稀氮氧化物排放控制系统和方法.pdf

稀氮氧化物排放控制系统和方法
    【相关申请的交叉引用】

    本申请要求2008年8月29日提交的美国临时申请No.61/092816的权益。上述申请的内容通过引用并入本文。

    【技术领域】

    本发明涉及用于内燃机的排放控制系统和方法，更具体地涉及稀氮氧化物(NO_x)排放控制系统和方法。

    背景技术

    这里提供的背景技术用于总体上介绍本发明的背景。当前所署名发明人的工作(在本背景技术部分中所描述的程度上)和本描述中否则不足以作为申请时的现有技术的各方面，既非明示地也非默示地被承认为与本发明相抵触的现有技术。

    内燃机可在稀空气‑燃料(A/F)比下被操作以改善燃料经济性。在稀操作期间产生的氮氧化物(NO_x)排放受到控制。选择性催化还原(SCR)催化剂、配料系统和稀NO_x捕集(LNT)催化剂通常与内燃机结合使用以减少排放物。

    在典型的SCR过程中，NO_x与由配料系统喷射进将要被吸收到SCR催化剂上的废气流中的还原剂发生反应。所喷射的配料试剂(例如，尿素)分解从而形成氨(NH₃)。NH₃与NO_x反应从而将NO_x还原为氮(N₂)和水(H₂O)。

    在发动机起动期间，LNT催化剂可在SCR装置不能有效减少NO_x排放时从废气中吸收NO_x。在废气达到SCR装置能够有效地将NO_x转换为N₂和H₂O的预定温度之后，LNT催化剂可释放所吸收的NO_x。因此，可以减少发动机起动期间释放到大气中的NO_x排放物。

    【发明内容】

    本发明提供一种控制系统，该控制系统包括判定排气系统中的NH₃存储水平的NH₃存储水平判定模块和基于NH₃存储水平控制发动机中的空气‑燃料(A/F)比的燃料控制模块。此外，本发明还提供一种方法，该方法包括判定排气系统中的NH₃存储水平和基于NH₃存储水平控制发动机中的A/F比。

    本发明进一步的应用范围将通过下文中提供的详细描述而变得显而易见。应当理解，该详细描述和具体示例仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。

    【附图说明】

    通过具体实施方式和附图将更充分地理解本发明，其中：

    图1是包括根据本发明原理的排放控制系统的车辆的示意图；

    图2是根据本发明原理的包括氨(NH₃)存储水平判定模块和燃料控制模块的控制模块的功能框图；

    图3是示出根据本发明原理的稀氮氧化物(NO_x)排放控制方法的示例性步骤的流程图；

    图4是示出空气‑燃料(A/F)比控制信号、由此引起的选择性催化还原(SCR)单元处的NH₃和NO_x累积进入质量以及由此引起的SCR单元中的NH₃水平的曲线图。

    【具体实施方式】

    下面的描述本质上仅是示例性的，并非旨在限制本发明及其应用或用途。为了清楚起见，在附图中使用相同的附图标记标识相似的元件。如本文所使用的，短语A、B和C中的至少一个应当解释为使用非排他逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本发明的原理的情况下，方法中的步骤可以不同的顺序执行。

    如本文所使用的，术语模块指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件程序或者固件程序的处理器(共用的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能的其他合适部件。

    根据本发明的排放控制系统可包括燃料控制模块和布置在选择性催化还原(SCR)单元上游的三元催化转化器(TWC)。燃料控制模块基于NH₃存储水平调节发动机中的空气‑燃料(A/F)比。在浓操作期间，氮氧化物(NO_x)与其他废气排放物在TWC处反应从而生成氨(NH₃)。SCR单元存储来自废气的NH₃。在稀操作期间，所存储的NH₃与废气中的NO_x反应从而生成氮(N₂)和水(H₂O)。因此，可以减少在稀操作期间释放到大气中的NO_x排放物。

    现在参考图1，其中示出了包括根据本发明原理的排放控制系统的车辆10。燃料从燃料泵14通过多个燃料喷射器16输送到发动机12。空气通过进气系统18输送到发动机12。

    控制模块20与加速器踏板传感器22通信。加速器踏板传感器22将表示加速器踏板24的踏板位置的信号发送给控制模块20。控制模块20使用踏板位置信号控制燃料泵14和燃料喷射器16的操作。

    废气在燃烧过程中产生并且从发动机12排放到排气歧管26。排气系统28通过排气歧管26接收来自发动机12的废气，并且对流动通过排气系统28的废气进行处理，从而在废气释放到大气中之前减少诸如NO_x、HC和CO的排放物。

    排气系统28包括三元催化转化器(TWC)30和SCR单元32。排气系统28可包括颗粒过滤器(PF)34、配料系统36和阀38。PF 34从SCR单元32下游的废气中去除颗粒物或炭烟(soot)。配料系统36包含还原性添加剂，例如尿素。控制模块20控制阀38以便从配料系统36释放精确量的还原性添加剂到废气流中。气态或液态还原剂被添加到废气中并被吸收到SCR单元32上。

    TWC30和SCR单元32通过化学反应去除废气中的NO_x和其他排放物。在TWC30处，当发动机12中的空气‑燃料(A/F)比为浓时，氮氧化物(NO_x)与废气中的一氧化碳(CO)、氢气(H₂)、碳氢化合物(HC)和水(H₂O)反应从而生成氨NH₃。SCR单元32存储在TWC30中产生的NH₃。当发动机12中的A/F比为稀时，SCR单元32中存储的NH₃和SCR催化剂与废气中的NO_x反应从而生成氮气(N₂)和H₂O。

    SCR单元32可通过废气、还原性添加剂(例如尿素)和SCR催化剂之间的化学反应去除废气中的NO_x。废气流中的热量导致尿素水溶液分解成NH₃和氢氰酸(HNCO)。这些分解产物进入SCR单元32，在SCR单元32中，HNCO进一步分解成气相NH₃并且气相NH₃被吸收。所吸收的NH₃与废气中的NO_x反应从而形成H₂O和N₂。

    在SCR单元32处于最佳温度范围内时，SCR单元32可最有效地(即，接近100％)存储在TWC30中产生的NH₃。最佳温度范围取决于多种因素，包括SCR催化剂类型或涂层。例如，最佳温度范围可大约在250℃与350℃之间。

    进气系统18可包括检测空气质量流率的空气流量计40。排气系统28包括氧气(O₂)传感器42，氧气(O₂)传感器42检测TWC30下游的废气中的O₂浓度。排气系统28可包括NO_x传感器44、NH₃传感器46和温度传感器48。NO_x传感器44检测排气歧管26处的废气中的NO_x浓度。NH₃传感器46检测TWC30下游的废气中的NH₃浓度。温度传感器48可检测SCR单元32和TWC30之间的废气温度，如图1所示。替代性地，温度传感器48可检测SCR单元32或TWC30中的废气温度。

    控制模块20基于NH₃存储水平通过燃料泵14和燃料喷射器16控制发动机12中的A/F比。控制模块20接收来自O₂传感器42的O₂浓度。控制模块20可接收来自空气流量计40的空气质量流率、来自NO_x传感器44的NO_x浓度、来自NH₃传感器46的NH₃浓度和来自温度传感器48的废气温度。

    现在参考图2，控制模块20包括NH₃存储水平判定模块200、燃料控制模块202、最低NH₃存储水平判定模块204、NO_x质量流率判定模块206、目标NH₃存储水平判定模块208和空气‑燃料(A/F)比判定模块210。NH₃存储水平判定模块200基于先前的NH₃存储水平和NH₃存储水平的变化来判定排气系统28中的NH₃存储水平。燃料控制模块202基于由NH₃存储水平判定模块200判定出的NH₃存储水平通过燃料泵14和燃料喷射器16来控制发动机12中的A/F比。

    最低NH₃存储水平判定模块204可基于来自温度传感器48的废气温度判定最低NH₃存储水平。替代性地，最低NH₃存储水平判定模块204可基于发动机运行条件(例如，温度、压力、O₂含量)估计废气温度并且基于所估计的废气温度判定最低NH₃存储水平。最低NH₃存储水平判定模块204将最低NH₃存储水平提供给燃料控制模块202。

    NO_x质量流率判定模块206可基于来自NO_x传感器44的NO_x浓度、来自空气流量计40的空气质量流率和燃料质量流率判定NO_x质量流率。燃料质量流率可基于从燃料控制模块202到燃料喷射器16的控制信号和/或基于位于TWC30上游的A/F传感器来判定。

    替代性地，NO_x质量流率判定模块206可估计NO_x浓度、空气质量流率和燃料质量流率，然后基于所估计的NO_x浓度、所估计的空气质量流率和所估计的燃料质量流率判定NO_x质量流率。NO_x浓度、空气质量流率和燃料质量流率可基于发动机运行条件估计得到。在美国专利NO.6775623中公开了基于发动机运行条件估计NO_x浓度，该专利文献通过引用并入本文。NO_x质量流率判定模块206提供NO_x质量流率给NH₃存储水平判定模块200。

    目标NH₃存储水平判定模块208可基于来自空气流量计40的空气质量流率、来自燃料控制模块202的燃料质量流率和来自温度传感器48的废气温度判定目标NH₃存储水平。替代性地，目标NH₃存储水平判定模块208可基于发动机运行条件估计空气质量流率、燃料质量流率和废气温度并且基于空气质量流率、燃料质量流率和废气温度判定目标NH₃存储水平。可计算目标NH₃存储水平，使得其大小高于SCR单元32的最低NH₃存储水平并且低于SCR单元32的NH₃饱和点。例如，目标NH₃存储水平可设定在SCR单元32的NH₃饱和点以下20％到30％的范围内。目标NH₃存储水平判定模块204提供目标NH₃存储水平给燃料控制模块202。

    A/F比判定模块210基于来自O₂传感器42的O₂浓度判定TWC后A/F比(即，TWC30下游的废气的A/F比)。O₂浓度的高水平表示稀A/F比，而O₂浓度的低水平表示浓A/F比。A/F比判定模块210提供TWC后A/F比给燃料控制模块202。

    燃料控制模块202判定NH₃存储水平是否大于最低NH₃存储水平。在NH₃存储水平高于最低NH₃存储水平时，燃料控制模块202设定发动机12中的A/F比为稀，并且NH₃存储水平判定模块200基于来自NO_x质量流率判定模块206的NO_x质量流率判定出NH₃存储水平的减少量。更具体地说，NH₃存储水平判定模块200可以基于对于检测到的每克NO_x消耗0.5克NH₃的假定关系来计算NH₃存储水平的减少量，该假定关系可基于来自温度传感器48的废气温度和SCR催化剂类型而进行修改。

    当NH₃存储水平低于最低NH₃存储水平时，燃料控制模块202设定发动机12中的A/F比为浓，并且A/F比判定模块210判定TWC后A/F比是否为浓。在TWC后A/F比不为浓时，燃料控制模块202继续监测NH₃存储水平以判定A/F比可否设定为稀。当TWC后A/F比为浓时，NH₃存储水平判定模块200基于来自NO_x质量流率判定模块206的NO_x质量流率判定NH₃存储水平的增大量，并且燃料控制模块202判定NH₃存储水平是否超过目标存储水平。NH₃存储水平判定模块200还可基于A/F比和来自温度传感器48的废气温度判定NH₃存储水平的增大量。

    NH₃存储水平判定模块200可基于来自NO_x质量流率判定模块206的NO_x质量流率判定NH₃存储水平的增大量。更具体地说，NH₃存储水平判定模块200可基于对于检测到的每克NO_x产生0.5克NH₃的关系来计算NH₃存储水平的增大量，该关系可基于来自温度传感器48的废气温度而进行修改。替代性地，NH₃存储水平判定模块200可基于来自NH₃传感器46的NH₃浓度、来自空气流量计40的空气质量流率和来自燃料控制模块202的燃料质量流率来判定NH₃存储水平的增大量。

    当NH₃存储水平不超过目标存储水平时，NH₃存储水平判定模块200基于NO_x质量流率继续判定NH₃存储水平的增大量。当NH₃存储水平超过目标存储水平时，燃料控制模块202再次判定A/F比可否设定为稀。当A/F比可设定为稀时，燃料控制模块202设定发动机12中的A/F比为稀，并且监测NH₃存储水平。当A/F比不可设定为稀时，燃料控制模块202设定发动机12中的A/F比为化学当量比并且继续监测稀燃烧条件以判定A/F比可否设定为稀。

    现在参考图3，流程图示出了根据本发明原理的稀NO_x排放控制方法的示例性步骤。在步骤300中，控制将NH₃存储水平设定为零。在步骤302中，控制判定是否满足稀燃烧条件。稀燃烧条件可在预定的服务指示器未设定并且冷却剂温度、催化剂温度、发动机模式和发动机运行时间满足预定标准时得到满足。

    当稀燃烧条件未满足时，控制将A/F比设定为化学当量比并且继续判定稀燃烧条件是否满足。当稀燃烧条件满足时，控制在步骤306和308中分别判定最低NH₃存储水平以及判定NH₃存储水平是否超过最低NH₃存储水平。控制可基于测量到的废气温度判定最低NH₃存储水平。替代性地，控制可基于发动机运行条件估计废气温度并且可基于所估计的废气温度判定最低NH₃存储水平。

    当NH₃存储水平超过最低NH₃存储水平时，控制在步骤310中设定A/F比为稀、在步骤312中判定NO_x质量流率、在步骤314中判定NH₃存储水平的减少量。控制基于空气质量流率、燃料质量流率、NO_x浓度判定NO_x质量流率，空气质量流率、燃料质量流率、NO_x浓度可以是测量的或估计的。控制可基于NO_x质量流率、废气温度和SCR催化剂类型判定NH₃存储水平的减少量。在判定出NH₃存储水平的减少量时，控制返回到步骤302。

    当NH₃存储水平未超过最低NH₃存储水平时，控制在步骤316中设定A/F比为浓并且在步骤318中判定TWC后A/F比是否为浓。当TWC后A/F比不为浓时，控制返回到步骤306。当TWC后A/F比为浓时，控制在步骤320中判定NO_x质量流率、在步骤322中判定NH₃存储水平的增大量以及在步骤324中判定目标NH₃存储水平。控制可基于NO_x质量流率、A/F比和废气温度判定NH₃存储水平的增大量。替代性地，控制可基于NH₃浓度、空气质量流率和燃料质量流率判定NH₃存储水平的增大量。控制可计算目标NH₃存储水平使得其大小高于SCR单元32的最低NH3存储水平并且低于SCR单元32的NH3饱和点。例如，控制可将目标NH₃存储水平设定在SCR单元32的NH₃饱和点以下20％到30％的范围内。

    在步骤326中，控制判定NH₃存储水平是否超过目标NH₃存储水平。当NH₃存储水平未超过目标NH₃存储水平时，控制返回到步骤318并且继续监测NH₃存储水平。当NH₃存储水平超过目标NH₃存储水平时，控制返回到步骤302。

    现在参考图4，曲线图示出了A/F比控制信号、由此引起的SCR单元处的NH₃和NO_x累积进入质量以及由此引起的SCR单元中的NH₃水平。A/F比控制信号在稀和浓操作之间调节。然而，A/F比控制信号通常调节为稀操作以改善燃料经济性。

    如上所述，TWC催化剂在浓操作期间与NO_x和其他废气排放物反应从而生成存储在SCR单元中的NH₃，而且所存储的NH₃随后在稀操作期间与废气中的NO_x反应从而生成N₂和H₂O。因此，在浓操作期间，SCR单元处的NH₃累积进入质量增大，并且在稀操作期间，SCR单元处的NO_x累积进入质量增大。此外，SCR单元中的NH₃水平在浓操作期间增大并且在稀操作期间减少。

    A/F比可在稀和浓之间调节，使得稀NO_x(即，在稀操作期间产生的NO_x)与浓NO_x(即，在浓操作期间产生的NO_x)平衡并且在稀操作期间消耗的NH₃质量与在浓操作期间产生的NH₃质量平衡。所描述的A/F比控制信号被偏移以便形成稍微过量的NH₃排放物并确保有力的NO_x还原。调节A/F比以平衡NO_x和NH₃导致在没有过量排放物和燃料消耗的情况下有效地减少NO_x。此外，平衡NO_x和NH₃可使得无需设置LNT和配料系统，或减少为了充分还原NO_x而必须喷射的配料试剂的量。调节A/F比为浓的持续时间过长可使燃料经济性劣化并且使NH₃水平增大到高于SCR单元的NH₃存储容量，这会导致过量的HC和CO排放物。调节A/F比为稀的持续时间过长可降低NH₃存储水平，这导致过量的NO_x排放物。

    现在本领域技术人员通过前述描述能够认识到，本发明的宽泛教导能够以各种形式来实施。因此，虽然本发明包括特定示例，但是，本发明的真实范围不应该局限于此，因为在研究了附图、说明书和所附权利要求书的基础上，其他改型对本领域技术人员来说将变得显而易见。