CN100510335C - 具有废气排放控制的发动机驱动的车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于维持在布置于包括内燃机(1，21，31)的车辆中的氧化催化转换器(5，25，35)中的NO氧化为NO2的方法和设备，所述内燃机在运行中将废气排放到包含所述氧化催化转换器的废气后处理系统(2，22，32)，在至少一个预定时间间隔之后，将预定量的烃送到废气后处理系统或发动机，其目的是维持废气后处理单元(6，26，36，4，24，34)的工作温度或使其再生。将所述量的烃通过至少一个预定的分段频率和喷射时段之下的喷射而送到废气后处理系统或发动机，以便维持刚好在用于烃喷射的所述时间间隔之前的废气后处理系统(2，22，32)中的占优的NO2的产生。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于维持在布置于包括内燃机的机动车辆中的氧化催化转换器中的不同条件下的被转换为NO2的NO量的方法，所述内燃机在运行中将废气排放到包含所述氧化催化转换器的废气后处理系统。该方法计划用于以下情况：当将预定量的烃在至少一个预定时间间隔之后送到废气后处理系统或者发动机，以作为加热或再生废气后处理系统中的一个或多个不同的废气后处理单元的升温措施时。
本发明还涉及一种发动机驱动的车辆，其包括：内燃机，其在运行中将废气排放到包含用于将NO氧化为NO2的氧化催化转换器的废气后处理系统；控制单元以及被设计来将烃喷射入废气后处理系统的喷射元件，控制单元被设计来在至少一个预定时间间隔之后经由喷射元件喷射预定量的烃。
本发明还涉及一种借助于计算机来执行这种方法的计算机程序。
背景技术
涉及柴油机的法规已经更加严格并且将继续变得更加严厉，尤其涉及氮氧化物污染物的排放和颗粒的排放。
燃料在发动机汽缸中燃烧所形成的氮氧化物的数量取决于燃烧温度。较高的温度会使得更大比例的大气中的氮被转换为氮氧化物。用于柴油机和其它发动机上的、与过量空气一起运行的催化转换器仅仅氧化。由于废气包含氧气，因此其难以在降低氮氧化物上具有很高的选择性。除了氮氧化物之外，燃烧过程中形成的其它不希望的排放物包括一氧化碳(CO)、碳化氢(HC)和主要呈粉尘(C)形式的颗粒。
一种用于基于废气后处理来降低氧化氮数量的已知方法是LNANOx收集器(稀燃(Lean)NOx吸收器)。LNA也可称作LNT(稀燃NOx收集器)。在这种技术中，NO首先在氧化催化转换器中被氧化，从而形成NO2，此后NO2以硝酸盐的形式存储在收集器中。当发动机在过量氧气下运行时，发生NO2的存储。然后，通过允许发动机以不足的氧气运行，也就是说在额外附加的烃(通常为车辆燃料)和/或减少的空气流下运行，这会加热硝酸盐并将收集在NOx收集器中的二氧化氮NO2还原为氮气N2和水H2O，例如参见EP 1245817、US 5,473,887或US 6,718,757，使NOx收集器以预定的间隔间断地再生。存储和再生都需要NOx收集器中足够高的温度(对于存储而言稍高于200℃，对于再生而言大约为300℃)。在较低的发动机负载下(例如在城镇驾驶或者在空载卡车的情况下)，废气温度将不足以将NOx收集器保持在必要的温度下。于是，将温度升高到适合水平的一种方式是将烃喷射入正在废气后处理系统中催化地燃烧的废气中，以使得达到合适的温度。烃对于有用的NO2形成有着负面效果，其结果是在加热阶段期间的废气系统中的氧化氮的总体转化率降低。
烃能通过用打开的发动机排气阀进行另外喷射(后喷射)来供应，或者经由布置在废气管道上的喷射器来供应。
主要是借助于氧化催化转换器来形成NO2的另一种废气后处理的已知方法是CRTTM(连续再生收集器)。在此情况下，颗粒，也就是说烟灰和硫污染物排放物，它们例如被收集在收集器中，其中烟灰能被转换为二氧化碳CO2。NO2在此用作颗粒转换的氧化剂。为了借助于NO2来出现烟灰的燃烧，后处理系统的温度需要超过250℃。而且，在这里，废气后处理系统中的温度能通过加入在催化转换器中燃烧、但对有用的NO2形成有负面影响的烃而升高到适合的水平，从而使得废气后处理系统中颗粒的总体转换降低。
主要是形成NO2的其它已知的废气后处理方法是：
——LNC(稀燃NOx催化剂)，其在富氧状况下连续地还原氮氧化物，
——贵金属涂覆的颗粒过滤器，
——用于NOx还原的尿素或氨基的SCR(选择性催化剂还原)，参见例如US 5,540,047，
——烃基(HC基)的SCR(选择性催化剂还原)
因此，本发明的目标是尽可能地维持氧化催化转换器中有用的NO2形成的水平，使得废气后处理系统的总体效率增大，也就是说废气后处理系统能进一步减少例如NOx和颗粒的排放量。
发明内容
根据本发明的方法包括一种用于维持在布置于包括内燃机的车辆中的氧化催化转换器中的NO氧化为NO2的方法，所述内燃机在运行中将废气排放到包含所述氧化催化转换器的废气后处理系统，将预定量的烃在至少一个预定时间间隔之后送到废气后处理系统或发动机。该发明的特征在于，将所述量的烃通过间隔在0.01至0.5Hz的分段频率且间隔在1至10秒的喷射时段下的分段喷射送到废气后处理系统或发动机，其中为了较大程度地维持刚好在用于烃喷射的所述时间间隔之前的废气后处理系统中的占优的(prevailed)NO2的产生，在较高的分段频率下采用较短的喷射时段。
根据本发明的方法的一个优点在于，通过对于加热或再生布置在废气后处理系统中的催化转换器或颗粒过滤器时的不同状况来选择正确的分段频率和喷射间隔，尽可能长时间地维持氧化催化转换器中NO向NO2的较早转换，即使在加热或再生过程之中，也就是说在通过将烃喷射入废气后处理系统来发生加热或再生时。通过维持NO向NO2的较早转换，离开废气后处理系统的废气中的NOx和颗粒的总量将被进一步降低。在废气后处理系统具有LNA的情况下，氧化催化转换器中NO向NO2的转换意味着NO向NO2的转换被最大化，而如果废气后处理系统替代地包括SCR，则NO向NO2的转换意味着实现了50％氧化。
本发明的又一优点在于，喷射的烃将更有效地使用，这带来烃消耗的减少(大约5％)。
本发明还包括一种呈具有废气后处理系统的发动机驱动的车辆形式的设备，其中氧化催化转换器中NO向NO2的转换通过将烃持续地送到废气后处理系统来维持。
根据本发明的设备获得了与根据本发明的方法相同的优点。
附图说明
图1、2和3每个都示出了根据本发明的废气后处理系统的三个不同优选实施例的示意图。
图4示出了现有技术和根据本发明的氧化催化转换器下游的NO2含量的图表。
图5示出了图1、2和3所示的至少两个实施例中使用的装置。
具体实施方式
图1示出了本发明的一个优选实施例，其中从内燃机1排出的燃烧废气被导向入总体地用2标识的废气后处理系统。发动机1是与过量氧气一起起作用的一种发动机，例如活塞汽缸型柴油机，其中发动机1的废气中的过量氧气用于减少在排放入环境之前废气中的NOx含量和颗粒(主要是烟灰)。废气后处理系统2被设计来减少来自发动机1的废气中的氮氧化物和颗粒的数量。废气后处理系统2的主要部件包括CRTTM3和NOx催化转换器4。在所示的示例性实施例中，CRT3包括氧化催化转换器5和颗粒过滤器6。在所示的示例性实施例中，NOx催化转换器4是LNA型。来自发动机1的废气又经由废气管道7而导向通过呈氧化催化转换器5形式的第一级、呈颗粒过滤器6形式的第二级以及最后呈NOx催化转换器4形式的第三级。废气从NOx催化转换器4经由排气尾管8而被导出到环境中。
来自发动机1的废气通常包括各种氮氧化物NOx，比如NO和NO2，而且还有烃HC、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、颗粒以及其它燃烧残余物。第一级中的氧化催化转换器5优选地涂覆有贵金属，比如铂或钯。氧化催化转换器5将废气中的NO氧化为NO2。第一级中的反应用公式1示出：
NO+1/2O2→NO2 1)
从而形成NO2，其被导向到由颗粒过滤器6(例如其中管道被堵塞、使得气体不得不通过管壁的陶瓷单体型的颗粒过滤器)构成的第二级。在颗粒过滤器6中，来自氧化催化转换器5的NO2与废气中的颗粒发生反应，颗粒主要呈烟灰形式，以使得至少一部分NO2被还原为NO，即一氧化氮，同时烟灰被氧化为CO2。有多少NO2被还原取决于废气中的烟灰含量以及过滤器中捕获的烟灰量。因此，NO2至NO的还原不是百分之百的。离开颗粒过滤器的废气一般由NO2和还原了的NO2(也就是说NO)以及CO2组成。第二级2中的反应主要用下面的公式示出：
2NO2+C→2NO+CO2 2)
来自过滤器6的废气然后进入第三级，也就是说NOx催化转换器4。在所示的示例性实施例中，NOx催化转换器4为LNA，也就是说被设计来在富氧状况下将残余量的NO2收集在其上的NOx收集器，NOx催化转换器4通过加入还原剂来将捕获在NOx收集器中的二氧化氮NO2还原为氮气N2和气态的水H2O。第三级3中的主要过程由公式3示出：
NOx催化转换器4可以涂覆有催化层，其目的是将来自第二级2的任何残余NO氧化为NO2，以使得NO2随后能存储在NOx催化转换器4中。
在所示的示例性实施例中，所述还原剂或加热剂优选地包括用于发动机的燃料1并且可存储在单个容器(未示出)内，用以按照需要由布置在颗粒过滤器6和NOx催化转换器4之间的喷射器9喷射入废气管道7。在所示的示例性实施例中，喷射器9由泵10加压。喷射器9和泵10由控制单元11控制，控制单元11也可设计来控制发动机1的燃烧过程。如果例如由于发动机负载较低而使到达NOx催化转换器4的废气过冷，那么NOx催化转换器4在存储NO2和将NO氧化为NO2(如果这种氧化作用存在的话)方面上的工作能力将降低。然后，控制单元11可选择来通过经由喷射器9喷射预定量的烃而增大NOx催化转换器4中的温度，以确保NOx催化转换器4起作用。因此，控制单元11调节烃的喷射以增大或维持NOx催化转换器4中用于存储NO2的适当温度。
当所示的示例性实施例中的NOx催化转换器4接近或达到其最大NOx存储能力时，控制单元11将确保预定量的还原剂(烃)被喷射入废气管道7，以使得NO2能被还原为N2。在所示的示例性实施例中，控制单元11从布置在NOx催化转换器4下游的NOx传感器12接收信号。NOx传感器12检测废气中的NOx含量，并且这使得控制单元11能间接地检测发动机的负载。这样，为了再生NOx催化转换器4的目的，在希望的状况下还原剂能以可控的方式喷射入废气管道。
在根据图1所示的示例性实施例中，温度传感器13布置在氧化催化转换器5的上游，并且温度传感器14布置在过滤器6和NOx催化转换器4的上游，以便记录CRT 3之前和之后的温度。温度传感器13和14被设计来将关于温度的信息传送到控制单元11，控制单元11借助于这个信息能计算出加热或再生颗粒过滤器6的时刻。控制单元11对于占优状况选择适合的方法，例如通过借助于发动机1的普通燃料喷射器(未示出)来喷射烃。烃优选地为车辆用的普通燃料并且适合地通过所谓的后喷射来适合地喷射，这种后喷射由控制单元11来监视和控制。预定量的喷射燃料给出了特定的升温效应，需要这种升温效应来获得适合的工作温度或者再生颗粒过滤器6。在一个可选实施例中，传感器13可以包括压力传感器。在又一实施例中，传感器13可以是组合的温度和压力传感器。
根据本发明，烃的喷射在于，将由控制单元11计算出的烃量以分段喷射的方式喷射入废气管道7或发动机1，其分段频率、喷射时段和流量是预先确定的并且存储在控制单元11的存储单元(未示出)中。由于分段频率可取决于废气和催化转换器的状况，并且可作为所要实现的NO转换的函数，因此可相对于描述这种状况的任何一个或多个变量作出图表。还存储了关于特定喷射期间的烃流量以及特定喷射所用的总时间的信息。所述存储单元因此包含由制造商编译的表，该表包含最适于废气后处理系统2中特定温度状况和废气状况的所述预先确定的数据。
在根据图1的实施例中，根据本发明的表的目的是维持对残余NO的高水平氧化，所述残余NO从第二级2到达NOx催化转换器4，甚至在烃被喷射入废气后处理系统2时的时段期间。这通过对不同条件下的喷射器9的分段频率、喷射时段和流量进行优化而得以实现。这用来最大化通过废气后处理系统2进行的NO至NO2的氧化，这产生了通过废气后处理系统2进行的更有效的NOx还原。在根据图1的实施例中，根据本发明的表的目的是进一步维持到达第一级1(也就是氧化催化转换器5)的NO的高水平的氧化。这通过对于不同条件下的发动机1的喷射器9的分段频率、喷射时段和流量进行优化而得以实现。
图2示出了与根据图1的实施例类似的一个可选的优选实施例，除了烃的喷射之外。在根据图2的实施例中，烃仅通过布置在发动机1和CRT3之间的喷射器29进行喷射。因此，为了使氧化催化转换器25中NO氧化为NO2实现最大化、或者为了使NOx催化转换器24中NO2的存储实现最大化、或者为了使颗粒过滤器26和/或NOx催化转换器24再生，从而对通过喷射器29的烃喷射进行优化。因而在根据图2的实施例中，如同根据图1的实施例，根据本发明的相应表存储在控制单元211的存储单元中。然而，对图2所示实施例的分段频率进行了调节。
图3示出了与前述两个实施例类似的另一可选的优选实施例，除了烃的喷射之外。在根据图3的实施例中，对于发动机中的每个汽缸，烃仅通过布置在发动机31中的普通喷射器(未示出)喷射。因此，烃优选地包括用于车辆的普通燃料并且通过所谓的后喷射适合地喷射，这种后喷射由控制单元211来监视和控制。
因此根据本发明，烃以与前述两个实施例中相同的方式喷射，其中，将由控制单元311计算出的烃量通过分段喷射而喷射入废气管道37，其分段频率、喷射时段和流量被预先确定并存储在控制单元311的存储单元(未示出)中。由制造商编译的、包含所述预定数据的表在此适合于根据图3的实施例，所述预定数据最适合于废气后处理系统32中的特定温度状况和废气状况。因此，为了实现氧化催化转换器35中NO氧化为NO2的最大化、或者为了实现NOx催化转换器34中NO2的存储最大化、或者为了使颗粒过滤器36和/或NOx催化转换器34再生，对用于图3所示实施例的本发明所述表进行优化。
为了设计的原因，布置在废气管道上的、根据现有技术的喷射器
(例如针阀型)一般具有通常为几十Hz数量级并且实际上能视为连续喷射的打开频率。烃或还原剂的这种喷射主要妨碍了NO2的形成。根据发动机速度，现有技术中通过发动机的喷射还要求10-100Hz的典型频率。根据本发明，对分段频率进行调节以尽可能长时间地维持NO2的形成。为各种状况优化的分段频率、喷射时段和流量通过对于不同实施例的发动机和排气系统进行实验而编译。图4示出了一个图表，其y轴为涂覆有将NO氧化为NO2的催化涂层的某种催化转换器下游的NO2含量百分比。X轴示出了时间。经过某一时段t之后，在具有不同分段频率的三种不同情况下，在催化转换器的上游已经喷射了预定量的烃。图4示出了三个曲线，它们示出了在三种不同情况下催化转换器下游中NO2含量是如何变化的。根据曲线A的喷射具有打开频率为30Hz的“连续”喷射，也就是说这个曲线示出了在根据现有技术的喷射情况下发生了什么情况。曲线A示出了在喷射烃时氧化催化转换器下游的NO2含量急剧下降。因此，根据该实施例的废气后处理系统的效率减退。曲线B示出了具有低分段频率(0.1Hz)的喷射。在此情况下，喷射发生为：在30Hz的打开频率下进行1-2秒和在喷射器完全闭合下进行8-9秒。这里，在喷射时，NO2含量不会像曲线A那样下降。这可以很大程度上维持NO2的产生。曲线C示出了中等高分段频率(大约0.25Hz)的喷射。相比曲线B，这可以稍微进一步地维持NO2的产生。
为了在喷射烃期间也能维持NO2的产生，优选地以间隔为0.01至0.5Hz的分段频率和间隔为1至10秒的喷射时段来获得最好的结果。优选地，所述分段频率间隔中的频率越高，喷射时段越短，也就是说更靠近所述喷射间隔中的下限。根据本发明设计的控制单元，如同所示的示例性实施例那样，优选地由废气后处理系统的预定目标温度以及由当前废气温度来计算出流量和喷射时段。
图5示出了根据本发明一个实施例的装置500，其包括非易失性存储器520、处理器510和读写存储器560。存储器520具有第一存储部件530，其中存储有用于控制装置500的计算机程序。存储部件530中、用于控制装置500的计算机程序可以是操作系统。
装置500可结合入控制单元，比如举例来说控制单元11、211或311。数据处理单元510可包括例如微处理器。
存储器520还具有第二存储部件540，其中存储有用于控制根据本发明的废气后处理系统的程序。在一个可选实施例中，用于控制废气后处理系统的程序被存储在单独的非易失性数据存储介质550中，比如举例来说存储于CD中，或者存储于可更换的半导体存储器中。所述程序能以可执行的形式或者以压缩状态来存储。
在下面将数据处理单元510描述为运行特定功能时，应当清楚地理解到，数据处理单元510运行存储在存储器540中的程序的特定部分或者存储在非易失性数据存储介质550中的程序的特定部分。
数据处理单元510适于通过数据总线514与存储器550相通讯。数据处理单元510还适于通过数据总线512与存储器520相通讯。数据处理单元510还适于通过数据总线511与存储器560相通讯。数据处理单元510还适于通过数据总线515与数据端口590相通讯。
根据本发明的方法能由数据处理单元510来执行，其中，数据处理单元510运行存储在存储器540中的程序，或者存储在非易失性数据存储介质550中的程序。
在本发明的一个可选实施例中，NOx催化转换器4可包括例如尿素SCR。在此情况下，还原剂包括尿素，发动机的柴油燃料和尿素都必须存储在单独的容器内。柴油燃料在此情况下仅用于通过喷射入发动机或者布置在废气管道上的另一单独的喷射器来加热催化转换器。
在本发明的一个可选实施例中，氧化催化转换器5、25或35可分别与颗粒过滤器6、26或36成整体。整个颗粒过滤器或其部件可涂覆有将NO氧化为NO2的催化活性材料。
在本发明的一个可选实施例中，颗粒过滤器和NOx催化转换器可在废气后处理系统中以相反的顺序布置。
在本发明的又一可选实施例中，废气后处理系统可仅包括具有氧化功能的NOx催化转换器或者可选地可仅包括CRT。
在本发明的又一可选实施例中，烃的喷射可通过发动机喷射器和通过布置在废气后处理系统上的一个或多个喷射器同时地进行。
根据本申请的发明不仅能够有利地应用于前述废气后处理方法，而且还能应用于至少下面的情况：
-LNC(稀燃NOx催化剂)，其在富氧状况下连续地还原氧化氮，
-贵金属涂覆的颗粒过滤器，
-烃基(HC基)的SCR(选择性催化剂还原)
喷射入废气后处理系统中的烃有利地是用于车辆的燃料，其可以是柴油燃料、汽油、二甲醚(DME)、甲烷(CNG)等，但是在废气管道上的喷射器的情况下还可以是来自单独容器的烃，该烃并不用于驱动车辆。
本发明不能视为限于上述示例性的实施例，而是在不偏离权利要求的范围之下多种其它变化和变型都是可行的。
Claims (7)
1.一种用于维持布置于包括内燃机(1，21，31)的车辆中的氧化催化转换器(5，25，35)中的NO氧化为NO2的方法，所述内燃机在运行中将废气排放到包含所述氧化催化转换器(5，25，35)的废气后处理系统(2，22，32)，在至少一个预定时间间隔之后将预定量的烃送到废气后处理系统(2，22，32)，其特征在于，将所述量的烃通过间隔在0.01至0.5Hz的分段频率和间隔在1至10秒的喷射时段下的分段喷射送到废气后处理系统(2，22，32)，其中为了很大程度地维持刚好在用于烃喷射的所述时间间隔之前的废气后处理系统(2，22，32)中的占优的NO2的产生，在较高的分段频率下采用较短的喷射时段。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，烃的传送通过布置在废气后处理系统(2，22)上的喷射器(9，29)进行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，烃向废气后处理系统(2，22，32)的传送包括通过至少一个布置在内燃机(1，31)中的喷射器进行的后喷射。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，烃包括用于车辆的燃料。
5.一种内燃机驱动的车辆，其包括内燃机(1，21，31)，所述内燃机在运行中将废气排放到废气后处理系统(2，22，32)，该废气后处理系统(2，22，32)包含用于将NO氧化为NO2的氧化催化转换器(5，25，35)、控制单元(11，211，311)和喷射器(9，29)，该喷射器(9，29)被设计来将烃喷射入废气后处理系统(2，22，32)，该控制单元(11，211，311)被设计用于在至少一个预定时间间隔之后、通过喷射元件(9)喷射预定量的烃，其特征在于，控制单元(11，211，311)还被设计来监视和控制所述喷射元件(9，29)，以使得通过间隔在0.01至0.5Hz的分段频率且间隔在1至10秒的喷射时段下的分段喷射，将烃送到废气后处理系统(2，22，32)，其中为了很大程度地维持刚好在用于烃喷射的所述时间间隔之前的废气后处理系统(2，22，32)中的占优的NO2的产生，在较高的分段频率下采用较短的喷射时段。
6.如权利要求6所述的内燃机驱动的车辆，其特征在于，喷射元件是布置在废气后处理系统(2，22)上的喷射器(9，29)。
7.如权利要求6所述的内燃机驱动的车辆，其特征在于，喷射元件是布置在内燃机(1，31)中的喷射器。
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