相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2012年9月27日的共同待審的美國申請(qǐng)序列第13/629,197號(hào)的部分繼續(xù)申請(qǐng)。

本發(fā)明涉及用于限制氮氧化物的排放的壓燃式內(nèi)燃機(jī)的操作和廢氣后處理。實(shí)施方式涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)增加的功率操作。

背景

內(nèi)燃機(jī)廣泛用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、車輛發(fā)動(dòng)機(jī)等。內(nèi)燃機(jī)的排放和它們對(duì)于環(huán)境的影響正日益受到關(guān)注。由于這樣的關(guān)注，已經(jīng)通過了限制可從這些發(fā)動(dòng)機(jī)排放至環(huán)境中的各種排放氣體的量的法規(guī)。應(yīng)特別注意減少氮氧化合物的排放，包括no和n2o，其統(tǒng)稱為nox。當(dāng)?shù)脱跤捎谌剂系娜紵_(dá)到高溫時(shí)，在內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中形成這些化合物。

三效催化劑，例如在常規(guī)催化轉(zhuǎn)化器(稱為twc)中使用的那些，被廣泛用于減少由火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的nox的排放。當(dāng)氧存在時(shí)，twc在減少廢氣中的nox方面變得無效。這對(duì)于用接近化學(xué)計(jì)量比點(diǎn)的空氣/燃料混合物操作的并產(chǎn)生具有少量氧的廢氣的火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的使用并沒有顯著的限制。不過，即使使用耐用的催化劑材料，當(dāng)twc老化時(shí)，它們?nèi)越?jīng)歷降低的性能。

限制壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的不希望的排放仍然是設(shè)計(jì)和控制壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和它們的廢氣后處理系統(tǒng)的目標(biāo)。如本文所用，廢氣是指由發(fā)動(dòng)機(jī)排放的成分，其中排放是指被排放入大氣的成分。通常用比燃燒一定量提供的燃料所需的空氣更多的進(jìn)入壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣來運(yùn)行所述發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣的空氣與燃料的混合物被稱為“貧料(lean)”，而用較少的空氣的操作被稱為“化學(xué)計(jì)量”或“富料”混合物。貧料空氣和燃料混合物的燃燒在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)形成了高溫。貧料混合物包括顯著量的在燃燒中沒有被消耗的氧，并且所述氧能與氮結(jié)合形成nox。貧料空氣/燃料混合物形成了含有顯著量的使twc在還原nox中無效的氧的廢氣。

已知了用于顯著壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的nox的排放的不同對(duì)策。一種方法是提供用于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中氮和氧化合物的選擇性催化還原。另一種方法是通過將發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣返回到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中來防止形成nox，稱為“廢氣再循環(huán)(egr)”。將廢氣引入到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中以兩種方式還原了nox的產(chǎn)生。廢氣置換了空氣并從而減少了可用于nox形成的量的氧。廢氣還能用作被加熱的稀釋劑并從而導(dǎo)致燃燒室中更低的燃燒溫度。

特別當(dāng)這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)以穩(wěn)定狀態(tài)條件運(yùn)行時(shí)，用顯著廢氣再循環(huán)運(yùn)行的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)可不需要后處理以將nox排放降低至預(yù)計(jì)的水平以下。不過，用顯著量廢氣運(yùn)行壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)減少了由所述發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率，這是由于在這樣的運(yùn)行中限制了燃燒的燃料量。

當(dāng)需要壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)提供更大的功率時(shí)，恒定的發(fā)動(dòng)機(jī)速度或更常見的在運(yùn)行過程中加速車輛，都必需燃燒更多的燃料以提供所需的功率。通常，需要在短時(shí)間內(nèi)由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較高的功率。相比于延長的低壓運(yùn)行所需要的，在短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)增加功率的需求需要更多的燃料和不同的加燃料時(shí)機(jī)。

壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)通常由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ecu)控制，所述發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元監(jiān)控或檢測發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件并操作控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作的致動(dòng)器。被監(jiān)控或檢測的條件可包括進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流、進(jìn)氣歧管溫度和壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)速度。也可監(jiān)控或檢測廢氣和/或進(jìn)氣流的氧含量。燃料噴射器可將燃料引入到發(fā)動(dòng)機(jī)中以用于燃燒。燃料噴射器可允許控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料的噴射的量、時(shí)機(jī)和形式。壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)還可包括具有可變噴嘴機(jī)構(gòu)的渦輪增壓器，可控制所述可變噴嘴機(jī)構(gòu)以控制從渦輪增壓器提供至所述發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的壓縮(加強(qiáng))。壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)還可具有廢氣再循環(huán)閥(egr閥)，所述egr閥控制了轉(zhuǎn)移到進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流中的廢氣的量。電子控制單元(ecu)可用于控制用于包括燃料噴射、渦輪增壓器可變噴嘴機(jī)構(gòu)和/或egr閥的發(fā)動(dòng)機(jī)的這些可控裝置。ecu監(jiān)控和控制壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行的能力提供了改變發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的能力。

目前的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和它們相關(guān)的后處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于，它們不能實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中以燃料高效的方式將nox排放保持在低于預(yù)計(jì)水平的同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)加速或增加的功率期間同樣將nox排放保持在低于預(yù)計(jì)水平。

發(fā)明概述

在本發(fā)明的一個(gè)方面，描述了帶有廢氣后處理系統(tǒng)的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，其允許發(fā)動(dòng)機(jī)提供快速增加的功率，同時(shí)保持nox的排放低于預(yù)計(jì)水平。

另一描述的方面在于提供一種用于內(nèi)燃機(jī)的后處理系統(tǒng)，其能在增加功率的瞬態(tài)運(yùn)行過程中從廢氣流中消除不希望的化合物。

本發(fā)明另一描述的方面涉及控制內(nèi)燃機(jī)以限制來自所述發(fā)動(dòng)機(jī)的不希望的化合物的排放，并涉及控制在增加功率的瞬態(tài)運(yùn)行過程中控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給，從而所述廢氣流具有后處理對(duì)其有效的組成。

本發(fā)明的另一方面在于提供用于包括催化劑涂覆的表面的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行以提供高功率期間在所述催化涂覆的表面上的催化反應(yīng)減少了廢氣中nox的量。

本發(fā)明的另一方面提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣后處理組合，其包括兩個(gè)用于減少在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行期間由壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣中nox量的催化系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一方面涉及使廢氣組成改進(jìn)以確保通過三效催化劑還原nox的廢氣系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一方面提供了用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣系統(tǒng)，所述壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)具有被構(gòu)造成將烴噴射入廢氣流以在三效催化劑轉(zhuǎn)化器上提高nox還原的主動(dòng)烴噴射器。

本發(fā)明的另一方面涉及方法，其中確定壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)是否由富空氣/燃料混合物供給燃料，并且當(dāng)檢測到富混合物時(shí)，在廢氣進(jìn)入三效催化劑之前將烴噴射入廢氣中。

附圖的簡要說明

圖1說明了帶有廢氣后處理的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。

圖2顯示了在進(jìn)氣混合物中廢氣的量與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中氮化合物的量的關(guān)系。

圖3顯示了后處理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式。

圖4顯示了通過用于在貧空氣/燃料混合物運(yùn)行下和在接近化學(xué)計(jì)量的空氣/燃料混合物運(yùn)行下增加壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的功率運(yùn)行的后處理系統(tǒng)排放的nox的量。

圖5說明了用廢氣系統(tǒng)的烴噴射系統(tǒng)的示意圖。

圖6是操作流程圖，可執(zhí)行所述操作從而將烴噴射入壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中。

圖7顯示了在示例性的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)行期間速度和扭矩的變化。

圖8顯示了在圖7中所示的瞬態(tài)運(yùn)行下從twc輸出的nox的變化。

具體實(shí)施方式

本文所述的實(shí)施方式涉及控制壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和由所述發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣的后處理。具體地，實(shí)施方式涉及控制壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)以當(dāng)所述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行以產(chǎn)生接近或?yàn)槠淙萘康墓β蕰r(shí)限制nox排放。此外，實(shí)施方式涉及改進(jìn)對(duì)于提高的功率的請(qǐng)求的瞬態(tài)響應(yīng)，所述請(qǐng)求來自于具有廢氣再循環(huán)和限制氮和氧的化合物的排放的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。

將參照附圖更完整地描述各實(shí)施方式，附圖中給出了實(shí)施方式。貫穿其中，類似的附圖標(biāo)記指代類似的元件。然而，其它實(shí)施方式可以是許多不同的形式并且不限于本文所示的實(shí)施方式。此外，這些實(shí)施方式是示例。基于本發(fā)明的權(quán)利具有權(quán)利要求書所示的完整范圍。

圖1顯示了壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)10和廢氣后處理裝置40的示意圖。通過如下所述的ecu50監(jiān)控并控制壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)10的運(yùn)行。

在空氣入口24處，空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)10。空氣質(zhì)量流傳感器21感應(yīng)通過空氣入口24進(jìn)入所述發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的量。從空氣入口24將空氣導(dǎo)入到壓縮空氣的低壓渦輪增壓器壓縮機(jī)22中。從低壓渦輪增壓器壓縮機(jī)22將壓縮的空氣導(dǎo)入到進(jìn)一步壓縮所述空氣的高壓渦輪增壓器壓縮機(jī)18中。隨后將壓縮的空氣導(dǎo)入到進(jìn)氣歧管16中。如下文進(jìn)一步描述，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)28選擇性地將廢氣導(dǎo)入到進(jìn)入進(jìn)氣歧管16的壓縮的空氣中。

在一些運(yùn)行條件下，空氣和廢氣通過進(jìn)氣歧管16進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)10的氣缸12。進(jìn)氣流溫度傳感器19和進(jìn)氣流壓力傳感器17安裝在進(jìn)氣歧管16上以測量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)10的氣缸12的流的溫度和壓力。為每個(gè)氣缸12提供噴射器14以向氣缸12中噴射燃料。

當(dāng)燃料在氣缸12中燃燒之后，將來自氣缸12的廢氣導(dǎo)入到廢氣歧管26中。廢氣歧管26引導(dǎo)廢氣進(jìn)入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)28與高壓渦輪增壓器渦輪36的連接。廢氣氧傳感器23測量離開發(fā)動(dòng)機(jī)10的廢氣中氧的量。氧傳感器23可以是λ傳感器。

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)28為離開廢氣歧管26的廢氣提供通道，以進(jìn)入來自渦輪增壓器壓縮機(jī)18的進(jìn)入進(jìn)氣歧管16的壓縮空氣流。將進(jìn)入廢氣再循環(huán)系統(tǒng)28的廢氣導(dǎo)入到可控egr閥34中并隨后將其導(dǎo)入到降低廢氣溫度的廢氣冷卻器32中。隨后將廢氣導(dǎo)入到來自渦輪增壓器壓縮機(jī)18的壓縮空氣流中。廢氣歧管26中廢氣的壓力大于進(jìn)氣歧管16中的壓力，從而通過廢氣再循環(huán)系統(tǒng)28，使得廢氣從廢氣歧管26流入到進(jìn)氣歧管16中。

沒有流過廢氣再循環(huán)系統(tǒng)28的廢氣流動(dòng)到并通過高壓渦輪增壓器渦輪36。通過來自廢氣歧管26的廢氣驅(qū)動(dòng)高壓渦輪增壓器渦輪36，并且高壓渦輪增壓器渦輪36驅(qū)動(dòng)了高壓渦輪增壓器壓縮機(jī)18。高壓渦輪增壓器渦輪36包括可控的可變噴嘴。打開可控的可變噴嘴減小了高壓渦輪增壓器渦輪36的驅(qū)動(dòng)并因此減小了通過高壓渦輪增壓器壓縮機(jī)18的空氣壓縮。打開高壓渦輪增壓器渦輪36的可變噴嘴還減小了高壓渦輪增壓器渦輪36對(duì)廢氣流的阻力，從而降低了廢氣歧管26和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)28中的廢氣的壓力。相反，關(guān)閉高壓渦輪增壓器渦輪36的可變開口增加了廢氣歧管26中的廢氣壓力，增加了高壓渦輪增壓器渦輪36的驅(qū)動(dòng)，并增加了通過高壓渦輪增壓器壓縮機(jī)18的空氣壓縮。

將廢氣從高壓渦輪增壓器渦輪36導(dǎo)入到驅(qū)動(dòng)低壓壓縮機(jī)22的低壓渦輪增壓器渦輪38中。將廢氣從低壓渦輪增壓器渦輪38導(dǎo)入到廢氣后處理系統(tǒng)40的進(jìn)口42中。

構(gòu)建后處理系統(tǒng)40以減少廢氣的不希望的組分的量。如下文進(jìn)一步描述的，發(fā)動(dòng)機(jī)10的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行產(chǎn)生了廢氣，所述廢氣具有作為后處理系統(tǒng)40的構(gòu)造的基礎(chǔ)的特性。經(jīng)過后處理系統(tǒng)40處理的廢氣在通道44離開后處理系統(tǒng)40，并從通道44被引入到廢氣排放出口46。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器提供的測量值，ecu50控制發(fā)動(dòng)機(jī)10的運(yùn)行。可將表示各種發(fā)動(dòng)機(jī)情況的信號(hào)提供至ecu50，例如通過進(jìn)氣混合物壓力傳感器17、進(jìn)氣混合物溫度傳感器19、空氣質(zhì)量流傳感器21、廢氣氧傳感器23和/或發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器25，它們可如圖1所示向ecu50發(fā)送信號(hào)。ecu50控制各個(gè)噴射器14，從而控制噴射進(jìn)入氣缸12的燃料的時(shí)機(jī)和量。ecu50還控制可控egr閥34以打開和關(guān)閉閥34，從而增加或減少進(jìn)入進(jìn)氣歧管16的廢氣流。ecu50還控制高壓渦輪增壓器渦輪的可變噴嘴，從而增加和減少通過高壓渦輪增壓器壓縮機(jī)18的空氣壓縮。

壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)運(yùn)行為發(fā)動(dòng)機(jī)提供了比提供的燃料的燃燒所需的空氣更多的空氣。在低負(fù)荷情況中，空氣與燃料比可為50:1-100:1。在這樣的情況下，通過將廢氣與進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣混合來置換一定量的空氣不會(huì)令人不能接收地降低由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率。在這樣的低負(fù)荷情況下，壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)10的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)28可減少由發(fā)動(dòng)機(jī)10形成的氮和氧化合物。由于廢氣包括顯著量的惰性稀釋劑并且由于廢氣在與進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)10的空氣混合之前被冷卻，因此氣缸12中存在的廢氣降低了氣缸12中由于燃燒產(chǎn)生的溫度，從而減少了氮和氧的化合物的形成。圖2顯示了對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的低負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)氣混合物中發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣量與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中氮和氧的化合物的量之間的關(guān)系。

運(yùn)行廢氣再循環(huán)系統(tǒng)28以將冷卻的廢氣引入到進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)10的進(jìn)氣料流中減少了nox的形成并減少了由發(fā)動(dòng)機(jī)10產(chǎn)生的功率。由于廢氣的惰性組分的量減少了可用于支持燃燒的空氣的量，因此由發(fā)動(dòng)機(jī)10產(chǎn)生的功率減小。當(dāng)不需要由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高功率時(shí)，這不是顯著的缺點(diǎn)。例如，驅(qū)動(dòng)車輛的內(nèi)燃機(jī)不需要長時(shí)間產(chǎn)生接近或?yàn)槠淙萘康墓β?，例如?dāng)車輛在一個(gè)為車輛的移動(dòng)提供較小阻力的表面上保持恒定速度時(shí)。這樣的巡航可只需要完全燃料供給的發(fā)動(dòng)機(jī)功率的二分之一至四分之三的范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。貧混合物和廢氣再循環(huán)的結(jié)合形成了同時(shí)獲得燃料經(jīng)濟(jì)且氮和氧的化合物的低排放的運(yùn)行條件。例如，與足量輸送回所述發(fā)動(dòng)機(jī)再循環(huán)的廢氣結(jié)合的供應(yīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)的貧空氣/燃料混合物可足以保持發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的nox水平低于預(yù)計(jì)的水平，所述預(yù)計(jì)水平可以是政府實(shí)施的限制，例如目前實(shí)施的0.2gnox/hp-小時(shí)限制，或未來更嚴(yán)格的限制。

當(dāng)需要接近壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的容量的功率時(shí)，例如加速車輛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行變化顯著。內(nèi)燃機(jī)將燃料燃燒的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。內(nèi)燃機(jī)機(jī)械功率的增加需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)通過燃燒消耗的燃料的量。為了將壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的功率增加至接近其容量，為氣缸提供的燃料的量必需增加至所述發(fā)動(dòng)機(jī)的容量以燃燒燃料。所述容量取決于可用于燃燒的空氣的量。為了增加壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，為所述發(fā)動(dòng)機(jī)提供的空氣的量和燃料的量必需增加。為了加速車輛，增加的功率通常在發(fā)動(dòng)機(jī)請(qǐng)求功率之后(例如通過壓下或踩踏加速踏板)的短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)需要。

在用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)需要產(chǎn)生接近其容量的功率的條件下，為了快速加速車輛，將廢氣引入進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流中是顯著的缺點(diǎn)。到廢氣從進(jìn)入氣缸12的氣流中置換空氣的程度，所述廢氣降低了發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃料的容量。此外，將廢氣轉(zhuǎn)移到進(jìn)氣流中減少了能驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器的能量。再次根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)，通過高壓渦輪增壓器壓縮機(jī)18將空氣提供至發(fā)動(dòng)機(jī)10的氣缸12中，高壓渦輪增壓器壓縮機(jī)18從低壓渦輪增壓器壓縮機(jī)22中獲取空氣。通過egr轉(zhuǎn)換進(jìn)入進(jìn)氣流的廢氣不能用于驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器渦輪36和38，從而分別降低了它們驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)18和22的容量，并且降低了被迫使進(jìn)入氣缸12的空氣的壓縮。在例如瞬態(tài)增加的功率的條件下，實(shí)際上貧空氣/燃料供應(yīng)與大量廢氣再循環(huán)一起可能不足以將nox排放限制到可接收的水平，例如低于預(yù)計(jì)水平(其可為政府實(shí)施的水平或可是由于其他原因所需的水平)。

通過增加進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的量和提供盡可能多的可通過可獲得的空氣燃燒的燃料來增加壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)10的動(dòng)力。通過噴射器14為發(fā)動(dòng)機(jī)添加燃料是可通過ecu50得到的簡單易行的控制。增加提供至氣缸12的空氣的量不太直接。通過渦輪增壓器壓縮機(jī)18和22將空氣提供至進(jìn)氣歧管16，所述渦輪增壓器壓縮機(jī)18和22分別被渦輪36和38驅(qū)動(dòng)?？赏ㄟ^兩種控制增加由高壓渦輪增壓器渦輪36產(chǎn)生的動(dòng)力。(部分或全部)關(guān)閉可控egr閥34增加了用于驅(qū)動(dòng)高壓渦輪增壓器渦輪36的廢氣量。此外，進(jìn)一步關(guān)閉高壓渦輪增壓器渦輪36的可控的可變噴嘴增加了驅(qū)動(dòng)高壓渦輪增壓器渦輪36的廢氣的壓力并增加了由所述渦輪產(chǎn)生的功率。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)10需要的功率接近或?yàn)槠淙萘繒r(shí)，ecu50調(diào)用向氣缸12提供化學(xué)計(jì)量比的或比化學(xué)計(jì)量比更富的空氣燃料混合物的加燃料方案。用比化學(xué)計(jì)量更富的空氣/燃料混合物且沒有廢氣再循環(huán)來運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)10產(chǎn)生具有相對(duì)大量的nox并且還具有低的氧氣和高的烴和一氧化碳的廢氣流。燃料供給模式，即引入燃料的時(shí)機(jī)和時(shí)長可根據(jù)增加或減少提供的燃料的量而改變?？赏ㄟ^提供燃料的預(yù)噴射和主噴射加入貧空氣/燃料混合物。較富的混合物可通過壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)增加煙炱的產(chǎn)生。在加入富混合物燃料期間產(chǎn)生的煙炱的量可通過如與本申請(qǐng)同日提交的題為《燃燒噴射方式和時(shí)機(jī)(fuelinjectionpatternandtiming)》的專利申請(qǐng)所公開的燃料噴射方式和時(shí)機(jī)減少。

圖3顯示了后處理系統(tǒng)40，其被配制成通過使用來自發(fā)動(dòng)機(jī)10的廢氣的處理在整個(gè)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行條件下保持可接受的排放(即保持排放低于預(yù)計(jì)水平)。廢氣進(jìn)入進(jìn)口42并被導(dǎo)入通過柴油機(jī)氧化催化劑52。配制柴油機(jī)氧化催化劑52以減少在穩(wěn)態(tài)/貧運(yùn)行條件下廢氣中nox的量。例如，可配制柴油機(jī)氧化催化劑52以在廢氣中存在烴和/或在柴油氧化催化劑處可用的條件下還原廢氣中nox，并且柴油機(jī)氧化催化劑52除以所需的足夠高的溫度范圍，其可為例如約150-200℃。也可配制柴油機(jī)氧化催化劑52以減少在用貧空氣燃料混合物和廢氣再循環(huán)運(yùn)行期間來自發(fā)動(dòng)機(jī)10的廢氣中存在的一氧化碳、烴類、可溶性有機(jī)分?jǐn)?shù)、多核芳香烴和/或其它組分的量。

通過柴油機(jī)氧化催化劑52之后，廢氣通過三效催化劑54，其可以是在汽車/火花點(diǎn)火領(lǐng)域中眾所周知的催化轉(zhuǎn)化器。配制三效催化劑54以在某些條件下，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)功率瞬時(shí)增加期間實(shí)現(xiàn)的那些條件下還原廢氣中的nox。也可配制三效催化劑以還原烴、一氧化碳和/或其它不需要的組分。三效催化劑54對(duì)于具有低氧含量的廢氣還原nox非常有效，所述具有低氧含量的廢氣例如通過由以大約化學(xué)計(jì)量比或富于化學(xué)計(jì)量比的空氣與燃料比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)10進(jìn)行燃料供給而產(chǎn)生的廢氣，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)功率瞬時(shí)增加期間實(shí)現(xiàn)。所述燃料供給形成具有增加的一氧化碳(co)量的廢氣。由于其還原劑的性質(zhì)，當(dāng)廢氣通過三效催化劑時(shí)，根據(jù)以下反應(yīng)co還原了nox：

no+co→.1/2n2+co2

2no+co→.n2o+co2

通過此方法，當(dāng)egr系統(tǒng)28不活動(dòng)以減少nox的產(chǎn)生時(shí)，對(duì)于富燃料供給條件，三效催化劑減少了nox排放。

在發(fā)動(dòng)機(jī)10用貧空氣/燃料混合物運(yùn)行期間，egr系統(tǒng)28減少了nox的形成從而將進(jìn)入后處理系統(tǒng)40的廢氣中的nox的水平保持在低水平(例如低于預(yù)計(jì)水平)。當(dāng)將發(fā)動(dòng)機(jī)10的燃料供給增加以提高由發(fā)動(dòng)機(jī)10產(chǎn)生的功率時(shí)，如上所述減少或停止廢氣再循環(huán)。因此，進(jìn)入后處理系統(tǒng)40的廢氣中的nox和co的量增加。當(dāng)提供至氣缸12的空氣/燃料比達(dá)到化學(xué)計(jì)量比或更多時(shí)，氧的量減少并且三效催化劑54開始起作用從而減少了通過后處理系統(tǒng)40的廢氣中nox的水平。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)10的瞬態(tài)運(yùn)行以增加功率期間，三效催化劑提供通過后處理系統(tǒng)40的廢氣中的nox的瞬時(shí)和實(shí)時(shí)還原。

在一些實(shí)施方式中，配制柴油機(jī)氧化催化劑52以還原在貧運(yùn)行條件和化學(xué)計(jì)量/富運(yùn)行條件下發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中nox。在另一些實(shí)施方式中，配制柴油機(jī)氧化催化劑52以在貧或非貧(化學(xué)計(jì)量/富)運(yùn)行條件中的一個(gè)或另一個(gè)下還原發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的nox。

在一些實(shí)施方式中，調(diào)整并配制柴油機(jī)氧化催化劑52以為在具有貧空氣/燃料比的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間為在其廢氣中具有給定nox排出水平的發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的nox還原，柴油氧化催化劑和發(fā)動(dòng)機(jī)組合能夠在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間將nox排放保持在預(yù)定水平以下。在一些運(yùn)行條件下和/或?qū)τ谀承┌l(fā)動(dòng)機(jī)，可在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間將來自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中的nox保持在低于預(yù)定水平，甚至不需要在柴油氧化催化劑上進(jìn)行額外的nox還原以在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間保持nox排放低于預(yù)定水平。不過，在一些運(yùn)行條件下和/或?qū)τ谀承┌l(fā)動(dòng)機(jī)，可能不能在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間將來自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中的nox保持在低于預(yù)定水平，且可能必需使用通過經(jīng)調(diào)整和配制的柴油機(jī)氧化催化劑52提供的額外的nox還原以提供所述廢氣的足夠的額外nox還原以在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中將nox排放保持在低于預(yù)定水平。

在一些實(shí)施方式中，在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)或增加的功率期間通過使用經(jīng)調(diào)整且配制以提供足量額外的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的nox的還原(在由柴油機(jī)氧化催化劑提供的nox的還原之外)的三效催化劑54將nox排放保持在低于預(yù)定水平，從而由于柴油機(jī)氧化催化劑52和三效催化劑54產(chǎn)生的nox還原的組合足以將排放物中的nox水平保持在低于預(yù)定水平，而無論發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)運(yùn)行。

因此，通過提供具有柴油機(jī)氧化催化劑52和三效催化劑54，并且適當(dāng)?shù)嘏渲坪驼{(diào)整柴油機(jī)氧化催化劑52并適當(dāng)?shù)嘏渲坪驼{(diào)整三效催化劑54的廢氣系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)/貧運(yùn)行和發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)/化學(xué)計(jì)量或富運(yùn)行下都可以將nox排放物保持在低于預(yù)定水平。即，某些實(shí)施方式確保了無論通過驅(qū)動(dòng)器如何控制發(fā)動(dòng)機(jī)都將nox排放保持在低于預(yù)定水平，從而例如發(fā)動(dòng)機(jī)可在整個(gè)運(yùn)行過程中滿足規(guī)定的nox限制。

在對(duì)柴油機(jī)氧化催化劑52的配方和/或調(diào)整有限制或約束的情況中，控制器可控制發(fā)動(dòng)機(jī)從而發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)獲得其最大功率速率增長(即使這是操作者所希望的)，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的nox水平一直保持足夠低，即將發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣自身中的nox水平，或?qū)?dāng)進(jìn)一步通過柴油機(jī)氧化催化劑還原的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的nox水平保持低于預(yù)定水平。

最終，通過三效催化劑54之后，廢氣可通過柴油機(jī)顆粒過濾器56。柴油機(jī)顆粒過濾器56捕捉廢氣中的顆粒物質(zhì)。應(yīng)理解，可將柴油機(jī)氧化催化劑52、三效催化劑54和柴油機(jī)顆粒過濾器56中的兩者或更多者組合作為單獨(dú)單元(圖3顯示了所有三者組合作為單獨(dú)單元)，可以是單獨(dú)的部件或可被組合。廢氣通過柴油機(jī)氧化催化劑52與三效催化劑54的順序可與圖示不同(廢氣可在通過柴油機(jī)氧化催化劑52之前通過三效催化劑54，或廢氣可在通過三效催化劑54之前通過柴油機(jī)氧化催化劑54)。

根據(jù)本文公開的各種結(jié)構(gòu)和方法，提供可在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中都將nox排放保持在低于預(yù)定水平(例如根據(jù)需要或要求為0.2gnox/hp-小時(shí)、或0.1gnox/hp-小時(shí)、或0.02gnox/hp-小時(shí))的發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)。

圖4顯示了離開后處理系統(tǒng)40的出口44的排放物中的nox水平，用于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩增加時(shí)提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的egr的恒定百分比運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)10。兩種燃料混合物的排放物中nox的水平在圖4中顯示，一個(gè)顯示在貧空氣/燃料混合物下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，一個(gè)顯示在近似化學(xué)計(jì)量的空氣/燃料混合物下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。圖4的下部圖顯示了扭矩需求曲線101，曲線103顯示了使用貧空氣/燃料混合物在運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩，曲線105顯示了使用近似化學(xué)計(jì)量的空氣/燃料混合物在運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩。那些扭矩曲線顯示，可通過近似化學(xué)計(jì)量的混合物作為貧混合物獲得大致相同的扭矩響應(yīng)。

在包括增加扭矩的時(shí)間內(nèi)那兩種空氣/燃料混合物排放的nox的量在圖4的上部曲線中顯示。曲線113是貧空氣/燃料混合物運(yùn)行下的nox排放水平，曲線115是近似化學(xué)計(jì)量的空氣/燃料混合物運(yùn)行下的nox排放水平。那些排放曲線證明了帶有twc的后處理對(duì)于在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)行以增加發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩期間基本防止增加的排放nox的有效性。

相對(duì)于對(duì)比的火花引燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的co，為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)供給富空氣/燃料混合物產(chǎn)生了更少的co。因此，限制了在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中被用co還原的nox的量?？赏ㄟ^將烴(hc)引入到twc上游的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中來增加通過twc54的nox的還原。當(dāng)將烴(hc)噴射到廢氣流中時(shí)，當(dāng)所述廢氣流流過twc54時(shí)，烴與廢氣流中的nox根據(jù)以下公式反應(yīng)，副產(chǎn)物是氮、二氧化碳和水：

hc+no→n2+co2+h2o

可通過使得在燃料噴射循環(huán)的后噴射部分中噴射器14向氣缸12中噴射燃料的ecu50來增加廢氣的烴水平。除了通過噴射器14將烴延遲引入廢氣中之外或作為燃料噴射器引入的替代，可以在廢氣系統(tǒng)中位于twc54上游的位置處將烴噴射到廢氣中。圖5示意性地說明了主動(dòng)烴噴射系統(tǒng)80以及包括后處理系統(tǒng)40和后處理系統(tǒng)上游的與廢氣系統(tǒng)的相鄰部分的廢氣系統(tǒng)的部分85。廢氣系統(tǒng)部分85包括后處理系統(tǒng)40上游的燃燒器82和計(jì)量器84。主動(dòng)烴噴射系統(tǒng)80包括與ecu50連接的烴噴射器86。

如上所述，ecu50從顯示柴油發(fā)動(dòng)機(jī)10是否被富混合物供給燃料的多個(gè)傳感器收到信息。傳感器可以包括上述傳感器和其它的在計(jì)量器84中的一個(gè)或多個(gè)傳感器，在燃燒器82中的一個(gè)或多個(gè)傳感器；和/或在后處理系統(tǒng)40中的一個(gè)或多個(gè)傳感器。也可將傳感器放置在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)10的其它地方，只要它們可被ecu50使用以判斷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)10是否被供給了富空氣/燃料混合物。

可使用的傳感器的類型和它們的放置取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。例如，氧傳感器23可用于測定離開柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中心的廢氣流中氧的量。燃料傳感器也可用于測定廢氣流中燃料的量。ecu50使用的以控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)10的運(yùn)行的燃料噴射參數(shù)對(duì)于判斷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)10是否被供給了富混合物燃料也有用。也可使用其它傳感器類型和結(jié)構(gòu)。

主動(dòng)烴噴射系統(tǒng)80可包括連接以由ecu50控制的烴噴射器86。將ecu50構(gòu)造成當(dāng)從多個(gè)傳感器提供的信息指示壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)10由富空氣/燃料混合物供給燃料時(shí)，控制烴噴射器86將烴噴射到廢氣系統(tǒng)85中?；蛘?，可將ecu50構(gòu)造成當(dāng)期望或需要通過三效催化劑54還原nox時(shí)，例如當(dāng)廢氣再循環(huán)減少或停止時(shí)，控制烴噴射器86將烴噴射到廢氣系統(tǒng)85中。ecu50可控制廢氣系統(tǒng)部分85的其它組件的運(yùn)行，或可提供用于烴噴射系統(tǒng)80的專用控制器。噴射的烴可是液體或氣體形式，并可通過烴噴射器86在一個(gè)或多個(gè)位置噴射。

根據(jù)某些實(shí)施方式，被噴射的烴可以是柴油燃料，其可通常從相關(guān)車輛的燃料箱或其它儲(chǔ)存器供應(yīng)到主動(dòng)烴噴射器系統(tǒng)80。此外，可將ecu50構(gòu)造成可調(diào)節(jié)被噴射到廢氣流中的烴的時(shí)間的量和/或持續(xù)時(shí)間，例如基于發(fā)動(dòng)機(jī)10由貧或富空氣/燃料混合物供給的程度。還可將ecu50構(gòu)造成在確定烴被噴射到廢氣流中的量或持續(xù)時(shí)間時(shí)，考慮廢氣流的條件之外的各種其它因素。例如，ecu50可以基于感測和/或計(jì)算的twc54的性能損失(例如與twc54的老化相關(guān)的性能損失或劣化)來進(jìn)一步提高烴被噴射到廢氣流中的量和/或持續(xù)時(shí)間。

圖6是操作流程圖，可執(zhí)行所述操作從而將烴噴射入壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)(例如發(fā)動(dòng)機(jī)10)的廢氣中。如圖所示，在205提供來自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流。來自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣包括nox。在操作210，直接和/或間接地確定發(fā)動(dòng)機(jī)10是否由貧或富空氣/燃料混合物供給燃料。如果如在操作215所決定的，發(fā)動(dòng)機(jī)10不是由富空氣/燃料混合物供給燃料，那么所述方法回到操作210。然而，在操作215檢測到通過富混合物的燃料供給，將一定量的烴(hc)噴射到氣體廢氣中，所述氣體廢氣轉(zhuǎn)而在操作220被提供給twc。在操作225，該方法可以確定噴射的烴是否足以達(dá)到期望的廢氣參數(shù)。這樣的參數(shù)可包括是否已通過twc將nox減少到低于預(yù)定水平。如果沒有，可再進(jìn)行操作220直到在操作225處檢測到所希望的廢氣參數(shù)。

圖7顯示了在如圖1所示的示例性柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的瞬態(tài)運(yùn)行期間發(fā)動(dòng)機(jī)速度和輸出扭矩的變化。圖8顯示了在圖7所示的瞬態(tài)運(yùn)行下從twc輸出的nox的變化。此外，為了示例性目的，圖8說明了每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)沖程的不同烴噴射速率對(duì)從twc輸出的nox水平的影響。此外，圖8通常將噴射速率標(biāo)識(shí)為“a”、“b”、“c”、“d”和“e”，噴射速率以升序從“a”(最低注射速率)增加到“e”(最高噴射速率)。為了比較，還繪制了進(jìn)入twc的nox的水平。另外，為了進(jìn)一步比較的目的，在不將烴噴射到廢氣流中的情況下，離開twc的nox的水平將假定與進(jìn)入twc的nox的水平相同。

圖7所示的瞬態(tài)運(yùn)行被執(zhí)行多次以達(dá)到圖8所示的數(shù)據(jù)。在每次執(zhí)行中，將不同量的烴噴射入廢氣流中。如圖8所示，除了別的以外，當(dāng)烴已經(jīng)噴射到廢氣流中時(shí)，在所述瞬態(tài)條件期間從twc輸出的總nox減少。如圖所示，各種水平的烴噴射實(shí)現(xiàn)在從twc輸出的廢氣中的不同水平的nox還原。可以通過在功率計(jì)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行受控測試來得到用于各種系統(tǒng)的烴噴射的可選量。

在另一個(gè)實(shí)施方式中，優(yōu)選在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，調(diào)整并配制第一催化劑和第二催化劑以減少nox排放并將nox排放保持在低于第一預(yù)定水平，并且廢氣也用scr催化劑(在例如來自在scr催化劑上游定量供給的def的氨的存在下)處理，所述scr催化劑將nox排放減少到比第一水平低的第二預(yù)定水平。眾所周知，使用選擇性催化還原(scr)來減少來自壓燃式內(nèi)燃機(jī)的nox排放。當(dāng)用于減少來自柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的nox排放時(shí)，選擇性催化還原涉及在用scr催化劑處理廢氣流(例如流過或通過scr催化劑)之前將霧化的尿素或氨噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流中。通過scr催化劑的廢氣處理可以在通過第一催化劑和第二催化劑(其可以是doc和三效催化劑)處理廢氣之前，期間或之后。

常用scr系統(tǒng)的主要部件是用于存儲(chǔ)脲的罐，用于將脲輸送到廢氣中的噴射系統(tǒng)(該計(jì)量通常由基于各種感測或確定的發(fā)動(dòng)機(jī)和/或廢氣條件的ecu控制)和在其上發(fā)生nox還原的scr催化劑。scr系統(tǒng)的缺點(diǎn)是需要重新填充脲存儲(chǔ)罐的頻率。通過使用用于將nox排放減少至如本文所述的第一預(yù)定水平(該第一預(yù)定水平可以例如仍然高于規(guī)定的最大nox排放水平)的第一催化劑和第二催化劑與用于進(jìn)一步將nox排放在scr催化劑上減少至第二、較低的水平的scr系統(tǒng)的組合，可以比scr系統(tǒng)本身為了保持nox排放那樣低的水平所需的脲(或其它scr系統(tǒng)中使用的還原劑)需要更少的脲的方式，將nox排放保持在第二、較低水平(其可以例如低于規(guī)定的最大nox排放水平)或低于該水平。

雖然已知在后處理系統(tǒng)中使用nox阱以將nox排放保持在低于預(yù)定水平，但是nox阱的缺點(diǎn)是它們具有最大的nox存儲(chǔ)容量，這個(gè)缺點(diǎn)通過本文公開的各種實(shí)施方式克服。因此，例如，在使用nox阱的后處理系統(tǒng)中，在連續(xù)運(yùn)行的一段時(shí)間之后，nox阱將不再能夠捕集廢氣中存在的任何另外的nox，并且控制系統(tǒng)需要以一定間隔吹掃nox阱以隨后允許進(jìn)一步捕獲額外的nox。本文公開的兩個(gè)催化劑系統(tǒng)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化nox而不存儲(chǔ)累積的捕集的nox，使得無論發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行多長時(shí)間，nox轉(zhuǎn)化和還原都可以連續(xù)發(fā)生，并且不需要進(jìn)行吹掃操作的控制。