具有四效和尿素scr催化器的排氣處理系統及使用方法

2024-04-07 04:26:05

專利名稱：具有四效和尿素scr催化器的排氣處理系統及使用方法
技術領域：
本發明的示例性實施例涉及排氣處理系統，更具體地，涉及用於柴油機的排氣處 理系統以及使用該系統的方法。
背景技術：
內燃機製造商研發發動機操作控制策略，以滿足用戶需求和符合排放控制及燃料 經濟性的各種規則。一種這類發動機控制策略包括以稀薄化學計量比的空氣/燃料比操作 發動機，以提高燃料經濟性，並降低溫室效應氣體排放。使用壓燃式(柴油)和火花點燃式 發動機都可實現這種操作。當發動機以稀薄(過量的氧)空氣/燃料比操作時，產生的燃燒 溫度和過量的氧導致更高的發動機排放N0X ；但是，由於缺乏在稀薄排放條件下從排氣流去 除有效方法，所以限制了稀薄操作的發動機的商業應用。因此，為符合未來的排放標 準並提高車輛燃料經濟性，從稀薄燃燒柴油機和汽油發動機的排氣有效還原氮氧化物(N0X =N0+N02)是重要的。從含有過量氧的排氣供給流還原N0X排放物對於車輛制動商是個挑戰。例如，估 計根據美國的Bin 5規則，基於當前預期的發動機排放平，可能要求後處理系統在 FTP (聯邦測試程序)循環上能夠有70-90%的N0X轉換效率。對於實際應用，必須在前述 FTP循環期間發生的較低操作溫度(例如，200-350°C)範圍及高速測試循環(例如，US06 聯邦測試程序)期間發生的較高操作溫度(例如，450-550°C )範圍獲得該轉換效率。對於在這些稀薄燃燒操作條件下的車輛應用，已經提出了多種排氣處理系統。一 種方法將N0X存儲還原催化器與下遊的柴油微粒N0X還原系統及更下遊的柴油氧化催化器 串聯組合。據報導，這種系統有75-85%的N0X還原的目標性能。但是，這種系統需要周期性 的催化器再生，包括噴射燃料以產生高排氣溫度，和噴射還原劑以再生催化器的存儲材料。 在催化器再生期間，由於部件再生將極大地降低N0X轉換能力，所以維持車輛操作期間的目 標N0X還原水平成為一個問題。因此，需要一種有效的排氣處理系統和使用該系統的方法，以有選擇地還原稀薄 燃燒式內燃機、特別是那些使用在各種車輛應用中的內燃機的排氣流中的N0X。

發明內容
在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種用於柴油機的排氣處理系統。該系 統包括四效催化器，該四效催化器與柴油機流體連通以從其接收排氣流，所述四效催化器 包括稀薄氮氧化物(N0X)捕集器(LNT)和柴油微粒過濾器(DPF)。所述系統還包括尿素選 擇性催化還原(U-SCR)催化器，該U-SCR催化器與所述四效催化器流體連通以從其接收排氣流。在本發明的另一示例性實施例中，提供了一種使用了用於柴油機的排氣處理系統 的方法。該系統包括四效催化器，該四效催化器與柴油機流體連通以從其接收排氣流，所 述四效催化器包括LNT和DPF ；U-SCR催化器，該U-SCR催化器與所述四效催化器流體連通
4以從其接收排氣流；第一噴射裝置，該第一噴射裝置構造成周期性地、選擇性地將碳氫化 物、CO或H2材料或者其組合物噴射進在所述LNT與所述發動機之間的排氣流中；第二噴射 裝置，該第二噴射裝置構造成周期性地、選擇性地將尿素或氨或者其組合物噴射進在所述 LNT捕集器與所述U-SCR催化器之間的排氣流中；以及控制器，該控制器構造成控制所述發 動機的操作，及碳氫化物、CO或壓材料或者其組合物的周期性和選擇性噴射，及尿素或氨或 者其組合物的周期性和選擇性噴射，並確定排氣流中N0X的量。所述方法包括操作所述發動 機以產生排氣流。所述方法還包括使用所述控制器周期性地和選擇性地將碳氫化物、CO或 H2材料或者其組合物中的至少一種噴射進排氣流，其中所述發動機的排氣流具有第一體積 分數的N0X(N0X1)，離開所述U-SCR催化器的排氣流具有預定的第二體積分數的N0X(N0X2)， 其中N0X2小於N0X1。在本發明的另一示例性實施例中，提供了一種柴油機和發動機排氣處理系統。本 發明包括柴油機。所述排氣處理系統包括四效催化器，該四效催化器與柴油機流體連通以 從其接收排氣流，所述四效催化器包括LNT和DPF。所述系統還包括U-SCR催化器，該U-SCR 催化器與所述四效催化器流體連通以從其接收排氣流。本發明提供下列技術方案。技術方案1 提供了一種用於柴油機的排氣處理系統，包括四效催化器，該四效催化器與柴油機流體連通以從其接收排氣流，所述四效催化 器包括稀薄氮氧化物捕集器和柴油微粒過濾器，即稀薄N0X捕集器和DPF ；以及尿素選擇性催化還原催化器，即U-SCR催化器，該U-SCR催化器與所述四效催化器 流體連通以從其接收排氣流。技術方案2 如技術方案1所述的排氣處理系統，還包括柴油氧化催化器，即D0C， 該D0C位於所述發動機與所述四效催化器之間，以從所述發動機接收排氣流，並將排氣流 輸送至所述四效催化器。技術方案3 如技術方案1所述的排氣處理系統，還包括第一噴射裝置，該第一噴 射裝置構造成在所述發動機與所述四效催化器之間將碳氫化物、0)或吐材料或者其組合物 噴射進排氣流中。技術方案4 如技術方案1所述的排氣處理系統，還包括第二噴射裝置，該第二噴 射裝置構造成在所述四效催化器與所述U-SCR催化器之間將尿素或氨或者其組合物噴射 進排氣流中。技術方案5 如技術方案1所述的排氣處理系統，其中所述四效催化器包括陶瓷壁 流式載體。技術方案6 如技術方案5所述的排氣處理系統，其中所述稀薄N0X捕集器包括 布置在所述陶瓷壁流式載體上的載體塗料，所述載體塗料包括布置在陶瓷基上的氧化催化 劑、吸附劑和還原催化劑。技術方案7 如技術方案6所述的排氣處理系統，其中所述氧化催化劑包括Pt或 Pd ；所述吸附劑包括Ba、Ca、Sr、Mg、K、Na、Li、CS、La或Y的氧化物或其混合物；所述還原催 化劑包括Rh，並且所述陶瓷基包括氧化鋁。技術方案8 如技術方案5所述的排氣處理系統，還包括第二稀薄N0X捕集器，所述 第二稀薄N0X捕集器包括布置陶瓷或金屬流通式載體上的載體塗料。
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技術方案9 如技術方案8所述的排氣處理系統，其中所述流通式載體布置成在所 述壁流式載體之前或之後接收所述排氣流。技術方案10 如技術方案8所述的排氣處理系統，其中所述流通式載體和壁流式 載體布置在單個殼體中。技術方案11 如技術方案1所述的排氣處理系統，其中所述四效催化器包括多個 陶瓷壁流式載體。技術方案12 如技術方案1所述的排氣處理系統，其中所述發動機的排氣流具有 第一體積分數的N0X，即N0X1，離開所述U-SCR催化器的排氣流具有第二體積分數的N0X，即 N0X2，其中 N0X2 彡 0. 1N0X1。技術方案13 如技術方案1所述的排氣處理系統，其中所述四效催化器和U-SCR 催化器一起容納在單個殼體中。技術方案14 一種使用柴油機的排氣處理系統的方法，所述排氣處理系統包括 四效催化器，該四效催化器與柴油機流體連通以從其接收排氣流，所述四效催化器包括稀 薄氮氧化物捕集器和柴油微粒過濾器，即稀薄N0X捕集器和DPF ；尿素選擇性催化還原催化 器，即U-SCR催化器，該U-SCR催化器與所述四效催化器流體連通以從其接收排氣流；第一 噴射裝置，該第一噴射裝置構造成在所述稀薄N0X捕集器與所述發動機之間周期性和選擇 性地將碳氫化物、CO或H2材料或者其組合物噴射進所述排氣流中；第二噴射裝置，該第二 噴射裝置構造成在所述稀薄N0X捕集器與所述U-SCR催化器之間周期性和選擇性地將尿素 或氨或者其組合物噴射進所述排氣流中；以及控制器，該控制器構造成控制所述發動機的 操作，及碳氫化物、CO或吐材料或者其組合物的周期性和選擇性噴射，及尿素或氨或者其組 合物的周期性和選擇性噴射，並確定所述排氣流中N0X的量，所述方法包括操作所述發動機以產生排氣流，以及使用所述控制器周期性地和選擇性地將碳氫化物或CO或H2材料或其組合物或者 尿素或氨或其組合物中的至少一種噴射進排氣流，其中所述發動機的排氣流具有第一體積 分數的N0X，即N0X1，離開所述U-SCR催化器的排氣流具有預定第二體積分數的N0X，即N0X2， 其中N0X2小於N0X1。技術方案15 如技術方案14所述的方法，其中周期性地和選擇性地噴射包括將碳 氫化物、CO或H2材料或者其組合物噴射進排氣流，並且其中所述四效催化器提供一體積分 數還原的N0X，表示為離開所述四效催化器的排氣流中的第三體積分數的N0X，即N0X3，其中 0. 10N0X1 彡 N0X3 彡 0. 70N0X1。技術方案16 如技術方案14所述的方法，其中周期性地和選擇性地噴射包括 將尿素或氨或者其組合物噴射進排氣流，並且其中所述U-SCR催化器提供一體積分數還 原的N0X，表示為離開所述U-SCR催化器的排氣流中的第四體積分數的N0X1，即N0X4，其中 0. 05N0X1 彡 N0x4 彡 0. 60N0xlo技術方案17 如技術方案14所述的方法，其中所述控制器構造成控制所述發動機 的排氣流，所述第一噴射裝置或所述第二噴射裝置或其組合，以產生預定第二體積分數的 N0X2，其中 NC^ 彡 0. 10N0X1。技術方案18 如技術方案15所述的方法，其中所述控制器構造成以最小化尿素或 氨或者其組合物的消耗並且最小化noX3的第一模式操作。
技術方案19 如技術方案16所述的方法，其中所述控制器構造成以最小化碳氫化 物、CO或H2材料或者其組合物的消耗並且最小化nox4的第二模式操作。技術方案20 提供一種用於柴油機的排氣處理系統，包括柴油機，四效催化器，該四效催化器與所述柴油機流體連通以從其接收排氣流，所述四效 催化器包括稀薄氮氧化物捕集器和柴油微粒過濾器，即稀薄N0X捕集器和DPF ；以及尿素選擇性催化還原催化器，即U-SCR催化器，該U-SCR催化器與所述四效催化器 流體連通以從其接收排氣流。


通過下面舉例的實施例的詳細描述可清楚其它特徵、優點和細節，所述詳細描述 參考附圖，其中圖1為本文所公開的排氣處理系統的示例性實施例的示意圖；圖2為本文所公開的排氣處理系統的第二示例性實施例的示意圖；圖3為本文所公開的排氣處理系統的第三示例性實施例的示意圖；圖4為本文所公開的排氣處理系統的第四示例性實施例的示意圖；圖5為本文所公開的排氣處理系統的第五示例性實施例的示意圖；圖6為本文所公開的排氣處理系統的第六示例性實施例的示意圖；以及圖7為本文所公開的排氣處理系統的第七示例性實施例的示意圖。結合附圖，從下面實施本發明的最佳模式的詳細描述可容易地清楚本發明的上述 特徵和優點以及其它特徵和優點。
具體實施例方式根據本發明的示例性實施例，提供了改良的排氣處理系統和用於處理柴油機的排 氣排放的方法。本發明提供了用來降低和控制排氣排放的可能，包括N0x、C0、HC和柴油微粒 的排放，同時改進了排氣處理系統的整體封裝。本發明還提供了增強排放控制策略和方法 的可能，包括如下策略和方法，例如最小化為為獲得降低排氣排放所需的碳氫化物(例如， 燃料)或尿素的消耗，或最小化對去除聚積的硫化物的再生需求從而延長排氣處理系統的 操作壽命。這通過使用排氣系統部件或裝置的有利組合以及利用了這些有利組合的控制策 略和方法的執行來實現，其中排氣系統部件或裝置尤其適於柴油機操作期間彼此相互協同 作用以降低排放。特別地，在一個構造中，某些排氣組分的反應產物(例如，熱、氨或其它) 被位於下遊的排氣處理裝置利用，通過例如促進增強的換和降低的尿素消耗而導致 提高的排氣處理系統的系統效率。通常，參考圖1中所示的結構，示出了內燃機2、控制系統4和根據本發明的發動機 排氣處理系統10的實施例。示例性的柴油機2和控制系統4包括四衝程內燃柴油機2和 電子發動機控制模塊(ECM) 6，該模塊可構造成完成根據本文所述的控制方法和策略的排氣 流8內的控制。發動機可包括已知的壓燃式發動機，具有主要為稀薄化學計量比的操作狀 態。可選地，柴油機2可包括構造成採用多種發動機結構中的任意一種及相應發動機控制 策略的發動機，並且其還包括那些具有為稀薄化學計量比的操作狀態的發動機，例如，均質
7充量壓燃式發動機。柴油機2包括連接至曲軸(未示出)的多個往復式活塞(未示出)，所 述曲軸可操作地連接至傳動系，例如車輛傳動系(未示出)，以輸送牽引扭矩至傳動系。柴 油機2可為任意柴油機構造或應用，包括各種交通工具應用(例如汽車、船舶等)，以及各 種非交通工具應用(例如泵、發電機等)。操作期間，柴油機2產生由箭頭8表示的排氣供 給流或排氣流，其含有受管制的(regulated)或不受管制的排放組分，通常包括組成氣體 和微粒物質。排氣處理系統10用於將受管制的組分(例如，各種碳氫化物(HC)、一氧化碳 (CO)、氮氧化物(N0X)和微粒物質(PM))轉換為不受管制的組分(例如，二氧化碳(C02)、氮 氣(N2)和水(聊。排氣處理系統10包括意圖將排氣流8的受管制組成元素轉換為不受管制的組分 的集成系統。排氣處理系統10與柴油機2流體連通。如本文所使用的，流體連通指的是排 氣流8從排氣處理系統的一個部件12或裝置到系統的另一部件12或裝置的通路，可通過 任意適當的流體連通裝置來建立，包括排氣管道(例如管道14)或排氣歧管(未示出)或 排氣處理部件12或裝置的殼體(例如金屬罐)或其組合。流體連通可從一個裝置到另一 個裝置，或者從一個裝置到多個裝置，或者相反從多個裝置到一個裝置，並且包括從發動機 到裝置的連通和從裝置到外界環境的最終排出。排氣處理系統10包括四效催化器16和形 式為尿素選擇性催化還原(U-SCR)催化器18的U-SCR，它們中的每個都構造成處理由柴油 機2的操作產生的排氣流8內的多種排放組分。四效催化器16構造為與柴油機2流體連 通，並構造成從其接收排氣流。四效催化器16包括稀薄氮氧化物(N0X)捕集器(LNT)和柴 油微粒過濾器(DPF)，如本文所述。U-SCR催化器18構造為與四效催化器16流體連通，並 構造成從其接收排氣流。如圖1中所示，排氣處理系統10還可選地包括柴油氧化催化器(D0C)20。在所示 的具體組合中，D0C 20位於四效催化器16的上遊，四效催化器16再在U-SCR催化器18的 上遊。如本文所使用的，在排氣處理系統10的環境中一個部件相對於另一部件位於上遊意 味著其比較靠近發動機2。排氣處理系統10還可包括一個或多個定量給料裝置22，例如流體噴射器，用於定 量供給與排氣處理系統的部件12互相反應並處理排氣流8的反應材料，如本文所述。參考 圖2-7，排氣處理系統10的各種實施例包括碳氫化物(HC)定量給料裝置24，例如燃料噴射 器，用於從圖2和圖4-7中所示四效催化器16的上遊的HC源(例如HC儲蓄器26)噴射 受控量的HC還原劑。如本文所使用的，術語「HC還原劑」可包括適當的碳氫化物(HC)，它 可包括CO或H2材料或者其組合。例如，可通過適當的重整催化器重整碳氫化物，如柴油燃 料，以提供CO和H2。一但重整，就可將碳氫化物、CO或H2或其任意組合噴入排氣流8。在 四效催化器16上遊使用D0C的情況下，HC定量給料裝置24可位於D0C20的上遊，以便在 排氣流穿過D0C 20時通過HC的氧化消耗排氣流8中的氧，包括HC定量給料裝置24的操 作，以基本上消耗掉排氣流8中的所有氧。這將提供富燃料條件，其中四效催化器16可將 N0X還原為N2。DOC 20中HC的氧化還會提供發熱條件並產生熱量，從而促進提高四效催化 器16中的煙塵氧化。可選地，HC定量給料裝置24可位於D0C 20的下遊，如圖3中所示； 但是，具有這種結構的實施例並不具有HC在D0C 20中氧化的益處。適當的HC還原劑儲蓄 器26的例子可為燃料罐或者燃料管道的一部分，包括燃料噴射系統的高或低壓部分，例如 共軌燃料噴射系統。HC還原劑定量給料裝置24可操作地連接至ECM 6，該ECM 6適於控制
8HC還原劑(通常為發動機燃料的形式)噴射至排氣流8的正時和量。可選地，如圖1的實 施例中所示，發動機2未燃的碳氫化物(例如，未燃燃料)可用作HC還原劑材料，以還原四 效催化器16中的N0X，並促進上述使用DOC 20的其它方面，例如通過使用噴射後控制策略。參考圖1-7，排氣處理系統10的各種實施例還包括尿素定量給料裝置28，例如尿 素噴射器，用於從U-SCR催化器18上遊的尿素儲蓄器30噴射受控量的尿素或氨作為還原 齊U。如本文所使用的，由於尿素分解產生氨作為反應副產物，並且它是用作在U-SCR 18中 發生的催化反應中的反應物質的氨，所以術語「尿素」還可包括使用氨(NH3)作為還原劑。適 當的尿素儲蓄器的示例可為尿素罐。尿素定量給料裝置28可操作地連接至ECM 6，該ECM 6適於控制噴入排氣流8的正時和量。當使用尿素作為還原劑時，噴射將發生在U-SCR催化 器18的充分地上遊，以使得在進入U-SCR催化器18之前尿素能分解為氨。排氣處理系統10和控制系統4可包括構造為與ECM 6信號通信的一個或多個感 測裝置和系統。控制系統4還可包括用於向用戶顯示系統信息的用戶接口 7 (UI)，所述系統 信息包括使用本文所述任一傳感器獲得的信息，以及與任一本文所述操作方法或模式相關 的信息。感測裝置包括NOx傳感器32，其可操作以在排氣流8離開發動機2時確定其中的 NOx的量。NOx傳感器32優選包括傳感器，該傳感器可操作以產生可與排氣供給流中NOx濃 度的參數值相關的電信號，進一步可操作以產生可與排氣供給流的空氣/燃料比的參數值 相關的第二電信號，藉此可確定氧含量。NOx傳感器32可結合控制系統4使用，以影響發動 機2和排氣處理系統10的控制。 排氣感測裝置還包括排氣感測裝置34。排氣感測裝置34可包括第二 NOx傳感器， 其可操作以產生可與排氣供給流8中NOx濃度的參數值相關的電信號。可選地，排氣感測裝 置34可包括虛擬感測裝置，其中基於發動機操作條件確定排氣供給流中的NOx濃度，這是 公知的技術。排氣感測裝置34可位於第一 NOx傳感器32的下遊，例如U-SCR催化器18的 下遊，使得可確定離開排氣處理系統10的NOx的量。排氣感測裝置34還可結合控制系統4 一起使用，以影響發動機2和排氣處理系統10的控制。感測裝置還可包括溫度傳感器36或多個溫度傳感器36 (未示出)，其可操作以測 量排氣處理系統10內排氣流8的溫度，用於結合控制系統4 一起使用，以影響發動機2和排 氣處理系統10的控制。例如，溫度傳感器36可位於DOC催化器20和四效催化器16之間， 以確定四效催化器16的操作溫度。類似地，溫度傳感器36可位於四效催化器16與U-SCR 催化器18之間，以確定U-SCR催化器18的操作溫度。參考圖2-7的示例性實施例，DOC 20與發動機12流體連通，並且相對於排氣流8 位於四效催化器16的上遊，其構造成氧化排氣流8的特定組分，以產生不受管制的副產物 或者適於在排氣處理系統10的其它部件中作進一步處理的組分，如本文所述。通常，DOC 20為流通性(flow-through)裝置，包括具有蜂窩狀結構的金屬或陶瓷載體(monolith)或 基底，所述蜂窩狀結構包括多個大體平行的、縱向延伸且相互連接的單元，這些單元提供包 括用於接收排氣流8的多個流動通道的網絡，並且所述單元被單元壁的相應網絡分隔開。 所述基底沿著單元壁具有大的表面積。單元壁具有載體塗料(washcoat)，該載體塗料包括 帶有表面的多孔陶瓷基，所述表面覆有催化活性量的鈦族金屬催化劑。適當的鈦族金屬包 括Pt、Pd、Rh、Os或Ir或者其組合。其中，Pt或Pd或其組合，包括其合金特別有用。當排 氣流8穿越DOC 20的長度時，特別是流動通道和有載體塗料的單元壁時，鈦族金屬催化劑催化CO氧化為CO2，並且催化各種碳氫化物(HC)的氧化，包括氣態碳氫化物和液態碳氫化 物微粒，包括未燃的燃料或油，或者燃料或進入排氣處理系統的其它HC還原劑，以形成CO2 或H2O,從而降低有害排放。在一種構造中，在發動機的提前燃燒操作期間，控制系統4或 ECM 6可用於引起燃燒，在排氣流8中產生比正常燃燒期間化學計量比的空氣/燃料混合物 所產生的更高水平的HC。DOC 20構造成催化增大量的HC中至少一部分的分解，以還原排 氣流中的HC，或者可選地防止排氣流中的HC到達U-SCR催化器18並通過降低其催化NOx 的能力防止毒化該裝置，或者防止排氣流中的HC通過從排氣處理系統10釋放而到達外界 環境。DOC 20可構造成將各種受管制的排氣組分通過氧化轉換為其它受管制的或不受 管制的排氣組分。例如，DOC 20可構造成將碳氫化物(HC)氧化為二氧化碳CO2和水(H2O)、 將一氧化碳(CO)氧化為二氧化碳(CO2)、將二氧化硫(SO2)轉換為三氧化硫(SO3)和/或硫 酸(H2SO4)、以及將一氧化氮(NO)轉換為二氧化氮(NO2),或其他。下面為本發明的DOC 20 預期的示例性氧化反應。HC+02 = C02+H20(1)C0+l/202 = CO2(2)
2S02+02 = 2S03(3)S03+H20 = H2SO4(4)N0+l/202 = NO2(5)應當理解，依據排氣流8中發現的反應物混合物及其濃度、DOC 20的溫度、以及選 擇作為催化劑的鈦族金屬，DOC 20可構造成執行上面任一轉換，或者上面轉換的組合，或者 甚至是上面所有的轉換。也可考慮其它氧化，例如醛、多環芳烴的氧化或其它。另外，DOC 20中的反應可用於減少某些排放組分的氣味。DOC 20容納在殼體(未示出)中，包括金屬殼體，例如具有入口孔和出口孔的金 屬罐或其它，其構造為用於給DOC提供支撐和弓I導流體流。所述殼體可包括任意適當的形 狀和尺寸，包括圓柱形隔腔。隔腔還可包括連接特徵，例如位於入口孔附近的圓柱形入口管 和位於隔腔出口孔附近的圓柱形出口管，用於將DOC 20流體聯接至排氣處理系統10的排 氣管和/或其它部件。應當理解，包括殼體的DOC 20可包括用來促進DOC 20、或排氣處理 系統10、或控制系統4操作的一個或多個另外的部件，包括但不限於，各種氣體或溫度傳感 器、噴射器(尿素或燃料噴射器)或其它。這種另外的特徵可特別有利於監測排氣的特性， 例如某些排放組分(例如微粒物質或其它)的流率，這可特別有利於確定開始四效催化器 16或U-SCR催化器18的再生過程的必要性。在一種特殊構造中，DOC 20構造為將排氣流8中的氮氧化物氧化為二氧化氮。由 於LNT 38構造成捕集二氧化氮並且在排氣處理系統10中存在將二氧化氮還原成氮的恰當 條件時將二氧化氮還原為氮，所以通過能夠存儲二氧化氮和其後面在四效催化器16的LNT 38部分中的還原，這種轉換幫助NOx轉換從而是有利的，其中所述恰當條件可使用控制系 統4(包括ECM 6)來影響。因此，DOC 20在四效催化器16的上遊、設置在發動機與四效催 化器16之間是特別有利的。將DOC 20設置在發動機附近，優選是儘可能地靠近發動機也 是特別有利的，以便將DOC 20內的操作溫度保持在至少約356° F(180°C)，更優選地在約 482° F(250°C )至約 842° F(450°C )的範圍內。
如上所述，參考圖1-7，四效催化器16位於發動機2和DOC 20的下遊(離發動機 比較遠，進一步沿著排氣流路)(圖2-7)，在DOC 20與U-SCR催化器18之間，並且構造成轉 換排氣流8的特定組分以產生不受管制的副產物或者適於在排氣處理系統10的其它部件 中作進一步處理的受控制組分，如本文所述。四效催化器16包括LNT 38和DPF 40。LNT 38和DPF 40組合在陶瓷壁流式載體上。參考圖1-5，四效催化器18可包括單個陶瓷載體。 可選地，如圖6和圖7中所示，四效催化器18可包括例如為平行結構的多個陶瓷載體，以增 大四效催化器18可捕集和轉換的NOx的量。多個陶瓷載體可布置在相應的多個殼體中，如 圖6中所示，或者可一起布置在一單個殼體中，如圖7中所示。通常，四效催化器16為壁流式裝置，包括具有蜂窩狀結構的陶瓷載體或基底，該 蜂窩結構包括多個大體平行的、縱向延伸且相互連接的單元，這些單元提供包括用於排氣 流8的多個流動通道的網絡，並且所述單元被多孔單元壁的相應網絡分隔開。所述基底沿 著單元壁具有大的表面積。交替相鄰的單元具有被堵塞的入口或出口之一，使得交替列的 入口被緊鄰的打開單元的入口堵塞，而交替列的出口被緊鄰的打開單元的出口堵塞。該結 構在單元壁中具有開孔。因此，排氣流8進入多個入口，並被迫使通過多孔單元壁進入相鄰 的出口單元，然後排氣流8在這裡流出多個未堵塞的出口。開孔允許氣態組分通過單元壁， 而PM被捕集在開孔中，從而提供了 DPF 40的PM過濾作用。陶瓷壁流式載體上布置有載體 塗料，該載體塗料包括氧化催化劑、吸附劑以及布置在陶瓷基上的還原催化劑。所述載體塗 料可沿著多個入口通道或多個出口通道或兩者的單元壁布置。在一個示例性實施例中，所 述塗層布置在多個出口通道上。塗層包括多孔陶瓷基，該陶瓷基具有塗覆了催化活性量的 氧化催化劑、吸附劑和還原催化劑的表面。在示例性實施例中，氧化催化劑可包括P t或 Pd ；吸附劑可包括Ba、Ca、Sr、Mg、K、Na、Li、Cs、La或Y的氧化物或其它組合物或者它們的 組合；還原催化劑可包括Rh。陶瓷壁流式載體可由任意適當的陶瓷製成，包括堇青石或氧 化鋁等。因為相對於使用考慮周全的LNT和DPF，催化器16的使用實現了空間的減小，以及 減少了獨立排氣部件的數量，所以是有利的。

吸附劑是LNT 38的NOx存儲材料。吸附劑布置在塗層上，還可延伸進入單元壁。 在比理想空燃比稀薄的情形(稱為稀薄情形)下，NOx在氧化催化劑上氧化，並主要以硝酸 鹽的形式被吸附而存儲在吸附劑上。在稀薄燃燒情形期間，NOx存儲過程中排出的活性氧和 排氣流中的過量氧也持續地氧化PM。這樣，當控制系統4在排氣處理系統10中提供比理 想空燃比濃的情形(稱為富燃料情形)時，或者通過控制發動機2中的燃燒，或者通過使用 HC定量給料裝置24引導將HC還原劑的定量給料或噴射進排氣處理系統10，從NOx存儲材 料排出N0X。通過排氣中的HC和CO，NO被還原為氮，而DPF 40中的PM被這樣產生的活性 氧進一步氧化。同時，包括LNT 38和DPF40的四效催化器16適於在排氣處理系統10和發 動機2的整個操作溫度範圍上提供NOx的吸附(LNT 38)和PM的收集(DPF 40)，該操作溫 度範圍包括從通常的環境車輛存儲/起動溫度到高達約1292° F(約700°C)的操作溫度， 其中通常的環境車輛存儲/起動溫度從約-40° F(約-40°C)到約120° F(約49°C)。通 常，四效催化器16的LNT 38中NOxW催化分解開始發生在356° F(180°C )的操作溫度， 四效催化器16中NOx分解更優選的操作溫度為至少約392° F(200°C )，且四效催化器的 更加優選的操作溫度範圍為約482° F(250°C )至約842° F(450°C)。四效催化器16的 DPF40在發動機2的整個操作溫度範圍上過濾煙塵，該操作溫度範圍包括從通常的環境車輛存儲/起動溫度到高達約1292° F(約700°C )的操作溫度，其中通常的環境車輛存儲/ 起動溫度從約-40° F(約-40°C )到約120° F(約49°C )。DPF 40的被動再生和煙塵微 粒的氧化在482° F(2500C )至約842° F(450°C )的溫度範圍上在有NOx的情況下發生， 而主動再生和煙塵微粒的氧化在約500°C或更高的溫度下在有O2的情況下發生，更優選地 在約1112° F(600°C )到約1202° F(650°C )的溫度範圍上。NOx吸收系統(例如LNT 38)源自額外結合有NOx吸附劑的傳統的三效催化器。NOx 吸收器中的存儲成分包括鹼土金屬元素和鹼金屬，包括Ba、Ca、Sr、Mg、K、Na、Li、Cs、La或 Y或其組合物，通常為這些元素的氧化物或其它組合物。NOx吸收器操作的整個循環可由下 面五個步驟來描述第一步是一氧化二氮氧化為二氧化氮N0+l/202 = NO2(6) 第二步是氮氧化物(NO2或NO)吸附Ba0+N02+l/202 = Ba(NO3)(7)轉換繼續進行還原劑演變。一旦排氣流8轉換為富燃料條件，那麼過量的氧氣就 被還原物質替代，包括碳氫化物、一氧化碳和氫。第三和第四步是從亞硝酸鹽或硝酸鹽場合 釋放NOx Ba(NO3)2 = Ba0+2N0+ll/202(8)Ba(NO3)2 = Ba0+2N02+l/202(9)第五步是NOx還原為氮氣，一種可能的還原路線是N0+C0 = 1/2N2+C02(10)在富燃料條件操作期間，四效催化器16還有利地產生氨。一些可能的反應步驟包 括CH4+l/202 — C0+2H2(11)C0+H20 — C02+H2(12)NO+ (5/2) H2 ^ ΝΗ3+Η20(13)如圖4和圖5中所示3排氣處理系統10還可包括第二稀薄NOx捕集(LNT)42，以 提高系統的NOx吸附能力。第二 LNT 42包括布置在陶瓷或金屬流通式載體上的載體塗料， 該載體塗料例如為上述用於D0C20的載體。流通式載體包括布置在陶瓷流通式載體上的載 體塗料。該載體塗料包括布置在陶瓷基上的氧化催化劑、吸附劑和還原催化劑。該載體塗 料可沿著延伸通過所述載體的多個通道的單元壁布置。所述載體塗料包括多孔陶瓷基，該 多孔陶瓷基具有塗覆有催化活性量的氧化催化劑、吸附劑和還原催化劑的表面。在示例性 實施例中，氧化催化劑可包括Pt或Pd ；吸附劑可包括Ba、Ca、Sr、Mg、K、Na、Li、Cs、La或Y 的氧化物或其它組合物；且還原催化劑可包括Rh。陶瓷壁流式載體可由任何適當的高溫陶 瓷製成，包括氧化鋁、堇青石等。第二 LNT42的流通式載體可布置成在四效催化器16的壁 流式載體之前(圖5)或之後(圖4)接收排氣流8。在圖4的示例性實施例中，第二 LNT42 的流通式載體布置成在四效催化器16的壁流式載體之後接收排氣流8。再參考圖1-7，排氣處理系統10還包括U-SCR催化器18，該U-SCR催化器18與四 效催化器16流體連通以從其接收排氣流8。U-SCR裝置18構造成將排氣流8中的NOx轉化 為氮和水。與DOC 20和第二 LNT 42相類似，U-SCR催化器18包括流通式陶瓷載體，例如蜂窩狀結構或基底或者其它。U-SCR催化器18包括具有蜂窩狀結構的陶瓷載體或基底，所述 蜂窩狀結構包括多個大體平行的、縱向延伸且相互連接的單元，這些單元提供包括用於排 氣流的多個流動通道的網絡，並且所述單元被單元壁的相應網絡分隔開。所述基底沿著單 元壁具有大的表面積。單元壁具有載體塗料，該載體塗料包括帶有表面的多孔陶瓷基，所述 表面塗覆有催化活性量的賤金屬催化劑，即，足以催化期望化學反應的量。適當的賤金屬催 化劑包括銅(Cu)或鐵(Fe)或其組合，包括其合金和組合物。陶瓷基可包括任意適當的多 孔陶瓷。適當的多孔陶瓷包括各種沸石，例如那些包括氧化鋁(包括各種水合矽酸鋁)的 沸石。賤金屬催化劑的使用允許無需使用貴金屬就轉化氮氧化物。U-SCR催化器18利用氨 還原N0X。例如，在示例性實施例中，在U-SCR催化器18的上遊設置定量給料裝置22，例如 尿素定量給料裝置28，以向排氣流8引入尿素，例如通過弓I入尿素溶液。尿素在距U-SCR催 化器18上遊足夠的距離處被引入，以允許尿素在進入U-SCR催化器18之前於排氣流8中 分解形成氨。在一種有利的結構中，氨還在四效催化器16內產生，並向下遊行至U-SCR催 化器18。在這種結構中，由於在四效催化器16中產生的氨，降低了所需的尿素量。下面是 與U-SCR催化器18有關的典型轉化化學反應尿素分解CO (NH2) 2+H20 — 2NH3+C02(14)U-SCR催化器18中的NOx還原反應

6N0+4NH3 — 5N2+6H20(15)4N0+4NH3+02 — 4N2+6H20(16)6N02+8NH3 — 7N2+12H20(17)2N02+4NH3+02 — 3N2+6H20(18)N0+N02+2NH3 — 2N2+3H20(19)應當理解，U-SCR催化器18可構造為執行上面轉化的任意一種，或者上面轉化的 組合，包括上面全部的轉化。U-SCR催化器在約356° F(180°C )的操作溫度開始發揮上述 功能，優選地在約482° F(250°C )至約1022° F(550°C )的範圍內操作。U-SCR催化器18容納在殼體中，例如金屬罐，該殼體構造成提供支撐，並引導排氣 流8進入、通過和退出U-SCR催化器18。所述殼體可具有任意適當的形狀或尺寸，包括圓 柱形。該殼體還可包括位於入口孔(例如入口管)和出口孔(例如出口管)附近的連接特 徵，用於U-SCR催化器18到排氣處理系統10的排氣管和/或其它部件的流體聯接。應當 理解，包括殼體的U-SCR催化器18可包括便於排氣處理系統10的操作的一個或多個另外 的部件，包括但不限於，傳感器、定量給料裝置(尿素或燃料噴射器)或其它。這種另外的 特徵特別有利於監測排氣的特性，例如某些排放組分的多少或流率，這特別有利於排氣處 理系統10的控制，包括U-SCR催化器18的再生。能夠產生通過四效催化器16而在U-SCR催化器18中使用的氨的能力是排氣處理 系統10特別有利的一面。排氣處理系統10的另一有利方面是四效催化器產生傳遞至U-SCR 催化器18的熱量的能力。因此，本文所示結構具有將進入U-SCR催化器18的排氣流8加 熱至比進入四效催化器16的排氣的溫度高的溫度的能力。對U-SCR催化器18的額外加熱 提高了其轉換效率。因此，四效催化器16在U-SCR催化器18上遊的設置提供了結構更加 有效的排氣處理系統10。
圖1-7中所示結構提供了調節排氣處理系統10以獲得特定的NOx轉換效率的能 力。這可通過使用NOx傳感器、溫度傳感器、標定軟體、控制算法和控制器(例如ECM 6或 控制系統4)或其組合，連同排氣處理系統10 (包括DOC 20、四效催化器16或U-SCR18或其 組合)的周期性和選擇性使用來實現，以獲得排氣量的90%的NOx轉換效率或者更高。例 如，如果期望約50%至75%的氮氧化物轉換/還原(例如，NOx至N2)效率，那麼可利用LNT 38來實現該效率，其中轉換產生的任意氨(NH3)都可被位於LNT 38下遊的U-SCR催化器18 使用，以備進一步的NOx轉化。在另一實例中，如果期望更高的NOx還原(例如，約90%或 更高)，那麼可使用DOC 20和LNT 38來轉換/還原約50%至75%的氮氧化物，並利用尿素 噴射器通過U-SCR催化器18轉換/還原其餘的N0X。通過使用U-SCR催化器18，這更高的 NOx轉換百分比在排氣處理系統10的壽命中是特別有利於抵消四效催化器16上硫再生的 劣化效應及其轉換效率的降低。 排氣處理系統10和控制器(例如ECM 6、控制系統4或其組合)可以多種操作模 式操作。在一個示例性實施例中，控制器構造成以最小化尿素或氨或其組合物的消耗並最 小化U-SCR催化器18中的NOxR化的第一模式操作。在另一示例性實施例中，控制器構造 成以最小化碳氫化物、CO或H2材料或其組合物的消耗並最小化四效催化器16中的NOx轉 化的第二模式操作。這些模式可實施以最小化碳氫化物、CO或H2材料的消耗或最小化尿素 或氨或其組合物的消耗。在示例性實施例中，排氣處理系統10構造成使得，發動機2的排氣流8具有第一 體積分數的NOx (NOxi)，脫離U-SCR催化器18的排氣流具有第二體積分數的NOx (NOx2)，其中 NOx2 ( 0. INOxio換句話說，該系統構造為NOx的轉換效率至少為90%。在一種結構中，使用 四效催化器16，並且將碳氫化物、CO或H2材料或其組合物周期性地和選擇性地噴射進四效 催化器16上遊的排氣流8中，四效催化器16提供了一體積分數的NOxi的還原，表示為離開 四效催化器14的排氣流中第三體積分數的NOxi (NOx3)，其中0. IONOxi ( NOx3 ( 0. 70N0X1。在另一種結構中，使用U-SCR催化器18，並且將尿素或氨或其組合物周期性地或 選擇性地噴射進U-SCR催化器18上遊的排氣流8中，U-SCR催化器18提供了一體積分數 的NOxi的還原，表示為離開U-SCR催化器18的排氣流中第四體積分數的NOxi(NOx4),其中 0. 05N0X1 彡 NOx4 彡 0. 60N0xlo排氣處理系統10還包括用於控制排氣處理系統10的一個或多個部件的功能的 ECM 6和控制系統4。最少，這可包括排氣處理系統10的一個或多個部件的再生。因此，可 設想控制器與一個或多個傳感器通信，例如溫度傳感器、微粒物質傳感器、氧氣傳感器或其 它，以便監測排氣處理系統10的狀況。這類傳感器可位於排氣處理系統10的任一部件(例 如，DOC 20、四效催化器16、U-SCR催化器18或其它)的之前、之後或者前後都有。另外，控 制器可與適於引起排氣處理系統10的部件再生的一個或多個熱源通信。還可設想，控制器可用於實現在系統10的還原/轉換能力限制內的具體NOx還原 /轉換目標。例如，基於規定的排放要求，可固定排放目標(即，NOxR換要求)，例如80%。 包括ECM 6的控制系統4可使用第一 NOx傳感器32確定NOxi、使用排氣傳感器34 (例如第 二 NOx傳感器)確定N0X2，從而確定當前的NOx還原。如果N0X2的值反映了充分的還原，則 無需動作。如果不是，那麼控制系統4可用來周期性地通過尿素噴射器噴射尿素或通過HC 噴射器噴射HC，以達到NOx2的目標值。如上所述，還原劑(尿素或HC)的選擇可基於例如適於最小化這些組份中的一種或另一種的使用的協調或控制模式。控制系統4還可基於四效催化器16或U-SCR催化器18的一種或另一種的所需再生進行選擇，其中當一種裝置正 在經歷再生時，選擇另一種裝置及其相應還原劑是優選的。本發明提供了下列的特徵和優點。首先，包括DOC 20將NO氧化為NO2的實施例將 增強NOx存儲和使用LNT的還原，並提高系統的總體NOx轉換效率。第二，本文所述的提前燃 燒將利用高HC水平，或者作為燃燒過程的控制結果而產生高的發動機排出HC水平，或者作 為碳氫化物、CO或H2或其組合物直接噴射進排氣流8的結果。在LNT 38中、在包括D0C20 的實施例中、在DOC 20與LNT 38的組合中，高HC水平會被有效地氧化，從而最小化U-SCR 催化器18碳氫化物中毒和尾管的HC排放。第三，通過該系統可實現可調的NOx轉換效率。 例如，如果期望50-70%的NOxR換效率，那麼LNT 38可用於NOx還原。該過程期間產生的 所有NH3都會由下遊的U-SCR催化器18使用，以進一步還原NOx，提高系統10的轉換效率。 第四，如果期望更高(即，大於約50至約75%)的NOx轉換效率，那麼可使用有限能力的組 合的DOC 20/LNT 38來獲得另外的10-15%的NOx還原，並且所需的任何另外的NOx轉換可 使用U-SCR催化器18通過噴射尿素來實現。第五，使用該方法，可使用排氣處理系統試圖 最大化LNT 38 (在使用DOC 20的實施例中，還有DOC 20)的NOx轉換的操作模式來降低尿 素消耗，特別是最小化尿素的消耗，從而增大重新填充尿素的間隔。第六，即使在如上所述 使用了將LNT 38用於大多NOx的轉換(甚至是最多NOx的轉換)的模式來操作時，因為系 統可周期性地和自動地轉換，以通過使用U-SCR催化器18來平衡NOxR換負載，從而降低對 LNT 38的依賴，使得LNT 38不是總是在使用或者不要求以其最高的NOx效率操作，所以提 高了 LNT 38的耐用性。LNT 38與U-SCR催化器18之間的NOx轉換負載的平衡還可用來減 少LNT38所需的硫再生循環。第七，通過LNT下遊的U-SCR催化器18，可使用LNT 38實現 在低排氣溫度的NOx還原，在使用DOC 20的實施例中，當U-SCR催化器18提供主要的NOx 還原時，DOC 20和LNT 38都可有助於將NO氧化為N02。第八，在DPF 40的再生及被捕集 的煙塵的氧化期間，對於有效的LNT 38操作，排氣溫度過高，但是通過尿素噴射的NOx還原 仍是可能的，因此在DPF 40的再生循環期間允許提高NOx控制。第九，在高發動機速度和 負載條件下，伴隨相應高水平的NOx的排氣流8的高溫可能超過LNT 38 (或DOC 20和LNT 38)達到期望NOx轉換效率的能力。在這種情形下，使用U-SCR催化器18和尿素噴射的高 NOx轉換效率和控制仍是可能的。儘管已經描述和示出了示例性的實施例，但是本領域內的技術人員應當理解，在不脫離本發明範圍的情況下可進行各種變化，並且可使用等效物替代其元素。另外，在不脫 離其實質範圍的情況下，根據教導，可進行多種修改以適應特定的情形或材料。因此，本發 明不限於公開作為實施本發明的最佳模式的特定實施例，而是本發明將包括落入所附權利 要求範圍內的所有實施方式。
權利要求
一種用於柴油機的排氣處理系統，包括四效催化器，該四效催化器與柴油機流體連通以從其接收排氣流，所述四效催化器包括稀薄氮氧化物捕集器和柴油微粒過濾器，即稀薄NOX捕集器和DPF；以及尿素選擇性催化還原催化器，即U-SCR催化器，該U-SCR催化器與所述四效催化器流體連通以從其接收排氣流。
2.如權利要求1所述的排氣處理系統，還包括柴油氧化催化器，即D0C，該D0C位於所 述發動機與所述四效催化器之間，以從所述發動機接收排氣流，並將排氣流輸送至所述四 效催化器。
3.如權利要求1所述的排氣處理系統，還包括第一噴射裝置，該第一噴射裝置構造成 在所述發動機與所述四效催化器之間將碳氫化物、0)或吐材料或者其組合物噴射進排氣流 中。
4.如權利要求1所述的排氣處理系統，還包括第二噴射裝置，該第二噴射裝置構造成 在所述四效催化器與所述U-SCR催化器之間將尿素或氨或者其組合物噴射進排氣流中。
5.如權利要求1所述的排氣處理系統，其中所述四效催化器包括陶瓷壁流式載體。
6.如權利要求5所述的排氣處理系統，其中所述稀薄N0X捕集器包括布置在所述陶瓷 壁流式載體上的載體塗料，所述載體塗料包括布置在陶瓷基上的氧化催化劑、吸附劑和還 原催化劑。
7.如權利要求6所述的排氣處理系統，其中所述氧化催化劑包括Pt或Pd；所述吸附劑 包括Ba、Ca、Sr、Mg、K、Na、Li、Cs、La或Y的氧化物或其混合物；所述還原催化劑包括Rh， 並且所述陶瓷基包括氧化鋁。
8.如權利要求5所述的排氣處理系統，還包括第二稀薄N0X捕集器，所述第二稀薄N0X 捕集器包括布置陶瓷或金屬流通式載體上的載體塗料。
9.一種使用柴油機的排氣處理系統的方法，所述排氣處理系統包括四效催化器，該 四效催化器與柴油機流體連通以從其接收排氣流，所述四效催化器包括稀薄氮氧化物捕集 器和柴油微粒過濾器，即稀薄^、捕集器和DPF;尿素選擇性催化還原催化器，即U-SCR催化 器，該U-SCR催化器與所述四效催化器流體連通以從其接收排氣流；第一噴射裝置，該第一 噴射裝置構造成在所述稀薄N0X捕集器與所述發動機之間周期性和選擇性地將碳氫化物、 CO或H2材料或者其組合物噴射進所述排氣流中；第二噴射裝置，該第二噴射裝置構造成在 所述稀薄N0X捕集器與所述U-SCR催化器之間周期性和選擇性地將尿素或氨或者其組合物 噴射進所述排氣流中；以及控制器，該控制器構造成控制所述發動機的操作，及碳氫化物、 0)或壓材料或者其組合物的周期性和選擇性噴射，及尿素或氨或者其組合物的周期性和選 擇性噴射，並確定所述排氣流中N0X的量，所述方法包括操作所述發動機以產生排氣流，以及使用所述控制器周期性地和選擇性地將碳氫化物或CO或H2材料或其組合物或者尿素 或氨或其組合物中的至少一種噴射進排氣流，其中所述發動機的排氣流具有第一體積分數 的N0X，即N0X1，離開所述U-SCR催化器的排氣流具有預定第二體積分數的N0X，即N0X2，其中 N0X2 小於 N0X1。
10.一種用於柴油機的排氣處理系統，包括柴油機，四效催化器，該四效催化器與所述柴油機流體連通以從其接收排氣流，所述四效催化 器包括稀薄氮氧化物捕集器和柴油微粒過濾器，即稀薄N0X捕集器和DPF ；以及尿素選擇性催化還原催化器，即U-SCR催化器，該U-SCR催化器與所述四效催化器流體 連通以從其接收排氣流。
全文摘要
本發明涉及具有四效和尿素SCR催化器的排氣處理系統及使用方法，提供了用於處理發動機排氣的方法和系統。在一個實施例中，柴油機的排氣處理系統包括四效催化器，該四效催化器與柴油機流體連通以從其接收排氣流，所述四效催化器包括稀薄氮氧化物(NOX)捕集和柴油微粒過濾器(DPF)。所述系統還包括尿素選擇性催化還原(U-SCR)催化器，該U-SCR催化器與所述四效催化器流體連通以從其接收排氣流。
文檔編號F01N3/035GK101845978SQ20101014952
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月26日 優先權日2009年3月26日
發明者R·米塔爾 申請人:通用汽車環球科技運作公司