用於處理機動車排氣的氮氧化物的裝置的製作方法
2023-06-01 08:19:11 3
專利名稱：用於處理機動車排氣的氮氧化物的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及動力系統，特別是用於機動車的動力系統(sys"me de motorisation )的領域。本發明特別是涉及用於催化處理內燃機排氣中的氮 IUt物(NOx)的裝置和方法的領域。
背景技術：
目前已知，氮氧化物會引起呼吸道的感染和過敏，並且會影響煙塵和 酸雨的形成。大多數國家已經強制執行限制來自車輛的氮氧化物排放的標 準。對於私家車輛、商用車輛和工業發動機，這些標準一般規定不同的閾 值。事實上，這些種類中的每種都涵蓋了很寬的範圍內的發動機。例如， 私家車輛包括具有汽油發動機的車輛和具有柴油發動機的車輛。私家車輛
包括小型城市用車輛和四輪驅動車輛。與使小型發動機達到相同的汙染物 排放閾值相比，使大功率發動機達到相同的汙染物排放閾值需要加強的氮 氧化物NOx的處理。另外，與豪華型車輛相比，使小型城市用車輛提供廉 價的用於處理氮氧化物的裝置的經濟壓力更大。
已經發展出一些技術來減少氮氧化物NOx的排放物。特別地，利用供 排氣穿過的催化器的被動方法與利用複雜過程(如電化學催化作用或者光 催化方法)的主動方法之間存在差別。被動催化方法通常用於汽油機車輛。 三元催化器用於同時處理氮氧化物、碳氧化合物和未燃的碳氬化合物。來 自汽油發動機的燃燒室的排氣通常富含還原成份，如碳氳化合物和一氧化 碳，所以通過使用三元催化器將排放的氮氧化物(NOx)還原成氮氣。這 些三元催化器具有廉價的優勢。
柴油發動機的燃燒室被供給有包含過量空氣的混合物。因此來自發動機的排氣缺少還原劑。因為在存在氧的情況下這些催化器的還原效率迅速 降低，所以不可以使用三元催化器。
在排氣中缺少還原劑的情況下，已提出NOx捕集器來處理氮氧化物。 特別地在專利申請EP 0 573 672 Al (Toyota)和EP 1 079 084 A2 (Toyota) 中描述了這樣的NOx捕集器。在車輛的通常行駛期間，排氣穿過NOx捕 集器，在該捕集器處催化器一般包含鹼性的或者鹼土性元素和存儲混合物 (吸附性混合物)。這些催化器促使一氧化氮NO被氧化為二氧化氮N02 以及促使二氧化氮N02被轉化成硝酸鹽，該硝酸鹽沉積成一整體。在發動 機的通常使用階段，NOx被NOx捕集器吸收。周期地將所存儲的NOx釋 放出。在該釋放階段期間，排氣還原劑的比例高於理想配比的比例(混合 物稱為濃)。控制這種NOx處理是複雜的過程，在該過程中必須檢測出釋 放階段，並且必須增加噴射的碳氫化合物的量。NOx捕集器的存儲混合物 對硫特別敏感。與NOx存儲過程並行地，有必要發展以規律的(時間)間 隔進行脫硫的步驟。
專利申請WO 02/31325 ( Corning Inc.)描述了 一種用於還原柴油發動 機排氣中的氮氧化物的方法。這種方法包括持續地向排氣中噴射燃料，以 及使燃料和排氣的混合物穿過催化器，從而使排氣中的NOx被還原成氮 氣。這種過程具有導致附加的燃料消耗的缺點。
專利申請US 2004/0083722 (Ford)描述了一種改進的通過使用催化 器來轉化NOx(的方法)，其中參照發動機處於穩態運行條件下的噴射量 來修正在催化器上遊噴射的燃料量，從而將發動機加速和減速階段考慮在 內。所述催化器是ALNC或者SCR類型的，通過還原劑(碳氫化合物或 尿素)的主動噴射該催化器持續地還原NOx排放物。儘管有所改進，但在 所述的例子中，在穩態條件下噴射的比例為還原劑是NOx的10倍。盡 管有所改進，但這種系統消糾目當大量的燃料。
發明內容
本發明提供一種動力系統(特別是用於機動車)和一種用於處理動力
5系統排氣的方法，所述系統和方法改善了所述缺點，特別地，所述系統和
方法提供了廉價的氮氧化物NOx處理，降低額外的燃料消耗。
根據本發明的一實施例，動力系統(特別是用於機動車)包括內燃發 動機，用於還原發動機排氣中含有的氮氧化物NOx的催化器，設置在催化 器上遊的附加燃料噴射器，用於確定從發動機排出的氮氧化物NOx量的裝 置，用於確定相對於氮氧化物NOx的量達到低於或基本等於理論配比/化 學當量(stoechiom6trique)比例的比例需要的燃料量的裝置，以及用於當 所述的需要的量與氮氧化物NOx的量的比率小於觸發閾值時觸發所述的 需要的量的噴射的裝置。
可以理解，這種包括供基本為理論配比的混合物橫穿的NOx還原催化 器的動力系統可利用廉價的催化器，例如已知的用於汽油機車輛的三元催 化器型的催化器。另夕卜，只要待噴射的量與NOx的量的比率低於觸發閾值， 就可以避免附加的燃料消耗。換言之，當存在於排氣中的NOx的量沒有達 到許可(規定)的限度時，例如由標準許可的限度，不進行附加的噴射。 對於小型城市用車輛的情況，通常僅在車輛的某些運行階段才會超出該限 度，所述運行階段如發動機較冷、加速度高或發動機負荷高的階段。由於 (使用了)用於調節噴射的燃料量以達到理論配比比例的裝置，限制了所 述的燃料量。實際上，NOx排放較高的發動機運行階段還對應於排氣比穩 態條件下更富含未燃碳氫化合物和還原劑的階段。(這時)為達到理論配 比需要噴射的柴油量更加低。
有利地的是，在附加噴射器上遊的排氣缺少還原劑。發動機可以是柴 油型發動機，由附加噴射器噴射的燃料可以是柴油燃料。
根據另一實施例，用於確定NOx量的裝置包括計算機，該計算機適於 接收發動機轉速數據和向發動機燃燒室內噴射的數據，並適於比較這些數 據與存儲的數據。有利的是，該裝置包括在發動機下遊、附加噴射器上遊 的用於測量排氣燃空比的裝置。
才艮據另一實施例，動力系統包括在催化器上遊或下遊的、或者與催化 器相結合的顆粒過濾器。附加噴射器可以安放在顆粒過濾器的上遊，並且可以被致動從而再生顆粒過濾器。
有利的是，動力系統包括用於測量在附加噴射器下遊、催化器上遊的 還原劑濃度的第二儀器。該第二儀器可包括在顆粒過濾器上遊或下遊的溫 度傳感器，和/或在顆粒過濾器上遊或下遊的壓力傳感器。
根據本發明的另一實施例，動力方法(特別是用於機動車)，包括一
步驟，其中通過向NOx還原催化器上遊的排氣管路中噴射碳氫化合物來處 理來自內燃機的排氣，並確定噴射器上遊的排氣中存在的NOx的量，當達 到NOx量的閾值時觸發碳氫化合物噴射，將噴射量調整成使得還原劑的量 相對於排氣中存在的NOx的量低於或基本等於理論配比比例。
通過閱讀對附圖所示的多個非限制的示例性實施例的詳細描述，本發 明的其它特性和優勢將會顯現，其中，唯一的附圖示出多個根據本發明的 動力系統的示意圖。
具體實施例方式
如圖中所示，機動車動力系統包括一柴油型內燃機1和一排氣管路2， 該排氣管路2包括緊鄰在內燃機1下遊的第一部分2a和緊接在第一部分 2a下遊的第二部分2b。
如由虛線示意性地表示的，圖中示出在排氣管路2的第二部分2b方面 相互不同四個實施例。
在第一實施例中，排氣管路2的第一部分2a包括一 lambda (U型燃 空比傳感器3，或對來自內燃機1的排氣中的氧的比例敏感的氧傳感器。 在笫一部分2a中在燃空比傳感器3的下遊嵌入一附加噴射器4。第一實施 例的排氣管路2的第二部分2b包括一催化器5。動力系統還包括一計算機 6。
現在說明第一實施例的操作。柴油內燃機配備有曲軸轉速傳感器7(未 示出)，用於檢測發動機1主噴射的噴射條件的傳感器8。例如，該傳感器可以是加速器位置傳感器或主噴射控制迴路中的傳感器。可選地，發動
機配備有燃燒室溫度傳感器。從這些傳感器傳出的數據被傳遞到計算機6。 同樣地，關於所使用的燃料類型的數據可以被輸入並傳遞到計算機6。不 同的發動機的工作轉速相對於所使用的燃料特性的關係的完整的脈鐠圖存 儲在計算機6中。這使計算機能夠確定發動機轉速，並實時地確定從發動 機l的燃燒室逸出的氮氧化物的比例以及從發動機l的燃燒室逸出的未燃 碳氫化合物或還原成分的量。然後計算機6可確定需要由附加噴射器4噴 射的還原成分的量，使得由此修正的氣體混合物的氧化成分的量與還原成 分的量之間的比例是理論配比比例。
當計算機6致動附加噴射器4，並觸發所述需要的量的噴射時，穿過 催化器5的混合物具有希望的理論配比比例。觸發向排氣管路中的柴油噴 射的條件(由發動機排出的NOx量和燃燒室內氣體混合物的燃空比)可以 ,皮修改以適應，例如有效法規中的變化。該條件對應於在從排氣管路2排 出之前通過催化器5的作用還原的NOx比例。希望的理論配比比例也可對 應於不被催化器5還原的NOx的最大量。當計算機6不致動附加噴射器4 時，所有從內燃機l排出的NOx都穿過催化器5，混合物中還原劑的含量 低致使催化器5的還原效率顯著降低。
在一變型例中，希望的理論配比比例等於"1"使得排氣中存在的所有 NOx都可^皮催化器5處理。在另一變型例中，該比例小於"1"，這有助 於節省在為滿足現行標準而處理排氣中存在的NOx的一部分時消耗的附 加燃料。
計算機還存儲有噴射器觸發閾值。計算機接收發動機轉速的實時數據， 還實時地計算從發動機排出的排氣中存在的NOx的量和達到希望的理論 配比比例需要的燃料量。當需要的燃料量與氮氧化物的比率低於觸發閾值 時，計算機致動附加噴射器，當該比率高於閾值時，不命令附加噴射。高 於觸發閾值的比率對應於從發動機1排出的NOx量，這會需要非常多的用 於在催化器處處理的附加燃料。
根據本發明的另 一實施例，離開發動機的排氣的燃空比不是通過比較製造商的數據與發動機轉速測量值來求得的，而是由燃空比傳感器3直接 測量的。計算機6計算達到希望的理論配比比例需要的燃料量，並比較需 要的量與估算的NOx量的比率，如果該比率低於觸發閾值則觸發附加的噴 射。本實施例通過結合實時測量數據與計算數據，用於更好地估算需要的 待噴射量。這也用於比較算得的預定量與測得的量，從而檢測傳感器或計 算系統的任何異常。
由附加噴射器4噴射的還原劑不必與內燃機1使用的燃料相同。然而， 使用相同燃料的情況可避免對附加油箱的需要。所述內燃機優選是柴油發 動機，由附加噴射器噴射的燃料是柴油燃料。在柴油發動機中，通常將燃 燒室中的進氣裝置和燃燒室中的噴射裝置設置成使得燃燒室充滿氧氣。因 此來自柴油發動機的排氣一般是氧化性的。
按稱為均質充量燃燒的燃燒類型工作的柴油發動機的排氣中還原劑的 濃度較高而NOx排放物有限，因此待噴射的附加燃料量保持為較低。
本發明的動力方法和系統可兼容於使用汽油的內燃機，其中排氣缺少 還原成份。例如，在分層充量燃燒的發動機中，儘管較低的燃燒溫度使由 發動機產生的NOx量降低，但本發明的方法仍可用於結合三元催化器的優 勢與很低燃料消耗的優勢。
噴射器4是以該噴射器4是專設的以及附加到內燃機1的主噴射器(未 示出)的形式附加的。該噴射器4可設置成緊鄰催化劑罐5的入口處。噴 射器4也可由主噴射器來形成，在這種情況下噴射器4是以通過本發明的 觸發裝置涉及的噴射序列是附加於發動機1通常噴射循環的噴射序列的形 式附加的。這種附加噴射可以發生在氣體開始從燃燒室排出時。
現在描述4吏用顆粒過濾器與這種動力系統的特別有利的結合。
根據如圖所示的笫二實施例，排氣管路的第二部分2b沿氣體流動方向 包括第二燃空比傳感器IO、催化器5、上遊溫度和壓力傳感器ll、顆粒 過濾器12以及下遊溫度和壓力傳感器13。顆粒過濾器12用於抑留從發動 機1排出的炭黑和未燃顆粒。顆粒過濾器12可以是催化型的或非催化型的。 在發動機1的通常運行期間，在附加噴射器4下遊的第二燃空比傳感器10用於控制待噴射量的計算以達到理論配比條件。附加噴射器4、第二 lambda 型傳感器10以及溫度傳感器11和13也用於再生顆粒過濾器。在催化器5 中發生放熱反應以在足以使碳黑與濾出的顆粒燃燒的溫度下加熱i^A顆粒 過濾器的排氣。對於催化型顆粒過濾器，為達到再生而需要的排氣溫度低 於非催化型顆粒過濾器。
如圖所示的第三實施例中，排氣管路2的第二部分2b沿氣體流動方向 包括上遊溫度和/或壓力傳感器11、顆粒過濾器12、下遊溫度和/或壓力 傳感器13、第二燃空比傳感器10和催化器5。
如圖所示的第四實施例中，排氣管路2的第二部分2b沿氣體流動方向 包括第二燃空比傳感器IO、上遊傳感器ll、與顆粒過濾器12相結合的 催化器5和下遊傳感器13。第四實施例具有降低了在排氣管路2上安裝的 部件個數的優勢。然而，在不同部件的布置方面，第二和第三實施例提供 更大的靈活性。
所述的三個實施例中的每個都包括顆粒過濾器12，該過濾器可包括金 剛砂，堇青石，或用於過濾顆粒的任何其它陶瓷或金屬結構。
用於確定從發動機1排出的氮氧化物量的裝置可以是計算機6，該計 算機比較實時發動機轉速測量值與存儲在計算機中的該預定操作的脈語 圖。
用於確定達到理論配比比例需要的燃料量的裝置也可以是計算裝置， 該計算裝置比較實時測量值與預定的脈鐠圖，或者也可以是第二燃空比傳 感器IO。
本發明以控制的額外消耗的成本，用於以低於NOx捕集型系統的動力 系統開發成本獲得希望的NOx處理效率。
這種方法的靈活性特別有利於用於建築工地的動力系統，其中主要標 準不是額外的消耗，而要優先完全處理氮氧化物。為使本動力系統適於建 築工地，僅需修改觸發閾值。
權利要求
1.一種動力系統，特別是用於機動車的動力系統，包括內燃發動機(1)，用於還原所述發動機(1)的排氣中含有的氮氧化物NOx的催化器(5)，設置在催化器(5)上遊的附加燃料噴射器(4)和用於確定從發動機(1)排出的氮氧化物NOx的量的裝置(6，3)，其特徵在於，該動力系統包括用於確定相對於氮氧化物NOx的量達到低於或基本等於理論配比比例的比例所需要的燃料的量的裝置(6，10)，和用於當所述需要的量與氮氧化物NOx的量的比率低於觸發閾值時觸發所述需要的量的噴射的裝置(6)。
2. 根據權利要求1所述的動力系統，其特徵在於，發動機(1)是柴 油內燃發動機，由附加噴射器(4)噴射的燃料是柴油燃料。
3. 根據權利要求1或2所述的動力系統，其特徵在於，用於確定NOx 的量的裝置包括計算機(6 )，該計算機(6 )適於接收發動機(1)的轉速 數據和向發動機(l)的燃燒室內的噴射的數據，以及適於比較所述數據與 存儲的數據。
4. 根據上述權利要求中任一項所述的動力系統，其特徵在於，用於 確定NOx的量的裝置包括在發動機(1)下遊、附加噴射器(4)上遊的用 於測量排氣燃空比的儀器(3)。
5. 根據上述權利要求中任一項所述的動力系統，其特徵在於，該系 統包括在催化器(5)上遊或下遊的顆粒過濾器(12)。
6. 根據權利要求1至4中任一項所述的動力系統，其特徵在於，該 系統包括與催化器(5)相結合的顆粒過濾器(12)。
7. 根據權利要求5或6所迷的動力系統，其特徵在於，所述附加噴 射器(4)被安放在顆粒過濾器(12)的上遊，該附加噴射器(4)被致動 從而再生顆粒過濾器(12)。
8. 根據權利要求5至7中任一項所述的動力系統，其特徵在於，該 系統包括用於測量在附加噴射器(4)下遊、催化器(5)上遊的還原劑濃度的第二4義器(10)。
9. 根據權利要求5至8中任一項所述的動力系統，其特徵在於，該 系統包括在顆粒過濾器(12)上遊(11)或下遊(13)的溫度傳感器，和/ 或在顆粒過濾器(12)上遊(11)或下遊(13)的壓力傳感器。
10. 根據前述權利要求中任一項所述的動力系統的一種應用，其中， 用於確定氮的量的裝置(6,3)確定從發動機(1)的燃燒室逸出的氮氧化 物的比例。
11. 根據權利要求10所述的動力系統的應用，其特徵在於，在附加噴 射器(4)上遊的排氣缺少還原劑。
12. —種動力方法，特是用於機動車的動力方法，其中，通過向在NOx 還原催化器(5 )上遊的排氣管路(2a)中噴射碳氫化合物來處理來自內燃 發動機(l)的排氣，其特徵在於，該方法包括一步驟，在該步驟中確定在 噴射器上遊的排氣中存在的NOx的量，當達到NOx的量的閾值時觸發碳 氫化合物的噴射，將噴射量調節成使得還原劑的量相對於排氣中存在的 NOx的量低於或基本等於理論配比比例。
全文摘要
本發明涉及動力系統，特別是用於機動車的動力系統，包括內燃發動機(1)，用於還原所述發動機(1)的排氣中含有的氮氧化物NOx的催化器(5)，設置在催化器(5)上遊的附加燃料噴射器(4)和用於確定從發動機(1)排出的氮氧化物NOx的量的裝置(6，3)，其特徵在於，該動力系統包括用於確定相對於氮氧化物NOx的量達到低於或基本等於理論配比比例的比例而需要的燃料的量的裝置(6，10)，和用於當所述需要的量與氮氧化物NOx的量的比率低於觸發閾值時觸發所述需要的量的噴射的裝置(6)。
文檔編號F01N3/035GK101316994SQ200680044290
公開日2008年12月3日 申請日期2006年10月20日 優先權日2005年10月27日
發明者C·塔查, J-C·貝齊亞 申請人:雷諾股份公司