CN204225970U - 一种耦接至发动机的排放控制系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种排放控制系统。该排放控制系统包括氧化催化剂和选择性催化还原(SCR)部件，氧化催化剂具有小于100克(g)/立方英尺(ft3)的贵金属装载，选择性催化还原(SCR)部件被设置在氧化催化剂的下游，并且在发动机运转期间在150℃与300℃之间运转，以减少选择性催化还原部件中的N2O的形成。

Description

一种耦接至发动机的排放控制系统
技术领域
本公开涉及车辆中的包括氧化催化剂和选择性催化还原(SCR)催化剂的排放控制系统。 
背景技术
排放控制装置在车辆中被用来减少排放，由此减少车辆的环境影响。催化剂(诸如选择性催化还原(SCR)催化剂)可以在车辆中使用，以实现这种排放减少。可以在车辆中使用的其他排放控制装置包括氧化催化剂、微粒过滤器、三元催化剂等。柴油发动机会产生大量的一氧化二氮(N2O)和可能在大气中具有特别长的寿命的其他氮化合物。因此，对于商用和非商用车辆而言，发动机中产生的氮化合物(诸如N2O)都是特别关注的环境问题，因此会被调节。 
US7,767,175公开了一种具有设置在柴油氧化催化剂(DOC)上游的选择性催化还原(SCR)催化剂的后处理系统，其中降低了系统中的点火温度以减少排放。然而，发明人已经认识到US7,767,175中所公开的后处理系统的若干缺点。例如，由于DOC被设置在SCR催化剂的上游以及这两个部件之间的相互作用，该后处理系统会产生大量的氮化合物，诸如一氧化二氮。而且，DOC的物质成分还会促进氮化合物(诸如N2O)产生的增加。 
发明内容
发明人已经认识到以前排放控制系统的上述缺点，并且已经开发了一种排放控制系统，该排放控制系统包括氧化催化剂和选择性催化还原 (SCR)部件，氧化催化剂具有小于100克(g)/立方英尺(ft3)的贵金属装载，选择性催化还原(SCR)部件被设置在氧化催化剂的下游，并且在发动机运转期间在150℃与300℃之间运转，以减少选择性催化还原部件中N2O的形成。 
意外发现，将SCR催化剂保持在所述温度范围内与在SCR催化剂上游的氧化催化剂中提供所述量的贵金属装载相结合工作而减少排放控制系统的排放。具体地，以下反应可以在SCR催化剂中发生。 
当氧化催化剂装有小于100g/ft3的贵金属时，氮氧化物(NO2)量减少，由此减少SCR催化剂中的一氧化二氮的形成。而且，将SCR催化剂温度维持在所述的温度范围内进一步减少SCR催化剂中的一氧化二氮形成量。以此方式，减少了排放控制系统的排放，由此减少了车辆的环境影响。因此，应认识到，通过上述排放控制系统实现的技术效果包括，通过氧化催化剂与SCR催化剂之间的相互作用的排放减少。 
当单独参照以下说明书或连同结合附图参照以下说明书时，本实用新型的上述优点和其它优点以及特征将是显而易见的。 
应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍一些构思，这些构思在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围被紧随具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。另外，发明人在此已经认识到上述问题，并不认为其是众所周知的。 
附图说明
图1示出了包括发动机和排放控制系统的车辆的示意图； 
图2示出了示例排放控制系统；以及 
图3和4示出了用于使发动机的排放控制系统运转的方法。 
具体实施方式
在本文中描述了一种排放控制系统。该排放控制系统包括设置在选择性催化还原(SCR)催化剂上游的氧化催化剂。意外发现，氧化催化剂上的贵金属装载小于100g/ft3与SCR催化剂的温度工作范围在150℃与300℃之间的组合实现了氮化合物排放的大幅度减少。具体地，大量减少了一氧化二氮排放。已经发现，以下反应在SCR催化剂中发生， 
氧化催化剂上的上述贵金属装载减少了流向SCR催化剂的二氧化氮量。因此，当向SCR催化剂提供的二氧化氮量减少时，根据上述反应式减少SCR催化剂中产生的一氧化二氮量。使SCR催化剂在150℃与300℃之间的温度范围内运转进一步减少SCR催化剂中产生的一氧化二氮量。因此，减少了车辆的环境影响。当没有NO2流入催化剂并且所有NOx都是NO的形式时，可以在车辆排气温度从175℃到700℃变动时减少由SCR催化剂产生的N2O。当NO2以多至进来的NOx的50％的水平存在时，在大约200℃与300℃之间减少(例如，最小化)N2O的形成。 
图1示出了包括发动机12的车辆10的示意图。发动机12被配置为执行燃烧运转。例如，可以执行四冲程燃烧循环，包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。然而，在其他示例中，可以使用其他类型的燃烧循环。以此方式，可以在车辆10中产生动力。应认识到，发动机可以被耦接至变速器，用于将发动机中产生的旋转动力传递给车辆中的车轮。 
发动机12包括至少一个汽缸14。然而，具有不同汽缸构造的发动机 是可预期的。例如，可以以直列式构造、水平对置构造、V形构造等方式布置汽缸，在直列式构造中，汽缸被设置在一条直线上。 
进气系统16被配置为向汽缸14提供空气。进气系统16可以包括用于实现上述功能的各种部件，诸如节气门、进气歧管、压缩机、进气管道等。如图所示，进气系统16与汽缸14流体连通，经由箭头18表示。应认识到，一个或更多个管道、通道等可以提供经由箭头18表示的流体连通。被包括在进气系统16中的进气门20可以提供进气系统与汽缸之间的流体连通。进气门20可以被周期性打开以及关闭，以便在发动机中执行燃烧运转。 
燃料输送系统30也被提供在车辆10中。燃料输送系统30包括燃料箱32，其被配置为存储液体燃料34，诸如柴油、汽油、乙醇或其组合。燃料输送系统30包括在燃料管路38中的燃料泵36。燃料输送系统30还包括燃料喷射器40。燃料喷射器40被示为直接耦接至汽缸14，从而提供所谓的直接燃料喷射。额外地或可替代地，燃料输送系统可以包括进气道燃料喷射器，其被配置以在进气门20的上游位置处输送燃料。燃料输送系统30还可以包括燃料过滤器、第二燃料泵等。 
此外，发动机还包括排气系统22，其被配置以接收来自汽缸14的排气。排气系统可以包括歧管、管道、通道、排放控制装置(例如，催化剂、过滤器等)、消声器等。耦接至汽缸14的排气门24被包括在排气系统22中。排气门24可以被配置为在燃烧运转期间周期性地打开以及关闭。排气系统22与汽缸14流体连通，经由箭头26表示。具体地，箭头26可以表示排气通道、管道等，其提供汽缸14与排气门24之间的流体连通。排气门可以被配置为周期性地打开以及关闭，以实现燃烧运转。 
排气系统22可以包括排放控制系统50。排放控制系统50可以包括催化剂、过滤器、温度传感器、压力传感器、排气成分传感器等。排放 控制系统50可以被配置为减少排气中的氮化合物(例如，一氧化二氮(N2O)量。因此，减少车辆排放，由此减少车辆的环境影响。具体地，排放控制系统可以包括具有小于预定值的贵金属装载的氧化催化剂和被维持在期望温度范围内的选择性催化还原(SCR)催化剂。装载氧化催化剂与使SCR催化剂在期望温度范围内运转相结合工作，以减少从排放控制系统排出的排气中的氮化合物量。在图2中示出并在本文中更详细地讨论了示例排放控制系统200。 
控制器100可以被包括在车辆中。控制器100可以被配置为接收来自车辆中的传感器的信号，以及向诸如还原剂喷射器、节气门、气门正时调整系统、燃料喷射器40等的部件发送命令信号。车辆10中的各种部件可以至少部分地被包括控制器100的控制系统以及被经由输入装置130来自车辆操作者132的输入控制。在这个示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。控制器100在图1中被示为微型计算机，包括处理器102(例如，微处理器单元)、输入/输出端口104、在这个具体示例中作为只读存储器106(例如，只读存储片)示出的用于可执行程序和校准数值的电子存储介质、随机存取存储器108、保活存取器110和数据总线。存储介质只读存储器106可以用计算机可读数据编程，该计算机可读数据表示可由处理器102执行的指令，用于执行在下文中所描述的方法以及期望但没有具体列出的其他变型。 
车辆10还包括热交换器70，其被耦接至发动机12。热交换器70被配置以从发动机去除热。车辆10还可以包括后喷射器72，其被耦接至排气门24下游的排气流。后喷射器72被配置为以所选间隔向排气流提供燃料，以调整排气系统中的温度部件。电加热器74还可以被包括在排放 控制系统50中。电加热器74被配置以向排放控制系统中的一个或更多个部件提供热。电加热器74可以被耦接至SCR催化剂，在一个示例中。节气门76也被示为包括在进气系统16中。节气门76被配置为调整向汽缸提供的进气气流的量。 
在图2中示出了示例排放控制系统200的详细视图。排放控制系统200包括氧化催化剂202。在一个示例中，氧化催化剂202可以是柴油氧化催化剂(DOC)。氧化催化剂202可以包括诸如钯(Pd)和/或铂(Pt)的贵金属。在氧化催化剂202中可以限制上述贵金属(例如，Pd和/或Pt)中的一种或更多种的量，以减少氧化催化剂中产生的二氧化氮量。在一个示例中，贵金属(诸如铂(Pt)和/或钯(Pd))中的一种或更多种可以在氧化催化剂中被限制为小于100g/ft3或75g/ft3的装载。DOC还可以包含支撑物质(诸如氧化铝)和碳氢化合物存储物质(诸如沸石)。在一些情况下，为改善功能可以将贵金分区或分层，诸如去除碳氢化合物和一氧化碳的富Pt前区或顶层，随后是进一步去除剩余的碳氢化合物和一氧化碳的富Pt后区和底层。另外，在一个示例中，氧化催化剂可以不包括任何铂。因此，氧化催化剂中的贵金属只能是钯。这种装载可以减少下游SCR催化剂204中的(N2O)的排放，这将在本文中更详细地讨论。如图所示，氧化催化剂202接收来自发动机(诸如图1所示的汽缸14)中的汽缸的排气。排气然后流过氧化催化剂202。然后，排气流入直接耦接至氧化催化剂202的管道段206。温度传感器208被耦接至SCR催化剂204上游的管道段206和氧化催化剂202。温度传感器208被配置为确定管道段206中的排气温度。温度传感器208可以向控制器(诸如图1所示的控制器100)发送温度传感器信号。 
还原剂喷射器210也被耦接至管道段206。还原剂喷射器210被配置 为将合适的还原剂喷射到氧化催化剂202下游且SCR催化剂204上游的管道段206内。还原剂可以在下游部件(例如，SCR催化剂)中产生期望的化学反应。还原剂喷射器210与还原剂存储箱212流体连通，经由箭头214表示。一个或更多个管道、通道等可以被用来提供上述流体连通。合适的还原剂216可以被存储在还原剂存储箱212中，诸如尿素(例如，含水尿素)、氨(例如，含水氨)等。 
混合器218被设置在还原剂喷射器210的下游。混合器218被配置为混合排气与自喷射器喷射的还原剂，以增加排气中还原剂的分布。在一些示例中，混合器218可以包括两个螺旋对齐的表面，以提供这种混合。 
SCR催化剂204被设置在混合器218的下游。SCR催化剂可以包括含有Cu或Fe的沸石。作为一个示例，沸石可以是小孔沸石，诸如菱沸石，其不在任何大的程度上将碳氢化合物容纳其结构内，但允许氨和NOx在其活性位置反应。传感器220可以被耦接至SCR催化剂204。传感器220可以是压力和/或温度传感器。传感器220可以与控制器(诸如图1所示的控制器100)电连通。意外发现，以下反应可以在SCR催化剂204中发生。 
因此，当通过将氧化催化剂中的贵金属装载量限制为小于100g/ft3来减少向SCR催化剂提供的二氧化氮量时，SCR催化剂中产生的一氧化二氮量减少，由此减少排放控制系统的排放。另外，在一个示例中，SCR催化剂可以被维持在150℃与300℃之间。将SCR催化剂维持在这个温度范围内还可以减少排放控制系统中的一氧化二氮产生。当没有NO2流入催化剂并且所有NOx都是NO的形式时，在175℃到700℃的所有车 辆排气温度下，由SCR催化剂产生的N2O都是最低的。当NO2以多至进来的NOx的50％的水平存在时，在大约200℃与300℃之间会减少(例如，最小化)N2O的形成。因此，将SCR催化剂维持在150℃与300℃之间减少N2O的形成。另外，在一些示例中，SCR催化剂可以被维持在175℃与225℃之间。将SCR催化剂维持在这个温度范围内甚至进一步减少排放控制系统中的一氧化二氮产生。 
微粒过滤器222被设置在SCR催化剂204的下游。微粒过滤器222被配置为从流过其中的排气去除多余的的微粒。传感器224被耦接至微粒过滤器222下游的排气管道。传感器224可以是排气成分传感器，诸如氮氧化物传感器和/或温度传感器。传感器224可以与控制器(诸如图1所示的控制器100)电连通。因此，传感器224可以向控制器发送信号。 
为维持期望的SCR催化剂运转温度而可以调整的部件可以包括，耦接至图1所示的发动机12的热交换器70、图1所示的后燃料喷射器72、图1所示的电加热器74、图1所示的气门(20和24)。当发动机被配置为具有可变气门正时时，还可以调整被包括在图1所示的进气系统16中的节气门76。还可以调整发动机的占空比和/或汽缸停用，以维持期望的SCR运转温度，其中可以响应于SCR温度而停用一部分汽缸。此外，可以选择催化剂的尺寸、催化剂构造和/或发动机的功率重量比，以便有助于实现期望的SCR催化剂运转温度(例如，在175℃与225℃之间)。 
应认识到，上述传感器中的一个或更多个可以被用来执行用于SCR催化剂温度调整的反馈类型的控制策略。例如，来自耦接至SCR催化剂或所述管道直接上游的管道的温度示数信号可以被控制器接收，并且控制器随后可以基于经由传感器显示的温度调整诸如还原剂喷射器的部件。 
图3示出了用于使发动机的排放控制系统运转的方法300。可以通过在上文中关于图1-2讨论的排放控制系统来执行方法300，或可以通过另一合适的排放控制系统来执行方法300。 
在302处，该方法包括，使排气从发动机中的汽缸流向排放控制系统中的氧化催化剂。其次在304处，该方法包括，使排气流过氧化催化剂，氧化催化剂中具有小于100克(g)/立方英尺(ft3)的贵金属装载。在一个示例中，贵金属包括铂。在另一示例中，贵金属包括钯。 
在306处，该方法包括，将流过选择性催化还原(SCR)催化剂的排气维持在175℃与225℃之间，SCR催化剂被设置在氧化催化剂的下游。在308处，该方法包括，调整在氧化催化剂与SCR催化剂之间喷射到排气流中的还原剂量。应认识到，调整喷射到排气流中的还原剂量可以，包括增加喷射到排气流中的还原剂量。此外，将SCR催化剂维持在175℃与225℃之间可以包括，调整耦接至发动机的热交换器、调整发动机的占空比、调整排放控制系统中的电加热器、调整发动机中的后喷射的燃料量、调整发动机中的燃料喷射量、调整发动机中的节气门位置、调整发动机中的进气门正时、以及调整发动机中的排气门正时中的一个或更多个。可以选择催化剂的尺寸、催化剂构造和/或发动机的功率/重量比，以便有助于实现期望的SCR催化剂运转温度(例如，在175℃与225℃之间)。 
图4示出了用于使发动机的排放控制系统运转的方法400。可以通过在上文中关于图1-2讨论的排放控制系统来执行方法400，或可以通过另一合适的排放控制系统来执行方法400。 
在402处，该方法包括，使排气流过柴油氧化催化剂(DOC)，DOC中具有小于100克(g)/立方英尺(ft3)的贵金属装载。具体地，在一 个示例中，DOC的贵金属装载小于75g/ft3。而且，如上所述，贵金属可以包括铂和/或钯。具体地，在一个示例中，贵金属可以仅包括钯。其次在404处，该方法包括，通过使SCR催化剂在175℃与220℃之间运转来减少选择性催化还原(SCR)催化剂中的一氧化二氮N2O形成，SCR催化剂被设置在DOC的下游。在一个示例中，SCR催化剂中的N2O形成小于10毫克(mg)/英里(mi)。此外，在406处，减少选择性催化还原(SCR)催化剂中的一氧化二氮N2O形成可以包括，接收来自耦接至SCR催化剂的温度传感器的温度示数。在408处，减少选择性催化还原(SCR)催化剂中的一氧化二氮N2O形成还可以包括，基于温度示数调整耦接至发动机的热交换器、调整发动机的占空比、调整排放控制系统中的电加热器、调整发动机中的后喷射的燃料量、调整发动机中的燃料喷射量、调整发动机中的节气门位置、调整发动机中的进气门正时以及调整发动机中的排气门正时中的一个或更多个。 
应认识到，可以基于温度传感器示数调整上述部件。以此方式，SCR催化剂的温度可以被维持在期望的温度范围内，并且DOC具有小于预定值的贵金属装载以减少排放控制系统中产生的氮化合物量，由此减少包括排放控制系统的车辆的排放。另外，当SCR处排气中不存在NO2(例如，NO2水平低于最小阈值)时，能够在175至700C的整个温度范围内加尿素或氨，而不形成过多的N2O。因此，不仅可以响应于排气的温度而且还可以响应于排气中的N2O存在或其水平而调整氨用量，其中在较低的N2O水平的情况下在更大的温度范围内使氨用量有效。相反，在较高的N2O水平，氨用量只能被限定或被限制到更小的温度范围，以便减少NO2产生。 
注意，本文中包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。在本文中所公开的控制方法和程序可以作为可执 行指令存储在非临时性存储器中。在本文中所描述的具体程序可以代表任意数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所描述的各种动作、操作或功能可以所示顺序、并行地被执行，或者在一些情况下被省略。同样，实现在本文中所描述的本实用新型的示例实施例的特征和优点不一定需要所述处理顺序，但是为了便于图释和说明而提供了所述处理顺序。取决于所使用的特定策略，所示出的动作、操作或功能中的一个或多个可以被重复执行。另外，所描述的动作、操作或功能可以图形地表示被编入发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器的代码。 
应认识到，在本文中所公开的配置和程序本质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变型是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其它发动机类型。本公开的主题包括在本文中所公开的各种系统和构造和其它的特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。 
所附权利要求特别指出被认为是新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。应当理解，这样的权利要求包括纳入一个或更多个这样的元件，既不必也不排除两个或更多个这样的元件。在这个或相关的申请中，通过修改本权利要求或提出新权利要求，所公开的特征、功能、元件和/或性质的其它组合和子组合可以被要求保护。这样的权利要求，无论是比原权利要求范围宽、窄、相同或不同，均被认为包括在本公开的主题内。 

Claims (9)

1.一种耦接至发动机的排放控制系统，其包括：
氧化催化剂，其具有小于100克(g)/立方英尺(ft3)的贵金属装载；以及
选择性催化还原(SCR)部件，其被设置在所述氧化催化剂的下游，并且在发动机运转期间在150℃与300℃之间运转，以减少所述选择性催化还原(SCR)催化剂中的N2O的形成。
2.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中所述贵金属包括铂(Pt)。
3.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中所述贵金属仅包括钯(Pd)。
4.根据权利要求1所述的排放控制系统，其包括设置在所述氧化催化剂与所述SCR催化剂之间的还原剂喷射器。
5.根据权利要求4所述的排放控制系统，其中所述还原剂喷射器与存储氨的还原剂容器流体连通。
6.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中所述氧化催化剂中的贵金属装载小于75g/ft3。
7.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中所述SCR催化剂在175℃与225℃之间运转。
8.根据权利要求1所述的排放控制系统，其还包括设置在所述SCR催化剂下游的柴油微粒过滤器。
9.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中所述贵金属包括铂(Pt)和钯(Pd)。
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