CN112867849B - 用于废气后处理的方法和废气后处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于汽油发动机(10中)的废气后处理的方法和废气后处理系统。在该方法中，布置在汽油发动机(10)的废气管道(1)中的两个催化器(2,3)在不同的状态下操作。第一三元催化器(2)在稍微低氧的区域内操作，并且第二三元催化器(3)在稍微富氧的区域内操作。此外，二次空气被吹入两个三元催化器(2,3)之间的废气管道(1)。因此，有可能特别大程度地减少汽油发动机(10)的排放物的输出。本发明还涉及排气后处理系统。

Description

用于废气后处理的方法和废气后处理系统
技术领域
本发明涉及一种用于汽油发动机中废气后处理的方法，以及一种废气后处理系统。
背景技术
在汽油发动机的情况下，三元催化转化器被用于废气后处理。这些催化转化器将污染物(即碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx))转化为诸如水和二氧化碳的无害的废气组分。为了理想的转化，在催化转化器中有必要存在某些状态。因此，催化转化器的温度必须高于转化所需的点火温度。此外，反应物必须以正确的比例提供。如果废气中的氧气量恰好足以使所有的废气成分能够被氧化，就会出现这种情况。在这种情况下，参考λ = 1.0的废气λ值。
为了确保催化转化器中的这些理想转化条件，火花点火发动机目前借助于λ探针控制，使得发动机输送具有正确λ值的废气。目前，两个λ探针用于此目的。
1. 在三元催化转化器前面的线性λ探针，
2. 在三元催化转化器之后的二元λ探针。
这被称为LIN/BIN λ探针系统。
控制的目的是交替地向催化转化器供应稍浓的废气(λ < 1)，然后供应稍稀的废气(λ > 1)，给出精确的平均值λ = 1.000。在这里，催化转化器具有存储氧气和一氧化碳的能力是有帮助的，从而确保始终有足够的反应物可用。
a. 在稀相中，HC和CO被过量的氧气氧化，并且氮氧化物被存储的CO还原，并且过量的氧气存储在催化转化器中。
b. 在浓相中，NOx被缺氧的CO还原，HC和CO被存储的氧气氧化，并且过量的CO存储在催化转化器中。
为此，线性λ探针用于设定交替的λ设定点。二元λ探针用于通过“配平控制”系统设定650mV的二元探针电压。
只有当催化转化器始终成功保持在λ = 1.000的平均值时，整个系统才能工作。如果稀或浓的废气从发动机出来的时间太长，导致存储容量不再充足，则存在突破。在稀突破的情况下，NOx排放物是结果。在浓突破的情况下，存在HC和CO排放物。为了避免这种情况，越来越大的催化转化器或具有更高存储容量(贵金属含量更高)的催化转化器或在车辆的地板下的附加催化转化器被用于超低排放概念，其设计用于符合最新的废气法规。
然而，由于现代内燃发动机的非常动态的操作和大量的操纵变量(可变气门正时/气门升程)，λ值与设定点存在重复偏差。因此，不能保证预先预设的浓相和稀相平均会彼此抵消。原则上，配平控制系统应该平衡不相等的浓相和稀相。然而，这种控制器非常慢。如果λ值连续出现大量相对较大的偏差，则可能因此出现突破。
LIN/BIN系统的基本问题是催化转化器在非常窄的转化窗口内操作。结果，即使在一个或另一个方向上的微小偏差也会导致排放。
发明内容
本发明基于提供一种用于废气后处理的方法的目的，通过该方法可以特别大程度地减少排放。
根据本发明，该目的通过一种用于汽油发动机中废气后处理的方法来实现，该方法包括以下步骤：
在稍微低氧的范围内操作布置在发动机的废气管道中的第一三元催化转化器；
在稍微富氧的范围内操作布置在第一三元催化转化器下游的发动机的废气管道中的第二三元催化转化器；
将二次空气吹入两个三元催化转化器之间的废气管道。
根据本发明，上述问题通过两个催化转化器在不同状态下操作的事实来解决。这里，第一三元催化转化器(主催化转化器)以能够可靠地还原所有氮氧化物的方式操作。为此，它更多地在低氧范围内操作。
如果第一三元催化转化器以这种方式操作，则存在HC和CO不可能100%转化的问题。因此，始终存在轻微的HC和CO泄漏。现在为了完全转化这些成分，使用了第二三元催化转化器。对于HC和CO的转化来说，有足够的氧气是重要的。为此，二次空气被吹入两个催化转化器之间。
第二三元催化转化器应该可靠地转化所有的残余HC和残余CO。因此，催化转化器必须在富氧范围内操作。
考虑到法规，本发明还提供了特别鲁棒的控制概念，以便以稳定的方式遵守废气排放限制，即时在催化转化器体积相对较小的情况下。为了实现这一点，根据本发明，使用NOx传感器作为NH3传感器，以便在稍微低氧范围(稍浓的范围)内实现第一三元催化转化器的控制。
如果二元后催化探针指示例如800mV的探针电压，则催化转化器在低氧范围内操作是这种情况。然而，利用二元后催化探针的控制在这里遇到其极限，因为探针信号在800mV的区域内已经非常平，使得实际上不可能控制到这个设定点。
根据本发明，为此目的使用对氨(NH3)具有强交叉灵敏度的NOx传感器。如果第一三元催化转化器在800mV后催化探针电压的区域内操作，这是产生氨的范围。根据本发明，这可以用于通过NOx传感器进行第一三元催化转化器的两点控制。
这可以通过下面描述的方式来执行，例如：
1. 发动机以稀方式(例如，λ = 1.02)操作，直到二元探针电压达到650mV。
2. 然后，发动机以浓方式(例如，λ = 0.98)操作，直到通过NOx传感器检测到NH3上升。
根据本发明，NOx传感器因此用于控制第一三元催化转化器的目的。由于这种类型的NOx传感器实际上由三个传感器组成，即二元λ探针、线性λ探针和实际的NOx传感器，因此，根据本发明，不需要使用两个传感器来执行所述的控制。这里有可能简单地使用NOx传感器的二元探针信号。
关于第二三元催化转化器，这里优选地使用二元λ探针来实现第二三元催化转化器在稍微富氧的范围内的控制。同样，为了使第二三元催化转化器交替地在稀和浓模式下操作，并保持其平均非常接近λ = 1，需要这种控制。
在这种情况下，用于控制第二三元催化转化器的二元λ探针应指示小于400mV(稍微富氧范围)的探针电压。为了以这种方式控制第二三元催化转化器的氧气负载，根据本发明使用二元探针，该二元探针优选地被控制到稀二元探针设定点(例如300mV)。
由于废气在第一三元催化转化器之后仅稍浓，因此也有必要仅添加非常少量的二次空气。因此，该系统要求对二次空气进行非常精确的计量。因此，二次空气优选地交替地打开和关闭，以便实现稀相和浓相，其中打开时间的时长或二次空气量通过二元探针的探针电压来控制。
就根据本发明执行的控制而言，三个步骤因此具有重要意义：
使用NOx传感器作为NH3传感器，以便在稍微浓的范围内实现第一三元催化转化器的控制，使用二次空气，以便在不同的λ范围内操作催化转化器，以及通过使用的二元探针来控制二次空气，以便在稍微稀的范围内操作第二三元催化转化器。
总的来说，利用根据本发明的方法实现了一系列优点。这些优点包括废气后处理系统的更稳定的控制和因此在相应的驾驶循环(还有RDE驾驶循环)中更低的排放，催化转化器中贵金属装料的可能减少，以及通过NOx传感器对主催化转化器的更简单的诊断。
本发明还涉及一种用于汽油发动机的废气后处理系统，其具有布置在废气管道中的第一三元催化转化器、布置在废气管道中第一三元催化转化器下游的第二三元催化转化器以及用于将二次空气吹入两个三元催化转化器之间的废气管道的装置。
上面已经解释了通过这种类型的废气后处理系统执行的方法。还描述了一种用于控制这种类型的废气后处理系统的方法。出于这些控制目的，该系统优选地具有用作NH3传感器的NOx传感器，以便在稍微低氧的范围内控制第一三元催化转化器。为此，有利的是将NOx传感器布置在第一三元催化转化器中。
为了在稍微富氧的范围内控制第二三元催化转化器，该系统优选地具有二元λ探针。
原则上，在NOx传感器之后和二元探针之后都有可用的主动催化转化器容积是值得的。对于NOx传感器，原因是执行从浓到稀的转换需要一定的时间。因此，如果NOx传感器检测到NH3的上升，则不应该有立即的NH3突破，因此传感器优选地不布置在催化转化器之后，而是布置在催化转化器本身中(例如，在长度的2/3处)或主催化转化器的两个块之间。
对于二元探针，原因是对催化转化器或探针本身的诊断。为了测试第二催化转化器的储氧能力，系统必须在浓或稀模式下操作，直到出现突破。如果现在没有其他的催化转化器容积可用，则在诊断过程中排放会增加。
如果系统在第一三元催化转化器的上游具有线性λ探针，这是有利的。
为了使所提供的二元探针能够控制二次空气供应，用于吹入二次空气的装置优选地具有二次空气泵和二次空气阀。
所提供的第二三元催化转化器可以优选地设计成地板下催化转化器。
也有可能将第二三元催化转化器设计成四元催化转化器。也就是说，该催化转化器可以是纯三元催化转化器，或者替代地是具有三元催化剂涂层的颗粒过滤器(四元催化转化器)。
附图说明
下面将结合附图通过示例性实施例详细解释本发明。在附图中：
图1示出了废气后处理系统的示意图；和
图2示出了图1中的系统的放大图。
具体实施方式
图1示意性地示出了汽油发动机(火花点火发动机)10，其具有空气供应管道11和废气管道1。布置在废气管道1中的是第一三元催化转化器2，其后是第二三元催化转化器3。线性λ探针7布置在第一三元催化转化器2的上游。第一三元催化转化器2设置有NOx传感器8，其在催化转化器的长度的2/3处布置在催化转化器中。
第二三元催化转化器3位于第一三元催化转化器2的下游，并且具有二元λ探针9。通向两个催化转化器2、3之间的废气管道1的是二次空气管线4，通过该二次空气管线4，二次空气通过二次空气泵6和二次空气阀5吹入。
参照图2解释上述废气后处理系统的操作模式。该系统具有常规的线性λ探针7，其以已知的方式经由线路18向控制单元(未示出)输出信号，该控制单元控制供应给发动机2的空气燃料混合物。第一三元催化转化器2(主催化转化器)现在以能够可靠地还原所有氮氧化物的方式操作。为此，它在低氧范围内操作。这里，NOx传感器8用作控制传感器，一方面检测在催化转化器中产生的氨(NH3)的比例，另一方面提供二元探针信号，用于获取可比的二元后催化探针的相应探针电压。这两个信号都经由线路19和12提供给控制单元，以便执行相应的控制。
与第一催化转化器2一样，第二催化转化器3也必须交替地在稀和浓模式下操作，为此同样需要控制，以保持第二催化转化器3平均非常接近λ = 1。为了以相应的方式控制第二催化转化器3的氧气负载，使用二元探针9，通过该探针设定稀二元探针设定点。为此，相应的信号13被输出到控制单元。
由于废气在第一催化转化器2之后仅稍浓，因此也有必要仅添加非常少量的二次空气。因此，该系统要求对二次空气进行非常精确的计量。因此，二次空气通过二次空气阀5交替地打开和关闭，以实现稀相和浓相。打开时间的时长或二次空气量通过二元探针9的探针电压来控制。这里，二次空气泵6和二次空气阀5的相应致动用14和15表示。

Claims (10)

1.一种用于汽油发动机(10)中的废气后处理的方法，具有以下步骤：
在稍微低氧的范围内操作布置在所述汽油发动机(10)的废气管道(1)中的第一三元催化转化器(2)；
在稍微富氧的范围内操作布置在所述第一三元催化转化器(2)下游的所述汽油发动机(10)的所述废气管道(1)中的第二三元催化转化器(3)；
操作布置在所述第一三元催化转化器(2)中的NOx传感器(8)；
将二次空气吹入所述第一三元催化转化器(2)和所述第二三元催化转化器(3)之间的所述废气管道(1)，
其中使用所述NOx传感器(8)作为NH3传感器，以便在稍微低氧范围内实现所述第一三元催化转化器(2)的控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用二元λ探针(9)，以便在稍微富氧的范围内实现所述第二三元催化转化器(3)的控制。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一三元催化转化器(2)的两点控制通过所述NOx传感器(8)来执行。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用在所述第一三元催化转化器(2)上游的线性λ探针(7)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了控制目的，所述二次空气供应被交替地打开和关闭。
6.一种用于汽油发动机(10)的废气后处理系统，其具有布置在废气管道(1)中的第一三元催化转化器(2)、布置在所述废气管道(1)中所述第一三元催化转化器下游的第二三元催化转化器(3)以及用于将二次空气吹入所述第一三元催化转化器(2)和所述第二三元催化转化器(3)之间的所述废气管道(1)的装置，
其中，所述系统具有用作NH3传感器的NOx传感器(8)，用于在稍微低氧范围内控制所述第一三元催化转化器(2)，所述系统还具有二元λ探针(9)，用于在稍微富氧范围内控制所述第二三元催化转化器(3)，
其中所述NOx传感器(8)布置在所述第一三元催化转化器(2)中。
7.根据权利要求6所述的废气后处理系统，其特征在于，其在所述第一三元催化转化器(2)的上游具有线性λ探针(7)。
8.根据权利要求6或7所述的废气后处理系统，其特征在于，用于吹入二次空气的所述装置具有二次空气泵(6)和二次空气阀(5)。
9.根据权利要求6或7所述的废气后处理系统，其特征在于，所述第二三元催化转化器(3)被设计为地板下催化转化器。
10.根据权利要求6或7所述的废气后处理系统，其特征在于，所述第二三元催化转化器(3)被设计为四元催化转化器。
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