CN101219339A - 有选择地还原废气供给流中的NOx的方法和装置 - Google Patents

有选择地还原废气供给流中的NOx的方法和装置 Download PDF

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Abstract

描述了有选择地还原内燃机的NOx排放的方法和装置。排气后处理系统包括喷射装置，其可操作地在银－氧化铝催化反应器装置的上游分配碳氢化合物还原剂。控制系统基于废气供给流的选用参数确定NOx浓度和碳氢化合物/氮氧化物比，并且在稀发动机运行期间分配碳氢化合物还原剂。还包括一种在稀运行期间控制供给流成分的方法。该碳氢化合物还原剂可包含发动机燃料。

Description

有选择地还原废气供给流中的NOx的方法和装置
政府合约权利
美国政府在这个发明上具有已付清的许可和在有限情况下要求专利所有人在合理的条款下许可别人的权利，如美国能源部授予DE-FC26-02NT41218的条款所规定。
技术领域
本发明通常涉及内燃机的排气后处理系统。
背景技术
内燃机的制造商对发动机控制策略进行研发以满足顾客要求并且满足排放和燃料经济性的各种法规。一种这样的发动机控制策略包括运行发动机在稀化学当量的空燃比下，以改善燃料经济性并且减少温室气体排放。在使用压燃(柴油机)和稀燃的点燃式发动机中，这种运行是可能的。当发动机运行在稀(过量氧气)空燃比时，产生的燃烧温度较低，导致降低的发动机的NOx排放。然而，由于在稀的排气情况下缺乏除去NOx的有效方法，稀运行发动机的商业应用是有限的。因此，柴油机和稀燃汽油机的排气中氮氧化物(NOx＝NO+NO2)的有效还原对于满足将来排放标准和改善车用燃料经济性是重要的。
从包含过量氧气的排气供给流中进行NOx排放的降低对于车辆制造商是一个挑战。举例来说，据估计符合美国Bin5规则要求后处理系统基于当前预期的发动机排出NOx水平，在FTP(联邦试验规程)循环上具有70-90％的NOx转换效率。为了实际应用，该转换效率必须在上述FTP循环期间发生的低温工作范围(例如，200-350℃)处和在高速测试循环(例如，美国06联邦试验规程)的期间发生的高温工作范围(例如，450-550℃)处获得。
已经提出用于车辆应用的几个潜在的后处理系统。一个方法包括利用后处理系统，该系统包括在尿素-SCR催化剂的上游处喷射NOx还原剂(例如尿素)，以还原NOx为N2。使用尿素作为还原剂需要尿素分配结构体系和用于此辅助流体的车载监测系统，并且由于尿素溶液的比较高的冰点(-12℃)，在寒冷的气候中会具有潜在问题。NOx储存催化剂通常要求大的催化剂体积，大量铂族金属和低硫燃料用于有效存储操作。这种系统要求包括周期性的催化剂再生，其包括燃料喷射以产生高废气温度和还原剂的喷射以再生催化剂的存储材料。
使用碳氢化合物的选择性催化还原(HC-SCR)已经广泛地研究作为潜在的替换方法，以用于在富氧情况下NOx的去除。离子交换基金属的沸石催化剂(例如，Cu-ZSM5)在通常的车辆运行条件下通常不充分活性，并且由于二氧化硫和水的暴露容易老化。使用铂-族金属(例如、Pt/Al2O3)的催化剂有效运行在窄的温度窗下和并且是非常选择性地朝向N2O产物。
使用氧化铝载银(Ag/Al2O3)的催化装置已经受到注意，因为它们具有在稀排气情况下用多种碳氢化合物种类有选择地还原NOx的能力。在Ag/Al2O3上部分氧化的碳氢化合物(例如，酒精)的利用允许在较低温度下还原NOx。然而，这种还原剂在车辆上是不可获得的。在Ag/Al2O3催化剂上先前的HC-SCR利用轻质烃(例如，丙烯，丙烷)和重质燃料成分烃(例如，辛烷，癸烷)作为还原剂。使用存在作为燃烧产物的发动机排气中的轻质烃类的NOx还原会在高温发生转换，但是对于认为是实际用途的候选物的Ag/Al3O2催化剂，NO还原必须转换到低温区域，并且装载在车辆上的燃料必须用作为还原剂。
因此，需要一种有效的方法和装置，以可选择地还原在用于车辆和稀燃内燃机的其它应用的废气供给流中的NOx。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种有选择地还原内燃机的NOx排放的方法和装置，其包括排气后处理系统，该系统包括银-氧化铝催化反应器装置和可操作地分配碳氢化合物还原剂到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流的装置。控制系统适合于确定在废气供给流中的NOx气体的参数测量值；并且，基于NOx气体的参数测量值，分配碳氢化合物还原剂到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中。这包括确定最优的碳氢化合物/NOx比；并且，基于优选的碳氢化合物/NOx比，优选在内燃机的稀运行期间，分配碳氢化合物还原剂到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中。
本发明的另一个方面包括在稀运行期间有选择地控制内燃机的废气供给流成分的方法，包括基于废气供给流的选用参数确定优选的碳氢化合物/氮氧化物比。碳氢化合物还原剂分配到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中。优选的碳氢化合物/氮氧化物包括被优化以基于选用参数通过银-氧化铝催化反应器装置降低废气供给流中NOx浓度的HC1/NOx比。废气供给流的选用参数包含到银-氧化铝催化反应器装置的入口温度，质量流率，NOx浓度和氧浓度。本发明还包括由外部装置或者发动机控制策略可选择地分配一定质量的氢气到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中。该碳氢化合物还原剂包括发动机燃料。
本发明的这些和其它的方面将在本领域技术人员阅读和理解实施例的下面详细说明中变得明显。
附图说明
本发明可在某些部分和部分布置方面上采取物理形式，本发明的实施例将被详细描述并且在形成本发明一部分的附图中示出，并且其中：
图1-19是根据本发明的数据意图；和
图20是根据本发明的动力系统的示意图。
具体实施方式
现在参见附图，其中附图仅仅用于示出本发明而不是为了限制本发明，一种方法(优选执行作为在车载控制模块中的控制算法)提供来在稀运行期间可选择地还原内燃机的废气供给流中的NOx浓度。该方法包括确定在废气供给流中的NOx气体的参数测量值，并且基于废气供给流的参数确定优选的碳氢化合物/氮氧化物的比。基于碳氢化合物的还原剂，例如燃料，有选择地分配到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中，以在限制通过其的碳氢化合物逸出的同时实现NOx还原。优选的碳氢化合物/NOx比包括HC1/NOx比，其被最优化以基于上述选用参数在银-氧化铝催化反应器装置中实现废气供给流的NOx浓度的降低。废气供给流的参数优选包括催化剂的温度，废气供给流的质量流率，和在废气供给流中的NOx和氧浓度。本发明的进一步的实施例包括将一定量的氢分配到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中。本发明的进一步的实施例包括控制在银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中的氧气。
示例的银-氧化铝(′Ag-Al′)催化反应器装置包括利用银-氧化铝作为催化材料并且包括支撑在氧化铝上的2wt.％Ag2O的催化装置，参见图1-15示出的结果。催化材料可支撑在每平方英寸400单元的堇青石整料基层上。在测试之前，该催化装置在650℃使用空气和10％水热液老化16小时。应该理解到催化装置的具体例子是示例的，以描述在此示例的控制策略。取决于具体应用细节可采用其它的含银催化装置。如在下文中描述的，其它中间层装填量和银装填量被检查并且影响控制策略的详细内容。银(′Ag′)装填量被示出是重要的参数，其影响NOx还原和催化性能，其中银装填量的范围(通常大约为1-3wt.％，其中最优值大约2wt.％)促进更高的NOx转换，可能应归于增加的扩散作用。
现在参见图1-19，示例的数据图被示出，其包括通过有选择地喷射HC燃料到Ag-Al催化剂的上游来执行本方法方面所获得的结果。使用实验室反应器以在每平方英寸400单元的堇青石整料基层上应用的Ag-Al催化剂样品上流动模拟的废气供给流，从而在数据图中描述的结果得到发展，其中实验室反应器使用模拟柴油。后处理系统装配有适当的传感器，其包括确定废气中氧气浓度的磁电-空气废气分析仪，确定进入和离开示例催化剂的NOx浓度水平的傅里叶变换红外光谱仪，和流量计，其确定可转变为催化剂空间速度(SV)的废气流率。空间速度表示每单位体积催化剂的废气供给速率(以体积表示)并且具有小时倒数(h-1)的单位。
包括在模拟排气供给流中的下列标准气体的基准实验室条件：10％的O2，5％的CO2、5％的H2O、百万分之(以下表示为′ppm′)750CO，和250ppm的H2。对全部实验室反应器工作用作NOx还原剂的模拟柴油混合物由正十二烷(67vol.％，长链链烷)和间二甲苯(33vol.％，芳香族)的测定体积的混合物组成。空间速度的结果，作为NO或者NO2的NOx，和O2，NOx，H2和HC的浓度结果被估计作为催化剂入口温度的函数。
图1包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV从12,500h-1到75,000h-1中变动，其中废气供给流包括10％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的H2，250ppm的NO和187ppm的模拟柴油，以提供大约8∶1的HC1∶NOx比。
图2包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是50,000h-1，其中废气供给流包括10％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的H2，250ppm的NO和变化量的模拟柴油，以提供大约2∶1到12∶1的HC1∶NOx比。
图3包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是50,000h-1，其中废气供给流包括2％到20％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的H2，250ppm的NO和187ppm的模拟柴油，以提供大约8∶1的HC1∶NOx比。
图4包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是12，500h-1，其中废气供给流包括2％到10％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的H2，100ppm的NO和79ppm的模拟柴油，以提供大约8∶1的HC1∶NOx比。另外，废气供给流包括10％氧，5％H2O，5％CO，750ppm的CO，250ppm的H2，100ppm的NO和158ppm的模拟柴油，以提供大约15∶1的HC1∶NOx比。
图5包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是50,000h-1，其中废气供给流包括2％到10％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的NOx(NO或NO2)和187ppm的模拟柴油，以提供大约8∶1的HC1∶NOx比。
图6包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是50,000h-1，其中废气供给流包括6％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250或4000ppm的H2，250ppm的NOx(NO或NO2)和187ppm的模拟柴油，以提供大约8∶1的HC1∶NOx比。
图7包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是25,000h-1，其中废气供给流包括10％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250或1000ppm H2，100ppm的NO和151ppm的模拟柴油，以提供大约15∶1的HC1∶NOx比。或者SV是50,000h-1，其中废气供给流包括10％氧，5％H2O，5％CO2，750ppm的CO，250或2000ppm的H2，250ppm的NO，和187ppm的模拟柴油，以提供大约8∶1的HC1∶NOx比。
图8包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为H2浓度的函数，其中SV是从12，500到50,000h-1范围，并且废气温度是250或者350℃，废气供给流包括10％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，100或者250ppm的NO和变化ppm的模拟柴油，以提供从大约8∶1到15∶1的HC1∶NOx比。
图9包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是50,000h-1，其中废气供给流包括10％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，和从250到8000ppm的H2，250ppm的NO和187ppm的模拟柴油，以提供大约8∶1的HC1∶NOx比。
图10包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为H2浓度的函数，其中SV是50,000h-1，其中废气供给流包括10％的氧气，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的NO和187ppm的模拟柴油，以提供大约8∶1的HC1∶NOx比。
图11包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为HC1∶NOx比的函数，其中SV是12,500到50,000h-1并且废气温度是250或者350℃，其中废气供给流包括10％的氧气，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm或者0ppm的H2，25，100或者250ppm的NO和变化ppm的模拟柴油，其中HC1∶NOx比从0到25∶1。结果显示最优的HC1∶NOx运行比。
图12包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为还原剂浓度(包括模拟柴油，以ppm C1测量)的函数，其中SV是12,500到50,000h-1并且废气温度是250或者350℃，其中废气供给流包括10％的氧气，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm或者0ppm的H2，25，100或者250ppm的NO和变化ppm的包含模拟柴油的还原剂，其中HC1∶NOx比从0到25∶1。结果显示最优的HC1运行量(以ppm，C1)。
图13包括试验结果从图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是12,500h-1，其中废气供给流包括10％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，从250到2000ppm的H2，100或者250ppm的NO和变化ppm的模拟柴油，以提供从大约8∶1到15∶1的HC1∶NOx比。
图14包括试验结果从图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是12,500h-1，其中废气供给流包括10％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的H2，25，100或者250ppm的NO和变化ppm的模拟柴油，以提供从大约8∶1到28∶1的HC1∶NOx比。
图15包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是50,000h-1，其中废气供给流包括10％的氧气，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的H2，250ppm的NO并且大约8∶1的HC1∶NOx比，并且其中使用不同的燃料成分，包括n-C8H18(正辛烷)和n-C12H26(正十二烷)。
图16包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂多个样品的NOx转换率(％)，其描绘作为催化剂入口温度(C)的函数，其中SV是50,000h-1，其中废气供给流包括10％的氧气，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的H2，200ppm的NO和使用250ppm的正辛烷作为还原剂，以提供大约10∶1的HC1∶NOx比。其中中间层装填量在各个样品中从1.07g/cu.英寸到2.93g/cu.英寸变化。
图17包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为氧浓度(％)的函数，其中SV是25,000h-1，废气温度是350℃，样品催化剂具有2wt.％的Ag2O中间层装填量，其中废气供给流包括2％到15％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的H2，250ppm的NO和变化ppm的模拟柴油，以提供从大约8∶1到15∶1的HC1∶NOx比。
图18包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂样品的NOx转换率(％)，其描绘作为氧浓度(％)的函数，其中SV是25,000h-1，废气温度是350℃，样品催化剂具有3wt.％的Ag2O的中间层装填量，其中废气供给流包括2％到15％的氧，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的H2，250ppm的NO和变化ppm的模拟柴油，以提供从大约8∶1到18∶1的HC1∶NOx比。
图19包括试验结果的图形表示，示出了通过Ag-Al催化剂的二个样品的NOx转换率(％)，其描绘作为还原剂浓度的函数，包括模拟柴油，以ppmC1测量，其中SV是50,000h-1，废气温度是350℃，样品催化剂具有2wt.％的Ag2O或者6wt.％的Ag2O的Ag装填量，其中废气供给流包括10％的氧气，5％的H2O，5％的CO2，750ppm的CO，250ppm的H2，100ppm的NO和变化ppm的包含模拟柴油的还原剂，以提供从0到25∶1的HC1∶NOx比。结果显示最优的HC1运行量(以ppm，C1)。
参见图1-15表示的数据结果表示对于支撑2％银的催化剂∶NOx转换受到SV(图1)的影响。在高SV时，熄灯温度(T50％，50％NOx转换发生的温度)和峰值温度(最大NOx转换发生的温度)两者都转入更高温度，其中在峰值NOx转换中存在相应的减少。另外，在喷射的HC浓度的高废气流率(即高的SV)幅值的情况下，表示HC1∶NOx(“C∶N”)比(图2)和氧气浓度(图3)影响总的催化剂NOx效率，其中NOx效率随喷射的HC浓度的增加和O2浓度的增加而增加。当氧气浓度降低(图3)时，最大的NOx转换降低并且峰值温度转换到更高温度。但是，在较低的SV和较低的NO浓度(图4)，这不是问题。在高SV时增加燃料喷射量会提高最大的NOx转换率，但是仅仅在高于350℃(图2)的温度处。因此，使用废气再循环(以下称为′EGR′)控制废气供给流中的氧含量和增加适量的燃料到废气供给流中会增加转换水平，如图2和3所示。特别在高SV和低氧气情况下，另一个提高总性能的方法是通过利用柴油氧化催化剂或者HC-SCR催化剂上游的等离子臭氧产生装置，以转换NO，即主要的发动机排出NOx种类，为NO2，以提供在低氧气浓度(图5)的性能。然而，该有利之处主要在高于350℃的温度处获得，其在通常的工作条件下是不可行的，由于热平衡有利于NOx成为NO(不是NO2)并且低的氧气浓度限制NO氧化到NO2。可选择地，少量H2的添加(1000-4000ppm)改善了峰值NOx性能并且扩大催化剂的运行温度窗口，其中排气NOx种类为NO或者NO2(图6)。图5和6的比较表示相对于NO氧化到NO2，随着H2的添加将实现更明显的有利之处。增加H2的效果在高SV处最有利的(图7)，并且最佳量的H2取决于催化剂温度(图9-10)。H2的增加在温度低于250℃，或者高于500℃通常不是有用的。因为相对于NOx还原反应而言HC氧化反应加速，在温度高于500℃时H2的添加将妨碍催化剂性能。图8的结果显示在空间速度(12,500-50,000h-1)和NOx浓度(100-250ppm)的宽范围中低温转换(250-350℃)上的改善通过在排气供给流中大约2000ppm的H2获得。在低温(250-350℃)处获得最大NOx转换所必需的HC1∶NOx比(图11)发生广泛变化(HC1∶NOx从大约4∶1到大于20∶1)并且取决于SV和入口NOx浓度。然而，在C1基础上测得，HC燃料喷射的绝对量(图12)保持相对固定在大约1200ppm。参见图11和12所示的结果表示在总的NOx转换效率中H2的重要性，其中在350℃和25,000h-1的SV，没有H2存在的情况下存在非常低的转换率，甚至在高的HC水平情况下。在更高的催化剂温度(大于350℃)处，要求更多的HC(图4，13)，以相对于HC氧化提高NOx还原反应的选择性。在图13中还表示在低SV(12,500h-1)处，在低温处更多的H2减轻了对于喷射HC的要求，但是在高温处，更多的H2降低了总的转换效率(即，HC和H2的折衷选择)。因此，一般说来，在较低的催化剂温度(小于350℃)要求更多的H2(1000-4000ppm)和更少量的HC(小于1200ppmC1)，但是在较高的催化剂温度处需要更多的HC(大于1200ppmC1)和更少量的H2(小于1000ppm)。图14表示随着低温性能的显著提高，在低SV处，入口NOx浓度从250减少到25ppm。当燃料芳香族和多芳香核浓度(在第一模拟柴油′sim-diesel1′中的33vol.％间二甲苯，和在第二模拟柴油′sim-diesel2中的23vol.％的间二甲苯和10vol.％的萘)改变时，低温性能以及峰值NOx转换改变。
而且，在高SV(50,000h-1)处，使用正辛烷(图16)或者模拟柴油(图17-19)作为还原剂，还可检验多种中间层装填量和银装填量。对于2wt.％Ag2O催化剂的最优的中间层装填量被表明为2.93g/cu.英寸(图16)。最大NOx转换率和熄灯温度两者都受到中间层量和活性金属装填量的影响。在图17和18中所示的结果比较表示在350度和25,000h-1处，3wt.％Ag2O催化剂(大约12的HC1∶NOx比)与2wt.％Ag2O催化剂(大约8的HC1∶NOx比)相比较，要求更多的HC来实现最大的NOx转换率。另外，在更高的银装填量下，存在更少的对氧气浓度的依靠。图19所示的结果表示，当在催化剂中的银浓度增加时，在350℃和50,000h-1处要求的HC量增加。如在图16-19中所示，在不同的运行条件下，在排气供给流中很可能要求不同量的氧气和HC，以及H2。在排气供给流中很可能要求的O2和HC，以及H2的量取决于催化剂成分的因素，该因素包括中间层装填量，银装填量和另外的催化促进剂成分的添加量，从而影响参见表1中描述的具体控制参数的大小。
如上所述，作为由燃料组分和模拟燃料混合物示出的，使用存在车辆上的示例的Ag/Al2O3催化剂和碳氢化合物可获得NOx的还原。提供在通常的柴油机排气温度下对NOx还原活动的空间速度效果、作为NO或者NO2的NOx的效果和O2，NOx，H2和HC的浓度效果。
基于图1-19中所示的数据，可产生在示例的HC-SCR后处理系统中，在各种工作条件下有效地保持最大NOx还原的控制策略。对于8个发动机工作条件下，使用2％wt.载体银催化剂的优选控制策略在下面的表1中详细描述，其中O2浓度，HC1∶NOx比和H2浓度可基于废气供给流的工作条件有选择地进行控制。具体的废气供给流工作条件描述和定义如下：催化剂温度：高＞350℃和低＜350℃；废气流率，就空间速度而言，高≥5000h-1和低＜15,000h-1；和入口NOx浓度：高＞200ppm和低＜100ppm。
表1A
运行条件 #1  #2  #3  #4
催化剂温度 高  高  低  高
废气流率 高  高  高  低
NOx浓度 高  低  高  高
对于以下的控制策略：
O2浓度 ＞10％  ＞10％  ＞10％  ＜10％
HC1∶NOx比 10至15  15至20  4至8  10至15
 H2浓度(近似) 2000ppm  1000ppm  4000ppm  250ppm
表1B
运行条件     #5     #6     #7     #8
催化剂温度 低  低  低  高
废气流率 低  低  高  低
NOx浓度 高  低  低  低
对于以下的控制策略：
O2浓度 10％  10％  ＞10％  ＜10％
HC1∶NOx比 10至15  15至20  10至15  15至20
H2浓度(近似) 1000ppm  1000ppm  4000ppm  250ppm
现在参见图20，示意图描述了内燃机，排气后处理系统和根据本发明已经构造的控制系统的实施例。该示例的发动机和控制系统包括传统的四冲程内燃机10和电子发动机控制模块(′ECM′)5。该发动机包括具有运行方式的已知的压燃式发动机，该运行方式是基本上稀的化学当量。可选择地，发动机10可包括采用多个发动机控制策略的任何一个的发动机，其运行在稀的化学当量比下，例如均质压燃式发动机和稀燃的点燃式发动机。该发动机10包括多个连接到曲轴上的多个往复式活塞，曲轴可操作地连接到车辆的驱动系上，以传送牵引扭矩到驱动系上。发动机10产生废气供给流，其包含可由后处理系统转换的调节组成成分，并且其通常包括碳氢化合物(′HC′)，一氧化碳(′CO′)，氮氧化物(′NOx′)和微粒(′PM′)等等。
该排气后处理系统包括集成的系统，其意图转换废气供给流的组分为无害的气体。排气歧管输送并且引导废气流到排气后处理系统中。该示例的后处理系统包括具有氧化催化剂(′DOC′)14，选择性催化还原(′SCR′)催化剂20和第二催化剂24的装置。示出的第二催化剂24是与柴油机微粒过滤器(′CDPF′)结合的第二氧化催化剂(′DOC′)。应该理解的是第二催化剂24可单独或者结合地包含其它已知的排气后处理装置，包括催化或者未催化的柴油机微粒过滤器，空气泵，外部加热装置，硫捕集器，磷捕集器，选择性还原装置等。每个排气后处理装置包括一种装置，其采用具有可用于处理废气供给流的组成部分的多种能力的技术，该技术可包括氧化，选择性催化还原，HC定量给料和微粒过滤。这些装置可使用已知的管道和连接器流体串联的连接。
该示例的SCR装置20包括支持在基层上的银-氧化铝催化剂，其容纳在金属组件中并且装配作为排气系统部件。通常，银-氧化铝催化剂包括1到4重量百分数(wt.％)的范围。通常，该基层包括具有多个流体通道的金属的或者陶器的整体装置，其中催化剂涂在通道的壁上。如上所述，用于在此描述结果的示例的SCR装置包括具有2wt.％Ag2O支持在氧化铝上的催化材料，其中催化材料支持在每平方英寸400单元的堇青石整料基层上。该示例的SCR装置是示例的，而不是限制的。
该后处理系统包括检测装置和系统，它们优选信号连接到ECM5上。这些检测装置包括可操作地感测从发动机10排出废气的NOx传感器12，可操作地检测氧化催化剂14和SCR催化剂20上游的废气温度以确定SCR催化剂20的工作温度的温度传感器26和废气检测装置22，废气检测装置22是用于反馈和诊断的可操作地检测在SCR催化剂20之后的排出气体成分的第二传感器。该NOx传感器12优选包括可操作来产生与废气供给流中的NOx浓度的参数值相关的电信号的传感器，并且可操作来产生与废气供给流的空气/燃料比的参数值相关的第二电信号，从其可确定氧含量。该废气检测装置22优选包括第二NOx传感器22，其可操作来产生与废气供给流中的NOx浓度参数值相关的电信号。可选择地，NOx传感器12可以包含虚拟的检测装置，其中在废气供给流中的NOx浓度基于发动机工作条件进行确定，这是已知的方法。
该排气后处理系统包括碳氢化合物(′HC′)定剂量装置16，用于在SCR催化剂20的上游喷射可控量的HC还原剂。示例的HC定剂量在名为“喷射还原剂到废气供给流中的装置和方法”、共同待审的美国专利申请(代理人Docket No.GP-308415)中描述，其作为参考进行结合。HC定剂量装置可操作地连接到ECM5，适合于控制到废气供给流中的HC喷射定时和质量，该HC喷射通常以车用燃料的形式。可选择地，使用后喷射控制策略，从发动机来的碳氢化合物可用作为还原剂材料来还原在SCR催化剂中的NOx。在这个实施例中，氧化催化剂14可不包含在后处理系统中。
该控制系统优选包括分布式控制模块结构，其包括多个控制模块，其适合于提供包含在此描述的动力系统的多个车辆系统的协调控制。该控制系统是可操作的，以监控从传感器的输入信号，综合处理相关的消息并且执行算法，以控制多种致动器来满足操作者的需求并且实现控制目标，该信息包括作为燃料经济性，排放，性能，驾驶性能和硬件防护的这样的参数。该分布式控制器结构包括ECM5，并且用户接口(′UI′)13可操作地连接其它的装置，通过其它的装置，车辆操作者通常控制或者直接操作车辆和动力系。通过这些装置车辆操作者提供输入信号到UI13上，这些装置通常包括加速踏板，刹车踏板，传动齿轮选择器和车辆速度巡航控制。每个上述控制模块和装置经过高速的局域网(′LAN′)总线与其它的控制模块，装置，传感器和致动器连通，通常如项6所示。LAN总线6允许在多个处理器，控制模块和装置之间的控制参数和命令的构造连通。利用的具体通信协议是专用的。该LAN总线和适当的协议规定在上述控制模块和其它的控制模块之间稳固的通讯和多重控制模块接口，从而提供例如防抱死制动，离合器控制和车辆稳定性的功能。
该ECM5包括中央处理器，其经由数据总线信号连通地电气连接到可变和固定存储器装置上。该ECM5可选择地连接到检测装置上和其它的输出装置上，以正在运行地监测和控制发动机10和排气后处理系统的运行，如图所示。该输出装置优选包括为发动机的恰当的控制和操作所必需的子系统，包括，举例来说进气系统，燃料喷射系统，火花点火系统(当点燃式发动机使用时，例如，均质压燃式发动机)，废气再循环(′EGR′)系统和蒸发控制系统。该发动机检测装置包括可操作地监控发动机运行，外部条件和操作者需求的装置并且经由接线通常信号连接到ECM5上。
保存在固定存储器中的算法由中央处理器执行，并且可操作地监控从检测装置中的输入信号，并且执行发动机控制和诊断程序以使用预置标准控制发动机的运行。算法通常在预置循环周期期间执行，其中在每个循环周期中每个控制算法执行至少一次。在发动机运行期间，循环周期通常在每3.125，6.25，12.5，25和100毫秒执行。可选择地，控制算法可响应于事件的发生进行执行。循环的事件，例如发动机供燃料的计算，可在每个发动机循环执行。每个发动机接通的循环，诊断算法可执行一次。诊断算法可具有更多的限制，包括在执行之前用于实现具体的实现标准的要求。使用ECM5来控制和判断内燃机10的多个方面对本领域技术人员是已知的。
从150到550℃的催化剂温度范围与示例的应用相关，以及催化剂可潜在暴露到气相浓度下面范围：O2(2-20％)，NOx(25-250ppm)，和由Pox燃料重整装置或者诸如后喷射的缸内燃烧控制所供给的H2(达8000ppm)。此外，从在怠速时的每秒10L到在加速情况下的每秒75L的废气流率导致对于具有大约5.0公升体积的催化反应器从大约7,000h-1到54,000h-1的空间速度。
存在于柴油中的重质烃类(例如，正十二烷)提供在低温范围内的NOx转换率，其便于将二次燃料喷射入排气中。对于轻(丙烯，丙烷)和重(正十二烷)碳氢化合物两者，在Ag/Al2O3催化剂上进一步用于NOx转换率，氢气到供给流中的添加会降低熄灯温度。一氧化碳到废气供给流中的添加没有示出在Ag/Al2O3催化剂上还原NOx。
使用的具体控制策略(即在此描述的HC喷射量相比H2喷射量，相比NO2百分比)最终取决于SV和HC-SCR催化剂的温度以及入口NOx浓度。必须注意在低氧气浓度(小于10％)和/或低温(小于350℃)，没有过多氢气添加在供给流(即小于250ppm H2)中的情况下，确保没有过量的HC被喷射，以便于最小化焦炭生成和SCR催化剂可能的钝化。
在正在进行的发动机运行期间可被控制的排气条件包括从POx燃料重整装置或者缸内后喷射控制策略中的喷射燃料量，即用于在SCR催化剂上用来降低NOx的碳氢化合物(′HC′)，以及H2喷射量。此外，EGR的大小(进入％)和PCCI(′预混合充气压燃′)燃烧可用来降低发动机排出的NOx浓度并且改变在排气供给流中的氧气浓度。
本发明包括在稀化学当量的运行期间，使用示例的内燃机运行条件控制，有选择地还原在废气供给流中发动机排出的NOx浓度为N2的方法。它包括基于废气供给流的选用参数确定在废气供给流中的NOx气体测量值和优选的碳氢化合物/氮氧化物比；并且有选择地分配碳氢化合物还原剂到Ag-Al催化反应器装置20上游的废气供给流中。燃料是优选的还原剂以还原在银-氧化铝催化反应器装置20中的NOx。发动机工作条件和废气温度范围被定义可产生最优的NOx转换率。有利的排气参数包括催化剂工作温度，废气流率，NOx浓度和氧浓度。这些参数可由控制系统优选使用，以在具体的工作条件情况下计算对于NOx还原最优的HC1/NOx比。HC1/NOx比被定义为在C1基础上的喷射燃料量除以入口NOx浓度(例如，1ppm的蒸发柴油具有大约14碳原子，因此，在排气供给流中具有100ppm入口NOx情况下，数值10的HC1∶NOx要求10x100/14＝71ppm的柴油燃料)。该HC1/NOx比用于计算和喷射用于NOx还原的正确燃料量在催化剂上。该发动机工作参数还用于计算用于NOx还原的最优的氢(H2)浓度，其使用诸如部分氧化燃料重整装置或者缸内后喷射系统的有效方法喷射入排气供给流中。对于给定的发动机，用于选择最优的催化剂体积的标准被定义，其包括体积的废气流率/催化剂体积＝以h-1单位的空间速度。而且，在此描述的方法是有效的，以在低到2％的发动机排出氧气浓度处产生高NOx转换率。作为EGR和PCCI的这种发动机控制方案和其它的低温燃烧策略被采用，以改变发动机排出NOx和O2浓度，以实现在催化剂上的最优的NOx转换率。在发动机排出NOx水平和发动机排出的氧气水平之间的折衷以产生最优的NOx转换率被定义。诸如已知的柴油氧化催化剂或者已知的等离子体臭氧生成装置的氧化装置使用在NOx还原催化剂的上游处，以在低温处氧化NO(主要的发动机排出NOx种类)为NO2，以产生最优的NOx转换率。更少的燃料还原剂和更多的H2优选在低温处喷射。反之，更多的燃料还原剂和更少的H2优选在高温下处喷射。在高废气流条件的情况下，更高量的H2被喷射。上述工作参数适用于基于催化剂组成，例如，银-金属装填量，中间层装填量和其它非银组分的添加物来计算用于NOx还原的HC1/NOx比。通过EGR，PCCI(低温)燃烧，燃料喷射量和H2喷射量的结合，这种控制策略的使用允许车用燃料经济性的最优化，同时在催化剂上实现最大NOx还原。而且，在高的空间速度，低氧气浓度和低温的情况下，用于使用喷射还原剂燃料的运行限制可限定以在没有过多的H2添加在排出供给流中的情况下，最小化焦炭的生成(碳质沉积)和可能的催化剂失效。产生最优的NOx转换率的燃料成分可以被识别。
本发明已经具体参见优选实施例和修改进行描述。在别人阅读和理解说明书情况下可得到更多的修改和改变。包括所有这些修改和改变都在本发明的范围内。

Claims (42)

1.一种有选择地还原在内燃机的废气供给流中的氮氧化物排放的方法，包括：
确定在废气供给流中的氮氧化物气体的参数测量值；和
将一定质量的碳氢化合物还原剂分配到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中。
2.如权利要求1所述的方法，其中有选择地分配碳氢化合物还原剂质量到废气供给流中还包括：
确定优选的碳氢化合物/氮氧化物比；和
基于优选的碳氢化合物/氮氧化物比，有选择地将碳氢化合物还原剂分配到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中。
3.如权利要求2所述的方法，其中确定优选的碳氢化合物/氮氧化物比包括基于废气供给流的选用参数，确定可有效通过银-氧化铝催化反应器装置还原废气供给流中的氮氧化物气体的碳氢化合物/氮氧化物比。
4.如权利要求3所述的方法，其中废气供给流的选用参数包含到银-氧化铝催化反应器装置的入口温度，质量流率，基于氮氧化物气体的参数测量值的氮氧化物浓度，和氧浓度。
5.如权利要求4所述的方法，其中优选的碳氢化合物/氮氧化物比包括当入口温度高，质量流率高和氮氧化物浓度高时，在10∶1和15∶1范围内的HC1/NOx比。
6.如权利要求4所述的方法，其中优选的碳氢化合物/氮氧化物比包括当入口温度高，质量流率高和氮氧化物浓度低时，在15∶1和20∶1范围内的HC1/NOx比。
7.如权利要求4所述的方法，其中优选的碳氢化合物/氮氧化物比包括当入口温度低，质量流率高和氮氧化物浓度高时，在4∶1和8∶1范围内的HC1/NOx比。
8.如权利要求4所述的方法，其中优选的碳氢化合物/氮氧化物比包括当入口温度高，质量流率低和氮氧化物浓度高时，在10∶1和15∶1范围内的HC1/NOx比。
9.如权利要求4所述的方法，其中优选的碳氢化合物/氮氧化物比包括当入口温度低，质量流率低和氮氧化物浓度高时，在10∶1和15∶1范围内的HC1/NOx比。
10.如权利要求4所述的方法，其中优选的碳氢化合物/氮氧化物比包括当入口温度低，质量流率低和氮氧化物浓度低时，在15∶1和20∶1范围内的HC1/NOx比。
11.如权利要求4所述的方法，其中优选的碳氢化合物/氮氧化物比包括当入口温度低，质量流率高和氮氧化物浓度低时，在10∶1和15∶1范围内的HC1/NOx比。
12.如权利要求4所述的方法，其中优选的碳氢化合物/氮氧化物比包括当入口温度高，质量流率低和氮氧化物浓度低时，在15∶1和20∶1范围内的HC1/NOx比。
13.如权利要求4所述的方法，还包括在有选择地分配碳氢化合物还原剂到废气供给流中的上游处氧化废气供给流中发动机排出的氮氧化物为NO2。
14.如权利要求4所述的方法，还包括有选择地控制在银-氧化铝催化反应器装置上游处的废气供给流中的氢气质量流率。
15.如权利要求14所述的方法，还包括随着入口温度的降低有选择地增加在废气供给流中的氢气质量流率和有选择地降低分配的碳氢化合物还原剂的质量流量。
16.如权利要求14所述的方法，还包括随着入口温度的增加有选择地增加在废气供给流中的氢气质量流率和有选择地增加分配的碳氢化合物还原剂的质量流量。
17.如权利要求16所述的方法，还包括随着废气流率的增加，有选择地增加到废气供给流中的氢气质量流率。
18.如权利要求14所述的方法，还包括有选择地控制在银-氧化铝催化反应器装置上游处的废气供给流中的氧气。
19.如权利要求14所述的方法，还包括当该入口温度高，质量流率高和氮氧化物浓度高时，控制氧气浓度到大于10％和氢气浓度到大约2000ppm。
20.如权利要求14所述的方法，还包括当该入口温度高，质量流率高和氮氧化物浓度低时，控制氧气浓度到大于10％和氢气浓度到大约1000ppm。
21.如权利要求14所述的方法，还包括当该入口温度低，质量流率高和氮氧化物浓度高时，控制氧气浓度到大于10％和氢气浓度到大约4000ppm。
22.如权利要求14所述的方法，还包括当该入口温度高，质量流率低和氮氧化物浓度高时，控制氧气浓度到小于10％和氢气浓度到大约250ppm。
23.如权利要求14所述的方法，还包括当该入口温度低，质量流率低和氮氧化物浓度高时，控制氧气浓度到大约10％和氢气浓度到大约1000ppm。
24.如权利要求14所述的方法，还包括当该入口温度低，质量流率低和氮氧化物浓度低时，控制氧气浓度到大约10％和氢气浓度到大约1000ppm。
25.如权利要求14所述的方法，还包括当该入口温度低，质量流率高和氮氧化物浓度低时，控制氧气浓度到大于10％和氢气浓度到大约4000ppm。
26.如权利要求14所述的方法，还包括当该入口温度高，质量流率低和氮氧化物浓度低时，控制氧气浓度到小于10％和氢气浓度到大约250ppm。
27.如权利要求1所述的方法，其中该碳氢化合物还原剂包括发动机燃料。
28.如权利要求27所述的方法，其中有选择地分配碳氢化合物还原剂到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中包括有选择地激活发动机燃料喷射器的后喷射。
29.如权利要求1所述的方法，其中有选择地分配碳氢化合物还原剂到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中包括在发动机的稀运行期间计量到排气系统中的碳氢化合物还原剂的质量。
30.一种在内燃机的稀运行期间控制从包括银-氧化铝催化反应器装置的排气后处理系统输出的氮氧化物浓度的方法，包括：
基于废气供给流的选用参数确定优选的碳氢化合物/氮氧化物比；
控制发动机排出的氮氧化物量；
控制发动机排出的氧气量；
有选择地将碳氢化合物还原剂分配到银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中；和
有选择地控制进入银-氧化铝催化反应器装置上游的废气供给流中的的氢气质量流率。
31.如权利要求30所述的方法，其中控制发动机排出的氮氧化物量包括控制内燃机中的废气再循环。
32.如权利要求30所述的方法，其中控制发动机排出的氧气量包括控制内燃机的预混合充气压燃燃烧的规模。
33.如权利要求30所述的方法，其中控制发动机排出的氧气量包括控制内燃机中的空燃比。
34.如权利要求30所述的方法，其中该碳氢化合物还原剂包括发动机燃料。
35.一种用于内燃机的排气后处理系统，包括：
包括银的催化反应器装置；
喷射装置，其可操作以将碳氢化合物还原剂分配到催化反应器装置上游的废气供给流中；和
控制系统，其适合于：
确定在废气供给流中的氮氧化物气体的参数测量值；
确定优选的碳氢化合物/氮氧化物比；和
控制喷射装置，以在内燃机的稀运行期间有选择地分配碳氢化合物还原剂到废气供给流中。
36.如权利要求35所述的排气后处理系统，其中催化反应器装置的银还包括银-氧化铝。
37.如权利要求35所述的排气后处理系统，其中该碳氢化合物还原剂包括发动机燃料。
38.如权利要求35所述的排气后处理系统，其中适合于确定在废气供给流中的氮氧化物气体的参数测量值的控制系统包括适合于基于发动机运行条件确定氮氧化物气体的参数测量值的控制系统。
39.如权利要求35所述的排气后处理系统，其中适合于确定在废气供给流中的氮氧化物气体的参数测量值的控制系统，包括适合于监测从可操作以监测废气供给流的氮氧化物传感器输入的信号的控制系统。
40.如权利要求35所述的排气后处理系统，还包括喷射装置和催化反应器装置上游的氧化催化剂。
41.如权利要求35所述的排气后处理系统，还包括喷射装置和催化反应器装置上游的等离子体臭氧生成装置。
42.如权利要求35所述的排气后处理系统，还包括氧化催化剂，柴油微粒过滤器，空气泵入口，外部加热装置，硫捕集器，磷捕集器和选择性还原装置中的一个。
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