CN1732337A - 催化剂温度控制方法及配有λ可分离的废气净化系统的多缸发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对安装在贫混合气多缸发动机(10)的废气净化系统(12)中的至少一种催化剂进行控制的方法，由此使能量通过λ分离而被注入到废气净化系统(12)中。本发明还涉及一种相应的多缸发动机(10)。本发明的特征在于，能量的供应根据以下参数中的至少一个而受到限制：催化剂温度、废气温度和废气质量流量；并且/或者根据以下参数中的至少一个而受到限制：催化剂温度的变化、废气温度的变化以及废气质量流量的变化；并且/或者根据以下参数中的至少一个而受到限制：催化剂温度的变化率，废气温度的变化率以及废气质量流量的变化率。

Description

催化剂温度控制方法及配有λ可分离的废气净化系统的多缸发动机
本发明涉及一种用于对布置在可贫气运行的多缸发动机的废气净化系统之中的至少一种催化剂的温度进行控制的方法，其中能量可借助λ的分离而被注入废气净化系统中。本发明还涉及一种相应的配有可实现λ分离的废气净化系统的多缸发动机。
为了对内燃机的废气作后处理，通常要对废气做催化剂净化处理。为此要让废气通过至少一种可对废气的一个或多个有害成分进行转化的催化剂。已知有多种不同类型的催化剂。氧化型催化剂可以促进未燃的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化，而还原型催化剂则有助于减少废气中的氮氧化合物(NOx)。使用三元催化剂则可以对前面提到的三种成分(HC，CO，NOx)同时进行催化转化。
此外，公知地还有一种存储型催化剂，例如NOx存储型催化剂。此类催化剂常用于内燃机的废气净化。为了优化油耗，内燃机至少临时地会以贫气运行模式操作(即，带有λ＞1的富氧的废气)，从而生成大量的氮氧化合物NOx。在对未燃的碳氢化合物HC和一氧化碳CO进行氧化催化转化时，NOx不能被完全转化成有利于环境中和的氮。作为一种补救措施，可在内燃机的废气通路中置放上述提到的NOx存储型催化剂。它们在贫气的运行阶段中把NOx作为硝酸盐储存起来。此类NOx存储型催化剂必须每隔一段时间就通过把内燃机换转到富气或低化学计量的运行模式(λ≤1)而加以再生。
当运行于高温之下时，前面提到的催化剂会发生老化，从而与无损害催化剂相比它会降低峰值转化率。为了延缓催化剂的老化，就需要调节发动机的运行参数(优选地是调节燃烧过程的λ值)，以监控和限制废气系统中的最大允许温度。
另一方面对催化剂加温也是必要的，即，需要向废气系统中注入能量以达到催化剂的最佳温度窗并对NOx存储催化剂进行脱硫处理。这是因为催化剂会由于燃油中所含的硫而被毒化。对催化剂加热可去除存储在NOx存储型催化剂中的硫。对以硫酸盐形式储存的硫进行解吸所需的最低温度约为600℃。
加热催化剂会带来问题，尤其在当使用预催化剂和主催化剂时。因为在主催化剂被加热到所需温度时，预催化剂可能会热负荷过载。
为了有目的地将能量注入废气净化系统以优选地用于使NOx存储型催化剂脱硫，可对催化剂(尤其是主催化剂)进行加热，并使催化剂同时暴露于贫废气和富废气。例如，为了使主催化剂之前的废气达到1.0的所需λ值，可使废气在两个废气路径之一中朝向“富气”方向移动预定的量，并类似地使废气在另一个路径中朝相反的方向移动预定的量。此方法的优点在于，催化剂之前的混合废气同时含有高浓度的氧和有害物质。结果，大量的化合能量被在催化剂中转化。因为加热催化剂所需的能量只在催化剂中被能转化成热，所以就可消除经过非绝热废气系统的路径上的热损耗。另外，由于任何现有的预催化剂不会出现热负荷过载，因此其使用寿命的可靠性会大大提高。
但是，该工艺的问题在于它可能导致主催化剂过载危险性的提高，因在主催化剂中高化学能转化所产生的剧烈催化作用至少无法避免局部的过热负荷。另外，如果催化剂至少部分有活性(即，被加热)，则催化剂只能借助于λ的分离来升温，因为催化剂必须通过注入化学能以具备热活性。
因此本发明的目的就是提供一种用于对布置在可贫气运行的多缸发动机的废气净化系统之中的催化剂的温度进行控制的方法，其中能量可借助λ的分离而被注入废气净化系统中。它还提供了一种相应的配有具备λ分离能力的废气净化系统的可贫气运行的多缸发动机，该多缸发动机能够可靠地避免催化剂的过热负荷危险。
上述目的可通过一种具有权利要求1中所述的特征的方法和具有权利要求13中所述的特征的多缸发动机来实现。
根据本发明所述，它提供了一种用于对布置在可贫气运行的多缸发动机的废气净化系统之中的催化剂的温度进行控制的方法，其中能量可借助λ的分离而被注入废气净化系统中，其中注入能量的量可根据以下参数中的至少一个被确定或限制：催化剂温度，废气温度以及废气质量流量，并且/或者根据以下参数中的至少一个被确定或限制：催化剂温度的变化，废气温度的变化以及废气质量流量的变化(对时间的1阶导数)，并且/或者根据以下参数中的至少一个被确定或限制：催化剂温度的变化率，废气温度的变化率以及废气质量流量的变化率(对时间的2阶导数)。
该混合气裂变力(λ可分离的)废气净化系统被有利地设计成在多缸发动机与至少一种催化剂之间至少具有两个可采用预定的λ值的通路或废气路径，由此使废气净化系统有利地包括至少一种其温度可利用该方法得到控制的主催化剂以及位于上游的至少两种预催化剂，其中各个预催化剂被分别布置在各自的废气路径中。
化学能量的注入通过限制分离因子而有利地得到控制，该因子在这里被定义作为废气路径之一中的富化程度的一个标度。在混合λ的额定值为1.0时，25％的分离因子意味着在一台四缸发动机中有两个缸以λ＝0.35运行，另两个缸则以λ＝1.5运行。在要求对催化剂加热时，将能量注入废气净化系统中的要求可根据催化剂的实际温度、或者是催化剂的实际温度与预设的目标温度之间的温差来界定。通常希望将催化剂快速加热到目标温度，这就需要将很高的能量注入到废气系统中并因此要求有较高的初始分离因子。为了取得最佳的转化率，需要使混合λ的额定值为1.0。与主要采用热加温的常规加热方法相比，在加热过程中的化学成分较高时，从技术水平来看会增加催化剂过载的风险。因此，根据本发明所述的通过限制能量的注入来控制催化剂温度的做法是特别有利的。
根据本发明所述，在下述情况下要根据本发明前述的参数来对化学能量的注入或分离因子进行限制：
-提高所测量的或所模拟的催化剂温度而不受目标温差的限制，从而避免损害催化剂，尤其是在目标温度接近最低的、不能超过的不可逆热损害温度时；
-在主催化剂中存在高的正温差梯度，尤其是当主催化剂中的温度高时。考虑到主催化剂中的温度分布线具有潜在的不均衡性，如果正的温度梯度(d2T/dt2)也呈现渐进趋高的情况，则限制必需变得更加严格。因为这表明此时催化剂“失控”的风险特别高；
-废气质量流量降低，它减少了废气质量流量的冷却效应，其低于催化剂的温度。例如在换档时、过渡到低的负载状况或点火条件下的超程期间，在高的负废气质量流量梯度处的限制应该变得更加严格，这是因为在此种操作状态下，废气中的HC和O2含量会陡然急剧增加。
可在催化剂中转化的那部分废气化学能可通过能够获得的还原剂和氧气的质量流量加以测定。因此，当调节至催化剂之前的所需λ值时，优选地根据在主催化剂前面或后面所测的λ值将贫气路径中的λ值控制为根据所需分离因子算出的贫气进气量值，从而实现对富气管路的预控制。这样就可以防止在调整时因通常置于催化剂后面的传感器或在富气路径预催化剂后面安装的λ传感器产生问题，比如因氢气的横向灵敏度产生的测量误差。
在贫气路径被设置为非常贫气时，即λ值＞1.4、优选地λ值＞1.55时，燃烧过程的稳定性接近其极限，以至于会发生多次灭火的情况。因此根据本发明的一个实施方案所述，在贫气路径具有一个极度贫气的λ值时，总混合气可以在富气管路没有得到适当的预控制的情况下被临时地进行富化处理，或者容许采用分离因子再循环以通过让其注入能量来影响对趋向贫气的富气管路的预控制。此情况多发生在贫气管路中的λ值＞1.3、优选地为＞1.45时发生。
符合本发明的方法主要是在必要时可预置预催化剂用来脱硫的NOx存储型催化剂中应用。
本发明方法的优点在于，其催化剂系统的负荷要比现有技术中公知的常规方法小，同时对λ分离设置了更小的限制。
根据本发明所述的可贫气运行的多缸发动机配有具备λ分离能力的废气净化系统并且在废气净化系统中设置有至少一种催化剂，该多缸发动机包括本发明所述的用于控制至少一种催化剂的温度的装置，该装置可通过对至少一个运行参数优选地为多缸发动机的λ值做出影响，并基于下述参数中的至少一个参数，采取与废气相关的措施来控制至少一种催化剂的温度：催化剂温度、废气温度及废气质量流量；并且/或者根据以下参数中的至少一个：催化剂温度的变化、废气温度的变化及废气质量流量的变化(1阶导数)；并且/或者根据以下参数中的至少一个：催化剂温度的变化率、废气温度的变化率及废气质量流量的变化率(2阶导数)。因此，多缸发动机的具有λ分离能力的废气净化系统被设计成使得在多缸发动机和至少一种催化剂之间设置有至少两个废气路径，这两个路径都可以应用预定的λ值。按照一个特别优选的实施方案所述，该废气净化系统至少具有一种主催化剂，并且其上游设置有至少两种预催化剂，其中每种预催化剂被设置在各自的废气路径中，并且其中预定的λ值可被应用于各个废气路径。
上述装置还包括有控制装置，该控制装置优选地被集成入发动机控制器中，其中用来对与废气和性能相关的措施进行调控的模型和算法可按照数字化的形式存储。
上述方法及其他通用方法的控制与协调均可通过控制器或发动机控制器来完成。
根据本发明所述的多缸发动机可以是汽油机、特别是直喷式汽油机，或者也可以是柴油机。
废气净化系统，或者说是根据本发明所述的多缸发动机的废气净化系统中的至少一种催化剂具有贵金属含量低的优点。尤其在加了预催化剂后，其贵金属含量与现有的系统相比显著降低。
符合新欧洲循环行驶NEFZ(New European Driving Cycle)的使用直喷式、具有分层进气能力的汽油机的车辆利用热无损催化剂系统达到了HC废气排放＜0.07g/km、NOx废气排放＜0.05g/km的标准，该热无损催化剂系统包括设置在发动机附近的一种或多种预催化剂以及位于其下游的可存储硫质量＜0.2g/L的催化剂容量的NOx存储型催化剂，并且以至少250秒、优选为300秒的分层进气进行工作。这种车辆采用了贵金属含量≥4.67g/dm3(130g/ft3)的催化剂。
而在本发明所述的多缸发动机中，至少一种或多种预催化剂的贵金属含量可被有利地降到≤3.59g/dm3(100g/ft3)并且优选地≤2.87g/dm3(80g/ft3)。
利用前面所述的方法，对于同一辆车，即使在2％的O2、10％的H2的大气环境下以1100℃的温度对已降低了贵金属含量的预催化剂进行4小时的炉内退火以及在2％的O2、10％的H2的大气环境下以850℃的温度对NOx存储型催化剂进行4小时的炉内退火之后，HC废气排放也不会超过符合NEFZ标准的0.1g/km，NOx废气排放也不会超过符合NEFZ标准的0.08g/km。
本发明的其他优点在各从属权利要求中表明。
下面将结合附图对本发明的实施方案做出详细说明。在附图中：
图1本发明所述的内燃机设备的示意图，及
图2本发明所述方法的示意流程图。
图1示出了多缸发动机10以及设置在多缸发动机10下游的双通道废气净化系统12。多缸发动机10的各对汽缸14，14’分别与废气净化系统12的废气路径16，16’之一对接。每个废气路径16，16’都配有一种预催化剂18，18，其上游分别设置有λ传感器20，20’。两个废气路径16，16’在预催化剂18，18’的下游合并成一个单个的废气路径22，废气路径22中设置有主催化剂24。在主催化剂24的下游设置有λ测量装置26，它可以由λ传感器或NOx传感器组成。在主催化剂24的上游设置有温度传感器28，其用于分别确定废气温度或催化剂温度。富废气流经一个废气路径16，而贫废气流经第二废气路径16’。这两个废气路径16，16’的λ值优选地是分离的，从而在两个废气路径16，16’被合并成终止于主催化剂24的单一的废气路径22之后使λ值保持为1左右。由λ传感器、λ测量装置26及温度传感器28提供的信号在一控制装置中或在一发动机控制器中(未示出)得到处理。
图2示出了本发明的方法的流程图。一开始，在S10，根据例如催化剂温度TKAT与主催化剂24的所需温度或目标温度之差请求一个热流。然后，分离因子在S12中被确定，该定义出的分离因子经受S14，S16和S18限制因子的处理。第一个限制因子S14是根据催化剂温度TKAT以及催化剂温度梯度TKATG而由发动机 操作域K10确定的。因此，能量的注入受到增加的催化剂温度TKAT的限制，而无需考虑催化剂温度TKAT与目标温度的差异。催化剂温度TKAT与催化剂温度梯度的变化TKATGAE还被用于第二限制因子S16的第二发动机 操作域K12，它考虑到了主催化剂24中的温度分布的不一致性。在主催化剂24中正温度梯度较大时，尤其是主催化剂24中的温度TKAT已经很高时，就要限制分离因子。如果正的温度梯度TKATG也逐渐增大，则分离因子被进一步减小，以安全地消除主催化剂24中出现“失控”情况的风险。第三限制因子S18根据废气质量流量AMS以及废气质量流量梯度AMSG利用第三发动机操作域K14来限制分离因子。此举可能是必需的，这是因为减少的废气质量流量提供了较少的冷却、并且因为在需要高的负废气流量梯度的操作条件下废气中的HC和O2含量及注入的化学能量会瞬时陡增。然后，具有富废气的废气路径16之中的所需λ值S20和具有贫废气的废气路径16’之中的所需λ值S22被预设出来，其中，利用主催化剂24之后所测得的λ值，用于具有富废气的废气路径16的所需λ值在步骤S24中受到预控制，用于具有贫废气的废气路径16’的所需λ值在步骤S26中受到控制。
                       参考标号列表
10              多缸发动机
12              废气净化系统
14，14’                  汽缸
16，16’                  废气路径
18，18’                  预催化剂
20，20’                  λ传感器
22              废气管路
24              主催化剂
26              λ测量装置
28              温度传感器
S10             热流要求
S12             确定初始的分离因子
S14             第一限制因子
S16             第二限制因子
S18             第三限制因子
S20             确定用于富废气路径的所需λ值
S22             确定用于贫废气路径的所需λ值
S24             预控制
S26             控制
K10             第一发动机操作域
K12             第二发动机操作域
K14             第三发动机操作域
TKAT            催化剂温度
TKATG           催化剂温度梯度
TKATGAE         催化剂温度梯度变化
AMS             废气质量流量
AMSG            废气质量流量梯度

Claims (20)

1.一种用于对布置在可贫气运行的多缸发动机(10)的废气净化系统(12)之中的至少一种催化剂的温度进行控制的方法，其中能量借助λ分离而被注入所述废气净化系统(12)之中，所述方法的特征在于，所述能量的注入根据以下参数中的至少一个而受到限制：催化剂温度、废气温度和废气质量流量；并且/或者根据以下参数中的至少一个而受到限制：催化剂温度的变化、废气温度的变化以及废气质量流量的变化；并且/或者根据以下参数中的至少一个而受到限制：催化剂温度的变化率，废气温度的变化率以及废气质量流量的变化率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废气净化系统(12)在所述多缸发动机(10)与所述至少一种催化剂之间具有至少两个废气路径，其中预定的λ值可被加载给所述至少两个废气路径以用于能量的注入。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述废气净化系统(12)具有至少一种主催化剂(24)并且带有位于所述主催化剂(24)上游的至少两种预催化剂(18，18’)，其中各个所述预催化剂(18，18’)被设置在可以加载预定的λ值的相应的废气路径(16，16’)中。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述对注入能量的限制是利用所述至少一种催化剂或所述主催化剂(24)的测量到的或模拟出的升高的温度而实现的。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在所述至少一种催化剂或所述主催化剂(24)中呈现高的正温度梯度时，所述能量的注入受到限制。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述能量的注入是在当废气质量流量降低时受到限制的。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述注入能量的总量是由分离因子定出的，所述分离因子是根据注入能量的要求来确定的，所述废气净化系统(12)中各个废气路径(16，16’)的λ值是通过注入能量定出的。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在将所述至少一种催化剂或所述主催化剂(24)之前的λ值控制为λ额定值时，要根据在所述至少一种催化剂或所述主催化剂(24)之前或之后所测得的λ值，将所述贫废气路径(16’)中的λ值控制为由所需的分离因子产生的贫气λ值，而所述富废气路径(16)则会得到预控制。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，利用在所述贫废气路径(16’)上的非常贫气的设定，或者在若不适合对富废气路径(16)作预控的情况下允许对总混合气至少作临时的富化处理，或者将富废气路径(16)预控制为贫气λ值，由此使所述分离因子被可选地降低并且/或者注入较少的能量。
10.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在贫废气路径(16’)上的λ值＞1.3时，或者在若不适合对富废气路径(16)作预控的情况下允许对总混合气至少作临时的富化处理，或者将富废气路径(16)预控制为贫气λ值，由此使所述分离因子被可选地降低并且/或者注入较少的能量。
11.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在贫废气路径(16’)上的λ值＞1.45时，或者在若不适合对富废气路径(16)作预控的情况下允许对总混合气至少作临时的富化处理，或者将富废气路径(16)预控制为贫气λ值，由此使所述分离因子被可选地降低并且/或者注入较少的能量。
12.根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，所述至少一种催化剂特别是所述主催化剂(24)为NOx存储型催化剂，它的温度可通过注入到所述废气净化系统中的能量来调控，由此使NOx存储型催化剂得到脱硫处理。
13.一种配有具备λ分离能力的废气净化系统(12)的可贫气运行的多缸发动机(10)，所述废气净化系统(12)中设置有至少一种催化剂，其中所述多缸发动机(10)包括用于控制所述至少一种催化剂的温度的装置，其中所述装置通过对所述多缸发动机(10)的至少一个运行参数做出影响，并基于下述参数中的至少一个参数，采取与废气相关的措施来控制至少一种催化剂的温度：催化剂温度、废气温度及废气质量流量；并且/或者基于以下参数中的至少一个：催化剂温度的变化、废气温度的变化及废气质量流量的变化；并且/或者基于以下参数中的至少一个：催化剂温度的变化率、废气温度的变化率及废气质量流量的变化率。
14.根据权利要求13所述的多缸发动机，其特征在于，所述废气净化系统(12)在所述多缸发动机(10)与所述至少一种催化剂之间具有至少两个废气路径(16，16’)，预定的λ值可被加载给所述至少两个废气路径。
15.根据权利要求13或14所述的多缸发动机，其特征在于，所述废气净化系统(12)具有至少一种主催化剂(24)并且带有位于所述主催化剂(24)上游的至少两种预催化剂(18，18’)，其中，各个所述预催化剂(18，18’)被设置在所述可以加载预定的λ值以注入能量的相应的废气路径(16，16’)中。
16.根据权利要求13至15之一所述的多缸发动机，其特征在于，所述至少一种催化剂和/或所述主催化剂(24)为NOx存储型催化剂。
17.根据权利要求15或16所述的多缸发动机，其特征在于，所述至少两种预催化剂(16，16’)的贵金属含量≤3.59g/dm3。
18.根据权利要求15或16所述的多缸发动机，其特征在于，所述至少两种预催化剂(16，16’)的贵金属含量≤2.87g/dm3。
19.根据权利要求15至18之一所述的多缸发动机，其特征在于，所述装置包括控制装置，在所述控制装置中以数字化方式储存有用来调控与废气和功能相关的措施的模型和算法。
20.根据权利要求1至5之一所述的多缸发动机，其特征在于，所述多缸发动机(10)为汽油机、特别为直喷式汽油机，或者为柴油机。
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