在浓侧的发动机运行期间来自NOx传感器和氨传感器的信号输出增大。因此， 在浓侧的发动机运行期间来自第一和第二 NOx传感器49和52的增大的信号输出可以用来 指示排气供应流中的氨分子。这样，在浓侧的发动机运行期间通过监测第二 NOx传感器52 的信号输出可以检测氨渗漏。在一个实施例中，关于氨生成期间增大的信号输出来监测第 二 NOx传感器52。当来自第二 NOx传感器52的信号输出增加时，控制方案200确认氨渗漏 发生。图3显示用于对发动机运行期间来自发动机10的排气供应流进行管理的控制方 案200。控制方案200被描述为多个离散的要素。这种例示是为了易于描述，并且应该认识 到由这些离散的要素所执行的功能可以被组合在一个或多个设备中，例如实施在软件、硬 件和/或专用集成电路中。例如，控制方案200可作为控制模块5中的一个或多个算法进 行执行。控制方案200包括监测排气供应流和后处理系统003)，包括使用第二 NOx传感器 52检测NH3-SCR设备50下游的NOx渗漏和氨渗漏。监测后处理系统包括使用SCR温度传 感器51监测NH3-SCR设备50的温度。在开始稀侧的发动机运行或调节发动机运行以生成氨之前，NH3-SCR设备50的 温度必须在运行温度范围内006)。在NH3-SCR设备50的一个实施例中，预定温度范围是 150°C至450°C。优选地，使用SCR温度传感器51持续监测NH3-SCR设备50的温度。当 NH3-SCR设备50的温度在预定温度范围之外时，发动机运行可以控制到化学计量比的AFR。当NH3-SCR设备50的温度在预定温度范围内时，控制方案200调节发动机运行以 生成一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)和氢气(H2)，用于氨生成009)。如上面描述那样使用 一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)和氢气(H2)在第一催化设备48中生成氨012)，并向下游 传输至NH3-SCR设备50用于存储015)。在确定NH3-SCR设备50处于氨饱和之后，控制方案200可以调节发动机运行以中 止氨生成018)。在产生了预定阈值的氨分子后或当发动机运行情况不利于氨生成时(例 如在车辆减速、发动机怠速或发动机停止期间)，也可以中止氨生成。可以基于预定的经过 时间来估计氨的饱和，或者通过监测NH3-SCR设备50下游的排气供应流来检测氨渗漏以估 计氨的饱和，或者在执行预定数目的气缸事件后确定氨的饱和。通过监测氨传感器(未示 出)的信号输出可以检测氨渗漏，氨传感器配置成监测NH3-SCR设备50下游的排气供应 流。检测氨渗漏的另一种方法包括监测第二 NOx传感器52。在浓侧的发动机运行期间，来 自第二 NOx传感器52的信号输出增大，指示了氨渗漏。在一个实施例中，可以使用模型来 估计饱和度，该模型是依据足以精确估计燃烧循环的运行、后处理过程、转化和所监测的运行情况的方法，其中所监测的运行情况包括进气的空气质量流量、AFR、发动机速度、TWC温 度、TffC老化状态、SCR设备温度和SCR设备老化状态。该模型可以依据与特定硬件应用相 对应的实验结果来校准。在确定NH3-SCR设备50处于氨饱和后，控制方案200使调节发动机运行和氨生成 中止，并且将发动机运行转换到稀侧的发动机运行(221)，导致增加的NOx排放进入到排气 流中。催化设备48还原部分NOx排放，向下游传输氧气和氮气至NH3-SCR设备50。NH3-SCR 设备50的催化剂上存储的氨与进入NH3-SCR设备50的NOx反应，因此减少NOx排放并生 成氮气和水。所存储的氨随着氨分子与NOx分子反应而消耗。当NH3-SCR设备50的催化 剂上的氨耗尽时，NOx排放未被处理地通过NH3-SCR设备50。因此，在检测到NH3-SCR设备50下游的NOx渗漏后，控制方案200优选地中止稀 侧的发动机运行(224)。来自第二 NOx传感器52的信号输出中的增大与在稀侧的发动机运 行期间离开NH3-SCR设备50的NOx排放的增加相关，并且指示了 NOx的渗漏。检测NOx渗 漏的另一种方法包括对氨的消耗建模。使用模型可以估计氨消耗和因此的NOx渗漏，该模 型是依据足以精确估计燃烧循环的运行、后处理过程、转化、和所监测的运行情况的方法， 其中所监测的运行情况包括进气的空气质量流量、AFR、发动机速度、TWC温度、TWC老化状 态、SCR设备温度和SCR设备老化状态。该模型可以依据与特定硬件应用相对应的试验结 果来校准。在确定了氨被耗尽或检测到NOx的渗漏后，控制方案200可以调节发动机运行 以生成氨(209)。图4以曲线图示出了描述氨生成量和车辆速度之间关系的示例性试验数据。在 发动机运行期间使用示例性后处理系统70通过傅立叶变换红外线分光计可以测量氨的浓 度。如图4显示的那样，在发动机加速期间，当示例性发动机10运行在化学计量比或稍浓 于化学计量比的情况下(例如AFR在13. 8 1和14.2 1之间)时，由催化设备48生成 的氨的浓度能够增加。图5以曲线图显示了这样的示例性试验数据，该示例性试验数据描述了从示例性 发动机10、催化设备48、NH3-SCR设备50排出的累积NOx排放和车辆速度之间的关系。当 示例性发动机10受控在稀侧和浓侧的变化范围之间交替时，与由示例性发动机10排出并 进入排气供应流中的NOx排放相比，从后处理系统70排出的NOx排放显著减少。图5也描 述了在催化设备48中NOx还原后，通过NH3-SCR设备50的NOx还原。上面提到的方法可以应用到使用不同排气后处理配置的发动机系统中，其中相同 的附图标记显示相同的元件。图6显示了发动机10和排气后处理系统，该排气后处理系统 包括在NH3-SCR设备50上游与TWC相结合的颗粒过滤器(PF/TWC) 48。图7显示了发动机 10和排气后处理系统，该排气后处理系统包括在NH3-SCR设备50上游的第一 TWC 48和在 NH3-SCR设备50下游的第二 TWC 48'。在NH3-SCR设备50下游的第二 TWC 48'可以包 括用于管理NH3渗漏的氧化催化剂。图8显示了发动机10和排气后处理配置，该排气后处 理配置包括TWC 48、SCR设备50 (NH3-SCR)和在NH3-SCR设备50下游的NOx吸附器设备 100 (LNT)。图9显示了发动机10和排气后处理配置，该排气后处理配置包括TWC 48和结 合有颗粒过滤器的NH3-SCR设备50 ‘。图10显示了另一个包括发动机10'和排气后处理配置的实施例，该排气后处理 配置包括紧密耦接的TWC 48和包括与NH3-SCR设备50耦接的第二 TWC 48'的底置式转化器。发动机10'优选包括端口燃料喷射发动机，其将燃料喷射到每个燃烧室(未示出)上游 的进气歧管的流道中。控制发动机10'，以使其运行在化学计量比下，或者运行在化学计量 比附近且位于关于化学计量比的士 AAFR的狭窄受控带内，在一个实施例中所述士 AAFR 的狭窄受控带可以是14. 6 1 士0.05的空气/燃料比带。图11显示了包括用于在发动机运行期间对排气供应流进行管理的方法的第二控 制方案200'，其中排气供应流来自参考图10描述的实施例，图10中的实施例在发动机运 行期间包括端口燃料喷射发动机10 ‘和后处理系统，该后处理系统包括TWC 48和NH3-SCR 设备50，其中相同的元件使用相同的附图标记表示。尽管细节没有示出，但是图10中描述 的实施例包括排出发动机的排气的传感器、在NH3-SCR设备50上游的第一 NOx传感器、在 NH3-SCR设备50下游的第二 NOx传感器、和配置成监测NH3-SCR设备50温度的温度传感
ο控制方案200'包括监测排气供应流和后处理系统O03)。监测排气供应流包括 使用第二 NOx传感器来检测NH3-SCR设备50下游的NOx渗漏和氨渗漏。监测后处理系统 可以包括使用SCR温度传感器来监测NH3-SCR设备50的温度。在调节发动机运行以生 成氨之前，NH3-SCR设备50的温度优选地在预定温度范围内，预定温度范围对应于包括用 在NH3-SCR设备50中的催化活性基体金属的具体催化材料006)。在一个实施例中，预定 温度范围对于NH3-SCR设备50是150°C到450°C。优选地，使用SCR温度传感器持续监测 NH3-SCR设备50的温度。在这个控制方案200'中，发动机运行优选是在化学计量比下或 在化学计量比附近。当NH3-SCR设备50的温度在预定温度范围之外时，控制发动机运行以 阻止在燃料切断模式中运行(例如减速期间)，并阻止自主的发动机停止。图12显示了对应于在预定发动机运行速度(IOOOrpm)、若干发动机负载(低、中、 高)下示例性系统的紧密耦接的三元催化转化器的下游排气供应流中的排出发动机的空 气/燃料比(A/F比)的氨生成量(NH3)。该结果显示，在大约14 1的空气/燃料比时， 以及处于13.5 1和14.5 1之间的空气/燃料比范围内时，氨生成量最大，因此显示了 用于使氨生成量达到最大的优选空气/燃料比的点。该结果还显示了在化学计量比运行期 间当排出发动机的空气/燃料比在化学计量比的浓侧和稀侧中波动时有一些氨生成，其中 在化学计量比的浓侧和稀侧中波动具有关于化学计量比的士 AAFR的扩大的带。当NH3-SCR设备50的温度在预定温度范围内时，控制方案200 ‘调节发动机运行 以生成一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)和氢气(H2)，用于氨生成O09')。在这个实施例中， 调节发动机运行可以包括依据对氨的预期需求，使发动机10'运行在化学计量比下，使 发动机10'在具有关于化学计量比的士 AAFR的扩大范围的情况下(例如在一个实施例中 为14. 6 1 士0. 运行在化学计量比下运行在化学计量比下，以及使发动机10'运行在 或大约在14 1的空气/燃料比。如上面描述的那样，使用一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO) 和氢气(H2)在催化设备48内生成的氨012)，并且向下游传输至用于存储的NH3-SCR设备 50 (215)，同时关于饱和度来监测NH3-SCR设备50 (218)。只要NH3-SCR设备50没有饱和， 则控制方案200'可以在这个循环中运行以管理排气供应流。当控制方案200'确定NH3-SCR设备50处于氨饱和时018)，可以调整发动机运 行，从而使调节发动机运行以生成氨中止021')。这包括对不利于氨生成的发动机运行 情况的命令加以响应，包括燃料切断事件(例如减速事件和发动机停止期间)，并将发动机运行转换至稀侧的发动机运行。控制方案200'在NH3-SCR设备50饱和时使调节发动机运 行以生成氨中止，并将发动机运行转换至稀侧的发动机运行，其导致增加的NOx排放进入 排气供应流中。稀侧的发动机运行可以包括运行在约16.0 1的空气/燃料比下。所存 储的氨随着氨分子与NOx分子反应而消耗。尽管没有明确示出，但可以命令发动机10'响 应于发动机和车辆的运行(包括燃料切断事件，例如减速事件、发动机怠速和发动机停止 事件期间，如在与混合动力系统运行相关联的发动机停止/起动系统中可能发生的那样) 而运行在化学计量比的稀侧。控制方案200'在检测到NH3-SCR设备50下游的NOx渗漏后 优选中止稀侧的发动机运行OM)。在确定氨耗尽或检测到NOx渗漏后，控制方案200'可 调节发动机运行以生成氨O09')。图13以曲线图显示了对于示例性车辆在一系列加速和减速事件上排出发动机的 空气/燃料比(A/F)，车辆速度(MPH)和氨生成量(NH3)，示例性车辆包括参考图10描述那 样配置的发动机10'和后处理系统，其中发动机10'运行在化学计量比下。该系列加速和 减速事件类似于FTP-18驾驶循环。该结果显示了在化学计量比的发动机运行期间生成了
大量的氨。图14以曲线图显示了对于示例性车辆在一系列加速和减速事件上的车辆速度 (MPH)以及进入和离开包括!^e-SCR设备的NH3-SCR设备50的NOx排放，示例性车辆包括示 例性发动机10和后处理系统，其中发动机10运行在化学计量比下。该系列加速和减速事 件类似于FTP-18驾驶循环。该结果显示了在化学计量比发动机运行期间存在所生成的氨 的情况下，在通过NH3-SCR设备的NOx排放中的还原。图15以曲线图显示了在将铜用作催化材料的NH3-SCR设备上对应于温度的NOx 转化效率(％ )。该结果显示了当不存在氧气(O2)时转化效率低，但具有低水平氧气时(例 如供应流中浓度为0. 5% )，转化效率显著提高，包括当温度处于或高于350°C时在供应流 中氧气浓度为0. 5%的情况下转化效率超过80%。图16以曲线图显示了在将铁用作催化材 料的NH3-SCR设备上对应于温度的NOx转化效率(％)。该结果显示了当不存在氧气(O2) 时转化效率低，但在供应流中有低水平氧气浓度时(例如0. 05%或500ppm)，转化效率显著 提高，包括当温度处于或高于350°C时在供应流中氧气浓度为0. 05%的情况下转化效率超 过60%。图15和图16的结果显示了在排气供应流具有低水平氧气的情况下存在大量的 NOx转化，例如在化学计量比的发动机运行时发生的那样。这里描述的方法设想了通过发动机调节的氨生成，利用排气供应流组分维持SCR 设备中NOx的后处理。应该意识到这些方法可以独立于尿素喷射而使用，所描述的方法提 供所有需要的氨。可替代地，这里描述的方法可以用于补充尿素喷射系统，在尿素存储罐需 要重新填充之间扩展了系统的范围，同时由于在需要时有可用的尿素喷射，允许全范围发 动机和动力系运行，而不用大量地监测氨生成循环和氨存储能力。本发明已经描述了一些优选实施例及其变型。在阅读和理解该说明书时本领域技 术人员可以想到其它的变型和改变。因此，本发明并不意在限于作为用于实现该发明的最 佳模式公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于对从内燃发动机输出的排气供应流中的NOx排放进行还原的方法，所述方 法包括使所述发动机装备排气后处理系统，所述排气后处理系统包括催化设备，所述催化设 备流体串联地连接在氨选择性催化还原设备的上游，所述氨选择性催化还原设备包括催化 材料，所述催化材料包括基体金属；调节所述发动机以产生排出发动机的排气供应流，所述排气供应流包括在所述催化设 备上转化成氨的一氧化氮、一氧化碳和氢气；将所述氨存储在所述氨选择性催化还原设备上；以及使用所存储的氨在所述氨选择性催化还原设备中对所述排气供应流中的NOx排放进 行还原。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化设备包括三元催化设备，所述三元 催化设备流体串联地连接在所述氨选择性催化还原设备的上游，并且其中所述基体金属包 括铁、铜、钒、钨和钛之一。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述氨选择性催化还原设备处于氨耗尽 时，实现调节所述发动机以产生所述排出发动机的排气供应流，所述排气供应流包括一氧 化氮、一氧化碳和氢气。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括当所述氨选择性催化还原设备 已经存储了预定量的氨时，使调节所述发动机以在所述排气供应流中产生一氧化氮、一氧 化碳和氢气中止。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述后处理系统装备NOx传感器，所述NOx传感器配置成监测所述氨选择性催化还 原设备下游的排气供应流；以及监测来自所述NOx传感器的信号输出以便关于氨的饱和与耗尽来监测所述氨选择性 催化还原设备。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括在将氨存储在所述氨选择性催 化还原设备上后，使所述发动机运行在化学计量比的稀侧。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，调节所述发动机包括以化学计量比的空气/燃料比和化学计量比的浓侧的空气/燃料比中的一个来运行所 述发动机；在每个燃烧循环期间，将足以响应于操作者扭矩请求为发动机提供动力的第一燃料脉 冲喷射到所述发动机的燃烧室中；以及在所述燃烧循环的随后冲程期间将第二燃料脉冲喷射到所述燃烧室中。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在将氨存储在所述氨选择性催 化还原设备上后，使所述发动机运行在化学计量比的稀侧。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述后处理系统装备NOx传感器，所述NOx传感器配置成监测所述氨选择性催化还 原设备下游的排气供应流；监测来自所述NOx传感器的信号输出；以及当来自所述NOx传感器的信号输出指示了所述氨选择性催化还原设备下游的NOx渗漏时，中止使所述发动机运行在化学计量比的稀侧。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调节所述发动机包括以化学计量比的空气 /燃料比来运行所述发动机，以产生所述排出发动机的排气供应流，包括在所述排气供应流 中的一氧化氮、一氧化碳和氢气。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调节所述发动机包括使所述发动机运行在 位于13. 5 1和14.5 1之间的空气/燃料比范围内，以产生所述排出发动机的排气供 应流，包括在所述排气供应流中的一氧化氮、一氧化碳和氢气。
12.一种用于对来自运行在化学计量比的稀侧的火花点火直喷式内燃发动机的排气供 应流中的NOx排放进行还原的方法，所述方法包括使发动机装备后处理系统，所述后处理系统包括三元催化转化器，所述三元催化转化 器流体连接在氨选择性催化还原设备的上游，所述后处理系统包括传感器，所述传感器配 置成监测所述氨选择性催化还原设备下游的排气供应流；运行所述发动机以产生排气供应流，所述排气供应流包括在所述三元催化转化器上转 化成氨的一氧化氮、一氧化碳和氢气；将所述氨存储在所述氨选择性催化还原设备上；使所述发动机运行在化学计量比的稀侧；以及使用所存储的氨在所述氨选择性催化还原设备中对NOx排放进行还原。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括监测所述传感器的信号输出，所述传感器配置成监测所述氨选择性催化还原设备下游 的排气供应流；其中，当所述传感器的信号输出指示了所述氨选择性催化还原设备处于氨饱和时，开 始使所述发动机运行在化学计量比的稀侧；以及其中，当来自所述传感器的信号输出指示了所述氨选择性催化还原设备下游的NOx渗 漏时，中止使所述发动机运行在所述化学计量比的稀侧。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括 监测所述氨选择性催化还原设备的温度；以及当所述氨选择性催化还原设备的温度在预定温度范围之外时，以化学计量比的空气/ 燃料比来控制所述发动机。
15.一种用于包括了端口燃料喷射系统的内燃发动机的排气后处理系统，包括 多个排气处理设备，其包括三元催化转化器设备，其规划为从包括一氧化氮、一氧化碳和氢气的排气供应流产生 氨，所述三元催化转化器设备紧密耦接到所述内燃发动机的排气歧管，并流体耦接到位于 所述三元催化转化器设备下游的氨选择性催化还原设备；以及所述氨选择性催化还原设备包括催化材料，所述催化材料包括单基体金属，所述单基 体金属包括铁、铜、钒、钨和钛之一。
16.一种用于内燃发动机的排气后处理系统，包括催化转化器设备，其规划为从包括一氧化氮、一氧化碳和氢气的排气供应流产生氨，所 述催化转化器设备紧密耦接到所述内燃发动机的排气歧管，并流体耦接到位于所述催化转 化器设备下游的氨选择性催化还原设备；所述氨选择性催化还原设备包括催化材料，所述催化材料包括单基体金属；NOx传感器，其配置成监测所述氨选择性催化还原设备下游的排气供应流中的NOx分 子；以及温度传感器，其配置成监测所述氨选择性催化还原设备的温度。
17.如权利要求16所述的排气后处理系统，其特征在于，进一步包括与所述紧密耦接 的催化转化器设备结合的颗粒过滤器。
18.如权利要求16所述的排气后处理系统，其特征在于，进一步包括三元催化转换器 设备，所述三元催化转换器设备流体连接在所述氨选择性催化还原设备下游。
19.如权利要求16所述的排气后处理系统，其特征在于，进一步包括NOx吸附器设备， 所述NOx吸附器设备流体连接在所述氨选择性催化还原设备下游。
20.如权利要求16所述的排气后处理系统，其特征在于，进一步包括颗粒过滤器，所述 颗粒过滤器与所述氨选择性催化还原设备结合，所述氨选择性催化还原设备包括所述催化 材料，所述催化材料包括单基体金属。
21.如权利要求16所述的排气后处理系统，其特征在于，所述催化转化器设备包括氧 化催化剂。
22.如权利要求16所述的排气后处理系统，其特征在于，所述催化转化器设备包括三 元催化设备。
全文摘要
发动机排气供应流NOx排放后处理包括三元催化设备，其连接在氨选择性催化还原设备上游，该氨选择性催化还原设备包括基体金属。发动机运行能够被调节以产生排出发动机的排气供应流，其在三元催化设备上转化为氨。氨被存储在氨选择性催化还原设备上并用于对排气供应流中的NOx排放进行还原。
文档编号F01N3/28GK102084096SQ200980125681
公开日2011年6月1日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年5月2日
发明者D·B·布朗, G·齐, K·L·佩里, K·纳拉亚纳斯瓦米, N·D·布林克曼, O·A·古拉尔普, P·M·纳特, W·李 申请人:通用汽车环球科技运作公司