CN111502803B - 用于稀燃发动机的后处理系统和后处理方法 - Google Patents

用于稀燃发动机的后处理系统和后处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于稀燃发动机的后处理系统和后处理方法。该后处理方法被配置成控制后处理系统，该后处理系统在排气管上依次配备有氨产生催化剂模块、选择性催化还原催化剂以及CO净化催化剂，排气流过该排气管。在后处理方法中，发动机在进入浓AFR之前依次在化学计量空气/燃料比(AFR)和稀AFR下运行。

Description

用于稀燃发动机的后处理系统和后处理方法
技术领域
本发明涉及用于稀燃发动机的后处理系统和后处理方法。
背景技术
本部分中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
车辆可设置有用于减少排气中含有的排放物(EM)的至少一个催化转换器。从发动机通过排气歧管(exhaust manifold)流出的排气被推动到安装在排气管上的催化转换器中并且在其中净化。之后，排气的噪音在流经消声器的同时减小，并且然后排气通过尾管排放到空气中。催化转换器净化排气中含有的EM。另外，用于捕集排气中的颗粒物质(PM)的颗粒过滤器安装在排气管中。
三效催化剂(三元催化剂，三元催化器，TWC)是一种催化转换器，并且与作为排气中有害成分的烃(HC)化合物、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)反应，以除去这些化合物。TWC主要安装在汽油车辆中，并且Pt/Rh、Pd/Rh或Pt/Pd/Rh系统用作TWC。
汽油发动机中的稀燃发动机通过燃烧稀空气/燃料混合物来提高燃料效率。稀燃发动机燃烧稀(贫，lean)空气/燃料混合物，因此排气的空气/燃料比(空燃比，air/fuelratio，AFR)也为稀。然而，当AFR为稀时，TWC会使NOx逸出(滑脱，滑移，漏出，逃逸，slip)而没有充分还原排气中含有的所有NOx。因此，配备有稀燃发动机的车辆可包括用于净化从TWC流过的NOx的选择性催化还原(SCR)催化剂。在配备有稀燃发动机的车辆中使用的SCR催化剂可以是被动型(passive type)SCR催化剂。
当AFR为浓(富，rich)时，TWC可以还原NOx以产生NH3，并且在TWC中生成的NH3存储在被动型SCR催化剂中。当AFR为稀时，被动型SCR催化剂使用所存储的NH3净化排气中含有的NOx。
配备有TWC以及被动型SCR催化剂的稀燃发动机可通过在预定持续时间内增加燃料来将AFR调整至较浓状态，以将足够量的NH3储存在被动型SCR催化剂中。如果从稀燃发动机排放出的NOx的量增加，则稀燃发动机在浓AFR下运行的次数以及持续时间也增加。因此，燃料经济性可能会发生降低。
为了缓解燃料经济性的劣化，必须提高在浓AFR下生成的NH3的量。在这种情况下，可减少保持在浓AFR下的持续时间，由此抑制燃料经济性的劣化。氨产生催化剂(APC)可添加至TWC的下游，以提高在浓AFR下产生的NH3的量。APC可在稀AFR下储存包含在排气中的NOx，并在浓AFR下通过所储存NOx以及包含在排气中的NOx产生NH3。因此，当在浓AFR下时，APC与TWC相比能够产生更多的NH3。
然而，由于APC包含能够储存NOx的组分，因此，如果发动机在浓AFR下以APC的温度较低的状态运行，则可在APC中生成氧化亚氮(N2O)。因此，已发现，如果在期望或需要转换至浓AFR时APC的温度较低，则APC应加热至预定温度。
此外，已发现，在浓AFR下，CO和HC可以从TWC逸出。从TWC逸出的CO和HC可以没有被净化，而是排放至车辆的外部。因此，可以需要用于减少在为了产生NH3而将AFR设定为浓时逸出的CO和HC的附加(额外，另外，additional)催化转化器或控制装置。
在该发明背景部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景的理解，因此其可能包含不构成本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开致力于提供一种用于稀燃发动机的后处理系统，其优势在于能够在浓AFR下减少排放至车辆外部的一氧化碳的量，同时提高氨产量。
本公开的另一方面提供了一种用于稀燃发动机的后处理方法，其进一步的优势在于能够在转换至浓AFR是期望或必需的情况下，通过有效地加热氨产生催化剂来减少可排放至车辆外部的氧化亚氮以及一氧化碳。
根据本公开的方面的用于稀燃发动机的后处理系统可包括：排气管，其连接至稀燃发动机，且在稀燃发动机中产生的排气流过该排气管；三效催化剂(TWC)，其安装在排气管上，并净化包含在排气中的烃(HC)、一氧化碳(CO)以及氮氧化物(NOx)；氨产生催化剂(APC)，其安装在TWC下游的排气管上，该氨产生催化剂在稀空气/燃料比(AFR)下储存NOx，并在浓AFR下生成H2、释放储存NOx，以及使用所释放的NOx和所生成的H2生成氨(NH3)；选择性催化还原(SCR)催化剂，其安装在APC下游的排气管上，储存在APC中生成的NH3，并通过所储存的NH3还原包含在排气中的NOx；CO净化催化剂(CO清除催化剂，CO清洁催化剂，COclean-up catalyst，CUC)，其安装在SCR催化剂下游的排气管上，并净化包含在排气中的CO；以及控制器，其检测关于AFR以及排气的温度的信息，并基于关于AFR和排气的温度的信息控制排气的AFR，其中控制器响应于检测到转换至浓AFR是期望的而将APC的温度与阈值温度进行对比，并在APC的温度低于阈值温度时，在转换至浓AFR之前使发动机在化学计量AFR下运行。
控制器可使发动机在化学计量AFR下运行第一预定持续时间。
第一预定持续时间可在转换至浓AFR是必要或期望的检测时间下根据APC的温度进行确定。
在使发动机在化学计量AFR下运行之后，控制器可在转换至浓AFR之前使发动机在目标稀AFR下运行第二预定持续时间。
第二预定持续时间可根据第一预定持续时间、目标稀AFR以及CUC的温度进行确定。
在使发动机在目标稀AFR下运行第二预定持续时间之后，控制器可使发动机在目标浓AFR下运行浓持续时间(富持续时间，rich duration)。
该浓持续时间可根据目标浓AFR以及CUC的温度进行确定。
浓持续时间可计算为使得如果发动机在目标浓AFR下运行浓持续时间，则在浓持续时间内CUC下游积累的CO的逸出量小于或等于预定值。
后处理系统可进一步包括设置在TWC与APC或APC与SCR催化剂之间的颗粒过滤器，其中颗粒过滤器捕集排气中的颗粒物质。
根据本公开的另一方面的后处理方法被配置成控制后处理系统，该后处理系统在排气管上依次配备有三效催化剂(TWC)、氨产生催化剂(APC)、选择性催化还原(SCR)催化剂以及CO净化催化剂，其中排气流过该排气管，且该排气管连接至稀燃发动机。
后处理方法可包括：使发动机在稀AFR下运行；计算储存在SCR催化剂中的NH3的量；确定转换至浓AFR是否是必要或期望的；在转换至浓AFR是必要或期望的情况下，确定APC的温度是否高于或等于阈值温度；在APC的温度低于阈值温度时，使发动机在化学计量AFR下运行第一预定持续时间；以及使发动机在目标浓AFR下运行浓持续时间。
第一预定持续时间可在转换至浓AFR是期望的确定时间下根据APC的温度进行确定。
浓持续时间可根据目标浓AFR以及CUC的温度进行确定。
浓持续时间可计算为使得如果发动机在目标浓AFR下运行浓持续时间，则在浓持续时间内CUC下游积累的CO的逸出量小于或等于预定值。
后处理方法可进一步包括：在使发动机在化学计量AFR下运行第一预定持续时间之后且在使发动机在浓AFR下运行浓持续时间之前，使发动机在目标稀AFR下运行第二预定持续时间。
第二预定持续时间可根据第一预定持续时间、目标稀AFR以及CUC的温度进行确定。
在一个方面中，是否期望转换至浓AFR的确定可包括计算将流入SCR催化剂的NOx的量，其中，当储存在SCR催化剂中的NH3的量小于净化将流入SCR催化剂的NOx的量所需的NH3的量时，可确定转换至浓AFR是期望的。
在另一方面中，是否期望转换至浓AFR的确定可包括将储存在SCR催化剂中的NH3的量与预定NH3下限阈值进行对比，其中，当储存在SCR催化剂中的NH3的量小于预定NH3下限阈值时，可确定转换至浓AFR是期望的。
根据本公开的方面，APC可设置在TWC与SCR催化剂之间，以增加在浓AFR下供给至SCR催化剂的NH3的量。因此，可减少发动机在浓AFR下运行的持续时间以及次数，由此提高燃料经济性。
此外，CUC可设置在SCR催化剂的下游，以净化从TWC以及APC逸出的CO。
此外，APC可在转换至浓AFR之前通过使发动机在化学计量AFR下运行来进行加热。因此，可减少氧化亚氮在浓AFR下的生成。
此外，如果发动机在化学计量AFR下运行，则发动机再次在稀AFR下运行以获得CUC的储氧容量，然后在浓AFR下运行。因此，可抑制或防止CO净化性能发生降低。
另外，应当在本文提供的描述中直接或隐含地描述本发明的方面的其它效果。根据本发明的方面预测的各种效果将在本文提供的描述中公开。
根据本文提供的描述，进一步应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体实施例仅用于示例目的，并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
为了能够很好地理解本发明，现在将描述其各种形式，作为实例给出，参考附图，其中：
图1是示出了根据本公开的方面的用于稀燃发动机的后处理系统的示意图；
图2是示出了根据本公开的另一方面的用于稀燃发动机的后处理系统的示意图；
图3是示出了根据本公开的其它方面的用于稀燃发动机的后处理系统的示意图；
图4是示出了根据本公开的方面的用于稀燃发动机的后处理系统的框图；
图5是示出了根据本公开的方面的后处理方法的流程图；
图6是示出了发动机依次在稀AFR、化学计量AFR以及稀AFR下运行时TWC的温度、APC的温度以及从APC逸出的储存NOx的浓度的曲线图；
图7是示出了根据进入浓AFR时APC的温度的从APC逸出的储存NOx的浓度以及氧化亚氮生成的最大浓度的曲线图；
图8是示出了发动机分别在不加热APC的情况下、APC通过使发动机仅在化学计量AFR下运行来进行加热的情况下、以及APC通过使发动机依次在化学计量AFR和稀AFR下运行来进行加热的情况下进入浓AFR，用于加热APC的燃料量以及氧化亚氮生成的最大浓度的曲线图；以及
图9是示出了发动机分别在不加热APC的情况下、APC通过使发动机仅在化学计量AFR下运行来进行加热的情况下、以及APC通过使发动机依次在化学计量AFR和稀AFR下运行来进行加热的情况下进入浓AFR，在浓AFR下在预定持续时间内从CUC逸出的CO的积累量以及氧化亚氮生成的最大浓度的曲线图。
应当理解，上述附图不一定按比例绘制，呈现了说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的表示。本发明的具体设计特征，包括例如具体尺寸、定向、位置和形状，将部分地由特定的预期应用和使用环境确定。
本文描述的附图仅用于示例目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或用途。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
本文使用的术语仅用于描述特定方面的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包括”指定所述特征、整数、步骤、运行、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、运行、元件、组件和/或其组的存在或添加。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联所列项目的任何和所有组合。术语“耦接(coupled)”表示两个组件之间的物理关系，其中组件或者彼此直接连接或者经由一个或多个中间组件间接连接。
应当理解，本文使用的术语“车辆”、“车辆的”、“汽车”或其它类似术语包括机动车辆，通常例如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客机动车，包括各种艇和船舶的水运工具，飞行器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、混合动力电动车辆、氢动力车辆和其它替代燃料车辆(例如，源自石油以外的资源的燃料)。
另外，应当理解，以下方法或其方面中的一个或多个可以由至少一个控制器执行。术语“控制器”可以指代包括存储器和处理器的硬件装置。存储器配置为存储程序指令，并且处理器被具体地编程为执行程序指令以执行下面进一步描述的一个或多个过程。而且，应该理解，如下面详细描述的，下面的方法可以由包含控制器的系统执行。
此外，本发明的控制器可以体现为含有由处理器等执行的可执行程序指令的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可以分布在整个计算机网络中，使得程序指令以分布式方式存储和执行，例如，通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(CAN)。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的各方面。
图1是根据本发明的一个方面的稀燃发动机的后处理系统的示意图。
如图1所示，根据本发明的一个方面的后处理系统包括发动机10、排气管20、氨产生催化剂模块35、选择性催化还原(SCR)催化剂50和CO净化催化剂(CUC)60。
发动机10燃烧空气/燃料混合物以将化学能转换为机械能。发动机10连接至进气歧管16以使空气流入燃烧室12。在燃烧过程中生成的排气被收集在排气歧管18中，然后从发动机10流出。燃烧室12配备有火花塞14，以点燃燃烧室12内的空气/燃料混合物。发动机10可以是汽油发动机。取决于汽油发动机的类型，燃料可以直接喷射到燃烧室12中，或者空气/燃料混合物可以经由进气歧管16供应至燃烧室12。另外，发动机10可以是稀燃发动机。因此，除了特定的驱动条件之外，发动机10以稀空气/燃料比(AFR)运行。
排气管20连接至排气歧管18以将排气排放到车辆的外部。排气管20配备有氨产生催化剂模块35、SCR催化剂50和CUC 60，以净化或去除排气中含有的排放物。
氨产生催化剂模块35包括三效催化剂(TWC)30和氨产生催化剂(APC)40。TWC 30和APC 40可设置在一个壳体中，但并不限于此。氨产生催化剂模块35可在浓AFR下通过包含在排气中或储存在氨产生催化剂模块35中的NOx生成NH3。氨产生催化剂模块35包含具有储氧容量(OSC)的储氧材料。
TWC 30设置在排气管20上，其中从发动机10排出的排气流过该排气管，且包含在排气中的有害材料(包括CO、HC和NOx)在TWC 30中通过氧化还原反应转化成无害组分。特别地，TWC 30可在浓AFR下将包含在排气中的NOx还原成NH3。此时，TWC 30可以没有充分地净化排气中的CO和HC，且CO和HC可以从其逸出。此外，TWC 30在稀AFR下使包含在排气中的CO和HC发生氧化。由于TWC 30是本领域普通技术人员所熟知的，因此不再对其进行详细的描述。
APC 40设置在TWC 30下游的排气管20上。APC 40在稀AFR下储存包含在排气中的NOx，并在浓AFR下生成H2以释放所储存NOx，然后使用所释放的NOx以及所生成的H2生成NH3。
在一个方面中，以APC 40的总重量计，APC 40包括0.4-0.9wt％的Pt、0.057-0.3wt％的Pd、0.03-0.1wt％的Rh、5.0-15.0wt％的Ba、10-30wt％的CeO2、48.7-84.513wt％的MgO-Al2O3复合物，以及0-5wt％的添加剂。
在另一方面中，以APC的总重量计，APC 40包括0.4-0.9wt％的Pt、0.057-0.3wt％的Pd、0.03-0.1wt％的Rh、5.0-15.0wt％的Ba、10-25wt％的CeO2、48.7-79.513wt％的MgO-Al2O3复合物，以及0-10wt％的添加剂。
添加剂的添加是为了改善CeO2和Al2O3的性能，且其包括La、Zr、Mg以及Pr中的至少一种。
包含在APC 40中的Pt的作用是使NOx发生氧化，从而使得APC 40能够储存NOx。此外，Pt增加在APC 40中生成的H2的量。
包含在APC 40中的Pd提高APC 40的耐热性。由于APC 40被设置成邻近发动机10，因此APC 40的温度可升高至950℃。因此，在APC 40中加入Pd，以提高耐热性。
为了增加NH3生成以及H2生成，APC 40中Pt与Pd的重量比可为3:1-7:1。APC 40中Pt与Pd的重量比可为3:1-5:1。
包含在APC 40中的Rh在化学计量AFR下净化包含在排气中的NOx。
包含在APC 40中的Ba和CeO2被配置成储存以硝酸盐形式存在的NOx。CeO2包含储氧材料。
此外，CeO2增加H2生成。然而，如果APC 40包含大量的CeO2，则所生成的NH3可能会再次氧化。因此，以APC 40的总重量计，APC 40可包括10-30wt％的CeO2。
包含在APC 40中的MgO-Al2O3复合物用作为基体(基质，substrate)。以MgO-Al2O3复合物的总重量计，MgO-Al2O3复合物可包括15-25wt％的MgO。MgO增强Ba的热稳定性。
SCR催化剂50安装在APC 40下游的排气管20上。SCR催化剂50在浓AFR下储存在氨产生催化剂模块35(即TWC 30和APC 40)中生成的NH3，并在稀AFR下通过所储存的NH3还原包含在排气中的NOx。这种类型的SCR催化剂50可优选为被动型SCR催化剂50。
SCR催化剂50可以由负载在多孔Al2O3中的沸石催化剂和金属催化剂中的一种或其组合构成。Cu、Pt、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Cs和Ga中的至少一种可以在沸石催化剂中进行离子交换。在负载在多孔Al2O3中的金属催化剂中，Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、W、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zn和Ag中的至少一种金属可以负载在多孔Al2O3中。
CUC 60安装在SCR催化剂50下游的排气管20上。CUC 60净化排气中含有的CO。特别地，CO可以在浓AFR下从氨产生催化剂模块35(即，TWC 30和APC 40)逸出。因此，通过将CUC60设置在后处理系统的最下游，可以抑制或防止CO向车辆外部的排放。CUC 60包括负载在CeO2和Al2O3中的Pt、Pd、Rh和Ba。
在一个方面，CUC 60包括基于CUC 60的总重量的0.2-1.5wt％的Pt、0-0.4wt％的Pd、0-0.4wt％的Rh、0-5.0wt％的Ba、40-90wt％的CeO2、9.8-59.8wt％的Al2O3和0-10wt％的添加剂。
在另一个方面，CUC 60包括基于CUC 60的总重量的0.2-1.5wt％的Pt、0-0.4wt％的Pd、0-0.4wt％的Rh、0-5.0wt％的Ba、40-90wt％的CeO2、9.8-59.8wt％的Al2O3和0-20wt％的添加剂。
添加剂被添加以改善CeO2和Al2O3的性能，并且包括La、Zr、Mg和Pr中的至少一种。
CUC 60主要由Pt-CeO2构成。在本文中，Pt用于氧化CO，并且CeO2含有具有储氧容量(OSC)的氧存储材料，以帮助在稀AFR下在低温下CO的氧化。Pd/Al2O3也起到与Pt/CeO2类似的作用，但是Pt/CeO2的量可以大于Pd/Al2O3的量，以改善低温下的氧化能力。
CUC 60中含有的Ba用于在AFR为浓时去除少量未从SCR催化剂50中去除的NOx。
CUC 60中包括的Rh旨在当AFR为浓时促进NOx的还原。
排气管20可以配备有多个传感器32、34、36、62和64，用于检测排气的AFR和催化剂30、40、50和60的运行。
第一氧传感器32安装在TWC 30的上游的排气管20上，检测TWC 30的上游的排气中的O2浓度，并且将与其对应的信号传输至控制器90。本文描述的排气的AFR(下文中将其称为‘λ’)可以指由第一氧传感器32检测的值。另外，本文描述的AFR控制可以指将排气的AFR控制为目标AFR。
第二氧传感器34安装在TWC 30的下游的排气管20上，检测TWC 30的下游的排气中的O2浓度，并且将与其对应的信号传输至控制器90。
第三氧传感器36安装在APC 40下游的排气管20上，其检测APC 40(即氨产生催化剂模块35)下游的排气中的O2浓度，并将与其相对应的信号传递至控制器90。第三氧传感器36所检测到的值用于确定氨产生催化剂模块35的OSC是否已完全消耗。
第一温度传感器62安装在SCR催化剂50的上游的排气管20上，检测SCR催化剂50的上游的排气的温度，并且将与其对应的信号传输至控制器90。
第二温度传感器64安装在SCR催化剂50的下游的排气管20上，检测SCR催化剂50的下游的排气的温度，并且将与其对应的信号传输至控制器90。
除了本文描述的传感器32、34、36、62和64之外，后处理系统可以进一步包括各种传感器。例如，附加的温度传感器可以安装在TWC 30的上游和下游的排气管20上，以分别检测TWC 30的上游和下游的排气的温度。另外，如图4所示，后处理系统可以进一步包括空气流量计66。此外，后处理系统可以进一步包括安装在排气管20上的NOx传感器、HC传感器或CO传感器，并且排气中含有的排放物的浓度可以经由这些传感器检测。
控制器90电连接至传感器32、34、36、62、64和66，以通过传感器32、34、36、62、64和66接收与检测值对应的信号，并且基于信号确定车辆的驱动条件、AFR和催化剂30、40、50和60的温度。控制器90可以通过基于确定结果控制发动机10来控制点火时间、燃料喷射时间、燃料量等。控制器90可以用由预定程序执行的至少一个处理器来实施，并且预定程序可以被编程为执行根据本发明的一个方面的后处理方法的每个步骤。
图2是示出了根据本公开的另一方面的用于稀燃发动机的后处理系统的示意图。图2所示的后处理系统是图1所示的后处理系统的变型。
如图2所示，根据本公开的另一方面的后处理系统配备有依次设置在排气管20上的TWC 30、颗粒过滤器(汽油颗粒过滤器(GPF))70、APC40、SCR催化剂50以及CUC 60。由于TWC 30、APC 40、SCR催化剂50以及CUC 60在上文中进行了描述，因此不再对其进行详细的描述。
颗粒过滤器70安装在TWC 30下游的排气管20上，捕集排气中含有的颗粒物质，并且燃烧所捕集颗粒物质。颗粒过滤器70设置有交替地设置在壳体中的入口单元和出口单元，并且壁设置在入口单元和出口单元之间。入口单元具有打开的一个端部和阻塞的另一个端部，并且出口单元具有阻塞的一个端部和打开的另一个端部。排气通过入口单元的打开端部流入颗粒过滤器70，通过壁流到出口单元，并且通过出口单元的打开端部流出到颗粒过滤器70的外部。当排气经过壁时，排气含有的颗粒不会经过壁并且保留在入口单元中。
图3是示出了根据本公开的其它方面的用于稀燃发动机的后处理系统的示意图。图3所示的后处理系统是图1所示的后处理系统的变型。
如图3所示，根据本公开的其它方面的后处理系统配备有依次设置在排气管20上的TWC 30、APC 40、颗粒过滤器70、SCR催化剂50以及CUC 60。由于TWC 30、APC 40、颗粒过滤器70、SCR催化剂50以及CUC 60在上文中进行了描述，因此不再对其进行详细的描述。
图4是根据本发明的一个方面的稀燃发动机的后处理系统的框图。
图4示出了控制器90的输入和输出的简单实例，以实施根据本发明的方面的后处理系统。应当理解，根据本发明的方面的控制器90的输入和输出不限于图4中所示的实例。
如图4所示，控制器90电连接至第一、第二和第三氧传感器32、34和36，第一和第二温度传感器62和64，以及空气流量计66，并且接收与传感器32、34、36、62、64和66检测到的值相对应的信号。
第一氧传感器32检测TWC 30上游的排气中含有的O2的浓度，并且将与其对应的信号传输至控制器90。第二氧传感器34检测TWC 30下游的排气中含有的O2的浓度，并且将与其对应的信号传输至控制器90。控制器90可以基于第一氧传感器32和第二氧传感器34的信号确定TWC 30是否正常运行，并且执行发动机10的AFR控制。
此外，第三氧传感器36检测氨产生催化剂模块35下游的排气中所包含的O2的浓度，并将与其相对应的信号传递至控制器90。控制器90基于第三氧传感器36的信号确定氨产生催化剂模块35的OSC是否已完全消耗。例如，如果第三氧传感器36的信号指示氨产生催化剂模块35下游的AFR为浓，则控制器90确定氨产生催化剂模块35的OSC已完全消耗。
第一温度传感器62检测SCR催化剂50上游的排气温度，并且将与其对应的信号传输至控制器90。第二温度传感器64检测SCR催化剂50下游的排气温度，并且将与其对应的信号传输至控制器90。控制器90可以基于第一温度传感器62和第二温度传感器64的信号计算TWC 30、APC40、SCR催化剂50和CUC 60的温度。
空气流量计66安装在进气管或进气导管上，以检测流入进气系统的空气量，并且将与其对应的信号传输至控制器90。
控制器90基于传感器32、34、36、62、64和66检测到的值控制发动机10的运行。也就是说，控制器90可以调节燃料喷射量以调节目标AFR，并且可以延迟用于温热催化剂30、40、50和60的点火时间。。
在下文中，参照图5，将对根据本公开的方面的后处理方法进行详细的描述。
图5是示出了根据本公开的方面的后处理方法的流程图。
如图5所示，当在步骤S110启动发动机10时，控制器90计算催化剂30、40、50和60的温度。为了实施根据本发明的方面的后处理方法，必须活化催化剂30、40、50和60。因此，如果催化剂30、40、50和60未被活化，则控制器90在步骤S120处温热催化剂30、40、50和60。也就是说，点火时间被延迟或燃料喷射量增加以增加排气的温度。
当催化剂30、40、50和60的温热完成时，在步骤S130控制器90使发动机10在稀AFR下运行。因此，TWC 30净化包含在排气中的CO和HC，且颗粒过滤器70收集包含在排气中的颗粒物质。此外，APC 40储存包含在排气中的NOx的至少一部分。
在步骤S140控制器90计算存储在SCR催化剂50中的NH3的量。也就是说，基于发动机10的运行历史、SCR催化剂50的温度历史等计算存储在SCR催化剂50中的NH3的量。
之后，在步骤S150基于存储在SCR催化剂50中的NH3的量，控制器90确定是否期望或需要浓AFR，即，是否期望转换为浓AFR。
在一个方面，为了确定是否期望转换为浓AFR，控制器90计算要流入SCR催化剂50的NOx的量。基于发动机10的燃烧状态(例如，燃烧温度、燃烧压力、空气量、燃料量等)计算在发动机10中生成的NOx的量，并且基于排气的AFR、TWC 30的温度、APC 40的温度等计算从氨产生催化剂模块35逸出的NOx的量。
此后，控制器90确定SCR催化剂50是否可以净化NOx。也就是说，确定存储在SCR催化剂50中的NH3的量是否足以净化流入SCR催化剂50的NOx。例如，如果存储在SCR催化剂50中的NH3的量大于或等于净化要流入SCR催化剂50的NOx所需的NH3的量，则控制器90确定SCR催化剂50可以净化NOx。相反，如果存储在SCR催化剂50中的NH3的量小于净化要流入SCR催化剂50的NOx所需的NH3的量，则控制器90确定期望转换到浓AFR。
在另一方面，为了确定是否期望转换为浓AFR，控制器90确定存储在SCR催化剂50中的NH3的量是否大于或等于NH3的下限阈值(最低限度，lower threshold)。例如，如果存储在SCR催化剂50中的NH3的量大于或等于NH3的下限阈值，则控制器90确定不期望转换为浓AFR。相反，如果存储在SCR催化剂50中的NH3的量小于NH3的下限阈值，则控制器90确定期望转换为浓AFR。
在步骤S150如果确定转换至浓AFR是期望的，则在步骤S160控制器90确定APC 40的温度是否高于或等于阈值温度。例如，控制器90基于第一温度传感器62和第二温度传感器64的检测值和/或安装在排气管20上的附加的温度传感器的检测值检测/计算APC 40的温度，且APC 40的检测/计算温度高于或等于预定阈值温度。在一个方面中，阈值温度可高于或等于410℃，且低于或等于430℃。在另一方面中，阈值温度可为420℃。
在步骤S160如果APC 40的温度高于或等于阈值温度，则在步骤S170控制器90计算用于生成NH3的浓持续时间和目标浓AFR。如果在AFR控制至浓AFR之后，延迟时间已经过去，则CO开始从CUC 60逸出。也就是说，CUC 60能够在延迟时间期间净化从TWC 30逸出的CO，但在延迟时间之后，其无法充分地净化从TWC 30逸出的CO。
因此，如果增加进入浓AFR状态的次数，同时减少保持在浓AFR下的浓持续时间，则CO排放减少，同时，包含在排气中的NOx可被充分净化。例如，如果AFR保持为浓的浓持续时间设置为9秒，且进入浓AFR的次数设置为11次，则TWC 30在99秒(9秒×11次)内生成0.78gNH3，且0.78g NH3能够净化约2.1g NOx。在这种情况下，从CUC 60逸出的CO的量约为0.1g。因此，期望的是增加进入浓AFR的次数，同时减少浓持续时间，以降低从CUC 60逸出的CO的量，同时在TWC 30中生成足够量的NH3。因此，浓持续时间计算为使得如果发动机在目标浓AFR下运行浓持续时间，则在CUC 60下游积累的CO的逸出量小于或等于预定值。可替换地，浓持续时间可以为当发动机10在目标浓AFR下运行时，达到CO开始从CUC 60逸出的时间的一段时间。此外，目标浓AFR可由本领域普通技术人员进行设置，以提高后处理系统的性能，同时降低燃料消耗。例如，目标浓AFR可为0.97，即微浓AFR，但并不限于此。此外，CUC 60的CO净化能力随CUC 60的温度而变化。因此，浓持续时间可根据目标浓AFR以及CUC 60的温度进行计算。
如果在步骤S170计算出浓持续时间和目标浓AFR，则在步骤S180控制器90使发动机10在目标浓AFR下运行浓持续时间。也就是说，通过使发动机10在目标浓AFR下运行浓持续时间，TWC 30和APC 40可生成NH3，同时降低从CUC 60逸出的CO的量。
在执行步骤S180之后，控制器90返回至步骤S130，并使发动机10在稀AFR下运行。即使在发动机10在目标浓AFR下运行浓持续时间的情况下，NH3生成也可以不足以净化流入SCR催化剂50的NOx(例如，流入SCR催化剂50的NOx的量大于浓持续时间内的NH3生成所能够净化的NOx的量)。因此，控制器90使发动机在稀AFR下运行预定时间，然后再次执行步骤S140至步骤S180。如果所生成的NH3足以净化流入SCR催化剂50的NOx，则后处理方法将在步骤S150终止。
与此同时，如果在步骤S160APC 40的温度低于阈值温度，则控制器90在进入浓AFR状态之前加热APC 40。也就是说，在步骤S190控制器90使发动机10在化学计量AFR(即，λ＝1)下运行第一预定持续时间。
此后，在步骤S200控制器90使发动机10在目标稀AFR下运行第二预定持续时间，随后返回至步骤S160以将APC 40的温度与阈值温度进行对比。其中，目标稀AFR可由本领域普通技术人员任意地进行设置，以便符合设计的意图。在一个方面中，根据第一氧传感器32的检测值，目标稀AFR可在1.4至2.0之间。
如果在步骤S160APC 40的温度高于或等于阈值温度，则控制器90依次执行步骤S170和步骤S180。
(测试方法)
TWC 30、GPF 70、APC 40、SCR催化剂50以及CUC 60依次设置在排气管20上。之后，2.0L排量的四缸稀燃汽油发动机连接至排气管20，然后执行老化处理(aging treatment)。老化处理在TWC 30的基础上在1000℃下进行50小时。
在2000rpm的发动机转速下稀AFR(λ＝1.8)保持5分钟，以使整个后处理系统处于稀气氛中，且APC 40的温度保持在365℃。之后，发动机10在化学计量AFR下运行12秒，然后再次在稀AFR(λ＝1.8)下运行。此时，检测TWC 30的温度、APC 40的温度以及从APC 40逸出的储存NOx的浓度。
图6是示出了发动机依次在稀AFR、化学计量AFR以及稀AFR下运行时TWC的温度、APC的温度以及从APC逸出的储存NOx的浓度的曲线图。
在图6中，粗实线表示TWC 30的温度，细实线表示APC 40的温度，且虚线表示从APC40逸出的储存NOx的浓度。
如果发动机10在化学计量AFR下运行12秒，则TWC 30的温度急剧上升，且APC 40的温度缓慢上升。因此，在TWC 30加热之后直至APC40加热之间存在时间差。如果发动机10再次在稀AFR下运行，则TWC 30的温度上升至700℃，然后急剧下降，且APC 40的温度在约20秒至约30秒内逐渐上升，然后缓慢下降。当APC 40的温度达到420℃时，TWC 30的温度约为600℃。总而言之，如果发动机10仅在化学计量AFR下运行以将APC 40加热至目标温度，则TWC30的温度可以过度上升。因此，SCR催化剂50的温度也会升高，且NOx的净化性能也可以提高。还可看出，即使发动机10在化学计量AFR下运行第一预定持续时间，然后在稀AFR下运行，APC 40也可加热至目标温度(例如，阈值温度)。
由于APC 40在稀AFR下储存包含在排气中的NOx，因此，如果发动机10在化学计量AFR下开始运行，则从APC 40释放的储存NOx的量会增加。此后，由于储存在APC 40中的NOx的量发生降低，因此，从APC 40释放的储存NOx的量也发生降低。当发动机10再次在稀AFR下运行时，APC 40再次储存包含在排气中的NOx，由此增加从APC 40释放的储存NOx的量。由于APC 40所储存NOx的量还与APC 40的温度相关，因此，从APC 40释放的储存NOx的量随着APC40的温度的升高而增加。
在另一方面，如果发动机10在化学计量AFR下运行，则CUC 60的储氧容量(OSC)会被消耗。如果发动机10在浓AFR下运行而不恢复CUC 60的OSC，则CUC 60的CO净化能力会快速降低。CUC 60的OSC还与CUC 60的温度相关。
总而言之，鉴于TWC 30的温度、APC 40的温度、储存在APC 40中的NOx的量以及CUC60的OSC，发动机10可在化学计量AFR下运行第一预定持续时间之后，在稀AFR下运行第二预定持续时间，以加热APC40。
在一个方面中，第一预定持续时间可设置为5秒至15秒的值。在另一方面中，第一预定持续时间可设置为10秒。在其它方面中，第一预定持续时间可在确定转换至浓AFR是期望的时间下根据APC 40的温度进行确定。
在一个方面中，第二预定持续时间可设置为10秒至30秒的值。在另一方面中，第二预定持续时间可设置为10秒至20秒的值。在其它方面中，第二预定持续时间可根据第一预定持续时间、目标稀AFR以及CUC 60的温度进行确定。
图7是示出了根据进入浓AFR时APC的温度的从APC逸出的储存NOx的浓度以及氧化亚氮生成的增大或最大浓度的曲线图。图7中的曲线图通过以如下方式控制APC 40的温度来获得：控制发动机10在稀AFR下以1500rpm的发动机转速运行的时间，然后使发动机10在浓AFR下运行。
在图7中，粗实线表示从APC 40逸出的储存NOx的浓度，且细实线表示APC 40下游的氧化亚氮(N2O)生成的增大或最大浓度。
如图7所示，如果APC 40的温度在进入浓AFR状态时低于400℃，则储存在APC 40中的NOx未发生逸出。如果APC 40的温度在进入浓AFR状态时高于400℃，则储存在APC 40中的NOx开始逸出。如果APC40的温度在进入浓AFR状态时高于430℃，则从APC 40逸出的储存NOx的浓度急剧增大。
与此同时，如果APC 40的温度在进入浓AFR状态时较低，则在APC40中生成的N2O的最大浓度非常高。然而，当APC 40的温度在进入浓AFR状态后升高时，在APC 40中生成的N2O的最大浓度显著降低。如果APC 40的温度在进入浓AFR状态时高于400℃，则在APC 40中生成的N2O的最大浓度小于40ppm。
总而言之，为了降低从APC 40逸出的储存NOx的浓度以及在APC 40中生成的N2O的增大或最大浓度，APC 40的温度应在进入浓AFR之后控制为410℃至430℃的值。在一个方面中，当进入浓AFR时，APC 40的阈值温度可大于或等于410℃，且小于或等于430℃。在另一方面中，当进入浓AFR时，APC 40的阈值温度可为420℃。
根据本公开的方面的后处理方法的性能将与对比例1和对比例2的性能进行对比。
(本公开的方面)
在根据本公开的方面的后处理方法中，发动机10依次在化学计量AFR和稀AFR下运行，然后在转换至浓AFR是期望的情况下在浓AFR下运行。更详细地，发动机10在化学计量AFR下运行第一预定持续时间(例如，10秒)，然后在目标稀AFR(例如，λ＝1.8)下运行第二预定持续时间(例如，20秒)，以将APC 40加热至420℃。此后，发动机10在目标浓AFR(例如，λ＝0.97)下运行浓持续时间。
(对比例1)
在根据对比例1的后处理方法中，在转换至浓AFR是期望的情况下，AFR直接转换成浓AFR，而不经过化学计量AFR以及稀AFR。更详细地，发动机10在目标浓AFR(例如，λ＝0.97)下运行浓持续时间，而不对APC40进行加热(例如，APC 40的温度为365℃)。
(对比例2)
在根据对比例2的后处理方法中，发动机10在化学计量AFR下运行，然后在转换至浓AFR是期望的情况下在浓AFR下运行。更详细地，发动机10在化学计量AFR下运行，以将APC40加热至420℃；然后，发动机10在目标浓AFR(例如，λ＝0.97)下运行浓持续时间。
图8是示出了发动机分别在不加热APC的情况下、APC通过使发动机仅在化学计量AFR下运行来进行加热的情况下、以及APC通过使发动机依次在化学计量AFR和稀AFR下运行来进行加热的情况下进入浓AFR，用于加热APC的燃料量以及氧化亚氮生成的最大浓度的曲线图。
在图8中，粗实线表示用于加热APC 40的燃料量，且细实线表示APC40下游的N2O生成的最大浓度。
在对比例1中，由于APC 40未进行加热，因此，用于加热APC 40的燃料量为零。然而，由于APC 40的温度在进入浓AFR状态时较低(例如，365℃)中，因此，APC 40中的N2O生成的最大浓度非常高。因此，需要附加的控制装置/催化转化器来减少在APC 40中生成的N2O。
在对比例2中，由于发动机10仅在化学计量AFR下运行以加热APC40，因此，用于加热APC 40的燃料量非常大。例如，对比例2中用于加热APC 40的燃料量是本发明方面中用于加热APC 40的燃料量的高于两倍。与此同时，由于对比例2中的APC 40在进入浓AFR状态时的温度等于本发明方面中的APC 40在进入浓AFR状态时的温度，因此，在对比例2中的APC40中生成的N2O的最大浓度几乎与本发明方面的相同。
总而言之，为了降低用于加热APC 40的燃料量，以及减少在APC 40中生成的N2O，发动机10可在依次在化学计量AFR和目标稀AFR下运行之后，再在浓AFR下运行。
图9是示出了发动机分别在不加热APC的情况下、APC通过使发动机仅在化学计量AFR下运行来进行加热的情况下、以及APC通过使发动机依次在化学计量AFR和稀AFR下运行来进行加热的情况下进入浓AFR，在浓AFR下在预定持续时间内从CUC逸出的CO的积累量以及氧化亚氮生成的增大或最大浓度的曲线图。
在图9中，粗实线表示发动机10在浓AFR下运行10秒时从CUC 60逸出的CO的积累量，且细实线表示APC 40下游的N2O生成的增大或最大浓度。
在对比例1中，由于发动机10不在化学计量AFR下运行，因此CUC60的OSC未被消耗。因此，当发动机10在浓AFR下运行10秒时，CO不会从CUC 60逸出。
在本发明方面中，发动机10在化学计量AFR下运行，且CUC 60的OSC被消耗。然而，发动机10在进入浓AFR状态之前在稀AFR下运行，以恢复CUC 60的OSC。因此，当发动机10在浓AFR下运行10秒时，CO没有从CUC 60逸出。
在对比例2中，发动机10在化学计量AFR下运行，进而消耗CUC 60的OSC，其随后进入浓AFR状态，而不恢复CUC 60的OSC。因此，当发动机10在浓AFR下运行10秒时，CO会从CUC60逸出。例如，在浓AFR下，在10秒内有0.9g CO从CUC 60逸出。因此，如果浓持续时间设置成使得低于预定值的CO从CUC 60逸出，则浓持续时间非常短。然而，如果浓持续时间较短，则在APC 40中生成的NH3的量也会非常小。需要用于减少从CUC 60逸出的CO的附加的控制装置/催化转化器来设置浓持续时间，以在APC 40中生成足够的NH3。
总而言之，发动机10可在依次在化学计量AFR和目标稀AFR下运行之后，再在浓AFR下运行，以减少从CUC 60逸出的CO以及在APC 40中生成的N2O。
虽然本公开已结合当前认为是实用的方面进行了描述，但将理解的是，本公开并不限于所公开的方面。相反，本公开旨在覆盖落入所附权利要求书的精神及范围内的各种修改以及等同结构。

Claims (17)

1.一种用于稀燃发动机的后处理系统，包括：
排气管，所述排气管连接至所述稀燃发动机，并且在所述稀燃发动机中产生的排气流过所述排气管；
三效催化剂，所述三效催化剂安装在所述排气管上，并且净化包含在所述排气中的烃、一氧化碳和氮氧化物；
氨产生催化剂，所述氨产生催化剂安装在所述三效催化剂下游的排气管上，在稀空气/燃料比下储存氮氧化物，并且在浓空气/燃料比下生成H2、释放所储存的氮氧化物以及使用所释放的氮氧化物和所生成的H2生成氨；
选择性催化还原催化剂，所述选择性催化还原催化剂安装在所述氨产生催化剂下游的排气管上，储存在所述氨产生催化剂中生成的NH3，并且使用所储存的NH3还原包含在所述排气中的氮氧化物；
CO净化催化剂，所述CO净化催化剂安装在所述选择性催化还原催化剂下游的排气管上，并且净化包含在所述排气中的CO；以及
控制器，所述控制器检测关于空气/燃料比和所述排气的温度的信息，并且基于所述关于空气/燃料比和所述排气的温度的信息控制所述排气的空气/燃料比，
其中所述控制器响应于检测到期望转换至浓空气/燃料比而将所述氨产生催化剂的温度与阈值温度进行对比，并且在所述氨产生催化剂的温度低于所述阈值温度时，在转换至浓空气/燃料比之前使所述发动机在化学计量空气/燃料比下运行。
2.根据权利要求1所述的后处理系统，其中所述控制器使所述发动机在化学计量空气/燃料比下运行第一预定持续时间。
3.根据权利要求2所述的后处理系统，其中所述第一预定持续时间根据在期望转换至浓空气/燃料比的检测时间下所述氨产生催化剂的温度进行确定。
4.根据权利要求2所述的后处理系统，其中，在使所述发动机在化学计量空气/燃料比下运行之后且在转换至浓空气/燃料比之前，所述控制器使所述发动机在目标稀空气/燃料比下运行第二预定持续时间。
5.根据权利要求4所述的后处理系统，其中所述第二预定持续时间根据所述第一预定持续时间、所述目标稀空气/燃料比和所述CO净化催化剂的温度进行确定。
6.根据权利要求4所述的后处理系统，其中，在使所述发动机在所述目标稀空气/燃料比下运行所述第二预定持续时间之后，所述控制器使所述发动机在目标浓空气/燃料比下运行浓持续时间。
7.根据权利要求6所述的后处理系统，其中所述浓持续时间根据所述目标浓空气/燃料比和所述CO净化催化剂的温度进行确定。
8.根据权利要求6所述的后处理系统，其中所述浓持续时间被计算为使得如果所述发动机在所述目标浓空气/燃料比下运行所述浓持续时间，则在所述浓持续时间内在所述CO净化催化剂下游积累的CO的逸出量小于或等于预定值。
9.根据权利要求1所述的后处理系统，进一步包括颗粒过滤器，所述颗粒过滤器设置在所述三效催化剂与所述氨产生催化剂之间或者所述氨产生催化剂与所述选择性催化还原催化剂之间，
其中所述颗粒过滤器捕集所述排气中的颗粒物质。
10.一种用于控制后处理系统的后处理方法，所述后处理系统在排气管上依次配备有三效催化剂、氨产生催化剂、选择性催化还原催化剂和CO净化催化剂，排气流过所述排气管，并且所述排气管连接至稀燃发动机，所述后处理方法包括：
使所述发动机在稀空气/燃料比下运行；
计算储存在所述选择性催化还原催化剂中的NH3的量；
确定是否期望转换至浓空气/燃料比；
在期望转换至浓空气/燃料比的情况下，确定所述氨产生催化剂的温度是否高于或等于阈值温度；
在所述氨产生催化剂的温度低于所述阈值温度时，使所述发动机在化学计量空气/燃料比下运行第一预定持续时间；以及
使所述发动机在目标浓空气/燃料比下运行浓持续时间。
11.根据权利要求10所述的后处理方法，其中所述第一预定持续时间根据在期望转换至浓空气/燃料比的确定时间下所述氨产生催化剂的温度进行确定。
12.根据权利要求10所述的后处理方法，其中所述浓持续时间根据所述目标浓空气/燃料比和所述CO净化催化剂的温度进行确定。
13.根据权利要求10所述的后处理方法，其中所述浓持续时间被计算为使得如果所述发动机在所述目标浓空气/燃料比下运行所述浓持续时间，则在所述浓持续时间内在所述CO净化催化剂下游积累的CO的逸出量小于或等于预定值。
14.根据权利要求10所述的后处理方法，进一步包括：在使所述发动机在化学计量空气/燃料比下运行所述第一预定持续时间之后且在使所述发动机在浓空气/燃料比下运行所述浓持续时间之前，使所述发动机在目标稀空气/燃料比下运行第二预定持续时间。
15.根据权利要求14所述的后处理方法，其中所述第二预定持续时间根据所述第一预定持续时间、所述目标稀空气/燃料比和所述CO净化催化剂的温度进行确定。
16.根据权利要求10所述的后处理方法，其中是否期望转换至浓空气/燃料比的确定包括计算将流入所述选择性催化还原催化剂的氮氧化物的量，以及
其中，当储存在所述选择性催化还原催化剂中的NH3的量小于净化将流入所述选择性催化还原催化剂的氮氧化物的量所需的NH3的量时，确定为期望转换至浓空气/燃料比。
17.根据权利要求10所述的后处理方法，其中是否期望转换至浓空气/燃料比的确定包括将储存在所述选择性催化还原催化剂中的NH3的量与预定NH3下限阈值进行对比，以及
其中，当储存在所述选择性催化还原催化剂中的NH3的量小于所述预定NH3下限阈值时，确定为期望转换至浓空气/燃料比。
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