CN103422950B - 发动机运转方法和用于稀燃汽油发动机的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及排气空气喷射。提供了用于控制排气氧浓度的实施例。在一个示例中，一种发动机方法包括使发动机以稀燃运转，以及当排气氧浓度低于阈值时，将空气喷射进第一排放控制装置与SCR装置之间的排气道内。这样，在稀燃运转时，过多的排放物可以被转化。

Description

发动机运转方法和用于稀燃汽油发动机的系统
技术领域
本公开涉及发动机的排气系统。
背景技术
汽油发动机通常被控制以基本约化学计量空燃比运行，以便使燃料经济性与排气排放控制装置中的排放物转化平衡。然而，相比于化学计量比燃烧，被控制以相对稀的燃烧运转的汽油发动机可能经历明显的燃料经济性益处。例如，尽管相比于化学计量比运转稀运转产生增加的NOx排放物，但20:1到28:1之间的空燃比可以提供燃料经济性、燃烧稳定性以及排放物之间最佳的平衡。通过在排气系统中提供选择性催化还原(SCR)系统来转化过多的NOx。
然而，本文发明人已经认识到上述方法的潜在问题。例如，当排气氧浓度超过下限例如8％时，SCR系统可能经历最大NOx转化效率。在以25:1的空燃比的稀运转期间，例如，氧浓度可能低于8％，并且因此可能降低NOx转化效率。
发明内容
因此，在一个示例中，一些上述问题可以至少部分地由如下的发动机方法解决，该发动机方法包括使发动机以稀燃运转，以及当排气氧浓度低于阈值时，将空气喷射进第一排放控制装置与SCR装置之间的排气道内。
以此方式，可以通过将二次空气引入到上游排放控制装置与SCR装置之间的排气道而调整排气氧浓度。可以基于反馈控制引入二次空气，从而将排气氧浓度维持在期望的量和/或将SCR装置的温度维持在阈值范围内。
SCR装置被配置为使用喷射的还原剂(诸如氨)来转化NOx。通过包括SCR系统并且在氧浓度低时喷射二次空气，可以提供稀燃烧期间的有效的NOx转化，从而使来自稀燃的燃料经济性益处与排放物控制平衡。
在另一实施例中，用于稀燃汽油发动机的系统包括：排气系统，其包括上游催化剂和下游SCR系统；空气喷射系统，其被连接至催化剂与SCR系统之间的排气道；以及控制器，其包括用于执行如下操作的指令：在第一条件下，使发动机以稀燃运转，并且基于SCR系统上游的排气氧浓度和SCR系统的温度来调整喷射的空气量。
在另一实施例中，控制器还包括用于执行如下操作的指令：在第二条件下，使发动机以化学计量比燃烧运转，并且基于SCR系统上游的排气氧浓度和SCR系统的温度来调整喷射的空气量。
在另一实施例中，第二条件包括中等至高发动机负荷和高于阈值的发动机温度。
在另一实施例中，空气喷射系统将排气道直接连接至涡轮增压器的压缩机下游和节气门上游的部分进气道，并且其中控制器包括用于调整空气喷射系统的阀以便输送压缩进气作为喷射的空气的指令。
在另一实施例中，控制器包括用于执行如下操作的指令：如果排气氧浓度超过第一阈值，或者如果SCR系统的温度超过第二阈值，则阻止空气喷射系统喷射空气。
在另一实施例中，催化剂是二元催化剂。
在另一实施例中，一种发动机方法包括：当还原催化剂的还原剂存储水平高于阈值时，调整喷射进还原催化剂上游的排气道内的二次空气量，以便将排气氧浓度维持在第一范围内；以及当还原剂存储水平低于阈值时，调整喷射进排气道内的二次空气量，以便将排气氧浓度维持在第二较低范围内。
在另一实施例中，发动机方法还包括：当还原剂存储水平低于阈值时，使发动机以富燃运转。
在另一实施例中，发动机方法还包括：当还原剂存储水平高于阈值并且发动机在低至中等负荷下运转时，使发动机以稀燃运转；以及当还原剂存储水平高于阈值并且发动机在中等至高负荷下运转时，使发动机以化学计量比燃烧运转。
在另一实施例中，排气氧浓度的第二较低范围基于还原催化剂的温度和催化剂存储水平。
在另一实施例中，还原催化剂是选择性催化还原催化剂。
当单独或结合所附的附图参照以下具体实施方式部分时，本发明的上述优点和其它优点以及特征将是显而易见的。
应当理解，提供上述发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，要求保护的主题的范围通过随附的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决任何上述的缺点或在本公开的任何部分中指明的缺点的实现方式。
附图说明
图1示出包括发动机和相关联的排气后处理系统的车辆系统的示意图。
图2示出图示说明根据本公开的实施例用于控制排气空燃比的方法的流程图。
图3示出图示说明根据本公开的实施例用于在排气道中喷射空气的的方法的流程图。
图4示出图示说明根据本公开的实施例用于在稀燃期间控制空气引入的方法的流程图。
图5示出图示说明根据本公开的实施例用于在化学计量比燃烧期间控制空气引入的方法的流程图。
图6示出图示说明根据本公开的实施例用于在氨产生期间控制空气引入的方法的流程图。
图7示出图示说明根据本公开的实施例用于在催化剂冷却期间控制空气引入的方法的流程图。
图8和9示出根据本公开的实施例在空气喷射期间的发动机运转参数的示例图表。
具体实施方式
空气喷射系统可以被提供在排气系统中，以便在稀燃过程(excursion)期间使SCR系统上游的排气氧浓度维持在高于某一水平。SCR系统的最佳的NOx转化可以在某一范围如8-10％范围内的排气氧浓度情况下发生。在被配置为以稀燃(例如，大约25:1的空燃比)运转的汽油发动机中，氧浓度通常低于8％。为了增加稀运转期间的氧浓度，在不折中燃料经济性或上游催化剂中对排气成分的转化的情况下，可以在SCR系统上游喷射空气。可以经由来自排气道中的氧传感器的反馈和/或通过SCR催化剂的温度来控制空气喷射量和空气喷射正时。
空气可以是被直接送至排气道或经由EGR通道送到排气道的压缩进气。当压缩进气经由EGR通道传送时，压缩进气可以被送至EGR冷却器上游的EGR通道，从而提供额外的EGR冷却器再生辅助。因此，所喷射的空气可以通过向下游排放控制装置提供稀排气同时增加EGR冷却器性能而改善排放物。图1描述了包括空气喷射系统、上游和下游排放控制装置以及被配置为执行图2-7的方法的控制器的发动机。
图1示出车辆系统6的示意图。车辆系统6包括被连接至排气后处理系统22的发动机系统8。发动机系统8可以包括具有多个汽缸30的发动机10。.发动机10包括发动机进气系统23和发动机排气系统25。发动机进气系统23包括经由进气道42流体连接至发动机进气歧管44的节气门62。发动机排气系统25包括最终通向排气道35的排气歧管48，其中排气道35将排气送至大气。节气门62可以被设置在如涡轮增压器50的增压装置或机械增压器的下游的进气道42内。涡轮增压器50可以包括布置在进气道42与进气歧管44之间的压缩机52。压缩机52可以至少部分由排气涡轮54供以动力，排气涡轮54被布置在排气歧管48与排气道35之间。压缩机52可以经由轴56连接至排气涡轮54。压缩机52还可以至少部分地由电动马达58供以动力。在所述示例中，电动马达58被示为连接至轴56。然而，电动马达的其它合适配置也是可能的。在一个示例中，当电池充电状态高于充电阈值时，可以使用来自系统电池(未示出)的存储的电能使电动马达58工作。通过使用电动马达58来使涡轮增压器50工作，例如在发动机启动时，可以向进气充气提供电动增压(e-boost)。以此方式，电动马达可以提供马达辅助，以使增压装置工作。因而，一旦发动机已运转足够的时间量(例如，阈值时间)，排气歧管中产生的排气就可以开始驱动排气涡轮54。因此，可以减少电动马达的马达辅助。也就是说，在涡轮增压器工作期间，可以响应于排气涡轮的工作而调整电动马达58提供的马达辅助。
燃料系统18可以包括被连接至燃料泵系统21的燃料箱20。燃料泵系统21可以包括一个或更多个泵，其用于对被输送至发动机10的喷射器的燃料加压，喷射器例如为所示的示例喷射器66。虽然仅示出了单个喷射器66，但是可以向每个汽缸提供额外的喷射器。应明白，燃料系统18可以是非回流燃料系统、回流燃料系统或其它类型的燃料系统。
虽然在图1中未示出，但是每个汽缸30可以包括一个或更多个进气门和一个或更多个排气门，以便分别控制增压空气的进气和排气的释放。进气门和排气门的打开和关闭的正时可以是固定的，或者进气门和排气门的打开和/关闭正时可以改变，比如提供正或负气门重叠、进气门延迟关闭或各种其它示例。
发动机排气系统25可以沿着排气道35连接至排气后处理系统22。排气后处理系统22可以包括一个或更多个排放控制装置，例如排放控制装置70、72，其可以以紧密连接的位置被安装在排气道35中。排放控制装置可以包括三元催化剂、稀NOx转化装置或微粒过滤器、SCR(选择性催化还原)催化剂和/或其组合。在一个示例实施例中，排放控制装置70可以是三元催化剂，而被设置在排放控制装置70下游的排放控制装置72可以是LNT(稀NOx捕集器)。在另一示例中，排放控制装置72可以是SCR系统或另一底部催化剂。例如，排放控制装置72可以是SCR催化剂，其被配置为在与如氨或尿素的还原剂反应后使排气NOx种类减少成氮。还原剂喷射器74可以将还原剂76喷射进排气道35内。
催化剂可以使产生于排气中的有毒燃烧副产物能在排放到大气前被催化转化为低毒产物，副产物例如为NOx种类、未燃的碳氢化合物、一氧化碳等。然而，催化剂的催化效率可以在很大程度上受排气的温度和氧含量的影响。例如，NOx种类的还原可以使用高于一氧化碳的氧化的温度。不必要的副反应也可以在较低温度下发生，例如氨和N2O种类的产生，这会不利地影响排气处理的效率，并降低排气排放物的质量。为了改进排气后处理的效率，同时保护排气系统部件免受高排气温度，可以期望增加第一排放控制装置(例如，排放控制装置70)下游的排气的氧含量。
如本文参考图2-7进一步详细描述的，发动机控制器可以被配置为将二次气流喷射进排放控制装置70下游的排气后处理系统内，从而在各种工况下提高某些排放物的转化。如图1所描述的，二次空气可以来自于多个来源中的一个或更多个。例如，二次空气可以包括压缩进气，其从压缩机52与节气门62之间的进气道被引导至排气道。喷射管路90将压缩进气直接引导至排放控制装置70下游和排放控制装置72上游的排气道35。可以经由阀91控制经由喷射管路90被喷射到排气中的压缩进气，阀91可以由发动机控制器控制。
可替代地或额外地，空气可以经由排气再循环(EGR)通道被喷射到排气道内。空气喷射管路92将节气门上游的压缩空气经由EGR通道80引导至排气道35。EGR通道80被配置为使一部分排气改道返回至进气，以便降低燃烧温度以及由此的NOx排放物。EGR通道80包括EGR冷却器82，其被配置为在到达进气前冷却EGR。此外，EGR通道80包括EGR阀84，其可以由控制器12调整，以便控制到进气的EGR流量。如图1所示，EGR通道80是低压EGR(LP-EGR)通道，因为被引导通过EGR通道80的EGR是涡轮54下游取得的低压EGR。空气喷射管路92被连接至EGR阀84与EGR冷却器82之间的EGR通道80，并且经由阀93控制。当指示将压缩进气喷射到排气道时，阀93打开，并且EGR阀84关闭。压缩进气然后经过空气喷射管路92被引导至EGR通道80，在EGR通道80中压缩进气在到达排放控制装置70下游的排气道35前经过EGR冷却器82。
此外，在一些实施例中，可以提供空气泵96，以将外部的空气(例如，来自大气)经由喷射管路94喷射进排气道35内，这由阀95控制。
排气后处理系统22还可以包括碳氢化合物保持装置、颗粒物质保留装置以及其它合适的排气后处理装置(未示出)。应当明白，其它部件可以被包括在发动机中，例如各种阀和传感器。.
车辆系统6还可以包括控制系统14。控制系统14被示为接收来自多个传感器16(其各种示例在本文中被描述)的信息，并将控制信号发送至多个执行器81(其各种示例在本文中被描述)。作为一个示例，传感器16可以包括排气传感器126(位于排气歧管48内)、上游氧传感器128、130(氧传感器128可以被定位在排放控制装置70的上游，而氧传感器130可以被定位在排放控制装置72的上游和排放控制装置70的下游)、下游氧传感器132(位于排放控制装置72的下游)以及温度传感器134。诸如压力、温度、空燃比以及成分传感器的其它传感器可以被连接到车辆系统6中各种位置，如在本文中更详细地讨论的。作为另一示例，执行器可以包括燃料喷射器(诸如燃料喷射器66)、诸如阀91、93、95的各种阀、泵96以及节气门62。控制系统14可以包括控制器12。控制器可以基于指令或编程在其中的代码，对应于一个或更多个程序，接收来自各种传感器的输入数据，处理该输入数据，并响应于已处理的输入数据触发执行器。在本文中参考图2到7描述了示例控制程序。
图2是图示说明用于控制排气空燃比的方法200的流程图。响应于来自一个或更多个传感器的信号并根据存储在控制器的存储器中的指令，可以由如控制器12的发动机控制器执行方法200。方法200可以在包括排气系统的发动机中执行，该排气系统具有至少两个排放控制装置，即上游排放控制装置和下游排放控制装置。如在本文中使用的“上游”和“下游”是相对于排气流从发动机到大气的方向，例如，上游排放控制装置更靠近发动机，并在排气到达下游排放控制装置之前接收发动机排出的排气。在参照图2描述的实施例中，上游排放控制装置是三元催化剂(TWC)，而下游排放控制装置是稀NOx捕集器(LNT)；但是，其它布置中的其它排放控制装置也在本公开的范围内。
方法200包括：在202处，确定发动机运转参数。发动机运转参数可以包括发动机转速、发动机负荷、燃料喷射量和正时、排气空燃比、节气门位置、EGR阀位置、排气温度等。此外，确定排气空燃比可以包括多个位置中的排气的空燃比，例如发动机排出空燃比、在一个或更多个排放控制装置的进口处的空燃比以及在一个或更多个排放控制装置的出口处的空燃比。
在204处，调整排气空燃比，以便将TWC(图1中的排放控制装置70)维持在阈值温度或低于阈值温度。例如，发动机可以运转在为最大燃料经济性、扭矩和/或排放物益处设置的期望的空燃比。然而，在一些条件下，例如高负荷条件，期望的空燃比会导致TWC进口处的排气温度超过阈值温度。阈值温度可以是这样的最大温度，即超过该最大温度时会发生排气部件退化，例如950℃。在其它实施例中，阈值温度可以在最大温度以下，以便避免TWC到达该最大温度。如果TWC进口处的排气温度超过阈值，或者如果该装置的实际温度超过阈值，则可以调整燃烧的空燃比(以及因此的TWC上游排气的空燃比)，以便将排气温度维持在期望的温度。例如，发动机可以以富燃运转，从而降低排气温度。
在206处，确定发动机是否以低于阈值的发动机排出排气空燃比运转。阈值可以是这样的排气空燃比(诸如化学计量比)，低于该排气空燃比时产生过多的HC和CO。如果发动机以低于化学计量比的排气空燃比运转(否则称为富燃)，则过多的HC和/或CO会被释放到排气内，其在当前的空燃比下在TWC和LNT中不发生转化。因此，如果在206处的回答为是，方法200进行到208，在TWC下游喷射空气，从而在LNT上游的排气中提供额外的氧气。这样一来，下游排气(例如，TWC下游的排气)的空燃比被维持在比进入TWC的排气更高(例如，更稀)的空燃比。
来自喷射空气的额外氧气可用于与排气中HC反应，并且过多的HC和CO可以在LNT中被氧化。与排气中氧的反应会使LNT处的排气温度升高。然而，由于排气行进到达LNT的额外距离(相对于排气行进到达TWC的距离)，排气在到达LNT之前冷却，使得由于喷射到排气内的额外氧气而释放的放热量不会使LNT的温度升高到超过最大温度。然而，在210处，可以基于LNT温度来控制在TWC下游喷射的空气量，以避免使LNT的温度升高到超过最大温度。可替代地或额外地，可以基于LNT下游的空燃比来控制喷射的空气量。例如，LNT下游的空燃比可以被维持在化学计量比。一旦控制TWC下游的空气喷射，方法200就退出。
在图8中描绘了这样的示例图表，该示例图表描绘了富燃过程(rich excursion)期间在LNT上游与TWC下游空气喷射的发动机运转参数。在810处描绘了TWC温度，在820处描绘了上游空燃比(例如TWC和/或LNT的上游)，在830处描绘了空气喷射量，以及在840处描绘了下游空燃比(LNT的下游)。对于每张图表来说，时间在x轴线上绘制，而各个参数绘制在y轴线上。对于描绘空燃比的图表820和840来说，化学计量比的空燃比以标记1来表示。在时刻t1，TWC催化剂温度到达阈值温度，在这个实施例中，其小于TWC所容许的最大温度。为了防止TWC到达最大温度，发动机富运转，以减小的下游空燃比示出。作为响应，空气喷射被激活。由于通过来自下游氧传感器反馈控制空气喷射量，所以下游空燃比基本保持在化学计量比。在时刻t2，富燃过程结束，空气喷射被停用，并且下游和上游空燃比都处于化学计量比。
转向图2中的206，如果发动机未以富燃运转，方法200进行到212，以确定发动机是否在高负荷条件下以化学计量比燃烧运转。在这些条件下，相对高的排气空间速度可能干扰TWC中的NOx转化。为了确保LNT中的过量NOx的存储，如果发动机以高负荷和化学计量比燃烧运转，方法200进行到214，以便在TWC下游喷射空气。在216处，可以基于LNT温度和/或下游空燃比来控制空气喷射量。例如，空气可以被喷射，使得LNT的温度被维持在低于存储阈值，例如450℃，和/或使得下游空燃比被维持在稀化学计量比。一旦控制TWC下游的空气喷射，方法200就退出。
图8还示出高负荷、化学计量比燃烧条件下的空气喷射。在时刻t3，发动机负荷由于例如驱动器踩加速器踏板事件而增加。然而，与在时刻t1不同，TWC催化剂温度(810中示出)保持低于阈值，以便开始富燃。但由于高负荷，化学计量比燃烧条件(例如，820中示出的下游空燃比保持在大约化学计量比)，空气喷射在时刻t3(830中示出)被激活，以便在LNT中产生稀环境用于存储可能逃过TWC的NOx。作为空气喷射的结果，当负荷下降并且空气喷射被停用时，下游空燃比(840中示出)增加直至时刻t4。
转向图2，如果在212处确定发动机未在高负荷下以化学计量比燃烧运转，方法200进行到218，以确定是否预期稀退出(lean exit)。稀退出可以是从稀燃到化学计量比或富燃的转变，并且可以基于由控制器通过如转速、负荷等发动机运转参数和/或排气空燃比控制的空燃比来确定。如果预期稀退出，在220处，空气可以在TWC下游被喷射。在稀退出之后，存储在LNT中的NOx由于排气中缺少氧而可以被释放。为了防止这种情况，空气在LNT上游被喷射，以便排气将是稀的，并且捕集在LNT中的NOx将保持在LNT中，直至指示冲洗。在222处，可以控制空气喷射，以便维持LNT处的稀空燃比，从而维持NOx存储。一旦控制空气喷射，方法200就退出。
在218处，如果确定不预期稀退出，方法200进行到224，以基于来自一个或更多个排气传感器的传感器输入继续空燃比反馈控制，以便维持期望的燃烧空燃比和TWC温度，而不必在TWC下游喷射空气。因为未在TWC下游喷射空气，空燃比反馈控制可以包括来自TWC下游的一个或更多个排气传感器的反馈。相比之下，在TWC下游喷射空气的条件下，由下游排气氧传感器所确定的排气氧浓度可以从反馈控制省略，或者可以被调整以考虑排气中存在的额外的氧。方法200然后退出。
因此，图2中的方法200在TWC下游和LNT上游提供增加的排气空燃比，以便维持排放控制，同时保持TWC的温度低于最大温度。维持TWC低于最大温度可以包括命令发动机富运转，以便冷却排气。在一些实施例中，如果发动机以正气门重叠运转，其中排气门打开一段持续时间的同时进气门也是打开的，则气门正时可以被调整以避免富运转期间的气门重叠。正气门重叠可能导致排气歧管中充分的氧水平，从而产生与富排气的反应并加热排气，并且因此可能在富运转期间被中断。
图3是图示说明用于在上游排放控制装置(如图1中的排放控制装置70)的下游喷射空气的方法300的流程图。如果在关于图2讨论的方法200的执行期间指示空气喷射，则可以由控制器12执行方法300。
方法300包括：在302处，确定是否指示空气喷射。可以指示空气喷射，以便在上游排放控制装置的下游提供比从发动机提供的更稀的空燃比。可以基于关于图2(例如在208、214或220处)讨论的条件或基于另一合适的参数来指示空气喷射。例如，如关于图1所描述以及本文所详述的，空气可以经由包括EGR冷却器的EGR通道被提供给排气道。如果冷却器效率为低，则可以指示空气喷射，以便剥落可能已经在冷却器上累积的碳烟或其它碎屑。
如果未指示喷射，则方法300返回，以保持对空气喷射指示的监测。如果指示空气喷射，则方法300进行到304，以便将压缩进气送至上游排放控制装置的下游处的排气道。传送压缩进气可以包括，在306处，打开被连接至排气道的喷射管路中的阀，或打开被连接至EGR通道的喷射管路中的阀。如关于图1所解释的，被喷射到排气道的空气可以取自压缩机下游和节气门上游的进气道。压缩机下游的进气将例如在高于大气的压力下被压缩。喷射管路中阀的打开允许空气进入排气道，而不必提供泵或对空气加压的其它装置。来自喷射管路的空气可以被直接送至排气道，或可以经由LP-EGR通道传送。然而，在一些实施例中，可以利用空气泵将空气喷射至排气道。例如，这种泵送空气可以不是来自进气，而可以是来自大气。
将压缩进气送至排气道还可以包括，在308处，(如果喷射管路被连接至EGR通道)关闭EGR阀。通过关闭EGR阀，将会阻止从排气到进气的EGR流，并且压缩空气反而可以通过EGR通道行进至排气道。
在310处，可以调整一个或更多个运转参数，以补偿压缩机下游的减小的进气压力和/或补偿损失的EGR流量。例如，压缩进气的分流可能降低节气门上游的进气压力；因此，可以调整节气门位置以向发动机提供期望的质量空气流量。此外，可以控制涡轮增压器以增加提供给进气的增压压力。可以调整涡轮废气门以增加增压压力，或者可以调整压缩机旁通阀。
如果压缩进气在到达排气道之前被传送通过EGR通道，如果期望EGR流以便降低燃烧温度或降低发动机泵吸损失，则可以调整一个或更多个参数以补偿EGR流量的损失。例如，如果发动机包括HP-EGR系统，则可以增加通过HP-EGR系统的流量。在另一示例中，可以调整燃料喷射正时以降低燃烧温度，或者可以分离燃料喷射，这同样用于降低燃烧温度。一旦调整发动机运转参数，方法300就退出。
上述的方法200和300响应于一个或更多个条件(诸如富燃)提供到排气道内的空气喷射，以便将TWC下游的排气维持在比TWC上游的排气更稀的空燃比。方法200基于来自氧传感器的反馈和/或TWC下游的LNT的温度来控制喷射或空气。然而，在由还原催化剂替代LNT的发动机系统中，诸如SCR系统中，可以在SCR系统上游和TWC下游喷射空气，以便在发动机以低于期望的排气氧浓度运转期间确保充分的NOx转化。
转向图4，示出了一种用于控制催化剂上游的空气喷射的方法400。方法400可以由控制器12执行。在一些实施例中，可以在被配置为以稀燃运转的汽油发动机中执行方法400。如之前所解释的，与化学计量比燃烧相比，稀燃产生更大量的NOx，其中稀燃可以包括大约20:1或更大的空燃比。为了确保增加的NOx种类的转化，稀燃汽油发动机可以包括排气系统中的还原催化剂，例如SCR系统。然而，与可以以基本较高空燃比运转的柴油发动机不同，稀燃汽油发动机可能不产生具有足以确保有效NOx转化的氧浓度的排气。因此，方法400提供了在稀燃汽油发动机中增加还原催化剂上游的氧浓度的机制。
在402处，确定发动机运转参数。发动机运转参数可以包括发动机转速、负荷、空燃比、排气氧浓度、发动机温度和SCR温度。可以被确定的额外的运转参数包括排气质量空气流量、排气NOx水平、在SCR催化剂上游处的喷射的还原剂水平以及其它参数。在404处，确定发动机是否稀运转。稀运转可以包括大于化学计量比的空燃比，并且可以包括在20:1与28:1之间的空燃比或其它空燃比。可以基于测得的排气空燃比、命令的燃料喷射量和/或如负荷的运转参数确定稀运转。例如，发动机可以在低至中等发动机负荷(例如，50％或更小的负荷)下以稀燃运转，然后在高负荷下以化学计量比燃烧运转。
如果发动机未以稀燃运转，则其可能以基本化学计量比燃烧运转，并且方法400进行到406，以开始化学计量比燃烧程序，下面将会关于图5进行详细解释。如果确定发动机以稀燃运转，则方法400进行到408，以确定SCR催化剂中氨(NH3)存储量是否超过阈值。SCR催化剂可以存储NH3以便对进入SCR催化剂的NOx种类进行转化。存储的氨可以被排气中的氧所氧化；因此，为了维持充分用于NOx转化的存储氨的基线水平，存储氨的量必须超过下限阈值，以响应于喷射的空气而补偿增加的氨氧化。可以通过存储估计来确定存储的NH3的量，该存储估计是上游NOx浓度、NH3消耗(例如，通过比较上游NOx水平与下游NOx水平而确定)、SCR温度和NH3产生(例如，通过SCR温度、氧浓度和喷射的NH3水平而确定)的函数。NH3存储的下限阈值可以是SCR温度的函数。
如果确定NH3存储量不超过下限阈值，方法400进行到410，开始氨产生程序，将关于图6进行解释。如果NH3存储量超过阈值，方法400进行到412，以确定测得的排气氧浓度是否小于期望的浓度。可以由SCR催化剂上游的传感器如图1中的传感器130确定排气氧浓度。可以基于SCR温度、排气空间以及排气NOx质量，确定期望的氧浓度。因此，期望的氧浓度是排气中这样的含氧量，即氧含量导致在SCR催化剂中几乎完全转化NOx。在一个示例，期望的氧浓度范围可以在8-10％，和/或可以在25:1的空燃比到30:1的空燃比范围内。
如果排气氧浓度不小于期望的浓度，则存在充足的氧以转化SCR中的NOx，并且方法400返回以继续对指示应当喷射空气的条件进行监测。如果氧浓度小于期望的浓度，则方法400进行到414，以将二次空气送至SCR催化剂上游的排气道。在一个示例中，可以在上游排放控制装置的下游传送空气，例如，上游排放控制装置可以是二元或三元催化剂。然而，在其它示例中，可以在二元或三元催化剂的上游传送空气。如关于图1和3所解释的，二次空气可以是从涡轮增压器压缩机下游直接送至排气道的进气，或者可以是经由EGR通道传送的压缩进气。在其它实施例中，二次空气可以经由空气泵喷射。将二次空气送至排气道包括，在414处，将排气氧浓度维持在阈值范围内。二次空气可以一定量被引入到排气，该一定量使排气维持在低于上限阈值(例如，10％)，仍处于或高于期望的氧含量，高于该上限阈值时氨氧化会达到不期望的水平。将氧维持在阈值范围内可以通过来自排气道内的氧传感器的反馈控制而实现。
在418处，确定SCR温度是否高于期望的温度。SCR可以在温度窗口例如200-450℃内实现最佳的NOx转化。如果SCR的温度在此窗口外，则可以增加或减小送至排气的二次空气量。例如，如果SCR温度高于期望的温度，则方法400可以进行到420，增加到排气的二次空气，以便冷却SCR催化剂。但是，为了确保氨氧化不发生，在422处，限制被送至排气的二次空气量，以使排气氧浓度维持在低于阈值限制。如果SCR温度不高于期望的温度，如果可以减少可能的引入的空气量，或者方法400可以返回至414，以便继续基于来自氧传感器的反馈而引入空气。一旦基于来自氧传感器和SCR温度传感器的反馈而引入二次空气和调整空气量，方法400就返回。
因此，方法400提供将二次空气喷射进SCR装置上游的排气道内。当排气氧处于比用于在SCR催化剂中的最佳NOx转化所期望的浓度更低的浓度时，例如在以大于20:1但仍低于典型的柴油空燃比的发动机空燃比运转期间，可以引入空气。通过在排气中提供SCR系统，在指示时引入二次空气并且以大约20:1或25:1的空燃比运转，有效的NOx转化可以在SCR系统中发生，从而减轻对SCR系统上游的三元催化剂的需要。因此，在一些实施例中，三元催化剂可以用二元催化剂代替。
在图9中描绘了这样的示例图表，该示例图表描绘了稀燃期间的发动机运转参数以及SCR上游和TWC下游的空气喷射。在910处描绘了发动机负荷，在920处描绘了上游空燃比(例如，发动机排出空燃比)，在930处描绘了空气喷射量，以及在940处描绘了SCR温度。对于每张图表来说，时间绘制在x轴线上，而各个参数绘制在y轴线上。对于图表920来说，以标记1来表示化学计量比空燃比。在时刻t1之前，由于负荷相对低，发动机以稀燃运转。在时刻t1，上游空燃比下降，并且因此排气中较少氧可用于在SCR中转换NOx。因此，空气喷射被激活，以便在SCR催化剂上游将二次空气引入排气道。空气喷射开始冷却SCR，并且可以增加空气喷射量以便将SCR催化剂冷却至期望的温度。在时刻t2，空燃比增加，并且因此空气喷射被停用。
方法400提供在稀燃期间引入二次空气。然而，在某些以化学计量比燃烧的运转事件如加速事件期间，高排气流可能允许一些NOx逃过TWC。为了在这些事件期间提供最佳的NOx转化，可以执行图5中的方法500，如下面所解释的。为了避免氧化所有可用的NH3，导致NOx逃出SCR催化剂，方法400和500都依靠在SCR催化剂中存在的充足的NH3存储水平。如果确定NH3存储水平太低，则可以执行图6中的方法600以产生NH3，同时提供气相NOx转化。另外，如果确定SCR催化剂的温度太高以致于不能存储NH3，则可以执行图7中的方法700，以便利用二次空气的引入来冷却SCR催化剂。
转向图5，示出了一种用于在化学计量比燃烧期间控制二次空气引入的方法500。响应于发动机以化学计量比燃烧运转的指示，可以由控制器12执行方法500。在502处，方法500包括确定NH3存储水平是否高于阈值，与上述方法400的408类似。如果水平不高于阈值，方法500进行到504，以开始氨产生程序，下面关于图6对其进行描述。如果存储水平高于阈值，方法500进行到506，以确定发动机温度是否超过第一温度阈值T1。第一温度阈值可以是标准运转温度或者是排气中一个或更多种催化剂的起燃温度。如果发动机未高于阈值T1，方法500返回，直至发动机已达到起燃温度的时刻。由于二次空气的引入会冷却SCR催化剂，所以当发动机温度低时将二次空气送至排气可能是不利的。尽管在506处评定发动机温度，但应理解，可以评定其它车辆温度以确定是否将要引入空气，例如SCR催化剂温度。
如果发动机温度高于阈值T1，方法500进行到508，以确定发动机温度是否低于第二温度阈值T2。第二温度阈值可以是这样的温度，高于该温度时SCR催化剂不能存储氨，并且因此二次空气的喷射不会提高NOx转化效率。如果发动机高于第二温度阈值，方法500进行到510，以开始催化剂冷却程序，下面关于图7对其进行解释。如果发动机温度低于阈值，方法500进行到512，以确定测得的排气氧浓度是否小于所期望的浓度。如果不小于，方法500返回。如果小于，方法500进行到514，以将二次空气送至排气道，并且在516处(例如基于来自氧传感器的反馈)调整引入的空气量以将氧维持在阈值范围内，以及在518基于催化剂温度调整引入的空气量。然后方法500返回。
图9还描绘了化学计量比燃烧期间的空气喷射。例如，在时刻t3，由于相对高的发动机负荷(在图表910中示出)，发动机以化学计量比的空燃比运转。如果氧浓度小于期望的浓度，或者如果发动机经历加速事件，空气喷射可以在时刻t3被激活(在图表930中示出)，以便转化可以逃过上游催化剂的任何NOx。
图6示出一种用于产生氨的方法600。响应于SCR催化剂中氨存储水平低于阈值的指示，例如分别在方法400的410处和500的504处，可以由控制器12执行方法600。方法600包括，在602处，确定SCR催化剂温度是否低于第二温度阈值T2，与上面关于图5所描述的温度阈值T2类似。SCR催化剂温度可以由设置在催化剂内或靠近催化剂的温度传感器确定，或可以基于发动机温度而被估计。如果催化剂温度不低于阈值T2，方法600进行到604，以开始催化剂冷却程序，下面对其进行解释。如果催化剂温度低于阈值，方法600进行到606，以确定测得的氧浓度是否低于期望的浓度。在允许氨产生模式之前的期望的氧浓度可以不同于稀燃或化学计量比燃烧期间用于NOx转换的期望的氧浓度。例如，氨产生期间的最大氧浓度可以小于稀燃或化学计量比燃烧期间的氧浓度。当NH3存储为低时，SCR中的NOx转换通过气相NH3而不是存储的NH3发生，并且因此较低的氧水平可以存在，以避免气相NH3的氧化。此外，依据排气成分和温度，使用燃料而不是氨作为还原剂时NOx转化会更有效。因此，基于SCR是否充当HC-SCR或NH3-SCR，用于NOx转化和NH3产生的氧量可以改变。
如果测得的氧浓度不小于期望的浓度，方法600返回。如果小于期望的浓度，方法600进行到608，以将二次空气送至排气道。可以权衡被传送的空气量，以在610处提供用于NOx转化和氨产生的期望的氧，同时在612处将SCR催化剂维持在用于NH3存储的期望温度。另外，在614处，在氨产生模式期间发动机可以以富燃运转。然后方法600返回。
图7是图示说明利用二次空气引入冷却催化剂的方法700的流程图。响应于SCR催化剂高于NH3存储温度的指示，例如分别在方法500的510和600的604处的指示，可以由控制器12执行方法700。方法700包括，在702处，确定燃料或NH3作为还原剂(例如HC-SCR或NH3-SCR)情况下的NOx转化是否可能。这可以基于对HC和NH3两者确定的转化估计，其又可以基于SCR温度、发动机转速以及负荷。如果NOx转化可能，方法700进行到704，以便将二次空气送至排气用于气相NOx转化。在706处，可以调整引入的空气量，从而将催化剂维持在期望的温度，以便将催化剂冷却至适合于NH3产生/存储的温度范围。
在708处，方法700包括确定排气氧浓度是否高于存储最大限度。如果排气中的氧浓度不大于存储最大限度，空气可以被引入到排气道从而促进NH3存储，并且因此方法700进行到710，以开始图6中的氨产生程序。如果排气氧浓度大于存储最大限度，方法700返回，继续传送二次空气以冷却催化剂。
返回702，如果由于SCR温度和排气成分，在702处NOx转化不可能，则方法700进行到712，以确定SCR温度是否高于气相转化温度限制。如果不高于，方法700返回。如果高于，方法700进行到714，以将二次空气送至排气，以便从SCR催化剂去除堆积的微粒。方法700进行到708，以确定氧浓度是否高于存储最大限度，如上面所解释的。
因此，图4-7的方法可以提供在SCR催化剂上游喷射二次空气，以便为各种功能提供期望的氧水平，各种功能例如为NOx转化、NH3存储和/或有助于催化剂再生。在一个实施例中，发动机方法包括，发动机以稀燃运转，以及当排气氧浓度低于阈值时，将空气喷射进第一排放控制装置与第二排放控制装置之间的排气道内。第一排放控制装置可以是二元或三元催化剂，而第二排放控制装置可以是SCR系统。以稀燃运转还可以包括以20:1到30:1范围的空燃比或更稀的空燃比运转。
在一些实施例中，发动机可以在第一条件下以稀燃运转，而在第二条件下以化学计量比燃烧运转。在第一和第二条件两个条件下，可以基于SCR系统上游的排气氧浓度和SCR系统的温度，调整所喷射的空气量。第一条件可以包括低至中等发动机负荷，而第二条件可以包括中到高发动机负荷。在一些实施例中，调整所喷射的空气量可以包括，如果排气氧浓度超过第一阈值，或者如果SCR系统的温度超过第二阈值，阻止空气喷射系统喷射空气。
在另一实施例中，发动机方法包括，当还原催化剂的还原剂存储水平高于阈值时，调整喷射进还原催化剂上游的排气道内的二次空气量，以将排气氧浓度维持在第一范围内，以及当还原剂存储水平低于阈值时，调整喷射进排气道内的二次空气量，以将排气氧浓度维持在第二较低范围内。排气氧浓度的第二较低范围可以基于还原催化剂的温度和还原剂存储水平。
应理解，本文所公开的配置和方法本质上是示例性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变体是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、L-4、L-6、V-12、对置4缸和其它发动机类型。本发明的主题包括本文所公开的各种系统和配置以及其它的特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
所附权利要求特别指出被认为是新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这样的权利要求应被理解为包括纳入一个或更多个这样的元件，既不需要也不排除两个或更多个这样的元件。通过修改本申请的本权利要求或通过在本申请或相关申请中提出新权利要求，所公开的特征、功能、元件和/或性质的其它组合和子组合可以被要求保护。这样的权利要求，无论是比原始权利要求范围宽、窄、相同或不同，均被认为包含在本公开的主题内。

Claims (6)

1.一种发动机运转方法，其包括：
使所述发动机以稀燃运转；以及
响应于发动机排气氧浓度低于阈值，将空气喷射进三元催化剂与SCR装置之间的发动机排气道内，以及
响应于所述发动机排气氧浓度高于所述阈值，阻止将空气喷射进所述发动机排气道内。
2.根据权利要求1所述的发动机运转方法，其中空气经由排气再循环即EGR通道被喷射到所述发动机排气道。
3.根据权利要求1所述的发动机运转方法，其中使所述发动机以稀燃运转包括使所述发动机以20:1至30:1的空燃比运转，并且其中所述阈值是8％。
4.根据权利要求1所述的发动机运转方法，其中所述发动机是汽油发动机。
5.根据权利要求1所述的发动机运转方法，其中喷射的空气的量进一步被控制，以便将所述SCR装置的温度维持在阈值范围内。
6.根据权利要求1所述的发动机运转方法，其中将空气喷射进所述发动机排气道内进一步包括将增压的进气直接送至所述排气道。
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