用于提高scr操作的系统和方法
【专利摘要】公开了用于提高SCR操作的方法和系统。在一个示例中，还原发动机的碳氢化合物排放物和/或将发动机的碳氢化合物排放物引导绕过SCR，从而增加SCR的效率。所述方法和系统可通过提高SCR的效率减少车辆的NOx排放物。
【专利说明】用于提高SCR操作的系统和方法
【技术领域】
[0001]本描述涉及改进车辆的排放物。在一个示例中，存储发动机的碳氢化合物排放物和/或将发动机的碳氢化合物排放物引导绕过SCR，从而提高SCR效率。该方法可特别用于改进发动机启动后的NOx排放物。
【背景技术】
[0002]当前的排放控制法规要求在汽车的排放系统中使用催化剂，以便将发动机操作期间所产生的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)，以及氮氧化物(NOx)转化成不受管制的排气。配备有柴油或另一稀燃发动机的车辆提供增加的燃料经济性效益，但是，由于排气中氧的高含量，使这些系统中的NOx排放物的控制复杂化。在这方面，已知选择性催化还原(SCR)催化剂——其中通过将还原剂如尿素积极喷射到进入该催化剂的排气混合物中而连续地去除NOx)——实现高的NOx转化效率。典型的稀排气后处理系统还可包括连接在SCR催化剂上游的氧化催化剂。该氧化催化剂转化发动机排气中的碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和一氧化二氮(NO)。还可利用该氧化催化剂提供用于SCR催化剂快速预热的热量。
[0003]本发明人已认识到有关该系统配置的几个缺点。即，因为氧化催化剂通常位于发动机远下游的底部，所以需要花费大量时间达到起燃温度(例如，200°C)。这导致SCR催化剂的预热延迟，并因此负面地影响排放控制。而且，由于该氧化催化剂在达到起燃温度之前不转化进入的碳氢化合物，因此在一些状况下，例如冷启动，或延长的轻负载操作时期，碳氢化合物可从该氧化催化剂泄漏并导致SCR催化剂操作的退化，降低了 SCR催化剂的效率以及使用寿命。
【发明内容】
[0004]因此，本发明人已开发用于提高车辆发动机排放系统中的SCR催化剂操作的系统和方法，包括响应于第一状况通过旁通阀引导发动机的碳氢化合物绕过SCR催化剂，并响应于第二状况引导发动机的碳氢化合物通过SCR催化剂。在一个不例中,第一状况可包括在发动机排放系统中的排放控制装置达到阀值温度之前，以及第二状况可包括在发动机排放系统中的排放控制装置达到阀值温度之后。通过该方式，可降低SCR催化剂的退化，提高SCR催化剂的效率，并减少车辆的NOx排放物。
[0005]在另一个实施例中，该排放控制装置为氧化催化剂。
[0006]在另一个实施例中，该排放控制装置进一步包括碳氢化合物捕集器。
[0007]在另一个实施例中，该排放控制装置进一步包括CO捕集器。
[0008]在另一个实施例中，该排放控制装置进一步包括柴油颗粒过滤器。
[0009]在另一个实施例中，车辆发动机排放系统包括:排放控制装置；SCR催化剂；位于SCR催化剂上游的SCR旁通阀；以及控制器，该控制器包括可执行指令，以便响应于第一状况引导排气流绕过SCR催化剂，并响应于第二状况引导排气流通过SCR催化剂。
[0010]在另一个实施例中，该排放控制装置包括在SCR催化剂上游的氧化催化剂。[0011]在另一个实施例中，该排放控制装置进一步包括在SCR催化剂上游的碳氢化合物捕集器。
[0012]在另一个实施例中，该排放控制装置进一步包括在SCR催化剂上游的CO捕集器。
[0013]在另一个实施例中，该排放控制装置进一步包括在SCR催化剂下游的柴油颗粒过滤器。
[0014]在另一个实施例中，第一状况是在车辆发动机排放系统中的排放控制装置达到阀值温度之前。
[0015]在另一个实施例中，第二状况是在排放控制装置达到阀值温度之后。
[0016]在另一个实施例中，SCR催化剂是将NOx转化成N2和H2O的尿素SCR催化剂，且其中第一状况是其中SCR旁通阀上游的碳氢化合物浓度超过阀值水平。
[0017]从下面的【具体实施方式】一单独地或与连同附图一起一可容易地显见上述优势以及本描述的其他优势和特征。
[0018]应该理解，提供上述
【发明内容】
以便以简化的形式介绍【具体实施方式】中进一步描述的概念的选择。其不意味着确认了所要求主题的关键或基本特征，其范围由所附的权利要求唯一限定。此外，所要求的主题不局限于解决上面或本公开任何部分所提及的任何缺点的实施。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1示出了发动机的示意性描述,包括SCR,以及SCR旁通阀。
[0020]图2A-2F示出了示例性的车辆发动机排放系统；
[0021]图3示出了用于操作车辆发动机排放系统的示例性方法的流程图；以及
[0022]图4-5示出了当监测车辆发动机排放系统时感兴趣信号的示例性模拟绘图。
【具体实施方式】
[0023]本描述涉及控制车辆的发动机排放物。具体地，通过本文所述的系统和方法可减少发动机的NOx排放物。图1示出了发动机的一个示例，但是所公开的系统和方法可应用于压燃式发动机和涡轮。图2A-2F示出了包括SCR的车辆发动机排放系统的几个示例性配置。图3示出了用于操作包括SCR催化剂和SCR催化剂旁路的2C-2F中的车辆发动机排放系统的示例性方法。最后，图4-5示出了根据图3中显示的用于操作包括SCR催化剂和SCR催化剂旁路的图2C-2F中的车辆发动机排放系统的方法的示例性操作次序。
[0024]现参照图1，通过电子发动机控制器12控制包括多个汽缸一图1示出了其中一个汽缸——的内燃机10。发动机10包括燃烧室30以及汽缸壁32，汽缸壁32中布置有与曲轴40相连的活塞36。燃烧室30显示通过各自的进气阀52和排气阀54与进气歧管44和排气歧管48连通。可通过进气凸轮51和排气凸轮53操作每个进气和排气阀。可通过进气凸轮传感器55确定进气凸轮51的位置。可通过排气凸轮传感器57确定排气凸轮53的位置。
[0025]燃料喷射器66显示被布置以将燃料直接喷射至燃烧室30，这被本领域技术人员称为直接喷射。燃料喷射器66与来自控制器12的信号FPW的脉冲宽度成比例地输送燃料。通过图2所示的燃料系统将燃料输送至燃料喷射器66。可通过改变调节向燃料泵(未示出)的流量的入口计量阀和燃料管路压力控制阀，调节燃料系统所输送的燃料压力。
[0026]进气歧管44显示与任选的电子节气门62连通，该电子节气门调节节流板64的位置以便控制来自进气增压室46的空气流动。压缩机162吸引空气进口 42的空气，以便供应至增压室46。排气旋转涡轮164通过轴161与压缩机162相连。在一些示例中，可提供增压空气冷却器。可通过调节可变叶片控制72或压缩机旁通阀158的位置调节压缩机的速度。在可选实施例中，废气门(exhaust gate) 74可替换可变叶片控制72或除可变叶片控制72之外利用废气门74。可变叶片控制72调节可变几何涡轮叶片的位置。当叶片处于打开位置时，排气可通过涡轮164，供应很少能量以旋转涡轮164。当叶片处于关闭位置时排气可通过涡轮164并赋予涡轮164增加的力。可选地，废气门74允许排气在涡轮164周围流动，从而降低供应至涡轮的能量。压缩机旁通阀158允许压缩机162出口处的压缩空气返回至压缩机162的输入。通过该方式，可降低压缩机162的效率，从而影响压缩机162的流动并降低压缩机喘振的可能性。
[0027]随着活塞36接近上止点压缩冲程且汽缸压力增加，当燃料在不借助专用火花源例如火花塞点燃时在燃烧室30中启动燃烧。在一些示例中，可将宽域排气氧(UEGO)传感器126连接至排放装置70上游的排气歧管48。在其他的示例中，UEGO传感器可位于一个或多个排气后处理装置的下游。进一步地，在一些示例中，具有NOx和氧传感元件的NOx传感器可替代UEGO传感器。
[0028]在较低的发动机温度下电热塞68可将电能转化成热能，从而提高燃烧室30中的温度。通过提高燃烧室30的温度，可通过压缩更容易地点燃汽缸的空气-燃料混合物。
[0029]在一个示例中，排放控制装置70可包括颗粒过滤器以及催化剂砖。在另一个示例中，可利用多个排放控制装置，每个均具有多个砖。在一个示例中，排放控制装置70可包括氧化催化剂。在其他的示例中，排放控制装置可包括稀NOx捕集器、碳氢化合物捕集器、CO捕集器、选择性催化还原(SCR)催化剂，和/或柴油颗粒过滤器(DPF)。虽然在图1中未明确示出，但是在进一步示例中，其他的排放控制装置可位于SCR71的上游或下游。例如，该排放控制装置70可包括SCR71上游的氧化催化剂和碳氢化合物捕集器，而DPF可位于SCR71的下游。SCR旁通阀80可位于SCR71的上游。可定位SCR旁通阀80，使排气流绕过SCR71或流动通过SCR71。在一些示例中，SCR71可以是尿素SCR (U-SCR)0在一个示例中，可提供尿素喷射系统，以将液体尿素喷射至SCR催化剂71。然而，可利用各种选择性方法，例如产生氨蒸汽的固体尿素丸，然后将其喷射或计量供给至SCR催化剂71。仍在另一个示例中，可将稀NOx捕集器定位在SCR催化剂71的上游，以根据被供应至稀NOx捕集器的空气-燃料比的丰度，产生用于SCR催化剂的氨。氨还可产生于定位在SCR催化剂71上游的碳氢化合物 SCR (HC-SCR)中。
[0030]传感器125可位于排放控制装置70的下游，但位于SCR旁通阀80的上游。传感器125可以是与控制器12连通的碳氢化合物传感器。在一些示例中，控制器12可积分来自传感器125的信号输入,获得碳氢化合物随时间的积分水平。在其他的不例中，传感器125还可以是氧(O2)传感器，且该氧传感器的输出可以是用于推断碳氢化合物的基础。传感器127检测排放控制装置70的温度，并与控制器12连通。根据传感器125和/或传感器127的信号，控制器12可操作SCR旁通阀80，从而引导排气流绕过或通过SCR71。在其他的示例中，可省略传感器127并可推断SCR的温度。控制器12还可操作SCR旁通阀80，以根据除传感器125和传感器127之外的排气传感器126的信号输入引导排气流绕过或通过SCR71。如上所述，传感器126可以是具有NOx和氧传感元件的UEGO传感器或NOx传感器。例如，如果传感器125指示排放控制装置70下游SCR上游的碳氢化合物浓度在阀值水平以上，或者传感器127指示排放控制装置的温度在阀值温度以下(例如，在DOC起燃温度以下)，或传感器126指示排气中的低NOx水平，控制器12可操作SCR旁通阀80，引导排气流绕过SCR71。
[0031]如上所述的，控制器12对SCR旁通阀80的操作可取决于控制器从传感器125、126和127接收的信息。在某些排气状况下绕过U-SCR71可延长U-SCR的寿命以及U-SCR的有效操作，例如，阻止碳氢化合物在U-SCR中的积累。例如，如果如NOx传感器126所指示的，排气的NOx水平低，可通过控制器12定位SCR旁路，引导离开排放控制装置70的排气流绕过U-SCR71。作为进一步示例，如果如温度传感器127所指示的，排放控制装置70的温度在DOC起燃温度以下(例如，< 200°C)，可通过控制器12定位SCR旁通阀80，以引导离开排放控制装置70的排气流绕过U-SCR71。在低的温度下，包括氧化催化剂的排放控制装置70可不完全地氧化排气流中的碳氢化合物。碳氢化合物可因此漏过排放控制装置70并抑制U-SCR71，降低了其减少NOx的操作效率。由于车辆发动机中的不完全燃烧，排气中可存在碳氢化合物。还可在汽缸内或汽缸后喷射额外的碳氢化合物(例如，燃料)。作为进一步示例，如果如碳氢化合物传感器125所指示的，排放控制装置70下游SCR71上游的排出碳氢化合物浓度在阀值水平以上，可通过控制器12定位SCR旁通阀80，以引导离开排放控制装置70的排气流绕过U-SCR71。如之前所述的，排气中的碳氢化合物可抑制U-SCR71，降低其减少NOx的操作效率。因此，重新引导排气流绕过U-SCR可延长U-SCR的效率和寿命。在进一步示例中，如果存在下述状况中的任一个:由NOx传感器126所指示的SCR71上游的低排出NOx浓度(例如NOx浓度在阀值水平以下)；由温度传感器127所指示的低排放控制装置温度(例如，温度在阀值温度以下);以及由碳氢化合物传感器125所指示的排放控制装置70下游SCR71上游的高排出碳氢化合物浓度(例如，碳氢化合物浓度在阀值水平以上)，可通过控制器12调节SCR旁通阀80，引导排气流绕过U-SCR71。
[0032]在图1中示出了作为传统微型计算机的控制器12，其包括:微处理器单元102、输入/输出端口 104、只读存储器106、随机存取存储器108、保活存储器110以及传统的数据总线。除了之前讨论的那些信号之外，控制器12示出接收来自连接至发动机10的传感器的各种信号，包括:来自连接至冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却液温度(ECT);连接至加速器踏板130用于感测由脚132调节的加速器位置的位置传感器134 ;来自连接至进气歧管44的压力传感器121的发动机歧管压力(MAP)的测量；来自压力传感器122的增压压力；来自氧传感器126的排气氧浓度；来自感测曲轴40位置的霍耳效应传感器118的发动机位置传感器；来自传感器120 (例如，热线式空气流量计)的进入发动机的空气质量的测量；以及来自传感器58的节气门位置的测量。还可感测大气压力(传感器未示出)，以通过控制器12进行处理。在本描述的优选方面中，发动机位置传感器118产生曲轴每旋转一圈预定数目的相等间隔脉冲，由其可确定发动机的转速(RPM)。
[0033]在操作期间，发动机10内的每个汽缸通常经历四冲程循环:所述的循环包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程。在进气冲程期间，一般地，排气阀54关闭且进气阀52打开。通过进气歧管44将空气引入燃烧室30，且活塞36移动至汽缸的底部，以增加燃烧室30内的体积。本领域内的那些技术人员通常将活塞36邻近汽缸底部并在其冲程末端的位置(例如，当燃烧室30在其最大体积时)称为下止点(BDC)。在压缩冲程期间，进气阀52和排气阀54关闭。活塞36向汽缸盖移动，以压缩燃烧室30内的空气。本领域内的那些技术人员通常将活塞36处于其冲程末端且最接近汽缸盖的位置(例如，当燃烧室30在其最小体积时)称为上止点(TDC)。在以下被称为喷射的过程中，将燃料引入燃烧室。在一些示例中，可在单个汽缸循环期间多次将燃料喷射至汽缸。在以下被称为点火的过程中，通过压缩点火，点燃喷射的燃料弓丨起燃烧。在膨胀冲程期间，膨胀的气体将活塞36推回至BDC。曲轴40将活塞运动转化成旋转轴的旋转扭矩。最后，在排气冲程期间，排气阀54打开，以将燃烧的空气-燃料混合物释放至排气歧管48并且活塞返回至TDC。注意，以上仅作为示例描述，且进气和排气阀的打开和/或关闭正时可变化，例如以提供正或负气门重叠，进气门延迟关闭，或各种其他示例。进一步地，在一些示例中，可利用二冲程循环而不是四冲程循环。
[0034]现参照图2A-2F，其示出了用于提高SCR操作的车辆发动机排放系统的几个示例性配置。在图2A中，示出了车辆发动机排放系统的第一示例性配置200，其中排气相继地从发动机10流动通过柴油氧化催化剂(DOC) 204、碳氢化合物SCR催化剂(HC-SCR) 206、尿素SCR催化剂(U-SCR) 208，以及DPF210。D0C204可包括，例如，多孔沸石或其他陶瓷基材料，其表面涂布有催化活性量的Pt或Pd或两种金属的组合。还可利用除了 Pt或Pd之外的金属，或其组合。D0C204转化发动机排气中的未燃烧碳氢化合物，将该碳氢化合物氧化成二氧化碳和水。另外，在D0C204中，发动机排气中的一氧化碳(CO)可氧化成二氧化碳(C02)。还可氧化排气中存在的其他物质，例如氮氧化物、硫化合物以及多芳基碳氢化合物——当它们通过D0C204时。由于氧化反应倾向在稀的状况下(例如，在存在超过化学计量排气状况的O2浓度的状况下)，所以D0C204可定位在U-SCR208的上游。当D0C204温度高于阀值温度(例如，大约200°C，碳氢化合物氧化反应的起燃温度)时，D0C204最有效。在阀值温度以下的温度下，碳氢化合物可漏过或通过D0C204而未反应。可测量D0C204的温度并通过温度传感器127将该温度传达至控制器12。
[0035]然后，在HC-SCR206中还原排气中的NOx组分，排气中的碳氢化合物用作还原剂，从而将排气NOx和碳氢化合物转化成氮(N2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)。在稀的状况下，可在HC-SCR206 (例如，汽缸内和/或汽缸后)的上游(例如，汽缸内和/或汽缸后)喷射碳氢化合物，以提供用于HC-SCR206反应的额外还原剂。可利用126处和/或127处的氧传感器对排气中的氧水平(例如，指示稀的或浓的状况)测量并传达至控制器12。HC-SCR206可因此清除未反应地漏过D0C204的未反应碳氢化合物——例如当温度低于阀值温度时，在NOx还原反应中消耗了碳氢化合物并因此阻止通过U-SCR208的下游。因此，HC-SCR206可在冷启动期间(例如，在温度达到阀值温度之前)或在排出的碳氢化合物的浓度在阀值水平以上时一U-SCR上游的排出碳氢化合物的氧化可以是不完全的两个状况示例，吸附和存储排出的碳氢化合物。HC-SCR206可包括任何合适的能够提供碳氢化合物选择性催化还原NOx的催化剂材料，包括铜沸石、钼族金属(PGM)、氧化铝负载的银、铝负载的钼，以及其他的过渡金属基催化剂例如铜、铬、铁、钴等等，以及负载在耐熔氧化物(例如，氧化铝、氧化锆、二氧化硅-氧化铝、氧化钛)上的其混合物。HC-SCR206还可包括陶瓷基体，包括沸石。还可利用本领域内已知的用以提供碳氢化合物选择性催化还原NOx的催化剂材料或其组合的其他示例。
[0036]HC-SCR206的下游为选择性催化还原催化剂U-SCR208。U-SCR208可具有与图1所示的SCR71类似的功能。U-SCR208可利用氨作为还原剂进一步还原排气中的NOx组分。在排气中氨由分解通过尿素定量喷射器205喷射至排气流中的尿素而形成。尿素定量喷射器205输送来自尿素存储罐203的尿素，并位于U-SCR208的上游。在某些状况下，还可在HC-SCR206中碳氢化合物对NOx还原期间形成氨。在喷射至排气后，尿素分解，形成氨和二氧化碳。可在排气中足够远离U-SCR208上游的位置喷射尿素，使在进入U-SCR208之前发生尿素分解。可根据恰好在U-SCR208上游的排气中的NOx水平控制尿素喷射剂量。因此，可通过车载执行尿素定量控制算法的控制器12，调节所喷射的尿素量。车辆发动机排放系统可进一步包括恰好在U-SCR208上游的NOx、尿素和/或氨传感器。尿素定量控制系统可接收来自尿素或氨传感器的输入，以量化输送至排放系统的尿素或氨剂量。太低的尿素喷射量可导致NOx转化效率太低而不能满足法规标准。另一方面，太高的尿素喷射量可导致系统中的尿素沉积，这也可降低NOx效率并增加尿素的泄漏，以及当沉积物分解和释放时，在高温下于排气中形成增加的白烟。进一步地，喷射太多的尿素可增加尿素消耗，从而降低了尿素经济性。可在定期的车辆服务期间重新装满尿素罐203。在离开U-SCR208后，排气通过DPF210。DPF210去除排气中的颗粒物或烟尘。DPF210可以是堇青石、陶瓷纤维、碳化硅、金属纤维、或其他类型的柴油颗粒过滤器。
[0037]因此，在车辆发动机排放系统的第一配置200中，位于U-SCR208上游的HC-SCR206在未反应的碳氢化合物到达U-SCR208之前通过NOx的还原消耗了未反应的碳氢化合物。通过该方式，响应于其中排气温度低(例如，在排气温度达到阀值温度之前的冷启动期间)和/或其中排气中的碳氢化合物浓度在阀值水平以上的第一状况，可通过D0C204中的氧化和/或HC-SCR206中的还原消耗排出的碳氢化合物，阻止它们在下游通过U-SCR208。在进一步示例中，第一状况还可包括其中NOx水平在NOx阀值水平以下(例如，在规定的NOx排放限度以下)的状况。NOx阀值水平还可指积分的NOx阀值水平，且NOx传感器202可测量排气中积分的NOx浓度。
[0038]现参照图2B，其示出了车辆发动机排放系统的第二配置220，其中排气相继地从发动机10流动通过D0C204、碳氢化合物(HC)捕集器222、U-SCR208以及DPF210。第二配置220与第一配置200的不同之处在于，代替HC-SCR206的HC捕集器222位于D0C204的下游和U-SCR208的上游。HC捕集器222可包括沸石，其用作分子筛，捕集沸石孔中的碳氢化合物分子。因此，在冷启动或其他的车辆操作状况期间，当排气和D0C204温度低时，漏过D0C204的碳氢化合物将捕获在HC捕集器222中。因此响应于其中温度在阀值温度以下和/或其中排放控制装置的下游U-SCR208的上游的碳氢化合物浓度在阀值水平以上的第一状况，或仍进一步地，当U-SCR208上游的NOx浓度在阀值NOx水平以下(例如，在规定的NOx排放水平以下)时，HC捕集器222可阻止排出的碳氢化合物到达U-SCR。
[0039]现参照图2C，其示出了车辆发动机排放系统的第三配置230，其中排气相继地从发动机10流动通过柴油氧化催化剂(DOC) 204、一氧化碳(CO)捕集器232以及HC捕集器222。然后，SCR旁通阀280引导排气流绕过或通过U-SCR208，在其之后排气流动通过DPF210。如在配置200中，尿素存储在尿素存储罐203中且通过尿素定量喷射器205输送至系统。尿素可在排气流中分解，形成氨和二氧化碳。还可在浓的状况下在CO捕集器232中的NOx解吸和还原期间在上游形成氨。在第三配置230中，在CO捕集器232内部，可保留离开D0C204的排气中的一氧化碳等。CO捕集器232的示例包括沸石分子筛或稀NOx催化齐[J(LNT)。LNT可包括吸收性碱土金属化合物(BaC03)和贵金属催化剂(例如，Pt、Rh等等)。除了捕集CO外，LNT可在稀的状况下吸附NOx组分。相反地，在浓的状况下，LNT可解吸和还原NOx，其中通过排气中的碳氢化合物还原NOx，将它们转化成氮、二氧化碳和水。还可在浓的排气状况下在NOx还原和解吸期间在LNT中产生氨。HC捕集器222可位于CO捕集器232的下游。在第一状况期间一其中排放控制装置的温度低于阀值温度(例如，在DOC起燃温度以下)，和/或其中碳氢化合物浓度在阀值水平以上，排气中的碳氢化合物和其他组分可漏过D0C204。HC捕集器222可捕集这些泄漏的碳氢化合物，而CO捕集器232可捕集泄漏的CO。CO捕集器232还可吸附来自排气的NOx组分。传感器202可被配置以测量排气中的温度和/或NOx水平并与控制器12连通。传感器202可如图2C-2F所示位于D0C204的上游，或在D0C204处，其中其可测量D0C204的温度。传感器202还可位于U-SCR208处，其中其可测量U-SCR208的温度。传感器207可以是位于HC捕集器222和/或CO捕集器232下游但在SCR旁通阀280上游的碳氢化合物传感器。因此，传感器207可位于最后的排放控制装置的下游U-SCR催化剂208的上游。传感器207可测量排气中的碳氢化合物浓度并与控制器12连通。在一些示例中，控制器12可积分来自传感器207的信号输入，获得碳氢化合物随时间的积分水平，或者传感器207可实施积分并将积分的值传送至控制器12。阀值水平可包括积分的碳氢化合物浓度阀值水平。在其他的示例中，控制器12可确定碳氢化合物的浓度何时大于阀值碳氢化合物水平。仍在其他的示例中，传感器207还可以是氧
(O2)传感器，且阀值水平可包括氧浓度阀值水平或积分的氧浓度阀值水平。仍进一步地，第一状况可相应于其中NOx排出浓度在NOx阀值水平或积分的NOx阀值水平以下的状况。例如，NOx阀值水平可相应于规定的NOx排放水平。可通过发动机下游但D0C204上游的具有与图1中的传感器126类似功能的传感器202测量NOx浓度。
[0040]SCR旁通阀280可位于传感器207的下游且可由控制器12打开和关闭。控制器12可操纵SCR旁通阀280，使得响应于其中温度(例如温度传感器202)低于阀值温度的第一状况，将排气流绕过U-SCR208。相反地，控制器12可操纵SCR旁通阀280，使得响应于其中温度(例如温度传感器202)达到或超过阀值温度的第二状况，将排气通过U-SCR208。因而，在冷发动机启动期间——其中排放控制装置的温度在阀值温度以下(例如，其中D0C204的温度和/或U-SCR208的温度在阀值温度以下)，可将排气流引导绕过U-SCR208。当车辆操作一段时间后发动机变暖，例如，其中D0C204和/或U-SCR208的温度达到阀值温度时，控制器12可经由SCR旁通阀280引导排气流通过U-SCR208。另一方面，第一状况可相应于其中排放控制装置的下游且SCR的上游的排出碳氢化合物浓度可在阀值水平以上的状况，并且第二状况可相应于其中排放控制装置的下游且SCR的上游的碳氢化合物浓度可在阀值水平以下的状况。通过该方式，响应于第一状况，可阻止泄漏的碳氢化合物进入U-SCR208，其中它们可降低U-SCR208的效率并缩短其可用寿命。仍进一步地，第一状况可相应于其中SCR上游的排气中的NOx浓度在阀值NOx水平以下(例如，在规定的NOx排放水平以下)的状况。在这些状况下，SCR旁通阀280还可引导流绕过U-SCR。
[0041]在配置230中，U-SCR208、尿素定量喷射器205、尿素存储罐203以及DPF210可如之前配置200中所述的进行操作。可在U-SCR208中还原NOx，与CO捕集器232中产生的和/或在尿素定量喷射器205处由U-SCR208上游喷射的尿素分解形成的氨还原剂反应。响应于其中温度在阀值温度以下和/或碳氢化合物浓度超过阀值水平的第一状况，通过绕过U-SCR，延长U-SCR208的效率和有用操作寿命。在其中排气流绕过U-SCR208的车辆操作期间，尿素定量喷射器可结束尿素喷射。
[0042]现参照图2D，其示出了车辆发动机排放系统的第四配置240，其中排气相继地从发动机10流动通过柴油氧化催化剂(DOC) 204、HC捕集器222以及一氧化碳(CO)捕集器232。除了变换HC捕集器222和CO捕集器232的顺序使得HC捕集器222在CO捕集器232的上游外，第四配置240与第三配置230相同。因而，在HC捕集器222再生期间从HC捕集器222解吸的碳氢化合物可在CO捕集器232中捕集或转化(例如，通过NOx还原反应)。在第四配置240中，传感器202、205和207，以及D0C204、U-SCR208、尿素定量喷射器205、尿素存储罐203，以及DPF210可如之前第三配置230中所述的进行操作。可在U-SCR208中还原NOx，与CO捕集器232中产生的和/或在尿素定量喷射器205处由U-SCR208上游喷射的尿素分解形成的氨还原剂反应。响应于其中排放控制装置(例如，D0C204和/或U-SCR208)的温度在阀值温度以下和/或排放控制装置的下游但SCR (例如，U-SCR208)的上游的碳氢化合物浓度超过阀值水平或积分量的第一状况，通过绕过U-SCR，延长U-SCR208的效率和有用操作寿命。仍进一步地，第一状况可相应于其中排气中的NOx浓度在阀值NOx水平以下(例如，在规定的NOx排放水平以下)的状况。在这些状况下，SCR旁通阀280还可引导流绕过U-SCR。
[0043]现参照图2E，其示出了车辆发动机排放系统的第五配置250，其中排气相继地从发动机10流动通过SCR旁通阀280上游的D0C204、HC捕集或沸石材料252，以及一氧化碳(CO)捕集器232。除了利用HC捕集或沸石材料252替代HC捕集器222外，配置250与配置240类似。温度传感器202和碳氢化合物传感器207位于SCR旁通阀280的上游，碳氢化合物传感器207位于最后的排放控制装置(例如，CO捕集器232)的下游SCR旁通阀280的上游。温度传感器202也可位于装置，例如D0C204处，从而测量该装置处的温度。传感器202和207与控制器12连通，该控制器输出信号，以操作SCR旁通阀280。响应于第一状况，通过控制器12操纵SCR旁通阀280，以将排气流引导绕过U-SCR。第一状况可相应于当传感器202所指示的温度低于阀值温度时和/或当碳氢化合物传感器207所指示的排出碳氢化合物浓度大于阀值水平时。该阀值水平还可以是积分的碳氢化合物浓度或阀值碳氢化合物浓度。仍进一步地，第一状况可指其中排气中的NOx浓度在阀值NOx水平以下的状况。在一些示例中，传感器202可进一步包括NOx传感器。HC捕集或沸石材料252类似于之前所述的HC捕集器222进行操作，其中保留和捕集流动通过HC捕集或沸石材料252的碳氢化合物。HC捕集或沸石材料252因此可捕集D0C204下游的泄漏的碳氢化合物(例如，在冷发动机启动或碳氢化合物浓度在阀值水平以上期间)。
[0044]现参照图2F，其示出了车辆发动机排放系统的第六配置260，其中排气相继地从发动机10流动通过碳氢化合物和/或一氧化碳(HC/C0)捕集器262，随后通过金属氧化催化剂264。HC/C0捕集器262类似于之前配置230和240中所述的串联HC捕集器222和CO捕集器232进行操作，保留流动通过HC/C0捕集器262的排气中的碳氢化合物和一氧化碳。因此，HC/C0捕集器262可包括具有分子筛特性的沸石材料，并且还可包括LNT捕集器。因而，在稀的状况期间NOx也可吸附在HC/C0捕集器262中并且在浓的状况期间可解吸和还原NOx。在浓的状况期间，当可解吸和还原NOx时，HC/C0捕集器262还可形成氨。因此，HC/C0捕集器262可在单个装置中包括HC捕集器222和CO捕集器232的组合。金属氧化催化剂264可位于HC/C0捕集器262的下游。金属氧化催化剂264可包括钼族金属(PGM)或碱金属氧化催化剂。钼族金属的示例包括钼、钌、铑、铱、锇和钯。碱金属的示例包括钒、钥、钨、铁或铜。金属氧化催化剂264可氧化排气中的碳氢化合物，将碳氢化合物转化成二氧化碳和水。温度传感器202和碳氢化合物传感器207位于SCR旁通阀280的上游，碳氢化合物传感器207位于最后的排放控制装置(例如，金属氧化催化剂264)的下游SCR旁通阀280的上游。温度传感器202还可位于装置，例如D0C204处，从而测量该装置处的温度。传感器202和207与控制器12连通，该控制器输出信号，以操作SCR旁通阀280。在第一状况期间，通过控制器12操纵SCR旁通阀280，以将排气流引导绕过U-SCR。第一状况可相应于当传感器202所指示的温度低于阀值温度时和/或当碳氢化合物传感器207所指示的排出碳氢化合物浓度大于阀值水平时的状况。该阀值水平还可以是积分的碳氢化合物浓度。仍进一步地，第一状况可指其中排气中的NOx浓度在阀值NOx水平以下的状况。在一些示例中，传感器202可进一步包括NOx传感器。可响应于第一状况通过将包括泄漏的碳氢化合物的排气流转移绕过U-SCR208，延长U-SCR208的寿命和效率。响应于第二状况——其中温度达到或超过阀值温度或碳氢化合物的浓度被减少到阀值水平以下，可通过控制器12调节SCR旁通阀，以引导排气通过U-SCR208。
[0045]现参照图3，其示出了操作包括SCR催化剂和SCR旁通阀的车辆发动机排放系统的示例性方法300的流程图。方法300可以作为可执行指令存储在控制器12的非短暂性存储器中。进一步地，可通过控制器12执行方法300。即，方法300评估当前发动机工况是否满足第一状况，且如果是，打开SCR旁通阀，将排气流引导绕过SCR催化剂，以便延长SCR催化剂的寿命和效率。例如，如果测量的排放控制装置的温度在阀值温度以下和/或测量的碳氢化合物的浓度大于阀值水平，则可满足第一状况。在这些状况下，排气流可被引导绕过SCR催化剂；如果排气流被引导流动通过SCR催化剂，则排气中的碳氢化合物可降低SCR催化剂的效率并减少SCR催化剂的可用寿命。相反地，如果测量的温度大于阀值温度，由于可在排放装置(例如，D0C204)中氧化排出的碳氢化合物或另外地在车辆发动机排放系统中的SCR上游转化或消耗排出的碳氢化合物，可不绕过SCR催化剂。因此，可响应于排放控制装置的温度，通过旁通阀引导排气流。SCR催化剂的示例为U-SCR催化剂，如之前图2A-2F中所述的U-SCR208。SCR旁通阀的示例为之前图2C-2F中所述的SCR旁通阀280。
[0046]方法300开始于步骤302，其中确定发动机工况。步骤302可包括确定当前车辆发动机排放系统状况如温度、NOx和碳氢化合物浓度等等。这些状况可由车辆排放系统中的传感器如之前图1和2A-2F中所述的传感器125、127、202和207的组合提供。
[0047]方法300在步骤304继续，其中其可评估是否满足第一状况。例如，步骤304可确定SCR或其他车辆发动机排放系统装置处的测量温度是否大于阀值温度。还可在车辆发动机排放装置的上游确定测量温度，例如，如图2A-2F中传感器202的位置所示。另一方面，可在装置例如如图1所示的排放装置70处，或在U-SCR208处，测量温度。作为示例，阀值温度可相应于排放控制装置70中氧化催化剂的起燃或引发温度(例如，200°C)，例如D0C204或金属氧化催化剂264。如果测量的温度大于阀值温度，方法300进行至步骤314，其中关闭SCR旁通阀，将排气引导通过SCR催化剂。在步骤314后，方法300结束。如果测量的温度小于阀值温度，方法300继续至步骤306，以进一步评估排气流是否应该绕过SCR催化剂。
[0048]在步骤306处，在最后的排放控制装置的下游SCR催化剂的上游测量碳氢化合物浓度。然后，在步骤308处，可随时间积分碳氢化合物浓度，以确定输送至SCR的碳氢化合物的总(积分)量。在步骤310处继续，方法300可确定积分的碳氢化合物浓度是否大于阀值水平。如果积分的碳氢化合物浓度不大于阀值水平，方法300进行至步骤314，其中关闭SCR旁通阀，并且将排气流引导通过SCR催化剂。在步骤314后，方法300结束。如果积分的碳氢化合物浓度大于阀值水平，方法300继续至步骤312，其中打开SCR旁通阀，将排气流引导绕过SCR催化剂。在步骤310中，阀值水平还可以是瞬时的碳氢化合物浓度，通过将阀值水平与瞬时的碳氢化合物浓度进行比较，确定是否打开SCR旁通阀。
[0049]如图3中所示，响应于其中排放控制装置的测量温度在阀值温度以下和碳氢化合物的浓度超过阀值水平的第一状况，方法300操作SCR旁通阀，将排气引导绕过SCR催化齐U。在其他的示例中，响应于当测量的排放控制装置的温度在阀值温度以下或碳氢化合物的浓度超过阀值水平时的第一状况，SCR旁通阀可将排气引导绕过SCR催化剂。此外，响应于第二状况——其中测量的排放控制装置的温度超过阀值温度或碳氢化合物的浓度低于阀值水平，SCR旁通阀引导排气通过SCR催化剂。
[0050]因而提出了用于操作发动机排放系统的方法，包括响应于第一状况通过SCR旁通阀将发动机的碳氢化合物引导绕过SCR催化剂,并响应于第二状况将发动机的碳氢化合物引导通过SCR催化剂。在一些示例中，第一状况指发动机排放系统中的排放控制装置达到阀值温度之前，其中排放控制装置为氧化催化剂并还可包括碳氢化合物捕集器和/或CO捕集器和/或柴油颗粒过滤器。在进一步示例中，第二状况指排放控制装置达到阀值温度之后，或者SCR旁通阀上游的碳氢化合物浓度被减少到阀值水平以下之后。在进一步示例中，SCR催化剂是将NOx转化成N2和H2O的尿素SCR催化剂，且第一状况是其中SCR旁通阀上游的碳氢化合物浓度超过阀值水平。可在最后的排放控制装置的下游SCR催化剂的上游确定SCR旁通阀上游的碳氢化合物浓度，且进一步地，可通过碳氢化合物传感器确定SCR旁通阀上游的碳氢化合物浓度。SCR旁通阀上游的碳氢化合物浓度可以是积分的碳氢化合物浓度且阀值水平可以是积分的碳氢化合物浓度阀值。
[0051]现参照图4，其示出了当监测车辆发动机排放系统时感兴趣信号的示例性模拟绘图。图4的次序可由执行图3所示的方法300的指令的控制器12提供。例如，如果测量的排放控制装置的温度低于阀值温度且排出的碳氢化合物浓度高于阀值水平，则满足第一状况，且作为响应，调节SCR旁通阀，以将排气流绕过SCR催化剂。响应于第一状况，由于排气中的碳氢化合物浓度有害于SCR催化剂的效率和可用寿命，引导排气流绕过SCR催化剂。响应于满足第二状况——其中测量的排放控制装置的温度大于阀值温度或排出的碳氢化合物浓度低于阀值水平，调节SCR旁通阀，将排气流引导通过SCR催化剂。垂线标记Ttl-T4指示序列中特别感兴趣的时间。图4包括五个示例性的时间表绘图且五个绘图中的每个包括表示时间的X轴。在X轴的箭头方向上从图4的左侧至图4的右侧，时间增加。
[0052]图4顶部的第一个绘图表示发动机转速410。如图4所示,在时间Tci处启动发动机，发动机转速从怠速状态增加。不久之后，在时间T1处，发动机转速急剧增加，例如当车辆运动开始时。仍在T1处，早期燃烧事件导致发动机转速增加并如碳氢化合物信号430所指示的引起了发动机的碳氢化合物排放。在该示例情况中，如排放系统温度信号450所指示的，发动机启动可以是热启动，其中测量的温度高于阀值温度454。该排放系统温度可以是排放系统中的一个或多个排放控制装置的上游或下游的测量温度或排放系统中的一个或多个排放控制装置处的测量温度。进一步地，可通过位于排放系统处的与控制器12连通的传感器测量排放系统温度或者排放系统温度可以是从其他的传感器信号计算的或在控制器12计算的推断温度。例如，排放系统温度可以是排放控制装置70上游的排气中的测量温度，或者可测量排放控制装置70例如D0C204的温度或SCR催化剂的温度。因为排放系统温度高于阀值温度，所以可在SCR催化剂上游氧化来自发动机的碳氢化合物排放物，例如通过柴油氧化催化剂204进行。因此，HC传感器输出信号440 (位于最后的排放控制装置的下游SCR催化剂的上游)指示低于阀值水平444的碳氢化合物浓度。在一些示例中，HC传感器的输出可表不积分的碳氢化合物浓度信号并且阀值水平444可表不积分的碳氢化合物浓度阀值。HC传感器输出还可表示排放系统中的测量的碳氢化合物浓度或推断的碳氢化合物浓度。因为排放系统温度450高于温度阀值454,且因为HC传感器输出440低于阀值水平444，所以可满足第二状况并调节SCR旁通阀位置420，以将排气流引导通过SCR催化剂。
[0053]在时间T2处，车辆发动机转速410迅速增加，例如在车辆加速期间，此时发生发动机碳氢化合物排放物430 (例如，由于空气/燃料比不平衡)和测量温度450的增加。此外，HC传感器的输出440增加到阀值水平444以上。因此，控制器12可调节SCR旁通阀的位置420，以在时间T2处将排气流引导绕过SCR催化剂。
[0054]然后，在时间T3处,发动机转速暂时降低,此时发生碳氢化合物传感器输出440的下降，使得碳氢化合物的浓度在阀值水平444以下。因而，调节SCR旁通阀，以允许排气流通过SCR催化剂。
[0055]在时间T4处，发动机转速410再次增加，例如当车辆登上道路上的斜坡时。因为HC传感器输出440增加到阀值水平444以上，所以调节SCR旁通阀，以将排气流引导绕过SCR催化剂。通过该方式，图4示出了其中可操作SCR旁通阀以延长SCR催化剂的效率和寿命的各种情况。
[0056]现参照图5，其示出了当监测车辆发动机排放系统时感兴趣信号的进一步示例性模拟绘图。如图4中那样，示出了表示发动机转速410、SCR旁通阀位置420、发动机的碳氢化合物排放物430、HC传感器输出440，以及测量的温度450的同一组信号。如图4中那样，图5中所示的信号可由执行图3中所示方法的指令的控制器12提供。另外，在HC传感器输出440和测量的温度450的绘图上分别示出了阀值水平444和阀值温度454。
[0057]如所示的，随着增加的时间，发动机转速410具有与图4中的发动机转速信号类似的分布图。然而，在图5中，对车辆进行冷启动，随着时间从时间T5至时间T9，测量温度450逐渐增加，且不超过阀值温度454，直到在时间T9后。因而，可如HC传感器输出信号440所指示的，在车辆发动机排放系统中的HC传感器位置的上游不完全氧化发动机的碳氢化合物排放物430，HC传感器输出信号示出了在时间T5至时间1~9之间的期间碳氢化合物的浓度高于阀值水平。因此，在时间T5至时间T9期间发动机工况满足第一状况，其中测量的温度450在温度阀值454以下且排出的碳氢化合物浓度440高于阀值水平444。因而，调节SCR旁通阀的位置，以在时间T5至时间T9期间将排气流引导绕过SCR催化剂。在时间T9后，测量温度450变得高于阀值温度454且HC传感器输出544指示排出的碳氢化合物浓度440在阀值水平444以下。因此，满足第二状况，且控制器12可调节SCR旁通阀的位置，以将排气流引导通过SCR催化剂。通过该方式，图5示出了其中可操作SCR旁通阀以延长SCR催化剂的效率和寿命的各种进一步情况。
[0058]因而，描述了包括排放控制装置、SCR催化剂、位于SCR催化剂上游的SCR旁通阀，以及控制器——其包括可执行指令以响应于第一状况将排气流弓I导绕过SCR催化剂以及响应于第二状况将排气流弓I导通过SCR催化剂——的车辆发动机排放系统。排放控制装置包括氧化催化剂和/或碳氢化合物捕集器，和/或SCR催化剂上游的CO捕集器，和/或SCR催化剂下游的柴油颗粒过滤器。进一步地，第一状况可包括在车辆发动机排放系统中的排放控制装置达到阀值温度之前，以及第二状况可包括排放控制装置达到阀值温度之后。车辆发动机排放系统的SCR催化剂可包括将NOx转化成N2和H2O的尿素SCR催化剂，其中第一状况可包括其中SCR旁通阀上游的碳氢化合物浓度超过阀值水平。
[0059]如本领域技术人员将意识到的，图3中所述的方法可代表任意数目的处理策略中的一个或多个，所述处理策略诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各个动作或功能均可以以所示的次序执行、并行执行，或在一些情况中被省略。同样地，不一定要求处理顺序达到本文所述的目标、特征和优势，而是提供来方便说明和描述。虽然没有明确示出，但是本领域技术人员将认识到一个或多个示例的步骤、方法和/或功能可重复进行，这取决于所应用的具体策略。
[0060]应该意识到本文所公开的配置和程序实质是示例性的，且这些特定示例不应被视为具有限制意义，因为许多的变化是可能的。例如，可将上述技术应用于包括SCR催化剂的各种车辆发动机排放系统配置，并且可进一步包括装置如柴油或其他类型的氧化催化剂、沸石类、稀NOx捕集器、碳氢化合物捕集器、一氧化碳捕集器、柴油和其他类型的颗粒过滤器，以及其他的本领域已知的装置。进一步地，评估将排气流引导绕过SCR催化剂的状况可包括测量各种排气参数，如温度和排气组分浓度——包括其积分信号、其衍生信号、其信号总和等等，并且可包括参数和信号的组合。本公开的主题包括本文所公开的各种系统和配置以及其他特征、功能和/或特性的全部新颖的和非显而易见的组合以及亚组合。
[0061]所附权利要求特别指出了被视为新颖的和非显而易见的某些组合和亚组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求将被理解为包括结合一个或多个这样的元件，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。公开的特征、功能、元件和/或性质的其它组合和亚组合可通过修改本申请权利要求书或通过在本申请或相关申请中提出新权利要求而得到保护。这些权利要求一无论其范围对于原始权利要求更宽、更窄、相同或不同一也被视为包括在本公开的主题内。
【权利要求】
1.用于操作发动机排放系统的方法，包括: 响应于第一状况通过SCR旁通阀将发动机的碳氢化合物引导绕过SCR催化剂；以及 响应于第二状况将发动机的碳氢化合物引导通过所述SCR催化剂。
2.权利要求1所述的方法，其中所述第一状况指所述发动机排放系统中的排放控制装置达到阀值温度之前。
3.权利要求2所述的方法，其中所述排放控制装置为氧化催化剂。
4.权利要求2所述的方法，其中所述第二状况指所述排放控制装置达到所述阀值温度之后。
5.权利要求1所述的方法，其中所述SCR催化剂是将NOx转化成N2和H2O的尿素SCR催化剂，以及其中所述第一状况是其中所述SCR旁通阀上游的碳氢化合物浓度超过阀值水平。
6.权利要求5所述的方法，其中所述第二状况是所述SCR旁通阀上游的所述碳氢化合物浓度被减少到所述阀值水平以下之后。
7.权利要求6所述的方法，其中在最后的排放控制装置的下游所述SCR催化剂的上游确定所述SCR旁通阀上游的所述碳氢化合物浓度。
8.权利要求7所述的方法，其中通过碳氢化合物传感器确定所述SCR旁通阀上游的所述碳氢化合物浓度。
9.权利要求8所述的方法，其中所述SCR旁通阀上游的所述碳氢化合物浓度为积分的碳氢化合物浓度以及所述阀值水平为积分的碳氢化合物浓度阀值。
10.权利要求3所述的方法，其中所述排放控制装置进一步包括碳氢化合物捕集器。
【文档编号】F01N9/00GK103527290SQ201310278370
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月4日 优先权日:2012年7月5日
【发明者】W·C·罗那, M·J·范尼马斯塔特, D·阿帕德耶 申请人:福特环球技术公司