CN115773170B - 一种稀燃汽油机NOx排放后处理装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稀燃汽油机NOx排放后处理装置及控制方法，排气再循环装置安装在发动机的下游并连通发动机的进气口，LNT装置安装在排气再循环装置的下游，四效催化转化器安装在LNT装置的下游，被动式SCR安装在四效催化转化器的下游；在稀燃模式下，LNT装置吸附NOx，被动式SCR利用已吸附的NH3还原NOx；在富燃模式下，LNT装置利用发动机不完全燃烧产生的CO、HC还原NOx并产生NH3，四效催化转化器利用发动机不完全燃烧产生的CO、HC还原NOx并产生NH3，被动式SCR吸附NH3。与现有技术相比，本发明考虑了LNT、TWC‑GPF和PSCR之间的耦合协同作用，可以实现发动机全工作模式下的DeNOx，大幅提高NOx控制稳定性，提升发动机稀燃/富燃时间比，改善发动机的燃油经济性，同时显著降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及发动机排放后处理技术领域，尤其是涉及一种稀燃汽油机NOx排放后处理装置及控制方法。
背景技术
发动机技术的发展方向朝着更高效率、更节能、更低排放进行，稀燃汽油机由于其空气与燃料比率λ(A/F)大于1，在热效率、油耗和碳排放方面有很大的优势，因此是目前广泛采用的技术之一。但是由于其是富氧燃烧，排气中的分子氧分压高于NOx离解产生的氧分压，NOx被还原的速率会显著下降，因此三元催化转化器(TWC)无法正常发挥作用，使稀燃汽油机的NOx排放很高。
如今应用于稀燃发动机的NOx排放控制装置主要是稀燃NOx捕集技术(LNT)和尿素-选择性催化还原器(Urea-SCR)，但是这两种技术存在局限性，其中LNT催化剂贵金属负载量大，从而导致每个催化器的成本很高，此外，极易受硫中毒的影响，需要定期高温再生，最终导致LNT性能退化；在高温下LNT中形成的硝酸盐比在低温下更不稳定，导致在稀/富燃过渡时产生NOx尖峰，从而降低整体NOx转化率。而Urea-SCR需要额外的尿素储罐和喷射系统，体积大、成本高，控制系统复杂，小型乘用车并不适用，并且存在NH3泄漏的风险。因此需要针对稀燃汽油机开发一种新型NOx排放控制系统。
现有技术中，公开号为CN106285856A的中国专利提出了一种稀燃NOx捕集器的再生方法以及废气净化系统，该废气净化系统设置有LNT和SCR，可根据LNT中NOx的吸附阈值判断是否触发LNT再生，但此系统中的SCR为尿素-SCR，需要设置专门的尿素储罐及喷射系统，成本较高。公开号为CN107023355A的中国专利提出了一种针对稀燃发动机的废气净化系统及其控制方法，装置包括LNT、SCR和空气喷射装置等，当发动机处于稀燃模式时，通过控制SCR的上游的废气中包含的氧气的浓度而激活SCR催化器的氧化还原反应，进而改善NOx的净化效率。但此系统中的SCR催化器通过使用上游LNT未氧化的还原剂来减少废气中的氮氧化物，缺少稳定、足量NH3作为还原剂，全工况NOx还原效率有限，NOx的脱除效果难以保证。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种稀燃汽油机NOx排放后处理装置及控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种稀燃汽油机NOx排放后处理装置，包括排气再循环装置、LNT装置、四效催化转化器、被动式SCR、控制器和传感器单元；
所述排气再循环装置安装在发动机的下游并连通发动机的进气口，所述LNT装置安装在排气再循环装置的下游，所述四效催化转化器安装在LNT装置的下游，所述被动式SCR安装在四效催化转化器的下游；
所述控制器连接发动机、排气再循环装置、LNT装置、四效催化转化器、被动式SCR和传感器单元；
所述传感器单元包括氧传感器、流量传感器、第一NOx传感器、第一温度传感器、第二NOx传感器、第一NH3传感器、第二温度传感器、第二NH3传感器、第三温度传感器、第三NH3传感器、第三NOx传感器和压力传感器；
所述氧传感器、流量传感器、第一NOx传感器和第一温度传感器依次安装在排气再循环装置与LNT装置之间；
所述第二NOx传感器、第一NH3传感器和第二温度传感器依次安装在LNT装置与四效催化转化器之间；
所述压力传感器安装在四效催化转化器上，所述第二NH3传感器和第三温度传感器安装在四效催化转化器与被动式SCR之间；
所述第三NH3传感器和第三NOx传感器安装在被动式SCR的下游；
在稀燃模式下，所述LNT装置吸附NOx，所述被动式SCR利用已吸附的NH3还原NOx；在富燃模式下，所述LNT装置利用发动机不完全燃烧产生的CO、HC还原NOx并产生NH3，所述四效催化转化器利用发动机不完全燃烧产生的CO、HC还原NOx并产生NH3，所述被动式SCR吸附NH3。
进一步地，发动机的进气口和排气口分别连接进气歧管和排气歧管，所述排气歧管连接排气管，所述排气再循环装置、四效催化转化器、LNT装置和被动式SCR安装在排气管上，所述排气再循环装置用于将排气管中的一部分气体通入进气歧管。
进一步地，所述四效催化转化器为在汽油机颗粒捕集器上涂覆三效催化转化器的催化剂得到的四效催化转化器。
进一步地，所述LNT装置为低贵金属负载量的LNT装置。
一种稀燃汽油机NOx排放后处理控制方法，包括：
发动机空燃比和排气再循环装置的EGR率的调整控制，稀燃模式下的模式切换控制，富燃模式下的模式切换控制。
进一步地，发动机空燃比和排气再循环装置的EGR率的调整控制为：
获取所述LNT装置、四效催化转化器、被动式SCR的高效催化温度区间，获取第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和氧传感器的测量数据，控制器调整发动机空燃比和排气再循环装置的EGR率，使排气温度处于LNT装置、四效催化转化器、被动式SCR的高效催化温度区间。
进一步地，稀燃模式下的模式切换控制为：
发动机稀燃模式下，判断LNT装置是否吸附完全，判断被动式SCR中NH3是否消耗完全；
若LNT装置未吸附完全，被动式SCR中NH3消耗完全，则保持稀燃模式；
若LNT装置未吸附完全，被动式SCR中NH3未消耗完全，则保持稀燃模式；
若LNT装置吸附完全，被动式SCR中NH3消耗完全，则转换为富燃模式；
若LNT装置吸附完全，被动式SCR中NH3未消耗完全，则等待被动式SCR中NH3消耗完全时转换为富燃模式。
进一步地，获取第一NOx传感器、第二NOx传感器和第三NOx传感器的测量数据Con(NOx-I)、Con(NOx-II)、Con(NOx-III)，若Con(NOx-II)＜Con(NOx-I)，则LNT装置未吸附完全，若Con(NOx-II)＝Con(NOx-I)，则LNT装置吸附完全，若Con(NOx-III)＜Con(NOx-II)，则被动式SCR中NH3未消耗完全，若Con(NOx-III)＝Con(NOx-II)，则被动式SCR中NH3消耗完全。
进一步地，富燃模式下的模式切换控制为：
发动机富燃模式下，判断LNT装置是否再生完全，判断被动式SCR中NH3是否吸附完全；
若LNT装置未再生完全，被动式SCR中NH3吸附完全，则监测第三NH3传感器的测量数据是否达到预设值的阈值，若达到，则转换为稀燃模式，否则，保持富燃模式直至LNT装置再生完全；
若LNT装置未再生完全，被动式SCR中NH3未吸附完全，则监测第三NH3传感器的测量数据是否达到预设值的阈值，若达到，则转换为稀燃模式，否则，保持富燃模式直至LNT装置再生完全和被动式SCR中NH3吸附完全；
若LNT装置再生完全，被动式SCR中NH3吸附完全，则转换为稀燃模式；
若LNT装置再生完全，被动式SCR中NH3未吸附完全，则等待被动式SCR中NH3吸附完全时转换为稀燃模式。
进一步地，获取第二NH3传感器和第三NH3传感器的测量数据Con(NH3-II)、Con(NH3-III)，若Con(NH3-III)<Con(NH3-II)，则被动式SCR中NH3未吸附完全，若Con(NH3-III)＝Con(NH3-II)，则被动式SCR中NH3吸附完全；
计算LNT装置中脱附并还原的NOx的量m(NOx-LNTDe)，计算LNT装置的总吸附量m(NOx-LNTAd)，若m(NOx-LNTDe)＜m(NOx-LNTAd)，则LNT装置未再生完全，若m(NOx-LNTDe)＝m(NOx-LNTAd)，则LNT装置再生完全，其中，LNT装置的总吸附量m(NOx-LNTAd)的计算方式如下：
稀燃模式下，获取流量传感器、第一NOx传感器和第二NOx传感器的测量数据，对时间积分得到LNT装置的总吸附量m(NOx-LNTAd)；
LNT装置中脱附并还原的NOx的量m(NOx-LNTDe)的计算方式如下：
富燃模式下，获取流量传感器、第一NOx传感器和第二NOx传感器的测量数据，对时间积分得到LNT装置还原掉排气中的NOx的量m(NOx-EXH)，基于LNT装置还原掉排气中的NOx的量m(NOx-EXH)，得到排气中NOx还原时产生的NH3的量m(NH3-EXH)；
富燃模式下，获取流量传感器、第一NH3传感器的测量数据，对时间积分得到LNT装置生成的NH3的总量m(NH3-TOT)，将m(NH3-TOT)减去m(NH3-EXH)，再通过LNT化学反应动力学模型，计算得到LNT装置中脱附并还原的NOx的量m(NOx-LNTDe)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明综合四种后处理装置协同控制稀燃汽油机NOx排放，利用LNT装置、四效催化转化器、PSCR在发动机稀燃/富燃模式下的不同作用，进行各技术的优势互补，实现发动机全工作模式下的NOx排放控制，大幅提高NOx控制稳定性，提升发动机稀燃/富燃时间比，改善发动机的燃油经济性，同时显著降低成本。
附图说明
图1为后处理装置的结构示意图；
图2为稀燃模式和富燃模式的切换流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本说明书提供了如实施例或流程示意图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或服务器产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)或者调整没有时序限制的步骤的执行顺序。
实施例1：
一种稀燃汽油机NOx排放后处理装置，如图1所示，包括排气再循环装置5(EGR装置5)、LNT装置6、四效催化转化器7(TWC-GPF)、被动式SCR8(PSCR8)、控制器9(ECU)和传感器单元；
发动机1的进气口和排气口分别连接进气歧管2和排气歧管3，排气歧管2连接排气管4，排气再循环装置5、四效催化转化器7、LNT装置6和被动式SCR8依次安装在排气管4上，排气再循环装置5用于将排气管4中的一部分气体通入进气歧管2。
汽油发动机1将汽油与空气混合燃烧产生的化学能转化为机械能。发动机1连接进气歧管，接收空气和EGR装置5中的废气。发动机1连接排气歧管，将燃烧生成的废气排出发动机1。
排气再循环装置5安装在发动机1的下游并连通发动机1的进气口，EGR装置5安装在排气管4上，将发动机1排出的一部分废气通入进气歧管2，可以降低缸内燃烧温度，从根源上减少NOx的生成，并且可以抑制爆震、降低泵气损失。EGR装置5率受控制器9控制。EGR装置5可以降低缸内燃烧温度，在生成侧减少NOx的量，理论上，EGR装置5率越高，产生NOx的量越小，但过高的EGR装置5率会导致缸内燃烧循环变动和失火风险增大，因此不能仅通过EGR装置5来控制NOx。
LNT装置6安装在排气再循环装置5的下游，LNT装置6为低贵金属负载量的LNT装置6。在发动机稀燃模式下LNT装置6吸附NOx，在富燃模式下，LNT装置6利用废气中的CO、HC，将吸附的NOx还原，此反应过程与四效催化转化器7中一致，并产生一定量的NH3，可被下游PSCR8装置吸附，用于还原NOx。另外，排气中的NOx会在LNT装置6贵金属催化剂的作用下与排气中的CO、HC发生反应，因此，富燃模式下，LNT装置6除了将自身吸附的NOx还原外，还会将排气中的NOx还原掉一部分。但现有的LNT装置6催化剂中贵金属负载量高，单个LNT装置6成本高，因此本发明提出低贵金属负载量的LNT装置6，可以实现原LNT装置6的功能，并且显著降低成本，但吸附NOx能力有所下降，因此无法仅通过使用此装置控制NOx。
四效催化转化器7安装在LNT装置6的下游，四效催化转化器7为在汽油机颗粒捕集器(GPF)上涂覆三效催化转化器(TWC)的催化剂得到的四效催化转化器7，可以实现兼顾TWC和GPF双功能的四效催化转化器7。对于排气中的颗粒物，不论发动机1以何种模式运行，此装置均有过滤的作用。对于NOx，在发动机富燃模式下，TWC可以发挥作用，即将汽油不完全燃烧产生的CO、HC还原NOx，并且反应中会生成一定量的NH3。而在发动机稀燃模式下，由于排气中的分子氧的分压明显高于NOx的分压，在氧化还原剂CO、HC和H2过程中，NOx离解产生的氧与排气中存在的分子氧之间会发生竞争，NOx消失的速率会显著下降，此时TWC的作用会失效。因此无法仅通过使用此装置控制NOx。
被动式SCR8安装在四效催化转化器7的下游，PSCR8可以在发动机富燃模式下吸附前述LNT装置6和四效催化转化器7还原NOx时产生的NH3，并在发动机稀燃模式下利用吸附的NH3还原NOx。与现有的SCR技术相比，PSCR8无需另外的尿素储罐和喷射装置即可实现对NOx的还原，但必须配合TWC进行使用。
本发明综合四种后处理装置协同控制稀燃汽油机NOx排放，利用LNT装置6、四效催化转化器7、PSCR8在发动机稀燃/富燃模式下的不同作用，进行各技术的优势互补，实现发动机1全工作模式下的NOx排放控制，大幅提高NOx控制稳定性，提升发动机稀燃/富燃时间比，改善发动机1的燃油经济性，同时显著降低成本。
控制器9连接发动机1、排气再循环装置5、LNT装置6、四效催化转化器7、被动式SCR8和传感器单元；传感器单元包括氧传感器10、流量传感器11、第一NOx传感器12、第一温度传感器13、第二NOx传感器14、第一NH3传感器15、第二温度传感器16、第二NH3传感器17、第三温度传感器18、第三NH3传感器19、第三NOx传感器20和压力传感器21；
氧传感器10、流量传感器11、第一NOx传感器12和第一温度传感器13依次安装在排气再循环装置5与LNT装置6之间；第二NOx传感器14、第一NH3传感器和第二温度传感器16依次安装在LNT装置6与四效催化转化器7之间；压力传感器安装在四效催化转化器7上，第二NH3传感器和第三温度传感器18安装在四效催化转化器7与被动式SCR8之间；第三NH3传感器和第三NOx传感器20安装在被动式SCR8的下游；
具体的，氧传感器10安装在EGR装置5的下游，检测废气中的氧气量，并将信号传输至控制器9，用于控制发动机稀燃/富燃模式转换，即通过氧传感器10检测排气中的氧含量，来判断发动机1的运行模式，进而反馈控制使得发动机1切换到稀燃/富燃模式。流量传感器11安装在氧传感器10的下游，检测废气的体积流量，并将信号传输至控制器9。第一NOx传感器12安装在流量传感器11的下游，检测发动机1原排中的NOx浓度Con(NOx-I)(即LNT装置6入口前的NOx浓度)，并将信号传输至控制器9。第一温度传感器13安装在第一NOx传感器12的下游，检测LNT装置6前的废气温度，并将信号传输至控制器9。
第二NOx传感器14安装在LNT装置6的下游，检测通过LNT装置6废气中NOx的浓度Con(NOx-II)，并将信号传输至控制器9。
第一NH3传感器15安装在第二NOx传感器14的下游，检测LNT装置6产生的NH3的浓度Con(NH3-I)，并将信号传输至控制器9。
第二温度传感器16安装在第一NH3传感器15的下游，检测四效催化转化器7前的废气温度，并将信号传输至控制器9。
压力传感器21安装在四效催化转化器7上，用于检测装置两端的压力差，并将信号传输至控制器9，当压差达到所设定的压差阈值时，启动再生程序，将装置内沉积的碳烟颗粒燃烧掉，以恢复之前的洁净状态。
第二NH3传感器17安装在四效催化转化器7的下游，检测四效催化转化器7后的NH3的浓度Con(NH3-II)，并将信号传输至控制器9。
第三温度传感器18安装在第二NH3传感器17的下游，检测PSCR8装置前的废气温度，并将信号传输至控制器9。
第三NH3传感器19安装在PSCR8装置的下游，检测PSCR8装置后的NH3的浓度Con(NH3-III)，并将信号传输至控制器9。
第三NOx传感器20安装在第三NH3传感器19的下游，检测PSCR8装置后的NOx的浓度Con(NOx-III)，并将信号传输至控制器9。
本申请一种稀燃汽油机NOx排放后处理控制方法，包括：
发动机空燃比和排气再循环装置的EGR率的调整控制，稀燃模式下的模式切换控制，富燃模式下的模式切换控制，四效催化转化器的再生控制，排气最大NOx浓度控制。
(1)发动机空燃比和排气再循环装置的EGR率的调整控制为：
各个催化器的高效催化温度区间具有阶梯特性，而排气温度随着位置的后移逐渐下降，因此在设计后处理系统时，将各个催化器安装在相应的温度区间处。第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器检测三个催化器前的温度，氧传感器检测废气中的氧含量，控制器根据温度信号、氧含量信号调整发动机空燃比和EGR率，使排气温度处于各个催化器的高效催化温度区间。
获取LNT装置、四效催化转化器、被动式SCR的高效催化温度区间，获取第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和氧传感器的测量数据，控制器调整发动机空燃比和排气再循环装置的EGR率，使排气温度处于LNT装置、四效催化转化器、被动式SCR的高效催化温度区间。
(2)四效催化转化器的再生控制
压力传感器安装在四效催化转化器上，用于检测装置两端的压力差，并将信号传输至控制器，当压差达到所设定的压差阈值时，启动再生程序，将装置内沉积的碳烟颗粒燃烧掉，以恢复之前的洁净状态。而压差阈值可以经过多次试验，建立四效催化转化器的碳载量与压差的MAP图，从而根据经验和需求设定压差阈值，以在碳载量达到一定值后触发再生。
(3)排气最大NOx浓度控制
通过多次试验建立LNT的DeNOx浓度与温度的MAP图，建立PSCR的DeNOx浓度与温度MAP图。其中，DeNOx即表示脱除NOx。
发动机稀燃模式下，LNT开始吸附NOx，PSCR利用吸附的NH3还原NOx。在某个温度下，整个后处理系统所能处理的最大NOx浓度为Con(NOx maxT)，此值由下式计算可得：
Con(NOx maxT)＝Con(LNTDeNOxT)+Con(PSCRDeNOxT) (1)
其中，Con(NOx maxT)为后处理系统能去除最大NOx的浓度；Con(LNTDeNOxT)为此温度下LNT空负载时理论上DeNOx的浓度；Con(PSCRDeNOxT)为此温度下PSCR满NH3负载时理论上DeNOx的浓度；当发动机在稀燃模式某一工况下运行时，第一NOx传感器检测到的NOx浓度大于Con(NOx maxT)时，增大EGR率，使NOx的浓度小于Con(NOx maxT)。
(4)如图2所示，稀燃模式下的模式切换控制为：
获取第一NOx传感器、第二NOx传感器和第三NOx传感器的测量数据Con(NOx-I)、Con(NOx-II)、Con(NOx-III)，若Con(NOx-II)＜Con(NOx-I)，则LNT装置未吸附完全，若Con(NOx-II)＝Con(NOx-I)，说明LNT装置已吸附满NOx，则LNT装置吸附完全，若Con(NOx-III)＜Con(NOx-II)，则被动式SCR中NH3未消耗完全，若Con(NOx-III)＝Con(NOx-II)，则被动式SCR中NH3消耗完全。
发动机稀燃模式下，判断LNT装置是否吸附完全，判断被动式SCR中NH3是否消耗完全；
若LNT装置未吸附完全，被动式SCR中NH3消耗完全，则保持稀燃模式；
若LNT装置未吸附完全，被动式SCR中NH3未消耗完全，则保持稀燃模式；
若LNT装置吸附完全，被动式SCR中NH3消耗完全，则转换为富燃模式；
若LNT装置吸附完全，被动式SCR中NH3未消耗完全，则等待被动式SCR中NH3消耗完全时转换为富燃模式。
(5)如图2所示，富燃模式下的模式切换控制为：
(5.1)设定第三NH3传感器的阈值Con(NH3maxT)为NH3浓度的安全值，此安全值为某温度、某空燃比下，LNT装置与四效催化转化器NH3转化率最高时的NH3浓度之和。此数值可对发动机及催化器进行多次试验得到。
(5.2)计算LNT装置的总吸附量m(NOx-LNTAd)，计算方式如下：
稀燃模式下，获取流量传感器、第一NOx传感器和第二NOx传感器的测量数据，对时间积分得到LNT装置的总吸附量m(NOx-LNTAd)，具体为：
确定LNT在稀燃模式一段时间内的NOx吸附量：第一NOx传感器与第二NOx传感器的采集的NOx浓度变化差值转换为质量浓度，并对时间积分可得到这段时间内LNT吸附的NOx的质量浓度；这段时间流量传感器采集的信号对时间积分可得流经LNT的气体体积，二者相乘可得LNT在这一段时间内吸附的NOx的量m(NOx-LNTAd-ACT)。
Δ＝Con(NOx-I)-Con(NOx-II) (2)
ρ＝M×Δ/22.4 (3)
Ρ＝∫ρdt (4)
Q＝∫qdt (5)
m＝P×Q (6)
其中，Con(NOx-I)为第一NOx传感器采集的NOx浓度，单位ppm；Con(NOx-II)为第二NOx传感器采集的NOx浓度，单位ppm；Δ为浓度差，单位ppm；M为气体分子量，单位g/mol；ρ为质量浓度，单位mg/m3；P为总质量浓度，单位mg/m3；t为发动机稀燃持续时间，单位s；q为体积流量，单位m3/s；Q为总体积，单位m3；m为质量，单位mg。
当Con(NOx-I)＝Con(NOx-II)时，说明LNT装置已吸附满NOx，计算这段时间内LNT装置吸附的NOx的量即为LNT装置的总吸附量m(NOx-LNTAd)，即m(NOx-LNTAd)＝m(NOx-LNTAd-ACT)，并储存在控制器中，用于在富燃模式时判断LNT装置是否再生完全。
(5.3)计算LNT装置中脱附并还原的NOx的量m(NOx-LNTDe)；
发动机富燃模式下，LNT装置将吸附的NOx脱附，并利用排气中的CO、HC进行再生，同时产生一定量的NH3；TWC开始工作，排气中过量的CO、HC将NOx还原，并产生一定量的NH3；所有的NH3流动至PSCR被吸附。
富燃时，LNT中不仅会将在稀燃模式下吸附的NOx进行脱附还原，同时，排气中的NOx会在LNT贵金属催化剂的作用下与排气中的CO、HC发生反应，因此排气中的NOx会被还原掉一部分。第一NOx传感器采集原排中的NOx浓度Con(NOx-I)，第二NOx传感器采集LNT后的NOx浓度Con(NOx-II)，二者的差值对时间积分可得此段时间内LNT还原掉排气中的NOx的量m(NOx-EXH)。计算方式同(2-6)式。
利用LNT化学反应动力学模型，可根据NH3量计算反应的NOx的量，如下列化学反应式。NOx与CO、HC反应时，一部分被还原成N2，另一部分会被还原成NH3，对催化器进行大量实验，得到温度、空燃比与NOx反应比例的脉谱图并预存入控制器。则还原成NH3的NOx占总NOx量的比例可由此脉谱图得到，进而可计算此部分NOx还原时产生的NH3的量m(NH3-EXH)，即排气中NOx还原时产生的NH3的量m(NH3-EXH)。
(2m+0.5n)NO+CmHn→(m+0.25n)N2+0.5nH2O+mCO2
2NO+5CO+3H2O→2NH3+5CO2
第一NH3传感器采集LNT后的NH3浓度，对时间积分可得这一段时间内LNT共生成的NH3量m(NH3-TOT)，计算方式同(2-6)式。生成的总NH3量减去排气中NOx还原生成的NH3量，可得LNT还原脱附的NOx而产生的NH3量m(NH3-LNT)，通过LNT化学反应动力学模型，可计算LNT中脱附并还原的NOx的量m(NOx-LNTDe)。
(5.4)若m(NOx-LNTDe)＜m(NOx-LNTAd)，则LNT装置未再生完全，若m(NOx-LNTDe)＝m(NOx-LNTAd)，则LNT装置再生完全；
获取第二NH3传感器和第三NH3传感器的测量数据Con(NH3-II)、Con(NH3-III)，若Con(NH3-III)<Con(NH3-II)，则被动式SCR中NH3未吸附完全，若Con(NH3-III)＝Con(NH3-II)，则被动式SCR中NH3吸附完全。
发动机富燃模式下，判断LNT装置是否再生完全，判断被动式SCR中NH3是否吸附完全；
若LNT装置未再生完全，被动式SCR中NH3吸附完全，则监测第三NH3传感器的测量数据是否达到预设值的阈值Con(NH3maxT)，若达到，则转换为稀燃模式，否则，保持富燃模式直至LNT装置再生完全；
若LNT装置未再生完全，被动式SCR中NH3未吸附完全，则监测第三NH3传感器的测量数据是否达到预设值的阈值Con(NH3maxT)，若达到，则转换为稀燃模式，否则，保持富燃模式直至LNT装置再生完全和被动式SCR中NH3吸附完全；
若LNT装置再生完全，被动式SCR中NH3吸附完全，则转换为稀燃模式；
若LNT装置再生完全，被动式SCR中NH3未吸附完全，则等待被动式SCR中NH3吸附完全时转换为稀燃模式。
如LNT未再生完全则需转换至稀燃模式，则未再生部分的NOx的量m(NOx-LNTDe-NOT)＝总吸附的NOx的量m(NOx-LNTAd)-已还原的NOx的量m(NOx-LNTDe)，并将此值存储于控制器中。则下一稀燃阶段的NOx的总吸附量m(NOx-LNTAd)＝未再生部分的NOx的量m(NOx-LNTDe-NOT)+实际吸附量m(NOx-LNTAd-ACT)。
重复以上各过程(1)-(5)，直至发动机停止工作。
本申请建立机内与机外协同控制NOx的稀燃汽油机后处理系统，建立催化器的化学反应动力学模型，根据NOx和NH3浓度实时计算发动机稀燃/富燃运行时间，考虑了LNT、TWC-GPF和PSCR之间的耦合协同作用，可以实现发动机全工作模式下的DeNOx，大幅提高NOx控制稳定性，提升发动机稀燃/富燃时间比，改善发动机的燃油经济性，同时显著降低成本。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种稀燃汽油机NOx排放后处理控制方法，其特征在于，所述方法通过稀燃汽油机NOx排放后处理装置来实现，其中，所述装置包括排气再循环装置、LNT装置、四效催化转化器、被动式SCR、控制器和传感器单元；
所述排气再循环装置安装在发动机的下游并连通发动机的进气口，所述LNT装置安装在排气再循环装置的下游，所述四效催化转化器安装在LNT装置的下游，所述被动式SCR安装在四效催化转化器的下游；
所述控制器连接发动机、排气再循环装置、LNT装置、四效催化转化器、被动式SCR和传感器单元；
所述传感器单元包括氧传感器、流量传感器、第一NOx传感器、第一温度传感器、第二NOx传感器、第一NH3传感器、第二温度传感器、第二NH3传感器、第三温度传感器、第三NH3传感器、第三NOx传感器和压力传感器；
所述氧传感器、流量传感器、第一NOx传感器和第一温度传感器依次安装在排气再循环装置与LNT装置之间；
所述第二NOx传感器、第一NH3传感器和第二温度传感器依次安装在LNT装置与四效催化转化器之间；
所述压力传感器安装在四效催化转化器上，所述第二NH3传感器和第三温度传感器安装在四效催化转化器与被动式SCR之间；
所述第三NH3传感器和第三NOx传感器安装在被动式SCR的下游；
在稀燃模式下，所述LNT装置吸附NOx，所述被动式SCR利用已吸附的NH3还原NOx；在富燃模式下，所述LNT装置利用发动机不完全燃烧产生的CO、HC还原NOx并产生NH3，所述四效催化转化器利用发动机不完全燃烧产生的CO、HC还原NOx并产生NH3，所述被动式SCR吸附NH3；
所述方法包括：
发动机空燃比和排气再循环装置的EGR率的调整控制，稀燃模式下的模式切换控制，富燃模式下的模式切换控制；
其中，所述富燃模式下的模式切换控制为：
发动机富燃模式下，判断LNT装置是否再生完全，判断被动式SCR中NH3是否吸附完全；
若LNT装置未再生完全，被动式SCR中NH3吸附完全，则监测第三NH3传感器的测量数据是否达到预设值的阈值，若达到，则转换为稀燃模式，否则，保持富燃模式直至LNT装置再生完全；
若LNT装置未再生完全，被动式SCR中NH3未吸附完全，则监测第三NH3传感器的测量数据是否达到预设值的阈值，若达到，则转换为稀燃模式，否则，保持富燃模式直至LNT装置再生完全和被动式SCR中NH3吸附完全；
若LNT装置再生完全，被动式SCR中NH3吸附完全，则转换为稀燃模式；
若LNT装置再生完全，被动式SCR中NH3未吸附完全，则等待被动式SCR中NH3吸附完全时转换为稀燃模式。
2.根据权利要求1所述的一种稀燃汽油机NOx排放后处理控制方法，其特征在于，发动机的进气口和排气口分别连接进气歧管和排气歧管，所述排气歧管连接排气管，所述排气再循环装置、四效催化转化器、LNT装置和被动式SCR安装在排气管上，所述排气再循环装置用于将排气管中的一部分气体通入进气歧管。
3.根据权利要求1所述的一种稀燃汽油机NOx排放后处理控制方法，其特征在于，所述四效催化转化器为在汽油机颗粒捕集器上涂覆三效催化转化器的催化剂得到的四效催化转化器。
4.根据权利要求1所述的一种稀燃汽油机NOx排放后处理控制方法，其特征在于，所述LNT装置为低贵金属负载量的LNT装置。
5.根据权利要求1所述的一种稀燃汽油机NOx排放后处理控制方法，其特征在于，发动机空燃比和排气再循环装置的EGR率的调整控制为：
获取LNT装置、四效催化转化器、被动式SCR的高效催化温度区间，获取第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和氧传感器的测量数据，控制器调整发动机空燃比和排气再循环装置的EGR率，使排气温度处于LNT装置、四效催化转化器、被动式SCR的高效催化温度区间。
6.根据权利要求1所述的一种稀燃汽油机NOx排放后处理控制方法，其特征在于，稀燃模式下的模式切换控制为：
发动机稀燃模式下，判断LNT装置是否吸附完全，判断被动式SCR中NH3是否消耗完全；
若LNT装置未吸附完全，被动式SCR中NH3消耗完全，则保持稀燃模式；
若LNT装置未吸附完全，被动式SCR中NH3未消耗完全，则保持稀燃模式；
若LNT装置吸附完全，被动式SCR中NH3消耗完全，则转换为富燃模式；
若LNT装置吸附完全，被动式SCR中NH3未消耗完全，则等待被动式SCR中NH3消耗完全时转换为富燃模式。
7.根据权利要求6所述的一种稀燃汽油机NOx排放后处理控制方法，其特征在于，获取第一NOx传感器、第二NOx传感器和第三NOx传感器的测量数据Con(NOx-I)、Con(NOx-II)、Con(NOx-III)，若Con(NOx-II)＜Con(NOx-I)，则LNT装置未吸附完全，若Con(NOx-II)＝Con(NOx-I)，则LNT装置吸附完全，若Con(NOx-III)＜Con(NOx-II)，则被动式SCR中NH3未消耗完全，若Con(NOx-III)＝Con(NOx-II)，则被动式SCR中NH3消耗完全。
8.根据权利要求1所述的一种稀燃汽油机NOx排放后处理控制方法，其特征在于，获取第二NH3传感器和第三NH3传感器的测量数据Con(NH3-II)、Con(NH3-III)，若Con(NH3-III)<Con(NH3-II)，则被动式SCR中NH3未吸附完全，若Con(NH3-III)＝Con(NH3-II)，则被动式SCR中NH3吸附完全；
计算LNT装置中脱附并还原的NOx的量m(NOx-LNTDe)，计算LNT装置的总吸附量m(NOx-LNTAd)，若m(NOx-LNTDe)＜m(NOx-LNTAd)，则LNT装置未再生完全，若m(NOx-LNTDe)＝m(NOx-LNTAd)，则LNT装置再生完全，其中，LNT装置的总吸附量m(NOx-LNTAd)的计算方式如下：
稀燃模式下，获取流量传感器、第一NOx传感器和第二NOx传感器的测量数据，对时间积分得到LNT装置的总吸附量m(NOx-LNTAd)；
LNT装置中脱附并还原的NOx的量m(NOx-LNTDe)的计算方式如下：
富燃模式下，获取流量传感器、第一NOx传感器和第二NOx传感器的测量数据，对时间积分得到LNT装置还原掉排气中的NOx的量m(NOx-EXH)，基于LNT装置还原掉排气中的NOx的量m(NOx-EXH)，得到排气中NOx还原时产生的NH3的量m(NH3-EXH)；
富燃模式下，获取流量传感器、第一NH3传感器的测量数据，对时间积分得到LNT装置生成的NH3的总量m(NH3-TOT)，将m(NH3-TOT)减去m(NH3-EXH)，再通过LNT化学反应动力学模型，计算得到LNT装置中脱附并还原的NOx的量m(NOx-LNTDe)。
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