CN102068907B - 用于减少NOx突破的系统和方法 - Google Patents

用于减少NOx突破的系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102068907B
CN102068907B CN201010562656.4A CN201010562656A CN102068907B CN 102068907 B CN102068907 B CN 102068907B CN 201010562656 A CN201010562656 A CN 201010562656A CN 102068907 B CN102068907 B CN 102068907B
Authority
CN
China
Prior art keywords
lnt
twc
engine
extraction system
gas extraction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201010562656.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102068907A (zh
Inventor
A·潘特
K·拉马纳坦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN102068907A publication Critical patent/CN102068907A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102068907B publication Critical patent/CN102068907B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2053—By-passing catalytic reactors, e.g. to prevent overheating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9404—Removing only nitrogen compounds
    • B01D53/9409—Nitrogen oxides
    • B01D53/9413—Processes characterised by a specific catalyst
    • B01D53/9422—Processes characterised by a specific catalyst for removing nitrogen oxides by NOx storage or reduction by cyclic switching between lean and rich exhaust gases (LNT, NSC, NSR)
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9445—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC]
    • B01D53/9454—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC] characterised by a specific device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/009—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 having two or more separate purifying devices arranged in series
    • F01N13/0097—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 having two or more separate purifying devices arranged in series the purifying devices are arranged in a single housing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/0807—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0814—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents combined with catalytic converters, e.g. NOx absorption/storage reduction catalysts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/0807—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0828—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents characterised by the absorbed or adsorbed substances
    • F01N3/0842—Nitrogen oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/101—Three-way catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/102—Platinum group metals
    • B01D2255/1025—Rhodium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/202—Alkali metals
    • B01D2255/2022—Potassium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/204—Alkaline earth metals
    • B01D2255/2042—Barium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/206—Rare earth metals
    • B01D2255/2065—Cerium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/90—Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/91—NOx-storage component incorporated in the catalyst
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9459—Removing one or more of nitrogen oxides, carbon monoxide, or hydrocarbons by multiple successive catalytic functions; systems with more than one different function, e.g. zone coated catalysts
    • B01D53/9477—Removing one or more of nitrogen oxides, carbon monoxide, or hydrocarbons by multiple successive catalytic functions; systems with more than one different function, e.g. zone coated catalysts with catalysts positioned on separate bricks, e.g. exhaust systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2370/00—Selection of materials for exhaust purification
    • F01N2370/02—Selection of materials for exhaust purification used in catalytic reactors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)

Abstract

本发明涉及用于减少NOx突破的系统和方法。具体地，提供了一种排气系统，其包括：贯穿三元转换器TWC以及稀NOx阱LNT的主管线。排气系统进一步包括配置成旁路绕过TWC的旁路管线。LNT包括沿纵轴线非均匀分布的催化剂。催化剂分布成使得存储部位朝向LNT的上游端加权而氧化部位和还原部位朝向LNT的下游端加权。

Description

用于减少NOx突破的系统和方法
技术领域
本公开总体涉及用于减少NOx突破的系统和方法。
背景技术
为了减小对环境的影响以及遵守诸如美国环境保护局(EPA)所颁布的条例的政府命令，需要最小化车辆发动机排放。
在典型的后处理结构中，发动机排放通过三元转换器(TWC)而送出，在三元转换器后且在通过排气管离开前，排放经过稀NOx阱(LNT)。在稀发动机操作期间，LNT储存NOx，并且当达到了LNT的存储容量时，通过富补料(tip-in)(富操作)减少储存的NOx。在从稀发动机操作到富发动机操作的过渡期间，NOx将会泄漏或突破，该泄漏相当于大量的排气管排放物。因此，有必要减少LNT NOx突破。
发明内容
通过提供用于减少NOx突破的系统和方法，本公开的各实施方式克服了现有技术的缺点。
根据本公开的一方面，稀NOx阱(LNT)包括具有沿LNT的纵轴线非均匀分布的催化剂的核。催化剂分布成使得存储部位朝向LNT的上游端加权，而氧化和还原部位朝向LNT的下游端加权。
根据本公开的另一方面，排气系统包括带有三元转换器(TWC)的主管线和定位于TWC下游的LNT。排气系统还包括被配置成允许排气流旁路绕过TWC的旁路管线。
前面已经宽泛概述了本公开的一些方面和特征，这些方面和特征应被认为是仅用于说明各潜在应用。通过将所公开的信息以不同的方式应用或通过将本公开的实施方案的各方面加以组合，可以获得其它有益结果。因此，通过参考对提供的示范实施方案的具体介绍，并结合附图以及权利要求限定的范围，可以获得其它方面以及更全面的理解。
本发明还提供如下方案：
方案1.一种稀NOx阱LNT，其包括：
包括沿所述LNT纵轴线非均匀分布的催化剂的核，所述催化剂分布成使得存储部位朝向所述LNT的上游端加权并且氧化部位及还原部位朝向所述LNT的下游端加权。
方案2.如方案1所述的LNT，其特征在于，所述存储部位包括钡Ba、K；所述还原部位包括铑Rh；所述氧化部位包括铈Ce。
方案3.如方案1所述的LNT，其特征在于，所述核是包括串联布置的至少两核的复合核。
方案4.如方案3所述的LNT，其特征在于，所述至少两核中的第一个与所述至少两核中的第二个具有不同的催化剂分布。
方案5.如方案1所述的LNT，其特征在于，所述纵轴线基本平行于通过所述LNT的流。
方案6.一种排气系统，其包括：
主管线，包括：
三元转换器TWC；以及
定位于所述TWC下游的稀NOx阱LNT；以及
配置成允许排气流旁路绕过所述TWC的旁路管线。
方案7.如方案6所述的排气系统，其特征在于，所述旁路管线在位于发动机与所述TWC之间的上游点处以及在位于所述TWC与所述LNT之间的下游点处与所述主管线连接。
方案8.如方案7所述的排气系统，其特征在于，其还包括在所述上游点处的阀。
方案9.如方案8所述的排气系统，其特征在于，其还包括被配置成将所述阀的操作与所述发动机的操作同步的控制器。
方案10.如方案8所述的排气系统，其特征在于，所述阀被配置成在稀循环期间引导排气流通过所述TWC以及在富循环期间引导所述排气流通过所述旁路管线。
方案11.如方案6所述的排气系统，其特征在于，其还包括被配置成控制所述LNT温度的装置。
方案12.如方案11所述的排气系统，其特征在于，其还包括被配置成将所述装置的操作与发动机的操作同步的控制器。
方案13.如方案11所述的排气系统，其特征在于，所述装置被配置成在富循环期间降低所述LNT的温度。
方案14.如方案6所述的排气系统，其特征在于，所述LNT包括沿着所述LNT的所述纵轴线非均匀分布的催化剂，所述催化剂分布成使得存储部位朝向所述LNT的所述上游端加权并且氧化部位和还原部位朝向所述LNT的所述下游端加权。
方案15.如方案14所述的排气系统，其特征在于，所述存储部位包括钡Ba、K；所述还原部位包括铑Rh；所述氧化部位包括铈Ce。
方案16.一种排气系统，其包括：
稀NOx阱LNT；以及
被配置成控制所述LNT温度的装置。
方案17.如方案16所述的排气系统，其特征在于，其还包括被配置成将所述装置的操作与发动机的操作同步的控制器。
附图说明
图1是根据示例性实施方案的带有排气系统的车辆的透视图。
图2是图1排气系统的三元转换器(TWC)的局部透视图。
图3是图1排气系统的稀NOx阱(LNT)的局部透视图。
图4是图1排气系统的示意图。
图5是根据示范实施方案的发动机循环的图示。
图6是根据示范实施方案的在稀操作期间的化学反应的示意图。
图7是根据示范实施方案的在富操作期间的化学反应的示意图。
图8是根据示范实施方案的典型LNT的示意图。
图9是根据示范实施方案的改进LNT的示意图。
图10是图8典型LNT和图9改进LNT的NO和CO浓度的示意曲线图。
图11是典型LNT和改进LNT的若干循环内的总计NOx的示意曲线图。
图12是图1的典型排气系统以及图4排气系统的CO浓度的示意曲线图。
具体实施方式
根据要求，本文公开了具体实施方案。必须理解的是，所公开的实施方案仅是本公开的示例，本公开可以以不同的、可供选择的形式，以及其组合来具体实现。如本处所用的，词汇“示例性”被可扩展地用于指用作说明、样本、模型或模式的实施方案。图不必是按比例的，某些特征可以扩大或缩小，以显示特定部件的细节。在其它示例中，没有介绍已知的部件、系统、材料或方法，以避免模糊本公开。因此，本文公开的特定结构以及功能细节将不被理解为限制，而是仅作为权利要求的基础以及作为指导本领域技术人员的代表性基础。
本文介绍的示例性系统和方法配置成减少排放、提高去NOx的效率、提高燃料经济性、以及提高在稀NOx阱(LNT)中使用的催化剂或催化剂部位的效率。这样的系统和方法包括具有催化剂部位加权分布的任意LNT、用于在富的加燃料操作期间旁路通过三元转换器(TWC)的后处理结构、以及在富的加燃料操作(富操作)期间用于控制LNT温度的装置。
通常而言，本文介绍的系统和方法是在具有稀燃发动机的车辆的背景下介绍的。然而，该系统和方法也能应用于其他机器上，如具有发动机包括大火花点火(LSI)发动机、火花点火(汽油)发动机、液化石油气(LPG)发动机、燃烧E85与汽油的各种混合物的灵活燃料车辆发动机、压缩天然气(CNG)发动机以及压缩点火(柴油)发动机的叉车、气动升降机、冰面重整机(ice resurface machine)、建筑设备等。
如本处所用，“NOx”指单氮的氧化物--一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)两者，“HC”指碳氢化合物，“CO”指一氧化碳。
如本处所用，术语“稀燃”、“稀操作”以及“稀循环”指当相对于燃料的氧多于化学计量的氧时发动机循环的部分或操作。这会导致在稀循环期间排气流中相对高的空气-燃料比。另外，术语“富燃”、“富操作”、“富循环”以及“富补料”指当较多的燃料被喷射到排气流中并且相对于燃料的氧少于化学计量的氧时发动机循环的部分或操作。这会导致在富循环期间相对低的空气-燃料比。
如本处所用，术语“均匀”以及“非均匀”描述催化剂部位的分布，如在催化转换器的入口和出口之间催化剂部位的分布。术语“分布”指催化转换器的区域中或沿其长度或轴线的催化剂部位的集中度。
如本处所用，术语“上游”以及“下游”指相对于排气流的流动方向F的位置。此术语可以用来描述元件相对于彼此的相对位置。
通常而言，本文所介绍的系统以及方法被设计用来减少LNT中的NOx突破。该系统和方法包括各种催化剂和排气结构或设计。如下面进一步详细介绍，LNT催化剂设计包括沿着LNT转换器长度非均匀分布的催化剂部位。排气系统结构包括在富补料期间旁路通过TWC的换向器阀的使用，以及在富补料的开始期间用以降低LNT温度的温度控制装置的使用。每种改进都能显著减少突破。这些改进可以被单独地或组合地使用。
参考图1-4，车辆10包括发动机20及排气系统30。排气系统30包括位于发动机20下游的三元转换器(TWC)32以及位于TWC 32下游的稀NOx阱(LNT)34。主排气管线36将发动机20与TWC 32、TWC32与LNT 34、LNT34与出口38相连。旁路管线40在TWC 32的相对侧上与主排放管线36相连。上游旁路管线连接点39a在发动机20与TWC 32之间，下游旁路管线连接点39b在TWC 32与LNT 34之间。阀42位于上游旁路管线连接点39a处，并且控制或引导排气流44从发动机20流动通过TWC 32或旁路管线40。如下面进一步介绍，阀42引导排气流44通过TWC 32或旁路管线40，这取决于发动机操作是稀操作还是富操作。相比于典型的排气结构，利用阀42和旁路管线40可以改变顺序地流动通过两个部件TWC 32和LNT 34的排气流44。
排气系统30还包括耦接于LNT 34、被配置成在富操作期间冷却LNT 34的LNT温度控制装置46。
现在简要介绍排气系统30的一般操作。排气系统30被配置成将排气流44中的污染物，如NOx、CO以及HC转换成毒性更小的物质。如在稀循环期间，较高的空气-燃料比结合TWC 32中的催化剂，促进氧化过程例如一氧化碳(CO)到二氧化碳、未燃的碳氢化合物(HC)到二氧化碳(CO2)与水(H2O)的氧化过程。在稀操作期间，NOx不会因示例性的TWC 32而被大量还原，而继续通过主排放管线36到达LNT34，在LNT 34其被存储。在LNT 34变满之时或之前，富循环典型运行以再生LNT 34。例如，在富循环期间，较低的空气-燃料比结合LNT的催化剂促进氮氧化物(NOx)还原成氮。作为示例，在富循环期间形成还原剂诸如一氧化碳(CO)被用在NOx的还原中。
图5-7图示LNT 34的一般操作。由发动机20产生的NOx在稀周期52(存储周期)中被存储在LNT 34上。当达到存储容量时，提供富脉冲54(高燃料、低氧气)以将存储的NOx转换为N2。富脉冲54由空气-燃料比55中的下降来图示。图6和图7描绘了在稀循环52期间和在富循环56期间的典型化学反应。在图中，CO用作还原剂。
接着图5，与典型LNT的运行相关的问题是，当从稀循环52切换到富循环56时，一些NOx在没有还原的情况下从典型LNT散逸。在富循环56(再生周期)期间散逸的NOx用NOx外出58a中的尖峰显示。59中的NOx是为了说明目的而显示。如下面的进一步介绍，在图示的实施方案中，不同催化剂的分布是可变的，以便减少散逸出LNT 34的NOx量。
再参考图2，图示的TWC 32包括壳60、核62或基材、载体涂层64、以及催化剂或催化剂部位66。核62是典型的陶瓷蜂巢或不锈钢金属箔蜂巢。蜂巢表面支撑催化剂部位66，并且通常被称为“催化剂支撑”。载体涂层64是典型的硅和铝的混合物，当应用于核62时，为核26提供粗糙的、不规则的表面以及较大的表面积。较大的表面积为活性的催化剂部位66提供了更多的面积。催化剂66在应用于核62之前被添加到载体涂层64。催化剂66包括稀有金属如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、铈(Ce)、铁(Fe)、锰(Mn)、镍(Ni)、铜(Cu)、钡(Ba)和钾(K)等。如本处所用，不同的催化剂66提供不同的功能，如NOx的存储、NOx的还原以及CO的氧化。
现在参考图3，图示的LNT 34包括壳70、核72、载体涂层74以及催化剂或催化剂部位76。通常而言，除了LNT 34催化剂包括用于NOx存储的额外活性物之外，LNT 34催化剂在成分和结构上与TWC 32催化剂相似。额外活性物可包括诸如钡之类的碱土金属。
在典型的转换器或LNT中，催化剂66在载体涂层74中的每一处都均匀分布。与此相反，在示例性实施方案中，为了获得各活性物的梯度，催化剂66的成分沿着纵轴线78非均匀分布。示例性的非均匀催化剂分布在图9中示出。
如下面进一步所述，为了便于沿着LNT 34的长度或纵轴线78来分布催化剂部位66，图示的核72包括上游核72a和下游核72b。上游核72a与下游核72b在中点77处可以是物理分离的或是名义上分离的。如下面进一步所述，通过利用多核72a、72b形成复合核，可以便于制造具有催化剂部位66的非均匀分布的核72。
用于指导目的，参考图8以及图9，示意性图示及更加详细地描绘示例性的典型LNT 34a以及示例性的改进LNT 34b。通常，典型LNT34a具有沿着纵轴线78均匀的催化剂装载或催化剂部位66的分布，而改进LNT 34b则具有沿着纵轴线78非均匀的催化剂装载或催化剂部位66的分布。图示的纵轴线78与通过LNT 34a、34b的流动方向F基本平行。
参考图8，铈(Ce)、铑(Rh)和钡(Ba)催化剂部位66沿着典型LNT 34a的纵轴线78均匀分布。均匀分布通过催化剂部位66之间的恒定间距表示。用于说明之目的，在富循环期间在典型LNT 34a内发生的某些释放、还原及氧化反应被示出包括NO的还原以及CO的氧化。暂时参考图10，因为在铈(Ce)和铑(Rh)催化剂部位66处的NO还原中分别氧化以及使用了CO，所以CO浓度82a沿着典型LNT 34a的纵轴线78减少。NO在钡(Ba)催化剂部位66处释放，并且因为CO浓度向下游移动减少且不能用于有效还原NO，NO浓度80a沿着纵轴线78增加。这导致NO在没有还原的情况下的排放。
参考图9，铈(Ce)、铑(Rh)和钡(Ba)催化剂部位66沿着改进LNT34b的纵轴线78非均匀分布。非均匀分布通过催化剂部位66之间的不同间距、距离改进LNT34b的上游端和下游端的不同间距或不同加权朝向来表示。通常而言，释放NO的钡(Ba)催化剂部位66加权朝向改进LNT34b的先前的或上游部分(例如，上游核72a)，用于还原NO以及氧化CO的铈(Ce)、铑(Rh)催化剂部位66加权朝向改进LNT34b的在后的或下游部分(例如，下游核72b)。反应通常按照示出的进行。参考图9以及图10，在改进LNT34b的上游核72a中，NO被释放，一些NO利用CO来还原。当被释放的NO多于被还原的NO时，NO浓度80b迅速增强，CO浓度82b逐渐降低。在改进LNT34b的下游核72b中，较少的NO被释放，而上游部中释放的NO由相对高浓度的CO还原。较高的NO和CO浓度、充足的活性部位、以及充足的停留时间提供了较高的NO还原，导致NOx排放减少。如此，NO浓度80b以及CO浓度82b从中点77附近向着改进LNT34b的下游端快速下降。由于有效利用来自富循环的CO，所以改进LNT34b还能提高燃料经济性。较少的CO流失到铈(Ce)部位的氧化反应。
参考图10，在LNT34a、34b的下游端或输出处，NO浓度80b小于NO浓度80a，CO浓度82a与82b相似。因此，通过将催化剂部位66按照关于改进LNT 34b所描述的分布，更大量的NOx被还原，因而突破(离开)的NOx量会减少。另外，催化剂66被更有效使用，因为在所实现的结果相当于或优于典型LNT34a的结果的情况下在改进LNT34b中使用更少量的某些催化剂66。因为催化剂66成本高，所以材料费用的差别可能是相当重要的。
现在描述装配或制作LNT34的示例性方法。参考图3，可以获得具有由核72a、72b组成的复合核72的催化剂部位66的非均匀分布。这里，催化剂位66在每个核72a、72b中的分布是均匀的，但是在核72a、72b之间的催化剂66的量或催化剂66的差异赋予复合核72沿着纵轴线78非均匀分布。
根据示范实施方案，60mol/m3的钡(Ba)和8mol/m3的(PGM，Pt/Rh/Pd)被装入LNT 34的上游核72a中，0mol/m3的钡(Ba)和16mol/m3的(PGM，Pt/Rh/Pd)被装入LNT 34的下游核72b中。在该实施例中，与包括60mol/m3的钡(Ba)和16mol/m3的(PGM，Pt/Rh/Pd)中每一个沿纵轴线78均匀分布的典型LNT相比，LNT 34中使用的(PGM，Pt/Rh/Pd)减少25％。然而，如上，具有非均匀分布的催化剂66的改进LNT 34优于具有均匀分布的催化剂66的典型LNT 34。而且，催化剂用量上的减少导致了显著的费用节省。为了说明性能上的差异，图11显示了在一个时间周期内由改进LNT 34输出的NO累积量90a与在该时间周期内由典型LNT34输出的NO累积量90b的对比。
参考图1以及图12，进一步描述排气系统30的操作。通常，在稀操作和富操作期间，典型的排气系统(未示出)引导排气流44(图2和图3，流动方向F)从发动机20通过TWC 32然后通过LNT 34。相反，图示的排气系统30的阀42在稀操作期间引导排气流44通过TWC 32然后通过LNT 34，在富操作期间引导排气流44通过旁路管线40(旁路绕过TWC 32)和LNT 34。阀42的操作与发动机20中的燃料喷射同步以再生LNT 34。
在富循环56期间，燃料被喷射入发动机以产生类似CO的还原剂，用来再生LNT34。图12显示了在发动机20中的排气流44的空气-燃料比92以及在排气流44进入LNT 34前在主排放管线36中的位置96处(图1和图4)的排气流44中的CO的浓度。描绘了对于被引导通过TWC 32(在典型的排气系统中)的排气流44的CO浓度94a。描绘了对于被引导通过旁路管线40的排气流44的CO浓度94b。
比较CO浓度94a、94b，注意到TWC 32消耗了相当多量的CO，因此在发动机中产生的大量CO没有被用于再生LNT。例如，申请人发现TWC32能够消耗多于50％的在发动机20中产生的CO。
再生效率可以通过将在排气流进入LNT34时排气流44中由喷射到发动机20中的燃料所导致的CO浓度除以喷射到发动机20中的燃料量来测量。对于喷射到发动机20中的燃料的脉冲98，所获得的CO浓度94b中的脉冲100b大于(例如，在幅度和持续时间上)CO浓度94a中的脉冲100a。因此，在富操作期间，为了将CO传送给LNT 34，旁路绕过TWC 32会更有效率。效率的增加允许较短的富循环或者使用更少的燃料。
另外，在富补料或富循环期间，当通过温度控制装置46降低LNT34的温度时，NOx的还原会增加。在富补料期间，进入LNT34的排气流44中的NOx量很低，促使NOx存储率为零，因为NOx存储率与气相中的NOx浓度基本成正比。因此，相对于其存储率NOx释放率会变高，导致NOx突破。随着NOx释放率随着温度升高呈指数增加，通过降低LNT 34的温度以降低释放率能够减少NOx突破。
温度控制装置46能够控制LNT的温度，例如，通过使用风扇或利用外部夹套的对流器(流体或冷却剂被泵送通过该对流器)来强制空气冷却。温度控制装置46的操作被配置成在富循环的起始时用燃料喷射开始冷却。例如，温度控制装置46的操作能够与发动机20的操作同步。
参考图4，控制器102将发动机20、阀42以及温度控制装置46的操作同步。
上述的实施方案仅是用于清楚理解本公开原理而阐述的实施方案的示例性说明。可以对上述实施方案实现变型、改进、以及组合，而不脱离权利要求的范围。所有这些变型、改进以及组合都被本公开和所附权利要求的范围所包括。

Claims (10)

1.一种排气系统，其包括：
主管线，包括：
三元转换器TWC；
定位于所述TWC下游的稀NOx阱LNT，其包括：
包括沿所述LNT纵轴线非均匀分布的催化剂的核，所述催化剂分布成使得存储部位朝向所述LNT的上游端加权并且氧化部位及还原部位朝向所述LNT的下游端加权；
配置成允许排气流旁路绕过所述TWC的旁路管线，所述旁路管线在位于发动机与所述TWC之间的上游点处以及在位于所述TWC与所述LNT之间的下游点处与所述主管线连接；
在所述上游点处的阀；
温度控制装置；和
控制器，所述控制器与发动机、阀和温度控制装置连通，且配置成在稀循环期间使得所述阀引导排气流通过所述TWC以及在富循环期间使得所述阀引导所述排气流通过所述旁路管线并且使得温度控制装置降低所述LNT的温度。
2.如权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述存储部位包括钡Ba、K；所述还原部位包括铑Rh；所述氧化部位包括铈Ce。
3.如权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述核是包括串联布置的至少两核的复合核。
4.如权利要求3所述的排气系统，其特征在于，所述至少两核中的第一个与所述至少两核中的第二个具有不同的催化剂分布。
5.如权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述纵轴线基本平行于通过所述LNT的流。
6.一种排气系统，其包括：
主管线，包括：
三元转换器TWC；以及
定位于所述TWC下游的稀NOx阱LNT；
配置成允许排气流旁路绕过所述TWC的旁路管线，所述旁路管线在位于发动机与所述TWC之间的上游点处以及在位于所述TWC与所述LNT之间的下游点处与所述主管线连接；
在所述上游点处的阀；
温度控制装置；和
控制器，所述控制器与发动机、阀和温度控制装置连通，且配置成在稀循环期间使得所述阀引导排气流通过所述TWC以及在富循环期间使得所述阀引导所述排气流通过所述旁路管线并且使得温度控制装置降低所述LNT的温度。
7.如权利要求6所述的排气系统，其特征在于，所述控制器配置成从发动机接收表示发动机是以富循环还是稀循环操作的信号，且基于从发动机接收的信号来控制阀的操作和温度控制装置的操作。
8.如权利要求7所述的排气系统，其特征在于，从发动机接收的信号是表示发动机是以富循环还是稀循环操作的空气-燃料比。
9.如权利要求6所述的排气系统，其特征在于，温度控制装置配置成使用流体对流来降低所述LNT的温度。
10.如权利要求9所述的排气系统，其特征在于，所述流体对流使用强制空气冷却或泵送冷却剂冷却实现。
CN201010562656.4A 2009-11-25 2010-11-25 用于减少NOx突破的系统和方法 Expired - Fee Related CN102068907B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/626,026 US8857159B2 (en) 2009-11-25 2009-11-25 Systems and methods for reducing NOx breakthrough
US12/626026 2009-11-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102068907A CN102068907A (zh) 2011-05-25
CN102068907B true CN102068907B (zh) 2014-10-29

Family

ID=44027786

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201010562656.4A Expired - Fee Related CN102068907B (zh) 2009-11-25 2010-11-25 用于减少NOx突破的系统和方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8857159B2 (zh)
CN (1) CN102068907B (zh)
DE (1) DE102010052164B4 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120150495A1 (en) * 2010-12-08 2012-06-14 GM Global Technology Operations LLC Three-dimensional catalytic converter modeling
JP6569637B2 (ja) * 2016-10-14 2019-09-04 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
CN112403258B (zh) * 2019-11-06 2021-10-26 中冶长天国际工程有限责任公司 一种烟气脱一氧化碳脱硝的系统及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1523217A (zh) * 2002-09-20 2004-08-25 福特全球科技公司 氢气燃料火花点火发动机
CN1896468A (zh) * 2004-11-09 2007-01-17 福特环球技术公司 稀混合气发动机基于氧化剂在排放控制装置中的位置负载控制NOx清除

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2692311B2 (ja) * 1989-12-01 1997-12-17 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
EP0556854B1 (en) * 1992-02-20 1996-09-11 Mitsubishi Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha Exhaust emission control system
JP3440654B2 (ja) * 1994-11-25 2003-08-25 トヨタ自動車株式会社 排気浄化装置
US5921076A (en) * 1996-01-09 1999-07-13 Daimler-Benz Ag Process and apparatus for reducing nitrogen oxides in engine emissions
JP3509426B2 (ja) * 1996-05-24 2004-03-22 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気ガス浄化装置
DE19640161A1 (de) * 1996-09-28 1998-04-02 Volkswagen Ag NOx-Abgasreinigungsverfahren
DE19721439C2 (de) * 1997-05-21 1999-05-27 Degussa Zusatzheizung für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren
JP3264226B2 (ja) * 1997-08-25 2002-03-11 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
DE19746658A1 (de) * 1997-10-22 1999-04-29 Emitec Emissionstechnologie Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Temperaturbereiches eines NOx-Speichers in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors
US5987885A (en) * 1998-01-29 1999-11-23 Chrysler Corporation Combination catalytic converter and heat exchanger that maintains a catalyst substrate within an efficient operating temperature range for emmisions reduction
DE19816276C2 (de) * 1998-04-11 2000-05-18 Audi Ag Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
JP2001303934A (ja) * 1998-06-23 2001-10-31 Toyota Motor Corp 内燃機関の排気浄化装置
GB0021118D0 (en) * 2000-08-29 2000-10-11 Johnson Matthey Plc Exhaust system for lean-burn engines
JP2002188432A (ja) * 2000-12-19 2002-07-05 Isuzu Motors Ltd ディーゼルエンジンの排気浄化装置
US20040052693A1 (en) * 2002-09-18 2004-03-18 Crane Samuel N. Apparatus and method for removing NOx from the exhaust gas of an internal combustion engine
US20040112046A1 (en) * 2002-12-13 2004-06-17 Prasad Tumati Thermal management of integrated emission reduction system
JP4062231B2 (ja) * 2003-10-16 2008-03-19 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
US7213395B2 (en) * 2004-07-14 2007-05-08 Eaton Corporation Hybrid catalyst system for exhaust emissions reduction
DE502005007492D1 (de) * 2004-10-01 2009-07-30 Eberspaecher J Gmbh & Co Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine und zugehöriges Betriebsverfahren
US8507404B2 (en) * 2005-07-12 2013-08-13 Exxonmobil Research And Engineering Company Regenerable sulfur traps for on-board vehicle applications
JP2008202528A (ja) * 2007-02-21 2008-09-04 Mazda Motor Corp 排ガス浄化触媒装置
US8171724B2 (en) * 2007-05-02 2012-05-08 Ford Global Technologies, Llc Vehicle-based strategy for removing urea deposits from an SCR catalyst
US8061121B2 (en) * 2007-11-06 2011-11-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The U.S. Environmental Protection Agency Flex fuel internal combustion engine system
US8091348B2 (en) * 2008-11-06 2012-01-10 GM Global Technology Operations LLC Method and apparatus for exhaust aftertreatment in an internal combustion engine

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1523217A (zh) * 2002-09-20 2004-08-25 福特全球科技公司 氢气燃料火花点火发动机
CN1896468A (zh) * 2004-11-09 2007-01-17 福特环球技术公司 稀混合气发动机基于氧化剂在排放控制装置中的位置负载控制NOx清除

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王仲鹏，张昭良.碳烟颗粒在NOx储存催化剂上的燃烧研究进展.《工业催化》.2009,第17卷(第4期),第1页右栏第6行-第2页左栏第1行、第2页右栏第7-11行、第3页左栏第17-21行. *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102010052164A1 (de) 2011-08-11
US20110120099A1 (en) 2011-05-26
CN102068907A (zh) 2011-05-25
US8857159B2 (en) 2014-10-14
DE102010052164B4 (de) 2016-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101339523B1 (ko) 내연 기관의 배기 정화 장치
US5782087A (en) Device for purifying exhaust gas of an engine
CA2235016C (en) Method and device for purifying exhaust gas of engine
JP3702544B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
EP2460995B1 (en) Exhaust purification device for an internal combustion engine
US9121325B2 (en) Exhaust purification system of internal combustion engine
EP2642096B1 (en) Exhaust purification device of internal combustion engine
CN104117357A (zh) 包含镍和铜的混合物的三元催化剂
CN101987281B (zh) 纯化废气中氮氧化物的方法以及操作该方法的排气系统
EP2075423A1 (en) Exhaust gas treatment system for an internal combustion engine
CN102068907B (zh) 用于减少NOx突破的系统和方法
JP4868096B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
EP2740911B1 (en) Exhaust gas purification device for a spark ignition internal combustion engine
EP3039258B1 (en) Method of purifying exhaust gas
US9617893B2 (en) Exhaust purification system for an internal combustion engine
EP2511493B1 (en) Exhaust gas purifying device for internal combustion engine
EP1835137A1 (en) Exhaust emission device
EP2460992A1 (en) Exhaust purification apparatus for internal combustion engine
EP2902600B1 (en) Exhaust purification device of internal combustion engine
EP2503120B1 (en) Nox purification method of an exhaust-gas purifying system for internal-combustion engine
EP2472078B1 (en) An exhaust purification system of an internal combustion engine
US20200171466A1 (en) Catalyst for removing nitrogen oxides
EP2728134A1 (en) Exhaust purification device for internal combustion engine
Ye et al. Research on NOx emission aftertreatment of lean burn gasoline engine using adsorber reduction catalyst

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20141029