[发明专利]排气系统流体配量的闭环控制

说明书

技术领域

本发明涉及用于柴油发动机和稀燃汽油发动机的排气后处理系统。

背景技术

来自柴油发动机的NOx和颗粒物质(炭烟)排放是环境问题。包括美 国在内的许多国家长久以来都具有限制这些排放的生效法规。制造商和研 究人员已为符合这些法规作出了很大的努力。已经提出了柴油机颗粒过滤 器(DPF)以用于控制颗粒物质排放。还提出了一些不同的方案以用于控 制NOx排放。

在使用理论(化学计量)燃料-空气混合物的汽油动力车辆中，可使用 三元催化剂来控制NOx排放。在采用压缩点火的柴油动力车辆中，排气通 常过于富含氧因而不能使三元催化剂有效。

用于控制来自柴油动力车辆的NOx排放的一组方法涉及限制污染物的 产生。诸如排气再循环和燃料-空气混合物部分均匀化之类的技术有助于减 少NOx排放，但是仅有这些技术是不够的。另一组方法涉及从车辆排气中 去除NOx。这些方法包括使用稀燃NOx催化剂、选择性催化还原(SCR) 和稀NOx捕集器(LNT)。

稀燃NOx催化剂在富氧条件下促进NOx的还原。在氧化气氛中NOx 的还原是困难的。已经证明找到一种具有期望的活性、持久性和工作温度 范围的稀燃NOx催化剂是一个挑战。稀燃NOx催化剂还趋于水热不稳定 (hydrothermally unstable)。在相对少的使用后就会发生较大的活性损失。 必须提供诸如柴油燃料之类的还原剂，这将产生3％或更多的燃料经济损 失。目前，稀燃NOx催化剂的峰值NOx转化效率低得令人难以接受。

SCR通常是指利用氨进行的NOx的选择性催化还原。该反应即使在氧 化环境中也可发生。NOx可临时存贮在吸附剂中，或可将氨连续地供给到 排气中。SCR可实现高度的NOx还原，但是缺点是缺少用于分配氨的基 础结构或者合适的前体。另一个担忧是氨有可能被释放到环境中。

为了澄清有时模糊不清的命名，应当理解，在排气后处理领域中，术 语“SCR催化剂”和“稀NOx催化剂”可交换使用。然而，尽管严格地 讲氨-SCR仅仅是SCR/稀NOx催化剂的一种，但是术语“SCR”常常仅 用于表示氨-SCR。通常情况下，当在一篇参考文献中讨论到氨-SCR催化 剂和稀NOx催化剂时，SCR用于指氨-SCR，稀NOx催化剂用于指带有不 同于氨的还原剂的SCR，例如带有碳氢化合物的SCR。

LNT是在稀排气条件下吸附NOx并在浓排气条件下还原并释放被吸附 的NOx的装置。LNT通常包括NOx吸附剂和催化剂。吸附剂代表性地是 碱土化合物，例如BaCO₃；催化剂代表性地是诸如Pt和Rh之类的贵金 属的组合物。在稀排气中，催化剂加速导致NOx吸附的氧化反应。在还原 性环境中，催化剂激活反应——被吸附的NOx通过所述反应被还原和吸 附。在典型的操作规程中，不时地在排气中产生还原性环境以便去除聚集 的NOx，并由此使LNT再生(脱硝)。

在脱硝过程中，大部分被吸附的NOx被还原成N₂，但是，一部分被吸 附的NOx未还原就被释放，另一部分被吸附的NOx被深度还原成氨后被 释放。美国专利No.6,732,507描述了这样一种系统，其中SCR催化剂构 造成在LNT的下游以便利用脱硝期间释放的氨。氨被用于还原溜过LNT 的NOx，从而改进单机LNT的转化效率。

除了聚集NOx之外，LNT还聚集SOx。SOx是常规燃料中存在的硫的 燃烧产物。即使对于硫含量少的燃料，燃烧所产生的SOx的量仍然很大。 SOx的吸附性比NOx更强，并且尽管频率较低，仍需要更严格的再生。脱 硫需要提高的温度以及还原性气氛。特别是在稀燃汽油发动机的情况下， 可由发动机措施来提高排气的温度。但是，至少在柴油发动机的情况下， 常常需要提供附加的热。一旦LNT被充分加热，则会产生类似于LNT脱 硝的还原环境。

除了当发动机能按理论空燃比或浓空燃比运行时，产生用于LNT再生 的还原环境通常涉及将还原剂喷射到排气中。需要一部分还原剂将过量的 氧从排气中消除。通过与还原剂反应而将要被去除的那部分氧的量可通过 各种方法，例如通过调节发动机的空气吸入量而减少。但是，至少在柴油 发动机的情况下，通常需要通过燃烧或与喷射的还原剂的重整反应来将大 量的氧从排气中消除。通常还将还原剂喷射到排气中以加热用于脱硫的 LNT或加热DPF以便启动炭烟燃烧。