CN115111073A - 一种采用lnt装置处理车辆尾气的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种采用LNT装置处理车辆尾气的方法及系统，包括以下步骤：获取发动机的当前工况和所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率；判断所述硝酸钡覆盖率是否满足预设条件；若所述硝酸钡覆盖率满足所述预设条件，则控制所述发动机由所述当前工况状态切换至第一工况，所述第一工况与所述当前工况不同。可以避免NOx大量溢出，提高NOx转化率；还可以减少浓燃工况的时间，以此来节省燃油，达到降低油耗的目的。
Description
技术领域
本公开涉及柴油机尾气污染物处理领域，具体地，涉及一种采用LNT装置处理车辆尾气的方法及系统。
背景技术
柴油机尾气污染物主要是NOx和PM，根据汽车工业的发展经验，需要结合使用排气后处理技术来控制尾气中NOx和PM的排放，例如先通过机内净化技术降低PM排放，然后通过稀薄NOx捕集器(Lean NOx Trap，LNT)技术来降低NOx排放，从而实现同时降低NOx和PM排放。通常柴油发动机的稀薄NOx捕集器(LNT)在一定条件下吸收废气的NOx，当吸收的NOx达到最大容量时，使用富集条件将NOx还原成N2和O2。
LNT催化剂一般以贵金属Pt作为催化活性组分，碱和/或碱土金属氧化物作为储存组分，用大比表面的γ-Al2O3作为载体，以提高活性组分和储存组分的分散度。典型的LNT催化剂体系是Pt/BaO/Al2O3，也是丰田公司最早开发出来并投放市场的LNT催化剂。NOx在LNT催化剂上稀燃阶段NOx储存和浓燃阶段被还原成N2，首先在较长时间(约60-90秒)的稀燃阶段，NO在贵金属活性位Pt上被氧化为NO2，随后NO2与邻近的碱性组分BaO(或者BaCO3)发生反应生成硝酸盐而被储存起来；当发动机切换为浓燃气氛时，短时间(约3-5秒)内尾气中的还原性组分HC、CO和H2浓度迅速升高，还原气氛下储存的硝酸盐在热力学上是不稳定的，会快速释放出NO2并被还原剂按照催化反应的方式还原成N2，同时催化剂储存位得到再生，完成一个LNT的标准循环过程。但是仍存在以下不足：(1)LNT正常工作时会出现周期性的稀燃及浓燃工况的切换，在切换过程中会出现因NOx大量释放但空燃比并没有瞬间降低到还原反应需要的合适范围内而外泄NOx，最终导致LNT对NOx的转化效率不够高；(2)LNT正常工作需要进入浓燃工况，在此工况下发动机会增加后喷油量，会导致发动机油耗增加。
发明内容
本公开的目的是提供一种采用LNT装置处理车辆尾气的方法及系统，可以在提高LNT氮氧化物转化率并降低发动机油耗。
为了实现上述目的，本公开提供第一方面提供一种采用LNT装置处理车辆尾气的方法，包括以下步骤：获取发动机的当前工况和所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率；判断所述硝酸钡覆盖率是否满足预设条件；若所述硝酸钡覆盖率满足所述预设条件，则控制所述发动机由所述当前工况状态切换至第一工况，所述第一工况与所述当前工况不同。
可选地，所述当前工况包括：浓燃工况或稀燃工况；所述第一工况包括：浓燃工况或稀燃工况。
可选地，判断所述硝酸钡覆盖率是否满足预设条件，包括：所述硝酸钡覆盖率是否在第一预设时间内持续不大于第一预设覆盖率；或所述硝酸钡覆盖率是否在第二预设时间内持续不小于第二预设覆盖率。
可选地，若所述硝酸钡覆盖率满足所述预设条件，则控制所述发动机由所述当前工况切换至第一工况，包括：若所述硝酸钡覆盖率在第一预设时间内持续不大于第一预设覆盖率，则控制所述发动机由所述当前工况切换至第一工况；或若所述硝酸钡覆盖率在第二预设时间内持续不小于第二预设覆盖率，则控制所述发动机由所述当前工况切换至第一工况。
可选地，该方法还包括：若所述硝酸钡覆盖率不满足所述预设条件，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况。
可选地，若所述硝酸钡覆盖率不满足所述预设条件，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况，包括：若所述硝酸钡覆盖率在第一预设时间内持续大于第一预设覆盖率，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况；或若所述硝酸钡覆盖率在第二预设时间内持续小于第二预设覆盖率，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况。
可选地，所述第一预设覆盖率为0.65～0.75中的任意数值；第一预设时间为2～5s中的任意数值。
可选地，所述第二预设覆盖率为0.1～0.15之间的任意数值；第二预设时间为20～40s中的任意数值。
本公开第二方面提供一种采用LNT装置处理车辆尾气的系统，该系统包括LNT装置和发动机控制单元；所述LNT装置包括含钡化合物；所述LNT装置具有可切换的当前工况和第一工况，所述第一工况与所述当前工况不同；所述发动机控制单元用于获取发动机的当前工况和所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率；并判断所述硝酸钡覆盖率是否满足预设条件，若所述硝酸钡覆盖率满足所述预设条件，则控制所述发动机由所述当前工况状态切换至第一工况。
可选地，所述发动机控制单元内设置有硝酸钡覆盖率识别模型用于获取LNT装置内的硝酸钡覆盖率；所述硝酸钡覆盖率识别模型的输入参数包括进入LNT装置实时的氮氧化物的量、LNT装置实时温度和LNT装置催化剂老化程度中的一种或几种。
通过上述技术方案，本公开在采用LNT装置处理车辆尾气过程中，通过获取发动机的当前工况和所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率，然后对硝酸钡覆盖率是否满足预设条件进行判断；然后在硝酸钡覆盖率满足预设条件的情况下，控制发动机由当前工况切换至第一工况，可以有效避免NOx大量溢出，提高NOx转化率；还可以减少浓燃工况的时间，以此来节省燃油，达到降低油耗的目的。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1为本公开提供的一种方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的“第一”、“第二”等词仅用于区分不同而不含有前后顺序等实际含义。在本发明中，使用的方位词如“上”“下”是装置正常使用状态下的上和下，“内”“外”是针对装置轮廓而言的。
本公开第一方面提供一种采用LNT装置处理车辆尾气的方法，包括以下步骤：
获取发动机的当前工况和所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率；
判断所述硝酸钡覆盖率是否满足预设条件；
若所述硝酸钡覆盖率满足所述预设条件，则控制所述发动机由所述当前工况状态切换至第一工况，所述第一工况与所述当前工况不同。
本公开中，所述硝酸钡覆盖率为硝酸钡占所述LNT装置内全部含钡化合物的含量比例。
本公开在采用LNT装置处理车辆尾气过程中，通过获取发动机的当前工况和所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率，然后对硝酸钡覆盖率是否满足预设条件进行判断；然后在硝酸钡覆盖率满足预设条件的情况下，控制发动机由当前工况切换至第一工况，可以有效避免NOx大量溢出，提高NOx转化率；还可以减少浓燃工况的时间，以此来节省燃油，达到降低油耗的目的。
本公开中，LNT装置、发动机为本领域常规采用的装置。
一种实施方式中，所述当前工况包括：浓燃工况或稀燃工况；所述第一工况包括：浓燃工况或稀燃工况。具体地，若当前工况为浓燃工况，则第一工况为稀燃工况；若当前工况为稀燃工况，则第一工况为浓燃工况。
本公开中LNT装置内设置有本领域常规选择的贵金属催化活性组分(例如贵金属Pt)，碱和/或碱土金属氧化物作为储存组分(本公开中采用含钡化合物BaO，BaO在实际空气条件下容易转化为BaCO3，用于在稀燃工况下储存氮氧化物)，还可以含有过渡金属氧化物作为催化助剂(例如CeO2)，稀燃工况和浓燃工况的具体工作原理如下所述：
在稀燃工况：LNT装置催化剂上发生氮氧化物吸附反应，如以下化学反应式(1)和(2)所示：
2NO+O2→2NO2 (1)；2BaCO3+4NO2+O2→2Ba(NO3)2+2CO2 (2)；
若存在催化助剂CeO2则也会与NO2发生吸附反应转化为硝酸盐Ce(NO3)3。
即在稀燃工况下，尾气中的NO在贵金属活性位Pt上被氧化为NO2,随后NO反应生成的NO2以及原有的NO2与碱性组分BaO(或BaCO3)发生反应生成硝酸盐而被储存起来。
在浓燃工况：LNT装置催化剂上的硝酸盐发生脱附反应，如以下化学反应式(3)～(6)所示：
Ba(NO3)2+CO2→BaCO3+3NO2+1/2O2 (3)；
Ba(NO3)2+3H2+CO2→BaCO3+2NO+2CO2 (4)；
Ba(NO3)2+1/3C3H6→BaCO3+2NO+H2O (5)；
Ce(NO3)3→CeO2+3NO2+1/2O2 (6)；
并且浓燃工况下，由于由稀燃气氛切换为浓燃气氛，导致尾气中的还原性组分HC、CO和H2浓度迅速升高，还原性组分能够与硝酸盐发生脱附反应释放的NO2进行催化反应以将NO2还原成N2；如以下化学反应式(7)～(11)所示：
CO+1/2O2→CO2 (7)；HC+O2→H2O+CO2 (8)；
CO+NO→1/2N2+CO2 (9)；HC+NO→N2+H2O+CO2 (10)；
2H2+2NO→2H2O+N2 (11)。
本公开发明人经过对LNT的研究得到以下两个结果：
结果1：在浓燃时间的选择上，应该在尽量减少浓燃时间的前提下提高硝酸钡还原为碳酸钡的还原程度。浓燃时间越长硝酸钡的脱附还原程度越高，当硝酸钡的覆盖率降低至0.1～0.15时，随着浓燃的进行还原速度大幅下降，表示即使增加浓燃时间，对于硝酸钡还原的贡献也很小，并且由于浓燃时间的增加使得发动机燃油消耗率升高，因此本公开采用0.1～0.15作为硝酸钡覆盖率的第一预设覆盖率(θ1)，可以节省燃油，达到降低油耗的目的。
结果2：在发动机稀、浓燃切换过程中，NOx发生脱附现象，大量脱附的NOx与新进入LNT装置的NOx混合使得其在排气组分中的比例突然升高，导致其溢出量迅速加大。而随着稀燃时间的加长，LNT内部硝酸钡覆盖率θ(硝酸钡的覆盖率θ是指硝酸钡占整体LNT装置内全部含钡化合物含量的比例)会有所升高。当硝酸钡覆盖率达到0.6～0.7时，随着硝酸钡覆盖率的升高氮氧化物溢出量迅速增加，甚至超过氮氧化物入口总量的值。因此本公开采用0.65～0.75作为硝酸钡覆盖率的第二预设覆盖率(θ2)，可以避免NOx过量溢出，提高NOx转化效率。
发明人基于上述试验研究发现，提供了一种控制当前工况和第一工况(稀燃工况和浓燃工况)切换的方法。
一种实施方式中，判断所述硝酸钡覆盖率是否满足预设条件，包括：
所述硝酸钡覆盖率是否在第一预设时间内持续不大于第一预设覆盖率；
或所述硝酸钡覆盖率是否在第二预设时间内持续不小于第二预设覆盖率。
一种实施方式中，若所述硝酸钡覆盖率满足所述预设条件，则控制所述发动机由所述当前工况切换至第一工况，包括：
若所述硝酸钡覆盖率在第一预设时间内持续不大于第一预设覆盖率，则控制所述发动机由所述当前工况切换至第一工况；
或若所述硝酸钡覆盖率在第二预设时间内持续不小于第二预设覆盖率，则控制所述发动机由所述当前工况切换至第一工况。
一种优选实施方式中，所述第一预设覆盖率为0.1～0.15之间的任意数值；第一预设时间为20～40s中的任意数值。一种优选实施方式中，所述第二预设覆盖率为0.65～0.75中的任意数值；第二预设时间为2～5s中的任意数值。
本公开中通过判断在第一预设时间内硝酸钡覆盖率是否持续不大于第一预设覆盖率、以及在第二预设时间内硝酸钡覆盖率持续小于第二预设覆盖率，然后再切换工况，可以进一步提高方法的“鲁棒性”。本公开采用的具体第一预设时间和第二预设时间可以维持方法稳定性较高，还可以保证对NOx具有较高的转化效率，以及保证一定的燃油经济性。
一种实施方式中，该方法还包括：
若所述硝酸钡覆盖率不满足所述预设条件，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况。
一种进一步实施方式中，若所述硝酸钡覆盖率不满足所述预设条件，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况，包括：
若所述硝酸钡覆盖率在第一预设时间内持续大于第一预设覆盖率，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况；
或若所述硝酸钡覆盖率在第二预设时间内持续小于第二预设覆盖率，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况。
一种具体实施方式中，如图1所示，本公开提供的方法包括以下步骤：
获取发动机的当前工况和所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率；
存在以下两种情况；
情况1：若当前工况为浓燃工况，则判断所述硝酸钡覆盖率是否在第一预设时间内持续不大于第一预设覆盖率(第一预设时间为20～40s中的任意数值，例如设定为36s；第一预设覆盖率为0.1～0.15之间的任意数值，例如设定为0.1)，即判断是否满足硝酸钡覆盖率在36s内持续不大于0.1的预设条件：
若不满足上述预设条件，则控制发动机维持浓燃工况；
若满足上述预设条件，则控制发动机由浓燃工况切换至稀燃工况。
情况2：若当前工况为稀燃工况，则判断所述硝酸钡覆盖率是否在第二预设时间内持续不小于第二预设覆盖率(第二预设时间为2～5s中的任意数值，例如设定为3s；第二预设覆盖率为0.65～0.75中的任意数值，例如设定为0.7)，即判断是否满足硝酸钡覆盖率在3s内持续不小于0.7的预设条件：
若不满足上述预设条件，则控制发动机维持稀燃工况；
若满足上述预设条件，则控制发动机由稀燃工况切换至浓燃工况。
一种具体实施方式中，本公开提供的方法包括：通过硝酸钡覆盖率确定模型确定所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率。
一种具体实施方式中，所述硝酸钡覆盖率确定模型设置于所述发动机控制单元内；
该方法还包括：通过车架台试验拟合所述硝酸钡覆盖率确定模型；
所述硝酸钡覆盖率确定模型的输入参数包括进入LNT装置实时的氮氧化物的量、LNT装置实时温度、LNT装置催化剂老化程度中的一种或几种。
根据本公开，可以采用常规方法构建输入参数与硝酸钡覆盖率之间的关系模型并进行拟合以得到硝酸钡覆盖率确定模型。根据本公开其中输入参数也可以根据实际进行增加或减少等操作。
根据本公开，在车架台试验过程中，LNT装置中硝酸钡的覆盖率可以采用常规测试仪器以及方法，例如根据本公开，在LNT台试验过程中，LNT装置中硝酸钡的覆盖率可以采用常规测试仪器以及方法，例如在LNT(全部含钡化合物的量已知)入口通入一定浓度的C3H6，并同时测量LNT出口的C3H6浓度，待LNT出口恢复到与入口的C3H6的浓度同等的水平时停止试验，根据化学反应方程式Ba(NO3)2+1/3C3H6→BaCO3+2NO+H2O即可计算出硝酸钡的总量，其与LNT内所有钡盐的比例即为硝酸钡的覆盖率。
本公开第二方面提供一种采用LNT装置处理车辆尾气的系统，该系统包括LNT装置和发动机控制单元；
所述LNT装置包括含钡化合物；所述LNT装置具有可切换的当前工况和第一工况，所述第一工况与所述当前工况不同；
所述发动机控制单元用于获取发动机的当前工况和所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率；并判断所述硝酸钡覆盖率是否满足预设条件，若所述硝酸钡覆盖率满足所述预设条件，则控制所述发动机由所述当前工况状态切换至第一工况。
本公开中当前工况和第一工况切换的具体工作原理在前述内容已经进行详细描述，在此不再赘述。
一种具体实施方式中，所述LNT装置还包括贵金属催化剂、催化助剂和载体；所述含钡化合物、贵金属催化剂和催化助剂覆于所述载体上；
所述含钡化合物包括BaO和BaCO3；所述贵金属催化剂Pt、Pd和Rh中的一种或几种；
可选地，所述催化助剂包括CeO；所述载体为Al2O3。
本公开采用的LNT装置具有常规结构。例如载体为Al2O3，载体内形成有沿气体流向延伸的多个孔道；全部孔道的入口形成为气体入口，全部孔道的出口形成为气体出口；贵金属催化剂、含钡化合物和催化助剂以涂层的形式覆于孔道的内壁上。
下面将结合具体实施例对本公开作进一步说明。
实施例1
采用本公开提供的方法及系统，其中发动机型号为4D20M。发动机控制单元内设置有拟合的硝酸钡覆盖率确定模型(采用本领域常规方法进行拟合，输参数为氮氧化物的量、LNT装置实时温度和LNT装置催化剂老化程度)。发动机控制单元内第一预设覆盖率设定为0.1，第一预设时间设定为36s；第二预设覆盖率设定为0.7，第二预设时间设定为2s；
将该系统自行持续运行30min，测试该运行时间内NOx排放量为25mg/km，油耗为8.6L/100km。
实施例2
采用与实施例1相同的装置及方法，不同之处仅在于：发动机控制单元内预设的硝酸钡覆盖率第一预设覆盖率设定为0.05；第二预设覆盖率设定为0.85。
测试与实施例1相同运行时间内NOx排放量为31mg/km，油耗为9.2L/100km。
实施例3
采用与实施例1或2相同的发动机以及LNT装置，不同之处仅在于：第一预设时间设定为50s；第二预设时间设定为6s。
将该系统自行持续运行30min，测试该运行时间内NOx排放量为28mg/km，油耗为9.4L/100km。
对比例1
采用与实施例1相同的发动机以及LNT装置，不同之处仅在于：发动机控制单元内不设置硝酸钡覆盖率的第一预设覆盖率和第二预设覆盖率，也不设置硝酸钡覆盖率确定模型，仅具有常规发动机控制单元的功能。
测试与实施例相同运行时间内NOx排放总量为42mg/km，油耗为10.2L/100km。
将以上实施例1～3和对比例1进行比较可知，实施例1～3中采用本公开提供的方法可以有效避免NOx大量溢出，提高NOx转化率；还可以节省燃油，降低油耗。
将实施例1与实施例2进行比较可知，实施例1满足“第一预设覆盖率为0.1～0.15之间的任意数值，第二预设覆盖率为0.65～0.75中的任意数值”，相比于实施例2，实施例1可以进一步降低内NOx排放总量和油耗。
将实施例1与实施例3进行比较可知，实施例1满足“第一预设时间为20～40s中的任意数值，第二预设时间为2～5s中的任意数值”，相比于实施例3，实施例1可以进一步降低内NOx排放总量和油耗。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (10)
1.一种采用LNT装置处理车辆尾气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取发动机的当前工况和所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率；
判断所述硝酸钡覆盖率是否满足预设条件；
若所述硝酸钡覆盖率满足所述预设条件，则控制所述发动机由所述当前工况状态切换至第一工况，所述第一工况与所述当前工况不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述当前工况包括：浓燃工况或稀燃工况；所述第一工况包括：浓燃工况或稀燃工况。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，判断所述硝酸钡覆盖率是否满足预设条件，包括：
所述硝酸钡覆盖率是否在第一预设时间内持续不大于第一预设覆盖率；
或所述硝酸钡覆盖率是否在第二预设时间内持续不小于第二预设覆盖率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，若所述硝酸钡覆盖率满足所述预设条件，则控制所述发动机由所述当前工况切换至第一工况，包括：
若所述硝酸钡覆盖率在第一预设时间内持续不大于第一预设覆盖率，则控制所述发动机由所述当前工况切换至第一工况；
或若所述硝酸钡覆盖率在第二预设时间内持续不小于第二预设覆盖率，则控制所述发动机由所述当前工况切换至第一工况。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
若所述硝酸钡覆盖率不满足所述预设条件，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，若所述硝酸钡覆盖率不满足所述预设条件，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况，包括：
若所述硝酸钡覆盖率在第一预设时间内持续大于第一预设覆盖率，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况；
或若所述硝酸钡覆盖率在第二预设时间内持续小于第二预设覆盖率，则控制所述发动机的工况维持在所述当前工况。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一预设覆盖率为0.1～0.15之间的任意数值；第一预设时间为20～40s中的任意数值。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二预设覆盖率为0.65～0.75中的任意数值；第二预设时间为2～5s中的任意数值。
9.一种采用LNT装置处理车辆尾气的系统，其特征在于，该系统包括LNT装置和发动机控制单元；
所述LNT装置包括含钡化合物；所述LNT装置具有可切换的当前工况和第一工况，所述第一工况与所述当前工况不同；
所述发动机控制单元用于获取发动机的当前工况和所述LNT装置内的硝酸钡覆盖率；并判断所述硝酸钡覆盖率是否满足预设条件，若所述硝酸钡覆盖率满足所述预设条件，则控制所述发动机由所述当前工况状态切换至第一工况。
10.根据权利要求9所述系统，其特征在于，所述发动机控制单元内设置有硝酸钡覆盖率识别模型用于获取LNT装置内的硝酸钡覆盖率；
所述硝酸钡覆盖率识别模型的输入参数包括进入LNT装置实时的氮氧化物的量、LNT装置实时温度和LNT装置催化剂老化程度中的一种或几种。
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2021
- 2021-12-22 CN CN202111581558.XA patent/CN115111073B/zh active Active
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