CN103590913A - 优化城市驾驶条件下内燃机的脱硫策略的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了控制贫NOx阱(281)的脱硫过程的方法，该方法包括贫油燃烧阶段(500)和富油燃烧阶段的摆动，其中，至少一个所述富油阶段是分步骤阶段，其中，至少一个所述富油阶段是分步骤的，且其中，至少一个所述富油阶段的步骤是通过空气/燃料比(520)的第一值然后跟着空气/燃料比(510)的第二值所实现且其中，所述空气/燃料比的第一值比所述空气/燃料比例的第二值低，或至少一个所述富油阶段的步骤是通过排气温度的第一值然后跟着所述温度的第二值所实现，且其中，所述排气温度的第一值比排气温度的所述第二值高。

Description

优化城市驾驶条件下内燃机的脱硫策略的方法
技术领域
本披露内容涉及优化内燃机的脱硫策略的方法，特别地，该方法致力于位于内燃机的排气系统内的贫NOx阱(Lean NOx Trap)的硫再生。
背景技术
已知的是，除了其他装置，柴油机的排气后处理系统可设置有贫NOx阱(此后，也称LNT)。
LNT被设置为捕获包含于排气中的氮氧化物NOX且位于排气管线中。
LNT是包含催化剂(例如铑，铂和钯)和吸附剂(例如基于钡的元件)的催化装置，其提供了适于约束包含在排气中的氮氧化物(NOX)的活性点，以将它们捕获在装置自身内。
贫NOx阱要经受周期性的再生过程，由此，这样的再生过程通常被提供用于从LNT中释放和减少捕获的氮氧化物(NOX)。
LNT被循环操作，例如，通过从贫油燃烧运行转换发动机至可使用过量燃料的运行，也可指富油运行或再生阶段。在发动机的正常运行期间，NOX被储存于催化剂表面。当发动机被转换至富油运行，存储于吸附位点之上的NOx与排气中的还原剂发生反应且被解除吸收和被转化为氮气和氨，由此再生催化剂的吸附点。
不幸地，由于燃料中硫的存在，LNT会遭受硫中毒，其严重的减少了催化剂的NOX存储容量。脱硫(也称作脱硫氧化物再生或简单的脱硫氧化物)是需要的，以恢复后处理系统的能力。DeSOx包括发动机工作状态中高温中的快速的贫油富油气氛的转换(后文称为，摆动)。
然而，熟知的控制脱硫过程的策略具有明显的缺点。事实上，在DeSOx的理想的完成之前，使得DeSOx无效的特定动作是存在的，比如，禁用燃料需求(切断/关闭)或以较低发动机速度运行。这些动作在城市驾驶条件下是非常频繁的且结果是DeSOx(脱硫)几乎没有效果，因为没有时间去从催化剂去除硫类物质：DeSOx模式在其激活后仅仅几秒就终止，其不足以保证保证LNT再次执行。另一个结果是DeSOx在每次DPF再生时将会被最终需求，其除了较快的催化剂的热力老化外，还暗含了在油耗方面和二氧化碳排放方面的缺点。
因此，存在优化脱硫策略的方法的需求，以避免上述缺点。
发明内容
本发明的目的是为提供一种方法，其优化了脱硫摆动策略，尤其在城市驾驶条件下，提高了过程的效率，由此减少了它的整个持续时间且因此减少了过程失败的风险。
另一目的是提供允许实现上述方法的装置。
这些目标通过方法，通过具有在独立权利要求中叙述的特征的装置、发动机、计算机程序和计算机程序产品、和电磁信号来实现。
从属权利要求描述了优选的和/或特别有利的方面。
披露的实施例提供了控制贫NOx阱的脱硫过程的方法，该方法包括贫油燃烧阶段和富油燃烧阶段的摆动，其中，至少一个所述富油阶段是分步骤阶段，其中，至少一个所述富油阶段是分步骤阶段且其中
-至少一个所述富油阶段的步骤可通过空气/燃料比例的第一值接着空气/燃料比例的第二值而被实现，且其中，所述空气/燃料比例的第一值比所述空气/燃料比例的第二值低，或至少一个所述富油阶段的步骤通过排气温度的第一值接着所述温度的第二值而被实现，且其中，所述排气温度的第一值比排气温度的所述第二值高。
因此，披露一种用于控制贫NOx阱的脱硫过程的装置，该装置包括：
-用以实现贫油燃烧阶段和富油燃烧阶段的摆动的器件，其中，至少一个所述富油阶段被分步骤和
-用以实现空气/燃料比例的第一值接着是空气/燃料比例的第二值的器件，且其中所述空气/燃料比例的第一值比所述空气/燃料比例的第二值低，或
用以实现废气温度的第一值接着是所述温度的第二值的的器件，且其中，所述废气温度的第一值比所述废气温度的第二值高。
这个实施例的优点在于它提供了用以移除硫类物质的时间的减少及排放硫类物质数量的增加，减少了DeSOx过程被打断的风险，尤其在城市驾驶条件下。该优点可通过保持空气/燃料比例目标值在比DeSOx富油时段的第一部分的现值更富油的条件下实现。替代地，相同的效果可通过保持排气温度在比DeSOx富油时段的第一部分的通常所用值更高的温度来实现。该实施例，因此，减少了要求更频繁脱硫过程的风险，由此减少燃油消耗且增加催化剂的寿命。
根据本发明的进一步实施例，贫油燃烧阶段和富油燃烧阶段的第一步之间的转换具有一个时间间隔，其尽可能接近零。
空气/燃料比例的高转变率的优点在于它将迅速激活富油燃烧模式的第一步骤(也即，更富油燃烧模式)以及因此获得的脱硫过程的效果。
根据另一实施例，从富油燃烧阶段的第一步骤至富油燃烧阶段的第二步骤之间的转换和从富油燃烧过程的第二步骤至贫油燃烧阶段之间的转换可通过校准的倾斜行为特征(calibrated ramp behavior.)来实现。
该实施例的优点在于它将考虑且提高车辆的可操控性：分步骤的转换，而非斜线(ramp)，将更可能被驾驶人注意到。
根据另一些实施例，所述分步骤的富油阶段的启动被基于他们的数量或者持续时间而被校准。
该实施例的优点在于，其推荐限制更富油的空气/燃料比例值用于整个脱硫过程的一部分，以避免硬件可靠性的风险。
根据本发明的又一实施例，该方法被应用的启动条件是车辆速度比校准临界值低。
该实施例的优点在于该方法仅在有用时被应用，即当车速较低时，换句话说在在城市驾驶条件下。
在包含用于实现上述方法的所有步骤的程序代码的计算程序的帮助下，且在包含计算机程序的计算机程序产品的帮助下，根据其某一方面的方法可以被执行。
计算机程序产品可表现为用于内燃机的控制装置，其包括电子控制单元(ECU)，关联于ECU的数据载体，和存储于数据载体中的计算机程序，因此，控制装置与方法以相同的方式定义了所述实施例。在这方面，当控制装置执行了计算机程序，上述方法的所有步骤也被执行。
根据另一方面的方法也可表现为电磁信号，所述信号被调制以携带一系列数据字节，其代表了用以实现方法所有步骤的计算机程序。
本披露的又一方面提供了特别配置为实现所述方法的内燃机。
附图说明
现在各个实施例将要参照附图通过实例被描述，其中：
图1示出了汽车系统。
图2是属于图1的汽车系统的内燃机的剖面。
图3是根据本发明的后处理系统的示意图。
图4是根据熟知策略的DeSOx再生阶段的示意。
图5是根据本发明的方法的DeSOx再生阶段的示意。
附图标记
40 数据载体
100 汽车系统
110 内燃机
120 发动机机体
125 汽缸
130 汽缸盖
135 凸轮轴
140 活塞
145 曲轴
150 燃烧室
155 凸轮相位器
160 燃料喷射器
170 燃料轨道
180 燃料泵
190 燃料源
200 进气歧管
205 进气管道
210 进气口
215 阀
220 口
225 排气歧管
230 涡轮增压器
240 压缩机
245 涡轮增压器轴
250 涡轮
260 中冷器
270 排气系统
275 排气管
280 后处理装置
281 贫NOx阱(LNT)
282 柴油微粒过滤器(DPF)
283 LNT上游空气/燃料比传感器
284 LNT下游空气/燃料比传感器
285 LNT上游温度传感器
286 LNT下游温度传感器
290 VGT促动器
300 排气再循环系统
310 EGR冷却器
320 EGR阀
330 节流本体
340 质量空气流和温度传感器
350 歧管压力和温度传感器
360 燃烧压力传感器
380 冷却剂温度和水平传感器
385 润滑油温度和水平传感器
390 金属温度传感器
400 燃料轨道压力传感器
410 凸轮位置传感器
420 曲轴位置传感器
430 排气压力和温度传感器
440 EGR温度传感器
445 加速器位置传感器
446 加速器踏板
450 ECU
500 燃烧模式，贫油阶段
510 燃烧模式，富油阶段
520 燃烧模式，更富油阶段
530 贫油至更富油阶段的转变
540 更富油和富油阶段之间的斜道
550 富油和贫油阶段之间的斜道
具体实施方式
一些实施例可包括汽车系统100，如图1和2所示，其包括具有发动机机体120的内燃机(ICE)110，该机体定义了具有联接的活塞140以旋转曲轴145的至少一个汽缸125。汽缸盖130与活塞140配合以定义燃烧室150。燃料和空气混合物(未示)被置于燃烧室150中且被点燃，产生了使活塞140往复运动的热膨胀排气。燃料通过至少一个喷油嘴160被提供且空气穿过至少一个进气口210。燃料在高的压力下被从与高压燃料泵180流体连通的燃料轨道170提供至喷油嘴160，该泵增加了燃料源190接受到的燃料的压力。每个汽缸125具有至少两个阀213，其由与曲轴145正时转动的凸轮轴135促动。阀215选择性地允许空气从口210进至燃烧室150，且交替地允许排气从口220排出。在一些例子中，凸轮相位器155可选择性地改变凸轮轴135与曲轴145之间的正时。
通过进气歧管200，空气可被分配至空气进气口(一个或多个)210。空气进气管道205可从周边环境提供空气至进气歧管200。在其他实施例中，节流本体330可被提供以调节进入到进气歧管200的空气流。在另一些实施例中，强制进气系统例如涡轮增压器230可被提供，其具有旋转地联接于涡轮250的压缩机240。压缩机240的旋转增加了在管道205和歧管200中的空气的压力和温度。布置于管道205之内的中冷器260可降低空气的温度。涡轮250通过从排气歧管225接收排气旋转，该排气歧管引导来自排气口220的排气且该排气在穿过涡轮250膨胀之前通过一系列叶片。排气排出涡轮250且被引导至排气系统270。该示例示出了可变几何涡轮(VGT)，其具有VGT促动器290，其布置为移动叶片以改变通过涡轮250的排气流动。在其他实施例中，涡轮增压器230可被几何固定和/或包括废气门。
排气系统270可包括排气管275，其具有一个或多个排气后处理装置280。后处理装置可为配置为改变排气的成分的任意装置。后处理装置280的一些例子包括，但不仅限于，催化转换器(二元或三元)，氧化催化剂，贫NOx阱281，烃吸附器，选择性催化还原(SCR)系统282，微粒过滤器(DPF)或最后两个装置的组合，也即，选择性催化还原系统，其包括微粒过滤器(SCRF)283。其他实施例可包括连接于排气歧管225和进气歧管200之间的排气再循环(EGR)系统300。EGR系统300可包括EGR冷却器310以降低在EGR系统300中的排气的温度。EGR阀320调节EGR系统300内的排气流。
汽车系统100还可包括电子控制单元(ECU)450，其与一个或多个传感器和/或与ICE110相关联且装备有数据载体40的装置通信。ECU450可接受从构造为产生信号的各个传感器来的输入信号，这些信号与与ICE110关联的各种物理参数成比例。这些传感器包括，但不仅限于，空气质量流量和温度传感器340，歧管压力和温度传感器350，燃烧压力传感器360，冷却液和油温度和水平传感器380，燃料轨压力传感器400，凸轮位置传感器410，曲轴位置传感器420，排气压力和温度传感器430，EGR温度传感器440，和加速器踏板位置传感器445。而且，ECU450可产生输出信号至各种控制装置，这些装置被配置为控制ICE110的操作，包括，但不限于，燃料喷射器160，节流本体330,EGR阀320，VGT促动器290，和凸轮相位器155。注意，虚线被用来指示ECU450和不同传感器及装置之间的通信，但是有些为了清晰而被忽略。
现在转至ECU450，该装置可包括数字中央处理单元(CPU)，其与存储系统和接口总线通信。CPU被配置为执行储存为存储系统中的程序的指令，且发送信号至接口总线或从其接收信号。存储系统可包括各种存储形式，包括，光存储，磁存储，固态存储，和其它非易失性存储。接口总线可被构造为发送，接收，和调制模拟和/或数字信号至/从各个传感器和控制装置。程序可包含在这里披露的方法，允许CPU执行这些方法的步骤且控制ICE110。
转回至排气系统270，所提发明依赖于新的策略以控制用于贫NOx阱281的DeSOx过程。图3示出了后处理系统的示意，更为有利的，其也可包括微粒过滤器(DPF)282以捕获柴油发动机的情况下发出的微粒。LNT的上游和下游，可设置有空气/燃料比例传感器283,284和温度传感器285,286。
优选地，LNT催化剂可被尽可能近地安置于涡轮增压器的出口以利用对其有利的高温条件。
LNT高效率地降低了发动机排放排气成分(一氧化碳和碳氢化合物)且在贫油操作条件下存储NOx。在富油操作条件下，NOx被释放且被转换。LNT正常工作是由于催化剂中钡和铝的存在，其限定了在柴油发动机贫油工作条件下的NOX的存储容量。
然而，由于燃料中硫的存在，LNT遭受硫中毒，其严重减少了NOX催化剂的存储容量。包含于燃料中的硫化物在贫油气氛下很容易被氧化为二氧化硫或三氧化硫。后者以硫酸盐的形式被存储于钡点，其与相应的硝酸盐相比更加稳定。就NOX存储而言，该过程减少了LNT的效能：该效能可通过脱硫过程被恢复，其需要高温和富油气氛。
脱硫再生被定义为导致贫NOx阱的脱硫的过程。它从阱的热降解的观点来看，是严格的，因为需要高温度。它同时从油耗方面来说也是不利的，以为需要喷射更多的燃料以在阱的入口处提供富油气氛。DeSOx再生基于“摆动”概念，也就是说，贫油燃烧模式与浓燃烧模式的交替，后者处于更高的温度。DeSOx富油阶段被需要以打破硫化物与钡和/或铝之间的化学联系，使得钡/铝点空缺用于NOX和恢复LNT的NOX捕获能力。DeSOx贫油阶段被用来保持稳定和高的温度，以恢复阱中氧含量和燃烧在富油阶段在阱中积累的HC。
图4是代表应用于脱硫过程的熟知的策略。DeSOx再生的摆动开始于DeSOx贫油燃烧模式500，具有校准时段(图4中实例是12秒)和大于1的空气/燃料比值。然后，DeSOx富油燃烧模式510开始，也具有校准时段(在所示的实例中为15s)和低于1的空气/燃料比值(示例中为0.95)。对于要被完成的脱硫过程，摆动预计需要完成一定数量的贫油和富油阶段(通常大于5，取决于存储的硫的数量)。
对于固定DeSOx摆动策略(富油/贫油时间，空气/燃料比值，高温度条件)，对于脱硫频率，主要有以下可能性:
a)每DPF再生时脱硫。该策略的优点在于总在LNT中具有低加载量硫化物，且因此，时间上的高效果。另一方面，LNT经常经受高温条件，其加速了催化剂的热老化。
b)某些固定里程后DeSOx，例如4000KM后。该策略的优点在于对于LNT具有较少的暴露于高温条件的频率，同时缺点是催化剂中加载的硫化物的量达到较多数量，其代表了达到排放限值的危险。
C)一定里程后DeSOx，取决于通过模型逼近估计的硫化物加载量：优点在于在特定硫加载量时的DeSOx需求可被校准，以避免催化剂的过大压力和达到排放限值。当然，缺点在于它需要详细和复杂的管理。
最后的解决办法是更有吸引力的，但是，像其他选项一样，取决于驾驶方式。特别地，存在特定动作，其在DeSOx理想地完成前禁止DeSOx，例如禁用燃料请求(切断，关闭，等)或在低发动机速度下行进。这些动作在城市驾驶条件下是非常频繁的且结果是DeSOx(脱硫)几乎没有效果，因为没有时间去从催化剂去除硫类物质：DeSOx模式在其激活后仅仅几秒就终止，其不足以保证LNT再次执行。另一结果是DeSOx最终在每次DPF再生时被请求，其暗含了燃料消耗和二氧化碳排放量方面的再加上催化剂的加速热老化的缺点。
本发明的目的是对富油燃烧模式的新型管理，或者通过空气/燃料比值目标或者通过排气温度目标，以在关键驾驶条件下提高DeSOx效率，例如城市驾驶条件。事实上，在这些条件下，驾驶方式以动作(如切断，关闭等)为特征，其使得DeSOx在其激活几秒钟后就中止。在这短时间内，来自LNT的硫类物质的释放极少或等于0，由此保持加载的硫化物的数量在对于催化效率的临界水平。由此，几乎在每次DPF再生时，将请求DeSOx被要在，这意味着燃料消耗和CO2排放以及催化剂的更快热老化方面的缺点。
本发明基于这样的考虑，DeSOx启动后，为了减少硫化物释放的时间(且因此在较快时间内恢复催化剂性能)，减少了DeSOx程序的任何干扰的风险，有用的是控制和保持空气/燃料比例目标处于与DeSOx富油时间的第一部分的当前比例更富油的状况(例如，0.9而不是0.95)。替代地，相同效果可通过控制排气温度和保持它于对于DeSOx富油时间的第一部分通常使用的温度来获得(例如，700摄氏度而不是650摄氏度)。该动作产生了更多的物质(例如H2和/或HCs)其与捕获至LNT存储点中的和/或在PGM(铂族金属)上的硫即刻反应。该两种替代方法是几乎相当的，因为较低空气/燃料比值通常与较高排气温度相对应。
这个动作在富油模式启动后的头几秒是极端重要的，因为它使得DeSOx几乎即刻生效是可能的，减少了每次DPF再生启动DeSOx的需求，尤其在临界条件下，例如城市驾驶条件下。
因此，新的策略更改了一旦DeSOx富油燃烧模式被启动时期望的空气/燃料比值或排气温度目标值，移至更富油的λ目标(例如0.9)或至更高排气温度(例如，700摄氏度而非650摄氏度，根据具体催化剂特征)用于富油燃烧模式的头几秒。那么，如果驾驶条件不禁止DeSOx，就没有必要保持在更富油的空气/燃料比值(或更高温度)，且转换至更高的空气/燃料比值(也即0.95)或至较低的温度(也即650摄氏度)被推荐以避免过量的燃料消耗。计时器将确定富油DeSOx模式的两个时间分割的时长。在图5中，新的策略被示意：DeSOx再生的摆动以DeSOx贫油燃烧模式500开始，具有校准时段(图5的实例中为12s)且空气/燃料比值高于1。然后DeSOx富油燃烧模式开始，第一步具有较低空气/燃料比值(也即是说处于富油燃烧模式520)，也具有校准时段(图5的实例中为5s)例如，空气/燃料比值可以是0.9。然后，富油燃烧模式510的第二步紧随其后，具有较高空气/燃料比值(示例中为0.9，如在标准富油燃烧模式中，见如图4)，且持续时间例如等于10s。分步骤富油燃烧模式的数量可等于3，但是在任何情况下，都需要被校准。如果，替代地，我们选择去控制排气温度而不是空气/燃料比值，如果我们用排气温度650摄氏度替代空气/燃料比值0.95，和用排气温度700摄氏度替代空气/燃料比值0.9，图5也正确的示意了该替代。
有利地，为使该策略更加有效，两个进一步的特征可被执行：转换贫油燃烧模式500至富油燃烧模式520必须尽可能快(理想的，持续时间等于0，由转变530表示)。这将即刻启动富油燃烧模式520和由此脱硫过程的效率。另一方面，从更富油燃烧模式520至“标准”富油阶段510的转变可为有利的第一斜道(ramp)540且从“标准”富油阶段510至贫油阶段500的转变也可为校准斜道(ramp)550(见图5中虚线)。该特征在脱硫过程中没有主要效果，但是将考虑且提高车辆的驾驶性能：有步骤转换，而不是斜道(ramp)，这将可能被驾驶人觉察到。
很明显，策略需要被校准且上述图5中所示的值仅仅是示意。特别地：每个分割的时段(更富油vs富油燃烧模式)必须被校准，且它们的空气/燃料比值(或，替代地，温度值)同样要校准。同已经提到的一样，从更富油至富油的转换和富油至贫油的转换之间的斜道时间必须被校准。而且，该策略的长短可基于DeSOx分步骤富油模式的数量(例如，首先的3-4个模式)或时间段(例如，DeSOx过程的第一分钟)而被校准。对于整个DeSOx过程，由于硬件可靠性，保持更富油的空气/燃料比值(或更高排气温度)值不被推荐，其仍将被研究。可能的缺点就是较高的H2S排放，其可通过使用具有H2S抑制能力的DPF来解决(例如，DPF转化H2S为SO2)。
对这个新的DeSOx管理的推动者可由车辆驾驶特种所代表。例如，如果车辆速度低于校准阈值，比如50km/h，新提出的管理将会使用，而如果车辆速度高于阈值，当前管理将会被保持。
甚至，使用更富油的空气/燃料比值将需要稍微高些的油耗，该缺点通过改进DeSOx效果从而能减少DeSOx频率和LNT催化剂的热老化这一事实而被平衡掉。
LNT较少的试验首先被执行且证明新的策略减少了用于释放硫类物质的滞后时间，且增加了排放硫类物质的数量。在这两个方面中，第一个是最重要的，且使得该发明在临界驾驶条件下的收益有吸引力。
虽然至少一个示例性实施例在前面的概述和详细说明中提出，应认识到，存在大量的变式。还应认识到，一个或多个示例性实施例仅是示例性的，且不是要以任意方式限制范围、应用或构造。而是，前面的概述和详细说明给本领域技术人员提供了用于实施至少一个示例性实施例的方便的道路图，应理解，在示例性实施例中描述的元件的功能和配置可进行各种变化而不偏离在所附权利要求和其法律等价物中提出的范围。

Claims (10)

1.一种控制贫NOx阱(281)的脱硫过程的方法，该方法包括贫油燃烧阶段(500)和富油燃烧阶段的摆动，其中，至少一个所述富油阶段是分步骤的，且其中，
至少一个所述富油阶段的步骤是通过第一空气/燃料比(520)的第一值然后跟着空气/燃料比(510)的第二值实现，且其中，所述空气/燃料比的第一值比所述空气/燃料比例的第二值低，或
至少一个所述富油阶段的步骤是通过排气温度的第一值然后跟着所述温度的第二值实现，且其中，所述排气温度的第一值比所述排气温度的第二值高。
2.如权利要求1所述的方法，其中，贫油燃烧阶段(500)和富油燃烧阶段的第一步骤(520)之间的转换具有尽可能等于0的时间间隔。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，从富油燃烧阶段的第一步骤(520)至富油燃烧阶段的第二步骤(510)的转换和从富油燃烧阶段的第二步骤(510)至贫油燃烧阶段(500)的转换通过校准斜道行为(540,550)来实现。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述分步骤的富油阶段的启动被基于它们的数量或持续时间而被校准。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，其启动条件是车辆速度低于校准阈值。
6.一种汽车系统(100)的装备有排气系统(270)的内燃机(110)，包括至少一个后处理装置(280)，该后处理装置是贫NOx阱(281)，该汽车系统(100)包括电子控制单元(450)，该电子控制单元被构造为执行如权利要求1至4所述的方法。
7.一种计算机程序，包括计算机代码，该计算机代码适于执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
8.一种程序产品，其上储存有如权利要求7所述的计算机程序。
9.一种用于内燃机的控制装置，包括电子控制单元(450)，与电子控制单元(450)相关联的数据载体(40)和存储于数据载体(40)内的如权利要求7所述的计算机程序。
10.一种电磁信号，其被调制为携带一系列代表了如权利要求7所述的计算机程序的数据位。
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