CN1896468A - 稀混合气发动机基于氧化剂在排放控制装置中的位置负载控制NOx清除 - Google Patents

稀混合气发动机基于氧化剂在排放控制装置中的位置负载控制NOx清除 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制连接到排放控制装置的稀混合气发动机的方法，所述排放控制装置在稀混合气操作期间存储氧化剂，并在化学计量组成的混合气或浓混合气操作期间用存储的氧化剂来反应，该方法包括估计沿着该装置的多个轴向位置存储在该装置中的NOX的量，及基于所述估计调整操作参数。以此方式，可以通过考虑NOX存储在何处以及存储多少，来提供改进的排放控制。这种方法还可以改进NOX清除操作，例如，可以随着时间调节提供的还原剂的量或比率来更好地匹配NOX沿着排放控制装置轴向位置上的分布。

Description

稀混合气发动机基于氧化剂在排放控制装置中的位置负载控制NOx清除
技术领域
本发明涉及汽车排放控制系统和方法。
背景技术
在稀混合气发动机控制系统中，可以使用稀混合气NOx捕集器来存储在稀排气空-燃比的操作条件期间产生的NOx，从而减少排气管中排放的NOx。然后，当NOx捕集器足够满时，例如，可以将排气空燃比切换为化学计量组成或浓混合气空燃比来清除存储的NOx，以及存储的任何其他的氧化剂，如氧。
可以基于各种参数选择清除操作期间排气的空燃比(称为清除空燃比)来尝试降低从排气管中释放出的未反应的NOx的量。在一个例子中，可以基于温度和/或存储在捕集器中的NOx或氧化剂总量选择清除空燃比。这样的方法基于集中参数模型，假设NOx和任何其他氧化剂(如氧)沿着捕集器的各个轴(如捕集器的轴向长度)基本上均匀地分布。
发明人在此意识到，这可能带来一些缺点。具体来说，某些氧化剂(如NOx)沿着捕集器的各个轴上的存储可能比其他氧化剂(如氧)更加不均匀。例如，相对于氧，在捕集器的上游部分比捕集器的下游部分可能有明显更多的NOx存储。此外，沿着捕集器轴向长度的NOx存储分布也可能在不同的条件下变化。如果使用了具有不均匀的贵金属负载的排放控制装置，那么这些效应还会加重
发明内容
上述问题中的至少部分可以通过本发明的排放控制的系统和方法来解决。本发明的一个方面是一种用于控制连接到排放控制装置的稀混合气发动机的方法，所述排放控制装置在稀混合气操作期间存储氧化剂，并在化学计量组成的混合气或浓混合气操作期间用存储的氧化剂来反应，该方法包括：估计存储在所述装置中沿着所述装置的多个轴向位置的NOx的量；及基于所述估计调整操作参数。
根据本发明的另一个方面，一种发动机系统，包括：排放控制装置，所述排放控制装置在稀混合气操作期间存储氧化剂，并在化学计量组成或浓混合气操作期间用存储的氧化剂来反应，所述装置在排气流通过所述装置的轴向上具有基本上不均匀的贵金属负载；及基于沿着排气流流经所述装置的轴向上的不同轴向位置处的多种条件，所述装置用来调整发动机的操作参数。
根据本发明的另一个方面，一种系统，包括：用于控制连接到排放控制装置的稀混合气发动机的计算机可读媒体，所述排放控制装置在稀混合气操作期间存储氧化剂，并在化学计量组成或浓混合气操作期间用存储的氧化剂来反应，所述媒体包括：用于估计沿着该装置的多个轴向位置存储在该装置中的NOx的量的代码；及用于基于所述估计调整操作参数的代码。
以此方式，可以通过考虑例如NOx存储在何处以及存储多少，来提供改进的排放控制。这种方法可以改进NOx清除操作，因为如在一个例子中，可以随着时间调节提供的还原剂的量或比率来更好地匹配NOx沿着排放控制装置轴向位置上的分布。如此文详细的说明中所述，也可以使用各种其他方法。
附图说明
图1为内燃机的例子的示意图；
图2为具有第一催化NOx存储与转化区域和第二催化NOx存储与转化区域的NOx捕集器的例子的示意图；
图3为具有均匀的贵金属浓度的NOx捕集器和具有可变的贵金属浓度的NOx捕集器于恒定空速下的NOx存储与转化效率的图表；
图4为具有均匀的贵金属浓度的NOx捕集器和具有可变的贵金属浓度的NOx捕集器于变化的空速下的NOx存储与转化效率的图表；
图5为在捕集器前部比后部具有更高的贵金属浓度的NOx捕集器、在捕集器前部比后部具有更低的贵金属浓度的NOx捕集器，以及在前部和后部具有恒定负载的NOx捕集器于恒定空速下的NOx存储与转化效率的图表；
图6为在捕集器前部比后部具有更高的贵金属浓度的NOx捕集器、在捕集器前部比后部具有更低的贵金属浓度的NOx捕集器，以及在前部和后部具有恒定负载的NOx捕集器于变化的空速下的NOx存储与转化效率的图表；
图7为具有第一、第二和第三催化NOx存储与转化区域的NOx捕集器的例子的示意图；
图8为具有第一、第二、第三和第四催化NOx存储与转化区域的NOx捕集器的例子的示意图；
图9为示意图，图示具有沿着其长度连续增加的催化金属浓度的NOx捕集器的例子；
图10为显示NOx存储在装置上的变化的图表；
图11显示催化剂砖的部分的例子；
图12-13显示高级流程图的例子；
图14展示不同的催化剂负载的NOx效率的例子。
具体实施方式
图1展示内燃机10的示意图。发动机10通常包括多个汽缸，图1显示了其中一个汽缸，且由发动机电子控制器12来控制。发动机10包括燃烧室14和汽缸壁16。活塞18放置在汽缸壁16内并与曲轴20连接，燃烧室14通过相应的进气门26和排气门28与进气歧管22和排气歧管24相连。排气氧传感器30连接到发动机10的排气歧管24，排放处理节40连接到排气氧传感器下游的排气歧管。所述的发动机可以配置在汽车中使用，例如，客车或多功能车。
进气歧管22经过节流板44与节流阀体42相连。如所示进气歧管22也具有与其相连的燃料喷射器46，用来供应与来自控制器12的信号的脉冲宽度(fpw)成比例的燃料。燃料被供应给燃料喷射器46是通过包括燃料箱、燃料泵，及燃料导管(未展示)的常规的燃料系统(未展示)。发动机10还包括常规的无分电器点火系统48，通过火花塞50向燃烧室14提供点火火花以响应控制器12。在此所述的实施形态中，控制器12是常规的微计算机，包括：微处理器单元52、输入/输出端口54、电子存储器芯片56、随机存取存储器58，及常规的数据总线，电子存储器芯片56在此具体例子中是电子可编程存储器。
控制器12从连接到发动机10的传感器接收各种信号，除上述那些信号之外，还包括：由连接到节流阀体42的质量空气流量传感器60所感应的质量空气流量(MAF)值；来自连接到冷却套管64的温度传感器62的发动机冷却液温度(ECT)；来自连接到进气歧管22的歧管绝对压力传感器66的歧管压力(MAP)值；来自耦连到节流板44的节流阀位置传感器68的节流阀位置(TP)值；及来自耦连到曲轴20并指示发动机转速(N)的霍尔效应传感器70的齿面点火传感器信号(PIP)。
排气通过与排气歧管24相连的常规的排气回流管(EGR)72、EGR阀部件74及EGR开口76被送到进气歧管22。可选地，管72可以是发动机中连接在排气歧管24和进气歧管22之间的内部的传送通道。
歧管绝对压力传感器66在阀部件74和开口76之间与EGR管72相连。歧管绝对压力传感器66也与进气岐管22相连。换句话说，排气从排气歧管24首先流经EGR阀部件74，然后流经EGR开口76，到达进气歧管22。因而可以说EGR阀部件74位于开口76的上游。
歧管绝对压力传感器66向控制器12提供歧管压力(MAP)值和开口76上的压力降(DP)。从而使用信号MAP和DP来计算EGR流。EGR阀部件74在EGR管72内具有控制变区域限制的阀位置(未展示)，从而控制EGR流。EGR阀部件74可最低限度地限制通过管72的EGR流或完全限制通过管72的EGR流。真空调节器78连接到EGR阀部件74。真空调节器78通过线80接收来自控制器12的驱动信号来控制EGR阀部件74的阀位置。在较佳实施形态中，EGR阀部件74是真空驱动的阀。然而，对本领域的技术人员是显而易见的，可以使用任何类型的流控制阀，例如，电螺线管动力阀或步进电机动力阀。注意，也可以使用另一种EGR系统，如那些在EGR控制阀上游具有开口的EGR系统。此外，使用没有开口的步进电机阀的系统也可采用。
图2显示排放处理节40的一种典型配置的示意图。排放处理节40包括三元催化转化器100，及位于催化转化器100下游的NOx捕集器110。排放物首先流经催化转化器100，然后流经NOx捕集器110。在浓混合气和化学计量组成的混合气发动机条件下，碳氢化合物、CO和NOx化合物被三元催化剂100转化为CO2、H2O和N2，从而使这些放热反应与NOx捕集器110分离，并有助于减少NOx捕集器110内催化金属的热老化。然而，当发动机10使用稀空/燃混合气运转时，在排放流中产生的还原剂会不足，导致在三元催化转化器100中NOx向N2的转化减少。因此，NOx捕集器110包括配置为将NOx转化为NO2的催化金属，及配置为将NO2作为硝酸盐吸附的NOx吸附剂。NOx吸附剂通常是碱或碱土金属氧化物，但也可以是其他适合的化合物。NOx吸附剂在稀混合气条件下存储多余的NOx，并在浓混合气条件下催化存储的NOx到N2的转化，从而再生NOx捕集器110。
在发动机高负载期间，当发动机使用化学计量组成的(或浓的)空/燃混合气运转时，部分碳氢化合物、CO和NOx会到达NOx捕集器110。这些化合物由NOx捕集器110中的贵金属位点转化为CO2、H2O和N2会导致NOx捕集器110的热老化。如上所述，这些过程的放热曲线在NOx捕集器前部趋于最大，并沿着NOx捕集器的长度随着排放流中HC、CO和NOx的浓度的降低而下降。这往往是老化NOx捕集器前部比NOx捕集器后部更严重。
现有的对由于热老化而使得NOx存储容量减少的解决方案包括使用更大的NOx捕集器，和/或在NOx捕集器中使用更高的催化金属浓度。然而，这样的解决方案会增加捕集器的成本。现有的帮助防止热老化的解决方案也包括在NOx前面设置紧连着的催化转化器，以在浓混合气和化学计量组成的混合气操作期间，在NOx转化器上游并与其隔开的位置上执行碳氢化合物、CO和NOx的转化。然而，与NOx捕集器联合使用于配置为使用稀空燃混合气运转的发动机中的所述紧连着的催化剂通常体积较小。因此，在高负载情形的时候部分碳氢化合物、CO和NOx仍然可以到达NOx捕集器，从而使NOx捕集器热老化。
为了克服这些问题，NOx捕集器110包括多个具有不同金属催化剂浓度的催化NOx存储与转化区域。在具体实施例中，设于NOx捕集器110上游位置的催化NOx存储区域比位于NOx捕集器110下游位置的催化NOx存储区域具有更低的催化金属浓度。例如，在图2所示实施形态中，NOx捕集器110包括具有第一、较低催化金属浓度的第一催化NOx存储与转化区域112，及具有第二、较高的催化金属浓度的第二催化NOx存储与转化区域114，其中第二催化NOx存储与转化区域位于第一催化NOx存储与转化区域的下游。
在此使用的术语“上游”和“下游”指排放流经NOx捕集器110的方向；排放在流经NOx捕集器110“下游”区域之前流经NOx捕集器110的“上游”区域。在此使用的术语“金属催化剂”或“催化金属”指用于将NOx转化为NO2的金属，而不是用于将NOx作为硝酸盐存储的金属氧化物。适合的金属催化剂的例子包括，但不限于，铂、钯、铑及它们的组合。
如下面更详细的说明所述，已发现具有不同催化金属浓度的区域的NOx捕集器与具有相等体积和相等催化金属总量且分散在捕集器中的催化金属浓度基本一致的NOx捕集器相比，通常具有更高的NOx存储与转化容量。此外，还发现在上游区域具有相对于下游区域更低的催化金属浓度的NOx捕集器，通常具有更高的NOx存储与转化容量并对由于热老化容量降低具有更高的抵抗力。使用此布置，较高负载的区域得到保护，使免遭NOx捕集器中催化金属位点上的碳氢化合物、CO和NOx转化导致的热老化过程时的多数放热反应，而较高负载的区域有助于在发生部分老化之后在较低的温度下提供良好的NOx存储性能。
应说明一下，和NOx捕集器相反，某些已知的三元催化剂系统具有交错或分区的贵金属分布。然而，在这些系统中，较高负载的区域通常是催化剂系统的上游部分，其用于改进系统的活化性能。因此，贵金属在NOx捕集器110的布置中，较高负载的部分位于后部的情形，是意想不到和独特的。
第一催化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114每个都可以具有任何适合的催化金属浓度。例如，在某些实施形态中，第一催化NOx存储与转化区域112可以具有约在10至60克/立方英尺(gpcf)范围内的催化金属浓度，而第二催化NOx存储与转化区域114可以具有约在50至150gpcf(克/立方英尺)范围内的催化金属浓度。在另外的实施形态中，第一催化NOx存储与转化区域112可以具有约在1.0至2.2克/升范围内的催化金属浓度，而第二催化NOx存储与转化区域114可以具有约在1.8至5.2克/升范围内的催化金属浓度。在一种具体实施形态中，第一催化NOx存储与转化区域具有约1.8克/升的催化金属浓度，而第二催化NOx存储与转化区域具有约4.8克/升的催化金属浓度。应理解，这些范围只是示意性的，且第一和第二催化NOx存储与转化区域112和114也可以具有这些范围之外的催化金属浓度。
第一催化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114相对于彼此及相对于发动机10中的其他组件可以具有任何适当的空间关系。例如，第一催化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114可以容纳在单个外壳116内，或可以容纳在以包含了排放流的导管(未展示)流体连接的各自的外壳内。在某些实施形态中，可以通过将不同的催化金属浓度载于单个支撑结构的不同部分上的方式，在该支撑结构上形成第一催化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114，而在另外的实施形态中，可以在物理上分开的支撑结构上形成第一和第二催化NOx存储与转化区域。类似地，三元催化剂100可以和NOx捕集器110一起容纳在相同的外壳内，或可以容纳在不同的外壳118内，如图2所示，并通过导管120连接到NOx捕集器110。
第一催化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114相对于彼此可以具有任何适当的尺寸和/或体积。例如，当在一个支撑结构上形成第一催化NOx存储区域112和第二催化NOx存储区域114时，每个催化NOx存储与转化区域都可以占据NOx捕集器的体积、表面积，或其他尺寸和/或容量值的大约二分之一。或者，第一或第二催化NOx存储与转化区域可以占据少于或多于NOx捕集器的体积、表面积，或其他尺寸和/或容量值的二分之一。例如，第一或第二催化NOx存储与转化区域可以占据NOx捕集器体积、表面积等等的1/2，1/3，1/4，1/5，1/6，等等，或大于、小于和在这些分数之间的值。当在分离的支撑结构(未展示)上形成第一催化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114时，支撑结构可以具有类似的或不同的尺寸、体积、表面积等等。
试验结果
图3为图表，展示在均匀负载70gpcf Pt/Rh(铂/铑)的NOx捕集器的一英寸芯和成分相同且其中前半部分负载40gpcf Pt/Rh而后半部分负载100gpcf Pt/Rh的两个半英寸芯(“40/100系统”)的NOx存储与转化效率之间进行比较的试验结果。在60秒稀混合气/5秒浓混合气的循环中做出测量。这些测试在25000hr-1的恒定空速下执行。在测试之前，每个NOx捕集器样品在根据预定的例程以1000℃的最高温度在老化的_″三元催化剂之后在脉冲火焰燃烧反应器上以800℃的入口温度老化50小时。对40/100系统，单独老化40gpcf和100gpcf的1″芯，然后在100gpcf部件的后半部分前面测试40gpcf部件的前半部分。
如图3所示，负载于400℃及以下，40/100系统优于均匀负载的70gpcf负载，此情形贵金属浓度对NOx存储性能具有显著影响。然而，在大约450至500℃的范围内，贵金属浓度具有较少的影响时，两个系统的性能很接近。
如上所述，图3中的测试在25000hr-1的恒定空速下执行。然而，在汽车上，排放流过NOx捕集器110的流量通常随着温度增加而增加。因此，用随着温度变化的流量进行测试来确定NOx捕集器110的性能。1.8g/升Pt/Rh，4.8g/升Pt/Rh，及3.3g/升Pt/Rh的样品根据预定的例程用最高1000℃的温度老化了50小时，而在老化过程中没有三元催化剂在前面。在测量这些样品的NOx转化效率期间，流量是随着温度升高而增加，因此随着温度从200℃升高到600℃，空速从10,000hr-1线性地增加到50,000hr-1。在4.8g/L样本的后_″部的前面测试1.8g/L样本的前_″部，并将其与具有3.3g/L负载包含了相同的贵金属总量的1″样本的性能进行比较。图4表明，1.8+4.8g/L组合在所有的温度上都优于均匀的3.3g/L负载。
已发现当具有较高催化金属浓度的催化NOx存储与转化区域114放置在具有较低催化金属浓度的催化NOx存储与转化区域112之后时，催化金属的耐久性(即，对热老化的抵抗力)提高。由于这样的布置，具有较高催化金属浓度的区域114在化学计量组合的混合气或浓混合气操作期间得到保护，免于催化金属上的碳氢化合物、CO和NOx的反应所导致的大部分的热老化，而具有较高催化金属浓度的区域114有助于在老化之后在较低的温度下提供良好的NOx存储性能。
图5将图3的40/100系统与其上游催化NOx存储与转化区域(100gpcf)具有比下游催化NOx存储与转化区域(40gpcf)更高的催化金属浓度的100/40系统的性能作比较。在恒定的空速下进行测量。如所示，40/100系统在300℃和350℃优于100/40系统。在较低温度上的这种提高归功于在后面的位置上被老化的100gpcf区域的低温性能的更好的保持力。100/40系统的表现与在这些温度下的均匀的70gpcf系统相似，这归因于100gpcf区域在前面的位置上已被老化了更多这一事实。
图6将图4的1.8+4.8g/L系统与对应的4.8+1.8g/L系统(即，其中上游催化NOx存储与转化区域具有4.8g/L的催化金属浓度，而下游催化NOx存储与转化区域具有1.8g/L的催化金属浓度)的结果作比较。在线性增加的空速下进行图6的测量。又，如所示，在捕集器下游部分具有较高的催化金属浓度的NOx捕集器优于在捕集器上游部分具有较高催化金属浓度的系统。应注意，1.8/4.8和4.8/1.8NOx捕集器两者都优于均匀负载的NOx捕集器。
虽然图2所述的NOx捕集器实施例包括两个催化NOx存储与转化区域，但应理解，在此揭示的概念可以扩展到包含两个以上具有不同催化金属浓度的催化NOx存储与转化区域的NOx捕集器。例如，图7在210概括地展示了包含三个催化NOx存储与转化区域212、214和216的例子的NOx捕集器。催化NOx存储与转化区域212具有比催化NOx存储与转化区域214更低的催化金属浓度，而区域214具有比区域216更低的催化金属浓度。类似地，图8在310概括地展示了包含四个催化NOx存储与转化区域312、314、316和318的例子的NOx捕集器。催化NOx存储与转化区域312具有比区域314更低的催化金属浓度，而区域314具有比区域316更低的催化金属浓度，依次地区域316又具有比区域318更低的催化金属浓度。此外，如果需要的话NOx捕集器可以包含五个、六个、七个或更多不同的催化金属区域。此外，如图9中的410所示，金属催化剂浓度可以按连续方式沿着NOx捕集器的长度增加，而不是具有离散的区域。此外，也可以使用图2和7-9中未展示出的催化金属浓度变化。例如，金属催化剂浓度可以沿着排放流流过NOx捕集器的方向按指数或对数方式增加，或可以按任何其他非线性方式增加。
虽然如图2和7-9的实施例描述的NOx捕集器在捕集器的上游区域具有更低的催化金属浓度而在捕集器的下游区域具有更高的催化金属浓度，但应理解，上游区域也可以具有比下游区域更高的催化金属浓度。虽然这种配置对热老化的抵抗力可能不象上游区域具有更低的催化金属浓度的配置那样强，但图5和6中所示的试验结果表明，这样的配置仍然可以提供比具有均匀的催化金属负载的NOx捕集器更好的NOx存储与转化性能。
控制系统和方法
此外，应理解，在此揭示的反应条件本质上是示意性的，且这些具体实施形态不应视为具有限制含义，因为大量的变化都是可能的。本发明的主旨包括各种催化金属浓度、分区配置、NOx捕集器设计，以及与在此揭示的NOx捕集器有关的其他方面的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。本申请的权利要求只是特别指出被视为新颖和非显而易见的特定的组合及子组合。这些权利要求可能提到“一”要素或“第一”要素或其等同。这样的权利要求应被理解为包括一个或多个这样的要素，而并不要求或排除两个或多个这样的要素。催化金属浓度、分区配置、NOx捕集器设计的其他组合及子组合，和/或其他特征、功能、要素，和/或属性可以通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来要求其权利。这样的权利要求，无论是更宽、更窄、等同或不同于原始权利要求的范围，也被视为包括在本发明的主旨之内。
现参考图10-14，描述了考虑氧化剂(如NOx)的轴向负载的改进的控制系统和方法。在一个具体例子中，可以在稀混合气工作期间估计捕集器中的NOx的轴向负载，然后在浓混合气清除期间调整提供给捕集器的额外的还原剂的比率。
如上所述，可以基于各种参数调整在清除操作期间排气的空-燃比率(称为清除空-燃比)，以尝试减少从排气管中释放出的未反应的NOx的量及由于过度清除造成的HC/CO排放。这些参数可以包括温度、自清除开始以后的时间、排气质量流量，及存储在捕集器中的NOx或氧化剂的总量。然而，如此所述，简单地依赖存储的组分(如NOx)的总量可能会导致不合适的还原剂供给。参考图10对此进行更加全面的描述。
图10展示沿着催化剂砖(catalyst brick)可如何对NOx进行轴向分布的两个例子。例A具有较高的假设为均匀分布的NOx存储总量，而例B具有较低的假设为均匀分布的NOx存储总量(两个例子展示相同的可用NOx位点总数量)。
在NOx清除期间，还原剂波阵面(wave-front)可以视为沿着排放控制装置的轴向长度移动，如下面参考图11更详细地描述的那样。例如，当向捕集器提供还原剂时，还原剂首先遇到存储在前部表面附近的NOx。然后，随着提供更多的还原剂，还原剂逐渐移过催化剂的轴向长度，与存储的氧化剂反应，直到出现突破(这时清除可以终止)。以此方式，发生在催化剂上游部分中的反应影响催化剂下游部分中的反应(和可用的反应物)，从催化剂的前部到后部也是如此。
因此，回到图10，在任何给定位置，如x，如果所供给的还原剂的量是基于假设的均匀分布的量，则可能有过多的还原剂(x2)(或过大的流量，或过大的质量流量等等)或过少的还原剂(x1)。只有还原剂波阵面处于当均匀分布假设与存储量(在x3)匹配时的点时，才是合适的可用还原剂的量。
因此，虽然存储的氧化剂的总量或百分比总量在确定还原剂的适当的量时可能是有用的值，但是在一种方法中，也可以使用氧化剂的轴向负载来调整空-燃比(或还原剂的流量)，从而可以获得改进的曲线。换句话说，通过确定NOx沿催化剂位置(如，轴向长度)的存储分布，至少部分地基于NOx存储分布信息(可以是测量出的、估计的或两者的组合)调整发动机空燃比(和/或空气流、燃料流等等)是可能的。
现参考图11，其展示了可以划分(如，可以是在需要时为了评估目的的划分，或物理上的划分)为多个部分的催化剂砖1110的例子。在此例中，所示的几个示例部分(A-E)起始于催化剂砖的前部表面。虽然此例展示的是一个催化剂砖，但可以同样地将其应用于任何数量的催化剂砖或排放控制装置，或催化剂砖的一部分或排放控制装置的一部分。
这些部分通过水平线(和斜填充影线)在概念上表示存储在不同位置/部分的氧化剂(如，NOx加上氧)的量。同时，图中还显示了还原剂波阵面在示例设置的示例位置。这说明了对于给定的波阵面位置，如何使可用于与存储的氧化剂反应的还原剂的量、能够与存储在将要面对的部分(如，在此例中为部分C)中的存储量相匹配。换句话说，当波阵面经过前一个部分时(部分B)，可以调整排气空燃比(和/或质量流量，或排气组分)以在通过部分B时包含更多还原剂，然后波阵面通过部分C。此外，当波阵面到达部分D时，正好有较少的还原剂可用。并且，当波阵面到达部分E时，理论上已没有可用的还原剂。
因此，可以在上游(如，在发动机排气，或催化剂砖810上游的排气中)调整排气空燃比(和/或质量流速，或排气组分)从而当波阵面到达E时，例如，空燃比已回到化学计量组成的混合气或稀混合气，及波阵面的空燃比是化学计量组成的混合气或稀混合气。还应注意，由于传输延时以及根据在特定部分上游可能发生反应，可以在想要的波阵面还原剂的量设置之前调整排气空燃比，。可以按闭环方式根据来自位于稀混合气NOx捕集器砖之间或之内的传感器的空燃信息反馈，修改/修正想要的空燃比分布。注意，存在用来调整提供给该装置的还原剂的量和/或比率的各种方法，其包括改变空燃比、改变排气质量流、改变喷入排气中的还原剂的量，或其他。
此方法，或任何其他在此所示的方法，都可以应用于在各种位置和尺寸的排放控制装置或催化剂砖，包括并联或串联的装置。例如，在这样的情况下，如果存在多个位于独立箱体中的NOx捕集器的话，可以基于每个箱体执行对轴向负载的估计和对应的清除控制。
现参考图12，图示是用于执行轴向NOx和/或氧分布的确定的流程图。在此具体例子中，描述了假设氧为均匀分布时用于估计NOx的轴向负载的例程。然而，如果需要的话，这也可以扩展到包括氧及其他氧化剂的轴向分布。然后在发动机操作期间产生在线可用的估计参数，以在控制操作(如清除期间的发动机或排气空燃比)中和在确定装置性能降级(如发动机或催化剂劣化)中有利使用。
首先，在步骤1210，例程为了估计目的将催化剂划分为多个部分。各部分的尺寸可以是恒量或沿着长度改变，以在更多存储或反应活动发生时提供更高的分辨力。同时，也可以在所有的条件下使用固定数量和尺寸的部分，如此可以跳过步骤1210。或者，各部分的数量或尺寸可以基于其他操作条件变化，这些操作条件如装置温度、发动机起动以来的时间、催化剂劣化，和/或其他。
然后，在步骤1212中，对每个部分，例程估计进入的还原剂、进入的氧化剂、存储的氧化剂、释放的氧化剂、流出的还原剂，和/或流出的氧化剂。注意，对多数上游部分，可以基于排气内容、或发动机输出组分来估计组分。为此估计的输入可以包括：每个部分的温度、部分的尺寸、部分(沿排气流长度)的轴向位置、每个部分的劣化(如老化和/或硫磺污染和去除)、每个部分的贵金属负载，它们的组合，及其他。此外，此估计可考虑空速对氧化剂(如NOx)的存储/清除的影响。
最后，在步骤1214，例程使用部分估计来调整各种发动机和/或排气参数。例如，例程可以使用部分估计来确定何时终止稀混合气操作并清除存储的氧化剂、在NOx清除期间选择空燃比，如清除期间的空燃比分布，和/或估计何时终止浓混合气清除操作。
在一个例子中，估计可以包括对每个部分确定所需要进入的还原剂的量，以致当实际的还原剂到达该部分时，有正确的进入的还原剂的量可用于存储在该位置的NOx和氧的量(并考虑对下游部分或排气管排放的任何影响)。然后，此所需的进入还原剂的量可以用于确定排气中在时间上的所需空燃比分布，以及其他的参数，如所需的排气温度、所需的排气质量流量，及其他。
现参考图13，其中描述了基于在排放控制装置中的轴向信息来控制发动机操作的例程。具体来说，在步骤1310中，例程监视存储在该装置中的NOx的量，及NOx存储沿催化剂长度的分布。例如，可以使用上述估计。也可以使用来自上游和/或下游排气传感器的更多的附加信息来监视沿催化剂长度的NOx存储量和位置。例如，可以使用排放控制装置上游、下游或其中的NOx和/或氧传感器来改进任何对氧化剂存储量和/位置的确定。
然后，在步骤1312中，例程确定存储的量/位置评价是否触发从稀混合气到化学计量组成的混合气或浓混合气的临时空燃比变化，以便清除存储的氧化剂，如NOx。例如，可以使用存储在不同轴向位置的NOx的加权平均来触发这样的操作。在另外的实施形态中，可以使用下游的NOx传感器确定每段距离的排放量来触发这样的操作。
接下来，当对步骤1312的回答为是时，例程进入步骤1314。或者，例程继续保持或返回稀混合气或化学计量组成的混合气的操作。在步骤1314中，例程基于存储的NOx、存储位置，和/或还原剂波阵面的轴向位置、装置温度(或温度沿轴向长度的分布)或它们的组合，选择所需的排气空燃比值。可以使用来自位于稀混合气NOx捕集器砖之间或内部的传感器的空燃信息反馈，按闭环方式修改/修正所需的空燃比分布。然后可以使用所需的空燃比来调整发动机操作(如，燃料喷射、空气流量等等)，以提供所需的空燃比。
然后，例程从步骤1314进入步骤1316，通过监视还原剂波阵面的位置和波阵面处的还原剂的量确定NOx清除是否完全。这可以使用上述估计以及来自排放控制装置上游、下游或其中的排气传感器的信息做出。例如，如果氧传感器位于给定的轴向位置，则它可以基于测量得到的氧浓度检测还原剂波阵面的移动。在一个例子中，当检测到缺乏氧(例如，在某阈值之外)时，可以确定还原剂波阵面的位置。
如果清除不完全，则例程返回步骤1314。如果清除完全(如，波阵面已到达选择的具有给定强度的轴向位置)，则例程进入步骤1318以回到稀混合气(或化学计量组成的混合气)操作。
以此方式，例程可以使用存储的NOx的量和存储的位置来控制发动机和/或汽车操作的各个方面。例如，可以使用此信息来确定何时清除催化剂、用多长时间清除催化剂，及排气在不同的时间段的浓度水平和/或用于清除催化剂的还原剂质量流量。此外，可以使用此信息来获得对催化剂性能下降的改进的估计，及改进脱硫控制、温度控制，或其他。
现在更详细地描述操作方法和系统配置之间的几种交互作用。例如，在本发明的控制策略中处理的两个问题是：利用排放控制装置中(如，稀混合气NOx捕集器)的贵金属分区的能力，及利用较高负载和较低负载区域之间潜在的不同温度窗口的能力。
如上所述，因为沿催化剂砖长度的至少一部分上的负载(如，Pt负载)可以不均匀，沿着该催化剂砖长度的NOx存储容量也可以不均匀(其中位点的数量可以均匀也可以不均匀，因为容量也可以取决于贵金属)。因此，在一个例子中，对NOx捕集器行为的估计可以将催化剂砖明确划分为至少两个区域，一个具有较低的每单位体积位点密度，而另一个具有较高的每单位体积位点密度。或者，可以将模型划分为两个以上的区域，以解决沿催化剂砖长度发生的有差别的老化。例如，催化剂的前部可能比催化剂的后部劣化更快。
因此，白金族金属(PGM)分区的一个优点是它允许增加老化部分的容量，由于起初在催化剂砖后部设置了更多位点放置。捕集器的容量作为位置的函数可以使用下面形式的方程式来调整：
                Cap(z)＝Cap0(z)*exp(-k*t)
其中Cap是作为轴向位置z的函数的容量，Cap0是作为轴向位置z的函数的初始容量，t是时间，而k表示作为温度和/或空燃比的函数的劣化相对比率。可以调整此模型来确保作为位置的函数的容量总和等于通过传感器或其他方法测量的催化剂砖总容量。这允许对存储在催化剂砖中的NOx的量作为时间和位置的函数进行精确预测，然后可以将其用在控制策略(如，确定所需空燃比、所需催化剂温度等等)中来改进性能。
然而，请注意，即使NOx捕集器负载可以在轴向上有变化，氧存储仍然可以沿着一特定的催化剂均匀分布(或可以假设如此)。换句话说，对特定的催化剂砖(具有特定的氧存储贵金属负载)，即使NOx存储在轴向上改变，也可以假设氧存储是均匀地分布在该催化剂砖上。然而，不同的催化剂砖可以有不同的、取决于给定催化剂砖上的总负载的氧存储容量。或者，也可以包括催化剂不同部分中氧存储的变化，其中氧存储容量随着PGM负载而增加。
使用沿着长度具有变化的负载的装置的另一个潜在优点是更靠前的区域的氧存储容量可以少于更靠后的区域的氧存储容量。具体来说，在较高温度的稀混合气条件下，更高的PGM负载可以催化硝酸盐的分解。因此，在较高温度操作期间，在靠前的区域中会比靠后的区域存储更多的NOx。因为由于更低的PGM使得在靠前的区域中存在更少的氧存储容量，所以清除靠前的区域所需的还原剂更少了(因为更少的还原剂被用来和氧发生反应)。换句话说，对比更高PGM被存储在更靠前的区域中(且更多的NOx存储在后部)的情形(这情形需要首先清除在更靠前的区域中的更高的氧量)，可能需要较少的还原剂总量来清除给定量的NOx。以此方式，可以实现更加高效的清除，及更好的燃料经济性。
可以使用于本发明的第二个控制特征可以利用高负载和低负载区域之间潜在的不同温度窗口。图14展示了具有四种不同的PGM负载的四个装置老化之后在标准实验室中试验的功效。如图14所示，具有更高PGM负载的装置在较低的温度上有更好的性能，而具有更低PGM负载的捕集器在较高的温度上有更好的性能。再次，这些效应和交互作用都可以包括在上述的控制和估计方法中，可以将排放控制装置沿着轴向划分为离散的部分，从而使有能力解决任何性能区别，例如可以从催化剂中释放NOx的温度(这可能取决于局部温度、空燃比、PGM负载，及存储的NOx量)。由于这些因素中的一个或多个会作为位置的函数改变，可以充分利用NOx捕集器轴向上的离散模型。

Claims (19)

1.一种用于控制连接到排放控制装置的稀混合气发动机的方法，所述排放控制装置在稀混合气操作期间存储氧化剂，并在化学计量组成的混合气或浓混合气操作期间用存储的氧化剂来反应，所述方法包括：
估计存储在所述装置中沿着所述装置的多个轴向位置的NOX的量；及
基于所述估计调整操作参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操作参数是化学计量组成或浓排气空-燃比。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述估计在稀混合气发动机操作期间执行，且所述发动机操作参数是指在所述稀混合气发动机操作随后的操作期间被执行的化学计量组成的或浓的空-燃比。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在稀混合气操作期间更新所述估计。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在浓混合气操作期间更新所述估计。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操作参数是发动机空-燃比。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操作参数是提供给所述捕集器的还原剂的比率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排放控制装置在沿着装置的至少一个长度上具有可变的贵金属负载。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排放控制装置是稀混合气NOX捕集器。
10.一种发动机系统，包括：
排放控制装置，所述排放控制装置在稀混合气操作期间存储氧化剂，并在化学计量组成或浓混合气操作期间用存储的氧化剂来反应，所述装置在排气流通过所述装置的轴向上具有基本上不均匀的贵金属负载；及基于沿着排气流流经所述装置的轴向上的不同轴向位置处的多种条件，所述装置用来调整发动机的操作参数。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述排放控制装置是稀混合气NOX捕集器，所述操作参数包括空燃比，所述多种条件包括存储在排气流通过所述装置的轴向上的不同轴向位置处的NOX的量。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述排放控制装置是稀混合气NOX捕集器，所述操作参数包括还原剂在排气流中的量，所述多种条件包括存储在沿着排气流流经所述装置的轴向上的不同轴向位置处的NOX的量。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述排放控制装置是稀混合气NOX捕集器，所述操作参数包括排气流的空燃比，所述多种条件包括存储在沿着排气流流经所述装置的轴向上的不同轴向位置处的NOX的量。
14.一种系统，包括：
用于控制连接到排放控制装置的稀混合气发动机的计算机可读媒体，所述排放控制装置在稀混合气操作期间存储氧化剂，并在化学计量组成或浓混合气操作期间用存储的氧化剂来反应，所述媒体包括：
用于估计沿着该装置的多个轴向位置存储在该装置中的NOX的量的代码；及用于基于所述估计调整操作参数的代码。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述操作参数是化学计量组成的或浓的排气空-燃比。
16.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述用于估计的代码在稀混合气发动机操作期间执行，且所述发动机操作参数是在所述稀混合气发动机操作随后的操作期间被执行的化学计量组成的或浓的空-燃比。
17.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述操作参数是发动机空-燃比。
18.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述排放控制装置在所述装置的至少一个长度上具有可变的贵金属负载。
19.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述排放控制装置是稀混合气NOX捕集器。
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