貧nox阱的脫硫工藝的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于柴油內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排出系統(tǒng)中的NOx吸附器的脫硫工藝，其包括：基于所測(cè)量的空氣流量確定達(dá)到相對(duì)富的目標(biāo)排出空燃比（AFRrich）所需要的在后燃料量（Q2）；確定通過放熱反應(yīng)在所述NOx吸附器內(nèi)達(dá)到或保持目標(biāo)脫硫溫度所需要的對(duì)加熱有貢獻(xiàn)的燃料值（ηQ2）；計(jì)算目標(biāo)空氣流量（Airtgt），其對(duì)應(yīng)于對(duì)扭矩有貢獻(xiàn)的主燃料數(shù)量（Q1）連同所述對(duì)加熱有貢獻(xiàn)的燃料值（ηQ2）的基本上理論配比燃燒所需要的空氣流量；并且使發(fā)動(dòng)機(jī)噴射所述在后燃料量（Q2）和所述主燃料數(shù)量（Q1），同時(shí)控制空氣流量以滿足所述目標(biāo)空氣流量（Airtgt）。
【專利說明】貧NOX阱的脫硫工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大致涉及用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的N0X阱，并且更具體地，涉及這樣的NOx阱的脫 硫過程。

【背景技術(shù)】
[0002] 已經(jīng)開發(fā)了各種機(jī)構(gòu)，用于限制來自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氧化亞氮排放物。
[0003] 眾所周知，氮氧化物(又稱NOx)在稀薄燃燒、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和諸如NOx阱（NOx trap)--又稱NOx吸附器或貧NOx阱（LNT)--的設(shè)備中特別重要，并且為此目的已經(jīng) 開發(fā)了選擇性催化還原（SCR)系統(tǒng)。
[0004] NOx阱通過在貧燃料條件期間在沸石吸附器中將二氧化氮存儲(chǔ)為硝酸鹽，且在富 燃料條件期間將硝酸鹽釋放為氮氧化物和氧氣(其隨后會(huì)轉(zhuǎn)化為N2和H20)來幫助減少NOx 排放物。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，貧NOx阱常規(guī)地將NOx吸附功能與氧化催化功能相結(jié)合。因而， LNT-般由具有吸附催化材料和氧化催化材料（以提供柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器的功能)的單一 殼體構(gòu)成。可替換的構(gòu)造包括設(shè)置在柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器（D0C)下游的NOx阱。
[0005] NOx阱顯著地減少了 NOx排放物，但具有對(duì)硫中毒的敏感性。確實(shí)，硫存在在燃料 和發(fā)動(dòng)機(jī)油中，且趨向于以硫酸鹽S04的形式束縛到沸石吸附器上的硝酸鹽位置。因?yàn)榱?酸鹽比硝酸鹽和碳酸鹽更穩(wěn)定，所以硫類物質(zhì)在富燃料再生工藝期間并不釋放，該富燃料 再生工藝被執(zhí)行以釋放二氧化碳和氮氧化物，即在對(duì)于NOx吸附器在150到500°C的規(guī)則操 作范圍內(nèi)。
[0006] 已經(jīng)開發(fā)了各種工藝以使NOx阱脫硫。一種常規(guī)的手段是控制發(fā)動(dòng)機(jī)，使得典型 地通過在后燃料噴射在流過富空氣-燃料混合物時(shí)使NOx阱的溫度達(dá)到一般高于600°C的 合適溫度。但這里的困難是NOx阱的溫度不應(yīng)升高到可能破壞后者的水平。因此，對(duì)于再 生模式，為了限制溫度，在脫硫模式中發(fā)動(dòng)機(jī)操作為使得排出的空氣燃料混合物交替地為 貧的和富的。
[0007] US7, 036, 489涉及一種采用車載重整器的NOx阱脫硫工藝，該車載重整器產(chǎn)生氫 氣和一氧化碳來控制在NOx阱處的操作空燃比。
[0008] 發(fā)明目的 本發(fā)明的目的是提供一種用于NOx吸附器的改進(jìn)的脫硫工藝。
[0009] 此目的通過如權(quán)利要求1所要求保護(hù)的工藝來實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 根據(jù)本發(fā)明，用于操作N0X吸附器的脫硫（也稱為去硫）的工藝包括活性階段 (active phase),該活性階段包括以下步驟： -基于所測(cè)量的空氣流量確定達(dá)到相對(duì)富的目標(biāo)排出空燃比所需要的在后燃料量； -確定通過放熱反應(yīng)在NOx吸附器內(nèi)達(dá)到或保持目標(biāo)脫硫溫度所需要的對(duì)加熱有貢 獻(xiàn)的燃料值； -計(jì)算目標(biāo)空氣流量，其對(duì)應(yīng)于對(duì)扭矩有貢獻(xiàn)的主燃料數(shù)量連同所述對(duì)加熱有貢獻(xiàn)的 燃料值的基本上理論配比（stoichiometric)燃燒所需要的空氣流量； _使發(fā)動(dòng)機(jī)噴射所述在后燃料量和所述主燃料數(shù)量，同時(shí)控制空氣流量以滿足所述目 標(biāo)空氣流量。
[0011] 本工藝提供了用于NOx阱的脫硫工藝，其不需要在富和貧的空燃比之間切換以避 免過度加熱，且特別好地適于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。事實(shí)上，本工藝提供了脫硫工藝，其中能夠?qū)Ox 阱的溫度穩(wěn)定地保持在給定脫硫溫度范圍內(nèi)的目標(biāo)溫度處，同時(shí)將排出的空燃比保持在富 目標(biāo)值處。
[0012] 為了達(dá)到恒定的目標(biāo)NOx阱溫度和恒定的空燃比這些目標(biāo)，本工藝主要依靠?jī)蓚€(gè) 參數(shù)：發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣流量和在后燃料的數(shù)量。噴射在發(fā)動(dòng)機(jī)中的在后燃料的數(shù)量取決于 對(duì)扭矩有貢獻(xiàn)的燃料量和實(shí)際所測(cè)量的空氣流量來計(jì)算。同時(shí)，控制進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中 的空氣流量，以按照理論配比燃燒與對(duì)扭矩有貢獻(xiàn)的燃料相對(duì)應(yīng)的燃料數(shù)量以及對(duì)NOx阱 的加熱有貢獻(xiàn)的燃料數(shù)量，此后者的燃料數(shù)量?jī)?yōu)選地基于實(shí)際溫度(測(cè)量的）和期望的溫度 來確定。一旦對(duì)扭矩有貢獻(xiàn)的和對(duì)加熱有貢獻(xiàn)的燃料量已經(jīng)燃燒，則由目標(biāo)、富空燃比引起 的剩余燃料被攜帶在缺氧的排出氣體中，因此提供去硫所需要的富空燃比。
[0013] NOx阱通常是排出后處理裝置的一部分，其與NOx阱的優(yōu)選地具有與氧化催化轉(zhuǎn) 化器相同的氧化功能的氧化催化功能相關(guān)聯(lián)，特別是在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器 (D0C)的情況下。氧化催化功能現(xiàn)今經(jīng)常與NOx吸附功能結(jié)合在相同的殼體內(nèi)，正如在柴油 發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的常規(guī)"貧NOx阱"（LNT)那樣--也稱為NOx堆積式催化轉(zhuǎn)化器。可替換 地，氧化催化功能能夠設(shè)置為分離設(shè)備，盡管這被認(rèn)為是過時(shí)的。
[0014] 但是將理解的是，NOx阱的加熱通過與氧化催化功能反應(yīng)的對(duì)加熱有貢獻(xiàn)的燃料 量來獲得，該氧化催化功能或者與NOx阱出現(xiàn)在相同的殼體內(nèi)或者出現(xiàn)在NOx阱上游的分 尚設(shè)備內(nèi)。
[0015] 優(yōu)選地，相對(duì)于在LNT的氧化催化功能中發(fā)生放熱來確定對(duì)加熱有貢獻(xiàn)的燃料 值。在此連接中，對(duì)加熱有貢獻(xiàn)的燃料值可以基于LNT的穩(wěn)態(tài)模型來確定。
[0016] 該工藝優(yōu)選地使用啟用和停用標(biāo)準(zhǔn)，其可以包括下面中的一個(gè)或更多個(gè)： -當(dāng)NOx吸附器中捕獲的硫質(zhì)量的估計(jì)量超過預(yù)定義閾值時(shí)或者當(dāng)觀察到的NOx效率 太低時(shí)，該工藝被啟用； -活性階段在預(yù)定發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載范圍中操作，該發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載范圍優(yōu)選為 1200到2500rpm和最大發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的20%到50% ; -在NOx吸附器的溫度離開脫硫溫度范圍(例如600到750°C )以及/或者發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載 和/或速度離開預(yù)定范圍的情況下，活性階段被停用； -該工藝基于脫硫指示器的狀態(tài)而停用。
[0017] 這些和其他實(shí)施例被限定在從屬權(quán)利要求2-11中。
[0018] 根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排出系統(tǒng)，其包括NOx吸附器和控制器， 該控制器構(gòu)造為操作用于NOx吸附器的脫硫的上述工藝。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 現(xiàn)在將參考附圖通過示例來描述本發(fā)明，在附圖中： 圖1是示出了適于根據(jù)本工藝操作的排出后處理裝置的原理圖； 圖2是圖示了常規(guī)脫硫工藝的曲線圖； 圖3是表示本工藝中不同燃料的貢獻(xiàn)的略圖； 圖4是圖示根據(jù)本工藝確定在后燃料的數(shù)量和空氣流量控制的框圖；以及 圖5是示出了實(shí)施本脫硫工藝期間的排出空燃比和LNT溫度的穩(wěn)定性的曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 圖1是示出了適于根據(jù)本工藝的操作從而位于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)組的下游的 排放排出后處理裝置的一種變型的原理圖。發(fā)動(dòng)機(jī)組10由4個(gè)汽缸來表示，并且具有用于 柴油燃料的噴射系統(tǒng)12。參考標(biāo)記14指示具有測(cè)量流過其的空氣質(zhì)量的空氣流量計(jì)16的 進(jìn)氣管。排出系統(tǒng)18包括排出管，其包括串聯(lián)的貧NOx阱（以下簡(jiǎn)稱LNT)20和柴油微粒過 濾器22。溫度傳感器24測(cè)量在LNT 20的上游的排出氣體的溫度。氧氣（拉姆達(dá)）傳感器 26位于LNT 20的出口處或DPF的出口處，以確定對(duì)氮?dú)庠偕男枨?，并且可選地，為脫硫期 間空燃比的閉環(huán)控制提供反饋。溫度傳感器27測(cè)量從LNT 20出來的排出氣體的溫度。
[0021] 已知地，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，LNT的NOx吸附功能一般與柴油氧化功能相關(guān)聯(lián)，如在 圖1的LNT 20中。術(shù)語貧NOx阱一般指代這樣的設(shè)備，其中氧化催化材料(類似于D0C的 氧化催化材料）與NOx存儲(chǔ)催化材料(例如諸如氧化鋇的沸石）結(jié)合在共用殼體內(nèi)；這樣的 LNT也稱為NOx堆積式催化轉(zhuǎn)化器。在結(jié)構(gòu)上，LNT可以建造得像D0C，即，其可以包括支撐 氧化混合物的"載體涂料"的陶瓷襯底結(jié)構(gòu)和例如Pt、Pd和/或Rh的催化活性貴金屬，NOx 存儲(chǔ)催化材料也被支撐在其中。
[0022] 可替換地，NOx吸附和氧化功能能夠設(shè)置在分離殼體內(nèi)，其中D0C隨后設(shè)置在NOx 吸附器的上游。
[0023] 經(jīng)典地，LNT將在發(fā)動(dòng)機(jī)由過量空氣操作(貧燃燒）時(shí)存儲(chǔ)N0x，其典型地用于柴油 發(fā)動(dòng)機(jī)。LNT再生可以通過傳感器26來檢測(cè)，然后進(jìn)入再生模式，從而涉及在常溫下的貧和 富排出之間的切換。進(jìn)一步的要求是LNT的周期性脫硫。
[0024] 圖2圖示了 LNT的常規(guī)脫硫過程，通過其使發(fā)動(dòng)機(jī)操作，以在NOx阱和富條件下實(shí) 現(xiàn)高的溫度，例如拉姆達(dá)=〇. 95和650°C。執(zhí)行習(xí)慣上涉及貧和富模式之間的切換的此過 程，以使LNT的溫度保持在脫硫溫度范圍內(nèi)。
[0025] 切換的原因是催化溫度通常由在后燃料噴射控制，從而燃料在催化劑中燃燒，以 提供放熱反應(yīng)，類似于柴油微粒過濾器的再生。
[0026] 但是，為了實(shí)現(xiàn)快速去硫（即，短時(shí)間的)，可望保持富條件連同催化劑的基本上穩(wěn) 定的(持久的）高溫。這是本工藝的目的。
[0027] 于是，本工藝涉及具有相關(guān)聯(lián)的氧化催化功能的NOx吸附器的脫硫（"deSOx"）的 工藝，其中脫硫工藝包括執(zhí)行在后燃料噴射，以通過放熱反應(yīng)調(diào)節(jié)溫度。
[0028] 將意識(shí)到，本工藝為了保持適于脫硫的目標(biāo)溫度而調(diào)整引入到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的空 氣流量和在后燃料量，以及為了無需切換地操作快速去硫而調(diào)整預(yù)定的富排出空氣/燃料 混合物。
[0029] 為此目的，本工藝基于以下確定了在后燃料量： ?所測(cè)量的空氣流量(一般由質(zhì)量傳感器16來測(cè)量）； ?與所需要的扭矩相對(duì)應(yīng)的燃料量；以及 ?在排出物中的預(yù)定的富AFR (拉姆達(dá)〈1)。
[0030] 同時(shí)，確定升高或維持LNT的溫度所需要的燃料量，計(jì)算目標(biāo)空氣流量，其對(duì)應(yīng)于 LNT加熱專用的燃料量和對(duì)扭矩有貢獻(xiàn)的燃料的理論配比燃燒所需要的空氣流量。
[0031] 參考圖3將更好地理解本deSOx的原理，其示出了不同燃料的貢獻(xiàn)。對(duì)于在一個(gè) 汽缸內(nèi)的給定的燃料噴射情況，噴射燃料數(shù)量4以提供所需要的扭矩，如根據(jù)各種常規(guī)法 則由E⑶確定的。
[0032] 在一定的操作條件下，已知地通過汽缸內(nèi)噴射(后期未燃燒噴射）或通過在排出管 中噴射而在排出物中添加燃料。本文中將在排出物中噴射燃料稱為"在后噴射"，而無論噴 射模式如何，但是氣缸內(nèi)的在后噴射是優(yōu)選的。因而，如此噴射的燃料稱為"在后燃料"。
[0033] 為了執(zhí)行LNT 20的脫硫，需要在后燃料用于加熱目的，且用于將空燃比(本文也 記為AFR)降低到脫硫目的所要求的水平。在圖3中，必是在后燃料量。込的憑借與氧化催 化材料的放熱反應(yīng)而對(duì)LNT的加熱有貢獻(xiàn)的部分被記為込（込的催化燃燒部分)。
[0034] 相反地，込表示在后燃料噴射込的未燃燒部分，其由于受控的空氣缺乏而 未在LNT中燃燒，從而僅用于在LNT中實(shí)現(xiàn)期望的空燃比。
[0035] 本deSOx工藝控制到汽缸的空氣流量，使得可得到用于燃燒對(duì)扭矩有貢獻(xiàn)的燃料 4和對(duì)LNT加熱有貢獻(xiàn)的在后燃料込的空氣。
[0036] 如將理解的，燃燒4和7込所必須的空氣的最小量是：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排出系統(tǒng)中的NOx吸附器的脫硫工藝，所述工藝包括活性階 段，所述活性階段包括 ： -基于所測(cè)量的空氣流量確定達(dá)到相對(duì)富的目標(biāo)排出空燃比所需要的在后 燃料量(込）； -確定通過放熱反應(yīng)在所述NOx吸附器內(nèi)達(dá)到或保持目標(biāo)脫硫溫度所需要的對(duì)加熱 有貢獻(xiàn)的燃料值（7込）； -計(jì)算目標(biāo)空氣流量d>V)，所述目標(biāo)空氣流量對(duì)應(yīng)于對(duì)扭矩有貢獻(xiàn)的主燃 料數(shù)量（0)連同所述對(duì)加熱有貢獻(xiàn)的燃料值（7込）的基本上理論配比燃燒所需要的空氣 流量； -使發(fā)動(dòng)機(jī)噴射所述在后燃料量(込）和所述主燃料數(shù)量(4)，同時(shí)控制空氣流量以滿 足所述目標(biāo)空氣流量)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述NOx吸附器具有相關(guān)聯(lián)的氧化催化功能，所 述NOx吸附器和所述氧化催化功能優(yōu)選地結(jié)合在相同的殼體內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其中，所述對(duì)加熱有貢獻(xiàn)的燃料值（/?込）相對(duì)于 在所述氧化催化功能中發(fā)生的放熱來確定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的工藝，其中，所述對(duì)加熱有貢獻(xiàn)的燃料值基于具有相關(guān)聯(lián) 的氧化催化功能的所述NOx吸附器的穩(wěn)態(tài)模型來確定。
5. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其中，所述目標(biāo)空氣流量通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥位 置、增壓壓力或排出氣體再循環(huán)閥位置中的一個(gè)或更多個(gè)來控制。
6. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其中，當(dāng)所述NOx吸附器中捕獲的硫質(zhì)量的 估計(jì)量超過預(yù)定義閾值時(shí)或者當(dāng)觀察到的NOx效率太低時(shí)，所述工藝被啟用。
7. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其中，所述活性階段在預(yù)定發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù) 載范圍中操作，所述發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載范圍優(yōu)選為1200到2500rpm和最大發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的 20% 到 50%。
8. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其中，排出空燃比借助于位于所述NOx吸附 器下游的氧氣傳感器以閉環(huán)來監(jiān)測(cè)，并且當(dāng)所測(cè)量的空燃比顯著地偏離所述相對(duì)富的目標(biāo) 排出空燃比)時(shí)，調(diào)整在后燃料量。
9. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其中，所述工藝在所述活性階段之前包括升 溫階段，其中，控制在后燃料以使所述NOx吸附器處于預(yù)定脫硫溫度范圍內(nèi)。
10. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其中，在所述NOx吸附器的溫度離開脫硫溫 度范圍以及/或者發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和/或速度離開預(yù)定范圍的情況下，所述活性階段被停用。
11. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其中，所述工藝基于脫硫指示器的狀態(tài)而停 用。
12. -種柴油內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排出系統(tǒng)，包括NOx吸附器和控制器，所述控制器構(gòu)造為操 作根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的用于NOx吸附器的脫硫工藝。
【文檔編號(hào)】F02D41/02GK104246185SQ201380018345
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月5日
【發(fā)明者】施密特 J., 米歇爾 E. 申請(qǐng)人:德爾福國(guó)際運(yùn)營(yíng)盧森堡有限公司