CN107152329A - 使用两种催化剂限制NOx排放 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制内燃机来限制不希望的氮氧化合物的排放并提供增加的瞬态功率的方法。

Description

使用两种催化剂限制NOx排放
相关申请
本申请是申请日为2012年9月27日的共同待审的美国申请序列第13/629,197号的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及用于限制氮氧化物的排放的压燃式内燃机的操作和废气后处理。实施方式涉及发动机的瞬态增加的功率操作。
背景
内燃机广泛用于驱动发电机、车辆发动机等。内燃机的排放和它们对于环境的影响正日益受到关注。由于这样的关注，已经通过了限制可从这些发动机排放至环境中的各种排放气体的量的法规。应特别注意减少氮氧化合物的排放，包括NO和N2O，其统称为NOx。当氮和氧由于燃料的燃烧而达到高温时，在内燃机的燃烧室中形成这些化合物。
三效催化剂，例如在常规催化转化器(称为TWC)中使用的那些，被广泛用于减少由火花点火发动机产生的NOx的排放。当氧存在时，TWC在减少废气中的NOx方面变得无效。这对于用接近化学计量比点的空气/燃料混合物操作的并产生具有少量氧的废气的火花点火发动机的使用并没有显著的限制。不过，即使使用耐用的催化剂材料，当TWC老化时，它们仍经历降低的性能。
限制压燃式发动机的不希望的排放仍然是设计和控制压燃式发动机和它们的废气后处理系统的目标。如本文所用，废气是指由发动机排放的成分，其中排放是指被排放入大气的成分。通常用比燃烧一定量提供的燃料所需的空气更多的进入压燃式发动机的空气来运行所述发动机。这样的空气与燃料的混合物被称为“贫料(lean)”，而用较少的空气的操作被称为“化学计量”或“富料”混合物。贫料空气和燃料混合物的燃烧在发动机燃烧室内形成了高温。贫料混合物包括显著量的在燃烧中没有被消耗的氧，并且所述氧能与氮结合形成NOx。贫料空气/燃料混合物形成了含有显著量的使TWC在还原NOx中无效的氧的废气。
已知了用于显著压燃式发动机的NOx的排放的不同对策。一种方法是提供用于发动机废气中氮和氧化合物的选择性催化还原。另一种方法是通过将发动机废气返回到所述发动机的燃烧室中来防止形成NOx，称为“废气再循环(EGR)”。将废气引入到发动机燃烧室中以两种方式还原了NOx的产生。废气置换了空气并从而减少了可用于NOx形成的量的氧。废气还能用作被加热的稀释剂并从而导致燃烧室中更低的燃烧温度。
特别当这样的发动机以稳定状态条件运行时，用显著废气再循环运行的压燃式发动机可不需要后处理以将NOx排放降低至预计的水平以下。不过，用显著量废气运行压燃式发动机减少了由所述发动机产生的功率，这是由于在这样的运行中限制了燃烧的燃料量。
当需要压燃式发动机提供更大的功率时，恒定的发动机速度或更常见的在运行过程中加速车辆，都必需燃烧更多的燃料以提供所需的功率。通常，需要在短时间内由发动机产生较高的功率。相比于延长的低压运行所需要的，在短响应时间内增加功率的需求需要更多的燃料和不同的加燃料时机。
压燃式发动机通常由发动机控制单元(ECU)控制，所述发动机控制单元监控或检测发动机运行条件并操作控制发动机运作的致动器。被监控或检测的条件可包括进入发动机的空气质量流、进气歧管温度和压力以及发动机速度。也可监控或检测废气和/或进气流的氧含量。燃料喷射器可将燃料引入到发动机中以用于燃烧。燃料喷射器可允许控制进入发动机的燃料的喷射的量、时机和形式。压燃式发动机还可包括具有可变喷嘴机构的涡轮增压器，可控制所述可变喷嘴机构以控制从涡轮增压器提供至所述发动机的空气的压缩(加强)。压燃式发动机还可具有废气再循环阀(EGR阀)，所述EGR阀控制了转移到进入发动机的空气流中的废气的量。电子控制单元(ECU)可用于控制用于包括燃料喷射、涡轮增压器可变喷嘴机构和/或EGR阀的发动机的这些可控装置。ECU监控和控制压燃式发动机的运行的能力提供了改变发动机运行的能力。
目前的压燃式发动机和它们相关的后处理系统的缺点在于，它们不能实现在稳态运行过程中以燃料高效的方式将NOx排放保持在低于预计水平的同时，在发动机加速或增加的功率期间同样将NOx排放保持在低于预计水平。
发明概述
在本发明的一个方面，描述了带有废气后处理系统的压燃式发动机的运行，其允许发动机提供快速增加的功率，同时保持NOx的排放低于预计水平。
另一描述的方面在于提供一种用于内燃机的后处理系统，其能在增加功率的瞬态运行过程中从废气流中消除不希望的化合物。
本发明另一描述的方面涉及控制内燃机以限制来自所述发动机的不希望的化合物的排放，并涉及控制在增加功率的瞬态运行过程中控制发动机燃料供给，从而所述废气流具有后处理对其有效的组成。
本发明的另一方面在于提供用于包括催化剂涂覆的表面的压燃式发动机的后处理系统，在发动机运行以提供高功率期间在所述催化涂覆的表面上的催化反应减少了废气中NOx的量。
本发明的另一方面提供了一种发动机和废气后处理组合，其包括两个用于减少在稳态和瞬态运行期间由压燃式发动机产生的废气中NOx量的催化系统。
本发明的另一方面涉及使废气组成改进以确保通过三效催化剂还原NOx的废气系统。
本发明的另一方面提供了用于压燃式发动机的废气系统，所述压燃式发动机具有被构造成将烃喷射入废气流以在三效催化剂转化器上提高NOx还原的主动烃喷射器。
本发明的另一方面涉及方法，其中确定压燃式发动机是否由富空气/燃料混合物供给燃料，并且当检测到富混合物时，在废气进入三效催化剂之前将烃喷射入废气中。
附图的简要说明
图1说明了带有废气后处理的压燃式发动机的示意图。
图2显示了在进气混合物中废气的量与发动机废气中氮化合物的量的关系。
图3显示了后处理系统的一个实施方式。
图4显示了通过用于在贫空气/燃料混合物运行下和在接近化学计量的空气/燃料混合物运行下增加压燃式发动机的功率运行的后处理系统排放的NOx的量。
图5说明了用废气系统的烃喷射系统的示意图。
图6是操作流程图，可执行所述操作从而将烃喷射入压燃式发动机的废气中。
图7显示了在示例性的柴油发动机的瞬态运行期间速度和扭矩的变化。
图8显示了在图7中所示的瞬态运行下从TWC输出的NOx的变化。
具体实施方式
本文所述的实施方式涉及控制压燃式发动机和由所述发动机产生的废气的后处理。具体地，实施方式涉及控制压燃式发动机以当所述发动机运行以产生接近或为其容量的功率时限制NOx排放。此外，实施方式涉及改进对于提高的功率的请求的瞬态响应，所述请求来自于具有废气再循环和限制氮和氧的化合物的排放的压燃式发动机。
将参照附图更完整地描述各实施方式，附图中给出了实施方式。贯穿其中，类似的附图标记指代类似的元件。然而，其它实施方式可以是许多不同的形式并且不限于本文所示的实施方式。此外，这些实施方式是示例。基于本发明的权利具有权利要求书所示的完整范围。
图1显示了压燃式发动机10和废气后处理装置40的示意图。通过如下所述的ECU50监控并控制压燃式发动机10的运行。
在空气入口24处，空气进入发动机10。空气质量流传感器21感应通过空气入口24进入所述发动机的空气的量。从空气入口24将空气导入到压缩空气的低压涡轮增压器压缩机22中。从低压涡轮增压器压缩机22将压缩的空气导入到进一步压缩所述空气的高压涡轮增压器压缩机18中。随后将压缩的空气导入到进气歧管16中。如下文进一步描述，废气再循环系统28选择性地将废气导入到进入进气歧管16的压缩的空气中。
在一些运行条件下，空气和废气通过进气歧管16进入发动机10的气缸12。进气流温度传感器19和进气流压力传感器17安装在进气歧管16上以测量进入发动机10的气缸12的流的温度和压力。为每个气缸12提供喷射器14以向气缸12中喷射燃料。
当燃料在气缸12中燃烧之后，将来自气缸12的废气导入到废气歧管26中。废气歧管26引导废气进入废气再循环系统28与高压涡轮增压器涡轮36的连接。废气氧传感器23测量离开发动机10的废气中氧的量。氧传感器23可以是λ传感器。
废气再循环系统28为离开废气歧管26的废气提供通道，以进入来自涡轮增压器压缩机18的进入进气歧管16的压缩空气流。将进入废气再循环系统28的废气导入到可控EGR阀34中并随后将其导入到降低废气温度的废气冷却器32中。随后将废气导入到来自涡轮增压器压缩机18的压缩空气流中。废气歧管26中废气的压力大于进气歧管16中的压力，从而通过废气再循环系统28，使得废气从废气歧管26流入到进气歧管16中。
没有流过废气再循环系统28的废气流动到并通过高压涡轮增压器涡轮36。通过来自废气歧管26的废气驱动高压涡轮增压器涡轮36，并且高压涡轮增压器涡轮36驱动了高压涡轮增压器压缩机18。高压涡轮增压器涡轮36包括可控的可变喷嘴。打开可控的可变喷嘴减小了高压涡轮增压器涡轮36的驱动并因此减小了通过高压涡轮增压器压缩机18的空气压缩。打开高压涡轮增压器涡轮36的可变喷嘴还减小了高压涡轮增压器涡轮36对废气流的阻力，从而降低了废气歧管26和废气再循环系统28中的废气的压力。相反，关闭高压涡轮增压器涡轮36的可变开口增加了废气歧管26中的废气压力，增加了高压涡轮增压器涡轮36的驱动，并增加了通过高压涡轮增压器压缩机18的空气压缩。
将废气从高压涡轮增压器涡轮36导入到驱动低压压缩机22的低压涡轮增压器涡轮38中。将废气从低压涡轮增压器涡轮38导入到废气后处理系统40的进口42中。
构建后处理系统40以减少废气的不希望的组分的量。如下文进一步描述的，发动机10的结构和运行产生了废气，所述废气具有作为后处理系统40的构造的基础的特性。经过后处理系统40处理的废气在通道44离开后处理系统40，并从通道44被引入到废气排放出口46。
根据发动机传感器提供的测量值，ECU 50控制发动机10的运行。可将表示各种发动机情况的信号提供至ECU 50，例如通过进气混合物压力传感器17、进气混合物温度传感器19、空气质量流传感器21、废气氧传感器23和/或发动机速度传感器25，它们可如图1所示向ECU 50发送信号。ECU 50控制各个喷射器14，从而控制喷射进入气缸12的燃料的时机和量。ECU 50还控制可控EGR阀34以打开和关闭阀34，从而增加或减少进入进气歧管16的废气流。ECU 50还控制高压涡轮增压器涡轮的可变喷嘴，从而增加和减少通过高压涡轮增压器压缩机18的空气压缩。
压燃式发动机的常规运行为发动机提供了比提供的燃料的燃烧所需的空气更多的空气。在低负荷情况中，空气与燃料比可为50:1-100:1。在这样的情况下，通过将废气与进入发动机的空气混合来置换一定量的空气不会令人不能接收地降低由发动机产生的功率。在这样的低负荷情况下，压燃式发动机10的废气再循环系统28可减少由发动机10形成的氮和氧化合物。由于废气包括显著量的惰性稀释剂并且由于废气在与进入发动机10的空气混合之前被冷却，因此气缸12中存在的废气降低了气缸12中由于燃烧产生的温度，从而减少了氮和氧的化合物的形成。图2显示了对于发动机的低负荷运行，进气混合物中发动机废气量与发动机废气中氮和氧的化合物的量之间的关系。
运行废气再循环系统28以将冷却的废气引入到进入发动机10的进气料流中减少了NOx的形成并减少了由发动机10产生的功率。由于废气的惰性组分的量减少了可用于支持燃烧的空气的量，因此由发动机10产生的功率减小。当不需要由发动机产生高功率时，这不是显著的缺点。例如，驱动车辆的内燃机不需要长时间产生接近或为其容量的功率，例如当车辆在一个为车辆的移动提供较小阻力的表面上保持恒定速度时。这样的巡航可只需要完全燃料供给的发动机功率的二分之一至四分之三的范围内的发动机功率。贫混合物和废气再循环的结合形成了同时获得燃料经济且氮和氧的化合物的低排放的运行条件。例如，与足量输送回所述发动机再循环的废气结合的供应到发动机的贫空气/燃料混合物可足以保持发动机废气中的NOx水平低于预计的水平，所述预计水平可以是政府实施的限制，例如目前实施的0.2gNOx/hp-小时限制，或未来更严格的限制。
当需要接近压燃式发动机的容量的功率时，例如加速车辆时，发动机的运行变化显著。内燃机将燃料燃烧的能量转化成机械能。内燃机机械功率的增加需要增加发动机内通过燃烧消耗的燃料的量。为了将压燃式发动机的功率增加至接近其容量，为气缸提供的燃料的量必需增加至所述发动机的容量以燃烧燃料。所述容量取决于可用于燃烧的空气的量。为了增加压燃式发动机的功率，为所述发动机提供的空气的量和燃料的量必需增加。为了加速车辆，增加的功率通常在发动机请求功率之后(例如通过压下或踩踏加速踏板)的短响应时间内需要。
在用于压燃式发动机需要产生接近其容量的功率的条件下，为了快速加速车辆，将废气引入进入发动机的空气流中是显著的缺点。到废气从进入气缸12的气流中置换空气的程度，所述废气降低了发动机消耗燃料的容量。此外，将废气转移到进气流中减少了能驱动涡轮增压器的能量。再次根据图1所示的结构，通过高压涡轮增压器压缩机18将空气提供至发动机10的气缸12中，高压涡轮增压器压缩机18从低压涡轮增压器压缩机22中获取空气。通过EGR转换进入进气流的废气不能用于驱动涡轮增压器涡轮36和38，从而分别降低了它们驱动压缩机18和22的容量，并且降低了被迫使进入气缸12的空气的压缩。在例如瞬态增加的功率的条件下，实际上贫空气/燃料供应与大量废气再循环一起可能不足以将NOx排放限制到可接收的水平，例如低于预计水平(其可为政府实施的水平或可是由于其他原因所需的水平)。
通过增加进入发动机的空气的量和提供尽可能多的可通过可获得的空气燃烧的燃料来增加压燃式发动机10的动力。通过喷射器14为发动机添加燃料是可通过ECU 50得到的简单易行的控制。增加提供至气缸12的空气的量不太直接。通过涡轮增压器压缩机18和22将空气提供至进气歧管16，所述涡轮增压器压缩机18和22分别被涡轮36和38驱动。可通过两种控制增加由高压涡轮增压器涡轮36产生的动力。(部分或全部)关闭可控EGR阀34增加了用于驱动高压涡轮增压器涡轮36的废气量。此外，进一步关闭高压涡轮增压器涡轮36的可控的可变喷嘴增加了驱动高压涡轮增压器涡轮36的废气的压力并增加了由所述涡轮产生的功率。
当发动机10需要的功率接近或为其容量时，ECU 50调用向气缸12提供化学计量比的或比化学计量比更富的空气燃料混合物的加燃料方案。用比化学计量更富的空气/燃料混合物且没有废气再循环来运行发动机10产生具有相对大量的NOx并且还具有低的氧气和高的烃和一氧化碳的废气流。燃料供给模式，即引入燃料的时机和时长可根据增加或减少提供的燃料的量而改变。可通过提供燃料的预喷射和主喷射加入贫空气/燃料混合物。较富的混合物可通过压燃式发动机增加烟炱的产生。在加入富混合物燃料期间产生的烟炱的量可通过如与本申请同日提交的题为《燃烧喷射方式和时机(Fuel Injection Pattern andTiming)》的专利申请所公开的燃料喷射方式和时机减少。
图3显示了后处理系统40，其被配制成通过使用来自发动机10的废气的处理在整个稳态和瞬态运行条件下保持可接受的排放(即保持排放低于预计水平)。废气进入进口42并被导入通过柴油机氧化催化剂52。配制柴油机氧化催化剂52以减少在稳态/贫运行条件下废气中NOx的量。例如，可配制柴油机氧化催化剂52以在废气中存在烃和/或在柴油氧化催化剂处可用的条件下还原废气中NOx，并且柴油机氧化催化剂52除以所需的足够高的温度范围，其可为例如约150-200℃。也可配制柴油机氧化催化剂52以减少在用贫空气燃料混合物和废气再循环运行期间来自发动机10的废气中存在的一氧化碳、烃类、可溶性有机分数、多核芳香烃和/或其它组分的量。
通过柴油机氧化催化剂52之后，废气通过三效催化剂54，其可以是在汽车/火花点火领域中众所周知的催化转化器。配制三效催化剂54以在某些条件下，例如在发动机功率瞬时增加期间实现的那些条件下还原废气中的NOx。也可配制三效催化剂以还原烃、一氧化碳和/或其它不需要的组分。三效催化剂54对于具有低氧含量的废气还原NOx非常有效，所述具有低氧含量的废气例如通过由以大约化学计量比或富于化学计量比的空气与燃料比对发动机10进行燃料供给而产生的废气，例如在发动机功率瞬时增加期间实现。所述燃料供给形成具有增加的一氧化碳(CO)量的废气。由于其还原剂的性质，当废气通过三效催化剂时，根据以下反应CO还原了NOx：
NO+CO→.1/2N2+CO2
2NO+CO→.N2O+CO2
通过此方法，当EGR系统28不活动以减少NOx的产生时，对于富燃料供给条件，三效催化剂减少了NOx排放。
在发动机10用贫空气/燃料混合物运行期间，EGR系统28减少了NOx的形成从而将进入后处理系统40的废气中的NOx的水平保持在低水平(例如低于预计水平)。当将发动机10的燃料供给增加以提高由发动机10产生的功率时，如上所述减少或停止废气再循环。因此，进入后处理系统40的废气中的NOx和CO的量增加。当提供至气缸12的空气/燃料比达到化学计量比或更多时，氧的量减少并且三效催化剂54开始起作用从而减少了通过后处理系统40的废气中NOx的水平。因此，在发动机10的瞬态运行以增加功率期间，三效催化剂提供通过后处理系统40的废气中的NOx的瞬时和实时还原。
在一些实施方式中，配制柴油机氧化催化剂52以还原在贫运行条件和化学计量/富运行条件下发动机废气中NOx。在另一些实施方式中，配制柴油机氧化催化剂52以在贫或非贫(化学计量/富)运行条件中的一个或另一个下还原发动机废气中的NOx。
在一些实施方式中，调整并配制柴油机氧化催化剂52以为在具有贫空气/燃料比的稳态运行期间为在其废气中具有给定NOx排出水平的发动机提供足够的NOx还原，柴油氧化催化剂和发动机组合能够在稳态运行期间将NOx排放保持在预定水平以下。在一些运行条件下和/或对于某些发动机，可在稳态运行期间将来自发动机的废气中的NOx保持在低于预定水平，甚至不需要在柴油氧化催化剂上进行额外的NOx还原以在稳态运行期间保持NOx排放低于预定水平。不过，在一些运行条件下和/或对于某些发动机，可能不能在稳态运行期间将来自发动机的废气中的NOx保持在低于预定水平，且可能必需使用通过经调整和配制的柴油机氧化催化剂52提供的额外的NOx还原以提供所述废气的足够的额外NOx还原以在稳态运行过程中将NOx排放保持在低于预定水平。
在一些实施方式中，在发动机的瞬时或增加的功率期间通过使用经调整且配制以提供足量额外的发动机废气中的NOx的还原(在由柴油机氧化催化剂提供的NOx的还原之外)的三效催化剂54将NOx排放保持在低于预定水平，从而由于柴油机氧化催化剂52和三效催化剂54产生的NOx还原的组合足以将排放物中的NOx水平保持在低于预定水平，而无论发动机的瞬时运行。
因此，通过提供具有柴油机氧化催化剂52和三效催化剂54，并且适当地配制和调整柴油机氧化催化剂52并适当地配制和调整三效催化剂54的废气系统，在发动机的稳态/贫运行和发动机的瞬态/化学计量或富运行下都可以将NOx排放物保持在低于预定水平。即，某些实施方式确保了无论通过驱动器如何控制发动机都将NOx排放保持在低于预定水平，从而例如发动机可在整个运行过程中满足规定的NOx限制。
在对柴油机氧化催化剂52的配方和/或调整有限制或约束的情况中，控制器可控制发动机从而发动机不会获得其最大功率速率增长(即使这是操作者所希望的)，从而将发动机废气中的NOx水平一直保持足够低，即将发动机废气自身中的NOx水平，或将当进一步通过柴油机氧化催化剂还原的发动机废气中的NOx水平保持低于预定水平。
最终，通过三效催化剂54之后，废气可通过柴油机颗粒过滤器56。柴油机颗粒过滤器56捕捉废气中的颗粒物质。应理解，可将柴油机氧化催化剂52、三效催化剂54和柴油机颗粒过滤器56中的两者或更多者组合作为单独单元(图3显示了所有三者组合作为单独单元)，可以是单独的部件或可被组合。废气通过柴油机氧化催化剂52与三效催化剂54的顺序可与图示不同(废气可在通过柴油机氧化催化剂52之前通过三效催化剂54，或废气可在通过三效催化剂54之前通过柴油机氧化催化剂54)。
根据本文公开的各种结构和方法，提供可在稳态和瞬态模式下的发动机运行中都将NOx排放保持在低于预定水平(例如根据需要或要求为0.2g NOx/hp-小时、或0.1g NOx/hp-小时、或0.02g NOx/hp-小时)的发动机和后处理系统。
图4显示了离开后处理系统40的出口44的排放物中的NOx水平，用于发动机产生的扭矩增加时提供给发动机的EGR的恒定百分比运行发动机10。两种燃料混合物的排放物中NOx的水平在图4中显示，一个显示在贫空气/燃料混合物下的发动机运行，一个显示在近似化学计量的空气/燃料混合物下的发动机运行。图4的下部图显示了扭矩需求曲线101，曲线103显示了使用贫空气/燃料混合物在运行中发动机产生的扭矩，曲线105显示了使用近似化学计量的空气/燃料混合物在运行中发动机产生的扭矩。那些扭矩曲线显示，可通过近似化学计量的混合物作为贫混合物获得大致相同的扭矩响应。
在包括增加扭矩的时间内那两种空气/燃料混合物排放的NOx的量在图4的上部曲线中显示。曲线113是贫空气/燃料混合物运行下的NOx排放水平，曲线115是近似化学计量的空气/燃料混合物运行下的NOx排放水平。那些排放曲线证明了带有TWC的后处理对于在发动机的瞬态运行以增加发动机扭矩期间基本防止增加的排放NOx的有效性。
相对于对比的火花引燃汽油发动机产生的CO，为压燃式发动机供给富空气/燃料混合物产生了更少的CO。因此，限制了在压燃式发动机的废气中被用CO还原的NOx的量。可通过将烃(HC)引入到TWC上游的压燃式发动机的废气中来增加通过TWC 54的NOx的还原。当将烃(HC)喷射到废气流中时，当所述废气流流过TWC 54时，烃与废气流中的NOx根据以下公式反应，副产物是氮、二氧化碳和水：
HC+NO→N2+CO2+H2O
可通过使得在燃料喷射循环的后喷射部分中喷射器14向气缸12中喷射燃料的ECU50来增加废气的烃水平。除了通过喷射器14将烃延迟引入废气中之外或作为燃料喷射器引入的替代，可以在废气系统中位于TWC 54上游的位置处将烃喷射到废气中。图5示意性地说明了主动烃喷射系统80以及包括后处理系统40和后处理系统上游的与废气系统的相邻部分的废气系统的部分85。废气系统部分85包括后处理系统40上游的燃烧器82和计量器84。主动烃喷射系统80包括与ECU 50连接的烃喷射器86。
如上所述，ECU 50从显示柴油发动机10是否被富混合物供给燃料的多个传感器收到信息。传感器可以包括上述传感器和其它的在计量器84中的一个或多个传感器，在燃烧器82中的一个或多个传感器；和/或在后处理系统40中的一个或多个传感器。也可将传感器放置在柴油发动机10的其它地方，只要它们可被ECU 50使用以判断柴油发动机10是否被供给了富空气/燃料混合物。
可使用的传感器的类型和它们的放置取决于系统设计参数。例如，氧传感器23可用于测定离开柴油发动机中心的废气流中氧的量。燃料传感器也可用于测定废气流中燃料的量。ECU 50使用的以控制柴油发动机10的运行的燃料喷射参数对于判断柴油发动机10是否被供给了富混合物燃料也有用。也可使用其它传感器类型和结构。
主动烃喷射系统80可包括连接以由ECU 50控制的烃喷射器86。将ECU 50构造成当从多个传感器提供的信息指示压燃式发动机10由富空气/燃料混合物供给燃料时，控制烃喷射器86将烃喷射到废气系统85中。或者，可将ECU 50构造成当期望或需要通过三效催化剂54还原NOx时，例如当废气再循环减少或停止时，控制烃喷射器86将烃喷射到废气系统85中。ECU 50可控制废气系统部分85的其它组件的运行，或可提供用于烃喷射系统80的专用控制器。喷射的烃可是液体或气体形式，并可通过烃喷射器86在一个或多个位置喷射。
根据某些实施方式，被喷射的烃可以是柴油燃料，其可通常从相关车辆的燃料箱或其它储存器供应到主动烃喷射器系统80。此外，可将ECU 50构造成可调节被喷射到废气流中的烃的时间的量和/或持续时间，例如基于发动机10由贫或富空气/燃料混合物供给的程度。还可将ECU 50构造成在确定烃被喷射到废气流中的量或持续时间时，考虑废气流的条件之外的各种其它因素。例如，ECU 50可以基于感测和/或计算的TWC 54的性能损失(例如与TWC 54的老化相关的性能损失或劣化)来进一步提高烃被喷射到废气流中的量和/或持续时间。
图6是操作流程图，可执行所述操作从而将烃喷射入压燃式发动机(例如发动机10)的废气中。如图所示，在205提供来自发动机的废气流。来自发动机的废气包括NOx。在操作210，直接和/或间接地确定发动机10是否由贫或富空气/燃料混合物供给燃料。如果如在操作215所决定的，发动机10不是由富空气/燃料混合物供给燃料，那么所述方法回到操作210。然而，在操作215检测到通过富混合物的燃料供给，将一定量的烃(HC)喷射到气体废气中，所述气体废气转而在操作220被提供给TWC。在操作225，该方法可以确定喷射的烃是否足以达到期望的废气参数。这样的参数可包括是否已通过TWC将NOx减少到低于预定水平。如果没有，可再进行操作220直到在操作225处检测到所希望的废气参数。
图7显示了在如图1所示的示例性柴油发动机系统的瞬态运行期间发动机速度和输出扭矩的变化。图8显示了在图7所示的瞬态运行下从TWC输出的NOx的变化。此外，为了示例性目的，图8说明了每个发动机冲程的不同烃喷射速率对从TWC输出的NOx水平的影响。此外，图8通常将喷射速率标识为“a”、“b”、“c”、“d”和“e”，喷射速率以升序从“a”(最低注射速率)增加到“e”(最高喷射速率)。为了比较，还绘制了进入TWC的NOx的水平。另外，为了进一步比较的目的，在不将烃喷射到废气流中的情况下，离开TWC的NOx的水平将假定与进入TWC的NO x的水平相同。
图7所示的瞬态运行被执行多次以达到图8所示的数据。在每次执行中，将不同量的烃喷射入废气流中。如图8所示，除了别的以外，当烃已经喷射到废气流中时，在所述瞬态条件期间从TWC输出的总NOx减少。如图所示，各种水平的烃喷射实现在从TWC输出的废气中的不同水平的NOx还原。可以通过在功率计上对发动机进行受控测试来得到用于各种系统的烃喷射的可选量。
在另一个实施方式中，优选在发动机的整个运行范围内，调整并配制第一催化剂和第二催化剂以减少NOx排放并将NOx排放保持在低于第一预定水平，并且废气也用SCR催化剂(在例如来自在SCR催化剂上游定量供给的DEF的氨的存在下)处理，所述SCR催化剂将NOx排放减少到比第一水平低的第二预定水平。众所周知，使用选择性催化还原(SCR)来减少来自压燃式内燃机的NOx排放。当用于减少来自柴油发动机的NOx排放时，选择性催化还原涉及在用SCR催化剂处理废气流(例如流过或通过SCR催化剂)之前将雾化的尿素或氨喷射到发动机的废气流中。通过SCR催化剂的废气处理可以在通过第一催化剂和第二催化剂(其可以是DOC和三效催化剂)处理废气之前，期间或之后。
常用SCR系统的主要部件是用于存储脲的罐，用于将脲输送到废气中的喷射系统(该计量通常由基于各种感测或确定的发动机和/或废气条件的ECU控制)和在其上发生NOx还原的SCR催化剂。SCR系统的缺点是需要重新填充脲存储罐的频率。通过使用用于将NOx排放减少至如本文所述的第一预定水平(该第一预定水平可以例如仍然高于规定的最大NOx排放水平)的第一催化剂和第二催化剂与用于进一步将NOx排放在SCR催化剂上减少至第二、较低的水平的SCR系统的组合，可以比SCR系统本身为了保持NOx排放那样低的水平所需的脲(或其它SCR系统中使用的还原剂)需要更少的脲的方式，将NOx排放保持在第二、较低水平(其可以例如低于规定的最大NOx排放水平)或低于该水平。
虽然已知在后处理系统中使用NOx阱以将NOx排放保持在低于预定水平，但是NOx阱的缺点是它们具有最大的NOx存储容量，这个缺点通过本文公开的各种实施方式克服。因此，例如，在使用NOx阱的后处理系统中，在连续运行的一段时间之后，NOx阱将不再能够捕集废气中存在的任何另外的NOx，并且控制系统需要以一定间隔吹扫NOx阱以随后允许进一步捕获额外的NOx。本文公开的两个催化剂系统实时转化NOx而不存储累积的捕集的NOx，使得无论发动机连续运行多长时间，NOx转化和还原都可以连续发生，并且不需要进行吹扫操作的控制。

Claims (15)

1.一种操作压燃式发动机以限制NOx废气排放的方法，所述方法包括：
通过向所述发动机的燃烧室提供第一贫空气/燃料混合物来以第一功率输出运行所述发动机以形成废气；
收到来自所述发动机的用于增加的功率输出的请求，所述增加的功率输出大于第一功率输出；
向所述发动机的燃烧室中提供第二空气/燃料混合物，其以化学计量或比化学计量高的量回应来自所述发动机的对于增加的功率输出的请求；以及
用第一催化剂处理废气流，所述第一催化剂配置成在用贫空气/燃料混合物操作所述发动机的过程中减少NOx排放；并且
同样用第二催化剂处理废气流，所述第二催化剂配置成在用第二非贫空气/燃料混合物操作所述发动机的过程中减少NOx排放。
2.如权利要求1所述的方法，其中配制所述第一催化剂以在用非贫空气/燃料混合物操作所述发动机的过程中也减少NOx排放。
3.如权利要求1所述方法，其中所述第一催化剂是柴油机氧化催化剂。
4.如权利要求1所述方法，其中所述第二催化剂是三效催化剂。
5.如权利要求1所述的方法，其中调整并配制第一催化剂以在用贫空气/燃料混合物操作所述发动机的过程中将NOx排放减少至低于预计水平。
6.如权利要求1所述的方法，其中调整并配制第二催化剂以在用非贫空气/燃料混合物操作所述发动机的过程中将NOx排放减少至低于预计水平。
7.如权利要求6所述的方法，其中调整并配制第二催化剂以在用非贫空气/燃料混合物操作所述发动机时在所述发动机的整个操作范围内将NOx排放减少至低于预计水平。
8.如权利要求1所述的方法，其中调整并配制所述第一催化剂以在用贫空气/燃料混合物操作所述发动机的过程中将NOx排放减少至低于预计水平，并且调整并配制所述第二催化剂以在用非贫空气/燃料混合物操作所述发动机的过程中将NOx排放减少至低于预计水平。
9.如权利要求5所述方法，其中所述预计的水平为0.2g NOx/hp-小时。
10.如权利要求6所述方法，其中所述预计的水平为0.2g NOx/hp-小时。
11.如权利要求8所述方法，其中所述预计的水平为0.2g NOx/hp-小时。
12.如权利要求8所述方法，其中所述预计的水平为0.1g NOx/hp-小时。
13.如权利要求8所述方法，其中所述预计的水平为0.01g NOx/hp-小时。
14.如权利要求1所述的方法，其中配制所述第一催化剂和第二催化剂，从而与持续操作时间无关地在没有第一或第二催化剂的NOx饱和的情况下继续减少废气中的NOx。
15.如权利要求1所述的方法，其中：
i)第一催化剂和第二催化剂减少NOx排放以在用贫空气/燃料比操作所述发动机的过程中以及在用非贫空气/燃料比操作所述发动机的过程中保持NOx排放低于第一预计水平；以及
ii)并在将NOx排放降低至比第一预计水平低的第二预计水平的环境中用SCR催化剂处理所述废气。
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