用于减少 NOx 突破的系统和方法 【技术领域】
本公开总体涉及用于减少 NOx 突破的系统和方法。背景技术 为了减小对环境的影响以及遵守诸如美国环境保护局 (EPA) 所颁布的条例的政 府命令， 需要最小化车辆发动机排放。
在典型的后处理结构中， 发动机排放通过三元转换器 (TWC) 而送出， 在三元转换 器后且在通过排气管离开前， 排放经过稀 NOx 阱 (LNT)。 在稀发动机操作期间， LNT 储存 NOx， 并且当达到了 LNT 的存储容量时， 通过富补料 (tip-in)( 富操作 ) 减少储存的 NOx。在从稀 发动机操作到富发动机操作的过渡期间， NOx 将会泄漏或突破， 该泄漏相当于大量的排气管 排放物。因此， 有必要减少 LNT NOx 突破。
发明内容
通过提供用于减少 NOx 突破的系统和方法， 本公开的各实施方式克服了现有技术 的缺点。
根据本公开的一方面， 稀 NOx 阱 (LNT) 包括具有沿 LNT 的纵轴线非均匀分布的催 化剂的核。 催化剂分布成使得存储部位朝向 LNT 的上游端加权， 而氧化和还原部位朝向 LNT 的下游端加权。
根据本公开的另一方面， 排气系统包括带有三元转换器 (TWC) 的主管线和定位于 TWC 下游的 LNT。排气系统还包括被配置成允许排气流旁路绕过 TWC 的旁路管线。
前面已经宽泛概述了本公开的一些方面和特征， 这些方面和特征应被认为是仅用 于说明各潜在应用。 通过将所公开的信息以不同的方式应用或通过将本公开的实施方案的 各方面加以组合， 可以获得其它有益结果。 因此， 通过参考对提供的示范实施方案的具体介 绍， 并结合附图以及权利要求限定的范围， 可以获得其它方面以及更全面的理解。
本发明还提供如下方案 ：
方案 1. 一种稀 NOx 阱 LNT， 其包括 ：
包括沿所述 LNT 纵轴线非均匀分布的催化剂的核， 所述催化剂分布成使得存储部 位朝向所述 LNT 的上游端加权并且氧化部位及还原部位朝向所述 LNT 的下游端加权。
方案 2. 如方案 1 所述的 LNT， 其特征在于， 所述存储部位包括钡 Ba、 K； 所述还原部 位包括铑 Rh ； 所述氧化部位包括铈 Ce。
方案 3. 如方案 1 所述的 LNT， 其特征在于， 所述核是包括串联布置的至少两核的复 合核。
方案 4. 如方案 3 所述的 LNT， 其特征在于， 所述至少两核中的第一个与所述至少两 核中的第二个具有不同的催化剂分布。
方案 5. 如方案 1 所述的 LNT， 其特征在于， 所述纵轴线基本平行于通过所述 LNT 的 流。方案 6. 一种排气系统， 其包括 ：
主管线， 包括 ：
三元转换器 TWC ； 以及
定位于所述 TWC 下游的稀 NOx 阱 LNT ； 以及
配置成允许排气流旁路绕过所述 TWC 的旁路管线。
方案 7. 如方案 6 所述的排气系统， 其特征在于， 所述旁路管线在位于发动机与所 述 TWC 之间的上游点处以及在位于所述 TWC 与所述 LNT 之间的下游点处与所述主管线连 接。
方案 8. 如方案 7 所述的排气系统， 其特征在于， 其还包括在所述上游点处的阀。
方案 9. 如方案 8 所述的排气系统， 其特征在于， 其还包括被配置成将所述阀的操 作与所述发动机的操作同步的控制器。
方案 10. 如方案 8 所述的排气系统， 其特征在于， 所述阀被配置成在稀循环期间引 导排气流通过所述 TWC 以及在富循环期间引导所述排气流通过所述旁路管线。
方案 11. 如方案 6 所述的排气系统， 其特征在于， 其还包括被配置成控制所述 LNT 温度的装置。 方案 12. 如方案 11 所述的排气系统， 其特征在于， 其还包括被配置成将所述装置 的操作与发动机的操作同步的控制器。
方案 13. 如方案 11 所述的排气系统， 其特征在于， 所述装置被配置成在富循环期 间降低所述 LNT 的温度。
方案 14. 如方案 6 所述的排气系统， 其特征在于， 所述 LNT 包括沿着所述 LNT 的所 述纵轴线非均匀分布的催化剂， 所述催化剂分布成使得存储部位朝向所述 LNT 的所述上游 端加权并且氧化部位和还原部位朝向所述 LNT 的所述下游端加权。
方案 15. 如方案 14 所述的排气系统， 其特征在于， 所述存储部位包括钡 Ba、 K； 所 述还原部位包括铑 Rh ； 所述氧化部位包括铈 Ce。
方案 16. 一种排气系统， 其包括 ：
稀 NOx 阱 LNT ； 以及
被配置成控制所述 LNT 温度的装置。
方案 17. 如方案 16 所述的排气系统， 其特征在于， 其还包括被配置成将所述装置 的操作与发动机的操作同步的控制器。
附图说明
图 1 是根据示例性实施方案的带有排气系统的车辆的透视图。
图 2 是图 1 排气系统的三元转换器 (TWC) 的局部透视图。
图 3 是图 1 排气系统的稀 NOx 阱 (LNT) 的局部透视图。
图 4 是图 1 排气系统的示意图。
图 5 是根据示范实施方案的发动机循环的图示。
图 6 是根据示范实施方案的在稀操作期间的化学反应的示意图。
图 7 是根据示范实施方案的在富操作期间的化学反应的示意图。
图 8 是根据示范实施方案的典型 LNT 的示意图。图 9 是根据示范实施方案的改进 LNT 的示意图。 图 10 是图 8 典型 LNT 和图 9 改进 LNT 的 NO 和 CO 浓度的示意曲线图。 图 11 是典型 LNT 和改进 LNT 的若干循环内的总计 NOx 的示意曲线图。 图 12 是图 1 的典型排气系统以及图 4 排气系统的 CO 浓度的示意曲线图。具体实施方式
根据要求， 本文公开了具体实施方案。 必须理解的是， 所公开的实施方案仅是本公 开的示例， 本公开可以以不同的、 可供选择的形式， 以及其组合来具体实现。 如本处所用的， 词汇 “示例性” 被可扩展地用于指用作说明、 样本、 模型或模式的实施方案。图不必是按比 例的， 某些特征可以扩大或缩小， 以显示特定部件的细节。在其它示例中， 没有介绍已知的 部件、 系统、 材料或方法， 以避免模糊本公开。 因此， 本文公开的特定结构以及功能细节将不 被理解为限制， 而是仅作为权利要求的基础以及作为指导本领域技术人员的代表性基础。
本文介绍的示例性系统和方法配置成减少排放、 提高去 NOx 的效率、 提高燃料经 济性、 以及提高在稀 NOx 阱 (LNT) 中使用的催化剂或催化剂部位的效率。这样的系统和方 法包括具有催化剂部位加权分布的任意 LNT、 用于在富的加燃料操作期间旁路通过三元转 换器 (TWC) 的后处理结构、 以及在富的加燃料操作 ( 富操作 ) 期间用于控制 LNT 温度的装 置。
通常而言， 本文介绍的系统和方法是在具有稀燃发动机的车辆的背景下介绍的。 然而， 该系统和方法也能应用于其他机器上， 如具有发动机包括大火花点火 (LSI) 发动机、 火花点火 ( 汽油 ) 发动机、 液化石油气 (LPG) 发动机、 燃烧 E85 与汽油的各种混合物的灵活 燃料车辆发动机、 压缩天然气 (CNG) 发动机以及压缩点火 ( 柴油 ) 发动机的叉车、 气动升降 机、 冰面重整机 (ice resurface machine)、 建筑设备等。
如本处所用， “NOx” 指单氮的氧化物 -- 一氧化氮 (NO) 和二氧化氮 (NO2) 两者， “HC” 指碳氢化合物， “CO” 指一氧化碳。
如本处所用， 术语 “稀燃” 、 “稀操作” 以及 “稀循环” 指当相对于燃料的氧多于化学 计量的氧时发动机循环的部分或操作。这会导致在稀循环期间排气流中相对高的空气 - 燃 料比。另外， 术语 “富燃” 、 “富操作” 、 “富循环” 以及 “富补料” 指当较多的燃料被喷射到排 气流中并且相对于燃料的氧少于化学计量的氧时发动机循环的部分或操作。 这会导致在富 循环期间相对低的空气 - 燃料比。
如本处所用， 术语 “均匀” 以及 “非均匀” 描述催化剂部位的分布， 如在催化转换器 的入口和出口之间催化剂部位的分布。术语 “分布” 指催化转换器的区域中或沿其长度或 轴线的催化剂部位的集中度。
如本处所用， 术语 “上游” 以及 “下游” 指相对于排气流的流动方向 F 的位置。此 术语可以用来描述元件相对于彼此的相对位置。
通常而言， 本文所介绍的系统以及方法被设计用来减少 LNT 中的 NOx 突破。该系 统和方法包括各种催化剂和排气结构或设计。如下面进一步详细介绍， LNT 催化剂设计包 括沿着 LNT 转换器长度非均匀分布的催化剂部位。排气系统结构包括在富补料期间旁路通 过 TWC 的换向器阀的使用， 以及在富补料的开始期间用以降低 LNT 温度的温度控制装置的 使用。每种改进都能显著减少突破。这些改进可以被单独地或组合地使用。参考图 1-4， 车辆 10 包括发动机 20 及排气系统 30。排气系统 30 包括位于发动机 20 下游的三元转换器 (TWC)32 以及位于 TWC 32 下游的稀 NOx 阱 (LNT)34。主排气管线 36 将发动机 20 与 TWC 32、 TWC32 与 LNT 34、 LNT34 与出口 38 相连。旁路管线 40 在 TWC 32 的 相对侧上与主排放管线 36 相连。上游旁路管线连接点 39a 在发动机 20 与 TWC 32 之间， 下 游旁路管线连接点 39b 在 TWC 32 与 LNT 34 之间。阀 42 位于上游旁路管线连接点 39a 处， 并且控制或引导排气流 44 从发动机 20 流动通过 TWC 32 或旁路管线 40。如下面进一步介 绍， 阀 42 引导排气流 44 通过 TWC 32 或旁路管线 40， 这取决于发动机操作是稀操作还是富 操作。相比于典型的排气结构， 利用阀 42 和旁路管线 40 可以改变顺序地流动通过两个部 件 TWC 32 和 LNT 34 的排气流 44。
排气系统 30 还包括耦接于 LNT 34、 被配置成在富操作期间冷却 LNT 34 的 LNT 温 度控制装置 46。
现在简要介绍排气系统 30 的一般操作。排气系统 30 被配置成将排气流 44 中的 污染物， 如 NOx、 CO 以及 HC 转换成毒性更小的物质。如在稀循环期间， 较高的空气 - 燃料比 结合 TWC 32 中的催化剂， 促进氧化过程例如一氧化碳 (CO) 到二氧化碳、 未燃的碳氢化合物 (HC) 到二氧化碳 (CO2) 与水 (H2O) 的氧化过程。 在稀操作期间， NOx 不会因示例性的 TWC 32 而被大量还原， 而继续通过主排放管线 36 到达 LNT34， 在 LNT 34 其被存储。在 LNT 34 变满 之时或之前， 富循环典型运行以再生 LNT 34。例如， 在富循环期间， 较低的空气 - 燃料比结 合 LNT 的催化剂促进氮氧化物 (NOx) 还原成氮。作为示例， 在富循环期间形成还原剂诸如 一氧化碳 (CO) 被用在 NOx 的还原中。 图 5-7 图示 LNT 34 的一般操作。由发动机 20 产生的 NOx 在稀周期 52( 存储周 期 ) 中被存储在 LNT 34 上。当达到存储容量时， 提供富脉冲 54( 高燃料、 低氧气 ) 以将存 储的 NOx 转换为 N2。富脉冲 54 由空气 - 燃料比 55 中的下降来图示。图 6 和图 7 描绘了在 稀循环 52 期间和在富循环 56 期间的典型化学反应。在图中， CO 用作还原剂。
接着图 5， 与典型 LNT 的运行相关的问题是， 当从稀循环 52 切换到富循环 56 时， 一 些 NOx 在没有还原的情况下从典型 LNT 散逸。在富循环 56( 再生周期 ) 期间散逸的 NOx 用 NOx 外出 58a 中的尖峰显示。59 中的 NOx 是为了说明目的而显示。如下面的进一步介绍， 在图示的实施方案中， 不同催化剂的分布是可变的， 以便减少散逸出 LNT 34 的 NOx 量。
再参考图 2， 图示的 TWC 32 包括壳 60、 核 62 或基材、 载体涂层 64、 以及催化剂或 催化剂部位 66。核 62 是典型的陶瓷蜂巢或不锈钢金属箔蜂巢。蜂巢表面支撑催化剂部位 66， 并且通常被称为 “催化剂支撑” 。载体涂层 64 是典型的硅和铝的混合物， 当应用于核 62 时， 为核 26 提供粗糙的、 不规则的表面以及较大的表面积。较大的表面积为活性的催化剂 部位 66 提供了更多的面积。催化剂 66 在应用于核 62 之前被添加到载体涂层 64。催化剂 66 包括稀有金属如铂 (Pt)、 钯 (Pd)、 铑 (Rh)、 铈 (Ce)、 铁 (Fe)、 锰 (Mn)、 镍 (Ni)、 铜 (Cu)、 钡 (Ba) 和钾 (K) 等。如本处所用， 不同的催化剂 66 提供不同的功能， 如 NOx 的存储、 NOx 的还 原以及 CO 的氧化。
现在参考图 3， 图示的 LNT 34 包括壳 70、 核 72、 载体涂层 74 以及催化剂或催化剂 部位 76。通常而言， 除了 LNT 34 催化剂包括用于 NOx 存储的额外活性物之外， LNT 34 催化 剂在成分和结构上与 TWC 32 催化剂相似。额外活性物可包括诸如钡之类的碱土金属。
在典型的转换器或 LNT 中， 催化剂 66 在载体涂层 74 中的每一处都均匀分布。与
此相反， 在示例性实施方案中， 为了获得各活性物的梯度， 催化剂 66 的成分沿着纵轴线 78 非均匀分布。示例性的非均匀催化剂分布在图 9 中示出。
如下面进一步所述， 为了便于沿着 LNT 34 的长度或纵轴线 78 来分布催化剂部位 66， 图示的核 72 包括上游核 72a 和下游核 72b。上游核 72a 与下游核 72b 在中点 77 处可以 是物理分离的或是名义上分离的。如下面进一步所述， 通过利用多核 72a、 72b 形成复合核， 可以便于制造具有催化剂部位 66 的非均匀分布的核 72。
用于指导目的， 参考图 8 以及图 9， 示意性图示及更加详细地描绘示例性的典型 LNT 34a 以及示例性的改进 LNT 34b。通常， 典型 LNT34a 具有沿着纵轴线 78 均匀的催化剂 装载或催化剂部位 66 的分布， 而改进 LNT 34b 则具有沿着纵轴线 78 非均匀的催化剂装载 或催化剂部位 66 的分布。图示的纵轴线 78 与通过 LNT 34a、 34b 的流动方向 F 基本平行。
参考图 8， 铈 (Ce)、 铑 (Rh) 和钡 (Ba) 催化剂部位 66 沿着典型 LNT 34a 的纵轴线 78 均匀分布。均匀分布通过催化剂部位 66 之间的恒定间距表示。用于说明之目的， 在富循 环期间在典型 LNT 34a 内发生的某些释放、 还原及氧化反应被示出包括 NO 的还原以及 CO 的氧化。暂时参考图 10， 因为在铈 (Ce) 和铑 (Rh) 催化剂部位 66 处的 NO 还原中分别氧化 以及使用了 CO， 所以 CO 浓度 82a 沿着典型 LNT 34a 的纵轴线 78 减少。NO 在钡 (Ba) 催化 剂部位 66 处释放， 并且因为 CO 浓度向下游移动减少且不能用于有效还原 NO， NO 浓度 80a 沿着纵轴线 78 增加。这导致 NO 在没有还原的情况下的排放。 参考图 9， 铈 (Ce)、 铑 (Rh) 和钡 (Ba) 催化剂部位 66 沿着改进 LNT34b 的纵轴线 78 非均匀分布。非均匀分布通过催化剂部位 66 之间的不同间距、 距离改进 LNT34b 的上游端 和下游端的不同间距或不同加权朝向来表示。通常而言， 释放 NO 的钡 (Ba) 催化剂部位 66 加权朝向改进 LNT34b 的先前的或上游部分 ( 例如， 上游核 72a)， 用于还原 NO 以及氧化 CO 的铈 (Ce)、 铑 (Rh) 催化剂部位 66 加权朝向改进 LNT34b 的在后的或下游部分 ( 例如， 下游 核 72b)。反应通常按照示出的进行。参考图 9 以及图 10， 在改进 LNT34b 的上游核 72a 中， NO 被释放， 一些 NO 利用 CO 来还原。当被释放的 NO 多于被还原的 NO 时， NO 浓度 80b 迅速 增强， CO 浓度 82b 逐渐降低。在改进 LNT34b 的下游核 72b 中， 较少的 NO 被释放， 而上游部 中释放的 NO 由相对高浓度的 CO 还原。较高的 NO 和 CO 浓度、 充足的活性部位、 以及充足的 停留时间提供了较高的 NO 还原， 导致 NOx 排放减少。如此， NO 浓度 80b 以及 CO 浓度 82b 从 中点 77 附近向着改进 LNT34b 的下游端快速下降。由于有效利用来自富循环的 CO， 所以改 进 LNT34b 还能提高燃料经济性。较少的 CO 流失到铈 (Ce) 部位的氧化反应。
参考图 10， 在 LNT34a、 34b 的下游端或输出处， NO 浓度 80b 小于 NO 浓度 80a， CO 浓 度 82a 与 82b 相似。因此， 通过将催化剂部位 66 按照关于改进 LNT 34b 所描述的分布， 更 大量的 NOx 被还原， 因而突破 ( 离开 ) 的 NOx 量会减少。另外， 催化剂 66 被更有效使用， 因 为在所实现的结果相当于或优于典型 LNT34a 的结果的情况下在改进 LNT34b 中使用更少量 的某些催化剂 66。因为催化剂 66 成本高， 所以材料费用的差别可能是相当重要的。
现在描述装配或制作 LNT34 的示例性方法。参考图 3， 可以获得具有由核 72a、 72b 组成的复合核 72 的催化剂部位 66 的非均匀分布。这里， 催化剂位 66 在每个核 72a、 72b 中 的分布是均匀的， 但是在核 72a、 72b 之间的催化剂 66 的量或催化剂 66 的差异赋予复合核 72 沿着纵轴线 78 非均匀分布。
根据示范实施方案， 60mol/m3 的钡 (Ba) 和 8mol/m3 的 (PGM， Pt/Rh/Pd) 被装入 LNT
34 的上游核 72a 中， 0mol/m3 的钡 (Ba) 和 16mol/m3 的 (PGM， Pt/Rh/Pd) 被装入 LNT 34 的 3 下游核 72b 中。在该实施例中， 与包括 60mol/m 的钡 (Ba) 和 16mol/m3 的 (PGM， Pt/Rh/Pd) 中每一个沿纵轴线 78 均匀分布的典型 LNT 相比， LNT 34 中使用的 (PGM， Pt/Rh/Pd) 减少 25％。然而， 如上， 具有非均匀分布的催化剂 66 的改进 LNT 34 优于具有均匀分布的催化剂 66 的典型 LNT 34。而且， 催化剂用量上的减少导致了显著的费用节省。为了说明性能上的 差异， 图 11 显示了在一个时间周期内由改进 LNT 34 输出的 NO 累积量 90a 与在该时间周期 内由典型 LNT34 输出的 NO 累积量 90b 的对比。
参考图 1 以及图 12， 进一步描述排气系统 30 的操作。通常， 在稀操作和富操作期 间， 典型的排气系统 ( 未示出 ) 引导排气流 44( 图 2 和图 3， 流动方向 F) 从发动机 20 通过 TWC 32 然后通过 LNT 34。 相反， 图示的排气系统 30 的阀 42 在稀操作期间引导排气流 44 通 过 TWC 32 然后通过 LNT 34， 在富操作期间引导排气流 44 通过旁路管线 40( 旁路绕过 TWC 32) 和 LNT 34。阀 42 的操作与发动机 20 中的燃料喷射同步以再生 LNT 34。
在富循环 56 期间， 燃料被喷射入发动机以产生类似 CO 的还原剂， 用来再生 LNT34。 图 12 显示了在发动机 20 中的排气流 44 的空气 - 燃料比 92 以及在排气流 44 进入 LNT 34 前在主排放管线 36 中的位置 96 处 ( 图 1 和图 4) 的排气流 44 中的 CO 的浓度。描绘了对 于被引导通过 TWC 32( 在典型的排气系统中 ) 的排气流 44 的 CO 浓度 94a。描绘了对于被 引导通过旁路管线 40 的排气流 44 的 CO 浓度 94b。 比较 CO 浓度 94a、 94b， 注意到 TWC 32 消耗了相当多量的 CO， 因此在发动机中产生 的大量 CO 没有被用于再生 LNT。例如， 申请人发现 TWC32 能够消耗多于 50％的在发动机 20 中产生的 CO。
再生效率可以通过将在排气流进入 LNT34 时排气流 44 中由喷射到发动机 20 中的 燃料所导致的 CO 浓度除以喷射到发动机 20 中的燃料量来测量。对于喷射到发动机 20 中 的燃料的脉冲 98， 所获得的 CO 浓度 94b 中的脉冲 100b 大于 ( 例如， 在幅度和持续时间上 ) CO 浓度 94a 中的脉冲 100a。因此， 在富操作期间， 为了将 CO 传送给 LNT 34， 旁路绕过 TWC 32 会更有效率。效率的增加允许较短的富循环或者使用更少的燃料。
另外， 在富补料或富循环期间， 当通过温度控制装置 46 降低 LNT34 的温度时， NOx 的还原会增加。在富补料期间， 进入 LNT34 的排气流 44 中的 NOx 量很低， 促使 NOx 存储率 为零， 因为 NOx 存储率与气相中的 NOx 浓度基本成正比。因此， 相对于其存储率 NOx 释放率 会变高， 导致 NOx 突破。随着 NOx 释放率随着温度升高呈指数增加， 通过降低 LNT 34 的温 度以降低释放率能够减少 NOx 突破。
温度控制装置 46 能够控制 LNT 的温度， 例如， 通过使用风扇或利用外部夹套的对 流器 ( 流体或冷却剂被泵送通过该对流器 ) 来强制空气冷却。温度控制装置 46 的操作被 配置成在富循环的起始时用燃料喷射开始冷却。例如， 温度控制装置 46 的操作能够与发动 机 20 的操作同步。
参考图 4， 控制器 102 将发动机 20、 阀 42 以及温度控制装置 46 的操作同步。
上述的实施方案仅是用于清楚理解本公开原理而阐述的实施方案的示例性说明。 可以对上述实施方案实现变型、 改进、 以及组合， 而不脱离权利要求的范围。 所有这些变型、 改进以及组合都被本公开和所附权利要求的范围所包括。