CN102877916B - 净化尾气的系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种净化尾气的系统及其控制方法，所述系统可以包括：稀燃NOx捕集(LNT)催化剂，其适合在稀燃大气下吸收尾气中包含的氧化氮，在富燃大气下释放吸收的氧化氮，并根据其温度还原或滑脱已释放的氧化氮；颗粒过滤器，其适合捕集尾气中包含的颗粒物质并通过使用从LNT催化剂滑脱的氧化氮而使得被捕集的颗粒物质进行再生；和控制器，其适合在所述LNT捕集催化剂的温度高于或等于第一预定温度或颗粒过滤器的温度高于或等于第二预定温度时选择性形成所述富燃大气。

Description

净化尾气的系统及其控制方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年7月13日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2011-0069546的优先权，该申请的全部内容结合于此，以用于通过该引用的所有目的。
技术领域
本发明涉及净化尾气的系统及其控制方法。更特别地，本发明涉及净化尾气的系统及其控制方法，其中从稀燃NOx捕集(LNT)催化剂中释放氧化氮，并通过根据LNT催化剂的温度和颗粒过滤器的温度而形成富燃大气，从而还原或滑脱已释放的氧化氮，以使用该释放的氧化氮来再生颗粒过滤器。
背景技术
一般地，经由排气歧管从发动机流出的尾气被引入安装在排气管上的催化转化器中并在其中净化。之后，当经过消音器时尾气的噪音降低，然后尾气经由尾管排至空气中。
脱氮催化剂(脱NOx催化剂)是所述催化转化器的一种类型且净化尾气中包含的氧化氮(NOx)。如果向尾气供应如尿素、氨、一氧化碳和碳氢化合物(HC)的还原剂，则尾气中包含的NOx在脱NOx催化剂中通过用还原剂的氧化还原反应而被还原。
近来，稀燃NOx捕集(LNT)催化剂被用作所述脱NOx催化剂。当发动机在稀燃大气下运转时，LNT催化剂吸收尾气中包含的NOx，并当发动机在富燃大气下运转时释放吸收的NOx。
同时，捕集尾气中包含的颗粒物质(PM)的颗粒过滤器安装在排气管上。如果颗粒过滤器中捕集过量烟灰，尾气难以通过颗粒过滤器且尾气的压力增加。如果尾气的压力高，发动机性能会退化且颗粒过滤器会损坏。因此，如果颗粒过滤器中捕集的烟灰的量高于或等于预定值，则尾气的温度升高以燃烧颗粒过滤器内捕集的烟灰。这种方法被称作颗粒过滤器的再生。
颗粒过滤器的再生被分为被动再生和主动再生。被动再生通过从尾气中包含的氧化氮供应再生烟灰所需的二氧化氮(NO2)进行。相反，主动再生通过向发动机燃烧室预先喷入燃料进行。在主动再生中，后喷射的燃料被氧化以产生氧化热且颗粒过滤器内捕集的烟灰通过氧化热燃烧。在主动再生的情况下，由于再生温度高，需要大能量以进入再生过程。因此，再生周期长从而防止能量消耗。在被动再生中，与主动再生相比，再生温度低且因此需要小能量以进入再生过程。因此再生周期短。
如果主动再生进行的过于频繁，则燃料消耗退化并产生油稀释。为了解决所述问题，颗粒过滤器的体积需要大于2.5升。
然而，在LNT催化剂安装在颗粒过滤器上游的情况下，尾气中包含的二氧化氮(NO2)吸收至LNT催化剂，因此阻碍颗粒过滤器的被动再生。
公开于本发明背景部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面涉及提供净化尾气的系统及其控制方法，其具有的优点是：当在LNT催化剂和颗粒过滤器顺序安装的系统中颗粒过滤器的被动再生有可能时，通过滑脱从LNT催化剂释放的二氧化氮(NO2)来使得颗粒过滤器被动再生。
根据本发明的净化尾气的示例性系统可以包括：稀燃NOx捕集(LNT)催化剂，其适合在稀燃大气下吸收尾气中包含的氧化氮，在富燃大气下释放吸收的氧化氮，并根据其温度还原或滑脱已释放的氧化氮；颗粒过滤器，其适合捕集尾气中包含的颗粒物质并通过使用从LNT催化剂滑脱的氧化氮来使得被捕集的颗粒物质再生；和控制器，其适合在LNT催化剂的温度高于或等于第一预定温度或颗粒过滤器的温度高于或等于第二预定温度时选择性形成富燃大气。
所述LNT催化剂可以适合将尾气中包含的氧化氮吸收为硝酸盐的形式，并将吸收的氧化氮释放为二氧化氮的形式。
在LNT催化剂的温度高于或等于第一预定温度的情况下，从LNT催化剂释放的二氧化氮(NO2)可以被还原成氮气。
在LNT催化剂的温度低于第一预定温度的情况下，从LNT催化剂释放的二氧化氮(NO2)可以被滑脱。
在颗粒过滤器的温度高于或等于第二预定温度的情况下，从LNT催化剂滑脱的二氧化氮(NO2)可用于再生颗粒物质。
根据本发明的控制所述系统的示例性方法包括：在发动机的运转过程中，确定LNT催化剂的温度是否高于或等于第一预定温度，和在LNT催化剂的温度高于或等于第一预定温度的情况下，通过形成富燃大气而从LNT催化剂释放二氧化氮(NO2)，并还原已释放的二氧化氮(NO2)。
在LNT催化剂的温度低于第一预定温度的情况下，所述方法可以进一步包括：确定颗粒过滤器的温度是否高于或等于第二预定温度，和在颗粒过滤器的温度高于或等于第二预定温度的情况下，通过形成富燃大气而从LNT催化剂释放二氧化氮(NO2)，然后滑脱已释放的二氧化氮(NO2)，和通过使用滑脱的二氧化氮(NO2)来再生颗粒过滤器。
本发明的方法和装置具有其他的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
图1为根据本发明的净化尾气的示例性系统的示意图。
图2为根据本发明的对净化尾气的示例性系统的示例性控制方法的流程图。
图3为表示可用于根据本发明的控制净化尾气的示例性系统的方法的条件的图。
图4为表示在颗粒过滤器被动再生的情况下的再生量的图。
图5为表示在颗粒过滤器被强制再生的情况下的再生量的图。
具体实施方式
现在将具体参考本发明的各个实施例，在附图中和以下的描述中示出了这些实施例的实例。虽然本发明与示例性实施例相结合进行描述，但是应当了解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施例。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施例，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换、修改、等效形式以及其它实施例。
以下，将参考附图来详细描述本发明的示例性具体实施方式。
如图1所示，根据本发明的各个具体实施方式的净化尾气的系统包括发动机10、排气管20、稀燃NOx捕集(LNT)催化剂30、颗粒过滤器40和控制器50。
发动机10燃烧空气-燃料混合物，其中燃料和空气混合以将化学能转化为机械能。发动机10连接至进气歧管以将空气接收在燃烧室内，且发动机10连接至排气歧管使得燃烧过程中产生的尾气汇集在排气歧管中并排至外部。喷射器安装在燃烧室上以将燃料喷入燃烧室。
排气管20连接至排气歧管以将尾气排至车辆外部。LNT催化剂30和颗粒过滤器40安装在排气管20上以除去尾气中包含的颗粒物质(PM)和氧化氮。
在各个实施方式中，排气管20配备有通过使用排气能量增加进气的涡轮增压器，对尾气中包含的碳氢化合物和一氧化碳进行氧化的氧化催化剂，和除去尾气中包含的氧化氮、碳氢化合物和一氧化碳的选择性催化还原催化剂。
LNT催化剂30安装在排气管20上，且从发动机10流出的尾气适合通过LNT催化剂30。LNT催化剂30适合在稀燃大气下吸收尾气中包含的氧化氮，并在富燃大气下释放吸收的氧化氮。此时，LNT催化剂30以硝酸盐形式吸收氧化氮并以二氧化氮形式释放氧化氮。此外，如果LNT催化剂30的温度高于或等于第一预定温度，则LNT催化剂30适合将释放的二氧化氮(NO2)还原成氮气，如果LNT催化剂30的温度低于第一预定温度，LNT催化剂30滑脱已释放的二氧化氮(NO2)。LNT催化剂30包含贵金属和吸收材料。贵金属包括铂、钯和铑，吸收材料包括弱碱性材料，例如碳酸钡。然而，本发明的范围并不限于本文示例的贵金属或吸收材料。
颗粒过滤器40安装在LNT催化剂30下游的排气管20上。颗粒过滤器40捕集经由排气管20流动的尾气中包含的颗粒物质(如烟灰)。此外，颗粒过滤器40适合通过使用从LNT催化剂30滑脱的氧化氮(例如二氧化氮)来使得被捕集的烟灰进行被动再生。由于颗粒过滤器40适合被动再生，无论氧化氮(或二氧化氮)何时从LNT催化剂30滑脱，颗粒过滤器40的主动再生可被排除。因此可改善燃料经济性。此外，如果主动再生被排除，检测颗粒过滤器40的入口和出口之间压差的压力传感器可被除去。因此可降低成本。
在各个实施方式中，温度传感器32和42分别安装在LNT催化剂30和颗粒过滤器40上。第一温度传感器32检测LNT催化剂30的温度，而第二温度传感器42检测颗粒过滤器40的温度。基于由第一和第二温度传感器32和42检测的值控制根据本发明的各个实施方式的净化尾气的系统。
同时，在各个实施方式中，基于发动机的运转情况(例如燃料喷入量，燃料喷入时刻，发动机运转史等)预计LNT催化剂30和颗粒过滤器40的温度。在除了安装温度传感器32和42的情况下，基于预计温度来控制根据本发明的各个实施方式的净化尾气的系统。
控制器50控制根据本发明的各个实施方式的净化尾气的系统。为此目的，控制器50电连接至第一和第二温度传感器32和42以接收由第一和第二温度传感器32和42检测的温度，基于温度确定从LNT催化剂30释放的氧化氮是否还原或滑脱，并控制发动机的燃烧大气。通过控制喷入的燃料量来控制发动机的燃烧大气。亦即，如果喷入发动机10的燃料量增加，燃烧大气变得富燃。相反，如果喷入发动机10的燃料量降低，燃烧大气变得稀燃。发动机的燃烧大气的控制被本领域技术人员公知，因此省略对其详细描述。
此外，控制器40可基于如上所述的LNT催化剂30和颗粒过滤器40的预计温度运转。
如图2所示，在步骤S100中，当发动机运转时，进行来根据本发明的各个实施方式的净化尾气的系统的控制。如果发动机10运转，在步骤S110中第一和第二温度传感器32和42检测LNT催化剂30和颗粒过滤器40的温度并将检测的温度传递至控制器50。
在步骤S120中，控制器50确定LNT催化剂30的温度是否高于或等于第一预定温度。第一预定温度是指释放的氧化氮可在LNT催化剂30中还原的温度。第一预定温度例如为300℃，也可设为其他合适的值。
如果在步骤S120中LNT催化剂30的温度高于或等于第一预定温度，则在步骤S130中，控制器50控制发动机10以形成富燃大气并从LNT催化剂30释放二氧化氮(NO2)。
此后，在步骤S140中，被释放的二氧化氮(NO2)在LNT催化剂30中还原为氮气，根据本发明的各个实施方式的方法结束。
如果在步骤S120中LNT催化剂30的温度低于第一预定温度，则在步骤S150中，控制器50确定颗粒过滤器40的温度是否高于或等于第二预定温度。第二预定温度是指颗粒过滤器40可被动再生的温度。第二预定温度为例如350℃，也可设为其他合适的值。
如果在步骤S150中颗粒过滤器40的温度低于第二预定温度，则控制器50返回至步骤S110。
如果在步骤S150中颗粒过滤器40的温度高于或等于第二预定温度，在步骤S160中控制器50控制发动机10以形成富燃大气并从LNT催化剂30释放二氧化氮(NO2)。
此后，在步骤S170中，释放的二氧化氮(NO2)从LNT催化剂30滑脱并被供应至颗粒过滤器40。
供应至颗粒过滤器40的二氧化氮(NO2)在颗粒过滤器40中还原并供应再生烟灰所需的氧气。因此，在步骤S180中颗粒过滤器40被动再生，根据本发明的各个实施方式的方法结束。
同时，当发动机10运转时，根据本发明的各个具体实施方式的方法连续进行。
图3为表示可用于根据本发明的各个实施方式的控制净化尾气的系统的方法的条件的图。
在图3中，左侧矩形表示氧化氮可在LNT催化剂30中还原的条件。亦即，在LNT催化剂30的温度高的情况下，控制器50形成富燃大气以从LNT催化剂30释放吸收的氧化氮，且释放的氧化氮在LNT催化剂30中还原为氮气。
在图3中，右侧矩形表示氧化氮可从LNT催化剂30滑脱且颗粒过滤器40能够再生的条件。亦即，在LNT催化剂30的温度低且颗粒过滤器40的温度高的情况下，控制器50形成富燃大气以从LNT催化剂30释放吸收的氧化氮。由于LNT催化剂30的温度低，被释放的氧化氮不能在催化剂30中还原并滑脱。被滑脱的氧化氮在颗粒过滤器40中还原并再生颗粒过滤器40。
图4为表示在颗粒过滤器被动再生的情况下的再生量的图。虚线表示颗粒过滤器40的入口和出口之间的CO2差，细实线表示颗粒过滤器40的入口和出口之间的THC差，且粗实线表示颗粒过滤器40的入口和出口之间的CO差。此外，点划线表示所述差的总和，且所述总和与颗粒过滤器40中再生的烟灰量相同。
参考图4，最大烟灰再生量为约1.2克/秒，平均烟灰再生量为约0.8克/秒，被动再生需要的时间为约7秒。假设当车辆行至500千米时，每10千米进行被动再生，则再生了280克烟灰。
图5为表示在颗粒过滤器被强制再生的情况下的再生量的图。再生的烟灰通过粗实线和细实线之间的差表示。对于图5，最大烟灰再生量为约0.65克/秒，平均烟灰再生量为约0.8克/秒，主动再生需要的时间为1000秒。当车辆行至500千米时，颗粒过滤器40再生一次，再生了300克烟灰。
根据本发明的各个实施方式，当烟灰被动再生时，烟灰再生量与当烟灰被强制再生时相似。
如上所述，根据本发明的各个具体实施方式，由于颗粒过滤器被动再生，排气降低且燃料经济性得以改善。
由于颗粒过滤器具有比主动再生周期更短的被动再生周期，颗粒过滤器的体积可减小。
为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“左”或“右”等是用于参考图中显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想穷尽本发明，或者将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由所附的权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种净化尾气的系统，其包括：
稀燃NOx捕集催化剂，其适合在稀燃大气下吸收尾气中包含的氧化氮，在富燃大气下释放吸收的氧化氮，并根据其温度还原或滑脱已释放的氧化氮；
颗粒过滤器，其适合捕集尾气中包含的颗粒物质并通过使用从稀燃NOx捕集催化剂滑脱的氧化氮而使得被捕集的颗粒物质进行再生；和
控制器，其适合在所述稀燃NOx捕集催化剂的温度高于或等于第一预定温度时选择性形成所述富燃大气，而且适合在所述稀燃NOx捕集催化剂的温度低于所述第一预定温度且颗粒过滤器的温度高于或等于第二预定温度时选择性形成所述富燃大气。
2.根据权利要求1所述的净化尾气的系统，其中所述稀燃NOx捕集催化剂适合将尾气中包含的氧化氮吸收为硝酸盐，并将吸收的氧化氮释放为二氧化氮。
3.根据权利要求2所述的净化尾气的系统，其中在所述稀燃NOx捕集催化剂的温度高于或等于所述第一预定温度的情况下，从所述稀燃NOx捕集催化剂释放的二氧化氮被还原为氮气。
4.根据权利要求2所述的净化尾气的系统，其中在稀燃NOx捕集催化剂的温度低于所述第一预定温度且所述颗粒过滤器的温度高于或等于所述第二预定温度的情况下，从稀燃NOx捕集催化剂释放的二氧化氮发生滑脱。
5.根据权利要求4所述的净化尾气的系统，其中，从稀燃NOx捕集催化剂滑脱的二氧化氮被用于使得颗粒物质再生。
6.一种对净化尾气的系统的控制方法，所述系统包括适合吸收或释放尾气中包含的氧化氮的稀燃NOx捕集催化剂，和安装在稀燃NOx捕集催化剂下游且适合捕集尾气中包含的颗粒物质的颗粒过滤器，所述方法包括：
在发动机的运转过程中，确定稀燃NOx捕集催化剂的温度是否高于或等于第一预定温度，
在稀燃NOx捕集催化剂的温度高于或等于所述第一预定温度的情况下，通过形成富燃大气而从稀燃NOx捕集催化剂中释放二氧化氮，并还原释放的二氧化氮，
在稀燃NOx捕集催化剂的温度低于所述第一预定温度的情况下，确定颗粒过滤器的温度是否高于或等于第二预定温度，和
在稀燃NOx捕集催化剂的温度低于所述第一预定温度且所述颗粒过滤器的温度高于或等于所述第二预定温度的情况下，通过形成富燃大气从稀燃NOx捕集催化剂释放二氧化氮，滑脱已释放的二氧化氮，并通过使用已滑脱的二氧化氮来使得颗粒过滤器再生。
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