CN112135960A - 具有设计用于在策略性稀薄条件下操作的hc捕集器和NOx捕集器组合的废气排放减少系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于减少燃烧设备诸如汽油动力内燃机(例如，主要化学计量运行的发动机)的有害废气组分的方法和系统。所述方法和系统包括适于冷启动烃吸附的烃捕集器(HCT)以及相关联的NOx捕集器的车身底部组合。所述系统包括控制单元，所述控制单元用于延长稀薄废气条件的时间一直到HCT脱附，以避免在HCT脱附的时间周期期间缺乏氧。所述系统还包括一个或多个TWC，如与所述车身底部HCT‑NOx捕集器组合相关联的TWC和/或被定位在紧密耦合位置的TWC。当存在时，铂族金属如Pd、Rh和Pt也存在于(featured on)所述HCT、所述NOx捕集器和所述TWC中的一者、两者或全部三者上。

Description

具有设计用于在策略性稀薄条件下操作的hc捕集器和NOx捕集 器组合的废气排放减少系统
技术领域
本发明包括用于减少燃烧设备诸如汽油动力内燃机(例如，主要化学计量运行的发动机)的有害废气组分的系统、用于废气净化的对应方法以及组装此类系统的方法。本发明的系统旨在改进脱附冷启动积聚的HC的转化，以及降低总体HC排放，并且包括废气排放减少系统，该废气排放减少系统的特征在于(i)稀薄运行操作控制单元和(ii)HCT-NOx捕集器组合的组合，以及单独地(i)和(ii)中的每一者。
背景技术
在例如机动车辆中的内燃机的废气通常包含有害一氧化碳(CO)、烃(HC)、氮氧化物(NOx)和可能的硫氧化物(SOx)以及微粒，所述微粒主要由烟尘残留物和可能附着的有机附聚物组成。污染物CO、HC和微粒是发动机燃烧室内的燃料不完全燃烧的产物。当燃烧温度对于这种反应足够高时，进气中的氮和氧在汽缸中形成氮氧化物。硫氧化物是有机硫化合物燃烧引起的，有机硫化合物中的少量可存在于非合成燃料中。
为了去除机动车辆废气中的这些排放物，已经开发了多种用于净化废气的技术，其基本原理通常基于引导需要净化的废气通过通常由穿流式或壁流式蜂窝状基底和施加于其上的催化活性涂层组成的催化剂设备。这种催化剂设备促进不同废气组分之间的化学反应，同时形成无害产物，如二氧化碳和水。根据催化剂处要净化的废气组成和预期废气温度水平，所使用的操作方式和催化剂组成显著不同。用于废气排放减少的各种组合物包含下述组分：在一定的操作条件下，一种或多种废气组分可以被暂时束缚，而当操作条件发生适当改变时，该组分可被重新有意地释放。具有这种能力的组分在下文通常被称为储存或捕集材料组分。
根据常规方法诸如借助三元催化转化器(TWC)清洁内燃机废气，该内燃机为通过主要化学计量的空气/燃料(A/F)混合物操作的内燃机，如气口燃料喷射(PFI)发动机、分层进料发动机(SCE)和汽油直接喷射发动机(GDI)。TWC能够同时将发动机的三种基本气态污染物；具体地讲，烃、一氧化碳和氮氧化物转化为无害组分。换句话讲，与汽油发动机一起使用的TWC执行三个主要功能：(1)CO的氧化；(2)未燃烧的烃的氧化；以及(3)将NOx还原为N2。
对于许多汽油发动机，涉及TWC的废气的后处理也与空燃比的发动机管理相结合，以试图促进在TWC部位处一氧化碳、烃和氮氧化物污染物的减少。例如，许多汽油发动机具有电子燃料喷射系统，该电子燃料喷射系统提供不断变化的空气-燃料混合物，该空气-燃料混合物在稀薄废气和富集废气之间快速且连续地循环。导致化学计量条件的空气与燃料的精确比例可随燃料中碳和氢的相对比例而变化。空气与燃料(A/F)比率是对应于烃燃料(诸如汽油)与二氧化碳(CO2)和水的完全燃烧的化学计量比。因此，符号λ用于表示特定A/F比率除以给定燃料的化学计量A/F比率的结果，使得：λ＝1为化学计量混合物，λ>1为稀薄燃料混合物，并且λ<1为富集燃料混合物。
用于化学计量燃烧汽油发动机的典型废气后处理系统由两个三元转化(TWC)催化剂组成，即安装在废气歧管和发动机舱附近位置(紧密耦合位置，CC)的第一/上游TWC催化剂，以及安置在紧邻第一TWC催化剂的位置(第二紧密耦合位置，CC2)或在车身下方的位置(地板下UF或车身底部UB位置)的第二/下游TWC催化剂。第一TWC催化剂在冷启动期间快速升温，并且提供包括NOx、HC和CO的污染物的大部分转化。第二TWC催化剂补充催化活性，特别是在起燃后。此外，为了高度有效，上游TWCcc通常要求废气的温度足够高，如对于一些系统而言接近300℃或更高，这通常是在初始冷启动发动机操作下不可获得的温度。
关于即将实施的排放水平法规，困难领域包括冷启动周期，其中废气温度还没有达到适于足够有效的催化剂操作的温度。为了解决冷启动条件下排放控制的困难而开发的一种技术包括包含烃捕集器，该烃捕集器设计成在冷启动条件期间捕集行进通过排放系统的烃，然后在温度较高时的某个时间通过脱附将烃释放到废气流中。烃捕集器(HCT)的该脱附周期代表废气排放控制中的附加困难领域。
授予Chang等人的US 2016/0228818是上述使用HCT进行冷启动烃控制的一个示例。Chang描述了形成为包括沸石烃捕集组分的挤出主体的HCT。挤出物中的分子筛沸石组分是在启动周期期间吸附和储存烃并且当废气温度足够高以脱附烃时快速释放储存的烃的组分。在Chang的专利中，脱附的烃随后被TWC组分(诸如设置在挤出HC捕集器主体上的组分)转化。
然而，即使在挤出HC捕集器上具有TWC层的益处，许多发动机系统也不能满足所施加的排放值，尤其是当前正在针对未来合规性规定的那些标准。关于排放控制标准，特定困难领域为满足关于非甲烷烃(或nMHC)加(NOx)排放的组合的规定水平，诸如在冷启动期间或者先前在发动机冷启动阶段期间捕集的HC的起燃中的那些。
例如，美国加利福尼亚州实施了严格的LEVIII排放法规，包括到2025年接近30mg/mi的组合(非甲烷有机气体+氮氧化物)或(nMOG+NOx)标准。一些法规还涉及nMHC或非甲烷烃。NMOG和NMHC之间的一个区别在于NMOG是指包含乙醇的燃料，诸如E85或E10。因此，NMOG标准更难以满足，因为与含氧化合物(诸如乙醇和乙醛)相关联的排放难以在常规TWC催化剂上转化。这些NMOG相关组分通常被称为废气中的含氧化合物。美国联邦环境保护局也对所提到的nMOG+NOx(或非甲烷烃+一氧化二氮或nMHC+NOx)施加了类似的严格限制，并且提供了用于NMOG和NMHC转化的配方。
联邦测试方案(FTP)循环的冷启动和/或催化剂起燃的所提到的区域继续代表总体排放的主要贡献以及满足这些更严格标准的挑战。此外，致力于解决HC排放控制困难的所述区域中的一个区域通常可导致另一个区域的劣化。例如，HC捕集器在冷启动期间吸附HC和含氧化合物的能力的改善可使得甚至更难以控制其中大量HC负载被快速释放的脱附期间的周期。
进一步参考图14，该图示出了用于从发动机废气流中去除污染物的另一种传统废气后处理系统20的示意图。系统20的示例可见于Heck等人的“Catalytic Air PollutionControl Commercial Technology”第3版，2009年，章节6.11，Toward A Zero-EmissionStoichiometric Spark-Ignition Vehicle，148至157页，该文献通过引用方式并入本文。如图14所示，排放控制系统20包括汽油发动机22，该汽油发动机将废气输出到催化剂系统24，该催化剂系统按废气流顺序包括紧密耦合的三元催化剂26和地板下烃捕集器(HCTuf)28。
图14所示的方法用于经由在下游HCTuf中吸附烃来解决冷启动期间TWCcc缺乏催化性能的问题。在起燃温度，系统达到其中先前储存的烃从HCTuf释放的温度，从而导致系统中污染物输出增加。
进一步参考图14，可以看出HCTuf 28的特征在于催化TWC层L2，该催化TWC层L2用于在从下面沸石HCT层L1脱附时氧化烃。换句话讲，图14示出了催化HCTuf的分层示意图，其特征在于支撑基底29上提供的下层L1(沸石–HCT)和上层L2(TWC)的两层组合。
HCTuf 28的两层组合起作用，使得在发动机冷启动阶段期间捕集在沸石HCT中的HC在脱附阶段中释放，该脱附阶段在HCTuf 28处达到起燃温度时发生。因此，存在从起燃时启动(并且继续直到HC被释放)的脱附周期，在该脱附周期期间，HC作为其温度的函数从HC捕集器中脱附。HCTuf28中的TWC上层L2被设计成有助于脱附HC的催化处理。然而，为了使脱附HC有效地转化为H2O和CO2，氧的可用性是最重要的，如以下更详细解释的，其在参考的现有技术方法中不是充分存在的。
涉及减少冷启动期间HC穿透和热阶段NOx穿透两者的其他现有技术参考文献包括WO2016/065034和WO2017/034920。这两个参考文献各自采取涉及着重强调SCR使用的方法，并且例如关于WO‘920包括紧密耦合的TWC以及之后的组合SCR-HCT催化剂系统，其中SCR-HCT催化剂组合在冷启动期间捕集穿透烃并在相对较高的废气温度释放储存的HC。同时，SCR-HCT催化剂储存由上游TWC催化剂产生的氨并借助于NH3-SCR反应转化穿透NOx。WO‘920还包括第三催化剂，该第三催化剂在其SCR-HCT组合下游具有铂族金属。WO‘034强调了SCR使用，其特征在于组合SCR-第二催化剂，其中该第二催化剂旨在减排HC和CO。
然而，上述现有技术参考文献未能认识到与它们的废气系统设置(通常以上游TWCcc为特征)相关的一些限制，特别是此类系统不能在关于满足废气排放输出的规定限制的努力敏感的时间适当地转换释放的HC。也就是说，位于车身底部UB(或地板下UF)废气位置的HC捕集器的HC排放减少高度取决于HC脱附阶段期间氧的可用性。换句话讲，在HC在发动机冷启动阶段期间被捕集之后，发生释放阶段，在此期间HC从HC捕集器快速脱附。为了使这些脱附HC有效地转化成H2O和CO2，必须可获得氧用于氧化。然而，对于典型的现代校准车辆，初始启动后的稀薄操作(如果存在)较短，并且不足以延伸到HC捕集器的HC脱附阶段中。HC脱附通常在UB位置中的捕集器达到例如200℃(对于一些系统)或300℃(对于其他系统)或更高(在其他系统中)的入口气体温度时发生。到此时(例如，FTP测试开始后50至150秒)，对车辆的校准处于化学计量或接近化学计量，并且/或者大量(如果不是基本上全部)可用氧已通过HC和CO的上游燃烧(诸如在紧密耦合的催化剂上)被消耗。这导致在HC脱附阶段期间从HCT快速释放HC期间可用的氧过少。现有技术的催化剂布置和组成在其设计中没有充分考虑这种环境条件。
发明内容
本发明采取与上述现有技术方法不同的方法，并且包括将HC捕集器的特征与NOx捕集器相结合的废气排放减少系统(HC-NOx捕集器组合或为了参考方便而称为“TRAP(捕集器)”)。TRAP非常适合在限定周期(例如，预定周期、基于传感器/反馈的确定时间周期或组合如在具有微调实时传感器调整的预定周期中)期间与策略性稀薄运行控制操作系统一起使用，所述限定周期旨在提供足够的氧供应以实现HCT脱附阶段期间的高效HC转化。由于在本发明的一个实施方案下，用于去除NOx的NOx捕集器与发动机中延长的稀薄周期校准运行相关联，因此在下文中，将稀薄NOX捕集器(LNT)通称为“NOx捕集器”。
落入本发明的范围内的实施方案包括控制系统，该控制系统包括控制单元，该控制单元在操作的初始阶段期间将运行的车辆发动机的空燃比校准为稀薄状态持续延长的周期，并且进入HC捕集器的HC脱附范围中(例如，在FTP测试的初始阶段期间的延伸)，如延伸直至TRAP中HCT的入口温度达到400℃至450℃的校准的稀薄周期。优选地，稀薄运行周期足够长以实现离开捕集器的所有脱附HC的转化，但其他约束可导致在所有先前储存的HC已被释放和转化之前中断的时间周期，如由感测的较高发动机负载条件检测到的稀薄运行的暂时中断。还应当注意，HC可以不同的速率从捕集器脱离，并且本发明优选地被设计成适应脱附周期释放阶段期间出现的较高速率，这需要在足够稀薄的λ值下运行(与发动机在主要化学计量设置下运行的正常、校准的期望相反)以在较高释放峰期间具有足够的氧。为了适应脱附阶段释放量的此类变化速率，一个重要的考虑因素是HCT出口处的温度。例如，已经观察到，在相关FTP循环周期期间，HCT的入口床温度和出口床温度(“T”)之间可存在至多100℃的差异。在本发明的方面，优选具有约350℃和更高的HCT床温度。然而，即使当存在较高温度时，仍然需要足够的氧来实现脱附HC的转化，这一直是现有技术系统的缺点。
在根据本发明的系统和方法提供的受控稀薄操作周期期间，使足够的氧可用于燃烧从TRAP的HCT组分释放的HC，同时TRAP的NOx捕集器组分(或稀薄氮捕集器LNT)被构造成充分捕获未转化的NOx，所述未转化的NOx随后在校准达到化学计量的略微富集时被还原成N2。在落入本发明范围内的实施方案中，HC捕集器是催化的捕集器，如其中将TWC载体涂料施加到HCT表面和/或HCT捕集材料补充有来自铂族金属(PGM)和/或碱金属的催化剂金属的催化的捕集器。落入本发明范围内的另外的实施方案包括使TWC载体涂料包含PGM材料，如作为PGM的单独的Rh或Rh和Pd的组合，或任选地Pd和/或Pt等。本发明的方面包括使TRAP中存在的所有Pd位于HCT上，使位于TRAP中的所有Rh(当存在时)位于外覆在HCT上的TWC上。
也就是说，除了捕集材料(例如，捕集沸石)之外，HCT本身还可设置有材料，如包含Pd的HCT，以便提供具有增强的NOx和HC捕集和转化特性的HC捕集器。例如，在本发明的一个方面，在认为这种组合增强烯烃(乙烯(ethene/ethylene)和丙烯)以及芳族化合物吸附的基础上，提供Pd作为HCT中唯一的PGM材料。例如，本发明的一个方面被认为是通过将大部分Pd(如按总TRAP Pd使用的重量计至少70％)放入HCT层(如果不是全部的话(HCT层中总PdTRAP使用的100％))来提供PGM的有效使用。
HCT的Pd的合适加载量的示例包括5-100g/ft3，并且更优选地15-50g/ft3。另外，具有此类Pd负载的HCT在任何紧密耦合的TWC中提供降低的PGM负载(相对于标准负载)，以及在外覆在车身底部HCT上的TWC层(如果存在)中提供降低的(如果有)Pd负载。
实施方案的特征还在于HCT中的一种或多种P区金属(例如，In和/或Sn)和/或过渡金属，该HCT具有或不具有所述PGM，诸如Fe、Co、Ni、Cu、Ag及其混合物，其中Fe非常适合于本发明的目的(例如，脱附周期期间的冷启动捕集和随后的稀薄环境)。
在甚至更优选的实施方案中，在本发明的许多环境下，涉及TRAP中Rh的利用，并且在单独的TWC层中(如当在TRAP中涉及TWC层时)提供至少70重量％(更优选地全部或100％的TRAP Rh)。
还认为在HCT和TWC材料/层之间存在负相互作用，因为HCT中的材料(例如，二氧化硅)可能抑制TWC层中的TWC功能。另外，HCT载体涂料(“WC”)层通常是软的，并且在涂覆时可能存在两层的一些相互混合。因此，相互混合可能对TWC性能不利，因此优选的是TWC在存在于TRAP中时具有Rh以获得TWC活性，因为Rh被认为是相对于HCT层中的HCT抑制材料(诸如二氧化硅(当存在时))的负相互作用的最有抗性的PGM。因此，在优选的实施方案中，当TWC是车身底部TRAP的组分时，其包括仅Rh或Rh和Pd的PGM。
在本发明的第一实施方案下，各种其他配置和布置也落入本发明的范围内，包括废气排放系统，其特征在于一种适合与主要化学计量的发动机(例如，在没有本发明的反作用的情况下被校准为以化学计量或接近化学计量运行的发动机)一起使用的废气排放减少系统，该废气排放减少系统包括：
废气处理装置，该废气处理装置具有车身底部定位的NOx捕集器和HC捕集器组合(优选内部催化的HCT，如具有铂族金属或PGM负载(诸如Pd或Pd和Rh)的HCT，具有或不具有添加的车身底部TWC，该TWC具有其自身的PGM材料，如Rh)；
控制单元，该控制单元被配置用于将稀薄废气条件延长到由HC捕集器捕集的烃的脱附周期，以便促进脱附周期期间的烃排放减少。
非常适用于上述第一实施方案的本发明的第一方面是这样的方面，其中NOx捕集器和HC捕集器组合包括基底支撑部，HC捕集器层叠在该基底支撑部上，并且NOx捕集器层叠在该HC捕集器层上。
非常适用于上述第一实施方案和/或第一方面的本发明的第二方面是这样的方面，其中废气处理装置还包括一种或多种TWC组分。
非常适用于上述第一实施方案以及第一方面和第二方面中任一方面的本发明的第三方面是这样的方面，其中废气处理装置包括共用的支撑罐中的上游紧密耦合的TWC组分和下游车身底部TWC组分两者，该共用的支撑罐具有NOx捕集器和HC捕集器组合的NOx捕集器和HC捕集器组分。
非常适用于上述第一实施方案和第一方面至第三方面中任一方面的本发明的第四方面是这样的方面，其中NOx捕集器和HC捕集器组合包括基底支撑部，HC捕集器层叠在该基底支撑部上，并且NOx捕集器层叠在该HC捕集器层上，并且其中提供一种或多种TWC组分，所述一种或多种TWC组分包括定位在NOx捕集器和HC捕集器组合下游的TWC组分。
非常适用于上述第一实施方案和上述第一方面至第四方面中任一方面的本发明的第五方面是这样的方面，其中提供了一种或多种TWC组分，所述一种或多种TWC组分包括紧密耦合的TWC。
非常适用于上述第一实施方案和上述第一方面至第五方面中任一方面的本发明的第六方面是这样的方面，其中提供包括仅Rh或Pd和Rh的组合的PGM负载的TWC中的一个或多个，并且HCT包括过渡金属(诸如选自由Ni、Fe、Mn、Co、Cu组成的组中的一者)、P区金属(例如，Sn或In)或者前述金属中的任一者与PGM的组合。
非常适用于上述第一实施方案和第一方面至第六方面中任一方面的本发明的第七方面是这样的方面，其中NOx捕集器和HC捕集器组合包括第一支撑基底上的上游车身底部NOx捕集器以及第二支撑基底，该第二支撑基底支撑HC捕集器层和在HC捕集器层的至少一部分上的TWC层。
非常适用于上述第一实施方案和上述第一方面至第七方面中任一方面的本发明的第八方面是这样的方面，其中TWC(如在覆盖HC捕集器的至少一部分上的TWC层中)包括仅Rh或Pd和Rh的组合的PGM负载，并且HCT包括过渡金属、P区金属(例如，Sn或In)或它们中的任何的组合(例如，仅Fe)。
非常适用于上述第一实施方案和上述第一方面至第七方面中任一方面的本发明的第九方面是这样的方面，其中所述一种或多种TWC组分还包括紧密耦合的TWC。
非常适用于第一实施方案和第一方面至第九方面中的任一方面的本发明的第十方面是这样的方面，其中废气处理装置包括第一支撑基底，该第一支撑基底具有含PGM材料和/或基底金属的HC捕集器层，在该HC捕集器层上供应NOx捕集器层和TWC层中的一者或两者。
非常适用于上述第一实施方案和上述第二方面至第十方面中的任一方面的本发明的第十一方面是这样的方面，其中在HCT捕集器层上仅供应TWC层并且第二支撑基底被定位在一个(或所述)第一支撑基底的下游，并且其中第二支撑基底支撑NOx捕集器和HC捕集器组合的NOx捕集器层。
非常适用于上述第一实施方案和上述第一方面至第十方面中任一方面的本发明的第十二方面是这样的方面，其中TWC层和NOx捕集器层两者设置在HC捕集器层上，以便支撑在第一支撑基底上。
非常适用于上述第一实施方案和第一方面至第十一方面中任一方面的本发明的第十三方面是这样的方面，其中一个(或所述)TWC层的至少一部分被定位在NOx捕集器层的上游。
非常适用于上述第一实施方案和上述第一方面至第十二方面中任一方面的本发明的第十四方面是这样的方面，其中一个(或所述)TWC层的至少一部分被定位在NOx捕集器层的下游。
非常适用于上述第一实施方案和上述第一方面至第十四方面中任一方面的本发明的第十五方面是这样的方面，其中第一基底是表面多孔的单片主体。
非常适用于上述第一实施方案的本发明的第十六方面是这样的方面，其中废气处理装置包括第一支撑基底，该第一支撑基底支撑第一HC捕集器区和由(a)和(b)中的一者或两者占据的第二区，其中(a)是NOx捕集器，并且(b)是TWC层，并且在第一区和第二区上提供(a)或(b)中的一者的完全覆盖物，其中该完全覆盖物是不代表第二区的(a)或(b)。
非常适用于上述第一实施方案和上述第十六方面的本发明的第十七方面是这样的方面，其中HC捕集器区包括：(i)PGM和/或(ii)过渡金属、P区金属(例如，Sn或In)或其任何组合(例如，单独的Fe)。
非常适用于上述第一实施方案和上述第十六方面的本发明的第十八方面是这样的方面，其中(a)作为第二区提供，并且该第二区在HC捕集器区的上游，并且(b)在(a)和HC捕集器区中的每一者上延伸。
非常适用于上述第一实施方案和上述第十六方面的本发明的第十九方面是这样的方面，其中(a)作为第二区提供，并且该第二区在HC捕集器区的下游，并且(b)在(a)和HC捕集器区中的每一者上延伸。
非常适用于上述第一实施方案和上述第十六方面的本发明的第二十方面是这样的方面，其中(b)作为第二区提供，并且该第二区在HC捕集器区的下游，并且(a)在(b)和HC捕集器区中的每一者上延伸。
非常适用于上述第一实施方案以及第一方面至第二十方面中任一方面的本发明的第二十一方面是这样的方面，其中控制单元接收提供HC脱附特性的信息的输入感测，并且延长向HC捕集器层的稀薄废气供应的周期。
非常适用于第一实施方案和第一方面至第二十一方面中任一方面的本发明的第二十二方面是这样的方面，其中控制单元设置时间周期或系统温度参数，该时间周期或系统温度参数确保在HC捕集器层脱附烃时的某个时间向HC捕集器层的稀薄废气供应。
非常适用于第一实施方案和第一方面至第二十二方面中任一方面的本发明的第二十三方面是这样的方面，其中控制单元接收关于相对于HC捕集器的脱附特性或脱附周期定时的反馈监测信息。
非常适用于第一实施方案和第一方面至第二十三方面中任一方面的本发明的第二十四方面是这样的方面，其中控制单元在返回到HC捕集器上的主要化学计量的废气流之前设置超过先前冷启动周期的延长的周期。
非常适用于第一实施方案和第一方面至第二十四方面中任一方面的本发明的第二十五方面是这样的方面，其还包括混合或非混合形式的发动机，该发动机选自由气口燃料喷射(PFI)发动机、分层进料发动机(SCE)、汽油直接喷射发动机(GDI)、双喷射系统发动机(PFI+GDI)以及汽油直接喷射压缩点火发动机(GDCI)组成的组。
非常适用于第一实施方案和第一方面至第二十五方面中任一方面的本发明的第二十六方面是这样的方面，其中相对于从发动机废气输出到通往大气的废气释放点的整个长度，缺少设计的SCR组分。
本发明的第二实施方案包括用于与主要化学计量运行的发动机一起使用的控制设备，包括控制单元，该控制单元包括信号传输部件，该信号传输部件包括发信设备，其中该发信设备保持在HC捕集器和NOx捕集器催化剂组合上的稀薄废气流的延长周期，该HC捕集器和NOx捕集器催化剂组合接收来自主要化学计量运行的发动机的废气输出。
本发明的第三实施方案包括减少废气排放的方法，包括使废气通过第一实施方案的废气排放减少系统中的废气处理装置。
本发明的第四实施方案包括用于与主要化学计量运行的汽油发动机一起使用的车身底部废气处理组合，该废气处理组合包括NOx捕集器和HC捕集器组合，其中HC捕集器包括PGM材料和金属，诸如选自过渡族(例如，Ni、Fe、Mn、Co、Cu)中的一者和/或P区金属(例如，Sn或In)或其任何组合，其中车身底部废气处理组合不受下游SCR或上游SCR的废气处理影响。
非常适合与第四实施方案一起使用的第二十七方面是这样的方面，其还包括TWC材料层。
非常适合与第四实施方案和第二十七方面一起使用的第二十八方面是这样的方面，其中HC捕集器与NOx捕集器材料和TWC材料中的至少一者一起支撑在第一支撑基底上。
非常适合与第四实施方案和第二十七方面和第二十八方面中的任一方面一起使用的第二十九方面是这样的方面，其还包括罐，并且其中HCT捕集器、NOx捕集器和TWC中的所有三个都在罐中。
非常适合与第四实施方案和第二十七至第二十九方面中的任一方面一起使用的第三十方面是这样的方面，其中罐不含SCR。
非常适合与第四实施方案和第二十七至第三十方面中任一方面一起使用的第三十一方面是这样的方面，其还包括基底支撑部，并且其中HCT捕集器、NOx捕集器和TWC中的所有三个都层叠在基底支撑部上。
另外，虽然上文参考了上述各个方面和实施方案的组合，但是本发明包括与以上和以下阐述的各个实施方案和方面相关的所有兼容组合和子组合。
附图说明
图1示出了废气排放系统的示意图，其中提供了形成废气排放系统的一部分的废气处理装置(ETA)的通用“框”描绘，并且其中废气排放系统还包括示意性地示出的汽油发动机(具有相关联的控制装置和传感器)。
图2示出了具有TRAP(在该实施方案中示出为处于车身底部区位置和上前部TWCcc区的下游)的一般描绘的部件的更详细(不太示意性的)视图，其中TRAP的一般表示由图5至图13中示出并且在此描述的TRAP催化剂系统中的任一种表示，但不限于此。
图3示出了在EPA的联邦测试程序(FTP-75)(“FTP”)分析下在废气催化剂系统中串联设置的操作烃捕集器的累积总烃(THC)值(基于捕集器-输入和捕集器-输出THC值)以及入口捕集器温度与相关时间和发动机速度的关系的曲线图。
图4示出了描绘在FTP分析下在废气催化剂中串联设置的操作HCT的入口捕集器温度处的氧可用性水平(O2捕集器输出——瞬时质量，单位：克)和累积总烃值以及相关时间和发动机速度的关系的曲线图。
图5示出了落在本发明范围内的催化剂系统，并且其特征在于分层NOx捕集器/HCT(或LNT/HCT)作为TRAP，该TRAP非常适合与本发明的空气/燃料校准控制单元一起使用。
图6示出了具有类似图5中的催化剂构型的分层LNT/HCT、加上定位在下游的TWC以及代表本发明的TRAP实施方案的LNT/HCT和TWC的组合，该TRAP非常适合与本发明的空气/燃料校准控制单元一起使用。
图7示出了在本发明范围内的催化剂系统的另选示例，其中催化剂序列包括专用NOx催化剂(LNT)和之后的下游分层TWC/HCT，这三者一起形成TRAP，并且该TRAP非常适合与本发明的空气/燃料校准控制单元一起使用。
图8示出了在本发明范围内的催化剂系统的另选示例，其中该系统为图7中系统的倒置顺序版本，其特征在于一种催化剂序列，该催化剂序列包括TWC/HCT，之后在下游具有专用LNT催化剂，这三者一起形成TRAP，并且该TRAP非常适合与本发明的空气/燃料校准控制单元一起使用。
图9示出了在本发明范围内的催化剂系统的另选示例，其中该系统被同时分层和分区，其中下面HCT层被分区布置覆盖，该分区布置的特征在于TWC区和之后的下游LNT区，这三者一起形成TRAP，并且该TRAP非常适合与本发明的空气/燃料校准控制单元一起使用。
图9A示出在图9中增加了一般的参考描述，以便于示出当存在覆盖在共用材料的连续下层上的不同材料的上游区和下游区时的不同涂层变型，其中该连续下层由基底(例如，单片基底)支撑，并且具有或不具有中间连续或分区阻挡层。
图9B示出了图9A中所示的上游和下游不同材料区的界面区域的示意图，其中下游层以重叠方式在上游区上延伸。
图9C示出了图9A中所示的上游和下游不同材料区的界面区域的示意图，其中上游层以重叠方式在下游区上延伸。
图9D示出了图9A中所示的上游和下游不同材料区的界面区域的示意图，其中上游区和下游区由间隙分开，如在气隙中那样。
图9E示出了图9A中所示的上游和下游不同材料区的界面区域的示意图，其中上游区和下游区由被另一种中间(例如，“阻挡”)材料填充的间隙隔开。
图9F示出了中间层的示意图，该中间层在如图9A所示的上游覆盖区和下游覆盖区两者下方延伸，如在下面支撑基底的整个长度上延伸的中间层。
图9G示出了中间层的示意图，如仅位于图9A所示的两个覆盖区中的上游覆盖区下面的阻挡层，如在上游覆盖区的整个长度上延伸的阻挡层，以在催化剂厚度方向(例如，径向)上提供中间阻挡层。
图9H示出了中间层的示意图，如仅位于图9A所示的两个覆盖区中的下游覆盖区下面的阻挡层，如在下游覆盖区的整个长度上延伸的阻挡层，以在催化剂厚度方向上提供中间阻挡层。
图10示出了在本发明范围内的催化剂系统的另选示例，其中该系统被同时分层和分区，并且其特征在于下面HCT层，该HCT层被分区布置覆盖，该分区布置的特征在于LNT区，之后在下游具有TWC区，这三者一起形成TRAP，并且该TRAP非常适合与本发明的空气/燃料校准控制单元一起使用。
图11示出了在本发明范围内的催化剂系统的另选示例，其中该系统是同时分层和分区的，并且其特征在于分区的下层布置，该下层布置的特征在于LNT区和之后的下游HCT区，其中分区组合中的每一者被TWC层覆盖，该组合形成TRAP，并且该TRAP非常适合与本发明的空气/燃料校准控制单元一起使用。
图11A示出在图11中增加参考描述，以便于示出当在共用材料的连续上层下面存在不同材料的上游区和下游区时的不同涂层变型，其中该组合由基底支撑，并且存在或不存在中间连续或分区阻挡层。
图11B示出了图11A中所示的上游和下游不同材料区的界面区域的示意图，其中下游层以重叠方式在上游区上延伸。
图11C示出了图11A中所示的上游和下游不同材料区的界面区域的示意图，其中上游层以重叠方式在下游区上延伸。
图11D示出了图11A中所示的上游和下游不同材料区的界面区域的示意图，其中上游区和下游区由中间(例如，“阻挡”)间隙填充物(在例示的实施方案中由延伸的桥接外覆涂层提供，或者保持未覆盖(其中覆盖涂层也具有对应的空气间隙))分隔开。
图11E示出了中间(例如，阻挡)层的示意图，该中间层桥接图11A所示的下面的上游区和下游区(不同材料)组，如在下面支撑基底的整个长度上延伸的中间层。
图11F示出了阻挡层的示意图，该阻挡层仅沿图11A所示的两个下面区中的上游区延伸，如在下面上游区的整个长度上延伸的阻挡层，以在催化剂厚度方向上提供中间(例如，阻挡)层。
图11G示出了阻挡层的示意图，该阻挡层仅沿图11A所示的两个下面区中的下游区延伸，如在下面下游区的整个长度上延伸的阻挡层，以在催化剂厚度方向上提供中间(例如，阻挡)层。
图12示出了在本发明范围内的催化剂系统的另选示例，其中该系统是同时分层和分区的，并且其特征在于分区的下层布置，该下层布置的特征在于HCT区和之后的下游LNT区，其中分区组合中的每一者被TWC层覆盖，该组合形成TRAP，并且该TRAP非常适合与本发明的空气/燃料校准控制单元一起使用。
图13示出了在本发明范围内的催化剂系统的另选示例，其中该系统是同时分层和分区的，并且其特征在于分区的下层布置，该下层布置的特征在于HCT区和之后的下游TWC区，其中分区组合中的每一者被LNT层覆盖，该组合形成TRAP，并且该TRAP非常适合与本发明的空气/燃料校准控制单元一起使用。
图14示出了从废气流中去除污染物的常规方法的示意图以及所示HCTuf的催化剂和基底分层示意图。
图15示出了与TRAP一起工作以实现增强的脱附阶段HC排放减少的本发明的控制单元的逻辑流程图。
附图详述
本发明涉及避免或减轻与废气排放处理的常规方法相关联的缺陷中的至少一些缺陷。为了便于理解本发明的特征，在图1中示意性地示出示例性废气排放系统30。如图1所示，本发明的废气排放系统30包括内燃机E，本发明的废气处理系统或废气处理装置(ETA)连接到该内燃机。图1的示例特征在于汽油内燃机E。所示的发动机E可用作车辆的唯一主动力源，或者可表示设置有一个或多个附加主动力源的发动机，如在具有电动马达/燃料发动机组合的混合动力车辆中。本发明还非常适合与具有“启动-停止”系统(或者也称为“停止-启动”系统)的车辆一起使用，该“启动-停止”系统自动关闭和重新启动内燃机以减少发动机怠速运转所花费的时间量，从而减少燃料消耗和排放。此类启动-停止系统包括在非混合动力车辆以及能够从怠速运转车辆的关闭中获益的混合动力车辆上发现的启动-停止系统。此类启动-停止系统基于例如车辆发动机控制单元(ECU)的传感器输入接收感测到的信息，由此感测到的怠速运转的车辆(例如，感测到0mph)可以被关闭，直到操作者活动表明希望再次前进，如在油门压下时。
因此，内燃机E可采用多种形式(其可受益于本发明的ETA)，其中一些示例包括用主要化学计量的空气/燃料(A/F)混合物操作的内燃机。非限制性示例包括如气口燃料喷射(PFI)发动机、分层进料发动机(SCE)和汽油直接喷射发动机(GDI)中的内燃汽油发动机。合适的汽油内燃机的附加示例包括双喷射系统发动机(PFI+GDI)和汽油直接喷射压缩点火发动机(GDCI)，GDCI的这种发动机在低温下工作，并且具有极其长的点火延迟。这些类型的汽油发动机主要以化学计量的空气/燃料混合物运行，包括混合模式操作的车辆(诸如GDCI)，其在低负载和中等负载下可以非常稀薄地操作，而在较重负载下主要以化学计量操作(后者适合于根据本发明的控制单元CU操纵，因为其代表这样示例，其中由本发明的CU修改发动机的正常校准运行，以改善去除先前积聚在HCT上的脱附HC)。
这些类型的汽油发动机还典型地根据所感测的操作条件关于期望的主要化学计量运行对其空燃比进行精细校准。一般来讲，该校准包括根据当前需求和限制在微富集和微稀薄之间切换(例如，λ切换，诸如0.97至1.03)，包括在化学计量运行的延长周期之间切换。还应当注意，在大多数情况下，这种富集/稀薄切换循环的幅值通常是发动机负载的函数，并且因此是变化的。大多数现代λ校准还在减速阶段(即减速燃料切断，“DFCO”)期间关闭喷射器。
在图1所示的实施方案中，发动机E被示出为具有多个汽缸32的火花点火内燃机。虽然图1所示的内燃机具有四个汽缸32，但汽缸的数量可为三个或更少或者五个或更多(例如，作为本发明中的特征的发动机示例，为1、2、4、6、8或12个)。内燃机E与空气进口通道33和废气通道34连接。进口通道33是用于将取自大气环境的新鲜(通常是环境)空气输送到内燃机E的汽缸32的通道。进口通道33设置有空气滤清器35。进口通道33还在空气滤清器35下游位置处设置有空气流量计31。空气流量计31输出与进口通道33中流动的空气的量(或质量)相关的电信号，该电信号由发动机控制单元44接收。进口通道33在空气流量计31下游位置处设置有节流阀TV。节流阀TV与ECU 44控制连通，并且通过根据来自ECU的指令改变进口通道33的通道横截面积来改变供应到内燃机E的空气量。经由调整节流阀TV增加到发动机的空气流是一种用于从富集或化学计量空气-燃料流设置校准到稀薄空气-燃料流设置的潜在技术。另选的方法包括减少发动机的燃料以实现更稀薄的废气输出，或者添加的空气和减少的燃料的组合以实现大于1的λ值。
节流阀TV下游的进口通道33分叉为四个支管，这四个支管分别连接到汽缸32。进口通道33的每个支管附接有一排燃料喷射阀36，该排燃料喷射阀将燃料(例如，汽油，具有或不具有补充剂诸如乙醇)喷射到相应汽缸中。燃料喷射阀36与燃料输送管38流体连通，该燃料输送管与源自燃料箱40的燃料泵39成一直线。
储存在燃料箱40中的汽油经由燃料泵39供应到输送管38，然后从第一输送管38分布到四个第一燃料喷射阀36。相应燃料阀与ECU 44流动控制连通，燃料泵39也是如此。换句话讲，燃料泵39泵送从燃料箱40抽取的汽油以直接或间接喷射到相应的汽缸中(其中示意性地示出了喷射阀36，因为它们的输出可以相对于汽缸32和相应的汽缸进料口处于不同的位置，如由发动机类型(例如，GDI、分层进料发动机(SCE)或PFI)所确定的)。
废气通道34是用于使从汽缸32排放的燃烧气体(废气)在通过本发明的废气净化设备或废气处理装置(ETA)之后排放到大气中的通道。传感器装置41(通常为将信息馈送到ECU(和/或CU)并且用于监测ETA状态并且通常设置在废气通道中的多个位置处的相同或不同类型的一个或多个传感器)在本实施方案中被一般性地表示。传感器装置41优选地包括空气/燃料当量比或A/F感测装置，其例如向ECU 44和/或CU输出与废气通道34的测量区域的空燃比相关的电信号。例如，A/F传感器输出用于确定废气中的当前λ值的电信号，并且可采用多种感测装置，诸如具有相关联的电压表的氧传感器，并且可定位在相对于从发动机出口通向废气导管出口到环境的废气通路的一个或多个策略性位置处。作为合适的传感器的一些示例，参考UEGO的通用废气氧传感器(又称作LSU)和HEGO的加热废气氧传感器(又称作LSF)。UEGO或HEGO可存在于发动机出口或预催化剂位置。HEGO输出电压(0V-1V)，并且主要被设计成指示发动机系统是富集化学计量还是稀薄化学计量地操作，但是还能够以高分辨率测量非常接近化学计量的空燃比(AFR)。一种类型的UEGO(基于不同的内阻)输出不同的电流，这有助于与确切的λ相关。在许多情况下，上游UEGO或HEGO可用作主控制反馈。HEGO通常存在于催化剂下游位置，并且用于催化剂监测和非常精细的燃料供给调整(即燃料修正)。UEGO传感器和HEGO传感器中的任一者或两者的使用是传感器装置41的实施方案的特征，并且便于下面描述的本发明的控制单元CU修改的操作，以便于在HCT脱附期间在废气中提供足够的氧水平。
图1还示出了与电子控制单元ECU 44控制通信的内燃机E。ECU 44被配置为接收如传感器数据输入中的当前数据，并且调整系统30操作(例如，燃料喷射)以使发动机E以期望的当前模式运行。ECU 44在该示例中被示出为由例如CPU、ROM、RAM和备份RAM等构成的电子控制单元。如图1中的虚线所示，ECU 44优选地与各种传感器诸如油门状态传感器48、曲柄位置传感器49、空气流量计31等电连接。油门状态传感器48被示出为输出与油门踏板的位置(油门打开程度)相关的电信号的传感器。曲柄位置传感器49是输出与内燃机E的曲轴的旋转位置相关的电信号的传感器。
ECU 44基于上述各种传感器的信号输出来控制上述各种部件。在例示的实施方案中，ECU 44被设计成控制燃料喷射阀36的相对开/关和持续状态，使得提供关于哪个喷射器36将燃料馈送到汽缸中和哪个喷射器36不馈送以及这种相应燃料馈送的时间长度的独立控制，这使得能够在任何给定时间实现对发动机在其下操作的总体空燃比的校准。
传统上输入到ECU的上述传感器中的至少一些传感器在发动机出口氧水平调整(诸如上述发动机控制程序)中起作用，以提高排放系统效率。如下文更详细地解释的，图1的控制单元CU被设计成在从ETA的烃捕集器脱附HC的时间周期期间在废气排放系统中策略性地提供稀薄废气输出。图1示出了本发明的一个实施方案，其特征在于控制单元CU(该控制单元CU是被设计用于与本发明的ETA一起使用并且由例如CPU、ROM、RAM和备份RAM等构成的控制器，CU的这些部件可以是关于ECU 44的共享或独立部件)。因此，在图1的实施方案中，控制单元CU被描绘为ECU 44的子部分。作为ECU 44的子部分，所示CU提供能够利用被馈送到ECU 44的传感器输入的优点，这些传感器输入也与CU相关，在HC捕集器的上述脱附期间，诸如在HC捕集器冷启动吸附HC之后发生的脱附期间，该CU提供关于ETA的策略性稀薄运行周期。
控制单元CU基于这样的确定设计，即用于吸附冷启动HC并位于UB废气位置的HCT(在ETA中)的HC排放减少高度取决于HC脱附阶段期间氧的可用性。换句话讲，为了使脱附HC有效地转化成H2O和CO2，氧必须可用于氧化。然而，对于典型的现代校准车辆；初始启动后的稀薄操作(如果存在)较短，并且不延伸到HC捕集器的HC脱附阶段中。在一些排放系统中，HC脱附典型地发生在当处于UB位置的捕集器在HC捕集器出口处达到相对较冷的200℃温度时；或者在一些较不冷或较高温度的HC脱附开始排放系统中，HCT入口气体温度T为至少200℃，其中一些系统涉及甚至更高的温度，如入口HCT温度为300℃或更高以用于脱附。还需注意，脱附温度根据测量捕集器的捕集效率的方式而不同。对于功率计排放测试，HC脱附(其中先前加热的气体从旁路管线被重新引导至与室温HCT接触)可被视为开始发展到高达300℃至330℃。对于FTP测试(其中废气和HCT两者一起升温)，可看到HCT在甚至低于200℃的温度启动脱附。因此，脱附开始温度(考虑到在捕集器表面上形成的物质的性质和测试方法)的一般范围为约150℃至400℃。此外，到HC脱附的时间(例如，FTP测试开始后50至150秒)，车辆上的校准处于或接近化学计量，并且/或者所有氧已基本上被紧密耦合的催化剂上的HC和CO的燃烧消耗。在不存在本发明的特征的情况下，这导致在HC脱附阶段期间从HCT快速释放HC期间没有可用的氧或只有非常少的氧可用。即使在系统中达到较高的温度，这种氧缺乏也是有问题的。
本发明的ETA包括HC捕集器和NOx捕集器的组合(“TRAP”)。虽然任何标准HCT(其能够进行所述HC吸附/脱附循环)均适合与本发明的控制系统和LNT组合一起使用，但本发明所设想的优选实施方案包括催化的HC捕集器，当位于车身底部UB位置时，该捕集器在捕集HC方面非常有效。这包括HC捕集器，当例如由于冷启动较低温度条件上游TWCcc尚未有效运行时，该HC捕集器能够捕集60％或更大(例如，至少70％)的在冷启动期间通过TRAP的HCT组分的HC。因此，本发明的HCT被设计成捕集基本上所有的烯烃、芳族化合物和潜在的一些大的烷烃(以实现70％或更大的捕获量)。关于HCT的这种捕获速率，注意到一些小烷烃优选地通过HCT进行下游处理的可能性。本发明的ETA下的NOx捕集器被构造成在HCT的HC脱附周期期间适应由于本发明的CU稀薄运行校准而产生的任何过量NOx生成，并且NOx捕集器还被设计成在CU关断稀薄运行模式并按照ECU的指示提供化学计量或富集运行周期(例如，切换到发动机E的正常主要化学计量运行)时容易地还原任何释放的(先前捕集的)NOx。
因此，本发明提供了一种废气处理装置ETA，该废气处理装置被构造用于增强先前冷启动吸附的烃(HC)的转化，这些烃在HCT达到脱附状态时释放。ETA特别适合与策略性稀薄操作校准控制单元(CU)结合使用。ETA优选地为催化剂系统，其特征在于HC-NOx捕集器组合或TRAP(例如，HCT和LNT组合)，该捕集器被构造用于在先前捕集的冷启动HC的HCT脱附的相关周期期间在由CU控制的稀薄操作条件下运行。根据本发明的ETA的实施方案包括HCT-LNT组合，诸如HCT-LNT车身底部(UB)组合，其优选地与一个或多个紧密耦合的三元催化(TWC)转化器一起操作，所述一个或多个紧密耦合的三元催化转化器被设计用于对由发动机E产生的废气的三种主要组分(HC/NOx/CO)进行初始处理，同时在大致化学计量的运行条件下操作。此外，HCT优选地为催化的HCT，如特征在于PGM负载(例如，仅Pd)的催化的HCT，优选地还与TWC相结合(诸如在车身底部上游或下游位置的TWC和/或作为直接在HCT上的涂层)。在这种情况下，TWC优选地设置有Rh或Pd和Rh的PGM。因此，在本发明的实施方案中，ETA包括一个或多个附加的TWC转化器(TWC分层或独立TWC设备)，所述一个或多个附加的TWC转化器位于车身底部(UB)位置并且与HCT-LNT组合一起工作以形成TWC-HCT-LNT组合作为TRAP，尽管本发明的实施方案还包括在任一位置处不含TWCcc、不含TWCuf或不含TWC的ETA。
为了更好地理解本发明解决关于规定排放控制诸如LEVIII的困难领域的能力，参考图3，其示出了累积总烃(THC)值(HC捕集器输入和HC捕集器输出THC)以及操作烃捕集器的入口捕集器温度(℃)的曲线图。根据EPA的联邦测试程序(FTP-75)(“FTP”)分析(具有相关联的时间和发动机速度(英里/小时))将图3的HCT(本文中称为“CAT-HCT”)串联设置在废气催化剂中。图3中示出的数据基于诸如图14中示出的排放系统设置，包括催化的HCT上游的TWCcc。测试的示例性催化的HCT或CAT-HCT包括作为载体涂料层提供给支撑基底的下述HCT层。CAT-HCT包括HC捕集器层，该HC捕集器层是通过首先制备一种浆液而形成的，先将得自Evonik Industries AG(赢创工业集团)的称为AEROPERL 3375/20的氧化铝稳定的硅溶胶添加到水中并混合。该材料占最终煅烧载体涂料“WC”负载的4.5重量％。在该步骤之后，添加勃姆石SASOL SCF-55和硝酸铁，其含量分别为最终煅烧载体涂料的1.0重量％和4.5重量％。最后添加铵形式并且SAR值为25的β-沸石，并且将浆液熟化两天。因此，SAR值为25的该示例说明了本发明的合适SAR值，其优选利用具有5至500的SAR值并且更优选地15至100的SAR值的沸石。然后将该浆液涂覆到具有400cpsi/6.5密耳孔结构和4”圆×6”长的陶瓷基底上，得到1.2升的总体积和3.64g/in3或220克/升的WC负载。
CAT-HCT包括TWC外覆涂层以使HCT成为(TWC)催化的HCT。TWC外覆涂层也通过载体涂料工艺提供。也就是说，在施加HC捕集器层之后，制备TWC层并将其施加到HC捕集器层，并且该TWC层由用4重量％的氧化镧稳定的氧化铝、硫酸钡和混合氧化物储氧材料组成，该混合氧化物储氧材料的组成为68.5％ZrO2+HfO2、24％CeO2、4％Y2O3和3.5％La2O3。
通过首先将氧化铝加入到去离子水中并且研磨(使用Sweco型研磨机)使得d50为5.5微米至6.5微米并且d90为12微米至20微米来制备浆液。然后在搅拌下加入BaSO4，接着加入La(CH3CO2)3(乙酸镧)和储氧(OS)材料。共添加硝酸以便在OS材料添加期间保持5.0-7.5的pH。将该浆液搅拌20分钟，然后再次研磨，使得d50为4.1微米至4.9微米，并且d90为10.5微米至18.5微米。然后称量浆液，并且在540℃下测量LOI(烧失量)以确定总煅烧固体含量。基于该值，计算所需Pd和Rh溶液的重量。然后在搅拌的同时向该浆液中滴加硝酸Rh溶液。一小时后，随后在搅拌的同时滴加Pd溶液。在Pd溶液添加期间，共添加TEAOH(四乙基氢氧化铵35％溶液)以防止浆液pH降至3.0-3.5以下。在添加所有Pd后，将pH调整至最终值5.2-5.5。
在浆液制备后，TWC WC具有1.20-1.40的比重或密度。然后使用机械活塞涂布机将该WC施加到包含HCT层的蜂窝陶瓷单片上。浆液在短周期内完全填充陶瓷通道，然后首先通过活塞回缩排空，然后使用真空(75毫巴至250毫巴)清理和去除任何过量的材料，以便获得期望的目标负载。通过改变比重和其他涂层参数诸如真空时间来控制载体涂料负载。在施加载体涂料之后，将该部分在540℃下煅烧2小时。煅烧后，TWC催化层的组成如下：
40.7g/l镧稳定的氧化铝；
40.7g/l储氧材料；
9.8g/l硫酸钡；
0.352g/l-2.65g/l铑；并且
0.2g/l-7.5g/l钯。
因此，从在具有HCT涂层的基底上提供具有PGM的TWC涂层的观点来看，上述涂覆工艺(用于形成图3和图4测试中使用的HCT)提供了催化的HCT。这种类型的催化的HCT适合在本发明中与CU和LNT结合使用，但优选的实施方案(下文所述)包括通过在HCT材料本身(具有或不具有添加的TWC外覆涂层)中包括PGM来催化HCT。催化的HCT的这些附加实施方案更详细地描述于下文中；但是，在任何情况下，图3和图4示出了在不考虑HCT构型的情况下，在所述汽油发动机中，在HC开始从在正常运行模式下的HCT脱附的时刻起，在HCT上游的点处氧水平如何被耗尽。
测试系统和产生废气的车辆发动机描述如下：
车辆：
2014VW Jetta Hybrid(大众捷达混合动力车)
1.4L GTDI
PZEV认证
系统说明：
紧密耦合的“CC”TWC：UTC1003@0/156/4g/立方英尺(Pt/Pd/Rh)4.16”×4.50”(1.0L体积)900/2.5cpsi/壁厚(密耳)
地板下“UF”：CAT-HCT@0/44/4g/立方英尺(Pt/Pd/Rh)4.66”×4.50”(1.26L体积)600/4.5cpsi/壁厚(密耳)
熟化：
CC:GMAC875(925℃稳态，980℃峰值)，37小时
UF：稳态富集w/空气喷射，800℃Fbed温度，6小时
图3中绘出的数据表明，当将进入HCT的HC与离开HCT的HC进行比较时，在冷启动期间去除最多至70％的HC。然而，进一步在FTP测试下的时间内，可以看出，在约85秒时，HC被释放而没有完全转化。换句话讲，在冷启动期间，地板下位置的CAT-HCT在吸附HC方面相当有效，但在FTP测试开始后的87秒后，即在入口HCT温度非常高时(入口捕集器床温度显示为366℃)，示出释放HC而没有转化。应当注意，基于与HCT中HC的脱附和转化相关联的一般假设，在该温度水平下HC转化的这种缺乏是令人惊讶的。也就是说，在约85秒的所述时间点，捕集器处的入口气体温度超过350℃(366℃)。在该温度，预期捕集器足够热以转化HC(例如，参见在一些其他系统和测试方法中关于在HCT出口温度为200℃时开始脱附的较早讨论)。然而，情况并非如此，如在下面描述的图4中所绘制的脱附的HC的转化缺乏。
也就是说，图4示出显示捕集器入口和捕集器出口处的累积总烃值、HCT入口床温度和O2捕集器输出瞬时质量(克)的曲线图。图4还示出了用于执行FTP分析的相关联的时间和发动机速度。图4的数据测试配置包括上述TWC催化的HCT连同TWCcc。测试车辆参考的2014VW Jetta Hybrid1.4L GTDI。
图4中提供的数据被认为提供了关于为什么HC未被转化/氧化的见解。也就是说，在FTP操作的相同时间周期内，图4中的瞬时氧浓度的绘图显示存在废气中没有可测量的(或基本上没有<100ppm)氧的时间周期，该没有(或基本上没有)氧的时间周期在显示发生HC的脱附的大部分时间延伸。也就是说，图4示出了从约50秒延伸至130秒的脱附周期，在该脱附范围内具有延长周期子集，其中没有或基本上没有可用的氧。这种没有或基本上没有氧可用性在图4中显示为连续地从约70秒延伸至120秒。应当注意，在FTP测试期间发生的一般脱附时间周期期间，存在几个时间增量，其中存在轻微的燃料切断或FC(换句话讲，分析的车辆被校准以在FTP期间进行燃料切断，并且因此在废气中的氧含量增加)。在这些燃料切断时间增量期间，可以看到如HCT-输入-HCT-输出绘图的正数所证明的HC转化。具体地讲，在FTP期间约120秒时，观察到废气中氧含量出现较大峰值。然而，还可以看出，FC只是临时性的，并且随着FTP循环恢复到燃料供应模式，燃料切断模式被快速切换回(例如，基于燃料切断的可用O2尖峰的完整上升和下降小于15秒)。因此，这些FTP驱动的燃料切断不适合或设计为实现本发明所描述的HC减少(也由FTP程序下图3和图4中表征的THC水平示出)。FTP还示出具有关于在驾驶周期期间近似车辆加速度需求的富集燃料模式。
如下文更详细地描述的，本发明提供与控制单元一起工作的HC捕集器和NOx捕集器的组合或耦合(HC-NOx捕集器组合)，该控制单元(例如，通过建模和/或通过所感测的参数)控制在HCT的脱附区域内供应的稀薄废气供应的周期。控制单元的受控稀薄废气供应操作被设计成与HC-NOx捕集器组合一起良好地工作，并且因此提供避免存在脱附周期但由于在脱附周期期间缺少足够的氧供应而导致HC转化不足的情况的装置。此外，HC-NOx捕集器组合的布置非常适于捕集由于脱附周期期间延长的稀薄操作而产生的任何过量NOx(其中存在足够的O2供应以适应HC转化要求，而且还存在足够的O2以潜在地增加在废气通路内通过的废气中存在的NOx)。本发明的HC-NOx捕集器组合非常适于避免过量NOx释放到大气中，其目标是在各种不同的系统布置和环境条件下满足所述法规(诸如LEVIII加利福尼亚法规)中施加的甚至更严格的要求。
通过使用本发明的HC-NOx捕集器组合来去除NOx可采取多种形式，包括经由TRAP的NOx捕集器组分在上游(尽管仍优选地位于车身底部)去除NOx，目的是使经过上游去除后流向下游的任何NOx仍然在所述规定限制内。另选地，NOx捕集器可以在与HCT一致的位置或其下游去除NOx，同样的目的是避免超过如上所述的规定限制，诸如针对LEVIII。因此，在上述短语“HC-NOx捕集器”中在NOx捕集器之前包括HC捕集器不应该被误认为将HC-NOx捕集器组合限制为需要相对于NOx捕集器的上游HCT的组合，尽管这是一种可能性。
本发明的范围包括具有组合HC捕集器(或HCT)和NOx捕集器作为其TRAP组分的ETA，其中组合的HC捕集器和NOx捕集器在相同排放系统中相关联，包括使TRAP组分(例如，HCT、LNT、TWCuf)中的一些或全部组分在相同的转化器罐内并且在不同的基底支撑“块”上，并且更优选地至少两个(例如，三个)TRAP组分在相同单片基底支撑部上(分层和/或分区)。例如，除了HCT和LNT TRAP两个组分之外，合适的第三TRAP组分包括TWC(例如，与LNT和NOX捕集器组分中的一者或两者一起布置的TWC层或独立的TWCuf催化剂设备)。本发明的ETA还包括不含上游TWCcc的ETA，该ETA例如依赖于起双重作用的催化的NOx捕集器，该催化的NOx捕集器用于在冷启动期间用作NOx捕集器组分，并且当废气温度足够高时用作TWC功能组分以使NOx捕集器执行TWC操作。然而，本发明还非常适合与一个或多个上游TWC一起使用，因为当氧水平被上游高功能TWC降低时，根据本发明的方法的稀薄校准控制特别适于供应例如适当的氧含量以去除脱附的HC。
因此，另选实施方案的特征在于存在一个或多个上游TWC(例如，独立TWCcc)，其中HC-NOx捕集器组合的催化或非催化的HCT组分在下游。
此外，本发明被设计成避免需要专用SCR组分(例如，沿着到环境的废气路径的任何地方)，并且因此偏离依赖于一个或多个SCR来控制NOx释放的现有技术方法。
对于在ETA中HC和NOx捕集器的组合利用或耦合，可以考虑多种构型。这种可能构型的示例在图5至图13中概述。一种特别适合本发明所描述的许多环境的构型包括这样的构型，其中存在分层的和/或分区的单块，以便节省体积、材料(需要一块而不是两块)，并且更快地升温所有组分(例如，参见图5和图9至图13所示的单块或涂覆的单片基底实施方案)。例如，在图5中的构型下也具有高水平TWC活性的LNT是高效构型(例如，具有最少数量的涂覆步骤的构型，并且TWC/LNT组合可升温并变得更快激活)。另外，捕集器长度对于捕集HC将是最大的，因为避免了底部HCT层的分区。然而，特定系统要求也使得其他实施方案成为期望的，诸如本文描述和/或示出的那些实施方案。
落入本发明范围内的实施方案的示例包括图5至图13中的催化剂系统的每个催化剂系统的所有组分处于优选的地板下或UB位置，优选地具有一种或多种上游催化剂，如紧密耦合或CC定位的催化剂诸如具有PGM负载的那些。此类ETA上游组分的示例包括一个或多个紧密耦合的TWC。
另外，关于根据本发明的所示的ETA布置，所表示的那些ETA可以仅由所描述的组分来限定，或者可以包括添加的废气排放控制组分，如用于汽油废气的颗粒过滤器(PF)(如单独的或与ETA的所述LNT、NOx捕集器、TWC组分中的一者相结合(例如，承载)的壁流式PF)。此外，如上所述，在本发明的优选实施方案中，存在特征化的不含SCR专用催化剂的总体催化剂系统，因为本发明的ETA布置在不需要专用SCR催化剂(例如，SCR设计的催化剂)的情况下充分地起作用。
此外，在根据本发明的ETA的许多用途中，可提供装载PGM的CC催化剂，因为许多HC捕集器不适合承受CC位置中达到的温度。根据本发明工作良好的许多HCT的最大连续操作温度(T)为约800℃，其中一些有限的T峰值为<850℃。此外，HC捕集器(或催化的HCT)可与SCR区别开，因为HC捕集器优选地具有PGM(即使当关于SCR具有一些常见材料诸如沸石时)。由于对SCR功能性的劣化影响，在SCR催化剂中避免PGM负载。例如，本发明的HCT优选地加载PGM，优选Pd，因为其非常适于促进烯烃捕集。如所指出的，在SCR催化剂中避免PGM，因为PGM对SCR的毒性极大，因为它们将氨快速氧化成NOx。进一步优选的实施方案的特征还在于HCT具有一种或多种P区金属(例如，In或Sn)和/或一种或多种过渡金属诸如选自由Ni、Fe、Mn、Co和Cu组成的组的那些，其中Fe特别适合于本发明的目的(例如，冷启动HCT捕集和随后的稀薄环境HC脱附转化)。所述P区和/或过渡金属的含量优选地为最终煅烧的HCT载体涂料的1.0重量％和10.0重量％，并且更优选地为最终煅烧的HCT载体涂料的2.0重量％至6.0重量％。
在下面的示意图中，HCT是每种实例的特征，并且虽然该HCT可包括提供上述HC吸附/脱附循环而不进行催化的标准形式，但优选实施方案的特征在于内部催化的HCT，该内部催化的HCT具有与其相关联的PGM材料(例如，是否也是基于TWC涂层的催化的HCT)。参考上面对加载非内部PGM催化的HCT(包括不具有PGM的铁)的载体涂料的描述，该载体涂料适用于本发明，尽管更优选的实施方案的特征在于添加到HCT材料中的PGM材料(优选地同时保留过渡金属和/或P区金属)。例如，针对上述CAT-HCT执行的相同浆液制备和载体涂料施加可与PGM(在该示例中为Pd)添加的附加步骤一起执行。具有PGM的该CAT-HCT示例作为如何使HCT包括PGM材料(例如，沸石和PGM组合)的一个示例概述如下。HCT的Pd的合适加载量的示例包括5-100g/ft3，并且更优选地15-50g/ft3的载体涂料负载。
浆液制备从将可商购获得的氧化铝稳定的硅溶胶添加到水中并混合开始。该材料占最终煅烧载体涂料负载的4.5重量％。在该步骤之后，添加可商购获得的勃姆石和硝酸铁，其含量分别为最终煅烧载体涂料的1.0重量％和4.5重量％。然后添加铵形式并且SAR值为25的β-沸石，并且将浆液熟化两天。在涂覆前一小时，向该浆液中缓慢添加硝酸Pd溶液。然后将该浆液以3.64g/in3或222g/L的载体涂料负载涂覆到陶瓷基底上。在图5至图13的示意图中，提供水平、细长的矩形方框来指定材料的分层(如在载体涂料施加中，其中先前层被干燥(完全或基本上)，并且使用标准载体涂料施加技术将另一载体涂料层施加到其上)。本发明的分层包括不具有高度相互混合的大致不同的材料层，或者其中上层与下面层相互混合至大于25％厚度的扩散层。在本发明的多个实施方案中，优选在例如载体涂料涂覆技术(如使用)下尽可能限制或避免任何相互混合。此外，本发明的实施方案包括在薄(例如，0.5至2.0g/in3)层中包括阻挡层，如在其间的氧化铝阻挡层中。这种阻挡层的提供在一定程度上有助于避免不期望的相互混合。例如，HC捕集器层和TWC或NOx捕集器层材料的相互混合在某些情况下可能是严重的问题。例如，沸石对TWC功能性的毒性极大，因此这种阻挡层可以帮助避免HCT沸石(当使用沸石时)与相邻的TWC层相互混合。
此外，当在TRAP中利用TWC材料时，优选的实施方案的特征在于确保足够量的负载以满足根据本发明的TRAP稀薄校准要求。也就是说，当利用时，利用TWC的足够负载以具有足够的TWC活性，并且利用HCT材料的足够负载以在由控制单元CU提供的延长的稀薄条件下实现足够量的HCT捕集效率。例如，良好的平衡被认为具有2.2g/in3或134g/L的TWC负载和3.0g/in3或183g/L的HCT负载，得到总计5.2g/in3或320g/L。TWC载体涂料负载范围是0.5-3.0g/in3和HCT载体涂料负载范围是1.0-5.0g/in3是优选的，TWC的更优选的负载范围是1.5-2.5g/in3并且HCT负载的更优选的负载范围是3.0-4.5g/in3。
图5至图13中的示意图示出了单个或堆叠的矩形层之间的互连水平线标记，用于通过在共用罐或在单个相应的罐中的单独的基底来指定上游-下游布置。由于HCT、LNT和TWC/NOx捕集器层相互混合的问题，在一些实施方案中需要包括相对较薄的阻挡层(例如，氧化铝层(约0.5g/in3或更小))，该阻挡层设置在有助于阻挡此类相互混合的位置。例如，被定位在TWC层与HCT层之间的阻挡层有助于避免不期望的相互混合。由于薄阻挡层并不总是完全有效地防止相互混合，因此利用像HCT区那样的区也是有帮助的，该HCT区与NOx/TWC捕集器一起在相同层中使用，但是它们之间具有例如2mm至3mm的小间隔间隙。下文提供了一些技术的更详细讨论，这些技术有助于避免例如HCT和TWC中可能无法充分相容的材料的不期望的相互混合。因此，虽然图5至图13中所示的层示出为直接接触，但本发明的实施方案除了具体示出的那些之外还包括在上方或下方或者在上方和下方两者的附加中间层(尽管实施方案还包括相对于HCT层、LNT层和TWC层的直接层接触)。例如，在图5的实施方案中，可在所示的LNT和HCT堆叠布置之间设置添加的中间层。可能的中间(例如，阻挡)层布置和技术中的一些在下文所述的一些图(例如，图11A)中有所描述。另外，虽然参考阻挡层作为所描绘的中间层；但是其他实施方案包括使中间层具有不同功能目的和相关联材料(例如，附加的催化剂层等)。例如，中间层可以是富集储氧催化剂材料(或OSC)的OSC-氧化铝载体涂料组分作为阻挡层或仅氧化铝。
出于本申请的目的，术语“紧密耦合(cc)位置”是靠近发动机出口的位置，如在紧密耦合的催化剂系统设备的初始接触中，其在发动机出口处或之内且距离发动机出口至多30cm(基于废气管长度)，并且更优选地在一些情况下在从发动机出口到部件入口的20cm处或之内。本发明的许多实施方案包括在约15cm内(在6英寸内)的CC转化器。
另外，在这种情况下，对“车身底部”(UB)位置的引用是对更远的下游位置(超过30cm的紧密耦合范围值)的引用，以便提供例如远离发动机并且在车辆的车厢地板下方的位置，其中发动机排放废气。车身底部间距应足以确保最大废气温度不超过车身底部TRAP组分的劣化温度。例如，捕集器在给定距离处将经历的温度随车辆类型而变化。在优选的实施方案中，车身底部TRAP组分不应定期看到高于750℃的温度，并且最大连续操作温度是800℃，其中一些峰值温度达到<850℃。然而，本发明的特征在于车身底部TRAP组分的较高的热温度实施方案。另外，CC定位的ETA组分和下游车身底部TRAP组分的合适间距的示例包括例如50cm至100cm的距离范围(CC出口到UB TRAP入口)。然而，距发动机的距离以及CC组分和UB TRAP组分之间的距离主要由沿废气通路的温度决定。根据本发明的许多实施方案，0cm-30cm(从废气歧管出口到CC组分的入口)和90cm-150cm(从废气歧管出口到TRAP的入口)的CC范围代表合适的距离。
出于本发明的目的，本发明的地板下组分的CC温度范围优选为600℃至1000℃和350℃至700℃。
在图5中，ETA的HC-NOx捕集器组合46(或TRAP)的特征在于NOx捕集器组分48(标记为稀薄氮捕集器或LNT)。NOx捕集器组分48示意性地示出为在HC捕集器(HCT)组分50上延伸的覆盖载体涂料层。HC捕集器组分50被示出为施加到下面支撑基底52(或简称为“基底”)的载体涂料层。在所示的图5构型中，HC和NOx捕集器被示出为位于单块或单片基底52上(其可能的实施方案包括穿流式基底以及上文和下文所述的其他实施方案)。优选地，在本发明的实施方案中描述的NOx捕集器外覆涂层既充当NOx捕集器，又充当所释放的HC和NOx的转化以及CO氧化的TWC催化剂。这是因为本发明的NOx捕集器的优选实施方案具有完全的TWC性能能力，并且当存在过量氧的情况下将废气校准为稀薄状态时，在较低温度下充当NOx捕集器。
如图5中进一步所示，层48和50中的每个层被示出为具有相等的纵向长度，其中所示的最上层48完全覆盖下面层50。此外，在图5所示的实施方案中，层48和50中的每个层在长度上与下面基底52相当，使得基底52在其总长度Ls的100％上被完全涂覆(这里和下面提到的“Ls”还描绘了基底52的未被除图5至图13中描述的LNT、NOx和TWC材料中的一者之外的一些其他材料(如果存在)覆盖的“部分”的100％上的覆盖长度)。例如，由于可能的负相互作用(诸如上述那些)，可能有利的是缩短一个TRAP组分长度以便限制相互混合。因此，HCT层可能不是块的整个长度，以便限制层的相互混合程度。还可能优选的是在块的出口处具有TWC/NOx捕集器，以在HC从捕集器出口脱附时使转化率最大化。例如，对于较短的区，对于在块的整个长度中相同的总PGM，有可能获得较高浓度的PGM。各种变型形式也是本发明的特征。因此，本发明的各方面包括部分重叠的情形，其中(例如)LNT的长度短于HCT，以便留下暴露部分(在任一端)。本发明的附加实施方案包括长度小于一半诸如2cm-3cm长的高浓度PGM带(优选Pd带)。捕集器出口处的PGM分层可通过使用PGM(例如，Pd)溶液浸渍来施加。以这种方式，在策略性位置处添加PGM(例如，Pd)而不添加额外的载体涂料或WC(增加的热惯性)，并且经由这种布置，在HC永久离开HCT或TRAP之前，有可能将HC氧化。
在图6中，图5中使用的相同催化剂系统构型补充有添加的(在这种情况下为下游)对NOx和HC转化有效的TWC催化剂。例如，优选实施方案的特征在于TWC，该TWC具有仅Rh的PGM负载或Pd/Rh负载，该所描绘的TWC TRAP组分的Rh负载量包括1-75g/ft3(更优选地5–50g/ft3，并且还更优选地10–30g/ft3)，或者当组合时候时，包括10-300g/ft3的Pd和2-30g/ft3的Rh。这些范围也适用于其他实施方案，其中TWC层是包括HCT层在内的一个或多个下面层的外覆涂层。
因此，在图6中，ETA的HC-NOx捕集器组合54的特征在于图5的上游分层组合(LNT外覆涂层48定位在共用基底52上的下面HCT层50上)，该上游分层组合之后的下游是TWC 56。TWC 56进一步被示出为由独立基底58支撑。TWC 56可以是任何常规TWC，尽管关于HC-NOx捕集器组合54中的当前使用和布置的偏好包括这样一个TWC，其中利用仅Rh的PGM材料或利用Rh/Pd材料的组合。用于提供期望的TWC涂层的合适载体涂料施加方法的示例包括上文针对施加至CAT-HCT的TWC涂层所述的方法。
优选地，图6所示的组分中的每个组分被布置在车身底部位置。另外，在图6中，下游TWC的入口优选地在上游定位的HCT的下游端的0cm至20cm内，其中零表示邻接关系，如两个块(例如，在共用的转化器罐中)(该尺寸范围优选地也适用于图5至图13中的TRAP的组分之间所示的任何示意性互连水平线标记)。TRAP的这些下游距离包括共用罐不同的块间距，尽管实施方案还包括在上述间距范围(如上半子范围)内间隔开的单独的罐。该图6的实施方案的间距讨论也可适用于上文和下文的实施方案中的具有所述线间距的其他布置。图6总体布置中的一个相对位置构型的特征在于被定位在一个转化器中的两个块(一个块具有LNT/HCT层组合，并且另一个块具有下游TWC)，以便彼此非常接近，如被分开1cm+/-5cm的块。另选布置包括两个转化器，所述两个转化器通常具有更大的间距，例如相隔5cm-20cm。
图7示出了ETA的HC-NOx捕集器组合(或TRAP)60，其包括位于催化的HC捕集器66的前面(上游)的稀薄NOx捕集器(或LNT)62和相关联的基底64(例如，独立的LNT涂覆的块)。也就是说，具有TWC层的HCT外覆涂层代表“催化的HC捕集器”。同样，图6的实施方案的上述间距(下游TWC的罐间距和块间距两者)同样适用，但是从上游LNT到下游HCT/TWC组合的角度。催化的HC捕集器66在图7的实施方案中示出为具有HCT层68作为由基底70支撑的下层。图7还示出了涂覆有上层TWC 72的HCT层68。TWC 72可以是任何常规TWC，尽管关于HC-NOx捕集器组合60中的当前使用和布置的偏好包括这样一个TWC，其中在TWC中利用仅Rh的PGM材料或在TWC中利用Pd/Rh材料的组合。优选地，图7所示的组分中的每个组分被布置在车身底部位置。合适的Rh或Pd/Rh负载包括上文针对图6所述的量(其中具有Pd和Rh组成(以及相关联的制造方法)的上述CAT-HCT的TWC催化剂涂覆层为合适的TWC层的一个示例)。
图8示出了HC-NOx捕集器组合74，其包括位于催化的HC捕集器80后面(在下游相距诸如上述块和/或罐的间距)的稀薄NOx捕集器(或LNT)76和相关联的基底78。催化的HC捕集器80在该实施方案中示出为具有HCT层82作为由基底84支撑的下层。图8还示出了涂覆有上层TWC86的HCT层82。TWC 86可以是任何常规TWC，尽管关于HC-NOx捕集器组合74中的当前使用和布置的偏好包括这样一个TWC，其中在TWC中利用仅Rh的PGM材料或在TWC中利用Pd/Rh材料的组合(如在上面描述的示例性CAT-HCT TWC配方中，该配方可以代表一种合适的TWC组成和制造方法的示例)。优选地，图8所示的组分中的每个组分被布置在车身底部位置。另外，图6中针对TWC所述的PGM负载的组成百分比也适用于本发明的一些实施方案。
图9示出了ETA的HC-NOx捕集器组合88，其具有HCT层90作为由共用基底(单个“块”基底92)接收的下层。图9还示出了HCT层90涂覆有分区外覆涂层，该分区外覆涂层包括上游TWC区94和下游LNT区96。在图9中，区94和96中的每个区总共示出为覆盖基底92的整个长度Ls(即Lz1+Lz2＝Ls＝Lhct)。在本发明中还考虑了区长度变型，包括区94的减小，而区96相应地增加或不增加(形成或不形成间隙)。例如，在区94和96的所示50％/50％长度布置中的减小/增大为其中区94减小到小于50％且大于或等于10％以及区96增大到大于50％且小于或等于90％的布置。另选地，在区94和96的所示50％/50％长度布置中的减小/增大为其中区96减小到小于50％且大于或等于10％以及区94增大到大于50％且小于或等于90％的布置。另外，在本发明的范围内所设想的变型包括重叠布置，其中区94重叠区96的一定百分比，如区96的长度的25％或更少被重叠，或者100％至25％被重叠。另选地，区96可在区94上以重叠布置延伸，如区94的长度的25％或更小或100％至25％被重叠。另选地，可存在相互混合的区域，诸如羽状边缘布置，其中一个区的厚度在共用的中间区域中减小并且另一个区的厚度增大，或反之亦然，其中总体厚度在羽状区段和非羽毛状区段两者中相同(在每个区界面中重叠的三角形延伸)。更进一步，可在相应区之间提供间隙，其中该间隙优选地不超过大于Lst的25％的间隙长度。另外的重叠和暴露关系在下文中进一步描述。
另外，TWC 94可以是任何常规TWC(例如，上述CAT-HCT的TWC层材料)。关于HC-NOx捕集器组合88中的当前使用和布置的偏好包括加载PGM的TWC 94，其中在TWC中利用仅Rh的PGM材料或在TWC中利用Pd/Rh材料的组合。另外，在例示的实施方案中，区94和96中的每个区完全覆盖它们在基底92上相应的延伸百分比，尽管另选实施方案的特征在于区94和96中的一者或两者未完全覆盖下面的(内部PGM催化的)HCT层(基于当未完全覆盖HCT层时所述一个或两个分区层的非覆盖，优选不超过HCT层中总暴露的40％)。另外，实施方案包括使HCT层不完全在基底的整个长度上延伸，使得区层中的一者或两者相对于基底延伸成更直接的支撑关系(例如，一个或两个区材料直接接触基底而不是HCT层)。优选地，图9所示的组分中的每个组分被布置在车身底部位置。
为了帮助可视化可能的间隙间距、重叠和添加的中间(例如，阻挡)分层中的一些，其中的一些已在上文中进行了描述，参考图9A至图9G，这些附图通常通过字母的方式指定不同的TRAP材料位置。例如，将图9A中的通用字母表示应用于图9的构型，可以看到以下：
AZ＝TWC/BZ＝区间隙或界面布置(在图9中示出为邻接)/CZ＝LNT/DZ＝图9实施方案中未示出的上游中间(阻挡)区(或区部分)/EZ＝图9实施方案中未示出的下游阻挡区(或区部分)/FZ＝HC捕集器/GZ＝支撑基底
在该框架下，从图9B中可以看出，区间隙或界面布置BZ1的特征在于下游CZ(图9中的LNT)，其向上游延伸以与上游层AZ(图9中的TWC)重叠。同样，相对重叠距离等在上文针对图9的一般性讨论中进行了描述(例如，不超过25％重叠或从25％延伸至完全100％重叠)。
图9C示出了上游/下游区AZ/CZ的反向重叠关系，其中在界面区域BZ2中，上游层AZ(图9中的TWC)与下游区层CZ(图9中的LNT)重叠。同样，该重叠的相对长度等可能的实施方案可在上文关于图9和图9C的一般性讨论中找到。
图9D示出了BZ3处的气隙布置，其特征在于AZ(图9中的TWC)实际上是与CZ(图9中的LNT)分离的气隙。这关于当一个区中的一种材料可能不与另一个区中的材料完全相容时避免任何不期望的相互混合提供了额外的保证。
图9E示出用于间隙/界面区域(由图9A中的BZ表示)的另选BZ4布置，其中提供在上游/下游层AZ/CZ之间延伸的外覆涂层而不是气隙。阻挡部可包括气体多孔材料，如高表面积γ氧化铝，或适于排除或限制区材料迁移和相互混合、但提供任何涉及催化剂的气体界面和/或有关TRAP组分的捕集功能的其他材料。
可以看出，虽然标记为“图9A”，但通用字母适用于本发明的用于TRAP材料的其他布置。例如，相对于下面描述的图10，可以看出，图9A的AZ和CZ区层可表示上游的图10的LNT＝AZ区和下游的图10的TWC＝CZ区，并且图9A至图9E中所示的各种间隙/界面BZ布置中的任何一种也适用于本发明的不同方面。
参考图9F至图9H，提供了几个中间(例如，阻挡)层的示例(例如，用于限制TRAP材料混合的装置)。因此，当中间层用作阻挡部时，其被设计成充分限制不期望的相互混合的水平(如上文所述的情况，其中一种TRAP组分材料可劣化(例如，抑制)另一种TRAP组分材料)。虽然特征在于多种阻挡层长度和厚度，但厚度范围为5.0mm至20mm(针对纵向区使用)和5微米至50微米(针对载体涂料厚度区使用)的氧化铝是非常合适的，并且是足够多孔的，使得(在这些厚度下)排放清洁中所期望的气体组分路径不被阻挡层破坏(同时阻挡部足够厚，以提供至少一定程度的TRAP区材料相互混合预防)。
在图9F中，通过虚线可以看出，在左侧仅包括DZ，并且在右侧仅包括DZ＝EZ，以表明仅单层屏障在覆盖区层与下面(一体)层FZ之间的整个长度上延伸，或者至少在某种程度上延伸横跨界面区域(BZ)，其中(BZ)未在图9F至图9G中示出，以便更好地可视化半径厚度阻挡层夹层布置。
图9G示出了中间(阻挡)层DZ(仅)，以示出集中避免仅上游区AZ(例如，图9中的TWC；图10中的LNT)和下面HCT区之间的迁移和/或相互混合。
图9H示出了中间阻挡层(仅EZ)，其集中于避免下游区CZ TRAP材料(图9中的LNT；图10中的TWC)和下层HCT区之间的迁移和/或相互混合。同样，多种BZ间隙/界面布置是本发明的特征，诸如上文所述的那些。另外，尽管在图9G和图9H中，阻挡层诸如DZ显示为以与上面的区共同的长度延伸，但是本发明的实施方案还包括在例如区AC和CZ之间出现(径向向外)的间隙区域中延伸阻挡层(诸如DZ)。同样，图9A中的一般表示也适用于对应的位置TRAP构件，诸如根据图10布置示出CZ＝TWC的图9H。
图10示出了ETA的HC-NOx捕集器组合98，其特征在于HCT层100作为由基底102接收的下层。图10还示出了HCT层100涂覆有分区外覆涂层，该分区外覆涂层包括下游TWC区104和上游LNT区106。在图10中，区104和106中的每个区总共示出为覆盖基底102的整个长度Ls(即Lz1+Lz2＝Ls＝Lhct)。在本发明中还考虑了区长度变型，包括区104的减小，而区106相应地增加或不增加，并且反之亦然。例如，在区104和106的所示50％/50％长度布置中的减小/增大为其中区104减小到小于50％且大于或等于10％以及区106增大到大于50％且小于或等于90％的布置。另选地，在区104和106的所示50％/50％长度布置中的减小/增大为其中区106减小到小于50％且大于或等于10％以及区104增大到大于50％且小于或等于90％的布置。
另外，在本发明的范围内所设想的变型包括重叠布置，其中区104重叠区106的一定百分比，如区106的长度的25％或更少被重叠，或者100％至25％被重叠。另选地，区106可在区104上以重叠布置延伸，如区104的长度的25％或更小或100％至25％被重叠。另选地，可存在相互混合的区域，诸如羽状边缘布置，其中一个区的厚度在共用的中间区域中减小并且另一个区的厚度增大，或反之亦然，其中总体厚度优选地在羽状区段和非羽毛状区段两者中相同(在每个区界面中重叠的三角形延伸)。
更进一步，可在相应区之间提供间隙，其中该间隙优选地不超过大于Lst的25％的间隙长度。另外，TWC 104可以是任何常规TWC，尽管关于HC-NOx捕集器组合98中的当前使用和布置的偏好包括这样一个TWC，其中仅Rh的PGM材料用作基于金属的催化剂，或者Pd/Rh材料的组合用作TWC中的基于金属的催化剂。还参考了上述载体涂料施加，以提供具有Pd和Rh作为PGM的TWC层，其代表了TWC 104的可能的组成和生产方法。
另外，在例示的实施方案中，区104和106中的每个区完全覆盖它们在基底102上相应的延伸百分比，尽管另选实施方案的特征在于区104和106中的一者或两者未完全覆盖下面HCT层(基于当未完全覆盖HCT层时所述一个或两个分区层的非覆盖，优选不超过下面HCT层中总暴露的40％)。另外，实施方案包括使HCT层不完全在基底的整个长度上延伸，使得区层中的一者或两者相对于基底102延伸成更直接的支撑关系(例如，一个或两个区材料直接接触基底而不是HCT层)。优选地，图10所示的组分中的每个组分被布置在车身底部位置。
图11示出了HC-NOx捕集器组合108的特征在于下层110，其是具有上游LNT区112和下游HCT区114的分区层，其中分区组合下层110支撑在基底113上。图11还示出了涂覆有TWC116的外覆涂层的分区下层110，该外覆涂层在区112和114中的每一者上完全延伸。因此，区112和114总共覆盖基底113的整个长度Ls(即Lz1+Lz2＝Ls＝Ltwc)。在本发明中还考虑了区长度变型，包括区112的减小，而区114相应地增加或不增加。例如，在区112和114的所示50％/50％长度布置中的减小/增大为其中区112减小到小于50％且大于或等于10％以及区114增大到大于50％且小于或等于90％的布置。另选地，在区112和114的所示50％/50％长度布置中的减小/增大为其中区114减小到小于50％且大于或等于10％以及区112增大到大于50％且小于或等于90％的布置。另外，在本发明的范围内所设想的变型包括重叠布置，其中区112重叠区114的一定百分比，如区114的长度的25％或更少被重叠，或者100％至25％被重叠。另选地，区114可在区112上以重叠布置延伸，如区112的长度的25％或更小或100％至25％被重叠。另选地，可存在相互混合的区域，诸如羽状边缘布置，其中一个区的厚度在共用的中间区域中减小并且另一个区的厚度增大，或反之亦然，其中总体厚度优选地在羽状区段和非羽毛状区段两者中相同(在每个区界面中重叠的三角形延伸)。
更进一步，可在相应区之间提供间隙，其中该间隙优选地不超过大于Lst的25％的间隙长度。另外，TWC层被示出为在这些分区层中的每个分区层上完全延伸，但在另选实施方案中，其可相对于下面区在一端或两端处缩短，使得区112和114的一部分更直接地暴露于废气流。对于两个区112和114，暴露量优选地小于基底的总体长度的40％。此外，TWC 116可以是任何常规TWC，尽管关于HC-NOx捕集器组合108中的当前使用和布置的偏好包括这样一个TWC，其中在TWC中利用仅Rh的PGM材料，或者针对TWC的基于金属的催化剂材料利用Pd/Rh材料的组合。在该实施方案中，CAT-HCT的上述TWC层是TWC 116的组成和潜在载体涂料制备方法的一个示例。优选地，图11所示的组分中的每个组分被布置在车身底部位置。
以与图9A类似的方式，图11A提供了用于不同TRAP材料区域的各种间隙或界面布置以及潜在中间(例如，阻挡)层布置的一般图示。图9A和图11A中的描绘之间的差异在于，在图9A中，上层(例如，AZ和CZ)被分区，并且下层FZ跨越上部上游/下游区中的两者桥接(优选地，从上游区AZ的上游端到下游区CZ的下游端完全延伸相同的长度，尽管除了完整长度延伸布置之外的其他布置也是本发明的特征)。因此，在图11A中，桥接层GZ被示出为在下面的区JZ和LZ的整个长度上延伸，尽管也考虑了桥接长度延伸的变型。
此外，在图11A中，特征在于下层等效间隙/界面区KZ，而不是在覆层区域中存在间隙界面区域BZ。同样，图11A中的通用字母可适用于如图12和图13布置的其他实施方案布置。例如，图11A中的JZ代表例如图11中的LNT；图12和图13中的HCT。
图11B示出了与图9B类似的重叠布置，但该重叠位于完全覆盖(over covering)区GZ下面的区KZ中。同样，虽然重叠程度在图11B中示出为相对较小，但诸如上述重叠距离的其他重叠距离也是本发明的特征(如在上述重叠长度讨论中)。因此，使用图11B作为参照系和下面描述的图12材料，LNT的区LZ从其下游位置向上游延伸以覆盖HCT的上游JZ层的至少下游端。
图11C示出了覆盖在下游区JZ和LZ上(覆盖有GZ层上游)的相对重叠布置，其中JZ在下游区LZ的上游端上延伸。
图11D示出了一种另选构型，其特征在于由向下延伸以在上游区JZ和下游区LZ之间提供中间体的外覆涂层GZ表示的间隙/界面区KZ。然而，鉴于期望许多实施方案避免例如HCT区和TWC区之间的相对材料接触，这在许多情况下是不太期望的构型，除非GZ代表具有另外外覆涂层的阻挡层(例如，存在于作为阻挡层的GZ上的TWC外覆涂层(图11D中未示出))。
图11E示出了附加实施方案，其特征在于中间(从层涂覆序列的角度来看)层HZ落在外覆涂层GZ(例如，图12的TWC)和下面的上游区JZ(例如，图12的HCT上游区)以及下游区LZ(例如，图12的LNT下游区)之间。在图11E中，实施方案阻挡区HZ在上游区JZ和下游区LZ两者上延伸(例如，覆盖每个JZ和LZ的整个长度，并且因此在下游侧上指示HZ＝JZ)。
图11F示出了一种布置，其中中间(例如，阻挡)HZ层覆盖(例如，完全覆盖)下层JZ，但不覆盖下游层LZ(从而导致GZ间接覆盖阻挡JZ，并且LZ部分或完全直接被GZ下游层部分覆盖)。因此，参考图12的布置作为示例，GZ＝TWC/HZ＝中间层，诸如高表面积氧化铝的阻挡层(图12中未示出)，JZ＝HCT；并且LZ＝LNT)。
图11G示出了中间(例如，阻挡)层IZ覆盖在下层LZ上，并且GZ至少部分地并且优选地完全覆盖JZ。在图12再次作为参照系的情况下，图11G的布置将是GZ＝TWZ；IZ＝中间层，如高表面积氧化铝(图12中未示出)或其他高孔隙率材料；JZ＝HCT，并且LZ＝LNT。
图12示出了HC-NOx捕集器组合118的特征在于下层120，其是具有上游HCT区122和下游LNT区124的分区层，其中分区组合下层120支撑在基底123上。图12还示出了涂覆有TWC126的外覆涂层的分区下层120，该外覆涂层在区122和124中的每一者上完全延伸。因此，区122和124总共覆盖基底123的整个长度Ls(即Lz1+Lz2＝Ls＝Ltwc)。在本发明中还考虑了区长度变型，包括区122的减小，而区124相应地增加或不增加。例如，在区122和124的所示50％/50％长度布置中的减小/增大为其中区122减小到小于50％且大于或等于10％以及区124增大到大于50％且小于或等于90％的布置。另选地，在区122和124的所示50％/50％长度布置中的减小/增大为其中区124减小到小于50％且大于或等于10％以及区122增大到大于50％且小于或等于90％的布置。
另外，如上基于图11A以一般方式所述，在本发明的范围内所设想的变型包括重叠布置，其中区122重叠区124的一定百分比，如区124的长度的25％或更少被重叠，或者100％至25％被重叠。另选地，区124可在区122上以重叠布置延伸，如区122的长度的25％或更小或100％至25％被重叠。另选地，可存在相互混合的区域，诸如羽状边缘布置，其中一个区的厚度在共用的中间区域中减小并且另一个区的厚度增大，或反之亦然，其中总体厚度优选地在羽状区段和非羽毛状区段两者中相同(在每个区界面中重叠的三角形延伸)。
更进一步，并且如图11A中整体所示，可在相应区之间提供填充间隙(或对应的上层间隙)，其中该间隙优选地不超过大于Lst的25％的间隙长度。另外，图12中的TWC层被示出为在这些分区层中的每个分区层上完全延伸，但在另选实施方案中，其可相对于下面区在一端或两端处缩短，使得区122和124的一部分更直接地暴露于废气流。对于两个区122和124，暴露量优选地小于基底的总体长度的40％。此外，TWC 126可以是任何常规TWC，尽管关于HC-NOx捕集器组合118中的当前使用和布置的偏好包括这样一个TWC，其中在TWC中利用仅Rh的PGM材料，或者针对TWC的基于金属的催化剂材料利用Pd/Rh材料的组合(例如，再次参考上述CAT-HCT的TWC载体涂料组成和形成载体涂料并施加该载体涂料的过程，其也可以应用于此处)。优选地，图12所示的组分中的每个组分被布置在车身底部位置。此外，HCT(在上文和下文所述的该实施方案和附加实施方案中)优选地仅按照上文所述的优选量包括PGM如Pd。
图13示出了HC-NOx捕集器组合128的特征在于下层130，其是具有上游HCT区132和下游TWC区134的分区层，其中分区组合下层130支撑在基底133上。图13还示出了涂覆有LNT136的外覆涂层的分区下层130，该外覆涂层在区132和134中的每一者上完全延伸。因此，区132和134总共覆盖基底133的整个长度Ls(即Lz1+Lz2＝Ls＝Llnt)。在本发明中还考虑了区长度变型，包括区132的减小，而区134相应地增加或不增加。例如，在区132和134的所示50％/50％长度布置中的减小/增大为其中区132减小到小于50％且大于或等于10％以及区134增大到大于50％且小于或等于90％的布置。另选地，在区132和134的所示50％/50％长度布置中的减小/增大为其中区134减小到小于50％且大于或等于10％以及区132增大到大于50％且小于或等于90％的布置。
另外，如以上针对图11A中的一般表示的讨论中所述，在本发明的范围内所设想的变型包括重叠布置，其中区132重叠区134的一定百分比，如区134的长度的25％或更少被重叠，或者100％至25％被重叠。另选地，区134可在区132上以重叠布置延伸，如区132的长度的25％或更小或100％至25％被重叠。另选地，可存在相互混合的区域，诸如羽状边缘布置，其中一个区的厚度在共用的中间区域中减小并且另一个区的厚度增大，或反之亦然，其中总体厚度优选地在羽状区段和非羽毛状区段两者中相同(在每个区界面中重叠的三角形延伸)。
更进一步，并且如图11A中整体地所示，可在相应区之间提供填充间隙(或对应的上层间隙)，其中该间隙优选地不超过大于Lst的25％的间隙长度。另外，LNT层136被示出为在这些分区层132和134中的每个分区层上完全延伸，但在另选实施方案中，层136可相对于下面区在一端或两端处缩短，使得区132和134的一部分更直接地暴露于废气流。对于两个区132和134，暴露量优选地小于基底的总体长度的40％。此外，TWC层134可以是任何常规TWC，尽管关于HC-NOx捕集器组合128中的当前使用和布置的偏好包括这样一个TWC，其中在TWC中利用仅Rh的PGM材料(再次参考在CAT-HCT中以Rh作为PGM的TWC组成以及同样可适用于此处的所述形成和施加方式)，或者TWC的基于金属的催化剂材料利用Pd/Rh材料的组合。优选地，图13所示的组分中的每个组分被布置在车身底部位置。
上述催化的HCTuf实施方案的特征在于具有HCT捕集器和外覆涂层TWC添加(其中HCT本身优选地包括如上文和下文所述的PGM)的分层构型。该催化层整合是一种用于向HCT提供催化的技术，尽管各种混合和分散布置也是本发明的特征。然而，在HCT材料上方具有催化层是有益的，因为其直接位于HCT的脱附位置处。催化层被设计成有助于促进先前被HCT捕集的释放的HC的分解，同时还优选地关于通过HCT的其他废气污染物是有效的。本发明的实施方案还包括在HCT组成中包括氧化还原活性碱金属，其在中性或富集条件下可以与常规TWC催化剂中Ce的方式相同的方式释放氧，并且该氧可用于将HC氧化成CO2和水。这种类型的合适元素包括过渡金属，诸如Fe、Co、Ni、Cu、Ag；稀土诸如Ce、Pr、Tb和/或P区元素诸如Sn和In。还可添加作为固溶体的元素混合物，诸如掺杂有Fe、Cu、Ni、Co、Pr、La、Y、Nd、Sn和In的Ce-Zr混合氧化物。其他优选的添加剂将是促进烯烃二聚或聚合成较大分子的那些，诸如Pd、Ni和Cu，其中根据上述讨论和PGM(如Pd)在HCT中的所述负载量，Pd在HCT中作为PGM添加剂是特别适合的。
图2不太示意性地示出在本发明范围内的废气处理装置ETA，其特征在于上游(例如，一组两个)紧密耦合的TWC和下游(车身底部)HC-NOx捕集器组合，诸如上述图5至图13中描述的那些中的任何一个。
图2示出了从发动机E(其也可以是上述发动机实施方案中的任何一个，包括如在混合动力车辆中组合使用的那些)接收废气的本发明的ETA。在图2的实施方案中，ETA被示出为包括紧密耦合的催化剂系统152。紧密耦合的催化剂系统152包括例如一个或多个TWC催化剂区域(例如，一个TWC或多于一个TWC，每个具有独立的支撑基底，或共用基底上的多个不同TWC区(例如，不同的加载量和/或催化组成))。如上所述，TWC系统152相对于ETA的废气管线154定位在紧密耦合的区域中。
图2还示出了催化的HCT–NOx捕集器组合156(例如，图5至图13中的上述TRAP组合布置中的一者)被定位在下游(例如，将HCTuf的入口置于最下游TWCcc出口下游的车身底部位置(参见上述CC和UB的例示性相对温度区和相对间距))。
图2中的参考点P1示出在缺少本发明提供的优点的情况下的位置，其具有可用于适当地转化来自HCT的脱附烃的不足量的氧。例如，在TWCcc处理之后，(同样不存在本发明的优点)在通往脱附HCT捕集器的点P1处可存在不足量的O2供应。另选地或除此之外(同样不存在根据本发明提供的益处)，现有技术下的ECU发动机校准将废气置于化学计量或富集状态，这也导致存在不足的O2以适当地转化从已经达到脱附温度的HCT快速逸出的HC。
然而，在本发明的实施方案中，在脱附周期期间通过CU策略性地将馈送到HCT-NOx捕集器组合156的废气置于或保持在稀薄状态(例如，点P1处的废气空气-燃料特性保持在λ>1状态(例如，1.02至1.1))。在所示的该实施方案中，可以通过利用CU控制的反馈感测(或用于CU操作的预先控制的设置)来实现这种延长的稀薄校准，使得在相关脱附时间周期期间，提供合适的空燃料比控制以确保HCT-NOx捕集器组合156上的足够O2供应，从而实现高性能废气排放控制(如有助于满足LEVIII标准的努力)。
上述优点与可包括(或不包括)TWCcc系统的ETA结合工作。如上所述，包括上游TWC可有助于在与UB定位的HCT接触时降低废气的温度，该UB定位的HCT由于高温而更易于劣化。ETA的另选实施方案包括例如标准氧化催化剂“OC”(例如，设计用于GDCI涡轮输出CC位置的氧化催化剂，如在γ氧化铝的高表面积颗粒支撑部上具有PGM材料的氧化催化剂)，该标准氧化催化剂是单独的(如果系统允许)，或者与附加CC ETA组分结合，如与OC结合使用的TWCcc。
在图2的示例中，示出了支撑在相应基底158A和158B上的两个TWC152A和152B，这两个基底在紧密耦合的位置处位于共用的罐或废气管长度内。作为另选CC设置的示例，基底158A可以是TWC并且158B可以是OC。图2还示出了传感器系统(具有示出的模态传感器M1至M3和热电偶温度传感器TS1)。模态传感器M1和M2可以是用于λ确定的氧传感器，这些氧传感器通常存在于大多数生产汽油发动机车辆上的TWC系统152上游和下游的所述位置。示出在TRAP 156下游的模态传感器M3是添加的部件，其用于向CU(和/或ECU)提供与例如离开TRAP的下游λ值有关的信息。传感器M3优选地与温度传感器Ts1(如热电偶)耦合，以监测TRAP的出口废气温度。在包括M3和/或Ts1的情况下，向CU提供信息，该信息提供HCT的脱附水平的信息，该信息有助于及时关闭设计用于在HCT上供应氧的稀薄校准以及返回到发动机的正常主要化学计量校准。在另选实施方案中，M3和Ts1中的任一者或两者可以省去，并且依赖于关于脱附的假定结束的经验建模(例如，如用于去除冷启动HC负载的稀薄λ下的发动机运行时间的比较)。
参考模态传感器M1、M2和M3表示适用于传感器系统41的传感器，并且可包括如上述UEGO和HEGO传感器的氧传感器。因此，这些传感器表示可用于向CU(例如，ECU 44和子部分CU)提供状态信息以使得能够监测图1所示的废气排放系统30的各种属性的传感器。因此，各种M1至M3模态传感器和温度传感器TS1表示传感器设置的示例，该传感器设置仅一般表示为图1中的传感器系统41。就CU接收的数据而言，由于由λ传感器(例如，HEGO和/或UEGO传感器)感测的λ值是高信息量的，CU可以单独依靠这些λ传感器(尽管优选地CU也与温度传感器，特别是HCT的出口床温度传感器结合工作)。此外，TRAP出口处的所描绘的温度传感器Ts1另外还提供关于脱附何时启动、持续或完成的ETA系统状态的信息，因为HCT的作用类似于色谱柱。也就是说，当HC从块的较热的前部脱附时，仅在较冷的后部区段中重新吸附，直到后部足够热以完全脱附HC。因此，相对于如图5至图13中的系统，控制单元CU的高信息量温度是出口床温度，其中Ts1提供该出口床温度的信息。在从其他温度位置的外推、计算机建模等中，可以依赖于不同模态传感器或其他温度传感器(在TRAP出口区域处具有或不具有温度传感器)的使用。
所示的两个紧密耦合的TWC可以是共同的设计，或者可以是不同的，如在上游TWCcc152A上的较高的催化剂负载和在下游TWCcc 152B上的较低的催化剂负载(同样，本发明包括不具有紧密耦合的TWC的ETA，或者如图2所示的具有多个TWC的ETA，或者具有单个TWCcc152，如仅具有TWCcc 152A)。在存在一个或多个紧密耦合的TWC的情况下，形成HCT-NOx捕集器组合156的一部分的任何TWC材料(例如，图6至图13中的包括TWC材料的示例中的任何一种)可以具有与TWCcc相同的TWC组成，或者具有不同的TWC组成(还需注意，与关于紧密耦合定位的车身底部设置相关联的较冷温度可以提供另选组成，因为它们不太可能被较高的热水平烧结等)。上述CAT-HCT催化剂涂层是潜在基底TWCcc和TWCuf材料的例示。
下面提供了代表本发明的ETA的组分的合适材料和特性的一些另外的示例，特别是与根据本发明的实施方案特征化的HCT-NOx捕集器(TRAP)组合有关的那些。
基底
其上可支撑TRAP组分的基底包括一个或多个穿流式或壁流式蜂窝体，或者基底可呈现多种不同形式，包括例如一个或多个波纹片；一团纤维或开孔泡沫；大量多孔颗粒主体；以及其他类似过滤器的结构。另外，如果利用蜂窝体，则其可由合适的耐热材料诸如金属和/或陶瓷材料制成。优选地，当为蜂窝体形式时，基底由以下物质构成：堇青石、堇青石-氧化铝、氮化硅、莫来石、锆莫来石、锂辉石、氧化铝-二氧化硅氧化镁、硅酸锆、硅线石、硅酸镁、锆石、透锂长石、α-氧化铝、铝硅酸盐、碳化硅(SiC)、钛酸铝等以及它们的组合。本发明的合适实施方案包括上述基底，在该基底上可支撑涂覆材料，如通过使PGM金属支撑在合适的(例如，金属氧化物)支撑载体上，该支撑载体以载体涂料方式施加到基底上。
如果涉及多于单个基底，则在ETA中表征的基底可全部为共同的，或者可根据ETA中的位置或者例如ETA的特定区域处支撑的载体涂料组成而利用不同的基底材料。
HC捕集器材料
本发明的特征在于具有用于烃(HC)的储存材料的HCT。用于烃的合适的储存材料包括微孔固体(所谓的分子筛)，其中沸石材料代表用于HC捕集的合适的微孔固体。储存材料诸如沸石(或类沸石)材料具有适于储存或捕获烃至少直到达到期望的脱附温度的孔隙率。也就是说，当废气是冷的时(例如，在冷启动期间)，烃被吸附；而当达到较高废气温度时，烃被脱附并潜在地转化。沸石的另一个特征是具有酸性特性，诸如布朗斯台德(Bronsted)酸性和路易斯(Lewis)酸性。捕集机制和高温下的HC保留的特征在于较小的HC诸如烯烃(乙烯、丙烯、丁烯)和较小的芳族化合物诸如甲苯经由碳正离子机制聚合成较大的分子。这导致形成焦炭前体，该焦炭前体由在高温下脱附的多环芳族化合物组成。如上所述，捕集器层中Pd、Ni和Cu的存在通过烯烃的二聚来加速这些聚合反应。氧化还原活性碱金属和储氧材料诸如Fe、Ni、Ce、Pd等的存在不仅为HC燃烧提供氧，而且这些元素也被认为直接催化焦炭(例如，Fe和Pd)的燃烧。本发明的实施方案的特征在于补充HCT捕获材料以通过使用基于金属的催化剂(如在催化中心提供PGM材料)来促进烃的转化。HCT的合适PGM加载量包括5-100g/ft3，并且更优选15-50g/ft3的载体涂料负载。所述氧化还原活性碱金属(诸如Fe)的合适负载量包括按重量计1％至10％，并且更优选按重量计2％至6％的煅烧HCT材料。
沸石材料是基于沸石或类沸石结构形式的材料，所述沸石或类沸石通常具有以下特性：
沸石：沸石是微孔晶体铝硅酸盐材料，其特征在于：具有有序的3D结构，即典型地3至12A(取决于骨架类型)的均匀孔隙/通道/笼形结构；并且具有进行离子交换的能力，使得催化活性阳离子能够分散于整个结构。由于骨架中存在三价Al和四价Si，Al离子位置与负电荷相关联，该负电荷可由质子或其他离子交换元素诸如Cu2+、Ni2+、Pd2+、Fe3+、La3+、Ce3+等平衡。如果存在质子，则沸石具有可通过共离子交换的金属离子诸如Fe、Ce、La等增强的布朗斯台德酸性。沸石脱水并以水的形式去除质子，导致在Al位点形成路易斯酸位点。具有混合布朗斯台德酸性和路易斯酸性的沸石具有强布朗斯台德酸性。布朗斯台德酸性强度也可通过共离子交换多价离子诸如Ce3+和La3+与高电荷小直径离子诸如Fe3+来增加。这些可导致在沸石笼内引入增加的静电场强度，其使酸性羟基的O-H键极化，从而增加其酸性。
类沸石：类沸石是沸石的结构同型/同晶体，不同的是类沸石是基于不同的材料组合，例如：磷酸氧化铝(ALPO)、磷酸硅铝(SAPO)、金属磷酸氧化铝(Me-ALPO)或金属磷酸硅铝(MeAPSO)，而不是连接的二氧化硅和氧化铝四面体衍生出的骨架结构。
合适的沸石材料包括例如丝光沸石(MOR)、Y沸石(FAU)、超稳Y沸石(USY)、ZSM-5(MFI)和β-沸石(BEA)或它们的混合物。这些沸石优选地以与金属进行交换的H型或NH4型使用。金属离子包括例如过渡元素、稀土元素和P区元素，如上所述的那些。
如前所述，本发明的HC捕集器可包括具有例如TWC功能性的催化剂。(TWC功能性主要来自TWC或NOx捕集器组分。然而，沸石/捕集器层包含元素或金属离子是有益的。)非常适合的HC捕集器添加剂是：Pd，其非常适合在HCT环境中用于烯烃的聚合；以及Fe，因为其在Fe3+和Fe2+之间循环时兼具氧化还原活性而用于提供氧，以及直接催化结合的聚合HC的氧化。Pd还可氧化大HC分子。HCT中Pd(或一般来讲PGM材料)的存在(如以上在HCT PGM负载讨论中所述的量)是HC捕集器与专用或指定SCR催化剂相比的一个区别特征，因为PGM对SCR催化剂的毒性极大。就这一点而言，还参考了关于TWC载体涂料材料的以下解释，尽管该解释用于不同的上下文，但其提供了关于可提供至HCT捕集材料(诸如所述沸石)的阳离子位点的PGM材料类型的信息。优选的是，将金属诸如Pt、Pd、Rh及它们的混合物(优选单独的Pd)与材料诸如丝光沸石(MOR)、Y-沸石(FAU)、ZSM-5(MFI)和β-沸石(BEA)联合应用。优选的沸石包括具有良好捕集特性的沸石，特别是适于吸收大的HC(诸如可代表废气中的大部分HC的甲苯和二甲苯)的沸石。被认为非常适合本发明的实施方案的沸石包括β沸石和超稳Y沸石(八面沸石结构)。正常Y沸石与超稳Y(USY)沸石之间的差异在于超稳Y(USY)沸石已被脱铝以产生高SiO2/Al2O3比率(高SAR值)。脱铝导致更强的布朗斯台德酸性和更高的热稳定性。这促进小HC到大HC的聚合，据信这促进了高温下HC的捕集和释放机制。
出于本发明的目的，如果使用分子筛诸如沸石来捕集HC，则合适的SAR范围为5至1000，并且更优选地为15至100。
催化的HC捕集器优选地包括含有沸石材料以及优选地PGM如Pt、Pd和Rh(优选Pd，进一步存在或不存在碱金属离子诸如Fe，如上所述)的吸附剂材料。另外，如图5所示，TRAP可仅由HCT加LNT实施方案构成。但是对于许多发动机废气环境和预期运行条件，包括TWC组分是有利的。
作为生成用于形成HC捕集器的合适浆液的示例，浆液制备从将可商购获得的氧化铝稳定的硅溶胶添加到水中并混合开始。该材料占最终煅烧载体涂料负载的4.5重量％。在该步骤之后，添加可商购获得的勃姆石和硝酸铁，其含量分别为最终煅烧载体涂料的1.0重量％和4.5重量％。然后添加铵形式并且SAR值为25的β-沸石，并且将浆液熟化两天。在涂覆前一小时，向该浆液中缓慢添加硝酸Pd溶液。然后将该浆液以3.64g/in3或222g/L的载体涂料负载涂覆到陶瓷基底上。
氮氧化物储存催化剂(NOx捕集器或LNT)
适用于本发明的ETA的氮氧化物储存催化剂(NOx捕集器)在现有技术中有所描述(DE102008048854A、WO13008342A1、WO12140784A1、WO2011023332A、WO2005092481A、EP1317953A1、EP1016448B1、EP1321186B1、EP1911506A、US 2016/0082427和EP1101528A)。NOx捕集器通常包括碱金属或碱土金属的碱性化合物，所述碱性化合物以细分的形式沉积在合适的载体材料上。此外，氮氧化物储存催化剂还典型地具有催化活性的铂族贵金属，以及储氧材料。该组成在稀薄操作条件下提供氮氧化物储存催化剂的功能，而在化学计量或富集操作下提供三元催化转化器的功能。
在SAE文献SAE950809中详细描述了氮氧化物储存催化剂的操作原理，该文献通过引用方式并入本文。
然而，碱性化合物包括碱金属、碱土金属，具体地讲为氧化钡，以及稀土金属，具体地讲为氧化铈主要用作氮氧化物储存催化剂中的储存组分，该碱性化合物与二氧化氮反应以得到适当的硝酸盐(如在上面引用的SAE文章中进一步详细描述的)。作为含铈储存材料，选自由氧化铈、铈-锆混合氧化物、掺杂有稀土的氧化铈以及它们的组合组成的组中的一种为例示性的。相对于铈-锆混合氧化物和镧和/或镨氧化物的总重量，铈-锆混合氧化物优选地掺杂有0.5至10重量％的镧和/或镨氧化物。
优选的碱性储存材料为含有Mg、Ba、Sr和Ca的化合物。已知这些材料存在于空气中，大部分为碳酸盐和氢氧化物的形式。这些化合物也适用于储存氮氧化物。出于该原因，当在本发明的上下文中提到含有碱土金属的碱性储存材料时，该碱性储存材料也包括相关碳酸盐和氢氧化物。
通常，铂族贵金属(例如，Pt、Pd、Rh及其组合和子组合)用作催化活性组分，其与储存组分一样，沉积在载体材料上。适于所述组分的载体材料是具有大于10m2/g的大表面积的温度稳定性金属氧化物，该金属氧化物促进储存组分的高度分散性沉积。例如，氧化铈、含铈混合氧化物、氧化铝、氧化镁、镁-铝混合氧化物、稀土和一些三元氧化物是合适的。在大部分情况下，将具有较大表面积的活性氧化铝用作载体材料。在其优选的实施方案中，通过应用所述方法可有利地使用的氮氧化物储存催化剂作为壁涂层施加到由陶瓷或金属制成的基底上。由陶瓷或金属制成的流动蜂窝体非常适合作为用于汽车应用的载体涂料的基底。此处所设想的氮氧化物储存催化剂也可存在于微粒过滤器之上或之中(EP1837497A1、EP1398069A2、DE102009039249A)。术语“之上或之中”意指可以将涂层施加到壁上或施加在所述壁的多孔腔中或施加到两者(这对于上面图5至图13中描述的各种基底是正确的)。
除了上述储存材料之外，本发明氮氧化物储存催化剂还包优选地含如所陈述的贵金属。就数量和类型而言，本领域的技术人员朝向现有技术定向其自身以便在开始时注意到催化剂。优选地，将选自钯、铂和铑的此类金属用作贵金属。该比例可根据本领域的技术人员可获得的知识来选择，有利地，储存材料中的铂含量为30g/cft-150g/cft，优选地为40g/cft-100g/cft并且相当优选地为50g/cft-70g/cft。就钯而言，产生10g/cft-150g/cft，优选地为20g/cft-100g/cft并且相当优选地为30g/cft-80g/cft的值。铑也以0.5g/cft-10g/cft，优选地为1g/cft-8g/cft，并且相当优选地为1g/cft-5g/cft的量存在于催化剂材料中。金属彼此的比率为50-100:10-50:1-5(Pt:Pd:Rh)，优选70-90:12-30:2-4并且特别优选80:16:3(分别为+/-10％)。
根据本发明，所提出的氮氧化物储存催化剂具有特定比率的含铈储存材料与碱土金属储存材料。10:1至20:1的比率涉及这两种组分的氧化物的重量(CeO2:碱土金属氧化物)。优选地，该比率为12:1至19:1并且相当特别优选地介于12.5:1与18:1之间。
TWC载体涂料(例如，载体材料和催化剂材料)
根据本发明的各方面，其中包括在所利用的HCT-NOx捕集器组合中设置的上游TWCcc和/或TWC材料(参见图6至图13，以了解在所利用的HCT-NOx捕集器组合中使用TWC材料的示例)。每个催化剂区(CC和UB)优选地通过用承载催化剂的适当载体涂料涂覆基底(或其他下面层)来制备，以提供三元功能性。所述复合物可通过现有技术中已知的方法容易地制备。如本文所用，术语“载体涂料”在本领域中具有其通常的含义，即施加到例如载体材料(例如，金属氧化物载体)上的催化材料或其他材料的薄的、粘附涂层，其中催化材料和载体材料两者都提供在上述支撑基底诸如蜂窝型支撑基底上，该支撑基底足够开放以允许被处理的气体穿过其流通(例如，穿流式单片或壁流式(例如，汽油发动机颗粒捕集器)基底)。还参考了上述CAT-HCT TWC外覆涂层制备和载体涂料施加，这是TWC组成和载体涂料浆液制备的另外的例示性示例。
原则上，并且在本发明的限制范围内，可以在处理系统中利用合适的TWC载体涂料，前提是这些TWC载体涂料提供对汽油发动机废气的有效处理。如上所述，TWC催化剂在废气落在λ＝1或接近λ＝1的情况下最有效地操作。对合适的TWC载体涂料及其在分区、单层或多层设计中的施加的讨论可见于例如EP1974810B1、PCT/EP2011/070541、EP1974809B1或PCT/EP2011/070539中(每个文献出于背景公开的目的通过引用方式并入本文)。关于与下游HCTuf一起使用的TWCcc的讨论也可见于US2016/0245207，其也通过引用并入本文。
本发明的各方面包括TWC载体涂料，该TWC载体涂料包括在基底载体材料(如金属氧化物载体支撑材料)上由PGM金属构成的催化剂。载体支撑材料优选地选自由氧化铝、氧化锆、氧化锆-氧化铝、氧化钡-氧化铝、氧化镧-氧化铝、氧化镧-氧化锆-氧化铝以及它们的混合物组成的组。γ-氧化铝的金属氧化物载体支撑材料非常适用于许多本发明的用途。本发明的各方面还包括掺杂有稀土金属氧化物、碱土金属氧化物或耐火金属氧化物的载体支撑材料，其量的范围优选地为0.01重量％至30重量％，更优选地为0.05重量％至15重量％，甚至更优选地为0.1重量％至10重量％。具体地讲，稀土金属氧化物、碱土金属氧化物或耐火金属氧化物优选地选自由二氧化铈、氧化镧、镨、钕、氧化钡、氧化锶、氧化锆以及它们的混合物组成的组，其中稀土金属氧化物、碱土金属氧化物或耐火金属氧化物优选地为氧化镧、氧化钡和/或氧化锆。本发明的一个方面的特征在于金属氧化物载体材料为γ-氧化铝，其任选地掺杂有稀土金属氧化物、碱土金属氧化物或耐火金属氧化物，更优选地掺杂有氧化镧、氧化钡和/或氧化锆。PGM与载体材料的结合可以用本领域已知的任何技术执行。例如，将金属分散在载体氧化物上以便在所施加的过渡金属的最小浓度下获得最大催化功能的分散技术涉及例如将过渡金属浸渍、沉淀、离子交换等到期望的载体氧化物上。本发明的TWC材料也可以通过诸如在2014年4月24日公布并转让给优美科股份公司(Umicore AG)的US 2014/0112849中描述的无溶剂、干加载技术提供给载体支撑材料(并且该参考文献仅出于背景公开的目的而结合于此)。
除了所述(例如，金属氧化物)载体支撑材料，TWC载体涂料还可包括储氧组分(OSC)。储氧材料具有氧化还原性质，并且，其能在氧化气氛下与氧化组分诸如氧或氧化氮反应，在还原气氛下与还原组分诸如氢或一氧化碳反应。这些储氧材料常常掺杂有贵金属诸如Pd、Rh和/或Pt，从而可修改储存容量和储存特性。
如果利用，储氧材料通常由铈的氧化物构成，并且可在热稳定混合阶段与其他金属氧化物一起使用(例如，Ce/Zr混合氧化物)，优选地选自二氧化铈-氧化锆混合物、二氧化铈-氧化锆-氧化镧混合物、二氧化铈-氧化锆-氧化钕混合物、二氧化铈-氧化锆-氧化镨混合物、二氧化铈-氧化锆-氧化钇混合物、二氧化铈-氧化锆-氧化镧-氧化钕混合物、二氧化铈-氧化锆-氧化镧-氧化镨混合物或二氧化铈-氧化锆-氧化镧-氧化钇混合物。这些储氧材料能够在稀薄条件下将氧从废气中去除，并且在富集废气条件下再次释放到所述废气。鉴于此，优选的是，如果OSC包括在TWCuf中，则它们定位在HCT的下游，诸如图6和图13所示，或者作为外覆涂层。此外，充满的储存氧防止在废气短暂地进入富集范围时发生HC和CO穿透，因为在富集废气条件下，储存的氧在穿透发生之前首先与过量的HC和CO反应。在这种情况下，储存氧充当对抗λ＝1以上波动的缓冲物。半满的储存氧具有阻止短暂偏离λ＝1的最佳性能。为了检测在操作期间储存的氧的填充水平，使用λ传感器(例如，表示图1所示的传感器装置41的传感器)。
本发明的各方面包括使用包括铂族金属例如Pt、Rh和Pd的TWC材料。为了掺入组分诸如铂族金属(如，钯、铑、铂和/或其组合)、稳定剂和/或促进剂，可将此类组分作为水溶性或者水分散性化合物或络合物的混合物掺入到浆液中。通常，当载体涂料中包括PGM组分如Pt、Pd和/或Rh时，所考虑的组分以化合物或络合物的形式被利用，以使组分在金属氧化物载体上分散。TWC的PGM负载示例包括单独的Rh、Rh和Pd，作为一些优选组合的示例。
控制系统
本发明的控制单元CU可包括用于ETA运行目的的个性化控制系统，或者更优选地与车辆控制系统集成的个性化控制系统，诸如如图1所示的ECU 44中的标准发动机控制单元。因此，本发明的控制单元44实施方案示例的特征在于补充发动机控制单元子部分CU，其与标准ECU集成以利用与ETA性能相关联的预先存在的各种感测参数，并且这些参数用于在HC脱附期间形成适当的稀薄氧λ水平。ECU 44的一般功能包括例如感测在系统内(例如，在发动机的进气箱处)馈送的环境空气的温度、发动机热水平(其可与发动机废气相关)和/或废气温度(如在一个或多个热电偶诸如图2中的Ts1中)、发动机rpm水平、化学属性如各种物质的当前组成或水平，或关于在废气通路位置中的一个或多个位置(诸如图2所示的位置M1至M3)处通过的废气的其他“存在状态”或“模态”信息。
该感测信息中的至少一些信息(例如，在相关废气通路位置处的空气流量和燃料供应特性和/或直接λ值测定)可被CU用来确定λ水平状态，以便帮助确保在HCT脱附期间在TRAP上保持期望的稀薄废气流状态，除非另一车辆要求超驰。例如，CU操作/配置的实施方案包括通过利用宽带氧传感器在闭环操作状态下在HC脱附期间控制稀薄λ。本发明的实施方案还包括用CU控制稀薄运行的长度以提供合适的时间段(温度传感器等针对其提供信息的预先确定的和/或感测的脱附时间段)，从而避免未转化的HC从废气系统出口释放到高于规定量的水平。此外，一旦CU认为所有HC都已从HCT脱附，CU优选地停止/中止这种操作模式。
例如，本发明的实施方案的特征在于控制单元CU，该控制单元CU被配置为接收λ水平输入诸如由图2所示的传感器组中的氧传感器生成的输入和/或温度值(例如，图2中的Ts1)，以用于检测脱附HC的脱附和氧化的时间段。另选地，CU可在没有M3和Ts1传感器(图2所示)的情况下操作，并且基于建模(任选地包括在建模过程中在标准汽车上发现的上游模态传感器M1和M2的使用)来设置被认为是实现对脱附HC的氧供应的期望水平和持续时间所必需的稀薄运行时间。
感测的(或建模的)期望λ值存储在控制单元CU中，并且由CU用于确定(例如，基于当前发动机参数和/或HCTuf处的废气组成测量结果的值)最适于去除HCTuf的当前水平的脱附的HC的优选稀薄λ值(同时保持不产生超出TRAP旨在容纳和/或导致给定负载的不适当的发动机性能的过量NOx的努力)。控制单元CU指示排放系统增大(或减少)在稀薄废气流中提供的氧量(如通过燃料减少和/或向发动机添加的空气输入)以实现期望的稀薄λ值，从而有助于在不过度产生NOx的限度内进行HC脱附，对于所述过度产生的NOx，TRAP不能适当地容纳或导致不期望的发动机性能。
控制单元CU还可监测到发动机的当前氧和燃料输入，并且使用该信息外推发动机燃烧后的预期λ值；该信息可替代或结合直接λ值感测使用。例如，可以将当前λ值与脱附的HC转化所需的期望λ值进行比较，并且可以使用关于到发动机的电流馈送的外推信息来促进CU的逻辑控制。例如，当感测到需要增加稀薄λ值以满足HC脱附转化标准时，如果对发动机进料口的并流感测表明在燃烧气体到达HCT时会产生更稀薄的结果，则可以抑制增加水平。控制单元CU的控制功能可以连续地执行，如在与HCT的脱附循环相关联的期望端点时间段内的毫秒循环中，诸如基于HCT达到的温度水平(例如，参见上文所讨论的400℃至450℃水平范围，该范围超过了关于绘制的图3和图4所述的超过250℃的足够高的“预期”温度)的脱附循环。
换句话讲，本发明的控制装置(例如，补充的增强型电子控制单元CU)考虑感测的信息以确定是否存在适当的稀薄λ值，该适当的稀薄λ值将提供最适于实现这样的目标的氧供应，即提供足够的氧供应以在给定发动机废气温度下在该区域转化脱附HC(而不产生TRAP的NOx储存能力无法处理的过多NOx或引起不适当的发动机性能)。相对于HC脱附周期，该稀薄λ值持续时间保持一定的时间范围，该时间范围基于正经历的预先确定的触发事件(如达到预先确定的温度)，或基于一些其他触发事件，诸如达到预先确定的时间周期结束，以及/或者优选地直接在HCT处感测到的脱附中断。在实施方案中，本发明的控制器CU还被配置为控制各种装置的操作以保持期望的λ值，尽管存在变化影响(除非是超驰类型，如在操作者感测到对快速加速的需要)。这种稀薄保持控制可通过上述增加环境空气流和/或减少进行中的燃料供应水平的技术(使用本领域中预先建立的技术，诸如在λ的受控切换中利用的技术，以实现TWCcc的有效操作)来实现。
图15示出了控制单元的逻辑流程图的一个示例，该控制单元与设计用于减少脱附阶段排放的稀薄操作HC捕集器一起使用。如图15所示，在该实施方案中，具有以下步骤的特征。也就是说，在步骤S10(作为HC捕集器脱附阶段审查的一部分)中，存在关于检查发动机灯是否关闭(即当前不存在排放相关的故障)的审查。如果否，(检查发动机灯打开)则在步骤S20中止当前循环。如果是，(检查发动机灯关闭)则执行步骤S30，其中确定A/C是否接通或车辆的某个部件正在牵引重负载，这表明稀薄运行是不期望的。如果存在此类感测到的负载(A/C要求)，则步骤S40为类似的中止，直到下一个循环。同样，这是因为A/C压缩机对一些发动机施加高负载，使得稀薄操作通常是不期望的。然而，如果发动机能够处理此类较高负载并保持根据本发明的HC脱附转化的合适稀薄运行，则可以避免或修改该步骤检查(例如，根据本发明的稀薄限制可由CU作为负载的函数进行审查，并且确定期望的稀薄水平是否适于适应期望的延长稀薄运行以及感测的发动机负载要求两者，包括折衷情况，其中例如即使感测到发动机负载需求如A/C被感测到处于打开，发动机仍可由CU稀薄操作，但处于降低的稀薄状态(例如，1.1下降至1.05))。
在步骤S50中，确定UB TRAP温度(例如，HCT出口温度)是否在预先确定的范围内，如在附图中标注为非限制性但例示性范围的100℃≤X≤400℃范围。该确定表示有助于确定期望的稀薄操作时间段的参数。例如，许多CC对CC催化剂温度进行建模，以便提供防止其操作过热的措施。使用多个其他测量的参数来对温度进行建模，并且针对实验测量的数据进行验证。以相同的方式，根据本发明建模的UB催化剂床温度使用该信息来控制稀薄操作周期。因此，当X温度在预先确定的范围内时，控制单元对适当的稀薄运行循环进行建模，并且前进至步骤S70以确认此类稀薄循环运行在给定的发动机操作需要下是适当的。如果X温度值不在当前审查下的范围内，则根据步骤S60中止分析直到下一循环。在步骤S70中，对发动机暖机状态进行检查，其中发动机水温是一个可靠指标。如果发动机当前温度(以下公式中的ECT或Y)不在10℃≤Y≤90℃的所示范围内，则在S80处存在中止步骤。其原因是当在冷的发动机稀薄状态(<10℃)下操作时燃烧稳定性将受损。此外，具有水温(>90℃)的高度暖机的发动机意味着整个系统(包括废气)被充分加温，使得不会有可能导致需要稍后释放的HC转化的任何捕集功能。应当注意，发动机冷却剂温度和废气温度之间存在相关性。如果车辆发动机启动并且发动机冷却剂温度接近其完全暖机的操作温度(约90℃)，则这意味着来自前一次“行程”的废气将仍然是热的，并且HC捕集器将不能用于储存任何HC，因为HC捕集器仅在它们足够冷时储存。废气温度基于ECT、自发动机关闭以来的时间等建模。根据本发明的HC从HC捕集器脱附期间的稀薄操作优选地仅在以下情况下执行：确定HCT已经如在“冷”启动期间储存HC，或者先前执行的稀薄脱附循环由于被中断(例如，车辆关闭)而没有运行或没有运行到完成。
在步骤S90处，确定进气温度(IAT)是否超过预先确定的水平，如10℃。如果为否，则S100是中止步骤，因为冷进气温度抑制稀薄操作。如果IAT温度足够高，则控制系统移动至步骤S110，其中利用当前温度传感器对当前TRAP温度进行传感器检查。这里也可使用氧传感器(UEGO或通用废气氧传感器)，以便以闭环方式控制到精确的稀薄λ目标设置。换句话讲，在初始确定已知稀薄循环模型的情况下，如果在反馈回路下的感测表明存在不期望的偏差，则可进行适当的调整。如果未示出UEGO传感器处于就绪模式，则执行中止步骤S120。
在步骤S130中，进行映射比较。例如，从保留在控制单元中的二维标侧图或表控制燃料供给，以帮助在给定发动机条件下控制到目标λ(例如，目标λ可以是第1轴上的发动机负载和第2轴上的发动机速度的函数)。以这种方式，避免了在较高负载下燃烧不稳定，在较高负载下，稀薄λ操作是不期望的或不安全的。
使用本发明的方法
本发明的范围还包括使用ETA和CU组合的方法，该方法包括使由主要化学计量运行的发动机E产生的废气通过TRAP(例如，图5至图13所示的实施方案中的一个)上的气体通道，并且利用控制单元CU将通过TRAP的HCT的废气置于稀薄状态(例如，在HC从HCT脱附的时间周期期间λ值为1.02至1.1(例如，(优选连续地)无中断地(或仅有轻微中断，如针对图4描述的前述短时间周期燃料输入)稀薄运行)。如从图15可见，例如HCT的出口端的温度检查可用于帮助确定何时启动稀薄供应循环和/或下游模态传感器诸如M3。例如，模态传感器的输出和/或HCT(或废气系统中的一些其他提供有用信息的部件/位置)的温度可从冷启动的开始进行监测，并且当超过范围的下端(例如，100℃)时，可在废气流中启动稀薄流循环，如通过CU对发动机中氧水平的调整。设置较低点温度以确保HC脱附时间期间的稀薄运行的示例可设置为低于实际预期的起燃温度一定量，虽然预期的起燃温度也可用作触发点(然而，前者更好地提供了触发更多氧供应和该增加的氧供应到达HCT之间的固有滞后)。因此，通常在初始冷启动(例如，小于200℃的温度)后的时间点处提供稀薄流至这样一个时间点，在该时间点使用稀薄废气添加氧源实现对脱附的HC的转化，使这种转化达到满足诸如LEVIII的法规的目标的程度。另外，从图15的步骤S50中还可以看出，控制单元CU可以控制系统以便从启动时到HCT达到大于400℃的温度或更高的温度的时间点保持稀薄废气流，如大于400℃至450℃或甚至更高的温度设置，该更高的温度设置取决于给定系统的温度上升的速度。如上所述，CU可以用另选标准编程以使CU控制发动机E的延长的稀薄运行(例如，从冷启动开始的基于时间的系统)。优选地，结合控制反馈来执行控制参数，以便于保持在期望的λ程序内，尽管系统操作存在各种动态变化(例如，使用传感器系统41来确定HC脱附何时被认为完成)。
组装本发明的方法
本发明在其范围内还包括排放系统的组装，该排放系统的组装包括组装用于处理由汽油运行发动机产生的排放的ETA以及与ETA一起使用的CU。该组装方法包括在废气管线中提供TRAP，其中诸如图5至图13所示的那些实施方案是代表性的。另选实施方案包括进一步添加上游紧密耦合的催化剂，如与TRAP置于共用的废气通路中的一个或多个TWC。本发明的范围还包括将包括ETA实施方案的排放系统(诸如上述那些)与主要化学计量的汽油发动机组装在一起。本发明的一个实施方案还包括提供CU以与ETA状态通信，如在(修改的)ECU的子单元中那样，或者提供关于ETA的操作状态的建模。
本发明有助于减少冷启动HC排放，但实施方案还可改善FTP测试的NOx排放以及热重启HC和NOx排放。本发明对于混合和停止-启动应用可能特别有用。减少此类排放的帮助还与减少紧密耦合的催化剂的PGM负载相关，因为改善冷启动HC起燃通常需要高Pd负载。通过使用本发明的TRAP和CU组合，可实现冷启动HC排放的减少，使得现在可以在CC催化剂中使用较低的Pd负载。例如，与没有本发明的用TRAP构型进行延长稀薄控制的操作相反，在一些环境中，用本系统可以从CC催化剂中去除50-300g/ft3 Pd。
此外，关于本申请中呈现的任何范围，本公开中表达的范围包括每个范围的端值、端值之间的所有值以及端值所包含的所有中间范围。例如，400℃至450℃的范围也被认为包括如400、401、402等的每个单独的单位值，以及其中的子范围诸如400℃至435℃。然而，就范围表达式内的值和子范围的包含性质而言，该指示不应被误解释为排除其中对于特定最终结果具有关键性的某些范围、子范围或值。
最后，应当理解，本文所述的制品、系统和方法本质上是示例性的，并且这些具体实施方案、方面或示例不应被视为具有限制意义，因为设想了许多变型。因此，本公开包括本文所公开的各种系统和方法的所有新颖且不明显的组合和子组合，以及它们的任何和所有等同物。

Claims (24)

1.一种适合与汽油运行发动机一起使用的废气排放减少系统，包括：
废气处理装置，所述废气处理装置具有车身底部定位的NOx捕集器和HC捕集器组合；
控制单元，所述控制单元能够操作为将稀薄废气条件延长到由所述HC捕集器捕集的烃的脱附周期，以便促进所述脱附周期期间的烃排放减少。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述NOx捕集器和HC捕集器组合包括基底支撑部，所述HC捕集器层叠在所述基底支撑部上，并且所述NOx捕集器层叠在所述HC捕集器层上。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述废气处理装置还包括一种或多种TWC组分。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述废气处理装置包括上游紧密耦合的TWC组分和下游车身底部TWC组分两者，其中下游TWC与所述NOx捕集器和HC捕集器组合的NOx捕集器和HC捕集器组分在共用的支撑罐中。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述NOx捕集器和HC捕集器组合包括基底支撑部，所述HC捕集器层叠在所述基底支撑部上并且所述NOx捕集器层叠在所述HC捕集器层上，并且其中所述一种或多种TWC组分包括定位在所述NOx捕集器和HC捕集器组合的下游的TWC组分。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的系统，其中所述NOx捕集器和HC捕集器组合包括在第一支撑基底上的紧密耦合的TWC和上游车身底部NOx捕集器以及第二支撑基底，所述第二支撑基底支撑HC捕集器层和在所述HC捕集器层上的TWC层。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的系统，其中所述废气处理装置包括第一支撑基底，所述第一支撑基底具有含PGM材料的HC捕集器层，并且在所述HC捕集器层上供应NOx捕集器层和TWC层中的一者或两者。
8.根据权利要求7所述的系统，其中在所述HCT捕集器层上仅供应TWC层并且第二支撑基底被定位在所述第一支撑基底的下游，并且其中所述第二支撑基底支撑所述NOx捕集器和HC捕集器组合的所述NOx捕集器层。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述TWC层和所述NOx捕集器层两者设置在所述HC捕集器层上，以便支撑在所述第一支撑基底上。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述TWC层的至少一部分被定位在所述NOx捕集器层的下游端的上游。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述TWC层的至少一部分被定位在所述NOx捕集器层的上游端的下游。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的系统，其中所述废气处理装置包括第一支撑基底，所述第一支撑基底支撑第一HC捕集器区和由(a)和(b)中的一者占据的第二区，其中(a)是所述NOx捕集器，并且(b)是TWC层，并且在由所述第一支撑基底支撑的所述第一区和所述第二区上提供(a)或(b)中的一者的完全覆盖物，其中所述完全覆盖物是不代表所述第二区的所述(a)或(b)。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述HC捕集器区包括PGM，所述PGM包括Pd以及过渡金属和/或P区金属组分。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其中(a)作为所述第二区提供，并且所述第二区在所述HC捕集器区的上游，并且(b)在(a)和所述HC捕集器区中的每一者上延伸。
15.根据权利要求12或13所述的系统，其中(a)作为所述第二区提供，并且所述第二区在所述HC捕集器区的下游，并且(b)在(a)和所述HC捕集器区中的每一者上延伸。
16.根据权利要求12或13所述的系统，其中(b)作为所述第二区提供，并且所述第二区在所述HC捕集器区的下游，并且(a)在(b)和所述HC捕集器区中的每一者上延伸。
17.根据权利要求1至16中的一项所述的系统，其中所述控制单元接收HC脱附特性的输入感测信息和/或建模信息，并且基于所接收的信息在所述HC捕集器的脱附周期期间延长向所述HC捕集器层的稀薄废气供应周期。
18.根据权利要求1至16中的一项所述的系统，其中所述控制单元设置时间周期或系统温度参数，所述时间周期或系统温度参数确保在所述HC捕集器层脱附烃时的某个时间向所述HC捕集器层的稀薄废气供应，并且任选地所述控制单元接收关于相对于所述HC捕集器的脱附特性或脱附周期定时的反馈监测信息。
19.根据权利要求1至18中的一项所述的系统，其中所述控制单元在先前冷启动周期之后设置延长的时间周期或温度范围端点，其中在返回到所述HC捕集器上的主要化学计量的废气流之前向脱附HCT提供稀薄废气流。
20.根据权利要求1至19中的一项所述的系统，还包括混合或非混合形式的发动机，所述发动机选自由气口燃料喷射(PFI)发动机、分层进料发动机(SCE)、汽油直接喷射发动机(GDI)、双喷射系统发动机(PFI+GDI)以及汽油直接喷射压缩点火(GDCI)发动机组成的组。
21.根据权利要求1至20中的一项所述的系统，其中相对于从发动机废气输出到通往大气的这些废气的释放点的整个长度，缺少专用SCR催化剂单元。
22.根据权利要求25所述的组合，还包括罐，并且其中所述HCT捕集器、NOx捕集器和TWC中所有三者均在所述罐中。
23.一种与主要化学计量的汽油运行发动机一起使用的控制设备，包括控制单元，所述控制单元包括信号传输部件，其中所述信号传输部件包括发信设备，所述发信设备保持在如权利要求1至22中的一项所述的HC捕集器和NOx捕集器催化剂组合上的稀薄废气流的延长周期，所述HC捕集器和NOx捕集器催化剂组合接收来自所述主要化学计量运行的汽油发动机的废气输出，所述废气输出只要不是用于所述控制单元发信，均将校准到主要化学计量的λ设置。
24.一种减少废气排放的方法，包括使废气通过根据权利要求1至21中的一项所述的废气排放减少系统中的所述废气处理装置。
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