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CN110100079B - 排气净化系统 - Google Patents

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Abstract

为了根据运行情况更可靠地净化氮氧化物和氨，本发明提供了一种用于发动机(8)的排气净化系统，该排气净化系统包括：排气通道(4)，从发动机(8)的燃烧室延伸；以及排气净化单元，布置在排气通道(4)中并且被构造为净化排气通道(4)中的排气，该排气净化单元包括：载体(20)，布置在排气通道(4)中；第一净化器(A)，至少具有氧化排气中的组分的功能，该第一净化器(A)作为下层，覆盖载体(20)的外表面；和第二净化器(B)，具有通过使用吸留氨还原已在第一净化器(A)中被氧化的排气中的组分来净化排气的功能，第二净化器(B)包括叠加部分，作为上层，覆盖第一净化器(A)的外表面。

Description

排气净化系统
技术领域
本发明涉及一种用于净化发动机排气的排气净化系统。
背景技术
在汽油发动机中，三元催化剂用于许多布置在排气通道的中间部分的常规排气净化系统中。
三元催化剂能够使用含有贵金属如铂、钯和铑等材料，通过将烃氧化成水和二氧化碳、将一氧化碳氧化成二氧化碳、并将氮氧化物还原成氮，从排气中去除碳氢化合物(HC)，一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOX)。
已知排气净化系统包括多个催化装置，这些催化装置彼此并列地布置在排气通道中。例如，在下面标识的专利文献1中公开的排气净化系统包括位于发动机主体附近并且被构造为在早期阶段被活化的上游催化剂(接近催化剂)，以及位于该上游催化剂的下游的下游催化剂(下层催化剂)。
当氮氧化物还原为氮时，如果氮气过度还原，三元催化剂会产生氨(NH3)。氮的这种过度减少倾向于在发动机的高负荷区域中发生，例如在发动机加速期间。
如果在包括上游催化剂和下游催化剂的排气净化系统的上游催化剂中产生氨，则下游催化剂会氧化氨，从而再次产生氮氧化物。
因此，例如，下面标识的专利文献2提出在用于还原氮氧化物的后处理装置的下游提供，例如三元催化剂、用于吸附在后处理装置中产生的氨并且利用该吸附的氨净化氮氧化物的选择性催化还原装置。
现有技术文件
专利文件
专利文献1：JP 2002-263450A
专利文献2：JP 2008-62230A
发明内容
发明目的
根据专利文献2提出的技术方案，由氮氧化物产生的氨被吸附在下游侧的选择性催化还原装置中，使得氨不太可能被释放到大气中。然而，根据运行条件，产生的氨的量可能超过选择性催化还原装置处理氨的能力。产生的氨的量越大，由氨产生的氮氧化物的排放量越大。因此，需要一种能够更可靠地处理氮氧化物和氨的排气净化系统。
本发明的目的是提供一种能够更可靠地净化氮氧化物和氨的排气净化系统。
实现目的的手段
为了实现该目的，本发明提供一种用于具有燃烧室的发动机的排气净化系统，该排气净化系统包括：排气通道，排气通道从发动机的燃烧室延伸；以及排气净化单元，排气净化单元布置在排气通道中并且被构造为净化排气通道中的排气，排气净化单元包括：载体，载体布置在排气通道中；第一净化器，第一净化器至少具有氧化排气中的组分的功能，第一净化器作为下层、覆盖载体的外表面；和第二净化器，第二净化器具有通过使用被阻挡的的氨还原已在第一净化器中被氧化的排气中的组分来净化排气的功能，第二净化器包括叠加部分，叠加部分作为上层、覆盖第一净化器的外表面。
第二净化器可以进一步包括非叠加部分，非叠加部分位于第一净化器下游，并且覆盖载体的外表面。
叠加部分可以包括上游高温净化部分，上游高温净化部分具有第一活化温度，上游高温净化部分在第一活化温度下被活化，并且，非叠加部分可以包括下游低温净化部分，下游低温净化部分具有第二活化温度，下游低温净化部分在第二活化温度下被活化，第二活化温度低于第一活化温度。
非叠加部分可以进一步包括下游高温净化部分，下游高温净化部分布置在下游低温净化部分下方，下游高温净化部分具有第三活化温度，下游高温净化部分在第三活化温度下被活化，第三活化温度高于第二活化温度。
第一活化温度可以等于第三活化温度。
第一净化器可以包括三元催化剂层，而第二净化器可以包括选择性催化还原催化剂层。
上述的排气净化系统可以包括下游排气净化单元，并且，排气净化系统可以进一步包括上游排气净化单元，上游排气净化单元在排气通道中沿排气气流方向并列地布置在下游排气净化单元的上游。在该示例中，上游排气净化单元包括上述第一净化器，并且没有上述第二净化器。
排气净化系统可以进一步包括：氨检测器，氨检测器布置在第二净化器的上游，氨检测器被构造为获取关于流入第二净化器的氨的量的第一信息；氮氧化物检测器，氮氧化物检测器布置在第二净化器的下游，氮氧化物检测器被构造为获取关于氮氧化物的排放量的第二信息；以及发动机控制单元，发动机控制单元被构造为基于第一信息和第二信息，控制喷射到燃烧室内的燃料量和供给到燃烧室内的进气量。
本发明的优点
根据本发明，用于至少氧化排气中的组分的第一净化器作为下层、覆盖载体的外表面下层，而第二净化器包括叠加部分，叠加部分作为上层、覆盖第一净化器的外表面，使得第二净化器作为上层、能够净化作为下层的第一净化器中因氨的氧化而产生的氮氧化物。因此，排气净化系统能够有效地净化氮氧化物和氨。
附图说明
图1示意性地示出了体现本发明的用于发动机的排气净化系统。
图2是下游排气净化单元的平面图。
图3A是上游排气净化单元的局部放大剖视图；以及图3B是下游排气净化单元的局部放大剖视图。
图4A是下游排气净化单元的上游部分的立体图；以及图4B是下游排气净化装置的下游部分的立体图。
图5是示出催化剂的温度特性的曲线图。
图6是示出根据本发明的控制用于发动机的排气净化系统的方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例。图1示意性地示出了根据该实施例的用于发动机的排气净化系统的结构。
如图1所示，进气通道3和排气通道4连接到发动机8的燃烧室1，使得空气通过进气通道3供应到燃烧室1中。发动机8包括将燃料喷射到燃烧室1中的燃料喷射器2。来自燃烧室1的排气流过从燃烧室1延伸的排气通道4，经过被构造为从排气中去除有害物质并释放到大气中的上游排气净化单元10和下游排气净化单元11。
在进气通道3中，从上游到下游，有空气净化器、通过改变流动通道的截面积来控制进气流量的节流阀5以及用于检测进气量的空气流量传感器6。
在排气通道4中，从上游到下游，有机械增压器的涡轮7、上游排气净化单元10、下游排气净化单元11以及消声器(消音器)。
上游排气净化单元10是位于发动机8的燃烧室1附近并且相对更频繁地暴露于高温排气的接近催化剂。下游排气净化单元11是位于远离发动机8的燃烧室1并且相对较不频繁地暴露于高温排气的下层催化剂。
上游排气净化单元10包括上游催化剂容器12、布置在上游催化剂壳体12内的载体20以及覆盖载体20的外表面的第一净化器A。
载体20具有蜂窝结构，该蜂窝结构包括大量排气可以通过的单元的聚集体。载体20由具有热膨胀系数低和耐热冲击性高的结晶陶瓷材料制成(例如堇青石)。
如图3A所示，上游排气净化单元10的第一净化器A包括具有还原排气中的氮氧化物的功能的氮氧化物还原元件21。在该实施例中，氮氧化物还原元件21是三元催化剂层。
在三元催化剂层中，使用含有例如铂、钯和铑等贵金属的材料从排气中除去排气中含有的有害物质，即烃、一氧化碳和氮氧化物。特别是，烃被氧化为水和二氧化碳；一氧化碳被氧化为二氧化碳；氮氧化物被还原为氮。
下游排气净化单元11包括下游催化剂容器13、布置在下游催化剂容器13内的载体20以及第一净化器A和第二净化器B。下游排气净化单元11的载体20与上游排气净化单元10的载体20的结构、材料和形状相同。
下游排气净化单元11的第一净化器A至少具有氧化排气中的组分的功能。第二净化器B具有使用被阻挡的氨还原和净化第一净化器A中氧化的气体的功能。
与上游排气净化单元10的第一净化器A一样，下游排气净化单元11的第一净化器A包括氮氧化物还原元件21，氮氧化物还原元件21具有还原排气中的氮氧化物的功能。在该实施例中，氮氧化物还原元件21是三元催化剂层，并且下游排气净化单元11的第一净化器A至少具有氧化从上游流入的氨的功能。因此，三元催化剂层具有氧化和还原的功能。
在上游排气净化单元10的第一净化器A和下游排气净化单元11的第一净化器A中，特别是在加速期间，由于氮氧化物的过度还原而产生氨。下游排气净化单元11的第二净化器B具有在将排气释放到大气中之前、使在第一净化器A中产生的氨的再氧化产生的氮氧化物无害化的功能。在该实施例中，第二净化器B包括选择性催化还原催化剂层。
选择性催化还原催化剂层具有通过将氮氧化物还原为氮气来使通过第一净化器A之后由氨的氧化而产生的氮氧化物(下文称为“氨衍生的氮氧化物”)以及由于发动机内的燃烧产生的氮氧化物无害化的功能。
也就是说，第二净化器B一方面具有阻挡从上游流入第二净化器B的氨的功能。另一方面，如果氨由于氨的过度氧化而在第一净化器A中被转化为氮氧化物，则第二净化器B通过使氮氧化物与被阻挡的的氨反应来将这些氮氧化物还原为氮，从而净化排气。
如图3B所示，下游排气净化单元11的第一净化器A位于下游排气净化单元11的上游侧，并覆盖载体20的外表面，作为下层。第一净化器A延伸至下游排气净化单元11的整个长度的上游的一半区域。
下游排气净化单元11的第二净化器B包括覆盖第一净化器A的外表面的叠加部分C，作为上层，并且位于第一净化器A的下游(并且因此不重叠)并且覆盖载体20的外表面的部分D(部分D在下文中被称为“非叠加部分D”)。因此，叠加部分C延伸至下游排气净化单元11的整个长度的上游的一半区域，而非叠加部分D延伸其下游的一半区域。
第二净化器B的叠加部分C包括上游高温净化部分22，上游高温净化部分22在预定的第一活化温度下被活化。在图3B的示例中，叠加部分C仅由上游高温净化部分22组成，但是叠加部分C可以包括除上游高温净化部分22之外的一个或多个元件。
第二净化器B的非叠加部分D包括下游低温净化部分24，下游低温净化部分24在低于第一活化温度的第二活化温度下被活化。非叠加部分D还包括下游高温净化部分23，下游高温净化部分23在高于第二活化温度的第三活化温度下被活化。在所示的示例中，下游高温净化部分23位于更靠近载体20的表面并形成下层，而下游低温净化部分24覆盖下游高温净化部分23并形成上层。在图3B中，非叠加部分D仅由下游高温净化部分23和下游低温净化部分24组成，但非叠加部分D可以包括其他元件。
如上所述，上游排气净化单元10和下游排气净化单元11均包括第一净化器A，而仅下游侧排气净化单元11包括第二净化器B。下游排气净化单元11的第一净化器A位于其上游侧。
虽然具有第一活化温度的上游高温净化部分22和具有第三活化温度的下游高温净化部分23可以由彼此不同的材料制成，但在本实施例中，上游高温净化部分22和下游高温净化部分23由相同材料制成，因此具有相同的活化温度。如果上游高温净化部分22和下游高温净化部分23由不同材料制成，则优选地选择各种材料使得第一活化温度高于第三活化温度。
在该实施例中，第二净化器B的上游高温净化部分22和下游高温净化部分23是铁沸石(Fe-zeolite)催化剂，该铁沸石(Fe-zeolite)催化剂是具有相对高的活化温度的高温净化型催化剂，而下游低温净化部分24是铜沸石(Cu-zeolite)催化剂，铜沸石(Cu-zeolite)催化剂为具有相对低的活化温度的低温净化催化剂。
一般而言，沸石催化剂在特定温度范围内表现最佳。如图5的曲线图所示，第一活化温度(＝第三活化温度)(即对应于上游高温净化部分22的铁沸石(Fe-zeolite)催化剂的活化温度)高于第二活化温度(即对应于下游低温净化部分24的铜沸石(Cu-zeolite)催化剂的活化温度)。这里，“活化温度”是指每种催化剂能够执行所需净化功能的(最小)温度。即，在高于该活化温度的预定温度范围T1、T2内，每种催化剂能够执行所需的净化功能。
由于铜沸石(Cu-zeolite)催化剂(即，低温净化催化剂)布置在第二净化器B的下游侧，而铁沸石(Fe-zeolite)催化剂(即，高温净化催化剂)布置在第二净化器B的上游侧，因此，各催化剂能够有效地在排气温度从上游到下游逐渐减小的排气通道4中执行净化功能，从而减少氮氧化物的排放量。
通过制备含有贵金属的浆料作为主要成分、将载体20浸入浆料中、并干燥和烘焙浆料，可以在相应的载体20的表面上形成第一净化器A和第二净化器B的每个催化剂层。通过重复该过程，可以将多个催化剂层叠加在载体上。
如图1所示，氨检测器b在其位于下游排气净化单元11的上游(并且靠近入口)(即，第二净化器B的上游)的部分处被连接到排气通道4，以获取关于流入下游排气净化单元11的氨的量。氮氧化物检测器c在其位于下游排气净化单元11的下游(并且靠近出口)(即，净化器B的下游)的部分处被连接到排气通道4，以获取关于氮氧化物排放量的信息。氧气传感器d也在其位于下游排气净化单元11的下游的部分处被连接到排气通道4。
排气温度检测器a在其位于上游排气净化单元10的下游(并且靠近出口)的部分处被连接到排气通道4，以检测排气温度。排气温度检测器a可以设置(或者至少一个额外的排气温度检测器a可以被设置)在上游排气净化单元10的上游(并且靠近入口)、在下游排气净化单元11的上游(并且靠近入口)或者在下游排气净化单元11的下游(并且靠近出口)，而不是在该位置。
安装有上述发动机8的车辆包括控制进气阀和排气阀的电子控制单元30、燃料喷射器、以及用于控制发动机8的所有其他元件、以及所有其他车辆的电子控制元件。来自各种传感器的信息通过电缆被传输到电子控制单元30。
特别地，电子控制单元30包括发动机控制子单元31，发动机控制子单元31被构造为基于关于由氨检测器b检测到的流入下游排气净化单元11的氨的量的信息以及由氮氧化物检测器c检测到的关于氮氧化物排放量的信息来控制喷射到燃烧室1中的燃料量和供应至燃烧室1的空气量。
发动机控制子单元31执行如图6的流程图所示的控制(特别是在加速期间)，以控制在上游排气净化单元10中产生的氨的量，从而减少氮氧化物排放量。
特别地，电子控制单元30(发动机控制子单元31)在步骤S1中开始图6的控制；在步骤S2中，检测车辆的当前运行条件；在接下来的步骤S3中，检测上游排气净化单元10的三元催化剂层的温度和下游排气净化单元11的三元催化剂层和选择性催化还原催化剂层的温度。如果为三元催化剂层和选择性催化还原催化剂层中的相应催化剂层提供排气温度检测器a，则它们的温度由各自的温度检测器直接检测。如果，例如，仅使用一个排气温度检测器，则可以基于例如实验数据从仅由一个排气温度检测器a检测到的温度预估一些或所有催化剂层的温度。
在步骤S4中，电子控制单元30检测流入下游排气净化单元11的第二净化器B的氨量。该图可以从氨检测器b获取的信息预估，或者可选地，从关于车辆的运行条件的信息(例如，下游排气净化单元11中的排气温度或者空气/燃料比)中预估。
氨检测器b检测主要在上游排气净化单元10中产生的氨，并且因此，在下游排气净化单元11的第一净化器A中产生的氨的量不包括在由氨检测器b检测到的氨的量中。因此，可以基于例如实验数据，预估包括在下游排气净化单元11的第一净化器A中产生的氨的量的供应至第二净化器B的氨的总量。电子控制单元30可以被构造为基于来自氨检测器b的信息执行该预估。
如果在步骤S4中检测到的氨的量小于预定值，则电子控制单元30进入步骤S7，并重复上述循环。如果在步骤S4中检测到的氨的量等于或大于预定值，则电子控制单元30移动到步骤S5。
在步骤S5中，电子控制单元30测量在其位于下游排气净化单元11下游的部分处的排气通道4中的氮氧化物的量，并且如果如此测量到的氮氧化物的量小于预定值，则电子控制单元30进入步骤S7，并重复上述循环。如果在步骤S5中测量到的氮氧化物的量等于或大于预定值，则电子控制单元30进入步骤S6。
在步骤S6中，电子控制单元30执行控制以将氮氧化物排放量减少到小于预定值。考虑到特别是在加速过程中，由于氮氧化物转化为氨，氨衍生的氮氧化物在第一净化器A中增加，使得第二净化器B中的氮氧化物的量超过第二净化器B的去除氮氧化物的净化能力。
因此，在步骤6中，电子控制单元30通过控制空气/燃料比来减少氮氧化物和氨衍生的氮氧化物，以降低进气的空气/燃料比的浓缩程度。通过基于来自例如氧气传感器d和空气/燃料比传感器的信息调节反馈控制的中心位置，可以实现空气/燃料比的浓缩程度的降低。重复该控制，即重复进行步骤S1至S7，直到氮氧化物的量低于预定值。
在本实施例中，下游排气净化单元11的第一净化器A延伸至下游排气净化单元11的整个长度的上游的一半区域。第二净化器B的叠加部分C延伸至下游排气净化单元11的整个长度的上游的一半区域；并且第二净化器B的非叠加部分D延伸至下游排气净化单元11的整个长度的下游的一半区域。然而，这些部分的长度与下游排气净化单元11的整个长度的比率不限于上述值。例如，上述部分可以布置成使得下游排气净化单元11的第一净化器A延伸至下游排气净化单元11的整个长度的上游的三分之二区域；第二净化器B的叠加部分C延伸至下游排气净化单元11的整个长度的上游的三分之二区域；并且第二净化器B的非叠加部分D延伸至下游排气净化单元11的整个长度的下游的三分之一区域。为了确保下层催化剂的三元催化作用并减少氮氧化物的量，下游排气净化单元11的第一净化器A的长度优选地不小于下游排气净化单元11的整个长度的一半且不大于三分之二。
在该实施例中，第二净化器B的非叠加部分D包括作为下层的下游高温净化部分23和作为上层的下游低温净化部分24。然而，第二净化器B的非叠加部分D可以仅由下游高温净化部分23组成，或者可以仅由下游低温净化部分24组成。
在该实施例中，第二净化器B包括覆盖第一净化器A的外表面的叠加部分C，作为上层，以及其下方没有第一净化器A的费叠加部分D。然而，第二净化器B可以仅由叠加部分C组成。这种情况下，例如，第一净化器A可以延伸至下游排气净化单元11的整个长度，并且重叠部分C(即，整个第二净化器B)可以延伸至下游排气净化单元11的整个长度。
如果下游排气净化单元11的第一净化器A具有预定的处理能力，则可以省略具有其自有的第一净化器A的上游排气净化单元10。
尽管已经参考净化来自汽油发动机的排气描述了该实施例，但是本发明可应用于除汽油发动机之外的任何需要减少排气中的氮氧化物的发动机、以及从氮氧化物产生的氨的无害化。
附图标记和符号的描述
1.燃烧室
2.燃料喷射器
3.进气通道
4.排气通道
5.节流阀
6.空气流量传感器
7.增压器(涡轮)
8.发动机
10.上游排气净化单元(排气净化装置/接近催化剂)
11.下游排气净化单元(排气净化装置/下层催化剂)
12.上游催化剂容器
13.下游催化剂容器
20.载体
21.氮氧化物还原元素
22.上游高温净化部分
23.下游高温净化部分
24.下游低温净化部分
30.电子控制单元
31.发动机控制子单元
A.第一净化器(三元催化剂层)
B.第二净化器(选择性催化还原催化剂层)
C.叠加部分
D.非叠加部分
A.排气温度检测器
b.氨检测器
c.氮氧化物检测器
d.氧气传感器

Claims (7)

1.一种排气净化系统，用于具有燃烧室的发动机，其特征在于，所述排气净化系统包括：
排气通道，所述排气通道从发动机的燃烧室延伸；以及
上游侧排气净化单元和下游侧排气净化单元，所述上游侧排气净化单元和所述下游侧排气净化单元在所述排气通道中沿着排气气流方向并列地布置，并且被构造为净化所述排气通道中的排气，
所述上游侧排气净化单元包括作为具有还原排气中的氮氧化物的功能的氮氧化物还原元件的三元催化剂层，
所述下游侧排气净化单元包括：
第一净化器，所述第一净化器包括至少具有氧化所述排气中的组分的功能的三元催化剂层；和
第二净化器，所述第二净化器具有通过使用被阻挡的氨还原已在所述第一净化器中被氧化的气体来净化该气体的功能，
所述第一净化器作为下层，覆盖布置在所述排气通道中的载体的外表面，
所述第二净化器包括叠加部分，所述叠加部分作为上层，覆盖所述第一净化器的外表面的全长，
所述第二净化器还包括非叠加部分，所述非叠加部分位于所述第一净化器下游，并且覆盖所述载体的外表面。
2.根据权利要求1所述的排气净化系统，其特征在于，其中，所述叠加部分包括上游高温净化部分，所述上游高温净化部分具有第一活化温度，所述上游高温净化部分在所述第一活化温度下被活化，并且其中，所述非叠加部分包括下游低温净化部分，所述下游低温净化部分具有第二活化温度，所述下游低温净化部分在所述第二活化温度下被活化，所述第二活化温度低于第一活化温度。
3.根据权利要求2所述的排气净化系统，其特征在于，其中，所述非叠加部分还包括下游高温净化部分，所述下游高温净化部分布置在所述下游低温净化部分下方，所述下游高温净化部分具有第三活化温度，所述下游高温净化部分在所述第三活化温度下被活化，所述第三活化温度高于所述第二活化温度。
4.根据权利要求3所述的排气净化系统，其特征在于，其中，所述第一活化温度等于所述第三活化温度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的排气净化系统，其特征在于，其中，所述第二净化器包括选择性催化还原催化剂层。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的排气净化系统，其特征在于，其中，所述上游排气净化单元至少具有氧化所述排气中的组分的功能，并且不具有通过使用被阻挡的氨还原被氧化的气体来净化该气体的功能。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的排气净化系统，其特征在于，还包括：
氨检测器，所述氨检测器布置在所述第二净化器的上游，所述氨检测器被构造为获取关于流入所述第二净化器的氨的量的第一信息；
氮氧化物检测器，所述氮氧化物检测器布置在所述第二净化器的下游，所述氮氧化物检测器被构造为获取关于氮氧化物的排放量的第二信息；以及
发动机控制单元，所述发动机控制单元被构造为基于所述第一信息和所述第二信息，控制喷射到所述燃烧室内的燃料量和供给到所述燃烧室内的进气量。
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